Bakkalaureatsarbeit zur Erlangung des akademischen Grades "Bakkalaureus/Bakkalaurea (FH)"

"AV Zeit Optimierung bei Zwei- und Dreikammerherzschrittmachern" Ausgefhrt von Andreas Weinfurter, 0610227050

Begutachter: Dipl.-Ing. Thomas Nowotny

Wien, 2008-09-05

Ausgefhrt an der Fachhochschule Technikum Wien Studiengang BME Medical Engineering

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1. Abstract und Kurzfassung

Abstract

Since the invention of the implantable pacemakers in 1958 the first aim was to keep the patients alive but today it is about the improvement of the quality of life. To achieve this goal it is necessary to optimize the haemodynamics by choosing the right atrio-ventrikular (AV) delay and to correlate this with the heart frequency. Especially at rest and on work capacity the optimal AV delay plays a major role in achieving haemodynamic advantages, e. g. for gaining an optimal diastolic filling and as a result an optimal stroke volume.

The two main methods, echocardiography and surface electrocardiogram (ECG), will be described and compared. Echocardiography produces an image of the internal structures of the heart and is commonly used for measurement of the hearts parameters. In the field of ECG the algorithm by Ritter and Koglek will be explained. The expected results will show, how three producers of pacemakers use this knowledge in their practical applications.

Kurzfassung

Whrend es bei der Einfhrung der implantablen Herzschrittmacher 1958 noch um Lebenserhaltung bzw. Lebensverlngerung ging, ist das heutige Hauptziel der Herzschrittmachertherapie die Hmodynamik und damit die Lebensqualitt des Patienten zu verbessern.

Dies lsst sich am besten durch Frequenzanpassung mit einem mglichst

physiologischen Sensor erreichen, der dem Schrittmacher die jeweils gnstigste Stimulationsfrequenz vorgibt. Dabei hat sich, in den von mir recherchierten Arbeiten gezeigt, wie wichtig die entsprechende Koordination der atrioventrikulren Kontraktion ist.

Die beiden Hauptmethoden zur AV-Zeit Optimierung, die Echokardiografie und das

Oberflchen-EKG werden besprochen. Die speziellen Algorithmen, z. B. nach Ritter und Koglek, sollen in dieser Arbeit gezeigt werden. Zum Abschluss soll anhand dreier Hersteller gezeigt werden, wie die Erkenntnisse praktisch umgesetzt werden.

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Eidesstattliche Erklrung Ich erklre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstndig angefertigt habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt bernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher weder in gleicher noch in hnlicher Form einer anderen Prfungsbehrde vorgelegt und auch noch nicht verffentlicht. Wien, 2008-12-20 Andreas Weinfurter

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1. Abstract und Kurzfassung ................................................................................................ 0

2. Einleitung ........................................................................................................................... 4

3. Grundlagen ......................................................................................................................... 53.1. Reizbildungs- und Reizleitungssystem ............................................................................. 53.1.1. Sinusknoten ................................................................................................................... 53.1.2. AV-Knoten ..................................................................................................................... 53.1.3. HIS-Bndel .................................................................................................................... 63.1.4. Purkinje-Netzwerk .......................................................................................................... 73.1.5. Anterograde und retrograde berleitung ....................................................................... 73.1.6. Refraktrzeiten .............................................................................................................. 73.1.7. Vulnerable Phase .......................................................................................................... 8

3.2. Wichtigste Strungen des Reizleitungssystems ............................................................... 83.2.1. Sinusknoten / Vorhof ..................................................................................................... 83.2.2. AV-Knoten ..................................................................................................................... 93.2.3. HIS-Bndel .................................................................................................................... 9

4. Schrittmacher (SM) .......................................................................................................... 104.1. SM-Aggregat ................................................................................................................... 10

4.2. Herzstimulation ............................................................................................................... 104.2.1. Rheobase und Chronaxie ............................................................................................ 114.2.2. elektrisches Stimulations-Schema ............................................................................... 124.2.3. Wahrnehmungsschaltkreis .......................................................................................... 134.2.4. Stromverbrauch ........................................................................................................... 13

4.3. SM-Sonden ..................................................................................................................... 144.3.1. Unipolar ....................................................................................................................... 144.3.2. Bipolar .......................................................................................................................... 144.3.3. Sensoren (R-Funktion) ................................................................................................ 15

4.4. SM-Code ......................................................................................................................... 154.4.1. Schrittmacherfunktionen .............................................................................................. 16

4.5. Einkammerschrittmacher ................................................................................................ 174.5.1. berwachung (Sensing) .............................................................................................. 17

4.6. Zweikammerschrittmacher .............................................................................................. 18

4.7. Dreikammerschrittmacher ............................................................................................... 18

4.8. Defibrillatoren ICD .......................................................................................................... 19

5. AV-Zeit .............................................................................................................................. 205.1. AV-Zeit-Programmierung ................................................................................................ 205.1.1. Die elektronische AV-berleitung ............................................................................. 205.1.2. AV-Delay und Ventrikelsystole .................................................................................... 215.1.3. Wer profitiert von der Optimierung der AV-Sequenz ................................................... 215.1.4. AV-Delay bei systolischer Funktionsminderung des linken Ventrikels ........................ 215.1.5. Frequenzabhngigkeit der AV-Zeit ............................................................................. 21

5.2. Methoden der AV-Zeit-Optimierung ................................................................................ 21

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5.2.1. Transmitrale Doppler-Echokardiographie .................................................................... 225.2.2. Formel (Ritter Formel) .............................................................................................. 235.2.3. Approximation aus dem EKG ...................................................................................... 23

5.3. Einstellung des AV-Delays ............................................................................................. 245.3.1. sophagus EKG (Ismer, Knorre) ................................................................................. 255.3.2. Peak Endocardial Acceleration (PEA) ......................................................................... 265.3.3. Spiroergometrie (CO2-Rckatmungsmethode) ............................................................ 265.3.4. Impedanzkardiographie ............................................................................................... 265.3.5. AV-Zeit Optimierung unter biventrikulrer Stimulation ................................................. 27

5.4. Methoden verschiedener Hersteller von SM ................................................................... 285.4.1. QuickOpt Timing Cycle Optimization ....................................................................... 285.4.2. CN-Systems Task Force Monitor ................................................................................. 29

6. Diskussion ........................................................................................................................ 30

7. Anhang ............................................................................................................................. 327.1. Abbildungsverzeichnis .................................................................................................... 32

7.2. Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 32

7.3. Abkrzungsverzeichnis ................................................................................................... 33

7.4. Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 347.4.1. Bcher ......................................................................................................................... 347.4.2. Papers ......................................................................................................................... 347.4.3. Internet ......................................................................................................................... 35

2. Einleitung

In dieser Arbeit zur AV-Zeit-Optimierung bei Zwei- und Dreikammerherzschrittmachern wird in den Grundlagen ausfhrlich das Reizleitungssystem, bestehend aus Sinusknoten, AV-Knoten, HIS-Bndel und Purkinje-Netzwerk erklrt. Auch die wichtigsten Strungen desselben sollen beschrieben werden.

Im Kapitel Schrittmacher wird vom Aufbau und den Wahrnehmungs- und

Stimulationsschaltkreisen berichtet. Wichtige Begriffe wie Rheobase und Chronaxie werden erklrt. Auch der Schnittstelle zum Herzmuskel, den Sonden, wird ein Abschnitt gewidmet. Der revidierte NASPE/BPEG-Schrittmacher-Code wird vorgestellt und seine Anwendung bei Zwei- und Dreikammerschrittmachern erklrt.

Das Hauptthema dieser Arbeit, die AV-Zeit-Optimierung, wird in Kapitel 5 aufgezeigt.

Von der Programmierung und den verschiedenen Approximierungsverfahren wird die Rede sein. Die verschiedenen Methoden, die zur Anwendung kommen, werden beschrieben. Abschlieend wird anhand dreier Hersteller die Umsetzung der Methoden in die Praxis aufgezeigt.

Grundlagen

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3. Grundlagen

3.1. Reizbildungs- und Reizleitungssystem

In diesem Abschnitt sollen die speziellen anatomischen Strukturen des Herzens, die zur elektrischen Reizbildung und Reizleitung fhren, besprochen werden. Das Reizleitungssystem besteht aus speziell umgebauten Muskelfasern, die das Herz wie elektrische Kabel durchziehen.

3.1.1. Sinusknoten

Der Sinusknoten ist der primre Taktgeber und wird auch als oberstes Automatiezentrum bezeichnet. Er liegt im oberen Teil des rechten Vorhofs in der Furche zwischen oberer Hohlvene und rechtem Herzohr. Von dort laufen drei internodale Leitungsbndel zum AV-Knoten und ein viertes zum linken Vorhof.

Die natrliche Beeinflussung der Sinusknotenttigkeit erfolgt ber ein Geflecht sympathischer (Frequenzsteigerung) und parasympathischer Fasern (Frequenzminderung) sowie Ganglienzellen. Die Zellen des Sinusknotengewebes depolarisieren sich regelmig und leiten die Depolarisation an den Rest des Vorhofmyokards weiter. Die berleitungsgeschwindigkeit ist langsam: 0,01 0,5 m/s.

Die Erregung wird vom Sinusknoten im rechten Atrium ber drei spezifische Leitungsbahnen bis zum AV-Knoten weitergeleitet. Eine vierte Bahn, das Bachmann-Bndel, luft ber das Vorhofmyokard zum linken Atrium. Dadurch wird eine zeitgleiche Depolarisation der Vorhfe erreicht. Der Depolarisation der Vorhfe entspricht die P-Welle (Abb. 2) auf dem Oberflchen-EKG (Fischer, 1997).

3.1.2. AV-Knoten

Der AV-Knoten befindet sich am Boden des rechten Atriums an der Grenze zum Ventrikel, rechts des Septums in der Nhe der Trikuspidalklappe.

Abbildung 1 Sinusknoten und AV-Knoten mit internodalen Leitungsbndel (Fischer, 1997)

Grundlagen

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Er hat die Aufgabe die elektrischen Impulse zu filtern und an das HIS-Bndel weiterzuleiten. Diese Verzgerung oder Filterung macht den zeitlich koordinierten Bewegungsablauf zwischen Atrium und Ventrikel erst mglich (Funke, 1993). Diese Struktur steht einerseits unter Einfluss des sympathischen Systems, welches zur Beschleunigung der AV-berleitung fhrt, und andererseits des parasympathischen Systems, welches fr die Verlangsamung der AV-berleitung zustndig ist.

Abbildung 2 Aktivierung des Vorhofmyokards entspricht der P-Welle im EKG (Fischer, 1997)

3.1.3. HIS-Bndel

Das HIS-Bndel befindet sich in der Verlngerung des AV-Knotens, wo die berleitung jetzt mit hoher Geschwindigkeit (1-2 m/s) erfolgt. Die Erregungsleitung teilt sich nach dem His-Bndel in den rechten und linken Tawara-Schenkel auf. Whrend der rechte Tawara-Schenkel bis zu den Purkinje-Fasern als Einzelbndel verluft, verzweigt sich der linke Tawara-Schenkel im Interventrikularseptum in zwei Faszikel, einen anterioren und einen posterioren. Die Tawara-Schenkel gehen beidseitig in das Purkinje-Netzwerk ber.

Die Aktivitten des AV-Knotens und des His-Bndels sind auf dem Oberflchen-EKG nicht sichtbar und finden whrend des PQ-Intervalls statt (Fischer, 1997).

Abbildung 3 PQ-Intervall im EKG (Fischer, 1997)

Grundlagen

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3.1.4. Purkinje-Netzwerk

Vom Purkinje-Fasernetz breitet sich die Erregung auf das Ventrikelmyokard aus und fhrt dort zur Depolarisation. Am EKG entspricht das dem QRS-Komlex (Abbildung 4). Danach erfolgt die Repolarisationsphase mit der ST-Strecke und T-Welle im EKG (Fischer, 1997).

Abbildung 4 Depolarisation des Ventrikelmyokards entspricht dem QRS-Komlex im EKG (Fischer, 1997)

3.1.5. Anterograde und retrograde berleitung

Erfolgt die berleitung normal von Vorhof zu Ventrikel nennt man das anterograd. Die berleitung kann aber auch in entgegengesetzter Richtung erfolgen, z. B. nach einer ventrikulren Extrasystole, man spricht dann von einer retrograden Leitung. Die AV-berleitung kann anterograd blockiert und zugleich retrograd frei sein. Solche Konstellationen knnen zu Rythmusstrungen bzw. Komplikationen bei der Herzstimulation fhren (Fischer, 1997, p11).

3.1.6. Refraktrzeiten

Nach der Depolarisation gibt es in der Herzstruktur eine Refraktrphase, die man in eine absolute, hier ist der Herzmuskel berhaupt nicht erregbar, und eine relative Refraktrperiode, nur strkere Impulse knnen die Muskelzellen abgeschwcht depolarisieren, unterteilt. Im gesunden Myokard ist etwa das 12 25fache der Energie ntig, um zu einer Depolarisation in dieser Periode zu fhren (Lindner, 2004, p53).

Grundlagen

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Abbildung 5 absolute Refraktrzeit (Lindner, 2004, p12)

3.1.7. Vulnerable Phase

Die vulnerable Phase entspricht im EKG ungefhr der T-Welle, insbesondere den 30 ms vor der Spitze der T-Welle (siehe Abbildung 6). Ein in dieser Phase einfallender Reiz, z. B. Schrittmacherstimulus, kann Kammerflimmern bzw. flattern auslsen (Lindner, 2004, p12).

Abbildung 6 Vulnerable Phase (Lindner, 2004, p12)

3.2. Wichtigste Strungen des Reizleitungssystems

In diesem Abschnitt sollen Indikationen fr eine Schrittmacher-Implantation aufgezeigt werden. Im Laufe der Zeit haben sich die Kriterien und Empfehlungen, auf die sich der Arzt sttzen kann, gendert (Frhlig et al., 2006).

3.2.1. Sinusknoten / Vorhof

An der Verbindung zwischen Sinusknoten und Vorhofmyokard oder im Sinusknoten selbst kann es zu einer Dysfunktion kommen. Dieses Krankheitsbild umfasst bradykarde oder tachykarde Strungen im Sinusknoten und im Atrium.

Grundlagen

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Bradykardie bedeutet eine verlangsamte Herzschlagfolge mit Frequenzen unter 50 min-1. Tachykardie ist eine beschleunigte Herzschlagfolge mit Frequenzen ber 100 min-1. Tachykarde Rhythmusstrungen treten oft als Bradykardie-Tachykardie-Sysndrom (BTS) auf, das bedeutet einen Wechsel von sehr bradykarden und sehr tachykarden Phasen. Diese Strung wird auch Sinusknotensyndrom (SKS, engl. SSS) genannt (Funke, 1993, p20).

Diese Strung kann bis hin zum kompletten Sinusarrest (Stillstand) mit

Ersatzrythmus durch sekundre oder tertire langsamere Automatiezentren, im Allgemeinen der AV-Knoten, fhren. Darberhinaus kann sich das Sinusknotensyndrom auch als inadquater Frequenzanstieg des Sinusrythmus unter Belastung manifestieren, was man als chronotrope Inkompetenz bezeichnet (Lindner, 2004, p14).

3.2.2. AV-Knoten

Alle berleitungsblockierungen im AV-Knoten stellen eine gesicherte Schrittmacherindikation (Frhlig, 2006, p3) dar.

Die AV-berleitungsstrungen umfassen permanente oder intermittierende Blockierungen im AV-Knoten, im His-Bndel oder in den Faszikeln. AV-Blockierungen unterteilen sich in drei Schweregrade. Der AV-Block I. Grades zeigt sich auf dem Oberflchen-EKG als einfache Verlngerung des PQ-Intervalls, grer als 0,22 s. Beim AV-Block II. Grades werden einzelne Vorhofaktionen intermittierend nicht mehr auf die Kammern bertragen. Der AV-Block III. Grades stellt eine totale Blockierung der atrioventrikulren berleitung dar (Lindner, 2004, p16).

3.2.3. HIS-Bndel

Wie auf Seite 7 erwhnt, setzt sich die Erregungsleitung vom His-Bndel in drei Faszikel, den rechten Schenkel, den linksanterioren und den linksposterioren Faszikel, fort. Dementsprechend knnen uni-, bi- oder trifaszikulre Blockierungen auftreten (Lindner, 2004, p19).

Schrittmacher (SM)

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4. Schrittmacher (SM)

4.1. SM-Aggregat

Der grundstzliche Aufbau aller Schrittmacher, unabhngig von Fabrikat und Stimulationsart, ist sehr hnlich. Er hat die Aufgabe die Eigenttigkeit des Herzens festzustellen und andererseits das Herz im Atrium und/oder den Ventrikeln zu stimulieren. Das groe Problem der Batterien ist heutzutage nach langer Entwicklungszeit befriedigend gelst. In den Anfngen der Schrittmachertechnik, ca. in den 70iger Jahren des vorigen Jahrhunderts, wurden Zink-Quecksilberzellen benutzt und es wurden nur maximal 4 Jahre Laufzeit erreicht. Moderne Schrittmacher erreichen bis zu 12 Jahren Laufzeit, abhngig z. B. von folgenden Faktoren:

nutzbare Batteriekapazitt, normalerweise im Bereich von 0,8 2 Ah, abhngig von der Batteriegre, wobei die nutzbare Kapazitt 80 90 % kleiner angenommen wird! (Lindner, 2004, p43)

Programmierung der Stimulationsparameter Prozentsatz der Stimulation Stimulations-Impedanz Stromverbrauch der elektrischen Schaltkreises Telemetrie Selbstentladung der Batterie

Abbildung 7 typische Schrittmachergre (mit freundlicher Genehmigung der Firma Biotronik)

Die in Abbildung 7 sichtbare typische Gre eines Schrittmachers wird zu zwei Dritteln vom Batteriebereich und zu einem Drittel von der Steuerungselektronik ausgefllt.

4.2. Herzstimulation

In Ruhe sind Herzmuskelzellen polarisiert, mit einer Membranpotentialdifferenz von ca. 90 mV. Wird die Zelle durch eine Stimulus gereizt und erreicht das Ruhepotential die Depolarisationschwelle, kommt es zu einer abrupten Potentialumkehr aufgrund einer schnellen Ionenbewegung mit Einstrom von Natrium- und auch Kalziumionen, gefolgt von einem Ausstrom von Kaliumionen.

Schrittmacher (SM)

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Abbildung 8 Unterschied zwischen den Aktionspotentialen einer Herzmuskelzelle und eines

Schrittmachers (Lindner, 2004, p24)

Wie man in Abbildung 8 erkennen kann, hat die Muskelzelle ein stabiles diastolisches Potential und kann nur durch einen Stimulus, wie immer er auch geartet ist, depolarisiert werden. Das Aktionspotential ist der Spannungsverlauf bei Depolarisation, gemessen zwischen Zellinnerem und dem Extrazellulrraum (Lindner, 2004, p24).

Bei der Schrittmacherstimulation ist der Stimulationsort die negative Elektrode, die mit dem Myokard in Kontakt steht. Der positive Pol ist bei bipolarer Stimulation die proximale Elektrode, bei unipolarer Stimulation das Schrittmachergehuse (siehe SM-Sonden).

4.2.1. Rheobase und Chronaxie

Als Reizschwelle ist der kleinste elektrische Stimulus, der das Herz whrend der Diastole nach dem Ende der physiologischen Refraktrperiode und der vulnerablen Phase depolarisieren kann.

Die minimale Spannung bei der, bei unendlicher Impulsdauer, eine effektive Stimulation am Myokard ausgelst wird, nennt man Rheobase.

Die Chronaxie ist der Zeitwert, bei dem bei doppelter Rheobase, der notwendig ist um

das Myokard zu stimulieren. (siehe Abbildung 9) Chronaxie und Rheobase charakterisieren die elektrophysiologischen Eigenschaften

einer Stimulationselektrode. Die Bestimmung der Reizschwelle ist unbedingt erforderlich zur Programmierung der Stimulationsparameter und der notwendigen Sicherheitsgrenzen (Lindner, 2004, p27).

Schrittmacher (SM)

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Abbildung 9 Rheobase und Chronaxie, in halblogarithmische Darstellung (Hirner, 2008)

4.2.2. elektrisches Stimulations-Schema

Abbildung 10 Elektrisches Schaltbild der SM-Stimulation (Lindner, 2004, p42)

Wie in Abbildung 10 zu erkennen ist, setzt sich der Stimulationskreislauf folgendermaen

zusammen: USM...Spannungsquelle Z0.....Innenwiderstand des Schrittmachers RS.....Widerstand der Elektrode Zp......Impedanz des bergangs Herz-Elektrode RT......Widerstand des Gewebes

Die verschiedenen Widerstnde und Impedanzen sind in Reihe geschaltet.

Schrittmacher (SM)

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4.2.3. Wahrnehmungsschaltkreis

Abbildung 11 Wahrnehmunsschaltkreis (Lindner, 2004, p42)

USignal.....intrakardiales Signal, das vom Herzen abgegeben wird RT......Widerstand des Gewebes Zp......Impedanz des bergangs Herz-Elektrode RS.....Widerstand der Elektrode Ze......Eingangswiderstand des Schrittmachers U.......Spannung des Herzsignals

Das vom Herzen erzeugte Signal hat eine kleine Amplitude, von einigen mV, und daher

ist es wichtig, die Wahrnehmung zu optimieren, entweder indem man die Widerstnde RT, Zp und RS reduziert oder den Eingangswiderstand des Schrittmachers (Ze) mglichst hoch gestaltet, etwa 15 20 k (Lindner, 2004, p42).

4.2.4. Stromverbrauch

Der Stromverbrauch eines Schrittmachers kann mit folgender Formel berechnet werden: Formel 1 Stromverbrauch eines Schrittmachers

70

500

0,5

5%100

F...Frequenz in min-1 T...Impulsdauer in ms U...Impulsspannung in V Z...Impedanz in IC...Leerlaufstromverbrauch IN...Stromverbrauch zur Stimulation S...Stimulationsanteil

Per bereinkunft wird der Stromverbrauch bei einer Stimulationsfrequenz von 70 ipm, einer Impedanz von 500 , einer Impulsdauer von 0,5 ms, einer Stimulationsamplitude von 5 V und einem Prozentsatz der Stimulation von 100 % abgeschtzt (Lindner, 2004, p45).

Schrittmacher (SM)

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4.3. SM-Sonden

Die Schnittstellen des Schrittmachers, die die Signalen des Herzens aufnehmen und weitergeben, stellen die Elektroden dar. Ihr Aufbau ist abhngig von der jeweiligen Anwendungsart.

4.3.1. Unipolar

Unipolare Sonden bentigen nur einen Leiter, der meist in Form einer Spirale aus 3 bis 4 Drhten gewendelt ist und einen zentralen Kanal fr den Fhrungsdraht bildet. Die Isolation gegenber Krperflssigkeiten besorgt ein Elastomerschlauch aus Silikon oder Polyurethan (Frhlig et al., 2006, p93).

Die Elektrodenspitze fungiert als negative Elektrode (Kathode) und das Schrittmachergehuse als positive Elektrode (Anode), bzw. als indifferenter Pol. Das elektrische Feld erstreckt sich somit von der distalen Elektrode ber den Thorax und die Pektoralismuskulatur bis zum Schrittmachergehuse (Lindner, 2004, p55).

4.3.2. Bipolar

Bipolar bedeutet, dass sowohl Kathode als auch Anode auf dem distalen Teil der Schrittmachersonde aufgebracht sind, und zwar der negative Pol an der Spitze und der positive als Ringelektrode etwa 3 cm dahinter. Beide Pole liegen somit intrakardial, was einen groen Vorteil gegenber Beeinflussung durch Strsignale darstellt (Frhlig et al., 2006).

Die Vorteile der bipolaren Elektrode sind:

Wie oben erwhnt, verluft das elektrische Feld intrakardial und nicht ber den Thorax wie bei unipolarer Stimulation, was ein groer Vorteil gegenber Strsignalen im Sensing-Bereich darstellt, z. B. flschliche Muskelsignale.

Dasselbe gilt fr die Strbeeinflussung durch externe elektromagnetische Felder, z. B. niederfrequente Kaufhausdiebstahlsicherungen (Frhlig et al., 2006, p208).

Bei bipolarer Stimulation treten Muskelkontraktionen auch bei hoher Energieabgabe erheblich seltener auf als bei unipolarer Stimulation, da der Stromkreis im Wesentlichen intrakardial verluft (Lindner, 2004, p59).

Die Nachteile der bipolaren Elektrode sind:

Sie ist etwas dicker als die unipolare, da sie zwei isolierte Leitungen enthlt, was ihre Steifigkeit erklrt und dadurch auch etwas schwieriger zu manipulieren ist.

Isolationsdefekte treten hufiger auf. Bei Elektrodenbruch ist sie praktisch nicht zu reparieren. Im Oberflchen-EKG ergibt sich eine geringere Amplitude des

Schrittmacherspike bei bipoaler Stimulation im Vergleich zu den unipolaren Systeme, so dass diese Spikes oft kaum zu erkennen sind (Lindner, 2004, p56).

Schrittmacher (SM)

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4.3.3. Sensoren (R-Funktion)

Fast alle Schrittmacher bieten die Option der sensorabhngigen Frequenzmodulation, die sogenannte R-Funktion, siehe nchstes Kapitel Schrittmachercode. Der Grund dafr liegt in den groen Vorteilen fr die Haemodynamik des Herzens und bedeutet somit einen Gewinn an Leistungssteigerung und Lebensqualitt fr die Patienten (Frhlig et al., 2006, p285). Die fr die Frequenzmodulation genutzten Signale und Messprinzipien sind vielfltig:

Aktivitt: Ein Piezosensor an der Schrittmacherkapsel setzt Krpervibrationen in elektrische Signale um, die gefiltert, gleichgerichtet und dann weiterverarbeitet werden.

Beschleunigung: Piezoelektrische oder resistive Elemente auf dem Chip erfassen Krperbewegungen in anteroposteriorer Vorzugsrichtung.

Stimulierte QT-Zeit: Dies ist nur mglich bei ventrikulrer Stimulation und verwendet

die Zeit zwischen ventrikulrem Stimulus und negativem Ausschlag der 1. Ableitung des intrakardialen Elektrogramms zwischen 200 und 450 ms nach V-Pace (T-Welle).

Atemminutenvolumen-quivalent MV: Es werden kurze, niederamplitudige

Stromimpulse mit einer Frequenz von ca. 20 Hz, meist zwischen Aggregat und Ring einer bipolaren Sonde, ausgesendet. Die Auswertungen der Spannungsmessungen des wahrgenommen Signals steuern nach komplizierten Berechnungen die Stimulationsfrequenz des Schrittmachers

Peak Endocardial Acceleration PEA: Eine spezielle Schrittmachersonde trgt an

der Spitze einen gekapselten Piezosensor samt Verstrkerelektronik. Die aufgenommenen Beschleunigungssignale des gesamten Herzens, die whrend der isovolumetrischen Kontraktion entstehen, bilden das Steuersignal.

Closed Loop Stimulation CLS: Als Messsignale werden lokale

Impedanznderungen, hnlich der MV-Methode genutzt. Die Differenz mehrerer Parameter zwischen aktueller und Referenz-Impedanzkurve, die fr jeden zweiten Zyklus gemessen werden, werden ber die Zeit unterschiedlich gefiltert (Frhlig et al., 2006, p286 und Biotronik, 2008).

4.4. SM-Code

Alle heute angebotenen Schrittmacher folgen dem seit 1988 geltenden und 2002 revidierten NBG-Code (North American Society of Pacing and Electrophysiology NASPE / British Pacing and Electrophysiology Group BPEG / Generic Pacemaker Code). Die Einteilung erfolgt in mehreren Gruppen, die mit maximal fnf Buchstaben abgekrzt werden, meistens jedoch nur drei Buchstaben verwenden (siehe Abbildung 12, Wikipedia, 2008). Der erste Buchstabe gibt den Stimulatinsort an. Die Buchstaben orientieren sich dabei an der Lage der Elektroden bzw. der Stimulation. A steht fr Stimulation im Atrium, V fr Stimulation im Ventrikel, D fr Stimulation in Atrium und Ventrikel und S fr eine Einkammerstimulation.

Schrittmacher (SM)

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Der zweite Buchstabe gibt den Detektionsort an. Hier werden analog zu oben die Abkrzungen A, V, D und S und zustzlich 0 fr keine Detektion verwendet. Der dritte Buchstabe bezeichnet die Betriebsart, wobei man unterscheidet zwischen I fr Inhibited, also unterdrckter Impuls, und T fr Triggered, fr eine Signalabgabe im Ventrikel nach einem im Atrium registrierten Signal. Wenn beide Modi untersttzt werden, verwendet man das Krzel D fr dual und 0, wenn keiner dieser Modi untersttzt wird. Der vierte Buchstabe beschreibt die Programmierbarkeit, Telemetrie und die Frequenzadaption. 0 wrde bedeuten, dass der Schrittmacher nicht programmierbar ist. Mit P bezeichnet man die Programmierbarkeit von maximal zwei Funktionen und mit M, fr multi programmable, wenn mehr als zwei Funktionen programmierbar sind. C zeigt die Kommunikationsmglichkeit an und R, fr rate modulation, die bereits in 4.3.3 Sensoren erwhnte Mglichkeit, der Anpassung der Schrittmacherfrequenz an ein belastungsinduziertes Signal. Seit der Revision des NBG-Schrittmachercodes 2002 sind P, M und C nicht mehr offiziell verwendbar, und auerdem sind diese Funktionen bei jedem modernen Herzschrittmacher eine Selbstverstndlichkeit geworden. Der fnfte Buchstabe bezeichnet den Ort der Multisite-Stimulation (Multifokale-). A bedeutet Stimulation an mehr als einer Stelle im rechten Atrium. V steht fr die Stimulation an mehr als einer Stelle im rechten Ventrikel oder biventrikulre Stimulation. D steht fr Multisite-Stimulation in Atrium und Ventrikel und 0 beduetet keine antitachykarde Funktion.

Abbildung 12 Schrittmacher-Code (Wikipedia, 2008)

4.4.1. Schrittmacherfunktionen

Whrend die Funktionsdaten frherer Schrittmacher nach Implantation nicht mehr vernderbar waren, boten seit Beginn der 70er Jahre Einkammer-Modelle die ersten Programmiermglichkeiten, die sich anfangs auf die Frequenz beschrnkten, spter die Impulsspannung, Eingangsempfindlichkeit und Refraktrzeit umfassten und schlielich als multiprogrammierbare Systeme auch die Variation des Erwartungsintervalls und der Impulsdauer erlaubten (Frhlig et al., 2006, p 146).

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Der Begriff Standardparameter umfasst heute einen ganzen Katalog von Kenngren, die in Tabelle 1 nur auszugsweise aufgezeigt werden sollen: Tabelle 1 einige Standardparameter

Vorhof Kammer Refraktrzeit PVARP=

Postventrikulre A-Refraktrzeit TARP=totale atriale Refraktrzeit

Ventrikulre Refraktrzeit

Ausblendzeit PVAB=Postventrikulres A-Blanking PAVB=Postatriales V-Blanking Stimulationspolaritt unipolar/bipolar unipolar/bipolar Impulsamplitude A-Amp V-Amp Impulsdauer A-PW V-PW Wahrnehmungspolaritt unipolar/bipolar unipolar/bipolar Empfindlichkeit A-Sen V-Sen Stimulationsmodus Stimulationsintervall (Stimulationsfrequenz) Erwartungsintervall AV-Intervall (nach Vorhofstimulation AVI) AV-Intervall (nach Vorhofwahrnehmung PVI) AV-Korrektur (Differenz von AVI und PVI) Sicherheitsfenster (safety window, non-physiological AV delay) Maximalfrequenz (obere Grenzfrequenz, maximum tracking rate, upper rate limit)

4.5. Einkammerschrittmacher

Diese erste Version des Herzschrittmachers (V00, A00, D00) wird heute nicht mehr eingesetzt. Er stimulierte festfrequent und ohne jegliche Detektion entweder den Vorhof oder Ventrikel. Dafr ist nur eine Sonde notwendig, was man unifokal nennt. Dadurch ergibt sich die Gefahr der Stimulation in die vulnerable Phase entweder des Vorhofs oder des Ventrikels. Auerdem konnte keine Synchronitt zwischen Vorhof und Ventrikel hergestellt werden (Wikipedia, 2008).

4.5.1. berwachung (Sensing)

Voraussetzung fr einen Bedarfsschrittmacher ist die Wahrnehmung. Daraus hat sich der Begriff der Demandfunktion gebildet. Das bedeutet der Schrittmacher springt nur ein, wenn die Eigenaktion des Herzens eine bestimmte, programmierte Demandfrequenz, von z. B. 60 min -1, unterschreitet. Hier werden also die Eigenaktionen des Herzens beachtet. Man unterscheidet R-Wellen-inhibitierte (VVI) und P-Wellen-inhibierte Schrittmacher (AAI). Im ersten Fall handelt es sich um einen reinen Ventrikeldemandschrittmacher, im zweiten Fall um einen reinen Vorhofdemandschrittmacher. Durch Kombination beider erhlt man dann einen Zweikammerdemandschrittmacher, DDI, oder mit Triggern DDD (Lindner, 2004, p67).

Schrittmacher (SM)

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4.6. Zweikammerschrittmacher

Fr Zweikammersysteme wurde der Begriff physiologischer Herzschrittmacher verwendet. Gemeint ist damit die Koordination von Vorhof und Ventrikel ber eine Vorhof- und Ventrikelelektrode. Beide Elektroden knnen unipolar oder bipolar ausgestattet sein, ebenso das entsprechende Schrittmachergert, das die Impulse in Vorhof und Kammer aufeinander abstimmt.

Bifokale Schrittmacher bieten eine groe Anzahl an verschiedenen Stimulationsmodi,

wie z. B. die am hufigsten verwendeten DDD und DDI-Modi. Das Hauptprinzip des DDD-Modus ist es die Vorhofwahrnehmung und die

ventrikulre Stimulation zu synchronisieren. Bei Vorhofeigenaktion wird der atriale Impuls unterdrckt. Dasselbe gilt fr den Ventrikel (Lindner, 2008, p89).

Abbildung 13 Stimulation und Wahrnehmung in Vorhof und Ventrikel (DDI); bei DDD zustzlich Triggerung vom Atrium auf den Ventrikel (Lindner, 2008, p 90)

4.7. Dreikammerschrittmacher

Dreikammerschrittmacher werden zur kardialen Resynchronisationstherapie (CRT), bei asynchronem, kardialem Kontraktionsablauf verwendet. Dies stellt das Krankheitsbild der Herzinsuffizienz dar, mit einer Verbreiterung des QRS-Komplexes auf ber 150 ms und einer Ejection Fraction kleiner als 35 %.

Hierzu ist es notwendig eine dritte Sonde, entweder ber den Koronarvenensinus,

also endovens im rechten Vorhof einzufhren, oder epikardial zu befestigen (Frhlig et al., 2006, p336).

Schrittmacher (SM)

19

Abbildung 14 Positionen der drei Elektroden bei Resynchronisationstherapie mit einer endovensen,

dritten Sonde (Hoppe, 2008)

Bei nahezu allen Patienten werden heute rein transvense Elektrodensysteme fr die Implantation verwendet. Dies gilt fr Ein-, Zweikammer und Resynchronisationsysteme, wobei selbst Defibrillationswendeln in linksventrikulren Koronarvenen positioniert wurden (Frhlig et al., 2006, p391). Epikardiale Systeme werden nicht mehr verwendet, auer es bestehen vense Implantationshindernisse (Frhlig et al., 2006, p336).

4.8. Defibrillatoren ICD

Bei Kammerflimmern erzeugen Defribillatoren ein elektrisches Feld, welches das erregbare Ventrikelmyokard depolarisiert und die Refraktrzeit bereits erregter Zellen soweit verlngert, dass die Fortleitung von Flimmerwellen beendet wird.

Die hufigste Ursache fr Kammerflimmern ist ein Myokard-Infarkt. Darber hinaus

knnen folgende Umstnde laut Frhlig et al. (2006) zu dieser fatalen Arrhythmie fhren:

zurckliegende Herzinfarkte akute Myokardischmie (zu wenig oder gar keine Durchblutung) kongenitale (angeborene) Anlagestrungen des Herzens Erkrankungen des Herzmuskel (Kardiomyopathien) genetische Strungen Elektrolytverschiebungen (Hypokalimie, Effekte von Natrium- oder

Kaliumkanalblockern, Diuretika) Strungen des Sure-Basen-Haushalts Elektrounflle oder direktes Herztrauma Ertrinken

AV-Zeit

20

5. AV-Zeit

5.1. AV-Zeit-Programmierung

Zweikammer-Schrittmacher sind geeignet, die physiologische AV-Sequenz des Herzens wieder herzustellen. Das Kriterium dabei ist die exakte Abstimmung der atrialen und ventrikulren Mechanik auf der linkskardialen Seite. Weil die elektronische Leitung ber den Schrittmacher jedoch rechtskardial etabliert wird, sind fr die linksseitige Optimierung neben der Sondenposition die interatrialen und ventrikulren Leitungsbedingungen zu bercksichtigen.

Da vor allem die Erregungsleitung vom rechten zum linken Vorhof von Patient zu

Patient betrchtlich variiert, lsst sich das AV-Optimum nicht durch empirische Mittelwerte, sondern nur individuell annhern (Frhlig et al., 2006, p 273).

Ein wichtiger Punkt fr die Optimierung des AV-Intervalls ist die Hmodynamik.

Lindner (2004) beschreibt in seinem Buch, dass einer bestimmten Sinusfrequenz ein AV-Intervall zugeordnet werden kann, dass das hchste Herzzeitvolumen hervorruft. Er gibt an, dass das optimale AV-Intervall in Ruhe, statistisch im Mittel zwischen 80 und 150 ms liegt. Unter Belastung ist dieser Wert nur sehr schwierig zu bestimmen. Er ist der Meinung, dass das Echodoppler-Verfahren, die Ergospirometrie und die Messung des Herzzeitvolumens durch die transthorakale Bioimpedanz zuverlssige nicht invasive Methoden sind.

Laut Frhlig et al. (2006, p273) haben sich aus der Methodenvielfalt drei Verfahren in der Praxis bewhrt:

Der Mitralklappen-Doppler hat den Vorteil, die Hmodynamik der linksventrikulren Diastole direkt zu erfassen und den mechanischen Effekt von AV-Zeit-Korrekturen unmittelbar kontrollieren zu knnen. Er wird auch in der Resynchronisationstherapie eingesetzt.

Das sophagus-Elektrogramm (EGM) misst die Leitungsverzgerung zwischen rechtem und linkem Vorhof (LA) und erlaubt, den Ventrikelstimulus in passendem Abstand zur LA-EGM-Deflektion zu positionieren.

Auch aus dem Oberflchen-EKG lsst sich das optimale AV-Intervall annhern. Das Verfahren ist empirischer und arbeitet ohne mechanische Information. In der Praxis hat es sich jedoch als ausreichend erwiesen.

5.1.1. Die elektronische AV-berleitung

Solange eine intrinsische AV-Leitung besteht, bestimmt diese die elektrische und mechanische Abfolge von Vorhof- und Kammeraktion. Erst wenn mit zunehmender Blockierung z. B. des AV-Knotens die ventrikulre Depolarisation stimulationsabhngig wird, kann die AV-Sequenz durch nderung des technischen AV-Intervalls manipuliert werden.

Eine rechtsseitige Sondenlage wirkt zuerst auf das rechte Herz, die kardiale

Arbeitsleistung wird allerdings von der linken Seite dominiert. Daher ist das Ziel der AV-Zeit-Optimierung, die bestmgliche Einstellung der linkskardialen Sequenz zu finden (Frhlig et al., 2006, p273).

AV-Zeit

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5.1.2. AV-Delay und Ventrikelsystole

Wie Kindermann et al. (1997) in ihren Arbeiten zeigen, korreliert die optimale Fllung nicht unbedingt mit der besten Auswurfleistung des Herzens. Es ist nicht gut belegt, dass das AV-Delay, das nach Optimierung des Mitraleinflusses ermittelt wurde, mit der AV-Zeit korreliert, welche das hchste Schlagvolumen bewirkt. Kindermann et al. (1997) fhren dies auf Unzulnglichkeiten der eingesetzten Methoden, Mitralklappen-Doppler versus Impedanz-Kardiographie, zurck.

5.1.3. Wer profitiert von der Optimierung der AV-Sequenz

Von Frhlig et al. (2006) wird der Nutzen der AV-Optimierung sowohl hmodynamisch als auch klinisch nicht einheitlich bewertet. Sie geben aber an, dass folgende Konstellationen nach AV-Zeit-Optimierung verlangen:

verlngerte PR-Zeit mit vorzeitigem Mitralklappenschluss und aktiver

Vorhofkontraktion bei monophasisch erscheinendem Mitral-Dopplerflussprofil eingeschrnkte systolische LV-Funktion und AV-Block I. Grades Verkrzung der diastolische Fllzeit auf unter 200 ms, 40 % der Zykluslnge diastolische Mitralinsuffizienz linksventrikulre Relaxationsstrung und biventrikulre Stimulation mit aktiver Vorhofkontraktion

5.1.4. AV-Delay bei systolischer Funktionsminderung des linken Ventrikels

Dabei wird versucht, die Herzinsuffizienz bei dilatativer Kardiomyopathie, durch Zweikammer-Schrittmacher mit kurzer AV-Zeit zu behandeln und damit eine Verbesserung der diastolischen Fllung zu erzielen.

5.1.5. Frequenzabhngigkeit der AV-Zeit

Die AV-Zeit reicht vom Ende der A-Welle (Vorhofkontraktion) bis zum Schluss der Mitralklappe mit Beginn der isovolumetrischen Kontraktion (Koglek, 2006, p276). Unter Frequenzanstieg, etwa bei Belastung, verkrzt sich sympathikusabhngig die AV-berleitung. Grob berschlagen betrgt die Verkrzung der PQ-Zeit im Oberflchen-EKG 5ms bei einem Frequenzanstieg um etwa 10min-1.

Zweikammer-Schrittmacher versuchen das physiologische Leitungsverhalten zu imitieren, indem sie frequenzabhngig das technische AV-Delay verkrzen (Frhlig et al. 2006, p 276).

5.2. Methoden der AV-Zeit-Optimierung

Laut Frhlig et al. (2006, p277) sind invasive Methoden zur Bestimmung der bestmglichen AV-Sequenz auerhalb wissenschaftlicher Studien ungebruchlich. In der klinischen Praxis orientiert sich das Vorgehen an der Verfgbarkeit bestimmter Methoden, am geforderten Aufwand und der gewnschten Przision, mit der das AV-Optimum ermittelt

AV-Zeit

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werden soll. Da das Ziel eine optimale Hmodynamik ist, werden grundstzlich Verfahren vorgezogen, die auf mechanische Parameter der Ventrikelfunktion zurckgreifen. Dabei sind zu unterscheiden

diastolische und systolische Optimierung.

Erstere erfasst die Auswirkung der AV-Zeit-Variation direkt auf die Fllung, letztere

liest die beste Einstellung an der Auswurfleistung des Herzens ab. Da elektrische Parameter an der Oberflche (EKG), atriale Elektrogramme oder Schrittmachermarker nicht unmittelbar die Hmodynamik reflektieren, erlauben sie nur eine Approximation.

5.2.1. Transmitrale Doppler-Echokardiographie

Neben dem EKG ist die Echokardiografie eine der wichtigsten technischen nichtinvasiven oder semiinvasiven Untersuchungsmethoden des Herzens und mittlerweile unverzichtbarer Bestandteil der kardiologischen Diagnostik.

Mit der Doppler-Echokardiographie wird die Mitralklappenaktivitt aufgezeichnet und

analysiert. In Abbildung 15 wird gezeigt, wie sich der zeitliche Abstand, zwischen Mitralklappenschluss (MS) und dem ventrikulren Stimulationsartefakt (SA), bei iterativer Verkrzung der AV-Zeit-Programmierung verndert.

Abbildung 15 Iterative AV-Zeit-Verkrzung (Frhlig et al., 206, p277)

Bei dieser Messung markiert der bergang der Kurve in die Horizontale den Punkt,

an dem die Verkrzung des AV-Delays keine Verlngerung der SA --> MS-Intervalls, und damit auch keine der Diastolendauer, bewirkt, sondern die Vorhofkontraktion beschneidet. Damit liegt hier das AV-Optimum zwischen 50 und 80 ms!

AV-Zeit

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5.2.2. Formel (Ritter Formel)

Den oben beschriebenen Ansatz whlt die sogenannte Ritter-Formel, welche ein Algorithmus ist, bei dem zwei unterschiedliche AV-Zeiten programmiert werden. Der transmitrale Einfluss wird dabei berprft und die endgltig zu programmierende AV-Zeit nach der sogenannten Ritter-Formel berechnet (Breithardt, 2005). Formel 2 AV-Optimierung nach Ritter

OptimiertesAVD progr. AVDlangVSMSlang VSMSkurz AVD......AV-Delay VSMS...Zeitintervall vom Mitralklappenschluss zum Ventrikelspike

5.2.3. Approximation aus dem EKG

Die individuelle Anpassung der AV-Intervalle ist Voraussetzung fr die hmodynamischen Vorteile der Zweikammerstimulation. Die bisher angewandten Methoden zur Optimierung der AV-Zeiten, z. B. Echokardiographie, bedingen einen gewissen apparativen Aufwand und sind zeitintensiv. Eine einfache und schnelle Methode ist die approximative Einstellung der AV-Intervalle mit Hilfe des Oberflchen-EKG (Koglek et al., 2004).

Das optimale AV-Intervall (AVI) ist dann gegeben, wenn am Ende der atrialen Kontraktion die Mitralklappe durch den ventrikulren Druckanstieg geschlossen wird. Um dies bei Schrittmacher- Patienten zu erreichen, mssen die individuell unterschiedlichen atrialen und ventrikulren elektrophysiologischen Leitungszeiten bercksichtigt werden. ber das Oberflchen-EKG lassen sich die unterschiedlichen Leitungszeiten feststellen. Die intra- und interatriale Leitungszeit lsst sich vom Beginn des atrialen Stimulus bis zum Ende der P-Welle definieren (Koglek et al., 2005).

Der ventrikulre Druckanstieg korrespondiert mit der Spitze des stimulierten Kammerkomplexes (Beginn der isovolumetrischen Kontraktionszeit, ISVK) und ist abhngig von der interventrikulren Leitungszeit. Bei 100 Patienten, die keinen Herzschrittmacher tragen, wurde das Intervall vom Ende der P-Welle (linksatriale Erregung, EP) bis zum Gipfel der R-Welle (ISVK) in Ruhe und unter Belastung gemessen und ein altersbezogener Mittelwert von 100ms festgestellt, dieser dient als Normwert, wenn keine berleitung vorhanden ist. Die approximierte optimierte AV-Zeit ist dann gegeben, wenn das Intervall vom Ende der P-Welle (linksatriale Erregung) bis Spitze stimulierter Kammerkomplex 100ms betrgt (Koglek et al., 2005).

ber einen einfachen Algorithmus lsst sich das optimierte AV-Intervall berechnen: Es wird ein langes AVI programmiert und das Intervall vom Ende der nativen oder stimulierten P-Welle bis zur Spitze des stimulierten Kammerkomplex (EP/ISVK) bestimmt. Der gefundene Wert EP/ISVK wird nun vom langen AVI abgezogen, die 100ms Normwert werden nun addiert und man erhlt das approximativ optimierte AVI (

Abbildung 16). Nach Koglek (2005) kann man das optimale AVD auch aus dem EKG empirisch

ermitteln vom Ende der P-Welle (Ende der linksatrialen Kontraktion) bis zur Spitze der R-Zacke (Beginn der isovolumetrischen Kontraktion). Dieses Intervall liegt altersabhngig zwischen 100 und 120 ms.

AV-Zeit

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Beispiel mit Berechnungsmethode nach Koglek, (2005): progr. AV-Delay zur Messung 250 ms-EP/ISVKZ -180 ms 70 ms+ Normwert +100 msOptimiertes AV-Delay 170 ms

Abbildung 16 Approximation aus dem EKG (Koglek, 2005)

5.3. Einstellung des AV-Delays

In der Praxis wird eine lange AV-Zeit programmiert und der Abstand zwischen P-Ende und dem Gipfel der R-Zacke vermessen (siehe Abbildung 17). Die optimale AV-Zeit erhlt man, indem man das aktuell programmierte AV-Intervall mit dem Betrag korrigiert, um den das Ende der P-Welle (EP) zu R-Zacken-Gipfel (GR) von 100 abweicht (Frhlig et al., 2006, p281). Formel 3 AVD-Optimierung

| | 100

Abbildung 17 Prinzip der AV-Zeit-Optimierung mittels Oberflchen-EKG (Frhlig et al., 2006, p281)

Die Wahl einer langen AV-Zeit lsst das Ende der P-Welle vor dem ventrikulren

Stimulus erkennen. Dabei betrgt das Intervall zwischen P-Ende (EP) und R-Zacken-Gipfel (GR) 200 ms. Die gestrichelte Spike-QRS-Kombination zeigt an, wie das EP --> GR-Intervall auf den optimalen Wert von 100 ms verkrzt ist. Das optimale AV-Intervall berechnet sich aus Formel 3.

EP/ISVKZ

AV-Zeit

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5.3.1. sophagus EKG (Ismer, Knorre)

Das Konzept eines aus dem sophagus abgeleiteten EKGs ist wurde schon 1906 von Cremer erstmals erwhnt. Bislang wurden sophageal ableitende, bipolare Elektroden an herkmmliche Oberflchen-EKG-Verstrker angeschlossen, die mit Filtertechniken ausgestattet sind. Die Signale des sophagus-EKG knnen jedoch durch die rumliche Nhe zwischen Herz und Elektrode, aufgrund des geringen elektrischen Widerstandes und aufgrund der besseren Leitungseigenschaften ungefiltert und frei von Artefakten abgeleitet werden (Mchler et al., 1999).

Ismer et al. (2003) zeigt in seinen Arbeiten die Optimierung der AV-Zeit mittels

transsophageal abgeleiteten EKGs. Die Applikation einer bipolaren sophaguselektrode erfolgt peroral, etwa 38 cm gemessen ab der oberen Zahnreihe bei einem mittelgroen Erwachsenen.

Abbildung 18 Bipolare sophaguselektrode TOslim (Dr. Osypka GmbH, Rheinfelden) zur Ableitung des linksatrialen Elektrogramms

Zur Eliminierung von Ableitungs-Artefakten, vor allem eine Abgrenzung der

linksatrialen Deflektion von der des Kammerkomplexes, empfiehlt Ismer et al. (2003) eine Filterung mit einem Butterworth-Hochpass und ein Vorschaltgert fr Elektrokardiographen, wie z.B. einen Rostockfilter. Dies alles ist nicht erforderlich, wenn man die sophagus-Ableit-Option des Programmers ICS3000 von BIOTRONIK verwendet, der ber einen eigenen Anschluss dafr verfgt.

Auch Ismer et al. (2003) beschreibt die Dauer des optimalen AV-Intervalls als interindividuell sehr verschieden. Er fhrt dies auf betrchtliche Unterschiede in den schrittmacherbedingten interatrialen Leitungszeiten zurck.

In der klinischen Routine sind Verfahren, zur Bestimmung hmodynamischer

Kenngren zu zeitaufwendig. Kalkulierende Verfahren orientieren sich dagegen an der einmaligen Messung von Zeitintervallen, wie z. B. das von Ritter et al. vorgeschlagene Verfahren der diastolischen Optimierung mittels dopplerechokardiographischer Darstellung des Mitralklappeneinstromprofils (Ismer et al., 2003).

Laut Ismer et al. (2003) ist das optimale AV-Delay grundstzlich als Summe folgender

Komponenten definierbar:

dem implantatbedingten individuellen interatrialem Zeitintervall und dem individuell optimalen elektromechanischem Intervall

Er fhrt aus, dass das implantatbedingte interatriale Zeitintervall fr VDD- und DDD-Stimulation unterschiedlich ist. Das individuell optimale elektromechanische Intervall lsst sich aus der Differenz zweier echokardiographisch messbarer Zeitintervalle bestimmen. Diese Erkenntnisse lassen sich zur Approximation des optimalen AV-Delays nutzen, bei der auf die Echomessung verzichtet wird. Sie orientiert sich allein an der zeitlichen Stellung der linksatrialen Deflektion in der sophagusableitung.

AV-Zeit

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5.3.2. Peak Endocardial Acceleration (PEA)

Diese Methode steht nur Patienten zur Verfgung, die Trger eines Sorin-Schrittmacher mit BEST (Biomechanical Endocardial Sorin Transducer)-Sonde sind. Das Sensor-Prinzip wurde auf Seite 15, Kapitel Sensoren, besprochen. Die Sonde verfgt direkt hinter der Spitzenelektrode ber ein Akzelerometer.

Diese Messeinheit nimmt die Translationsbeschleunigung des gesamten Herzens auf

und generiert ein Signal, das stark mit der linksventrikulren Druckanstiegsgeschwindigkeit korreliert.

Der Vergleich zwischen Mitral-Doppler- und PEA-Technik zeigt eine signifikante

Korrelation beider Methoden (r=0,78). Die PEA AV-Optima sind teilweise vergleichbar, teilweise aber auch systematisch lnger (Frhlig et al., 2006, p282).

5.3.3. Spiroergometrie (CO2-Rckatmungsmethode)

Dieses Verfahren, als kardiorespiratorischer Belastungstest etabliert, spielt in der AV-Zeit-Optimierung keine nennenswerte Rolle. Der Grund dafr liegt im hohen Aufwand des Verfahrens und der mangelnden Trennschrfe, welche relative nderungen der Sauerstoffaufnahme bei der AV-Zeit-Variation besitzen (Modena, 1996).

Als methodische Erweiterung der blichen Spiroergometrie ist die CO2-

Rckatmungsmethode anzusehen. Hierbei wird unter Steady-State-Belastung das Herzzeitvolumen geschtzt und mit dessen Maximum das AV-Optimum identifiziert (Nowak, 2004).

5.3.4. Impedanzkardiographie

Diese Methode nutzt nicht den diastolischen Einstrom, sondern die Herzauswurfleistung als Kriterium optimaler AV-Zeit-Einstellung. Sie berechnet aus dem Maximum der transthorakalen Impedanznderung ber die Zeit, und der Austreibungszeit des linken Ventrikels, das Schlagvolumen (Kindermann, 2004).

Dieses Verfahren wird von Frhlig et al. (2006) nicht zur AV-Optimierung empfohlen,

da er eine fehlende absolute Messgenauigkeit beanstandet.

AV-Zeit

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5.3.5. AV-Zeit Optimierung unter biventrikulrer Stimulation

Ganz entscheidend fr den Erfolg einer Resynchronisationstherapie, siehe Kapitel 4.7. auf Seite 18, ist die Optimierung des AV-Delays und damit eine wesentliche Verbesserung der Hmodynamik. bliche Methode ist hier eine abgewandelte Ritter-Formel, siehe Formel 2 auf Seite 23. Im Unterschied zur alleinigen rechtskardialen Stimulation sind folgende Unterschiede zu beachten (Frhlig et al., 2006, p283):

nach Stand der Technik kann das Intervall zwischen rechts- und linksventrikulrer Stimulation (interventrikulres Delay, IVD) in bestimmten Grenzen variiert werden.

Nicht selten ergibt sich daraus eine Prexzitation (frhere Erregung des Myokards) des linken Ventrikels.

Solche Flle machen das rechtskardiale AV-Delay zu lang, verkrzen die rechtsventrikulre Fllung und bewirken einen vorzeitigen Schluss der Trikuspidalklappe. Eine nderung des IVD knnte hier zwar Abhilfe schaffen, verbietet sich aber, weil dadurch der linksventrikulre Synchronisierungsgrad wieder verschlechtert wird.

Bei biventrikulrer Stimulation unterscheiden sich die Spezifikationen der technischen AV-Delays herstellerabhngig.

Daraus schliet Frhlig et al. (2006), dass auch fr die biventrikulre Stimulation (BiV)

interindividuell stark variierende AV-Optima gefunden werden, die zwischen 60 und 180 ms betragen knnen und daher eine Standardeinstellung nicht empfohlen werden kann.

Deneke et al. (2004) beschreiben die optimalen AV-Intervalle im Mittel fr rechtsventrikulre Monostimulation (RV-mono: 75 33 ms) signifikant krzer als fr linksventrikulr (LV) basierte Stimulationsformen (LV-mono: 102 30 ms; BiV: 117 36 ms). Nach Meinung der Autoren erklrt sich dies durch unterschiedliche interventrikulre Delays fr die einzelnen Stimulationsmodi.

AV-Zeit

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5.4. Methoden verschiedener Hersteller von SM

5.4.1. QuickOpt Timing Cycle Optimization

QuickOpt verwendet intrakardiale elektrische Signale um die optimalen Intervalle zu ermitteln. Die Korrelation zur Echokardiographischen Messung ist klinisch geprft. Da sich die Intervalle verndern, ist regelmige Optimierung ntig (ODonnel et al. 2005).

QuickOpt ermittelt AV-, PV- und VV-Intervall innerhalb einer Minute. Voraussetzung dafr ist die gleichzeitige Messung der interventrikulren Leitungszeiten durch ein intrakardiales Elektrogramm (IEGM).

Dabei werden die Spitzen der R-Zacken, die ja den Beginn der isovolumetrischen

Kontraktion darstellen, gemessen. Der Mitralklappenschluss wird aus Messung der linksatrialen Leitungszeit, der P-Wellen-Dauer, geschtzt.

Abbildung 19 QuickOpt-Monitor mit freundlicher Genehmigung der Firma St. Jude Medical durch Marktetingdirektor Hr. Dipl.-Ing. Stefan Roth

AV-Zeit

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5.4.2. CN-Systems Task Force Monitor

Diese Firma verwendet ihren Task Force Monitor zur AV-Optimierung. Er ist ein nicht-invasives Diagnosesystem, dass vier Messmethoden vereint:

kontinuierliche Blutdruckmessung mittels Plethysmographie an einem Finger synchronisiertes EKG mit vier Ableitungen kontinuierliche Herzzeitvolumenmessung ber Impedanz-Kardiographie Echtzeit-Evaluierung des autonomen Nervensystems

Abbildung 20 Thorakales elektrischen Impedanz-Kardiographiegert (TEIC) der Firma CN-Systems

Braun et al. (2005) verglichen in einer Studie mit 64 Patienten die AV-Intervall

Optimierung zwischen dieser transthorakalen Impedanz-Kardiographie mit Doppler-Echokardiographie und kamen zu dem Schluss, dass die transthorakalen Impedanz-Kardiographie eine verlssliche nichtinvasive Methode ist.

Diskussion

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6. Diskussion

Der Ausarbeitung der Grundlagen wurde viel Zeit und Raum gegeben, um jedem Leser eine gute Einfhrung in das Thema zu ermglichen. Das gesamte Reizleitungssystem, vom Sinusknoten, ber AV-Knoten und HIS-Bndel bis zum Purkinje-Netzwerk wird besprochen. Auch die wichtigsten Strungen des Reizleitungssystems werden aufgezeigt.

Im Kapitel Schrittmacher wird der Leser beginnend vom elektrischen Aufbau ber die

Stimulations- und Wahrnehmungsschaltkreise bis zum Stromverbrauch gefhrt. Wichtige Begriffe wie Rheobase und Chronaxie werden erklrt. Wichtig in diesem Bereich sind auch die zu verwendenden uni- oder bipolaren Schrittmacher-Sonden, mit ihren Vor- und Nachteilen.

Im Bereich Sensoren beginnt das Gebiet der Regelung, nicht mehr nur Steuerung.

Hauptschlich Piezosensoren oder Impedanzvernderungen werden als Signale herangezogen.

Am Beginn der Schrittmacher-Entwicklung standen die Einkammermodelle, die ber die

Zweikammerschrittmacher bis zu Dreikammerschrittmachern und Defibrilatoren weiterentwickelt wurden. Hier beginnt jetzt das zentrale Thema dieser Arbeit mit der AV-Zeit-Optimierung.

Die Zweikammer-Schrittmacher boten als erstes die Mglichkeit der Synchronisierung

von Atrium und Ventrikel. Um diese Abstimmung so genau wie mglich durchzufhren, haben sich drei Verfahren in der Praxis durchgesetzt, bei zu verantwortbarem Aufwand.

Dies sind der Mitralklappen-Doppler, der auch von Ritter in seiner approximierenden

Formel verwendet wird, das sophagus-Elektrogramm, fr das die Firma Biotronik in ihrem Programmiergert ICS3000 eine Anschlussmglichkeit vorsieht, und das Oberflchen-EKG, dass von Koglek verwendet wird.

Meiner Meinung nach bleibt dahingestellt ob, die meist lteren Schrittmacher-Patienten,

eine frequenzadaptierte AV-Optimierung bentigen, oder ob es nicht reicht, dass sie optimal, z. B. auf ein maximales Herzzeitvolumen, eingestellt werden.

Der Ritter-Ansatz verwendet die Doppler-Echokardiographie um bei zwei verschiedenen,

programmierten AV-Zeiten die Auswirkungen auf den transmitralen Einfluss zu berprfen. Die zu programmierende, optimale AV-Zeit berechnet sich dann sehr simpel nach Formel 2. Ihr Nachteil besteht in dem gewissen Zeitaufwand, der fr eine Echokardiographie, ca. eine halbe Stunde, zu leisten ist.

Wesentlich schneller kann Koglek nach dem Oberflchen-EKG seine approximative

Einstellung des AV-Intervalls vornehmen. Auch hier werden zwei AV-Zeiten programmiert und der optimale Wert am EKG vermessen und berechnet, siehe Abbildung 16.

Einen sehr interessanten Ansatz bietet die sophagus-Ableitung des linksatrialen

Impulses. Hier wird auch ausdrcklich auf die Interindividualitt der optimalen AV-Intervalle hingewiesen.

Die der Vollstndigkeit halber aufgezhlten Verfahren Peak Endocardial Acceleration

und die Spiroergometrie werden in der Praxis offensichtlich nicht so hufig verwendet.

Diskussion

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Sehr interessant war anhand dreier wichtiger Hersteller, Biotronik, St. Jude Medical (SJM) und CN-Systems, wie die oben beschriebenen Methoden verwendet werden. Biotronik hat, wie bereits oben erwhnt, einen eigenen Anschluss fr die sphagus-Ableitung vorgesehen. CN-Systems verwendet unter anderem die Impedanz-Kardiogrphie zur Gewinnung wichtiger Signale. Whrend SJM intrakardiale Signale verwendet um die optimalen Intervalle zu ermitteln.

Abschlieend darf ich sagen, dass die Beschftigung mit der AV-Zeit-Optimierung

uerst interessant war. Das Thema ist sehr gut beforscht und man findet sehr viel Informationen darber und knnte hier sicherlich noch sehr viel mehr berichten.

Anhang

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7. Anhang

7.1. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Sinusknoten und AV-Knoten mit internodalen Leitungsbndel (Fischer, 1997) .. 5Abbildung 2 Aktivierung des Vorhofmyokards entspricht der P-Welle im EKG (Fischer, 1997)

.......................................................................................................................................... 6Abbildung 3 PQ-Intervall im EKG (Fischer, 1997) ................................................................... 6Abbildung 4 Depolarisation des Ventrikelmyokards entspricht dem QRS-Komlex im EKG

(Fischer, 1997) ................................................................................................................. 7Abbildung 5 absolute Refraktrzeit (Lindner, 2004, p12) ........................................................ 8Abbildung 6 Vulnerable Phase (Lindner, 2004, p12) ............................................................... 8Abbildung 7 typische Schrittmachergre (mit freundlicher Genehmigung der Firma

Biotronik) ........................................................................................................................ 10Abbildung 8 Unterschied zwischen den Aktionspotentialen einer Herzmuskelzelle und eines

Schrittmachers (Lindner, 2004, p24) .............................................................................. 11Abbildung 9 Rheobase und Chronaxie, in halblogarithmische Darstellung (Hirner, 2008) .... 12Abbildung 10 Elektrisches Schaltbild der SM-Stimulation (Lindner, 2004, p42) .................... 12Abbildung 11 Wahrnehmunsschaltkreis (Lindner, 2004, p42) ............................................... 13Abbildung 12 Schrittmacher-Code (Wikipedia, 2008) ............................................................ 16Abbildung 13 Stimulation und Wahrnehmung in Vorhof und Ventrikel (DDI); bei DDD

zustzlich Triggerung vom Atrium auf den Ventrikel (Lindner, 2008, p 90) .................... 18Abbildung 14 Positionen der drei Elektroden bei Resynchronisationstherapie mit einer

endovensen, dritten Sonde (Hoppe, 2008) ................................................................... 19Abbildung 15 Iterative AV-Zeit-Verkrzung (Frhlig et al., 206, p277) .................................. 22Abbildung 16 Approximation aus dem EKG (Koglek, 2005) .................................................. 24Abbildung 17 Prinzip der AV-Zeit-Optimierung mittels Oberflchen-EKG (Frhlig et al., 2006,

p281) .............................................................................................................................. 24Abbildung 18 Bipolare sophaguselektrode TOslim (Dr. Osypka GmbH, Rheinfelden) zur

Ableitung des linksatrialen Elektrogramms ..................................................................... 25Abbildung 19 QuickOpt-Monitor mit freundlicher Genehmigung der Firma St. Jude Medical

durch Marktetingdirektor Hr. Dipl.-Ing. Stefan Roth ........................................................ 28

7.2. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 einige Standardparameter ..................................................................................... 17

Anhang

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7.3. Abkrzungsverzeichnis

AV atrioventrikulr AVD AV-Delay = AV-Intervall BOS Begin of service BPEG British Pacing and Electrophysiology Group bpm Beats per minute BTS Bradykardie-Tachykardie-Syndrom CLS Closed Loop Stimulation (Impedanzvernderungsmessung, Biotronik) CRT Kardiale Resynchronisationstherapie ELT Endless loop-Tachykardie EOS End of service EP/ISVK Intervall vom Ende der nativen oder stimulierten P-Welle bis zur Spitze des

stimulierten Kammerkomplex ES Extrasystole F.MAX/P maximale ventrikulre Synchronfrequenz (P-Wellen getriggert) F.MAY/S maximale Sensorfrequenz HV Intervall zwischen His-Bndel- und Ventrikelelektrogramm Hz Hertz i.v. intravens ICD implantierbarer Kardioverter/Defibrillator IVD interventrikulres Delay IEGM interkardiales Elektrogramm ipm Impulse pro Minute ISVK Beginn der isovolumetrischen Kontraktionszeit KSKEZ korrigierte Sinusknotenerholungszeit LAH linksanteriorer Hemiblock LBBB Linsschenkelblock (Left bundle branch block) LPH linksposteriorer Hemiblock LSB Linksschenkelblock MSKEZ maximale Sinusknotenerholungszeit NASPE North American Society of Pacing and Electrophysiology NBG-Code NASPE/BPEG Generic Pacemaker-Code NMR Nuclear magnetic resonance PEA Peak Endocardial Acceleration (Piezosensor zur Beschleunigungsaufnahme) PMT Pacemaker mediated tachycardia ppm Pulses per minute PSF physiologische Sinusfrequenz PVAB Postventrikulre A-Blanking PVARP postventrikulre atriale Refraktrzeit RBBB Rechtsschenkelblock (Right Bundle Branch Block) SA-Block sinuatriale Block SALZ sinuatriale Leitungszeit SI Stimulationsintervall SKEZ Sinusknotenerholungszeit SKS, SSS Sinusknotensyndrom, engl. sick sinus syndrome SM Schrittmacher SMS Skelettmuskelsignal SR Sinusrhythmus SSS Sick-Sinus-Syndrom SVES supraventrikulre Extrasystole TARP totale atriale Refraktrperiode VES ventrikulre Extrasystole VSMS Zeitintervall vom Mitralklappenschluss zum Ventrikelspike

Anhang

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