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Elektromedizinisches Reizstromgerät Die Erfindung betrifft ein elektromedizinisches
Reizstromgerät mit einer Stromquelle, die einen Impuisgenerator speist. der Reizstromimpulse
an mit einem Körperteil verbindbare Anschlüsse liefert und ein die Impulsbreite
der Reizstromimpulse bestimmendes Steuerglied aufweist.
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Der ErfindunJsgegenst.nd eignet sich insbesonder-e für einen implantablen
Herzschrittmacher mit einstellbarer Impulsbreite. Die Erfindung ist jedoch auf diesen
Anwendungsfall nicht beschränkt.
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Zum Beispiel kann die Erfindung auch bei vollständig implantablen
Nervenreizgerdten und anderen Arten von implantablen Muskel reizgeräten benutzt
werden.
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Leitungsdefekte des Herzens, die im allgemeinen als Herzblock bezeichnet
werden, konnten durch den weit verbreiteten Einsatz von Herzschrittmachern in erheblichem
Umfang unter Kontrolle gebracht werden. Durch die Verwendung solcher Schrittmacher
wurde die früher hohe Sterblichkeitsquote des vollständigen Herzblocks in bemerkenswerter
Weise gesenkt Der am häufigsten benutzte
Herzschrittmacher ist der
implantable, batteriegespeiste Schrittmacher. Ein solcher Schrittmacher muß ausgetauscht
werden, wenn die Entladung der Batterie schließlich so weit fortgeschritten ist,
daß die dem Herzen zugeführten Reizstromimpulse nur noch unzureichende Energie haben,
um das Herz in der erforderlichen Weise zum Ansprechen zu bringen.
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Der Austausch eines implantablen Schrittmachers erfordert einen chirurgischen
Eingriff. Obwohl es sich dabei um einen kleinen Eingriff handelt, sollte er vermieden
werden, wann immer dies möglich ist. Ein implantabler Schrittmacher sollte daher
über eine ausgedehnte Zeitspanne hinweg, vorzugsweise für mehrere Jahre, arbeiten,
ohne daß ein Austausch erforderlich ist. Moderne implantable Schrittmacherschaltungen
sind in der Regel in hohem Maße verläßlich. Selbst wenn die Schaltung für einen
niedrigen Stromverbrauch ausgelegt ist, stellt infolgedessen die Entladung der Stromquelle
für gewöhnlich den Grund dar, der den Austausch des Schrittmachers bedingt. Jede
Anordnung, die es erlaubt, die Entladung der Batterie zu vermindern und/oder Impulse
mit einer für das Anregen des Herzens ausreichenden Energie zu erzeugen, obwohl
eine gewisse Entladung der Batterie eingetreten ist, ist infolgedessen für Patienten,
bei denen solche Geräte implantiert sind, von größtem Nutzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reizstromgerät mit einstellbarer
Impulsbreite zu schaffen, das eine#besonders lange Lebensdauer hat
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das die Impulsbreite bestimmende
Steuer-glied mit einem in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Stromquelle
ansprechenden tiber-wachungsglied verbunden ist, das bei Absinken der Ausgangsspannung
für eine solche Vergrößerung der lmpulsbreite sorgt, daß die Impulsenergie ausreichend
groß bleibt, um das Körperteil innerhalb eines Bereiches abnehmender Ausgangsspannungen
weiter-hin zu reizen.
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Bei dem Reizstromgerät nach der Erfindung wird die Ausgangsim pulsbreite
selbsttätig erhöht, wenn die Ausgangsspannung der-Stromquelle absinkt. Die Reizstromimpulsbreite
kann den Bedürfnissen des betreffenden Patienten angepaßt und auf Werte eingestellt
werden, die weit unter den Werten typischer Schrittmacher liegen. Auf diese Weise
wird Batterieenergie gespart und eine Verlöngerung der Lebensdauer des Schrittmachers
erzielt.
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in weiterer Ausgestaltung der Erfindung spricht das Überwachungsglied
auf ein Absinken der Ausgangsspannung der Stromquelle unter einen vorbestimmten
Grenzwert an und veeanlaBt das Überwichungsglied bei Unterschreiten dieses Grenzwertes
das Steuerglied, für eine Vergrößerung der Impulsbreite um einen diskreten Betrag
zu sorgen. Die Impulsbreitenvergrößerung ist einstellbar und kann beispielsweise
so vorgegeben werden, daß die dem Herzen je Impuls zugeführte Energie im wesentlichen
konstant bleibt.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung versnlaßt
das
Uberwachungsglied das Steuerglied bei Absinken der Ausgangsspannung zu einer stetigen
Vergrößerung de Impulsbreite Auf diese Weise wird eine Anordnung erhalten, die die
Reizstromimpulsbreite in Abhängigkeit von jedem Absinken der Batterie spannung selbsttätig
ständig ändert. im Falle dieser Ausführungsform weist vorzugsweise das Überwachungsg2ied
einen Bezugsspannungsanschluß, der mit der Stromquelle sowie über ein erstes Impedanzglied
mit dem einen Belag eines die Impulsbreite bestimmenden Kondensators verbunden ist,
sowie einen Rückkopplungsspannungsanschluß auf, der auf einem im wesentlichen konstanten
Spannungswert gehalten und über ein zweites Impedanzglied mit dem anderen Belag
des die Impulsbreite vorgebenden Kondensators verbunden ist.
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Vorzugsweise bilden die beiden ImPedànzglieder einen Ohmschen Spannungsteiler
innerhalb eines RC-Zeitgliedes, das die Ausgangsimpulsbreite des Impulsgenerators
bestimmt. Der zwischen den zeitbestimmenden Kondensator und den Rückkopplungsspannungsan
schluß geschaltete Widerstandsteil des Spannungsteilers erhöht die Zeitkonstante
des gesamten RC-Gliedes, was zu einer wesentlichen Erhöhung der Impulsbreite bei
jeder Verringerung der Batteriespannung führt, die sich am Bezugsspannungsanschluß
bemerkbar macht. Weil ferner ein Teil der Rückkopplungsspannung an diesen Widerstandsteil
des Spannungsteilers abfällt, kann durch-geeignete Auswahl des Widerstandes dafür
gesorgt werden, daß anfänglich die gleiche Impulsbreite vorhanden ist, wie bei bekannten
Schaltungsanordnungen,
Ein Problem bestand auch darin, festzustellen,
wann der Schrittmacher ausgetauscht werden muß. Wenn die Stromquelle erschöpft ist,
nimmt die Amplitude der Ausgangsimpulse ab Der Schrittmacher muß daher selbstverständlich
ausgetauscht werden, bevor die Ausgangsimpulsamplitude so weit abgesunken ist, daß
sie nicht mehr ausreicht, um die Herztätigkeit anzuregen. Die Erfahrung hat gezeigt,
daß die Erschöpfung der einzelnen Zellen der Stromquelle nicht sonderlich genau
vorausgesagt werden kann. In den meisten Fällen war ein vorzeitiges Versagen des
Schrittmachers auf einen Ausfall einzelner Zellen der Stromquelle zurückzufühw ren.
Dies machte es erforderlich, den Schrittmacher prophylaktisch schon sehr frühzeitig
auszutauschen. Infolgedessen bestand nicht nur ein dringender Bedarf an der Möglichkeit,
die Ausgangsimpulsenergie so weit zu erhöhen, daß für eine Mitnahme des Herzens
auch dann noch gesorgt werden kann, wenn die Stromquelle bereits weitgehend entladen
ist, sondern auch an einer Möglichkeit, die Lebensdauer der Stromquelle genau vorauszusagen.
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Bei bekannten Schrittmachern wurde eine Erschöpfung der Stromquelle
dadurch ermittelt, daß die Ausgangsimpulse auf eine Verringerung der Impuls amplitude
oder auf eine Änderung der Impulsfolgefrequenz hin untersucht wurden. Dies hatte
den Nachteil,daß der Patient in regelmäßigen Abständen zwecks Kontrolle zum Arzt
gehen mußte, da der Patient selbst nicht in der Lage war, die Verringerung der Impuls
amplitude oder die Änderung der Impulsfolgefrequenz selbst festzustellen.
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Insbesondere bei der Aus führungs form der Erfindung, bei der die
Impulsbreite um einen diskreten Betrag vergrößert wird, wenn die Ausgangsspannung
der Stromquelle unter einen vorbestimmten Grenzwert absinkt, ist vorzugsweise mittels
des die Impulsbreite bestimmenden Steuergliedes in Abhängigkeit von dem Überwqchungs
glied zusätzlich die Folgefrequenz der Reizstromimpulse verringerbar. Dies versetzt
den Patienten in die Lage, festzustellen, wann die Stromquelle des Schrittmachers
erschöpft ist. Eine vorbestimmte Verringerung der Impulsfolgefrequenz (typischerweise
um 10 %) wird als Indikator dafür ausgenutzt, daß die Ausgangsspannung der Stromquelle
unter einen vorbestimmten Betrag abgesunken ist, beispielsweise wenn die erste Zelle
der Stromquelle erschöpft ist. Der Schrittmacher arbeitet mit einer ersten vorbestimmten
Folgefrequenz, solange die Spannung der Stromquelle über dem vorbestimmten Grenzwert
liegt. Er geht auf eine zweite vorbestimmte Folgefrequenz, die typischerweise 10
% unter der ersten vorgegebenen Folgefrequenz liegt, über, sobald die Spannung der
Stromquelle unter den Grenzwert abfällt Der Patient kann ohne weiteres kontrollieren,
ob der Schrittmacher mit der ersten oder der zweiten vorbestimmten Folgefrequenz
arbeitet. Er kann an Hand dessen ohne weiteres feststellen, ob die Ausgangsspannung
der Stromquelle unter den vorbestimmten Grenzwert abgesunken ist. Auf diese Weise
steht ausreichend Zeit zur Verfügung, den Schrittmacher auszutauschen, bevor die
Stromquelle so weit erschöpft ist, daß die Herztätigkeit nicht mehr angeregt werden
kann.
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Es können ferner Mittel vorgesehen sein, die es erlauben, die Impulsbreite
von außerhalb des Körpers aus einzustellen. Diese Impulsbreiteneinstellung ergänzt
das Merkmal der Impulsbreitenkompensation. Zusammen gestatten es diese Merkmale.
Batterieenergie zu sparen und die Lebensdauer des Schrittmachers zu erhöhen, indem
die Ausgangsimpulsbreite an den maximalen Reizbedarf des Patienten angepaßt wird.
Dieser Reizbedarf schließt keinen Sicherheitsfaktor für Energieverluste infolge
der Erschöpfung der Stromquelle ein. Ein solcher Sicherheitsfaktor ist vorliegend
nicht erforderlich. Der Energieverlust wird selbsttätig dadurch kompensiert, daß
die Impulsbreite erfindungsgemäß entsprechend vergrößert wird. Auf Grund dessen
kann die Ausgangsimpulsbreite ohne Gefahr auf Werte eingestellt werden, die weit
unter den Werten bekannter Schrittmacher liegen.
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In bestimmten Anwendungsfällen kann es auch zweckmaßig sein, bei einem
Absinken der Ausgangsspannung der Stromquelle unter einen vorbestimmten Grenzwert
nur für eine Verringerung der Folgefrequenz der Ausgangsimpulse um einen diskreten
Betrag zu sorgen, ohne daß gleichzeitig die Impulsbreite der Ausgangsimpulse geändert
wird.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. In den beilietenden Zeichnungen zeigt: Figur 1 ein Blockschaltbild der
wesentlichen Geräteteile einer ersten Ausführungsform eines Reizstromgerätes
nach
der Erfindung, Figur 2 eine grafische Darstellung, die erkennen läßt, wie die Schrittmacherausgangsimpulse
hinsichtlich ihrer Impulsbreite und Impulsfolgefrequenz beeinflußt werden, Figur
3 ein schematisches Schaltbild der ersten Ausführungsform des Reizstromaerätes,
Figur 4 ein Teilblockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Reizstromgerätes
nach der Erfindung, Figur 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Impulsdauer
von der Batteriespannung für bekannte Geräte und für die zweite Ausführungsform,
und Figur 6 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Energie von der Batteriespannung
für bekannte Geräte und die zweite Ausführungsform.
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Entsprechend Figur 1 weist das Reizstromgerät im wesentlichen eine
Stromquelle 1, eine Uberwachungsstufe 2, einen impulsgenerator oder Oszillator 3,
eine Ausgangsstufe 4 und Ausgangsklemmen 5 und 6 auf.
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Bei dieser Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, die dafür sorgen,
daß
die Ausgangsimpulsbreite selbsttätig vergrößert wird und die Folgefrequenz der Ausgangsimpulse
automatisch verringert wird, wenn die Ausgangsimpulsamplitude dadurch absinkt, daß
die Ausgangsspannung der Stromquelle unter einen vorbestimmten Grenzwert abgefallen
ist. Die mit der Stromquelle 1 elektrisch verbundene Überwachungsstufe 2 ermittelt,
wenn die Ausgangsspannung der Stromquelle 1 den vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Der Oszillator 3 ist an die Überwachungsstufe 2 angeschlossen und spricht auf diese
an. Der Oszillator 3 steht ferner mit der Ausgangsstufe 4 in Verbindung. Dabei ist
dafür gesorgt, daß die Breite der von der Ausgangsstufe 4 abgegebenen Ausgangsimpulse
selbsttätig erhöht und die Folgefrequenz, mit der die Ausgangsstufe 4 die Ausgangsimpulse
abgibt, automatisch verringert wird. Die von der Ausgangsstufe 4 abgegebenen Ausgangsimpulse
gehen an die Ausgangsklemmen 5,6. Die Ausgangsimpulse lassen sich für eine Reihe
von Zwecken verwenden. Beispielsweise können sie an das Herz eines Menschen oder
Tieres über implantable elektrische Leitungen angelegt und dazu benutzt werden,
die Herztätigkeit anzuregen.
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Figur 2 zeigt die Ausgangsimpulse des Gerätes. Solange die Ausgangsspannung
der Stromquelle über dem vorbestimmten Grenzwert liegt, der durch die gestrichelte
Linie X angedeutet ist, haben die Ausgangsimpulse eine Impulsbreite a bei einem
Impulsintervall b.
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Figur 2 zeigt die typische Form der Ausgangsimpulse, die das
Gerät
bis zu der gestrichelten Linie Y abgibt. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Ausgangsspannung
der Stromquelle plötzlich erueblich unter den ursprünglichen Wert ab -~und kommt
unter den vorbestimmten Grenzwert X zu liegen Wie ersichtlich, nehmen sowohl die
Ausgangsimpulsbreite a1 als auch das Impuls intervall bt zu, wenn die Ausgangsspannung
der Stromquelle plötzlich unter deren vorbestimmten Grenzwert X abfällt. Die Folgefrequenz
der Impulse nimmt ab.
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Figur 3 zeigt ein schematisches Schaltbild der Ausführungsform nach
Figur 1, die in der in Figur 2 angedeuteten Weise arbeitet; Bei der speziellen Ausführungsform
nach Figur 3 handelt es sich um die Schaltung eines asynchronen Schrittmachers mit
einstellbarer Impulsbreite Die Stromquelle 1 umfaßt eine Batterie 7 und einen Kondensator
8. Die Batterie 7 weist vier Zellen auf, von denen jede ein Potential von 1,35 V
hat. Die positive Klemme der Batterie ist mit dem Anschlußpunkt 9 verbunden, während
die negative Klemme an Masse liegt. Der Kondensator 8 ist der Batterie 7 als Filter
parallelgeschaltet.
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Mit Hilfe der Überwachungsstufe 2 wird ein Absinken der Ausgangsspannung
der Batterie 7 unter den vorbestimmten Grenzwert festge.-stellt. Die Überwachungsstufe
2 weist Transistoren 10, 11 und 12 auf. Der Kollektor des Transistors 10 ist über
Widerstände 13 und 14 mit dem Anschlußpunkt 9 verbunden, während der Emitter
des
Transistors 10 unmittelbar an die Basis des Transistors 11 angeschlossen ist. Der
Kollekt6 des Transistors 11 steht über einen Widerstand 15 mit einem Ansohlußpunkt
16 in Verbindung, während der Emitter des Transistors 41 unmittelbar mit einem Anschlußpunkt
17 verbunden ist. Ein Widerstand 18 liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors
11, Er hat die Aufgabe, jeden über den Kollektor und die Basis des Transistors 11
fließenden Leckstrom abzuleiten, wodurch verhindert wird, daß ein solcher Leckstrom
den Transistor 11 stromführend macht, wenn der Transistor 10 gesperrt ist. Der Emitter
des Transistors 12 ist mit dem Anschlußpunkt 9 verbunden, während die Basis dieses
Transistors mit einem Anschlußpunkt 19 zwischen den Widerständen 13 und 14 in Verbindung
steht.
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Die Transistoren 10 und 11 bilden zusammen ein Spannungsmeßglied Dadurch,
daß der Emitter des Transistors 10 unmittelbar an die Basis des Transistors 11 angeschlossen
ist, arbeiten -die Transistoren 10 und 11 als Einheit. Der Transistor 11 leitet
daher, wenn der Transistor 10 Strom führt. Wenn umgekehrt der Transistor 10 gesperrt
ist, führt auch der Transistor 11 keinen Strom.
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Die von den Transistoren 10 und 11 gebildete Einheit ist so vorgespannt,
daß sie einen Abfall der Ausgangsspannung der Batterie 7 unter den vorbestimmten
Grenzwert ermitteln kann. Für diesen Zweck werden Widerstände 20 und 21, die einen
die Transistorein heit 10, 11 mit Vorspannung versorgenden Spannungsteiler bilden,
so
bemessene daß dann, wenn die Spannung am Anschlußpunkt 9 unter dem vorbestimmten
Wert, beispielsweise unter 5#O V,liegt, die Spannung an der Basis des Transistors
10 kleiner als die Summe der Schwellwertspannungen von Transistor 10 und Transistor
11 ist und infolgedessen nicht ausreicht, um den Transistor -10 und/oder den Transistor
11 aufzusteuern Zu einem Abfall der Spannung unter den vorbestimmten Grenzwert kann
es beispielsweiw se kommen, wenn eine der Zellen der Batterie 7 im wesentlichen
vollständig erschöpft ist. In diesem Falle, oder wenn aus einem anderen Grund die
Spannung am Anschlußpunkt 9 unter den vorbestimmten Grenzwert fällt, kann die Transistoreinheit
nicht leitrend gemacht werden. Der Transistor 12 führt nur Strom, wenn die Transistoreinheit
aufgesteuert ist. Das Sperren der normalerweise leitenden Transistoren 10, 11 und
12 wird ausgenutzt, um anzuzeigen, daß die Ausgangsspannung der Batterie 7 unter
den vorbestimmten Grenzwert X (Figur 2) abgefallen ist.
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Der Oszillator-oder Impulsgenerator 3 ist so aufgebaut, daß er auf
einen von der Überwachungsstufe 2 ermittelten Abfall der Ausgangsspannung der Batterie
7 anspricht. Er kann dann die Ausgangsimpulsbreite erhöhen und die Folgefrequenz
der Ausgangs impulse der Ausgangsstufe 4 herabsetzen. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform wird der Impulsgenerator von einem dreistufigen Transistoroszillator
gebildet..
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Der Emitter des einen Transistors 22 des Oszillators ist mit dem Anschlußpunkt
16 verbunden, der seinerseits über einen Widerstand
23 mit dem
Anschlußpunkt 9 in Verbindung steht. Der Kollektor des Transistors 22 ist über einen
Widerstand 24 mit Masse verbunden, während die Basis des Transistors 22 über die
Reihenschaltung von Widerständen 25, 26 und 27 an Masse angeschlossen ist. Ein Widerstand
28 und ein Kondensator 29 liegen in Reihe zwischen dem Emitter des Transistors 22
und einem Anschlußpunkt 30, der zwischen den Widerständen 25 und 26 sitzt.
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Der Emitter eines weiteren Transistors 31 des dreistufigen Transistoroszillators
ist mit dem Anschlußpunkt 9 verbunden. Der Kollektor des Transistors 31 steht über
die Reihenschaltung einer Diode 32, von Widerständen 33, 34 und 35 sowie eines Potentiometers
36 mit dem Anschlußpunkt 30 in Verbindung. Der Transistor 31 wird von der Batterie
7 über einen Widerstand 37 vorgespannt.
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Der Widerstand 37 sitzt zwischen Emitter und Basis des Transistors
31. Der Kollektor des Transistors 12 ist mit dem Anschlußpunkt 38 zwischen Widerstand
33 und Diode 32 verbunden.
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Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist das Potentiometer 36
ein von außerhalb des Körpers durch magnetische Kopplung einstellbares Potentiometer.
Das Potentiometer 36 weist ein hermetisch abgedichtetes drehbares magnetisches Bauteil
auf. Dieses drehbare magnetische Bauteil bildet den implantablen Teil eines mit
magnetischer Kopplung arbeitenden Servomechanismus, zu dem zusätzlich ein gesondertes,
nicht veranschaulichtes magnetisches Fernsteuerteil gehört, das mittels eines Motors
angetrieben wird, Der implontoble Teil des Potentiometers weist ein 1500:1-Untersetzungsgetrjebe
auf, das mit einem linearen 360°-Potentiometer
verbunden ist. Die
Ankopplung an das Fernsteuerteil erfolgt magnetisch. Mittels des Fernsteuerteiis
kann ein Drehmoment auf eine Welle des Untersetzungsgetriebes ausgeübt werden. Mit
Hilfe dieses Drehmoments wird das lineare 360°-Potentiometer angetrieben, um auf
diese Weise den Widerstandswert des Potentiometers 36 einzustellen.
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Der Emitter des dritten Transistors 39 des Oszillators ist unmitteilbar
an Masse angeschlossen, während der Kollektor dieses Transistors über eine Parallelschaltung
aus einem Widerstand 40 und einem Kondensator 41 mit der Basis eines Transistors
42 sowie über einen Widerstand 43 mit der Basis des Transistors 31 verbunden ist.
Der Widerstand 24 liegt zwischen der Basis des Transistors 39 und Masse. Er spannt
den Transistor 39 positiv vor.
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Da die Basis des Transistors 39 und der Kollektor des Transistors
22 unmittelbar miteinander verbunden sind, geht, wenn der Transistor 22 Strom führt,
ein Basisstrom an den Transistor 39, mittels dessen der Transistor 39 aufgesteuert
wird. Wenn der Transistor 39 Strom führt, sinkt die Spannung am Kollektor dieses
Transistors und damit am Anschlußpunkt 17 ab. Dieser Spannungsabfall macht sich
an der Basis des Transistors 31 bemerkbar und hat zur Folge, daß der Transistor
31 aufgesteuert wird. Wenn daher der Transistor 22 stromführend wird, wird auch
der Transistpr 39 stromführend, wodurch der Transistor 31 aufgesteuert wird. Wenn
umgekehrt der Transistor 22 gesperrt wird, sperren auch die Transistoren 31 und
39.
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Die Ausgangsstufe 4 umfaßt den Transistor 42, einen Widerstand 44
und einen Kondensator 45 Der Emitter des Transistors 42 ist mit dem Anschlußpunkt
9 verbunden, während der Kollektor dieses Transistors mit einem Anschlußpunkt 46
zwischen dem Kondensator 45 und dem Widerstand 44 in Verbindung steht. Die Basis
des Transistors 42 ist an den Oszillator 3 angeschlossen und wird von diesem vorgespannt.
Dabei ist die Basis des Transistors 42 mit der Parallelschaltung aus Widerstand
40 und Kondensator 41 verbunden. Der Widerstand 44 liegt zwischen dem Kondensator
45 und Masse.
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Die Ausgangsklemmen 5,6 sind an eine nicht veranschaulichte elektrische
Leitung angeschlossen, über die die Impulse an das Herz gehen, um dieses anzuregen.
Der Schrittmacherimpuls wird erzeugt, wenn der Kondensator 45 entladen wird. Die
Entladestrecke des Kondensators 45 läuft von der Ausgangsklemme 6 über das Herz
zur Ausgangsklemme 5 sowie dann über den stromführenden Transistor 42. Die Aufladung
des Kondensators 45 erfolgt bei gesperrtem Transistor 42 über einen Stromkreis,
der von der Batterie 7 über die Ausgangsklemme 5, das Herz, die Ausgangsklemme 6
und den Widerstand 44 nach Masse führt.
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Jeder Herzschrittmacher hat im wesentlichen die Funktion, elektrische
Impulse- zu liefern, die das Herz zum Schlagen anregen.
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Von bekannten Schrittmachern dieser Art unterscheidet sich die vorstehend
beschriebene Anordnung im wesentlichen dadurch, daß die Ausgangsimpulsbreite selbsttätig
vergrößert wird, wenn die
Ausgangsamplitude der von der Stromquelle
abgegebenen Spannung unter einen vorbestimmten Grenzwert abfällt. Ein weiterer Unterschied
besteht insofern, als die Impulsfolgefrequenz bei dieser Vergrößerung der Impulsbreite
herabgesetzt wird (typischerweise um 10 %)« Die Absenkung der Impuisfolgefrequenz
dient der Anzeige dafür, daß die Ausgangsspannung der Stromquelle abgesunken ist.
Die Arbeitsweise der beschriebenen Schrittmacherausführungsform läßt sich in Verbindung
mit dem elektrischen Schaltbild am besten verstehen, wenn zwei Betriebszustände
betrachtet werden, und zwar der eine, bei dem der Oszillator keinen Strom führt,
also gesperrt oder ausgeschaltet ist, sowie der andere, bei dem der Oszillator Strom
führt, also entsperrt oder eingeschaltet ist.
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Bei ausgeschaltetem Oszillator sind sämtliche Transistoren gesperrt
Der Kondensator 29 lädt sich auf, während der Oszillator eingeschaltet ist, und
wird über einen Entladestromkreis entladen, der über die Widerstände 26 und 27,
die Batterie 7, den Widerstand 23 und den Widerstand 28 führt Die Entladung des
Kondensators 29 über diese Entladestrecke dauert an, bis der Transistor 22 stromführend
wird Der Transistor 22 wird aufgesteuert, wenn seine Basis-Emitter-Spannung einen
vorbestimmten Wert, beispielsweise ungefähr 0,4 V, erreicht Da der Widerstand 28
klein ist und der Entladestrom eine geringe Größe hat, fällt am Widerstand 28 nur
eine sehr kleine Spannung ab. Am Widerstand 25 tritt im wesentlichen kein Spannungsabfail
auf.
Infolgedessen entlädt sich der Kondensator 29 weiter, bis die am Kondensator anstehende
Spannung im wosenthichen der Einschaltspannung des Transistors 22 entspricht. Zu
diesem Zeitpunkt wird der Transistor 22 stromführend.
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Wenn Strom über den Transistor 22 fließt, wird der Transistor 39
aufgesteuert, der seinerseits den Transistor 31 aufsteuert.
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Wenn daher der Transistor 22 stromführend wird, wird der Oszillator
entsperrt. Der Kollektor des Transistors 39 ist mit den Basen der Transistoren 10
und 42 verbunden. Wenn daher der Transistor 39 stromführend wird, steuert er normalerweise,
das heißt dann, wenn die Ausgangsspannung der Batterie 7 über dem vorbestimmten
Grenzwert liegt, den Transistor 42 und die von den Transistoren 10 und 11 gebildete
Transistoreinheit auf. Wenn die Transistoreinheit stromführend wird, steuert sie
ihrerseits den Transistor 12 auf. Wenn daher der Oszillator entsperrt ist, führen
normalerweise sämtliche Transistoren der Schaltung Strom.
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Alle Transistoren bleiben normalerweise stromführend, bis der Transistor
22 in der weiter unten erläuterten Weise gesperrt wird. Sperrt der Transistor 22,
steht kein Basisstrom mehr für den Transistor 39 zur Verfügung. Der Transistor 39
sperrt und steuert seinerseits die Transistoren 31, 42 und die Transistoreinheit
mit den Transistoren 10 und 11 zu Wenn die Transistoreinheit gesperrt wird, steuert
sie ihrerseits den Transistor 12 zu. Der Oszillator ist jetzt ausgeschaltet und
sämtliche Transistoren der Schaltung sind gesperrt
Die Einschaltzeitdauer
des Oszillators stellt die Zeitspanne dar, die zur Aufladung des Kondensators 29
erforderlich ist.
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Diese Zeitspanne ist im wesentlichen äquivalent der Impulsbreite des
Schrittmachers. In dem Augenblick, in dem der Oszillator stromführend wird, entspricht
die Spannung am Kondensator 29 der Einschaltspannung des Transistors 22. Dieses
Gleichgewicht tritt nur momentan ein, wenn sich der Kondensator 29 lädt, wänrendt
der Transistor 31 und/oder der Transistor 12 aufgesteuert sind. Die Transistoren
31 und 12 können solange Strom führen, wie der Transistor 22 aufgesteuert ist. Die
Aufladung des Kondensators 29 erfolgt, während der Oszillator eingeschaltet ist.
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Der eine Ladestromkreis läuft ausgehend vom Anschlußpunkt 9 über den
Transistor 31, den Widerstand 33, die Diode 32, die Widerstän de 34 und 35 sowie
das Potentiometer 36. Eine weitere Ladestrecke führt vom Anschlußpunkt 9 aus über
den Transistor 12, die Diode 32, die Widerstände 34 und 35 sowie das Potentiometer
36. Der Kondensator 29 lädt sich weiter auf, bis die Spannung am Kondensator 29
im wesentlichen gleich der Spannung am Anschlußpunkt 16 abzüglich des Spannungsabfalls
der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 ist. Dann sperrt der Transistor 22.
Die Zeitspanne, die verstreicht, bis der Kondensator 29 auf diese Spannung aufgeladen
ist, hängt von dem Ladestrom ab Der Ladestrom ändert sich seinerseits in Abhängigkeit
davon, ob der Transistor 12 während der Einschaltzeit des Oszillators Strom führt
oder ob dieser Transistor gesperrt ist, weil die die Transistoren 10 und 11 umfassende
Transistoreinheit keinen Strom führt. Bei aufgesteuertem Transistor 12 ist der Ladestrom
größer. Der Ladestrom
kann durch Verstellen des Potentiometers
36 beeinflußt werden.
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Infolgedessen entspricht die Impulsbreite im wesentlichen der Zeitdauer,
die erforderlich ist, um den Kondensator 29 auf die den Transistor 22 sperrende
Spannung aufzuladen. Dies hängt infolgedessen davon ab, ob ~der Transistor 12 entsperrt
werden kann und läßt sich durch Verstellen des Potentiometers 36 ändern.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung ist in der Lage, selbsttätig
die Ausgangsimpulsbreite zu vergrößern und die Folgefrequenz der Ausgangsimpulse
zu senken, wenn die Ausgangsspannung der Batterie 7 unter den vorbestimmten Grenzwert
abfällt. Dabei ist der von den Widerständen 2V und 21 gebildete Spannungsteiler
so bemessen, daß dann, wenn die Ausgangsspannung der Batterie 7 (die Spannung am
Anschlußpunkt 9) unter den vorbestimmten Grenz wert absinkt, die Spannung an der
Basis des Transistors 10 kleiner als die Summe der Schwellwertspannungen der Transistoren
10 und 11 wird und infolgedessen nicht mehr ausreicht, um die von den Transistoren
10 und 11' gebildete Transistoreinheit aufzusteuern, wenn der Oszillator eingeschaltet
ist. Normalerweise, das heißt dann, wenn die Ausgangsspannung der Batterie 7 über
dem vorbestimmten Grenzwert liegt, führt die Transistoreinheit Strom, wenn der Oszillator
entsperrt ist Wenn-die Transistoreinheit während des Einschaltzustandes des Oszillators
keinen Strom führt, kann die Spannung'am'Anschlußpunkt 16 größer werden als dies
der Fall ist, wenn die Transistoreinheit Strom führt. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß über den Widerstand
28 ein stärkerer Strom fließt, weil der
über den Widerstand 15 und den Transistor 11 führende zweite Stromweg entfällt.
Bei gesperrter Transistoreinheit ist infolgedessen die Spannung am Anschlußpunkt
16 während der Einschaltdauer des Oszillators höher als bei stromführender Transistoreinheit.
Das hat zur Folge, daß sich der Kondensator 29 auf eine höhere Spannung auflädt.
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Dafür ist eine größere Zeitdauer erforderlich, wodurch die Ausgangsimpulsbreite
vergrößert wird. Die größere Ladung auf dem Kondensator 29 erfordert eine längere
Entladedauer, wodurch die Impulsfolgefrequenz verkleinert wird. Beispiélsweise wird
die Entladedauer um 10 % vergrößert, wenn der Kondensator 29 auf diesen höheren
Spannungswert aufgeladen wird. Das bewirkt, daß der Schrittmacher bei Absinken der
Spannung der Batterie 7 unter den vorbestimmten Grenzwert mit einer Folgefrequenz
arbeitet, die geringer (typischerweise um 10 % kleiner) als die Folgefrequenz ist,
mit der der Schrittmacher arbeitet, solange die Spannung der Batterie 7 über dem
vorbestimmten Grenzwert liegt. Die Vergrößerung der Ausgangsimpulsbreite und die
Verringerung der Impulsfolgefrequenz lassen sich in Figur 2 deutlich erkennen.
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Die vorstehende Anordnung wurde in Verbindung mit einer speziellen
Ausführungsform eines Herzschrittmachers erläutert. Es versteht sich jedoch, daß
dies nur ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prinzips darstellt. Grundsätzlich
können sowohl das Merkmal der selbsttätigen Vergrößerung der Ausgangsimpulsbreite
als auch das Merkmal der automatischen Vergrößerung der Impulsintervalle vorteilhaft
bei jeder Einrichtung eingesetzt werden,
die Folgen von sich wiederholenden
Impulsen erzeugt Figur 4 zeigt teilweise in Blockform und teilweise als schematisches
Schaltbild eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Form eines Bedarfsherzschrittmachers
Bedarfsschrittmacher sind als solche bekannt. Infolgedessen sind im folgenden nur
diejenigen Schaltungsteile näher erläutert, die im Rahmen der Erfindung eine Rolle
spielen In Figur 4 ist die Stromquelle mit 50 bezeichnet. Es handelt sich dabei
um eine implantable Anordnung, die mehrere Batteriezellen umfaßt. Die Stromquelle
50 ist an eine erste Sammelleitung 51 und eine zweite Sammelleitung 52 angeschlossen
Zwischen den Sammelleitungen 51,52 liegt eine t)berwachungs- und Verstärkerstufe
53 Der Ausgang der Stufe 53 ist an die Basis eines Transistors 55 angeschlossen.
Der Emitter des Transistors 55 ist mit der Sammelleitung 52 verbunden, während der
Kollektor des Transistors 55 über einen Widerstand 56 und einen Widerstand 57 mit
der Sammelleitung 51 in Verbindung steht Der Kollektor des Transistors 55 steht
ferner über einen Kondensator 58 mit der Sammelleitung 52 in Verbindung und ist
an den Kollektor eines Transistors 59 angeschlossen. Der Emitter des Transistors
59 ist mit der Sammelleitung 52 verbunden Der Emitter eines Transistors 60 steht
über einen Widerstand 61 mit dem Kollektor des Transistors 55 in Verbindung Der
Kollektor des Transistors 60 ist an die Basis eines Transistors 62 angeschlossen.
Die
Basis des Transistors 62 steht über eineAn~Widerstand 63 mit dem Kollektor eines
Transistors 65 in Verbindung.
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Der Kollektor des Transistors 65 ist ferner über einen Widerstand
66 mit der Basis des Transistors 60 sowie über einen Widerstand 67 mit dem Emitter
des Transistors 62 verbunden. Der Emitter des TransiStors 65 ist an die Sammelleitung
52 angeschlossen. Die Basis des Transistors 60 steht über einen Widerstand 68 mit
der Sammelleitung 51 in Verbindung, während der Kollektor des Transistors 62 über
einen Widerstand 69 mit der Sammelleitung 51 verbunden ist. Die Basis des Transistors
65 ist über einen Widerstand 71 an die Sammelleitung 51 angeschlossen und steht
über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 72, einem Widerstand 73 und einem
Widerstand 74 mit der Basis des Transistors 59 in Verbindung.
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Der Emitter eines Transistors 75 ist an die Sammelleitung 51 angeschlossene
Die Basis dieses Transistors ist mit dem Kollektor des Transistors 62 verbunden.
Der Kollektor des Transistors 75 ist an die Verbindungsstelle der Widerstände 73
und 74 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 75 steht ferner über einen Widerstand
76, eine Diode 77 und einen Widerstand 78 mit der Sammelleitung 52 in Verbindung.
Die Basis eines Transistors 80 ist an die Verbindungsstelle zwischen Diode 77 und
Widerstand 78 angeschlossen Die Basis des Transistors 80 steht ferner über eine
Reihenschaltung aus einem Widerstand 81, einem Widerstand 82 und einem Kondensator
83 mit dem Emitter des Transistors 60 in Verbindung Ein zwischen den Widerständen
81 und 82 liegender Rückkopplungsspannungsanschluß
85 ist mit
der Verbindungsstelle zwischen Widerstand 76 und Diode 77 verbunden Die Verbindungsstelle
zwischen dem Kollektor des Transistors 55 und dem Widerstand 56 bildet einen Bezugsspannungsanschluß
86 Der Emitter des Transistors 80 ist mit der Sammelleitung 52 und einer Ausgangskleme
me 87 verbunden. Der Kollektor des Transistors 80 steht über einen Widerstand 88
mit der Sammelleitung 51 in Verbindung- Ein Kondensator 89 liegt zwischen dem Kollektor
des Transistors 80 und einer Ausgangsklemme 90. Die Ausgangsklemmen 87 und 90 können
an das Herz angeschlossen werden Die Ausgangsklemme 90 steht ferner mit der Überwachungs-
und Verstärkerstufe 53 in Verbindung, um die Herzschläge zu überwachen-Die Ausgangsklemmen
87 und 90 können mit am Herzen sitzenden Elektroden verbunden werden Über diese
Elektroden werden Reizimpulse zugeführt und die Ansprechsignale des Herzens aufgenommen
Ist die Anordnung nach Figur 4 an das Herz angeschlossen, liefert die Stromquelle
50 Energie an die gesamte Schaltungsanordnung einschließlich der Transistoren 60,
62 und 75, die einen astabilen Multivibrator oder Impulsgenerator bilden.
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Wenn Herzschläge auftreten, macht sich das darauf zurückzuführende
elektrische Signal an den Ausgangsklemmen 87 und 90 bemerkbar Dieses Signal wird
zu der Stufe 53 zurückgeführt, wo es ermittelt und verstärkt wird Beim Erfassen
eines Herzschlages gibt die Stufe 53 ein Signal ab, das den Transistor 55 aufsteuert,
so daß der Kondensator 58 entladen wird Dadurch wird das Einschalten
des
Impulsgenerators verhindert.
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Wird dagegen kein Herzschlag ermittelt, unterbleibt die Entladung
des Kondensators 58. Der Kondensator 58 lädt sich über die Widerstände 56 und 57
bis auf einen Wert auf, bei dem der Transistor 60 aufgesteuert wird. Führt der Transistor
60 Strom, macht sich dies an der Basis des Transistors 62 bemerkbar. Der Transistor
62 wird aufgesteuert und steuert seinerseits den Transistor 75 über dessen Basis
auf Wenn der Transistor 75 stromführend wird, gibt er ein Signal ab, das den Transistor
59 aufsteuert. Über den stromführenden Transistor 59 entlädt sich der Kondensator
58 Der Impulsgenerotor bleibt jedoch infolge der Rückkopplungsschleife eingeschaltet,
die den an den Emitter des Transistors 60 angeschlossenen Kondensator 83 aufweist.
Der über die Diode 77 fließende Strom sorgt infolge der Diodenkennlinie für eine
im wesentlichen konstante Rückkopplungsspannung am Anschluß 85 Diese Rückkopplungsspannung
wird in Verbindung mit der am Anschluß 86 anstehenden Bezugsspannung benutzt, um
die Entladezeit des Kondensators 83 zu beeinflussen. Wenn der Kondensator 83 entladen
ist, sperrt der Transistor 60, wodurch auch die Transistoren 62, 75 und 59 gesperrt
werden.
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Der Transistor 65 und die zugeordneten Schaltungselemente, insbesondere,
der Widerstand 71 , der Kondensator 72 und der Widerstand 73, sind vorgesehen, um
in bekannter Weise für eine Folgefrequenzbegrenzung zu sorgen.
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Der Transistor 80 arbeitet als Impulsausgangstransistor, der bei Entsperren
des Transistors 75 aufgesteuert wird, um den Ausgang3-impuls an die Ausgangsklemmen
87 und 90 anzulegen Aus der obigen Beschreibung folgt, daß die Zeitkonstante des
Serien-RC-Gliedes, das den Widerstand 82, den Kondensator 83 und den Widerstand
61 umfaßt, bestimmend für die Impulsbreite des Impulsgenerators der Schaltungsanordnung
nach Figur 4 ist Wäre der Widerstand 82 nicht vorhanden, müßte eine Zeitkonstante
von kleinerer Größe gewählt werden, um für die gewünschte Anfangsimpulsbreite bei
voll geladener Batterie zu sorgen, da am Anschluß 85 eine im wesentlichen konstante
Pückkopplungsspannung ansteht- Wenn die Ladung der Batterie abnimmt, sinkt die Spannung
am Bezugsspannungsanschluß 86 Wegen der kleineren Zeitkonstante würde sich jedoch
die Impulsbreite, die der den Kondensator 83 einschließende RC-Kreis vorgibt, keine
nennenswerte Änderung erfahren Bei abnehmender Spannung würde daher ohne wesentliche
Vergrößerung der Impulsbreite die Gesamtenergie des Ausgangsimpulses abnehmen, wie
dies in Figur 6 gezeigt ist Dies könnte für den Patienten gefährlich sein Bei der
Ausführungsform nach Figur 4 wird dieses Problem durch Einfügen des Widerstandes
82 ausgeräumt Dadurch, daß dieser Widerstand zwischen dem Kondensator 83 und dem
Rückkopplungsspannungsanschluß 85 liegt, wird ein Spannungsteilereffekt erzielt,
der es erlaubt, daß der den Kondensator 83 aufweisende
RC-Kreis
eine größere Zeitkonstante hat. Ein Teil der Rückkopplungsspannung am Anschluß 85
fällt am Widerstand 82 ob, so daß die anfängliche Impulsbreite bei voll aufgeladener
Stromquelle trotz det- größeren Zeitkonstante die gleiche sein kann, wie diejenige,
die ohne Widerstand 82 erhalten wird. In Anbetracht der wesentlich größeren Zeitkonstante
des den Kondensator 83 einschließenden Rückkopplungskreises führt jedes Absinken
der Spannung der Stromquelle 50t das sich an dem Bezugsspannungsanschluß 86 bemerkbar
macht, zu einer wesentlichen Vergrößerung der Impulsbreite. Durch geeignete Auswahl
des Widerstandes 82 wird erreicht, daß die Gesamtenergie des Ausgangsimpulses innerhalb
eines weiten Bereiches abnehmender Spannungen über einem vorbestimmten Grenzwert
bleibt, wie dies aus Figur 6 zu erkennen ist.
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Die gleiche Wirkung kann nicht dadurch erzielt werden, daß einfach
die Zeitkonstante durch Vergrößern des Wertes des Wieerstandes 61 erhöht wird. In
einem solchen Falle würde kein Teil der vom Anschluß 85 kommenden Rückkopplungsspannung
zum Abfall gebracht werden; infolgedessen könnte die anfängliche Impulsbreite bei
der Ausgangsspannung der Batterie nicht erhalten werden, ohne die Spannung am Anschluß
85 abzusenken. Eine Absenkung der Spannung am Anschluß 85 führt, wie Versuche ergaben,
zu einer Schaltung mit unzureichender Zuverlässigkeit; außerdem wird keine wesentliche
impulsbreitenvergrößerung über einen Bereich abnehmender Batteriespannungen-erzielt.
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Um die mit der Anordnung nach Figur 4 erreichten Vorteile besser
verstehen
zu können, sei auf die Figuren 5 und 6 Bezug genommen.
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Figur 5 zeigt die gegenseitige Abhängigkeit von Batteriespannung und
Irnpulsdauer (Impulsbreite). Es sind drei Kurven veranschaulicht, von denen jede
bei dem gleichen Wert der maximalen Batteriespannung beginnt und jeweils die Änderung
der Impulsbreite erkennen läßt, zu der es bei einem Absinken der Batteriespannung
kommt. Die Kurve 95 gilt für eine Anordnung, die nicht in erfindungsgemäßer Weise
aufgebaut ist, bei der insbesondere nicht der Widerstand 82 vorhanden ist. Wie ersichtlich,
tritt nur eine geringfügige Steigerung der Impulsdauer innerhalb eines weiten Bereiches
abnehmender Batteriespannung ein Die Kurve 96 gilt für eine erfindungsgemäße Anordnung,
bei der jedoch nicht für eine stärkere Vergrößerung der Zeitkonstante des den Kondensator
83 einschließenden Rückkopplungskreises gesorgt ist. Es ist zu erkennen, daß durch
Einfügen eines wenn auch noch nicht optimal bemessenen Widerstandes 82 eine ausgeprägtere
Änderung der Impulsdauer bei abnehmender Batteriespannung erhalten wird. Die Kurve
97 gilt für eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der Widerstand 82 so gewählt
ist, daß innerhalb eines beträchtlichen Bereiches abnehmender Batteriespannungen
eine erhebliche Steigerung der Impulsdauer oder Impulsbreite erzielt wird.
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Ein Vergleich der Figuren 5 und 6 läßt die Energiewerte der Ausgangsimpulse
erkennen, die bei sich ändernder Impulsbreite erhalten werden. Figur 6 zeigt die
gegenseitige Abhängigkeit von Batteriespannung und Ausgangsenergie. Wie ersichtlich,
fällt bei der Anordnung, bei der der Widerstand 82 fehlt (Kurve 95'), die
Energie
bei abnehmender Batteriespannung sofort ab. Entsp.echend der- Kurve 96# ist die
Abnahme der Energie etwas weniger ausgeprägt als im Falle der Kurve 95' . Bei abfallender
Batteriespanflung kommt es jedoch noch immer- zu einer unerwünschten Absenkung der
Ausgangsenergie. Die Kurve 97' zeigt den gewünschten Verlauf der Energie in Abhängigkeit
von der Batteriespannung7 wie er bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
erzielt wird. Es ist zu erkennens daß durch erhebliche Vergrößerung der Impulsbreite
bei abnehmender Batteriespannung die Ausgangsenergie mittels der beschriebenen Anordnung
innerhalb eines weiten Batteriespannungsbereiches über einem vorbestimmten Grenzwert
gehalten wir'd., wodurch ein ausreichender Sicherheitsspielrsum fur den Patienten
verbleibt.
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4us den Figuren 5 und 6 folgt, daß bei der Ausführungsform nach Figur-
4 die Impulsbreite ständig überwacht und bei abnehmender Botter-iespannung geändert
wird Die erläuterte zweite Ausführungsform führt also zu einem elektromedizanischen
Gerät, mittels dessen die Impulsbreite der abgehenden Reizstromimpulse in Abhängigkeit
von einer Abnahme der Speisespannung kontinuierlich so eingestellt werten kann,
daß die Gesamtenergie der Reizstromimpulse innerhalb eines verhaltnismäßig großen
Bereiches abnehmender Speisespannungen über einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
Dem Patienten steht auf diese Weise innerhalb eines weiten Bereiches abfallender
teriespannungen ein Sicherheit-sspielraum zur Verfügung. Außerdem wird die
Batterieentladung
verringert, da es nicht erforderlich ist, die ursprüngliche Impulsbreite größer
zu machen als dies bei vollgeladener Batterie für die zukünftige Abnahme der Batteriespannung
notwendig ist. Durch die selbsttätige Berücksichtigung der Batterjeentladung vermeidet
die Anordnung nach der Erfindung einen unnötigen Energieverbrauch. Gleichwohl stellt
sie sicher, daß für den Reizvorgang ausreichende Energie zur Verfügung steht.