DE3715822A1 - Verfahren zur automatischen kardioversion und kardioversions-system - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kardioversions-System gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur auto­ matischen Kardioversion gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein implan­ tierbares Kardioversions- oder Defibrillator-System, wo­ mit ein Impuls hoher Energie dem Herzen eines Patienten zugeführt werden kann. Der Impuls hoher Energie ist dabei hochfrequenzmäßig zerhackt, so daß er ein Wellenpaket auf­ weist, das aus einer Vielzahl hochfrequenter kardiover­ tierender Impulse besteht.

In den zurückliegenden Jahren wurde ein wesentlicher Fort­ schritt bei der Entwicklung von Kardioversions-Techniken im Hinblick auf eine effektive, auch die Defibrillation umfassende, Kardioversion verschiedener Herzstörungen, Un­ regelmäßigkeiten und Arrhythmien gemacht. Die zurücklie­ genden Bemühungen haben zur Entwicklung implantierbarer elektronischer Defibrillatoren geführt, die als Antwort auf das Feststellen eines abnormalen kardialen Rhythmus eine hinreichend hohe Energie über Elektroden abgeben, die mit dem Herzen verbunden sind, um das Herz zu depola­ risieren und in den normalen Herzrhythmus wieder zurückzu­ führen.

Die Begriffe der "Kardiovertierung" oder "Kardioversion", wie sie hierin benutzt werden, umfassen auch die Korrek­ tur einer Anzahl arrhythmischer Herzzustände, wobei dies letal, also mit tödlichem Ausgang, oder nicht letal sein kann. Diese arrhythmischen Herzverhältnisse umfassen bei­ spielsweise das Atrium betreffende Tachykardie, das At­ rium betreffendes Flattern, atriales Flimmern, eine Ver­ bindung, z.B. anatomischer Art dieser Rhythmen, das Ven­ triculum betreffende Tachykardie, ventrikuläres Flattern, ventrikuläres Flimmern und jegliche andere, nicht auf einen Schrittmacher zurückzuführende arrhythmische Zustän­ de, die durch Anwendung und Zuführung elektrischer Schocks zum Herzen korrigiert werden können. Der Begriff "Defibril­ lation" wird vom Begriff "Kardioversion" im Sinne eines Verfahrens umfaßt, bei dem das Herz mit elektrischen Schocks behandelt wird, um ein flimmerndes Atrium oder flimmernde Ventrikel zu defibrillieren.

Implantierbare Kardioversions-Systeme gemäß dem Stand der Technik umfassen typischerweise die Ermittlung eines Arrhythmie-Zustandes, was wiederum die Entladung einer auf­ geladenen Kapazität über eine Inverter-Schaltung (oder eine DC-zu-DC-Konverter-Schaltung) initiiert. Hierzu wird bei­ spielsweise auf das US-Patent Nr. 41 64 946 hingewiesen, das auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde. Nachdem der Speicher-Kondensator aufgeladen ist und fest­ gelegt worden ist, daß ein kardiovertierender oder de­ fibrillierender Schock im Sinne eines Elektroschocks dem Patientenherzen über implantierbare Elektroden zugeführt werden muß, wird der Kondensator über die implantierten Elektroden verbunden und die Kondensatorspannung darüber angelegt. Die Kondensatorentladung bewirkt dabei einen einzigen Impuls mit hoher Spannung, wobei dieser in der Form einer exponentiell-abklingenden Wellenform über die Elektroden auftritt und auf bzw. durch das Gewebe des Herzens gegeben wird, um das Herz zu depolarisieren.

Der in einem derartigen Kardioversions-System abgegebene Impuls mit hoher Energie ist ein einziger DC-Impuls (Gleichstrom-Impuls), so daß aus diesem Grund die Impe­ danz des Herzens im wesentlichen eine Funktion der Gleich­ strom-Impedanz-Komponente (DC) oder des Widerstandes des Herzens ist. Die Herz-Impedanz ist im Hinblick auf einen einzigen Gleichspannungsimpuls, der dem Herzen zugeführt ist, relativ niedrig und gleichförmig, weshalb der Impuls nicht optimal ganz durch bzw. über das ganze Herz gegeben bzw. verteilt werden kann, sondern dies vielmehr in einem relativ lokalisierten Bereich des Herzens ge­ schieht.

Als Ergebnis davon muß man, um einen größeren Bereich des Herzens zu depolarisieren und ohne die Elektroden-Geometrie zu verändern, höhere Energien anwenden, die für implantier­ te Apparate inhärente bzw. systembedingte Grenzen haben.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kardioversions- System, das die exponentiell-abklingende Wellenform, die auf die implantierten Elektroden gegeben wird, zerhackt oder aufbricht bzw. in kurze Impulsspitzen unterteilt, wo­ bei dies mit einer hohen Frequenz von vorzugsweise größer 1 kHz geschieht. Zwischen dem Speicherkondensator und den implantierbaren Elektroden ist in Reihe ein elektronischer Schalter vorgesehen, wobei ein Taktsignal dem Schalter zu­ geführt wird, um diesen zu öffnen und zu schließen, wobei dies mit hoher Frequenz erfolgt. Als Resultat davon umfaßt der Impuls, der dem Herzen zugeführt wird, ein einziges Wellenpaket, das aus einer Vielzahl hochfrequenter kardio­ vertierender Impulse gebildet ist.

Die Erfindung berücksichtigt, daß die Impedanz des Herzge­ webes (aufgrund des Myokards, des Fettes und des Blutes) sich bei unterschiedlichen Frequenzen verändert. Bei hohen Frequenzen sind die Impedanzen der unterschiedlichen Be­ standteile und Komponenten des Herzgewebes verschieden wobei Bereiche mit hoher Impedanz und Bereiche mit nie­ driger Impedanz über und durch das Herz verstreut auftre­ ten. Als Ergebnis davon stellt man fest, daß bei pulsar­ tiger Beaufschlagung des Herzens mit hochfrequenten Im­ pulsen, die Energie durch und über das ganze Herz ver­ teilt wird, so daß eine niedrigere Energie für eine effek­ tive Kardioversion erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und ein Kardioversions-System vorzusehen, das Arrhythmien feststellt und das Herz des Patienten durch Abstrahlung eines Wellenpaketes, das durch eine Vielzahl hochfrequenter Impulse gebildet ist, wobei die Impulse über die implantierten bzw. implantierbaren Elektroden gelei­ tet werden, kardiovertiert wird.

Des weiteren kann es als ein Ziel der Erfindung angesehen werden, hochfrequente Impulse dem Patientenherzen durch Zerhackung der exponentiell-abklingenden Wellenform mit hoher Frequenz zuzuführen. Das Zerhacken wird dabei durch einen elektronischen Schalter bewirkt, der mit einer hohen Frequenz, die vorzugsweise größer als 1 kHz ist, unter­ brochen bzw. gesteuert wird.

Die vorgenannte Aufgabe und auch die Zielsetzung werden gemäß der Erfindung durch die Merkmale der kennzeichenden Teile des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeich­ nungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines er­ findungsgemäßen Kardioversions-Systems und

Fig. 2 die exponentiell abklingenden Wellenformen nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Kardioversions-System gemäß der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Das System umfaßt eine An­ zahl von Schaltelementen und Blöcken, die auch in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 4 78 038, die am 23. März 1983 angemeldet worden war, beschrieben sind und die auf Imran et al. lautet und auf den gleichen In­ haber wie die vorliegende Anmeldung übertragen ist. Auf die letztgenannte US-Patentanmeldung wird hiermit ausdrück­ lich Bezug genommen. Diese ist als US-Patent 46 14 192 am 30. September 1986 erteilt worden.

Ein Arrhythmie-Detektor 2 ist mit implantierten bzw. im­ plantierbaren Elektroden, die nicht dargestellt sind, ver­ bunden. Diese Elektroden sind wiederum mit dem Herzen des Patienten verbunden. Der Arrhythmie-Detektor 2 ist in der Lage, einen arrhythmischen Zustand festzustellen und darauf­ hin ein INVST-Ausgangssignal zu erzeugen. Der Arrhythmie- Detektor 2 kann eine Detektorschaltung zur Ermittlung des Herzschlag-Verhältnisses und eine Schaltung zur Festlegung einer Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion (PDF; Probability Density Function) aufweisen. Die vorgenannten Schaltungen arbeiten derart, daß, wenn der Pulsschlag bzw. das Herz­ schlag-Verhältnis eine vorbestimmte Schwelle überschreitet und die Bedingungen der Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funk­ tion erfüllt sind das INVST-Signal einem Hochspannungs­ wandler- und Steuerschaltkreis 4 zugeleitet wird. Die das Herzschlag-Verhältnis analysierenden Schaltungen und die PDF-Schaltung sind in der parallel anhängigen Anmeldung von Imran et al. beschrieben. Es dürfte einleuchtend sein, daß auch andere Schaltungen bzw. Abläufe zur Ermittlung einer Arrhythmie eingesetzt werden können, um ein Start­ signal (oder INVST-Signal) auf einen Hochspannungswand­ ler 4 zu geben.

Der Hochspannungswandler 4, der auch als DC-/DC-Wandler bekannt ist, ist eine herkömmliche Baugruppe, die im Be­ reich der implantierbaren Defibrillatoren hinreichend be­ kannt ist. Bezug genommen wird hierbei beispielsweise auf das US-Patent Nr. 41 64 946, das einen DC-/DC-Wandler bzw. Konverter, der als Baugruppe 30 in diesem Patent bezeich­ net ist, beschreibt. Bei Empfang des INVST-Signals lädt der Hochspannungswandler 4 einen internen Speicherkonden­ sator 6 mit Energie bis zu einem vorgegebenen Niveau. Bei Aufnahme seiner Funktion nach Erhalt des INVST-Signals beginnt der Hochspannungswandler 4 den Kondensator 6 zu beaufschlagen oder zu laden und gibt ein INV-Betriebssig­ nal über bzw. auf ein logisches Wandlerelement 8, das mit dem Eingang eines UND-Gatters 10 verbunden ist.

Das UND-Gatter 10 hat zwei zusätzliche Eingänge. Der Ein­ gang 12 kommt von einem R-Wellen-Detektor, wie es in der parallel anhängigen Anmeldung beschrieben ist. Bei Ermitt­ lung jeder R-Welle bzw. jedes R-Zackens wird ein Signal auf den Eingang 12 des UND-Gatters 10 gegeben. Ein anderer Eingang 13 des UND-Gatters 10 kommt von einem Flip-Flop 14, das nach Empfang des INVST-Signals vom Arrhythmie-Detektor 2 gesetzt wird. Das Flip-Flop 14 wird durch den Empfang eines CT-Signals zurückgesetzt, wie es nachfolgend noch beschrieben ist.

Bei Feststellung eines Arrhythmie-Zustandes und der Aus­ lösung eines INVST-Signals beginnt der Hochspannungswandler 4 seinen Betrieb und gibt ein INV-Betriebssignal, das durch das logische Element 8 invertiert wird, ab, um ein Eingangssignal mit niedrigem Pegel auf das UND-Gatter 10 zu geben. Wenn der Wandler 4 seinen Betrieb stoppt, d.h. bei Beendigung der Aufladung des Speicherkondensators 6, geht der Ausgang des invertierenden Logikelementes 8 auf einen hohen Pegel über. Eine auf den Eingang 12 des UND- Gatters 10 nachfolgend gegebene R-Welle bewirkt daher eine Impuls-Abgabe, wobei dieser Impuls über ein geeignetes, impulsformendes RC-Netzwerk 16 und einen Puffer 18 zu einem Transistor 20 gegeben wird. Der Transistor 20 wird dadurch angesteuert bzw. geöffnet und ein Trigger-Impuls (TRIG) für den Patienten über eine Leitung 22 zum Zünden eines SCR 24, z.B. eines Thyristors, gegeben. Nach dem Zün­ den des SCR 24 ist der vollaufgeladene Kondensator 6 dann in der Lage, über die Anschlüsse 26, die mit den Elektro­ den, die nicht dargestellt sind und die mit dem Herzen des Patienten verbunden sind, eine Entladung durchzuführen.

Zwischen dem Kondensator 6 und den Elektroden-Anschlüssen 26, speziell dem Pluspol, liegt in Reihe ein Transistor 28, der als Leistungs-FET ausgelegt ist. Dieser FET-Transistor 28 ist mit einem Taktimpulsgenerator 30 verbunden, der auf das Gate des FET-Transistors 28 Takt- bzw. Steuerimpulse gibt. Die Taktimpulse werden bei Empfang eines TRIG-Sig­ nals, z.B. von der Leitung 22, dem FET-Transistor 28 zu­ geleitet wenn der Transistor 20 eingeschaltet wird.

Die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators 30 dienen dazu, den FET-Transistor 28 mit hoher Frequenz ein- und aus­ zuschalten, wobei dies in Übereinstimmung mit der Schalt­ frequenz des Taktimpulsgenerators 30 geschieht. Vorzugs­ weise gibt der Taktimpulsgenerator 30 Steuerimpulse mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz oder gleich 1 kHz und vorzugsweise zwischen 10 kHz und 1 MHz auf den FET-Tran­ sistor 28. Auf diese Weise schaltet der TRIG-Impuls vom Transistor 20 den SCR-Tyristor an und versetzt den Takt­ impulsgenerator 30 in dessen Betriebszustand. Anschlies­ send wird der Kondensator 6 über die Elektrodenanschlüs­ se 26 mit einer Frequenz, die proportional der Frequenz der Taktimpulse vom Taktimpulsgenerator 30 ist, entladen. Ein Paar parallel zu den Anschlüssen 26 liegender Wider­ stände 32 stellt die Entladung über eine CT-Leitung fest. Diese CT-Leitung ist mit dem Rücksetz-Eingang des Flip- Flop 14 verbunden, so daß bei der Feststellung der Ent­ ladung ein CT-Impuls das Flip-Flop 14 zurücksetzt.

Ebenfalls parallel zu den Elektrodenanschlüssen 26 liegen zwei Widerstände 34, die die Impulsabgabe über die Elek­ trodenanschlüsse 26 detektieren bzw. feststellen. Dieses Signal, das auch als Impuls-Rückkopplungs-Signal (PF-Sig­ nal, Pulse Feedback-Signal) bezeichnet wird, wird einem Hüllkurven-Detektor 36 zugeführt. Der Hüllkurven-Detektor 36 ermittelt die Umhüllende der hochfrequenten, exponen­ tiell abklingenden Impulse und gibt das ermittelte Hüll­ kurven-Signal auf einen positiven Eingang eines Kompara­ tors 38. Der negative Eingang des Komparators 38 ist auf eine Bezugsspannung REF gelegt.

Sofern die Spannung der ermittelten Hüllkurve unter die Bezugsspannung absinkt bzw. abfällt, erzeugt der Kompara­ tor 38 ein Ausgangssignal, das durch einen Wandler bzw. Invertierer 40 invertiert bzw. umgewandelt wird und nach­ folgend über ein impulsformendes Netzwerk 42 geformt und über ein Pufferelement 44 geleitet wird, um ein TRG-Signal zu erzeugen. Das TRG-Signal wird auf einen Sperreingang des Taktimpulsgenerators 30 gegeben, um den Generator 30 im Hinblick auf die Abgabe weiterer Taktimpulse an den FET- Transistor 28 zu sperren. Dieses TRG-Signal wird auch auf ein SCR-Element 46 gegeben, das z.B. als sperrender Thyri­ stor ausgelegt ist, um diesen SCR-Thyristor 46 zu zünden. Nachdem der SCR-Thyristor 46 gezündet ist, bewirkt dies das Abschneiden bzw. Verkürzen des exponentiell abklingenden Impulses, der zwischen den Elektrodenanschlüssen 26 anliegt, so daß keine weitere Energie den Elektroden zugeführt wird. Dies wird deshalb durchgeführt, da es nicht erwünscht ist, daß der Impuls exponentiell bis zum Null-Pegel abklingt, wie es auch in der parallel anhängigen Anmeldung von Imran et al. ausgeführt ist.

Die Funktionsweise läuft so ab daß die Feststellung eines arrhythmischen Zustandes durch den Arrhythmie-Detektor 2 die Hochspannungswandler-Schaltung 4 in Betrieb setzt. Nachdem die Wandlerschaltung 4 den Kondensator 6 aufgela­ den hat und über die Leitung 12 eine R-Welle dem UND- Gatter 10 zugeführt worden ist, wird dieses UND-Gatter 10 aktiviert und gibt einen Trigger-Impuls (TRIG-Impuls) auf den Transistor 20, wodurch der SCR-Thyristor 46 gezündet wird und der Taktimpulsgenerator 30 angesteuert wird. An­ schließend entlädt sich der Kondensator 6 über die Elektro­ denanschlüsse 26 und die exponentiell abklingende Wellen­ form wird durch die hochfrequente Steuerung bzw. Schaltung des Leistungs-FET-Transistors 28 zerhackt.

In Fig. 2 (a) ist die zerhackte, exponentiell abklingende Wellenform stark vergrößert dargestellt. Im wesentlichen ist daraus erkennbar, daß die Wellenform nach Fig. 2 (a) ein Wellenpaket ist, das eine Vielzahl hochfrequenter kar­ diovertierender oder defibrillierender Impulse aufweist, die über die Elektrodenanschlüsse 26 appliziert werden.

In Fig. 2 (b) ist eine exponentiell abklingende Wellen­ form dargestellt, die nicht gemäß der Erfindung zerhackt ist und die damit vergleichbar und ähnlich der Art der Im­ pulse ist, die in Defibrillationssystemen nach dem Stand der Technik abgegeben werden.

Vorausgehend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es ist erkennbar, daß Abwandlungen dieser Idee und Ausführungsform für den Fachmann möglich sind, ohne daß der Kern der Erfindung verlassen wird.

Claims (10)

1. Kardioversions-System zur automatischen Kardioversion des Herzens eines Patienten mit einem Speicherkonden­ sator, mit einer Einrichtung zur Aufladung des Spei­ cherkondensators auf einen vorgebbaren Spannungspegel, mit einer Einrichtung zum Entladen des Speicherkonden­ sators und mit einem Paar implantierbarer Elektroden, die über den Speicherkondensator miteinander verbunden sind, wobei die Entladung des Speicherkondensators eine exponentiell abklingende Spannung über die Elek­ troden erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zerhacker-Einrichtung (28, 30) elektrisch verbunden zwischen dem Speicherkondensator (6) und den implantierbaren Elektroden (bei 26) zum Zerhacken der exponentiell abklingenden Spannung, die über die im­ plantierbaren Elektroden anlegbar ist, vorgesehen ist.

2. Kardioversions-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhacker-Einrichtung einen elektronischen Schalter (28) aufweist, der in Reihe zwischen dem Spei­ cherkondensator (6) und den implantierbaren Elektroden (bei 26) liegt und daß eine Takteinrichtung (30) vor­ gesehen ist, die zum Öffnen und Schließen des elektro­ nischen Schalters (28) mit einer vorgegebenen Fre­ quenz mit diesem verbunden ist.

3. Kardioversions-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter einen Feldeffekt- Transistor (FET) (28) aufweist.

4. Implantierbares Kardioversions-System zur automati­ schen Kardiovertierung des Herzens eines Patienten mit einer Detektor-Einrichtung zur Ermittlung von Arrhythmien des Herzens, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (28, 30) zur Kardiovertierung vor­ gesehen ist, die in Abhängigkeit von der Detektor- Einrichtung mindestens ein Wellenpaket hochfrequenter kardiovertierender Impulse erzeugt und an das Herz ab­ gibt.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten kardiovertierenden Impulse eine Frequenz größer als 1 kHz haben.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten kardiovertierenden Impulse eine Frequenz zwischen 10 kHz und 1 MHz haben.

7. Verfahren zur automatischen Kardioversion des Herzens eines Patienten über implantierbare Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß ein arrhythmischer Zustand des Herzens erfaßt wird und daß automatisch das Herz abhängig von der Erfassung der Arrhythmie durch Abgabe mindestens eines kardiover­ tierenden Wellenpaketes das aus hochfrequenten kardio­ vertierenden Impulsen gebildet ist und über die im­ plantierbaren Elektroden abgegeben wird, konvertiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Abgabe bzw. Aussendung, die Aussendung eines aus hochfrequenten kardiovertie­ renden Impulsen gebildeten Wellenpaketes mit exponen­ tiell abklingender Spannung umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kardiovertierende Verfahrensschritt die Schrit­ te des Anlegens einer Spannung von ausreichender Grös­ se über die implantierbaren Elektroden zur Depolari­ sierung des Herzens und das Zerhacken der Spannung mit/ bei vorgegebener Frequenz aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Anlegens der Spannung, das Anlegen einer vollaufgeladenen Kapazität über die implantierten Elektroden umfaßt.