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Sympathikusaktivitätsbestimmung bei frequenzadaptivef Elektrostimulation
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Biomedizinische Technik £ Band 37-··'.· Heft 9/1992 S
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Biomed. Technik 37(1992), 188-193
A. M. Pichlmaier D. Braue
E. Ebner O. T. Greco H. Hütten G. H. von Knorre W. Niederlag A. Urbaszek W. Rentsch H. Volkmann D. Weber J. Witte E. Wunderlich M. Schaldach
Intrakardiale Impedanzmessung zur Bestimmung der Sympathikusaktivität bei frequenzadaptiver Elektrostimulation -Teil 2: Klinische Ergebnisse Intracardiac Impedance to Determine Sympathetic Activity in Rate-Responsive Pacing - Part 2: Clinical Results ;
Zentralinstitut für Biomedizinische Technik, Universität Erlangen-Nürnberg Schlüsselwörter: ANS-gesteuerter Herzschrittmacher, Chronotrope Insuffizienz, Frequenzadaptiver Schrittmacher, Intrakardiale Impedanz In einer Multicenterstudie wurde der Therapieerfolg des ersten direkt vom autonomen Nervensystem (ANS) gesteuerten Herzschrittmachersystems nachgewiesen. Bei Patienten mit primärer oder sekundärer chronotroper Insuffizienz ist es möglich, den geschlossenen Regelkreis zwischen dem mittleren arteriellen Blutdruck, den Barorezeptoren und dem Herzzeitvolumen wiederherzustellen. Mit Hilfe intrakardialer Impedanzmessungen wird die Kontraktilität des Myokards bestimmt, die Informationen über den jeweils vorherrschenden Sympathikotonus beinhaltet und damit eine ideale Steuergröße für frequenzadaptive Schrittmacher darstellt. Die Studie beruht auf dem Behandlungsergebnis von über 200 Patienten. Die Objektivierung des Verfahrens erfolgte echokardiographisch, ergometrisch und durch Langzeitüberwachung der Herzrate. Key-words: ANS controlled pacemaker - chronotropic insufficiency - rate-responsive pacing intracardiac impedance measurements The results of a multicenter clinical study involving patients receiving the f irst ANS controlled rate adaptive pacemaker are presented. In the patients with primary or secondary chronotropic insufficiency, it is possible to reestablish the closed loop control System that includes the baroreceptors, the medulla oblongata, the cardiac Output and the mean arterial blood pressure. This System serves to keep the blood pressure constant in the face of changing demands on the circulation. Utilizing intracardiac impedance measurements, the myocardial contractüity can be determined, which contains Information about the current sympathetic tone, and thus represents an excellent physiological input f or a rate adaptive mechanism. The results presented are taken from a study population of over 200 patients. The objective evaluation of this new approach was perf ormed echocardiographically, by ergometry and 24-hour Holter monitoring.
Einleitung Unter physiologischen Voraussetzungen regelt das Kreislaufzentrum in der Medulla oblongata über Schlagvolumen (SV) und Herzrate (HR) den mittleren arteriellen Blutdruck (MABP). Änderungen des Blutdrucks werden über die Barorezeptoren an das Kreislaufzentrum zurückgeführt, der Regelkreis ist somit geschlossen. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, daß weitere Einflußgrößen über das Kreislaufzentrum auf das Herzzeitvolumen (CO) einwirken. Dazu zählen unter anderem psychische und emotionelle Faktoren, die, wie die klinischen Ergebnisse zeigen, bei der Beurteilung der Therapieergebnisse von Bedeutung sind. Entscheidend für die Anpassungsfähigkeit des Kreislaufs ist die schnelle Erhöhung des CO unter körperlicher Belastung, welche zu einem Abfall des peripheren Widerstands führt. Beim Gesunden hat das CO einen großen
Dynamikbereich, der jedoch bei chronotroper Insuffizienz durch die fehlende Anpassung der HR stark eingeschränkt ist. Da HR und Kontraktilität unter Belastung über den sympathischen Teil des ANS eingestellt werden, läßt sich die zur Frequenzanpassung nötige Information aus der Kontraktilität gewinnen. Benutzt man nun diese Information zur Anpassung der Stimulationsfrequenz, dann kann der Regelkreis unter pathologischen Bedingungen wiederhergestellt werden. Dies ist in Bild l zu sehen. Die Kontraktilität in Form des ventrikulären Inotropieparameters (VIP) wird, wie in Teil l beschrieben, mit Hilfe der intrakardialen Impedanzmessung bestimmt [l, 2], Die Stimulationselektrode dient in diesem System somit auch als Impedanzmeßelektrode. Die folgenden Abbildungen zeigen die Verteilung bezüglich Alter (Bild 2), Material (Bild 3) und Lage (Bild 4) der Elektroden
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Biomedizinische Technik Band 37 Heft 9/1992
Sympathikusaktivitätsbestimmung bei frequenzadaptiver Elektrostimulation
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Gesundes Herz N. vagus
Electrode turtace matertal n»95 (3 centres)
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Bild 3. Verteilung der Elektrodenmaterialien
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Bild 4. Klassifizierung der Elektrodenlage im rechten Ventrikel anhand der Position auf dem Röntgenbild
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Bild 2. Altersverteilung der Elektroden zum Zeitpunkt der ANS-SM-Implantation
innerhalb der Patientengruppe. Diese Faktoren stellen keine Einschränkung für den Meßvorgang und damit für die frequenzadaptive Funktion des SM dar.
Bild 5, Altersverteilung der Pationton
Methoden und Ergebnisse Bei 205 Patienten wurden über die vergangenen zwei Jahre ANS-gesteuerte frequenzadaptive SM implantiert. Bild 5 zeigt die Altereverteilung In dieser Pa* tientengruppe. ; Das relativ niedrige Durchschnittsalter beruht auf der Tatsache, daß 53 Patienten aus Brasilien stammen und
an der chronischen Form der Chagas' Erkrankung leiden. Diese, im mittleren Teil Brasiliens endemische Erkrankung befällt das Nerven* und Muskelsystem, /u einem frühen Zeitpunkt fällt das parasympathische Nervensystem und damit ein Teil des ANS aus. Für die zentrale Regelung der Herzleistung bleibt bei diesen
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Sympathikusaktivitätsbestimmung bei frequenzadaptiver Elektrostimulation
Biomedizinische Technik Band37 Heft 9/1992 :
Patic?nlcn nur der sympathische Einfluß erhalten. Da der Schrittmacher über den Sympathikotonus mit dem ANS verbunden ist, stellt diese Krankheit ein geeignetes Modell für die Erprobung des hier vorgestellten Schrittmachersystems dar, Liegt nämlich ein AV-Block vor, ist der direkte Vergleich zwischen SM-Frequenz und Sinusrate, sofern letztere vorhanden ist, gerechtfertigt und kann als Maß für die Qualität der Frequenzanpassung herangezogen werden. Für die Verifikation des Prinzips ergeben sich drei grundlegend unterschiedliche Ansätze: L Echokardiographische Untersuchungen Diese erlauben, die Übereinstimmung des Inotropieparameters (VIP), der zur Steuerung der HR ermittelt wird, mit dem Sympathikotonus, gemessen als Präejektionsphase (PEP) [3,4,5], während Ruhe und Belastung nachzuweisen.
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Bild 6. Zeitlicher Verlauf der HR und MABP während eines 6-Minuten-Belastungsprotokolls auf dem Fahrradergometer -PacadRate
2. Belastungsprotokolle
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Unter Verwendung standardisierter Belastungsprotokolle wird das Verhalten des SM direkt verfolgt, wobei bei einigen Patienten die Vorhoffrequenz, zusätzlich zum MABP als Qualitätskriterium genutzt werden kann. 3. Langzeitüberwachung der HR Die Beurteilung des Systems unter alltäglichen Lebensbedingungen wird dadurch ermöglicht. Echokardiographische Untersuchungen haben den Zusammenhang zwischn VIP und PEP bewiesen[6]. Dadurch konnte die Wiederherstellung des physiologischen Regelsystems bestätigt werden. In den Abbildungen werden eine Reihe typischer Ergebnisse klinischer Untersuchungen aufgeführt. Bild 6 zeigt den Verlauf der HR während eines Belastungstests auf dem Fahrradergometer. Der 61jährige Patient mit Sick-Sinus-Syndrom besitzt seit 1987 einen Schrittmacher, welcher 8 Monate vor diesem Belastungsprotokoll durch einen ANS-gesteuerten ersetzt worden war. Die HR paßt sich der Belastung an, bis die Maximum Sensor Rate (MSR) erreicht ist. Der MABP bleibt innerhalb physiologischer Grenzen. Wenn die MSR aus therapeutischen Gesichtspunkten niedrig gegenüber der Belastbarkeit des Patienten gewählt werden muß, zeigt der MABP einen weiteren Anstieg, sobald die MSR erreicht ist und eine höhere HR nötig wäre. Dies wird in Bild 7 deutlich. Diese Patientin (64), ebenfalls mit einem Sick-SinusSyndrom, zeigt die zusätzliche Erhöhung des MABP während hoher Belastung. Das Regel verhalten wird auch aus dem Anstieg des MABP zum Ende der Belastung ersichtlich. Die HR fällt, verglichen mit der Sinusrate (SR) schnell ab, als Konsequenz des hohen MABP, und somit entsteht kurzfristig ein chronotropes Defizit, das in dem darauffolgendem Anstieg des MABP ausgeglichen wird. Eine ähnliche Diskrepanz ist zu Beginn der Anstrengung festzustellen. Diese geringfü-
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Bild 7. HR, SR und MABP aufgezeichnet während des Belastungsprotokolls · : :
gige Abweichung der HR von der SR kann auf die Funktion des N. vagus zurückgeführt werden und tritt nicht auf, wenn dieser durch pathologische Veränderungen beschädigt ist (Chagas* Erkrankung). Die Bilder 8 und 9 zeigen das Verhalten von HR und SR bei einem Patienten mit Verlust des parasympathischen Systems. Dieser Patient (47), mit Chagas' Erkrankung, weist AV-Block dritten Grades und leichtes Herzversagen (NYHA - ) auf. Eine sehr gute Korrelation zwischen HR und SR ist zu erkennen und bestätigt, daß der SM das physiologische Verhalten wiederherstellt. Über das Zentralnervensystem nehmen, wie erwähnt, weitere Faktoren Einfluß auf den Sympathikotonus. Die Bedeutung emotioneller Faktoren wird in dem folgenden Beispiel deutlich. Nach ergometrischer Belastung ist bei dieser jungen (26) Patientin mit Chagas' Erkrankung die Stimulationsfrequenz nicht in der erwarteten Weise zurückgegangen. Dies ist auf psychische Ursachen zurückzuführen, wie Bild 10 belegt. Die hohe HR wird hauptsächlich durch die psychische Belastung während des Aufenthalts in der Klinik verursacht. Während, der Mittagspause fällt die HR und
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Sympathikusaktivitätsbestimmung bei frequenzadaptiver Elektrostimulation
verhält sich entsprechend der physischen Belastung. Ähnliche Reaktionen werden auch bei Hunger oder Übermüdung festgestellt.
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Bild 8. Aufzeichnung der SR und HR bei einem Patienten mit Chagas' Erkrankung
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DieBilder 11,12undl3 zeigen Auf nahmen der HR über Perioden von 24 Stunden. Diese erlauben die Darstellung der Interaktion zwischen Patient und SM während alltäglicher Tätigkeiten. Der erste Patient ist ein Mann mittleren Alters, der morgens vor der täglichen Büroarbeit regelmäßig läuft und schwimmt, wie aus der hohen HR zwischen 6 und 7 Uhr 30 zu erkennen ist. Die zweite Patientin (72) zeigt die höchste Stimulationsfrequenz während des Einkaufens in der Stadt, welches nur durch eine Kaffeepause unterbrochen wird und nach ihrer Aussage eine erhebliche körperliche Anstrengung darstellt. Die beiden Perioden physischer Belastung spiegeln sich in der HR wider. Der dritte Patient, ein junger Mann, weist eine hohe HR in der Nacht auf, welche durch eine Nachtschicht bedingt ist. In einigen Patienten beobachtet man nächtliche Anstiege der HR auch zum Zeitpunkt erregter Träume.
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Bild 11. Aufzeichnung der HR über 24 Stunden (siehe Text)
Bild 9. Lineare Korrelation von HR und SR
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Sympathikusaktivitätsbestimmung bei frequenzadaptiver Elektrostimulation
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Bild 13. Aufzeichnung der HR über 24 Stunden (siehe Text)
Die Frequenzanpassung von Schrittmachern mittels Information aus dem ANS erlaubt durch die Integration in dem physiologischen Regelkreis nicht nur, das CO den Ansprüchen des Kreislaufes anzupassen, sondern spiegelt den momentanen Zustand des ANS wider. Das bedeutet, daß die HR ansteigt, wenn der Patient zum Beispiel mathematische Aufgaben lösen muß. Ferner gestattet dieses System Rückschlüsse auf den Zustand der Regelung. Beispielsweise bieten sich dadurch im Bereich der Früherkennung und Behandlung von Arrhythmien neue therapeutische Möglichkeiten. Im Fall der Chagas-Patienten kann man durch gezieltes »overpacing« den Erregungszustand und damit die Tendenz zu Eigenaktionen reduzieren, um gefährliche Tachyarrhythmien zu unterdrücken. Ein weiteres Beispiel stellt die bewußte Dämpfung des Systems dar, um ein leistungsschwaches Myokard nicht zu überlasten oder in den ischämischen Bereich zu versetzen. Der Patient (72) mit AV-Block dritten Grades und myokardialer Insuffizienz klagte bei dem in Bild 14 dargestellten raschen Anstieg der HR (bei Belastung) über leichte Herzschmerzen, welche durch einen bewußten Eingriff in das Übertragungsyerhalten des Schrittmachers verhindert werden können (siehe Bild 15). Zum jetzigen Zeipunkt ist das System bereits in Zweikammerschrittmachern implementiert, was die Vorteile dieser Art der Frequenzadaption mit denen der Doppelkammerstimulation verbindet. Diskussion Zur Frequenzadaptation bei Schrittmacherpatienten mit chronotroper Insuffizienz sind in der Vergangenheit zahlreiche Parameter herangezogen worden. Die Verwendung dieser Größen, wie zum Beispiel Aktivität, Beschleunigung, Temperaturänderungen und Atemfrequenz beschränken den Einsatz auf gesteuerte Systeme. Im Gegensatz dazu ermöglicht das vorgestellte System die Wiederherstellung der physiologischen Regelung. Durch den direkten Einfluß des Kreislauf-
Bild 14. Rascher Anstieg der HR bei einem Patienten mit schwachem Myokard ·· ''
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Bild 15. Berücksichtigung therapeutischer Gesichtspunkte durch Dämpfung des Systems .- - :
Zentrums auf den Schrittmacher ist die physiologische Frequenzanpassung selbst unter psychischer Belastung zu beobachten. .-,.;-. . Bei 93% der Patienten konnte das System erfolgreich eingesetzt werden. Die Patienten berichten von der Erhöhung der Lebensqualität, speziell im Hinblick auf gesteigerte Leistungsfähigkeit, das Ausbleiben von Extrasystolen bei Anstrengung und eine Verbesserung des allgemeinen Wohlbefindens. Dies trifft sowohl bei langjährigen Schrittmacherpatienten als auch bei denjenigen zu, die zum ersten Mal elektrotherapiert werden. Bei 7% der Patienten wurde keine zufriedenstellende Frequenzadaptation erreicht. Dies wird auf zwei Ursachen zurückgeführt: Eine Patientengruppe zeichnete sich durch schwere Herzinsuffizienz aus (NYHAIII-IV). In diesem Fall ist der Sympathikotonus vermutlich ständig angehoben und unterliegt nur geringfügigen Änderungen. Die zweite Gruppe weist einen AV-Block I9 oder II9 auf (nicht symptomatisch und .
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intermittierend), und ein frequenzadaptives System war nicht indiziert. Die objektive Beurteilung dieses Sympathikotonus abhängigen Systems mittels der Sinusfrequenz (bei Patienten mit AV-Block III0) ist nur zulässig, wenn auch die SR ausschließlich durch das sympathische Nervensystem geregelt wird. Die Chagas' Erkrankung stellt daher ein gutes Modell für die Bestätigung dieses Schrittmacherkonzepts dar. Die Krankheit führt, wie oben erwähnt, bie diesen Patienten zum Ausfall des parasympathischen Systems. Zusammenfassung Der geschlossene Regelkreis, der im gesunden Menschen das Herzzeitvolumen den Anforderungen des Kreislaufes anpaßt, kann bei Patienten mit chronotroper Insuffizienz durch Verwendung der in der Kontraktilität vorhandenen Information wiederhergestellt werden. Leitet man einen ventrikulären Inotropieparameter von der intrakardial gemessenen Impedanzänderung ab, kann dieser, da er den Sympathikotonus erfaßt, direkt als regelnde Größe zur Frequenzadaptation erfolgreich angewandt werden. Unter Einsatz dreier verschiedener Methoden wurde dieses Verfahren verifiziert. Dazu zählen im einzelnen Echokardiographie, Belastungsergometrie und Langzeitelektrokardiographie. Der ventrikuläre Inotropieparameter wurde als Maß für den Sympathikotonus bestätigt. Bei Patienten mit AV-Block IIP wurde eine enge Korrelation zwischen stimulierter Herzrate und gemessener Sinusrate, wenn letztere vorhanden war, demonstriert. Durch frequenzadaptive Elektrostimulation konnte der MABP annähernd konstant gehalten werden. Das System zeigt reproduzierbares physiologisches Verhalten, wenn es
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über angemessene Zeiträume (24 Stunden) beobachtet wird. Der Einblick in das ANS, den dieses System ermöglicht, erlaubt es, therapeutische Strategien anzuwenden, welche sonst nicht möglich wären. Das heißt, der Schrittmacher ist als therapeutisches Instrument und nicht nur als lebenserhaltendes Hilfsmittel zu verstehen.
Literatur: [1] Schaldach, M.: Automatic Adjustment of Pacing Parameters Based on Intracardiac Impedance Measurements. PACE 13 (1990), 1702-1710. [2] Schaldach, M., H. Hütten: Intracardiac Impedance to determine Sympathetic Activity in Rate Responsive Pacing. PACE Cardiostim 92. [3] Chirif e, R.: The Preejection Period: An Ideal Psychological Variable for Ciosed Loop Rate Responsive Pacing. PACE 10 (1987), 425. [4] Rentsch, W., W. Niederlag, H. Foelske, E. Wunderlich, P. K. H. Schmidt: Zur physiologischen Frequenzanpassung von Herzschrittmachern mittels systolischer Zeitintervalle. Z. Ges. Inn. Med. 42 (1987), 386-389. [5] Spodick, D. H., Y. L. Doi, R. L. Bishop, T. Hashimoto: Systolic time intervals reconsidered - Reevaluation of the preejection period absence of relation to heart rate. Amer. J. Cardiol. 53 (1987), 1667-1670. [6] Pichlmaier, A. M., M. Schaldach: PreEjectionPeriod-PEP äs Measure for the Inotropic Status of the Heart. (Submitted for publication, 14th Ann. Intern. Conf. of the IEEE, Engineering in Med. and Biol. Science, Paris 1992).
549 Korrespondenzanschrift: A. M. Pichlmaier Zentralinstitut für Biomedizinische Technik Universität Erlangen-Nürnberg Turnstraße 5 D-8520 Erlangen
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Zentralinstitut für Biomedizinische Technik, Universität Erlangen-Nürnberg Schlüsselwörter: ANS-gesteuerter Herzschrittmacher, Chronotrope Insuffizienz, Frequenzadaptiver Schrittmacher, Intrakardiale Impedanz In einer Multicenterstudie wurde der Therapieerfolg des ersten direkt vom autonomen Nervensystem (ANS) gesteuerten Herzschrittmachersystems nachgewiesen. Bei Patienten mit primärer oder sekundärer chronotroper Insuffizienz ist es möglich, den geschlossenen Regelkreis zwischen dem mittleren arteriellen Blutdruck, den Barorezeptoren und dem Herzzeitvolumen wiederherzustellen. Mit Hilfe intrakardialer Impedanzmessungen wird die Kontraktilität des Myokards bestimmt, die Informationen über den jeweils vorherrschenden Sympathikotonus beinhaltet und damit eine ideale Steuergröße für frequenzadaptive Schrittmacher darstellt. Die Studie beruht auf dem Behandlungsergebnis von über 200 Patienten. Die Objektivierung des Verfahrens erfolgte echokardiographisch, ergometrisch und durch Langzeitüberwachung der Herzrate. Key-words: ANS controlled pacemaker - chronotropic insufficiency - rate-responsive pacing intracardiac impedance measurements The results of a multicenter clinical study involving patients receiving the f irst ANS controlled rate adaptive pacemaker are presented. In the patients with primary or secondary chronotropic insufficiency, it is possible to reestablish the closed loop control System that includes the baroreceptors, the medulla oblongata, the cardiac Output and the mean arterial blood pressure. This System serves to keep the blood pressure constant in the face of changing demands on the circulation. Utilizing intracardiac impedance measurements, the myocardial contractüity can be determined, which contains Information about the current sympathetic tone, and thus represents an excellent physiological input f or a rate adaptive mechanism. The results presented are taken from a study population of over 200 patients. The objective evaluation of this new approach was perf ormed echocardiographically, by ergometry and 24-hour Holter monitoring.
Einleitung Unter physiologischen Voraussetzungen regelt das Kreislaufzentrum in der Medulla oblongata über Schlagvolumen (SV) und Herzrate (HR) den mittleren arteriellen Blutdruck (MABP). Änderungen des Blutdrucks werden über die Barorezeptoren an das Kreislaufzentrum zurückgeführt, der Regelkreis ist somit geschlossen. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, daß weitere Einflußgrößen über das Kreislaufzentrum auf das Herzzeitvolumen (CO) einwirken. Dazu zählen unter anderem psychische und emotionelle Faktoren, die, wie die klinischen Ergebnisse zeigen, bei der Beurteilung der Therapieergebnisse von Bedeutung sind. Entscheidend für die Anpassungsfähigkeit des Kreislaufs ist die schnelle Erhöhung des CO unter körperlicher Belastung, welche zu einem Abfall des peripheren Widerstands führt. Beim Gesunden hat das CO einen großen
Dynamikbereich, der jedoch bei chronotroper Insuffizienz durch die fehlende Anpassung der HR stark eingeschränkt ist. Da HR und Kontraktilität unter Belastung über den sympathischen Teil des ANS eingestellt werden, läßt sich die zur Frequenzanpassung nötige Information aus der Kontraktilität gewinnen. Benutzt man nun diese Information zur Anpassung der Stimulationsfrequenz, dann kann der Regelkreis unter pathologischen Bedingungen wiederhergestellt werden. Dies ist in Bild l zu sehen. Die Kontraktilität in Form des ventrikulären Inotropieparameters (VIP) wird, wie in Teil l beschrieben, mit Hilfe der intrakardialen Impedanzmessung bestimmt [l, 2], Die Stimulationselektrode dient in diesem System somit auch als Impedanzmeßelektrode. Die folgenden Abbildungen zeigen die Verteilung bezüglich Alter (Bild 2), Material (Bild 3) und Lage (Bild 4) der Elektroden
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Bild 5, Altersverteilung der Pationton
Methoden und Ergebnisse Bei 205 Patienten wurden über die vergangenen zwei Jahre ANS-gesteuerte frequenzadaptive SM implantiert. Bild 5 zeigt die Altereverteilung In dieser Pa* tientengruppe. ; Das relativ niedrige Durchschnittsalter beruht auf der Tatsache, daß 53 Patienten aus Brasilien stammen und
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Bild 7. HR, SR und MABP aufgezeichnet während des Belastungsprotokolls · : :
gige Abweichung der HR von der SR kann auf die Funktion des N. vagus zurückgeführt werden und tritt nicht auf, wenn dieser durch pathologische Veränderungen beschädigt ist (Chagas* Erkrankung). Die Bilder 8 und 9 zeigen das Verhalten von HR und SR bei einem Patienten mit Verlust des parasympathischen Systems. Dieser Patient (47), mit Chagas' Erkrankung, weist AV-Block dritten Grades und leichtes Herzversagen (NYHA - ) auf. Eine sehr gute Korrelation zwischen HR und SR ist zu erkennen und bestätigt, daß der SM das physiologische Verhalten wiederherstellt. Über das Zentralnervensystem nehmen, wie erwähnt, weitere Faktoren Einfluß auf den Sympathikotonus. Die Bedeutung emotioneller Faktoren wird in dem folgenden Beispiel deutlich. Nach ergometrischer Belastung ist bei dieser jungen (26) Patientin mit Chagas' Erkrankung die Stimulationsfrequenz nicht in der erwarteten Weise zurückgegangen. Dies ist auf psychische Ursachen zurückzuführen, wie Bild 10 belegt. Die hohe HR wird hauptsächlich durch die psychische Belastung während des Aufenthalts in der Klinik verursacht. Während, der Mittagspause fällt die HR und
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verhält sich entsprechend der physischen Belastung. Ähnliche Reaktionen werden auch bei Hunger oder Übermüdung festgestellt.
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Bild 8. Aufzeichnung der SR und HR bei einem Patienten mit Chagas' Erkrankung
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DieBilder 11,12undl3 zeigen Auf nahmen der HR über Perioden von 24 Stunden. Diese erlauben die Darstellung der Interaktion zwischen Patient und SM während alltäglicher Tätigkeiten. Der erste Patient ist ein Mann mittleren Alters, der morgens vor der täglichen Büroarbeit regelmäßig läuft und schwimmt, wie aus der hohen HR zwischen 6 und 7 Uhr 30 zu erkennen ist. Die zweite Patientin (72) zeigt die höchste Stimulationsfrequenz während des Einkaufens in der Stadt, welches nur durch eine Kaffeepause unterbrochen wird und nach ihrer Aussage eine erhebliche körperliche Anstrengung darstellt. Die beiden Perioden physischer Belastung spiegeln sich in der HR wider. Der dritte Patient, ein junger Mann, weist eine hohe HR in der Nacht auf, welche durch eine Nachtschicht bedingt ist. In einigen Patienten beobachtet man nächtliche Anstiege der HR auch zum Zeitpunkt erregter Träume.
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Bild 11. Aufzeichnung der HR über 24 Stunden (siehe Text)
Bild 9. Lineare Korrelation von HR und SR
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Bild 13. Aufzeichnung der HR über 24 Stunden (siehe Text)
Die Frequenzanpassung von Schrittmachern mittels Information aus dem ANS erlaubt durch die Integration in dem physiologischen Regelkreis nicht nur, das CO den Ansprüchen des Kreislaufes anzupassen, sondern spiegelt den momentanen Zustand des ANS wider. Das bedeutet, daß die HR ansteigt, wenn der Patient zum Beispiel mathematische Aufgaben lösen muß. Ferner gestattet dieses System Rückschlüsse auf den Zustand der Regelung. Beispielsweise bieten sich dadurch im Bereich der Früherkennung und Behandlung von Arrhythmien neue therapeutische Möglichkeiten. Im Fall der Chagas-Patienten kann man durch gezieltes »overpacing« den Erregungszustand und damit die Tendenz zu Eigenaktionen reduzieren, um gefährliche Tachyarrhythmien zu unterdrücken. Ein weiteres Beispiel stellt die bewußte Dämpfung des Systems dar, um ein leistungsschwaches Myokard nicht zu überlasten oder in den ischämischen Bereich zu versetzen. Der Patient (72) mit AV-Block dritten Grades und myokardialer Insuffizienz klagte bei dem in Bild 14 dargestellten raschen Anstieg der HR (bei Belastung) über leichte Herzschmerzen, welche durch einen bewußten Eingriff in das Übertragungsyerhalten des Schrittmachers verhindert werden können (siehe Bild 15). Zum jetzigen Zeipunkt ist das System bereits in Zweikammerschrittmachern implementiert, was die Vorteile dieser Art der Frequenzadaption mit denen der Doppelkammerstimulation verbindet. Diskussion Zur Frequenzadaptation bei Schrittmacherpatienten mit chronotroper Insuffizienz sind in der Vergangenheit zahlreiche Parameter herangezogen worden. Die Verwendung dieser Größen, wie zum Beispiel Aktivität, Beschleunigung, Temperaturänderungen und Atemfrequenz beschränken den Einsatz auf gesteuerte Systeme. Im Gegensatz dazu ermöglicht das vorgestellte System die Wiederherstellung der physiologischen Regelung. Durch den direkten Einfluß des Kreislauf-
Bild 14. Rascher Anstieg der HR bei einem Patienten mit schwachem Myokard ·· ''
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Bild 15. Berücksichtigung therapeutischer Gesichtspunkte durch Dämpfung des Systems .- - :
Zentrums auf den Schrittmacher ist die physiologische Frequenzanpassung selbst unter psychischer Belastung zu beobachten. .-,.;-. . Bei 93% der Patienten konnte das System erfolgreich eingesetzt werden. Die Patienten berichten von der Erhöhung der Lebensqualität, speziell im Hinblick auf gesteigerte Leistungsfähigkeit, das Ausbleiben von Extrasystolen bei Anstrengung und eine Verbesserung des allgemeinen Wohlbefindens. Dies trifft sowohl bei langjährigen Schrittmacherpatienten als auch bei denjenigen zu, die zum ersten Mal elektrotherapiert werden. Bei 7% der Patienten wurde keine zufriedenstellende Frequenzadaptation erreicht. Dies wird auf zwei Ursachen zurückgeführt: Eine Patientengruppe zeichnete sich durch schwere Herzinsuffizienz aus (NYHAIII-IV). In diesem Fall ist der Sympathikotonus vermutlich ständig angehoben und unterliegt nur geringfügigen Änderungen. Die zweite Gruppe weist einen AV-Block I9 oder II9 auf (nicht symptomatisch und .
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intermittierend), und ein frequenzadaptives System war nicht indiziert. Die objektive Beurteilung dieses Sympathikotonus abhängigen Systems mittels der Sinusfrequenz (bei Patienten mit AV-Block III0) ist nur zulässig, wenn auch die SR ausschließlich durch das sympathische Nervensystem geregelt wird. Die Chagas' Erkrankung stellt daher ein gutes Modell für die Bestätigung dieses Schrittmacherkonzepts dar. Die Krankheit führt, wie oben erwähnt, bie diesen Patienten zum Ausfall des parasympathischen Systems. Zusammenfassung Der geschlossene Regelkreis, der im gesunden Menschen das Herzzeitvolumen den Anforderungen des Kreislaufes anpaßt, kann bei Patienten mit chronotroper Insuffizienz durch Verwendung der in der Kontraktilität vorhandenen Information wiederhergestellt werden. Leitet man einen ventrikulären Inotropieparameter von der intrakardial gemessenen Impedanzänderung ab, kann dieser, da er den Sympathikotonus erfaßt, direkt als regelnde Größe zur Frequenzadaptation erfolgreich angewandt werden. Unter Einsatz dreier verschiedener Methoden wurde dieses Verfahren verifiziert. Dazu zählen im einzelnen Echokardiographie, Belastungsergometrie und Langzeitelektrokardiographie. Der ventrikuläre Inotropieparameter wurde als Maß für den Sympathikotonus bestätigt. Bei Patienten mit AV-Block IIP wurde eine enge Korrelation zwischen stimulierter Herzrate und gemessener Sinusrate, wenn letztere vorhanden war, demonstriert. Durch frequenzadaptive Elektrostimulation konnte der MABP annähernd konstant gehalten werden. Das System zeigt reproduzierbares physiologisches Verhalten, wenn es
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über angemessene Zeiträume (24 Stunden) beobachtet wird. Der Einblick in das ANS, den dieses System ermöglicht, erlaubt es, therapeutische Strategien anzuwenden, welche sonst nicht möglich wären. Das heißt, der Schrittmacher ist als therapeutisches Instrument und nicht nur als lebenserhaltendes Hilfsmittel zu verstehen.
Literatur: [1] Schaldach, M.: Automatic Adjustment of Pacing Parameters Based on Intracardiac Impedance Measurements. PACE 13 (1990), 1702-1710. [2] Schaldach, M., H. Hütten: Intracardiac Impedance to determine Sympathetic Activity in Rate Responsive Pacing. PACE Cardiostim 92. [3] Chirif e, R.: The Preejection Period: An Ideal Psychological Variable for Ciosed Loop Rate Responsive Pacing. PACE 10 (1987), 425. [4] Rentsch, W., W. Niederlag, H. Foelske, E. Wunderlich, P. K. H. Schmidt: Zur physiologischen Frequenzanpassung von Herzschrittmachern mittels systolischer Zeitintervalle. Z. Ges. Inn. Med. 42 (1987), 386-389. [5] Spodick, D. H., Y. L. Doi, R. L. Bishop, T. Hashimoto: Systolic time intervals reconsidered - Reevaluation of the preejection period absence of relation to heart rate. Amer. J. Cardiol. 53 (1987), 1667-1670. [6] Pichlmaier, A. M., M. Schaldach: PreEjectionPeriod-PEP äs Measure for the Inotropic Status of the Heart. (Submitted for publication, 14th Ann. Intern. Conf. of the IEEE, Engineering in Med. and Biol. Science, Paris 1992).
549 Korrespondenzanschrift: A. M. Pichlmaier Zentralinstitut für Biomedizinische Technik Universität Erlangen-Nürnberg Turnstraße 5 D-8520 Erlangen
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