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Herzschrittmacher Ein Herzschrittmacher ist ein elektronisches Gerät,
das nach dem Einoperieren von Elektroden in einen Patienten Impulse ausreichender
Stärke abgibt, um die Herzkontraktion herbei zuführen oder anzuregen. Der Schrittmacher
wird in solchen Krankheitsfällen als Behandlungsmittel verwendet, in denen die eigenen
Erregungszentren des Herzens dauernd oder anfallsweise kompromittiert sind, und
eine wirksame medizinische Behandlung nicht möglich ist.
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Es handelt sich dabei um Krankheiten, die hauptsächlich durch Störungen
der elektrischen Reizleitung von den Vorhöfen zu
den Herzkammern
gekennzeichnet sind; Zweck der Impulse ist die Auslösung einer koordinierten Kontraktion
der Herzkammern. Die Reizleitung ist physiologisch durch eine sukzessive und koordinierte
Depolarisation gewisser Zellmembranen, der sogenannten Leitungsbündel, gekennzeichnet.
Gewöhnlich geht der Impuls von einem kleinen als Sinusknoten bezeichneten Zellenhaufen
aus, der im oberen Teil des rechten Atriums (Vorhof) an der Mundung der vena cava
superior (obere Hohlvene) liegt. Von diesem Knoten aus erfolgt das lepolarisieren
nach unten durch die Atrien hindurch.
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Die Depolarisation bedeutet einen Wechsel des elektrischen Potentialunterschiedes
zwischen dem Muskelzelleninneren und -äusseren, eine Erscheinung, die elektrisch
einer zunehmenden Ladungsdoppelschicht entspricht. Die Summawirkung dieser Potentialschwankung
für sämtliche Vorhofzellen ist in den elektrokardiographischen Aufzeichnungen von
der Körper oberfläche als eine kleinere "Zacke", die sogenannte P-Zacke, von etwa
0,1 Sek.
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Dauer und einer Grösse von etwa 0,2 mV erkennbar.
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Die P-Zacke entspricht somit der Kontraktion der Atrien.
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Von den Atrien wird die Depolarisation gewöhnlich zu den Ventrikeln
(Herzkammern) durch einen besonderen Knoten, den Atrium-Ventrikularknoten, übergeleitet,
der sich in der Herz scheidewand unmittelbar neben der Herzklappe zwischen dem rechten
Atrium und Ventrikel findet. Die Impulsüberleitung wird im Atrium-Ventrikularknoten
um 0,7 Sek. verzögert und erfolgt dann durch zwei Zweige in der Herz trennwand zum
Boden des rechten und linken Ventrikels. Von dort wird das Depolarisieren der Ventrikel
eingeleitet,das elektrographisch in der Form des sogenannten QRS-Komplexes erkennbar
ist.
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Die R- und S-Zacken - die vorherrschenden Merkmale des Komplexes -
sind von einer Grössenordnung etwa.1,O bis 2,5 mV und haben eine Dauer von etwa
0,08 bis 0,12 Sek..Der QRS-Komplex entspricht somit der Kontraktion der Herakammern.
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Während der nachfolgenden Diastole tritt die Repolarisation ein, die
elektrokardiographisch der T-Zacke entspricht.
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Der eigentliche Pumpeffekt des Herzens beruht auf der-Ventrikelkontraktion,
Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass diese durch das Auslösen eines QRS-Eomplexes
in geeigneten Zeitabständen, beispielsweise etwa 60 bis 80 mal in der Minute, eingeleitet
wird. Das Auslösen des QRS-Eomplexes erfolgt wie erwähnt durch Überleiten der Impulse
von den Atrien. Treten Störungen bei der Überleitung in der Form voller oder teilweiser
Blockade auf, spricht man von einer atrium-ventrikularen Blockade. Bei Patienten
mit Vollblockade können sich die Ventrikel weiterhin dank einer eigenen Automatik
kontrahieren, indem sich die Muskelsellen von selbst zusammenziehen; dies erfolgt
aber mit einer Frequenz die erheblich niedriger als die vom Sinusknoten bewirkte
ist.
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Sinkt die Eigenfrequenz der Ventrikel, kann der Patient keine normale
Kreislauffunktion aufrechterhalten. Oftmals starten die Ventrikel bei einer akuten
Blockade nicht unmittelbar, und es ist dann von einem durch vorübergehende Bewusstlosigkeit
gekennzeichneten ADAM-STOKES-Anfall die Rede. Bei vollständigem Unterbleiben des
Eigenrhythmusses der Ventrikel spricht man von Herzlähmung oder Asystolie, die mit
Sicherheit zum Tode führt, es sei denn, dass augenblicklich eingegriffen wird. Dies
kann entweder durch externe Herzmassage oder durch das künstlich provozierte Auslösen
eines QRS-Eomplexes erfolgen. Im letzteren Fall wird ein kurzer elektrischer Impuls
(etwa 1,8 ms und 10 mA) durch die Ventrikel geleitet;, so dass das Herz zur Kontraktion
gezwungen wird.
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Da die erwähnten Störungen anfallsweise und ohne Vorwarnung eintreten
und da es keine sichere vorbeugende medizinische
Behandlung gibt,
hat dies zur Entwicklung eines Impulsgebers gerührt, der extern verwendet oder einoperiert
werden kann um dem Herzen dauernd oder zeitweilig beizustehen. Patienten, denen
ein solcher Impuls geber einoperiert wird, sind einer sogenannten Dauerschrittmacherbehandlung
unterzogen. Bei einer Herzschrittmacherbehandlung können die Elektroden in zweifacher
Weise angebracht werden, und zwar epikardial oder endokardial. Bei epikardialer
Schrittmachung wird der Brustkorb geöffnet, und die Elektroden werden in die Herzmuskulatur
gestreckt. Dann werden die Elektroden an den Schrittmacher angeschlossen, der in
einer Tasche entweder unter der Haut auf dem Brustkorb oder unmittelbar unter der
Bauchhaut angebracht ist.
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Wegen der grossen Komplikationsgefahr bei einem solchen Eingriff ist
diese Methodik fast ganz durch die endokardiale Anbringung ersetzt worden, die in
folgender Weise durchgeführt wird: die eine als die differente bezeichnete Elektrode
(gewöhnlich der negative Pol) wird in eine der Halsvenen eingeführt und durch das
rechte Atrium und die Herzklappe zum Boden des rechten Ventrikels hindurchgefuhrt,
wo sie in den Papillarmuskel eingeflochten wird.
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Mit einer gegebenen Elektrode und einer gegebenen Anbringung muss
der elektrische Impuls, der eine kapazitive Entladung zwischen den Elektroden ist,
einen gewissen Wert übersteigen, um einen QRS-Komplex auszulösen. Diesen Wert nennt
man den aktuellen Schrittmacherschwellenwert des Herzens, und man definiert die
Schrittmachersicherheit als das Verhältnis zwischen dem aktuellen Schrittmacherimpuls
und dem aktuellen Schrittmacherschwellenwert. Gewöhnlich entspricht es bei Beginn
der Behandlung einem Wert von etwa 3 bis 5.
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Es sind drei nach Funktionsweise eingeteilte Schrittmachertypen bekannt:
1.
Schrittmacher mit konstanter Frequenz 2. Schrittmacher, die nur bei Bedarf arbeiten
3. Atrialgesteuerte Schrittmacher.
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Der Herzschrittmacher mit konstanter Frequenz gibt dauernd Impulse
mit einer vorbestimmten Frequenz ab, d.h. das Herz wird konstant angeregt. Der Patient
ist an einen festen Herzrhythmus gebunden. Dies ist für diejenigen Patienten unvorteilhaft,
die lediglich einer zeitweiligen Schrittmachung bedürfen. Ausserdem hat es sich
herausgestellt, dass einige Patienten (etwa 25%) nach 1/2-1 jähriger Implantation
ihren normalen Sinusrhythmus wiedergewinnen, was eine fluktuierende Schrittmachung
mit erheblicher Gefahr eines tödlichen Ventrikelflatterns zur Folge hat. Dieser
Schrittmacher besteht grundsätzlich aus einem astabilen Multivibrator, beispielsweise
einer Hook-Kopplung.
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Der nur bei Bedarf arbeitende Herzschrittmacher gibt lediglich Impulse
ab, falls der Eigenrhythmus des Herzens unter einer vorbestimmten Frequenz liegt,
d.h. der Schrittmacher überwacht laufend, ob das Herz selbst QRS-Komplexe mit ausreichend
schneller Frequenz auSDst, und erst wenn die Frequenz des Herzens unter einen gewissen
Wert gesunken ist, tritt er in Funktion. In dieser Weise vermeidet man, dass der
Schrittmacher mit dem Eigenrhythmus des Herzens konkurriert. Das Herz wird lediglich
im Bedarfsfalle, beispielsweise während eines ADAM-ST0KES-Anfalles, unterstUtzt.
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Der nur bei Bedarf ansprechende Schrittmacher ist grundsätzlich als
ein ruckstellbarer stabiler Multivibrator ausgebildet, der jeweils beim Auffangen
einer R-Zacke durch einen Impuistrigger zurückgestellt wird. Wird keine R-Zacke
alge fangen, arbeitet der Multivibrator frei und es werden Impulse mit fester Frequenz
abgegeben. Nach jedem abgegebenen @mpuls wird der Impulstrigger etwa 400 ms blockiert.
Bei dieser Bauweise
ist ein hinreichend geräuschimmuner Impulstrigger,
der mit Sicherheit lediglich R-Zacken auffängt, schwer erzielbar.
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Der atrialgesteuerte Herzschrittmacher gibt einen zur Atrienkontraktion
synchronen Impuls ab. Er ist lediglich für Patienten mit totaler atrien-ventrikularer
Blockade und kräftigem Vorkammersinusrhythmus geeignet. Unterbleibt der Sinusrhythmus,
wird der Schrittmacher auf konstante Frequenz reduziert. Diese Schriftmachung ermöglicht
die Anpassung des Pumpeffektes an den Bedarf, erfordert aber zwei intrakardiale
Elektroden, und zwar eine im rechten Atrium und eine im rechten Ventrikel. Die Anbringung
dieser Elektroden ist schwierig, weshalb vorhoigesteuer-; te Schrittmacher selten
benutzt werden.
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Einer der auffälligsten Mängel der bekannten Schrittmachertechnik
ist der, dass es nicht möglich ist, durch periodische Untersuchung ohne Eingriff
festzustellen, mit welcher Sicherheit der Schrittmacher tatsächlich arbeitet, da
sich nur feststellen lässt, ab die Triggerfähigkeit des Schrittmachers intakt ist.
Man kann somit nichts ueber die Sicherheit erfahren, mit der das Herz stimuliert
wird, weil diese auch von dem Schwellenwert des Herzens abhängt, welcher nicht ohne
Eingriff bestimmbar ist. Es hat sich herausgestellt, dass der Schwellenwert dazu
neigt, umso mehr anzusteigen* J länger das Herz weitergetriggert wird. Dabei nimmt
das Triggervermögen das Schrittmachers wegen der Batterieentladung ab. Wird das
Triggervermögen des Schrittmachers auf den während des Implantierens bestimmten
Schwellenwert bezogen, wird somit die Funktion des Sohrittmaohers frtlher als vorausgesehen
unzuverlässig. Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher mit einem Impulagenerator
sur Erzeugung herzanregender Impulse mit einer vorwiegend festen Frequenz. Zweck
der Erfindung ist die Schaffung eines solchen Schrittmachers, der eine Beatlegung-des
tatsächlichen Schwellenwertes des Hersens ohne operative Eingriffe ermöglicht.
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Dieser Zweck wird dadurch erzielt, dass eine Vorrichtung zur allmählichen
Herabsetzung der Amplitude ausgewählter Schrittmacherimpulse sowie eine Vorrichtung
zum Ein- und Ausschalten der erstgenannten Vorrichtung vorgesehen sind. Die Vorrichtung
zum Ein-und Ausschalten der amplitudenreduzierenden Vorrichtung lässt sich leicht
so ausbilden, dass sie aktivierbär ist, ohne dass von aussen ein physischer Kontakt
mit dem Schrittmacher hergestellt wird, und derart, dass der schwächste, Herzkontraktionen
noch herbeiführende Impuls ebenfalls ohne einen solchen physischen Kontakt feststellbar
ist. Dieser schwächste Impuls ist ein Mass für den derzeitigen Schwellenwert des
Herzens. Die Ein- und Ausschaltvorrichtung kann zum automatischen Aktivieren mittels
zweckentsprechender Krankenhausausrüstung, beispielsweise eines gardiographen, oder
zum manuellen Aktivieren durch einen Arzt aufgrund der Überwachung des Pulses des
Patienten eingerichtet sein.
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Falls zweckmässig, lässt sich der Schrittmacher so ausbilden, dass
zwischen den ausgewählten Impulsen Impulse mit voller Amplitude erzeugt werden.
Die einfachste Konstruktion ist aber dadurch erzielbar, dass die amplitudenreduzierende
Vorrichtung des Schrittmachers die Amplitude Jedes Impulses um einen festen oder
relativen Wert gegenüber dem vorhergehenden Impuls vermindert.
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Die Möglichkeit der Erzeugung verhältnismässig energiereicher Impulse
unter Anwendung schwacher Energiequellen mit gleichzeitiger Möglichkeit für die
Steuerung der Impulsamplitude ist in einfacher Weise dadurch gegeben, dass der Schrittmacher
einen Ausgangskreis, der einen in Serie mit einem elektronischen Ausschalter verbundenen
Kondensator enthält, sowie einen Ladekreis zum Aufladen des Kondensators für eine
steuerbare Spannung besitzt.
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Diese Steuerung lässt sich mit der angestrebten Wirkung dadurch verwirklichen,
dass der Schrittmacher einen Dosierkreis mit einem Dosierkondensator aufweist, dessen
Spannung diejenige Spannung steuert, auf die der Ausgangskondensator aufgeladen
wird, und der an einen Aufladungskreis und einen Entladungskreis angeschlossen iat.
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Durch eine Ausbildung des Schrittmachers, bei der der Entladungskreis
einen mit dem Dosierkondensator parallel verbundenen Kurzschlusskreis bildet, in
den ein Ausschalter eingeschaltet ist, lässt sich der Amplitudenreduktionsmechanismus
einfach in und ausser Betrieb setzen, indem dies allein durch Öffnen und Schliessen
des Ausschalters erfolgt, der im geschlossenen Zustand den Dosierkondensator kurzschliesst
und dadurch diesen unwirksam macht, so dass die erzeugten Impulse eine hauptsächlich
unveränderliche Amplitude erhalten, Eine besonders einfache Ausbildung des Schrittmachers
liegt dann vor, wenn der Ausschalter aus einem Reed-Schalter besteht und zum Aktivieren
desselben ein Apparat vorgesehen ist, der ein magnetisches Organ enthält oder aus
einem solchen besteht. Zum Aktivieren des Ausschalters dieser Konstruktion ist lediglich
ein Elektromagnet oder ein Dauermagnet erforderlich, der bei jedem praktischen Arzt
verfügbar ist.
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Das Risiko eines unbeabsichtigten Aktivierens bei der Verwendung eines
magnetisch aktivierbaren Ausschalters lässt sich dadurch erheblich vermindern, dass
der Ausschalter ein elektronischer Ausschalter mit einem Steuerkreis ist, und dass
zum Aktivieren des Aus schalters ein Apparat vorgesehen ist, der auf den Steuerkreis
einwirken kann, ohne mit diesem galvanisch verbunden zu sein. Dabei kann der Steuerkreis
in verschiedener Weise äusseren Einwirkungen gegenüber selektiv gemacht werden.
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Eine solche Selektivität wird in verhältnismässig einfacher Weise
dann erreicht, wenn der Steuerkreis einen abgestimmten Hochfrequenzkreis und einen
Gleichrichter und der Aktivierapparat einen Hochfrequenzgenerator enthält. Bei dieser
Ausbildung besteht aber auch ein gewisses Risiko für eine durch elektromagnetische
Wechselfelder bewirkte unbeabsichtigte
Aktivierung, über welche
der Benutzer keine Kontrolle hat. Eine weit grössere Sicherheit ist dadurch erzielbar,
dass der Steuerkreis zusätzlich einen Reedschalter und die Aktiviervorrichtung zusätzlich
eine Relaisspule enthält, und dass der Steuerkreis derart ausgebildet ist, dass
der Ausschalter nur dann aktiviert wird, wenn der Hochfrequenzkreis und der Readschalter
gleichzeitig beeinflusst werden. Dabei ist die Gefahr einer gleichzeitigen Anwesenheit
eines ausreichend kräftigen Magnetfeldes und elektromagnetischer Schwingungen mit
einer bestimmten Frequenz sehr gering.
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Eine andere Ausbildung des Schrittmachers,die auch eine gute Sicherheit
vor unbeabsichtigtem Aktivieren des Ausschalters gewährt, besteht darin, dass der
Steuerkreis ein auf eine Ultraschallfrequenz abgestimmtes piezoelektrisches Kristallelement
sowie einen damit verbundenen Verstärker und Gleichrichter enthält, und dass die
Aktiviervorrichtung einen Ultraschallgenerator aufweist.
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In allen Fällen, in denen der Schrittmacher einen Steuerkreis hat,
der mittels einer Aktiviervorrichtung von aussen beeinflusst werden kann, ist es
möglich, diese Einwirkung nach Bedarf des Patienten automatisch erfolgen zu lassen,
wenn die Aktiviervorrichtung durch einen monostabilen Multivibrator steuerbar ist,
der von einem Hersimpulsdetektor oder Herzkontraktionsdetektor betätigt wird.
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Wenn der Schrittmacher einen Detektor enthält, der die die Muskelkontraktion
im Herzen auslösenden Herzimpulse detektiert, d.h. eine Vorrichtung zur Überwachung
der Herzfunktion, lässt er sich dadurch vollautomatisch machen, dass Organe vorgesehen
sind, die bei Unterbleiben eines Herzimpulses in einem festgelegten Zeitraum nach
Abgabe eines reduzierten Impulses die Herbeiführung eines neuen Impulse ses mit
einer vorbestimmten Amplitude zur Folge haben Die Retablierung der vollen Impuls
amplitude kann beispaelsweise dadurch erfolgen, dass der Detektor die Ein- und Ausschaltvorrichtungen
so beeinflusst, dass die die Amplitude reduzierenden Organe ausser Betrieb gesetzt
werden. Ein
solcher Schrittmacher überwacht laufend den aktuellen
Schwellenwert des Herzens, der jeweils durch den kleinsten, abgegebenen Impuls testimmt
ist.
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Der QRS-Komplex erscheint wegen physiologischer Verzögerung gewöhnlich
30 bis 40 ms nach dem Impuls und die in den Schrittmacher eingebaute Zeitfrist kann
passend etwa 100 ms betragen. Solange der Impuls innerhalb dieses Zeitraums einen
QRS-Komplex auslöst, wird der nächste Impuls reduziert werden. Wird innerhalb der
100 ms-Periode kein QRS-Komplex empfangen, wird am Ende der Periode ein Impuls mit
voller Amplitude abgegeben, deren Wert beispielsweise das FUn£-fache des aktuellen
Schwellenwerts betragen kann.
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Eine einfache Ausbildung eines nur bei Bedarf arbeitenden Schrittmachers,
der die Herbeiführung eines neuen Impulses mit voller Amplitude gewährleistet, wenn
ein reduzierter Impuls im Laufe des vorbestimmten Zeitraumes keinen Herzimpuls ausgelöst
hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein im Impulsgenerator enthaltener rückstellbarer,
stabiler Multivibrator nach Jeder vollendeten Periode einen monostabilen Multivibrator
zur Erzeugung eines Auslöseimpulses aktiviert, dessen Vorderkante einen anderen
monostabilen Multivibrator zum Steuern des elektronischen Ausschalters des Ausgangskreises
und dessen Hinterkante in Abwesenheit eines detektierten Herzimpulses einen Retablierungskreis
aktiviert, der den Dosierkreis auf volle Impulsamplitude einstellt.
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Zur Durchführung der Amplitudenreduktion während des Steuerns der
Auslöseimpulse kann der Aufladungskreis des Dosierkreises einen in Serie mit dem
Dosierkondensator verbundenen elektronischen Ausschalter aufweisen, der durch die
Auslöseimpulse gesteuert wird.
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Der elektronische Ausschalter im Entladungskreis des Dosierkreises
kann erfindungsgemäss durch den Retablierungskreisgesteuert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung naher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 typische elektrokardiographische Signale, Fig. 2 graphische.Abbildungen,
die die Wirkungsweise einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Herz schrittmachers
mit eingebauten Vorrichtungen zum Steuern des Amplitudenreduktionsmechanismus erläutern,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer solchen Ausführungsform des erfindungsgemässen Schrittmachers,
Fig. 4 ein Diagramm mit gewissen Schaltkreisdetails bei dem in Fig. 3 dargestellten
Schrittmacher, Fig. 5 in Diagrammform eine Ausftihrungsform des erfindungsgemässen
Schrittmachers zum manuellen Steuern des Amplitudenredukti onsmechanismus, Fig.
6 ein Blockdiagramm einer anderen Ausfiihrungsform eines solchen Schrittmachers,
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer AusfUhrungsform zum automatischen Steuern des Amplitudenreduktionsmechanismus
von aussen, Fig. 8 ein Diagramm einer anderen Ausfiihrungsform eines solchen Schrittmachers
und Fig. 9 ein Blockdiagramm einer dritten Ausfiihrungsform mit automatischer oder
manueller Steuerung.
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In Fig. 1 sind diejenigen "Zacken" oder Impulselemente P,Q.R.S.
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und T markiert,die fdr elektrokardiographisch aufgezeichnete Signale
charakteristisch sind.Die Zeit ist längs der Abszisse und die Amplitude längs der
Ordinate abgesetzt.Die Grössen- und Zeitverhältnisse ergeben sich aus den gezeigten
Masstiben.Sowohl die absoluten als auch die relativen Werte der verschiedenen Zacken
sowie ihre zeitmässige Ausdehnung und Lage können von einem
Patienten
zum andern stark variieren, und gerade dieser Umstand macht die Elektrokardiographie
zu einem wichtigen diagnostischen Werkzeuge Der in Fig. 3 gezeigte Schrittmacher
hat zwei Eingangsleitungen1 zum Empfangen von Herz impulsen und zwei Ausgangsleitungen
2 zur Abgabe von Schrittimpulsen, Die beiden Leitungspaare können evtl. - entsprechend
den gestrichelten Linien - miteinander verbunden werden und auf diese Weise mit
einem gemeinsamen, zum Einoperieren in den Patienten bestimmten Satz Elektroden
verbunden sein. Die Eingangsleitungen 1 sind über einen Sperrkreis B, der zur Blockierung
des Empfangs unter Abgabe von Schrittimpulsen dient, mit einem Verstärker F verbunden,
welcher die empfangenen Signale verstärkt und zu einem Detektor D leitet, der zum
Nachweis der QRS-Eomplexe dient und bei jeder derartigen Anzeige einen Ausgangsimpuls
erzeugt, der einen monostabilen Multivibrator MV1 von 250 ms triggert. Da das Charakteristischste
am QRS-Komplex das Verhalten der Strecke RS ist, kann der Detektor D weckmäßig auf
bekannte Weise so ausgelegt werden, daß er dieses Verhalten abtastet. Indem der
Multivibrator MV1 eine verhältnismässig lange Impulszeit von 250 ms aufweist, wird
das Risiko vermieden, dass er nach der Aktivierung durch einen QRS-Komplex auch
durch die nachfolgende T-Zacke aktiviert wird0 Wie man sehen kann, bewirkt der bisher
beschriebene Teil des Schrittmachers, dass auf einer Ausgangsleitung 3 vom Multivibrator
MVi ein Rechteckimpuls mit einer Länge von 250 ms erzeugt wird, und zwar jedesmal
dann, wenn ein QRS-Eomplex empfangen wird. Dieser Impuls wird im folgenden Startimpuls
genannt.
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Die Startimpulse werden dem Rückstelleingang 4 eines rückstellbaren
Oszillators o zugeführt, der in Abwesenheit von Rückstellsignalen freilaufend mit
einer einstellbaren Frequenz von ungefähr 50 bis 90 Impulsen/min arbeitet,jedoch
dazu gezwungen wird, vorzeitig mit seinem Arbeitszyklus zu beginnen, wenn er einen
Rückstell- oder Startimpuls erhält0 Daher kann der Oszillator nur einen ganzen Arbeitszyklus
durchlaufen, wenn der Rhythmus der Herzimpulse langsamer ist als der Eigenrhythmus
des Oszillators.
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Nach jeder durchgeführten Schwingungsperiode aktiviert der Oszillator
0 einen monostabilen Multivibrator MV2, der dann an seinem Ausgang 5 einen Viereckimpuls
mit einer Länge von etwa lOOms erzeugt. Dieser Impuls wird als Auslöseimpuls bezeichnet,
weil er einen Schrittmacherimpuls dadurch auslöst, dass er mit seiner Vorderkante
einen weiteren monostabilen Multivibrator MV3 mit einer Impulszeit von 1,8 ms triggert
und in diesem Zeitraum'über eine Leitung 6 einen Ausgangskreis U zur Abgabe eines
Schrittmacherimpulses an die Austrittsleitungen ? aktiviert. Die Viereckimpulse
von Multivibrator MV3 werden hier als Steuerimpulse bezeichnet, weil sie das Aussenden
von Schrittmacherimpulsen steuern. Die Steuerimpulse werden auch über eine Leitung
7 dem Blockadeeingang des Blockierungskreises B zugeführt, wodurch das früher erwähnte
Blockieren des Aufnahmeteils während des Aussendens eines Impulses hergestellt wird.
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Die Auslöseimpulse vom Multivibrator MV2 werden auch über eine Leitung
8 einem Dosierkreis C zugeführt, der jedesmal bei Aufnahme eines Auslöseimpulses
über eine Leitung 9 so auf den Ausgangskreis U einwirkt, dass die Amplitude des
nächsten Schrittmacherimpulses um einen vorbestimmten festen oder relativen Wert
reduziert wird.
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Weiterhin werden die Auslöseimpulse über eine Leitung 10 einem Retablierungskreis
R zugeführt, der so ausgelegt ist, dass er derart von der Hinterkante dieser Impulse
sowie von den Startimpulsen, die ihm über eine Leitung 11 zugeführt werden, beeinflusst
wird, dass er auf einer Ausgangsleitung 12 einen Retablierungsimpuls erzeugt, und
zwar nur dann, wenn die Hinterkante des Auslöseimpulses in Abwesenheit eines Startimpulses
auftritt, d.h.
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wenn nicht binnen 100 ms von der Erzeugung eines Schrittmacherimpulses
ein Herzimpuls empfangen wurde Der Retablierungsimpuls wird dem Dosierkreis C zugeführt,
der sofort den Ausgangskreis U so einstellt, dass der nächste abgegebene Schimacherimpuls
volle Amplitude, d.h. einen vorbestimmten Anfangswert, erhält. Eine etwas verzögerte
Ausgabe des Retablierungsimpulses
wird über eine Leitung 13 dem
Multivibrator MV3 zugeführt und wirkt als ein zusätzlicher Auslöseimpuls, der 100
ms nach Aussenden eines wirkungslosen Schrittmacherimpulses die Erzeugung eines
neuen Schrittmacherimpulses mit voller Amplitude bewirkt.
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In der gezeigten Ausführungsform des Schrittmachers werden die Auslöseimpulse
weiterhin über eine Leitung 14 zurück zum Eingang des Sägezahnossillators 0 geschaltet,
der somit keine neue Arbeitsperiode vor dem Ende des Auslöseimpulses beginnen kann.
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In Fig. 4 ist eine zweckmässige Ausführungsform des Retablierungskreises
R, des Dosierkreises C und des Ausgangskreises U gezeigt. Diese Kreisläufe enthalten
elektronische Ausschalter, die als Transistoren Tl-T4 gezeigt sind, die aber auch
aus anderen Formen statischer elektrischer Umschaltvorrichtungen bestehen können.
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Der Ausgangskreis U enthält einen Kondensator C4, der in Serie mit
den Ausgangsleitungen 2 und mit dem Transistor T4 liegt, welcher durch 1,8 ms Steuerimpulse
vom Multivibrator MV3 leitend gemacht wird und dadurch die Entladung des Kondensators
C4 durch den Elektrodenkreis bewirkt. Die Grösse des Schrittmacherimpulses wird
somit gleich der Spannung über dem Kondensator C4 in demjenigen Augenblick, in dem
der Transistor T4 schliesst. Die Kondensatorspannung wird vom Dosierkreis C über
einen als Spannungsfolger geschalteten Feldeffekttransistor T5 gesteuert, der diejenige
Spannung bestimmt, auf die C4 nach jedem Schrittmacherimpuls wieder aufgeladen wird.
Diese Spannung hängt von der Spannung über einem Kondensator C3 im Dosierkreis ab,
die wiederum unter Kontrolle der zwei Transistoren T2 und T3 steht.
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Jeder 100 ms Auslöseimpuls vom Multivibrator MV2 macht T3 leitend
und bewirkt Aufladung von C3, so dass die Spannung in dem mit der Leitung 9 verbundenen
Punkt P sinkt, was eine Reduktion derjenigen Spannung sur Folge hat, auf die der
Kondensator
G4 des Ausgangskreises wieder aufgeladen wird. In dieser Weise wird jeder Schrittmacherimpuls
um eine gewisse Grösse gegenüber dem vorhergehenden Schrittmacherpuls reduziert.
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Voraussetzung dafür, dass der nächste Schrittmacherimpuls mit dem
neuen reduzierten Wert abgegeben wird, ist, dase ein Herzimpuls detektiert wird,
bevor die Hinterkante des 100 ms Auslöseimpulses eintritt. In diesem Fall ist der
250 ms Multivibrator Mvi aktiviert und liefert den erforderlichen Basisstrom, um
den Transistor T1 im Retablierungskreis R gesättigt zu halten. Wird kein Herzimpuls
detektiert, wird die Hinterkante des 100 ms Auslöseimpulses über einen Kondensator
Cl den Transistor T1 in einem verhältnismässig kurzen, durch die Grösse des Kondensators
C1 und der Widerstände Rl, R2 und R3 bestimmten Zeitintervall blockieren. In demjenigen
Augenblick, in dem T1 blockiert wird, wird der Transistor T2 im Dosierkreis C leitend
gemacht und schliesst den Kondensator C3 kurz, der somit entladen wird.Dadurch steigt
die Spannung im Punkt P und zieht die Quellenelektrodenspannung des Transistors
T5 mit sich, 50 dass der Kondensator C4 des iusgangskreises auf den Anfangswert
wieder aufgeladen wird. Wenn der Transistor T7 im Retablierungskreis wieder schliesst,
ist C4 wieder aufgeladen, und es kann ein Schrittiacherimpuln abgegeben werden.
Dies erfolgt dadurch, dass der 1,8 me Nultivibrator MV3 über einen Kondensator C2
aktiviert wird, wenn der Transistor T1 schliesst.
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In Fig. 2A ist ein Ausschnitt derjenigen Schrittmacherimpulse gezeigt,
die von dem vorstehend beschriebenen Schrittmacher erzeugt werden, wenn der Schwellenwert
des Herzens beispielsweise 1,2 m& beträgt. Der Startimpuls ist auf 5 . 1,2 mA
= 6 m& festgesetzt, und mit jedem Schrittmacherimpuls wird die Amplitude um
5 % von 1,2 mA reduziert, d.h. um 0,06 mA, so dass der Schwellenwert mit fünfprozentiger
Genauigkeit festgelegt wird. Mit der erwähnten Impulsreduktion wird der Schwellenwert
nach (6,0 - 1,2) / 0,06 = 80 Impulsen erreicht. Der Schwellenwert kann somit jeweils
als die geringste Impuls amplitude abgelesen werden, und die Sicherheit läsßt sich
als das Verhältnis zwischen dieser
Amplitude und der Startamplitude
ausrechnen.
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In Fig. 2B sind ausser den Schrittmacherimpulsen die von diesen ausgelösten
Herzimpulse gezeigt. In Fig. 2C ist mit einer grösseren Zeitskala ein kleinerer
Ausschnitt der Schrittmacherimpulse mit zugehörigen 100 ms Auslöseimpulsen gezeigt.
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Der Schrittmacher kann, wie erwähnt, auch so ausgebildet sein, dass
der Amplitudenreduktionsmechanismus von aussen an einer Behandlungsstelle, beispielsweise
in einem Krankenhaus oder bei einem praktischen Arzt, in und ausser Betrieb gesetzt
wird. Eine solche Konstruktion ist in Figur 5 gezeigt, in der DPM ein Kreislauf
ist, der aus dem Detektor- und Impulsgeneratorteil eines herkömmlichen,bei Bedarf
arbeitenden Schrittmachers (Demand-Pacemaker) oder gegebenenfalls lediglich aus
dem Impulsgenerator eines mit fester Frequenz arbeitenden Pacemakers bestehen kann.
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Dieser Kreislauf gibt Impulse an einen monostabilen Multivibrator
MV3 ab, der wie der entsprechende Multivibrator in Fig.3 und -4 Jedesmal beim Aktivieren
einen Steuerimpuls mit einer bestimmten Länge, beispielsweise 1,8 ms, an einen Ausgangskreis
U abgibt. Der Ausgangskreis U ist in der gleichen Weise wie vorstehend bei Fig.
4 beschrieben ausgebildet, und sowohl hier als auch in den übrigen Figuren sind
dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 3 und 4 für entsprechende Teile benutzt worden.
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Die Spannung über dem Kondensator Ca wird wie vorstehend von einem
Dosierkreis C über den als Spannungsfolger geschalteten Feldeffekttransistor T5
gesteuert, der diejenige Spannung bestimmt, auf die C4 nach Jedem Schrittmacherimpuls
wieder aufgeladen wird. Diese Spannung hängt ebenfalls wie vorstehend von der Spannung
über einem Kondensator C3 im Dosierkreis ab, der in Serie mit einem Ladewiderstand
R4 über der nicht gezeigten Batterie liegt. Der Verbindungspunkt P zwischen dem
Kondensator C3 und dem Widerstand.
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R4 ist durch eine Leitung 9 mit der Steuerelektrode des Transistors
T5 verbunden, und die Spannung in diesem Punkt P ist dafür massgebend, auf eine
wie hohe Spannung der Ausgangskondensator C4 aufgeladen wird, und damit für die
Grösse des Schrittmacherimpulses.
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Der Dosierkondensator C3 ist mit einem Reed-Schalter REI parallel
geschaltet, der gewöhnlich geschlossen ist und somit den Kondensator C3 kurzschliesst,
so dass die Spannung im Punkt P gleich der Batteriespannung +V ist. In diesem Zustand
gibt der Schrittmacher Impulse mit konstanter Amplitude ab, die auch die Höchstamplitude
ist.
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Das Messen des Schwellenwertes des Patienten wird von einem Arzt vorgenommen,
indem er einen Dauermagneten M in die Nähe des implantierten Schrittmachers hält,
wodurch sich der Reed-Schalter REI öffnet. Damit beginnt das Aufladen des Dosierkondensators
C3. Im Zuge dieses Aufladens sinkt die Spannung im Punkt P und damit die Amplitude
der abgegebenen Schrittmacherimpulse.
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Gleichzeitig damit, dass der Arzt den Reed-Schalter aktiviert und
den Amplitudenreduktionsmechanismus in Betrieb setzt, fühlt er dem Patienten den
Puls und zählt die Anzahl von Pulsschlägen, bis ein Pulsschlag dadurch ausbleibt,
dass die Schrittmacherimpulsamplitude den Schwellenwert unterschritten hat. Sobald
der Arzt das Ausbleiben eines Pulsschlages festgestellt hat, entfernt er den Magneten
M, so dass der Reed-Schalter REI wieder schliesst und den Dosierkondensator C3 kurzschliesst,
wodurch die Spannung im Punkt P sofort auf die Batteriespannung steigt, so dass
der nächste und die folgenden Schrittmacherimpulse volle Amplitude erhalten. Der
letzte Schrittmacherimpuls, der die Herzkontraktion ausgelöst hat, stellt den Schwellenwert
dar und ist durch die Anzahl von Pulsschlägen seit dem Öffnen des Reed-Schalters
REI identifiziert.
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In Figur 6 stellt der Block VPM den implantierten Schrittmacher dar,
der aus den gleichen Einheiten C, U, MV3 und DPM wie in Figur 5 gezeigt bestehen
kann. Der Unterschied zwischen den beiden Apparaten besteht nur darin, dass in Figur
6 statt eines Dauermagneten ein Elektromagnet in der Form einer Relais spule RE
zum Aktivieren des Reed-Schalters REI verwendet wird. In den Magnetisierkreis der
Relaisspule ist ein Ausschalter S eingeschaltet, der es dem Arzt ermöglicht,
zunächst
die Relaisspule RE gegenüber dem Reed-Schålter REI in Stellung zu bringen und dann
diese durch Schliessen des Schaltern zu aktivieren. Hierdurch wird ein besser definierter
Aktivierzeitpunkt ersielt als bei Verwendung eines Dauermagneten.
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In Fig. 7 ist ein Schrittmacher VPM der gleichen Art wie der vorstehend
beschriebene im Zusammenhang mit einer ortsfesten Ausrüstung gezeigt, wie sie beispielsweise
in einem Krankenhaus oder an einer besonderen Kontrollstelle verfügbar ist. Die
Ausrüstung überwacht automatisch die Herzfunktion des Patienten und bewirkt die
Retablierung voller Schrittmacherimpulsamplituden, wenn diese Funktion versagt.
Diese feste Ausrüstung hat Eingangs- und Elektrodenleitungen EL, die in der gleichen
Weise wie Kardiographenelektroden am Patienten befestigt werden können. Die in den
Leitungen EL erzeugten Spannungsimpulse werden von einem Verstärker F verstärkt
und einem Detektor D zugeführt, der einen monostabilen Multivibrator MV4 aktiviert,
wenn ein Herz impuls länger als in einem vorbestimmten Zeitraum unterbleibt. Der
Multivibrator >W4 hat eine Impulszeit von 20, während der er die Relaisspule
RE entmagnetisiert und dadurch über den Reed-Schalter REI eine Retablierung der
vollen Schrittmacherimpulsamplitude bewirkt. Naoh Ablauf der 20 ms öffnet sich der
Reed-Schalter aufs neue, und die Amplitude des Schrittmacherimpulses nimmt wieder
ab. Der Verstärker F und der Detektor D können gegebenenfalls zusammengeschaltet
sein oder einen Teil eine 5 Elektrokardi ographen ausmachen.
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In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemässen
Schrittmachers besteht der zum Kurzschliessen des Dosierkondensators C3 verwendete
Schalter, wenn die volle Schrittmacherimpulsamplitude erwünscht ist, wie in dem
in Fig. 4 gezeigten Schrittmacher, aus einem Transistor T2, der über eine Leitung
12 von einem Retablierungskreis R gesteuert wird. Dieser enthält den Transistor
T1, dessen Steuerkreis hier aus einer Serienverbindung eines Widerstandes R3, des
Reed-SchaltersREI, eines Gleichrichters E und eines abgestimmten Hochfrequenskreises
HF besteht.
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In dem normalen Zustand, in dem der Schrittmacher in der Zeichnung
gezeigt ist, ist der Reed-Schalter REl ausgeschaltet und der Transistor T1 blockiert,
während der Transistor T2 gesättigt ist und den Dosierkondensator C3 kurzschliesst.
Zum Aktivieren des Amplitudenreduktionsmechanismus wird eine ortsfeste AusrUstung
verwendet, die aus einem Apparat A besteht, welcher ähnliche Einheiten F»/ D und
MV4, wie in Fig. 3 gezeigt, enthalten kann, wobei jedoch der monostabile Multivibrator
MV 4 hier die Relaisspule RE. entmagnetisiert und gleichzeitig die Funktion eines
Hochfrequenzgenerators HFG zum Stillstand bringt, der eine Hochfrequenaspule HFS
dann speist, wenn ein Herz impuls länger als in einem vorbestimmten Zeitraum ausbleibt.
Wenn indessen RE magnetisiert und HFG bei Einschaltung des Apparates A in Betrieb
gesetzt wird, schliesst der Reed-Schalter und von der Spule HFS werden Schwingungen
in den Resonanzkreis HF induziert, der auf die Frequenz des Generators HFG abgestimmt
ist. Diese Schwingungen werden vom Gleichrichter E gleichgerichtet, wodurch eine
Vorspannung erzeugt wird, die den Transistor T1 leitend macht, so dass seine Kollektorspannung
auf einen solchen Wert fällt, dass der Transistor T2 blockiert wird. Der Dosierkondensator
C3 beginnt dann, aufgeladen zu werden, und zwar von einem entsprechenden Spannungsgefälle
im Punkt P und der sich daraus ergebenden Reduttion:der Amplitude der Schrittmacherimpulse
begleitet.
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Wenn der Schwellenwert erreicht ipt, wird, wie erwähnt, T1 blockiert
und T2 zur Retablierung voller Impulsamplituden gesättigt. Dieser Zustand dauert
während der Impulszeit des in dem Apparat A enthaltenen monostabilen Multivibrators;diese
Zeit muss ausreichend lang sein, um den Ausgangskondensator C4 ganz oder teilweise
aufzuladen, und kann beispielsweise 20 ms betragen, Die durch eine Leitung 13 und
einen Kondensator C2 hergestellte Verbindung zwischen dem EXLlektordes Transistors
T1 und dem monostS-len Multivibrator MV 3,der 1,8 ms Steuerimpulse an den Ausgangskreis
U abgibt,bewirkt,dass ein solcher Steuerimpuls abgegeben wird,wenn der Transistor
T1 nach Ablauf der Impuiszeit für den Multivibrator
im Apparat
A blockiert wird, so dass mit geringer Verzögerung nach dem wirkungslosen, reduzierten
Schrittmacherimpuls ein Schrittmacherimpuls mit voller oder jedenfalls erheblich
erhöhter Amplitude erzeugt wird. Im letzteren Fall kann die Herstellung einer vollen
Amplitude im Zeitraum bis zum nächsten Schrittmacherschlag erfolgen. In der in Figur
8 gezeigten Ausführungsform sind die Relais spule RE und der Reed-Schalter REI gegebenenfalls
entbehrlich, und das Aktivieren des Amplitudenreduktionsmechanismus kann allein
mittels der Hochfrequenzelemente HFG, HFS und HF sowie des Gleichrichters E erfolgen.
Dies hat aber ein gewisses Risiko für unbeabsichtigtes Aktivieren durch fremde elektromagnetische
Wechselfelder mit Frequenzkomponenten in der Nähe der Resonanz frequenz des Hochfrequenzkreises
HF zur Folge.
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Der in Figur 9 gezeigte Block VPM ist ein Schrittmacher, der aus den
gleichen Einheiten, wie durch R, C, U, MV3 und DPM in Figur 8 gezeigt, bestehen
kann. Zum Aktivieren des Amplitudenreduktionsmechanismus dieses Schrittmachers werden
hier Ultraschallwellen verwendet, indem die ortsfeste Ausrüstung aus einem Ultraschallgenerator
LEG besteht, der einen Ultraschallstrahler LS speist. Der Schrittmacher enthält
einen piezoelektrischen Kristall X, dessen von den Schallschwingungen erzeugte Wechselspannung
von einem Verstärker F verstärkt wird, der einen abgestimmten Niederfrequenzkreis
LF speist. Die darin erzeugten Schwingungen werden vom Gleichrichter E zur Erzeugung
einer Vorspannung gleichgerichtet, die den Transistor im Retablierungskreis des
Schrittmachers in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben leitend machen kann.
Der Últraschallstrahler LS lässt sich - wie durch einen Pfeil angedeutet -von Hand
oder automatisch steuern.
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Die konstruktiven Einzelheiten des erfindungsgemässen Schrittmachers
können in mannigfacher Weise abgewandelt werden. Beispielsweise
kann
der Widerstand R4 in Serie mit dem Dosierkondensator C3 in Fig. 8 durch einen Stromgenerator
ersetzt werden, der den Kondensator mit einem vorwiegend konstanten Strom auflädt,
wenn dieser Kondensator nicht kurzgeschlossen ist. Durch diese Massnahme ist eine
bequeme Kalibriermöglchkeit gewährleistet. Es lassen sich auch andere Formen von
Zeitmesskreisen als monostabile Multivibratoren verwenden, wie man auch andere Formen
von logischen Kreisläufen als die gezeigten benutzen kann.