DE69503615T2 - Vorrichtung zur messung der blutströmungsgeschwindigkeit - Google Patents

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit. Solch eine Vorrichtung wird zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeits-Kennwerte innerhalb des Herzens und innerhalb großer Blutgefäße insbesondere zum Zweck einer Elektrotherapiesteuerung verwendet.
Hintergrund der Erfindung
• Sowohl auf temporärer als auch auf permanenter Basis ist physiologische Herzstimulation sehr wichtig. Eine temporäre Stimulation wird gewöhnlicherweise entweder nach einem kardialen chirurgischen Eingriff oder während eines myokardialen Infarkts wegen der vorübergehenden physiologischen Leitungsstörung oder einer Arrhythmie angewendet. Patienten, die sich im Ruhezustand befinden, haben eine beträchtlich verbesserte Herzleistung, wenn die ventrikuläre Kontraktion synchron zur atrialen Füllung der Ventrikel erfolgt. Dies ist sehr wichtig für eine schnellere Erholung nach einem operativen Eingriff oder nach einem myokardialen Infarkt. Darüber hinaus können einige Arrhythmien, wie supraventrikuläre Tachykardien und Extrasystolen mittels physiologischer Stimulation verhindert werden.
• Patienten mit chronischer Leitungs- und rhythmischer Störung müssen ein permanent implantierbares Stimulationssystem erhalten. Bei ihnen tragen auch die Vorkammern beträchtlich zum hämodynamischen Nutzen bei. Es gibt zwei grundsätzliche Arten der physiologischen Herzstimulation: sequentiell und synchron. Die sequentielle atrio-ventrikuläre Stimulation wird verwendet, um die normale atrio-ventrikuläre physiologische Sequenz wieder herzustellen. Bei diesem Modus werden ein Atrium (Vorkammer) und ein Ventrikel (Herzkammer) durch zwei Stimulationen stimuliert, welche durch ein geeignetes physiologisches Intervall voneinander getrennt sind. Jedoch wird die Herzfrequenz durch das Herzschrittmacher-Programm gesteuert, und sie variiert nicht entsprechend den physiologischen Bedürfnissen. Die synchrone Herzstimulation nähert sich dem normalen Herzrhythmus am meisten an. Das spontane atriale Elektrogramm (P-Welle) wird durch eine sich gewöhnlich in Kontakt mit dem atrialen Endokardium befindliche Elektrode erfaßt, und der erfaßte Wert wird verwendet, um den Ventrikel nach einer geeigneten voreingestellten Verzögerung zu triggern. Da der atriale Rhythmus durch unseren natürlichen Schrittmacher-Sinus-Vorkammerknoten stimuliert wird, variiert die Frequenz in natürlicher Weise entsprechend der Körperbelastung. Daher wird die durch P-Wellen synchronisierte ventrikuläre Herzstimulation als die physiologisch beste frequenzabhängige Stimulation angesehen.
• Dementsprechend ermöglicht unsere in dem US-Patent Nr. 5 243 976 und in dem US- Patent Nr. 5 316 001 beschriebene Erfindung ein neues Verfahren zur physiologischen Herzstimulation. Das Ziel unserer früheren Erfindung war, einen Schrittmacher zu schaffen, der bei einem normalen atrialen Rhythmus in einem Synchronmodus (VDD) arbeitet und die atrio-ventrikuläre Synchronität aufrechthält, dies jedoch mit dem Erfordernis, einen einzigen Katheter zu implantieren. Beim Ausführen der früheren Erfindung wird die Blutströmung innerhalb des Herzens mit einer Vorrichtung zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit überwacht, die an einem Herzstimulations-Katheter montiert ist. Insbesondere wird die Strömungswellenform durch die Trikuspidalklappe zur Synchronisation und Steuerung der ventrikulären Herzstimulation verwendet. Sowohl die frühe schnelle diastolische Füllungswelle (E-Welle) als auch die späte atriale diastolische Füllungswelle (A-Welle) werden erfaßt, und ihre Parameter werden gemessen. Die ventrikuläre Stimulation wird mit der A-Welle synchronisiert. Die Vorrichtung schafft Sensoren für eine frequenzabhängige ventrikuläre Stimulation und eine zuverlässige Einrichtung zum Erfassen einer atrialen Fibrillation (Kammerflattern). Es war ein weiteres Ziel, eine ständige Überwachung der rechten ventrikulären Fülldynamik zu schaffen, um die ventrikuläre Muskelleistung abzuschätzen und automatisch die maximale Taktrate derart umzuprogrammieren, um eine Angina pectoris und eine durch eine hohe Frequenz herbeigeführte myokardiale Ischämie zu verhindern. Unser System ist dazu fähig, einzelne verfrühte ventrikuläre Kontraktionen zu erfassen, genauso wie es dazu fähig ist, eine Sinus-Tachykardie von einer pathologischen Tachykardie zu unterscheiden. Es liefert eine Bestätigung eines ventrikulären Einfangens (ventricular capture) und eine Erfassung eines rechtsventrikulären Ausfalls.
• Ein weiteres System, das in unserem US-Patent Nr. 5 318 595 offenbart ist, überwacht die ventrikuläre Füllung und regelt augenblicklich zum Zweck der hämodynamischen Optimierung das Muster der Ventrikulärfüllungs-Wellenform mittels Einstellung des A-V-Intervalls.
• Es ist für eine ordnungsgemäße Funktion dieser Erfindungen sehr wichtig, eine niederenergetische, langzeitzuverlässige und genaue Blutströmungs-Meßmethode zu verwenden, die zur Einbettung in implantierbare Vorrichtungen geeignet ist. Die EP-A 0 311 019 beschreibt ein System, das durch Messung der Impedanz der rechten ventrikulären Kammer gesteuert wird. Obwohl das beschriebene System an einem einzelnen Katheter funktioniert, unterscheidet es sich wesentlich von unserer Erfindung. Eine Messung der Impedanz erwirbt tatsächlich Daten über eine ventrikuläre Volumenänderung. Der Hauptvorteil unserer Erfindung ist, daß wir die Blutströmung direkt durch Messung der tatsächlichen Strömungskennwerte ableiten. Es ist im Stand der Technik gut bekannt, daß die atriale Kontraktion sehr wenig zu der ventrikulären Volumenänderung beiträgt. Im Gegensatz hierzu erzeugt die atriale Kontraktion einen wesentlichen Anteil des Klappendurchflusses. Bei unserer Erfindung weist die Wellenform leicht wahrnehmbare Wellen der Blutströmungsgeschwindigkeit auf, die in physiologisch vorgeschriebener Anordnung in einer ventrikulären Diastole auftreten. Deswegen ist unser Verfahren sensitiver und spezifischer, und darüber hinaus sind bei unserer Erfindung verschiedene Messungen für eine frequenzabhängige Stimulation und zum Erfassen von Arrhythmien möglich.
• Die EPA 0 347 708 beschreibt ein System, das mittels Messung des rechten Herzdruckes und des geschätzten rechten Herzvolumens gesteuert wird. Entsprechend der kardialen Physiologie hängen Rechts-Atrial-Druck und -Volumen und Rechts-Ventrikulär-Druck und -Volumen über die spezifischen Druck-Volumen-Funktionen, die die Herzmuskelleistung beschreiben, gegenseitig voneinander ab. Die Wellenform der Strömung durch die Trikuspidalklappe hängt offensichtlich von der Funktion sowohl des rechten Atriums als auch der des rechten Ventrikels ab. Die besondere Eigenschaft unserer Erfindung ist, daß sowohl die atriale als auch die ventrikuläre Funktion mittels der Messung nur eines physiologischen Parameters - der transvalvularen Blutströmungsgeschwindigkeit - überwacht wird. Deswegen verwendet unsere Erfindung nur einen Sensor, vorzugsweise in einer Position nahe der Trikuspidalklappe, d. h. in dem Atrium.
• Das US-Patent Nr. 4 600 017 offenbart ein Druckmeßverfahren mit Hilfe eines an dem Herzstimulationskatheter befestigten piezoelektrischen Sensors. Unsere Sensoranordnung zur Blutströmungsmessung ist sehr speziell und mit einem einfachen Zweielementkristall- Drucksensor (bimorphen Sensor) nicht identisch. Es gibt zwar keinen Zweifel, daß die bei unserer Erfindung gemessene diastolische Blutströmungs-Wellenform durch die Trikuspidalklappe klar das Öffnen und Schließen der Trikuspidalklappe aufzeigt. Bei unserer Erfindung ist jedoch der Zeitablauf der Klappenbewegung, sei es Öffnen oder Schließen, egal für welche Herzelektrotherapie-Steuerung unwesentlich.
• Das US-Patent Nr. 5 139 020 beschreibt ein System, das die systolische Funktion des Herzens überwacht. Bei dieser Erfindung wird ein Ultraschallstrahl auf den linken Ventrikel oder die linke Aortawurzel gerichtet, da die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mittels eines Doppler-Systems die Blutströmung in der Aorta mißt. Eine andere Ausführungsform mißt systolische Zeitintervalle, um eine myokardiale Kontraktilität abzuschätzen. Es gibt jedoch ein Bedürfnis für eine Vorrichtung zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit mit niedrigem Energieverbrauch, welche zur Verwendung in einem implantierbaren Schrittmacher geeignet ist, die Langlebigkeit des Schrittmachers aber nicht behindert.
• Die US-A 3 930 493 offenbart eine intrakardiale Vorrichtung zur Messung der Blut strömungsgeschwindigkeit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei dieser Vorrichtung sind eine polarographische Kathode aus z. B. Gold oder Platin und eine Referenzanode aus z. B. Silber/Silberchlorid oder Aluminium zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut in dem kardiovaskularen System eines menschlichen Körpers an einem Katheterkörper angebracht. Die Grundlage zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung mittels Verwenden einer polarographischen Kathode-Anode-Anordnung ist das Schaffen von Zuständen, mittels welcher die Lieferung von Sauerstoff zu der Kathode eher von der linearen Strömungsgeschwindigkeit als von einer Sauerstoffdiffusion abhängig gemacht wird, und für diesen Zweck wird eine geeignete Meßspannung (typischerweise 0,4 bis 0,9 V) an die Elektroden angelegt. Der zwischen dem Meß-Kathode-Anode-Paar gemessene Strom gibt die Strömungsgeschwindigkeit an. Bei dem in der US-A 3 930 493 offenbarten Meßverfahren für die intravaskuläre Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist eine externe Energiequelle zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit notwendig.
• Es ist aus dem Stand der Technik (R. Plonsey & D. G. Fleming: "Bioelectric Phenomena", McGraw-Hill Series in Bioengineering, New York 1969, z. Kapitel) gut bekannt, daß eine in ionisierte flüssige Medien eingetauchte Metallelektrode ein Halbzellenpotential erzeugt. Zwei verschiedene Elektroden bilden eine galvanische Zelle, wobei die positive Elektrode als Anode bezeichnet wird und die negative Elektrode eine Kathode ist. Diese elektrochemischen Phänomene sind einschlägig erforscht und in zahlreichen Druckschriften des Standes der Technik offenbart.
• Das Standard-Halbzellenpotential einer Elektrode wird definiert, wenn kein elektrischer Strom zwischen der Elektrode und dem Elektrolyt existiert. Wenn es einen Strom gibt, wird das gemessene Halbpotential aufgrund der Polarisation der Elektrode verändert. Theoretisch existieren zwei Arten von Elektroden: diejenigen, die perfekt polarisierbar sind, und diejenigen, die perfekt nichtpolarisierbar sind. Polarisierbare Elektroden sind diejenigen, bei welchen keine tatsächliche (effektive) Ladung den Elektroden-Elektrolyt- Übergang überquert, wenn ein Strom angelegt wird. Dieser Strom ist dann in Wirklichkeit ein Verschiebestrom, da sich eine polarisierbare Elektrode so verhält, als wäre sie ein Kondensator. Nichtpolarisierbare Elektroden sind diejenigen, bei welchen Strom frei den Elektroden-Elektrolyt-Übergang passiert. Einige praktische Elektroden kommen sehr nahe an diese Eigenschaften heran. Demgemäß sind aus Edelmetall gefertigte Elektroden relativ inert, und es ist sehr schwierig, diese zu oxidieren und aufzulösen. Solch eine Elektrode erzeugt einen starken kapazitiven Effekt, so daß sie fast eine ideale polarisierbare Elektrode ist. Die Potentialdifferenz zwischen dem gemessenen Halbzellenpotential und dem Gleichgewichts-Nullstrom-Halbpotential wird als Überspannung bezeichnet. Es gibt drei elektrochemische Phänomene, die zur Entwicklung einer Überspannung beitragen, und folglich ist diese eine Überlagerung seiner drei Komponenten: die Ohmsche Überspannung, die Konzentrations-Überspannung und die Aktivierungs-Überspannung. Die Ohmsche Überspannung tritt aufgrund des Elektrolytwiderstandes auf. Es gibt einen Spannungsabfall zwischen zwei Elektroden entlang des Stromweges innerhalb des Elektrolyts. Der Spannungsabfall ist proportional zu dem Strom und dem spezifischen Widerstand des Elektrolyts. Jedoch ist die Ohmsche Überspannung mit dem Strom nicht in linearer Beziehung, und deswegen folgt dieses Phänomen nicht dem Ohm'schen Gesetz.
• Die Veränderung der Lonenverteilung an dem Metall-Elektrolyt-Übergang verursacht die Konzentrations-Überspannung. Im Gleichgewicht, wenn kein Strom zwischen der Elektrode und dem Elektrolyt fließt, sind die Raten von Oxydation und Reduktion an dem Übergang gleich. Wenn ein Strom erzeugt wird oder eine Elektrode in dem Elektrolyten bewegt wird, oder eine Elektrolytströmung auftritt, ist die Gleichheit nicht länger gegeben. Dementsprechend verändert sich die Konzentration von Ionen und der durch die Konzentrations-Überspannung verursachte Halbpotentialunterschied tritt auf.
• Die Oxydation von Metallatomen in lone ist möglich, wenn ein Atom zum Brechen der Energiebarriere - der Aktivierungsenergie - fähig ist. Die Reduktion von Elektrolytkationen in Metallatome umfaßt auch die Aktivierungsenergie. Wenn der Strom zwischen Elektrode und Elektrolyt fließt, ist eine der beiden Reaktionen vorherrschend, und die beiden Aktivierungsenergien für Oxydation bzw. Reduktion sind unterschiedlich. Diese Energiedifferenz führt zu einer Spannungsdifferenz - der Aktivierungs-Überspannung.
• Die Netz-Überspannung ist eine Addition von allen dieser drei Überspannungen. Nichtsdestotrotz ist die Überspannung in aus Edelmetall gefertigten Elektroden vorherrschend eine Folge der Konzentrations-Überspannung. Die Überspannungsphänomene sind einschlägig erforscht worden und in zahlreichen Druckschriften des Standes der Technik beschrieben worden. Dem ist so wegen der Tatsache, daß das Hauptziel des Entwurfs von Biopotential-Aufnahmeelektroden für verschiedene Anwendungen ist, die Überspannung und die durch die Überspannung verursachte Verzerrung des aufgenommenen Biopotentialsignals zu minimieren. Im Gegensatz hierzu wird das Überspannungsphänomen bei dieser Erfindung angewendet. Die Elektrolytenströmung verändert die Verteilung von Ionen in der Nähe des Elektroden-Elektrolyten-Übergangs, und verändert so die Konzentrations- Überspannung. Dies ist das Grundprinzip zur Verwendung der polarisierbaren Elektrode als ein Strömungsgeschwindigkeits-Sensor.
Darstellung der Erfindung
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Vorrichtung zur Blutströmungsmessung zu schaffen, die zur Verwendung in einem implantierbaren Schrittmacher geeignet ist und die wenig Energie verbraucht und deswegen erhöhte Langlebigkeit sicherstellt. Es ist ein weiteres Ziel, einen Schrittmacher zu schaffen, der eine einzige Elektrode zum Erfassen der mechanischen Aktivität des Atriums oder des Ventrikels des Herzens benötigt.
• Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit in dem Herzen, insbesondere der Strömung durch die Trikuspidalklappe fähig. Das Blutströmungssignal wird zur Synchronisation und Steuerung einer kardialen Elektrotherapie verwendet. Der bipolare Herzstimulationskatheter weist eine zusätzliche Elektrode innerhalb des Strömungsmeßvolumens, d. h. in der Nähe der Trikuspidalklappe als dritte an dem Katheter befestigte Elektrode auf. Diese Elektrode kann aus irgendeinem Edelmetall gefertigt sein, damit sie die Eigenschaften einer polarisierbaren Elektrode hat. Eine Spannung wird zwischen dieser polarisierbaren Elektrode und einer proximalen indifferenten Stimulationselektrode gemessen. Die Blutströmung verursacht aufgrund der Tatsache, daß die Ionenverteilung in dem Blut in der Nähe der Elektrode durch die Strömungsgeschwindigkeit moduliert wird, eine Veränderung der Konzentrationsüberspannung. Eine Signalverarbeitung der Überspannung der polarisierbaren Elektrode wird zum Zweck der Überwachung und/oder Herzstimulationssteuerung durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung weist das Kardialelektrotherapiesystem zusätzlich die Elektroden auf, die in der Nähe der Trikuspidalklappe eine galvanische Zelle bilden. Die Blutströmung verändert die Ionenkonzentration und deswegen auch das galvanische Potential. Eine Veränderung des galvanischen Potentials wird in der Elektrotherapievorrichtung zum Zweck der Elektrotherapiesteuerung erfaßt. In einer dritten Ausführungsform umfaßt der Herzstimulationskatheter drei zusätzliche und gleiche Elektroden, die benachbart und mit gleichen Abständen zueinander in dem Strömungsmeßvolumen befestigt sind. Erste zwei benachbarte Elektroden der drei Elektroden sind nur bipolare Intrakardial- Elektrogramm-Fühlelektroden, während die zweiten zwei benachbarten Elektroden der drei Elektroden die galvanische Zelle und auch die bipolare Fühlelektrode bilden. Wenn das Signal der ersten zwei Elektroden von dem Signal der zweiten zwei Elektroden subtrahiert wird, wird nur das Strömungssignal von den zweiten Elektroden gemessen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Diese und weitere Ziele werden leichter mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in welchen Fig. 1 ein distales Ende eines Katheters (Sonde) zeigt, der eine polarisierbare Elektrode in ionaler Flüssigkeit und bipolare Stimulationsfühlelektroden umfaßt.
• Fig. 2 zeigt den gleichen Katheter implantiert in ein menschliches Herz.
• Fig. 3 zeigt ein Elektronikschaltbild eines VDD-Schrittmachers.
• Fig. 4 zeigt ein distales Ende eines Katheters, der eine galvanische Zelle bildende Elektroden in der ionalen Flüssigkeit umfaßt.
• Fig. 5 zeigt den gleichen Katheter implantiert in das menschliche Herz.
• Fig. 6 zeigt einen weiteren Kathetertyp, der zur Strömungsmessung in der Vena Cava Superior bestimmt ist.
• Fig. 7 zeigt ein distales Ende eines Katheters, der drei Elektroden zur Strömungsmessung umfaßt.
• Fig. 8 zeigt den gleichen Katheter implantiert in das menschliche Herz.
• Fig. 9 zeigt ein Elektronikschaltbild für eine Signalverarbeitung des Katheters von Fig. 7.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 1 ist das distale Ende eines Plastikkatheterkörpers 10 gezeigt. Der Katheterkörper umfaßt drei Elektroden 11, 12 und 13, von denen eine (13) aus Edelmetall gefertigt ist und so eine polarisierbare Elektrode ist. In dem Ruhezustand des ionalen Mediums kann die positive Gleichspannung unter Verwendung der Elektrode 12 als eine Referenz an der Elektrode 13 gemessen werden. Jede andere Elektrode innerhalb des Elektrolyten kann als eine Referenzelektrode verwendet werden, d. h. auch die Stimulationselektrode 11. Wenn eine Strömung des ionalen Mediums auftritt, tritt die Konzentrations-Überspannung auf und die gemessene Spannung umfaßt eine Gleichspannungskomponente, die ein galvanisches Potential ist, und eine Wechselspannungskomponente, die Folge der Strömungsvariation ist. Darüberhinaus verursacht jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eine Änderung der Überspannung. Die Überspannungsschwankung ist zu der Größe der Strömungsgeschwindigkeitsänderung proportional. Die Elektroden 11 und 12 werden zur kardialen Stimulation und zum Fühlen des ventrikulären Potentials verwendet.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 2 ist eine praktische Anwendung des Schrittmacherkatheters gezeigt, welcher die polarisierbare Elektrode in der Nähe der Trikuspidalklappe umfaßt. Das Herz ist in einer Vierkammer-Querschnitt gezeigt, und der myokardiale Querschnitt der linken Ventrikelwand 20, der rechten Ventrikelwand 21, des interventrikulären Septums 22, der linken Atrialwand 23 und der rechten Atrialwand 24 ist sichtbar. Die beiden Kammern des linken Herzens, der linke Ventrikel 25 und das linke Atrium 26 sind durch die Mitralklappe 27 getrennt. Der linke ventrikuläre Ausströmungskanal besteht aus der Aortenklappe 28 und der Aorta 29. Ein Herzstimulationskatheter 10 ist durch die Vena Cava Superior 31 und das rechte Atrium 32 in dem rechten Ventrikel 33 implantiert, wobei seine aktive Stimulationselektrode 11 in dem Apex des rechten Ventrikels angeordnet ist. In dem unteren Bereich des rechten Atriums weist der Katheter 10 in der Nähe der Trikuspidalklappe 35 eine aus Edelmetall gefertigte, zusätzliche Elektrode 13 auf. Die Elektrode 12 ist eine indifferente Elektrode, und die Elektroden 11 und 12 sind benachbart zueinander befestigt und bilden ein bipolares Stimulationselektrodensystem. Die Bluteinströmung aus dem rechten Atrium 32 in den rechten Ventrikel 33 und durch die Trikuspidaiklappe 35 hindurch verursacht eine Veränderung der Innenkonzentration in der Nähe der Elektrode 13. Demgemäß tritt die Überspannung, die zwischen der Elektrode 13 und bestimmten Referenzelektroden innerhalb des menschlichen Körpers gemessen wird, auf. Obwohl die Referenzelektrode in dieser Ausführungsform die Elektrode 12 ist, die innerhalb des Herzens angeordnet ist, könnte die Referenzelektrode auch in einem anderen Teil des menschlichen Körpers außerhalb des Meßbereichs angeordnet sein. Die Änderung der Überspannung stellt die Änderung der Blutströmung dar. Bei diesem Beispiel ist der bipolare Stimulationskatheter gezeigt, und deswegen kann die indifferente Stimulationselektrode 12 als eine Referenzelektrode für die Überspannungsmessung verwendet werden. In einem unipolaren Stimulationssystem existiert die Elektrode 12 nicht, und die Überspannung kann zwischen der Elektrode 13 und dem (nicht gezeigten) Schrittmachergehäuse gemessen werden.
• Fig. 3 zeigt eine vereinfachte elektronische Schaltung des Einzelkatheter-VDD-Schrittmachers. Das Signal der Überspannungsfühlelektrode 13, das mit Referenz auf Elektrode 12 erfaßt wird, wird über (nicht gezeigte) elektrische Leiter zu den proximalen Anschlüssen 36 bzw. 37 des Katheters und auf den Eingang einer Wechselspannungsfilter-Verstärkerschaltung 40 übertragen. Der Filter hat eine derartige Bandpaßfrequenzcharakteristik, daß er nur das Frequenzspektrum der durch die Blutströmungsgeschwindigkeitsänderung erzeugten Wechselspannung verstärkt und eine Sättigung durch das galvanische Gleichspannungspotential verhindert. Das Signal der bipolaren Stimulationsfühlelektrode 12/11 wird über Anschlüsse 37 und 34 zu dem Eingang einer Filter-Verstärkerschaltung 41 geführt. Der Filter hat eine derartige Bandpaßfrequenzcharakteristik, daß er nur das Frequenzspektrum des intrakardialen EKG verstärkt, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Ausgänge der Filter-Verstärker 40 und 41 sind auf die Eingänge von Datenerfassungsschaltungen 42 bzw. 43 und zu einer Logik- und Steuerschaltung 44 geführt, worin die Signalverarbeitung stattfindet. Der Filter-Verstärker 40 verarbeitet das Signal der mit dem ventrikulären, intrakardialen Elektrogramm überlagerten Konzentrations-Überspannung. Der Filter-Verstärker 41 verarbeitet nur das Intrakardial-Elektrogrammsignal. Die Ausgangsschaltung 45, die an die Anschlüsse 37 und 34 angeschlossen ist, ist ein Stimulationsimpulsgenerator. Die Logik-und Steuerschaltung 44 erzeugt die Austastperiode beider Verstärker während der Stimulationsimpulsruhephase des Pulsgenerators 45, wie dies im Stand der Technik beschrieben ist, um zu verhindern, daß die Verstärker 40 und 41 die Stimulationsimpulsspannung und folglich die Polarisationsspannung erfassen. Darüber hinaus erzeugt sie nur an dem Verstärker 40 während des Erfassens eines intrakardialen Elektrogramms durch den Verstärker 41 eine spezielle Erfassungsaustastperiode in solch einer Weise, daß eine Fehlinterpretation eines durch die bipolare Elektrode 13/12 erfaßten Elektrogrammsignals als ein Signal der Blutströmung verhindert wird. Die gleiche Austastperiodenart würde auch bei einem unipolaren Stimulationssystem nützlich sein, bei welchem das Erfassen eines intrakardialen EGM sowohl zwischen der Elektrode 13 und dem Schrittmachergehäuse als auch zwischen der Elektrode 11 und dem Schrittmachergehäuse stattfindet.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 4 ist das distale Ende eines Plastikkatheterkörpers 110 gezeigt. Der Katheterkörper umfaßt zwei aus verschiedenen Materialien hergestellte Ringelektroden 111 und 112. Die Elektroden bilden, wenn Sie in ionale, flüssige Medien wie Blut eingetaucht werden, eine eine galvanische Spannung erzeugende galvanische Zelle. In diesem besonderen Beispiel ist die Elektrode 11 eine Anode und die Elektrode 112 eine Kathode. Z. B. kann die Elektrode 11 aus Gold gefertigt sein, und die Elektrode 112 aus rostfreiem Stahl. Demgemäß kann in dem Ruhezustand des ionalen Mediums die positive Spannung unter Verwendung der Elektrode 112 als Referenz an der Elektrode 111 gemessen werden. Wenn eine Strömung des ionalen Mediums auftritt, erhöht sich die gemessene galvanische Spannung. Darüberhinaus verursacht jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eine Änderung der galvanischen Spannung. Die Erhöhung der Spannung ist proportional zu der Strömungsgeschwindigkeitserhöhung. Es gibt eine aktive Stimulationselektrode 113, die normalerweise, wenn sie in das Herz implantiert ist, mit dem Endokardium in Kontakt ist. Elektrische Leiter 114, 115 und 116 werden für den elektrischen Anschluß der Elektroden 111, 112 bzw. 113 an ein (nicht gezeigtes) tripolares Verbindungsglied an dem (nicht gezeigten) proximalen Ende des Katheters verwendet.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 5 ist eine praktische Anwendung des Schrittmacherkatheters gezeigt, der die die galvanische Zelle bildenden Elektroden in der Nähe der Trikuspidalklappe umfaßt. Das Herz ist in der selben Weise wie in Fig. 2 gezeigt, und es wird auf die Beschreibung dieser Figur Bezug genommen. Ein Herzstimulationskatheter 110 ist durch die Vena Cava Superior 31 und das rechte Atrium 32 in den rechten Ventrikel 33 implantiert, wobei seine Stimulationselektrode 113 in dem Apex des rechten Ventrikels angeordnet ist. In dem unteren Bereich des rechten Atriums weist der Katheter 110 in der Nähe der Trikuspidalklappe 35 eine Kathode 112 und eine Anode 111 auf. Die Elektroden 112 und 111 bilden eine galvanische Zelle innerhalb des Blutstroms. Die Bluteinströmung aus dem rechten Atrium 32 in den rechten Ventrikel 33 und durch die Trikuspidalklappe 35 hindurch verursacht eine Änderung der Innenkonzentration in der Nähe der Elektroden 112 und 111. Demgemäß verändert sich die zwischen den Elektroden 111 und 112 gemessene galvanische Spannung. Die Änderung dieser Spannung stellt die Änderung der Blutströmung dar.
• Fig. 6 zeigt das an dem rechten atrialen Fortsatz 61 geöffnete Herz. In dem rechten Atrium gibt es die Trikuspidalklappe 62, die Fossa Ovalis 63, die Koronarsinusklappe 64 und die Crista Terminalis 65. Die Vena Cava Superior 66 und die Vena Cava Inferior 67 sowie die Lungenarterie 68 und die Aorta 69 mit dem Truncus Pulmonalis 50 sind gezeigt. Das linke Atrium 51 ist mit der rechten oberen Lungenvene 52 sowie mit der rechten unteren Lungenvene 53 gezeigt. Der rechte ventrikuläre Apex 54 ist gezeigt und auch der Rest des Perikardiums 55. Der Schrittmacherkatheter 110 ist durch die Vena Cava. Superior 66 und die rechte atriale Kammer durch die Trikuspidalklappe 72 hindurch in den rechten Ventrikel implantiert, wobei seine (nicht gezeigte) Spitze im Bereich des Apex 54 liegt. Der Katheter 110 umfaßt eine Kathode 112 und eine Anode 111, die eine galvanische Zelle in dem Blutstrom der Vena Cava Superior 66 bildet. Die Änderung der zwischen der Anode 111 und der Kathode 112 gemessenen galvanischen Spannung stellt die Änderung der Blutströmung innerhalb der Vena Cava Superior dar.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 7 ist das distale Ende eines Plastikkatheterkörpers 210 gezeigt. Der Katheterkörper umfaßt drei Ringelektroden 211, 212 und 213, von denen eine (213) gegenüber den anderen beiden aus verschiedenem Material gefertigt ist. Es gibt eine aktive Stimulationselektrode 214, die normalerweise, wenn sie in das Herz implantiert ist, in Kontakt mit dem Endokardium ist. Die Elektroden 212 und 213 bilden, wenn sie in ionale, flüssige Medien, wie z. B. Blut, eingetaucht sind, eine eine galvanische Spannung erzeugende galvanische Zelle. In diesem besonderen Beispiel ist die Elektrode 213 eine Anode und die Elektrode 212 eine Kathode. Z. B. kann die Elektrode 213 aus Gold und die Elektroden 211 und 212 aus Stahl gefertigt sein. Demgemäß kann in dem Ruhezustand des ionalen Medium die positive Spannung unter Verwendung der Elektrode 212 als Referenz an der Elektrode 213 gemessen werden. Wenn eine Strömung des ionalen Mediums auftritt, verändert sich die gemessene galvanische Spannung. Darüber hinaus verursacht jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eine Änderung der galvanischen Spannung. Die Spannungsfluktuation ist proportional zu der Größe der Strömungsge schwindigkeitsänderung. Darüber hinaus gibt es zwei identische bipolare Fühlelektroden, wobei die erste aus den Elektroden 211 und 212 und die zweite aus den Elektroden 212 und 213 besteht. Die erste bipolare Elektrode hat die selben Volumensensitivitätscharakteristiken wie die zweite bipolare Elektrode. Wenn der Zwischenelektrodenabstand der Elektroden 211, 212 und 213 gegenüber dem Abstand zwischen der das intrakardiale Elektrogramm erzeugenden kardialen Muskelmasse und den Fühlelektroden klein ist, ist das erfaßte intrakardiale Elektrogramm beider bipolarer Fühlelektroden näherungsweise gleich. Elektrische Leiter 215, 216, 217 und 218 werden zur elektrischen Verbindung der Elektroden 211, 212, 213 bzw. 214 mit einem (nicht gezeigten) quadripolaren Verbindungsglied an dem (nicht gezeigten) proximalen Ende des Katheters verwendet.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 8 ist eine praktische Anwendung des Schrittmacherkatheters gezeigt, welcher die die galvanische Zelle bildenden Elektroden in der Nähe der Trikuspidalklappe umfaßt. Das Herz ist in der selben Weise wie in Fig. 2 gezeigt, und es wird auf die Beschreibung dieser Figur Bezug genommen. Ein Herzstimulationskatheter 210 ist durch die Vena Cava Superior 31 und das rechte Atrium 32 in das rechte Ventrikel 33 implantiert, wobei seine Stimulationselektrode 214 in dem Apex des rechten Ventrikels angeordnet ist. In dem unteren Bereich des rechten Atriums weist der Katheter 210 in der Nähe der Trikuspidalklappe 35 eine Kathode 212 und eine Anode 213 und eine zusätzliche Elektrode 211, die aus dem gleichen Material wie die Kathode 212 gefertigt ist, auf.. Die Elektroden 211 und 212 sind benachbart zueinander befestigt. Die Elektroden 212 und 213 bilden eine galvanische Zelle innerhalb des Blutstroms. Die Bluteinströmung aus dem rechten Atrium 32 in das rechte Ventrikel 33 und durch die Trikuspidalklappe 35 hindurch verursacht eine Änderung der Innenkonzentration in der Nähe der Elektroden 211, 212 und 213. Demgemäß ändert sich die zwischen den Elektroden 2I2 und 2I3 gemessene galvanische Spannung. Die Änderung dieser Spannung stellt die Änderung der Blutströmung dar. Jedoch formen die Elektroden 212 und 213 auch die bipolare Fühlelektrode, und deswegen nehmen sie das durch die Herzmuskelelektroaktivität erzeugte bipolare intrakardiale Elektrogramm auf. Das intrakardiale Elektrogrammsignal erscheint in dem durch die Blutströmung erzeugten Signal so, als sei es ein Rauschen. Die Elektroden 211 und 212 bilden eine weitere bipolare Fühlelektrode. Aufgrund der Tatsache, daß diese beiden Elektroden (211 und 212) aus dem gleichen Material gefertigt sind, nehmen sie nur das intrakardiale Elektrogramm auf. Wenn der Zwischenelektrodenabstand der Elektroden 211, 212 und 213 klein ist, ist das durch die erste bipolare Fühlelektrode 211, 212 aufgenommene intrakardiale Elektrogramm näherungsweise das gleiche wie das durch die zweite bipolare Fühlelektrode 212/213 aufgenommene intrakardiale Elektrogramm.
• Fig. 9 zeigt eine vereinfachte elektronische Schaltung der Signalverarbeitung. Das Signal der bipolaren Fühlelektrode 211/213 wird über Anschlüsse 236 und 237 zu dem Eingang einer Bandpaßfilter-Verstärkerschaltung 240 geführt. Das Signal der bipolaren Fühlelektrode 212/213 wird über Anschlüsse 237 und 238 zu dem Eingang einer weiteren Bandpaßfilter-Verstärkerschaltung 241 geführt. Ausgänge der Filter-Verstärker 240 und 241 sind zu dem Eingang eines Differentialverstärkers 242 geführt, worin das Signal des Filter-Verstärkers 240 von dem Signal des Filter-Verstärkers 241 subtrahiert wird. Der Filter-Verstärker 240 erzeugt das Signal des intrakardialen Elektrogramms und ist dementsprechend an das Frequenzspektrum des intrakardialen EGM angepaßt. Der Filter-Verstärker 241 verarbeitet die überlagerten Signale, d. h. das intrakardiale Elektrogramm und das galvanische Strömungssignal, und ist deswegen sowohl an das Frequenzspektrum des intrakardialen EGM als auch an dasjenige des Strömungssignals angepaßt. Demgemäß stellt das Signal an dem Ausgang des Verstärkers 242 die Strömungsgeschwindigkeitskennwerte dar. Dies ist nur das allgemeine Prinzip, aber es ist klar, daß Fachleute in einer zweckdienlichen Weise und unter Verwendung einer Analog-Digital-Umwandlung und anstelle des Verstärkers 242 unter Verwendung eines Mikroprozessors und geeigneter Software zur Signalsubtraktion entwerfen könnten. Genauso könnten Algorithmen zur Strömungsmeßkalibrierung angewendet werden.
• Obwohl spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, sollte verstanden werden, daß diese Ausführungsformen lediglich für Darstellungszwecke beschrieben worden sind. Die voranstehende Beschreibung ist nicht dafür gedacht, in irgendeiner Art und Weise den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen.
• Vielmehr ist die Intention, daß der Umfang der Erfindung nur wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben begrenzt sein soll.

Claims (22)

1. Vorrichtung zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit, enthaltend einen Katheter (10, 110, 210), der ausgelegt ist, in ein kardiovaskuläres System r eines menschlichen Körpers eingesetzt zu werden,

wenigstens einen Meßfühler (12/13; 111/112; 212/213) zum Erfassen der Blutströmungsgeschwindigkeit, der am Katheter an einer Meßposition angebracht ist, die so gewählt ist, daß sie im gewünschten Meßbereich (35; 66) liegt, wenn der Katheter in das kardiovaskuläre System eingesetzt ist,

innerhalb des Katheters angeordnete elektrische Leiter (114/115; 2161217), die an ihren distalen Enden mit dem Meßfühler (12/13; 111/112; 212/213) verbunden sind und die an ihren proximalen Enden (36/37; 236/237) an eine elektronische Schaltung (40 bis 45; 240 bis 242) angeschlossen bzw. anschließbar sind, um die im Meßbereich erfaßten Blutströmungsgeschwindigkeitsdaten zu empfangen und zu verarbeiten, wobei

der Meßfühler wenigstens zwei Elektroden (13/12; 111/112; 213/212) aus zwei unterschiedlichen biologisch verträglichen Stoffen enthält,

eine erste (13; 111; 213) dieser Elektroden als polarisierbare Elektrode ausgebildet und in der Meßposition angeordnet ist, und eine zweite (12; 112; 212) dieser Elektroden im Abstand zur ersten Elektrode im menschlichen Körper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Katheter (10, 110, 210) ein Herzkatheter ist, der ausgelegt ist, durch ein Blutgefäß (31) in das Herz eingeführt zu werden, und daß die elektronische Schaltung (40 bis 45; 240 bis 242) in der Lage ist, als die genannten Blutströmungsgeschwindigkeitsdaten, die Überspannung bzw. die galvanische Spannung die zwischen der ersten Elektrode (13; 111; 213) und der zweiten Elektrode (12; 112; 212) erfaßt wird, zu messen und zu verarbeiten ohne zwischen diese Elektroden eine externe Spannung anlegen zu müssen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Elektrode eine nicht polarisierbar Elektrode (12) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die nicht polarisierbare Elektrode (12) an den Katheter an einer Position angebracht ist, die ausgelegt ist, in einem Bereich des menschlichen Körpers plaziert zu werden, in dem die Blutströmungsgeschwindigkeit wesentlich reduziert ist, verglichen zur Blutströmungsgeschwindigkeit im gewünschten Meßbereich, wenn der Katheter in das Herz eingesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Elektrode eine weitere polarisierbare Elektrode (112; 212) ist, die am Katheter an einer Stelle angebracht ist, die im gewünschten Meßbereich plaziert ist, wenn der Katheter in das Herz eingesetzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Katheter zwei Elektroden (11/12; 211/212) enthält, die am Katheter zur Messung eines intrakardialen Elektrogramms angeordnet sind, und wobei eine der Elektroden (12; 212) als die zweite Elektrode dient.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Katheter am distalen Ende eine Stimulationselektrode (11) zum Beaufschlagen des Herzens mit einem Stimulationssignal enthält und daß die Stimualtionselektrode durch einen elektrischen Leiter (116; 218) mit der genannten Steuereinrichtung (45) der Schaltung verbunden oder verbindbar ist, um das durch die Steuereinrichtung ausgegebene Steuersignal zu empfangen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Stimulationselektrode (11) als zweite Elektrode dient.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die elektronische Schaltung ein Filter (40; 240/241) enthält, um aus dem von den beiden Elektroden empfangenen elektrischen Signal die Blutströmungsgeschwindigkeitsdaten zu extrahieren und außerdem einen Prozessor zum Verarbeiten der Daten und eine Steuereinrichtung (44/45; 242) zum Ausgeben eines Steuersignals auf der Grundlage der extrahierten und verarbeiteten Blutströmungsgeschwindigkeitsdaten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Meßbereich der Bereich der Trikuspidalklappe (35) des Herzens ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Meßbereich innerhalb eines Hohlraums der Vena Cava Superior (31; 66) liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 6, bei dem die genannte erste und die genannte zweite polarisierbare Elektrode (111/112; 213/212) eine galvanische Zelle innerhalb der Blutströmung bilden und diese Elektroden mit der elektronischen Schaltung durch zwei elektrische Katheterleitungen (114/115; 217/216) verbunden sind,

und daß die Stimulationselektrode (113; 214) mittels einer separaten dritten elektrischen Katheterleitung (116; 218) an die Steuereinrichtung (44/45; 242) angeschlossen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die elektronische Schaltung eine Einrichtung zum Überwachen der Änderung der galvanischen Spannung im Verlauf des Herzschlagzyklus enthält.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 11 oder 12, bei der zwei Elektroden (111/112; 213/212) an dem Katheter (110; 210) derart angebracht sind, daß die positive Spannung an der distalen Elektrode (111; 213), die die Anode der galvanischen Zelle darstellt, bezüglich der proximalen Elektrode (112; 212), die die Kathode der galvanischen Zelle darstellt, gemessen wird, wobei die gemessene Strömung die Richtung von der Kathode zur Anode der galvanischen Zelle hat, wenn der Katheter (110; 210) in das Herz eingesetzt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die elektronische Schaltung eine Einrichtung zum Feststellen einer ersten Spitzenänderung der galvanischen Spannungswelle enthält, die eine durch eine ventrikuläre Relaxation verursachte diastolische Füllungswelle anzeigt ferner zum Feststellen einer zweiten Spitzenänderung der galvanischen Spannungswelle, die eine durch eine atriale Kontraktion verursachte atriale Füllungswelle anzeigt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die elektronische Schaltung eine Einrichtung zum Erfassen einer ersten Spitzenänderung der galvanischen Spannungswelle enthält, die eine ventrikuläre Kontraktion anzeigt, zum Erfassen einer zweiten Spitzenänderung der galvanischen Spannungswelle, die eine durch eine ventrikuläre Relaxation verursachte diastolische Füllungswelle anzeigt und einer dritten Spitzenänderung der galvanischen Spannungswelle, die eine durch eine atriale Kontraktion verursachte atriale Füllungswelle anzeigt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 11 bis 14, enthaltend

drei Elektroden (211 bis 213), von denen zwei (212, 213) die genannte erste und die genannte zweite Elektrode (213 und 212) darstellen, die innerhalb der Blutstömung eine galvanische Zelle bilden und eine galvanische Spannung erzeugen;

eine dritte Elektrode (211), die zusammen mit einer (212) der genannten ersten und der genannten zweiten Elektrode (213, 212) eine bipolare Fühlelektrode zum Erfassen und Aufzeichnen des bipolaren intrakardialen Elektrogramms bildet, das durch die elektrische Herzmuskelaktivität erzeugt wird;

wobei die elektronische Schaltung eine Einrichtung zum Messen der galvanischen Spannung enthält, eine Einrichtung zum Messen des intrakardialen Elektrogramms und eine Signalverarbeitungseinrichtung ansprechend auf die gemessene galvanische Spannung auf das gemessene intrakardiale Elektrogramm, um das durch die Blutströmung erzeugte Signal aus dem durch die kardiale elektrische Aktivität erzeugten Signal zu extrahieren.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei dem zwei benachbarte (213, 212) der genannten drei Elektroden aus zwei verschiedenen Stoffen hergestellt sind und die anderen zwei benachbarten (212, 211) der drei Elektroden aus dem selben Material hergestellt sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei dem die zwei, aus verschiedenem Material hergestellten Elektroden (213, 212) mit der elektronischen Schaltung für die galvanische Spannungsmessung elektrisch verbunden sind und die beiden anderen, aus dem selben Material hergestellten Elektroden (212, 211) mit der Einrichtung zur Messung des intrakardialen Elektrogramms verbunden sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Signalverarbeitungseinrichtung der elektronischen Schaltung eine Einrichtung zum Subtrahieren des Signals des intrakardialen Elektrogramms vom Signal der Veränderung der galvanischen Spannung enthält, derart, daß das durch die kardiale elektrische Aktivität erzeugte Signal aus dem durch die Blutströmung erzeugten Signal eliminiert wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 6, enthaltend eine Einrichtung zum Messen des intrakardialen Elektrogramms (11, 12, 41);

eine Meßeinrichtung zum Messen der Überspannung der polarisierbaren Elektrode (13, 12, 40); und

eine Steuereinrichtung (44), die auf die Überspannung anspricht zum Steuern der an das Herz gelieferten Stimulationssignale.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die erste polarisierbare Elektrode (13, 213) aus Edelmetall hergestellt ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 und 19, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung der elektronischen Schaltung eine Einrichtung enthält zum Erzeugen einer Austastperiode der Einrichtung zum Messen der Überspannung (40) beim Erfassen eines intrakardialen Elektrogramms durch die Einrichtung zum Messen des intrakardialen Elektrogramms (11, 12, 41).