DE69917635T2

DE69917635T2 - Detektor für evozierte reaktion durch mittelwertbildung des amplitudenwertes des aufgenommenen signals

Info

Publication number: DE69917635T2
Application number: DE69917635T
Authority: DE
Inventors: Asa Uhrenius; Berit Larsson; Göran Budgifvars; Feresteh Gellerfalk
Original assignee: St Jude Medical AB
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: DE69917635D1; EP1087819A1; WO1999065569A1; EP1087819B1; SE9802153D0

Description

Stand der Technik
Um den Energieverbrauch von Herzstimulatoren zu reduzieren, wird eine automatische Schwellensuchfunktion, eine sogenannte AUTOCAPTURE^TM-Funktion benutzt, um die Energie der Stimulationsimpulse gerade oberhalb der Energie aufrechtzuerhalten, die benötigt wird, um ein Capture zu bewirken, vergleiche beispielsweise US-A-5,458,623. Eine zuverlässige Erfassung der evozierten Reaktion, die dann erforderlich ist, ist jedoch keine einfache Sache, insbesondere wenn es erwünscht ist, die evozierte Reaktion mit derselben Elektrode abzufühlen wie derjenigen, die den Stimulationsimpuls liefert und insbesondere, falls das Abfühlen mittels einer unipolaren Elektrodenfiguration durchgeführt wird.
Heutzutage verursachen Fusionsschläge ein großes Problem für die AUTOCAPTURE^TM-Funktion, da diese Schläge oft nicht als Herzschläge detektiert werden. Stattdessen interpretiert der fragliche Herzstimulator die evozierte Reaktion als einen Captureverlust und als Folge hiervon wird ein Zusatzimpuls ausgegeben und die Stimulationsimpulsamplitude vergrößert. Nach mehreren derartigen unerfassten Fusionsschlägen befindet sich der Herzstimulator in einem hohen Ausgabemodus, wo er verbleibt, bis die nächste Schwellenwertsuche durchgeführt wird. Diese Fehlinterpretation des evozierten Reaktionssignals durch den Herzstimulator vergrößert natürlich den Stromabfluss und verringert die Lebensdauer der Batterie und die AUTOCAPTURE^TM-Funktion wird für einige Zeit außer Betrieb gesetzt.
In der EP-A1-0 836 867 ist eine Herzstimulatorvorrichtung zum Verhindern von Fusionsschlägen offenbart. Dazu ist eine Technik für die verbesserte Erfassung von inneren Ereignissen beschrieben. Eine Steuervorrichtung aktiviert dann eine nichtgefilterte Abfühlvorrichtung vor dem Ende eines Basis-Auslöseintervalls und verlängert dieses Auslöseintervall durch eine vorgegebene Länge, falls die nichtgefilterte Abfühlvorrichtung einen QRS-Komplex abfühlt derart, dass das entsprechend gefilterte Signal, welches infolge der Filterprozedur verzögert ist, Zeit hat, die Steuervorrichtung für eine sichere Verifikation des abgefühlten QRS-Komplexes zu erreichen.
In der US-4, 757, 815 ist ein Herzschrittmacher beschrieben, der einen Impulsgenerator und eine Schaltung zum Messen eines Atemsignals eines Patienten sowie eine Steuereinheit zum Steuern des Impulsgenerators durch Ändern der Impulsfolgefrequenz abhängig von dem Atemsignal enthält. In dieser bekannten Vorrichtung wird eine Reihe von Herzaktionssignalen mittels beispielsweise eines QRS-Detektors erfasst. Die Amplituden (R-Wellen) der Herzsignale sind Schwankungen unterworfen, die durch den Atemzyklus des Benutzers des Herzschrittmachers verursacht werden. Die Atmungsmessung wird vorgenommen durch Messen der Distanz zwischen dem positivsten und dem negativsten Punkt des Komplexes für jeden QRS-Komplex, während die Distanzveränderung zwischen aufeinanderfolgenden Messungen ein Maß der Atmung des Patienten ist. Gemäß dieser bekannten Vorrichtung müssen zwei getrennte Punkte des QRS-Komplexes identifiziert und bestimmt werden. Dies wird durch eine Spitzenabfühlvorrichtung erreicht, die Abtast- und Halteschaltungen enthält.
In der US-A-5 391 192 ist ein klinisches Programmiersystem für den Einsatz bei einem implantierten Herzsystem beschrieben, um automatisch die minimale Energie zu bestimmen, die notwendig ist, um eine ventrikulare Depolarisation zu evozieren. Die evozierte Reaktion wird über eine Bewertung des Integrals von durch ein Oberflächenkardiogramm verfügbaren R-Wellen erfasst. Die US-A-5 391 192 unternimmt keinen Versuch zwischen Fusionsschlägen und echten Captureschlägen zu unterscheiden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Detektor für evozierte Reaktion für einen Herzstimulator verfügbar zu machen, der eine zuverlässige Detektion von Fusionsschlägen für eine unipolare Abfühlelektrodenkonfiguration liefert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, zusätzlich zu der Fusionsschlagerfassung eine Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, um die Atemfrequenz des Patienten aus dem erfassten Signal zu bestimmen.
Beschreibung der Erfindung
Dieses Ziel wird erhalten mit einer Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine zuverlässige Erfassung von Fusionsschlägen sowohl mit niedrig- wie auch hoch-polarisierenden unipolaren Leitungen möglich, welches ein wesentlicher Vorteil ist, da unipolare Leitungen weniger kompliziert herzustellen sind und eine längere Betriebszeit aufweisen als bipolare Elektroden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die genannte Messvorrichtung ausgelegt, den Gleichstrompegel der gemessenen Elektrodensignale zu bestimmen und diesen Gleichstrompegel von der jeweiligen Abtastung abzuziehen, woraufhin die genannte Mittelwertbildungsvorrichtung geeignet ist, den Mittelwert der genannten Abtastungen aus dem genannten Zeitfenster der evozierten Reaktion zu bilden, um den genannten Durchschnittswert der Amplitude der gemessenen Elektrodensignale zu bilden. Es ist wichtig, den Gleichstrompegel von dem gemessenen Elektrodensignal abzuziehen, um ein korrektes Elektrodensignal für eine nachfolgende Analyse zu erhalten.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Atemsignalbestimmungsvorrichtung vorgesehen, wobei ein Atemsignal, das die Atemfrequenz des Patienten repräsentiert, aus einer vorgegebenen Anzahl der genannten Durchschnittswerte aus einer vorbestimmten Anzahl von Herzzyklen durch die genannte Atemsignalbestimmungsvorrichtung bestimmt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Um die Erfindung mehr im Einzelnen zu erläutern, werden nun als Beispiele ausgewählte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herzstimulators anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen
1 ein unipolares IEGM und EKG darstellt, das während Tierversuchen aufgezeichnet worden ist,
2 die durchschnittlichen Amplituden zeigt, die aus dem IEGM von 1, analysiert durch den erfindungsgemäßen Detektor, erhalten worden sind,
3 ein Blockdiagramm für die prinzipielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herzstimulators ist, und
4 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors für evozierte Reaktion ist,
5 ein unipolares IEGM und eine Kurve zeigt, die den während Tierversuchen aufgezeichneten Atemfluss darstellen,
6 die durchschnittlichen Amplituden zeigt, die aus dem IEGM von 5, analysiert durch den erfindungsgemäßen Detektor, erhalten worden sind,
7 ein Blockdiagramm der prinzipiellen Ausgestaltung des Herzstimulators gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt ein unipolares IEGM, gemessen zwischen der Elektrodenspitze und dem Gehäuse des Herzstimulators und das EKG, die während Tierversuchen aufgezeichnet worden sind. Die aufgezeichneten Herzschläge sind von 0 bis 25 beziffert.
Die Schläge 0 und 1 repräsentierten zwei vollständig stimulierte Captures.
Bei den Versuchen wurde ein externer, im VVI-Modus arbeitender Schrittmacher benutzt, aber infolge des langen ausgeblendeten Erfassungsfensters von annähernd 40 ms vor dem Stimulationsimpuls ist der Schrittmacher nicht durch Eigenschläge inhibiert worden. Demzufolge sind Pseudofusionsschläge erschienen, siehe die Schläge Nr. 3, 4, 5 und 6. Für diese Schläge würde die Stimulation durch einen kommerziell verfügbaren implantierbaren Schrittmacher inhibiert worden sein. In den vorliegenden Versuchen werden diese Schläge aber als Capture-Verlust interpretiert. Der sechste Schlag ist der erste Schlag, der etwas stimuliert ist, aber der Eigenanteil ist viel mehr hervorgehoben als der stimulierte Anteil und dieser Schlag würde durch den QRS-Detektor in einem kommerziell verfügbaren Schrittmacher erfasst worden sein.
Die Schläge 7, 8, 9 und 10 sind Fusionsschläge. Die folgenden Schläge 11 bis 25 sind nur stimulierte Herzschläge.
In 2 sind die durchschnittlichen Amplitudenwerte des aufgezeichneten IEGM für jeden der Herzschläge (und auch für nachfolgende Herzschläge bis zum Herzschlag Nr. 40) gezeigt. Diese Durchschnittsamplitudenwerte werden durch den erfindungsgemäßen Detektor für evozierte Reaktion, wie im folgenden beschrieben, bestimmt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, haben vollständig stimulierte Captures eine verhältnismäßig große negative Durchschnittsamplitude zur Folge, vgl. Herzschläge 0, 1 und 12–40.
Für die Pseudofusionsschläge 3, 4, 5 und 6 wird in den Versuchen eine gering negative oder eine Nulldurchschnittsamplitude gemessen, was als Captureverlust interpretiert wird.
Für die Fusionsschläge 7, 8, 9 und 10 sind die Durchschnittsamplituden zwischen der gemessenen Durchschnittsamplitude für Pseudofusionsschläge und der Amplitude für vollständig stimulierte Schläge gelegen. Die absoluten Werte der Durchschnittsamplituden dieser Fusionsschläge nehmen kontinuierlich zu vom Schlag 7 bis zum Schlag 10, infolge der Tatsache, dass die Schläge mehr und mehr stimuliert werden.
Aus diesen Versuchen und dieser Analyse ist ersichtlich, dass durch Einstellen geeigneter Grenzwerte für die Durchschnittsamplituden der gemessenen Elektrodensignale, ein Capture, einschließlich Fusionsschlägen und ein Captureverlust mit dem erfindungsgemäßen Detektor erfasst werden kann. Somit könnte für das spezielle Beispiel, das anhand der 1 und 2 erläutert ist, eine Durchschnittsamplitude, die –0,005 V überschreitet, als Captureverlust interpretiert werden und eine Durchschnittsamplitude unterhalb –0,005 V als Capture, während Durchschnittsamplituden zwischen –0,005 V und –0,022 V als Fusionsschläge interpretiert werden.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer prinzipiellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herzstimulators. Der Stimulator enthält einen Impulsgenerator 2, der über eine Leitung 6 mit dem Herzen 8 eines Patienten verbunden ist. Der Impulsgenerator 2 ist so ausgestaltet, dass er Stimulationsimpulse von variierenden Amplituden erzeugt, die über die Leitung 6 zum Herzen 8 übertragen werden. Der Detektor 4 des Herzstimulators für evozierte Reaktion ist ebenfalls mit der Leitung 6 verbunden.
Der Detektor 4 für evozierte Reaktion enthält eine Filter- und Mess-Vorrichtung 10. Das gefilterte Elektrodensignal wird einer Mittelwertbildungsvorrichtung 16 und einer Vergleichsvorrichtung 12 zugeführt, zum Unterscheiden von Capture, auch für Fusionsschläge, und Captureverlust, durch Vergleichen der aus der Mittelwertbildungsvorrichtung 16 erhaltenen Durchschnittsamplituden mit geeignet ausgewählten Grenzwerten, wie dies oben in Verbindung mit 2 beschrieben worden ist.
Die Filter- und Mess-Vorrichtung 10 ist während der Stimulation durch den Schalter 11 von der Leitung 6 abgetrennt.
Eine Zeitgebervorrichtung 14 ist vorgesehen, um ein Zeitfenster der evozierten Reaktion zu bestimmen, während dem das Elektrodensignal gemessen und gespeichert wird. Dieses Fenster der evozierten Reaktion erstreckt sich normalerweise von 15 bis 55 ms nach der Stimulation.
So wird nach einer Austastzeit von etwa 15 ms das gemessene Elektrodensignal (IEGM) während dieses Fensters für evozierte Reaktion abgetastet und digitalisiert und der Mittelwert dieser Abtastungen gebildet. Diese Prozedur wird in der Mittelwertbildungsvorrichtung 16 durchgeführt, die so der Vergleichsvorrichtung 12 einen Durchschnittsamplitudenwert für jeden Herzschlag zuführt. Eine geeignete Abtastfrequenz kann beispielsweise 512 Hz sein, was etwa 20 Abtastungen pro Schlag zur Folge hat.
Um ein zuverlässiges Ergebnis zu erhalten, ist es auch erwünscht, jeglichen Gleichstrom-Pegel im gemessenen Elektrodensignal (IEGM) zu eliminieren. Dies kann durch Abtasten des gemessenen IEGM-Signals vor der Ausgabe eines Stimulationsimpulses und Bildung eines Mittelwertes dieser Abtastungen erfolgen. Dieser Mittelwert repräsentiert den Gleichstrompegel und wird von jeder Abtastung des nachfolgend gemessenen Elektrodensignals abgezogen.
4 zeigt mehr im Detail eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors für evozierte Reaktion. Das durch die Leitung 6 in 3 aufgenommene Herzelektrodensignal wird einem Hochpassfilter 20 zugeführt. Ein Verstärker 22 und ein A/D-Umsetzer 24 sind zum Verstärken bzw. für die A/D-Umsetzung des gefilterten Signals vorgesehen. Der Block 26 enthält einen Digitalsignalprozessor zum Berechnen der Durchschnittsamplituden der gemessenen Elektrodensignale und zum Vergleichen derselben mit geeignet ausgewählten Grenzwerten, wie oben beschrieben.
Somit ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Algorithmus zum Unterscheiden zwischen einem Capture, auch für Fusionsschläge, und einem Captureverlust durch Einsatz eines Mikroprozessors in Software implementiert. Statt eines Mikroprozessors kann dieser Algorithmus auch in einer Zufallslogik implementiert sein, was die Realisierung durch gewöhnliche logische Elemente, d. h. logische Glieder bedeutet.
Der erfindungsgemäße Detektor kann in die Elektronik des Herzstimulators auch durch Einsatz einer Schaltkondensator (SC) Technik implementiert sein. Der Algorithmus wird dann in SC-Technik implementiert, wo verschiedene Kondensatoren als Speicherelemente zum Speichern der verschiedenen Elektrodenpotentiale, sowie SC-Addier-, Subtrahier- und Multiplizier-Schaltungen benutzt werden, zum Durchführen der erforderlichen Berechnungen, wie oben beschrieben.
5 zeigt ein unipolares IEGM und eine Kurve, die den bei Tierversuchen aufgezeichneten Atemfluss darstellt. Bei der IEGM-Kurve kann eine dem Atemfluss entsprechende Amplitudenvariation erkannt werden.
6 zeigt die aus dem IEGM in 5 erhaltenen und durch den erfindungsgemäßen Detektor analysierten Durchschnittsamplituden. Die Amplitudenveränderung, abhängig von der Atmung, ist deutlich zu sehen. Wie aus der Figur ersichtlich ist, enthält der Atemzyklus annähernd 6–9 Durchschnittswerte.
7 ist ein Blockdiagramm einer prinzipiellen Ausgestaltung des Herzstimulators gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung.
Diese Ausführungsform enthält zusätzlich zu der anhand von 3 beschriebenen Ausführungsform eine Atemsignalbestimmungsvorrichtung 28, der die durch die Mittelwertbildungsvorrichtung 16 erzeugten Durchschnittswerte zugeführt werden. Die Atemsignalbestimmungsvorrichtung 28 erzeugt aus einer vorbestimmten Anzahl der genannten Durchschnittswerte ein Atemsignal 30, das die Atemfrequenz des Patienten wiedergibt. Das Atemsignal 30 wird dem Impulsgenerator 2 zugeführt, wo es als Steuersignal zum Steuern der Stimulationsfrequenz gemäß einem Atemfrequenzansprechalgorithmus benutzt wird. Die Verwendung der Atemfrequenz zur Steuerung der Stimulationsfrequenz eines Schrittmachers ist dem Fachmann auf dem Schrittmachergebiet wohl bekannt, vgl. beispielsweise US-4, 702, 253 und wird deshalb hier nicht beschrieben.

Claims

Herzstimulator, enthaltend einen Detektor (4) für evozierte Reaktion, wobei der genannte Herzstimulator einen Impulsgenerator (2) enthält, für die Erzeugung von Stimulationsimpulsen zum Liefern an das Herz (8) eines Patienten, über eine Leitung (6), die vorgesehen ist, mit dem Impulsgenerator verbunden zu werden und in das Herz eingeführt zu werden, wobei der Detektor für evozierte Reaktion eine Messvorrichtung (10) enthält, zum Messen von durch die Leitung aufgenommenen Elektrodensignalen, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Detektor für evozierte Reaktion eine Mittelwertbildungsvorrichtung (16) enthält, die ausgelegt ist, einen Mittelwert der Amplitude des aufgenommenen Elektrodensignals für jeden Herzschlag zu bilden und dass der genannte Detektor für evozierte Reaktion eine Vergleichsvorrichtung (12) enthält, die ausgelegt ist, zu bestimmen, ob ein aufgenommenes Elektrodensignal von einem Fusionsschlag herrührt oder nicht, indem der genannte Mittelwert mit vorbestimmten Grenzwerten verglichen wird, die genannte Vergleichsvorrichtung ausgebildet ist, die genannten Mittelwerte mit zwei verschiedenen, vorbestimmten Grenzwerten zu vergleichen, die Signalen einer evozierten Reaktion entsprechen, welche als von Fusionsschlägen herrührend angesehen werden, falls die genannten Mittelwerte innerhalb des Intervalls zwischen den beiden Grenzwerten liegen.
Herzstimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) ausgelegt ist, das aufgenommene Elektrodensignal in einem vorbestimmten Zeitfenster der evozierten Reaktion abzutasten und zu digitalisieren, beginnend bei einer vorbestimmten Zeit nach Liefern eines Stimulationsimpulses.
Herzstimulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Messvorrichtung ausgelegt ist, den Gleichstrompegel der gemessenen Elektrodensignale zu bestimmen und diesen Gleichstrompegel von der jeweiligen Abtastung zu subtrahieren, woraufhin die genannte Mittelwertbildungsvorrichtung geeignet ist, den Mittelwert der genannten Abtastungen aus dem genannten Zeitfenster der evozierten Reaktion zu bilden, um den genannten Mittelwert der Amplitude des gemessenen Elektrodensignals zu bilden.
Herzstimulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz und die Länge des Fensters der genannten evozierten Reaktion so ausgewählt sind, dass eine Anzahl von Abtastungen in der Größenordnung von 20 für jedes abgetastete Signal der evozierten Reaktion erhalten wird.
Herzstimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Leitung unipolar ist.
Herzstimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Atemsignalbestimmungsvorrichtung (28) vorgesehen ist, wobei ein Atemsignal (30), das die Atemfrequenz des Patienten repräsentiert aus einer vorbestimmten Anzahl der genannten Mittelwerte durch die genannte Atemsignalbestimmungsvorrichtung ermittelt wird.
Herzstimulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Atemsignal aus einer Variation von Amplituden der genannten vorbestimmten Anzahl der genannten Durchschnittswerte bestimmt wird.
Herzstimulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte vorbestimmte Atemfrequenz zur Steuerung der Stimulationsfrequenz des genannten Impulsgenerators verwendet wird.