DE2225078A1 - Schaltung fuer herzschrittmacher - Google Patents

Schaltung fuer herzschrittmacher

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DE2225078A1
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voltage
circuit
transistor
resistor
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DE2225078A
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English (en)
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Rudolf Dr Med Richwien
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HALLE LABORELEKTRONIK
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HALLE LABORELEKTRONIK
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • 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

Description

  • Schaltung für Herzschrittmacher Die Erfindung betrifft eine Schaltung für Herzschrittmacher, die bei wechselndem Ausgangswiderstand und Betriebsschwankungen mit hchem Wirkungsgrad energiekonstante Rechteck-Spannungsimpulse liefert.
  • Herzschrittmacher sind Impulsgeneratoren zur elektrischen Herzreizung, die zur Langzeitbehandlung bestimmter Reizleistungsstörungen in den Körper implantiert werden und die ihre Betriebsenergie meist aus 7 bis 6 Hg-Zellen beziehen.
  • Der Ausfall oder die vorzeitige Erschöpfung einer Hg-Zelle ist bei implantierten. Schrittmachern zur Zeit die häufigste technische Störung. Sie zwingt zum Ersatz desselben durch Operation, Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, einen Herzschrittmacher mit einem Regelmechanismis zu versehen, der den Abfall der Betriebsepannung ausgleicht und die Kapazität der funktionsfähig gebliebenen Batterien auszunutzen gestattet, indem die Zeitabhängigkeit einer magnetischen Energiespeicherung genutzt wurde, Von anderer Seite wurde das Problem angegangen, indes zwischen Batterie und konventionelle Schrittmacherschaltung ein Konverter eingeführt wird, der bei wechselnder Eingangsspannung eine konstante Ausgangsspannung liefert.
  • Die Einfügung eines magnetischen Energiewandlers als Regelglied bedingt jedoch zwangsläufig zusätzliche Verluste. Außerdem bringt die Verwendung einer Drossel konstruktiv-technische Nachteile mit sich, da es sich um ein relativ großes und störanfälliges Bauelement handelt.
  • Auch bei technisch ungestörter Funlrtion ist die Laufzeit der kommerziell angebotenen Schrittmacher entsprechend den klinischen Erfordernissen viel zu kurz. Durch ihren technischen Wirkungsgrad von 30 bis 40 % wird die Kapezität der Hg-Batterien nur unvollkommen ausgenutzt. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der niedrige technische Wirkungsgrad hauptsch1ich auf die Strom- oder Energiebegrenzung in der Ausgangsstufe zurückzuführen ist und durch eine andere Gestaltung der Ausgangsstufe verbessert werden kann, jedoch ist bei diesen Vorschlägen keine Kompensation eines Abfalles der Batteriespannung vorgesehen. Weiterhin wird der Wirkungsgrad noch durch den parasitären Stromverbrauch des frequenzbestimmenden Impulsgenerators, der bei uAs Je Impuls liegt, gesenkt. Bei den hauptsächlich angewendeten komplementären Multivibratoren entspricht die Schaltpause nur 2/5 der Zeitkonstanten des RC-Gliedes, wenn der Kondensator auf die volle Batteriespannung aufgeladen wird. Da der Verwendung großer Widerstände Grenzen gesetzt sind, weil sie den lmpulsgenerator stärker störanfällig macht, nuß der Kondensator eine entsprechende Größe haben, um eine Zeitkonstante von über 1 Sek. zu @@halten. Bei den ebenfalls zur Anwendung kommenden Kippgeneratoren fließt ein Teil des Schaltatromes über einen Arbeitewiderstand ab und die Funktion ist an eine Hg-Batterie gebundene die eine den Arbeitspunkt bestimmende Basisvorspannung für den Kippgenerator liefert.
  • Zweck der Erfindung ist es, die Betrietssicherheit und die Laufzeit eines implantierten Herzschrittmachers zu vergrößern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Herz schrittmacher mit einem Regelmechanismus zu versehen, der bei Änderungen der Betriebsspannung sowie Schwankungen des Ausgangswiderstandes (d.h. vornchmlich des Elektroden-Übergangswiderstandes) mit hohem Wirkungsgrad die Energiekonstanz der Ausgangsimpulse gewährleistet.
  • Erfifndungsgemäß werden in der Ausgangsstufe des Herzschrittmachers ein Schalter (Transistor), ein Meßkondensator und der Lastwiderstand (Elektroden- und Gewobswiderstand) in Serie geschaltet. Parallel sum Meßkondensator liegt ein Spannungsdiskriminator, der Teil eines als Monovibrator arbeitenden Impulsgenerators ist.
  • Der Impulsgenerator liegt im Steuerstromkreis des Schalters bzwO der Schalter ist ebenfalls Teil des Impulegenerators. Die Schaltspannung des Diskriminatore ist einerseits klein im Vergleich zur Betriebsspannung und andererseits von dieser funktionell abhängig im Sinne der indirekten Proportionalität. Diese anordnung wird von einem anderen elektronischen Taktgeber getriggert. Nach der Öffnung des Schalters fließt ein Reizstrom über den Gewebswiderstand und ladet den Meßkondensator auf, dessen Spannung somit ein Maß für die während des Reizimpulses geflossene Ladung darstellt. Hat die Spannung am Meßkondensator einen durch den Spannungsdiskriminator festgelegten Wert erreicht, so wird durch diesen der Monovibrator und Schalter in den Aus-Zustand gebracht. Die Spannung am Meßkondensator ist klein im Vergleich zur Reizspannung. Somit entstehen Rechteck-Spannungsimpulse, praktisch von der Höhe der Batterietpannung, mit einer geringen Neigung des Impuledaches, mit konstanter Ladung und konstanter Energie. Nicht nur Änderungen des Lastwiderstandes werden durch eine Änderung der Impulsdauer ausgeregelt, sondern, indem die Schaltspannung des Diskriminators der Betriebsspannung bzw. der Reizspannung indirekt proportional ißt, wird auch die vom Meßkondensator und Diskriminator definierte Ladung des Reizimpulses der Betriebsspannung indirekt proportional und das Produkt von Ladung und Spannung des Reizimpulses, d.h. die Reizenergie, bleibt auch bei wechselnder Betriebsspannung konstant. Die Energiekonstanz der Ausgangsimpulse kann mittels Variation der Impulszeit erzielt werden, weil bei der experimentellen Herzreizung die Energie der Reizschwelle bei einer Variation der Impulsdauer.innerhalb von 0,2 bis 4 ms so gut wie konstant bleibt.
  • Da der Anwendungszweck keine strenge Proportionalität erfordert, wird die betriebsspannungsabhängig veränderliche Diskriminator-Schaltspannung einfach dadurch gewonnen, daß von einer festen Schalt spannung eine veränderliche Spannung subtrahiert wird, die ein Spannungsteiler aus der Reizspannung erzeugt.
  • Diese als Monovibrator arbeitende Ausgangsstufe wird durch einen Taktgeber mit äußerst niedrigem Stromverbrauch angestoSen. Er besteht erfindungsgemäß aus einem Kippgeneratbr aus einem Basis-zu-Kollektor verbundenem Transistorpaar, von denen der als erster Transistor bezeichnete in seiner Emitterleitung das zeitbestimmende RC-Glied enthält. Erfindungsgemaß befinden sich im Kollektorstromkreia der Transistoren Dioden, eventuell mit Serien- oder Parallelschaltung von, Widerständen (mindestens eine Diode im Kollektorkries des zweiten Transistors, d.hv zwischen Basis und Emitter des ersten Transistors) als Arbeitswiderstand sowie Quelle der Basisvorspannung. Im Aus-Zustand des Impulsgenerators wirken dies. Dioden Cbzw. diese Diode) als Klammerdiode: Durch die Dioden, durch die Sett nur der (minimale) Reststrom des zweiten Transistors fließt, wird die Basis des ersten Transistors auf einem bestimmten Potential festgehalten und ohne eine weitere Quelle der Basisvorspannung wird dadurch der Arbeitspunkt festgelegt, an dem der Impulsgenerator einschaltet.
  • Im Ein-Zustand wirken diese Dioden als Arbeitswiderstand.
  • Durch die Kennlinie von Dioden wird auch der zweite Arbeitspunkt festgelegt, an dem die Impulsachaltung in den Aus-Zustand übergeht. Die Aufladung des RC-liedes in der Emitterleitung des ersten Transistors bewegt sich somit innerhalb von durch Dioden begrenzten Spannungen, die klein gegenüber der Batteriespannung und von dieser nur wenig abhängig sind, wobei aber die volle Zeitkonstante das RC-Gliedes bzw. ein Vielfaches davon durchlaufen werden kann, um eine lange Impulspause zu erhalten. So läßt eich eine durch im Kollektorstoromkreis des ersten Transistors liegende Dioden begrenzte Arbeitsspannung durch einen Widerstand in der Emitterleitung des zweiten Transistors und einen zweiten Widerstand in seiner Kbllektorleitung (d.h. zwischen Basis und Emitter des ersten Transistors) in jeder gewunschten Relation auf die Basis des ersten Transistors übertragen, wodurch die Aufladung des RC-Gliedes und damit die Impulspause variiert werden kann.
  • Durch die Begrenzung der Aufladung des RC-Gliedes durch Dioden wird die Impulsfrequenz von Betriebsspannungsschwankungen kaum beeinflußt und der Verbrauch an Ladung bleibt niedrig. Durch die genannte Widerstandskombination oder andere wird weiterhin praktisch der gesamte Schaltstrom für die Aufladung des RC-Gliedes genutzt, indes der zweite Transistor nur noch den Basisstrom für den ersten liefert.
  • Der Nutzen der Erfindung liegt in der Einschränkung bekannter Störanfälligkeiten seitens des Ausfalles von Batterien und durch die Erhöhung des technischen Wirkungsgrades der elektronischen Schaltungen wird der Stromverbrauch auf d@e Hälfte und mehr bei gleichem cutput gesenkt, und die Reizenergie wird unabh derstand gemacht. Insgesamt wird durch diese Maßnahmen die Laufzeit implantierter Herzschrittmacher sowie die Sicherheit für den Patienten erhöht und es werden weniger Schrittmacher und Operationen erforderlich.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungabeispiel näher erläutert werden. In der Figur wird eine Schrittmacher-Ausgangsstufe von einem freischwingenden Kippgenerator gesteuert. Er besteht aus einem komplementären Transistorpaar T 1; T2. Die Schaltung zündet.
  • wenn sich das RC-Glied auf .eine Spannung enttprechend einer Dioden-DurchlaBspannung entladen hat> wei die beiden Klammerdioden D t die Basis des Transietors T 1 auf einer Vorspannung entsprechend zweier Durchlaßspannungen halten. Im Ein-Zustand wird die Basisvorspannung des Transistors T 2 durch drei Diodenstrecken, die Emitter-Basiastrecke T 3 und die Dioden D 2 begrenzt. An den Widerständen R 2 sowie dem gleichgroßen R 1 können somit nur Spannungen entsprechend zweier Dioden-Durchlaßspannungen auftreten und um den gleichen Betrag ladet sich der Kondensator CT auf, wenn die Widerstände R t; R 2 gleich groß sind. Die Impulspause entspricht dann praktisch der Zeitkonstante des RC-Gliedes RT; CT. Es läßt sich aber auch jeder andere gewünschte Einsatzpunkt des Impulses als Bruchteile oder Mehrfache der Zeitkonstanten durch Variation der Widerstände R 1; R 2 einstellen. Es ist dahert um die in Betracht kommenden Reizfrequenzen zu erzielen bei einem Widerstand RT von 2 bis 3 Megohm, einem fur die Schrittmachertechnik gängigen Wertt nur eine recht kleine Kapazität CT erforderlich. Sie ladet sich im typischen Fall um etwa 1 Volt auf, Die großen Widerstände R 1; R 2 bewirken, daß über den Transistor T 2 nur der Basisstrom für den Transistor T 1 fließt und praktisch der gesamte Schalt strom im zeitbestimmenden Glied benutzt wird. Der Stromverbrauch des Impulsgenerators ist daher mit 0,3 µA recht klein.
  • Es ist sogar u.U. angebracht, die Frequenzstabilität des Generators bei Betriebsspannungsänderungen durch die EintAgung eines Widerstandes zwischen die Dioden D 2 und die Basis des Transistors T 2 zu verringern, um die Batteriespannung durch Pulszählung kontrolieren zu können.
  • Durch den Widerstand R 2 wird über den Basisstrom und den Stromvertärkungsfaktor des Transistors T 1 die Impulszeit des Kippgenerators bestimmt, die allerdings hier irrelevant ist, da er nur einen kurzen Schalt impuls abzugeben hat; anderenfalls wäre es konstruktiv vorzuziehen, die Impulsazeit durch einen zusätzlichen Widerstand zwischen Kollektor und Basis der Transistoren T t; T 2 zu regeln, weil dann die Stromverstärkung des Transistors 1 t nicht berücksichtigt zu werden braucht.
  • Der Impulsgenerator triggert eine als Monovibrator arbeitede, durch die Transistoren T 3; T 4i T 5 gebilde te Ausgangsetufe. Durch Rückkopplung über den Kondensator CML schalten sich die Transistoren T 3; T 4 gegenseitig durch. Der Impuls wird beendet, wenn nach einer entsprechenden Aufladunng des Kondensators CMT über den Herzwiderstand RH auch der Transistor T 5 geöffnet wird, wodurch eine Gegenkopplung auf den Emitter des Transistors T 4 eintritt0 Die gleiche Wirkung würde schließlich auch durch den Widerstand R 4 eintreten; der parallel liegende Transistor T 5 macht aber als nichtlineares Glied die Schaltspannung des Dikriminstors von der Betriebsspannung unabhängig. Von dieser konstanten Schalt spannung wird eine variable ap abgezogen, die am Widerstand R 6 abfällt und durch den Spannungsteiler R 6; R 5 aus der Reizspannung gewonnen wird. Hat die Aufladung des Kondensators , die über den Herzwiderstand R@ erfolgt, jene Differenzspannung erreicht, so geht der Monovibrator in den Aus-Zustand.
  • Das ist um so eher der Fall, je kleiner der Herzwiderstand und je größer die Betriebsspannung (und damit die Reizapannung) ist. Werden beispielsweise bei voller Betriebsspannung zwei Drittel der Schaltspannung mittels des Spannungsteilers subtrahiert, so schaltet der Diskriminator, wenn sich der Meßkondensator auf ein Drittel der Schalt spannung aufgeladen hat. Sinkt die Betriebaspannung auf die Hälfte, so wird durch den Spannungsteiler nur noch ein Drittel der Schalt spannung subtchiert und der Meßkondensator ladet sich auf zwei Drittel der chalspannung auf und die Ladung steigt auf das Doppelte, wem die Betriebs spannung um, die Hälfte absinkt. Die dieser Schaltung zugrunde liegend quadratische Funktion ergibt in ihrem Funktionsbereich eine Überkompensation des Abfalles der Betriebssspannung.
  • Beim angeführten Beispiel tritt beim Ausfall von drei Hg-Zellen von sechs kein Abfall der Reizenergie ein.
  • Der Wirkungsgrad der Schaltung liegt um 85 %.Wenn es als notwendig erachtet wird, kann in dieser Schaltung der minimale Basisstrom des Transistors T 4 vom Reiztromkreis galvanisch abgetrennt werden.

Claims (2)

  1. Patentansprüche:
    Schaltung fnr Herzschrittmacher, gekennzeichnet durch eine Ausgangsetufe mit spannungs- und energiekonsstantem Rechteck-Reizimpuls und Kompensation von Lastwiderstands-und Betriebsspannungsänderungen, in der im Reizstromkreis ein elektronischer Schalter (T 3), ein Lastwiderstand, der Gewebswiderstand (R@) und ein Meßkondensator (C@@) in Serie geschaltet sind, wobei parallel zum Meßkondensator (CML) einn Spannungsdiskriminator (R6; T5) liegt, der Teil eines Impulsgenerators (T3; T4; T5) ist, welcher im Steuerstromkreis des elektronischen Schalters CT 3) liegt bzw. elbt diesen elektronischen Schalter enthält und eine Diskriminatorspannung aufweist, die in bezug auf die Batteriespannung klein und dieser indirekt proportional ist.
  2. 2. Schaltung für Herzschrittmacher, gekennzeichnet durch einen, Kippgenerator mit niedrigem Stromverbrauch aus einem Basis-zu-Kollektor verbundenen komplementären Tranistorpaar (T1; T2), der als Arbeitswiderstand und Quelle der Basisvorspannung Dioden CD 1; D 2) in den Kollektorleitungen der Transistoren, zumindest eine Diode zwischen.Basia und Emitterseite desjenigen Transistors (T 1) in dessen Emitterleitung das zeitbestimmende RC-Glied (Rm; Cm) liegt, enthält.
    L e e r s e i t e
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