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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen der
Abstoßreaktion des transplantierten Herzens. Die Erfindung
betrifft insbesondere aber nicht ausschließlich
herzüberwachende Implantate zum Detektieren von und zum Warnen des
Patienten vor Abstoßreaktionen des transplantierten Herzens.
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Nach einer Herztransplantation bei einem Menschen ist es
notwendig, die Reaktionen des Empfängerkörpers gegen das
implantierte Herz zu überwachen, um die Zerstörung des neuen
Herzens durch das Immunsystem zu verhindern. Normalerweise
angewendete Methoden zum Detektieren von Abstoßreaktionen
sind aufwendig und invasiv. Gemäß der FR-A-2 193 320 besteht
eine Methode darin, mit Hilfe von Elektroden in dem
interessierenden Bereich die Impedanz inneren Gewebes mittels eines
Wechselstromes passender Frequenz zu messen. Änderungen in
der Impedanz zeigen eine Abstoßreaktion an. Aus der US-A-
4 523 595 ist es beispielsweise bekannt, daß sich die
Morphologie des Herzelektrogramms während ventrikulären
Herzflimmerns ändert. Es wurde beobachtet, daß sich diese
Morphologie auch während eines Abstoßprozesses ändert, obwohl
diese Beobachtung bisher keine praktische Verwendung gefunden
hat. Aus praktischen Gründen würde man für die bevorzugte
Methode der Überwachung des Herzelektrogramms einen
implantierten Schrittmacher benutzen, der in der Lage wäre, daß
Elektrogramm über Telemetrie an eine externe Anordnung wie
beispielsweise einen Bandspieler oder einen Schreiber zu
übertragen. Die Hauptbegrenzung dieser Methode liegt in den
schlechten Übertragungseigenschaften des
Schrittmacherelektrogrammverstärkers und der Schwäche der
Telemetrieverbindung zur Außenwelt.
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Genauer gesagt sind die Abfühlverstärker gängiger
Schrittmacher in dem Erfassen intrakardieller Signale relativ gering
entwickelt und arbeiten ausschließlich mit einfacher
Amplituden und Frequenzbandpaßfilter Analyse.
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Aus technischen Gründen ist es schwierig, die
Übertragungseigenschaften von Elektrogrammen des Schrittmachers zu
verbessern. Daher muß die Extraktion von Informationen über
die Veränderung des Elektrogramms innerhalb des
Schrittmachers erfolgen, bevor die Übertragung zu dem externen Gerät
stattfindet. Das effektiv in einem implantierbaren System zu
machen, ist nur möglich, wenn ein einfacher und kraftvoller
Algorithmus existiert, mit dessen Hilfe die relevante
Information über die Signalmorphologie erhalten werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zum Erkennen der Abstoßreaktion nach einer
Herztransplantation zu schaffen, um rechtzeitige Maßnahmen gegen diese
Abstoßreaktion einleiten zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
zum Erkennen der Abstoßreaktion im Körper nach einer
Herztransplantation gelöst, die Abfühlelektroden aufweist, die
entweder an einer endokardialen oder epikardialen Stelle des
Herzens appliziert sind, und die eine Referenzwellenform zum
Vergleich mit einer Wellenform gleichen Typs speichert und
von einer Abweichung zwischen diesen beiden Wellenformen eine
Fehlfunktion des Herzens herleitet, wobei diese Vorrichtung
gekennzeichnet ist durch einen Anschluß zum Empfangen des
elektrischen Stromes von den Elektroden und in Reihe einen
Analog- Digitalwandler, Mittel zur Durchführung einer ersten
Ableitung des erzeugten digitalen Signals, einen
Gradientenmusterdetektor zum Vergleichen des abgeleiteten empfangenen
Signals mit einem abgeleiteten Signal gleichen Ursprungs, das
erzeugt wurde, als das Herz frisch transplantiert war,
hinsichtlich Amplitude und, wahlweise, Intervall als auch
möglicherweise Polarität und Sequenz der Amplituden, Mittel
zum Aufzeichnen und Speichern der Ergebnisse des Vergleichs
in der Vorrichtung zur telemetrischen Übertragung bei Bedarf
an Mittel außerhalb des Körpers, die die Ergebnisse des
Vergleichs in einer lesbaren Form reproduzieren, und/oder zur
Warnung des Patienten hinsichtlich unvorteilhafter Wertungen
der Ergebnisse des durchgeführten Vergleichs.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt daher sowohl das Herz
überwachende Implantate, die so modifiziert sind, daß sie
die Erfindung enthalten und entweder (A) von einem aus dem
Krankenhaus entlassenen Patienten getragen werden und/oder
(B) von einem Patienten, der sich in der postoperativen Phase
innerhalb des Krankenhauses befindet. Die diese Erfindung
enthaltene Vorrichtung ist den früher vorgeschlagenen dadurch
überlegen, daß die Datenreduktion innerhalb des
Schrittmachers vorgenommen wurde, so daß die Anforderungen an das
Telemetrieglied wesentlich herabgesenkt sind, so daß diese
Übertragung nicht länger durch die Qualität des
Telemetriegliedes beschränkt ist. Darüberhinaus ist es, soweit die
Vorrichtung von einem Patienten außerhalb des Krankenhauses
verwendet wird, möglich, diesen durch ein hörbares Signal zu
warnen, wenn der implantierte Schrittmacher ein Signal
übermittelt, daß eine Abstoßreaktion des Herzens andeutet.
Der Patient wird dann in der Lage sein, seinen Arzt auf
zusuchen, der in der Lage ist, die gespeicherten Daten und
damit den Vergleich differenzierter Signale in lesbarer Form
übertragen zu bekommen und damit den Grad der Abstoßreaktion,
die vorliegt, festzustellen zu können. Die Infusion einer die
Abstoßreaktion unterdrückenden Droge kann daraufhin dem
Patienten verschrieben werden. In der Zukunft ist es
vorstellbar, daß eine eingebaute Pumpe, die den Körper mit einer
derartigen Droge versehen kann, aktiviert wird. Wenn sich
alternativ herausstellt, daß die Indikationen falsch waren,
bedeutet das zumindest, daß das Implantat fehlerhaft
funktioniert und ersetzt, repariert oder neu programmiert werden
sollte.
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Das Konzept der Gradientenmustererkennung (GPD) in der
klinischen Elektrophysiologie, daß in der Vorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung ausgenutzt wird, wurde kürzlich
entdeckt und ist beispielsweise in dem US Patent Nr. 4 905
708, veröffentlicht am 3.6.90 mit dem Titel "Vorrichtung zum
Erkennen von Herzrhythmen", Anmelder Davies, beschrieben und
beschreibt besonders das Erkennen von und die Reaktion auf
Herzarrhythmien.
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Im Gegensatz zu anderen Methoden zur Analyse der Morphologie
von intrakradiellen Elektrogrammen nutzt die Vorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung das Prinzip der
Gradientenmustererkennung aus. Das ist ein einfacher Algorithmus, der
wenig Rechenkapazität benötigt und die Lebensdauer der
implantierten Batterie nicht im gleichen Maße reduziert, wie
beispielsweise die schnelle Fouriertransformation oder der
Mustervergleich. Obwohl die Gradientenmustererkennung (GPD)
zu dem Verbrauch von Batterieleistung während des Erkennens
von Abstoßreaktionen des Herzens, die bei der Ausführung
konventioneller Methoden verbraucht wird, zusätzliche
Batterieleistung benötigt, ist es nicht notwendig, die
Vorrichtung mit der vorliegenden Erfindung kontinuierlich zu
betreiben. Es wird lediglich notwendig sein, GPD in
vorbestimmten Intervallen zu aktivieren, da die Abstoßreaktion
nicht unmittelbar, sondern über eine Zeitspanne erfolgt.
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Das zufriedenstellende Funktionieren der die Erfindung
enthaltenden Vorrichtung hängt von der Stabilität der
Abfühlelektroden ab, da auch kleine Bewegungen der Elektrodenköpfe
vermutlich unvorhersagbare Differenzen der Form des
Elektrogramms verursachen könnten. In Experimenten haben
Aufzeichnungen, die unter der Verwendung temporärer Elektroden mit
konventionellen "passiven" Köpfen versehen waren, stabile
Elektrogramm Morphologien innerhalb jeden Rhythmus gezeigt,
unabhängig von diesen Bewegungen und die posturalen und die
respiratorischen Variationen eingerechnet.
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Das der die Erfindung enthaltenden Vorrichtung zugrunde
liegende Prinzip wird nun detaillierter unter Bezug auf den
Sinusrhythmus beschrieben, das ist der normale Rhythmus eines
stabil arbeitenden Herzens. In einem ersten Schritt werden
dann die Elektrogramme in normaler Art und Weise kurz nach
der Implantation des Austauschherzens abgefühlt, wobei die
Abfühlung normal bei einer einzelnen Frequenz in dem Bereich
von 0.016 Hz bis 1 kHz stattfindet, mit einem bevorzugten
Bereich von 0,5 Hz bis 500 Hz, wobei die Elektrogramme
während des Sinusrhythmus erhalten werden. Die so
produzierten analogen Elektrogramme werden dann vorzugsweise mit
einer analog/digital Umwandlungsfequenz von 1024 Hz
digitalisiert. Die digitalen Elektrogramme werden dann in eine
erste Ableitungsform umgewandelt, wo die Amplitude des
erhaltenen Signals dem Gradienten (Steigung oder
Anstiegsgeschwindigkeit) des ursprünglichen analogen Signales
proportional ist. Die resultierende Sequenz der Amplituden und ihr
zeitlicher Abstand wird dann gespeichert. Anschließend
während fortlaufender Tätigkeit des Herzens werden
Elektrogramme erzeugt und in entsprechender Art und Weise
verarbeitet und mit dem verarbeiteten "normalen" Elektrogramm
verglichen, um zu bestimmen, ob Änderungen stattgefunden
haben, die symptomatisch für die Entwicklung einer
Abstoßreaktion des Herzens sind. Dieser Vergleich ist ausreichend
empfindlich, um die kleinen Änderungen zu zeigen, die den
Beginn einer Abstoßreaktion anzeigen. Die Elektrogramme
werden als Ergebnis der Abstoßreaktion kleinere Amplituden
und Anstiegsgeschwindigkeiten aufweisen. Die Vorrichtung wird
sowohl für den Patienten als auch für den Ort, an dem die
Sensoren plaziert sind, typisch sein.
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Um es einfach auszudrücken, die Erfindung enthält den
Vergleich der ersten Ableitung der Flanken des digitalen
Elektrogramms jeden Herzschlages mit der ersten Ableitung
der Flanken des digitalen Elektrogramms, das vor der
Abstoßreaktion festgehalten wurde. Wie an Hand der begleitenden
Fig. 2 klarwerden wird, hat jeder Herzschlag Gradienten,
deren Gradientenableitung voneinander in der Größe, der
Polarität und dem Intervall abweichen. Für viele Zwecke mag
es ausreichen, sich auf den reinen Vergleich der Gradienten
von und der Intervalle zwischen den bearbeiteten Signalen zu
verlassen. Eine besonders hoch entwickelte Form der Kontrolle
kann dadurch erreicht werden, daß das Abtasten nur während
Intervallen durchgeführt wird, wobei es notwendig sein wird,
spezielle Sequenzen der Abweichungen bestimmter Größen
innerhalb bestimmter Zeitintervalle zu erhalten und generell
in einer bestimmten Ordnung innerhalb dieses Zeitintervalls,
wobei die Parameter natürlich festgelegt werden, wenn das
Herz stabil arbeitet, das heißt das programmierbare Fenster
wird für Vergleichszwecke ausgenutzt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie
dieselbe ausgeführt werden kann, wird als Beispiel auf die
folgenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung der Amplitude über der
Zeit für aufeinanderfolgende Herzschläge eines
Patienten mit normalen Herzschlägen ist;
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Fig. 2 eine Anordnung der ersten Ableitung des Signals nach
Fig. 1 zeigt;
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Fig. 3 im oberen Teil die Kopie eines experimentell
erhaltenen analogen Elektrogramms und in dem unteren
Teil die Kopie einer Ableitung des Elektrogramms
zeigt;
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Fig. 4 ein Blockdiagramm des die Erfindung enthaltenen
das Herz überwachenden Implantates ist; und
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Fig. 5 ein Flußdiagramm der notwendigen Schritte zum
Erkennen einer Abstoßreaktion des Herzens und der
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
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Wie in Fig. 1 zu sehen ist, zeigt jeder Herzschlag zwei
Peaks, die in der Steigung und Amplitude differieren, obwohl
auch eine abweichende Zahl von Peaks möglich ist. Soweit
Fig. 1 betroffen ist, enthält jeder Herzschlag vier Flanken
und daher wird, bezugnehmend auf Fig. 2, die erste Ableitung
jeder Flanke entsprechend unterschiedliche Größe, Polarität
und Abstand von den anderen Ableitungen, die mit diesem
Herzschlag verbunden sind, aufweisen. Die Darstellung dieser
Ableitung kann durch ihre Einfachheit nützliche Indikationen
hervorbringen und benötigt weniger Energie zum Übermitteln
über die Telemetrie, ein Vorteil im Hinblick auf die
schlechten Transmissionseigenschaften von
Schrittmacherelektrogrammverstärkern und der Schwäche der Telemetrieverbindung zur
Außenwelt. Damit wird es sogar möglich, kleine Änderungen im
Herzverhalten zu erkennen.
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Im oberen Teil der Fig. 3 ist ein analoges Elektrogramm
dargestellt, wie es in der Praxis erhalten wird, der untere
Teil zeigt das bearbeitete Signal. Die Schwellwertlinien A
und B illustrieren den Mechanismus. Zum Erkennen einer
Kondition, bei der keine Abstoßreaktion vorliegt, muß
zunächst die Linie A und danach die Linie B von dem
bearbeiteten Signal (PS) überschritten werden. Wird entweder die
Linie A oder die Linie B durch PS nicht überschritten, mag
das eine Abstoßreaktion des implantierten Herzens anzeigen.
Dieses Erkennen in Verbindung mit einem Wechsel des Abstandes
zwischen aufeinanderfolgenden derartigen Schnittpunkten zeigt
eine Verschlechterung an.
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Um in der Praxis Ergebnisse des Typs, wie in Fig. 3 gezeigt,
zu erhalten, wurden Elektrogramme von 1 cm Bipolen im Atrium
und entweder 1 cm Bipolen oder 0,5 cm Bipolen am rechten
ventrikulären Apex aufgezeichnet, wobei ein einzelner
Oberflächen EKG-Kanal gleichzeitig aufgezeichnet wurde. Die
intrakardiale Aufzeichnung wurde gleichzeitig entweder DC bis
zu 1 kHz oder 0.016 Hz bis zu 1 kHz gemacht, wobei ein
Biodata P400 Verstärker auf einen Racal Speicher Bandspieler
7 geschaltet wurde. Die aufgezeichneten analogen
Elektrogramme wurden dann mit einer Taktfrequenz von 1024 Hz
digitalisiert. Die relativ niedrige Taktfrequenz wurde
erstens daher gewählt, weil das Frequenzspektrum der
Elektrogramme wenig brauchbare Information bei höheren Frequenzen
enthält, und zweitens im Hinblick auf die Möglichkeit, den
die Erfindung enthaltenen Schrittmacher implantieren zu
können und das Bedürfnis, Batterieeinsparungen zu
berücksichtigen. Das digitale Elektrogramm wurde dann in eine Form
ähnlich seiner ersten zeitlichen Ableitung umgewandelt, wobei
die Amplituden des abgeleiteten Signals der Änderungsrate des
Originalelektrogramms proportional sind. Das abgeleitete
Signal wurde dann mit Hilfe eines
Gradientenmustererkennungsprogrammes der Erfindung analysiert, wobei die Folge der
Wendpunkte und im besonderen die Größe der Amplituden und der
zeitliche Abstand innerhalb des abgeleiteten Signals
untersucht
wurden. Die erhaltenen Werte wurden dann mit solchen
verglichen, die von einem Referenzsignal während eines
Sinusrhythmus kurz nach der Implantation des Herzens erhalten
wurden, wobei das Erkennen einer Abstoßreaktion auf eine
Differenz zwischen den Folgen basierte. Ein solches Erkennen
liegt vor, wenn bestimmte individuell anpaßbare Kriterien des
abgeleiteten Signals vorlagen, und wird beendet, nachdem eine
wählbare Anzahl von Gradienten innerhalb des Signals
aufgetreten sind. Das Triggerkriterium bestand beispielsweise
darin, daß Abweichungen des behandelten Signals (beider
Polaritäten) kleiner als der Amplitudenschwellwert sind,
wobei diese Abweichungen für eine vorbestimmte minimale Zahl
von Meßpunkten aufrechterhalten bleiben. Diese Anforderungen
sicherten zufriedenstellend, daß fremde "Störungen" nicht
falsch interpretiert werden. Die Folge der Gradienten
innerhalb des Originalelektrogramms wurde dadurch ermittelt,
daß die Amplituden der aufeinanderfolgenden Ablenkungen des
behandelten Signals analysiert wurden. Eine Abstoßreaktion
des Herzens wurde erkannt, wenn die Größe der Amplituden der
Abweichungen von denen vor einer Abstoßreaktion abwichen und
speziell im Zusammenhang mit einer Änderung des Intervalls
zwischen äquivalenten Abweichungen. Es hat sich gezeigt, daß
Variationen der Atmung, Posture und Sinusfrequenz die
atrielle Elektrogrammmorphologie in Patienten nicht in einer
Art und Weise ändern, die das Erkennen durch GPD beeinflussen
würde, trotz der Tatsache, das erkennbare Änderungen in den
analogen Elektrogrammamplituden des Patienten merkbar sind.
Darüberhinaus wurden ähnliche Resultate auch mit
ventrikulären Elektrogrammen erhalten.
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Schließlich zeigen die Fig. 4 und 5 praktische Anwendungen
der Erfindung und sollten daher in Verbindung miteinander
betrachtet werden.
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Ein Implantat z. B. im atriellen Bereich kann die Herzrate in
vorprogrammierten Intervallen überwachen und dabei einen
normalen Herzschlagdetektor 2 benutzen, der eine Zeitbasis
und Regelung 4 aufweist, die von einem Mikroprozessor
gesteuert wird, der einen Speicher 6 aufweist. Bei diesen
Meßintervallen wird die Gradientenmustererkennung über den
Abstoßdetektor 3 angeschaltet, der normalerweise in einem
Sicherheitsmodus arbeitet. Die Elektrogramme, die im
Detektor 3 produziert werden, werden einer Analog/Digitalwandlung
und das digitalisierte Signal einer ersten Ableitung
unterzogen. Die Amplitude und normalerweise auch die Folge, das
Intervall und die Polarität der Auslenkungen des so
behandelten Signals werden untersucht. Mit Hilfe des Speichers 6
werden diese ersten Ableitungen mit ersten Ableitungen
verglichen, die charakteristisch für den Rhythmus vor der
Abstoßreaktion sind. Wenn diese übereinstimmen, wird keine
Vorrichtung zum Warnen des Patienten aktiviert. Wenn jedoch
eine Abweichung angezeigt wird, die ein mögliches Anzeichen
einer Abstoßreaktion ist, dann wird diese Abweichung
normalerweise bestätigt durch eine Änderung der Größe der
erhaltenen Funktion und möglicherweise einen Wechsel der
Folge, Polarität und des Intervalls und ein Signal wird von
der Steuerung 4 an den Sender 7 geliefert. Der Sinn des
Signals vom Sender 7 ist es, den Patienten zu warnen, einen
Arzt aufzusuchen. Der Sender 7 ist mit einem Speicher
versehen und der Arzt kann diesen Speicher befragen, um eine
Übertragung der Originalsignale zu Mitteln zum Reproduzieren
der gespeicherten Signale in lesbarer Form zu erhalten. Wenn
eine Herzabstoßreaktion angezeigt wird, kann der GPD extern
angeschaltet werden, um weitere Informationen zu erhalten.
Wenn der Arzt sicher ist, daß eine Abstoßreaktion vorliegt,
können medizinische Maßnahmen eingeleitet werden. Wenn sich
jedoch zeigt, daß die ausgelesene Information fehlerhaft war,
wird der GPD entweder abgeschaltet oder neu programmiert oder
er wird kontinuierlich betrieben, um ihn zu untersuchen. Wenn
es sich zeigen sollte, daß er fehlerhaft funktioniert, wird
eine Operation erforderlich sein, um einen Austausch von
Komponenten des Schrittmachers vorzunehmen.