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Schaltung für Herzschrittmacher Die Erfindung betrifft eine Schaltung
für Herzschrittmacher, die bei wechselndem Ausgangswiderstand und Betriebsschwankungen
mit hchem Wirkungsgrad energiekonstante Rechteck-Spannungsimpulse liefert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zweck der Erfindung ist es, die Betrietssicherheit und die Laufzeit
eines implantierten Herzschrittmachers zu vergrößern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im Ein-Zustand wirken diese Dioden als Arbeitswiderstand.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beim angeführten Beispiel tritt beim Ausfall von drei Hg-Zellen von
sechs kein Abfall der Reizenergie ein.
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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.