DE69430155T2

DE69430155T2 - Vorrichtung zur Stimulation des Herzens

Info

Publication number: DE69430155T2
Application number: DE69430155T
Authority: DE
Inventors: Kurt Hoegnelid; Hans Strandberg
Original assignee: St Jude Medical AB
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: EP0634192A1; DE69430155D1; EP0634192B1; JPH0751389A; SE9302358D0; US5500005A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Herzschrittmacher, enthaltend wenigstens eine Funktionseinheit zum Regeln einer variablen Funktion im Herzschrittmacher, eine Messvorrichtung zum Messen einer physiologischen Variablen und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Regelvorgangs der Funktion der Funktionseinheit auf der Grundlage der physiologischen Variablen.
Es ist Aufgabe eines Herzschrittmachers ein defektes bzw. funktionsgestörtes Herz zu stimulieren. Um für den Patienten eine optimale Lebensqualität verfügbar zu machen, sollte der Herzschrittmacher das defekte Herz mit einer Therapie versorgen, die eine Herzfunktion erzeugt, welche der Funktion eines gesunden Herzens zum größtmöglichen Ausmaß ähnelt. Um dies zu erreichen, muss der Herzschrittmacher eine Anzahl von Funktionen ausführen, wie die Bestimmung der Amplitude und Dauer der Stimulationsimpulse, das Intervall, bei dem die Stimulationsimpulse auszugeben sind, ob sowohl das Atrium als auch der Ventrikel zu stimulieren sind, das Intervall, das zwischen einem atriellen und einem ventrikulären Stimulationsimpuls verstreicht etc.
Das Stimulationsintervall ist ein besonders wichtiger Parameter für den Herzschrittmacher. Durch Ändern des Stimulationsintervalls kann die Herzfrequenz variiert und veranlaßt werden, Frequenzvariationen zu simulieren, die in einem gesunden Herz während z. B. einer Aktivität oder einem Stress auftreten. Es ist eine Vielzahl bekannter Herzschrittmacher entworfen worden, die versuchen das Ansprechverhalten eines gesunden Herzens auf die Aktivität zu simulieren.
Ein derartiger, bekannter Herzschrittmacher ist in der US-A-4,535,774 beschrieben, bei dem das Schlagvolumen eines Herzens bestimmt wird entweder durch Messen des Blutflusses in das Herz oder durch Messen der Impedanz im Herzen. Das bestimmte Schlagvolumen wird dann zur Einstellung einer Herzfrequenz benutzt. Um die mögliche optimale Herzfunktion zu erzielen, d. h., wenn die Menge an Blut, die jede Minute aus dem Herzen gepumpt wird, ausreichend ist für die Bedürfnisse des Körpers, ohne dass die Herzfrequenz exzessiv schnell wird, wird die Beziehung zwischen dem Schlagvolumen und der Herzfrequenz benutzt, wobei angenommen wird, dass das Schlagvolumen mit zunehmender Herzfrequenz zunimmt.
Somit misst der bekannte Herzschrittmacher das Schlagvolumen des Herzens und benutzt dann Änderungen in diesem Parameter zur Bestimmung einer geeigneten Stimulationsfrequenz mit der dann das Herz beaufschlagt wird.
Die Benutzung des Schlagvolumens ist aber kein besonders geeigneter Weg zur Steuerung der Herzfrequenz wegen der physiologischen Arbeitsweise des Herzens und dem normalen Verlaufs eines Herzzyklusses.
Das Blut wird im Menschen in zwei Kreisläufen verteilt. Der Lungenkreislauf führt sauerstoffarmes Blut von der rechten Hälfte des Herzens zur Lunge zur Oxygenierung und danach zur linken Hälfte des Herzens. Der Körperkreislauf führt oxygeniertes Blut aus der linken Hälfte des Herzens, verteilt es auf das Körpergewebe, um dieses unter anderem mit Sauerstoff zu versorgen und kehrt zur rechten Hälfte des Herzens zurück. Die Venen, die das Blut im Körperkreislauf zum Herzen zurückführen, bilden ein Reservoir für Blut und halten das meiste des Blutes im Körper (ungefähr 60%, wenn sich der Körper in Ruhe befindet). Das Volumen des jede Minute in den betreffenden Kreislauf gepumpten Blutes wird als kardialer Ausstoß bzw. Herzminutenvolumen bezeichnet. Während einer Übung, Stress oder dergleichen nimmt der kardiale Ausstoß zu und demzufolge nimmt auch der Fluss des Blutes durch die Arterien und Venen zu. In den Arterien hat die Zunahme des Blutflusses eine Zunahme im Blutdruck zur Folge. Der Druck ändert sich jedoch nicht stark in den Venen, da die Venenwände elastisch sind und sich dehnen, wenn ein größerer Blutfluss strömen muss. Die aktuelle Durchflussgeschwindigkeit ändert sich jedoch.
Im Prinzip enthält der Herzzyklus zwei Phasen, eine Blutfüllungsphase (Diastole) und eine Blutentleerungsphase (Systole). Die Diastole beginnt mit einer Relaxation des atriellen Herzgewebes. Es fließt dann Blut in die Atrien, die hier als vorübergehende Blutreservoirs dienen. Daraufhin entspannt sich das ventrikuläre Muskelgewebe und die Klappen zwischen den Atrien und Ventrikeln des Herzens öffnen sich, um Blut in die Ventrikel strömen zu lassen. Wenn die Ventrikel mit Blut gefüllt sind, beginnt die Systole mit einer atriellen Kontraktion, die eine zusätzliche Blutmenge in die Ventrikel zwingt, welche bis etwa 1/3 der Gesamtkapazität der Ventrikel bei einer gesunden Person betragen kann. Wenn der Blutfluss aus den Atrien in die Ventrikel aufhört, schließen die Herzklappen und die Ventrikel ziehen sich zusammen, um Blut in die betreffenden Kreisläufe zu pumpen. Die atrielle Diastole beginnt erneut während der Kontraktionshase der Ventrikel.
Im Prinzip weisen die Ventrikel eine spezifische maximale Volumenkapazität auf. Das Schlagvolumen kann dann abhängig davon, wie stark die Ventrikel kontrahieren, variieren, d. h., abhängig von der Blutmenge, die in den Ventrikeln am Ende der Systole verbleibt. Der kardiale Ausstoß kann deshalb während der Übung zunehmen, wenn sowohl das Schlagvolumen als auch die Herzfrequenz zunehmen. Das meiste der Zunahme im kardialen Ausstoß wird jedoch durch eine Zunahme in der Herzfrequenz veranlaßt. Während exzessiv hoher Herzfrequenzen kann jedoch das Schlagvolumen abnehmen, da der Rückfluss von Blut zum Herzen dann nicht genügend Zeit findet, um eine angemessene Blutfüllung zu erzielen.
Wenn ein Herz einen Defekt aufweist oder beschädigt ist, kann die Frequenz, mit der es schlägt, zu gering sein. Der Rückfluss des Blutes zum Herzen kann auch beeinträchtigt werden, wenn sich das Atrium und der Ventrikel asynchron zusammenziehen. Wie oben bemerkt, tragen die Atrien in jedem Herzzyklus etwa 1/3 des ventrikulären Blutvolumens bei. So kann das Schlagvolumen schwer beeinträchtigt werden, falls die Atrien und Ventrikel nicht genau synchronisiert sind. Eine Steuerfunktion, die die Stimulationsfrequenz auf der Grundlage von Änderungen im Schlagvolumen einstellt, wie es für den bekannten Herzschrittmacher beschrieben ist, ist deshalb ungeeignet für Leute mit einer fehlerhaften Herzfunktion.
In der EP-A-0 591 642 ist ein frequenzadaptierender Herzschrittmacher beschrieben, der das Ausmaß der Blutfüllung im Herzen zur Bestimmung des zeitlichen Stimulationspunktes benutzt. Das Ausmaß der Blutffüllung kann bestimmt werden durch Messen des Blutflusses oder durch Messen der Impedanz im Herzen. Der Blutfluss in die Ventrikel hört am Ende der Blutfüllungsphase auf und ein Schwellwert kann festgelegt werden, der einem angemessenen Grad der Blutfüllung entspricht. Die Impedanz bezeichnet in entsprechender Weise den Füllungsgrad des Herzens.
Dokument EP-A-0 310 026 offenbart einen Herzschrittmachers entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Herzschrittmacher zu schaffen, der effektiv die verschiedenen Funktionen im Herzschrittmacher optimiert. Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, einen Herzschrittmacher zu schaffen, der den kardialen Ausstoß (das Herz-Minuten-Volumen) optimiert.
Ein derartiger Herzschrittmachers wird erfindungsgemäß dadurch erhalten, dass die Messvorrichtung den Rückfluss des Blutes zum Herzen mißt und die Steuervorrichtung die Funktionsregelung der Funktionseinheit auf der Grundlage von Änderungen im gemessenen Rückfluss des Blutes steuert.
Eine Messung des Rückflusses des Blutes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Messvorrichtung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode verbunden ist und eine Spannungsquelle so geschaltet ist, dass sie eine konstante Spannung zwischen den Elektroden aufrecht erhält, wodurch der Strom aus der Messvorrichtung dem Blutrückfluss entspricht.
In einer früher eingereichten europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldungsnummer 94 100 130 (EP-A-0 620 420, ein unter Art. 54 (3) EPC fallendes Dokument), ist ein Flussmesser beschrieben, der auf diese Weise arbeitet und geeignet ist für den Gebrauch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung.
Wie oben erwähnt, ist es Hauptaufgabe der Erfindung, einen frequenzadaptierenden Herzschrittmacher zu erzeugen, der dem kardialen Ausstoß optimiert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Funktionseinheit einen Impulsgenerator enthält zum Erzeugen und Ausgeben von Stimulationsimpulsen zum Herzen in einem variablen Stimulationsintervall.
Der Rückfluss des Blutes zum Herzen durch die Venen hängt vom Rückfluss des Blutes aus den Geweben in die Venen ab. Dies kann betrachtet werden als aktive Zirkulation des Blutes, um sich an die Bedürfnisse des Körpers anzupassen, d. h. das Ersetzen des vom Gewebe ausgegebenen Blutes. Die Funktion des Herzens - gemäß dieser Betrachtung - ist es dann, dieses Blutvolumen effizient durch die Kreislaufsysteme zu pumpen und die Druckdifferenz zwischen den Atrien und Venen aufrecht zu erhalten. Da der Rückfluss des Blutes durch den Bedarf des Körpers an Sauerstoff gesteuert wird, werden eine optimale Stimulationsfrequenz und ein optimaler kardialer Ausstoß erhalten, wenn das Herz gerade den Rückfluss des Blutes auspumpen kann, ohne ihn zu behindern. Da die Atrien als Reservoirs für in die Ventrikel gepumptes Blut dienen, wird der Rückfluss des Blutes zum Herzen vorzugsweise in der Vena cava gemessen.
Eine Verfeinerung der Erfindung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Herzschrittmacher ferner einen Mittelwertbildner zum Bestimmen des Mittelwertes für den Rückfluss des Blutes zum Herzen, wie er durch die Messvorrichtung gemessen wird, enthält und die Steuervorrichtung dann das Stimulationsintervall auf der Grundlage der Änderungen im bestimmten Mittelwert steuert.
Da während des Herzzyklus und zwischen den Herzzyklen Veränderungen im Rückfluss des Blutes auftreten, ist eine Steuerung des Stimulationsintervalls auf der Grundlage von Änderungen in einem Mittelwert für den Rückfluss des Blutes vorteilhaft. Dies verhindert auch ein zu schnelles Ändern des Stimulationsintervalls.
Ein Weg der Bestimmung des Mittelwertes wird dadurch erschlossen, dass der Mittelwertbildner eine Vorrichtung zum Abtasten einer vorgegebenen Anzahl von Messwerten für den Rückfluss des Blutes in jedem Herzzyklus enthält und der Mittelwertbildner den Mittelwert für den Rückfluss des Blutes in einem vorgegebenen vorhergehenden Zeitintervall oder einer vorgegebenen Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen auf der Grundlage der abgetasteten Messwerte bestimmt. Im Prinzip kann die Anzahl der abgetasteten Messwerte von einem Abtastvorgang pro Herzzyklus bis zu einer fakultativen Anzahl von Abtastvorgängen pro Herzzyklus reichen.
Ein alternativer Weg der Bestimmung des Mittelwertes wird dadurch erhalten, dass der Mittelwertbildner eine Vorrichtung zum Bestimmen des maximalen Wertes und des minimalen Wertes für den Rückfluss des Blutes in jedem Herzzyklus enthält und der Mittelwertbildner den Mittelwert für eine vorgegebene Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen auf der Grundlage der ermittelten maximalen und minimalen Werte bestimmt.
Eine dritte Alternative besteht darin, dass der Mittelwertbildner den Mittelwert für das kontinuierliche Messsignal für den Rückfluss des Blutes für ein vorgegebenes vorhergehendes Zeitintervall oder eine vorgegebene Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen bestimmt. Ein Weg zum Erhalten einer kontinuierlichen Mittelwertbildung des Messsignals besteht darin, dass das Messsignal für die vorgegebene Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen einer Tiefpassfilterung unterworfen wird.
Eine weitere Funktion im Herzschrittmacher kann erfindungsgemäß dadurch gesteuert werden, dass der Herzschrittmacher so ausgebildet ist, dass eine erste Spitzenelektrode in einem Atrium des Herzens und eine zweite Spitzenelektrode in einem Ventrikel des Herzens platziert ist, um atrielle bzw. ventrikuläre Stimulationsimpulse zum Herzen zu liefern, wobei die Funktionseinheit einen Zeitgeber zum Regeln eines variablen Zeitintervalls zwischen der Abgabe der atriellen Stimulationsimpulse und der Abgabe der ventrikulären Stimulationsimpulse enthält und die Steuervorrichtung das Zeitintervall des Zeitgebers steuert.
Wenn das Atrium, wie auch der Ventrikel durch den Herzschrittmacher stimuliert werden, wird die Zeit, die zwischen dem atriellen Stimulationsimpuls und dem ventrikulären Stimulationsimpuls verstreicht, d. h. das A-V-Intervall, die Wirksamkeit der Herzfunktion beeinflussen. Wie oben erwähnt kann ein Herz, das asynchron arbeitet, etwa 1/3 der maximalen Kapazität des Ventrikels verlieren. Wenn das A-V-Intervall auf der Grundlage des gemessenen Rückflusses des Blutes geregelt wird, kann ein optimales A-V-Intervall eingestellt werden, welches die wirksamste Pumpoperation für das Herz erzeugt.
Andere Herzschrittmacherfunktionen, die gleichermaßen auf der Grundlage des gemessenen Rückflusses des Blutes gesteuert werden, sind die Refraktärzeiten und die Wirkung anderer Sensoren auf das Stimulationsintervall. Andere Sensoren könnten beispielsweise die Beschleunigung des Körpers oder metabolische Parameter abfühlen, wie die Bluttemperatur und den Blutsauerstoffgehalt.
Es ist vorteilhaft, wenn der Herzschrittmacher eine Vorrichtung zum Überwachen von Änderungen im durch die Messvorrichtung gemessenen Rückfluss des Blutes enthält und falls eine momentane Änderung im Blutfluss, die in einem vorgegebenen Zeitintervall auftritt, einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, diese als abnormal interpretiert und durch die Steuervorrichtung während der Steuerung der Regelung der Funktion der Funktionseinheit ignoriert wird.
Dies würde beispielsweise asynchrone atrielle Kontraktionen von einer Beeinflussung bei der Bestimmung des Stimulationsintervalls ausschließen. Eine mit der ventrikulären Kontraktion übereinstimmende atrielle Kontraktion würde verhindern, dass im Atrium vorhandenes Blut in den Ventrikel gepumpt wird, da die Herzklappe dann geschlossen sein würde. Damit würde Blut in den Kreislauf zurückgepumpt werden und den Rückfluss des Blutes durch die Venen beeinträchtigen, was als "Cannon-Wellen" bezeichnet wird.
Eine zusätzliche Verfeinerung des Herzschrittmachers wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der Herzschrittmacher ferner eine Speichereinheit zum Speichern von Werten enthält, die den Rückfluss des Blutes über eine vorgegebene Zeitdauer repräsentieren, vorzugsweise wenigstens 24 Std.
Wenn Werte für den Rückfluss des Blutes gespeichert werden, entweder in Form von Mittelwerten für den Fluss, d. h. der tatsächliche Fluss oder Veränderungen im Fluss über eine lange Zeitdauer, beispielsweise wenigstens 24 Std., kann die Messvorrichtung kompensiert werden für eine Langzeitkomponententrift während den Messungen. Andere Korrekturfaktoren können ebenfalls auf der Grundlage von über den Rückfluss des Blutes gespeicherten statistischen Werten eingestellt werden. Die Speichereinheit kann so für eine technische Lösung ausgelegt sein, dass sie den Minimalwert und den Maximalwert für die vorgegebene Zeitdauer speichert.
Es ist vorteilhaft, wenn die Speichereinheit so ausgelegt ist, dass sie auch Werte speichert, die für die vorgegebene Zeitdauer Stimulationsintervalle repräsentieren. Hier kann die Steuervorrichtung auf der Grundlage der für den Rückfluss des Blutes und der Stimulationsintervalle gespeicherten Werte die Weise berechnen, in der sich der Rückfluss des Blutes bei Änderungen im Stimulationsintervall verändert und auf der Grundlage hiervon bestimmen, wie das Stimulationsintervall entsprechend den Änderungen im Rückfluss des Blutes geändert werden sollte.
Wie oben bemerkt, ist der Rückfluss des Blutes eine aktive Funktion, die durch den Sauerstoffbedarf des Körpers beeinflußt wird, die aber auch beeinflußt werden kann, durch z. B. die Herzfrequenz. Wenn nach einer Änderung im Rückfluss des Blutes eine neue Stimulationsfrequenz eingestellt wird, kann diese Änderung in der Stimulationsfrequenz selbst auch den Rückfluss des Blutes beeinflussen. Wenn dieser Effekt bestimmt wird, kann der Herzschrittmacher so ausgelegt werden, dass er die Steuerung des Stimulationsintervalls automatisch an Änderungen im Rückfluss des Blutes anpaßt.
Eine Verfeinerung des Herzschrittmachers wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass die Steuervorrichtung das Stimulationsintervall so steuert, dass es sich nur ändern kann, innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zwischen einem minimalen Stimulationsintervall und einem maximalen Stimulationsintervall. Als Folge hiervon ist die Herzfrequenz nicht in der Lage unter eine unterste Frequenz abzufallen oder über eine obere Frequenz anzusteigen.
Die Erfindung wird nun anhand von sechs Figuren mehr im Detail erläutert in denen:
Fig. 1 ein Diagramm ist, dass das Herz-Minuten-Volumen bei verschiedenen Pegeln der Aktivität darstellt;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers zeigt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das den Aufbau des Herzschrittmachers gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm ist, dass ein mögliches Prinzip zum Regeln des Herzschrittmachers zeigt;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers zeigt; und
Fig. 6 ein Blockdiagramm ist, dass den Aufbau des Herzschrittmachers gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
In Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, in dem auf einer Achse die Herzschlagfrequenz (HR) angegeben ist und auf der anderen Achse das Herz-Minuten-Volumen (CO). Drei Linien 1A, 1B und 1C im Diagramm zeigen, wie sich das Herz- Minuten-Volumen mit der Herzfrequenz bei drei verschiedenen Pegeln der Aktivität ändert. Linie 1A stellt das Herz-Minuten-Volumen bei Ruhe dar. Wie die Figur zeigt, nimmt das Herz-Minuten-Volumen anfangs nahezu linear zu, bevor es bei einer Grenzfrequenz flach wird. Das Herz-Minuten-Volumen wird dann bei einem Plateau nahezu konstant bleiben, selbst wenn die Herzfrequenz zunimmt. Dies wird verursacht durch eine Abnahme im Schlagvolumen. Das Herz hat nicht mehr genug Zeit, um nach jedem Herzschlag wieder vollständig aufgefüllt zu werden. Wenn die Herzfrequenz noch weiter ansteigt, nimmt das Herzschlagvolumen schnell ab, da das Füllen des Herzens mit Blut nun noch stärker beeinträchtigt wird. Die Linie 1B gibt das Herz-Minuten-Volumen bei einem ersten Aktivitätspegel an. Wie das Diagramm zeigt verschiebt sich das Plateau zu einem höheren Herz-Minuten-Volumen und einer größeren Herzschlagfrequenz. Die Line 1C zeigt wie eine weitere Zunahme im Aktivitätspegel das Plateau weiterhin verschiebt. Da das Herz-Minuten-Volumen nicht zunimmt, wenn die Frequenz bei dem Plateau zunimmt, ist die ideale Herzfrequenz die Frequenz bei der Übergangsstelle zu dem Plateau. Bei dieser Frequenz liefert das Herz ein maximales Herz-Minuten-Volumen für den gegebenen Aktivitätspegel, während die Herzfrequenz die geringstmögliche ist, wodurch die Belastung des Herzens reduziert ist. Der Übergang zu dem Plateau für die Linen 1A, 1B, 1C entspricht physiologisch der Situation, bei der das Herz gerade in der Lage ist, das durch die Venen zum Herzen zurückfließende Blut zu pumpen. Mit anderen Worten behindert das Herz nicht den Rückfluss durch zu langsames Schlagen, noch behindert es die Füllung des Herzens mit Blut durch zu schnelles Schlagen. Wenn eine ruhende Person aktiv wird, nimmt der Blutfluss zum Herzen zu. Es ist dann eine vergrößerte Herzfrequenz erforderlich zur Anpassung an den vergrößerten Fluss. Falls die Herzfrequenz dann zu schnell zunimmt oder auf eine exzessive hohe Frequenz ansteigt, nimmt der Blutfluss ab und die Herzfrequenz verringert sich. Wenn die Aktivität der Person beendet wird, nimmt der Rückfluss des Blutes ab und veranlaßt die Herzfrequenz sich zu verringern. Falls ihre/seine Herzfrequenz zu schnell oder zu stark verlangsamt wird, nimmt der Blutfluss zu mit der Folge einer vergrößerten Herzfrequenz. Gemäß der Erfindung wird deshalb das Herz bei einer Frequenz stimuliert, die für den Sauerstoffbedarf des Individuums ideal ist.
Der Herzschrittmacher 2 in Fig. 2 ist mit einem Herzen 4 verbunden. Eine Spitzenelektrode 6, die im Apex des rechten Ventrikels angeordnet ist, ist durch einen ersten Elektrodenleiter 8 mit dem Elektronikabschnitt des Herzschrittmachers 2 verbunden und eine indifferente Elektrode 10, die in der Vena cava-superior angeordnet ist, ist mit dem Elektronikabschnitt des Herzschrittmachers 2 durch einen zweiten Elektrodenleiter 12 verbunden. Der Herzschrittmacher 2 emittiert über die Spitzenelektrode 6 Stimulationsimpulse und mißt zwischen der indifferenten Elektrode 10 und der Spitzenelektrode 6 den Rückfluss des Blutes zum Herzen 4.
In Fig. 3 ist der Herzschrittmacher 2 in einem Blockdiagramm dargestellt. Die Spitzenelektrode 6 ist durch den ersten Elektrodenleiter 8 mit einem Impulsgenerator 14 über einen Ausgangskondensator 16 und einen ersten Schalter 18 verbunden. Wenn der erste Schalter 18 geschlossen wird, entleert sich der Ausgangskondensator 16 durch die Spitzenelektrode 6 über das Herzgewebe und stimuliert eine Herzkontraktion.
Wenn der Impulsgenerator 14 den Ausgangskondensator 16 aufladen soll, öffnet der erste Schalter 18 und ein zweiter Schalter 20 schließt sich. Mit Hilfe der Schalter 18, 20 kann das Laden und Entladen des Ausgangskondensators 16 durchgeführt werden ohne gegenseitige Beeinflussung mit anderen Funktionen im Herzschrittmacher 2. Ein Filter 22 und ein Detektor 24 sind ebenfalls mit dem ersten Elektrodenleiter 8 zum Abfühlen elektrischer Signale im Herzgewebe verbunden. Das Detektorsignal wird zu einem Logik-Abschnitt 26 im Herzschrittmacher ausgesandt. Der Logik-Abschnitt 26 steuert die Schalter 18, 20, wie auch das Aufladen des Ausgangskondensators 16 durch den Impulsgenerator 16.
Der Logik-Abschnitt 26 steht mit einem Mikroprozessor 28 und im Zusammenhang mit diesem mit einem RAM-Speicher 30 in Verbindung.
Eine Messvorrichtung 32 ist über einen dritten Schalter 34 mit dem ersten Elektrodenleiter 8 verbunden, um den Blutfluss in das Herz 4 zu messen. Der dritte Schalter 34 ermöglicht es der Messvorrichtung 32 während einer optimalen Anzahl von Zeitperioden freigegeben zu werden, um den Rückfluss des Blutes zu messen. Die Messvorrichtung 32 enthält einen Verstärker 36, dessen positiver Eingangsanschluß mit einem Bezugspotential Uref verbunden ist und dessen negativer Eingangsanschluß mit einem Schalter 34 verbunden ist. Ein erster Widerstand 38 ist mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 36 verbunden und ein zweiter Widerstand 40 ist zwischen dem negativen Eingangsanschluß und dem ersten Widerstand 38 parallel geschaltet.
Die Messvorrichtung 32 ist mit einem A/D-Konverter 42 verbunden, der wiederum mit dem Mikroprozessor 28 in Verbindung steht. Ein beim Messen des Rückflusses des Blutes erhaltener Spannungswert wird im Mikroprozessor 28 erzeugt und zu einem D/A-Konverter 44 ausgesandt. Eine Messspannung wird dann über den zweiten Elektrodenleiter 12 zur indifferenten Elektrode 10 ausgesandt.
Wenn zwischen der indifferenten Elektrode 10 und der Spitzenelektrode 6 eine Spannung angelegt wird, hat die Messvorrichtung 32 als Ausgangssignal den Ausgleichsstrom, der erforderlich ist, um die Spannung zwischen der indifferenten Elektrode 10 und der Spitzenelektrode 6 konstant zu halten. Da die Spannung eine direkte Messung des Stroms darstellt, wird sie von der Messvorrichtung 32 über den A/D-Konverter 42 gesammelt und zum Mikroprozessor 28 für die Bestimmung des Rückflusses des Blutes ausgesandt.
Der Mikroprozessor 28 führt alle für die Prüfung und Steuerung des Herzschrittmachers erforderlichen Berechnungen aus, entsprechend den Änderungen im Rückfluss des Blutes. Z. B. können Meßwerte kompensiert werden gegenüber vorher gespeicherten Maximal- und Minimal-Werten für eine oder mehrere vorhergehende 24-Stunden Periode(n). Die gespeicherten Meßwerte werden im RAM-Speicher 30 festgehalten und sukzessive durch neue Maximal- und Minimal-Werte ersetzt. Der Mikroprozessor 28 kann auch den Trend der Änderungen im Stimulationsintervall feststellen sowie den Rückfluss des Blutes über eine Anzahl von Herzschlägen.
Dies kann benutzt werden, um die Steuerung der Zunahmen bzw. Abnahmen in zukünftigen Stimulationsintervallen zu beeinflussen. Außerdem kann der Mikroprozessor 28 auf der Grundlage der Minimal-Werte eine Null-Punkt-Einstellung für die konstante Spannung zwischen der indifferenten Elektrode 10 und der Spitzenelektrode 6 bestimmen. Eine Justierung der Null-Punkt-Einstellung kann beispielsweise alle 24 Stunden vorgenommen werden.
Um die Elektronik im Herzschrittmacher 2 vor Defibrillationsimpulsen, die zum Herz 4 geliefert werden, zu schützen, ist mit dem ersten Elektrodenleiter 8 ein erster Defibrillationsschutz 46 und mit dem zweiten Elektrodenleiter 12 ein zweiter Defibrillationsschutz 48 verbunden.
Der Herzschrittmacher 2 enthält auch eine Telemetrie-Einheit 50, die mit dem Logik-Abschnitt 26 in Verbindung steht und die Informationen telemetrisch zu einer außerhalb des Körpers befindlichen Programmiereinheit 52 übertragen kann. Sie kann auch Informationen und Programmänderungen von der letztgenannten Einheit empfangen.
In Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, das ein mögliches Prinzip veranschaulicht gemäß dem der Mikroprozessor 28 den Herzschrittmacher 2 regeln kann. Die senkrechte Achse bezeichnet Änderungen im gemessenen Rückfluss des Blutes (ΔΦ) und die horizontale Achse bezeichnet die gegenwärtige Änderung im Stimulationsintervall (ΔI). Hier kann die Änderung im nächsten Stimulationsintervall aus dem Diagramm entnommen werden. Abnahmen im Stimulationsintervall sind mit einem Minuszeichen versehen und Zunahmen mit einem Pluszeichen. Die Anzahl der Pluszeichen bzw. Minuszeichen bezeichnet die Größe der Zunahme bzw. Abnahme. Null gibt an, dass keine Änderung aufgetreten ist.
Die im Stimulationsintervall zu machende Änderung kann hier im RAM-Speicher 30 gespeichert und durch den Mikroprozessor mit dem entsprechenden Wert für die Variable adressiert werden. Die Änderung kann auch in Form eines Algorithmus existieren und der Mikroprozessor 28 kann dann die Änderung berechnen, die im Stimulationsintervall gemacht werden soll. Der Herzschrittmacher 2 kann auch so ausgelegt sein, dass der Mikroprozessor 28 auf der Grundlage statistischer Daten, die über eine lange Zeitdauer erworben worden sind, automatisch die notwendigen Änderungen durchführt, entsprechend einer identifizierten Änderung im Rückfluss des Blutes bzw. einer Änderung, die im Stimulationsintervall gemacht worden ist.
Im Diagramm von Fig. 4 ist eine Anzahl von Beispielen, die mit X markiert sind, gezeigt. Bei dem mit 53 bezeichneten X ist eine Zunahme im Blutfluss aufgetreten, ohne irgendeine vorhergehende Änderung im Stimulationsintervall. Das nächste Stimulationsintervall wird dann abnehmen, d. h. die Stimulationsfrequenz wird zunehmen. Falls der Rückfluss des Blutes fortfährt zuzunehmen, trotz der Verkürzung des Stimulationsintervalls, wie es bei X SS im Diagramm dargestellt ist, bedeutet dies, dass das Herz-Minuten-Volumen für die Bedürfnisse des Körpers unzureichend ist, so dass das Stimulationsintervall erneut verkürzt wird. Falls andererseits der Rückfluss des Blutes abnimmt, wenn das Stimulationsintervall, X 57, abnimmt, nimmt das nächst Stimulationsintervall zu. Wenn der Blutfluss konstant ist, · 59, ändert sich das Stimulationsintervall nicht.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Herzschrittmacher 54 ist mit einem Herz mittels einer ersten Spitzenelektrode 58 verbunden, die im rechten Atrium angeordnet ist und mit einer zweiten Spitzenelektrode 62, die im Apex des rechten Ventrikels angeordnet ist. Die erste Spitzenelektrode ist über einen ersten Elektrodenleiter 60 mit dem Herzschrittmacher 54 verbunden und die zweite Spitzenelektrode 62 ist mit dem Herzschrittmacher 54 über einen zweiten Elektrodenleiter 64 verbunden. Eine indifferente Elektrode 66 ist in der Vena cava angeordnet und mit dem Herzschrittmacher 54 über einen dritten Elektrodenleiter 68 verbunden. Eine Messelektrode 70 ist am Herzschrittmacher 54 angeordnet und mit der Elektronik des Herzschrittmachers 54 über einen vierten Elektrodenleiter 72 verbunden.
Das Blockdiagramm in Fig. 6 liefert eine mehr ins Einzelne gehende Ansicht des Aufbaues des Herzschrittmachers 54. In dem Herzschrittmacher 54 ist ein Generator 74 für atrielle Impulse über einen ersten Ausgangskondensator 76, einen ersten Schalter 78 und den ersten Elektrodenleiter 60 mit der ersten Spitzenelektrode 58 verbunden, um Stimulationsimpulse zum Atrium zu liefern. Wenn der erste Schalter 78 geschlossen wird, wird der erste Ausgangskondensator 76 über das atrielle Herzgewebe entladen. Wenn der erste Ausgangskondensator 76 wieder aufzuladen ist, öffnet der erste Schalter 78 und ein zweiter Schalter 80 schließt. Ein erstes Filter 82 und ein atrieller Detektor 84 sind ebenfalls mit dem ersten Elektrodenleiter 60 verbunden, um im atriellen Herzgewebe elektrische Signale abzufühlen. In entsprechender Weise ist ein Generator 86 für ventrikuläre Impulse über einen zweiten Ausgangskondensator 88, einen dritten Schalter 90 und den zweiten Elektrodenleiter 64 mit der zweiten Spitzenelektrode 62 verbunden, um die Stimulationsimpulse zum ventrikulären Herzgewebe zu liefern. Ein vierter Schalter 92 wird in entsprechender Weise betätigt, wenn der zweiten Ausgangskondensator 88 aufzuladen ist. Ein zweites Filter 94 und ein Ventrikel-Detektor 96 sind ebenfalls mit dem zweiten Elektrodenleiter 64 verbunden, um elektrische Signale im ventrikulären Herzgewebe abzufühlen.
Eine Steuervorrichtung 100 regelt die Funktion der Impulsgeneratoren 74, 86 und der Schalter 78, 80, 90, 92.
Eine Messvorrichtung 98 ist mit der Messelektrode 70 über einen fünften Schalter 102 und den vierten Elektrodenleiter 72 verbunden. Die Messvorrichtung 98 misst den Blutfluss in der Vena cava in der entsprechenden Weise, wie es für die erste Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist. Ein Mittelwertbildner 104 ist zwischen die Messvorrichtung 98 und die Steuervorrichtung 100 geschaltet, um den Mittelwert für den gemessenen Blutfluss zu erstellen. Eine Spannungsquelle 106 legt zwischen der indifferenten Elektrode 66 und der Messelektrode 70 eine konstante Spannung an.
Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform enthält der Schrittmacher 54 eine Telemetrieeinheit 108, die mit der Steuervorrichtung 100 in Verbindung steht und die Informationen und Instruktionen von einer außerhalb des Körpers liegenden Programmiereinheit 110 übertragen und empfangen kann.
Im Prinzip ist die Funktion des Schrittmachers 54 die gleiche, wie bei der ersten Ausführungsform. Hier wird jedoch auch das Atrium stimuliert, so dass der Herzschrittmacher 54 den Pumpeffekt des Herzens in völlig verschiedener Weise synchronisieren kann durch gleichmäßiges Steuern der zwischen den atriellen Stimulationsimpulsen und den ventrikulären Stimulationsimpulsen (dem A-V-Intervall) verstreichenden Zeit, um die Pumpfunktion des Herzens 56 noch weiter zu optimieren. In diesem Fall werden sowohl das Stimulationsintervall, wie auch das A- V-Intervall durch Änderungen im Mittelwert für den gemessenen Rückfluss des Blutes gesteuert. Die Steuervorrichtung 100 kann auch Refraktärperioden auf der Grundlage von Änderungen im Mittelwert für den gemessenen Rückfluss des Blutes einstellen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann auch eingesetzt werden bei unipolaren, bipolaren oder multipolaren Herzschrittmachern, die entweder das Atrium oder den Ventrikel oder sowohl das Atrium, wie auch den Ventrikel stimulieren, in Defibrillatoren und Kardiovertern mit Stimulationsfähigkeit etc. Darüber hinaus sind Abänderungen im Regelprinzip ohne Abweichung vom erfinderischen Konzept möglich, d. h. das Stimulationsintervall auf der Grundlage von Änderungen im Rückfluss des Blutes zum Herzen zu regeln. Hier können Messungen des Rückflusses des Blutes zum Herzen vorgenommen werden, an z. B. anderen Stellen als der Vena-cava.

Claims

1. Herzschrittmacher (2; 54), enthaltend wenigstens eine Funktionseinheit (14, 16; 74, 76, 86, 88) zum Regeln einer variablen Funktion im Herzschrittmacher (2; 54), eine Meßvorrichtung (32; 98) zum Messen einer physiologischen Variablen, und eine Steuervorrichtung (26, 28, 30; 100) zum Steuern des Regelvorgangs der Funktion der Funktionseinheit (14, 16; 74, 76, 86, 88) auf der Grundlage der physiologischen Variablen, wobei die Meßvorrichtung (32; 98) ausgelegt ist zur Messung des Rückflusses des Blutes zum Herzen (4; 56) und zum Erzeugen eines diesem entsprechenden elektrischen Signals, und die Steuervorrichtung (26, 28, 30; 100) ausgelegt ist zum Steuern des Regelvorgangs der Funktion der Funktionseinheit (14, 16; 74, 76, 86, 88) auf der Grundlage des erzeugten Signals, das Änderungen im gemessenen Rückfluß des Blutes entspricht, die Meßvorrichtung (32; 98) ferner mit einer ersten Elektrode (6; 70) und einer zweiten Elektrode (10; 66) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle (44, 106) angeschlossen ist, um zwischen den Elektroden (66, 10; 70, 66) eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten, wodurch der Strom aus der Meßvorrichtung (32) dem Rückfluß des Blutes entspricht.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (14, 16; 74, 86, 88) einen Impulsgenerator zum Erzeugen und Ausgeben von Stimulationsimpulsen zum Herzen (4, 56) mit einem variablen Stimulationsintervall enthält.

3. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mittelwertbilder (104) zur Bestimmung des Mittelwertes für den Rückfluß des Blutes zum Herzen, wie er durch die Meßvorrichtung (32) gemessen worden ist, wobei die Steuervorrichtung (26, 28, 30) dann den Ragelvorgang der Funktion der Funktionseinheit (14, 16; 74, 76, 85, 88) auf der Grundlage der Änderungen im ermittelten Mittelwert steuert.

4. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbilder (104) eine Vorrichtung zum Abtasten einer vorgegebenen Anzahl von Meßwerten für den Rückfluß des Blutes in jedem Herzzyklus enthält, und der Mittelwertbilder (104) ausgelegt ist, den Mittelwert für den Rückfluß des Blutes in einem vorgegebenen, vorhergehenden Zeitintervall, oder einer vorbestimmten Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen, auf der Basis der abgetasteten Meßwerte zu bestimmen.

5. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbilder (104) eine Vorrichtung zum Bestimmen des Maximalwertes und des Minimalwertes für den Rückfluß des Blutes in jedem Herzzyklus enthält, und der Mittelwertbilder (104) so ausgelegt ist, daß er den Mittelwert für eine vorgegebene Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen auf der Grundlage der bestimmten maximalen und minimalen Werte ermittelt.

6. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbilder (104) ausgelegt ist zur Bestimmung des Mittelwertes für das kontinuierliche Meßsignal für den Rückfluß des Blutes für ein vorgegebenes, vorhergehendes Zeitintervall oder eine vorbestimmte Anzahl von vorhergehenden Herzzyklen.

7. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Herzschrittmacher außerdem einen in einem Atrium des Herzens (56) zu plazierenden ersten Elektrodenkopf (58) und einen, in einem Ventrikel des Herzens (56) zu plazierenden zweiten Elektrodenkopf (62) enthält, um atrielle bzw. ventrikuläre Stimulationsimpulse zum Herzen (56) zu liefern, die Funktionseinheit einen Zeitgeber enthält zum Regeln eines variablen Zeitintervalls zwischen der Abgabe der atriellen Stimulationsimpulse und der Abgabe der ventrikulären Stimulationsimpulse, und ferner die Steuervorrichtung (100) das Zeitintervall des Zeitgebers steuert.

8. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Überwachen, der durch die Meßvorrichtung gemessenen Änderungen im Rückfluß des Blutes, wobei diese Vorrichtung ausgelegt ist, jegliche momentane Änderung im Blutfluß, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet als abnormal zu interpretieren und die Steuervorrichtung geeignet ist, den abnormalen Wert während der Steuerung des Regelvorgangs der Funktion der Funktionseinheit zu ignorieren.

9. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine zusätzliche Meßvorrichtung zum Messen wenigstens einer zusätzlichen physiologischen Variablen, wobei die Steuervorrichtung ausgelegt ist zum Steuern des Regelvorgangs der Funktion der Funktionseinheit auf der Grundlage der zusätzlichen physiologischen Variablen.

10. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Speichereinheit (30) zum Speichern der den Rückfluß des Blutes repräsentierenden Werte über eine vorgegebene Zeitdauer, vorzugsweise wenigsten 24 Stunden.

11. Herzschrittmacher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (30) ausgelegt ist, den minimalen Wert und den maximalen Wert für die vorgegebene Zeitdauer zu speichern.

12. Herzschrittmacher nach Anspruch 10 oder 11 in Kombination mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (30) geeignet ist, auch die die Stimulationsintervalle repräsentierenden Werte für die vorgegebene Zeitdauer zu speichern.

13. Herzschrittmacher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (26, 28, 30) geeignet ist, auf der Grundlage der gespeicherten Werte, die den Rückfluß des Blutes und die Stimulationsintervalle repräsentieren, die Art zu berechnen, in der der Rückfluß des Blutes bei Änderungen im Stimulationsintervall variiert, und auf der Basis hiervon, wie das Stimulationsintervall geändert werden sollte, gemäß den Änderungen im Rückfluß des Blutes.

14. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (26, 28, 30) geeignet ist, das Stimulationsintervall so zu steuern, daß es sich nur innerhalb eines vorgegebenen Intervalls zwischen einem minimalen Stimulationsintervall und einem maximalen Stimulationsintervall verändern kann.