Grundlegende Funktionsweise, Funktionen und Einstellungen eines Herzschrittmachers

Stimulationsschwelle

Wie bereits erwähnt, kann das Myokard durch externe elektrische Reize, welche die Zellen zum Schwellenwert treiben, angeregt werden. Die Stimulationsschwelle ist die minimale Energiemenge, die benötigt wird, um den Schwellenwert zu erreichen und ein Aktionspotenzial hervorzurufen. Die Intensität des elektrischen Stimulus wird durch seine Amplitude (gemessen in Volt) und Dauer (gemessen in Millisekunden) beschrieben. Die Amplitude und Dauer des Impulses müssen optimal eingestellt sein, um eine Depolarisation zu gewährleisten und gleichzeitig den Batterieverbrauch zu minimieren. Die Amplituden liegen normalerweise unter 1,5 V und die Pulsdauer wird normalerweise auf 0,5 ms eingestellt.

Die Beziehung zwischen Strom (I), Spannung (V) und Widerstand (R) wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:

V = I • R

Herzschrittmacher erzeugen eine konstante Spannung (V). Der Strom, der vom Impulsgenerator geliefert wird, kann wie folgt berechnet werden:

I = V/R

Da die Spannung (V) konstant ist und der Batterieverbrauch minimiert werden muss, verwenden die meisten Herzschrittmacher Elektrodenspitzen mit hohem Widerstand (400 bis 1200 Ω). Je höher der Widerstand in der Leitspitze, desto kleiner der verwendete Strom.

Software-Einstellungen

Die Herzschrittmacher-Software enthält vorprogrammierte Algorithmen und Einstellungen, die auf die Bedürfnisse des Patienten zugeschnitten werden können. Die Programmierung erfolgt über ein externes Gerät, das drahtlos mit dem Herzschrittmacher kommuniziert. Eine Vielzahl von Einstellungen können individuell angepasst werden. Zu diesen Einstellungen gehören die Grundfrequenz des Herzschrittmachers (die niedrigste zulässige Herzfrequenz, welche den Herzschrittmacher auslöst), das Verhalten des Herzschrittmachers bei niedriger und hoher Herzfrequenz, das Verhalten des Herzschrittmachers bei Vorhandensein und Fehlen von intrinsischer Herzaktivität. Moderne Herzschrittmacher sind vollgepackt mit Algorithmen, die ihre Funktion optimieren. Zum Beispiel gibt es Funktionen, welche die Stimulationsschwelle kontinuierlich neu bewerten, um Stimulationen entsprechend der Erregbarkeit des Myokards zu kalibrieren.

Funktionen des Herzschrittmachers

Die Funktionen eines Herzschrittmachers hängen von der Software, der Hardware und der Programmierung ab. Die einfachsten Herzschrittmachersysteme bestehen aus einem Impulsgenerator und einer Elektrode, die sich entweder im rechten Vorhof oder im rechten Ventrikel befindet. Solche Systeme werden als Einkammersysteme bezeichnet. Heutzutage sind die meisten implantierten Herzschrittmacher Zweikammersysteme, was bedeutet, dass zwei Elektroden verwendet werden: eine im Vorhof und eine im Ventrikel. Zweikammersysteme bieten die Möglichkeit, sowohl in den Vorhöfen als auch in den Ventrikeln Reizimpulse zu erfassen (engl. sensing) und abzugeben (engl. pacing).

Sensing

Der Herzschrittmacher kann die intrinsische Herzaktivität erfassen und darauf angemessen reagieren. Genauer gesagt nehmen Herzschrittmacher intrinsische Depolarisationen wahr. Elektroden im rechten Vorhof registrieren Vorhofdepolarisationen (P-Wellen) und Elektroden in der rechten Kammer Ventrikeldepolarisationen (QRS-Komplexe). T-Wellen spiegeln die Repolarisation wider und sollten vom Herzschrittmacher nicht registriert werden.

Das sensing (die Reizerfassung) wird genutzt, um Schrittmacherimpulse zu hemmen oder auszulösen. Die Hemmung der Schrittmacherimpulse ist angemessen, wenn eine intrinsische Herzaktivität vorliegt. Das Vorhandensein einer spontanen atrialen oder ventrikulären Aktivität sollte die Impulsgebung durch den Schrittmacher (also das pacing) in der Kammer mit Aktivität hemmen. Die Erfassung einer spontanen atrialen Aktivität (P-Wellen) ohne nachfolgende ventrikuläre Aktivität (kein QRS-Komplex) sollte jedoch zu einer Impulsgebung durch den Schrittmacher in den Ventrikeln führen.

Damit die Reizerfassung korrekt verläuft, muss der Herzschrittmacher Depolarisationsströme im Nahfeld (P oder QRS) erkennen, aber Repolarisationsströme im Nahfeld (T-Wellen) sowie Ströme im Fernfeld (d.h. Ströme, die in Geweben erzeugt werden, mit denen die Elektrode nicht verbunden ist) ignorieren. Außerdem müssen externe Signale von der elektronischen Geräten (Handys, Computer usw.) ebenfalls ignoriert werden. Die atriale Elektrode wird daher so eingestellt, dass Signale mit einer Amplitude von 1,5 bis 5 mV und mit einer Frequenz von 80 bis 100 Hz registriert werden. Die ventrikuläre Elektrode erfasst Signale im Amplitudenbereich von 5 bis 25 mV und im Frequenzbereich von 10 bis 30 Hz. Der Herzschrittmacher wird eine Depolarisation außerhalb dieser Grenzen nicht spüren, was zu einem undersensing (einer Unterschätzung) der wahren intrinsischen Aktivität und damit zu unangemessener Schrittmacheraktivität führen kann.

Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, kann die Abgabe von Schrittimpulsen bipolar oder unipolar sein. Die Erfassung kann ebenfalls bi- oder unipolar sein. In der Regel ist das bipolare sensing genauer, da sich beide Messpunkte im Herzen befinden (d.h. beide Elektroden befinden sich an der Sondenspitze).

Grundfrequenz

Die Grundfrequenz ist die niedrigste vom Herzschrittmacher zulässige Herzfrequenz; eine intrinsische Herzaktivität unter der Grundfrequenz löst ein pacing (Impulsgebung durch den Schrittmacher) aus. Die Grundfrequenz wird normalerweise auf 60 Schläge/Minute eingestellt, was bedeutet, dass der Herzschrittmacher nach jeder Depolarisation nur 1000 ms wartet, bevor er einen Impuls liefert. Spontane Depolarisationen, die innerhalb von 1000 ms auftreten, hemmen den Herzschrittmacher.

Triggering

Der Herzschrittmacher kann auch getriggert werden, was bedeutet, dass ein pacing im Ventrikel als Reaktion auf die intrinsische atriale Aktivität erfolgt. Nach der Erfassung der intrinsischen atrialen Aktivität stimuliert der Herzschrittmacher den Ventrikel mit einer gewissen Zeitverzögerung, um die physiologische Verzögerung im AV-Knoten nachzuahmen. Durch das triggering kann die Ventrikelfrequenz der natürlichen Vorhoffrequenz folgen, was physiologisch vorteilhaft ist.

Triggering kann in den folgenden Situationen unangemessen sein:

• Während supraventrikulärer Tachyarrhythmie (z.B. Vorhofflimmern): Der Herzschrittmacher kann die Arrhythmie auf die Ventrikel übertragen, was höchst unangemessen ist.
• Wenn sich die Depolarisation durch das ventrikuläre pacing zurück in die Vorhöfe ausbreitet, kann die atriale Erfassung eine neue ventrikuläre Stimulation auslösen. Dieser Zyklus kann sich wiederholen und eine endlose Tachyarrhythmie verursachen.

Um unangemessenes triggering zu verhindern, verfügt der Herzschrittmacher über drei Schutzmechanismen:

• PVARP: Die atriale Reizerfassung ist vom Beginn des QRS-Komplexes bis zu einem Zeitpunkt nach Ende des QRS-Komplexes ausgeschaltet (refraktär). Diese in Abbildung 1 dargestellte refraktäre Periode wird als PVARP (Post-Ventricular Atrial Refractory Period) bezeichnet. Wenn der ventrikuläre Impuls während der PVARP in die Vorhöfe zurückkehrt, ignoriert die Vorhofelektrode den Impuls. Die Vorhoffelektrode ignoriert tatsächlich alle Impulse in den Vorhöfen (z.B. Impulse von einem Vorhofflimmern) während der PVARP. Nicht zuletzt verhindert dies auch, dass die Vorhofelektrode Kammerkomplexe erfasst und diese als Vorhofimpulse fehlinterpretiert.
• Maximalfrequenz: Der Herzschrittmacher kann auf ein maximale Triggergrenze eingestellt werden. Unabhängig von der atrialen Aktivität wird der Herzschrittmacher nicht mit einer Frequenz über dieser Maximalfrequenz stimulieren.
• Moduswechsel (mode switch): Einige Herzschrittmacher verfügen über eine mode-switch-Funktion, mit der das triggering während einer supraventrikulären Tachyarrhythmie ausgeschaltet werden kann.

Schrittmachermodus

Der Schrittmachermodus wird durch eine Abkürzung aus 3 bis 5 Buchstaben charakterisiert. Diese Buchstaben beschreiben in chronologischer Reihenfolge Folgendes:

1. Ort der Impulsabgabe (pacing): O (keiner), A (Atrium), V (Ventrikel) oder D (Dual, Atrium und Ventrikel)
2. Ort der Impulserfassung (sensing): O (keiner), A (Atrium), V (Ventrikel) oder D (Dual, Atrium und Ventrikel)
3. Reaktion auf erfasste Ereignisse: O (keine), I (inhibiert), T (getriggert) oder D (Dual, inhibiert und getriggert).
4. Frequenzanpassung: O (keine) or R (Frequenzanpassung vorhanden)
5. Multifokale Stimulation (Stimulation an multiplen Orten in derselben Herzhöhle): O (keine), A (Atrium ), V (Ventrikel) oder D (Dual, Atrium und Ventrikel)

Wenn der Herzschrittmacher nicht frequenzanpassend ist, kann der vierte Buchstabe weggelassen werden. Dies gilt auch für den fünften Buchstaben (Multifokale Stimulation).

Beispiel: DDDR-Herzschrittmacher:

D = Duales pacing (Stimulation in den Vorhöfen und Ventrikeln)
D = Duales sensing (Reizerfassung in the Vorhöfen und Ventrikeln).
D = Duale Reaktion (sowohl inhibierte als auch getriggerte Reaktion).
R = Frequenzanpassung (die Stimulationsfrequenz passt sich an die physische Aktivität des Patienten an).

In der klinischen Praxis sind DDD, VVI und AAI am häufigsten, mit oder ohne Frequenzanpassung.

Asynchrone Stimulation

Ein Herzschrittmacher mit AOO-Einstellung stimuliert den Vorhof, bietet aber keine Reizerfassung und hat damit auch keine Reaktion auf die Reizerfassung. Ein solcher Herzschrittmacher stimuliert mit einer festen Frequenz, unabhängig von der intrinsischen Herzaktivität. Dies wird als asynchrone Stimulation bezeichnet, da es nicht mit der intrinsischen Herzaktivität synchronisiert ist. In ähnlicher Weise bietet ein VOO-Schrittmacher eine asynchrone Stimulation im Ventrikel und ein DOO-Schrittmacher eine asynchrone Stimulation in den Vorhöfen und Ventrikeln.

Die asynchrone Stimulation wird selten verwendet, kann aber nützlich sein, wenn eine unzureichende intrinsische Herzaktivität, aber ausgeprägte Störungen vorliegen (die sonst die Schrittmacherstimulation inhibieren würden). In dem Fall ist eine asynchrone Stimulation geeignet, da mit einer festen Frequenz stimuliert wird und die Signale der Umgebung ignoriert werden. Die asynchrone Stimulation setzt auch ein, wenn die Batterie bald leer ist oder wenn ein Herzschrittmachermagnet über das Schrittmachergehäuse gehalten wird (es ist aber zu beachten, dass die Wirkung des Herzschrittmachermagneten je nach Hersteller variieren kann).

Einkammersysteme

Ein AAI-Herzschrittmacher hat eine Elektrode im rechten Atrium. Die Elektrode wird zur Impulsabgabe und -erfassung verwendet. Der Herzschrittmacher wird gehemmt, wenn eine spontane atriale Aktivität (P-Welle) erfasst wird. Wenn die atriale Aktivität langsamer ist als die Grundfrequenz des Herzschrittmachers, wird der Herzschrittmacher stimulieren.

Ein VVI-Schrittmacher stimuliert und registriert Impulse in der Kammer. Wenn er eine spontane ventrikuläre Aktivität (R-Welle) wahrnimmt, stimuliert er nicht. Wenn die ventrikuläre Frequenz langsamer als die festgelegte Grundfrequenz, wird der Herzschrittmacher stimulieren.

Zweikammer-System

Das gebräuchlichste Zweikammersystem ist DDD, was eine Stimulation in den Vorhöfen und Ventrikeln, eine Reizerfassung in den Vorhöfen und Ventrikeln und die Fähigkeit beinhaltet, inhibiert oder getriggert zu werden. Dieser Herzschrittmacher stimuliert die Vorhöfen und Ventrikel, wenn die intrinsische Herzfrequenz unter der Grundfrequenz des Herzschrittmachers liegt. Wenn die spontane Herzfrequenz schneller ist als die Grundfrequenz des Herzschrittmachers, wird die Schrittmacheraktivität inhibiert. Wenn die spontane Vorhofrate unter der Grundfrequenz des Herzschrittmachers liegt, wird der Herzschrittmacher im Atrium stimulieren. Der Schrittmacher wartet dann auf eine Aktivität im Ventrikel. Wenn er innerhalb eines bestimmten Zeitraums keine ventrikuläre Depolarisation wahrnimmt (siehe AV-Verzögerung unten), wird auch die Kammer stimuliert. Wenn die Vorhoffrequenz die Grundfrequenz des Herzschrittmachers übersteigt, die ventrikuläre Frequenz dies jedoch nicht tut, wird die Vorhofstimulation gehemmt und die Ventrikelstimulation getriggert.

Der DDI-Schrittmacher bietet Stimulation und Reizerfassung in den Vorhöfen und Ventrikeln und kann bei Spontanaktivität auch gehemmt werden. Die atriale Aktivität triggert keine ventrikuläre Stimulation. Der Herzschrittmacher wird jedoch den Ventrikel stimulieren, wenn er innerhalb einer bestimmten Zeit nach der Vorhofstimulation keinen ventrikulären Impuls spürt.

Die Wahl eines Herzschrittmachers hängt von der Grunderkrankung ab. Das folgende Flussdiagramm wird von der European Association for Cardiology empfohlen und entspricht den Richtlinien der American Heart Association und des American College for Cardiology.

Zusätzliche Funktionen

AV Management

Herzschrittmacher, die sowohl die Vorhöfe als auch die Ventrikel stimulieren, sind so programmiert, dass sie die natürliche Verzögerung im AV-Knoten nachahmen. Diese programmierte Verzögerung (AV-Verzögerung) kann eingestellt werden und moderne Herzschrittmacher erlauben auch eine frequenzadjustierte AV-Verzögerung. Die AV-Verzögerung ist bei hohen Herzfrequenzen kürzer und umgekehrt. Dies verbessert die Hämodynamik.

Frequenzanpassung

Die Herzfrequenz muss während körperlicher Anstrengung steigen, um das Herzzeitvolumen zu erhöhen. Wenn die Schrittmacherstimulation im Ventrikel getriggert wird, führt der natürliche Anstieg der Vorhoffrequenz während körperlicher Belastung zu einer entsprechenden Erhöhung der ventrikulären Frequenz. Dies erfordert jedoch, dass der Schrittmacher diese Einstellung hat und dass der Vorhofrhythmus ein Sinusrhythmus ist. Offensichtlich ist dies nicht immer der Fall und daher sind einige Herzschrittmacher mit einem Sensor ausgestattet, der körperliche Aktivität erkennt. Der Sensor kann aus einem Beschleunigungsmesser oder einem piezoelektrischen Kristall bestehen, welche beide Bewegungen erkennen können. Wenn der Sensor körperliche Aktivität erkennt, wird die ventrikuläre Frequenz entsprechend erhöht.

Hysterese

Der Zweck der Hysterese besteht darin, den Bedarf an Schrittmacherstimulationen zu minimieren. Hysterese bedeutet, dass der Herzschrittmacher akzeptiert, dass die Herzfrequenz auf eine bestimmte Frequenz unter der Grundfrequenz sinkt, aber wenn diese niedrigere Frequenz erreicht ist, stimuliert der Herzschrittmacher mit der Grundfrequenz. Diese Stimulation dauert eine gewisse Zeit an, danach pausiert der Herzschrittmacher die Stimulation, um zu beurteilen, ob sich die intrinsische Aktivität (oberhalb der Hysterese-Grenze) erholt hat.

Moduswechsel

Ein Herzschrittmacher kann basierend auf vorprogrammierten Algorithmen seine Einstellungen ändern. Zum Beispiel kann ein DDD bei Vorhofflimmern zu DDI wechseln. Der Herzschrittmacher analysiert kontinuierlich die atriale Aktivität, um zu beurteilen, ob er die Einstellungen ändern muss.

Magnetmodus

Das Platzieren eines Magneten auf den Impulsgenerator wirkt sich auf dessen Funktionen aus. Der Effekt variiert je nach Typ des Herzschrittmachers. Im Allgemeinen wechseln die meisten Herzschrittmacher jedoch auf eine asynchrone Stimulation (VOO oder AOO oder DOO). Abbildung 3 veranschaulicht die Wirkung des Aufbringens eines Magneten auf verschiedene Herzschrittmacher.

Biventrikuläre Stimulation: CRT

Ein biventrikulärer Herzschrittmacher stimuliert in beiden Ventrikeln. Dieser Schrittmacher eignet sich in Situationen mit ausgeprägter Leitungsstörung, die sich als schwere QRS-Verlängerung äußert. Eine solche Leitungsstörung führt zur Desynchronisation der ventrikulären Aktivität, wodurch die ventrikulären Kontraktionen weniger effektiv werden, was sich negativ auf die Hämodynamik und das Gesamtüberleben bei Herzinsuffizienz auswirkt.

Bei biventrikulären Herzschrittmachern ist die zusätzliche Elektrode im Koronarsinus platziert, von wo aus diese den linken Ventrikel stimuliert (Abbildung 5). Der Begriff kardiale Resynchronisationstherapie (engl. cardiac resynchronization therapy, CRT) ist gleichbedeutend mit dem des biventrikulären Schrittmachers. CRT reduziert die Symptome bei Herzinsuffizienz und verlängert das Überleben.

Es ist auch möglich, ein CRT mit einem Defibrillator (CRT-D) auszustatten, was bei Personen mit hohem Risiko für ventrikuläre Arrhythmien angebracht ist.