DE3882250T2

DE3882250T2 - Herzdefibrillator.

Info

Publication number: DE3882250T2
Application number: DE19883882250
Authority: DE
Inventors: William Combs; Rahul Mehra
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1987-01-14
Filing date: 1988-01-14
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2008-01-15
Also published as: EP0281219A1; CA1308170C; DE3882250D1; EP0281219B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Kontrolle von Herzarrhythmien und insbesondere das Beendigen von Flimmerzuständen im Herzen.
Kammerflimmern zeichnet sich durch zufällige Depolarisierung einzelner Herzfasern aus, was die Herzausgangsleistung stark erniedrigt und innerhalb von Minuten nach dem Einsatz zum Tod führt. Herkömmliche äußere Behandlung des Flimmerns verlangt Anwendung eines Elektroschocks, der über ein Paar blattförmiger Elektroden durch die Brust des Patienten hindurch angelegt wird und der gleichzeitig alle Herzmuskelfasern depolarisiert. Dieser Prozeß erlaubt eine Neusynchronisierung der Kammermuskelfasern.
Für Patienten, die anfällig für das Syndrom des plötzlichen Todes sind, wurden implantierbare Flimmersysteme vorgeschlagen. Herkömmlicherweise weisen solche Systeme einen implantierten Impulsgenerator auf, der mit mehreren in und um das Herz angebrachten Elektroden verbunden ist. Derartige Implantationstechniken erfordern eine Brustwanderöffnung zum Anordnen der Elektroden. Jedoch ist die grundlegendste Schwierigkeit in Zusammenhang mit einer implantierbaren Entflimmeranordnung die hohe Energie, die erforderlich ist, um das Herz mit Erfolg zu entflimmern.
Ein früher Versuch zum Herstellen eines Elektrodensystems, das zur Verwendung in einer automatischen, implantierbaren Entflimmeranordnung geeignet ist, ist im US-Patent Nr. 3,942,536 dargestellt. Bei diesem System wird eine einzige, im Herzinneren liegende Zuleitung für die rechte Kammer mit einem Satz Elektroden an ihrer Endspitze verwendet, der an der Spitze der rechten Kammer anzubringen ist, und die einen zweiten, vom ersten Satz Elektroden mit ausreichendem Abstand beabstandeten Satz Elektroden an ihrer Endspitze aufweist, die außerhalb des Herzens in der oberen Hohlvene anzuordnen sind. Andere Zuleitungssystem für im Herzinneren angeordnete Kammerentflimmerungsanordnungen sind in dem für Rubin erteilten US-Patent Nr. 3,857,398 und dem für Kallok erteilten US-Patent Nr. 4,355,646 veranschaulicht.
Die Erfahrung mit diesen Zuleitungssystemen hat gezeigt, daß die zum Entflimmern des Herzens unter Verwendung eines einzigen Elektrodenpaars erforderliche Energie zwar deutlich geringer ist als die, die bei Verwendung einer externen Entflimmerungsanordnung erforderlich ist, jedoch immer noch ausreichend hoch dafür ist, daß die Konstruktion einer batteriebetriebenen, automatischen, implantierbaren Entflimmerungsanordnung schwierig ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die kleinen Elektrodenflächen, wie sie für kathetermontierte Systeme erforderlich sind, die Gefahr einer Gewebebeschädigung wegen der erhöhten Stromdichte an den Elektrodenorten erhöhen.
Bei der Bemühung, diese Schwierigkeit zu überwinden, wurden Elektrodensysteme vorgeschlagen, wie sie in dem für Heilman erteilten US-Patent Nr. 4,030,509 vorgeschlagen sind, das eine Ansammlung großflächiger Elektroden zeigt. Ein Satz Elektroden ist an der Herzspitze angebracht, und ein zweiter Satz ist am Herzvorhof angebracht. Als Alternative wurde vorgeschlagen, daß auch eine Elektrode für die obere Hohlvene an einer im Herzinneren gelegenen Zuleitung zusammen mit einer großflächigen Elektrode verwendet werden kann, die direkt an der Herzspitze angebracht ist. Eine Schwierigkeit, die mit der Verwendung epikardialer steckelektroden am Herzen einhergeht, ist die, daß die Operation zum Befestigen der Elektroden stark eingreifend und damit unerwünscht ist.
Andere großflächige Elektroden zur Anwendung am menschlichen Herzen sind in dem für Heilman et al. erteilten Us-Patent Nr. 4,291,707 offenbart, das aus einem Metallgitter hergestellte Elektroden beschreibt, die zwischen zwei Schichten aus chemisch inertem, elektrisch isolierendem Material eingebettet sind.
Kürzlich wurde vorgeschlagen, daß eine Rückkehr zur Anwendung elektrischer Energie quer durch das Herz wünschenswert wäre, anstatt elektrische Energie zwischen in der Herzspitze angeordneten Elektroden und an oder in der oberen Hohlvene oder der Herzvorkammer angebrachten Elektroden zuzuführen. Z. B. wird in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 0 095 726 von Purdue Research Foundation vorgeschlagen, vier epikardiale Netzelektroden orthogonal um das Herz anzuordnen und Entflimmerung unter verwendung zweier aufeinanderfolgender, orthogonaler Entflimmerungsimpulse auszuführen.
Ein großer Anteil früher Arbeiten hinsichtlich automatischer, implantierbarer und externer Entflimmerungsanordnungen wurde mit Reizerregern ausgeführt, die einen einzigen Monophasenimpuls oder einen symmetrischen Zweiphasenimpuls liefern.
Der Artikel von John C. Schuder in Cardiovascular Research Vol. 18, 1984, Seiten 419 bis 426 offenbart externe Entflimmerung bei Kälbern unter Verwendung extern angelegter asymmetrischer Energieimpulse.
Die Erfindung ist auf Vorrichtungen zum Entflimmern des Herzens unter Verwendung eines neuartigen, asymmetrischen, zweiphasigen Reizerregungsimpulses gerichtet.
Der neuartige Entflimmerungssignalzug wird durch abgebrochene Entladung eines Kondensators zusammen mit einer Polaritätsumkehr am Elektrodenort erzeugt. Dieser Ablauf erzeugt einen asymmetrischen, zweiphasigen Impuls und erlaubt es, daß eine zweiphasige Ausgangsschaltung mit nur einem einzigen Ausgangskondensator aufgebaut werden kann.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden die Kombination von Elektrodenanordnung und -größe optimiert, um ein System zu erzeugen, das zu Entflimmerung bei niedrigeren Energien in der Lage ist, als dies bisher möglich war. Es scheint, daß der Aufbau und die Anordnung der Elektroden zu ausreichender räumlicher Isolierung führt, um die Gefahr eines myokardialen Schadens zu minimieren. Das Elektrodensystem weist als Hauptvorteil auch den auf, daß es keine Brustwanderöffnung für die Elektrodenanordnung benötigt.
Das Elektrodensystem weist einen einzelnen Katheter auf, an dessen entferntem Ende eine oder mehrere Elektrodenflächen zur Anbringung in der Spitze der Kammer angeordnet sind. Ein zweiter Satz kathetergetragener Elektroden wird außerhalb der Herzvorkammer angeordnet, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß Vorhofflimmern während Kammerentflimmerung erzeugt wird. Die dritte Elektrode des Systems ist subkutan seitlich nahe dem Herzen angeordnet, jedoch außerhalb des Brustkastens des Patienten. Dieses Elektrodensystem kann bei Lokalanästhesie implantiert werden und erfordert keine Brustwanderöffnung oder einen Eingriff in den Brustraum des Patienten.
Versuche mit dieser Elektrodenkonfiguration haben eine deutliche Verringerung für die Energiemenge ergeben, die erforderlich ist, um das Herz zu entflimmern, wenn sie zusammen mit einem asymmetrischen, zweiphasigen Reizerregungsimpuls verwendet wird, dies in Vergleich zu den Energien, wie sie für Entflimmerung erforderlich sind, wenn aufeinanderfolgende Reizerregungsimpulse an diesen Elektrodenorten verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein vereinfachter Herzquerschnitt, der die Anordnung von Elektroden zeigt;
Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltung zum Erzeugen des asymmetrischen zweiphasigen Signalzugs von Fig. 3;
Fig. 3 ist ein Signalzugdiagramm, das einen asymmetrischen, zweiphasigen Reizerregungssignalzug in Vergleich mit einem zweiphasigen Signalzug aus dem stand der Technik zeigt;
Fig. 4 ist eine Tabelle, die experimentelle Ergebnisse mit dem vorliegenden Zuleitungssystem und der asymmetrischen, zweiphasigen Signalform mit der sequentiellen, einphasigen Signalform aus dem Stand der Technik vergleicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die hier beschriebene Erfindung ist auf Laborarbeit gestützt, die in Tabellenform innerhalb der Beschreibung wiedergegeben wird. Das innerhalb des Herzens verwendete Elektrodensystem ist ähnlich einer Medtronic(R)-6800-Zuleitung, wie sie Gegenstand des für Kallok et al. erteilten US-Patents Nr. 4,355,646 ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann ein Katheter 10 in das allgemein unter 12 dargestellte Herz eingeführt werden. In der Figur ist eine Anzahl kathetergetragener Elektroden dargestellt, die eine Führungsspitze l4 am entferntesten Ende der Elektrode aufweisen, wobei innerhalb der Kammer einer beabstandete ringförmige Elektrode 16 vorliegt. Auf ähnliche Weise ist eine ringförmige Elektrode außerhalb des Herzens unter 18 dargestellt. Das Elektrodensystem weist auch eine subkutane scheiben- oder plattenförmige Elektrode auf, die in der Figur unter 20 dargestellt ist.
Beim Betrieb wird die entfernte Ringelektrode mit einem Leiter verbunden, der über einen Anschlußblock herausgeführt ist und elektrisch über einen ersten Elektrodenanschluß 24 mit der Entflimmerungsanordnung 22 verbunden ist. Die subkutane Plattenelektrode 20 ist elektrisch mit der näherliegenden Ringelektrode 18 verbunden und über einen zweiten Anschluß 26 elektrisch an die Entflimmerungsanordnung angeschlossen.
Experimentelle Laborarbeit hat gezeigt, daß diese Anordnung zur Entflimmerung des Herzens zu bevorzugen ist, da sie zu einer deutlichen Verringerung der Energiemenge führt, die zum Entflimmern des Herzens erforderlich ist.
Die Tabelle von Fig. 4 charakterisiert die Verbesserung, die mit der Erfindung erzielt wird. Bei den Versuchen wurde das Zuleitungssystem wie beschrieben implantiert, und Entflimmerungsschwellenwerte wurden unter Verwendung zweier aufeinanderfolgender einphasiger Impulssignalzüge sowie eines zweiphasigen, asymmetrischen Impulssignalzugs, wie hier beschrieben, gemessen. Der mittlere Entflimmerungsschwellenwert bei dem Signalzug aus dem Stand der Technik betrug 593 Volt, während mit dem asymmetrischen, zweiphasigen Signalzug Entflimmerung bei einer geringeren mittleren Spannung von 549 Volt erzielt wurde. Am deutlichsten ist es, daß die mittlere gespeicherte, zum Entflimmern erforderliche Energie nur 7,7 Joule beim asymmetrischen, zweiphasigen Signalzug ist, im Vergleich mit über 18 Joule beim einphasigen Impulssignalzug gemäß dem Stand der Technik.
Der asymmetrische, zweiphasige Signalzug wird mit der Schaltung von Fig. 2 erzeugt.
Fig. 3 zeigt einen allgemein mit 30 bezeichneten Signalzug aus dem Stand der Technik in der Nähe des asymmetrischen, zweiphasigen, allgemein mit 32 bezeichneten Signalzugs, wie er von der Schaltung von Fig. 2 erzeugt wird. Beim System aus dem Stand der Technik wird ein erster Kondensator mit einem Elektrodensystem verbunden, und ausgehend von einer ersten Spannung V1 über ein eine Widerstandsimpedanz darstellendes System auf ein zweites, niedrigeres Spannungsniveau V2 entladen. Nach Umkehrung der Polarität wird ein zweiter Kondensator, der entsprechend auf die Spannung V1 aufgeladen wurde, über das Zuleitungssystem auf das zweite Spannungsniveau V2 entladen. Dieser Signalzug ist zwar wirksam, erfordert jedoch mehrere Kondensatoren und führt zu einem im wesentlichen um die Grundlinie 34 symmetrischen Signalzug.
Im Gegensatz hierzu erzeugt die Schaltung von Fig. 2 durch die Entladung eines einzigen Kondensators von einer ersten Spannung V1 auf eine zweite Spannung V2 einen asymmetrischen Signalzug 32. Nach Umkehrung der Polarität fährt das Elektrodensystem mit der Entladung von V2 auf eine dritte Spannung V3 fort. Wie es aus der Figur erkennbar ist, führt dies nicht zu einem symmetrischen Signalzug um die Grundlinie 34, sondern eher zu einem unausgeglichenen oder asymmetrischen Signalzug. Die experimentelle Arbeit, die mit dem asymmetrischen Signalzug ausgeführt wurde, beinhaltete Pulsdauern für jede Phase des Signalzugs (t3, t5), die gleich waren und zwischen 4 und 5 Millisekunden variierten. Auf ähnliche Weise wurde gefunden, daß der Entflimmerungsschwellenwert einer Spannung V1 zwischen 400 und 700 Volt entspricht.
Der asymmetrische, zweiphasige Impulssignalzug von Fig. 3 kann mit einer Schaltung erzeugt werden, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, bei der das Elektrodensystem mit einem Anschlußnetzwerk mit einem ersten Anschluß 24 und einem zweiten Anschluß 26 verbunden ist. Eine Energiespeichereinrichtung kann einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen, wie sie schematisch unter 40 dargestellt sind, jedoch wird vorzugsweise nur ein einziger Kondensator verwendet. Der Kondensator wird von einem mit einer Oszillatorschaltung 44 verbundenen Transformator 42 geladen. Die von der Sekundärwicklung des Transformators erzeugte schwingende Spannung wird von einer Diode 46 zur Ladung des Kondensators 40 gleichgerichtet. Wenn eine Entladung des Kondensators 40 vom System angefordert wird, steuert ein Ausspeicherungstrigger 48 das Gate einer Thyristortriode 50 an, um einen Entladungspfad für die im Kondensator 40 gespeicherte Energie zu Masse hin zu erstellen.
Wenn Entflimmerung des Herzens erforderlich ist, erzeugt eine (nicht dargestellte) Ermittlungsschaltung ein erstes Eingangssignal am Setzeingang eines Flip-Flops 70. Das Q- Ausgangssignal schaltet eine Thyristortriode 52 und eine Thyristortriode 58 sowie einen Feldeffekttransistor 54 ein, was die ansteigende Flanke V1 des Ausgangssignalzugs 32 zwischen den Anschlüssen 24 und 26 hervorruft. Ein Zählervoreinstell-Eingangssignal, wie es einem Zähler 60 zugeführt wird, legt die Zeitdauer t3 des Signalzugs 32 fest. Wenn die Zeitspanne des Zählers 60 abläuft, setzt sein Übertrags-Ausgangssignal das Flip-Flop 62, das das Flip-Flop 70 rücksetzt. Dieser Vorgang beendet die Zeitspanne t3.
Dann wird der Zähler 60 voreingestellt, um den Zeitablauf für die Trennzeitspanne t4 zu messen. Bei Zeitablauf setzt das Übertrags-Ausgangssignal des Zählers 60 den Q-Ausgang des Flip-Flops 72, das die Thyristortriode 64, den Feldeffekttransistor 66 und die Thyristortriode 68 einschaltet.
Anschließend wird der Zähler so voreingestellt, daß er den Zeitablauf der Periode des Impulses t5 mißt. Wenn der Zähler den Zeitablauf für die Periode t5 anzeigt, setzt das Übertrags-Ausgangssignal des Zählers den Q-Ausgang des Flip- Flops 74, wodurch das Flip-Flop 72 rückgesetzt wird, wodurch die Zeitspanne t5 für den Impulssignalzug 32 beendet wird.
Mit Beendigung dieses Zeitsteuerzyklus kann das Ausspeichersignal alle Flip-Flops rücksetzen und den Kondensator 40 entladen, und der Ladeoszillator kann damit beginnen, den Energiespeicherkondensator 40, wie vorstehend beschrieben, in Vorbereitung für den nächsten Entflimmerungsimpuls wieder aufzuladen, wenn zusätzliche Entflimmerungsschocks erforderlich sind.

Claims

1. Implantierbare Herzentflimmerungsanordnung mit einer Impulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Entflimmerungsimpulses und mit Anschlußeinrichtungen mit einem ersten und einem zweiten Anschluß (24, 26), die so ausgebildet sind, daß sie mit mehreren implantierbaren Elektroden verbunden werden können, welche Impulserzeugungseinrichtung eine Energiespeichereinrichtung (40) und eine Schaltungseinrichtung (60, 70, 54, 72, 66) aufweist, die so ausgebildet sind, daß sie die Energiespeichereinrichtung über den ersten und den zweiten Anschluß während einer ersten vorgegebenen Zeitspanne (t3) entladen, gefolgt von einer Umkehr der Polarität der Energiespeichereinrichtung hinsichtlich des ersten und des zweiten Anschlusses, um dann die Energiespeichereinrichtung über den ersten und zweiten Anschluß während einer zweiten vorgegebenen Zeitspanne (t5) zu entladen, um einen asymmetrischen, zweiphasigen Impulssignalzug zu bilden.

2. Implantierbare Entflimmerungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Schaltungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Energiespeichereinrichtung über den ersten und zweiten Anschluß ausgehend von einer ersten Spannung (v1) auf eine zweite Spannung (v2) entlädt, die Entladung der Energiespeichereinrichtung unterbricht, die Polarität des ersten und des zweiten Anschlusses umkehrt und die Entladung der Energiespeichereinrichtung ausgehend von der zweiten Spannung (v2) zu einer dritten Spannung (v3) wieder aufnimmt.

3. Implantierbare Entflimmerungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Energiespeichereinrichtung (40) einen einzigen Kondensator aufweist.

4. Implantierbare Entflimmerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, mit drei mit der Anschlußeinrichtung verbundenen Elektroden (16, 18, 20), wobei eine der Elektroden (16) mit dem ersten Anschluß (24) verbunden ist und die beiden anderen Elektroden (18, 20) miteinander und mit dem zweiten Anschluß (26) verbunden sind.

5. Implantierbare Entflimmerungsanordnung nach Anspruch 4, mit einer intravenösen Zuleitung (10) mit der ersten Elektrode (16) am entfernten Ende und der zweiten Elektrode (18), die von der ersten Elektrode beabstandet ist, und einer plattenförmigen Elektrode (20) mit einem Aufbau, der für subkutane Implantation geeignet ist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß verbunden ist und die zweite Elektrode und die plattenförmige Elektrode miteinander und mit dem zweiten Anschluß verbunden sind.

6. Implantierbare Entflimmerungsanordnung nach Anspruch 5, bei der die erste Elektrode (16) so ausgebildet ist, daß sie an der Spitze der rechten Kammer eines Herzens angeordnet werden kann und die zweite Elektrode (18) in der oberen Hohlvene.