DE1947107C3 - Implantierbares Reizstromgerät für elektromedizinische Zwecke mit mindestens zwei Batterien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein implantierbares Reizstromgerät für elektromedizinische Zwecke mit einer aus mindestens /wei Batterien bestehenden Stromquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wird ein Reizstromgerät als Ganzes, d. h. einschließlich Stromquelle, implantiert, wie dies beispielsweise aus der US-PS 30 57 35b. der US-PS 32 36 240 und der CB-PS Il 08 858 bekannt ist, ergeben sich Probleme aus der beschränkten Lebensdauer der als Stromquelle dienenden Batterien. Fallen nämlich Batterien vor dem Ablauf ihrer erwarteten Lebensdauer aus, kommt der das Reizstromgerät tragende Patient in Gefahr. Dies gilt »uch für ein aus der CiB-PS 9 85 797 bekanntes implantierbares Reizstromgerät mit zwei strommäßig gegeneinander entkoppelten Batterien (Bi und Bi in Fig. I). bei dem weiterhin eine einzelne Batterie aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen aufgebaut ist. Die beiden Batterien sitzen dort nämlich an unterschiedlichen Stellen der Schaltung und haben völlig unterschiedliche Funktionen, so daß die eine bei Ausfall der anderen nicht deren Aufgabe übernehmen kann. Fällt bei einer aus einer Reihenschaltung mehrerer Zellen bestehenden Batterie auch nur eine Zelle aus, liefert die gesamte Batterie keine der vorgesehenen Sollspannung gleiche öder näherurigsWeise gleiche Spannung mehr.

Bei einem anderen bekannten implantierbaren Reizstromgerät (GH-PS 4 34 504) weist die Stromquelle neben einer zunächst die Energieversorgung übernehmenden Batterie zusätzlich eine Reservebatteris auf, die mittels eines durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes betätigbaren magnetischen Umschalters anstelle der anfänglich angeschlossenen Batterie eingeschaltet werden kann, wenn letztere erschöpft ist. Die Umschaltung auf die Reservebatterie erfordert jedoch ein bewußtes Tätigwerden eines Arztes, eines Helfers oder des Patienten. Selbst wenn man das Umschalten dem Patienten überläßt, besteht stets die Gefahr, daß der AusfaU der anfänglich angeschlossenen Batterie den Patienten im Schlaf überrascht oder daß der Patent im

ίο Augenblick des Versagens dieser Batterie das zum Anlegen des äußeren Magnetfeldes erforderliche Hilfsgerät gerade nicht zur Hand hat.

Es ist ferner bei Notstromaggregaten bekannt (DE-AS 12 76 175 und CH-PS 4 44 265), einem Netz-

ii gleichrichter eine Reihenschaltung aus einer bei Netzausfall die Stromversorgung des Verbrauchers übernehmenden — ggf. wiederaufladbaren — Batterie und einer Trenndiode parallel zu schalten. W«gen des fehlenden Netzanschlusses scheidet eine solche Lösung

jo aber bei einem einschließlich Stromquelle implantierbaren Reizstiomgerät von vornherein aus. Weiterhin ist es bekannt (H. H. Koelle »Theorie und Technik der Raumfahrzeuge«, Berliner Union, Stuttgart, 1964. Seite 32), bei Raumfahrzeugen bestimmte Anlagenteile, u. a.

2Ί auch Batterien, doppelt vorzusehen. Wie im einzelnen aber dafür gesorgt werden soll, daß bei Ausfall einer Batterie die andere i'eren Funktion übernimmt, ist nicht offenbart.

Schließlich ist es bei batteriegespeisten Einrichtun-

tn gen, wie tragbaren Rundfunk- und anderen Kommunikationsgeräten, bekannt (AU-PS 2 25 033), parallel zu der unmittelbar an eine Last angeschlossenen Reihenschaltung einer Diode und einer Hauptbatterie eine Reihenschaltung aus einer Diode und einer Hilfsbatterie

η zu legen, deren Ausgangsspannung kleiner als die normale Ausgangsspannung der Hauptbatterie ist. Dabei wird die Last zunächst ausschließlich aus der Hauptbatterie gespeist. Wenn deren Ausgangsspannung auf die Spannung der Hilfsbat!~rie abgesunken ist,

4(i beginnt Strom aus der Hillsbat'.erie in die Last zu fließen. Abgesehen davon, daß es umständlich ist. in das gleiche Gerät unterschiedlich dimensionierte Batterien einsetzen zu müssen, hat diese F.innchtung mit dem zuvor genannten, eine Reservebatterie aufweisenden Reizstromgerät (( H-PS 4 34 504) den Nachteil gemeinsam, daß die Gesamtanzahl der Zellen der Stromquelle im Vergleich zu Geräten ohne Batteneredundanz wesentlich erhöht ist. Dies ist aber gerade bei implantierbaren Geräten unerwünscht, weil es dort auf

■>r> geringen Raumbedarf und niedriges Gewicht besonders ankommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reizstromgerät zu schaffen, das auch bei Ausfall einer der vorgesehenen Batterien betriebsfähig bleibt, ohne daß von außen eingegriffen werden muß. das aber gleichwohl ohne Erhöhung der für die Stromquelle insgesamt erforderlichen Anzahl von Zellen auskommt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Gerät der

eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch das

M) kennzeichnende Merkmal des Anspruchs I gelöst.

Bei dem Gerät nach der Erfindung Werden die Dioden zunächst sämtlich in Durchlaßrichtung betrieben, so daß die Batterien funktionsmäßig parallel geschaltet sind. Mit Hilfe der Spännungsverdopplerschaltung läßt sich

die Amplitude der Ausgangsimpulse trotz Batterieredundanz ohne Erhöhung der Zellenanzahl auf dem Vorgesehenen Sollwert halten. Fällt im Betrieb die Spannung der einen Batterie um einen gewissen Betrag

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unter die Spannung der anderen Batterie, wird die mit der einen Batterie in Reihe geschaltete Diode in Sperrichtung vorgespannt; es ist nur noch der Zweig der Stromquelle mit der größeren Spannung stromführend. Der Zweig mit der niedrigeren Spannung steht jedoch s als redundante Stromversorgung weiterhin zur Verfugung, die die Speisung des Reizstromgerätes übernimmt, wenn die Spannung in dem zuvor leitenden Zweig auf einen Wert abgefallen ist, der unter der Spannung der anderen Batterie liegt. In diesem Falle m kehrt sich die Sperrung der Dioden um; die Funktion der Baiterien wird vertauscht.

Der im Ausgangskreis des Impulsgenerators liegende Spannungsverdoppler ist vorzugsweise gemäß dem Anspruch 2 ausgelegt. ι^r,

Zwar ist aus der US-Patenischrift 30 57 356 ein implantierbares Reizstromgerät bekannt, das einen Kondensator aufweist, dessen eine Klemme über einen Widerstand an einen Anschluß der Stromquelle und über einen Schalter mit dem nicht über einen Widersland angekoppelten Anschluß der Stromquelle verbunden ist. Der Kondensator des bekannte Gerätes bildet jedoch keinen Bestandteil eines Spannungsverdopplers. Es handelt sich dabei vielmehr um einen Speicherkondensator, der bei geöffnetem Schalter über 2· den Widerstand auf die Spannung der Stromquelle aufgeladen wird und der sich über das zu reizende Gewebe entlädt, wenn der Schalter geschlossen wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild eines Gerätes nach der Erfindung.

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgelegten Gerätes und y,

F i g. 3 ein schematisches Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform des Gerätes nach der Erfindung.

In F 1 g. 1 ist die Stromquelle 10 als Block dargestellt: sie versorgt ein implantierbares Reizstromgerät, bei- 4η spielsweise den in der US-Patentschrift 30 57 35b beschriebenen Schrittmacher, mit Strom. Mit 11 ist in Fig. I ein impulsgenerator angedeutet, dem ein Ausgangskreis 12 zugeordnet ist. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf Schrittmacher beschränkt, sondern auch bei anderen implantierbaren elektromedizinischen Reizstromgeräten anwendbar ist

In Fig. 2 sind schematisch Einzelheiten der Stromquelle 10 und des Ausgangskreises 12 der Fig. 1 dargestellt. Da der impt Isgenerator 11 in beliebiger vi bekannter Weise aufgebaut sein kann, ist er auch in F i g. 2 einfiel·! als Block angedeutet.

Die Stromquelle 10 der F i g. 2 weist einen Masseanschluß 20 auf. Die negative Ausgangsklemme einer ersten Gruppe von in Reihe geschalteten, eine Batterie v> 21 bildenden Zellen ist mit dem Masseanschluß 20 verbunden. Die negative Ausgangsklemme einer zweiten Gruppe von in Reihe geschalteten Zellen, die eine Batterie 22 bilden, steht ebenfalls mit dem Masseanschluß 20 in Verbindung. Die positive Ausgangsklemme bo der Batterie 21 ist über eine Diode 23 an einen Verbindtingspunkt 25 angeschlossen. Die positive Ausgangsklemme der Batterie 22 steht über eine Diode 24 mit dem Verbindungspunkt 25 in Verbindung, Der Verbindungspunkt 25 steht seinerseits mit einem positiven Anschluß 26 der Stromquelle 10 in Verbindung.

Wenn das Gerät nach Fig 1 implantiert wird und zu arbeiten beginnt, liefern die Batterien 21 und 22 theoretisch näherungsweise gleiche Ausgangsspannimgen. In diesem Falle sind beide Dioden 23 und 24 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Die beiden Batterien 21 und 22 liefern an die Anschlüsse 20 und 26 in der Weise Strom, als wenn sie parallel geschaltet wären. Wenn jedoch zu Beginn des Betriebes eine der Batterien 21 und 22 eine niedrigere Spannung als die andere hat oder wenn während des Betriebes die Spannung einer der Batterien 21, 22 unter den Wert der Spannung der anderen Batterie absinkt, oder wenn schließlich eine einzelne Zelle in einer der Batterien 21 und 22 ausfällt, übernimmt die Batterie mit der größeren Spannung allein die Stromversorgung des Impulsgenerators 11.

Dazu kommt es wie folgt. Zunächst sei angenommen, daß die Spannung der Batterie 21 unter die Spannung der Batterie 22 abgesunken ist. Dadurch wird die Diode 23 mit einer Sperrspannung beaufschlagt, die, falls sie eine ausreichende Größe hat, einen Stromfluß von der Batterie 21 zum Anschluß 26 verhindert. Infolgedessen liefert die Batterie 22 allein den Speisestrom für den Impulsgenerator 11.

Hat nun die Batterie 22 solange gearbeitet, daß die Ausgangsspannung dieser Batterie kleiner u's die Ausgangsspannung der Batterie 21 wird, kehren sich die Verhäliiiisse um. An der Diode 24 erscheint eine Sperrspannung, während die Diode 23 jetzt in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Die Batterie 21 übernimmt nunmehr allein die Stromzufuhr zum Anschluß 26. Die gleiche Wirkung tritt ein, falls es in der Batterie 22 /u dem plötzlichen Ausfall einer Zelle kommt.

Jede der Batterien 21 und 22 wirkt infolgedessen als redundante Stromquelle, und zwar jeweils eine Batterie für die andere Batterie. Die Vorteile des mit einer derartigen redundanten Stromquelle versehenen Gerätes werden klar, wenn man berücksichtigt, daß ein plötzlicher Stromausfall oder ein Stromaustall vor dem erwarteten Ende der Lebensdauer der Batterien bzw. der in Reihe geschalteten Zellen für den Patienten, in der das Gerät implantiert ist, äußerst kritisch sein kann. Der Ausgangskreis 12 weist zwei Ausgangsklemmen 31 und 32 auf, die bei der Implantation mit demjenigen Teil des Körpers verbunden werden, der mit elektrisehen Signalen stimuliert werden soll. Bei einem Herzschrittmacher wüiden die Ausgangsklemmen 31 und 32 über Elektroden mit einem Teil des Herzens verbunden. Die Ausgangsklemme 31 ist über einen Kondensator 35 mit einem Verbindungspunkt 36 gekoppelt. Der Verbindungspunkt 36 ist über einen Widerstand 37 an den positiven Anschluß 26 angeschlossen. Der Verbindungspunkt 36 steht ferner übtr einen neriodisch betätigten Schalter 38 in Form eines npn-1 ransistors mit dem Masseanschluß 20 in Verbindung. Die Ausgangsklemme 32 ist an cnen Veibindungspunkt 39 angeschlossen. Der Ve^bindungspunkt 39 ist über einen von einem pnp-Transistor gebildeten, periodisch betätigten Schalter 43 mit dem Anschluß 26, über einen Wider· tand 42 mit dem Masseanschluß 20 und über einen Widerstand 41 mit der Basis des den Schalter 38 bildenden Transistors verbunden. Die Basis des den Schalter 43 bildenden Transistors ist über einen Widerstand 45 an einen Verbindungspunkt 44 angeschlossen. Der Verbindungspunkt 44 steht über einen Widerstand 47 mi« einem Verbindungspunkt 49 in Verbindung, der seinerseits über einen Widerstand 48 an den Anschluß 26 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt 44 ist ferner über einen npn^Transistor 46 mit dem

Masseanschluß 20 verbunden. Der Verbindungspunkt 49 steht über einen php-Trärisistof 51 riiit der Basis des Transistors 46 in Verbindung. Zwei Eingangsleitungeri 52 und 53 sind an die Basis des Transistors 51 bzw. an' den Verbindungspunkt 44 angeschlossen. ι

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausgangskreises 12 sei zunächst angenommen, daß das von dem Impulsgenerator 11 auf die Eingahgsleitungen 52 und 53 gelangende Signal derart gerichtet ist, daß der Transistor 51 gesperrt wird. Bei gesperrtem Transistor MJ 51 wird auch der Transistor 46 gesperrt. Der Verbindungspunkt 44 liegt auf einem ausreichend hohen Potential, um den den Schalter 43 bildenden Transistor zu sperren. Bei Sperrung dieses Transistors befindet sich die Basis des den Schalter 38 bildenden Transistors \ϊ praktisch auf Massepotential, so daß auch dieser Transistor gesperrt wird. Infolgedessen befinden sich die ⁿeriodisch betätigten Scheiter im '■!nprr- nHor Offenzustand. In diesem Zustand fließt ein Strom von dem positiven Anschluß 26 über den Widerstand 37, den kondensator 35, die Ausgangsklemme 31, den Teil des körpers, an den die Ausgangsklemmen 31 und 32 angeschlossen sind, die Ausgangsklemme 32 und den Widerstand 42 zum Masseanschluß 20. Dieser Stromfluß dauert an, bis der Kondensator 35 voll geladen ist. Der 2ί Kondensator 35 lädt sich derart, daß der an den Verbindungspunkt 36 angeschlossene Belag positiv wird.

Wenn die Taktschaltung des Impulsgenerators 11 das Auftreten eines elektrischen Ausgangssignals vorgibt, Jo erscheint auf den Eingangsleitungen 52 und 53 ein Signal, das den Transistor 51 in Durchlaßrichtung vorspannt. Der Stromfluß durch den Transistor 51 bewirkt, daß der Transistor 46 an seiner Basis durchgesteuert wird. Wenn der Transistor 46 stromfüh- J5 rend wird, fällt das Potential am Verbindungspunkt 44 auf nahezu das Massepotential ab. wodurch der den Schalter 43 bildende Transistor in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Stromfluß durch diesen Transistor bewirkt, daß der Verbindungspunkt 39 positiv wird -tu und der den Schalter 38 bildende Transistor in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. In diesem Zustand sind die periodisch betätigten Schalter stromführend bzw. geschlossen.

Der Stromfluß über den Kondensator 35 ist nunmehr umgekehrt. Das heißt, Strom fließt von dem Anschluß 26 über den Schalter 43, den Verbindungspunkt 39, die Ausgarigsklemrhe32idch ah die Elektroden angeschlossenen Teil des Körpers, die Ausgangsklcmme 3i, den Kondensator 35 (in entgegengesetzter Richtung), den Verbindurigspurikt 36 und den Schalter 38 zum Masseanschluß 20. Durch diese Stföriiumkehr wird die zwischen den Anschlüssen 26 und 20 zur Verfugung stehende Spannung mit der ini kondensator 35 gespeicherten Spannung in Reihe geschaltet, so daß die verfügbare Ausgangsspannung verdoppelt wird. Das heißt, die von der Stromquelle 10 gelieferte, zwischen den Anschlüssen 20 und 26 zur Verfügung stehende Spannung muß nur halb so groß sein.

Wenn die gewünschte Ausgangsimpulsdauer verstrichen ist. verschwindet das Signal zwischen den Eingangsleilungen 52 und 53. oder es wird dieses Signal umgekehrt: sämtliche Transistoren weiden in der oben beschriebenen Weise wieder gesperrt. Das Arbeitsspiel beginnt jetzt von neuem; der Kondensator 35 lädt sich in der ursprünglichen Richtung erneut auf.

In F i g. 3 ist eine Abwandlung der Stromquelle 10 der Fig.2 veranschaulicht. Der Masseanschluß 120, die im wesentlichen gleiche Spannung abgebenden Batterien 121 und 122, die Dioden 123 und 124 sowie der mit dem Anschluß 126 verbundene Verbindungspunkt 125 entsprecJ-sn den Bauelementen 20 bis 26 der Stromquelle 10 nach F i g. 2; sie sind wie diese geschaltet. Bei der Anordnung nach Fi^. 3 ist jedoch eine dritte Diode 127 zwischen die Diode 123 und den Verbindungspunkt 125 gelegt. Diese zusätzliche Diode erhöht die Spannung, die notwendig ist, um die Dioden 123 und 127 in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Infolgedessen ist zu Beginn des Betriebes des Geräts nach Fig.3 die Batterie 121 die redundante Batterie mit Bezug auf die Batterie 122. Diese Ausführungsform ist dann von Vorteil, wenn es erwünscht ist, zu Beginn des Betriebes eine Batterie definitiv redundant bezüglich der anderen Batterie zu machen.

Mit der Anordnung nach der Erfindung werden gefährliche Mangel bekannter implantierbarer elektromedizinischer Reizstromgeräte ausgeräumt. Sie ist nicht auf die veranschaulichten und oben beschriebenen Schrittmacher beschränkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Implantierbares Reizstromgerät für elektromedizinische Zwecke mit einer aus mindestens zwei zunächst im wesentlichen gleiche Spannung abgebenden Batterien, deren jeweils gleichnamiger einer Pol über eine Auswahlschaltung und deren jeweils anderer gleichnamiger Pol unmittelbar zusammengeschaltet sind, bestehenden Stromquelle, die einen Impulsgenerator speist, in dessen Ausgangskreis das zu reizende Gewebe in Serie angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Reizstromgerät, bei dem die Auswahlschaltung aus je einer zu den Batterien (21, 22; 121, 122) in Reihe geschalteten Diode (23, 24; 123, 124) besteht, ein Spannungsverdoppler im Ausgangskreis (12) des Impulsgenerators (11) liegt.

2. Implantierbares Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverdoppler einen Kondensator (35) aufweist, dessen eine Klemme über einen Widerstand (37) an einen Anschluß (26) der Stromquelle (10) und dessen andere Klemme über die Ausgangsklemmen (31,32) und über einen weiteren Widerstand (42) an den anderen Anschluß (20) der Stromquelle (10) angekoppelt ist und Jessen Klemmen jeweils über periodisch betätigte Schalter (38,43) mit dem jeweils nicht über einen Widerstand angekoppelten Anschluß der Stromquelle derart verbunden sind, daß durch das Betätigen der Schalter die Richtung des über den Kondensator (35) fließenden Stromes umkehrbar i'.t.