ICD-Detektionsalgorithmen

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1 354 9 Grundlagen von Defibrillation und antitachykarder Stimulation ICD-Detektionsalgorithmen W. Koglek, J. Brandl Das Wichtigste in Kürze Noch immer gehört die inadäquate Schockabgabe zu den häufigsten unerwünschten Ereignissen in der ICD-Therapie. Ziel eines Detektionsalgorithmus ist deshalb nicht nur, lebensbedrohliche ventrikuläre Arrhythmien sicher zu erkennen (Sensitivität), sondern auch, inadäquate Therapieeinsätze zu vermeiden (Spezifität). Grundlegende Voraussetzung dafür ist die exakte Detektion intrakardialer Signale, die zwischen ventrkulären und atrialen Ereignissen diskriminiert und Störsignale wie T-Wellen und Myosignale ausblendet. Während anfänglich Einkammer-ICD-Systeme nur ventrikuläre Ereignisse zur Therapieentscheidung nutzen konnten, verfügen Zweikammer-Defibrillatoren über atriale und ventrikuläre Wahrnehmung und damit über bessere Möglichkeiten, zwischen ventrikulärer und supraventrikulärer Tachykardie zu unterscheiden. Mit Erhöhung der Spezifität konnte die Zahl inadäquater Therapien vermindert werden. Nicht abschließend gelöst ist die Differenzierung folgender Rhythmusstörungen: Vorhofflimmern mit pseudoregelmäßiger Überleitung oder atrialem Undersensing, ventrikuläre Tachykardien (VT) mit retrograder VA-Leitung, Sinustachykardien mit AV- Block I. Grades, supraventrikuläre Tachykardien (SVT) mit atrialem Undersensing, sofern die Kammerfrequenz in der Flimmerzone detektiert wird. Trotz der Verbesserungen durch die Zweikammer-Technik bleibt das Problem inadäquater VT- Detektion und -Therapie deshalb bestehen und kann durch Ausnützung aller Programmieroptionen nur minimiert werden. Wahrnehmungsfunktion Aufgabe eines ICDs ist die Erkennung und Therapie von lebensbedrohlichen ventrikulären Arrhythmien. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, ist die sichere Erkennung der intrakardialen Signale nötig. Die Wahrnehmungsfunktion entscheidet also mit über die Qualität des Detektionsalgorithmus. Um inadäquate Therapien zu vermeiden, muss zwischen ventrikulären und atrialen Signalen unterschieden und die Wahrnehmung von Störsignalen wie T-Wellen, Myosignalen, Fernfeld- R-Wellen und externen Störquellen verhindert werden. Dass dies in der Vergangenheit nicht immer gelang und auch heute nicht endgültig gelöst ist, belegt eine Quote inadäquater Schockabgaben, die in der Literatur mit % angegeben wird (3, 4, 7, 12, 13, 17). Werden unter Sinusrhythmus Kammersignale mit hohen Amplituden (> 7 mv) und einer guten slew rate (0,5 3,0 V/s) wahrgenommen, können die Signale unter Kammerflimmern dramatisch einbrechen und sollten trotzdem sicher erkannt werden (Abb. 9.16). Dasselbe gilt für die atriale Wahrnehmung bei Zweikammer- ICDs, wenn unter Vorhofflimmern das atriale Signal von 2 3 mv auf 0,2 mv abfällt und die slew rate entsprechend klein wird. Eine primär hochempfindliche Einstellung würde auf der einen Seite die Detektionssicherheit erhöhen, auf der anderen Seite Oversensing heraufbeschwören und inadäquate Schocks ermöglichen. Die Forderung, über alle Bereiche ausreichende Wahrnehmungsempfindlichkeit vorzuhalten und gleichzeitig die Fehlwahrnehmung von Störsignalen zu mindern, wird von speziellen Detektionsalgorithmen mit automatischer Anpassung der Wahrnehmungsempfindlichkeit erfüllt. Blanking- und Refraktärzeiten Ausblendzeiten werden auch als absolute Refraktärzeiten des atrialen und ventrikulären Wahrnehmungskreises bezeichnet. Signale, die während dieser Periode auftreten, werden vom Wahrnehmungsverstärker ignoriert. Ausblendzeit nach Stimulation: Damit vermeidet man die Wahrnehmung (Oversensing) der induzierten Kammerdepolarisation, von Nachpotentialen und T-Wellen. In der Regel ist die Ausblendzeit nach Stimulation im Vorhof (Zweikammer-ICD) und in der Kammer programmierbar ( ms). Die werksseitigen Einstellungen sind eher kurz, um bei hohen Stimulationsfrequenzen die Detektion von VTs oder Kammerflimmern (VF) nicht zu beschränken. Damit der Stimulationsimpuls in der jeweils anderen Kammer nicht wahrgenommen wird, muss der nicht stimulierende Kanal für kurze Zeit ausgeblendet werden (Crossblanking). Blankingzeit nach Wahrnehmung: Nach einem wahrgenommenen Ereignis wird ebenfalls eine Ausblendzeit gestartet, um eine Doppelwahrnehmung (double sensing) von Kammerkomplexen oder Polarisationssignalen zu verhindern. Diese Ausblendzeit beträgt ca. 120 ms und ist meist nicht programmierbar. Automatische Wahrnehmungsanpassung Bei herkömmlichen antibradykarden Schrittmachern werden Wahrnehmungsverstärker mit fix programmierbaren Empfindlichkeiten verwendet, weil die Signalhöhe (besonders der Kammern) nicht übermäßig schwankt. ICDs sollen gegenüber hohen Kammersignalen bei normalem Herzrhythmus nicht unnötig empfindlich, bei Kammertachykardien oder -flimmern dagegen sensitiv genug sein, um auch kleinste Ventrikelsignale erkennen zu können. Automatische Wahrnehmungsfunktionen dienen der Anpassung an die unterschiedlichen Signalstärken. Dafür gibt es verschiedene Methoden:

2 ICD-Detektionsalgorithmen 355 Abb Bipolares, rechtsventrikuläres Elektrogramm (V-EGM), obere Ableitung R-Wellen unter Sinusrhythmus, untere Ableitung ventrikuläre Signale bei Kammerflimmern. Bei den ventrikulären Flimmersignalen ist ein deutlicher Abfall der Amplituden und der slew rate sichtbar, trotzdem werden alle Signale wahrgenommen (VS = ventrikuläres Sensing). Der Eingangsverstärker passt sich automatisch an die variierenden Signale an (automatic gain control). Bei dieser Funktion handelt es sich um ein Feedback-System, das unabhängig von der Höhe des detektierten Herzsignals (R-Welle) die Amplitude des Ausgangssignals hinter dem Wahrnehmungsverstärker konstant zu halten versucht. Unter- oder überschreiten die kardialen Signale ein bestimmtes Level, ändert sich die Verstärkung des Eingangssignals, die Schwelle für die Signalwahrnehmung nach Filter und Gleichrichter bleibt dagegen konstant (Abb. 9.17). Dies hat den theoretischen Nachteil, dass alle eingehenden Signale (Störsignale) verstärkt und erst im Filter oder Gleichrichter verarbeitet werden. Eine zweite Möglichkeit automatischer Wahrnehmungsanpassung ist die selbsttätige Variation der Empfindlichkeitsschwelle (automatic sensitivity control, auto-adjust threshold). Der prinzipielle Unterschied zur Verstärkeranpassung liegt darin, dass die Empfindlichkeitsanpassung die Schwelle für das bereits gefilterte und gleichgerichtete Signal regelt (Abb. 9.17) und Störsignale damit theoretisch weniger begünstigt werden. Firmenabhängig gibt es unterschiedliche Algorithmen, die sich im Detail und in der Einstellungsmöglichkeit unterscheiden. Die Grundfunktion des Algorithmus ist relativ einheitlich; dabei ist zwischen der Wahrnehmungsanpassung nach Sensing und nach Stimulation zu unterscheiden. Wahrnehmungsanpassung nach Sensing: Die von den Elektroden eingehenden Signale werden immer gleich verstärkt, gefiltert, gleichgerichtet und die Amplitude vermessen. Je nach Signalamplitude passt sich automa- Elektrode Verstärker Filter Gleichrichter Sensingschwelle Timing Ausgang Variabel für automatische Wahrnehmungsverstärkung Variabel für automatische Empfindlichkeitsanpassung mv Schwelle Eingang Zeit Abb Blockschaltbild eines ICD-Wahrnehmungsverstärkers. Über 2 Elektroden kommt das Signal in den Eingangsverstärker und wird für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Anschließend passiert das Signal den Bandpassfilter, um T-Wellen, Myosignale und Interferenzsignale zu reduzieren, der Gleichrichter hebt danach die unterschiedlichen Polaritäten auf. Übersteigt die Spannung des gleichgerichteten Signals die Sensingschwelle, gilt das Signal als wahrgenommen und führt zur entsprechenden Timerfunktion.

3 356 9 Grundlagen von Defibrillation und antitachykarder Stimulation tisch die Empfindlichkeit an, diese beträgt 75 % oder 50 % (je nach Algorithmus und Programmierung) der gemessenen Amplitude. Ein Beispiel zur Verdeutlichung: Wird ein Signal mit 5 mv gemessen, stellt sich die Empfindlichkeit auf 3,75 mv bzw. 2,5 mv ein. Danach nimmt die Empfindlichkeit linear zu (der nummerische Wert nimmt ab; decay ), bis die maximale, programmierbare Empfindlichkeit (z.b. 0,3 mv) erreicht ist. Die Abklingzeit bis zur maximalen Sensitivität variiert je nach Algorithmus zwischen 312 und 450 ms. Damit wird die Empfindlichkeit den unterschiedlichen Signalamplituden angepasst, so dass sie bei höherer Amplitude ab- und bei niedriger zunimmt. Abhängig vom ICD-Typ kann durch Programmierung oder Algorithmus eine Mindest-Empfindlichkeitsstufe festgelegt sein: beträgt diese 3 mv und die gemessene R-Wellen-Amplitude 7 mv, so startet die Empfindlichkeit bei 3 mv. Wird bei der gleichen Einstellung eine R-Welle von 4 mv gemessen, so startet die Empfindlichkeit (wie oben beschrieben) bei 50 % der Amplitude (2 mv) und beginnt von dort mit dem linearen Anstieg bis zur maximalen Empfindlichkeit (Abb. 9.18). Erfolgt die Festlegung der minimalen Empfindlichkeit automatisch über den Algorithmus, wird sie bei größeren R-Wellen Amplituden auf den 8-fachen Wert der programmierten maximalen Empfindlichkeit begrenzt. Dies bedeutet, dass bei einer maximal eingestellten Empfindlichkeit von 0,3 mv die minimale Empfindlichkeit (0,3 8) bei 2,4 mv liegt (Abb. 9.19). Die atriale Empfindlichkeitsautomatik arbeitet nach dem gleichen Prinzip, jedoch mit einer Abklingzeit von 200 ms. Anhand eines praktischen Beispiels wird die Anpassung der Wahrnehmungsempfindlichkeit bei T-Wellen-Oversensing dargestellt (Abb. 9.20): Einem 63- jährigen Patienten wurde wegen Kammertachykardien bei einer linksventrikulären EF von 35 % ein VVI-ICD (Photon µvr St. Jude Medical) implantiert. Die maximale Wahrnehmungsempfindlichkeit wurde auf 0,3 mv programmiert, der Startwert betrug 62,5 % der gemessenen R-Welle (5 mv). Die ventrikuläre Refraktärzeit nach Stimulation war auf 250 ms eingestellt, die Grundfrequenz auf 40 min -1 und die Ausgangsamplitude auf 2,5 V bei einer Impulsdauer von 0,5 ms. Bei der Nachkontrolle berichtete der Patient über einen Schock. Das gespeicherte EGM zeigte eine Entladung bei intermittierendem T-Wellen-Oversensing, das während Sinustachykardie (110 min -1 ) etwa 200 ms nach dem Ventrikelsignal auftrat. Damit wurden die Detektionskriterien erfüllt und triggerten die Defibrillation. Um das T-Wellen-Oversensing mit inadäquatem Schock zu vermeiden, stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung: Die Anhebung der prozentualen Empfindlichkeit, bezogen auf die gemessene R-Welle, von 62,5 % auf 75 % (Ausgangswert der Empfindlichkeitszunahme, Abb. 9.21a). Die Einstellung einer Verzögerung für den Beginn Empfindlichkeitszunahme (delay decay; Abb. 9.21b). Eine Umprogrammierung der maximalen Empfindlichkeit von 0,3 mv auf einen nummerisch höheren Wert. max. R-Welle 7 mv start Empf. 3,0 mv (programmiert) max. R-Welle 4 mv start Empf. 2,0 mv Sens R max. Empf. Abb Automatische Empfindlichkeitsanpassung (automatic sensitivity control). Nach Wahrnehmung der R-Welle (Sens R) wird die Refraktärzeit nach Wahrnehmung gestartet (). Die Messung der maximalen R-Welle (7 mv) erfolgt innerhalb der Refraktärzeit. Ist die programmierte Empfindlichkeit höher (nummerisch kleiner) als 50 % der gemessenen R-Welle (3,5 mv), beginnt der Start der neuen Empfindlichkeit (start Empf.) mit dem programmierten Wert (3,0 mv). Während des linearen Anstiegs der Empfindlichkeit wird kurz vor Erreichen der maximalen Empfindlichkeit eine neue R-Welle wahrgenommen. Die maximal gemessene R-Welle beträgt 4 mv, somit startet die neue Empfindlichkeit mit 2 mv (50 %).

4 ICD-Detektionsalgorithmen 357 ansteigende Empfindlichkeit Empfindlichkeit 0,3 mv Abb.9.19 Schematische Darstellung der Empfindlichkeitsanpassung bei Auftreten von spontanem Kammerflimmern. Prozessiertes intrakardiales Signal nach Filterung und Gleichrichtung. Abb.9.20 Speicher-EGM-Ausschnitt von einem Einkammer-ICD (Photon µvr St. Jude Medical) mit inadäquater Schockabgabe (HV), bei T-Wellen-Oversensing. Die gesamte Speicherdauer des EGM beträgt 40 s, die Schockabgabe mit 801 V erfolgt 28 s nach Beginn der Registrierung. Alle drei Möglichkeiten können zur Problemlösung führen, sollten jedoch nur einzeln angewandt werden, denn jede einzelne Änderung kann sich auf die Detektion von Kammerflimmern auswirken. Beide Einstellmöglichkeiten in Abb sind in der Lage, das T-Wellen-Oversensing zu verhindern, jedoch ist Vorsicht geboten, weil sich damit die Wahrnehmungsempfindlichkeit ändert und die VF-Detektion beeinträchtigt werden kann. Jede Änderung sollte deshalb Anlass sein, einen VF-Erkennungstest durchzuführen.

5 358 9 Grundlagen von Defibrillation und antitachykarder Stimulation max. R-Welle max. R-Welle 75% 62,5% 120 ms delay 62,5% Sens R Empf. 0,3 mv Sens R Empf. 0,3 mv a b Abb. 9.21a Anhebung der prozentualen Empfindlichkeit, bezogen auf die gemessene R-Welle, von 62,5 % auf 75 %; b Verzögerung des Beginns der Empfindlichkeitszunahme (delay decay) um 120 ms; beide Maßnahmen würden das T-Wellen- Oversensing vermeiden (gestrichelter Empfindlichkeitsverlauf). Zu beachten ist, dass sich in jedem Fall die Wahrnehmungsempfindlichkeit ändert und damit ein VF-Erkennungstest notwendig wird. Detektionsalgorithmen Initiale Erkennung Frequenzkriterium ICDs verfügen meist über 3 verschiedene Detektionsund Therapiezonen, um angemessen und auf die jeweilige Rhythmusstörung abgestimmt reagieren zu können (Abb. 9.22). Jede Zone stellt einen Bereich verschiedener Herzfrequenzen dar. Die programmierte Frequenz (z.b. 150 min -1 = 400 ms) bestimmt das minimale Intervall, das von der ventrikulären Zykluslänge (R-R-Intervall) unterschritten werden muss, um für die jeweilige Zone klassifiziert zu werden. Die fortlaufend gemessenen ventrikulären Zykluslängen (R-R-Intervalle) werden den entsprechenden Zonen zugeordnet. Die erste Zone wird bei Bedarf für langsame ventrikuläre Tachykardien (VT, Zone A, VT1-Zone), die zweite für schnelle ventrikuläre Rhythmen (FVT, Zone B, VT-Zone) und die dritte für Kammerflimmern (VF, Flimmerzone, VF-Zone) verwendet. Für die einzelnen Zonen können unabhängig verschiedene Therapieformen (antitachykarde Stimulation, Kardioversion, Defibrillation) gewählt werden. Zwischen den Zonen können sich die Detektionsalgorithmen in Sensitivität und Spezifität unterscheiden. Für die Erkennung und Klassifizierung einer hämodynamisch stabilen, langsamen Kammertachykardie (slow VT) ist eine hohe Spezifität von Vorteil, weil die Verwechslung mit beschleunigten Sinusrhythmen inadäquate Schocks zur Folge hätte. Für die Detektion von Kammerflimmern wird größtmögliche Sensitivität benötigt, weil ausbleibende Wahrnehmung (Underdetection) fatale Folgen hätte. Je nach Hersteller tragen die Detektionszonen unterschiedliche Bezeichnungen, sind funktionell jedoch vergleichbar. Auswahl und Programmierung der Frequenz-Detektionszonen Zahl und Zuschnitt der gewählten Detektionszonen sind von der Arrhythmieform des Patienten abhängig und sollten sich grundsätzlich auf den wirklichen Bedarf beschränken. Die Wahl nur einer Detektionszone ist bei Patienten sinnvoll, die ausschließlich Kammerflimmern oder hämodynamisch nicht tolerierte schnelle VTs aufweisen. Bei Programmierung der VF-Zone ist eine Sicherheitsmarge zwischen dem gewählten VF-Intervall und dem vom Detektionsalgorithmus tatsächlich festgestellten R-Wellen-Intervall bei Kammerflimmern einzukalkulieren. Typisch für den X-aus-Y-Erkennungsalgorithmus ist die Detektion von % der Flimmerintervalle, weil Undersensing einzelner Ventrikelsignale kaum vermeidbar ist. In mehr als 99,5 % der Episoden von Kammerflimmern liegen 75 % der Flimmerintervalle unter 200ms (19), so dass die Einstellung der VF-Zone auf 270 ms ausreichende Sicherheit bietet. Selbstverständlich sind Überlappungen mit schnellen Sinustachykardien zu berücksichtigen. Für Patienten, bei denen auch ventrikuläre Tachykardien auftreten, ist eine Zweizonen-Einstellung notwendig. Zu beachten ist, welcher Detektionsalgorithmus Verwendung findet. Bei konsekutiver Intervallzählung sollte das Detektionsintervall die Tachykardie-Zykluslänge um etwa 40 ms übersteigen. Eine adäquate Breite der Detektionszone verhindert, dass stark

6 ICD-Detektionsalgorithmen 359 Ablauf VVI Erwartungsintervall BP VF- FVT- VT- Sinus- V-Sensing Zone Abb Frequenz-Detektionszonen mit zugehörigen Intervallen: Ventrikuläre Flimmerzone (VF): 300 ms; Zone schneller ventrikulärer Tachykardien (FVT): 380 ms; ventrikuläre Tachykardiezone (VT): 450 ms. BP = Blankingzeit nach ventrikulärer Wahrnehmung: 120 ms. variierende Zykluslängen die Zähler zurückstellen und eine Fehldetektion der VT verursachen. Dies gilt auch für Algorithmen, die ein kombiniertes Zählkriterium verwenden. Die Aktivierung aller drei Detektionszonen bleibt Patienten mit komplexen Rhythmusstörungen vorbehalten. Dies gilt etwa, wenn zwei unterschiedliche VTs unterschiedliche ATP-Therapie benötigen. Dies gilt auch für schnelle, mit ATP terminierbare ventrikuläre Tachykardien (fast ventricular tachykardia FVT), deren Zykluslänge mit der Flimmer-Detektionszone überlappt und eine zusätzliche Detektionsmöglichkeit benötigt. Bei dieser Option, FVT-Detektion über VF- Counting, wird für die FVT-Zone (fast tachycardia interval, FTI) eine kürzere Zykluslänge als für die VF-Detektionszone eingestellt (9). Die Detektionszone für niedrige Herzfrequenzen kann als reine Monitor-Zone genutzt werden, wenn die Detektion aktiviert und die Therapie deaktiviert ist. Bei dieser Einstellung kann es zur Interaktion zwischen den Zählern in der Monitor- und der nächst höheren Detektionszone kommen. Dies ist dann der Fall, wenn der Zähler in der höhergelegenen Zone durch ein einzelnes längeres Intervall, das in die Monitorzone fällt, auf Null gestellt wird. Diese Interaktion kann die Zahl der gültigen Intervalle in der höheren Zone mindern, die Befriedigung des Zählerkriteriums verzögern und damit die Therapie verspätet einsetzen lassen (19). Frequenzbasierte Algorithmen zur Detektion von Kammerflimmern Unabhängig von der verwendeten Sensing-Technik (automatic gain control oder automatische Wahrnehmungsanpassung) lässt sich Undersensing bei Kammerflimmern nicht vollständig vermeiden. Die Frequenz-Detektionsalgorithmen müssen deshalb einen gewissen Grad von Undersensing tolerieren. Die verwendeten Algorithmen unterscheiden sich zwar herstellerspezifisch, sind in der Funktion und im Grad der Zuverlässigkeit jedoch ähnlich. Zur Anwendung kommen die so genannten X-aus-Y-Kriterien, die X %-aus-y-kriterien oder Durchschnittsintervall-Kriterien. Erfolgt eine kontinuierliche Messung des R-R-Intervalls und ist das gemessene Intervall kürzer als das programmierte ventrikuläre Flimmer(VF-)Intervall, wird der VF-Zähler um 1 erhöht, bis die vorgegebene Anzahl X (z.b. 12) der zu detektierenden Intervalle erreicht ist. Damit sind die VF-Kriterien für den ICD erfüllt und es wird die erste programmierte Therapie eingeleitet. Zusätzlich zur geforderten Zahl tachykarder Intervalle existiert noch ein gleitendes VF-Wahrnehmungsfenster, dessen Weite über eine programmierbare Anzahl beobachteter Zyklen festgelegt wird (Y; z.b. 16). Kommt es bei der konsekutiven Messung der R-R Intervalle zum Undersensing von ein oder zwei Intervallen werden die VF-Kriterien ebenfalls erfüllt, wenn X (z.b. 12) Zyklen innerhalb des Wahrnehmungsfensters