DE69108252T2

DE69108252T2 - System zur unterstützung des herzens mit muskelkraft.

Info

Publication number: DE69108252T2
Application number: DE69108252T
Authority: DE
Inventors: Ivan Bourgeois; Michael Guiraudon
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: JPH06504210A; EP0553123A1; US5364337A; AU8547191A; DE69108252D1; AU660289B2; EP0553123B1; US5205810A; CA2096025A1; WO1992006738A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Herzunterstützungssysteme und sie ist speziell auf implantierbare Herzunterstützungs- Systeme anwendbar, die von einem Skelettmuskel des Patienten angetrieben werden.
Die frühesten Herzunterstützungssysteme waren mechanische Vorrichtungen, die Blut unter Verwendung einer künstlich betriebenen Pumpe bewegten. Die zwei größten Nachteile solcher mechanischer Pumpen betreffen die Materialien und die Energiequellen. Materialschwierigkeiten entstehen, wenn künstliche Materialien, die für den Körper fremd sind, zu Thrombose führen, nachdem sie in Kontakt mit dein Blut kamen. Derzeit wird beim Versuch, Materialien aufzufinden, die in bezug auf das Blut verträglicher sind, viel Forschung ausgeführt. Jedoch bleibt die Verwendung Thrombose erzeugender Materialien ein Hauptnachteil von Herzunterstützungssystemen unter Verwendung mechanischer Pumpen.
Ein zweiter Hauptnachteil mechanischer Pumpen liegt in den Energiesystemen. Aktuelle Energiespeichersysteme in Form von Batterien sind einfach nicht praktisch. Bei der derzeitigen Technologie begrenzen die Energiedichte und -menge implantierbarer Batterien die Nutzungslebensdauer derselben. Bei perkutanem Nachladen oder solchem über Hochfrequenz entspricht die abgespeicherte Energie einigen Stunden bis zu einem Tag. Jedoch führt dies normalerweise zu einer übermäßigen Infektionsgefahr.
Die vielversprechendste Lösung im Hinblick auf den Energiegesichtspunkt ist die Verwendung einer biochemischen Antriebsquelle wie eines Muskels. Das Herumlegen eines Skelettmuskels um das Herz scheint die Kernpunkte in bezug auf die Materialprobleme zu lösen. Da das Blut nur mit auf natürliche Weise als endothel ausgebildetem Gewebe in Berührung kommt, sind Thromboseschwierigkeiten beseitigt. Da die Gefäßbildung des Skelettmuskels aufrechterhalten bleibt, wird Antriebskraft aus normalen biologischen Oxidationsreaktionen gewonnen.
Das für Cox erteilte US-Patent Nr. 4,411,268 und das für Khalafalla erteilte US-Patent Nr. 4,813,952 lehren Systeme zur Unterstützung des Herzens mit Muskelkraft. Selbst obwohl derartige Herzunterstützungssysteme im Stand der Technik bekannt sind, sorgen die bekannten Systeme nicht speziell für atrio-ventrikulare Synchronität (d.h. entweder natürliche oder stimulierte Synchronität mit einer Skelettmuskelanspannung).
Gemäß der Erfindung ist ein Herzunterstützungssystem für folgendes geschaffen:
a) eine erste Skelettmuskelmasse, die um die Vorhöfe eines Herzens gelegt ist; und für
b) eine zweite Skelettmuskelmasse , die um die Kammern des Herzens gelegt ist; mit:
c) einer Kontraktionserkennungseinrichtung , die mit den Vorhöfen und den Kammern verbunden ist, um Kontraktionen der Vorhöfe und der Kammern zu erfassen; und
d) einer Stimuliereinrichtung , die mit der Kontraktionserkennungseinrichtung verbunden ist und mit der ersten und der zweiten Skelettmuskelmasse verbunden ist;
- wobei die Stimuliereinrichtung die erste Skelettmuskelmasse so stimuliert, daß sie sich auf die Erkennung einer Vorhofkontraktion zusammenzieht und die Stimuliereinrichtung die zweite Skelettmuskelmasse so stimuliert, daß sich diese auf die Erkennung einer Kammerkontraktion zusammenzieht. Die Erfindung schafft ein Herzunterstützungssystem für um das Herzsystem gelegte Skelettmuskelmassen, das die rechte wie auch die linke Seite des Herzens unterstützen kann. Es gewährleistet auch, daß die hämodynamischen Vorteile atrialer Füllung ähnlich unterstützt werden.
Eine Förderung des rechten Herzens ist wichtig, um bei einem Patienten, der unter einer Atrialmyokard-Krankheit leidet, angemessene Lungenfunktion zu gewährleisten. Ausreichender Lungendruck ist erforderlich, um für wirkungsvolle Sauerstoffanreicherung zu sorgen, wie sie bei einem Patienten erforderlich ist, der zuvor durch einen hämodynamischen Mangel geschwächt wurde.
Auf ähnliche Weise gewährleistet Vorhofunterstützung durch einen Skelettmuskel, daß selbst bei sehr uneffektivem Myokardgewebe ein ausreichender Vorhofstoß vorhanden ist, um die hämodynamische Verbesserung zu bieten, die mit optimaler Ventrikelfüllung einhergeht.
Diese Vorteile werden dadurch geschaffen, daß ein gewonnener Skelettmuskel in zwei getrennt stimulierbare, zusammenziehbare Komponenten oder zwei getrennte Skelettmuskel unterteilt wird. Der erste wird zum Unterstützen des Vorhofs gewonnen und der zweite unterstützt die Ventrikel. Die Stimulierung der Ventrikelkomponente wird mit entweder natürlichen oder künstlich stimulierten Kontraktionen der Ventrikel synchronisiert. Auf ähnliche Weise wird die Atrialkomponente so stimuliert, daß Kontraktion in geeigneter Synchronität mit natürlichen oder künstlich stimulierten Vorhofkontraktionen erfolgt.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden deutlich, wenn dieselbe durch die detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die nur beispielhaft erfolgt, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Komponenten betreffen und in denen:
Fig.1A eine linke Seitenansicht eines Patienten ist, die den Ort eines für Herzunterstützung zu verwendenden Skelettmuskels zeigt;
Fig. 1B eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1A ist, wobei der Skelettmuskel posterior durchgetrennt ist;
Fig. 1C eine Vorderansicht des Brustkorbs eines Patienten nach Abschluß der Implantierung, jedoch vor dem Verschließen ist;
Fig. 1D eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1C für eine alternative Ausführungsform ist;
Fig. 2A ein Blockdiagramm für den implantierbaren Impulsgenerator bei der Erfindung ist;
Fig. 2B ein Blockdiagramm für eine alternative Ausführungsform des implantierbaren Impulsgenerators ist und
Fig. 3 ein Zeitsteuerdiagramm für die vom implantierbaren Impulsgenerator bei der Erfindung erzeugten Impulses ist.
Fig. 1A ist eine linke Seitenansicht eines Patienten 10, die den anfänglichen Ort eines Skelettmuskels 11 zeigt, der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Herzunterstützungssystem zu verwenden ist. Die Verwendung des linken Latissimus dorsi ist nur beispielhaft dargestellt und sie soll die Erfindung nicht beschränken. Auch andere Skelettmuskel können verwendet werden.
Schematisch ist die Einschnittlinie 12 zum Heraustrennen des Skelettmuskels 11 aus seiner Anfangsposition dargestellt. Es ist zu beachten, daß der Skelettmuskel 11 posterior und inferior durchgetrennt wird, um maximale Nerven- und Gefäßversorgung aufrechtzuerhalten.
Fig. 1 B ist eine ähnliche Ansicht des Patienten 10, wobei der Skelettmuskel 11 an der Einschnittlinie 12 (siehe auch Fig. 1A) durchgetrennt ist. Nach dem Durchtrennen wird der Skelettmuskel 11 sorgfältig in der Richtung des Pfeils 14 angehoben. Dabei wird der Skelettmuskel 11 in eine obere Komponente 15 und eine untere Komponente 16 aufgetrennt. Es ist wichtig, den Skelettmuskel 11 auf zutrennen, während die maximale Nerven- und Gefäßversorgung aufrechterhalten bleiben.
Fig. 1C ist eine Vorderansicht des Patienten 10, die zeigt, wie die obere Komponente 15 sowohl um den rechten als auch linken Vorhof des Herzens 17 gelegt ist und die untere Komponente 16 um sowohl die rechte als auch linke Kammer des Herzens 17 gelegt ist. Die freien Enden der oberen Komponente 15 und der unteren Komponente 16 sind auf im Stand der Technik bekannte Weise fest angebracht.
Ein implantierbarer Impulsgenerator 40 ist an einem geeigneten Ort wie der unteren Bauchhöhle implantiert.
Wie dargestellt, können beide Komponenten aus dem Latissimus dorsi gewonnen werden, obwohl andere Skelettmuskeln verwendet werden können. Jeder wird gemäß der Lehre des für Cox erteilten US-Patents Nr. 4,411,268 hergerichtet und konditioniert. Die obere Komponente 15 wird für Kontraktion durch eine Elektrode 32 stimuliert, die über eine isolierte Zuleitung 34 mit dem implantierbaren Impulsgenerator 40 verbunden ist. Auf ähnliche Weise stimuliert eine Elektrode 28, die durch eine isolierte Zuleitung 30 mit dem implantierbaren Impulsgenerator 40 verbunden ist, Kontraktionen in der unteren Komponente 16. Das Herz 17 kann durch die obere Hohlvene 26 transvenös gemäß einer anerkannten Schrittmacher-Anwendungsform oder mehreren künstlich stimuliert werden, oder epikardial gemäß einer anerkannten Schrittmacher-Anwendungsform oder mehreren. Das atriale und ventrikulare Messen und Stimulieren werden unter Verwendung epikardialer Zuleitungen 42 bzw. 44 vollzogen.
Fig. 1D ist eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1C. Jedoch ist bei dieser Ausführungsform die obere Komponente 15 dem rechten Latissimus dorsi und die untere Komponente 16 dem linken Latissimus dorsi entnommen. Alle anderen Elemente sind solche wie zuvor beschrieben.
Fig. 2A ist ein Blockdiagramm für die bevorzugte Realisierungsform des implantierbaren Impulsgenerators 40. Bei der bevorzugten Form ist die Schaltung mikroprogrammierbar, obwohl auch festverdrahtete Ausführungsformen von Nutzen sind (siehe auch Fig. 2B). Die mikroprogrammierte Architektur ist dahingehend die flexibelste, daß sie so programmiert werden kann, daß sie in jedem der ICHD-Modi und anderen, noch nicht definierten, arbeitet. Vorzugsweise arbeitet der implantierbare Impulsgenerator 40 im DDD-Modus, wie im für Funke erteilten US-Patent Nr. 4,312,355 beschrieben.
Im DDD-Modus tastet der Schrittmacher die Kammer nach natürlich auftretenden Kammerkontraktionen ab. Wenn eine solche Kontraktion nicht innerhalb des vorgegebenen (und programmierbaren) Ersatzintervalls erfaßt wird, wird der rechten Kammer ein künstlicher Schrittmacherimpuls zugeführt. Wenn eine natürliche Kontraktion erfaßt wird, wird der künstliche Schrittmacherimpuls an die Kammer gesperrt. In jedem Fall wird danach der Vorhof abgetastet. Erneut wird dem Vorhof ein künstlicher Schrittmacherimpuls zugeführt, wenn innerhalb des Ersatzintervalls keine natürliche Kontraktion erfaßt wird.
Die Steuerung 58 ist ein Mikroprozessor, der so mikroprogrammiert ist, daß er für die gewünschte zeitliche Steuerung und Logik zum Implementieren der gewählten Anwendungsform sorgt. Wie vorstehend beschrieben, ist der DDD-Modus bevorzugt. Die atriale Schrittmacherzuleitung 42 vollzieht die elektrische Verbindung zwischen dem Vorhof und einem Meßverstärker 55 und einem atrialen Ausgangsverstärker 59 über eine verdrahtete ODER-Schaltung 61. Auf ähnliche Weise sorgt die ventrikulare Schrittmacherzuleitung 44 für die elektrische Verbindung zwischen den Kammern und einem ventrikularen Ausgangsverstärker 60 und einem Meßverstärker 56 über eine verdrahtete ODER-Schaltung 62. Die Skelettmuskelmassen werden durch einen muskelbezogenen Ausgangsverstärker 48 und einen muskelbezogenen Ausgangsverstärker 50 über die Zuleitungen 34 bzw. 30 stimuliert.
Fig. 2B ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform des implantierbaren Impulsgenerators 140, der die Stimulierimpulse an die obere Komponente 15 und die untere Komponente 16 liefert. Diese Ausführungsform verwendet statt einer mikroprogrammierten Schaltung eine Festverdrahtung. Bei der alternativen Form, die nicht als die Erfindung beschränkend ausgelegt werden soll, stimuliert der implantierbare Impulsgenerator 40 das Herz 17 künstlich im DVI-Modus gemäß dem ICHD-Code.
Im DVI-Modus tastet der Schrittmacher die Kammer auf natürlich auftretende Ventrikularkontraktionen hin ab. Wenn eine solche Kontraktion nicht innerhalb des vorgegebenen Ersatzintervalls gemessen wird, wird der Kammer ein künstlicher Schrittmacherimpuls zugeführt. Wenn eine natürliche Kontraktion gemessen wird, wird der künstliche Schrittmacherimpuls an die Kammer gesperrt. In beiden Fällen wird dem Vorhof nach einer geeigneten Verzögerung nach der Kammerkontraktion ein künstlicher Schrittmacherimpuls zugeführt. Das für Berkovits erteilte US-Patent Nr. 3,595,242 lehrt diesen künstlichen Schrittmachermodus detaillierter.
Die Schrittmacherzuleitung 44 ist so in das Herz 17 implantiert, wie es durch das für Citron et al erteilte US-Patent Nr. 3,902,501 gelehrt wird. Sie ist mit einem Meßverstärker 156 zum Erfassen natürlich auftretender Kammerkontraktionen elektrisch verbunden. Der Ausgang des Meßverstärkers 156 ist mit einer Sperrlogik 154 verbunden. Wenn der Meßverstärker 156 eine natürlich auftretende Kammerkontraktion vor dem Ende des Ersatzintervalls, wie es vom Ersatzintervall-Timer 158 vorgegeben wird, erfaßt, wird der künstliche Schrittmacherimpuls von der Sperrlogik 154 gesperrt. Ein ventrikularer Ausgangsverstärker 160 verstärkt den künstlichen Schrittmacherimpuls und koppelt ihn über eine verdrahtete ODER-Schaltung 162 auf die Schrittmacherzuleitung 44.
Eine Kammerkontraktion führt, unabhängig davon, ob sie natürlich auftritt oder künstlich stimuliert wird, nach einer durch eine Verzögerungsschaltung 149 vorgegebenen Zeitspanne zur Erzeugung eines stimulierenden Entladungsstoßes an die untere Komponente 16 über einen muskelbezogenen Ausgangsverstärker 150. Dieser stimulierende Entladungsstoß wird durch die isolierte Zuleitung 30 und die Elektrode 28 (siehe auch Fig. 1C) an die untere Komponente 16 gegeben.
Auf ähnliche Weise wird die elektrische Wiedergabe der Kammerkontraktion durch eine V-A-Verzögerung 152 verzögert, um durch einen atrialen Ausgangsverstärker 146 einen atrialen Schrittmacherimpuls zu erzeugen. Dieser atriale Stimulierimpuls wird über die Schrittmacherzuleitung 42 an den Vorhof gegeben. Geeignete V-A-Verzögerungen sind im Stand der Technik gut dokumentiert. Sie liegen für ein normales Herz in der Größenordnung von 300 - 700 Millisekunden.
Nach dieser V-A-Verzögerung und der Verzögerung der Verzögerungsschaltung 147 erzeugt der muskelbezogene Ausgangsverstärker 148 ein Bündel von Impulsen, um die obere Komponente 15 zu stimulieren. Dieses Bündel wird über die isolierte Zuleitung 34 und die Elektrode 32 (siehe auch Fig. 1C) an die obere Komponente 15 übertragen.
Fig. 3 ist eine graphische Wiedergabe des Ausgangssignals des implantierbaren Impulsgenerators 40 für einen typischen Herzzyklus. Das Diagramm 70 zeigt das Vorliegen einer Kammerkontraktion als Impuls 72. In diesem Fall ist die Kammerkontraktion durch den Impuls 72, der vom ventrikularen Ausgangsverstärker 60 erzeugt wird, künstlich stimuliert. Dieser Impuls ist auf der Schrittmacherzuleitung 44 meßbar.
Das Diagramm 74 zeigt das sich ergebende Ausgangssignal des muskelbezogenen Ausgangsverstärkers 50. Im bevorzugten Modus wird die Stimulierung der unteren Komponente 16 durch ein Bündel von vier Impulsen mit Impulsen 76a, 76b, 76c und 76d erzielt.
Das Diagramm 80 zeigt den vom atrialen Ausgangsverstärker 59 oder 146 folgend auf das Ende des atrialen Ersatzintervalls erzeugten atrialen Stimulierimpuls 82, da keine natürlich auftretende Vorhofkontraktion erfaßt wird. Wie vorstehend erläutert, kann diese V-A-Verzögerung aus dem erfaßten oder künstlich stimulierten Kammerereignis gemessen werden.
Das Diagramm 84 zeigt das vom muskelbezogenen Ausgangsverstärker 48 oder 148 erzeugte Impulsbündel. Dieses Bündel besteht aus vier Impulsen 86a, 86b, 86c und 86d.
Nachdem so die bevorzugte Form der Erfindung beschrieben wurde, sind Fachleute leicht dazu in der Lage, die hier aufzufindende Lehre auf verschiedene andere Systeme zur Unterstützung des Herzens mit Muskelkraft anzuwenden.

Claims

1. Herzunterstützungssystem für

a) eine erste Skelettmuskelmasse (15), die um die Vorhöfe eines Herzens (17) gelegt ist; und für

b) eine zweite Skelettmuskelmasse (16), die um die Kammern des Herzens (17) gelegt ist; mit:

c) einer Kontraktionserkennungseinrichtung (42, 44), die beim Gebrauch mit den Vorhöfen und den Kammern verbunden ist, um Kontraktionen der Vorhöfe und der Kammern zu erfassen; und

d) einer Stimuliereinrichtung (40), die mit der Kontraktionserkennungseinrichtung verbunden ist und beim Gebrauch mit der ersten und der zweiten Skelettmuskelmasse (15, 16) verbunden ist;

- wobei die Stimuliereinrichtung (40) die erste Skelettmuskelmasse (15) so stimuliert, daß sie sich auf die Erkennung einer Vorhofkontraktion zusammenzieht und die Stimuliereinrichtung die zweite Skelettmuskelmasse (16) so stimuliert, daß sich diese auf die Erkennung einer Kammerkontraktion zusammenzieht.

2. Herzunterstützungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Stimulierung der ersten Skelettmuskelmasse (15) ein vorgegebenes Intervall später als die Stimulierung der zweiten Skelettmuskelmasse (16) erfolgt.

3. Herzunterstützungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Stimuliereinrichtung (40) funktionsmäßig mit den Kammern verbunden ist und die Stimuliereinrichtung die Kammern so stimuliert, daß sie sich zusammenziehen.