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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen implantierbaren Herzdefibrillator
mit einem durch eine Steuereinheit gesteuerten Impulsgenerator zum
Ausgeben einer Vielzahl von Herzstimulationsimpulsen mit einer Frequenz
von einigen Hertz oder mehr.
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Es
ist bekannt, dass eine Herzfribrillation durch einen Wechselstrom
niedriger Spannung ausgelöst
werden kann, der zwischen der Spitze einer gewöhnlichen, implantierten Schrittmacherelektrode und
einer indifferenten Elektrode im Körper, beispielsweise dem Schrittmachergehäuse zugeführt wird.
So kann eine atriale Fibrillation durch einen Wechselstrom, mit
einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von
18 V ausgelöst
werden, der über
einen 2 kΩ Serienwiderstand
zu einer Elektrode im Atrium zugeführt wird. Hier könnte ein
kleinerer Serienwiderstand eine ventrikuläre Fibrillation auslösen. Andererseits kann
eine ventrikuläre
Fibrillation durch einen Wechselstrom mit einer Amplitude von beispielsweise
18 Volt Spitze-zu-Spitze induziert werden, der einer Elektrode im
Ventrikel über
einen 0,5 kΩ Serienwiderstand
zugeführt
wird. Für
eine zu induzierende Fibrillation muss der Wechselstrom eine Anzahl
von Zeitperioden, die 1 bis 2 Sekunden dauern mit Zwischenperiodenintervallen
der gleichen Dauer zugeführt
werden.
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Falls
einmal eine Fibrillation ausgelöst
worden ist, kann sie bekanntlich mittels eines Defibrillators beendet
werden, der einen kurzen, energiestarken Entladungsimpuls mit einer
Spannung in der Größenordnung
von 1.000 V und einem Energieinhalt von 4 bis 40 J zuführt. Wenn
die Defibrillation erfolgreich ist, d. h. wenn die Fibrillation
beendet wird, kann das Herz wieder unmittelbar den normalen Rhythmus
einnehmen, was anzeigt, dass für
den Defibrillationsimpuls ein optimaler Energiepegel ausgewählt wurde,
beispielsweise äußerlich
zugeführte
40 J. Oder es könnte
ein Herzstillstand auftreten, der anzeigt, dass mehr Energie benutzt
worden ist, als für die
Wiederherstellung eines normalen Herzrhythmus erforderlich war,
beispielsweise äußerlich
zugeführte 120
J. Im letztgenannten Fall muss eine zusätzliche Defibrillation in Betracht
gezogen werden. Das Herz kann jedoch oft veranlasst werden, den
normalen Rhythmus wiederzuerlangen, falls es einer konventionellen
Schrittmacherstimulation bei beispielsweise 70/min unterworfen wird.
Um die schnellstmögliche Erholung
des Herzens zu erzielen, sollte diese Stimulation beendet werden,
sobald ein Sinus-Rhythmus detektiert wird. Die Erholung ist dann
sehr schnell und das Herz kehrt nach etwa 10 min in seinen normalen
Zustand zurück.
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Der
oben beschriebene Mechanismus zum Auslösen einer Herzfibrillation
mit Hilfe eines Niederspannungswechselstroms kann auch zum Beenden einer
Fibrillation benutzt werden. Ein Beispiel hiervon ist der externe
Wechselstromdefibrillator, der während
der Defibrillation im Kindesalter eingesetzt wird. Es wurde ein
Wechselstrom mit mehreren 100 V und einer Frequenz von 50 bis 60
Hz eingesetzt. Siehe Paul J. Troop, "Implantable Cardioverters and Defibrillators", Current Problems
in Cardiology, Band XIV, Nr. 12, Dezember 1989, Seiten 729 bis 731.
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Die
EP-A1-0 588 127 beschreibt einen implantierbaren Herzdefibrillator,
der anisotrope Eigenschaften des Herzens benutzt, um Zellen einer
bestimmten Richtung vorbereitend gegenüber Niedrigenergieimpulsen
refraktär
zu machen. Eine Fibrillation kann dann mit einem nachfolgenden Defibrillationsschock
mit weniger Energie beendet werden, als sie bei einer konventionellen
Defibrillation erforderlich wäre.
Eine Defibrillation kann manchmal erreicht werden, nur durch vorbereitende
Niedrigenergieimpulse ohne nachfolgenden Defibrillationsimpuls.
Diese vorbereitenden Niedrigenergieimpulse werden für eine Zeitdauer
von 10 ms bis zur Dauer einer Refraktärperiode ausgegeben.
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Die
EP-A1-0 588 125 beschreibt eine Herzdefibrillation mit Hilfe von
Defibrillationssequenzen, die aus Niedrigenergiestimulationsimpulsen
bestehen, und mit konventionellen Defibrillationsschocks. Die Niedrigenergiestimulationsimpulse
verursachen eine Defibrillation von Teilen des Herzens, im wesentlichen
solcher, die die benutzte Elektrode umgeben, während die konventionellen Defibrillationsschocks erforderlich
sind, um den Rest des Herzens zu defibrillieren. Die Amplitude und/oder
Dauer der benutzten Niedrigenergiestimulationsimpulse überschreitet weitgehend
Schrittmacherimpulse. Die Dauer der Defibrillationssequenz liegt
in der Größenordnung von
1 s.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, einen implantierbaren Defibrillator
verfügbar
zu machen, der eine Defibrillation unter Einsatz von wesentlich geringerer
Energie ermöglicht,
als es im Stand der Technik möglich
ist.
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Die
Erfindung ist durch die beigefügten
Ansprüche
definiert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Defibrillation wird
das Herz aus einem Fibrillationszustand, in dem mehr oder weniger
chaotische Zustände
in verschiedenen Teilen des Herzens vorliegen, in einen bekannten
Zustand konvertiert, der an einen Herzstillstand erinnert, aus dem
das Herz spontan wieder seinen normalen Zustand einnehmen kann oder
stimuliert wird, um seinen normalen Zustand einzunehmen. Da die
benutzten Herzstimulationsimpulse einen Energieinhalt der gleichen
oder etwas größeren Größe habe,
als jene, die durch übliche
Herzschrittmacher ausgegeben werden, ist der gesamte Energieverbrauch
für eine
Herzdefibrillation wesentlich geringer als bisher erforderlich.
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Erfindungsgemäß ist die
Steuereinheit so angeordnet, dass sie den Impulsgenerator veranlasst,
Stimulationsimpulse für
eine Periode von einer oder einigen Sekunden auszugeben, so dass
das gesamte Herz refraktär
wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Defibrillators
ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass sie die Impulsfrequenz
des Impulsgenerators nach der genannten Zeitperiode auf eine normale
Stimulationsfrequenz herabsetzt. Dies gewährleistet, dass nach der Defibrillation
das Herz in seinen normalen Zustand zurückkehrt. Es kann angemessen
sein, dass nach einer einige Sekunden dauernden Periode, die normale
Herzfrequenz erreicht wird. Diese Herabsetzung in der Frequenz kann
vorteilhafterweise gemäß einer
geeigneten kontinuierlichen Kurve durchgeführt werden.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Defibrillators
kann der Impulsgenerator so ausgebildet sein, dass er monophasische
oder biphasische Impulse ausgibt. Die monophasischen Impulse können aus
Halb-Perioden einer sinusförmigen
Spannung bestehen und die biphasischen Impulse können aus ganzen Perioden der
sinusförmigen
Spannung bestehen, wodurch der Aufbau des Impulsgenerators vereinfacht
wird. Hier muss die sinusförmige
Schwingungsperiode verglichen zur Dauer der Refraktärperiode
kurz sein.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Detektor so ausgebildet, dass er örtlich detektiert, wenn Herzzellen den
Refraktärzustand
verlassen und die Steuervorrichtung ist so ausgebildet, dass sie
den Impulsgenerator veranlasst, unmittelbar danach einen Stimulationsimpuls
auszugeben. Der Detektor kann vorteilhafterweise so ausgebildet
sein, dass er örtlich
das Ende der T-Welle detektiert. Jeder Stimulationsimpuls fängt dann
einen kleinen Bereich um die Elektrode bzw. die Elektroden ein und
der Bereich wird refraktär.
Die den Elektroden am nächsten
liegenden Zellen werden dann die ersten sein, die den Refraktärzustand
verlassen. Es folgt dann eine neue Stimulation, woraufhin sämtliche
alten Bereiche plus eine Anzahl von nicht refraktären Stellen
außerhalb dieses
Bereiches eingefangen werden und refraktär werden. Diese Prozedur wird
wiederholt, wobei mehr und mehr Zellen eingefangen werden und refraktär werden,
so dass das gesamte Herz oder ein großer Teil hiervon nach einer
ausreichenden Anzahl von Stimulationsimpulsen refraktär wird.
Bei dieser Ausführungsform
weist das Stimulationsintervall im wesentlichen die gleiche Dauer
wie die Refraktärperiode,
d. h. etwa 150 ms auf.
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Der
Detektor kann vorteilhafterweise mit einer bipolaren Elektrode mit
einem kleinen Abstand zwischen den Polen verbunden sein. Dies würde eine lokale
Detektion ermöglichen
ohne ernsthafte Störsignalinterferenzen
aus der Umgebung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Defibrillators
ist der Impulsgenerator so ausgebildet, dass er über eine Elektrode für die Schrittmacherstimulation
Stimulationsimpulse zum Herzen ausgibt. Alternativ kann eine Vielzahl
von örtlich
verschieden gelegenen Elektrodensystemen zum Aussenden von Stimulationsimpulsen
angeordnet werden, wobei eine Elektrodenschalteinheit dann vorgesehen
wird, um die verschiedenen Elektrodensysteme mit dem Impulsgenerator
zur Impulsausgabe gemäß einem
definierten Muster zu verbinden. Auf diese Weise kann die Verteilung
des Stromes durch das Herz variiert werden, so dass das Herz wirksamer
refraktär
gemacht wird und eine effizientere Defibrillation des Herzens erzielt wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Defibrillators
wird der Impulsgenerator zunächst
veranlasst einen Niedrigenergiedefibrillations- oder Kardioversions-Impuls mit einer
Energie von einigen Joule auszugeben, bevor die Ausgabe der Herzstimulationsimpulse
mit einer Frequenz von einigen Hertz oder mehr beginnt. Somit beginnt
die Behandlung mit einer kleinen Schock-Kardio-Version um sicherzustellen,
dass ein ausreichend großer
Refraktär-"Start"-Bereich um die Elektrode
erzeugt wird, bevor die Behandlung mit den genannten Herzstimulationsimpulsen
fortgesetzt wird, die mit einer Frequenz von einigen Hertz oder mehr
ausgegeben werden.
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Die
Erfindung wird nun mehr im Detail durch Ausführungsbeispiele anhand der
beigefügten
Zeichnungen erläutert,
in denen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Defibrillators
darstellt;
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2 und 3 Beispiele
einer kontinuierlichen Frequenzsteuerung für die Ausgabe der Stimulationsimpulse
durch den erfindungsgemäßen Defibrillator
zeigen;
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4 ein
Beispiel eines Weges zeigt, wie diese Frequenzsteuerung erreicht
werden kann.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Impulsgenerator 2 über ein
Elektrodenkabel 4 und Elektroden mit einem Herzen 6 für die Zufuhr
von Stimulationsimpulsen zu diesem verbunden. Der Impulsgenerator 2 wird
durch eine Steuereinheit 8 gesteuert. Ein Detektor 10 ist
vorgesehen, um die Herzaktivität über das
Elektrodenkabel 4 abzufühlen
und an die Steuereinheit 8 die detektierten Informationen zur
Steuerung des Impulsgenerators 2 gemäß diesen auszusenden. Eine
Elektrodenschalteinheit 12 ist so ausgebildet, dass sie
verschiedene im Herzen platzierte Elektrodensysteme gemäß einem
definierten Muster oder in einer geeigneten Weise mit dem Impulsgenerator 2 verbindet.
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Der
in 1 gezeigte Defibrillator kann in der folgenden
Weise betrieben werden.
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Durch
den Impulsgenerator 2 werden jedes mal dann Stimulationsimpulse
ausgegeben, wenn Herzzellen lokal ihren Refraktärzustand verlassen. Der Detektor 10 erfasst,
wann Herzzellen lokal den Refraktärzustand im fibrillierenden
Herz verlassen, indem er das Ende der T-Welle detektiert, woraufhin diese
Information zur Steuereinheit 8 gesandt wird, welche den
Impulsgenerator veranlasst, unmittelbar einen neuen Stimulationsimpuls
auszusenden. Für diese
Detektion ist der Detektor 10 mit einer (nicht dargestellten)
bipolaren Elektrode verbunden, wobei die Elektrodenpole im Herzen 6 sehr
nahe beieinander liegen. Dies ermöglicht deshalb eine lokale
Messung der Zustände
zwischen den Elektrodenpolen mit einer minimalen Störsignalinterferenz
aus der Umgebung. Die Elektrode kann beispielsweise einen Spitze-Ring-Aufbau
haben mit einem in einem sehr kleinen Abstand von der Spitze angeordneten
Ring.
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Nach
einem Stimulationsimpuls verlassen die den Elektroden am nächsten liegenden
Zellen ihren Refraktärzustand
zuerst, woraufhin ein neuer Stimulationsimpuls ausgegeben wird,
der demgemäss den
gesamten "alten" Bereich des Herzens
plus eine Anzahl von zusätzlichen
nicht refraktären
Zellen außerhalb
dieses Bereiches in den Refraktärzustand konvertiert.
Dieses Verfahren wird wiederholt, so dass eine zunehmende Anzahl
von Herzzellen in einem "synchronisierten" Bereich eingefangen
wird. Dies konvertiert nach einer ausreichenden Anzahl von Stimulationsimpulsen
das gesamte Herz in den Refraktärzustand.
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Die
Dauer des Refraktärzustandes
beträgt 150
bis 250 ms. Die Stimulationsfrequenz liegt deshalb in der Größenordnung
von 5 Hz.
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Nachdem
das gesamte Herz refraktär
geworden ist, kann die Stimulationsfrequenz langsam reduziert werden,
wodurch es dem Herzen erlaubt wird, wieder einen normalen Arbeitsrhythmus
in der normalen Weise einzunehmen. Alternativ kann das Herz mit
einer normalen Schrittmacherfrequenz von typischerweise 70/min stimuliert
werden. Um die schnellstmögliche
Erholung des Herzens zu erreichen, sollte die Stimulation im letztgenannten
Fall beendet werden, sobald ein Sinusrhythmus detektiert wird.
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Eine
Vielzahl von verschieden positionierten Elektrodensystemen im Herzen,
die in optionaler Weise oder gemäß einem
definierten Muster mit der Elektrodenschalteinheit 12 in
Verbindung stehen, kann vorteilhaft sein. Hier sollte eine Elektrode
in der Nachbarschaft des His-Bündels
positioniert werden, da sich auf normalen Signalwegen vom A-V-Knoten ausbreitende
Depolarisationswellen schneller als andere Wellen bewegen.
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Es
ist auch möglich
zuerst einen Refraktär-"Start"-Bereich im Herzen
durch Ausgabe eines Niedrigenergiedefibrillationsimpulses oder eines
Kardioversionsimpulses von einigen Joule zu erzeugen und dann auf
die oben beschriebene Defibrillationsmethode umzuschalten.
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Der
erfindungsgemäße Defibrillator
kann offensichtlich, ohne seine Fähigkeit, zwischen verschieden
positionierten Elektrodensystemen umzuschalten, benutzt werden und
es kann eine konventionelle Schrittmacherelektrode, die in geeigneter
Weise im Ventrikel platziert ist, vorteilhaft benutzt werden. Die
Erfindung kann jedoch auch zum Beenden einer atrialen Fibrillation
eingesetzt werden.
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Ein
alternativer Weg des Betreibens des erfindungsgemäßen Defibrillators
ist es, mit einer schnellen Stimulationsfrequenz zu beginnen, die
viel schneller ist, als die Fibrillationsfrequenz, welche normalerweise
etwa 300/min beträgt,
d. h. die entsprechende Periode ist etwa so lang, wie die Refraktärperiode
der Herzzellen.
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Der
Defibrillator kann deshalb so ausgestaltet werden, dass er zuerst
eine Serie von Stimulationsimpulsen mit einer schnellen Frequenz,
beispielsweise 50 Hz ausgibt. Die Impulse können monophasisch oder biphasisch
sein und die Amplitude kann beispielsweise 20 V betragen. Die Impulse
können aus
einer halben Periode (monophasisch) oder aus einer ganzen Periode
(biphasisch) bei einem 50 Hz Wechselstrom bestehen. Diese Folge
von hochfrequenten Stimulationsimpulsen kann durch den Impulsgenerator 2 zum
Herzen über
eine definierte Zeitperiode ausgesandt werden. Die Absicht hier
ist es, das ganze Herz refraktär
zu machen.
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Nach
dieser Hochfrequenzperiode erfolgt ein Wechsel zu einer normalen
Stimulationsphase, die erreicht wird durch eine rasche Abnahme der
Frequenz, mit der die Impulse durch den Impulsgenerator 2 ausgegeben
werden, bis hin zu einer normalen Stimulationsfrequenz. Die Amplitude
der Impulse kann gleichzeitig auf einen normalen Schrittmacherpegel
von etwa 5 V reduziert werden. Eine Steuerung des Impulsgenerators 2 derart,
dass dieser normale Pegel erreicht wird, einige Sekunden nachdem
die Hochfrequenzphase beginnt, kann geeignet sein.
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Der
Impulsgenerator kann so gesteuert werden, dass die Impulse gemäß einer
Hälfte
einer Gauß-Kurve variieren,
d. h. f = f0*k1*e–k2*t2 in
der f die Frequenz bezeichnet, f0 die Startfrequenz, beispielsweise
50 Hz bezeichnet, k1 und k2 Konstanten
bezeichnen und t die Zeit bezeichnet.
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Eine
derartige Frequenzänderung über der Zeit
ist in 2 dargestellt.
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Alternativ
kann die Frequenzsteuerung entsprechend einer Exponentionalgleichung
höherer Ordnung
sein, d. h. f = f0*k1*e–k 2*t4 wie in 3 dargestellt,
falls nach der Hochfrequenzphase ein schnellerer Abfall in der Frequenz
erwünscht
ist.
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4 zeigt,
wie die Frequenzsteuerung der in den 2 und 3 dargestellten
Art erreicht werden kann.
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Wenn
der Abwärtszähler 14 durch
Null geht, was durch den Nulldetektor 16 detektiert wird,
erhöht sich
der Inhalt des Adressenzählers 18 um
einen Schritt und die nächste
Periodendauer wird aus der Periodentabelle 20 zum Startregister 22 des
Zählers 14 heruntergeladen.
Gleichzeitig wird ein triggernder Impuls zum Impulsgenerator 24 für die Ausgabe
eines Stimulationsim pulses zum Herzen über das Elektrodenkabel ausgesandt.
Es startet dann eine neue Abwärtszählphase.
Wenn der Abwärtszähler 14 erneut
Null erreicht, wird der Prozess mit dem Herunterladen der nächsten Periodendauer
wiederholt, etc.
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Der
in 4 dargestellte Aufbau enthält auch einen Taktgeber zum
Steuern des Abwärtszählers 14 und
der erforderlichen Logik, Block 26.
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Der
Impulsgenerator 24 ist selbstverständlich auch so ausgebildet,
dass die Amplitude der Ausgangsimpulse gesteuert werden kann.
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Bei
dieser Version des erfindungsgemäßen Defibrillators
ist die Frequenzsteuerung in der Steuereinheit 8 enthalten,
die im Blockdiagramm 1 dargestellt ist. Da bei dieser
Ausführungsform
keine Detektion der Refraktärperiode
stattfindet, ist hier der Detektor 10 weggelassen.