DE3709073A1 - Implantierbares medizinisches geraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein implantierbares medizinisches Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Solche Geräte zur Einflußnahme auf Körperfunktionen eines Patienten sind z. B. Herzschrittmacher, Infusionspumpen, Defibrillatoren etc.

Eine Übersicht über die "Therapie mit frequenzadaptiven Herzschrittmachern" findet sich in dem gleichbetitelten Aufsatz von E. Alt et al., veröffentlicht in der Zeitschrift "Herz/Kreislauf" 18, Heft 11/86, Seiten 556 bis 564. Ein Abschnitt, beginnend auf Seite 560, ist frequenzadaptiven Herzschrittmachern gewidmet, bei denen die Stimulationsfrequenz aufgrund der Messung der Körper­ aktivität gesteuert wird. Hier ist ein im Schrittmacher befindlicher Aktivitätssensor, und zwar ein piezoelektri­ scher Beschleunigungsaufnehmer vorgesehen, der die bei körperlichen Belastungen auftretenden Erschütterungen, Beschleunigungen und Schwingungen aufnimmt. In Abhängig­ keit von der Höhe der auftretenden Vibrationen, die im menschlichen Körper fortgeleitet werden, wird dann eine Anpassung der Stimulationsfrequenz vorgenommen. Ein solcher Herzschrittmacher kann zwar schnell auf Belastun­ gen des Herzschrittmacherträgers ansprechen, zeigt jedoch andere Nachteile, insbesondere hinsichtlich einer adäqua­ ten Erhöhung der Stimulationsfrequenz bei einer fortdau­ ernden weiteren Erhöhung der Belastung und auch hinsicht­ lich unterschiedlicher körperlicher Aktivitäten gleicher Belastungsintensität.

Ein weiteres Problem zur möglichst patientengenehmen Anpassung der Stimulationsfrequenz stellt die Frage eines situationsadäquaten Frequenzverhaltens des Herz­ schrittmachers bei Ruhe des Herzschrittmacherträgers oder bei einer Änderung des Ruheverhaltens dar. So verläuft z. B. während des Schlafes des Herzschrittmacherträgers dessen Stoffwechsel verlangsamt. Bei aktivitätsgesteuer­ ten Herzschrittmachern wird das nicht berücksichtigt, nicht zuletzt deswegen, weil die Auslegung solcher und auch anderer bekannter Herzschrittmacher bisher praktisch nur auf einen belastungsbedingten Anstieg der Herzfre­ quenz gerichtet war. Es gibt zwar Herzschrittmacher, die repräsentative Parameter des Stoffwechsels zur Steuerung der Stimulationsfrequenz benutzen, so z.B. als Parameter die Atemfrequenz, die Sauerstoffsättigung des Blutes etc. Diese Herzschrittmacher benötigen jedoch Meßwerte, die außerhalb des Herzschrittmachers durch separate Sensoren gemessen werden. Außerdem ist hiermit z.B. nicht die sogenannte Orthostase-Reaktion eines Gesunden nachvoll­ ziehbar. Diese tritt bei einem Gesunden dann auf, wenn er aus einer Ruhesituation, z.B. aus dem Liegen oder Sitzen aufsteht, und resultiert in einem raschen kompensatori­ schen Anstieg der Herzfrequenz. Im Liegen ist der venöse Rückstrom zum Herzen von der unteren Extremität des Körpers her leicht gewährleistet. Steht der Herzschritt­ macherträger auf, so sinkt das Blut schwerkraftbedingt nach unten in Richtung der Beine. Dies führt aufgrund des geringeren Blutrückstroms zu einer Verringerung des Schlagvolumens des Herzen. Bei einem Gesunden wird dies durch eine reflexartige Erhöhung der Herzfrequenz kompen­ siert. Mit Herzschrittmachern bisheriger Art war diese prompte Reaktion nicht gewährleistet.

Trotzdem kann es im Einzelfall bei manchen Patienten bei einem Lagewechsel zu einem dramatischen Blutdruckabfall kommen, der durch Implantation eines Herzschrittmachers allein nicht zu beeinflussen ist. In solchen Fällen werden üblicherweise ständig kreislaufstützende Medika­ mente gegeben. Es wäre wünschenswert, die Gabe dieser Mittel z.B. auf ein zeitlich notwendiges Maß zu beschränken und nur in gegebenen Fällen etwa mittels einer kleinen Medikamente verabreichenden Infusionspumpe zu applizieren.

Weiterhin hat die Position eines Patienten wie schon erwähnt einen erheblichen Einfluß auf das Schlagvolumen des Herzens. Aus diesen Gründen gestaltet sich die Ermittlung der Stimulationsfrequenz anhand einer Messung des Schlagvolumens schwierig. Daher wäre auch eine zuverlässige Interpredation der gemessenen Werte des Schlagvolumens wünschenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein implantier­ bares medizinisches Gerät anzugeben, mit dem auf einfache Weise ein Kriterium zur Einflußnahme auf physiologische Körperfunktionen bei obigen und anderen Problemen ermit­ telt werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß liegt der Grundgedanke der Erfindung darin, den Einfluß der Schwerkraft auf eine bewegliche Masse mit einem Lage- und/oder Bewegungssensor in Verbindung mit dem implantierbaren Gerät dazu zu benutzen, um die Position des Patienten zu bestimmen und die logischen Entscheidungen des implantierbaren Gerätes hinsichtlich der Einflußnahme auf die Körperfunktion entsprechend zu beeinflussen.

Mit einem solchen Lage- und/oder Bewegungssensor kann eindeutig die Position bzw. räumliche Lage des Patienten und dessen Bewegungszustand ermittelt werden. Die Signale des Sensors können entweder direkt zur Steuerung der physiologischen Körperfunktion oder zur Bewertung einer solchen Steuerung mit Hilfe eines anderen Parameters dienen.

Wird das Gerät gemäß der Erfindung z.B. als Herzschritt­ macher eingesetzt, so kann erkannt werden, ob sich der Herzschrittmacherträger in Ruhe befindet, und zwar mit einer Unterscheidungsmöglichkeit hinsichtlich Liegen oder Sitzen, oder ob sich der Herzschrittmacher bewegt und in welchem Bewegungszustand er sich befindet.

Die vom Sensor in diesen Situationen abgebenen Ausgangs­ signale können dann entsprechend unterschiedlich bewertet und zu einer adäquaten Antwort der Stimulationsfrequenz herangezogen werden.

Es ist im übrigen möglich, einen derart ausgebildeten Herzschrittmacher zusätzlich mit einem anderen, z.B. stoffwechselabhängigem Parameter zu steuern und beide Parameter zur gegenseitigen Kontrolle zu verwenden.

Auch für die anderen oben erwähnten und ähnliche Ziele kann das Gerät gemäß der Erfindung eingesetzt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel in Verbindung mit einem Herzschrittmacher anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht eines Herzschrittmachers gemäß der Erfindung mit einem darin eingebauten Lage- und Bewegungs­ sensor;

Fig. 2 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Lage- und Bewegungssensors gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische teilweise geschnittene per­ spektivische Ansicht des Bewegungssensors;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltdiagramm für den Herzschrittmacher mit einem Lage- und Bewegungs­ sensor gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein schematisches Kennliniendiagramm zur Steue­ rung der Stimulationsfrequenz mit einem Herz­ schrittmacher gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Herzschrittmacher 1 mit einem Gehäuse 2 gezeigt, in dem die gesamte Elektronik gemäß Fig. 4 und ein Lage- und Bewegungssensor 3 eingebaut ist. Mit einem Stecker 4 des Herzschrittmacher­ gehäuses ist eine Sonde 5 verbunden, an deren Spitze eine Stimulationselektrode 6 vorgesehen ist.

Der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Lage- und Bewegungssen­ sor 3 weist ein Gehäuse 7 mit einem kreisscheibenförmigen Boden 8 aus Glas und einem darüber gestülpten Deckel 9 aus elektrisch leitendem Material auf. Im Inneren wird zwischen Boden und Deckel eine Kammer 10 gebildet, wobei der Kammerboden eine Lauffläche 11 für eine Quecksilber­ kugel 12 darstellt. Durch den Glasboden 8 ragen in das Innere der Kammer 11 um den Umfang verteilt mehrere, in diesem Falle 12 Kontaktstifte 13, die mit dem Pluspol einer in dem Gehäuse 2 des Herzschrittmachers 1 angeord­ neten Batterie 14 verbunden sind. Der elektrisch leitende Deckel 9 des Bewegungsensors 3 ist mit Masse verbunden.

Die Lauffläche 11 des Glasbodens 8 und der Deckel 9 des Bewegungssensors sind so geformt, daß die Quecksilberkugel 12 in einem mittleren Bereich A (Fig. 3), in dem keine Kontaktstifte vorgesehen sind, keinen Kontaktstift und auch nicht den elektrisch leitenden Deckel 9 berührt. Sobald die Quecksilberkugel in Richtung auf den Außenum­ fang der Lauffläche 11 läuft, wird eine elektrische Verbindung zwischen zumindest einem Kontaktstift 13 und dem elektrisch leitenden Deckel 9 hergestellt, sofern die Quecksilberkugel 12 einen Kontaktstift berührt. Liegt sie in diesem Außenbereich zwischen zwei Kontaktstiften, so wird keine elektrische Verbindung zwischen dem Pluspol der Batterie und Masse hergestellt. Die Quecksilberkugel kann jedoch so groß sein, daß sie zumindest immer einen und bei ihrer Bewegung auch zwei Kontaktstifte berührt.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Kontaktstifte 13 jeweils mehreren einzelnen Sektoren, in diesem Falle vier Sektoren B, C, D und E zugeordnet. Die Anzahl dieser Sektoren und deren Aufteilung auf die einzelnen Kontakt­ stifte 13 wird entsprechend den weiter unten genannten Anforderungen an eine adäquate Frequenzantwort des Herzschrittmachers bewertet.

In dem Herzschrittmachergehäuse 2, vgl. Fig. 4, sind neben der Batterie 14 und dem Bewegungssensor 3 noch eine Auswerteschaltung 15, ein Speicher 16, eine Logik 17 und ein Impulsgenerator 18 vorgesehen. Die Kontaktstifte 13 des Bewegungssensors 3 sind mit einzelnen Eingängen der Auswerteschaltung 15 verbunden, wobei hier ebenfalls eine Einteilung nach den Sektoren erfolgt, wie dieses durch die entsprechenden Buchstaben B, C, D und E angedeutet ist. Die Auswerteschaltung ist über eine bidirektionale Datenleitung mit der Logik 17 verbunden, ebenso der Speicher 16. Über diese bidirektionalen Datenleitungen können Vorgaben in die Auswerteschaltung 15 und in den Speicher 16 eingegeben werden. Die Logik 17 steuert den Impulsgenerator 18, der entsprechend der Auswertung Stimulationsimpulse an die Stimulationselektrode 6 lie­ fert. Die Batterie 14 versorgt die entsprechenden Bauelemente.

Der Bewegungssensor 3 ist in dem Herzschrittmachergehäuse 2 und dieses in dem Körper eines Herzschrittmacherträgers so eingebaut, daß die Ausgangssignale des Bewegungssen­ sors einmal lageabhängig und zum anderen hinsichtlich der Anzahl und Frequenz der Öffnungs- und Schließvorgänge zwischen der Quecksilberkugel 12 und den einzelnen Kontaktstiften 13 sowie dem Deckel 9 bewertet werden können. Ebenso ist eine Bewertung hinsichtlich der Amplitude der Bewegung der Quecksilberkugel 12 möglich.

Der Einbau des Bewegungssensors 3 und des Herzschrittma­ chergehäuses 2 erfolgt z.B. so, daß sich beim Liegen des Patienten die Quecksilberkugel 12 im Bereich A auf der Lauffläche 11 befindet. Hier kann innerhalb der Laufflä­ che noch eine Mulde vorgesehen sein. In diesem Falle erscheint an keinem der Kontaktstifte ein Ausgangssignal. Die Herzfrequenz wird dann entsprechend Fig. 5 auf einen niedrigen Wert entsprechend "Ruhe Liegen" eingestellt.

Durch die Einteilung der Lauffläche 11 in einzelne Sektoren ist es dabei auch möglich, andere übliche Liegelagen des Herzschrittmachers z.B. während des Schlafes zu berücksichtigen, in denen sich z.B. die Quecksilberkugel 12 innerhalb der Sektoren B und C befindet. Auch in diesem Falle wird die Herzfrequenz entsprechend dieses ersten Kennlinienabschnittes "Ruhe Liegen" auf einem niedrigen Wert gehalten, und zwar unabhängig davon, ob ein elektrischer Kontakt zwischen einem Kontaktstift 13 und dem Deckel 9 hergestellt wird oder nicht, sofern kein Öffnungs- und Schließvorgang erfolgt oder nur eine sehr geringe Anzahl. Für den gegebenen Fall, daß sich der Herzschrittmacher aus seiner vorgegebenen Lage herausdreht, ist die Möglichkeit der Rakalibrierung der Lage mittels nichtinvasiver Program­ mierung vorgesehen.

Erhebt sich der Herzschrittmacher aus der liegenden Lage, z.B. in die Lage "Ruhe Sitzen" oder "Ruhe Stehen", so gelangt aufgrund des Einbaus des Bewegungssensors in dem Herzschrittmachergehäuses die Quecksilberkugel 12 auf­ grund der Schwerkraft in einen der unteren Sektoren E oder D. Hierdurch wird die Stimulationsfrequenz entspre­ chend Fig. 5 z.B. um 15 Schläge pro Minute angehoben. Diese Frequenzanhebung entspricht der oben erwähnten Orthostase-Reaktion eines gesunden Menschen.

Führt der Herzschrittmacher anschließend aus dieser stehenden Position eine Bewegung aus, z.B. Gehen, Treppensteigen oder Laufen, so wird sich je nach dem tatsächlichen Bewegungszustand die Quecksilberkugel 12 mehr oder minder schnell auf der Lauffläche 11 hin und her bewegen, wobei bei dieser Pendelbewegung Kontakte zwischen den einzelnen Kontaktstiften 13 und dem Deckel 9 mehr oder minder häufig geschlossen werden. Die Anzahl dieser Öffnungs- und Schließvorgänge, ebenso deren Richtung entsprechend der Bewegungsrichtung der Quecksil­ berkugel 12 auf der Lauffläche 1 und auch deren Amplitude können mit Hilfe der Auswerteschaltung 15 entsprechend der Vorgaben der Logik 17 ermittelt werden. Die Signale der Auswerteschaltung können auch dem Speicher 16 zugeführt und dort etwa im Hinblick auf die Dauer der Belastung abgelegt werden.

Mit Hilfe der Unterteilung der Lauffläche 11 des Bewegungssensors in einzelne Sektoren und der Auswertung der Ausgangssignale des Bewegungssensors hinsichtlich Anzahl und Frequenz der Öffnungs- und Schließvorgänge sowie hinsichtlich der Amplitude der Pendelbewegung der Quecksilberkugel 12 gelingt es, nicht nur Ruhepositionen eines Herzschrittmacherträgers differenziert zu unter­ scheiden, sondern auch unterschiedliche Arten von körper­ lichen Betätigungen, so z.B. Aufstehen, Gehen, Treppen­ steigen, Radfahren, etc.

Durch diese Auswertung können Ruhepositionen und Bela­ stungssituationen adäquat mit einer entsprechenden Fre­ quenzantwort beantwortet werden; Bewegungen und Belastun­ gen werden ebenfalls anhand der beschriebenen Auswertung erkannt und unterschieden und mit einer entsprechenden Frequenzantwort beantwortet. In Fig. 5 sind drei Fre­ quenzantworten für unterschiedliche Bewegungs- oder Belastungszustände mit jeweils höheren Frequenzantworten dargestellt. Der Übergang zu einer höheren Frequenzant­ wort kann zeitgesteuert und/oder durch die Signale des Bewegungssensors selbst gesteuert werden. Sie können auch kontinuierlich ineinander übergehen. Die angegebenen Kennlinien sind beispielhaft.

Je nach Dauer der durch eine Aktivität bedingten Belastung des Herzschrittmacherträgers wird nach Ende der Belastung der Herzschrittmacher wieder in Richtung auf eine Ruhefrequenz zurückgeführt. Diese Rückführung wird programmiert durch die Logik 17 gesteuert, wobei vorzugs­ weise die Rückführung um so langsamer erfolgt, je länger die vorherige Belastung gedauert hat und je intensiver diese war. Dies ist schematisch durch die gepunkteten abfallenden Kennlinien im Bereich "Rückführung" gemäß Fig. 5 angedeutet, die mit zunehmender Dauer der vorhergehenden Belastung flacher in Richtung auf die Ruhefrequenz verlaufen. Vorzugsweise fällt die Stimula­ tionsfrequenz nach Ende der Belastung initial rascher, später langsamer ab.

Claims (9)

1. Implantierbares medizinisches Gerät zur Einflußnahme auf Körperfunktionen eines Patienten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einfluß der Schwerkraft auf eine bewegliche Masse (12) in Verbindung mit dem implan­ tierbaren Gerät (1) dazu benutzt wird, um die Position des Patienten zu bestimmen und die logischen Entschei­ dungen des implantierbaren Gerätes (1) hinsichtlich der Einflußnahme auf die Körperfunktion entsprechend zu beeinflussen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Schwerkraft auf die bewegliche Masse (12) dazu benutzt wird, die logischen Entscheidungen zu beeinflussen, die aufgrund eines oder weiterer zusätz­ licher physiologischer Parameter in Verbindung mit dem implantierbaren Gerät (1) getroffen werden.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Schwerkraft und zusätzlicher bewegungsinduzierter Kräfte auf die bewegliche Masse (12) zur Funktionssteuerung des implantierbaren Gerä­ tes (1) benutzt werden.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich bewegungsinduzierten Kräfte in Abhängigkeit der Position des Patienten eine unterschiedliche Wertung erfahren.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere frequenzvariabler Herzschrittmacher mit einer Steuervorrichtung zum Anpassen der Stimula­ tionsfrequenz des Herzschrittmachers an die kreislauf­ mäßigen Bedürfnisse des Organismus eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Schwer­ kraft und/oder zusätzlicher bewegungsinduzierter Kräfte auf die bewegliche Masse (12) zur Ermittlung einer geeigneten Stimulationsfrequenz herangezogen werden.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Masse (12) in einem Gehäuse (7) mit einer Lauffläche (11) angeordnet ist, auf der Einzelsensoren (13) vorgesehen sind, und daß die Einzelsensoren (13) mit einer Auswerteschaltung (15) verbunden sind, die in Abhängigkeit der Lage und/oder Lageänderungen der beweglichen Masse (12) auf der Lauffläche (11) Steuersignale liefern.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (11) in einzelne Bereiche oder Sektoren (A bis E) unterteilt ist, und daß die Einzelsensoren (13) jedes Bereiches bzw. Sektors mit unterschiedlichen Eingängen (B bis E) der Auswerteschaltung (15) verbunden sind.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsensoren (13) an eine Spannungsquelle (14) angeschlossene Kontaktelemente (13) sind und die bewegliche Masse (12) aus elektrisch leiten­ dem Material ist, die lage- und/oder bewegungsabhän­ gig bei der Berührung mit zumindest einem Kontaktele­ ment (13) diese Kontaktelemente mit der Spannungs­ quelle (14) elektrisch verbindet oder bei Nichtberüh­ rung mit einem Kontaktelement (13) dieses von der Spannungsquelle (14) trennt.

9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ schaltung (15) die Bewegungen der beweglichen Masse (12) hinsichtlich Anzahl und Frequenz der Ausgangssignale der Einzelsensoren (13) und hinsicht­ lich der durch die Ausgangssignale gegebenen Amplitu­ den der Bewegungen der beweglichen Masse (12) auswertet.