DE2327602A1

DE2327602A1 - PACEMAKER

Info

Publication number: DE2327602A1
Application number: DE2327602A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Hentschel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-05-30
Filing date: 1973-05-30
Publication date: 1974-12-12

Description

"Herzschrittmacher" Als Energiequellen für Herzschrittmacher werden bisher Quecksilberbatterien benutzt. Deren Lebensdauer beträgt etwa zwei Jahre, weshalb nach Ablauf dieser Zeit der Herzschrittmacher entnommen und die Batterie ersetzt werden muß. "Pacemakers" are used as sources of energy for pacemakers previously used mercury batteries. Their lifespan is about two years, which is why the pacemaker and the battery are removed after this time has elapsed needs to be replaced.

Bei implantierbaren Herzschrittmachern besteht zweifellos das Bedürfnis nach Stromquellen, deren Lebensdauer wesentlich größer ist. Solche Energiequellen stehen in Form der Nuklearbatterien zur Verfügung. Bei diesen wird Kernenergie, die im wesentlichen in Form von # -Strahlung des radioaktiven Isotops Prometium anfällt, in einer Reihe von pn-Übergängen, die in Reihe geschaltet sind, in elektrische Energie umgewandelt.There is undoubtedly a need for implantable cardiac pacemakers for power sources whose service life is much longer. Such sources of energy are available in the form of nuclear batteries. In these, nuclear energy is which are essentially in the form of # -radiation of the radioactive isotope Prometium occurs in a series of pn junctions, which are connected in series, into electrical Energy converted.

Die Nuklearbatterien weisen allerdings eine starke Abhängigkeit der Stromspannungskennlinien von der Temperatur und vom Strahlungsfluß auf, der die pn-Übergänge durchsetzt und damit von der Zeit, da die strahlende Substanz zerstrahlt wird.The nuclear batteries, however, show a strong dependency on the Current-voltage characteristics of the temperature and of the radiation flux, which the pn junctions permeated and thus by the time when the radiating substance is annihilated will.

Die Nuklearbatterien können über verhältnismäßig lange Zeit, nämlich etwa 10 Jahre Leistung abgeben, welche für die Versorgung von Schrittmachern durchaus genügt. Die Herzschrittmacher erfordern aber eine Klemmenspannung, die sich mit der Zeit nur sehr geringfügig ändert, damit wichtige Eigenschaften während der Implantationszeit konstant bleiben. Solche Eigenschaften sind: die Stimulationspulsfrequenz, die Stimulationsimpulsdauer, die Empfindlichkeit und die Refraktärzeit sowie bei p-wellengesteuerten Schrittmachern die Verzögerungszeit zwischen der p-Welle und dem Stimulationsimpuls.The nuclear batteries can last for a relatively long time, namely deliver about 10 years of power, which is definitely necessary for the supply of pacemakers enough. The pacemaker but require a terminal voltage, which changes only very slightly over time, thus important properties remain constant during the implantation period. Such properties are: the stimulation pulse rate, the stimulation pulse duration, the sensitivity and the refractory period as well as at p-wave controlled pacemakers the delay time between the p-wave and the stimulation pulse.

Die Forderung nach einer während der Implantationszeit allenfalls geringfügig abfallenden Klemmenspannung macht die Verwendung der Nuklearbatterien bei Herzschrittmachern bisher unmöglich.The requirement for one during the implantation period at best slightly dropping terminal voltage makes the use of nuclear batteries previously impossible with pacemakers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der es gestattet, bei Herzschrittmachern die verhältnismäßig lange Lebensdauer der Nuklearbatterien zu nutzen und dennoch für die Konstanz der wichtigsten Schrittmachereigenschaften während der Implantationszeit zu sorgen.The invention is based on the object of showing a way that it allows the relatively long life of the nuclear batteries in pacemakers to use and yet for the constancy of the most important pacemaker properties to worry about during the implantation period.

Das Erfindungsproblem wird bei einem Herzschrittma-cher in vorteilhafter und fortschrittlicher Weise durch ein Konstantstromteil zwischen Batterie und gesteuertem oder ungesteuertem Impulsgenerator gelöst, welcher Konstantstromteil mittels eines Feldeffekttransistors in Source-Folgeschaltung gebildet ist, wobei der Feldeffekttransistor bis zum Abfall der Batteriespannung auf einen vorbestimmten Wert im Pinch-off-Bereich, danach im Triodenbereich betrieben wird.The problem of the invention becomes more advantageous with a pacemaker and more advanced with a constant current part between the battery and the controlled one or uncontrolled pulse generator solved, which constant current part by means of a Field effect transistor is formed in source follower circuit, the field effect transistor until the battery voltage drops to a predetermined value in the pinch-off range, is then operated in the triode range.

Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Herzschrittmacher wird gewährleistet, daß die dem, eigentlichen Schrittmacher zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung über viele Jahre nicht unter einen vorbestimmten Wert fällt und daß dann, wenn dieser Spannungswert gegen Ende der Lebensdauer der Batterie erreicht wird, der Feldeffekttransistor im Triodenbereich betrieben wird, so daß der Herzschrittmacher dann unmittelbar die zeitlich stark fallende Batterie-Klemmenspannung erhält, was verhältnismäßigleicht feststellbar ist.With a cardiac pacemaker designed according to the invention, it is ensured that the supply voltage made available to the actual pacemaker for many years does not fall below a predetermined value and that if this Voltage value reached towards the end of the battery life is the field effect transistor is operated in the triode range, so that the pacemaker then immediately the temporally strong falling battery terminal voltage gets what is relatively easy to determine.

Abgesehen davon, daß der erfindungsgemäße Herzschrittmacher die Verwendung der langlebigen Nuklearbatterien ermöglicht, führt er zusätzlich zu einer Verringerung des Energieumsatzes im Schrittmacher im Vergleich zu Schrittmachern konventioneller Schaltungen. Die Verringerung des Energieumsatzes beträgt ca. i1#, da die Kondensatoren, die während einer Periode des Stimulationspulses umgeladen werden, auf geringere Spannung aufgeladen werden können. Bei synchronisierten Schrittmachern ergibt sich eine weitere Verringerung des Energieumsatzes, weil dann, wenn sich der synchronisierte Betrieb einstellt, die Stimulationsimpulsdauer kleiner wird.Apart from the fact that the pacemaker according to the invention the use made possible by long-life nuclear batteries, it also leads to a reduction of the energy expenditure in the pacemaker compared to conventional pacemakers Circuits. The reduction in energy consumption is approx. I1 #, since the capacitors, that are recharged during a period of the stimulation pulse to lower ones Voltage can be charged. With synchronized pacemakers this results a further reduction in energy expenditure, because when the synchronized Operation stops, the stimulation pulse duration becomes shorter.

Die Erfindung ist-nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.The invention is explained below with reference to the drawing.

Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild eines gesteuerten Schrittmachers konventioneller Bauart, Fig. 2 das Blockschaltbild-eines festfrequenten Schrittmachers konventioneller Bauart, Fig. 3 das Blockschaltbild eines gesteuerten Herzschrittmachers nach der Erfindung, Fig. 4 das Blockschaltbild eines festfrequenten Schrittmachers nach der Erfindung, Fig. 5 ein Schaltbild, aus welchem der Aufbau des iconstantstromteils ersichtlich ist, Fig. 6 das Schaltbild eines Zusatzteils zum Konstanthalten der Amplitude des Ausgangsimpulses.1 shows the block diagram of a controlled pacemaker conventional design, Fig. 2 is a block diagram of a fixed rate pacemaker conventional design, Fig. 3 is the block diagram of a controlled cardiac pacemaker according to the invention, Fig. 4 is a block diagram of a fixed rate pacemaker according to the invention, Fig. 5 is a circuit diagram from which the structure of the iconstantstromteils It can be seen, Fig. 6 is the circuit diagram of an additional part for keeping the constant Amplitude of the output pulse.

Bei dem gesteuerten Herzschrittmacher, dessen Schaltbild in Fig. 1 wiedergegeben ist, wird das mit den Elektroden 6, 7 aufgenommene Signal (R-Zacke oder P-Welle) über einen Tiefpaß 1 einem Verstärker 2 zugeführt. Das verstärkte Signal löst im Monoflop 3 einen Rechteckimpuls aus, dessen Flanken im Stimulationspulsgenerator 4; der als Rechteckgenerator mit unsymmetrischem Tastverhältnis aufgebaut ist, eine Verkürzung der Periodendauer (synchrone Stimulation) bewirken oder den Generator stillsetzen (inhibierte Stimulation), wenn die Pulsfrequenz (Frequenz des Steuersignals) die Stimulationspulsgrund frequenz von f# 70/min überschreitet. Das Ausgangssignal des 0 Pulsgenerators wird über einen Impulsverstärker 5 und einen Kondensator C1 an die Elektroden 6, 7 geliefert. Ist die Versorgungsspannung U11 größer als eine Schwellspannung Uo (ca.In the case of the controlled pacemaker, the circuit diagram of which is shown in FIG is reproduced, that recorded with the electrodes 6, 7 is recorded signal (R-wave or P-wave) is fed to an amplifier 2 via a low-pass filter 1. That amplified Signal triggers a square pulse in monoflop 3, the edges of which in the stimulation pulse generator 4; which is constructed as a square wave generator with asymmetrical duty cycle, a Reduction of the period duration (synchronous stimulation) or the generator stop (inhibited stimulation) when the pulse rate (frequency of the control signal) the basic stimulation pulse frequency exceeds f # 70 / min. The output signal of the 0 pulse generator is via a pulse amplifier 5 and a capacitor C1 supplied to the electrodes 6,7. If the supply voltage U11 is greater than one Threshold voltage Uo (approx.

1,7 V), so liefert der Impulsgenerator ein Signal, dessen Frequenz mit steigender Spannung U11 größer wird und dessen Tastverhältnis sich so ändert, daß die Impulsdauer des Stimulationsimpulses wächst. Der Stromverbrauch steigt mit wachsendem U11, wenn dabei die Pulsfrequenz und die Impulsdauer konstant gehalten werden.1.7 V), the pulse generator delivers a signal, its frequency with increasing voltage U11 increases and its duty cycle changes so, that the pulse duration of the stimulation pulse increases. The power consumption increases with it increasing U11, if the pulse frequency and the pulse duration are kept constant will.

Die Impulsdauer des Monoflopimpulses und der Strom durch das Monoflop steigen mit größer werdendem Ull, und es ändert sich die Ansprechschwelle.The pulse duration of the monoflop pulse and the current through the monoflop increase with increasing Ull, and the response threshold changes.

Die Verstärkung des Verstärkers ändert sich mit einer Änderung von U11, da die Transistoren im Verstärker mit sehr geringen Kollektorströmen, d.h. im Bereich sehr großer Änderung des Stromverstärkungsfaktors, betrieben werden. Der Strom steigt mit U11.The gain of the amplifier changes with a change in U11, since the transistors in the amplifier have very low collector currents, i.e. in the range of very large changes in the current amplification factor. The current increases with U11.

Beim festfrequenten Herzschrittmacher vereinfacht sich der Gesamtaufbau, wie aus der Schaltung nach Fig. 2 hervorgeht, in welcher gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.With a fixed-rate pacemaker, the overall structure is simplified, as can be seen from the circuit of Fig. 2, in which like parts with like Reference numerals are designated.

Bei dem gesteuerten Herzschrittmacher nach Fig. 3 und auch bei dem festfrequenten Herzschrittmacher nach Fig. 4 ist zwischen Batterie 8 und Impulsgenerator 4 das Konstantstromteil 9 eingebaut.In the controlled pacemaker according to FIG. 3 and also in the fixed frequency pacemaker according to Fig. 4 is between battery 8 and pulse generator 4, the constant current part 9 is installed.

Wenn sowohl der gesteuerte als auch der festfrequente Herzschrittmacher als Bürde RL bezeichnet wird, dann ergibt sich für die erfindungsgemäße Ausbildung das vereinfachte Schaltbild nach Fig. 5 links, dessen Konstantstromteil in Fig. 5 rechts näher wiedergegeben wird.If both the controlled and the fixed-rate pacemaker is referred to as burden RL, then results for the training according to the invention the simplified circuit diagram of FIG. 5 on the left, the constant current part of which is shown in FIG. 5 is reproduced in more detail on the right.

Das Konstantstromteil 9 wird aus dem Sperrschicht-Fe#deffekttransistor 10 und den Widerständen R1, R2 und R3 gebildet.The constant current part 9 is made of the junction Fe # deffekttransistor 10 and the resistors R1, R2 and R3.

Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 10 wird im Pinch-off-Bereich betrieben (UDs zuUp - Uns), in welchem der Drainstrom fast unabhängig von der Drain-Source-Spannung ist. Das Konstandstromteil 9 zeigt das Verhalten einer Konstantstromquelle. Eine weitere Stabilisierung bringt die Rückführung eines drainstromproportionalen Signals auf die Steuerelektrode über den Spannungsteiler aus R1 und R2. Der Spannungsteiler dient dazu, den Strom des Konstantstromsystems einzustellen und damit die Spannung U1 am Lastwiderstand RL. Unterschreitet die Batteriespannung UB einen Wert, der nur wenig über der Spannung U1 liegt, so arbeitet der FET nicht mehr im Pinch-off-Bereich, sondern im Triodenbereich, in welchem eine durch die Rückführung und die FET-Keunwerte definierte Abhängigkeit des Stromes von der Spannung vorliegt.The junction field effect transistor 10 is in the pinch-off area operated (UDs zuUp - Uns), in which the drain current is almost independent of the drain-source voltage is. The constant current part 9 shows the behavior of a constant current source. One the return of a signal proportional to the drain current brings further stabilization to the control electrode via the voltage divider from R1 and R2. The voltage divider is used to set the current of the constant current system and thus the voltage U1 at the load resistor RL. If the battery voltage UB falls below a value that is only slightly above the voltage U1, the FET no longer works in the pinch-off range, but in the triode area, in which one by the feedback and the FET Keunwerte there is a defined dependence of the current on the voltage.

Wenn das Konstantstromteil bei den Herzschrittmachern gemäß der Schaltung nach Fig. 3 und Fig. 4 eingebaut wird, dann stellt sich am Kondensator C2 eine Spannung ein, welche sich aus den Stromspannungskennlinien von Verstärker, Monoflop und Generator sowie der Bedingung gI = o im Punkt K ergibt. Diese Spannung U111 kann mit Rl und R2 eingestellt werden. Da sie unabhängig ist von der Batteriespannung UB, ist auch die Stimulationspul sgrundfrequenz (Frequenz ohne Steuerung) unabhängig von U3 ebenso wie die Impulsdauer. Wegen der Unabhängigkeit der Spannung U111 von der Batteriespannung kann die Spannung Ulil knapp über diejenige Spannung gelegt werden, bei welcher die Generatorschwingung einsetzt, was einen optimal geringen Stromverbrauch zur Folge hat. Empfindlichkeit, Monoflopzeit und Refraktärzeit sind aufgrund der Konstanz von U111 ebenfalls konstant.When the constant current part in the pacemaker according to the circuit is installed according to Fig. 3 and Fig. 4, then a voltage is established across the capacitor C2 one, which is derived from the voltage characteristics of the amplifier, monoflop and generator as well as the condition gI = o at point K. This voltage U111 can with Rl and R2 can be set. Since it is independent of the battery voltage UB, is also the stimulation pulse basic frequency (frequency without control) independent of U3 as well like the pulse duration. Because of independence the voltage U111 from the battery voltage, the voltage Ulil can be placed just above the voltage at which the generator oscillation begins, which is an optimally low one Electricity consumption. Sensitivity, monoflop time and refractory period are also constant due to the constancy of U111.

Bei gesteuertem Betrieb wird der Stromverbrauch von Monoflop und Generator größer. Damit sinkt U111 und die Stimulationsimpulsdauer wird kleiner. Da der wesentliche Leistungsumsatz im Lastwiderstand des Schrittmachers stattfindet, bedeutet die lmpulsverkürzung, die bei Eigenaktion des Herzens erwünscht ist, eine Verbesserung der Leistungsbilanz. Sinkt die Batteriespannung unter die Spannung U111, so folgt die Spannung am Generator ungefähr der Batteriespannung, was bedeutet, daß die Stimulationspulsfrequenz feststellbar deutlich sinkt.With controlled operation, the power consumption of the monoflop and the generator greater. This reduces U111 and the stimulation pulse duration becomes shorter. Because the essential Power conversion takes place in the load resistance of the pacemaker, means the pulse shortening, which is desirable in the heart's own action, an improvement in the balance of payments. If the battery voltage falls below the voltage U111, the voltage on the generator follows approximately the battery voltage, which means that the stimulation pulse rate can be determined decreases significantly.

Die Spannung U111 kann bei Kenntnis des Zusammenhanges zwischen verfügbarer Batterielebensdauer und Batteriespannung optimal ausgewählt werden.The voltage U111 can with knowledge of the relationship between the available Battery life and battery voltage can be optimally selected.

Als besonderer Vorzug für die Anwendung des angegebenen Aufbaues der Herzschrittmacherschaltung ist der geringe Leistungsumsatz im Konstantstromteil anzusehen.As a special advantage for the application of the specified structure of the Pacemaker circuit is the low power consumption in the constant current part to watch.

Um im Bedarfsfall die Amplitude des Ausgangsimpulses konstant halten zu können, kann in der Schaltung nach Fig. 3 der Impulsverstärker 5 durch die Bauteilgruppe nach Fig. 6 ersetzt werden, wobei die Spannung U111 als Referenzspannung für die Konstantspannungsquelle mit dem Transistor 11 als Serienregler dient, a1S welcher der Impulsverstärker 5t versorgt werden kann. So entsteht eine Schaltung, die bei hinreichend geringem Leistungsverbrauch einen Stimulationsimpuls mit sehr geringer Abhängigkeit der Impulsspitzenspannung von der Batteriespannung und vom Lastwiderstand zwischen den Elektroden erzeugt. Bei Verwendung einer Impulsverdopplerschaltung im Impulsverstärker können leicht Impulsspitzenspannungen erreicht werden, wie sie normalerweise verwendet werden.To keep the amplitude of the output pulse constant if necessary to be able to, can in the circuit of Fig. 3 of the pulse amplifier 5 by the component group be replaced according to Fig. 6, the voltage U111 as the reference voltage for the Constant voltage source with the transistor 11 serves as a series regulator, a1S which the pulse amplifier 5t can be supplied. This creates a circuit that works with sufficiently low power consumption a stimulation pulse with very little Dependency of the pulse peak voltage on the battery voltage and on the load resistance generated between the electrodes. When using a pulse doubler circuit in the pulse amplifier can easily reach pulse peak voltages as they are normally used.

Claims

Claim

Cardiac pacemaker, characterized by a constant current part (9) between battery (8) and controlled or uncontrolled pulse generator), which Constant current part (9) by means of a field effect transistor (10) in a source follower circuit is formed, the field effect transistor (10) until the battery voltage drops to a predetermined value in the pinch-off range, then operated in the triode range will.

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