-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zweikammer-Herzschrittmachersysteme,
und insbesondere auf Zweikammer-Herzschrittmacher, die hochfrequente
Atrio-Arrhythmien wie z. B. Vorhofflimmern erfassen und mit einem
bestimmten Modus des Ventrikel-Schrittmachens
während
solcher Phasen von Atrio-Arrhythmien reagieren.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Zweikammer-Herzschrittmacher
ermöglichen
das Optimieren der Herzfunktion durch Koordination der Abgabe eines
Ventrikel-Schrittimpulses (VP) mit dem vorangegangenen Atrio-Ereignis, also einem
erfassten Atrio-Signal (AS) oder einem abgegebenen Atrio-Schrittimpuls
(AP). Somit kann in einem VDD(R)- oder DDD(R)-Schrittmachersystem der
zugrundeliegende Sinusrhythmus verfolgt werden, solange er normal
und physiologisch ist, wobei nach der Zeitauslösung einer AV-Verzögerung,
die auf das vorangegangene Atrio-Ereignis folgt, VPs abgegeben werden.
Es ist jedoch möglich,
dass erfasste Atrio-Signale nicht immer verfolgt werden, und der Schrittmacher
muss in der Lage sein, diesen Umstand zu erkennen, wenn er auftritt,
und mit ihm umzugehen. Ein bedeutender Problembereich für Herzschrittmacher-Patienten und Entwickler
von Herzschrittmachern ist der des Umgangs mit hochfrequenten Atrio-Arrhythmien.
Bei manchen Patienten werden während
Phasen des Vorhofflimmerns manche der Atrio-Signale zum Ventrikel
durchgeleitet, allerdings nach dem Zufallsprinzip, was zu hohen
Abweichungen in der Ventrikel-Frequenz führt, die für den Patienten schwer tolerierbar
sein können.
In solchen Situationen besteht die Notwendigkeit, die Ventrikel-Frequenz so zu stabilisieren,
dass eine langfristige Verbesserung der Herzleistung und der klinischen
Symptome erreicht wird.
-
Diesem
Problem wird bisher damit begegnet, dass der Schrittmacher mit aggressiver Übernahme und
Taktung mit einer höheren,
aber sicheren und stabileren Frequenz reagiert. Siehe beispielsweise U.S.-Patent
Nr. 5,480,413, in dem der Schrittmacher bei Erkennen einer pathologisch
hohen Atrio-Frequenz den Ventrikel asynchron taktet und die Taktungsfrequenz
schrittweise hochsetzt, bis die Ventrikel-Frequenz im Wesentlichen
stabil oder eine Hochfrequenz-Grenze erreicht ist. Ein ähnlicher
Ansatz ist in „Rate
Stabilization by Right Ventricular Pacing in Patients with Atrial
Fibrillation", PAGE,
Ausg. 9, Seiten 1147–53,
Nov./Dez., 1986 und in „Effect
of Right Ventricular Pacing on Ventricular Rhythm during Atrial
Fibrillation", JACC
Ausg. 11, Seiten 539–45,
März, 1988,
Wittkampf und De Jongste offenbart. In diesen Offenbarungen besteht
die Aufgabe in einer kontinuierlichen Übersteuerung der spontanen
R-Zacken-Aktivität, die dadurch
erzielt wird, dass das Schrittmacher-Escape-Intervall so nachgestellt
wird, dass sehr wenige R-Zacken spontan auftreten, bevor der Ventrikel
getaktet wird, was jedoch eine sogar noch höhere durchschnittliche Ventrikel-Frequenz zur
Folge hat. Siehe auch „A
New Pacing Method for Rapid Regularization and Rate Control in Atrial
Fibrillation", Am
Journal of Cardiology, Ausg. 65, Seiten 1198–1203, 15. Mai 1990, Lau et
al., worin ein Versuch beschrieben wird, eine Stabilisierung durch
Abgabe eines VP ungefähr
in der Mitte des Zyklus nach einem VS zu erzielen, wodurch jedoch
die Ventrikel-Frequenz nicht effektiv geglättet wird. Während die
erste Aufgabe in der Frequenzglättung
mit dem Ziel des Minimierens der Auswirkung der relativ wilden Ventrikel-Frequenzschwankung
besteht, ist es auch wichtig, die Frequenzschwankungen zu glätten, ohne
die Durchschnittsfrequenz erheblich zu steigern.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Zweikammer-Schrittmacher
mit verbesserter Reaktion auf hochfrequente Atrio-Arrhythmien wie
z. B. Vorhofflimmern bereitzustellen, und insbesondere darin, Abweichungen
in der Ventrikel-Frequenz während
solcher Arrhythmie-Phasen zu steuern.
-
Gemäß dieser
Aufgabe wird ein Algorithmus bereitgestellt, der bei einem Zweikammer-Schrittmacher während einer
Phase des Vorhofflimmerns oder einer ähnlichen Erscheinung angewandt
wird, wobei der Algorithmus das Feststellen der durchschnittlichen
Ventrikel-Frequenz
und deren Anwendung für das
Setzen der Ventrikel-Taktungsfrequenz oder Schwungradfrequenz ermöglicht.
Spontane R-Zacken können
vor der Zeitauslösung
des der Schwungrad-Frequenz entsprechenden Escape-Intervalls auftreten,
es wird aber bei jeder Zeitauslösung
des Escape-Intervalls ein VP abgegeben. Durch diesen Algorithmus
bleibt die durchschnittliche Ventrikel-Frequenz ungefähr gleich
der, die andernfalls vorliegen würde,
die breiten Ventrikelfrequenz-Abweichungen, die andernfalls auftreten
würden,
werden aber im Wesentlichen beseitigt.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein Blockdiagramm,
das die Primärbestandteile
eines erfindungsgemäßen Schrittmachers
darstellt,
-
2 ist ein Diagramm, das
Entscheidungsfrequenzen und das Konzept eines physiologischen Bandes
wie bei einem Schrittmacher aus dem Stand der Technik darstellt,
-
3 ist ein Diagramm, das
die Reaktion des Schrittmachers aus dem Stand der Technik gemäß 2 auf eine hohe Atrio-Frequenz
darstellt, wobei große
Abweichungen in der Ventrikel-Frequenz zu sehen sind,
-
4A ist ein Diagramm, das
darstellt, wie die Schwungradfrequenz oder Ventrikel-Taktungsfrequenz
einer hohen Atrio-Frequenz im erfindungsgemäßen Schrittmacher folgt,
-
4B ist ein Diagramm, das
weiter darstellt, wie das Schwungrad variiert wird, um eine Glättung der
Ventrikel-Frequenz zu erreichen,
-
5 ist ein Ablaufplan, der
eine vom erfindungsgemäßen Schrittmacher
verfolgte Routine darstellt, mit der die Glättung der Ventrikel-Frequenz ausgeführt wird,
wenn nicht-physiologische
Atrio-Signale mit Frequenzen oberhalb der Frequenzobergrenze des
Schrittmachers erfasst werden.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
In 1 ist ein Schrittmachersystem
mit einem Ventrikel-Schrittimpulsgenerator 15 dargestellt, der
Ventrikel-Schrittimpulse erzeugt, die über die Ventrikel-Elektroden 16 an
den Ventrikel des Patienten abgegeben werden. Auf ähnliche
Weise ist ein Atrio-Schrittimpulsgenerator 18 vorhanden,
der Atrio-Schrittimpulse erzeugt, die über Atrio-Elektroden 19 an das Atrium
des Patienten abgegeben werden. Dies ist natürlich so zu verstehen, dass
das Schrittmachersystem entweder unipolare oder bipolare Leitungen
haben kann. Signale, die an den Ventrikel-Elektroden 16 erfasst
werden, werden an eine QRS-Erfassungsverstärkungsschaltung 24 gekoppelt,
die Ausgaben für
die Steuerschaltung 20 liefert, um das Auftreten eines
natürlichen
QRS oder VS anzuzeigen. Auf ähnliche
Weise werden an den Atrio-Elektroden 19 erfasste Atrio-Kontraktionen
oder P-Zacken über
die P-Zacken-Erfassungsverstärkungsschaltung 25 verbunden,
deren Ausgabe an die Steuerschaltung 20 geleitet wird.
Die Steuerschaltung 20 beinhaltet geeigneterweise einen
Mikroprozessor und einen zugehörigen
Speicher 21 zum Ausführen
der normalen Zeitgeber- und Steuerfunktionen. Zudem wird der Steuerungsprozessor genutzt,
um – vorzugsweise
softwaregesteuert – die erfindungsgemäße Frequenzglättungsroutine
auszuführen,
was in 5 in Einzelheiten
beschrieben ist.
-
In 1 ist weiter ein Sensor 28 gezeigt,
der Parametersignale für
die Verwendung in der frequenzadaptiven Steuerung, die im Stand
der Technik bekannt ist, erfasst. Der Sensor 28 kann ein
Aktivitätssensor
sein oder jede beliebige andere Variable erfassen, die als mit einer
gewünschten
Schrittmacherfrequenz korrelierend bekannt ist, die Sensoreinrichtung
kann tatsächlich
zwei oder mehr solcher Sensoren beinhalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird QT als die frequenzadaptive Variable verwendet, in diesem Falle
sind, wie in 26 dargestellt, ein T-Zacken-Erfassungsverstärker und eine
zugeordnete Schaltung vorhanden, die eine Ausgabe liefern, die an
die Steuerschaltung 20 gekoppelt wird. Weiter ist ein Programmempfänger 29 zum
Empfangen von Signalen von einer externen Programmiereinrichtung
dargestellt; die von diesem empfangenen Signale werden an den Steuerblock und/oder
den Speicher 21 abgegeben.
-
In 2 ist ein Diagramm gezeigt,
das den Gebrauch der Entscheidungsfrequenzen darstellt, mit denen
bestimmt wird, wann in einem Zweikammer-Schrittmacher Atrio-Signale
verfolgt, und wann sie nicht verfolgt werden. Es wird Bezug genommen auf
U.S.-Patent Nr. 5,247,930, Mitglied der Patentfamilie der WO-A-93/14815,
in der solche Entscheidungsfrequenzen ausführlich beschrieben sind. In dieser
Anordnung interpretiert der Schrittmacher jedes Atrio-Ereignis als entweder
physiologisch oder pathologisch, wobei er die physiologischen Atrio-Ereignisse verfolgt,
nicht aber die pathologischen Atrio-Ereignisse. Somit werden Atrio-Erfassungen, die mit
zu hoher Frequenz auftreten, oder die einen zu plötzlichen
Anstieg der Frequenz im Vergleich zu vorangegangenen Atrio-Signalen
aufweisen, als pathologisch bestimmt und nicht verfolgt. Im Falle
einer Brady-Arrhythmie taktet der Schrittmacher das Atrium oder
den Ventrikel im DDD(R)- oder VDD(R)-Modus, mit der vom Sensor angezeigten
Frequenz.
-
Um
zwischen solchen physiologischen und pathologischen Atrio-Ereignissen
zu unterscheiden, verwendet der Schrittmacher eine „physiologische Frequenz" und ein „physiologisches
Band". Per Definition
ist die physiologische Frequenz ein beweglicher Durchschnitt der
Frequenz, die die Ventrikel-Frequenz bestimmt. Im Falle eines zugrundeliegenden
Sinusrhythmus, wie bei einem VDD-Schrittmacher, wird die physiologische
Frequenz (phys_rate) durch erfasste Atrio-Ereignisse bestimmt, d.
h. es wird im Prinzip die Atrio-Frequenz verfolgt. Bestimmt der
RR-Sensor die Ventrikel-Frequenz, dann basiert die physiologische
Frequenz auf der Sensorfrequenz. In Ventrikel-Schrittmachermodi basiert
die physiologische Frequenz auf der spontanen Ventrikel-Frequenz
oder der Sensorfrequenz. Die physiologische Frequenz wird in jedem
Schrittmacherzyklus aktualisiert, wobei die Veränderung insgesamt auf ein vorbestimmtes
Maß begrenzt
ist, z. B. zwei Schläge/Minute
pro Schlag. Dadurch wird ermöglicht,
dass die physiologische Frequenz physiologischen Veränderungen
der Sinusfrequenz folgt, es wird jedoch verhindert, dass sie plötzlichen
Veränderungen
folgt. Die physiologische Frequenz ist auch auf den Bereich zwischen
der programmierten Frequenzuntergrenze und der höheren der maximalen Sensor-
oder Nachlauffrequenz begrenzt.
-
In 2 ist ein physiologisches
Band dargestellt, das symmetrisch um die physiologische Frequenz
angeordnet ist. Dieses Band definiert Frequenzen, innerhalb deren
erfasste Atrio-Signale
verfolgt werden können,
d. h. wenn ein AS in einem Intervall auftritt, das einer Frequenz
innerhalb des Bandes entspricht, so kann es vom Schrittmacher verfolgt
werden, andernfalls jedoch nicht. Das Band ist an die physiologische
Frequenz gekoppelt und kann sich beispielsweise bis 15 Schläge/Minute
oberhalb und unterhalb der physiologischen Frequenz erstrecken.
Die Obergrenze oder dynamische Nachführgrenze des physiologischen
Bandes ist also gleich phys_rate + 15 Schläge/Minute, wenn der Schrittmacher
auf automatischen Modenwechsel eingestellt ist. Die Untergrenze
des physiologischen Bandes ist gleich phys_rate – 15 Schläge/Minute, wenn „Schwungrad" eingestellt ist,
so dass die Schwungradfrequenz (oder die dynamische Schrittmachergrenze)
an die physiologische Frequenz gekoppelt ist, solange physiologische
Atrio-Signale erfasst werden. Ist die Sensorfrequenz höher als
die Schwungradfrequenz, was ein Schrittmachen des Atriums bewirkt,
dann wird die physiologische Frequenz der Sensorfrequenz gleichgesetzt.
Die Schwungradfrequenz ist somit eine Escape-Frequenz, die als physiologische
Frequenz – 15
Schläge/Minute
definiert ist, und sie definiert die Untergrenze des physiologischen
Bandes. Die Schwungradfrequenz kann die niedrigere der maximalen
Sensorfrequenz oder der maximalen Nachführfrequenz minus 15 Schläge/Minute
nicht übersteigen.
Die Schwungradfrequenz als dynamische Schrittmacher-Untergrenze soll
plötzliche
Frequenzabfälle
nach dem Auftreten einer Brady-Arrhythmie verhindern. Somit taktet
der Schrittmacher bei Vorliegen von Brady-Bedingungen, wenn das
Schwungrad-Escape-Intervall zeitausgelöst wird, mit der Schwungradfrequenz.
Die Schwungradfrequenz wird dann langsam verringert, z. B. um 2 Schläge/Minute
oder 0,5 Schläge/Minute,
bis entweder (1) die Frequenzuntergrenze erreicht ist, (2) die Sensorfrequenz
erreicht ist, oder (3) die spontane Frequenz die Schwungradfrequenz übersteigt.
-
Die
Erfindung ist auf die Behandlung der speziellen Situation von paroxysmalen
Atrio-Tachykardien
ausgerichtet, bei denen der Patient einen bestimmten Grad der AV-Überleitung
aufweist. Unter diesen Umständen
würde sich
die physiologische Frequenz des beschriebenen Schrittmachers (und damit
die Ventrikel-Escape-Frequenz) nach unten in Richtung der Frequenzuntergrenze
oder Sensorfrequenz verschieben, wie es in 3 dargestellt ist. Unter diesen Umständen, und
unter Berücksichtigung
dessen, dass manche der Atrio-Signale zum Ventrikel durchgeleitet
werden, ist das Ergebnis ein Zustand großer spontaner Ventrikelintervall-Abweichungen.
Bei vorhandenen pathologisch hohen Atrio-Signalen findet also eine
gewisse Durchleitung zum Ventrikel statt, wodurch ein paar spontane
Ventrikelschläge
verursacht werden, die in Zufallsintervallen auftreten, so dass
es zu großen
Veränderungen
im V-V-Intervall
kommt. Jegliche VS zwischen Schwungradfrequenz und Frequenzobergrenze
bewirkt ein Rücksetzen
der Schrittmacher-Zeitsteuerung. Aufgrund der verringerten Schwungradfrequenz
und der Zufallsnatur der übergeleiteten
Schläge
muss der Patient große
Abweichungen der Ventrikel-Frequenz erleiden, was ein wesentliches
Unbehagen bewirkt.
-
Der
erfindungsgemäße Schrittmacher
bewirkt einen Frequenzglättungseffekt,
der in 4A dargestellt
ist, in der das gleiche Atrio-Signal angenommen wird, das auch in 3 dargestellt ist. Wie in
der Figur gezeigt läuft
vor dem Abschnitt mit hoher Atrio-Frequenz das Schwungrad (flywheel,
FW) unterhalb der physiologischen Frequenz nach. Wird die physiologisch
hohe Atrio-Frequenz erfasst, dann wird die Schwungradfrequenz unmittelbar
an die physiologische Frequenz angepasst, woraufhin die physiologische
Frequenz der durchschnittlichen Ventrikel-Frequenz folgt. Es kann
zulässig
sein, dass die Schwungradfrequenz unter die durchschnittliche Ventrikel-
oder physiologische Frequenz abfällt,
z. B. auf ca. 2,5 Schläge/Minute
unterhalb der durchschnittlichen physiologischen Frequenz. Tritt
eine Ventrikel-Erfassung
auf, die einer Frequenz oberhalb der physiologischen Frequenz entspricht,
so werden die physiologische Frequenz und FW nach oben inkrementiert,
so dass sie der durchschnittlichen Ventrikel-Frequenz folgen. Allerdings
wird immer dann, wenn ein VP nach der Zeitauslösung des FW-Escape-Intervalls
abgegeben wird, das Schwungrad verlangsamt oder dekrementiert, und
zwar um einen programmierbaren Schritt von 2 Schlägen/Minute (schnell),
1 Schlag/Minute (mittlere Geschwindigkeit) oder durch langsamere
Schritte. Natürliche
VSs werden also nicht „überfahren", sondern deren Auftreten wird
zugelassen, wodurch die durchschnittliche Ventrikel-Frequenz nahe
an der bleibt, die andernfalls auftreten würde; allerdings werden durch
Anheben der Schwungrad-Schrittmacherfrequenz auf diesen Durchschnitt,
oder knapp unterhalb eines solchen Durchschnitts zufällige längere Intervalle
vermie den. Aufgrund der Natur des Systems der AV-Überleitung werden
die sehr kurzen Intervalle unterdrückt. Als Ergebnis davon wird
die Durchschnittsfrequenz nur wenig verändert, jedoch sind Abweichungen
in beide Richtungen wesentlich minimiert.
-
Zur
weiteren Darstellung der grundlegenden Aspekte dieser Frequenzglättungstechnik
wird auf das Zeitablaufdiagramm in 4B Bezug genommen. Die obere
Zeile stellt Atrio-Erfassungen mit pathologisch hoher Frequenz dar.
Wie hier gezeigt werden manche, aber nicht alle von diesen übergeleitet
und resultieren in einem VS. Manche der Atrio-Schläge werden
nicht übergeleitet
und sind als VB dargestellt. Aufgrund der Zufallsnatur der Überleitung
variiert das Intervall von einem VS zum nächsten, was andernfalls zu
den oben diskutierten breiten Ventrikelfrequenz-Schwankungen führen würde. Bei
der Zeitauslösung
des FW-Intervalls wird ein VP abgegeben, und das Schwungrad-Intervall
wird um Δ1
inkrementiert (entsprechend einer verringerten Schwungradfrequenz).
Bei jedem Auftreten eines VS, das einer höheren Frequenz entspricht,
wird das Schwungrad-Intervall um einen vorbestimmten Wert von Δ2 dekrementiert,
entsprechend einer erhöhten Schwungradfrequenz.
Die entsprechenden Abweichungen der Schwungradfrequenz nach oben
und unten halten diese bei einem relativ konstanten Durchschnittswert,
wodurch eine Frequenzglättung unter
Vermeidung einer zu hohen Frequenz bewirkt wird.
-
In 5 ist ein Ablaufplan der
Schrittmacherroutine für
die Glättung
der Ventrikel-Frequenz beim
Auftreten einer physiologisch hohen Atrio-Frequenz dargestellt.
Bei 50 wird, wenn ein Atrio-Ereignis auftritt, bestimmt,
ob es sich um ein nicht-physiologisches Ereignis handelt. Wenn nein,
was bedeutet, dass es physiologisch war, zweigt die Routine ab zu
Block 52 und stellt die physiologische Frequenz entsprechend
nach. Bei 54 wird dann die Schwungradfrequenz nachgestellt,
so dass sie an die physiologische Frequenz gekoppelt bleibt. Wiederum
bei 50 geht die Routine, wenn das Atrio-Ereignis nicht-physiologisch
war, zu 55 über,
wo sie (V-V)avg berechnet und die physiologische
Frequenz auf (V-V)avg setzt. Bei 56 wird
bestimmt, ob das Atrio-Ereignis ein Schrittimpuls war (AP). Wenn
ja, dann geht die Routine über
zu 59 und dekrementiert die Schwungrad-(FW-) Frequenz.
Wenn nein, dann geht die Routine über zu 62, wo bestimmt
wird, ob ein V-Schrittimpuls vorgelegen hat. Wenn ja, dann geht
die Routine über
zu 59 und stellt FW um den vorbestimmten Wert nach unten
nach. Hat ein VS vorgelegen, dann geht die Routine über zu Block 58,
wo die Schwungradfrequenz gleich phys_rate minus Δ gesetzt
wird, wobei Δ nominal
2,5 Schläge/Minute
beträgt.
Es ist zu bemerken, dass die Schwungradfrequenz im Wesentlichen
auf die physiologische Frequenz gesetzt werden kann, wobei zu bevorzugen
ist, sie wie dargestellt inkrementell unterhalb zu setzen.
-
Es
werden ein System und ein Verfahren offenbart, die pathologisch
hohe Atrio-Frequenzen, z. B. Vorhofflimmern, erfassen und darauf
reagieren, indem der Ventrikel auf eine Weise getaktet wird, die große Ventrikelfrequenz-Abweichungen
glättet,
ohne dabei die durchschnittliche Ventrikel-Herzfrequenz wesentlich
zu erhöhen.