DE19702841A1

DE19702841A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Defibrillation des Herzens durch Stromimpulse

Info

Publication number: DE19702841A1
Application number: DE19702841A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Weyh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1998-07-30

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Defi brillation des Herzens durch Stromimpulse, die durch elektro magnetische Induktion mit Hilfe eines auf das Herz ausrichtbaren gepulsten Magnetfeldes im Herzen selbst erzeugt werden, mit min destens einer im Entladestromkreis eines an eine Gleichspan nungsquelle anlegbaren Kondensators liegenden, vom Impulsstrom durchflossenen, auf eine herznahe Stelle der Körperoberfläche aufsetzbaren Stimulations-Magnetspule, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Defibrillationsverfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE 39 04 254 A1) findet eine Vorrichtung Anwendung, in deren Kondensator-Entladestromkreis ein elektrischer Schalter liegt, mit dessen Hilfe der Kondensator mit der Magnetspule unmittelbar verbindbar ist. Wird der Schalter geschlossen, findet eine Entladung über die einen ferromagnetischen Kern enthaltende Magnetspule statt. Das sich in einem Bruchteil einer Sekunde aufbauende Magnetfeld induziert im Herzen den Stromimpuls. Beim Zusammenbruch des Magnetfeldes der Spule wird wiederum ein Stromimpuls induziert, der im Sinne einer erneuten Aufladung des Kondensators mit folgender erneuter Entladung über die Magnetspule wirkt. Da die Einheit aus Kondensator und Magnetspule einen Schwingkreis bildet, in dem diese Elemente und die Leitungen Widerstände darstellen, in denen die Energie vernichtet wird, klingen die Schwingungen in sehr kurzer Zeit ab. Es ergibt sich ein hoher Stromverbrauch. Ein erneuter Impuls setzt ein vorheriges Aufladen des Kondensators voraus. Um eine Serie von sehr schnell aufeinanderfolgenden Magnetfeld-Impulsen, nämlich 30 bis 100 Impulse pro Sekunde zu erzeugen, wie dies für einen Defibrillator erforderlich ist, muß viel Energie bereitgestellt werden, die beim Betrieb des Defibrillators im wesentlichen in abzuführende Verlustwärme umgewandelt wird. Der Leistungsbedarf liegt deshalb bei 15 MW. Diese sehr hohe Impulsleistung von ca. 15 MW ist zwar tatsächlich während des kurzzeitigen Aufbaus des Magnetfeldes notwendig. Wenn man aber unter Einbeziehung der Zwischenpausen zwischen den Impulsen bei den bisher vorgeschlagenen Geräten (die es ja für die Defibrillation noch nicht gibt) eine mittlere Leistungsaufnahme berechnen würde, käme man auf schätzungsweise 10kW-100KW, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dagegen auf nur ca. 100W. Von Nachteil ist ferner das durch den Spulenkern sowie die Größe der Spule bedingte hohe Gewicht und der große Platzbedarf dieser bekannten Vorrichtung. Allen diesen Eigenschaften läßt sich nur bei Realisation in Form einer stationären Vorrichtung Rechnung tragen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der genannten Nachteile ein zu einem wesentlich geringeren Energiebedarf führendes Verfahren zu schaffen und eine für dessen Durchführung dienende Vorrichtung bereitzustellen, die sich durch eine relativ kleine Bauweise auszeichnet, welche eine bequeme Handhabung sowie die wirtschaftliche Herstellbarkeit in großen Stückzahlen und die Mitführbarkeit als Ambulanzgerät in entsprechenden Ein satzfahrzeugen ermöglicht.

Das Verfahren nach der Erfindung, bei der diese Aufgabe gelöst ist, ist im wesentlichen gekennzeichnet durch eine solche Steuerung von im zur Magnetspule führenden Entladestromkreis des Kondensators liegenden Thyristoren mit Hilfe einer ihnen zugeordneten Steuereinheit, daß der Stromkreis vom geladenen Kondensator zur Stimulations-Magnetspule hin und für den an schließenden Energierückfluß in den Kondensator, ohne unmit telbar folgende nochmalige schwingkreisartige Entladung über die Magnetspule durchlässig geschaltet wird.

Bei diesem Verfahren kommt es im Anschluß an die Durch schaltung des geladenen Kondensators zur Stimulations-Magnetspule hin und den anschließenden Energierückfluß in den Kondensator, über die gesteuerten Thyristoren nicht mehr zu der üblichen schwingkreisartigen L-C-Glied-Funktion gemäß dem eingangs erläuterten Stand der Technik. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet in besonders vorteilhafter Weise eine Vorrichtung Anwendung, die mindestens eine im Entla destromkreis eines an eine Gleichspannungsquelle anlegbaren Kondensators liegende, vom Impulsstrom durchflossene, auf eine herznahe Stelle der Körperoberfläche auflegbare Stimulations-Magnetspule umfaßt und sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, daß im zur Magnetspule führenden Entladestromkreis des Kondensators Thyristoren angeordnet sind, die von einer ihnen zugeordneten Steuereinheit aus über Stimulationsimpulse durchlässig schaltbar sind. Über die Steuereinheit ist der Zeitpunkt für die nächste Durchschaltung des zwischenzeitlich wieder vollständig von der Gleichspannungsquelle aufgeladenen Kondensators zur Magnetspule hin bestimmbar. Auf diese Weise ist der Leistungsbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der vorerwähnten vorbekannten Vorrichtung um den Faktor 100 senkbar. Da aufgrund der Senkung der bislang üblichen Verluste die Temperatur der Magnetspule keine kritischen Werte mehr er reicht, läßt sich die Vorrichtung nunmehr im Dauerbetrieb ein setzen.

Hier sei ergänzend erwähnt, daß die bisherigen Verfahren bei ihren Schwingkreisen (bestehend aus dem Entladekondensator und der Stimulations-Magnetspule) hinsichtlich der Resonanzfrequenz einen Kompromiß eingehen. Diese ist nicht gleichzeitig sowohl auf die physiologischen Erfordernisse des (Herz-)Muskels als auch auf die Minimierung der Verluste bei einer eventuellen Rückführung der Energie aus der Spule in den Kondensator anpaßbar. Dieses Dilemma wird durch die neue Anordnung, bei der die Rückführung der Energie aus dem Kondensator verzögert werden kann, umgangen. Man kann die Resonanzfrequenz hoch wählen, um die Rückspeiseverluste zu minimieren, und gleichzeitig die Repetierfrequenz der Stimulation auf 30-100 Hz herabsetzen um eine möglichst effektive Muskelreizung zu erreichen.

Der Vollständigkeit halber ist an dieser Stelle ein in Dänemark entwickelter, vorbekannter Hochfreguenz-Magnet-Stimu lator mit einer ölgekühlten Spule und sehr geringer Wiederhol rate (nur 8 Hz) zu erwähnen (J. Clin. Neurophysiol., Vol. 12, No. 5, 1995), der in der klinischen Neurophysiologie zur Ände rung der Erregbarkeit von Hirnrindenneuronen und für die Be handlung der Spastizität bei multipler Sklerose, d. h. aus schließlich zur Nervenstimulation, nicht aber zur Muskelstimu lation, Anwendung findet. Dieser sogenannte Labmag-Stimulator bedient sich ebenfalls eines Schaltkreises mit einer Spule, ei nem Kondensator und zwischen beide eingeschalteten Thyristoren. Diese Thyristoren lassen offensichtlich ein Ausschwingen im durch den Kondensator und die Magnetspule gebildeten Schwingkreis zu, so daß umfangreiche Maßnahmen für die Ableitung entstehender Verlustwärme erforderlich sind. So weist die Spule beispielsweise 16 Windungen eines Kühlmittel durchflossenen Kupferrohres auf, das überdies eine Rohrwandungs-Quer schnittsfläche von 14,8 mm² besitzt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich in weiterer Ausbil dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erwiesen, wenn die Sti mulations-Magnetspule praktisch kernlos ausgeführt ist. Sie ist dann so leicht, daß sie bequem von Hand gehalten und an den Patienten angelegt werden kann. Erwähnenswert ist ferner, daß die Vorrichtung bei gleichzeitiger Senkung der Größe und des Ge wichtes der Magnetspule auch einen Batteriebetrieb ermöglicht. Dies macht ihre bequeme Mitführung, insbesondere in Ambu lanzeinsatzwagen möglich.

Gemäß einer ersten, besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Vorrichtung sind im Entladestromkreis des Kondensators zwei mit der Steuereinheit verbundene, gegenseitig parallel zueinander liegende, jeweils von der Steuereinheit in ab wechselnder Folge gezündete Thyristoren angeordnet. Auf diese Weise lassen sich in der Magnetspule positive und negative Stromimpulse hervorrufen.

Bei einer abgewandelten Ausführung, bei der die Feldrich tung in jedem Stimulus gleichbleibt, ist es von Vorteil, wenn außer der Stimulations-Magnetspule eine Umladespule vorgesehen ist und beiden parallel zueinander angeordneten Spulen jeweils ein Thyristor vorgeschaltet ist, wobei zur Erzielung von die Magnetspule erregenden Stromimpulsen mit ausschließlich gleichem Vorzeichen beide Thyristoren zueinander gegensinnig geschaltet sind und zunächst der erste Thyristor gezündet und anschließend der zweite Thyristor zur Umpolung der Kondensatorspannung gezün det wird.

Statt dessen ist es zur Abgabe von Stromimpulsen gleicher Vorzeichen an die Stimulations-Magnetspule und damit gleichblei bender Feldrichtung auch günstig, wenn im Stromkreis der Stimulations-Magnetspule vier Thyristoren in Form einer Brückenschaltung angeordnet sind, in der der erste und zweite Thyristor in den beiden ersten parallel zueinander verlaufenden Brückenzweigen gleichzeitig gezündet und der dritte und vierte Thyristor in den beiden anderen parallel zueinander verlaufenden Brückenzweigen zeitlich versetzt zu den ersten und zweiten Thyristoren gezündet werden, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Kondensatorspannung vorher positiv oder negativ war.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der beige fügten Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der Vorrichtung mit einer über zwei gesteuerte Thyristoren gespeisten Stimulations-Magnetspule, gemäß einer ersten Ausführung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung der Vorrichtung mit einer über zwei gesteuerte Thyristoren gespeisten Stimulations-Magnetspule und einer hierzu parallelen Umladespule gemäß einer zweiten Ausführung,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung der Vorrichtung mit einer über vier gesteuerte Thyristoren gespeisten Stimulations-Magnetspule gemäß einer dritten Ausführung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Spulenstroms bzw. -Magnetfelds in Abhängigkeit von der Zeit bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Spulenspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Spulenstroms bzw. -Magnetfelds in Abhängigkeit von der Zeit, bei den Schaltungsanordnungen nach Fig. 2 bzw. 3 und

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Spulenspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei den Schaltungsanordnungen nach Fig. 2 bzw. 3.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung ersichtlich, sind in jeder der drei verschiedenen möglichen Schaltungsanordnungen der Vorrichtung nach der Erfindung jeweils ein über einen Schalter S an eine Ladeschaltung 1 anschließbarer Kondensator C mit hoher Kapazität vorgesehen. Der Kondensator C steht seinerseits mit einer Stimulations-Magnetspule L über einen Entladestromkreis in Verbindung, in dem Thyristoren T angeordnet sind. Den Figuren ist entnehmbar, daß die Thyristoren T, nämlich die Thyristoren T1, T2 gemäß den Ausführungen nach den Fig. 1 und 2 bzw. die Thyristoren T1-T4 gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführung, jeweils mit einer Steuereinheit 2 in Verbindung stehen, von der aus sie zu bestimmten Zeitpunkten zündbar, d. h. durchlässig schaltbar sind.

Gemäß Fig. 1 sind die beiden im Entladestromkreis des Kondensators c liegenden und mit der Steuereinheit 2 verbundenen Thyristoren T1, T2, die gegensinnig parallel zueinander angeordnet sind, jeweils von der Steuereinheit 2 in abwechselnder Folge durchlässig schaltbar. Sie rufen so positive und negative Stromimpulse in der Magnetspule hervor. Dabei werden Spulenstrom- bzw. -Magnetfeldverläufe in Abhängigkeit von der Zeit erzielt, wie sie in Fig. 4 schematisch veranschaulicht sind. Der zugehörige Spulenspannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit ist in Fig. 5 veranschaulicht.

Die Zeitverläufe sind in den Fig. 4 und 5 wie auch in den folgenden Fig. 6 und 7 nur rein qualitative Darstellungen; d. h. die jeweils dargestellten Größen sind nur relativ zu einem Maximalwert 1 gezeigt. Bezüglich der Zeitachse gilt, daß die Breite der Einzelimpulse übertrieben veranschaulicht ist; bei realistischer Darstellung wäre sie wesentlich geringer als dargestellt im Vergleich zu den Abständen zwischen zwei Impul sen. (Nur auf diese Weise ist die Form der Impulse noch er kennbar). Hier muß auf die richtigen Zahlenwerte verwiesen werden, die nachstehend in der Beschreibung angegeben sind.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind ebenfalls zwei Thy ristoren T1, T2 in den Entladestromkreis des Kondensators C eingeschaltet, der Thyristor T2 liegt hier jedoch allein im zur Stimulations-Magnetspule L1 führenden Zweig, während der Thyristor T1 in einem eine Umladespule L2 enthaltenden, parallel zur Magnetspule L1 liegenden Zweig angeordnet ist, und zwar gegensinnig, wie dies der Fig. 2 entnehmbar ist. Der Thyristor T1 wird jeweils zur Erzeugung des Stimulationsimpulses gezündet. Unmittelbar anschließend wird der Thyristor T2 gezündet, um so über die Umladespule L2 eine Umpolung der Kondensatorspannung zu erreichen. Infolgedessen werden über die Stimulations-Magnetspule L1 nur Stromimpulse mit gleichem Vorzeichen abgegeben, und die Feldrichtung bleibt bei jedem Stimulus auch gleich. Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 ergeben sich somit Spulenstrom- bzw. -Magnetfeldverläufe, wie sie in Fig. 6 veranschaulicht sind, und Spannungsverläufe, die die Fig. 7 zeigt.

Die Ausführung nach Fig. 3 umfaßt dagegen vier gesteuerte Thyristoren T1-T4, die in Form einer Brückenschaltung im Stromkreis vom Kondensator C zur Stimulations-Magnetspule L liegen. Der erste und der zweite Thyristor T1, T2 in den beiden ersten parallel zueinander verlaufenden Brückenzweigen werden gleichzeitig gezündet, und der dritte und vierte Thyristor T3, T4 in den beiden anderen parallel zueinander verlaufenden Brückenzweigen werden zeitlich versetzt zu den ersten und zweiten Thyristoren T1, T2 gezündet. Dies erfolgt in Abhängigkeit davon, ob die Kondensatorspannung vorher positiv oder negativ war. Auch hier wird erreicht, daß nur Stromimpulse mit gleichem Vorzeichen über die Stimulations-Magnetspule L gegeben werden. Somit bleibt auch die Feldrichtung bei jedem Stimulus gleich. Die für die Ausführung nach Fig. 2 geltenden Spulenstrom- bzw. -Magnetfeldverläufe gemäß Fig. 6 sowie Spannungsverläufe gemäß Fig. 7 stimmen somit mit den Verläufen überein, die für die Ausführung nach Fig. 3 gelten.

Mit jeder der drei in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Vorrich tungen läßt sich der Herzmuskel durch Magnetfeldimpulse wirksam beeinflussen, wenn letztere mit einer gewissen Stärke, Form, Anstiegsgeschwindigkeit und Impulsrate appliziert werden. Dabei handelt es sich um Magnetfelder mit einer Stärke von bis zu 3T, einer reduzierten Ausdehnung, d. h. einer großen Zielgenauigkeit, einer Anstiegsgeschwindigkeit von rund 30us und einer Impulsrate von 30 bis 100 Impulsen/Sekunde. Bei Applikation einer Serie dieser Impulse kann eine starke Kontraktion des Herzmuskels und damit eine Defibrillation oder eine Beseitigung des Herzstillstandes erreicht werden. Durch eine Folge dieser Serien in vorgegebener Herzrhythmusfrequenz läßt sich aber auch die Herzfunktion steuern bzw. aufrechterhalten.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zu diesem Zweck magnetische Impulse mit einer Energie in der Größenordnung von 100J in den Körper abgegeben. Der zeitliche Verlauf des Magnetfeldes hat dabei die Form einer halben Sinuswelle mit etwa 60us Dauer. Nach diesen 60us ist die Energie wieder nahezu vollständig in den Kondensator C zurückgespeist; es erfolgt nicht das übliche energieverzehrende Ausschwingen, sondern die Vorrichtung verzögert durch die Verwendung der Thyristoren T1 und T2 bzw. T1 bis T4 in Verbindung mit der Steuereinheit die nächste Energieabgabe in die Spule L und ca. 10 bis 30 ms. Dieser Vorgang wird während einer Serie einige Male mit der genannten Wiederholrate von 30 bis 100 Impulsen/Sekunde wiederholt.

Aufgrund dieser Steuerung der Thyristoren T ergibt sich eine ganz erhebliche Verringerung des Leistungsbedarfs der Vorrichtung. Sie läßt sich für Batteriebetrieb ausführen und ist auf diese Weise tragbar, zumal die Größe und das Gewicht der Spule L wesentlich gesenkt werden können, so daß sie sich bequem in der Hand halten und an den Körper der Person anlegen läßt. Da die Temperatur der Spule L keine kritischen Werte erreicht, ist auch ein Dauerbetrieb der Vorrichtung möglich.

Claims

1. Verfahren zur Defibrillation des Herzens durch Stromimpulse, die durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines auf das Herz ausrichtbaren gepulsten Magnetfeldes im Herzen selbst erzeugt werden, mit mindestens einer im Entladestromkreis eines an eine Gleichspannungsquelle anlegba ren Kondensators liegenden, vom Impulsstrom durchflossenen, auf eine herznahe Stelle der Körperoberfläche aufsetzbaren Stimulations-Magnetspule, gekennzeichnet durch eine solche Steuerung von im zur Magnetspule führenden Entladestromkreis des Kondensators liegenden Thyristoren mit Hilfe einer ihnen zugeordneten Steuereinheit, daß der Stromkreis vom geladenen Kondensator zur Stimulations-Magnetspule hin und für den an schließenden Energierückfluß in den Kondensator, ohne unmit telbar folgende nochmalige schwingkreisartige Entladung über die Magnetspule durchlässig geschaltet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Defibrillationsver fahrens nach Anspruch 1 durch Stromimpulse, die durch elektro magnetische Induktion mit Hilfe eines auf das Herz ausrichtba ren gepulsten Magnetfeldes im Herzen selbst erzeugt werden, mit mindestens einer im Entladestromkreis eines an eine Gleichspannungsquelle anlegbaren Kondensators (C) liegenden, vom Impulsstrom durchflossenen, auf eine herznahe Stelle der Körperoberfläche aufsetzbaren Stimulations-Magnetspule (L, L1), dadurch gekennzeichnet, daß im zur Magnetspule (L, L1) führenden Entladestromkreis des Kondensators (C) Thyristoren (T1, T2; T1-T4) angeordnet sind, die von einer ihnen zugeord neten Steuereinheit (2) aus über Stimulationsimpulse durchläs sig schaltbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulations-Magnetspule (L, L1) praktisch kernlos ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß im Entladestromkreis des Kondensators (C) zwei mit der Steuereinheit (2) verbundene, gegenseitig parallel zu einander liegende, jeweils von der Steuereinheit in abwech selnder Folge gezündete Thyristoren (T1, T2) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß außer der Stimulations-Magnetspule (L1) eine Um ladespule (L2) vorgesehen ist und beiden parallel zueinander angeordneten Spulen jeweils ein Thyristor (T2, T1) vorgeschal tet ist, wobei zur Erzielung von die Magnetspule (L1) erregen den Stromimpulsen mit ausschließlich gleichem Vorzeichen beide Thyristoren zueinander gegensinnig geschaltet sind und zunächst der erste Thyristor gezündet und anschließend der zweite Thyristor zur Umpolung der Kondensatorspannung gezündet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Stimulations-Magnetspule (L) vier Thyristoren (T1-T4) in Form einer Brückenschaltung angeordnet sind, in der der erste und zweite Thyristor (T1, T2) in den beiden ersten parallel zueinander verlaufenden Brückenzweigen gleichzeitig gezündet und der dritte und vierte Thyristor (T3, T4) in den beiden anderen parallel zueinander verlaufenden Brückenzweigen zeitlich versetzt zu den ersten und zweiten Thyristoren gezündet werden, und zwar in Ab hängigkeit davon, ob die Kondensatorspannung vorher positiv oder negativ war.