Theres, Heinz Peter: KARDIALES MONITORING MIT HILFE IMPLANTIERBARER SYSTEME

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Anhang A. Zusammenfassung

Mikroprozessorgesteuerte Implantate haben sich in zahlreichen Bereichen der Medizin etabliert. Physiologische, körpereigene Parameter werden erfasst, abgespeichert und können durch Telemetriesysteme weitergeleitet werden. Zusätzlich stehen Therapieoptionen zur Verfügung. Dazu zählen Neurostimulatoren, welche im Bereich der Schmerztherapie und des fortgeschrittenen Morbus Parkinson erfolgreich angewendet werden, ebenso wie Systeme zur Medikamentenapplikation. Beispielhaft hat sich die Entwicklung aktiver Implantate jedoch im Bereich der Herzschrittmacher- und Defibrillatortherapie vollzogen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung physiologischer kardialer Parameter und ihrer Erfassung mit Hilfe von implantierbaren Sensoren. Dabei werden grundlegende technische Aspekte, die spezielle Sensorik zur Erfassung verschiedener Parameter und die Signalverarbeitung dargestellt. Es werden die bereits heute vielfältigen Möglichkeiten implantierbarer kardialer Monitoringsysteme diskutiert. Neue Möglichkeiten wie das Monitoring ischämischer Ereignisse werden eröffnet.

Die Implementierung von Monitorfunktionen in Herzschrittmacher und Defibrillatoren ist unter anderem limitiert durch den Energieverbrauch. Jede zusätzliche Funktion verkürzt die Lebensdauer der Batterie und damit auch des Implantates. Um so wichtiger ist damit eine Schonung der Energieressourcen, auch im Bereich der antibradykarden Stimulation. Andererseits soll diese mit einer entsprechenden Sicherheit erfolgen um ihre Effektivität auch unter wechselnden Stimulationsbedingungen zu ermöglichen. Durch eine interne Logik werden die Stimulationsparameter unter Berücksichtigung von Chronaxie und Rheobase optimiert und somit eine sichere Stimulation bei niedrigem Energieverbrauch ermöglicht.

Um Elektroden und Herzschrittmachersysteme universell zu verwenden ist eine Standardisierung der Elektrodenverbindungen erfolgt. In die Elektrode integrierte Sensoren benötigen jedoch einen zusätzlichen Kontakt zum Herzschrittmachersystem. Unter Wahrung des bisherigen Standards wird die Möglichkeit einer zusätzlichen Herzschrittmacher-Elektroden-Verbindung durch einen weiteren Kontakt innerhalb des Standardpins aufgezeigt.

Die zentralvenöse Bluttemperatur wird durch körperliche Aktivität in Abhängigkeit von der muskulären Wärmeproduktion beeinflusst. Bei gesunden Probanden aber auch Herzschrittmacherpatienten ist, nach einem initialen Abfall der zentralvenösen Bluttemperatur zu Belastungsbeginn, ein Anstieg proportional zur Belastungsdauer und -höhe zu verzeichnen.


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Durch einen geeigneten Steueralgorithmus kann die zentralvenöse Bluttemperatur zur Regulation der Stimulationsfrequenz herangezogen werden. Dies wird durch Untersuchungen mit einem externen System bestätigt. Aufgrund der erforderlichen Spezialelektrode und der Problematik bei kurzdauernden Belastungen hat sich die zentralvenöse Bluttemperatur zur Frequenzadaptation langfristig jedoch nicht durchgesetzt.

Als einer der ersten Parameter zur Steuerung von frequenzadaptiven Herzschrittmachern wurde die körperliche Aktivität mittels eines Piezoelementes an der Rückseite des Herzschrittmachergehäuses realisiert. In einer multizentrischen Studie wurde die Frequenzantwort solcher Systeme in Abhängigkeit von der Lokalisation des Sensors, in der Standardposition oder nach anterior gerichtet, untersucht. Zur Erzielung der gleichen Frequenzantwort unter Belastung war bei nach anterior gerichtetem Sensor eine höhere Programmierung der frequenzadaptiven Parameter erforderlich, was durch die geringere Ankopplung an die Brustmuskulatur zu erklären ist. Eine Implantation des Systems mit nach anterior ausgerichtetem Piezoelement ist jedoch möglich, was eine größere Flexibilität bewirkt.

Weiterhin wurden grundlegende Analysen der Körperaktivität mittels frequenzlinearer Beschleunigungssensoren durchgeführt. Dabei zeigte sich das Maximum im Frequenzbereich zwischen 1-4 Hz während die Störsignale ein Maximum bei 8 Hz zeigten. Durch eine entsprechende Filterung ist somit eine deutliche Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses und eine Optimierung der Frequenzantwort möglich. Die hier beschriebenen Akzelerometer, welche auf einem Mikrochip platziert werden können, stellen heute den meist verwendeten Sensor zur Frequenzadaptation dar.

Eine Alternative zu den chipbasierten Beschleunigungssensoren stellt ein 10-poliger, durch eine frei bewegliche Quecksilberkugel gesteuerter, Kontaktschalter dar. Dabei wird neben der Wahrnehmung der reinen Bewegung durch die räumliche Anordnung der Kontakte auch eine Lagebestimmung möglich. Dies könnte zum Beispiel im Rahmen der Orthostase zu einer entsprechenden Frequenzanpassung verwendet werden. Eine einfache Variante dieses Modells wurde bereits in einem Herzschrittmachersystem integriert.

Ein Nachteil der Beschleunigungssignale ist ihre nur mittelbare Verbindung zu den tatsächlichen physiologischen Bedürfnissen. So kann ein solcher Sensor nicht zwischen der hohen Belastung beim Treppensteigen im Vergleich zur niedrigeren Belastung beim Hinuntergehen einer Treppe unterscheiden. Aus diesem Grunde ist die Kombination mit


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einem weiteren Parameter sinnvoll. Insbesondere würde sich dafür die zentralvenöse Bluttemperatur eignen. In einer Untersuchung konnte die unterschiedliche Charakteristik dieser beiden Sensoren zur optimalen Anpassung der Stimulationsfrequenz in Ruhe und während unterschiedlicher Belastungssituationen mit wechselnder Intensität genutzt werden.

Ein weiterer physiologischer Parameter, welcher sehr eng mit der Belastungsintensität korreliert, ist das Atemminutenvolumen. Die Atmung moduliert das rechtsventrikuläre Blutvolumen durch Beeinflussung des venösen Rückstromes. Eine Impedanzmessung im rechten Ventrikel, durchführbar über eine bipolare Standardelektrode, ermöglicht die Erfassung kardialer aber auch respiratorischer Signale. Durch entsprechende Signalverarbeitung (digitale Filterung) und Signalanalyse kann die Atemfrequenz sehr exakt und das Atemzugvolumen ausreichend genau erfasst werden. Damit können Änderungen des Atemminutenvolumen erfasst werden, welche hervorragend für die Adaptation der Stimulationsfrequenz unter Belastung geeignet sind.

Neben der rechtsventrikulären Impedanz zeigt auch die intrakardiale EKG-Amplitude deutliche respiratorische Schwankungen. Bedingt durch die atmungsabhängige Lageveränderung des Herzens kommt es zu einer Veränderung des EKG-Vektors. Damit ist ebenfalls eine Erfassung respiratorischer Größen möglich.

Für die Steuerung von Herzschrittmachern ist die Analyse der intrakardialen EKG wesentlich. In der Regel werden atriale (P-Wellen) oder ventrikuläre (R-Zacken) Ereignisse durch ein einfaches Schwellenwertverfahren analysiert. Problematisch ist hierbei jedoch das Phänomen der so genannten „Far Field R-Wave Detection“. Dabei wird die neben der P-Welle im atrialen EKG unter Umständen auch die R-Zacke mit wahrgenommen. Dies führt zu erheblichen Problemen im Bereich der Frequenzanpassung und Detektion atrialer Arrhythmien. Es werden zwei Lösungsansätze vorgestellt: einmal ein stochastisches Modell, des Weiteren ein Verfahren zur adaptiven Filterung des atrialen EKG mit anschließender Morphologieanalyse. Dieses Verfahren wurde, neben der Testung an einem gespeicherten Datensatz, auch in einer Echtzeitanwendung implementiert und erfolgreich getestet. Dabei wurde eine digitaler Signalprozessorchip verwendet, welcher auch in ein implantierbares System integriert werden kann.

Intrakardiale EKG können nur begrenzt Aufschluss über den Erregungsablauf im gesamten Herzen geben. Aus diesem Grund wird unter anderem bei der Herzschrittmacher- und Defibrillatorverlaufskontrolle zusätzlich ein Oberflächen-EKG erforderlich. Als Ersatz für das


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Oberflächen-EKG könnte ein EKG abgeleitet am Herzschrittmacher- oder Defibrillatorgehäuse dienen. Zu diesem Zweck wurden bei Herzschrittmacher- und Defibrillatorpatienten solche EKG während der Erstimplantation, beziehungsweise dem Wechsel, mit Hilfe einer entsprechenden Nachbildung abgeleitet. Dabei zeigt sich eine Qualität dieser Herzschrittmachertaschen-EKG vergleichbar dem Oberflächen-EKG, wenn auch bei geringerer Amplitude der R-Zacke.

Bei Patienten mit Herzschrittmachern und Defibrillatoren besteht eine hohe Komorbidität bezüglich einer Koronaren Herzkrankheit. Ein Monitoring ischämischer Ereignisse durch die implantierten Systeme wäre im Hinblick auf eine Therapieoptimierung und auch Risikostratefizierung dieser Patienten sehr hilfreich. In einem ersten Schritt haben wir die Möglichkeit der Ischämiedetektion im Tiermodell getestet. Dabei zeigte sich, dass sowohl durch Verwendung des Herzschrittmachertaschen-EKG als auch der intrakardialen EKG die Detektion einer durch Ballonokklusion der Koronararterie ausgelösten, myokardialen Ischämie möglich ist. In einem zweiten Schritt wurde bei Patienten während Perkutaner Transluminaler Koronarangioplastie intrakardiale EKG aber auch EKG im Bereich der Herzschrittmachertasche abgeleitet. Dabei zeigten sich ST-Veränderungen sowohl im Bereich einer möglichen Herzschrittmachertasche als auch im Bereich der intrakardialen Elektroden, die den ST-Veränderungen im Oberflächen-EKG entsprachen. Diese waren nicht nur bei Eigenrhythmus sondern auch im Rahmen einer rechtsventrikulären Stimulation detektierbar.

Somit eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten der kardialen Diagnostik mit Hilfe implantierbarer Sensoren. Ziel ist es dabei dem Patienten trotz schwerwiegender kardialer Erkrankung ein Höchstmaß an Lebensqualität bei optimaler Überwachung und Therapiesteuerung zu ermöglichen.


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Tue Feb 11 17:18:46 2003