DE68919552T2

DE68919552T2 - Katheter für Herzschrittmacher.

Info

Publication number: DE68919552T2
Application number: DE68919552T
Authority: DE
Inventors: Robert R Brownlee
Original assignee: Cardiac Control Systems Inc
Current assignee: Cardiac Control Systems Inc
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-07-05
Also published as: PT91060A; EP0350282B1; DE68919552D1; EP0440315A2; EP0350282A3; US4962767A; PT91060B; JPH0265875A; ES2064445T3; JPH059113B2; EP0440315A3; EP0350282A2

Description

Die Erfindung betrifft Herzschrittmacher und im besonderen die räumliche Lage und Form der Elektroden eines Schrittmacherkatheters.
Herzschrittmacher sind bei Patienten mit schlecht funktionierendem Herzschlagmechanismus infolge einer Störung des elektrophysiologischen Herzsystems weit verbreitet. Die Herzschrittmacher korrigieren fehlerhafte Systeme, indem sie das Herz mit elektrischen Impulse stimulieren und so die Herzschlaggeschwindigkeit steuern.
Bei normal funktionierenden Herzgefäßsystemen werden elektrische Signale durch den sino-artialen (S-A)-Knotenpunkt erzeugt. Der S-A-Knotenpunkt steuert den Herzschlag durch Stimulieren der Herzmuskel mittels elektrischer Signale einer ausreichenden Größe und einer genauen zeitlichen Folge. Die elektrischen Signale werden von dem S-A-Knotenpunkt zu der rechten und linken Vorkammer geleitet und von den Vorkammern durch den AV-Knotenpunkt zu der rechten und linken Herzkammer übertragen, die auf die depolarisierende Welle ansprechen und eine Kontraktion des Herzmuskels hervorrufen. Eine Störung in dem AV-Knotenpunkt- Leitungssystem zwischen Vorkammer und Herzkammer führt manchmal zu einem Fehler oder einer Blockierung des übertragenen Signals. Einfache Herzschrittmacher liefern ein stimulierendes Signal an die Herzkammer und bewirken so, daß das Herz mit einer feststehenden Geschwindigkeit schlägt.
In der Vergangenheit sind verschiedene Arten von Herzschrittmachersystemen verwendet worden, und die am meisten verbreiteten davon sind in der (JS-PS 4,365,639 von Goldreyer diskutiert. Eines dieser Systeme verwendet zwei Katheter, von denen einer in der Herzkammer und der andere in der Vorkammer positioniert ist. Die stimulierenden Elektroden auf jedem der Katheter wurden mit einer eingestellten Geschwindigkeit betätigt und mit einer Zeitverzögerung zwischen den stimulierenden Impulsen. Es stellten sich verschiedene Nachteile bei einem solchen Zeitfolgeschrittmachersystem heraus, unter anderen, daß zwei Katheter in das Herz implantiert werden mußten und daß die Herzleistung nur um etwa 5 bis 15% des Schrittmachens mit fester Geschwindigkeit erhöht wurde. Außerdem sind zwei Katheter sehr voluminös und da das System nur mit einer Geschwindigkeit betätigt wird, die durch den Schrittmacher vorgegeben ist, kann das Herz keinen Ausgleich durch Erhöhen der Herzschlaggeschwindigkeit schaffen, wenn der Patient eine erhöhte Aktivität ausführt.
Andere Systeme beruhen auf einem abfühlenden Mechanismus, wobei der Herzschrittmacher sowohl stimulierende und abfühlende Elektroden oder alternativ eine der Elektroden hat, die sowohl äls Sensor als auch als Stimulator wirken kann. Für diese Arten von Systemen würde der Sensor so eingestellt, daß er eine bestimmte Art eines unterscheidenden elektrischen Wellenmusters erfaßt, bekannt als P-Welle, die mit der atrialen Depolarisation verbunden ist, wobei es sich um das Signal handelt, das dem Herzmuskel, der die Kontraktion der Herzkammer hervorruft, in der Herzkammer über den AV-Knotenpunkt zugesandt wird. Wenn eine kennzeichnende P-Welle nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach der letzten P-Welle erfaßt wird, liefern die stimulierenden Elektroden einen Energieimpuls ausreichender Größe, um den Herzmuskel zur Kontraktion zum richtigen Zeitpunkt des Herzschlagrhythmusses zu stimulieren.
Bei diesen Arten von Systemen wird es zunehmend wichtig, daß die elektrischen Signale stets genau erfaßt werden. Einige der erwähnten Systeme haben den Grundsatz der endokavitarischen Erfassung der Herzsignatur der elektrischen Signale verbunden mit der Herzdepolarisierung betont. Die Optimierung der Erfassung der Signale in der Vorkammer des Herzens ist von besonderer Bedeutung wegen der schwachen Signale, die von der wandernden Wellenfront entlang der myokardialen Vorkammerwand während der Vorkammerdepolarisation erhältlich sind.
Ein Katheter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in dem Dokument FR-A-2 182 866 offenbart.
Die oben erwähnte US-PS 4,365,639 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Signalen im Herz durch Verwendung von Elektroden, die normal (orthogonal) zu der Ebene der depolarisierenden Welle in dem Vorkammerherzgewebe angeordnet sind. Die Anordnung der Elektroden auf dem Katheter und insbesondere ihre Form und räumliche Lage in Bezug zueinander zieht jedoch keinen Vorteil aus Kennzeichen, die der elektrischen Kennung der Herzwellen zu eigen sind, um die Signale genauer und stetiger zu erfassen, die für eine wandernde Wellenfront wie eine P-Welle kennzeichnend sind.
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Erfassung physiologischer elektrischer Signale durch Optimierung der Elektrodenanordnung gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Empfindlichkeit eines P-Wellen-Erfassungsmechanismus zu erhöhen, um ein Signal bereit zu stellen, welches den Durchgang einer P-Welle zu einem Herzschrittmacher anzeigt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Katheter für ein Herzschrittmachersystem anzugeben, der verschiedene Faktoren wie extrazelluläre Potentialfeldabmessungen, die Fortpflanzungsrichtung des Feldes, Anomalien in dem leitenden Muskelfaser verbunden mit dem Alter und den verwendbaren Impedanzlevel der Elektroden, wie er sich auf die Elektrodenoberfläche bezieht, sowie weitere Faktoren berücksichtigt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Elektrodensystem anzugeben, welches die Herzgeschwindigkeit entsprechend den Bedürfnissen des Körpers variieren kann, während gleichzeitig nur ein einziger Katheter verwendet wird, der durch eine Ader eingesetzt wird, ohne daß eine offene Herzchirurgie erforderlich ist. Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte abfühlende Elektrodenanordnung zur Erfassung von P-Wellen-Signalen anzugeben, um das Timing der Herzkammerstimulation zu steuern.
Es ist auch ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Katheter zum Abfühlen und Stimulieren in der Form eines einzigen, sich nicht verzweigenden Filaments mit zwei abfühlenden Elektroden anzugeben, die mit optimaler Anordnung, Form, Größe und räumlicher Anordnung der Katheterelektroden auf dem Katheter befestigt sind.
Es ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, für Elektroden Größen vorzusehen, die so klein wie möglich relativ zu den Abmessungen der Breite der wandernden Wellenfront sind und klein gegenüber den Abmessungen des Feldgradienten senkrecht zu der Wand des depolarisierenden Muskels.
Ein weiterer Gegenstand und ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung liegen darin, die Parameter der Katheterelektroden in ein Schrittmachersystem so zu optimieren, daß die Effektivität des Herzschrittmachersystems vergrößert ist.
Es ist außerdem ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, die Plazierung, Form und Anordnung der Elektroden auf einem Katheter eines Herzschrittmachersystems so einzustellen, daß die Elektrodenparameter auf die höchste negative zu der höchsten positiven Strecke in der erfaßten laufenden Wellenfront der depolarisierenden Welle angepaßt werden, die kennzeichnend für die physiologischen Signale ist, die einen Herzschlag erzeugen.
Ein weiterer Vorteil und ein einzigartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung liegen darin, die Einstellung der Katheterelektrodenparameter derart zu ermöglichen, daß diese für Menschen mit verschiedenen Altern, Herzgrößen und Herzzuständen geeignet sind.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der optimalen Größe, Plazierung und räumlichen Anordnung des atrialen Elektrodenfeldes, um auf diese Weise alle Vorteile der Charakteristika der P-Welle auszunutzen, uni die Wirksamkeit des Abfühlens zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung sieht einen Katheter für ein Herzschrittmachersystem mit einem Herzschrittmacher, der in ein Patientenherz eingesetzt wird, vor, wobei der Katheter ein einziges, nicht verzweigtes, isoliertes Filament, das durch das Gefäßsystem des Patienten in das Patientenherz eingesetzt wird und ein entferntes Ende, ein nahes Ende und einen proximalen Abschnitt zwischen dem entfernten und dem nahen Ende hat, eine erste Elektrode, die an dem entfernten Ende des Filaments angeordnet ist, zum Abfühlen und Schrittmachen des Herzschlags der Kammer des Patientenherzes, und das mit einer Impulserzeugungseinheit in dem Schrittmacher verbindbar ist, um von diesem einen stimulierenden elektrischen Impuls als Antwort auf Eingangssignale zu erhalten, zum Schrittmachen der Herzkammer des Patienten, zweite und dritte Elektroden, die an dem proximalen Abschnitt des Filaments angeordnet sind und sowohl von der ersten Elektrode als auch voneinander longitudinal beabstandet sind, um atriale Depolarisationen zu erfassen, die eine bestimmte Kennung haben, die kennzeichnend für extrazelluläre Wellenformen sind, die mit dem intrazellulären Wirkungspotential in der Vorkammer des Patientenherzes verbunden sind, erste, zweite und dritte elektrische Leitungseinrichtungen innerhalb des isolierten Filaments zum Verbinden der ersten, zweiten und dritten Elektrode mit dem Herzschrittmacher enthält, gekennzeichnet durch longitudinale Abstandseinrichtungen zum Anpassen der zweiten und dritten Elektrode, zum Abfühlen und Erfassen der bestimmten Kennung, die kennzeichnend für das extrazelluläre Potential ist, das durch die höchste negative zu der höchsten positiven Abweichung bestimmt ist und sich entlang der Fläche der Vorkammer des Patientenherzes fortpflanzt, wobei die zweite und dritte Elektrode beim Gebrauch die Eingangssignale übertragen, die kennzeichnend für eine Herzschlag-p-Welle für den Herzschrittmacher sind, wobei die longitudinalen Abstandseinrichtungen ein isolierendes Filament aufweisen, das die erste und zweite Elektrode trennt und eine Länge von 1 mm bis 10 mm hat, was etwa der Länge einer höchsten negativen zu einer höchsten positiven Abweichung der erfaßten extrazellulären Kennung entspricht, die mit dem Wirkungspotential in der Vorkammer des Patientenherzes verbunden ist, wobei die zweite und die dritte Elektrode halbzylindrische Elektroden aufweisen, die an gegenüberliegenden Seiten des isolierenden Filaments angeordnet sind und Abmessungen haben, die geeignet sind, die Felddurchschnittsbestimmung einer bioelektrischen Wellenfront zu minimieren, die der speziellen Kennung des Wirkungspotentials entspricht, das in dem Gewebemedium des Patientenherzes verläuft, und wobei die Oberfläche jeder der zweiten und dritten Elektrode, die dem Potential-übertragenden Gewebemedium ausgesetzt ist, etwa 3 mm² bis etwa 7 mm² beträgt.
Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen macht die Erfindung besser verständlich und offenbart weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Elemente.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A zeigt ein Diagramm einer idealisierten extrazellulären Wellenform, die durch das Wirkungspotential erzeugt wird, wenn sie sich in dem Herz fortpflanzt.
Fig. 1B zeigt ein vereinfachtes Modell eines sich fortpflanzenden extrazellulären Potentials entlang der atrialen Wand.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vörrichtung, die in ein Patientenherz eingesetzt ist.
Fig. 3A und 3B zeigen eine detaillierten Seiten- und Endansicht des Katheters gemäß Fig. 2 mit Elektroden, die an gegenüberliegenden Seiten des Filaments angeordnet sind.
Fig. 3C und 3D zeigen den Katheter, der gegenüber den Fig. 3A und 3B um 90º gegenüber der atrialen Wand gedreht angeordnet ist.
Fig. 4A und 4B zeigen eine detaillierte Seiten- ud Endansicht einer Ausführungsform ähnlich derjenigen der Fig. 2A bis 3D, die Elektroden hat, die als halbzylindrische Verlängerungen sich etwa um einen halben Umfang des Katheters erstrecken.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die theoretische elektrische Feldtheorie bezüglich den Kennungen der bioelektrischen Erscheinungen, die mit Muskel- oder Nervdepolarisation verbunden sind, wurde studiert, um die Ausbreitung der elektrischen Signale durch Gewebemembranen besser zu verstehen. Die Studien haben gezeigt, daß das Elektroden-erfaßte Oberflächenpotential entlang der Achse einer depolarisierenden Welle zweiphasig oder dreiphasig sein kann, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Anstiegs und Abfalls des depolarisierenden Feldes. Die Abfallgeschwindigkeit oder Repolarisation des Herzmuskelgewebes ist langsam, wie herausgefunden wurde, so daß die Elektroden-erfaßte extrazelluläre, intransische Deflektion normalerweise zweiphasig ist. Diese zweiphasige Natur der normalen intransischen Kennung kann in einem bipolaren System vorteilhafterweise verwendet werden, um atriale Depolarisierung durch Beabstandung oder Anpassung des Elektrodenabstands gleich der höchsten negativen zur höchsten positiven Abmessung der extrazellulären Wellenform zu erfassen.
Fig. 1A zeigt eine idealisierte, extrazelluläre Wellenform, die nahe dem Herzmuskelgewebe durch das Wirkungspotential erzeugt ist, unter Verwendung ungefährer Abmessungen. Fig. 1A ist ein Diagramm des extrazellulären Potentials, gemessen in Millivolt entlang der Y-Achse 12, als Funktion des longitudinalen Abstands in dem Medium, in dem sich die Welle fortpflanzt, gemessen in Millimetern entlang der X-Achse 14. Zum optimalen Erfassen der P-Welle enthält das Herzschrittmachersystem einen Schaltkreis zur Differenzverarbeitung des erfaßten Signals. Wenn die Diphasenwellenfront ein Katheterelektrodenpaar gemäß der vorliegenden Erfindung passiert, werden die entgegengesetzten höchsten Polaritäten addiert, wenn das Signal differenzverarbeitet wird, wodurch die passierende extrazelluläre Potentialwellenform genauer und wirkungsvoller erfaßt wird.
Die vorliegende Erfindung enthält Kennzeichen und Elemente, die Vorteil aus dem Summierungseffekt zwischen dem höchsten posiviten 16 und höchsten negativen 18 Potential zieht, um genauer die Depolarisationswelle abzufühlen, selbst wenn sie gegenüber einer anormalen Depolarisationswelle schwach ist.
Wie Fig. 1A zeigt, treten ein höchstes Maximum positives 16 und ein höchstes Maximum negatives 18 Feldsignal gleichzeitig auf, wenn eine Elektrode in der Wellenfront der sich bewegenden Depolarisierungswelle angeordnet ist, wie allgemein durch das Bezugszeichen 10 dargestellt ist. Zu Zwecken dieser Erfindung wird der Abstand zwischen den Maximumwerten 16, 18 bestimmt als eine Hälfte der Wellenlänge der erfaßten gesamten Depolarisationswelle, oder die zwei Millimeter-Strecke, die von der Wellenform durchquert wird, wie durch die Linie 17 in Fig. 1 angedeutet ist. Diese Definition ist zweckmäßig, da die Wellenform nicht sinusoidal und nicht stetig periodisch ist, wie dies üblicherweise für die Übertragung von Radiofrequenzenergie durch den Raum der Fall ist. Beispielsweise ist die Aufwärtsneigung 15 oder 19 des gemessenen Potentials über die Elektrode weniger steil als diejenige der intransischen Abweichungslinie 17.
Mit Bezug auf Fig. 1B ist die wandernde Wellenfront durch Schraffur 22 dargestellt, die in der atrialen Wand 24 in Richtung des Pfeils wandert. Die Wellenfront 22 erzeugt ein elektrisches Feld in dem der atrialen Wand benachbarten Raum. Dieses elektrische Feld ist nahe der artrialen Wand 24 am stärksten, wie durch die Plus und Minuszeichen dargestellt ist, die fett 25 markiert sind, und nimmt mit dem Abstand von dem Punkt der atrialen Wand ab, wo die Depolarisation sofort auftritt. Das elektrische Feld wird durch das Medium, in dem es gezeigt ist, gedämpft, in diesem Fall durch das Blut in der Vorkammer und ist im wesentlichen vollständig um eine lose festgelegte Grenze aufgebraucht dargestellt, die durch eine gestrichelte Linie 26 wiedergegeben ist. Die Definition der verschiedenen räumlichen Richtungen kann aus der Darstellung der X-Richtung 27 und der Z- Richtung 28 verstanden werden. Die Wellenfront 22 wandert in der Z-Richtung 28, und das Feld liegt in der X-Richtung 27 und der Y-Richtung 29 (aus der Papierebene heraus).
Es ist außerdem erforderlich, zu berücksichtigen, daß die wandernde elektrische Welle in einem biologischen System mit hochgradig leitenden Metallelektroden erfaßt wird, die innerhalb eines räumlichen Leitermediums (beispielsweise Blut oder Körpergewebe) angeordnet sind, in dem die Feldpotentiale entwickelt werden. Die Berührungsfläche zwischen Elektrode und Mediumberührungsfläche ist ziemlich komplex und prinzipiell kapazititiv in der Impedanz, aber es wird angenommen, daß Elektroden einer Abmessung, die die Wellenfrontabmessung in der X- und Z-Ebene der Wellenfront übertrifft, die Wellenfrontpotentiale verzerren, und daß eine Durchschnittsbestimmung des Gradienten entlang der Achse und senkrecht zu der Achse der Wellenfront auftritt, wodurch eine Signaldämpfung im Vergleich zu einem Ergebnis entsteht, welches mit Punktquellenelektroden erzielt würde.
Fig. 2 zeigt das Herz eines Patienten, welches allgemein mit 30 bezeichnet ist und mehrere Kammern hat, jedoch hauptsächlich die rechte Vorkammer 33 und die rechte Herzkammer 35, die teilweise weggeschnitten dargestellt sind, sowie die obere Vena cava 32, eine Hauptvene, die mit der rechten Vorkammer 33 verbunden ist. In das Herz 30 ist durch die obere Vena cava 32 ein Katheter 40 implantiert. Der sino-atriale (SA)-Knotenpunkt 36, an dem Bluteingang zu der Vorkammer 33, depolarisiert und initiiert eine Depolarisationswellenfront entlang der atrialen Wand 24, wie in dem idealisierten Modell der Fig. 1B gezeigt ist .
Der Katheter 40 enthält einen in Reihe liegenden triaxialen Konnektor 42, einen einzigen, flexiblen, sich nicht verzweigenden, koaxialen, isolierten Leiter 44 mit zwei Abfühlelektroden 56, 58, einen koaxialen, isolierten Leiterabschnitt 57 zwischen den Elektroden 56, 58 und eine entfernte Elektrode 50 an der Spitze eines einzigen, isolierten Leiters 44. Abgesetzte Teile 48 aus einem flexiblen Material mit flexiblen Vorsprüngen 49 stehen senkrecht von dem Filament 44 nahe der entfernten Elektrode 50 ab und sind um diese herum angeordnet, um eine stabile Position in der Herzkammer aufrecht zu erhalten.
Der Katheter 40 ist chirurgisch in das Patientenherz 30 durch die obere Vena cava 32, an dem SA-Knoterpunkt 36 vorbei in die rechte Vorkammer 33 eingesetzt. Das entfernte Ende mit der Elektrode 50 ist ferner in die rechte Herzkammer 35 durch den tricuspidalen Ventilringraum 34 eingesetzt. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind beide Abfühlelektroden 56, 58 vollständig innerhalb der rechten Vorkammer 33 angeordnet, und die Achse des Katheterelektrodenpaares 56, 58 verläuft parallel zu der Richtung des fortschreitenden Wirkungspotentials (Z- Richtung) im Bereich der Elektroden.
Selbst wenn die Elektroden entlang der Achse der Leitung beabstandet sind, d.h. im wesentlichen parallel zu der allgemeinen Achse der Depolarisation entlang der Z-Richtung, ist ein anderes Problem die Ungewißheit der Übertragungsrichtung und der abgefühlten Signalmorphologie in dem Bereich der Elektroden, da das Herzgewebe ein nicht-isotropes Medium ist. Diese Ungewißheiten werden bei dem betagten Herz zunehmend vorherrschend. Die Leitungsgeschwindigkeit der Herzdepolarisation ist bekanntlich viel höher in Richtung der Achse der Muskelfaser als quer zu der Muskelfaser. Wenn diese Eigenschaft sich mit erhöhte Diskontinuität in dem Muskel mit fortschreitendem Alter verbindet, steigt die Ungewißheit über die Richtung der Ausbreitung im Bereich einer willkürlichen Elektrodenpaaranordnung. Die Signalmorphologie (d.h. Form und Polarität jedes Signals), wie sie an jeder Elektrode abgefühlt wird, kann auch in einem anisotropen Medium komplex werden, und zusätzliche Signale können nicht garantiert werden.
Zur optimalen Erfassung von Sigalen von gesundem atrialem Myocardium ist es bevorzugt, bipolare Elektroden wie 56, 58 dicht beinander anzuordnen, d.h. abgestimmt auf die höchsten negativen zu höchsten positiven Abmessungen der extrazellulären Wellenform, die in Fig. 1A gezeigt ist. Für das ältere Herz deuten die Ungewißheiten der Ausbreitungsrichtung und Signalmorphologie in Richtung eines Elektrodenabstandes, der die normalen Wellenfrontabmessungen übersteigt. Die Wahrscheinlichkeit, augenblicklich zusätzliche Signale auf einem Elektrodenpaar zu erhalten, würde abnehmen, wenn die Abmessungen zwischen den Elektroden steigen, aber die Wahrscheinlichkeit substraktive Signale anzutreffen, würde ebenfalls verringert. Somit ist ein größerer Abstand der Elektroden in einem älteren Herz eine positive Maßnahme in einem System, wo es wünschenswert ist, jeden atrialen Depolarisationszyklus zu erfassen, um eins-zu-eins atriale synchronisierte Herzkammerschrittmachung beizubehalten.
Das Problem der Elektrodengröße und Form zum Optimieren der Erfassung des extrazellulären Potentials ist kompliziert durch die praktische Realität, daß die Elektroden 56, 58 durch den triaxialen Konnektor 42 und den triaxialen Katheter 44 mit einem System verbunden werden müssen, in dem nicht garantiert werden kann, daß der Systemzimpedanzlevel hoch bleibt. Bei schlecht implantierten Schrittmachersystemen passiert es, daß Flüssigkeit in die nicht-hermetisch abgedichteten Elemente des Systems eintritt. Die Verbindungsanordnung und das Leitungssystem, die verwendet werden, um die Elektroden mit der Verarbeitungselektronik zu verbinden, sind beide von Körperfluid umgeben. Die Materialien der Leitungen und der Verbindungsanordnungselemente lassen über eine lange Zeitspanne Fluid durchtreten, was zu einer Potentialfluidüberbrückung quer über verschiedene elektrische Verbindungspunkte führt.
Im Idealfall sollten die Elektroden sehr klein im Vergleich zu den Abmessungen der Breite der Spitzen des extrazellulären Wirkungspotentials sein, da große Elektroden ungleichmäßige Isopotentiallinien über einen großen Bereich mitteln. Es wird unterstellt, daß dann, wenn Elektroden augenblicklich durch Isopotentiallinien verschiedener Amplituden vorstehen, die maximale verfügbare Amplitude des erfaßten zellulären Signals wegen der Mittelung der Spitzenisopotentiallinie mit den Linien der kleineren Amplitude verringert wäre. Außerdem ist der Frequenzgehalt des Signales, das an einer Elektrode erzeugt wird, wenn eine extrazelluläre Wellenform passiert, sowohl auf die Länge der Elektrode in Richtung der Ausbreitung als auch auf die Leitungsgeschwindigkeit der Wellenform bezogen. Somit wird die Wirkungspotentialsignaldauer durch die Übertragungszeit der sich ausbreitenden Welle über die Länge der Elektrode künstlich verlängert.
Das theoretisch perfekte pipolare Elektrodenpaar zum Abfühlen atrialer Signale würde aus unendlich kleinen einzelnen Elektroden mit einer Achse zwischen dem Paar bestehen, die parallel zu der Achse der Depolarisation verläuft, und der Abstand zwischen diesen Elektroden sollte so festgelegt sein, daß er mit der höchsten negativen zur höchsten positiven Abmessung der extrazellulären Wellenform übereinstimmt. Außerdem sollte jede Abfühlelektrode direkt auf die atriale Wand gesetzt sein.
Unglücklicherweise ist diese perfekte Gestaltung nicht zur Anordnung auf einem Schrittmacherkatheter geeignet und steht nicht in Einklang mit dem Erfordernis, einen vernünftig niedrigen Impedanzlevel vorzusehen, der für implantierbare Schrittmacheranwendungen erforderlich ist. Für solche Anwendungen sind Elektrodenoberflächen, die kleiner als etwa 4 mm² sind, nicht brauchbar. Differenzverarbeitung ist insbesondere empfindlich für Phasenungleichheiten, wenn eine fehlerhafte Fluidüberbrükkung des implantierten Systems zu einer ungleichen Ladung des Elektrodenpaares führt. Da außerdem die Elektroden auf dem Umfang eines Katheters anzuordnen sind, bei dem die Winkelausrichtung nicht gewährleistet werden kann, wird die Auswahl der Anordnung zur Annäherung an das Ideal auf Ringelektroden begrenzt oder auf Elektroden, die einander gegenüberliegen und auf dem Katheter in Längsrichtung beabstandet sind.
Die Ausführungsform der Fig. 3A und 3B enthält zwei halbzylindrische Elektroden, die in größeren Einzelheiten als in Fig. 2 dargestellt sind, und die genauer erfinderische Aspekte der Erfindung wiedergeben. Die einzigartigen Merkmale dieser Konfiguration der Elektroden schließt die Abmessungen und den Abstand zwischen den Ringelektroden 56, 58 ein. Um die Signalerfassung zu optimieren, sollten die Elektrodenbreiten ( D&sub1;) so klein wie möglich sein, in Übereinstimmung mit dem Wunsch, eine Elektrodenfläche von 4 bis 6 mm² beizubehalten, wobei die gewünschte Fläche einen adäquaten niedrigen Quellenimpedanzlevel zur Verwendung in der chronischen Implantatumgebung aufrecht erhält.
Der isolierte Filamentabschnitt 57 und der Abstand zwischen den Elektroden (D&sub3;), bringen den Vorteil der Abstimmung auf die höchste negativen zu der höchsten positiven Abmessung der extrazellulären Wellenform mit sich, die optimal im Bereich von 2 bis 3 mm liegt. Wenn intramyocardiale Leitungsstörungen vermutet werden in Verbindung mit denen, die bei einem älteren Herzmuskel auftreten, sollte der Abstand auf 4 bis 5 mm erhöht werden, um das Potential der Signalsubtraktion abzuschwächen, die durch eine Rotationsleitungsbahn zwischen Elektroden und/oder durch anormale Signalmorphologien hervorgerufen werden, die an jeder Elektrode bezüglich der Ausbreitung in einem anisotropen Medium erfaßt werden.
Ein weiteres erfinderisches Merkmal der hier offenbarten Vorrichtung besteht in der Anpassung des Elektrodenabstands in der Z-Ebene, d.h. in der Richtung parallel zu der Wellenfront, zum Angleichen der höchsten negativen zu den höchsten positiven Feldern der wandernden Wellenfront. Die Methode der orthogonalen Erfassung im Gegensatz kann nur durch Beabstandung der Elektroden auf die größte praktikable Abmessung quer über den Leitungskörper des Katheters optimiert werden. Orthogonale Erfassung mit bipolaren Elektroden mißt das Differenzgradientenpotential der wandernden Wellenfront in einer Ebene senkrecht zu der Wellenfront. Ein orthogonales Elektrodenpaar kann auch signalsubstraktiv sein, wenn es in Abhängigkeit der Winkelausrichtung des Katheters differential verarbeitet wird.
Die allgemeine Richtung der normalen Leitung in der Vorkammer 33 verläuft von dem SA-Knotenpunkt 36 in Richtung der rechten Herzkammer 35. Somit ist es erheblich besser, die Elektroden 56, 58 entlang der Achse des Filaments 44 zu beabstanden, d.h. parallel zu der normalen Ausbreitungsrichtung, anstatt in Umfangsrichtung um das Filament. Eine Längsausrichtung ermöglicht auch eine größere Freiheit in der Auswahl eines optimalen Abstands zwischen den Elektroden 56, 58, da die Auswahl nicht durch den Filamentdurchmesser beschränkt ist. In einer Umfangs- (d.h. orthogonalen) Anordnung ist es wahrscheinlich, daß die Signalsubstraktion wenigstens intermittierend auftreten kann, da nahezu identische extrazelluläre Wellenformen die Elektroden in demselben Augenblick passieren können, wenn beide Elektroden von der atrialen Wand gleichmäßig beabstandet sind.
Der absolut optimale Formfaktor stützt sich auf ein besseres Verständnis der elektrischen Feldgleichungen, die sowohl die X- als auch Z-Variablen der extrazellulären Feldform bestimmen. Von vielleicht größerem technischen Belang ist die Wirkung, die die Elektroden 56, 58 und das isolierte Filament 57 auf die Feldform haben. Wie in vielen Meßsituationen in der Wissenschaft wird das Meßgerät ein Teil des Problems, das zu lösen ist. Da jedoch der Winkel zwischen der Achse der Elektroden und der Richtung der Ausbreitung nicht sicher bekannt sein kann, sind gleiche lineare Abmessungen für D&sub5; und D&sub1;, so daß sie 6 mm² erreichen, höchstwahrscheinlich geeignet. Die Gestaltung zum Erzielen einer 6 mm²- Fläche erfordert 2,5 mm x 2,5 mm lineare Abmessungen für D&sub1; und D&sub5;. Die Auswahl für die Abmessungen zwischen Elektroden 56, 58, d.h. (D&sub3;), hängt von den obigen Argumenten ab. D.h., D&sub3; sollte entweder an die Aktionspotentialdimensionen von 2 oder 3 mm angepaßt sein oder erheblich größer als 3 mm festgesetzt werden, um Signallöschungen zu vermeiden.
Die in den Fig. 3A, 3B dargestellte Ausführungsform zieht die Möglichkeit der Drehung des Filaments 44 gegenüber der artrialen Wand 24 in Betracht und verwendet halbzylindrische Elektroden 56, 58 an entgegengesetzten Seiten des Filaments 44 Diese Konfiguration verzeiht eine Winkeldrehung des Katheterfilaments 44, da entweder eine oder beide Elektroden an der atrialen Wand 24 anliegen können. Wenn beispielsweise n eine Elektrode der Wand zugewandt ist, ist eine signifikante Signalzunahme unwahrscheinlich, da die zweite Elektrode von der Wand 24 durch den zusätzlichen Abstand des Katheters 24 in der X-Ebene getrennt ist. Die zweite Elektrode ist möglicherweise außerdem von der jeweiligen nächsten Feldquelle durch das isolierte Katheterfilament 57 abgeschirmt, welches zwischen den Elektroden 56, 58 und der atrialen Wand 24 liegt.
Die Abmessung D&sub4; kann so minimiert werden, daß die Mittelung der ungleichmäßigen isopotentialen Linien ihn der Ebene senkrecht zu der atrialen Wand 24 begrezt ist, wenigstens in der Winkelposition, die Fig. 3A zeigt.
Wenn das Filament 44 um 90º gedreht ist, wie in den Figure 3C und 3D, kann eine Signalsummation, wie oben beschrieben, auftreten, da beide Elektroden von der atrialen Wand 24 gleich beabstandet sind. Eine Signaladdition würde erfordern, daß die Abmessung D&sub3; auf die extrazelluläre Wellenlänge von 2 bis 3 mm abgestimmt wird. Das Erfordernis der Optimierung der Elektrodenoberfläche und des Formfaktors ist im wesentlichen dasselbe, wie oben diskutiert, nämlich das Erfordernis, die Elektroden 56, 58 um eine Strecke zu beabstanden, die größer als 3 mm ist, um einem anormalen Verhalten des Leitungssytems Rechnung zu tragen.
Eine möglicherweise noch bessere Gestaltung zeigt die Ausführungsform der Katheterelektroden 56", 58" in den Fig. 4A und 4B. Die praktischen Zwänge einer Kathetergestaltung, gekoppelt mit der Notwendigkeit, den Katheter mit einem implantierten Schrittmacher (nicht dargestellt) in einer feuchten Umgebung zu verbinden, zwingt zu Konstruktionsprinzipien, die einen Kompromiß von der theoretisch optimalen Gestaltung einer Z-Achsen bipolaren Differenzerfassung erfordern. Wegen der Leitungsdurchmesserbeschränkungen, praktischer Elektrodenquellenimpedanzbeschränkungen und Leitungswinkelungewißheiten kann die optimale Ausgestaltung in halbzylindrischen Elektroden 56", 58" bestehen, die Abmessungen haben, die in Umfangsrichtung im wesentlichen die Hälfte des Umfangs des Filaments 44 umfassen. In anderen Worten beträgt die Abmessung D&sub5; beider Elektroden 56" und 56" im wesentlichen 180º, wodurch die Gradientpotentialmittelung minimiert wird, jedoch die Oberflächengröße der Elektroden 56", 58" im Bereich von 4 bis 6 mm² verbleibt. Dieser Flächenbereich stellt eine praktische Begrenzung dar, die durch Schrittmacherleitungsverdrahtungsimpedanz der Schrittmacherleitungs/Impulsgeneratorberührungsfläche an der Verbindungsstelle erforderlich ist, resultierend aus der feuchten Leitungsumgebung.
Für Anwendungen mit akuten Instrumentensystemen könnten jedoch die Elektrodengrößen im Bereich von 1 mm² liegen, vorausgesetzt, daß die akuten Zwischendrahtimpedanzen des Filaments hoch im Vergleich zu dem umgebenden Leitungsmedium sind, in dem eine Referenzelektrode angeordnet ist. Wenn in der Ausführungsform der Fig. 4A und 4B der Filamentdurchmesser D&sub2; im Bereich von 2 mm liegt, sieht eine Elektrodenbreite D&sub1; von etwa 1,27 und eine Abmessung D&sub5; der halbzylindrischen Abmessung von etwa 3,14 mm linearer Länge um das Filament die minimale akzeptable Elektrodenoberfläche von 4 mm² für Schrittmacheranwendungen vor.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Herausstellung der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß zahlreiche Modifikationen in der Konstruktion und Wirkungsweise der Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise sollte die erste Elektrode 56 etwa 10 cm bis 16 cm von der Endelektrode 50 beabstandet angeordnet werden, und der Abstand der Elektroden 56 und 58 sollte etwa 1 bis 10 mm betragen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher als Beispiele und nicht als Beschränkung zu betrachten, und der Schutzumfang der Erfindung ergibt sich aus den nachfolgenden Ansprüchen und nicht aus der vorstehenden Beschreibung, wobei alle Änderungen, die innerhalb des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche liegen, darin eingeschlossen sind.

Claims

1. Katheter für ein Herzschrittmachersystem mit einem Herzschrittmacher, der in ein Patientenherz (30) eingesetzt wird, wobei der Katheter enthält:

ein einziges, nicht verzweigtes, isoliertes Filament (44), das durch das Gefäßsystem des Patienten in das Patientenherz (30) eingesetzt wird und ein entferntes Ende, ein nahes Ende und einen proximalen Abschnitt zwischen dem entfernten und dem nahen Ende hat,

eine erste Elektrode (50), die an dem entfernten Ende des Filaments angeordnet ist, zum Abfühlen und Schrittmachen des Herzschlags der Kammer (35) des Patientenherzes (30) und das mit einer Impulserzeugungseinheit in dem Schrittmacher verbindbar ist, um von diesem einen stimulierenden elektrischen Impuls als Antwort auf Eingangssignale zu erhalten, zum Schrittmachen der Herzkammer des Patientenherzes (30),

zweite und dritte Elektroden (46, 56; 48, 58; 56'; 56"; 58'; 58"), die an dem proximalen Abschnitt des Filaments (44) angeordnet sind und sowohl von der ersten Elektrode (50) als auch voneinander longitudinal beabstandet sind, um atriale Depolarisationen zu erfassen, die eine bestimmte Kennung haben, die kennzeichnend für extrazelluläre Wellenformen sind, die mit dem intrazellulären Wirkungspotential in der Vorkammer des Patientenherzes verbunden sind,

erste, zweite und dritte elektrische Leitungenseinrichtungen (44) innerhalb des isolierten Filaments zum Verbinden der ersten, zweiten und dritten Elektrode (50; 46, 56; 56', 56"; 48, 58; 58'; 56") mit dem Herzschrittmacher,

gekennzeichnet durch

longitudinale Abstandseinrichtungen (47, 57; 57'; D&sub3;) zum Anpassen der zweiten und dritten Elektrode (46, 56; 48, 58; 56', 56"; 58'; 58") zum Abfühlen und Erfassen der bestimmten Kennung, die kennzeichnend für das extrazelluläre Potential ist, das durch die höchste negative zu der höchsten positiven Abweichung bestimmt ist und sich entlang der Fläche der Vorkammer des Patientenherzes (30) fortpflanzt, wobei die zweite und dritte Elektrode (46, 48; 56; 56'; 56"; 58'; 58") beim Gebrauch die Eingangssignale übertragen, die kennzeichnend für eine Herzschlag-p-Welle für den Herzschrittmacher sind,

wobei die longitudinale Abstandseinrichtungen ein isolierendes Filament aufweist, das die erste und zweite Elektrode trennt und eine Länge von 1 mm bis 10 mm hat, was etwa der Länge einer höchsten negativen zu einer höchsten positiven Abweichung der erfaßten extrazellulären Kennung entspricht, die mit dem Wirkungspotential in der Vorkammer des Patientenherzes verbunden ist,

wobei die zweite und die dritte Elektrode halbzylindrische Elektroden aufweisen, die an gegenüberliegenden Seiten des isolierenden Filaments angeordnet sind und Abmessungen haben, die geeignet sind, die Felddurchschnittsbestimmung einer bioelektrischen Wellenfront zu minimieren, die der speziellen Kennung des Wirkungspotentials entspricht, das in dem Gewebemedium des Patientenherzes verläuft, und

wobei die Oberfläche jeder der zweiten und dritten Elektrode, die dem Potential-übertragenden Gewebemedium ausgesetzt ist, etwa 3 mm² bis etwa 7 mm² beträgt.

2. Katheter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche etwa 4 mm² bis etwa 6 mm² beträgt.

3. Katheter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß halbzylindrische Elektroden sich etwa über einen halben Umfang des isolierenden Filaments erstrecken.

4. Katheter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden longitudinal durch das isolierte Filament getrennt sind, das eine Länge von etwa 2 mm bis etwa 3 mm hat.

5. Katheter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch das isolierte Filament (47, 57, 57') getrennt sind, welches eine Länge von etwa 4 mm bis etwa 5 mm zur Verwendung bei Patienten mit alterndem Herzmuskelgewebe hat, wodurch die Signalsubtraktion des extrazellulären Potentials, das mit dem Wirkungspotential verbunden ist, minimiert ist.

6. Katheter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der longitudinale Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode etwa zwischen deren Mitten festgelegt ist.