IKG bei Herzschrittmachern

R. Schüler / L. Breuel / M. Heinke

Spezifik der Impedanzkardiographie an Schrittmacherpatienten

29. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium TU Ilmenau 1994,
Band 2 S. 315ff.

Moderne Herzschrittmacher bieten viele veränderliche Parameter, mit denen die Arbeitsweise des Schrittmachers an die Besonderheiten seines Trägers angepaßt werden kann. Ein auf die individuellen Bedürfnisse sorgfältig eingestellter Schrittmacher erhöht die Lebensqualität seines Trägers z.T. beträchtlich und wirkt sich zudem günstig auf den Krankheitsverlauf aus. Für einige Parameter gibt es jedoch kaum Anhaltspunkte, wie deren für den jeweiligen Patienten günstigsten Werte zu finden sind. Zentrale Zielfunktion zur Einstellung aller Parameter ist es, eine gute Herzperformance und eine für den weiteren kardialen Krankheitsverlauf gute Langzeitprognose zu erreichen. Zur objektiven Beurteilung der Güte der gewählten Schrittmacher-Einstellung müssen deshalb auf geeignete Weise entsprechende hämodynamische Herz-/Kreislaufparameter gemessen werden.

Dabei geht es im wesentlichen um die Bestimmung der individuellen Werte folgender zwei Parameter:

1. AV-Verzögerung

Zweikammerschrittmacher ermöglichen durch eine sequentielle Stimulation der Vorhöfe und Kammern einen physiologisch besseren Kontraktionsablauf als dies bei ausschließlicher Kammerstimulation (Einkammer-Schrittmacher) möglich ist. Dies bedeutet eine hämodynamisch effektivere Arbeitsweise des Herzens. Die Verzögerung zwischen der Abgabe des Stimulationsimpulses durch die Vorhof- und die Kammerelektrode wird AV-Verzögerung (auch AV-Zeit) genannt. Dieses Zeitintervall bestimmt wesentlich die zeitliche Synchronisation zwischen Kammer- und Vorhofkontraktion, was die Voraussetzung für den hämodynamischen Vorteil dieser Stimulatuionsart ist. Ungünstige Werte für die AV-Zeit können eine Schlagvolumenabnahme von bis zu 30% verursachen und sich unter Umständen ungünstig auf den kardialen Krankheitsverlauf auswirken.

Für die individuelle Festlegung der AV-Verzögerung kann aufgrund der individuell unterschiedlichen elektro-mechanischen Latenzen keine allgemein gültige Regel angegeben werden.

2. Obere ventrikuläre Grenzfrequenz

Dieser Parameter ist spezifisch für frequenzadaptive Schrittmachersysteme, die ihre Stimulationsfrequenz dem Belastungszustand des Schrittmacherträgers anpassen können. Die obere ventrikuläre Grenzfrequenz ist die maximale Stimulationsrate, bei der der Schrittmacher stimulieren darf. Bei einer weiteren Erhöhung der Stimulationsrate, so würde das Herzminutenvolumen nicht weiter ansteigen, sondern wieder abfallen. Dieser Effekt kann zu beträchtlichen

Kreislaufbeschwerden beim Schrittmacherträger führen. Da die obere Grenzfrequenz abhängig von der Leistungsfähigkeit des Myokard ist, gibt es hier ebenfalls große interindividuelle Unterschiede.

Gegenwärtig werden diese Parameter in der Regel durch Probieren ermittelt. Lediglich wenn keine Einstellung gefunden werden kann, die eine Beschwerdefreiheit beim Patienten gewährleistet, werden aufwendige Meßverfahren (z.B. ausführliche Ultraschalluntersuchungen) zur Bestimmung von patientenspezifischen Herz-/Kreislaufgrößen angewendet. Die momentan angewandten Einstellstrategien sind also sehr zeit- und arbeitsaufwendig und garantieren in der Regel keine optimale Einstellung. Es wird daher nach einem Meßverfahren gesucht, das auf einfache Weise möglichst objektive Zielgrößen für die Einstellung der oben erläuterten Schrittmacherparameter liefert.

An ein solches Meßverfahren werden folgende Anforderungen gestellt:

  • Da nur die Änderung des hämodynamischen Zustandes bei Veränderung eines Schrittmacher-Parameters von Interesse ist, genügt es, wenn das Meßverfahren relative Parameter liefert.
  • Für die Beurteilung des hämodynamischen Zustandes sind hauptsächlich folgende Parameter interessant, die das Meßverfahren direkt oder indirekt liefern muß: Schlagvolumen, Herzzeitvolumen und systolische Zeitintervalle.
  • Da in der klinischen Routine aufgrund der hohen Patientenzahl oft nur begrenzt Zeit zur Verfügung steht, sollte das Meßverfahren einfach und schnell anwendbar sein. Außerdem sollen solche Untersuchungen beliebig oft wiederholt werden können, wodurch invasive Verfahren ausscheiden.
  • Die Methode soll ebenfalls bei leichten Belastungsuntersuchungen anwendbar sein.
  • Da z.T. Änderungen im Schlagvolumen unter 20% erwartet werden, sind nur Verfahren geeignet, die eine hinreichende Genauigkeit besitzen. Relative Änderungen des Schlagvolumens von 5-10% sollten daher sicher nachgewiesen werden können.
  • Die Methode muß für die spezifische Patientengruppe der Schrittmacherträger geeignet sein.

Die Impedanzkardiographie ist ein nichtinvasives Meßverfahren, daß bei entsprechender automatischer Auswertung einfach in der Anwendung ist und den Anforderungen an die gesuchte Meßmethode sehr nahe kommt. Deshalb hat diese Arbeit das Ziel, die Eignung der Impedanzkardiographie für Messungen an Patienten mit Herzschrittmachern zu untersuchen und eventuelle Einschränkungen aufzuzeigen.

Die Impedanzkardiographie beruht auf der Messung und Auswertung der pulssynchronen Änderungen der elektrischen Impedanz des Thorax. Zur Auswertung wird meist die differenzierte Impedanzkurve – auch Impedanzkardiogramm (IKG) genannt – benutzt. Abb. 1 zeigt eine Musterperiode des IKG und die darin erkennbaren physiologischen Ereignisse. Den größten Anteil zur Entstehung der IKG-Kurve liefert der Auswurf des Blutes aus dem linken Ventrikel in die Aorta; andere Signalquellen – wie die Vorhofkontraktionen – haben einen geringeren Anteil, beeinflussen das Signal aber dennoch. Neben den pulssynchronen Impedanzänderungen sind außerdem noch die atmungssynchronen Impedanzschwankungen mit relativ großer Amplitude vorhanden.

Zur Berechnung des Schlagvolumens müssen aus dem IKG die linksventrikuläre Austreibungszeit (LVET) und die maximale Amplitude (dZ/dt|max) bestimmt werden.

Schrittmacherpatienten sind hinsichtlich der Anwendung der Impedanzkardiographie durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

  • Diese Patienten haben Reizleitungsstörungen, die mit dem Schrittmacher behandelt werden. Das bedeutet, der Kontraktionsablauf des Herzens kann gegenüber Herz-/Kreislauf-Gesunden verändert sein.
  • Reizleitungsstörungen treten als Erkrankung selten isoliert auf, sondern sind in den meisten Fällen eine Folgeerscheinung einer primären Herzerkrankung, die schädigende Auswirkungen auf das Reizbildungs- und Reizleitungsgewebe hat. Als solche primären Erkrankungen findet man häufig z.B. Fibrose, dilatative Kardiomyopathie, Vitien, ischämische Erkrankung (Koronarerkrankungen), Infarkt.
  • Erworbene Reizleitungsstörungen treten gehäuft im fortgeschrittenen Alter (etwa ab 50 Jahre) auf. Die Patientengruppe setzt sich also in ihrer Altersstruktur relativ homogen zusammen.

Messungen

Um die Eignung der Impedanzkardiographie zur Einstellung von Schrittmachern zu überprüfen, wurden zunächst die Impedanzsignale bei einigen willkürlich ausgewählten Patienten vor und nach der Umprogrammierung einzelner Parameter der Schrittmacher aufgezeichnet und anschließend analysiert. Hierfür wurde der Impedanzkardiograph cardioscreen® der Firma medis. Medizinische Meßtechnik GmbH Ilmenau verwendet. Die Aufzeichnung bzw. Auswertung der gemessenen Signale erfolgt mit der cardioscreen-Software auf einem PC. Es ist dabei möglich, die entsprechenden Herz-/Kreislaufparameter on-line während des Monitorings zu berechnen oder die Impedanzsignale aufzuzeichnen. Mit den bei den ersten Messungen gewonnenen Erkenntnissen wurde das cardioscreen-Programm in Bezug auf den Einsatz an Schrittmacherpatienten überarbeitet und ein weiteres längerfristiges Versuchsprogramm zur Einsatz des Meßsystemes in der klinischen Praxis der Schrittmachereinstellung gestartet.

Ergebnisse und Diskussion

Messungen an Patienten mit Herzschrittmachern haben zu den im folgendenden diskutierten Ergebnissen geführt.

1. Eignung des Meßverfahrens und Genauigkeit

Im allgemeinen kann eingeschätzt werden, daß der Einfluß der Veränderung einzelner Schrittmacherparameter auf das Herzschlagvolumen (und somit auf das Herzzeitvolumen) reproduzierbar und mit einer hinreichenden Genauigkeit erfaßt werden kann. Abb. 2 zeigt einen entsprechenden Verlauf bei Variation der AV-Zeit.

Die gefundene Einstellung sollte anschließend bei einem kleinen Belastungstest überprüft werden. Die praktischen Erfahrungen zeigen, daß bei Anwendung der Impedanzkardiographie wesentlich schneller eine gute SM-Einstellung gefunden werden kann.

Damit die Vorteile deutlich zum tragen kommen, erwies es sich dabei für die klinische Routine als wichtig, die Messungen mit einem Gerät durchzuführen, das automatisch sofort die entsprechenden Werte ausgibt und keine aufwendigen Bedienschritte (wie Kalibrierung u.s.w.) erfordert.

2. Technische Anforderungen

Es zeigte sich, daß der energiereiche Stimulationsimpuls zu Störungen in der Impedanzkurve führt. Da diese Störungen sowohl die Beurteilung der Kurvenform als auch die Meßgenauigkeit beeinträchtigen können, ist eine Ausblendung der Schrittmacherstörungen erforderlich. Diese Ausblendung sollte aber weder den Bedienaufwand erhöhen noch zu einem wesentlichen Informationsverlust im IKG führen. Für das Gerät cardioscreen® wurde deshalb eine automatische Störungsunterdrückung entwickelt. Durch die Kombination intellegenter Software-Algorithmen mit entsprechend hochwertiger Signalerfassungs-Hardware konnte dabei eine so hohe Qualität erreicht werden, daß im IKG kein Informationsverlust wahrnehmbar ist.

3. Einfluß der Stimulation auf die Kurvenform und die Auswerteverfahren

Die künstliche Stimulation hat einen Einfluß auf die Form der abgeleiteten Impedanzsignale. Speziell macht sich die die veränderte Synchronität zwischen Vorhof und Kammer bemerkbar. Die zeitliche Synchronität zwischen Vorhof- und Kammerkontraktion kann in den meisten Fällen im IKG visuell gut beobachtet werden. Bei Verkürzung der AV-Verzögerung schiebt sich die Vorhofaktion immer näher an die Kammerkontraktion heran. Dabei kann es je nach Ausprägung der A-Welle (Vorhofkontraktion) zu einer Überlagerung beider Ereignisse zum Zeitpunkt der Aortenklappenöffnung kommen. Der B-Punkt (Aortenklappenöffnung im IKG) wird dabei nach oben verschoben und kann so nicht mehr als Referenz zur Bestimmung des Maximums (für die SV-Bestimmung, siehe Abb. 1) benutzt werden. Das Maximum muß deshalb von der Nulllinie aus bestimmt werden. Um dies zu Ermöglichen, ist eine Beseitigung der durch die Überlagerung der atmungssynchronen Impedanzschwankungen notwendig. Dies sollte aber geschehen, ohne die visuelle Beurteilung der IKG-Kurvenform zu beeinträchtigen.

Der B-Punkt muß dennoch zur genauen Messung der Austreibungszeit (LVET) bestimmt werden. Dies wird durch die sich bei Veränderung der AV-Verzögerung ändernden Überlagerungs-Verhältnisse in diesem Bereich der IKG-Kurve gegenüber Probanden ohne SM erschwert.

4. Einschränkungen der Anwendbarkeit

Aus zahlreichen Studien über die Impedanzkardiographie ist bekannt, daß die Methode bei einigen Patienten falsche bzw. ungenaue Werte für das Schlagvolumen liefert. In Bezug auf die Patientengruppe der Schrittmacherträger sind dies in erster Linie:

  • Patienten mit Vitien oder Shunts (Über- und Unterschätzung des SV, je nach den konkreten pathologischen Verhältnissen)
  • Patienten mit schlechter Herzperformance (Unterschätzung)
  • Patienten mit Arteriosclerose im fortgeschrittenen Stadium sowie häufiger bei älteren Patienten (Unterschätzung)

Die Untersuchungen in der Literatur in Bezug auf die ungenaue oder falsche Bestimmung des Schlagvolumens bei diesen Krankheitsgruppen konnten im wesentlichen auch hier bestätigt werden. Da bei der SM-Einstellung aber nur relative Parameter benötigt werden, sollen nachfolgende Betrachtungen zeigen, ob auch bei falschen Absolutwerten noch ein Trend richtig bestimmbar ist und inwiefern die Methode hier noch verbessert werden könnte.

Vitien/Shunts

Die Auswirkungen von Vitien auf die Impedanzkurve und das berechnete Schlagvolumen kommen im wesentlichen wie folgt zum Ausdruck:

  • Der durch das Vitium (z.B. Aortenklappeninsuffizienz) oder dem Shunt nicht in die Peripherie weitergepumpte Anteil am Blutauswurf des linken Ventrikels wird bei der Bestimmung des Schlagvolumens nicht mit berücksichtigt. Es wird zwar der Auswurf des Ventrikels in der Regel richtig bestimmt, aber nicht das letztlich hämodynamisch ausschlaggebende effektive Schlagvolumen, das in der Peripherie ankommt.
  • Verschiedene Vitien (z.B. Mitralklappenvitien) verursachen gegenüber Herz-/Kreislaufgesunden verstärkte herzsynchrone systolische Blutvolumenschwankungen in anderen Bereichen als der Aorta. Das das gemessene Impedanzsignal ein Summensignal aller herzaktionssynchronen Blutumverteilungsvorgänge ist, beeinflussen diese pathologischen Vorgänge das abgeleitete Impedanzsignal und können sich so auch auf die Schlagvolumenberechnung auswirken.

Die hämodynamischen Auswirkungen von Vitien und Shunts können sich sowohl mit dem Schlagvolumen als auch mit anderen Herzparametern (z.B. der Herzrate) ändern. Deshalb kann nicht davon ausgegangen werden, daß diese pathologischen Veränderungen keinen Einfluß auf eine relative Schlagvolumenbestimmung mittels Impedanzkardiographie haben. Der dadurch verursachte Fehler (bei den Relativwerten) wird aber erst bei ausgeprägten Vitien relevant, sodaß in vielen Fällen dennoch eine Bestimmung des relativen Schlagvolumens mittels Impedanzkardiographie möglich ist.

Herzinsuffizienz und arteriosclerotische Veränderungen

Bei manchen Patienten kann eine pathologische IKG-Kurve beobachtet werden, die durch eine lediglich flache systolische Welle gekennzeichnet ist. Dies tritt besonders bei den Krankheitsbildern Arteriosclerose, Herzinsuffizienz und auch verstärkt bei höherem Lebensalter auf. Die Ursachen hierfür sind sowohl eine pathologische Flußkurve am Beginn der Aorta (bei Herzinsuffizienz) als auch eine bedingt durch eine Versteifung der Gefäßwand höhere Pulswellengeschwindigkeit, wodurch das letztlich von der Impedanzkardiographie ausgenutzte Speicherverhalten der Aorta verringert wird. Dies führt zwangsläufig zu einer Unterschätzung des Schlagvolumens. Da sich hierbei nun auch Änderungen der Compliance (z.B. infolge Blutdruckänderungen) direkt als Meßfehler im ermittelten Schlagvolumen auswirken, ist bei dieser Patientengruppe auch eine relative Bestimmung des Schlagvolumens nur beschränkt möglich.

Diese Betrachtungen veranschaulichen, daß die herkömmliche Schlagvolumenbestimmung mit Impedanzkardiographie methodisch bei einer nicht unbedeutenden Patientengruppe versagt. Diese Patientengruppe läßt sich jedoch anhand der Form der IKG-Kurve erkennen, so daß die Methode eine gute Kontrolle bezüglich ihrer Anwendbarkeit bietet.

Erste Versuche zeigen für diese Patientengruppe, bei der eine herkömmliche Schlagvolumenbestimmung versagt, folgende Auswege:

1. Andere Elektrodenposition

Mit der bisher praktizierten Elektrodenposition werden hauptsächlich die Blutvolumenschwankungen in der Aorta erfaßt. Es wäre ein wesentlicher methodischer Gewinn, stattdessen die Blutfüllung im linken Ventrikel messen zu können. Dazu haben wir ebenfalls bereits erste Untersuchungen durchgeführt. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, daß dies möglich ist. Einer gezielten praktischen Anwendung stehen aber noch eine Reihe technischer und methodischer Probleme entgegen.

2. Andere Zielgrößen

Um die Auswirkung verschiedener Schrittmacherparameter auf die Hämodynamik zu beobachten, ist das Schlagvolumen zwar der direkteste, aber nicht der einzige Parameter. Unabhängig von den obengenannten Einschränkungen können die verschiedenen Zeitparameter mit unveränderter Genauigkeit bestimmt werden.

  • Das Verhältnis von LVET/PEP (siehe auch Abb. 1) ist proportional zum Schlagvolumen /5/. Wenn die direkte Schlagvolumenbestimmung nicht möglich ist, kann so auch der Trend des Schlagvolumens trotzdem noch verfolgt werden. Voraussetzung ist hierfür jedoch eine hinreichend genaue Bestimmung dieser systolischen Zeitintervalle, die bei der großen Variabilität der Kurvenform einen hohen algorithmischen Aufwand erfordert.
  • Bei den meisten Patienten läßt sich die Vorhofkontraktion als A-Welle im IKG detektieren. Um bei Schrittmacherpatienten die AV-Synchronität wiederherzustellen, kann die AV-Zeit so eingestellt werden, das sich ein zeitlicher Abstand von A-Welle und B-Punkt (siehe Abb. 1) ergibt, der dem gesunder Vergleichsprobanden entspricht. Derzeit laufen hierzu noch Untersuchungen, um diese Methode zu verifizieren und entsprechende Vergleichswerte zu ermitteln.

Bei Berücksichtigung dieser Einschränkungen und Besonderheiten steht durch die Impedanzkardiographie eine leicht zu handhabende Methode zur Verfügung, die es gestattet, während der Einstellung von Schrittmacherparametern die entsprechenden hämodynamischen Zielgrößen zu verfolgen.

Ein Impedanzkardiograph, der für diese Untersuchungsmethode benutzt wird, sollte speziell folgenden Anforderungen genügen:

  • Die Meßtechnik muß in der Lage sein, den Schrittmacherimpuls mit möglichst wenig Informationsverlust im Impedanzsignal auszublenden.
  • An die Erkennung spezieller Kurvenpunkte (besonders des B-Punktes) werden erhöhte Anforderungen gestellt.
  • Für die Auswertung ist eine Eliminierung der überlagerten Atmungskomponente im Impedanzsignal notwendig.
  • Da die Kurvenform des IKG wichtige diagnostische Informationen beinhaltet und zur Verifizierung der Anwendbarkeit der Methode am jeweiligen Patienten benutzt werden kann, sollte ein entsprechendes Gerät in der Lage sein, die IKG-Kurve anzuzeigen und bei Bedarf zur Dokumentation auszudrucken.
  • Das Meßsystem sollte mit möglichst geringem Bedienaufwand einsatzbereit sein und eine Bedienung während der Schrittmachereinstellung auf ein Mindestmaß beschränkt bleiben.

Diese Erfahrungen und Erkenntnisse flossen in die Entwicklung des Meßsystemes cardioscreen®-pace ein, daß jetzt kommerziell für den Einsatz bei der Schrittmachereinstellung zur Verfügung steht.

Literatur

/1/ Breuel L., Schüler R., Volkmann H., Heinke M., Posdzech O., Solbrig O.:
Problems with the Application of Impedance Cardiography on Pacemaker Patients
Proceedings of the 8th International Conference on Electrical Bio-Impedance, Kuopio, Finland 1992

/2/ Ovsyshcher I., Furman S.:
Impedance Cardiography for Cardiac Output Estimation in Pacemaker Patients: Review of the Literature
Pace Vol.16 , July 1993 Part I, S. 1412-1422

/3/ Defaye P. u.a.:
Optimization of Dual Chamber Pacers Programming by Thoracic Electrical Bio-Impedance
Euro-Pace ´93 Abstracts
in: PACE Vol. 16; May 1993 Part II, S.1153

/4/ Bernstein D. P.:
A new stroke volume equation for thoracic electrical bioimpedance: Theory and rationale
Critical Care Medizine Vol. 14, No. 10, S. 904-909

/5/ Rentsch W., Niederlag W., Wunderlich E., Schmidt P.K.H., Foelske H.:
Zur physiologischen Frequenzanpassung von Herzschrittmachern mittels systolischer Zeitintervalle
Z. gesamte inn. Med. Jahrg. 42 (1987) Heft 14, S. 386-389

Ein Kommentar zu IKG bei Herzschrittmachern

  1. M. sagt:

    Hallo Herr Schüler,
    mein Name ist *** ich bin 53 jahre jung und Träger eines 3Kammer Schrittmachers von Metron. Ich habe eine Herzinsuffizienz mit Schenkelblock. EF von 46%.
    Ich habe massive Kreislaufprobleme, wenn mein Puls über 100 schlägt.
    Vor 3 Monaten wurde meine Obergrenze von 120 auf 140 Schläge umgestellt, weil nach meinen Messungen mein Puls nicht über 90 bei Belastung stieg.
    Dadurch verbesserte sich meine Leistungsfähigkeit.
    Da ich Sport treibe ist dies sehr belastent für mich.
    Auch im Alltag bei Sress und Koffein, treten diese Symptome auf.
    Leider kann ich mit meinem Kardio keinen vernüftigen Dialog führen, da er nie „Zeit“hat. Letztlich sollte der SM an die Bedürfnisse und Alters des Patienten angepasst werden.
    Würden Sie mir bitte folgende Fragen beantworten:
    1. kann es sein, dass der Bewegungssensor nicht korrekt eingestellt ist (Empfindlichkeit)
    2. wie verhält sich der SM, wenn ich die Obergrenze überschreite.
    3. welche Parameter können meine Leistungsfähigkeit noch einschränken.

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