Computerhart

Afgelopen week kreeg de eerste Nederlandse hartpatiënt een geheel digitaal werkende pacemaker van het vanouds Nederlandse bedrijf Vitatron.

Een pacemaker staat bekend als een onderhuids geïmplanteerd apparaatje dat met elektrische pulsjes een hart laat kloppen. In werkelijkheid hebben alle pacemakers tegenwoordig vooral een bewakende en ook een diagnosticerende functie: ze doen niks totdat het hart dat ze bewaken traag of onregelmatig klopt. Dan gaan ze gangmaken (pacen). De nieuwe Vitatron-pacemakers (de C-serie) die als eerste ter wereld hartsignalen digitaal verwerken, analyseren en diagnosticeren beter dan hun analoge voorgangers en concurrenten, claimt Vitatron.

``Bij een ritmestoornis van de hartboezems bijvoorbeeld,'' zegt Wim Boute, medisch directeur van Vitatron, ``kan het hart op drie manieren op hol slaan. De oude generatie pacemakers kon die verschillen niet detecteren. De nieuwe wel.'' Pacemakers leggen in hun geheugen vast welke ritme-onregelmatigheden ze in het hart van hun drager waarnemen. Ook leggen ze vast wanneer ze pacen. Komt een pacemakerdrager bij zijn cardioloog, dan houdt die arts een zender-ontvanger voor de borst van de patiënt en leest – door de huid heen – het geheugen van de pacemaker. Een aangepaste computer produceert vervolgens een rapport van de gegevens die de pacemaker heeft geregistreerd. Bij de digitale pacemaker verloopt de communicatie met de externe pacemakercomputer binnen seconden. De oudere generaties deden er minuten over. De digitale pacemaker levert bovendien een overzichtelijker rapport, waarin de cardioloog eerder afwijkingen en bijzonderheden opmerkt. Voorlopig profiteren daardoor vooral de cardiologen van de digitale pacemaker. En verder ontwikkelingswerk aan de software geeft hun de gelegenheid nog meer hun aandacht op de patiënt en minder op hun apparaatje te richten. Toch krijgen patiënten het – ongemerkt – ook comfortabeler. Het aantal keren dat de pacemaker onnodig ingrijpt neemt af.

De oude generatie pacemakers verwerkte de signalen van het hart analoog en sloeg alleen de gegevens digitaal op. De digitale pacemaker digitaliseert de signalen onmiddellijk bij binnenkomst en doet al het rekenwerk en de gegevensopslag verder digitaal. Paul Visser, manager productontwikkeling van Vitatron: ``Een voordeel van snel digitaliseren is dat de zekerheid van het signaal groter is. De analoge pacemakers, vooral de apparaten met twee leads (zie kader, red.) zijn nogal gevoelig voor storingssignalen van buiten de patiënt. Het signaal dat de tweede lead oppikt, vanuit de boezem, is nogal zwak. Als een pacemakerdrager een gsm-telefoon in de buurt van zijn pacemaker houdt, kan de pacemaker een gestoord hartritme detecteren. En het signaal van een op borsthoogte gehouden boormachine vinden we ook nog wel eens terug als een door de pacemaker waargenomen afwijkend hartritme. Zelfs de sterkere contractie van de hartkamers stoort soms het meetsignaal van de boezem. Wij willen natuurlijk dat een gemelde boezemritmestoornis ook werkelijk een ritmestoornis is. Met de oude pacemakers kan het aantal patiënten dat last heeft van een foutmelding oplopen tot wel 30 procent. De digitale pacemakers hebben er geen last meer van.''

Het duurde zeven jaar voordat het idee van de digitale pacemaker een implanteerbaar model werd. Het ontwikkelwerk voor de digitale pacemaker begon bij Vitatron in Dieren en is afgerond in Arnhem, in een splinternieuw gebouw met uitzicht op de IJssel en de snelweg naar Duitsland. Met zijn 160 onderzoekers staat Vitatron 16e op de lijst van grootste R&D-gerichte bedrijven in Nederland. De productie is enkele jaren geleden naar Zwitserland verplaatst.

Visser: ``De grootste ontwerpuitdaging was om bij de overgang van analoog naar digitaal het stroomverbruik niet te laten stijgen. Het ontwerp is gedreven door de eis dat de batterij minimaal zes jaar mee moet gaan. Een stroomverbruik van 1 microAmpère is voor ons al veel. Maak maar eens een chip die met zo weinig stroom toe kan.'' Hoe weinig die ene microAmpère voor een rekenchip is, blijkt als Visser de pacemakerchip vergelijkt met de Pentium 4, een chip die het rekenhart van de nieuwste generatie pc's vormt: ``Die chips hebben alleen al een lekstroom die tienmaal groter is dan de stroom waar een pacemakerchip op draait.''

De nieuwste pentiums hebben een kloksnelheid van 3 gigahertz. Zo'n klokpuls die het moment van ieder volgend rekenstapjes stuurt, raast drie miljard keer per seconde door de hele chip en verstookt daarmee heel wat energie. De klok van de pacemaker is 30.000 keer trager (100 kHz). Visser: ``En in grote delen van de chip staat de klok de meeste tijd uit, om stroom te sparen.'' De pacemakerchip van Vitatron is daartoe onderverdeeld in 13 domeinen met verschillende functies.

Boute licht toe hoe de pacemakerchip helemaal is ontworpen op het verwerken van hartsignalen: ``Een kloksnelheid van 100 kHz is ruim voldoende, want hartsignalen zijn laagfrequent.'' Een rustig hart slaat eenmaal per seconde, met 1 Hz. Boute: ``De pacemaker bemonstert het elektrische signaal uit het samentrekkende en ontspannende hart 800 keer per seconde.'' Die 800 Hz is ruim voldoende om één hartslag, met zijn plotseling stijgende en dalende elektrische activiteit te beschrijven. De signaalprocessor die Vitatron ontwikkelde kan ook niets anders dan het verwerken van hartsignalen. Visser: ``De rekengedeelten van de chip zijn zo gebouwd dat ze heel snel het verschil met het voorgaande signaal meten.''

De pacemakerchip heeft een bescheiden geheugencapaciteit: 36kb voor de opslag van de programma's (ROM) en 40 kb voor de opslag van de meetgegevens (RAM). Met de opslagruimte wordt gewoekerd door een grote gegevenscompressie toe te passen. Als er niets bijzonders gebeurt slaat de pacemaker op hoe lang hij hetzelfde signaal achter elkaar ziet. Pas bij speciale gebeurtenissen loopt het geheugen vol met gedetailleerde signalen.

Aan een pacemakerchip worden zulke speciale eisen van energiezuinigheid en duurzaamheid gesteld dat Medtronic, het moederbedrijf van Vitatron, zijn eigen chipfabriek heeft. En trouwens ook een eigen batterijfabriek. Gewone chip- en batterijfabrikanten leveren liever niet aan fabrikanten van medische apparatuur, vooral niet als die apparaten worden geïmplanteerd. De gewone chipfabrikanten kunnen en willen niet voldoen aan de betrouwbaarheidseisen en ze vrezen de claims als een product ooit zou falen en tot ziekte of de dood zou leiden.

Op de verdieping direct onder die van de ontwerpers en ontwikkelaars in het Vitatrongebouw in Arnhem is de kwaliteits- en duurzaamheidscontrole ondergebracht. Daar staan automatische werkbankjes die honderdduizenden keren aan de lead van een pacemaker trekken. Visser: ``Om te testen of de bevestiging en het contact in orde zijn.'' In een proefopstelling ligt daar ook een defibrillator, met zijn twee plaatvormige elektroden de schrik van iedere pacemaker. Visser: ``Het kan gebeuren dat een pacemakerdrager ernstige kamerfibrillatie krijgt en daar kan hij alleen uitkomen na een stroomstoot uit een defibrillator. Een pacemaker moet zo'n sterke elektrische puls kunnen verdragen. Nou, pacemakers slaan na zo'n klap soms blauw uit, maar ze overleven het wel.''