Volume 49, Issue 11

Patients suffering from chronotropic incompetence are generally treated with a rate-responsive pacemaker that stimulates the heart at a rate derived from a strain related sensor signal. The pacemaker concept described here uses a well-defined time interval in the electrogram as sensor parameter (AVCT: a trio- v entricular c onduction t ime). AVCT is directly controlled by the autonomic nervous system. The design of the new algorithm was based on a thorough experimental analysis of AVCT subject to variations of the exercise rate and the pacing frequency. There it was demonstrated that AVCT is disturbed by the respiratory activity. The new rate-responsive algorithm which uses the internal model control principle explicitly takes into account the closed-loop nature of the underlying system. The major design objectives were: a) extended range of the individual heart rate, b) effective attenuation of the respiratory related disturbance and c) dynamic stability. Seven patients undergoing an incre-mental exercise test were paced with the new AVCT-based algorithm. When paced with this algorithm the paced heart rate was 126±12 min -1 whereas the peak intrinsic heart rate was only 100±20 min -1 . The increase which was significant (26±13 min -1 ; 15..53 min -1 ) clearly demonstrated the potential of this concept to restore chronotropic competence. A reanalysis of the experiments was undertaken in order to facilitate the individual parameterization in clinical practice. It could be demonstrated that a rather simple screening test is sufficient to gain the knowledge necessary for the individual parameterisation.   Chronotrop inkompetente Patienten werden in der Regel mit einem frequenzadaptiven Herz-schrittmachersystem therapiert. Dieses stimuliert das Herz mit einer Frequenz, die von einem belastungskorrelierten Sensorsignal abgeleitet wird. In diesem Beitrag wird ein neues Schrittmacherkonzept beschrieben, das ein definiertes Zeitintervall im Elektrokardiogramm als Sensorgröße nutzt (atrio-ventrikuläre Leitungszeit, AVCT). AVCT unterliegt der direkten Kontrolle durch das autonome Nervensystem. Zunächst erfolgte eine gründliche experimentelle Analyse der AVCT bei Variation der Arbeitsbelastung und der Stimulationsfrequenz. Dabei konnte auch gezeigt werden, dass AVCT stark von der Atmung beeinflusst wird. Der Algorithmus, der auf dem „internal model control principle“ basiert, berücksichtigt explizit die zu Grunde liegende ge-schlossene Rückkopplung. Wesentliche Entwurfskriterien waren a) erweiterter Stimulationsfrequenz- bereich, b) effektive Dämpfung der atmungsgekoppelten Variabilität und c) dynamische Stabilität. Sieben Patienten wurden einem inkrementalen Belastungstest unterzogen und mit dem neuen Algorithmus stimuliert. Dabei betrug die maximal erreichte stimulierte Herzfrequenz 126±12 min -1 . Im Vergleich zur intrinsischen Herzfrequenz bei gleichen Bedingungen (100±20 min -1 ) wurde ein signifikanter Anstieg (26±13 min -1 ; 15.53 min -1 ) erzielt. Dieses Ergebnis belegte das Potential dieses Verfahrens, chronotrope Kompetenz wiederherzustellen. Eine weitergehende Analyse wurde mit dem Ziel unternommen, ein vereinfachtes Verfahren für die Parametrisierung des Algorithmus zu erarbeiten. Es konnte gezeigt werden, dass nur ein einfacher Belastungstest notwendig ist, um das System individuell einzustellen.

To prevent sudden cardiac death of patients who are at risk from long standing tachyarrhythmia the implantable cardioverter defibrillator (ICD) is the first choice therapy. ICDs use a range of electrostimuli up to defibrillation, which is a non synchronous high energy shock, whereas cardioversion is synchronous with the ECG. In order to know when and how to react, a detection algorithm, which analyses an intracardial electrocardiogram (ECG) and classifies the heart rhythm, is implemented in every ICD. All detection algorithms use the heart rate to classify the different heart rhythms roughly. If a tachycardia is detected, it is important to discriminate between a ventricular tachycardia, which is life threatening and a supraventricular tachycardia, which is much less threatening. To be able to make this distinction the detection algorithms analyse the behaviour of the heart cycle intervals, the ECG-morphology or in addition to the ventricular ECG, an atrial ECG. In this paper morphological algorithms will be evaluated and newly developed algorithms will be presented. Recent algorithms use the mathematical wavelet theory. The evaluation shows that these get better results than all but one of the simpler classical morphological algorithms. A new wavelet based algorithm, developed by the authors, exhibits the best detection results.   Der implantierbare Kardioverter/Defibrillator (ICD) hat sich als beste Präventionsmaßnahme zur Verhinderung eines plötzlichen Herztods bei tachykardiegefährdeten Patienten erwiesen. ICDs können Tachyarrhythmien mit einer Bandbreite von Elektrostimuli bis hin zur Defibrillation behandeln. Unter Defibrillation versteht man einen hochenergetischen unsynchronisierten Elektroschock, während bei Kardioversion ein mit dem EKG synchronisierter hochenergetischer Schock abgegeben wird. ICDs leiten ein intracardiales Elektrokardiogramm (EKG) ab und analysieren dieses mit Hilfe von Detektionsalgorithmen, um den aktuellen Herzrhythmus klassifizieren zu können. Alle Detektionsalgorithmen verwenden die Herzfrequenz für eine Grundklassifikation. Bei Tachykardien ist es wichtig, zwischen lebensgefährdenden ventrikulären Tachykardien und weniger gefährdenden supraventrikulären Tachykardien zu unterscheiden. Um dies zu erreichen, analysieren die Detektionsalgorithmen das Verhalten der EKGIntervalle, die EKG-Morphologie oder ein zusätzliches Vorhof-EKG. In diesem Artikel werden morphologische Algorithmen evaluiert und Neuentwicklungen vorgestellt. Neuere Algorithmen greifen auf die mathematische Wavelettheorie zurück. Die Evaluation zeigt, dass diese bessere Ergebnisse liefern als alle anderen, bis auf einen, der klassischen Algorithmen. Einer von den Autoren entwickelter waveletbasierter Algorithmus zeigt die besten Ergebnisse.

Commercially available cardiac pacemakers and implantable cardioverters/defibrillators (ICD) predominantly use the intracardiac derived electrocardiogram (ECG) for detection of arrhythmias. To achieve an automatic control of the heart frequency in accordance with cardiovascular strain and an improved detection of life-threatening arrhythmias, it is desirable to monitor the heart by an input signal correlated with the hemodynamic state. One possible approach to derive such a signal, is to measure the inotropy (mechanical contraction strength of the heart muscle). For this purpose an optoelectronic measurement system has been designed. The fundamental function of the system has been shown in earlier investigations using an isolated beating pig heart. In this paper further results showing the correlation of the fiberoptic sensor signal with the left ventricular stroke volume are presented. To make the system useful for implantable devices, further improvements with regard to power consumption and signal quality were achieved.   Zur Zeit auf dem Markt befindliche Herzschrittmacher und implantierbare Defibrillatoren (ICD) verwenden zur Erkennung von Arrhythmien überwiegend das im Herzen abgeleitete EKG. Um eine der Herz/Kreislauf-Belastung angepasste Regelung der Herzfrequenz bzw. eine verbesserte Erkennung von lebensbedrohlichen Arrhythmien zu ermöglichen, ist es wünschenswert, den hämodynamischen Status des Herzens als weitere Eingangsgröße messen zu können. Ein möglicher Ansatz zur Bestimmung einer solchen Größe ist die Messung der Inotropie (mechanische Kontraktionskraft des Herzmuskels). Zu diesem Zweck wurde ein optoelektronisches Messsystem entwickelt. Die grundlegende Funktion des Systems konnte in vorangegangenen Untersuchungen an isoliert schlagenden Schweineherzen nachgewiesen werden. In dem vorliegenden Beitrag werden weitergehende Ergebnisse zur Korrelation des Sensorsignals mit dem linksventrikulären Schlagvolumen dargestellt. Um das Sensorsystem für implantierbare Geräte nutzbar zu machen, wurden weiterhin Verbesserungen im Hinblick auf die Leistungsaufnahme sowie die Signalqualität vorgenommen.

Automatic control of the blood gas parameters during extracorporeal circulation has the potential to improve the quality of this procedure and to relieve the personnel from a time consuming task. This paper describes a model of the underlying system for a standard clinical setup and pinpoints the major difficulties which are the variations of the process gains and the blood- and gas-flow dependent dead times and time constants. Scheduled PI-controllers both for the arterial oxygen as well as for the carbon dioxide partial pressure were designed. Scheduling was based on the blood flow rate. These controllers were tested in a simulation environment. The control systems remained stable under all tested operating condition, but if the blood flow rate was changed abruptly rather large load errors occurred. The performance was improved markedly by adding a feed-forward control path which directly influences the actuating signals based on the actual blood flow rate and the hemoglobin contents, variables which are measured anyway. The major conclusion of this study is to use such direct feed-forward compensation even if more sophisticated control algorithms are used.   Die automatische Blutgasregelung beim Einsatz einer Herz-Lungen Maschine hat das Potential, die Qualität dieser Prozedur zu verbessern und zusätzlich das damit betraute Personal von einer zeitaufwendigen Aufgabe zu entlasten. Dieser Beitrag beschreibt ein an dem klinischen Umfeld orientiertes, regelungstechnisches Modell des zugrunde liegenden Systems und zeigt die hauptsächlichen Schwierigkeiten auf. Es sind dies die starke Variation der Prozessverstärkungen und die blut- und gasflussabhängigen Zeitkonstanten und Totzeiten. Zur Regelung der arteriellen Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdrücke wurden PI-Regler mit gesteuerter Adaption entworfen. Die Adaption basierte auf dem aktuellen Blutfluss. Die Regelsysteme wurden in einer Simulationsumgebung getestet. Sie waren in allen getesteten Arbeitspunkten stabil, allerdings traten relativ große Regelabweichungen nach abrupten Blutflussänderungen auf. Die Regelgüte wurde durch die Erweiterung um eine direkte Störgrößenkompensation erheblich gesteigert. Diese Kompensation basierte auf dem aktuellen Blutfluss und Hämoglobingehalt, also Variablen, die ohnehin gemessen werden. Die wesentliche Schlussfolgerung dieser Studie ist, in jedem Fall eine vergleichbare direkte Störgrößenkompensation, auch bei anderen Regelungsverfahren, einzusetzen.

If provided with adequate physiological conditions explanted hearts may continue to operate in the regular beating mode. This property offers the opportunity to substitute extensive animal experiments by investigations on the isolated organs. At the same time it enables the development of an alternative method for the transport of donor hearts for transplantation. Experimental setups for both applications are described in this paper. The focus is laid on the optimisation of handling and effectiveness of these setups by means of automatic control. The method for investigating the controlled system („plant”) for blood gas exchange, and especially the determination of the transfer function for the partial pressure of oxygen are described. The plant was triggered with stepwise changes on the gas side at several operating points. A first order lag element with time delay was chosen as approximation of every transfer function. The parameter ‘time delay’, ‘gain of the plant’ and ‘time constant’ were analysed as to the dependency on blood flow rate, gas flow rate and partial pressure of oxygen at the blood outlet of the oxygenator. As a result an equation was found to calculate the time delay from gas flow rate and blood flow rate. Correlation of gain and time constant with parameters of the plant were obtained, too. The data is used for the design of a controller, adapting to the different operating points of the plant.   Explantierte Herzen können durch Schaffung physiologischer Bedingungen isoliert im regulären schlagenden Modus betrieben werden. Diese Eigenschaft bietet die Möglichkeit, umfangreiche Ganztierversuche durch Untersuchungen am isolierten Organ zu ersetzen. Gleichzeitig ergibt sich dadurch eine alternative Organtransportmethode für Herztransplantationen. Dieser Beitrag stellt zwei Experimentalaufbauten zu den genannten Anwendungsmöglichkeiten vor. Mit Hilfe der Automatisierungstechnik soll die Handhabung und Wirkungsweise der Aufbauten optimiert werden. Detailliert wird dabei die Vorgehensweise zur Untersuchung der Blutgasregelstrecke, insbesondere der Regelstrecke für den Sauerstoffpartialdruck dargestellt. Die Regelstrecke für den Sauerstoffpartialdruck wurde in mehreren Arbeitpunkten durch sprungförmige Veränderung der Eingangsvariablen auf der Gasseite angeregt. Jede Übergangsfunktion wurde durch ein Verzögerungsglied 1. Ordnung mit Totzeit angenähert. Die Kenngrößen Totzeit, Streckenverstärkung und Zeitkonstante der Übergangsfunktionen wurden auf Abhängigkeit von Blutfluss, Gasfluss und Sauerstoffpartialdruck am Ausgang des Oxygenators untersucht. Dabei konnte für die Totzeit eine Berechnungsformel in Abhängigkeit von den Flüssen hergeleitet werden. Auch für die anderen Kenngrößen konnten Zusammenhänge mit Parametern der Regelstrecke gezeigt werden. Mit den gewonnenen Daten wird ein Regler, der die verschiedenen Zustände der Regelstrecke berücksichtigt, realisiert.

For many years computer models of the cardiovascular system have existed with which the complex physiological interrelations of regulation processes may be studied. However, one major disadvantage of these models is the simplified modeling of the heart kinematics whereby the short term regulation effects of the heart itself on varying physical strains may only be simulated rudimentarily. The developed pulsatile model emphasizes the detailed description of the systolic wall tension progression subject to the Hill/Frank-Starling mechanisms and the simulation of the cardiac valves. Moreover, to be able to describe long term effects the pulsatile model was coupled to the established cardio vascular model of Guyton. Using the coupled system the influences of impaired valve function and ventricular relaxation disorders on the cardiac output as well as the need for an implementation of a physical strain dependent av-delay in existing pacemakertypes were investigated. Both the dynamics and the steadystate values of a subset of variables (pressure, volume, flow) were successfully validated by comparing them to published experimental and clinical recordings.   Seit mehreren Jahren existieren Computermodelle des Herzkreislaufsystems, mit denen die komplexen physiologischen Zusammenhänge der Kreislaufregulation untersucht werden können. Ein Nachteil dieser Modelle ist jedoch die stark vereinfachte Modellierung der Herzkinematik, wodurch der Einfluss kurzfristiger Regelmechanismen des Herzens auf variierende körperliche Belastungen nur ansatzweise simuliert werden kann. In dem entwickelten pulsatilen Modell wurde neben einer detaillierten Beschreibung der systolischen Wandspannungsentwicklung in Abhängigkeit des Hill- und Frank-Starling-Mechanismus ein Schwerpunkt auf die Nachbildung der Herzklappen gelegt. Um auch langfristige Regelmechanismen beschreiben zu können, wurde das pulsatile Modell anschließend mit dem etablierten Kreislaufmodell von Guyton gekoppelt. Dadurch konnten die Auswirkungen einer Herzklappenfehlfunktion und einer ventrikulären Relaxationsstörung auf die Auswurfleistung des Herzens, als auch die Notwendigkeit der Implementierung einer belastungsabhängigen AVÜberleitungszeit in bestehende Herzschrittmachersysteme untersucht werden. Sowohl die Dynamik als auch die stationären Werte ausgewählter Variablen (Druck, Volumen, Fluss) wurden mithilfe veröffentlichter Messdaten erfolgreich validiert.