DE2059401A1

DE2059401A1 - Herzschrittmacher

Info

Publication number: DE2059401A1
Application number: DE19702059401
Authority: DE
Inventors: Lale Peter Gilbert
Original assignee: Devices Ltd
Current assignee: Devices Ltd
Priority date: 1969-12-02
Filing date: 1970-12-02
Publication date: 1971-06-24
Also published as: NL7017582A; JPS5137469B1; GB1338382A

Description

HERZSCHRITTMACHER

Die Erfindung bezieht sich auf einen, insbesondere implantierbaren, Herzschrittmacher zur Erzeugung künstlicher Herzanregungsimpulse und insbesondere auf einen bedarfsabhängig arbeitenden Herzschrittmacher, der nur dann Impulse erzeugt, wenn die natürlichen Herzschläge aussetzen oder merklich langsamer werden.

Die Wirkungsweise von bedarfsabhängigen Herzschrittmachern beruht normalerweise darauf, daß ein Impulsgenerator künstliche Anregungsimpulse erzeugt, wobei der Ausgang dieses Impulsgenerators Jedesmal dann gesperrt wird, wenn ein natürlicher vom Herz kommender Anregungsimpuls festgestellt wird. Es ist angeregt worden, einen derartigen Herzschrittmacher zu entwickeln, bei dem jedesmal in einem festgelegten Zeitabstand nach dem vorausgegangenen Impuls - unabhängig davon, ob es sich um einen natürlichen oder künstlichen Impuls handelt - ein künstlicher Anregungsimpuls erzeugt wird, sofern nicht innerhalb der festgelegten Zeit ein natürlicher Impuls auftritt, der den künstlichen Impuls sperrt. Eine derartige Vorrichtung berücksichtigt

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jedoch nicht, daß natürliche (vom Sinusknoten ausgehende) Herzschläge gelegentlich in längeren Zeitabständen auftreten. Auch während eines derartigen Sinus-Rhythmus ist es jedoch erwünscht, die Abgabe eines Anregungsimpulses beim Generator zu verhindern, auch dann, wenn eine Verzögerung zwischen den vom Sinusknoten ausgehenden Impulsen merklich länger ist als normal.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten bedarfsabhängig arbeitenden Herzschrittmachers, der diese Erscheinung berücksichtigte

Diese Aufgabe ist gelöst durch einen bedarfsabhängig arbeitenden Herzschrittmacher mit einem Impulsgenerator zum Erzeugen von künstlichen Herzanregungsimpulsen und einer auf jeden künstlichen oder natürlichen Herzanregungsimpuls als Bezugsimpuls ansprechende Steuerschaltung zur Abgabe eines künstlichen Herzanregungsimpulses nach einer Verzögerung nach dem Bezugsimpuls, sofern nicht ein natürlicher Herzanregungsimpuls innerhalb der Verzögerung auftritt, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch einen sich in Abhängigkeit von der Art des Anregungsimpulses bzw. der Anregungsimpulse, die dem Bezugsimpuls unmittelbar vorausgehen, einzustellenden Speicher und eine Schaltung zur Verlängerung der Verzögerung, und zwar als Funktion des Zustandes des Speichers, der seinerseits von der Herztätigkeit abhängig ist.

Die normale Verzögerung kann, unabhängig davon, ob es sich beim Bezugsimpuls um einen natürlichen oder um einen künstlichen Anregungsimpuls handelt, gleich sein, kann aber auch für beide Arten von Bezugsimpulsen verschieden-sein.

Da sich die Erzeugung künstlicher Impulse nach dem Fehlen natürlicher Impulse richtet, ist es zweckmäßig, zur Steuerung der Verzögerung Information mit der Frequenz der Generatoraus-

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gangsimpuls rückzukoppeln. Es kann daher eine Hilfszeitsteuerung zur obengenannten Zeitsteuerung vorgesehen werden (normalerweise ein RC-Glied), das die Verzögerung bestimmt, wobei die Hilfszeitsteuerung eine zusätzliche Verzögerung bewirkt, wenn durch den Impulsgenerator eine gewisse Zeitlang kein Ausgangsimpuls erzeugt worden ist. Die zusätzliche Verzögerung durch die Hilfszeitsteuerung kann durch die Erzeugung künstlicher Anregungsimpulse verringert oder völlig aufgehoben werden. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers wird eine derartige Hilfszeitsteuerung durch einen in einem parallelen Zweig liegenden Steuertransistor gebildet, der im aufgesteuerten Zustand die Aufladezeit des RC-Gliedes verringert. Ein der Bildung der Vorspannung dienender Kondensator, der über einen Widerstand mit der Basis des Transistors verbunden ist, kann durch entsprechende Schaltungen aufgeladen werden und den Transistor aufsteuern, wenn er durch den künstlichen Anregungsimpuls aufgeladen wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers wird die Hilfszeitsteuerung durch die Steuerung der Vorspannungshöhe des Zeitsteuertransistors bewirkt, die mit dem Aufladezustand des Kondensators des zeitbestimmenden RC-Gliedes zusammenhängt. Der Zeitsteuertransistor triggert bei einem bestimmten Aufladezustand in Abhängigkeit von der Vorspannung der Basis, und die Hilfszeitsteuerung ist so geschaltet, daß sie diese Vorspannung und damit den Triggerschwellenwert ändert, so daß die Verzögerunezeit, d. *. die Zeitdauer, die der Ladekondensator zur Erreichung des Trigger-Schwellenwertes braucht, entsprechend eingestellt wirft.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 den Stromlauf eines erfindungsgemäßen bedarfs-

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abhängigen Herzschrittmachers;

Fig. 2 den Stromlauf einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Herzschrittmacher einen Impulsgenerator .1 mit den Transistoren VT 16 und VT 17, die mit einem ersten RC-Glied, bestehend aus dem Kondensator C 19 und den Widerständen R 41 und R 42, schaltungsmäßig verbunden sind. Bei jedem Funktionszyklus entlädt sich die Ladung des Zeitsteuerkondensators 19 über die Widerstände R 41 und R 42 bis ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist, bei dem die Transistoren VT 16 und VT 17 aufgesteuert werden. Dabei gibt die Schaltung am Ausgang einen Anregungsimpuls ab; außerdem wird der Kondensator C 19 über den Widerstand R 43 und die Transistoren VT und VT 17 erneut auf einen Anfangswert aufgeladen, und zwar um einen an Dioden D 41 und D 45 liegenden Spannungswert verminderte negative Spannung der Versorgungsleitung A. Nun beginnt der Zyklus von neuem. Die Werte der Schaltung sind so bemessen, daß sich eine Impulsfolgefrequenz von 90 Impulsen/min ergibt. Die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 1 werden durch die Transistoren VT 18 und VT 19 verstärkt und an eine Elektrode geführt, die in das Herz eingesetzt oder daran angelegt wird.

Obgleich die Eigenfrequenz des Ossilators 1 90 Impulse/min beträgt, ist ein Rückkopplungsweg 3 vorgesehen, der unter anderem die Leitung 3 vom Ausgang des Transistors VT 20 zum Eingang einer Trigger- und Verstärkerschaltung 4 umfaßt, wobei letztere eine Verzögerungsschaltung 5 mit einer Verzögerung von ca. 2msec umfaßt. Der Ausgang der Schaltung 4 ist über eine Entstörungs- und Triggerschaltung 6 mit der Basis des Transi stors VT 15, der mit dem Kondensator C 19 in Reihe geschaltet ist, verbunden. Durch die über die RUckkopplungsschleife an die Basis des Transistors VT 15 geführten Impulse wird der Transi-

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stor VT 15 aufgesteuert, wodurch der Kondensator C 19 in jedem Zyklus eine Anfangsladung erhält, die höher ist als die Anfangsladung, die er bei zugesteuertem Transistor VT 15 erhielte. Diese erhöhte Aufladung hat eine Verringerung der Impulsgeneratorfrequenz von 90 Impulsen/min auf 70 Impulse/min zur Folge. Die Schaltung hat daher unter normalen Bedingungen eine Betriebsfrequenz von 70 Impulsen/min. Parallel zu der Serienschaltung der Widerstände R 41 und R 42, die zusammen mit dem Kondensator C 19 das zeitbestimmende Glied bilden, liegt der Widerstand R 100 in Serien mit dem Steuertransistor VT 21. Das Basispotential des Steuertransistors VT 21 wird vom Ladekondensator CA über den Widerstand R 101 geliefert. Ein Entladewiderstand R 102 liegt parallel zum Kondensator CA, der den Ladestrom über den Kollektor des Transistors VT 19 und die Diode

; D 11 erhält. Es kann ein Widerstand R 103 mit der Diode D 11' \ in Reihe geschaltet sein.

<. Gibt die Schaltung einen Ausgangsimpuls ab, dann tritt am

^ Kollektor des Transistors VT 19 - bezogen auf die positive Versorgungsleitung der Schaltung - ein negativer Impuls auf, wo-

• durch der Kondensator CA über die Diode D 11 aufgeladen wird.

: Ist der Kondensator hinreichend aufgeladen, wird der Transistor

ί VT 21 aufgesteuert und verringert den Gesamtwiderstand des

; zeitbestimmenden RC-Gliedes, das den Kondensator C 19 umfaßt.

■\ Dadurch wird die Zeitkonstante des Gliedes und damit die zwi-

\ sehen den Impulsen normalerweise auftretende Verzögerung ver-

I kürzt.

¹^ . Der Transistor VT 21 kann nicht-linear, d. h. als Schalter,

: . arbeiten. Ss kann beispielsweise vorgesehen werden, daß zwei

( . aufeinanderfolgende Impulse des Impulsgenerators ausreichen, ) die Basis des Transistors VT 21 so stark negativ zu machen, daß ) der Transistor VT 21 in den Sättigungsbereich gesteuert wird. • Auf diese Weise wird die Konstante RC des zeitbestimmenden GIie-

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des des Impulsgenerators sprungartig verkleinert. Der Transistor VT 21 kann auch so betrieben werden, daß er bereits auf einen einzigen Ausgangsimpuls anspricht, was zur Folge hat, daß die Verzögerungszeit der Schaltung automatisch verringert wird, sobald ein künstlicher Impuls als Bezugsimpuls auftritt. Handelt es sich bei dem Bezugsimpuls jedoch um einen natürlichen, vom Sinusknoten ausgehenden Impuls, wird der Transistor VT 21 nicht aufgesteuert und die Verzögerung der Schaltung verlängert.

In anderen Fällen kann der Transistor VT 21 so betrieben werden, daß er linear, zumindest jedoch kontinuierlich, arbeitet, so daß die Leitfähigkeit des Transistors VT 21 mit der Zahl der vorausgehenden, durch den Impulsgenerator erzeugten Impulse zunimmt. In diesem Fall wird daher der Widerstand des zeitbestimmenden RC-Gliedes mit zunehmender Zahl der aufeinanderfolgenden künstlichen Impulse abnehmen. Umgekehrt wird, wegen des Entladens des Kondensators CA über den Widerstand 102, der Widerstand des zeitbestimmenden RC-Gliedes des Impulsgenerators mit zunehmender Zahl der aufeinanderfolgenden natürlichen Herzschläge (bis zu einer gewissen Grenze) vergrößert und damit die Verzögerung bis zum Auftreten des nächsten künstlichen Impulses verlängert.

Der bedarfsabhängige Herzschrittmacher nach Fig. 2 ist im wesentlichen dem Herzschrittmacher nach Fig. 1 gleich. Die Hauptunterschiede liegen im Impulsgenerator 1 und in der Art, wie die Verzögerungszeit beim Fehlen von künstlichen Anregungsimpulsen verlängert wird. Nach Fig. 2 umfaßt der Impulsgenerator 1 ein zeitbestimmendes, in Serie geschaltetes RC-Glied mit dem Kondensator C 11 und dem Widerstand R 22. Ein Entladetransistor TR 8 wird zur Entladung des Kondensators C 11 beim Empfang eines natürlichen, vom Sinusknoten ausgehenden Impulses oder eines über die Leitung 3, den Verstärker 4 und 5 und die Entstörungs- und Trigger-Schaltung 6 rückgekoppelten Impul-

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ses aufgesteuert. Ist das nicht der Fall, lädt sich der Kondensator C 11 über den Widerstand R 22 auf und überschreitet einen Schwellenwert, so daß der Transistor TR 9 aufgesteuert wird, wodurch eine monostabile Kippstufe mit den Transistoren TR 10 und TR 11 getriggert wird und ein Ausgangsimpuls über die Verstärker mit den Transistoren TR 12 und TR 13 abgegeben wird.

Eine Rückkopplung über die Diode D 4 trägt zur Entladung des Kondensators C 11 bei. Ebenso steuern.die rückgekoppelten Impulse über die Diode D 5 durch Aufladen des Kondensators C die Vorspannung des Transistors TR 9. Das soll die Einstellung einer Verzögerung ermöglichen, ehe ein Anregungsimpuls erzeugt wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Herzschläge auf natürlichem Wege erfolgen oder ob der Herzschrittmacher Ausgangsimpulse erzeugt. Falls vom Sinusknoten ausgehende Signale empfangen werden, wird der zeitbestimmende Kondensator C 11 wiederholt über den Transistor TR 8 entladen; der Emitter des Transistors TR 9 liegt auf einem bestimmten negativen Potential, bezogen auf die Elektrode 7. Unter den vorliegenden Verhältnissen ist die Emitter-Vorspannung des Transistors TR 9 so gewählt, daß die für den Kondensator C 11 zum Triggern des Transistors TR 9 benötigte Aufladezeit einem Impulsabstand entspricht, wie er bei einer Pulsfolgefrequenz von 60 Impulsen/min vorliegt. Nachdem der Transistor TR 9 getriggert worden iet, erhält der Kondensator C 12 über die Diode D 5 einen rückgekoppelten Impuls. Dies verringert die negative Vorspannung des Emitters um einen kleinen Betrag, wodurch die zur Erlangung des Trigger-Potentials benötigte Verzögerungszeit ein wenig verkürzt wird. Diese Verkürzung der Verzögerungszeit ist progßssiv und nach mehreren Generatorimpulsen wird der Kondensator C 12 auf einen niedrigeren Potential gehalten, was eine Pulsfolgefrequenz von 70 Impulsen/min zur Folge hat, wobei die Rückkopplung der Ausgangsimpulse über die Rückkopplungsleitung 3 berücksichtigt wurde. Bei diesem Schaltungsaufbau darf die Herz-

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frequenz, obwohl die Pulsfolgefrequenz der Anregungsimpulse normalerweise 70 Impulse/min beträgt, auf 60 Schläge/min im Ruhezustand des Patienten sinken, ohne daß der Herzschrittmacher zur Impulserzeugung veranlaßt wird.

Ein Vorteil des obenbeschriebenen Schaltungsaufbaus liegt darin, daß die Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden künstlichen Impulsen auf einen Wert verringert werden kann, der nur etwas größer ist als die normale Verzögerung zwischen den Impulsen des Sinus-Rhythmus. Wenn also das Herz in natürlicher Weise schlägt, wird die Verzögerung merklich vergrößert und die Gefahr beseitigt, daß der Herzschrittmacher getriggert wird, wenn er nicht gebraucht wird. In manchen Fällen kann die Verzögerung zwischen den künstlichen Impulsen auf einen Verzögerungsbetrag verringert werden, der unter der normalen Verzögerung der Ιπιρμίεβ des Sinus-Rhythmus liegt. Das bedeutet, daß der Sinus-Rhythmus, wenn durch ihn das Herz angeregt und der Herzschrittmacher gesperrt werden soll, etwas schneller als der normale Sinus-Rhythmus sein muß.

Dieser schnellere natürliche Rhythmus kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Patient leichte körperliche Betätigungen ausübt.

Wenn außerdem das Herz des Patienten während des Tages durch den Sinus-Rhythmus angeregt wird, übernimmt der Herzschrittmacher, obwohl sich die Herztätigkeit bei der Nachtruhe ein wenig verlangsamt, die Anregung nur dann, wenn es erforderlich ist.

Die Erfindung ist nicht auf die in der vorausgehenden Beschreibung dargelegten Einzelheiten der Ausführungsformen begrenzt. Es läßt sich beispielsweise leicht erkennen, daß es weitere Möglichkeiten zur Steuerung des Zeitgliedes des Impuls-

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generators in Abhängigkeit des vorausgegangenen Verlaufs der Herztätigkeit zur Erzielung des gleichen Ergebnisses gibt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1,) Bedarfsabhängig arbeitender Herzschrittmacher mit einem Impulsgenerator zum Erzeugen von künstlichen Herzanregungsimpulsen und eine auf jeden künstlichen oder natürlichen Herzanregungsimpuls als Bezugsimpuls ansprechende Steuerschaltung zur Abgabe eines künstlichen Herzanregungsimpulses mit einer Verzögerung nach dem Bezugsimpuls, sofern nicht ein natürlicher Herzanregungsimpuls innerhalb der Verzögerung auftritt, gekennzeichnet durch einen sich in Abhängigkeit von der Art des Anregungsimpulses bzw. der Anregungsimpulse, die den Bezugsiispuls unmittelbar vorausgehen, einzustellenden Speicher und eine Schaltung zur Verlängerung der Verzögerung, und zwar als Funktion des Zustandes des Speichers, der von der Herztätigkeit abhängig ist.
2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Steuerschaltung eine ein RC-Glied aufweisende Hauptzeitsteuerschaltung mit einem mit einer Triggerschaltung verbundenen Zeitsteuerkondensator aufweist, wobei die Triggerschaltung künstliche Anregungsimpulse auslöst, die am Ausgang des Herzschrittmachers auftreten, wenn die Ladung im Zeitsteuerkondensator einen bestimmten Schwellenwert überschreitet und der Speicher einen mit dem Ausgang des Herzschrittmachers in Verbindung stehenden Kondensator aufweist, damit sich dessen Ladung durch die vom Herzschrittmacherausgang rückgekoppelten Impulse bestimmt.

-Z-
3. Herzschrittmacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator einen Teil einer Hilfszeitsteuervorrichtung bildet, die einen Hilfssteuertransistor aufweist, der mit der Hauptzeitsteuerschaltung verbunden ist, so daß die Leitfähigkeit'des Transistors die Zeitkonstante der Hauptzeitsteuerschaltung beeinflußt, und daß der Speicherkondensator mit dem Eingang des Hilfssteuertransistors verbunden ist und somit dessen Leitfähigkeit bestimmt.
4. Herzschrittmacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerschaltung aus einem Zeitsteuertransistor besteht und der Speicherkondensator in einer Weise geschaltet ist, daß er den Eingang des Zeitsteuertransistors mit einer Vorspannung versorgt und so den Triggerschwellenwert von der Ladung in dem Speicherkondensator abhängig macht.
5. Herzschrittmacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Zeitsteuertransistors mit der Hauptzeitsteuerschaltung und dessen Emitter mit dem Speicherkondensator verbunden ist und daß vom Herzschrittmacherausgang Rückkoppelimpulse an einen Stromweg zwischen der Basis und dem Emitter des Zeitsteuertransistors geführt werden, wobei die Rückkoppelimpulse dazu beitragen, den Zeitsteuerkondensator zu entladen sowie die Ladung des Speicherkondensators zu steuern.

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