DE2219549A1 - Stimulus-Impulsgenerator für Körperorgan - Google Patents

Stimulus-Impulsgenerator für Körperorgan

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DE2219549A1
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Application number
DE19722219549
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English (en)
Inventor
David Lee; Adams Theodore Paul; Wauwatosa Wis. Bowers (V.StA.). HOIj 1-34
Original Assignee
Genera] Electric Co., Schenectady, N.Y. (V.St.A.)
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/362Heart stimulators

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Description

Die Erfindung betrifft einen Stimulus-Impulsgenerator für ein Körperorgan.
Es ist bekannt j daß elektrische Körperorganstimulatoren, wie beispielsweise Herzschrittmacher, eine große Langzeitstabilität bezüglich der Impulsfolgefrequenz, der Breite, der Amplitude und der ausgangsseitigen Energie der Stimulusimpulse besitzen sollten. Eines der Probleme bei der Konstruktion von Impulsgeneratoren zur Erfüllung dieser Anforderungen besteht darin, daß der Stromdurchgang in der ausgangsseitigen oder Verbraucherschaltung eine Wechselwirkung mit der Generatorschaltung für den Taktgeber- oder Zeitgeberimpuls bewirkt.
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Diese führt mit der Verringerung der Versorgungsgleichspannung, wie sie beispielsweise aus sich erschöpfenden Batterien erhal-t ten wird, zu einer größeren Streuung und zu unvorhergesehenem Verhalten der oben genannten Parameter. Daher waren bei bisher bekannten Konstruktionen Bemühungen darauf gerichtet, alle Parameter und insbesondere die Impulsfolgefrequenz zu stabilisieren. Dies ist jedoch nichtinotwenuigerweise erwünscht, da ein voraussehbarer Abfall in d.er Impulsfrequenz und der Herzfrequenz verwendet werden kann, um eine bevorstehende Erschöpfung der Batterie zu signalisieren.
Kurz gesagt, beinhaltet die vorliegende Erfindung einen otimulusTlmpulsgenerator mit zwei Hauptfunktionsblöcken, und zwar eine Impulszeitgeberschaltung und eine ausgangsseitige oder Verbraucherschaltung, welche einen Spannungsverdoppler und einen Spannungsverdreifacher enthält. Beide Funktionsblöcke weraen versorgt durch parallel geschaltete Gleichspannungsquellen, beispielsweise Batterien. Steuerdioden werden in den batteriekreisen verwendet, um zu bewirken, daß der meiste oder sogar der gesamte Verbraucherstrom von einer Batterie so lange geliefert wird, bis diese nahezu erschöpft ist, und dann aie Belastung automatisch allmählich auf die andere Batterie überführt wird. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß aus den einzelnen parallel geschalteten Batterien stärker Strom entnommen wird, als bei Reihenschaltung einer gleichen Zahl von Batterien. Bei niedriger Stromentnahme ist jedoch der Ausnutzungsgrad gering und dies kann sich zeigen als hohe innere Impedanz der Batterie.
Die Impulszeitgeberschaltung beruht auf einem Zeitkonstantengliei, das einen Kondensator und einen Widerstand enthält und zur Einstellung der Impulsfolgefrequenz dient. Kondensatoren in dem Verbraucherkreis werden gleichzeitig mit der Aufladung des Zeitgliedkondensators aufgeladen. Die Aufladung des Verbraucherkondensators erfolgt jedoch in einem Zeitintervall, das kurz ist im Vergleich zu dem Zeitintervall für die Aufladung
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des Zeitgliedkondensators. Während der Aufladeperiode sind alle Transistoren in dem Stimulator gesperrt und daher beeinflussen sie nicht die Regelung der ßatteriespannung oder das Zeitgeberintervall. Die Transistoren in der Vorrichtung werden nur als Schalter verwendet. Sie schalten alle um oder werden stromdurchlässig gleichzeitig an einem genauen Moment, der koinzident ist mit dem Ende des Zeitgeberintervalls.
Bei der'Betriebsart mit Spannungsverdoppler werden zwei Kondensatoren parallel aufgeladen und in Reihe über eine Impedanz entladen, die klein ist und im wesentlichen das Körperorgan selbst ist. denn die Vorrichtung mechanisch auf die Betriebsart mit Spannungsverdreifachung geschaltet worden ist, werden die Verbraucherkondensatoren in der gleichen Weise wie in der Betriebsart mit SpannungsVerdopplung aufgeladen. Sie werden jedoch in Reihe mit der Batterie entladen, so daß an den Ausgangsanschlüssen, welche mit dem Organ verbunden sind, fast das Dreifache der Quellenspannung erzeugt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Körperagan-Stimulator zu schaffen, dessen Ausgangsparameter eine Langzeitstabilität und praktische Unabhängigkeit von Schwankungen in den Betriebsdaten von Schaltungselementen, beispielsweise Transistoren, besitzen und der seine Frequenz außer bei Änderungen der Batteriespannung nicht ändert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Stimulator aus parallelen Batterien zu betreiben, von denen jeweils eine die Belastung übernimmt, und eine geringe, aber meßbare Änderung der Impulsfolgefrequenz vorliegt, wenn eine Batterie erschöpft wird und die andere Batterie aktiv wird. Diese Änderung der Frequenze ist außerhalb des Stimulators feststellbar und dient als eine Anzeige dafür, daß ein relativ gut definierter Teil der gesamten verfügbaren Batterieenergie verbraucht worden ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Stimulator mit einer Spule auszustatten, die bei dem Beginn und der Beendigung eines Reizimpulses ein außen feststellbares Signal abstrahlt, so daß während der Lebensdauer des Stimulators die Impulsfolgefrequenz und die Impulsbreite jederzeit ermittelt werden kann. Zu dieser Aufgabenstellung gehört auch die Verbindung der abstrahlenden Spule in dem ausgangsseitigen oder Verbraucherkreis des Stimulators in einer solchen Weise, daß sie nicht irgendeine abgestrahlte Interferenz einführt, die sie empfangen und in die Schaltung für die Erzeugung der Impulsfrequenz oder die Stimulatorschaltung einführen kann. Eine Ausnahme hierzu besteht möglicherweise während der Abgabe eines Impulses, wobei während dieser Zeit der Empfang einer Interferenzstrahlung unbedeutend wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Aufgaben zu erreichen unter Verwendung einer kleinstmöglichen Zahl von Schaltungselementen und dadurch die Zuverlässigkeit des Stimulators zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Anpassung der Entladeschaltung für den Zeitgliedkondensator an eine präzise Steuerung der Impulsbreite und in einer Entkopplung des Zeitgliedes von der Aufladespannungsquelle während der Entladung des Kondensators und eine Entkopplung der Verbraucherschaltung zu der gleichen Zeit.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit der Abbildung.
Die Abbildung zeigt eine Schaltzeichnung eines Organstimulators als Ausführungsform der Erfindung.
Die Ausgangsanschlüsse 10 und 11 des Stimulators sind auf der rechten Seite der Abbildung ersichtlich. An die Ausgangsan-
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schlüsse kann ein Organ, beispielsweise ein Herz 12; mit Hilfe von Anschlußleitungen angeschlossen werden, welche die Leiter 13 und 14 umfassen. Wenn beide Leiter 13 und Ik im Herzen enden, dann bezeichnet man dies als die bipolare Betriebsart des Stimulators. Der Stimulator kann auch in der unipolaren Betriebsart betätigt werden durch Verwendung einer indifferenten Elektrodenplatte 15s welche entfernt von dem zu stimulierenden Organ in das Körpergewebe eingepflanzt werden kann. In der unipolaren Betriebsart werden die Stimulussignale von dem Anschluß 10 zum Herzen 12 und durch das zwischenliegende Körpergewebe zurück zur Platte 15 und von dort über eine Verbindungsleitung oder fliegende Leitung 16 zum Anschluß 11 geführt. Die indifferente Elektrodenplatte 15 kann in der Wand der Kunstharzeinkapselung für den einpflanzbaren Stimulator eingebettet werden und kann unter einer wegnehmbaren Isolation.so lange verdeckt gehalten werden, bis die unipolare Betriebsart erwünscht ist. Die Platte 15 kann auch gewünschtenfalls getrennt eingepflanzt und mit dem Stimulator verbunden werden. Die anderen Elemente des stimulators werden gewöhnlich in einem Kunstharz eingekapselt, das mit Silikongummi überzogen ist, so daß der Stimulator im Körpergewebe eingepflanzt werden kann.
Die Leistungsversorgung für den Stimulator umfaßt zwei Batterien 20 und 21, deren negative.Anschlüsse in diesem Falle mit der Leitung 22 verbunden sind und deren positive Anschlüsse mit den Anoden.der Dioden D2 bzw. D3 verbunden sind. Die Kathoden dieser Dioden sind mit der positiven Leitung 23 verbunden, über die Batterien und die negativen und positiven Leitungen 22 und 23 ist ein relativ großer Pilterkondensator C2 verbunden. Der von einer der beiden Batterien entnommene Spitzenstrom kann bis zu 5 mA betragen, während die durchschnittliche Stromentnahme in einem Stimulator dieser Art gewöhnlich in der Größenordnung von 30 Mikroampere liegt.
Die Diode D2 kann eine Siliziumdiode mit einem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung von etwa 0,4 V sein. Die Diode D3 kann eine Schottky-Diode vom "Heißträger"-Typ sein mit einem Spannungs-
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abfall in Vorwärtsrichtung von etwa 0,2 V. Daher wird vorzugsweise die Batterie 21 Strom durch die Diode D3 abgeben und die . Batterie 20 und die Diode D2 werden allmählich Strom führen, wenn die Batterie 21 nahezu erschöpft ist. Dies tritt an irgendeinem Zeitpunkt innerhalb der Gesamtlebensdauer der beiden Batterien auf. Die Ausgangsspannungen der einzelnen Batterien
der
können etwa die Hälfte/für die Stimulierung des Herzens erforderlichen Spannung betragen, so daß der Stimulator die Batteriespannung auf Stimulussignalspannung höherer Amplitude transformieren muß, welche dann an den Ausgangsanschlüssen 10 und 11 erscheint.
Es sei zunächst die auf der linken Seite der Schaltzeichnung ersichtliche Schaltung für die Impulsfrequenz erörtert. Die Elemente zum Einstellen des Impulsintervalls oder der Impulsfolgefrequenz schließen Zeitgliedwiderstände Rl, R2 und R3 ein, die in Reihe mit dem Zeitgliedkondensator Cl über die positive Leitung 24 und die negative Leitung 22 geschaltet sind. Der Zeitgiedkondensator Cl lädt sich über Rl, R2 und R3 auf einen Spannungswert auf, der durch ein Vorspannungsnetzwerk oder Spannungsteilernetzwerk bestimmt ist, das die Widerstände R5 und Ro umfaßt. Die Basis eines Transistors Ql ist verbunden mit dem Verbindungspunkt 25 zwischen den Widerständen R5 und R6. Wenn die Spannung auf dem Kondensator Cl die Summe der Spannung am Punkt 25 und des Spannungsabfalls in der Emitter-Basisstrecke des Transistors Ql übersteigt, dann führt der Transistor Ql Strom und,beginnt zur Auslösung der Anstiegsflanke eines Zeitgeberimpulses den Kondensator Cl zu entladen. Bei Herzstimulatoren wird diese Zeitgeberperiode etwa 72-mal pro Minute wiederholt. Einer der Entladestromwege des Kondensators Cl verläuft über die Verbraucheranschlüsse, nämlich den Emitter und den Kollektor des Transistors Ql und den Widerstand RI7. Der Spannungsabfall am Widerstand RI7 wird dem Steueranschluß oder der Basis eines Transistors Q2 zugeführt, der sehr schnell in den Sättigungsbereich geht. Der Transistor Q2 besitzt in seinem Emitter-Kreis einen vergleichweise geringen Widerstand R9 als
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Mittel zur Begrenzung des Entladestroms des Kondensators und dieser Widerstand beeinflußt selbstverständlich auch die Impulsbreite. Die Aufladezeit des Kondensators Cl bestimmt die Impulsfolgefrequenz und seine Entladezeit bestimmt de Impulsbreite. Die Steuerung der Impulsbreite wird erhalten durch Verwendung einer Schottky-Diode Dl in Reihe mit einem Widerstand R4 zur Festlegung der Impulsbreite. Das obere Ende des Widerstandes Rh ist mit der Leitung 24 und einem Verbindungspunkt 2-6 verbunden, welcher von den Anschlüssen der Batteriequelle durch einen relativ großen Widerstand R7 getrennt ist. Während der Aufladung des Kondensators Cl ist der Verbindungspunkt der Widerstände Rl, R4, R5, R7 und R8 alle in der Nähe der Batteriespannung, d.h. der Verbindungspunkt 26 besitzt eine Spannung angenähert gleich der Batteriespannung. Während des Entladungszyklus des Kondensators Cl ändert jedoch der Verbindungspunkt 26 seine Spannung auf das Erdpotential oder ein negatives Potential infolge der hohen Stromdurchlässigkeit oder •Sättigung des Transistors Q2. Dies führt dazu, daß der gesamte Strom vom Kondensator Cl und jeglicher Strom durch R7 aus der Batterie während der Entladung von Cl nach Masse abfließt und dadurch wird die Batterie von der Zeitgliedschaltung entkoppelt und es wird jegliche Auswirkung beseitigt, die sie sonst auf die Impulsbreite ausüben könnte.
Während des Entladezyklus des Kondensators Cl wird ein Teil seines Stroms vom Transistor Ql durch die Diode Dl und den Widerstand R1J zum Erdpunkt 26 abgezweigt* Diese Stromabzweigung bewirkt, daß der Transistor Ql schneller sperrt als es der Fall wäre, wenn der Kondensator sich nur über die Transistoren Ql und Q2 entladen könnte. Hierdurch wird die Taktimpulsbreite auf etwa 1 Millisekunde oder darunter verringert, wenn die richtigen Werte für die Widerstände R 4 und R9 verwendet werden. Es ist zu beachten, daß die Transistoren Ql und Q2 während des Aufladezyklus des Kondensators Cl gesperrt sind. Wie noch nachstehend erörtert, führt während dieses Aufladezyklus keiner der Transistoren in der Stimulatorschaltung Strom. Sie werden Ie-
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diglich als Schalter verwendet und sind entweder alle gesperrt oder alle eingeschaltet.
Der Kondensator Cl entlädt sich tatsächlich über mehrere getrennte Stromwege, von denen zwei bereits erwähnt wurden. Ein weiterer Stromweg entlädt die Aufladewiderstände Rl bis R3· Wenn sich den Kondensator Cl auf einen Spannungswert entlädt, der nicht ausreichend ist für eine Vorspannung des Transistors Q2 in Durchlaßrichtung, dann schaltet der Transistor ab oder wird gesperrt und ein neuer Aufladezyklus für den Kondensator Cl beginnt. Neben der genauen Kontrolle Über die Impulsbreite besteht ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt dieser Zeitgliedschaltung darin, daß sie ein geringfügiges, aber beabsichtigtes Absinken der Impulsfolgefrequenz erleidet bei Absinken der Batteriespannung infolge Erschöpfung oder Übertragung der Leistung von einer Batterie zur anderen mit Hilfe der Steuerdioden D2 und D3. Das Absinken der Frequenz um etwa 2 Impulse pro Minute für ein Absinken der Batteriespannung von 0,5 V teilt dem Patienten und dem Arzt mit, daß die zweite Batteriestufe im Gebrauch ist oder bald erschöpft sein wird und daß ein Austausch des Stimulators innerhalb einer gewissen Periode vorgesehen werden muß. Diese Lösung besitzt Vorteile gegenüber vorbekannten Stimulatoren, in denen konstruktiv eine konstante Impulsfrequenz vorgesehen war und manchmal eine in gefarlicher Weise ansteigende Frequenz erhalten wurde.
Die Verminderung der Impulsfolgefrequenz in der hier offenbarten Zeitgliedschaltung Wird bewirkt durch die nicht-lineare Beziehung zwischen der Spannung am Kondensator Cl
und der Spannung am Verbindungspunkt
der Vorspannungsschaltung bei Änderung der Quellenspannung. Daher wird mit dem Absinken der Quellenspannung eine größere Zeitspanne benötigt, um die notwendige Spannungsdifferenz zwischen dem Kondensator Cl und dem Punkt 25 zur Vorspannung des Transistors Ql in Durchlaßrichtung aufzubauen und daher wird die Auslösung des Impulses wiederholt verzögert.
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Zwei ausgangsseitige oder Verbraucherkreiskondensatoren C3 und C5 in dem Impulsgenerator werden gleichzeitig mit dem Zeitgliedkondensator Cl aufgeladen. Die Aufladeschaltung für den Kondensator C3 beginnt an der positiven Leitung 23 und führt über den widerstand R12, den Kondensator C3 und einen Widerstand Rl4 an die negative Leitung. Die Aufladezeit für den Kondensator C3 ist groß im Vergleich zu seiner eigenen Entladezeit. Sie ist jedoch sehr kurz im Vergleich zur Aufladezeit des Zeitgliedkondensators Cl. Der andere Kondensator C5 des Verbraucherkreises wird zur gleichen Zeit aufgeladen wie der Kondensator C3· Die Aufladeschaltung für den Kondensator C5 beginnt an der positiven Leitung 23 und enthält den Widerstand R13j den Kondensator C5, das Organ 12 und einen einpoligen Umschalter in Form eines magnetischen Zungenschalters 27, welcher mit der negativen Leitung verbunden ist. Einer der stationären Zungenschalterkontakte ist mit T bezeichnet und der andere mit D. Wenn der Schalter, wie gezeigt, im Eingriff mit dem Kontakt D steht, arbeitet der Stimulator in der Betriebsart für Spannungsverdopplung oder geringe Energie. Wenn der Schalter auf den Kontakt T überführt wird, befindet sich der Stimulator in der Betriebsart für hohe Energie oder SpannungsVerdreifachung. Der Kondensator C5 wird ebenfalls schnell aufgeladen im Vergleich mit der Aufladung des Zeitgliedkondensators Cl. Er wird jedoch langsam aufgeladen im Vergleich zu seiner eigenen Entladezeit.
Wegen der langsamen Aufladegeschwindigkeit des Kondensators C5 ist der durch das Herz 12 fließende Strom nicht ausreichend, um es zu stimulieren. Andererseits erzeugt die schnelle Entladung von C5 einen Strom, der groß genug ist zur Stimulierung des Herzens. Der geringe Aufladestrom durch C5 und sein großer Entladestrom fließen in gleichen und entgegengesetzten Richtungen durch das Herz. Diese sogenannte biphasische Stimulation ist physiologisch günstig, da sie die Wanderung von Metallionen von den Elektroden zur Befestigung am Herzen vermindert und ihre Polarisation verhindert und dadurch den Schwellwert für die Stimulierung vermindert. Wenn die Kondensatoren C3 und C5
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voll aufgeladen sind, bleibt die Ausgangsschaltung inaktiv bis zur Auslösung eines Impulses durch die Zeitgliedschaltung.
Wie bereits vorstehend erläutert, geht bei dem Beginn eines Zedbgliedimpulses der Transistor Q2 in den Sättigungsbereich. Der Transistor Q3 und auch die Transistoren Q4 und Q5 gehen ebenfalls in den Sättigungsbereich. Wie nachstehend erläutert, sind die Transistoren Q4 und Q5 bei der schnellen Entladung der Verbraucherkondensatoren C4 und C5 beteiligt, um einen stimulierenden Impuls zu bewirken.
Zwischen die Basis des Transistors Q3 und den Kollektor des Transistors Q2 ist ein Vorspannungswiderstand R8 geschaltet. Wenn der Transistor Q2 Strom durchläßt, wird der Transistor Q3 von der positiven Leitung 23 durch den Widerstand R8, den Transistor Q2 und seinen Emitterwiderstand R9 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Transistor Q3 beginnt mit dem Stromdurchgang und geht schnell in den Sättigungsbereich. Dies bewirkt die Erzeugung einer Spannung über dem Widerstand RIl, welcher den Kollektorwiderstand des Transistors Q3 bildet. Diese Spannung wird über den Widerstand RIO der Basis eines Transistors Q4 zugeführt und spannt, diesen in Vorwärtsrichtung zum Stromdurchlaß vor. Die durch den Stromdurchgang im Transistor 33 über dem Widerstand RIl entwickelte Spannung wird auch über einen Vorspannungswiderstand Rl5 dem Transistor Q5 zugeführt und bev/irkt den Stromdurchgang im Transistor Q5· Der Stromdurchgang durch die Transistoren Qk und Q5 ergibt einen Entladestromweg für die Verbraucherkondensatoren C3 und C5· Beginnend mit der linken oder positiven Belegung oder Platte des Kondensators C5 enthält dieser in Reihe geschaltete Entladestromweg den Transistor Q5, den Kondensator C3> den Transistor Q4, einen Teil der negativen Leitung 22, den Kontakt D des magnetischen Zungenschalters 27, die Verbindungsleitung 16, das Herz 12 und schließ—lieh die rechte oder negative Belegung des Kondensators C5. Infolge der sehr geringen Entladeimpedanz in diesem Schaltkreis wird ein hoher Stimulusstrom durch das Herz geleitet, welcher haupt-
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sächlich durch die relativ geringe Impedanz des Herzens selbst begrenzt wird. Die Impedanz des Herzens liegt üblicherweise in dem Bereich zwischen 200 und 1000 Ohm und die Kondensatoren CJ und C5 entladen sich nicht vollständig vor dem Abschalten des Zeitgliedtransistors Q2. Nach diesem Abschalten sperren die Transistoren Q3, Q4 und Q5 schnell.
Eine Eigenschaft der vorstehend beschriebenen ausgangsseitigen Schaltung, welche die Lieferung eines hohen Stroms an das Herz als Verbraucher unterstützt, ist ihre Fähigkeit zur praktischen Verdopplung der Gleichspannung der Spannungsquelle. Bei der Auslösung oder dem Beginn eines Impulses wird der Emitter des Transistors Q5 durch ein Potential getrieben, das um einen Betrag unterhalb des Erdpotentials liegt, welcher etwa gleich der Batteriespannung ist. Dies erfolgt durch die schnelle Entladung des Kondensators C3. Wenn sich einen Moment später der Transistor Q5 sättigt, wird die positive oder linke Belegung des Kondensators C5 praktisch von der Batteriespannung B+ auf einen Spannungswert -B+ umgeschaltet. Diese Änderung erzeugt ein Potential von etwa -2B+, welches gleich dem doppelten •tfert der Batteriespannung ist, über dem Herzen als Verbraucher, wobei eine Seite des Herzens die Batterieerde als Bezugspunkt besitzt.
Wenn es die physiologischen Bedürfnisse des Patienten vorschreiben, kann ein anderer höherer Wert der Stimulusspannung und des StimulusStroms dem Herzen zugeführt werden. Hierzu wird der magnetische Zungenschalter 27 auf den Kontakt T umgeschaltet. Hierdurch wird die ausgangsseitig£ Schaltung in die Betriebsart zur SpannungsVerdreifachung gebracht. Bei dieser Betriebsart bleibt der Aufladeweg für den Kondensator C3 der gleiche. D.h. die Aufladung erfolgt von der positiven Leitung durch den Widerstand Rl2, den Kondensator C3 und den Widerstand Rl^ auf die negative Leitung. Der Kondensator C5 wird jedoch über einen anderen Stromweg aufgeladen als in der Betriebsart als Spannungs verdoppler. In der Betriebsart als;Spannungsverdreifacher·
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beginnt der Aufladeweg für den Kondensator C5 an der positiven Leitung 23 und führt über den Widerstand R 13, den Kondensator C5j das Herz 12, den Kontakt T des Schalters 27, den Strombegrenzungswiderstand Rl6 und den Widerstand R 11 zur negativen Leitung 22. Es ist zu beachten, daß in der Betriebsart als Spannungsverdreifacher wiederum beide Kondensatoren C3 und C5 sich während einer Zeit aufladen, die groß ist im Vergleich zu einer Entladezeit und klein ist im Vergleich zu dem Impulsintervall des.Zeitgliedes.
Bei der Betriebsart als Spannungsverdreifacher wird beim Beginn eines Impulses an der Herzseite des Ausgangskondensators C5 ein Potential von -2B+, wie zuvor infolge der Spannungsverdopplerschaltung erzeugt. Bei gesättigtem Transistor Q3 ist jedoch der andere Ausgangsanschluß hier nicht mehr auf Erde bezogen, sondern wird auf B+ geschaltet. Daher ist bezogen auf die Batterieerde an einem Ausgangsanschluß ein Potential- von -2B+ und am anderen Anschluß ein Potential von +B+ vorhanden. Dies bedeutet eine Differenz von 3B+ über dem Herzen 12 und ist daher im wesentlichen gleich dem dreifachen Wert der Batteriespannung.
Die Entladeschaltung in der Betriebsart als Spannungsverdreifacher enthält die Batteriespannung, welche additiv bezüglich der Spannungen auf den Kondensatoren C3 und 05 ist und dadurch wird eine Spannungsverdreifachung erzeugt. Der Stromweg für die Entladung kann so betrachtet werden, daß er an der linken oder positiven Belegung des Kondensators C5 beginnt. Von diesem Punkt ausgehend, enthält der Entladekreis den Transistor Q5, den Kondensator C3, den Transistor Q4, die negative Leitung 22 zur negativen Seite der Batterie, durch die Batterien zur positiven " Leitung 23, dann durch den Transistor Q3 und den Schalter 27 zum Herzen 12 und von do__rt zur negativen Seite des Kondensators C5· Wenn die Kondensatoren C3 und C5 auf die Batteriespannung aufgeladen sind und die Batteriespannung zugefügt ist,-ist die Quellenspannung verdreifacht. Die Stimulusspannung wird jedoch
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vermindert durch die Diodenspannungsabfälle in den Transistoren und Dioden. In diesem Falle ergibt sich mit der ßatteriespannung von etwa 2,7 V in einer Ausführungsform ein Stimulusimpuls von etwa 6,0 V oder geringfügig darüber, der dem Herzen 12 zugeführt wird.
Ein beachtenswerter Gesichtspunkt des Stimulators besteht darin, daß für die Verdreifachung der Stimulusspannung keine zusätzlichen elektronischen Bauteile neben den für die Spannungsverdopplung verwendeten Bauteilen verwendet werden, mit Ausnahme der Batterie, die bereits vorhanden ist. Eine weiterer wichtiger Gesichtspunkt besteht in der maximalen Entkopplung der Verbraucherschaltung und der Zeitgliedschaltung, welche sich aus der Ansteuerung des Transistors Q3 in der Verbraucherschaltung vom Kollektor des Transistors Q2 ergibt, der seinerseits von der Zeitgliedschaltung angesteuert ist.
Eine Sendespule 30 ist vorgesehen, um eine Peststellung der Frequenz des Stimulusimpulses und des Impulsintervalls außerhalb des Körpers zu gestatten.. Ein Ende der Spule 30 ist mit der negativen Leitung 22 zur Spannungsquelle verbunden. Das andere Ende ist mit einer Seite eines kleinen Kondensators C4 verbunden, dessen andere Seite an den Verbindungspunkt 31 zwischen dem Kondensator C3 und dem Emitter des Transistors Q5 angeschlossen ist. Es ist ersichtlich, daß zwischen den Impulsen, wenn die Transistoren einschließlich der Transistoren Q4 und Q5 gesperrt sind, der Kondensator C4 abgetrennt ist und auf beiden Seiten die Ladung 0 besitzt. Die Isolierung oder Abtrennung ist ausreichend wegen der relativ großen Werte der Widerstände Rl1J und Rl5. Diese Isolierung hindert den Spulenkreis daran, in die Stimulatorschaltung irgendwelche Interferenzsignale einzuspeisen, die von außerhalb des Stimulators aufgefangen werden können, beispielsweise von elektrischen Rasierapparaten, Zündspulen und ähnlichen Signalquellen. Die Spule 30 ist auch wirksam isoliert von der Zeitgliedschaltung und wird daher nicht vorzeitig den Zeitgliedkondensator Cl entladen. 209846/0803
Während eines Impulses ist der Transistor Q5 eingeschaltet und sein Emitter geht unter das Erdpotential. Der Kondensator C4 lädt, sich auf und entlädt sich am Beginn und Ende des Impulses. Dies erzeugt ein abgestrahltes Signal von der Spule 3O9 welches die Anfangs- und Endkante eines Impulses anzeigt. Das abgestrahlte Signal umfaßt eine gedämpfte Schwingung am Beginn eines Impulses und eine weitere Schwingung mit geringerer Amplitude am Ende des Impulses. Daher kann ein nicht gezeigter äußerer Detektor unter Verwendung dieser gesendeten Information die Impulsbreite und die Impulsfrequenz bestimmen.
Ein Gesichtspunkt der Verbraucherschaltung ist die Verwendung von zwei gegeneinander gepolt verbundenen Zenerdioden D4 und D5, um das Herzsignal notwendigenfalls zu begrenzen und zu verhindern, daß in den Stimulator übermäßige Streuströme eingeführt werden, die erscheinen können, wenn das Herz eines Patienten bei einem Ausnahmezustand einer Defibrillierung unterworfen ist.
Der Fachmann wird leicht erkennen, daß der Stimulator bezüglich seiner Konstruktion und des Betriebs in Komplementärbauweise ausgeführt werden kann. D.h. die Potentiale der Batterie, die Polaritäten der Dioden und Transistoren können jeweils umgekehrt werden, wobei PNP-Transistoren in NPN-Transistoren und umgekehrt umgewandelt werden. In der gezeigten Ausführungsform ist die indifferente Elektrodenplatte anodisch. Wenn die Polaritäten umgekehrt werden, wird die Platte kathodisch ohne irgendeine elektrolytische Verschlechterung im Falle von Leckströmen in dieser Schaltung.
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Claims (1)

  1. - 15 Patentansprüche
    Generator für Stimulusimpulse für Körperorgane, dadurch gekennzeichnet , daß er umfaßt:
    a) eine Anschlußeinrichtung (22, 23) zur Verbindung mit einer elektrischen Leistungsquelle (20, 21),
    b) eine Impulserzeugereinrichtung, welche zur Versorgung über diese Anschlußeinrichtung bei Verbindung mit einer Leistungsquelle versorgt werden kann,
    c) eine Impulszeitgliedschaltung, die zur Steuerung der Impulsgeneratoreinrichtung verbunden ist,
    d) eine zwischen einen Quellenanschluß und die Zeitgliedschaltung geschaltete Entkopplungsimpedanz,
    e) eine Reihenschaltung eines Aufladewiderstandes (Rl, R2, R3) und Zeitgliedkondensators (Cl), wobei diese Reihenschaltung zwischen die Entkopplungsimpedanz und den anderen Anschluß der Quelle zur Aufladung des Zeitgliedkondensators verbunden ist,
    f) eine erste Schaltereinrichtung (Ql) zur Entladung des Kondensators (Cl) bei Vorliegen einer vorgegebenen Spannung auf dem Kondensator und zur Erzeugung eines Taktimpulses,
    g) eine zweite Schaltereinrichtung, die zwischen die Entkopplungsimpedanz und den anderen Anschluß geschaltet ist und bei Stromdurchlaß durch die erste Schaltereinrichtung stromdurchlässig wird zur Änderung des Potentials der Impedanzeinrichtung von dem Potential der Spannungsquelle auf das Potential des anderen Anschlusses damit zur Entkopplung des Zeitgliedes und der Impulsgeneratoreinrichtung von der Quelle während der Entladung des Zeitgliedkondensators.
    2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und zweite Schaltereinrichtung Schalttransistoren sind.
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    Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch :
    a) einen Transistorschalter (Ql) als ersten Schalter mit einem Steueranschluß und Verbraucheranschlüssen,
    b) eine Spannungsteiler-Vorspannungsschaltung (R5, R6), welche zwischen der Entkopplungsimpedanz und dem anderen Quellenanschluß verbunden ist und einen Zwischenpunkt (25) besitzt, der mit dem Steueranschluß verbunden ist,
    c) wobei, einer der Verbraucheranschlüsse an den VeibLndungspunkt des Zeitgliedkondensators und des Aufladewiderstandes angeschlossen ist und auf die Differenz zwischen der vorgegebenen Spannung auf dem Zeitgliedkondensator und der Spannung an dem Zwischenpunkt durch Einschalten des Transistors (Ql) anspricht,
    d) eine Verbraucherwiderstandseinrichtung, welche zwischen den anderen Verbraucheranschluß und den anderen Quellenanschluß verbunden ist,
    e) eine Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes, die zwischen einen Verbraucheranschluß und die Entkopplungsimpedanz zur Abzweigung eines Teils des Kondensatorstroms von der ersten Transistorschaltung und zur Steuerung der Impulsbreite verbunden ist.
    Generator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch :
    a) einen Transistor als zweiten Schalter mit einem Steueranschluß und Verbraucheranschlüssen, wobei der Steueranschluß mit dem Verbraucherwiderstand verbunden ist und bei angeschaltetem ersten Transistorschalter (Ql) zur Einschaltung des zweiten Transistorschalters vorspannbar ist, wobei der Steueranschluß auch mit einem Verbraucheranschluß des anderen Transistorschalters verbunden ist,
    b) eine Verbindung eines der Verbraucheranschlüsse des zweiten Transistors mit der Entkopplungsimpedanz und -Verbindung des anderen Verbraucheranschlusses mit dem anderen Quellenanschluß,
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    c) Ansteuerung der Impulserzeugereinrichtung von einem Verbraucheranschluß des zweiten Transistors.
    5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulsgeneratoreinrichtung enthält:
    a) einen ersten Verbraucherkondensator (C3) und Aufladewiderstand (R12, R14), welche in Reihe zwischen die Quellenanschlüsse geschaltet sind,
    b) einen zweiten Verbraucherkondensator (C5) und Aufladewiderstand (R13)j die in Reihe geschaltet sind einschließlich Anschlüsse zur Verbindung mit einem Organ (12), wobei die Reihenschaltung zwischen den Quellenanschlüssen verbunden ist,
    c) eine dritte und vierte, jeweils mit einem Verbraucherkondensator (C3, C5) verbundene Schaltereinrichtung (Q3, Q4) zur Einschaltung bei Beginn eines Impulses durch die Zeitgliedschaltung und zur Entladung der Verbraucherkondensatoren in Reihe durch ein Organ (12) und zur Zuführung einer Spannung zu diesem Organ, welche praktisch gleich dem doppelten Wert der Quellenspannung ist.
    6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichne tt , daß er enthält:
    a) eine fünfte Schaltereinrichtung (Q5), von der ein Verbraucheranschluß mit einem Quellenanschluß verbunden ist und die einen weiteren Verbraucheranschluß besitzt, wobei diese fünfte Schaltereinrichtung durch Auftreten eines Impulses einschaltbar ist,
    b) einen Betriebsart-Wahlschalter (27) mit zwei Schaltstellungen (D, T), der mit einem Anschluß zur Verbindung mit dem Organ verbunden ist und einen Leitungsweg zu einem weiteren Verbraucheranschluß des fünften Schalters (D5) besitzt,
    c) wobei die dritte und vierte Schaltereinrichtung (Q3, Q1*) gleichzeitig mit der fünften Schaltereinrichtung (Q5) ar-
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    beiten und eine dieser beiden dritten oder vierten Schaltereinrichtungen einen der Verbraucherkondensatoren .(C3j C5) mit dem anderen Quellenanschluß verbinden, d) wobei die fünfte Schaltereinrichtung (Q5) die Quelle in Reihe mit den Verbraucherkondensatoren (C33 C5) und der dritten und vierten Schaltereinrichtung (Q3> Q1O verbindet, wodurch praktisch die Summe der Spannungen der Quelle und der Verbraucherkondensatoren an die Anschlüsse zur Verbindung mit dem Organ'(12) zufünrbar ist.
    7. Generator für Stimulusimpulse für ein Körperorgan, dadurch gekennzeichnet , daß er ur.:i aßt:
    a) einen Quellenanschluß zur Verbindung r.iit einer elektrischen Quelle,
    b) eine Impulszeitgeberschaltung, die zwischen den einen und den anderen Quellenanschluß geschaltet ist zur Erzeugung von Taktimpulssignalen mit einer Frequenz entsprechend der gewünschten Stimulierungsfrequenz für ein Organ,
    c) eine Impulserzeugungseinrichtung mit einer ersten Schaltereinrichtung, die mit einem Quellenanschluß verbunden ist und bei beginn eines Taktimpulssignals einschaltbar und zwischen diesen Signalen abgeschaltet ist,
    d) einen ersten Verbraucherkondensator (C3) und Aufladewiderstand, die in Reihenschaltung zwischen den Quellenanschlüssen verbunden sind,
    e) einen zweiten Verbraucherkondensator (C5) und einen Aufladewiderstand, die in einer Reihenschaltung verbunden sind, welche Anschlüsse zur Verbindung mit dem Organ (12) besitzt, wobei die Schaltung zwischen die Quellenanschlüsse geschaltet ist und der erste und zweite Verbraucherkondensator durch die Taktimpulse auflaufbar ist,
    f) ein normalerweise gesperrter zweiter Schalter, der zwischen den ersten Verbraucherkondensator und einen anderen Quellenanschluß verbunden ist,
    g) normalerweise gesperrte, dritte Schaltereinrichtung, die
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    zwischen den Verbraucherkondensatoren verbunden ist3 h) wobei die zweite und dritte Schaltereinrichtung bei Beginn eines Taktimpulses einschaltbar ist zur Herstellung einer geschlossenen Entladereihenschaltung, welche die Kondensatoren, die zweite und dritte Schaltereinrichtung und die Anschlüsse zur Verbindung mit dem Organ umfaßt und zur Stimulierung des Organs mit im wesentlichen der Summe der Spannungen auf beiden Verbraucherkondensatoren.
    b. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß er enthält:
    a) eine Schaltereinrichtung (27) für die Betriebsart mit zwei Schaltstellungen (D, T) in der Entladeschaltung für den Verbraucherkondensator, wobei diese Wahlschaltereinrichtung mindestens einen auswählbaren Leitungsweg besitzt, der zur ersten .Schaltereinrichtung führt und zu einem Quellenanschluß, mit dem sie verbunden ist, wobei die zweite Schaltereinrichtung mit dem anderen Quellenanschluß verbunden ist,
    b) Verbindung der Verbraucherkondensatoren und der Quelle in Reihe mit den Anschlüssen zur Verbindung des Organs bei Einschalten des ersten, zweiten und dritten Schalters durch einen Taktimpuls.
    9. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß er umfaßt:
    eine Sendespule (30) und ehen Kondensator (C4) in Reihe miteinander, welche zwischen einen Quellenanschluß und einen Verbindungspunkt zwischen den ersten Verbraucherkondensator und den dritten Schalter (Q3) angeschlossen sind und zur Herstellung eines Leitungsweges durch die Spule und den Kondensator und zum Senden eines Signals durch die Spule bei Einschalten des Schalters (Q3)·
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