DE60215458T2

DE60215458T2 - Apparat zur automatischen Bestimmung von hämodynamisch optimalen Herzstimulationsparameterwerten

Info

Publication number: DE60215458T2
Application number: DE60215458T
Authority: DE
Inventors: Ph.D. Markus J. Osypka
Original assignee: Osypka Medical GmbH
Current assignee: Osypka Medical GmbH
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: DE60215458D1; US20040030356A1; US20080103541A1; EP1350539A1; ATE342752T1; US8219195B2; EP1350539B1

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft allgemein das Management des Herzrhythmusses und bezieht sich im Besonderen auf die Kombination von Herzstimulation und optimalen Werten für die Stimulationsparameter
Diskussion des Stands der Technik
Zweikammer-Herzschrittmacher
Zweikammer-Herzschrittmacher werden zunehmend bei Patienten mit unterschiedlichen Graden von AV Blocks, symptomatischen Bradydysrhythmien und medikamenten-refraktärer Kardiomyopathie angewendet. Die klinischen Vorteile des Zweikammer-Herzschrittmachers schließen die Steigerung des vorwärts gerichteten Blutflusses – eine Eigenschaft, welche die Symptome der Herzinsuffizienz (Congestive Heart Failure, CHF) lindern kann – und die Verhinderung von atrialer Fibrillation bedingt durch die atriale Kontraktion gegen eine geschlossene Herzklappe (Gadler F, Linde C, Darpo B. Modification of atrioventricular conduction as adjunct therapy for pacemaker-treated patients with hypertrophic obstructive cardiomyopathy. Eur Heart J 1998; 19:132-138) ein.
Zweikammer-Stimulation kann die Hämodynamik in einigen Patienten mit erweiterter Kardiomyopthie verbessern, wahrscheinlich wegen der Verhinderung von mitralem Rückfluss während der Diastole durch die Einrichtung einer atrialen und ventrikulären mechanischen Synchronität (Nishimura R, Hayes D, Holmes D, Tajik A. Mechanism of hemodynamic improvement by dual-chamber pacing for severe left ventricular dysfunction: An acute Doppler and catheterization hemodynamic study. J Am Coll Cardiol 1995; 25:281-288). Trotz des Vorteils einer Optimierung der atrioventrikulären (AV-) Verzögerung werden Zweikammer-Herzschrittmacher oft in der Grundeinstellung belassen, welche vom Gerätehersteller auf ungefähr 170 Millisekunden festgelegt wird (Kindermann M, Frohlig G, Doerr T, Schieffer H. Optimizing the AV delay in DDD pacemakers with high degree AVE block: Mitral valve Doppler versus impedance cardiography. Pacing Clin Electrophysiol 1997; 20: 2453-2462). Es ist die übereinstimmende Auffassung unabhängiger Forscher, dass die Optimierung der AV-Verzögerung nicht routinemäßig durchgeführt wird. Prozeduren für die Herzschrittmacheroptimierung, speziell die Durchführung von Messungen des Schlagvolumen bei verschiedenen Einstellungen des AV-Intervalls mit Hilfe von aortaler Doppler-Echokardiografie, werden traditionell als benutzerabhängig, zeitraubend und teuer beurteilt.
Das Ziel der AV-Optimierung ist die Synchronisation des Abschlusses der end-diastolischen Füllung exakt mit dem Beginn der ventrikulären Kontraktion. Es ist offensichtlich, dass, um dieses Ziel zu erfüllen, präzise physiologische Messungen der Vorgänge während des Herzzyklus durchgeführt werden müssen. Wegen der großen Vielfalt an kardiologischen Krankheiten, dem Zustand der Ventrikel und den das Herz beeinflussenden Medikamenten ist jeder Patient einzigartig. Leonelli et al. (Leonelli F, Wang K, Youssef M, Brown D. Systolic and diastolic effects of variable atrioventricular delay in patients with pacemakers. Eur Heart J 1995; 15:1431-1440) beobachtete, dass eine optimale Einstellung der AV-Verzögerung das Schlagvolumen um bis zu 42% verbesserte.
Eine andere Anwendung von Herzschrittmachern wurde erst in letzter Zeit gefunden: Kürzliche vorgestellte Berichte machen den Vorschlag, dass biventrikuläre Stimulation wichtige Möglichkeiten in der Behandlung von Patienten mit Herzinsuffizienz (CHF) bieten kann. Ein signifikanter Prozentsatz der Patienten mit CHF weist im EKG Abnormalitäten in der Reizleitung auf. Diese Abnormalitäten der Reizleitung bewirken eine abnormale Aktivität des ventrikulären Myokards und eine asynchrone Aktivität der Atrien und Ventrikel. Biventrikuläre Stimulation versucht den rechten und linken Ventrikel gleichzeitig zu erregen, um die so genannte „ventrikuläre Resynchronisation" zu bewerkstelligen.
Studien haben die akuten und kurzzeitlichen hämodynamischen Vorteile der biventrikulären Stimulation bestätigt. Zusätzlich haben Studien die Verbesserung des funktionalen Zustands von Patienten mit CHF dokumentiert. Zurzeit werden größere, prospektive Studien durchgeführt, welche die Vorteile der biventrikulären Stimulation und ihre klinische Implikationen untersuchen.
Zusätzlich zu den symptomatischen und funktionellen Verbesserungen wurden andere wichtige Veränderungen bei CHF-Patienten, die mit biventrikulärer Stimulation behandelt werden, festgestellt. Parameter, welche die Herzfunktion abbilden, wie die Größe des linken Ventrikels und der myokardiale Leistungsindex, verbesserten sich erheblich. Erhöhte Werte für Plasma-Norepinephrin, welche mit einer erhöhten Sterblichkeit bei CHF einhergehen, verbessern sich bei biventrikulärer Stimulation. Es wurde gezeigt, dass eine Verringerung der Herzratenvariabilität, welche ebenfalls einhergeht mit einem erhöhten Risiko des plötzlichen Herztods, verbessert wurde. Diese Erkenntnisse haben führende Forscher dazu veranlasst, die Möglichkeiten der biventrikulären Stimulation für die Verbesserung der Überlebensrate zu hypothetisieren. Es muss aber dazu gesagt werden, dass bisher noch keine Studie die Verbesserung der Überlebensrate durch die biventrikuläre Stimulation nachgewiesen hat. Es sind keine darüberhinausgehende Studien bekannt, welche die Auswirkungen und möglichen Vorteile einer biventriukulären Stimulation untersuchen, bei der eine kurze Verzögerung zwischen der Kontraktion vom rechtem Ventrikel und linkem Ventrikel, oder umgekehrt erzwungen wird.
Optimierungstechniken
Soll die AV-Verzögerung, oder irgendeine andere Verzögerung wie die Verzögerung der Kontraktion zwischen rechtem und linkem Ventrikel, optimiert werden, so muss diese auf den individuellen Patienten zugeschnitten sein. Seit fast zwei Jahrzehnten werden Messungen des Schlagvolumens mit Hilfe der thorakalen elektrischen Bioimpedanz (TEB) als geeignet für die Bestimmung der optimalen Herzschrittmachereinstellungen angesehen. Hayes et al. (Hayes D, Hayes S, Hyberger L. Atrioventricular interval optimization technique: Impedance measurements vs Echo/Doppler. Presented at the North American Society for Pacing & Electrophysiology's 19^th Annual Scientific Sessions, San Diego, CA, May 9, 1998) berichteten vor einiger Zeit, dass hämodynamisches Monitoring mittels TEB die Bestimmung der optimalen AV-Verzögerung innerhalb von 15 Minuten unter allen klinischen Gegebenheiten ermöglicht.
Trotz der vielversprechenden Vorteile für den Patienten hat sich die Verwendung der thorakalen elektrischen Bioimpedanz (TEB), wie auch jedes andere vorher erwähnte Verfahren, als ein Standard-Optimierungsverfahren für die Einstellung der Schrittmacher-Parameterwerte von Zweikammer-Herzschrittmachern nicht durchgesetzt. Offensichtlich ist das TEB-Verfahren, welches während der Herzschrittmacher-Nachsorge angewendet wird, zeitraubend und erfordert aktive Beteiligung des Arztes während der gesamten Optimierungszeit.
Frequenzadaptive Herzschrittmacher passen die Stimulationsrate den physiologischen Bedürfnissen entsprechend der Aktivität des Schrittmacherpatienten an. Zum Beispiel bestimmen Sensoren die Haltung und Bewegung des Patienten, oder die Atmung, welche durch die Atemfrequenz und das Tidalvolumen charakterisiert ist, oder auch das Schlagvolumen über die Messung der thorakalen elektrischen Bioimpedanz. Der Herzschrittmacher stellt die Stimulationsrate entsprechend der durch die Sensoren ermittelten und durch den Schrittmacher selbst verarbeiteten Informationen ein. Die Einstellung der Stimulationsrate des Schrittmachers entsprechend der Aktivität des Patienten ist nicht Gegenstand der nachfolgenden Optimierungsverfahren und der Erfindung.
Die amerikanische Patentanmeldung US-A-5,540,727 legt eine Optimierungsvorrichtung für die automatische Bestimmung der Stimulationsparameter eines Mehrkammer-Herzschrittmachers dar. Die Vorrichtung in diesem Dokument weist eine Prozessoreinheit auf wie in Anspruch 1 definiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die neue Vorrichtung, welche in den Patentansprüchen definiert ist, beinhaltet einen Herzschrittmacher und ein Einrichtung zur Messung der thorakalen elektrischen Bioimpedanz (TEB). Mit dieser Kombination von diagnostischer (TEB) and therapeutischer Vorrichtung (Herzschrittmacher) wird ein geschlossenes System geschaffen, um im Rahmen seiner Beschränkungen eine optimale Einstellung der Stimulationsparameter zu finden.
In der bevorzugten Ausführung verändert ein spezifischer Optimierungszyklus, welcher vom Assistenten oder nach Beendigung eines festgelegten Zeitintervalls ausgelöst wird, automatisch im vom Benutzer festgelegten Rahmen die Einstellung für einen oder mehrere Stimulationsparameter wie die AV-Verzögerung, die interatriale Verzögerung, die interventrikuläre Verzögerung oder Stimulationsrate und bestimmt für jede Permutation von Stimulationsparameterwerten dimensionslose Schlagvolumenindizes der ventrikulären Leistung durch die Bestimmung der maximalen Änderungsrate von Bioimpedanz oder Bioadmittanz.
Der Benutzer legt einen oder mehrere Stimulationsparameter fest, wie die atrioventrikuläre Verzögerung, die interatriale Verzögerung, die interventrikuläre Verzögerung, oder Stimulationsrate, welche während des Optimierungszyklus variiert werden. Zusätrlich definiert der Assistent die Variationsbereich für die Werte jedes Stimulationsparameters und die Schrittweite, mit der der Variationsbereich während des Optimierungszyklus durchschritten wird. Die Anzahl der zu verändernden Stimulationsparameter und die tatsächliche Anzahl der Variationsschritte für jeden Parameter bestimmt die Anzahl der Permutationen von Stimulationsparametern und dementsprechend die Sequenz des Optimierungszyklus. Jeder Permutation von Stimulationsparametern wird für eine vorgewählte Zeit in der Größenordnung 30 bis 120 Sekunden appliziert. Die Stimulationsparameter, welche die größten Werte für einen hämodynamischen Parameter, oder eine Kombination derer, ergeben, ist das Ergebnis des Optimierungszyklus und kann vom Herzschrittmacher für die weitere Stimulation übernommen werden.
Die hämodynamischen Messungen werden durchgeführt unter Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens von Bernstein and Osypka, welche im Detail in der europäischen Patentanmeldung EP 1 247 487 A1 des gleichen Anmelders, der Osypka Medical GmbH, Berlin, für eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Bestimmung eines angenäherten Wertes für das Herzminutenvolumen und das Schlagvolumen (APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING AN APPROXIMATE VALUE OF THE STROKE VOLUME AND THE CARDIAC OUTPUT OF THE HEART) erläutert werden. Dieses Dokument erfüllt die Bedingungen des Artikels 54(3) EPÜ.
Die automatische Durchführung des Optimierungszyklus für eine Anzahl von Permutationen von Stimulationsparametern für die Ermittlung der maximalen linksventrikulären Funktion verbessert erheblich die zeitliche Effektivität eines ansonsten umständlichen und zeitraubenden, aber dennoch vorteilhaften Vertahrens. Dieses automatische Optimierungsverfahren kann während der Analyse des Stimulationssystems (Pacing System Analysis, PSA) unmittelbar vor der Implantation eines permanenten Schrittmachers, während der temporären Stimulation nach herzchirurgischen Eingriffen, während der Nachsorge für einen Patienten mit implantierbarem Schrittmacher oder während der Untersuchung der Effektivität von Stimulationsalgorithmen für Patienten, die sich einer Behandlung der Herzinsuffizienz (CHF) unterziehen.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 erläutert eine erste bevorzugte Vorrichtung, bei der die Optimierungsvorrichtung und der Herzschrittmacher in ein System integriert sind.
2 erläutert eine zweite bevorzugte Vorrichtung, bei der die Optimierungsvorrichtung und der Herzschrittmacher getrennte Vorrichtungen sind.
3 erläutert ein Flussdiagramm mit den verschiedenen Schritten des automatischen Optimierungsprozesses.
4 erläutert schematisch die Wahrnehmungs- und Stimulationssequenzen des AW-Modus.
5 erläutert die Wahrnehmungs- und Stimulationssequenzen des AVAV-Modus.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausbildungsformen
1 veranschaulicht eine erste bevorzugte Ausführungsform, welche z.B., aber nicht ausschließlich, in einen Stimulationssystemanalysator (Pacing System Analyzer, PSA) oder in einem temporären externen Herzschrittmacher verwendet wird.
1 zeigt einen Patienten 10 und sein stilisiertes Herz mit vier Herzkammern: dem rechten Atrium 12, dem rechten Ventrikel 14, dem linken Atrium 16 und dem linken Ventrikel 18. In der gezeigten bevorzugten Ausführungssform werden EKG-Oberflächenelektroden als Teil einer Elektrodenkonfiguration an der rechter Seite von Hals und linken Seite des unteren Brustkorbes des Patienten befestigt. Die äußeren Oberflächenelektroden 20, 22 sind mit einer Wechselstromquelle (Alternating Current, AC) 122 des Herzmonitors 120 verbunden, der einen Teil der Optimierungsvorrichtung 100 darstellt. Die inneren Oberflächenelektroden 24, 26 sind mit einem Spannungsmesser 124 des Herzmonitors 120 verbunden. Der Herzmonitor 120 bestimmt aus dem Verhältnis von 122 angelegtem Wechselstrom und der durch 124 gemessenen Spannung 124 die thorakale elektrische Bioimpedanz.
Alternativ bestimmt der Herzmonitor 120 aus dem umgekehrten Verhältnis von dem durch 122 angelegten Wechselstrom (AC) und der durch 124 gemessenen Spannung 124 die thorakale elektrische Bioadmittanz. Dieses Verfahren ist in der vorher erwähnten europäischen Patentanmeldung von Osypka EP 1247487 A1 beschrieben, welche darlegt, wie die kontinuierlichen Messung der thorakalen elektrischen Bioimpedanz genutzt wird, um das Schlagvolumen und das Herzminutenvolumen zu bestimmen.
Alternativ kann die thorakale elektrische Bioimpedanz (oder Bioadmittanz) über andere Elektrodenkonfigurationen gemessen werden, einschließlich einer zweiten Elektrodenkonfiguration, und Elektroden, welche auf einem Ösophaguskatheter angeordnet sind, wie beschrieben in Osypka EP 1247487 A1 .
Als weiteres ist ein in 100 integrierter Herzschrittmacher 130 mit mindestens zwei Herzkammern aus der Gruppe rechtes Atrium (RA) 12, rechter Ventrikel (RV) 14, linkes Atrium (LA) 16 and linker Ventrikel (LV) 18 verbunden. Falls die Optimierungsvorrichtung 100 für die Analyse von Stimulationssystemen verwendet wird, wird die Verbindung der Herzkammern und der Vorrichtung über permanente Stimulationselektroden erfolgen (angedeutet durch den gestrichelten Teil der Verbindung 30 zum rechten Atrium 12, den gestrichelten Teil der Verbindung 32 zum rechten Ventrikel 14, den gestrichelten Teil der Verbindung 34 zum linken Vorhof 16, und den gestrichelten Teil der Verbindung 36 zum linken Ventrikel 18), welche alle später mit dem implantierbaren Herzschrittmacher verbunden werden, und über Verbindungskabel (angedeutet durch den durchgezogenen Teil der Verbindung 30 zum rechten Atrium 12, den durchgezogenen Teil der Verbindung 32 zum rechten Ventrikel 14, den durchgezogenen Teil der Verbindung 34 zum linken Atrium 16, und den durchgezogenen Teil der Verbindung 36 zum linken Ventrikel 18).
Die Prozessoreinheit 110 der Optimierungsvorrichtung 100 steuert die Permutationen der Stimulationsparameterwerte wie Herzrate (HR) und atrioventrikuläre (AV), interatriale (AA) und interventrikuläre (W) Verzögerungen, und zeichnet die dazugehörigen Messungen von Schlagvolumen, Herzminutenvolumen, Auswurtfraktion (EF) und anderer Indizes ventrikulärer Leistung auf.
Entsprechend der Erfindung verändert ein spezifischer Optimierungszyklus, welcher durch einen Benutzer oder nach Ablauf eines vordefinierten Zeitintervalls ausgelöst wird, einen oder mehrere der Stimulationsparameter wie AV Verzögerung, interatriale Verzögerung, interventrikuläre Verzögerung oder Herzrate innerhalb vom Benutzer festgelegter Grenzen und bestimmt für jede Parameterkonfiguration einen dimensionslosen Schlagindex der ventrikulären Leistungsfähigkeit unter Herzunehmen der maximalen Änderungsrate von Bioimpedanz oder Bioadmittanz. Jede Permutation der festgelegten Stimulationsparameter kann zum Beispiel, ohne einzuschränken, für eine Zeitdauer von 30 bis 120 Sekunden appliziert werden. Die Prozessoreinheit zeichnet die hämodynamischen Parameter mit jeder Permutation von Stimulationsparametern auf und gibt nach Abschluss des Optimierungszyklus die Permutation von Stimulationsparametern an, die zu den höchsten Werten für einen dimensionslosen Schlagindex der ventrikulären Leistungsfähigkeit unter Herzunehmen der maximalen Änderungsrate der Bioimpedanz oder Bioadmittanz führt.
Die Ergebnisse werden in tabellarischer oder grafischer Form auf einer Anzeige 140 dargestellt. Falls die Anzeige 140 über eine berührungsempfindliche Oberfläche verfügt, können Patientenspezifische Angaben wie Name, Alter und Gewicht über die berührungsempfindliche Anzeige eingegeben werden. Alternativ ver fügt die Optimierungsvorrichtung 100 über eine Schnittstelle 150 zu einer Tastatur oder einen Anschluss, über den der Datenaustausch mit peripheren Geräten erfolgen kann.
Typische Anwendungen der vorangehend beschriebenen bevorzugten Ausführung sind, ohne einzuschränken, die Stimulationssystemanalyse (Pacing System Analysis; PSA) sein, im Rahmen derer permanente Stimulationselektroden mit der Vorrichtung verbunden werden, die temporäre Stimulation (Temporary Pacing; TP) nach herzchirurgischen Eingriffen, im Rahmen derer temporäre Myokardelektroden („Herzdrähte") verwendet werden, und temporäre Stimulationstherapie von Herzinsuffizienz (Congestive Heart Failure; CHF).
2 erläutert eine zweite bevorzugte Ausführungsform, welche zum Beispiel, ohne einzuschränken, aus einer Kombination von permanentem Herzschrittmacher und dazugehörigem Programmiervorrichtung für permanente Herzschrittmacher besteht, mit oder ohne Integration eines Stimulationssystemanalysators (Pacing System Analyzer; PSA) in die Programmiervorrichtung. Hinsichtlich der temporären Stimulation wird diese Ausführung ohne einzuschränken zum Beispiel in einer Kombination von temporärem Herzschrittmacher und einer hämodynamischen Messeinheit verbunden mit dem Schrittmacher eingesetzt.
2 zeigt den Patienten 10 nach der Implantation eines permanenten Herzschrittmachers 170. Der Herzschrittmacher 170 ist mindestens mit zwei Herzkammern aus den Möglichkeiten rechtes Atrium (RA) 12 über permanente Stimulationselektrode 172, rechter Ventrikel (RV) 14 über permanente Stimulationselektrode 174, linkes Atrium (LA) 16 über permanente Stimulationselektrode 176, und linker Ventrikel (LV) 18 über permanente Stimulationselektrode 178. 2 deutet die Verbindungen zwischen dem permanenten Herzschrittmacher zu den Herzkammern, d.h. die Stimulationselektroden, als gestrichelte Linien an, um anzudeuten, dass diese Stimulationselektroden im Patienten implantiert und nicht Teil der Optimierungsvorrichtung sind.
Die Optimierungsvorrichtung 100 umfasst einen Herzmonitor 120, eine Anzeige 140, und eine Schnittstelle 150, welche alle durch die Prozessoreinheit 110 gesteuert werden. Die Optimierungsvorrichtung kommuniziert mit dem permanenten Herzschrittmacher über die Schnittstelle 150 und die externe Schrittmacher-Telemetrieeinheit 160, welche zum Beispiel vom Hersteller des implantierbaren Herz schrittmachers 170 zur Verfügung gestellt wird. Alternativ ist die Telemetrieeinheit 160 in die Optimierungsvorrichtung integriert, welches durch die gestrichelten Linien 162 angedeutet ist, die die Vorrichtung 100 erweitern.
Die Kommunikation zwischen der Optierungsvorrichtung 100 und dem permanenten Herzschrittmacher 170 ist wichtig für die Synchronisierung jeder neuen Permutation von Stimulationsparameters mit den Messungen der hämodynamischen Parameter, welche von der Optimierungsvorrichtung 100 durchgeführt wird. Falls keine Kommunikation erreicht werden kann, muss zumindest der Arzt, welcher den Herzschrittmacher 170 programmiert und die Optimierungsvorrichtung 100 bedient, die dazugehörigen Stimulationsparameter kennen und mit den gemessenen hämodynamischen Parameters zusammen aufzeichnen.
In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind Oberflächen-EKG-ähnliche Elektroden an der rechten Seite des Halses und an der linken Seite des unteren Brustkorbs des Patienten angebracht. Die äußeren Oberflächenelektroden 20, 22 sind mit der Wechselstromquelle 122 des Herzmonitors 120 verbunden, welcher selbst einen Teil der Optimierungsvorrichtung 100 darstellt. Die inneren Oberflächenelektroden 24, 26 sind mit dem Spannungsmesser 124 des Herzmonitors 120 verbunden. Der Herzmonitor 120 bestimmt die thorakale elektrische Bioimpedanz aus dem Verhältnis des durch 122 eingeprägten Wechselstroms und der durch 124 gemessenen Spannung.
Alternativ bestimmt der Herzmonitor 120 die thorakale elektrische Bioadmittanz aus dem reziproken Verhältnis des durch 122 eingeprägten Wechselstroms und der durch 124 gemessenen Spannung. Die zuvor erwähnte europäische Patentanmeldung von Osypka Medical GmbH EP 1 247 487 A1 beschreibt, wie die kontinuierliche Messung der thorakalen elektrischen Bioimpedanz zur Bestimmung von Schlagvolumen und Herzminutenvolumen verwendet wird.
Alternativ kann die thorakale elektrische Bioimpedanz (oder Bioadmittanz) unter Verwendung anderer Elektrodenkonfigurationen gemessen werden, einschließlich einer zweiten Elektrodenanordnung und Elektroden, welche auf einem Ösophaguskatheter angebracht sind, umfassend beschrieben in der zuvor erwähnten europäischen Patentanmeldung von Osypka Mediical GmbH EP 1 247 487 A1 .
Typische Anwendungen für die zuvor beschriebe bevorzugte Ausführungsform sind, ohne einzuschränken, die Untersuchung eines Herzschrittmacherpa tienten während der Nachsorge und die hämodynamische Optimierung während temporärer Stimulation nach herzchirurgischem Eingriff.
3 zeigt ein Flussdiagramm mit den verschiedenen Abläufen des Optimierungsprozesses.
3 erläutert in einem allgemeines Flussdiagramm die vorbereitenden Schritte für den Optimierungszyklus, das heißt den Prozess, welcher eine definierte Anzahl von Permutationen von Herzschrittmacher-Parameterwerten ausführt und zu einer Permutation von Herzschrittmacherparametern führt, welche die größten Werte für Schlagvolumen, Herzminutenvolumen und andere Indices der ventrikulären Leistungsfähigkeit oder irgendeine Kombination daraus ergibt.
Bei Beginn 300 der Prozedur befindet sich der Patient in Ruhe. Um, falls notwendig, sofort eine Schrittmachertherapie zu gewährleisten, wird der Herzschrittmacher, welche ein Teil der Optimierungsvorrichtung oder auch nicht ist, mit den Stimulationselektroden verbunden. Im dem Fall einer Patientennachsorge in der Schrittmacherambulanz sind die Stimulationselektroden bereits eine Teil der implantierten Stimulationssystems. Der Herzschrittmacher stimuliert nach Bedarf oder asynchron zum Herzrhythmus mit einer fest eingestellten Stimulationsrate 302. Der Arzt entscheidet, ob der in die Optimierungsvorrichtung integrierte Herzmonitor das Vorgehen nach der transthorakalen elektrischen Bioimpedanz nutzt, bei dem über Oberflächenelektroden 304 der Wechselstrom eingeprägt und die daraus resultierende Spannung gemessen wird. Alternativ kann bei Patienten, die bereits intubiert sind, das ösophageale Vorgehen genutzt werden, nach dem über Elektroden, welche auf einem Ösophaguskatheter 306 angebracht sind, der Wechselstrom eingeprägt und die daraus resultierende Spannung gemessen wird.
Der Benutzer definiert zunächst den Stimulationsparameter Herzrate 310, das heißt legt den Variationsbereich für den Wert des Stimulationsparameters fest und die Schrittweite, mit welcher der Variationsbereich der Herzrate 310 durchschritten werden soll. Zum Beispiel soll der spätere Optimierungszyklus mit einer Herzrate von 70 Schlägen pro Minute beginnen und dann schrittweise um 5 Schläge pro Minute erhöht werden (Schrittweite = 5 Schläge pro Minute), bis eine Herzrate von 80 Schlägen pro Minute ereicht ist. Alternativ kann die Herzrate auf einen Wert festgelegt werden, ohne einen Variationsbereich für Änderungen.
Der Assistent legt den Variationsbereich und die Schrittweite für die Variation für die atrioventrikuläre (AV) Verzögerung 312 fest. In diesem Zusammenhang ist mit AV-Verzögerung die rechtsseitige AV-Verzögerung gemeint, das heißt die Zeitverzögerung zwischen der Wahrnehmung oder der Stimulation im rechten Atrium und der Stimulation im rechten Ventrikel. Zum Beispiel soll der spätere Optimierungszyklus mit einer AV-Verzögerung von 150 ms beginnen, dann die AV-Verzögerung schrittweise um 50 ms erhöhen (Schrittweite = 50 ms), bis eine AV-Verzögerung von 250 ms erreicht wird. Alternativ kann die AV-Verzögerung auf einen Wert festgelegt werden, ohne einen Variationsbereich für Änderungen.
Der Assistent legt den Variationsbereich und die Schrittweite für die Variation der interatrialen (AA) Verzögerung 314 fest. In diesem Zusammenhang ist mit AA-Verzögerung die Zeitverzögerung zwischen Wahrnehmung oder Stimulation im rechten Atrium und Stimulation im linken Atrium gemeint. Zum Beispiel soll der spätere Optimierungszyklus mit einer AA-Verzögerung von 0 ms beginnen, dann die AA-Verzögerung schrittweise um 5 ms erhöhen (Schrittweite = 5 ms), bis eine AA-Verzögerung von 10 ms erreicht wird. Alternativ kann die AA-Verzögerung auf einen Wert festgelegt werden, zum Beispiel 0 ms, ohne einen Variationsbereich für Änderungen.
Der Assistent legt den Variationsbereich und die Schrittweite für die Variation der linksseitigen atrioventrikulären (LAV) Verzögerung 316 fest. In diesem Zusammenhang ist mit LAV-Verzögerung die linksseitige AV-Verzögerung, das heißt die Zeitverzögerung zwischen Wahrnehmung oder Stimulation im linken Atrium und Stimulation im linken Ventrikel gemeint. Zum Beispiel soll der spätere Optimierungszyklus mit einer LAV-Verzögerung von 150 ms beginnen, dann die LAV-Verzögerung um 50 ms erhöhen (Schrittweite = 50 ms), bis eine LAV-Verzögerung von 250 ms erreicht wird. Alternativ kann die LAV-Verzögerung auf einen Wert festgelegt werden, ohne einen Variationsbereich für Änderungen.
Der Assistent legt den Variationsbereich und die Schrittweite für die Variation der interventrikulären (W) Verzögerung 314 fest. In diesem Zusammenhang ist mit W-Verzögerung die Zeitverzögerung zwischen Wahrnehmung oder Stimulation im rechten Ventrikel und Stimulation im linken Ventrikel gemeint. Zum Beispiel soll der spätere Optimierungszyklus mit einer W-Verzögerung von 0 ms beginnen, dann die W-Verzögerung schrittweise um 5 ms erhöhen (Schrittweite = 5 ms), bis eine W-Verzögerung von 10 ms erreicht wird. Alternativ kann die W- Verzögerung auf einen Wert festgelegt werden, zum Beispiel auf 0 ms, ohne einen Variationsbereich für Änderungen.
Der Assistent legt das Zeitintervall 320 zwischen der Variation der Stimulationsparameter fest. Nach Beginn einer neuen Permutation von Stimulationsparameterwerten für die Therapie kann die hämodynamischen Antwort des Patienten auf die Therapie einige Herzzyklen dauern. Deshalb muss eine Messung der hämodynamischen Parameter unmittelbar nach der Einstellung der neuen Permutation der Stimulationsparameter nicht aktuellen hämodynamischen Änderungen bedingt durch die geänderte Stimulationstherapie wiedergeben. Zum Beispiel sollen im nachfolgenden Optimierungszyklus jede Permutation der Stimulationsparameter für 30 Sekunden eingestellt bleiben und die Messungen während der ersten Herzzyklen nach der Einstellung jeder Permutation nicht berücksichtigt werden.
Die Reihenfolge der Einstellung der Variationsbereiche und der Variationsschrittweiten für Herzrate 310, AA-Verzögerung 314, AV-Verzögerung 316, W-Verzögerung 318 und Zeitintervall 320 sind willkürlich und können geändert werden. Bei der Wahl der Variationsbereiche und Variationsschrittweiten wie auch dem Zeitintervall muss der Arzt bedenken, dass es einen Kompromiss zu finden gilt zwischen einerseits großen Variationsbereichen und kleinen Variationsschrittweiten und andererseits der Dauer, die der Optimierungszyklus benötigt, das heißt die Zeit, in die der Patient den Messungen ausgesetzt ist.
Bei der Einstellung der Variationsbereiche und der Variationsschrittweiten der Stimulationsparameter berechnet die Optimierungsvorrichtung die benötigte Dauer für den automatischen Optimierungszyklus 330 voraus, und zeigt diese an. Abhängig von der vorausberechneten Dauer und der durch den Gesundheitszustand des Patienten oder die Situation bedingte zeitliche Begrenzung kann der Arzt vorher gewählte Bereiche und Schrittweiten neu anpassen. Falls die notwendige Dauer für den automatischen Optimierungszyklus akzeptabel erscheint, bestätigt der Arzt den Beginn des automatischen Optimierungszyklus durch die vorher festgelegten Variationsbereiche und Variationsschrittweiten der Stimulationsparameter. Die Optimierungsvorrichtung speichert die aktuelle Einstellung der Stimulationsparameter vor Beginn des Optimierungszyklus, zu der nach Beendigung des automatischen Optimierungszyklus wieder zurückgekehrt werden kann.
Nach Beendigung des Optimierungszyklus 340 werden die ermittelten hämodynamischen Parameterwerte zusammen mit den dazugehörigen Permutationen der Stimu lationsparameter angezeigt. Die Ergebnisse werden in Tabellenform dargestellt, wobei die Permutation mit den Stimulationsparametern, die zu dem größten Schlagvolumen, Herzminutenvolumen und anderen Indizes der ventrikulären Leistungsfähigkeit führen, hervorgehoben. Alternativ werden zwei- oder dreidimensionale Grafiken verwendet, um das Spektrum der Stimulationsparameter und ihren therapeutischen Einfluss auf diesen besonderen Patienten darzustellen.
Der Arzt hat dann die Wahl, die bevorzugte Permutation von Stimulationsparametern eventuell mit leichten Veränderungen für die Schrittmachertherapie zu übernehmen oder zu der ursprünglich benutzten und festgehaltenen Einstellung der Stimulationsparameter 350 zurückzukehren.
Während der Stimulationssystemanalyse empfiehlt es sich, mit jeder neuen Elektrodenplatzierung einen neuen automatischen Optimierungszyklus 360 durchzuführen. Der Arzt hat die Möglichkeit, die vorher gewählten Variationsbereiche und Variationsschrittweiten für die Stimulationsparameter 362 zu verändern, oder einen neuen automatischen Optimierungszyklus mit den vorher verwendeten Variationsbereiche und Variationsschrittweiten zu beginnen 364. Alternativ kann die Schrittmacheroptimierung beendet werden 370.
4 erläutert schematisch die Wahrnehmungs- und Stimulationssequenz des AW-Modus.
4 deutet schematisch die 4 Herzkammern an und die entsprechenden Wahrnehmungs- und Stimulationskanäle an, und zwar das rechte Atrium (RA) 200, den rechten Ventrikel (RV) 202, das linke Atrium (LA) 204 und den linken Ventrikel (LV) 206, und einen bevorzugten Betriebsmodus (AW Mode) des Herzschrittmachers, welcher in die Optimierungsvorrichtung nach 1 integriert ist. Der Herzschrittmacher übernimmt die Aufgabe, in jeder Herzkammer die Eigenaktivität des Patienten, sofern vorhanden, wahrzunehmen und gegebenenfalls einen Schrittmacherimpuls abzugeben.
In diesem Zusammenhang stellt die AV-Verzögerung 210 das programmierte atrioventrikuläre Stimulationsintervall dar, welches durch einen atrialen Stimulus eingeleitet wird. Die W-Verzögerung 214 stellt das programmierte interventrikuläre Stimulationsintervall dar, welches durch einen ventrikulären Stimulus eingeleitet wird.
4 erläutert die aufwändigste Wahrnehmung bzw. Messung und Stimulationstherapie, welche der AW-Modus bereitstellt. Durch Abschalten der Stimulation und Wahrnehmung bzw. Messung in bestimmten Herzkammern kann der aufwändige Funktionsumfang auf bekannte und bewährte Stimulationsmodi reduziert werden. Falls keine linksatriale Wahrnehmung und Stimulation notwendig oder angebracht ist, wird der linksatriale Kanal abgeschaltet. Die 3 verbleibenden Herzkammern und die dazugehörigen Wahrnehmungs- und Stimulationskanäle 216, nämlich das rechte Atrium (RA) 200, der rechte Ventrikel (RV) 202 und der linke Ventrikel (LV) 206, sind von besonderem Interesse für eine Schrittmachertherapie, welche auf Herzinsuffizienz ausgerichtet ist, und auch als biventrikuläre oder CHF-Stimulation bekannt ist. Nach unserem Kenntnisstand wurde die Anwendung einer W-Verzögerung, die positive und negative Werte annehmen kann, bisher nicht publiziert oder untersucht.
Nach dem Abschalten der Stimulation und Wahrnehmung im linken Ventrikel sind die verbleibenden 2 Herzkammern und die dazugehörigen Wahrnehmungs- und Stimulationskanäle 218, nämlich das rechte Atrium (RA) 200 und der rechte Ventrikel (RV) 202, von besonderem Interesse in der klassischen physiologischen Stimulationstherapie, auch bekannt als Zweikammer- oder DDD-Stimulation.
5 erläutert schematisch die Wahrnehmungs- und Stimulationssequenz des AVAV-Modus.
5 deutet schematisch die 4 Herzkammern und die entsprechenden Wahrnehmungs- und Stimulationskanäle an, und zwar das rechte Atrium (RA) 200, den rechten Ventrikel (RV) 202, das linke Atrium (LA) 204 und den linken Ventrikel (LV) 206, und einen anderen bevorzugten Betriebsmodus (AVAV Mode) des Herzschrittmachers, welcher in die Optimierungsvorrichtung nach 1 integriert ist. Der Herzschrittmacher übernimmt die Aufgabe, in jeder Herzkammer die Eigenaktivität des Patienten, sofern vorhanden, wahrzunehmen und gegebenenfalls einen Schrittmacherimpuls abzugeben.
In diesem Zusammenhang stellt die AV-Verzögerung 210 das programmierte rechtsseitige atrioventrikuläre Stimulationsintervall dar, welches durch einen atrialen Stimulus eingeleitet wird. Die AA-Verzögerung 212 stellt das programmierte interatriale Stimulationsintervall dar, welches durch einen atrialen Stimulus eingeleitet wird. Die LAV-Verzögerung 220 stellt das programmierte linksseitige atrioventrikuläre Stimulationsintervall dar, welches durch einen linksatrialen Stimulus eingeleitet wird. Die nach einem Abschalten der Stimulation und Wahrnehmung im linken Atrium (LA) 204 und Ventrikel (LV) 206 verbleibenden zwei rechten Herzkammern und die dazugehörigen Wahrnehmungs- und Stimulationskanäle 218, nämlich das rechte Atrium (RA) 200 und den rechten Ventrikel (RV) 202, sind von besonderem Interesse für die klassische physiologische Stimulationstherapie, welche auch als Zweikammer- oder DDD-Stimulation bekannt ist.
Wie I Vorhergehenden angedeutet wurde, ist es nicht allein das Schlagvolumen, welches herangezogen werden kann, um die Stimulationsparameter zu optimieren, welche dann in den Schrittmacher programmiert werden. Im Allgemeinen sind für die Optimierung die meisten Indizes linksventrikulärer Herzleistung geeignet. Die Optimierungsvorrichtung misst in jedem Fall die Herzrate (HR). Deshalb kann auch das Herzminutenvolumen (CO) statt dem Schlagvolumen für den Optimierungsprozess verwendet werden:
mit

SV:: Schlagvolumen, gemessen in Millilitern
CO:: Herzminutenvolumen, gemessen in Litern pro Minute
HR:: Herzrate, gemessen in Schläge pro Minute

Für die Berechnung des Schlagvolumen SV kann die folgende Gleichung aus der zuvor erwähnten europäischen Patentanmeldung Osypka EP 1 247 487 A1 verwendet werden (ohne einzuschränken):
oder in des speziellen Form mit
mit

V_EFF: : Volumen des elektrisch teilnehrnenden Gewebes
C₁: : Konstante
: Maximale Änderungsrate der Impedanz
Z₀: : Grundimpedanz
T_RR: : RR-Intervall
T_LVE: : Linksventrikuläre Auswurfzeit
FT_c: : Korrigierte Flusszeit;

V_EFF ist ein für den jeweiligen Patienten typischer Faktor, weil er unter anderem das Gewicht des Patienten eingeht. V_EFF wir als quasikonstant betrachtet, da es entsprechend der bereits erwähnten europäischen Patentanmeldung Osypka EP 1 247 487 A1 V_EFF auch von der Grundimpedanz Z₀ abhängt. Betrachtet man den Umfang der möglichen Anwendungen, welche nur wenige Minuten für den Optimierungsprozess vorsehen, dann verändert sich Z₀, wenn überhaupt, nur geringfügig und hat keinen praktischen Einfluss auf das gemessene SV oder CO. Wenn Z₀ und im Folgeschluss V_EFF als Konstante während der gesamten Anwendung an einem bestimmten Patienten betrachtet werden, dann kann bei der Optimierung ohne Einschränkung der Genauigkeit auf die Kenntnis des Gewichts des Patienten und damit auf V_EFF verzichtet werden. Zum Beispiel kann ein „Schlagindex" SI₁ wie folgt definiert werden:
mit 0.15 < n < 0.8 und 0 ≤ m ≤ 1.5 entsprechend der zuvor erwähnten europäischen Patentanmeldung von Osypka.
Ein spezieller dimensionsloser „Schlagindex" SI₁ wird bestimmt mit n = m = 0.5:
Der einzige Nachteil einer solchen Vorgehensweise ist, dass der Benutzer nicht eine (einfache) absolute Idee von dem Bereich erhält, in dem sich das Schlagvolumen des Patienten bewegt, während der Patient verschiedenen Permutationen der Stimulationsparameter ausgesetzt ist. Dafür erhält der Benutzer relative Werte der „Schlagindizes" zum Vergleich.
Betrachtet man Z₀ als konstant, dann kann Z₀ aus der Gleichung entfernt werden. Die folgende vereinfachte Gleichung kann verwendet werden, um eine weitere Form eines „Schlagindex" SI₂ zu berechnen:
Einen besonderen dimensionslosen Schlagindex SI₂ erhält man mit n = m = 0.5:
Eine weitere Vereinfachung auf Kosten der Genauigkeit erhält man durch Substitution der korrigierten Flusszeit mit der linksventrikulären Auswurfzeit (auch bekannt als systolische Flusszeit) T_LVE oder durch völliges Weglassen von FT_c oder T_LVE. Dementsprechend wird ein „Schlagindex" SI₃ bestimmt:
Alternative kann ein Schlagindex" SI₄ gebildet werden durch eine Normalisierung von
durch Division durch die Grundimpedanz Z₀:
Wie bereits angedeutet ist das Weglassen der korrigierten Flusszeit FT_c oder der linksventrikulären Auswurfzeit (bekant auch als systolische Flusszeit) T_LVE eine Vereinfachung, welche die Genauigkeit einschränkt und eventuell nur für einen engen Bereich anwendbarer Herzraten geeignet ist.
Das Schlagvolumen, das Herzminutenvolumen und die bereits erwähnten Schlagindizes" sind im Rahmen ihrer Beschränkungen passende hämodynamische Parameter für die Bestimmung der optimalen Einstellung der Stimulationsparameter. Alternativ stellt die (linksventrikuläre) Auswurffraktion (EF) einen mindestens genauso passender hämodynamischen Index für die Optimierung der Stimulationsparameter.
Falls die Bioadmittance Y statt der Bioimpedance Z gemessen wird, sind die folgenden Gleichungen entsprechend den Angaben in der europäischen Patentanmeldung EP 1 247 487 A1 auf Seite 14,
wobei mit Y₀ die Grundadmittanz bezeichnet wird.
Die Gleichungen für die Bestimmung der Schlagindizes SI unter Verwendung der Bioadmittanz Y ergeben sich demzufolge zu:
mit

: maximale Änderungsrate der Admittanz,
Y₀: der Grundadmittanz und
Ω: einer Konstanten.

Claims

Optimierungsvorrichtung für die automatische Bestimmung der Werte für die Stimulationsparameter eines Mehrkammer-Herzschrittmachers zur optimalen Stimulationstherapie eines speziellen Patienten, umfassend mindestens eine Prozessoreinheit (110) und einen Herzmonitor (120) – bei der die Prozessoreinheit (110) enthält • eine Einrichtung zur Eingabe und Speicherung eines durch die Bedienungsperson definierten Satzes von programmierbaren veränderbaren Stimulationsparametern, durch die Bedienungsperson definierte, parameterspezifische Wertebereiche und Schrittweiten von Werten der Stimulationsparameter, wie die atrio-ventrikuläre Verzögerung (AV), die inter-atriale Verzögerung (AA), die inter-ventrikuläre Verzögerung (W), oder die Herzrate (HR), die damit die Anzahl der Permutationen von Stimulationsparametern und die Reihenfolge innerhalb des Optimierungszyklus bestimmen, • eine Einrichtung zur Programmierung eines Herzschrittmachers (130, 170) mit jeweils einer Permutation von Werten für die Stimulationsparameter entsprechend der definierten Reihenfolge innerhalb des Optimierungszyklus, • eine Einrichtung zur Kommunikation mit dem Herzmonitor (120), • eine Einrichtung zur Aufzeichnung der Messwerte des Herzmonitors für jede Permutation von angewendeten Werten der Stimulationsparameter, und • eine Einrichtung zur Bestimmung der optimalen Permutation von Stimulationsparametern aus allen Aufzeichnungen, – und der Herzmonitor (120; 122, 124) geeignet ist zur • Kommunikation mit dem Herzschrittmacher (130, 170), damit hämodynamische Messungen von Parametern zur Beurteilung der Herzleistung mittels nicht-invasiver thorakaler oder ösophagealer Messungen eines dimensionslosen Schlagindexes (SI) der ventrikulären Leistungsfähigkeit über die größte Änderungsrate der Bioimpedanz bzw. Bioadmittanz gemäß einer durch die Bedienungsperson definierten Reihenfolge innerhalb des Optimierungszyklus durchgeführt werden, • wobei im Falle der Verwendung der Bioimpedanz (Z) der dimensionslose Schlagindex (SI) entsprechend einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird:
und • im Falle der Verwendung der Bioadmittanz (Y) der dimensionslose Schlagindex (SI) entsprechend einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird:
mit
und mit 0.15 < n < 0.8 und 0 ≤ m ≤ 1.5,
der größten Änderungsrate der Impedanz
der größten Änderungsrate der Admittanz Z₀ der Grundimpedanz Y₀ der Grundadmittanz T_RR dem R-R Intervall T_LVE der linksventrikulären Auswurfzeit.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzmonitor (120) dahingehend ausgebildet ist, dass Messungen des dimensionslosen Schlagindexes (SI) während linksseitiger atrio-ventrikulärer (A-LV), rechtsseitiger atrio-ventrikulärer (A-RV) oder beidseitiger atrio-ventrikulärer (A-BV) Stimulation durchgeführt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (110) Einrichtungen zur dauerhaften Programmierung des Herzschrittmachers (130, 170) mit den ermittelten Werten für die optimale Stimulation aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschrittmacher (130) in die Optimierungsvorrichtung (100) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschrittmacher (170) derart programmierbar ist, dass der Optimierungszyklus automatisch nach einem in den Herzschrittmacher eingebauten Programm durchgeführt wird, welches, insbesondere durch die Prozessoreinheit (110), in der Weise aktiviert werden kann, dass die hämodynamischen Messwerte, die durch den Herzmonitor gewonnen werden, (mit) den verschiedenen Permutationen von Stimulationsparametern zugeordnet (synchronisiert) werden können.