Die Geschichte der Herzschrittmacher-Therapie beginnt vor ca. 100 Jahren. 1926 führte der australische Anästhesist Mark C. Lidwell transkutan mit einer isolierten Nadel und Netzstrom die erste erfolgreiche Herzschrittmacherstimulation bei einem Neugeborenen durch. Die Schrittmacherfrequenz war von 80–120/min variabel und die Spannung von 1,5–120 V. Die Fallbeschreibung und eine transportable Version des Stimulators stellte er auf der 3. Sitzung des Australian Medical Congress von 1929 vor¹. Wohl aufgrund von massiven Anschuldigungen führte er keine weiteren Experimente an Menschen mehr durch.

Im Jahr 1932 stellte Alfred Hyman seinen externen „artificial pacemaker“ vor, der über Stimulationsnadeln den rechten Vorhof oder Ventrikel direkt reizen konnte ². Bis März 1932 setzte er seinen Herzschrittmacher 43 Mal bei Patienten ein, in 14 Fällen mit Erfolg. Die Reaktion der Fachwelt und der Presse war verheerend. Hyman wurde vor Gericht gezerrt, man beschuldigte ihn der „frevelhaften Einmischung in die göttliche Vorsehung“. Daraufhin verzichtete Hyman auf eine Publikation seiner Reanimationsversuche bei Menschen und veröffentlichte nur die Ergebnisse von Tierversuchen. Vermutlich um Lidwell zu schützen, zitierte er dessen Ergebnisse nicht unter seinem Namen, sondern unter dem Namen „Gould“³.

Die kanadischen Herzchirurgen John Callaghan und Wilfred Bigelow versuchten 1951, während einer Hypothermie die Herzfrequenz durch Stimulation des Sinusknotens über eine Elektrode in der oberen Hohlvene zu erhöhen⁴. Paul M. Zoll vom Beth Israel Hospital in Boston, USA, stellte 1952 einen Elektrostimulator vor, der über thorakale Elektroden hochenergetische thorakale Impulse abgeben konnte, um damit Notfallsituationen mit Asystolie zu überbrücken⁵. Erst die Entwicklung epimyokardialer Elektrodendrähte durch William L. Weirich aus Minneapolis, USA, 1958 ermöglichte bei totalem AV-Block nach Vorhofseptumverschluss eine sichere, niederenergetische Stimulation⁶.

Bigelow (1950), Zoll (1952), Lillehei (1956) und Reynolds (1958) begannen mit der Herzstimulation unter Verwendung des Grass-Stimulators, der für physiologische Untersuchungen entwickelt wurde⁷. Das System war jedoch von einer externen Stromversorgung abhängig; 1957 verursachte ein Wintersturm in Minneapolis einen Stromausfall, der zum tragischen Tod eines Babys führte. Walton Lillehei bat daraufhin Earl Bakken⁸, der damals als Vertreter seiner kürzlich gegründeten Firma Medtronic das chirurgische Forschungslabor betreute, um einen batteriebetriebenen externen Herzschrittmacher zu konstruieren⁹. Nach ersten Experimenten mit einer Autobatterie griff Bakken schließlich auf einen damals neuartigen Stromkreislauf für Metronome zurück. Die Bauanleitung hatte er im Magazin Popular Electronics gefunden. Innerhalb weniger Wochen war Bakkens Herzschrittmacher einsatzbereit. Dieser erste tragbare, batteriebetriebene Herzschrittmacher war epochal, da hiermit die Leistungsfähigkeit dieser Therapieform demonstriert werden konnte.

Der transvenöse Zugangsweg zu einer endokardialen Stimulation wurde 1958 von Seymour Furman vom Montefiore Medical Center und Albert Einstein College of Medicine, Bronx, New York beschritten. Nachdem am 12. März 1958 im Tierversuch über die äußere Jugularvene eine rechtsventrikuläre endokardiale Stimulation erfolgreich durchgeführt wurde, konnte ein Patient mit erworbenem kompletten Herzblock und einer idioventrikulären Frequenz von 30 Schlägen/min, der eine Resektion eines Kolonkarzinoms benötigte, am 16. Juli 1958 für 2 h während der Operation erfolgreich stimuliert werden. Nach Entfernen der Stimulationselektrode kehrte der vollständige Herzblock mit idioventrikulärem Rhythmus zurück, und er starb plötzlich am 31. Juli 1958. Am 18. August 1958 wurde der zweite Patient mit Vorhofflimmern und langsamer ventrikulärer Reaktion einer Elektrodenplatzierung über die linke Basilikavene unterzogen. Die rechtsventrikuläre Stimulation wurde bis zum 21. November 1958 fortgesetzt, zu diesem Zeitpunkt war er 13 Wochen und 5 Tage kontinuierlich stimuliert worden. Er hatte sich von seinen mentalen und neurologischen Defiziten erholt und wurde mit Vorhofflimmern und einer anhaltend nicht stimulierten ventrikulären Frequenz aus dem Krankenhaus entlassen. Er hatte mehrere Rezidive, die kürzere Schrittmacherperioden erforderten, und überlebte bis zum 18. Februar 1962. Bis zum 15. Januar 1961 wurden transvenöse Stimulationen im Herzkatheterlabor unter der Leitung von Doris Escher bei 25 Patienten erfolgreich durchgeführt, von denen 13 mehr als 6 Monate überlebten, maximal 315 Monate. Transvenöse Elektroden wurden kombiniert mit einem externen Impulsgenerator angewandt, bis implantierbare Impulsgeneratoren verfügbar wurden¹⁰.

Als die eigentliche Geburtsstunde der heutigen Herzschrittmachertherapie gilt die am 08.10.1958 im Karolinska Hospital in Stockholm durchgeführte erste vollständige Implantation eines Herzschrittmachers mit extern wiederaufladbaren Nickel-Cadmium -Batterien durch den Herzchirurgen Ake Senning. Der Schrittmacher war von dem Arzt und Ingenieur Rune Elmqvist¹¹ entwickelt und trotz Bedenken der Pioniere auf Drängen der verzweifelten Ehefrau dem Patienten Arne Larsson implantiert worden, der täglich 20 bis 30 Adams-Stokes-Anfälle erlitt und immer wieder reanimiert werden musste. Die Stimulation erfolgte über 2 Elektrodendrähte, deren distales Ende in das Myokard eingenäht wurde. Das System versagte innerhalb eines Tages, ein zweites hielt 8 Tage. Der Patient blieb danach 2 Jahre unversorgt, bevor 1961 die Elektroden ersetzt und ein Herzschrittmacher mit einer Quecksilber-Zink- Batterie implantiert wurde. Der Patient benötigte 5 Elektroden und 22 Impulsgeneratoren bis zu seinem Tod an einem Malignom am 28. Dezember 2001 im Alter von 86 Jahren. Der wiederaufladbare Herzschrittmacher Elema 135 wurde erfolgreich in Stockholm (1958), Uruguay (Februar 1960) und England (März 1960) implantiert, aber Elema Schonander (später Siemens-Elema) reichte nie eine Patentanmeldung ein – die Marktperspektiven wurden als schlecht wahrgenommen! Herzschrittmacher wurden als eine teure Dienstleistung für prominente Kunden mit geringem kommerziellem Wert angesehen.

Im Jahr 1960 patentierte Wilson Greatbatch¹² aus Buffalo, USA, den implantierbaren Herzschrittmacher, der durch Quecksilber-Zink-Batterien betrieben wurde. William Chardack berichtete 1960 über die erste erfolgreiche Implantation dieses Geräts beim Menschen. Zunächst wurde am 18. April 1960 eine bipolare Elektrode epimyokardial implantiert und erst am 6. Juni 1960, bei stabiler Reizschwelle, das Schrittmacheraggregat¹³. Eine zweite Implantation erfolgte am 20.07.1960 von Paul M. Zoll in Boston¹⁴. Bis 1961 wurden von Chardack¹⁵ 15 und von Zoll 14 Herzschrittmacher implantiert und es wurde über eine Nachbeobachtungszeit von bis zu 12 Monaten berichtet.

Die erste Herzschrittmacher-Implantation in Deutschland wurde am 06.10.1961 von Heinz-Joachim Sykosch in der Chirurgischen Klinik der Universität Düsseldorf durchgeführt. Die Umstände des Eingriffs sind ausführlich von Sven Effert¹⁶ beschrieben.

Es handelte sich um ein 19-jähriges Unfallopfer, das durch eine Commotio cordis einen totalen AV-Block mit schwerem Adams-Stokes-Syndrom entwickelte und bei dem monatelang versucht wurde, mit periodischer externer Stimulation auftretende Asystolien zu überbrücken. Zunächst wurde mittels eines Trokars im 5. Interkostalraum links eine Elektrode an das Perikard vorgeführt und über Stunden stimuliert, bis wieder ein Ersatzrhythmus auftrat. Als 2 Tage später das Verfahren wiederholt werden musste, entschloss man sich zur transvenösen Applikation einer intrakardialen Elektrode, die an der Spitze eines gewöhnlichen Cournand-Katheters angebracht war und die bis in die Ausflussbahn des rechten Ventrikels vorgeführt wurde. Als die Stimulation über die Katheterelektrode wegen ansteigender Reizschwellenwerte über 80 V und Dislokation der Elektrode nicht mehr gelang und die Anfälle trotz medikamentöser Behandlung mit Adrenalin rezidivierten, wurden nach medialer Sternotomie 2 Elektroden aus rostfreiem Stahl in die rechte Ventrikelwand eingenäht, zur externen Stimulation nach außen geleitet und an einen externen Stimulator angeschlossen. Beide Elektroden brachen innerhalb eines Monats, nach einer weiteren Thorakotomie wurden zwei mit Polyäthylen isolierte Stahldrahtelektroden implantiert. Diese hielten 4 Monate und mussten wegen Sondenbruchs und einer Infektion des Drahts entfernt werden. Inzwischen verfügte die Klinik über einen externen Stimulator, der über thorakale Elektroden mit einer Spannung von 12 V das Herz stimulieren konnte. Wegen der schmerzhaften Mitstimulation der Thoraxmuskulatur konnte die Stimulation jeweils nur für Minuten durchgeführt werden. Nachdem der Patient für 3 Monate mit einem Ersatzrhythmus von 26 bis 28 min⁻¹ stabil war, traten erneut anhaltende Asystolie-Anfälle auf. „In dieser Situation entschlossen wir uns zur Implantation eines Mikroschrittmachers [von Chardack] mit Elektroden aus einer Platinlegierung … Die Operation fand am 6. Oktober 1961 in Intratrachealnarkose statt … Unter permanenter elektrischer Stimulation wurde der Herzbeutel eröffnet, … die beiden Elektroden in einem Abstand von ca. 2 cm an der Vorderwand der linken Kammer angenäht, … der Schrittmacher in einer Tasche der Bauchmuskulatur versenkt. Die Aktivierung der Kammern durch den implantierten Mikroschrittmacher erfolgte unmittelbar nach dem Anschluss der Elektroden.“¹⁷

Über die Beschaffung des Geräts (Abb. 1) gibt es unterschiedliche Darstellungen.

In einem „Zeitzeugen-Interview“ mit Berndt Lüderitz¹⁸ gab Effert an, auf Einladung Chardacks 1960 in Buffalo erstmalig den implantierbaren Herzschrittmacher gesehen zu haben. Er beschloss, nach Rücksprache mit seinem Chef, der die Kosten übernahm [sic!], den Herzschrittmacher in der rechten Hosentasche nach Deutschland einzuschmuggeln. Sykosch widerspricht in einer persönlichen Mitteilung dieser „nice story“. Die unsterilen Transportbedingungen und die äußerst brüchigen Platin-Iridium-Elektroden hätten eine sichere Beförderung in der Hosentasche nicht zugelassen. Aber auch die Darstellung von Sykosch, er habe nach Kontaktaufnahme mit Chardack und Greatbatch die persönliche Bestellung des Herzschrittmachers veranlasst, entspricht nicht den Aktenunterlagen. Demnach handelte es sich um eine „ordnungsgemäße“ Bestellung des Geräts durch Effert im Namen der 1. Medizinischen Klinik bei der Firma Heinrich G. Ulrich, die den Vertrieb in Deutschland für die Firma Medtronic übernommen hatte und einen Hinweis auf die „Eilbedürftigkeit der Beschaffung, insbesondere im Hinblick auf den Behandlungsfall“ enthält (Faksimile der Bestellung vom 12.09.1961)¹⁹. Von der Erstimplantation eines aufladbaren Herzschrittmachersystems in Schweden hatten sowohl Sykosch als auch Effert keine Informationen, da Senning nur auf einem französischen Kongress für Medical Electronics über die Implantation berichtet hatte. 1976 konnte Effert dazu beitragen, dass Elmqvist und Senning der renommierte Aachen-Münchener Preis für Technik und angewandte Naturwissenschaften verliehen wurde.

Auch um die Durchführung der Operation ranken sich manche Gerüchte.

Im „Zeitzeugen-Interview“ mit Lüderitz berichtet Effert: „Am 6. Oktober 1961 haben wir in Düsseldorf implantiert. Jochen Sykosch – Herzchirurg, mit dem ich lange Jahre zusammengearbeitet habe – war der Operateur.“ Dem widerspricht Sykosch, nach dessen Angaben er, in verschworener Gemeinschaft aus OP-Personal‘ an einem Samstag früh morgens um sieben Uhr vor Eintreffen seiner Assistentenkollegen und ohne Kenntnis seines Chefs in der Klinik operiert habe. (Persönliche Mitteilungen (2012) Prof. Heinz-Joachim Sykosch, Düsseldorf).

Sykosch selbst stellt die Umstände und Konsequenzen des Eingriffs wie folgt dar: „Mein Chef hatte gesagt, ich soll den Mann in Frieden sterben lassen. Aber ich hatte von der Entwicklung eines erstmals vollständig implantierbaren Schrittmachers in den USA gehört. Das Gerät habe ich bekommen und es hat funktioniert.“ Da er sich damit über die Anweisungen seines Chefs, Prof. Ernst Derra hinweggesetzt hatte, sei ihm gekündigt worden, er wurde aber bald darauf wieder eingestellt²⁰. Der von Sykosch operierte Patient wurde 45 Jahre alt – er starb an einem Nierenleiden.

Am 13.12.1961 führte Paul Sunder-Plaßmann in Münster bei einem Patienten mit totalem AV-Block die zweite Herzschrittmacher-Implantation in Deutschland durch. Die epimyokardial implantierten bipolaren Platinelektroden wurden nach Tunnelung mit einem abdominal implantierten System verbunden. Elf Monate später berichtete er darüber beim Deutschen Thoraxchirurgenkongress^21,22. Dem Patienten ging es sehr gut, es trat kein Adams-Stokes-Anfall mehr auf.

Die Implantationszahlen waren im Folgejahr noch gering. So wurden 1962 in Düsseldorf nur 6 weitere Patienten²³ und in Münster sogar nur ein weiterer Fall versorgt²⁴. 1963 implantierte Sebastian Bücherl in Berlin (West) den ersten in Deutschland von dem Physiker Max Schaldach²⁵ und dem Elektroingenieur Otto Franke entwickelten Herzschrittmacher.

Die erste Herzschrittmacher-Implantation in der DDR wurde am 02.09.1963 von Friedrich Flemming an der Charité in Ost-Berlin durchgeführt, gefolgt von Operationen am 17.10. und 31.10.1963 durch Gerd Kuhlgatz in Rostock und am 13.11.1963 durch Martin Herbst und Wolfgang Ursinus in Leipzig²⁶.

Bei der ersten Patientin handelte es sich um eine 30-jährige Frau, die wegen rezidivierender Synkopen und Verdacht auf eine idiopathische Herzmuskelhypertrophie im Januar 1963 an der Charité eine Angiokardiographie erhielt. Bei der retrograden Passage des Katheters in den linken Ventrikel trat eine Asystolie auf, die durch präkordiale Faustschläge unterbrochen und in eine Kammerautomatie von 35 min⁻¹ überführt werden konnte. Unter einer Isoproterenol (Novodrin®)-Medikation blieb die Patientin bis Mai 1963 anfallsfrei. Danach häuften sich Adams-Stokes-Anfälle und die Patientin konnte nur unter einer Orciprenalin-Tropfinfusion frei von Anfällen gehalten werden. Dies veranlasste dazu, die Implantation eines elektrischen Herzschrittmachers am 02.09.1963 in der Chirurgischen Klinik der Charité vorzunehmen. Die Patientin war danach bei einer Pulsfrequenz von 90 min⁻¹ auch ohne Einnahme von Medikamenten beschwerdefrei.

Der zweite Patient war ein 63-jähriger Mann mit Gelenkrheumatismus und rezidivierender Bewusstlosigkeit. Im Januar 1963 nahmen die Anfälle zu. Durch lautes Schreien und kräftige Faustschläge auf die Brust konnte der Patient diese Anfälle vermeiden. Die Pulsfrequenz betrug 40 min⁻¹ , und im EKG konnte ein 2:1- AV-Block registriert werden. Der Patient wurde auf Isoprenalin-Tabletten eingestellt. Ende August 1963 verstärkten sich die Anfälle derart, dass Anfallsfreiheit nur unter Orciprenalin-Gaben zu erreichen war. Die Pulsfrequenz schwankte zwischen 40 und 20 min⁻¹. Aus diesem Grund wurde am 07.11.1963 die Implantation eines elektrischen Herzschrittmachers vorgenommen. Der Patient konnte danach beschwerdefrei entlassen werden. Am 08.01.1964 traten erneut Adams-Stokes-Anfälle auf. Als Ursache stellte sich ein Bruch der Platinelektrode heraus, die gegen die Stahldrahtelektrode ausgetauscht wurde. Eine weitere Implantation erfolgte am 18.11.1963 bei einem 59-jährigen Patienten mit totalem AV-Block und Adams-Stokes-Anfällen. Auch hier trat nach 37 Tagen ein Bruch des Überleitungsdrahts auf, der in Lokalanästhesie ausgewechselt wurde²⁷.

Der ersten Herzschrittmacher-Implantation in Rostock im Oktober 1963 ging der tragische Fall einer 39-jährigen Frau voraus, die bei AV-Block III mit Asystolie am 27.01.1963 per Thorakotomie eine ventrikuläre Myokardelektrode implantiert bekam und an einen batteriebetriebenen externen Schrittmacher tschechischer Bauart angeschlossen wurde. Nach 12 Wochen kam es zum Reizschwellenanstieg mit Ausfall der Stimulation und Tod der Patientin²⁸.

Protagonisten der Herzschrittmachertherapie an der Universität Rostock im Jahr 1963 waren Oberärzte der Medizinischen und der Chirurgischen Klinik, der Internist Gerhart Hafemeister und der Chirurg Gerd Kuhlgatz. Das erste vollständig implantierte Gerät erhielt am 17.10.1963 eine 54-jährige Patientin wegen zunehmender Adams-Stokes-Anfälle bei totalem AV-Block. Die Operation wurde über eine linksseitige posterolaterale Thorakotomie vorgenommen und das Aggregat im linken Oberbauch subkutan implantiert. Bis zum Jahresende 1963 wurden in Rostock noch zwei weitere Patienten versorgt.

In Leipzig erhielt am 13.11.1963 ein 71-jähriger Mann mit gehäuften Adams-Stokes-Anfällen den ersten Herzschrittmacher. Durch Umschaltung der Frequenz von 70 auf 90/min wurden die anfänglich noch auftretenden Spontanreaktionen unterdrückt. Im November und Dezember 1963 wurden in Leipzig noch zwei weitere Patienten mit totalem AV-Block versorgt, eine 40-jährige Frau nach toxisch-entzündlicher Schädigung des Erregungsleitungssystems und eine 19-jährige Frau nach kardiopulmonaler Reanimation²⁹.

Für die ersten Operationen in der DDR stand der Schrittmacher der Firma Vitatron, Niederlande, zur Verfügung, der an der Universität Groningen entwickelt wurde. Seine Abmessungen betrugen 9,2 × 4,4 × 2,2 cm, sein Gewicht ca. 150 g, 6 Quecksilberbatterien lieferten eine Spannung von 8 V. Über einen transistorgesteuerten Impulsgenerator wurden Rechteckimpulse von 2 ms Dauer generiert. Um das Gehäuse aus Silikon war die indifferente Elektrode als schmaler Metallstreifen angebracht. Die Stimulation erfolgte unipolar über einen isolierten Platinstift, der mit dem isolierten Edelstahlkabel verbunden war. Eine Reserveelektrode war als Drahtelektrode konstruiert, die durch den Herzmuskel durchgeführt wurde. Sie kam zum Einsatz bei einem Bruch der Plantinelektrode, die dann in Lokalanästhesie gegen die Stahldrahtelektrode ausgetauscht werden konnte. Der starrfrequente Herzschrittmacher konnte postoperativ per Magnet, der in Längsrichtung des Schrittmachers um 180^o gedreht wurde, auf zwei Frequenzen (65 und 85 min⁻¹) eingestellt werden. Neben 7 Aggregaten der Firma Vitatron wurden bis 1967 noch 40 Herzschrittmacher der Firma Devices Sales Ltd. (entwickelt am St. Georges Hospital in London, England), 6 P-Wellen-gesteuerte Atricor-Pacemaker der Firma Cordis, USA, und 3 Schrittmacher der Firma Elema, Schweden, implantiert.

Von Oktober 1963 bis März 1965 erhielten in Rostock insgesamt 15 Patienten einen Herzschrittmacher. Bei einer Nachbeobachtung bis zu 17,5 Monaten wurden ein Bruch eines Elektrodenkabels und technische Komplikationen mit kontinuierlichem Frequenzabfall und Ausfall der Schrittmacherfunktion bei 4 Patienten beobachtet. Eine Patientin starb 3 Wochen nach der Operation an einer Hirnembolie. Bei allen anderen Patienten führte die Schrittmacherbehandlung zur Anfallsfreiheit und deutlichen Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit³⁰.

Über den Krankheitsverlauf der ersten Rostocker Patientin berichtete Georg H. von Knorre 2013³¹, der die Bandbreite der in den Anfängen dieser Therapie häufigen Komplikationen illustriert. Bereits 6 Monate nach der Implantation musste sich die Patientin einer ersten Revisionsoperation wegen eines Kabelbruchs unterziehen, bei der die gebrochene Elektrode gegen die Ersatzelektrode am Gerät ausgetauscht wurde. Insgesamt erfolgten 17 Re-Eingriffe, dennoch konnte die Patientin ein adäquates Leben führen, bis sie 80-jährig am 24.01.1990 nach über 26 Jahren mit einem Herzschrittmacher verstarb.

In der Bundesrepublik stellte Sykosch aus Düsseldorf 1968 die Ergebnisse von 6 Jahren Herzschrittmachertherapie vor. Eindrucksvoll konnte gezeigt werden, dass die Überlebensrate nach 1 und 2 Jahren deutlich über der bei medikamentöser Behandlung lag (Abb. 2).

Bei 256 von 372 Patienten lag ein kompletter atrioventrikulärer Block vor, 91 % Adams-Stockes-Anfälle, 88 % der Patienten waren älter als 50, 31 % älter als 70 Jahre. Das Verhältnis Männer zu Frauen betrug 2:1. Bei den ersten 102 Patienten wurden überwiegend Chardack-Elektroden nach Thorakotomie epimyokardial, in der Regel am linken Ventrikel appliziert. Bei 11 Patienten wurden die Elektroden mittels Pericardiotomia inferior am rechten Ventrikel fixiert. Bei 259 Fällen wurde die intrakardiale Elektrodentechnik angewendet: Einführen eines Elektrodenkatheters durch eine Vene (anfangs Venae sectio der rechten Vena jugularis, später Vena cephalica), subkutane Verbindung des Katheters zum Schrittmacher rechts subpektoral.

Bei 90 % der Patienten wurden Herzschrittmacher mit fixer Frequenz verwandt. Zwölf Patienten (3 %) erhielten einen P‑Wellen-gesteuerten Schrittmacher, bei 2 Patienten trat eine vom Schrittmacher auf die Kammern übertragene Vorhoftachykardie auf. 7 % der Patienten erhielten einen Demand-Schrittmacher.

Die Problematik der Herzschrittmachertherapie bestand in der relativ hohen Komplikationsrate. Diese lag zum einen an vorzeitigem Batterieversagen oder Ausfall elektronischer Bauelemente. Bei der ersten Serie von 1961 bis 1964 musste der Schrittmacher nach 13,8 Monaten ausgetauscht werden, danach wurde mit einer mittleren einwandfreien Funktion von 2 Jahren gerechnet.

Eine zweite typische Komplikation waren Elektrodenbrüche, die bei Verwendung von epimyokardial applizierten Elektroden in 21 % auftraten, im Gegensatz zu 2,5 % bei transvenös platzierten Elektroden. Dafür kam es bei diesen in 8,5 % zur Verlagerung der Elektrodenspitze, die revidiert werden musste. Bei 8 Patienten (3 %) traten Ventrikelperforationen auf, die durch Zurückziehen der Elektrodenspitze in allen Fällen [!] ohne weitere Folgen korrigiert werden konnten. Infektionen der Schrittmacherkapsel und Perforationen des Herzschrittmachers traten in 8 % nur bei den epimyokardialen Elektroden auf, Hautperforationen der Elektroden nur bei den über die V. jugularis applizierten Sonden³².

Die Ergebnisse von 15 Jahren Herzschrittmachertherapie stellten Effert und Irnich³³ aus Aachen 1974 vor. Ende 1972 lebten in der Bundesrepublik etwa 18.000 Herzschrittmacherpatienten, 2 Jahre später waren es geschätzt bereits 30.000. Seit 1969 stieg die Zahl der lebenden Patienten exponentiell an, wobei sich die Zahl alle 1,6 Jahre verdoppelte. Der Nutzen der Herzschrittmachertherapie ergab sich vor allem aus der Überlebensrate nach Erstimplantation. Bei einem Implantationsalter von 66,9 Jahren betrug die 50 %-Überlebensdauer 6,3 Jahre und lag damit um knapp 6 Jahre unter der mittleren Lebenserwartung. Demgegenüber betrug bei medikamentöser Behandlung die 50 %-Überlebensrate weniger als 1 Jahr. Der Vergleich der Implantationszahlen mit anderen Ländern ergab 1972, dass wahrscheinlich Schweden mit 350 pro Million Einwohner die meisten Herzschrittmacherpatienten hatte. Bei der Rate der Neuimplantationen lagen Schweden mit 123, USA und Kanada mit geschätzt 75 bis 143 und die Bundesrepublik mit 130 gleich auf. Von den östlichen Staaten war die DDR mit 122 Herzschrittmacherpatienten und 39 Neuimplantationen pro Million Einwohner das Land mit der größten Schrittmacherdichte, noch vor England mit 73 und 22 Patienten und Japan mit 6 und 1,2 Patienten. 1974 musste man davon ausgehen, dass die Herzschrittmachertherapie in weiten Teilen der Welt noch keinen Eingang gefunden hatte, weniger aufgrund mangelnder Kenntnis der Herzschrittmachertherapie als wegen Kostenproblemen.

Nach einer Umfrage des Bundesgesundheitsamtes betrug die mittlere Funktionsdauer eines Herzschrittmachers in der Bundesrepublik im Mittel 23,2 Monate. Bei DM 3400 für eine Schrittmacherbehandlung einschließlich 8‑tägigem Krankenhausaufenthalt ergaben sich 1974 Behandlungskosten von 52,7 Mio. DM pro Jahr. Wären alle Herzschrittmacher so kontrolliert worden, dass sie bis zur tatsächlichen Batterieerschöpfung belassen worden wären, hätten sich Funktionszeiten von über 30 Monaten ergeben. Leider wurden die Kontrollen von den Krankenkassen nicht bezahlt, so dass ein großer Teil der Herzschrittmacher prophylaktisch ausgetauscht wurde.

Richtungsweisend waren auch die von Effert und Irnich gegebenen Hinweise zur optimalen Herzschrittmachertherapie. Für die AV-Blockierungen wäre der vorhofgesteuerte Herzschrittmacher hämodynamisch gesehen am vorteilhaftesten, bei binodaler Erkrankung die sequenzielle Stimulation von Vorhof und Kammer und bei isolierter Sinusbradykardie der synchronisierte Vorhofschrittmacher. Nur bei Vorhofflimmern und bei intermittierenden AV-Blockierungen wäre der kammersynchrone Schrittmacher geeignet. Allerdings machten 1974 vorhofbeteiligte Systeme gegenüber dem theoretischen Bedarf von 77 % nur 1 % aus. Dies beruhte in erster Linie auf der Schwierigkeit, eine Vorhofelektrode sicher zu platzieren. Bisher war dazu die Thorakotomie unerlässlich. Die Ergebnisse der in Deutschland entwickelten Hakenelektrode waren aber ermutigend³⁴ (siehe Kap. „Vorhofbeteiligte Stimulation“).

Über die Ergebnisse von 10 Jahren Therapie mit Herzschrittmachern an der Charité Berlin, DDR, berichtete 1973 Lothar Dressler von der I. Medizinischen Klinik. Von September 1963 bis April 1973 wurden insgesamt 700 Patienten mit einem Herzschrittmacher versorgt. Das Durchschnittsalter betrug 65,9 Jahre (Männer: 65,7; Frauen: 66,2 Jahre); der jüngste Patient war 14 Tage, der älteste 86 Jahre alt.

Die Implantationstechnik hatte sich im Verlauf der 10 Jahre gewandelt; während in den ersten 4 Jahren überwiegend eine Thorakotomie zur Elektrodenfixation erforderlich war, wurde dieses Verfahren in den späteren Jahren zugunsten der transvenösen intrakardialen Elektrodenimplantation fast völlig verlassen. Schon 1967 betrug der Anteil der Patienten mit transvenöser Implantation 50 %. In 80,7 % der Fälle wurde die V. cephalica als Zugangsvene benutzt und das Aggregat in einer Subkutantasche platziert. Drucknekrosen der Haut traten bei 7 % der Patienten auf und eine Primärinfektion bei 1,2 %.

In den ersten Jahren standen Brüche der Elektroden im Vordergrund. Eine wesentliche Verbesserung wurde mit Einführung der Elgiloy-Spiralen erreicht. Seit 1967 wurden bei Erst- und Reimplantationen fast 700 transvenöse Biotronik-Elektroden dieser Technologie verwandt. Ein Elektrodenbruch trat nur bei 5 Patienten auf (0,7 %). Durch die Elastizität der Elektroden war eine Ventrikelperforation sehr selten (2 Patienten). Auch eine Reizschwellenerhöhung mit Exit-Block trat nur bei 3 Patienten auf. Das Hauptproblem, die Sondendislokation, konnte durch die Einführung der Kragenelektrode (Biotronik IE 60) von 30 % auf 7 % reduziert werden (siehe Abschn. „Endokardiale Stimulation“).

Ab 1968 wurden ausschließlich Biotronik-Schrittmacher eingesetzt. Für die Serie IP‑3 (starrfrequent) lag die Funktionsdauer bei 25,8 Monaten, für die Serie IRP‑3 (R-synchron) bei 24,1 Monaten. Die seit 1969 verwendeten Serien IP-44 und IRP-44 erreichten 36,5 und 29 Monate. Die Ausfallrate durch technischen Fehler betrug 3,1 % und 6,3 %. Die seit 1970 implantierten 59 Demand-Schrittmacher IDP-44 wiesen bei kurzer Nachbeobachtungszeit keine technischen Defekte auf. Bei den vorhofgesteuerten Schrittmachern (IVP‑3, IVP-44 und IVP-54) konnte eine Beurteilung wegen der kleinen Fallzahlen (14 Patienten seit 1967) nicht erfolgen³⁵ (siehe Kap. „Batterieentwicklung“).

Für die DDR stellte Joachim Witte von der I. Medizinischen Klinik der Charité Berlin 1973 „Stand und Tendenz der Versorgung mit Herzschrittmachern“ vor. In den Jahren 1968 bis 1972 wurden an 8 Zentren 2771 Patienten versorgt; die Neuimplantationsrate lag bei 44 Herzschrittmachern pro Million Einwohner. Immer häufiger wurden R‑Zacken gesteuerte Schrittmacher eingesetzt. Unter ökonomischen Gesichtspunkten und wegen des notwendigen Imports (doppelter Preis der gesteuerten gegenüber den festfrequenten Schrittmachern) stellten 31 % starrfrequente Systeme in Berlin gegenüber 61 % in Leipzig ein vertretbares aber extremes Minimum dar. Auch die noch unzureichende Ausrüstung kleinerer Einrichtungen mit geeigneten externen Herzschrittmachern und Elektroden für die zeitweilige Stimulation stellte ein Problem dar. An der Entwicklung einer flexiblen Einschwemmkatheterelektrode, die ohne Röntgendurchleuchtung gelegt werden konnte, wurde in Zusammenarbeit mit der Industrie gearbeitet³⁶.

Durch die Einführung eines Herzschrittmacher-Dokumentationssystems 1975 in der DDR, an dem sich alle [!] implantierenden Kliniken beteiligten, lagen 1977 erstmals exakte Angaben über die zwischen 1963 und 1976 versorgten 9242 Patienten vor. Durch die exponentielle Entwicklung nahm die Neuimplantationsrate auf 173 pro Million Einwohner zu. Die klinische Indikation bestand bei 67,7 % der Patienten in einem Adams-Stokes-Syndrom, bei 5,5 % in einer schweren Bradykardie ohne Bewusstlosigkeit und bei 8,2 % in einer bradykarden Herzinsuffizienz. Eine prophylaktische Schrittmacher-Implantation wurde bei 2,3 % der Patienten vorgenommen, bei 16,3 % lagen andere Gründe vor. Die häufigste EKG-Indikation war mit 41 % der permanente AV-Block III^o, zuzüglich des permanenten AV-Blocks II^o mit 4,9 % und der intermittierenden AV-Blockierungen mit 29,4 %. Erst in den letzten Jahren nahm der Anteil der supraventrikulären Bradykardien auf 11,8 % zu und das Bradykardie-Tachykardie-Syndrom auf 3,3 %. Parallel dem zunehmenden Anteil intermittierender Bradykardien kam es zu einer kontinuierlichen Abnahme des Anteils festfrequenter Systeme auf unter 40 %. Anfang der 60er-Jahre stand als einzige Alternative die vorhofgesteuerte Version mit myokardialen Elektroden zur Verfügung. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der transvenösen Implantationstechnik fanden die ventrikelgesteuerten Systeme eine schnelle Verbreitung und verdrängten die vorhofgesteuerte Version weitestgehend³⁷.

Während 1969 die Herzschrittmacherimplantation in 8 Zentren durchgeführt wurde, gab es 1975 bereits 19, 1977 dann 24 und 1989 schließlich 36 implantierende Kliniken. Die Neuimplantationsrate nahm auf 222 pro Million Einwohner zu, parallel dazu erhöhte sich der Anteil supraventrikulärer Bradykardie auf 26,4 % und der Bradyarrhythmia absoluta auf 5,9 %. Zusammen mit dem Bemühen, die chirurgische Intervention durch Lokalanästhesie, kleine Herzschrittmacher und Punktionstechnik über die V. subclavia zu minimieren, wurde in 11 der Zentren die Operation zunehmend von Kardiologen durchgeführt³⁸.

Seit der Verwendung blanker Metalldrähte aus rostfreiem Stahl, die durch die Brustwand mittels Thorakotomie in das linksventrikuläre Epimyokard eingeführt wurden, haben die aktuellen implantierbaren Schrittmacherelektroden eine deutlich verbesserte Qualität und Zuverlässigkeit erlangt. Einen vorläufigen Abschluss bildet hier der sondenlose Herzschrittmacher.

Schon früh nach dem Beginn der Schrittmachertherapie mit starrfrequenten Systemen (VOO) kamen Bestrebungen auf, den Herzschrittmacher empfindlich zu machen für Herzaktionen aus der Kammer und den Vorhöfen. Bei Auftreten von Eigenrhythmus oder Extrasystolen bestand die Gefahr der Induktion lebensbedrohlicher tachykarder Rhythmusstörungen¹⁵¹. Die Herzschrittmachertherapie war so im Wesentlichen auf den permanenten totalen AV-Block beschränkt, intermittierende Störungen der AV-Überleitung oder Impulsbildung konnten nur unzureichend behandelt werden. Die Synchronisation von Vorhof und Kammer war nicht möglich.

Bereits der externe transkutane Herzschrittmacher, über den Aubrey Leatham¹⁵² 1956 in einer Modifikation berichtete, erfasste mittels EKG-Elektroden die Herzfunktion und reagierte darauf durch automatischen Beginn und Ende der Stimulation.

In Deutschland befasste man sich in Düsseldorf schon kurz nach der Erstimplantation mit der Entwicklung eines Bedarfsschrittmachers¹⁵³. Zacouto hatte eine Kombination aus implantierbarem Schrittmacher und externem Gerät entwickelt, das Herzereignisse von der Körperoberfläche detektierte und den Herzschrittmacher durch induktive Hemmung ausschaltete. Beim Ausbleiben von Spontanaktionen sistierten die hemmenden Impulse und der Herzschrittmacher schaltete sich wieder ein. Die Lebensdauer der Batterie konnte so verlängert und eine elektrisch induzierte Parasystolie vermieden werden. Der Herzschrittmacher wurde durch Sykosch, Effert und Pulver 1962 getestet und 1963 erstmals bei einer jungen Patientin eingesetzt¹⁵⁴. Mit dem schnellen Fortschreiten der Elektronik wurden in den folgenden Jahren allerdings einfachere Lösungen realisiert.

1965 stellte Louis Lemberg¹⁵⁵ aus Miami, USA, einen vollständig implantierbaren Herzschrittmacher vor, der auf ventrikuläre Ereignisse reagieren konnte. 1968 veröffentlichte Agustin Castellanos¹⁵⁶ die Ergebnisse von 10 Patienten mit implantierten Herzschrittmachern, bei denen das „Demand“-Prinzip (VVI) temporär für 2 Tage bis 2 Wochen getestet wurde. Eine weitere Variante war der von Franco Donato und Luigi Denoth aus Pisa, Italien, 1966¹⁵⁷ vorgestellte R‑Zacken getriggerte („self-synchronising“) Herzschrittmacher (VVT), der bei auftretendem Eigenrhythmus den Impuls in die R‑Zacken und damit in die absolute Refraktärphase abgab. Die Störanfälligkeit des Demand-Schrittmachers gegenüber äußeren Impulsen wurde damit aufgehoben, der Vorteil der Stromersparnis ging allerdings verloren.

Konzepte einer vorhofsynchronen Kammerstimulation waren schon 1957 von Folkman und Watkins vor der ersten permanenten Herzschrittmacherimplantation entwickelt und im Tierexperiment angewandt worden¹⁵⁸. Das erste System beim Menschen wurde 1963 von David Nathan aus Miami, USA, beschrieben und von der Cordis Corporation, USA, kommerziell hergestellt. Dieses System war unipolar und wurde durch Thorakotomie implantiert. Die atriale Elektrode diente nur der Wahrnehmung und übermittelte die P‑Welle an den Impulsgenerator mit Quecksilber-Zink-Zellen, der nach einer AV-Verzögerung einen ventrikulären Stimulus auslöste (VAT)¹⁵⁹.

Die hämodynamischen Vorteile der vorhofbeteiligten Kammerstimulation konnten in den 60er-Jahren eindrucksvoll belegt werden. Hämodynamische Studien von Gilmore 1963 ¹⁶⁰ beim Hund und von Benchimol 1965¹⁶¹ und von Samet 1966¹⁶² am Patienten belegten den Nutzen der atrialen Synchronität für das Herzzeitvolumen. Trotzdem standen der allgemeinen Anwendung technische Schwierigkeiten und medizinische Bedenken gegenüber.

In Deutschland wurden die ersten Implantationen eines P‑Wellen-gesteuerten Schrittmachers 1964 in Hamburg von Georg-Wilhelm Rodewald¹⁶³ und in Düsseldorf von Jochen Sykosch¹⁶⁴ vorgenommen. Während Rodewald hierzu eine von Lagergren¹⁶⁵ entwickelte Vorhofelektrode im rechten Herzohr platzierte, wurde in Düsseldorf die Implantation mittels Thorakotomie vorgenommen. Sykosch selbst beurteilte den P‑Wellen-gesteuerten Herzschrittmacher eher skeptisch.

„Ob diese Vorteile [Vorhofsynchronisation und Frequenzanstieg, d. Verf.] nicht mehr theoretischer Art sind, sei dahingestellt. Im eigenen Krankengut haben sich Nachteile dieser Konstruktion durch die prinzipbedingte Abhängigkeit von einer einwandfreien Vorhoffunktion bzw. von Vorhofrhythmustörungen ergeben … So haben wir in zwei Fällen eine vom Schrittmacher beantwortete, das heißt auf die Kammer übertragene Vorhoftachykardie beobachtet.“¹⁶⁶

Die Vorhofelektrode war für viele Jahre nur über eine Thorakotomie sicher zu platzieren. Eine Alternative wurde 1965 von Lagergren¹⁶⁷ in Zusammenarbeit mit der Firma Elema-Schönander, Schweden, entwickelt. Dabei wurde die Detektionselektrode über eine Mediastinoskopie in der Bindegewebsschicht zwischen der Hinterwand des Vorhofs und der Speiseröhre platziert. In Deutschland berichtete Manfred Kleinert aus Hamburg-Harburg 1976 über dieses Verfahren¹⁶⁸. Bei transvenösen Implantationsverfahren mit vorgeformten Elektroden und bei der Verankerung der Elektrode innerhalb des Koronarsinus traten hohe Dislokationsraten und Fehlfunktionen auf¹⁶⁹.

Therapiesicherheit wurde erst 1968 mit Hilfe der in Deutschland von Schaldach¹⁷⁰ entwickelten Wire-hook-Elektrode erreicht (Abb. 7), die über einen Führungskatheter implantiert werden musste und die erstmals von Werner Porstmann¹⁷¹ an der Charité in Ost-Berlin, DDR, erprobt wurde.

Die Elektrode wurde über einen vorgebogenen Führungskatheter über die V. jugularis oder V. cephalica zum rechten Herzohr vorgeschoben, bis der Elektrodenkopf etwa 3 bis 5 mm aus dem Führungskatheter herausragte. Bei guten Reizschwellen wurden durch weiteres Hinausschieben der Elektrode die Widerhaken freigegeben. Bis 1971 wurden an der Charitè bei 12 Patienten mit AV-Block und bei 3 Patienten mit SA-Block die Wire-hook-Elektroden implantiert und an einen VAT-Schrittmacher (IDP-64) oder an einen festfrequenten Vorhofschrittmacher (A00, IDP-44) der Firma Biotronik, Berlin, angeschlossen. In einer Nachbeobachtungszeit von bis zu 39 Monaten traten keine Dislokationen auf. Vorübergehende Sensingstörungen beschränkten sich auf die postoperative Phase. In einem erweiterten Follow-up von 36 Patienten bis 1974 traten 1 Perikarderguss, 2 Generatorinfektionen, 1 Dislokation und eine Sondenverlagerung auf. Die Elektrode wurde auch zur Vermeidung von Dislokationen bei stark dilatierten rechten Ventrikel vorgeschlagen und an 3 Fällen demonstriert¹⁷².

1971 berichteten Rosenkranz und Schaldach¹⁷³ über die Ergebnisse bei 60 Patienten, die im Bergmannsheil Bochum mit einer Widerhakenelektrode im Vorhof versorgt wurden. Während der Beobachtungszeit von 27 Monaten trat keine Sondendislokation und kein Sondenbruch auf.

Irnich berichtete 1972 über die routinemäßige Nutzung der Wire-hook-Elektrode bei allen Patienten, bei denen Elektrodendislokationen aufgetreten oder zu erwarten waren. Dies hatte zu einer drastischen Reduzierung von Dislokationen von 22 % auf 8 % geführt. Ihm erschien diese Art der Implantation aber nicht risikolos, da durch den steifen 12-F-Führungskatheter Myokardperforationen auftreten konnten.

Als Weiterentwicklung stellte Irnich 1972 eine im Tierexperiment in Aachen getestete Hakenelektrode vor, die ohne Führungskatheter platziert werden konnte, indem durch einen inneren Mandrin ein beweglicher Bolzen nach vorne geschoben wurde, an dem dünne Häkchen aus Edelstahl befestigt waren. Die Elektrode konnte sowohl im Vorhof als auch im Ventrikel eingesetzt werden¹⁷⁴.

Mitte der 1970er-Jahre kamen Elektroden mit feststehender Schraube auf den Markt, die in Zentren mit Erfahrung an aktiv fixierbaren Elektroden eingesetzt wurden. 1981 berichtete Abderrahman Machraoui aus dem Bergmannsheil in Bochum über 190 Patienten, bei denen 208 Schraubelektroden implantiert wurden, 147 im rechten Ventrikel und 61 im rechten Vorhof. Die Implantationsdauer im Vorhof- und Ventrikel war vergleichbar (54,7 ± 19 min vs. 56,0 ± 25 min), ebenso wie die Durchleuchtungszeiten (6,3 min vs. 8,1 min). Im Nachbeobachtungszeitraum von 23 Monaten trat nur bei einem Patienten mit „twiddler syndrome“ eine Dislokation der Vorhofelektrode auf. Bei einem Patienten musste die Ventrikelelektrode wegen eines Exitblocks repositioniert werden¹⁷⁵.

Am Bergmannsheil Bochum war so bei 195 Patienten, die 1969–1986 einen VAT/DDD- oder AAI-Schrittmacher erhalten hatten, ein Vergleich verschiedener aktiv fixierbarer Vorhofelektroden möglich: die frühe Widerhakenelektrode (Biotronik IVE), die sichelförmige Ankerelektrode (Biotronik FH) und neue Schraubelektroden (Biotronik DY, Y2; Osypka VY). Die komplikationsfreien Überlebensraten im Vorhof zwischen Widerhaken- und Schraubelektroden waren über einen Zeitraum von 5 Jahren vergleichbar (88 % und 90 %) und verschlechterten sich nach 7 Jahren für die Widerhakenelektrode (79 % vs. 90 %)¹⁷⁶. Der sichelförmige Verankerungsmechanismus hatte nach 5 Jahren eine deutlich höhere Dislokationsrate von > 20 % und die Widerhakenelektrode eine hohe Rate an ventrikulären Exitblockierungen¹⁷⁷.

Einer der Entwickler einer feststehenden Schraube sowie des Mehrfach-Wendelprinzips¹⁷⁸ war Peter Osypka¹⁷⁹, Gründer der gleichnamigen Medizintechnik GmbH. Die Schraubelektrode stieß damals auch auf Skepsis. „Da haben mich die Chirurgen erst alle ausgelacht. Herr Osypka, im Herzen schraubt man nicht, haben die gesagt.“ Einer seiner Patienten, ein junges Mädchen, erhält 1977 als Erste solch eine Schraubelektrode. „Wir haben die dann jahrelang beobachtet, und das Kind ist gewachsen und gediehen und die Elektrode ist mitgewachsen und hat sich mitgedehnt.“ Einer der berühmtesten Träger einer solchen Konstruktion war Papst Benedikt XVI.

1976 berichtete Hans-Jürgen Bisping¹⁸⁰ aus Aachen von ersten Ergebnissen aus Tierversuchen über eine neue, einfach handhabbare Schraubelektrode¹⁸¹ und 1977 zusammen mit Manfred Kleinert aus Hamburg-Harburg über erste klinische Ergebnisse¹⁸². Im Gegensatz zur feststehenden Schraube, bei der Wendel und Stylet gemeinsam mit dem Sondenkörper gedreht werden mussten, konnte bei dieser Elektrode durch Rechtsdrehung des Steckerstiftes die Wendel aus der Schutzhülle ausgefahren und dabei in der zuvor gewählten Position verankert werden. Bei Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn konnte die Schraube wieder eingefahren werden (Abb. 8). Die Ergebnisse von 127 Implantationen bei dilatiertem Ventrikel und von 23 im Vorhof wurden 1980 mitgeteilt. Die Elektroden waren einfach zu platzieren und zeigten hervorragende Reizschwellen (Vorhof 0,62 V, Ventrikel 0,59 V bei 0,5 ms) und Sensingwerte (Vorhof 3,6 mV; Ventrikel 12 mV). Während einer Nachbeobachtungszeit von 900 Monaten traten bei 2 Patienten (1,6 %) Exit-Blöcke auf¹⁸³. Damit waren die Komplikationsraten so niedrig, dass sie nicht weiter einer vorhofbeteiligten Stimulation im Wege standen.

1977 stellte Kleinert aus Hamburg-Harburg seine Ergebnisse einer neuen atraumatischen Vorhofelektrode bei 53 Patienten vor. Die Elektrode bestand aus Platin-Iridium und hatte eine aktive Oberfläche von ca. 11 mm². Der distale Teil bildete eine J‑Form, die durch Einführen eines Stylets begradigt werden konnte. Am kurzen Schenkel des J waren in einen Winkel von 90° drei Reihen von elastischen Silikonkautschukankern angebracht, um die Elektrode im rechten Herzohr zu fixieren. Die durchschnittliche P‑Wellen-Amplitude betrug 5,17 mV, die Reizschwelle 1,13 V bei einer Impulsbreite von 1 ms und damit höher als im Ventrikel. Exitblockierungen traten nicht auf, Dislokationen in 5,6 %¹⁸⁴.

Neben Vorhofschrittmachern (AAI) kamen nun auch vermehrt 2‑Kammer-Schrittmacher zum Einsatz. Bei einer vorhofsynchronen Kammerstimulation mit einem VAT-System, das bei totalem AV-Block eingesetzt wurde, konnte der Vorhof nicht stimuliert und Kammeraktionen nicht wahrgenommen werden, mit der Gefahr proarrhythmischer Stimulationen. Das von Barouh Berkovits aus Miami, USA, 1969 vorgestellte AV sequentielle Demand-System (DVI), war auf Vorhofebene blind und konnte deshalb nur bei überwiegender Sinusknotenerkrankung eingesetzt werden. Cesar Castillo¹⁸⁵berichtete 1971 über 7 Patienten, die temporär mit einem externen bifokalen Demand-Schrittmacher versorgt wurden und über 3 Patienten, bei denen ein System dauerhaft implantiert wurde, mit zufriedenstellenden Ergebnissen. Greatbatch patentierte 1969 den VDD-Schrittmacher¹⁸⁶, eine Weiterentwicklung des VAT-Systems, das jetzt Ventrikelaktionen wahrnehmen konnte, und Berkovits 1971 den DDI-Schrittmacher¹⁸⁷, der zwar Vorhof und Kammer wahrnehmen und stimulieren, aber keine vorhofsynchrone Ventrikelstimulation durchführen konnte. Der Einsatz dieser 2‑Kammer-Schrittmacher blieb also auf die jeweiligen Rhythmusstörung, AV-Blockierungen beim VDD-System und Sinusknotenerkrankung beim DDI-System, beschränkt.

Zur Untermauerung des klinischen Nutzens eines solchen DDI-Systems, das in Düsseldorf bei 3 Patienten implantiert worden war, führten Marx, Sykosch, Goebel und Arnold aus der Chirurgischen Klinik und dem Physiologischen Institut der Universität Düsseldorf, sowie der Chirurgischen Abteilung des Dominikus-Krankenhauses Düsseldorf tierexperimentelle hämodynamische Untersuchungen an Hunden durch. In 11 Versuchen fiel im Mittel der periphere Blutdruck beim Übergang vom Vorhof- auf Ventrikelstimulation von 161 auf 133 mm Hg und der linksventrikuläre Druck von 132 auf 109 mm Hg ab. Die Druckanstiegsgeschwindigkeit nahm um 19,5 % ab, ebenso das Schlagvolumen von 16,6 auf 13,3 ml und das Herzminutenvolumen von 2,20 auf 1,73 l pro min. Damit konnte nachgewiesen werden, dass mit dem atrioventrikulären bifokalen Demand-Schrittmacher eine neue effektive Behandlungsmethode für sinuatriale Überleitungsstörungen eingeführt wurde¹⁸⁸.

Der Durchbruch zu einem optimalen 2‑Kammer-System, das bei beiden Rhythmusstörungen eingesetzt werden konnte, gelang in Deutschland. Bereits 1975 stellten Irnich und de Bakker vom Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik an der RWTH Aachen¹⁸⁹ das Konzept eines optimalen 2‑Kammer-Schrittmachers vor, der eine vorhofsynchrone sequentielle Stimulation ermöglichte. Der Schrittmacher führte bei AV-Blockierungen eine P‑Wellen getriggerte Vorhof- und Ventrikelstimulation durch und bei Sinusknotenerkrankung eine Vorhofstimulation sowie eine Ventrikelinhibition bei intrisischer Überleitung. Das Problem hoher Stimulationsfrequenzen bei auftretendem Vorhofflimmern oder -flattern wurde ebenso berücksichtigt (automatische Frequenzbegrenzung auf 75 min⁻¹ bei Vorhoffrequenzen über 180 min⁻¹) wie das Problem schrittmacherinduzierter Reentry-Tachykardien. Den ersten universellen Vorhof- und Kammer-Bedarfsschrittmacher (DDD), wie er heute noch Verwendung findet, stellte 1978 Hermann Funke¹⁹⁰ aus Bonn¹⁹¹ vor, nachdem er zuvor das Patent hierfür angemeldet hatte¹⁹². Dieser Schrittmacher arbeitete multiprogrammierbar auf der Grundlage eines Computerchips, wie er kurz zuvor in einem der ersten überall verfügbaren Homecomputer (Commodore C64®, Commodore Business Machines Inc., West Chester, PA, USA) erhältlich wurde. Anlässlich des 50. Jahrestages der ersten Herzschrittmacher-Implantation in Deutschland trafen sich 2011 wichtige Pioniere der Therapie in Düsseldorf (Abb. 9).

Bereits in den 1970er-Jahren konnte Giovanni Antonioli aus Ferrara, Italien, zeigen, dass eine vorhofgesteuerte Ventrikelstimulation mit einem Ein-Elektrodensystem möglich war und atriale Elektrogramme über eine unipolare Floating-Elektrode im mittleren bis oberen rechten Vorhof detektiert werden konnten. Im Jahr 1980 wurden implantierbare Prototypen mit angepassten VDT-Impulsgeneratoren konstruiert. Zwei solche Einheiten wurden im August und November 1980 implantiert. 1982 wurde eine neue AV-Elektrode mit einer atrialen Ringelektrode von 43 mm² Oberfläche entwickelt, die 13 cm von der ausschraubbaren ventrikulären Spitze entfernt angeordnet war. Zwischen Oktober 1985 und März 1989 wurde diese unipolare AV-Elektrode in Italien bei mehr als 250 Patienten mit komplettem AV-Block implantiert und an den VDD-Schrittmacher der Firma Cardiac Pacemakers, USA (Modell 910, Ultra II) angeschlossen. Synchronisationsfehler wurden in weniger als 3 % der Patienten beobachtet. In den frühen 1980er-Jahren wurden drei verschiedene Konfigurationen atrialer Ringe verglichen¹⁹³.

Bernd Nowak aus Frankfurt berichtete 2001 über die in den 1990er-Jahren durchgeführten Untersuchungen bei 2000 Patienten mit bipolaren VDD-Schrittmachern und einer maximal empfindlich programmierten atrialen Wahrnehmungsschwelle, die mittels Langzeit-EKG eine AV-synchrone Stimulation von im Mittel über 99 % aufwiesen. In randomisierten Studien zeigte die VDD-Implantation gegenüber der DDD-Implantation eine signifikante Verkürzung der Operations- und der intraoperativen Durchleuchtungszeit¹⁹⁴ sowie eine Reduktion perioperativer Komplikationen¹⁹⁵.

1992 demonstrierte Maria Bongiorni aus Pisa, Italien, erstmals unter Verwendung einer konventionellen flottierenden VDD-Elektrode eine atriale wandferne Stimulation, jedoch mit hohen Reizschwellen und häufigen Zwerchfellstimulationen¹⁹⁶. Es wurden speziell vorgeformte Elektroden entwickelt, die einen stabilen Wandkontakt des atrialen Dipols ermöglichen sollten. Carsten Israel aus Bochum berichtete 1999 über eine erfolgreiche Stimulation über atriale Ringe einer präformierten VDD-Elektrode¹⁹⁷. Es kam jedoch im Verlauf von 1 Jahr zu einem Reizschwellenanstieg bei 5,0 V von 0,22 ms auf 0,65 ms. Jan C.J. Rees aus Rotterdam, Niederlande, berichtete 2000 über eine zuverlässige atriale Stimulation mit einer dreipoligen atrialen Vollringelektrode in 93 % der Patienten bei der Implantation. Allerdings war diese nach 3 Monaten bei hohen Reizschwellen ohne Zwerchfellzucken nur noch bei 54 % der Patienten möglich¹⁹⁸. Eine neuartige Impulskonfiguration untersuchte Wolfgang Hartung aus Magdeburg 1998. Durch die Abgabe eines „overlapping biphasic impulse“ (OLBI) zwischen den atrialen Elektroden wurde eine stabilere atriale Stimulation erreicht zusammen mit einer Verkürzung der intra- und interatrialen Leitungszeiten¹⁹⁹.

All diese Ansätze konnten sich letztlich gegenüber einem DDD-System mit separater Vorhofelektrode nicht durchsetzen. Bereits 1984 schlug eine Task Force der NASPE^200,201 vor, dass eine DDD-Stimulation in 60−80 % aller Fälle indiziert sei, heute beträgt der Anteil in Deutschland 76,5 % plus 6,2 % CRT-Systeme (3-Kammer-Schrittmacher). Der Anteil der VDD-Schrittmacher in Deutschland lag zuletzt nur noch bei 0,1 %²⁰².

Astrand und Landegren führten am Karolinska Institut in Stockholm bereits 1965 bei Patienten mit totalem AV-Block und externem Ventrikelschrittmacher Belastungsuntersuchungen auf dem Fahrrad durch, bei denen sie die Stimulationsfrequenz bis auf 105 min⁻¹ anhoben. Dabei konnten sie zeigen, dass mit steigender Herzfrequenz die maximale Leistung und die Sauerstoffaufnahme zunahmen und der Blut-Laktatspiegel abfiel²⁰³.

Zehn Jahre später (1975) konnte Ingvar Karlof am selben Institut bei 25 Patienten mit komplettem AV-Block in hämodynamischen Vergleichsuntersuchungen zwischen festfrequenter, vorhofsynchroner und vorhofunabhängiger frequenzvariabler Kammerstimulation den Nutzen der atrialen Synchronität und Frequenzvariation für das Herzzeitvolumen nachweisen. Dabei konnte er erneut zeigen, dass bei körperlicher Anstrengung eine Erhöhung der Herzfrequenz auch ohne atriale Synchronität zu einer Zunahme des Herzzeitvolumens führt²⁰⁴. Diese Erkenntnis war nach Furman²⁰⁵ die intellektuelle Grundlage für die spätere Entwicklung von Sensoren zur Frequenzmodulation.

Zu Beginn der 1980er-Jahre begann eine intensive Suche nach Sensoren, die es ventrikulären Schrittmachern ermöglichten, die Stimulationsfrequenz als Reaktion auf physiologische Anforderungen zu ändern. Dreizehn Sensoren für die frequenzadaptive Stimulation wurden in klinischen Untersuchungen am Menschen getestet. Durchgesetzt hat sich der am wenigsten physiologische Aktivitätssensor, der eine Standardelektrode verwendete und schnell auf körperliche Betätigung reagierte, aber nicht mit dem Belastungsniveau korrelierte und nicht auf emotionale Reize oder Fieber. Drei andere Sensoren sind heute noch erhältlich: Atemminutenvolumen, Closed-Loop-Stimulation und zentralvenöse Temperatur²⁰⁶.

Das erste frequenzvariable System, das von Cammilli 1976 implantiert (LEM Biomedica, Italien) wurde, reagierte auf den pH-Wert des Blutes, der bei körperlicher Belastung abfällt. Eine Ir/IrO2-Elektrode auf atrialer Ebene erfasste den pH-Unterschied im Vergleich zu einer Elektrode am Herzschrittmachergehäuse. Cammilli berichtete über 7 Patienten mit diesem Schrittmacher, 4 funktionierten über ein Jahr angemessen, 3 reagierten nicht²⁰⁷. Neben der unzureichenden Zuverlässigkeit hat auch die eingeschränkte Biokompatibilität der Silberchloridelektrode die weitere Entwicklung beendet.

In Deutschland veröffentlichte Funke 1975 das Konzept eines frequenzvariablen Herzschrittmachers und die tierexperimentellen Ergebnisse beim Hund, der über die Messung thorakaler Atemschwankungen mittels eines intrapleuralen Drucksensors gesteuert wurde²⁰⁸.

Die Atemfrequenz als einfacher biologischer Parameter war schon 1966 von Voukydis und Krasner aus Boston, USA, als Sensor vorgeschlagen und im Tierexperiment und an Probanden getestet²⁰⁹und ein ähnlicher Ansatz mit Atemfrequenzerfassung über Druckänderungen 1980 von Ionescu beschrieben worden²¹⁰.

Anfang der 80er-Jahre griff Paolo Rossi aus Novara, Italien, das Konzept des atmungsgesteuerten Schrittmachers erneut auf, indem er die Atemfrequenz über transthorakale Impedanzmessung zwischen der Sondenspitze des Schrittmachersystems und einer subkutanen Zusatzsonde bestimmte. 1983 berichtete er über die Ergebnisse atmungsgesteuerter Schrittmacherstimulation bei 67 Patienten mittels zweier vollständig implantierter Systeme (Biotec, Italien)²¹¹. 1988 waren bereits ca. 5000 atemgesteuerte Herzschrittmacher in Europa implantiert, und Rossi stellte die klinischen und physiologischen Daten von 143 Patienten vor, 121 mit ventrikulärer und 22 mit atrialer Stimulation. Die physiologische Empfindlichkeit des Stimulationssystems war bei 70 % der Patienten ausgezeichnet (bis zur Erschöpfung), bei 20 % sehr gut (bis zur anaeroben Schwelle) und ohne Zusammenhang zum O₂-Atemäquivalent bei 10 % der Patienten. Die Inzidenz der Fehlfunktion des Systems betrug weniger als 8 %²¹². Im Langzeitverlauf war das System aber nicht zuverlässig genug, und es traten Komplikationen mit der Subkutanelektrode auf.

Mit dem Ziel einer physiologischeren Frequenzantwort verfolgten in Deutschland Lampadius²¹³ 1985²¹⁴und Alt²¹⁵ 1987²¹⁶aus München den Ansatz, die Herzfrequenz nicht allein durch die Atemfrequenz, sondern durch das Atemminutenvolumen zu steuern.

Tibor Nappholz²¹⁷ und Tony Simmons²¹⁸ zeigten 1985 und 1986 für intravaskuläre Elektroden eine hohe Korrelation zwischen Atemzugvolumen und gemessener elektrischer Impedanz. Die Arbeiten mündeten in der Entwicklung eines Atemminutenvolumen-gesteuerten Schrittmachersystems²¹⁹, das über den Ring einer bipolaren Elektrode niedrigenergetische Impulse gegen das Schrittmachergehäuse als indifferente Elektrode abgab (Teletronics, Australien). 1988 berichtete Harry Mond aus Melbourne, Australien, über die Ergebnisse bei 12 Patienten, 6 mit AV-Knoten-Ablation, 4 mit totalem AV-Block und 2 Sick-Sinus-Patienten, die einen leistungsadäquaten Frequenzanstieg zeigten²²⁰.

Trotzdem war das Atemzugvolumen mit Totzeiten um 20 s nur ein mittelschnell reagierender Parameter, zu dem sich noch technische Totzeiten addierten. Diese Limitationen machten eine Steuerung mittels Atemminutenvolumen erst ab einem mittleren Lastbereich möglich. Eine partielle Kompensation konnte durch die Kombination mit einem schnell reagierenden Sensor wie der Aktivität erreicht werden und wurde in 1‑ und 2‑Kammer-Schrittmachern realisiert (Teletronics, Australien; Medtronic, USA). Gegenwärtig gibt es von zwei Herstellern (Boston Scientific, USA und MicroPort, China) DDDR-Schrittmacher mit einem dualen Sensor inkl. Atemminutenvolumen-Sensor.

In Deutschland und Österreich wurde die zentralvenöse Bluttemperatur als Biosensor des Stoffwechselbedarfs experimentell und klinisch untersucht. Georg Csapo aus Bad Krozingen beschrieb die Veränderungen während körperlicher Belastung und präsentierte die Ergebnisse 1976 in Tokio auf dem VIII. Weltkongress Kardiologie²²¹. Nach seinem tragischen Tod wurde sein Patent²²² nicht mehr weiterentwickelt. 1982 berichtete Axel Laczkovics aus Wien über seine Ergebnisse²²³ und Jerry Griffin aus Houston beschrieb 1983 beim Hund eine nahezu lineare Beziehung zwischen zentralvenöser Temperaturänderung und Belastung²²⁴. 1984 testete Laczkovics im Selbstversuch und bei einem Schrittmacherpatienten eine temporäre Thermistorsonde im rechten Vorhof. Er fand signifikante Temperaturanstiege bis 1,35 °C bei Laufbandgeschwindigkeiten von 6 und 10 km/h, während bei einer langsameren Geschwindigkeit von 3 km/h kein eindeutiger Temperaturanstieg zu verzeichnen war. Gleichzeitig berichtete er über den ersten temporären Schrittmacher (Biotronik), der bei einem Probanden an eine temporäre Thermistorsonde angeschlossen wurde und der bei einer Laufbandbelastung von 6 km/h eine sehr gute Übereinstimmung von Temperaturänderung, eigener Herzfrequenz und Stimulationsfrequenz zeigte²²⁵. Eine gute Korrelation zwischen Belastung und zentralvenöser Bluttemperatur fand 1984 auch Alt aus München²²⁶und stellte 1986 seine Untersuchungen bei 31 Probanden vor²²⁷.

Drei Hersteller hatten temperaturgesteuerte Herzschrittmacher in Studien getestet (Biotronik, Intermedics, Cook Pacemaker). Probleme ergaben sich mit der Langzeitstabilität des Temperatursensors und durch den initialen Temperaturdip bzw. den verzögerten Temperaturabfall nach Belastung, auch durch den unzureichenden Temperaturanstieg bei herzinsuffizienten Patienten und bei geringer Belastungsintensität. Derzeit wird nur beim Leadless Pacer (St. Jude/Abbott) die Temperatur zur Frequenzsteuerung benutzt.

Als ein weiteres physiologisches Prinzip der Frequenzsteuerung wurde in Deutschland 1981 von Alexander Wirtzfeld²²⁸ aus München die Messung der zentralvenösen Sauerstoffsättigung (SO₂) vorgeschlagen²²⁹. Unter Verwendung eines speziellen optischen Sensors und einer Leuchtdiode, die in der Schrittmacherelektrode integriert war (Abb. 10), konnte der Abfall der Sauerstoffsättigung während körperlicher Belastung gemessen werden. Die Erwartung war, dass die SO₂-Messung als Closed-Loop-System funktioniert: Durch die Änderung der Stimulationsfrequenz verbessert sich das Herzzeitvolumen und die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz nimmt ab, was wiederum zu einer negativen Rückkopplung auf den SO₂-Wert führt. In einem Multisensorvergleich bei 12 gesunden Probanden berichtete er 1988 zusammen mit Karl Stangl über eine hervorragende kurzzeitige Modulation der Herzfrequenz mit einem SO₂-Sensor, der sich im rechten Vorhof befand. Wegen der geringeren Sensitivität des Sensors bei höherer Belastung schlug er gleichzeitig eine Kombination mit einem Temperatursensor vor²³⁰. 1988 stellte Stangl die ersten Implantationen eines SO₂-gesteuerten Herzschrittmachers (Siemens Elema) beim Menschen vor²³¹. Zur Stabilität dieses Designs über einen längeren Nachbeobachtungszeitraum liegen keine Informationen vor.

Obwohl die Messung der zentralvenösen Sauerstoffsättigung am besten geeignet war, die physiologischen Bedingungen einer adäquaten Frequenzsteigerung abzubilden, erreichte keines der Systeme in klinischer Erprobung der Firmen Siemens und Medtronic eine Marktzulassung.

Nach Harry Mond aus Melbourne, Australien, leitete 1983 der Aktivitätssensor²³² die Ära der modernen frequenzadaptiven Stimulation ein und bleibt der bei weitem am häufigsten in Herzschrittmachersystemen eingebaute Sensor²³³. Mittels eines piezoelektrischen Kristalls, der an der Innenseite der Oberfläche des Herzschrittmachergehäuses angebracht ist, werden Vibrationen oberhalb einer programmierbaren Schwelle gezählt und zur Steuerung der Stimulationsfrequenz genutzt.

1983 berichtete D. P. Humen aus London, Ontario, Canada, auf dem VII. Weltkongress Cardiac Pacing in Wien über die ersten Ergebnisse dieses Sensorschrittmachers, der bei 5 Probanden epikutan auf der Thoraxwand angebracht war und bei 2 Patienten implantiert wurde. Bei den Probanden ergab die Auswertung des Holter-EKGs eine gute Übereinstimmung mit der Sinusknotenfrequenz, wobei die Maximalfrequenz des Schrittmachers auf 120 min⁻¹ begrenzt war, der Sinusrhythmus aber bis auf 180 min⁻¹ anstieg. Ein Patient mit Sinusknotenerkrankung erhielt einen AAI-Schrittmacher, der andere mit AV-Block einen VVI-Schrittmacher. Unter Laufbandbelastung zeigte der Sinusknotenpatient einen mit gesunden Probanden vergleichbaren Frequenzanstieg und der AV-Block-Patient, verglichen mit VVI 70 min⁻¹, eine deutlich verlängerte Belastungstoleranz²³⁴. 1986 stellte Fred Lindemans von Medtronic die Ergebnisse einer Multicenterstudie mit 222 Patienten vor und zeigte unter frequenzvariabler Stimulation eine Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit und Abnahme der Symptome²³⁵.

Der aktivitätsgesteuerte Herzschrittmacher reagierte nicht auf physiologische Veränderungen, die mit minimalen Körperbewegungen einhergingen. Insbesondere korrelierte die Frequenzanpassung nicht mit dem Belastungsniveau. So war die Stimulationsfrequenz beim Treppe steigen niedriger als beim Treppe heruntergehen. Die Stimulationsfrequenz änderte sich während des Laufbandtrainings nicht, wenn nur die Steigung erhöht wurde und die Geschwindigkeit konstant blieb, da die Schrittmacherfrequenz von der Schrittfrequenz abhängig war²³⁶. Bei einem Patienten mit Beinprothese und aktivitätsgesteuertem Herzschrittmacher blieb jeglicher Frequenzanstieg unter Belastung aus, weshalb ich meinen Vortrag auf dem internationalen Rate Responsive Kongress 1987 in München²³⁷ mit der Bemerkung schloss: „Activitrax and artifical leg don’t go together.“

Der Herzschrittmacher der Firma Siemens verwendete einen ähnlichen piezoelektrischen Kristallsensor zur Aktivitätserfassung. Eine Besonderheit war die Bereitstellung von Frequenzhistogrammen und Autoprogrammierbarkeitsoptionen, um eine erforderliche Stimulationsfrequenz für eine Aktivität zu erreichen.

In Deutschland berichtete 1989 Eckhard Alt aus München über die Verwendung von drei miniaturisierten piezoresistiven Beschleunigungsmessern der Firma Endevco, USA, die in der Automobilindustrie zur Steuerung von Airbags eingesetzt wurden. Durch Verwendung eines Tiefpassfilters wurde der Einfluss unerwünschter externer Vibrationen reduziert. Die erfassten Beschleunigungskräfte wurden mit der Intensität der Arbeitsbelastung während täglicher Aktivitäten in Beziehung gesetzt und konnten von Fremdschwingungen gut unterschieden werden²³⁸.

Bei den Schrittmachersystemen wurde der Sensor direkt auf die Platine verlagert und war damit nicht mehr anfällig für direkten Druckeinfluss von außen. Verwendet wurden piezoelektrische Kristalle (Intermedics, USA) oder integrierte Silikon-Beschleunigungsmesser (Cardiac Pacemakers, USA). Der Niederfrequenz-Beschleunigungsalgorithmus wurde auch in den Herzschrittmachern von Biotronik, Berlin, mit piezoelektrischer Erfassung verwendet. Alle Aktivitätssensoren waren kommerziell erfolgreich und werden weiterhin als häufigster Sensor eingesetzt.

Über einen mechanischen Sensor, der ein Neigungsschalterprinzip enthält, berichtete Alt 1988. Hiermit konnte eine Haltungs- und Aktivitätserkennung erreicht werden, indem eine Metallkugel über eine Scheibe mit Ein‑/Ausschaltern bewegt wurde. Die Haltungserkennung ermöglichte eine niedrigere Stimulationsfrequenz während des Schlafs und eine schnelle Frequenzanpassung beim Einnehmen einer aufrechten Haltung²³⁹.

Ein Gravitationsbeschleunigungssensor erkannte die vertikale Beschleunigung beim Gehen und Laufen im Unterschied zu Vibrationen. Der Herzschrittmacher (Sorin, Italien) wurde seit 1990 implantiert und enthielt einen zylindrischen, hermetisch verschlossenen Metallbehälter mit einem zentralen Quecksilbertröpfchen, das sich bei Anstrengungen verformte. Die Ergebnisse wurden 1992 von Maria Bongiorni aus Pisa, Italien, veröffentlicht²⁴⁰. Eine spätere Version von Siemens aus dem Jahr 1994 verwendete eine frei bewegliche Magnetkugel in einem elliptischen Hohlraum, der von zwei Kupferdrahtspulen umgeben und auf der Leiterplatte montiert war. Die Bewegung des Balls erzeugte elektrische Signale, die bei Aktivität zu Änderungen der Stimulationsfrequenz führten²⁴¹.

Die maximale endokardiale Beschleunigung wurde über einen Beschleunigungsmesser in der Spitze der rechtsventrikulären Stimulationselektrode während der ventrikulären Kontraktion gemessen. Damit konnte auch der Schluss der atrioventrikulären Klappen während der isovolumetrischen Kontraktionszeit erfasst werden. Der Sensor konnte Veränderungen bei emotionalem Stress und körperlicher Betätigung erkennen. Die ersten Sonden wurden 1989 von Sorin (Sorin, Italien) implantiert und die Ergebnisse von Langenfeld aus Würzburg 1998 publiziert²⁴². Die Notwendigkeit einer speziellen Elektrode mit miniaturisiertem Piezo-Kristall schränkte die Akzeptanz des Sensors ein.

Ein neu entwickelter dreiachsiger Beschleunigungssensor wurde für den sondenlosen ventrikulären Herzschrittmacher entwickelt (Medtronic, USA). Der Sensor steuert nicht nur die frequenzadaptive Stimulation, sondern erkennt auch die atriale Kontraktion und ermöglicht somit eine vorhofsynchrone ventrikuläre Stimulation (VDD). Allerdings nahm die Erkennung des atrialen Signals während der Aktivität mit steigender Herzfrequenz ab, was zum Verlust der atrialen Synchronität führte²⁴³ (siehe auch Kapitel „Sondenlose Herzschrittmacher“).

Ein biologischer Sensor, der die Veränderungen des QT-Intervalls bei körperlicher Betätigung ausnutzte, wurde 1981 von Anthony Rickards aus London, England, entwickelt. Das QT-Intervall verkürzt sich bei körperlicher Anstrengung und psychischem Stress. Ungefähr die Hälfte dieser Verkürzung wird durch die Erhöhung der Herzfrequenz verursacht²⁴⁴.

Der QT-Schrittmacher (Vitatron, Niederlande) konnte über die normale Stimulationselektrode die T‑Welle der stimulierten ventrikulären Aktion, die Stimulus-T-Zeit, ausmessen und als Sensor für die Frequenzadaptation benutzen. Die Limitationen des Systems waren dadurch begründet, dass die Beziehung zwischen Herzfrequenz und Stimulus-T-Intervall inter- und intraindividuell erheblich variieren konnte. Obwohl das Ausmaß der Frequenzanpassung bei diesem Herzschrittmacher mit der Arbeitsbelastung zusammenhing, trat die QT-Zeit-Verkürzung mit einiger Verzögerung auf und konnte während der Erholung zu Tachykardien führen. Der QT-Schrittmacher war über eine Dekade im Einsatz, bevor nach mehrfachen Modifikationen der Algorithmen die Produktion eingestellt wurde.

Die Korrelation zwischen Druckanstiegsgeschwindigkeit dP/dt im rechten Ventrikel und Herzfrequenz wurde von Bennett 1985 bei chronisch implantierten dP/dt-Systemen in Hunden untersucht²⁴⁵. Ein implantierbarer Herzschrittmacher (Medtronic, USA) benötigte eine spezielle Drucksensorelektrode auf piezoelektrischer Basis. 1987 wurden von Sharma ²⁴⁶und von Richard Sutton, London, England,²⁴⁷ die ersten Implantationen im Humanbereich durchgeführt. Da viele Fragen, wie z. B. die Auswirkung einer Rechtsherzinsuffizienz und die Langzeitrobustheit des Sensors, unbeantwortet blieben, wurden Implantationen des Systems nur begrenzt durchgeführt.

Das Konzept des ventrikulären Depolarisationsgradienten wurde erstmals 1934 von Wilson beschrieben. Der Gradient wird aus der Integration des stimulierten evozierten QRS-Komplexes abgeleitet und verringert sich unter körperlicher Belastung²⁴⁸. Die Verwendung dieses Signals zur frequenzadaptiven Stimulation wurde 1987 von Callaghan vorgeschlagen²⁴⁹. Der implantierte Herzschrittmacher (Teletronics, USA) zeigte eine schnelle Änderung der Stimulationsfrequenz von 10 s nach Belastung. Allerdings trat bei einer Nachuntersuchung von 123 Patienten ein signifikantes Versagen bei der Frequenzanpassung (14 %) und der Schwellenerkennung (11,2 %) auf, zwei Einheiten mussten wegen unangemessener Frequenzreaktion explantiert werden²⁵⁰. Das Konzept konnte sich im Markt nicht durchsetzen. Dafür begründete ein Vorteil des Algorithmus, dass mit ihm ein Exitblock erkannt und durch Erhöhung der Energieabgabe behoben werden konnte, die Autocapture-Funktion späterer Herzschrittmacher.

Sofortige Schlag-zu-Schlag-Änderungen des rechtsventrikulären Präejektionsintervalls und des Schlagvolumens können unter Verwendung eines intravaskulären Impedanzsensors gemessen werden. Für die frequenzadaptive Stimulation wurden die Änderungen des Präejektionsintervalls und des Schlagvolumens bewertet. Für die Messungen benötigte der Sensor eine tripolare rechtsventrikuläre endokardiale Elektrode. Ein kontinuierlicher, unterschwelliger Wechselstrom mit konstanter Amplitude wurde von der Kathode zum Impulsgeneratorgehäuse geleitet. Die ersten Implantationen wurden 1989 durchgeführt (Cardiac Pacemakers, USA). In einem Bericht von Platia von 1990 über 16 Patienten wurde das Präejektionsintervall für die Frequenzanpassung als nützlich bewertet, obwohl ein paradoxer Abfall der Frequenz beim Einnehmen einer aufrechten Haltung auftrat²⁵¹. Die Abhängigkeit der Frequenzanpassung von der Körperposition, unbekannte Reaktionen bei Rechtsherzerkrankungen, die Notwendigkeit einer speziellen Elektrode und der Erfolg des Aktivitätssensors verhinderten eine weitere Entwicklung.

Ein weiteres Prinzip der intrakardialen Impedanzmessung stellte in Deutschland Schaldach 1992 mit dem Closed-Loop-Stimulationssensor (CLS) (Biotronik, Deutschland) vor. Das Konzept sah vor, dass mit der Messung der Kontraktionsleistung des Myokards Informationen genutzt werden, die das autonome Nervensystem (ANS) repräsentieren und damit bei physischer und mentaler Belastung eine physiologische Frequenzadaption ermöglichen. Zur Messung wurde die Impedanz nach einer Stimulationsabgabe oder eines detektierten Ereignisses durch die Abgabe von unterschwelligen Impulsen bestimmt, um hieraus intrakardiale Impedanzkurven zu berechnen. Ein spezieller Detektionsalgorithmus erlaubte die Bestimmung der regionalen effektiven Steigungsquantität und durch die Verwendung eines individuell einstellbaren inotropen Indexes wurde die Frequenzanpassung erreicht. Das Konzept wurde in einer multizentrischen Studie anhand eines standardisierten Übungsprotokolls evaluiert²⁵². Die Ergebnisse bei Patienten mit AV-Block zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen dem spontanen Sinusrhythmus und der impedanzgesteuerten Stimulationsfrequenz. In einer Akutstudie bei 12 Patienten konnte S. Osswald aus Basel, Schweiz, zeigen, dass die Sensorsignale eng mit dem Kontraktilitätsparameter dP/dt_max während Dobutamin-Belastungstests korrelierten²⁵³. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Akzelerometers konnten im Ruhezustand Referenzkurven erstellt werden, die im Abgleich mit den Belastungskurven zu einem automatisierten Frequenzanstieg führten. In einer Multicenterstudie mit 131 Patienten konnte Martin Coenen aus Basel, Schweiz, 2008 zeigen, dass der mentale Belastungstest mit einer signifikant höheren Herzfrequenz für das CLS als für den Beschleunigungssensor verbunden war. Beim 6‑Minuten-Gehtest gab es zwischen den beiden Sensoren keinen Unterschied. Die Patienten bevorzugten CLS gegenüber dem Akzelerometer²⁵⁴. Der Sensor ist in Herzschrittmacher- und Defibrillatorsystemen der Firma Biotronik, Deutschland verfügbar.

Irnich²⁵⁵ aus Gießen stellte 1988 die AV-Zeitverkürzung unter Belastung als einen physiologischen Sensor vor. Bei drei untersuchten Patienten mit AAI-Schrittmacher bestand eine reproduzierbare Korrelation zwischen Belastung und Verkürzung des AV-Delays. Dieser Effekt war bereits nach 10 s nachweisbar. Die Erhöhung der Stimulationsfrequenz über die physiologische Frequenz hinaus verursachte dagegen eine Verlängerung der AV-Überleitungszeit, so dass durch eine negative Rückkopplung eine Überstimulation vermieden konnte²⁵⁶. Weitere Patente wurden auf das Prinzip angemeldet^{257, 258}.

Das Konzept wurde 1998 von Mathias Meine vom Institut für Biomedizinische Technik der Ruhr Universität Bochum aufgegriffen, der 5 Probanden und 10 Herzschrittmacherpatienten mit Sinusknotenerkrankung ergometrisch untersuchte. Auf der Basis eines Regelkreises mit negativem Feedback wurde das Konzept eines dromotropen Algorithmus zur Frequenzoptimierung bei chronotrop inkompetenten SSS-Patienten mit intakter AV-Überleitung entwickelt²⁵⁹. 1999 meldete Martin Hexamer den Sensor zum Patent an und stellte 2004 einen neuen Algorithmus vor, mit einem erweiterten Bereich der individuellen Herzfrequenz und einer wirksamen Dämpfung der respirationsbedingten Störung. Sieben Patienten wurden unter Belastung mit diesem Algorithmus stimuliert. Die Experimente bestätigten die Eignung dieses Konzepts zur Wiederherstellung der chronotropen Kompetenz²⁶⁰. Trotz umfangreicher Untersuchungen und Patente²⁶¹ wurde das Konzept nicht in einem implantierbaren System umgesetzt.

Trotz jahrelanger, erfolgreicher Stimulationstherapie wird weiterhin über den optimalen ventrikulären Stimulationsort gestritten. Die in der Anfangszeit verfügbaren Herzschrittmacher lieferten zwar eine ausreichende Frequenzunterstützung, waren jedoch nicht mit der atrialen Kontraktion synchronisiert und führten so zu negativen hämodynamischen Ergebnissen, einschließlich eines erhöhten Risikos für Herzinsuffizienz und Vorhofflimmern. Diese negativen Effekte konnten durch die frequenzvariable Stimulation nicht ausgeglichen werden. Auch die vorhofsynchrone Ventrikelstimulation von der rechtsventrikulären Spitze aus verschlechterte die kontraktile Funktion bei vielen Patienten. Alternative Stimulationsorte des Myokards wie das rechtsventrikuläre Septum oder der Ausflusstrakt konnten ebenfalls eine stimulationsinduzierte Kardiomyopathie nicht verhindern²⁶². Obwohl die biventrikuläre Stimulation bei Patienten mit Linksschenkelblock (LBBB) und schwerer systolischer LV-Dysfunktion die klinische Symptomatik deutlich verbessert und die Herzinsuffizienz und Sterblichkeit reduziert, bleibt ihre Rolle bei Patienten mit erhaltener systolischer LV-Funktion ungelöst (siehe Kapitel „Kardiale Resynchronisationstherapie“).

Bereits 1925 kam der Physiologe Carl J. Wiggers aus Cleveland, USA, zu dem Schluss, dass eine direkte Stimulation der Ventrikel einen signifikanten Effekt auf die Herzleistung hat, da die erzeugten Druckkurven sich merklich von denen unterschieden, die während einer normalen Aktivierung des Herzens beobachtet wurden²⁶³. Ein idealer physiologischer Stimulationsort sollte die normale Reizleitung durch das His-Purkinje-System mit einbeziehen. 1963 beschrieb Brian Hoffmann aus New York, USA, im chronischen Hundeversuch eine atriale endokardiale Stimulation in der Nähe des Ventrikels, bei der Vorhof und His-Bündel simultan erregt werden konnten²⁶⁴. Die erste selektive His-Bündel-Stimulation gelang Benjamin Scherlag aus New York, USA, 1967 bei 11 Hunden mittels einer feinen Schraubelektrode. Im Gegensatz zur direkten Stimulation der Ventrikel führte die Stimulation des His-Bündels zu keiner Veränderung in der Amplitude, Konfiguration oder Dauer der Ventrikelaktivität, die in den peripheren Elektrokardiogrammen oder intraventrikulären Elektrogrammen aufgezeichnet wurden²⁶⁵.

Eine His-Bündelstimulation beim Menschen wurde erstmals 1970 von Onkar Narula aus Miami, USA, beschrieben. Bei 30 Patienten konnte er zeigen, dass der QRS-Komplex in allen EKG-Ableitungen bei direkter Stimulation des His-Bündels gegenüber dem normalen Sinusrhythmus unverändert blieb, und dies auch bei einem Patienten mit komplettem AV-Block und schmalen Kammerkomplexen²⁶⁶.

Erst im Jahr 2000 beschrieb Pramod Deshmukh aus Sayre, USA, eine dauerhafte His-Bündel-Stimulation bei Patienten mit chronischem Vorhofflimmern und LV-Dysfunktion, die sich einer AV-Knoten-Ablation unterzogen²⁶⁷. Die Schraubelektroden wurden geleitet durch einen Elektrophysiologie-Katheter und Stylet-gesteuert im His-Bündel platziert. Dieses konnte bei 12 von 18 Patienten zuverlässig dauerhaft stimuliert werden, bei zwei dieser Patienten trat jedoch eine Sondendislokation auf. Die Reizschwellen waren mit 2,4 ± 1,0 V höher und die R‑Amplituden mit 1,0–3,2 mV niedriger als bei der konventionellen Ventrikelstimulation. Der endsystolische Diameter im Echokardiogramm nahm signifikant von 51 auf 43 mm ab und die Auswurffraktion von 20 % auf 31 % zu. Die mittlere Prozedurdauer betrug 3,7 h. Dies und eine Erfolgsrate von nur 55 % waren Gründe dafür, dass das Verfahren zunächst keine weitere Verbreiterung fand. Die His-Bündel-Stimulation blieb auch in meiner eigenen Institution (Bergmannsheil Bochum) nach 1999 auf Einzelfälle beschränkt.

Die Entwicklung einer dünnen (4,1 F) Stimulationselektrode (Medtronic SelectSecure 3830), die ohne Innenlumen über eine Einführschleuse (Medtronic SelectSite C304 und C304His mit 8,4 F und C315His mit 7F) zu platzieren ist, führte zu einer kürzeren Prozedurdauer und einer verbesserten Erfolgsrate. Mittlerweile haben auch andere Firmen (Biotronik Selectra 3D, Abbott Agilis HisPro, Boston Scientific SSPC) z. T. steuerbare Führungskatheter auf den Markt gebracht, die mit Stylet-geführten Elektroden kombiniert werden können²⁶⁸.

Es gibt nur wenige Studien, die bei Patienten mit AV-Blockierungen eine mögliche Auswirkung der His-Bündel-Stimulation auf die Mortalität und die Hospitalisierung wegen Herzinsuffizienz beobachtet haben. Die bisher größte ist die Fall-Kontroll-Studie von Mohamed Abdelrahman 2018 mit über 750 Patienten (mittlere LVEF 54 %) und einer mittleren Nachbeobachtungszeit von 2 Jahren, die entweder eine rechtsventrikuläre oder eine His-Bündel-Stimulation erhalten hatten. Der primäre Endpunkt aus Tod, Herzinsuffizienz-Hospitalisation oder Upgrade auf ein CRT-System war in der His-Gruppe niedriger als in der konventionell stimulierten Gruppe. Die Ergebnisse waren bei Patienten mit einer ventrikulären Stimulationslast von mehr als 20 % ausgeprägter, und es gab einen Trend zu reduzierter Sterblichkeit²⁶⁹.

Eine weitere Veröffentlichung von Pugazhendhi Vijayaraman 2018 aus derselben Gruppe untersuchte die 5‑Jahres-Nachbeobachtung bei 192 Patienten. Die Inzidenz von stimulationsinduzierter Kardiomyopathie war in der His-Gruppe signifikant geringer als in der RV-stimulierten Gruppe (2 % vs. 22 %), bei Patienten mit > 40 % ventrikulärer Stimulation war auch die Todes- oder Herzinsuffizienzrate in der RV-stimulierten Gruppe signifikant höher (HR 1,9). Dies ging zu Lasten eines größeren Bedarfs an Elektrodenrevisionen (6,7 % vs. 3 %) und Generatorwechseln (9 % vs. 1 %) in der His-Bündel-Pacing-Gruppe²⁷⁰.

In einer hämodynamischen Akutstudie zeigte Daniel Keene aus London 2020 im intraindividuellen Vergleich, dass die His-Bündel-Stimulation bei Patienten mit verlängerten PR-Intervallen eine bessere akute Herzfunktion bietet als ein Eigenrhythmus oder eine rechtsventrikuläre Stimulation. Im Gegensatz zum Stimulationsvermeidungsalgorithmus ermöglicht sie die Normalisierung verlängerter AV-Zeiten, ohne eine ventrikuläre Dyssynchronie zu verursachen²⁷¹.

Die Daten der His-Bündel-Studien bei AV-Knoten-Ablation und Vorhofflimmern wurden wegen der geringen Fallzahlen in Metaanalysen zusammengefasst. Diese haben durchweg symptomatische und echokardiographische Verbesserungen gezeigt, wenn auch mit höheren Stimulationsschwellen als die rechtsventrikuläre Stimulation²⁷². Die Metaanalyse von Zhiyong Qian aus Nanjing, China, 2018 zeigte, dass die His-Bündel-Stimulation bei Patienten mit Herzinsuffizienz und Vorhofflimmern, die sich einer AV-Knoten-Ablation unterzogen, die LVEF von 37 auf 48 % verbesserte²⁷³. In einer prospektiven Singlecenterstudie bei 94 Patienten mit Vorhofflimmern, Herzinsuffizienz und schmalem QRS konnte Lan Su aus Wenzhou, China, zeigen, dass sich die linksventrikuläre Ejektionsfraktion über eine Nachbeobachtungszeit von 3 Jahren von 45 % auf 58 % verbesserte. In der Subgruppe der Patienten mit reduzierter LVEF betrug der Ausgangswert 33 % und nahm um 20 % zu, während bei Patienten mit normaler Auswurffraktion diese sich um 8 % verbesserte²⁷⁴.

Über die Implantationserfolgsrate der His-Bündel-Stimulation berichtete Keene 2019 in einer großen internationalen Beobachtungsstudie mit insgesamt 529 Patienten. Sie lag initial bei 81 % und verbesserte sich nach Abschluss von 40 Fällen auf 87 %. Die mittlere Durchleuchtungszeit betrug 12 min und die Reizschwelle 1,4 V bei 0,8 ms Impulsdauer. Bei 7,5 % der erfolgreichen Implantationen kam es aufgrund einer Elektrodendislokation oder eines Anstiegs der Reizschwelle zu einer Deaktivierung²⁷⁵.

Eine in jüngster Zeit durch die Arbeitsgruppe um Weijian Huang aus Wenzhou, China, entwickelte weitere Form der Stimulation des Reizleitungssystems stellt die direkte Stimulation des linken Faszikels durch eine septale Penetration der rechtsventrikulären Elektrode dar²⁷⁶. Die Methode wird sowohl bei Patienten mit AV-Block als auch zur kardialen Resynchronisation bei verbreiterten Kammerkomplexen angewandt. Es ist noch zu früh, um den langfristigen Erfolg dieser neuen Methode zu beurteilen. Die ersten Langzeitergebnisse von Lan Su aus Wenzhou, China 2021, über 18 Monate bei 632 konsekutiven Patienten mit AV-Blockierungen oder AV-Knoten-Ablation und bei Patienten zur kardialen Resynchronisation sind vielversprechend. Sie zeigen eine Implantationserfolgsrate um 98 %, niedrige Reizschwellen, eine Abnahme der QRS-Breite und bei Patienten mit breitem QRS-Komplex eine Verbesserung der Auswurffraktion²⁷⁷.

Und so kann man schließen, dass auch mehr als 60 Jahre nach der Erstimplantation eines Herzschrittmachers die Entwicklung der Elektrotherapie des Herzens noch immer nicht abgeschlossen ist. Gleichzeitig unterstreicht die Aussage des 1. Patienten, Arne Larsson vom Dezember 2000 die Bedeutung der Therapie für den Patienten selbst:

„What was done 1958 in Stockholm, with help of doctors Senning and Elmqvist—and in a small way by myself—was a sensation. Today you don’t think of a pacemaker implantation as something sensational. Well, ladies and gentlemen, then you are wrong. It is still a sensation—for the patient!“²⁷⁸