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Beschreibung zu der Patentanmeldung betreffend Implantierbarer Herzschrittmacher.
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Herzschrittmacher dienen zur Erzeugung von Anregungsimpulsen für
die Herztätigkeit. Es gibt im wesentlichen vier verschiedene Typen von implantierbaren
Herzschrittmachern. Sogenannte Relaisschrittmacher arbeiten bedarfsabhängig. Sie
erzeugen nur dann Anregungsimpulse, wenn die natürlichen Herzschläge aussetzen oder
merklich langsamer werden. Solange das Herz normal arbeitet, unterbleibt die Abgabe
von Anregungsimpulsen. Sogenannte asynchrone Schrittmacher arbeiten ständig mit
einer festgelegten Anregungsfrequenz unabhängig davon, ob das Herz normal schlägt
oder nicht. Bei den sogenannten syncnronisierten Schrittmachern wird die Impulserzeugung
durch Sinussignale, d.h. vom Sinusknoten ausgehende Signale so getriggert, dass
sich die Anregungsimpulse dem natürlichen Herzschlag anpassen. Schliesslich gibt
es die mit fester Anregungsfrequenz arbeitenden Schrittmacher, die von aussen her
mittels eines Magneten, welcher einen Ilagnetschalter betätigt, steuerbar sind.
Die Erfindung ist bei allen Typen von HetzscElrittmachern anwendbar.
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Seine Energie bezieht ein implantierbarer Herzschrittmacher aus einer
Spannungsquelle. Diese kann beispielsweise eine Batterie chemischer Zellen, gewöhnlich
Quecksilberzellen, eine Nukleidzelle, ein die Muskeltätigkeit oder den Blutstrom
ausnutzender, möglicherweise piezoelektrischer Elektrizitätserzeuger oder eine Energie
von ausserhalb des Körpers durch induktive oder kapazitive Kopplung erhaltende Schaltung
sein. Eine piezoelektrische oder auf elektrischer Kopplung beruhende Anordnung kann
bei ständiger Arbeitsweise den Schrittmacher direkt speisen oder bei intermittierender
Arbeitsweise eine Batterie wieder aufladen.
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In jedem Fall, unabhängig von der Natur der Spannungsquelle, muss
die Speisespannung für den Schrittmacher oberhalb eines bestimmten Grenzwertes bleiben,
um die Arbeitsweise des Schrittmachers nicht zu gefährden. Dies ist Jedoch aus dem
einen oder anderen Grunde nicht immer möglich, Besonders problematisch werden die
Verhältnisse bei den zur Zeit noch als Spannungsquelle am häufigsten benutzen chemischen
Batterien. Typische Batterien für Herzschrittmacher bestehen aus vier Quecksilberzellen
und haben eine durchschnittliche Lebensdauer von zwei bis drei Jahren. Der Austausch
der Batterie ist nicht ohne chirurgischen Eingriff möglich. Der Verlauf des Alterungsvorganges
der Zellen bzw. Batterien ist nicht vorhersehbar; wie sich gezeigt hat, halten manche
Batterien bis zu vier Jahren, während andere schon nach einem Jahr oder sogar weniger
ernstzunehmende Alter#ngserscheinungen zeigen. Deshalb werden zur Zeit die Patienten
üblicherweise periodisch untersucht und ihre Elektrokardiogramme einer sorgfältigen
Analyse unterzogen mit dem Ziel, die charakteristischen Betriebsdaten des Schrittmachers
zu erfassen. Dabei ist ein wesentlicher Punkt der Untersuchung die Bestimmung des
Batteriezustandes. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit für
die selbsttätige Anzeige eines Abfalls der Schrittmacher-Speisespannung aufzuzeigen,
bei der jede komplizierte Untersuchung entfallen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem implantierbaren Herzschrittmacher
mit einer Spannungsquelle und einem Impulsgenerator zur Erzeugung von Herzanregungsimpulsen
mit einer der normalen Impulsfrequenz des Herzens entsprechenden Normal-Frequenz
ausgegangen und erfindungsgemäss vorgeschlagen, einen auf die Ausgangsspannung der
pannurrgsquelle, d.h. auf die Speisespannung für die Herzschrittmacher ansprechenden
Spannungsde-X ktor vorzusehen, der bei einem Absinken der Ausgangsspannung unter
einen vorbestimmten Grenzwert den Herzschrittmacher zur Erzeugung von Herzanregungsimpulsen
mit einer gegenüber der Normal-Frequenz deutlich erhöhten Frequenz veranlasst. Typischerweise
beträgt die erhöhte Frequenz bei einer Normal-Fre-70 quenz von ca./Impulsen pro
Minute ungefähr 90 oder 100 Impulse pro Minute.
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Die mit der erhöhten Frequenz erzeugten Impulse stimulieren das Herz
für einen Herzschlag mit der erhöhten Frequenz und kollidieren nicht mit den natürlichen,
vom Sinuknoten ausgehenden Anregungssignalen. Der Patiertkann den erhöhten Puls
seines Herzens entweder subjektiv oder anlässlich einer der üblichen periodischen
Überprüfungen seines Pulses ohne weiteres feststellen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bei einem bedarfsabhängig
arbeitenden Herzschrittmacher ist dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator
für eine der erhöhten Frequenz gleichende natürliche Eigenfrequenz ausgelegt ist
und einen Rückkopplungsweg von seinem Ausgang zu seinem Eingang besitzt, welcher
durch den vorzugsweise in den Rückkopplungsweg eingefügten Spannungsdetektor beim
Absinken der überwachten Ausgangsspannung der Spannungsquelle unter den Grenzwert
sperrbar ist und im ungesperrten Zustand durch Rückführung der Ausgangsimpulse des
Impulsgenerators zu dessen Eingang ein Absinken der Frequenz des Impulsgenerators
auf die Normal-Frequenz bewirkt. Dieser Ausführungsform ist eine natürliche eicherheit
der Arbeitsweise insofern zu eigen, als die Frequenz
der vom Impulsgenerator
erzeugten Herzanregungsimpulse bei jedem Ausfall des Rückkopplungsweges auf den
erhöhten, eine Warnung bedeutenden Wert ansteigt.
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Der Spannungsdetektor umfasst vorzugsweise einen direkt gekoppelten
Verstärker mit einem Filter und einer internen Rückkopplung, die so ausgelegt ist,
dass die an der Last eines Ausgangstransistors des Verstärkers abfallende Ruhe spannung
unabhängig von der jeweiligen Ausgangsspannung der zur Speisung dienenden Spannungsquelle
praktisch konstant ist. Daher hängt die Amplitude der auf Rückkopplungsimpulse zurückgehenden
Spannungsschwankungen an der Last von der Höhe der Ausgangsspannung der Spannungsquelle
ab. Mit sinkender Ausgangs- bzw. Klemmenspannung der Spannungsquelle sinkt also
auch die Amplitude der Ausgangsimpulse des Verstärkers. Auf den Verstärker folgt
zweckmässigerweise eine Triggerschaltung mit einstellbarer Triggerschwelle, welche
die Ausgangsimpulse des Verstärkers erhält und lediglich dann anspricht, wenn deren
Amplitude über der Triggerschwelle liegt. Sobald also die Amplitude der Ausgangsimpulse
unter den durch die Triggerschwelle vorbestimmten Mindestwert absinkt, erhält der
Impulsgenerator keine Rückkopplungsimpulse mehr, was eine Sperrung des Rückkopplungsweges
bedeutet.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung durch sein Schaltbild dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Der dargestellte Herzschrittmacher umfasst einen Impulsgenerator
1, dessen Ausgangsimpulse eine monostabile Schaltung 2 triggern, die Rechteckimpulse
von jeweils 1 Hillisekunde Dauer abgibt. Die Rechtecimpulse werden einer Ausgangsschaltung
3 zugeführt und gelangen von dort zu einer aktiven Lle-trode 4. Diese ist über eine
Katheterleitung mit dem Herzmus'.el verbunden und erhält vom Impulsgenerator Anregungsimpulse,
welche eine negative Exkursion in bezug auf eine neutrale IIa iscelektrode 5 besitzen.
Die Anregungsimpulse werden immer dann
erzeugt, wenn ein natürliches,
vom Sinusknoten stammendes Anregungssignal fehlt, und ersetzen dessen Anregungs-
bzw. Stimulationseffekt für das Herz.
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Der Schrittmacher wird aus einer im Körper implantierten Batterie
B gespeist. Deren Klemmenspannung liegt zwischen dem Anschluss 5 und einem weiteren
Anschluss 6, der gegenüber dem Anschluss 5 negatives Potential führt. Die Batterie
besteht aus vier Quecksilberzellen mit jeweils einer Nennspannung von 1,35 Volt,
so dass die Nenn-Klemmspannung der Batterie 5,4 Volt beträgt.
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Der Impulsgenerator umfasst ein RC-Glied aus dem Widerstand R22 und
dem Kondensator CII. Der Kondensator CII wird über den Widerstand R22 aufgeladen,
bis seine Spannung eine für das Durchschalten des Transistors TR9 ausreichende Höhe
erreicht hat. Beim Durchschalten des Transistors TR9 wird die monostabile Schaltung
2 getriggert, so dass am Kollektor eines Transistors TR11 ein positiver Impuls von
1 Millisekunde Dauer entsteht. Ein am Kollektor des Transistors TR11 über eine Diode
D4 und einen Widerstand R23 abgenommenes, internes Rückkopplungssignal dient zur
teilweisen Entladung des Kondensators CII. Solange ein dem Kondensator C11 parallelgeschalteter
Transistor TR8 gesperrt ist, wird dieser Arbeitszyklus ständig wiederholt. Die Anordnung
stellt einen freischwingenden Kipposzillator dar, der mit einer natürlichen Eigenfrequenz
von 90 Impulsen pro Minute arbeitet. Normalerweise wird jedoch die Arbeitsfrequenz
in noch zu beschreibender Weise auf einen niedrigeren Normal-Wert von 70 Impulsen
pro Minute herabgesetzt.
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Positive Rückkopplungssignale gelangen ausserdem zu einer Diode D5
und einem Widerstand R24 und bewirken die Aufladung eines weiteren Kondensators
C12. Dadurch wird die Vorspannung des Transistors TR9 verändert und so die Höhe
der Aufladung bestimmt, die der Kondensator C11 zum Triggern des Transistors TR9
erreichen muss.
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Die aktive Elektrode 4 liefert nicht nur Anregungsimpulse zum Herzen,
sondern nimmt von diesem auch Sinussignale auf.
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Ein derart aufgenommenes Sinus signal gelangt über eine Rückkopplungsleitung
7 zum Eingang eines Verstärkers 8, an eine Triggerschaltung 9 und eine Trigger-Ausgangsschaltung
10. Das Ausgangssignal der Schaltung 10 erhält der Transistor 8. Der Transistor
wird durch jeden ankommenden Impuls durchgeschaltet, was jeweils zu einer vollständigen
Entladung des Kondensators C11 führt. Bei normaler Herztätigkeit bewirkt das Sinussignal
in jedem Arbeitszyklus eine vollständige Entladung des Kondensators Cii, bevor die
Kondensatorspannung auf den zur Triggerung des Transistors TIPS ausreichenden Wert
ansteigt. Dies bedeutet, dass der Transistor TR9 nicht getriggert wird und die Abgabe
von Anregungsimpulsen unterbleibt. Die Schaltung mit der Rückkopplungsleitung 7
und den Schaltungsgliedern 8, 9 und 10 bildet einen Rückkopplungsweg vom Ausgang
der Schaltung 3 zum Eingang des Impulsgenerators.
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Der Rückkopplungsweg hat die weitere Funktion, die auf der Impulsabgabe
des Impulsgenerators beruhenden Ausgangsimpulse der Ausgangs schaltung rückzukoppeln.
Die Impulse haben die gleiche Wirkung wie die Sinussignale, nämlich den Kondensator
C11 zu entladen. Der Kondensator C11 wird also nach dem Triggern des Transistors
TR9 zuerst aufgrund der internen Rückkopplung vom Ausgang des Transistors Triol
auf einen mittleren Wert und anschliessend durch den über den Rückkopplungsweg aus
der Leitung 7 und den weiteren Schaltungsgliedern rückgekoppelten Ausgangsimpuls
vollständig entladen. Nach einer vollständigen Entladung des Kondensators C11 ist
eine längere Zeit bis zur Aufladung auf das Triggerpotential erforderlich und daher
die Impulserzeugungsfrequenz niedriger als die eigentliche Frequenz von 90 Impulsen
pro Minute. Wenn also der Impulsgenerator beim Ausbleiben von Sinus-Schlägen arbeitet,
entspricht seine Impulsfrequenz nicht der Eigenfrequenz von 90 Impulsen pro Minute,
sondern ist auf einen darunterliegenden Wert von 70 Impulsen pro Minute begrenzt,
welcher der natürlichen Pulsfrequenz des Herzen entspricht.
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Falls aus irgendeinem Grunde der Rückkopplungsweg des Schrittmachers
gesperrt oder unterbrochen werden sollte, wird der Transistor TR8 nicht in den leitfähigen
Zustand gesteuert, so dass Ausgangsimpulse unabhängig davon, ob das Herz normal
arbeitet oder nicht, mit der erhöhten Frequenz von 90 Impulsen pro Minute erzeugt
werden. Die erhöhte Frequenz der Ausgangs-bzw. Anregungsimpulse stellt sicher, dass
die natürliche Herztätigkeit nicht negativ beeinflusst werden kann, da die erhöhte
Frequenz grösser als die natürliche Herzfrequenz ist. ratürlich führen aber die
Anregungsimpulse zu einem Anstieg der Herzfrequenz auf den erhöhten Wert. Dieser
Anstieg kann entweder subjektiv durch den Patienten oder durch eine Messung des
Pulses des Patienten leicht festgestellt werden. Der Umstand, dass eine Erhöhung
des Pulses also einen Fehler im Schrittmacher anzeigt, wird für die Zwecke der Erfindung
genutzt, indem Mittel zur selbsttägien Sperrung des Rückkopplungsweges bei einem
Abfall der Batteriespannung unter einen vorbestimmten Wert vorgesehen sind.
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Diese Mittel umfassen einen direkt gekoppelten Verstärker 8 mit den
Transistoren TRi, TR2 und TR3 und mit einem Gleichstrom-Rückkopplungsweg vom Ausgang
des Transistors TR3 zum Eingang des Transistors TR1. Im Rückkopplungsweg liegt ein
Filter F. Die Rückkopplung ist selbstregelnd so ausgelegt, dass eine konstante Ruhespannung
von ungefähr 0,45 Volt an der Basis des Transistors TR1 und damit an einem Widerstand
RIO aufrechterhalten wird. Da der Basisstrom des Transistors TR1 nur sehr klein
ist, führen die Widerstände RIO und Ril praktisch den gleichen Strom. Daher bleibt
auch die Spannung am Widerstand R11 konstant. Die Widerstände RIO und R11 bilden
die Last des Transistors TR3, an welcher ein Ruhe-Spannungsabfall von 3,4 Volt aufrechterhalten
wird, so dass die normale Spannung über de- Transistor TR3 2 Volt beträgt.
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An den Kollektor des Transistors TR3 ist über einen Kondensator C8
eine Triggerschaltung 9 angekoppelt. Wenn der Verstärker 8 einen Eingangsimpuls
empfängt, tritt am Kollektor von TR3 zuerst ein positiver und dann ein negativer
Sparn-iungsausschlag auf. Ein negativer Impuls mit einer Amplitude von bis zu 2
Volt gelangt über den Kondensator C8 zur Triggerschaltung und triggert diese.
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Wenn die Klenunenspannung an den Anschlüssen 5 und 5 absinkt, bleibt
der Ruhe-Spannungsabfall an der Last RIO, R11 aufgrund der Rückkopplung im Verstärker
8 trotzdem nahezu konstant auf dem Wert von 3,4 Volt, so dass sich das Absinken
der Klemmenspannung nahezu ausschliesslich als Spannungserniedrigung am Transistor
TR3 auswirkt. Wenn also die Klemmenspannung beispielsweise auf 4 Volt absinkt, verbleibt
längs des Transistors TR3 eine Spannung von lediglich 0,6 Volt. Bei dieser Spannung
hat der über den Kondensator C8 weitergeleitete Ausgangsimpuls eine Amplitude von
lediglich 0,5 Volt. Dies ist die Triggerschwelle, auf die die Triggerschaltung 9
eingestellt ist und unterhalb der sie nicht mehr anspricht. Bei einem Absinken der
Klemmenspannung unter 4 Volt werden also keine Rückkopplungsimpulse mehr über den
Rückkopp1urgsweg weitergeleitet, was eine Sperrung desselben bedeutet. Entsprechend
arbeitet der Impulsgenerator dann mit seiner höheren Eigenfrequenz.
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Der Grenzwert von 4 Volt wurde aufgrund von Zweckmässigkeitsüberlegungen
geholt. Er entspricht der Klemmenspannung einer Batterie, bei der eine Zelle vollständig
ausgefallen ist. Normalerweise fällt die erste Zelle mehrere Wochen oder sogar mehrere
Monate vor den anderen Zellen aus. In Fällen, in denen die Zellen zusammen nachlassen,
ist der Grenzwert von 4 Volt ein zur Auslösung einer Warnung angemessener Wert.
Der Impulsgenerator wird nämlich selbst bei einer Speisespannung von 4 Volt noch
für eine beträchtliche Zeit arbeiten, innerhalb welcher die Batterie ohne Zeitnet
aus:ochselt werden karl.
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Ein zusätzliches Merkmal der Anordnung stellt die Ausgangs-Triggerschaltung
10 dar, welche auf die Frequenz der über den Rückkopplungsweg ankommenden Impulse
anspricht, Wenn die Impulsfrequenz über einem vorbestimmten Grenzwert liegt, welcher
der Aufnahme von Stör- bzw.lhterferenzsignalen anstatt normaler Rüokkopplungsimpulse
entspricht, sperrt die Schaltung 10 0den Rückkopplungsweg und lässt den Impulsgenerator
mit der erhöhten Eigenfrequenz arbeiten, bis die Störung beseitigt ist.
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Ein weiteres Merkmal der Schaltung ist die Vorspannungsbildung für
den Transistor TR9. Es wurde bereits erläutert, dass der interne Rückkopplungsweg
vom Ausgang des Transistors TR11 zur Verbindungsstelle der Dioden D4 und DS, über
die Diode D5, zur Steuerung der Basisvorspannung des Transistors TR9 durch Aufladung
des Kondensators C12 dient. Dies hat, den Zweck, eine Einstellung der Verzögerung
bis zur Erzeugung des nächsten Anregungsimpulses in Abhängigkeit davon zu ermöglichen,
ob das Herz natürlich arbeitet oder ob der Schrittmacher Ausgangsimpulse erzeugt.
Beim Empfang von Sinussignalen entlädt sich der Zeitgeber-Kondensator Cii fortlaufend
über den Transistor TR8 und der Emitter des Transistors TR9 bleibt auf einem bestimmten
in bezug auf die Elektrode 5 negativen Potential.
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Unter diesen Umständen hat der Transistor TR9 eine solche Vorspannung,
dass die zur Aufladung des Kondensators C11 bis auf den zum Triggern des Transistors
ausreichenden Wert vergehende Zeit einer Impulsfolgefrequenz von ungefähr 60 Impulsen
pro Minute entspricht. Sobald jedoch der Transistor E getriggert worden ist, wird
dem Kondensator C12 über die Diode D5 ein Rückkopplungsimpuls zugeführt. Dies führt
zu einer geringen Reduzierung der negativen Emittervorspannung. Dadurch nimmt die
zur Erreichung des Triggerpotentials erforderliche Zeitverzögerung etwas ab. Die
Abnahme ist progressiv und nach der Drzeugung mehrerer Impulse bleibt die Spannung
am Kondensator C12 auf einem Wert, welcher unter Berücksichtigung der über die Leitung
7 erfolgenden Rückkopplung zu einer Impuisfolgefrequenz von 70 Impulsen pro Minute
führt, Aufgrund dieser Anordnung beträgt die normale Anregungsfrequenz zwar 70 Impulse
pro Minute, jedoch kann die Herzfrequenz in Ruhesituation auf
60
Impulse pro Minute absinken, ohne dass dadurch die Anre gungstätigkeit des Schrittmachers
ausgelöst wird.
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Die Sperrung des Rückkopplungsweges ist auch auf andere Weise als
zuvor beschrieben möglich. Der Verstärker 8 kann mit anderen Mitteln unwirksam gemacht
werden, oder es können die Triggerschaltung 9 oder die Trigger-Ausgangsschaltung
10 unwirksam gemacht werden. Die Impedanz eines an irgendeiner Stelle des Rückkopplungsweges
in Serie eingeschalteten Bau elementes kann von einem niedrigen auf einen hohen
Wert geändert wen, Ebenso kann die Impedanz eines irgendeinem Glied des Rückkopplungsweges
parallelgeschalteten Bauelementes von eine hohen auf einen niedrigen Wert geändert
werden.
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Es kann wünschenswert sein, die Fähigkeit des Schrittmachers, auf
Sinussignale vom Herzen anzusprechen, selbst dann zu erhalten, wenn die Speisespannung
den Grenzwert erreicht oder unter diesen absinkt. Dazu wäre erforderlich, dass der
Rückkopplungsweg nicht gesperrt wird. In einem solchen Fall können andere Mittel
zur Erzeugung von Impulsen mit der höheren Frequenz bentutz werden. Beispielsweise
kann der Spannungsdetektor einen Transistor in Abängigkeit von einem durch Herz
gleich mit einer Zenerdioden-Referenzspannung festgestellten Spannungsabfall schalten,
wobei der Transistor dann die Zeitkonstante des Impulsgenerators verkürzt.
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-Patentansorüche-