DE2216629B2

DE2216629B2 - Herzschrittmacher

Info

Publication number: DE2216629B2
Application number: DE19722216629
Authority: DE
Inventors: Barouh Vojtech Newton Highlands Berkovits; Sherwood Sheldon Lexington Thaler
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Co LLC
Priority date: 1971-07-19
Filing date: 1972-04-06
Publication date: 1979-08-02
Also published as: AU469657B2; GB1396365A; NL176838C; GB1396366A; NL176838B; NL7207248A; DE2216629A1; DE2216629C3; AU4079872A; BR7204790D0; JPS5650982B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher mit Anschlußelementen zur Herstellung einer Verbindung mit dem Herzen eines Patienten, mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung von Stimulierungsimpuilsen einer vorgegebenen Mindestenergie an den Anschlmßelementen, sowie mit einer nicht konstant bleibenden Ausgangsspannung liefernden Stromquelle zur Versorgung des Impulsgenerators. Ein solcher Herzschrittmacher ist aus der US-PS 35 47 127 bekannt.

Auf dem in der Entwicklung befindlichen Gebiet der Medizinalelektronik sind elektronische Schrittmacher, die zur Stimulierung von menschlichen Herzen zum Zwecke der Veranlassung eines Herzschlages dienen, seit einer Reihe von Jahren entwickelt worden. Es sind vor allem auch Stimulierungsvorrichtungen des Bedaifstyps entwickelt worden, die eine Stimulierung nur li>ei Ausfall des natürlichen Herzschlages vornehmen. In jüngerer Zeit sind Vorrichtungen eines Typs entwickelt worden, durch den die Herzkammer und der Herzvorhof getrennt beeinflußt werden.

Bei der einpflanzbaren Ausführung von Herzschrittmachern werden gewöhnlich ein Reihe geschaltete Batterien als Energiequel'.e verwendet. Batterien lassen natürlich in ihrer Leistung nach und fallen mich individuellen Zeitspannen aus. Eines der Probleme bei den meisten derzeitigen Herzschrittmachern und insbesondere bei denjenigen des einpflanzbaren Typs resultiert aus dem Nachlassen der Batterien zusammen mit der fixen impulsbreite der Herzschlagstirn ulierungsimpulse. Das Problem besteht darin, daß die Energie der Stimulierungsimpulse (wobei die Energie mit der Spannungs-Zeitfläche der Impulse in Beziehung steht.

aber ihr nicht gleicht,) geringer wird, wenn die Batteriespannung abnimmt Dies kann eventuell zu einer Fehlleistung des Schrittmachers fahren.

Um einen Herzschlag zu stimulieren, ist eine bestimmte Energiemenge notwendig. Diese Energie ändert sich von Person zu Person und wird im folgenden mit »Ansprechenergie« bezeichnet Am Anfang nach dem Einpflanzen eines Schrittmachers weist die Batteriespannung ihren Maximalwert auf. Um die Ansprechenergie gleich zu Anfang nach dem Einpflanzen aufbringen zu können, ist ein nur relativ schmaler Impuls erforderlich. Die Impulsfläche ist infolge der relativ großen Impulshöhe ausreichend groß. Um zu einem späteren Zeitpunkt (beispielsweise 1 Jahr nach dem Einpflanzen, wenn die Batteriespannung kleiner geworden ist) die Ansprechenergie aufbringen zu können, muß schon beim Einpflanzen für eine ausreichend große Impulsbreite gesorgt worden sein.

Es wird daher auf der einen Seite, wenn die Impulsbreite auf einen großen Wert eingestellt wird, ein großer Teil der von der Batterie gelieferten Energie verschwendet, da die gelieferte Energie größer als die erforderliche Energie ist Auf der anderen Seite ergibt sich folgendes, wenn man die Impulsbreite genau auf den Minimalwert einstellt, der erforderlich ist, damit nach dem Einpflanzen die Ansprechenergie aufgebracht werden kann: Nach einer gewissen Zeitspanne, wenn die Batteriespannung nachläßt, oder wenn eine Batterie ausfallt, verringert sich die Impulshöhe dementsprechend und die mit dem Impuls gelieferte Energie reicht nicht aus, um ein Ansprechen zu veranlassen.

Bei einem Herzschrittmacher nach der US-PS 35 47 127 sind Mittel vorgesehen, die die Frequenz des Impulsgenerators trotz nachlassender Batteriespannung konstant halten. Jedoch ist die Amplitude der abgegebenen Impulse von der Batteriespannung abhängig, so daß bei gleichbleibender Impulsbreite mit kleiner werdender Batteriespannung die Impulsfläche und damit der Energieinhalt der Impulse kleiner wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Herzschrittmacher der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß in zuverlässiger Weise die Lieferung ausreichend großer Stimulierungsenergie gewährleistet wird, ohne zeitweise eine unnötig hohe Stimulierungsenergie zur Verfügung zu stellen, und daß außerdem jederzeit die Möglichkeit besteht, Rückschlüsse auf die noch verbleibende Lebensdauer der Stromquelle zu ziehen.

Diese Aufgabe wird bei einem Herzschrittmacher der genannten Gattung gelöst durch Steuermittel, die den Energieinhalt der Stimulierungsimpulse selbstätig nahezu auf der vorgegebenen Mindestenergie konstant halten, indem sich deren Impulsbreite im umgekehrten Verhältnis zu deren durch Änderungen der Ausgangsspannung der Stromquelle verursachten Amplitudenänderungen ändert und durch Anzeigeelemente, die aus der jeweiligen Breite des Stimulierungsimpulses Angaben aber die verbleibende wirksame Lebensdauer der Stromquelle liefern.

Erfindungsgemäß wird erreicht, daß die Stimulierungsimpulse einen Mindestenergieinhalt nicht unterschreiten, andererseits jedoch die Impulsbreite auch nicht auf einen so großen Wert eingestellt werden muß, daß die bei frisch eingepflanzter Batterie gelieferte Energie wesentlich größer als die erforderliche Stimulierungsenergie ist. Somit wird eine Abhängigkeit der Impulsenergie von der nachlassenden Batteriespannung vermieden. Außerdem wird gemäß der Erfindung

die Möglichkeit eröffnet, in der Art der Aufnahme eines Elektrokardiogramms die Stimulierungsimpulse zur Anzeige zu bringen und aus deren momentaner Impulsbreite entsprechende Rückschlüsse auf die noch verbleibende Lebensdauer der Batterie zu ziehen.

Aus der US-PS 27 71 554 ist noch ein Impulsgenerator zur Verwendung im medizinischen Bereich bekannt, bei dem die Amplitude, die Breite, die Anstiegszeit und die Form der erzeugten Impulse einstellbar sind. Diese Einstellung wird durch entsprechende Einstellung von Potentiometern und durch Betätigung vcn Schaltern erreicht Ein zwangsläufiger Zusammenhang zwischen der Amplitudenverringerung der Stimulierungsimpulse und der Breite dieser Impulse zum Zwecke der Konstanthaltung der Impulsenergie ist nicht gegeben. Aus der US-PS 34 86 071 ist ferner eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der Energie von Impulsen bekannt, die die Versorgungsspannung für eine Xenon-Bogenlampe liefert Die US-PS 31 91 071 beschreibt einen Impulsgenerator, bei dem sowohl d?« Impulsfrequenz als auch die Impulsbreite durch entsprechende Veränderungen von geeigneten linearen Widerständen eingestellt werden kann. Diese Einstellung ist jedoch nicht automatisch und dient nicht zur Konstanthaltung der Impulsenergie. Die US-PS 34 74 353 beschreibt ;. einen Impulsgenerator, dessen Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von Batteriespannungsänderungen variiert wird und zwar derart, daß durch die insgesamt gelieferte Impulsenergie variiert wird, was erfindungsgemäß gerade vermieden wird. Die DE-OS 15 64 047 »< betrifft schließlich einen Analysator für einen Organstimulator, dessen Schaltungsanordnung zur Überprüfung des Zustandes der Batterien verwendet werden kann, wobei jedoch die Breite der Stimulierungsimpulse nicht als Anzeigegröße ausgenutzt wird und die Oberwa- ü chung auch nicht selbstätig erfolgt Ebenso ist aus der US-PS 33 49 386 ein Batterieentladeanzeiger bekannt, der die Breite der Impulse nicht als Anzeigegröße ausnutzt

Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Steue- 41, rung der Breite der zur Stimulierung des Herzschlages benötigten Impulse angegeben. Die Vorrichtung beeinflußt die Breite der Stimulierungsimpulse in Abhängigkeit von den Änderungen der Versorgungsspannung in der Weise, daß die Energie der Stimulierungsimpulse 4·-. annähernd konstant gehalten wird. Die Steuerung der Impulsbreite wird mittels einer Anordnung vorgenommen, die einen eine Zeitkonstante aufweisenden Schaltkreis selbsttätig in Abhängigkeit von den Änderungen der Versorgungsspannung ändert. Durch die vorliegende Erfindung wird darüberhinaus eine Anordnung angegeben, die eine Anzeige bezüglich der restlichen Lebensdauer der Batterien liefert

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfcrm sind die Anzeigeelemente räumlich von den Steuermitteln getrennt und damit bei in den Körper des Patienten eingepflanzten sonstigen Herzschrittmacherteilen außerhalb des Körpers anbringbar. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß bei einpflanzbaren Herzschrittmachern eine Anzeige bezüglich der Lebensdauer t>o der Batterie nach außen mittels eines einfachen Oszilloskopen und unter Verwendung von zur Herstellung eines Elektrokardiogramms benötigten Leitungen erhalten wird. Die EKG-Leitungen nehmen die Stimulierungsimpulse auf, diese werden dann auf dem t^r, Oszilloskopen abgebildet. Die Breite der abgebildeten Impulse liefert eine Information, aus der die verbleibende Lebensdauer (oder die bis dahin vergangene

Lebensdauer) der Batterie bzw. der Batterien bestimmt wird.

Als besonders vorteilhaft für die Praxis hat es sich ferner herausgestellt, wenn die Kennwerte der vom Impulsgenerator abgegebenen Impulse voreinstellbar

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines Bedarfsschrittmachers, wie er in der US-PS 35 28 428 beschrieben ist jedoch zusätzlich mit einem Steuermittel zur Beinflussung der Energie der Impulse.

Fig.2 zeigt das Schaltbild eines Teiles eines Herzschrittmachers desjenigen Typs, wie er in der US-PS 36 35 224 beschrieben ist jedoch zusätzlich wieder mit einem Steuermittel zur Beeinflussung der Energie der Impulse.

Fig.3 zeigt das Diagramm zweier überlagerter Stimulierungsimpulse, in dem die Amplitude über der Zeit aufgetragen ist

Die Fig. 1 zeigt den Schaltplan eines Bedarfsschrittmachers vom in der US-PS 35 28 428 beschriebenen Typ. Aus Gründen einer einfacheren Erläuterung sei der Schalter S als geschlossen angenommen, wodurch der Transistor T6 sich im nichtleitenden Zustand befindet (Die nachstehend beschriebene Erfindung kommt ebenso gut bei geöffnetem Schalter S zum Tragen.) Der Kondensator 57 ist ein zeitbestimmter Kondensator. Er wird durch die in Reihe geschalteten Batterien 3, 5 und 7, über die Potentiometer 35 und 37 sowie über die Widerstände 61 und 63 aufgeladen. Die Spannung am Kondensator 57 steigt bis zu einem Schwellwert an, der durch die Spannung an der Basis des Transistors 7"7 bestimmt wird, welche bei dieser Anordnung durch die Batterien 3 und 5 hervorgerufen wird. Wenn die Spannung am Kondensator 57 die Spannung an der Basis des Transistors Tl um die Basis-Emitter-Spannung übersteigt wird der Transistor Tl in den leitenden Zustand versetzt wodurch auch der Transistor TS zu leiten beginnt Die Transistoren Tl und TS leiten und der Kondensator 57 entlädt sich über sie und über das Potentiometer 37.

Die Verbesserung, die dieses Ausführungsbeispiel aufweist zeigt sich in den Widerständen 100, 101, 102 und 103 sowie im im Transistor 7"100. Diese Schaltungselemente sind in einem Steuerkreis angeordnet, um auf Änderungen der Batteriespannung anzusprechen und dessen effektiven Widerstand dementsprechend zu ändern. In dem Steuerkreis ist der Widerstand 100 der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T100 parallel geschaltet Der Kollektor des Transistors Γ100 ist an den Verbindungspunkt 104 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 7*100 ist mit dem einen Anschluß des Widerstandes 101 verbunden, dessen anderer Anschluß an dem Verbindungspunkt liegt. Die Basis des Transistors Γ100 ist an den Widerstand 102 angeschlossen, dessen anderer Anschluß an dem Verbindungspunkt 106 liegt. Der Widerstand 103 ist an die Verbindungspunkte 105 und 106 angeschlossen.

Bei dem vorgeschlagenen Herzschrittmacher liegen im dem Ladestromkreis des Kondensators 57 noch die Widerstände 61 und 63 über die der Kondensator von de>i Batterien über den Steuerkreis aufgeladen wird; der Entladekreis des Kondensators 57 umfaßt die Widerstände 61 und 63 nicht Der Kondensator entlädt sich nunmehr jedoch nicht nur über das Potentiometer 37, sondern auch über den Widerstand 101 und über die

Parallelschaltung des Widerstandes 100 und des Transistors T100. (Das Potentiometer 37 wird noch dazu verwendet, die Impulsbreite einzustellen, es kann jedoch andererseits als Reihenwiderstand im Entladestromkreis des Kondensators 57 betrachtet werden. Funktionsmäßig kann man es sich dem Widerstand 101 zusammengelegt vorstellen.) Das Potentiometer 37 kann auch durch einen Widerstand ersetzt sein.

Der Widersland 103 kann als der eine Teil eines über den Batterien 3, 5 und 7 liegenden Widerstandsspannungsteilers betrachtet werden Dieser Widerstandsspannungsteiler weist die Widerstände 61 und 63 sowie das Potentiometer 35 und den Widerstand 103 auf.

Im Betrieb wirkt die Spannung, die über dem Widerstand 103 abfällt, als Vorspannung für den Transistor TlOO. Je größer die Spannung ist, die über dem Widerstand 103 abfällt, desto höher ist die Spannung, die an den links von ihm liegenden Schaltkreisteil abgegeben wird. Die über dem Widerstand 103 abfallende Spannung hängt lediglich von dem durch die Batterien gelieferten über ihn fließenden Strom und nicht von dem durch den Kondensator 57 gelieferten Strom ab. Auf diese Art und Weise ist der Widerstand 103 ein Widerstand zum Abfühlen der Batteriespannung.

Die über den Widerstand 103 abfallende Spannung läßt einen Basisstrom vom Emitter zur Basis des Transistors 7Ί0Ο (in Richtung des Emitterpfeils) fließen. Je größer der Basisstrom ist, desto mehr kommt der Transistor T100 in den leitenden Zustand und desto mehr leitet er den Entladestrom des Kondensators 57 von seinem Emitter zu seinem Kollektor ab. Auf diese Weise wirkt der Transistor 7Ί00 wie ein veränderlicher Widerstand, der automatisch durch seinen Basisstrom gesteuert wird, welcher wiederum der Spannung proportional ist, die über dem Abfühlwiderstand 103 abfällt

Wenn der Schrittmacher neu eingepflanzt wird, ist die Batteriespannung groß bzw. auf einem Maximalwert; der Transistor Γ100 ist weit in den Durchlaßbereich gesteuert und der durch ihn gebildete Widersland für den Emitter-Kollektorstrom ist relativ gering. Es wird sich daher der Kondensator 57 ohne weiteres in relativ kurzer Zeit über diesen niedrigen Widerstand entladen. Solches wird erwartet und ist wünschenswert wenn die Batteriespannung groß ist bzw. sich auf einem Maximalwert befindet

Um zu vergleichen, sei das Verstreichen einer Zeitspanne nach dem Einpflanzen angenommen (etwa 1 Jahr), während der einzelne Batterien aufgrund ihrer Tätigkeit ausgefallen sind oder nachgelassen haben. Die Transistoren 7"7 und TS leiten wie gewöhnlich, nachdem der Kondensator 57 soweit aufgeladen worden ist, daß die Schwellspannung an der Basis des Transistors Tl überschritten wird. Wenn sich jetzt jedoch die Transistoren im leitenden Zustand befinden (und für den Kondensator über sich selbst und über die Widerstände 101 und 100 bzw. Ober den Transistor TlOO einen Entladestromkreis eröffnen) liegt eine kleinere Batteriespannung als im vorhergehenden Absatz beschrieben an dem Widerstandsspannungsteiler.

Am Widerstand 103 fällt nun eine kleinere Spannung als vorher ab und die Spannung die an den Basis-Emitter-Anschlüssen des Transistors TlOO sind dementsprechend verringert. Die gewöhnliche Reak-

■ tion eines Transistors beim Verkleinern seines Basisstromes besteht im Nachlassen seiner Fähigkeit, vom Emitter zum Kollektor Strom zu leiten. Der Transistor TlOO leitet also den Strom schlechter und wirkt wie ein vergrößerter Widerstand im Entladestromkreis des

■■ Kondensators 57. Dementsprechend benötigt dieser Kondensator 57 aufgrund der niedrigen Batteriespannung eine größere Zeit, um sich zu entladen, als es der Fall ist, wenn der Schrittmacher neu eingepflanzt ist. Es wird also bei dieser Impulssteuerung die Entladezeit des Kondensators 57 automatisch durch die Batteriespannung gesteuert.

Die F i g. 2 zeigt das Teilschaltbild eines Schrittmachers des Typs, wie er in der US-PS 36 35 224 beschrieben ist Funktionsmäßig gleicht er dem in der US-PS 35 28 428 beschriebenen Schrittmacher, weist demgegenüber jedoch wenigstens einen wichtigen Unterschied auf. Es sind nämlich die Anordnung der Batterien und die Anordnung zur Vorspannungserzeugung für die Transistoren T7 und TS von anderer Art. Jegliches Absinken eines der Batteriekennwerte wirkt sich proportional an der Basis des Transistors T7 aus. So ändert sich der Schwellwert an der Basis des Transistors T7 direkt proportional mit der Änderung der Versorgungsspannung. Die durch die Widerstände 100 bis 103 und den Transistor TlOO gegebene Verbesserung beeinflußt den Schaltkreis gemäß F i g. 2 in derselben Weise wie sie dies mit dem Schaltkreis gemäß F ig. 1 tut

Die Wirkung des Schaltkreises zur Entladezeitsteuerung kann am besten anhand der Fig.3 erläutert werden. In der F i g. 3 sind zwei Impulse dargestellt, die zur Stimulierung von Herzschlägen verwendet werden. Der Impuls A wird erzeugt, wenn die Batteriespannung groß ist bzw. ihren Maximalwert annimmt. Die

t" Impulsamplitude ist dementsprechend groß oder auf ihrem Maximalwert und die Impulsbreite ist gering oder auf ihrem Minimalwert Demgegenüber stellt der Impuls B einen Herzstimulierungsimpuls dar, der nach einer gewissen Benutzungsdauer erzeugt wird. Die Impulsam-

i: plitude ist wesentlich kleiner und die Impulsbreite hat wesentlich zugenommen. Der gestrichelte Bereich »a« gleicht annähernd dem gestrichelten Bereich »b«. Es gleicht also die Fläche des Impulses A annähernd der Fläche des Impulses B. In diesem Falle bleibt die

w Energie, die dem Herzen zugeführt wird, über eine Zeitspanne annähernd konstant obwohl die Versorgungsspannung sich ändert Die Impulsfläche wird anfangs mittels des Potentiometers 37 entsprechend der Ansprechenergie eingestellt die von dem betreffenden

>~> zu stimulierenden Patienten benötigt wird.
' Bei dem vorgeschlagenen Herzschrittmacher kann jeder beliebige Schaltkreispunkt, an dem sich die elektrischen Werte als Funktion der Versorgungsenergie ändern, dazu herangezogen werden, eine Steuergröße für wenigstens einen Transistorschalter zu liefern, welcher dementsprechend die Breite der Stimulationsimpulse in definierter Weise beeinflußt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Herzschrittmacher mit Anschlußeiementen zur Herstellung einer Verbindung mit dem Herzen eines Patienten, mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung von Stimulierungsimpulsen einer vorgegebenen Mindestenergie an den Anschlußeiementen, sowie mit einer eine nicht konstant bleibende Ausgangsspannung liefernden Stromquelle zur Versorgung des Impulsgenerators, gekeninzeieihn e t d u r c h Steuermittel (100,101,102,103.Γ100). die den Energieinhalt der Stimulierun^impulise selbsttätig nahezu auf der vorgegebenen Mindestenergie konstant halten, indem sich deren Impulsbreite im umgekehrten Verhältnis zu deren durch Änderungen der Ausgangsspannung der Stromquelle (3,4,5,6,7) verursachten Amplitudenänderungen ändert, und durch Anzeigeelemente, die aus der jeweiligen Breite der Stinuilierungsimpulse Angaben über die verbleibende wirksame Lebensdauer der Stromquelle (3,4,5,6,7) liefern.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeelemente räumlich getrennt von den Steuermitteln (100, 101, 1(12, 103,ri00) und damit bei in den Körper des Patienten eingepflanzten sonstigen Herzschrittmacherteilen außerhalb des Körpers anbringbar sind.

3. Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennwerte der vom Impulsgenerator abgegebenen Impulse voreinstellbar sind.