DE2438727A1

DE2438727A1 - Elektrische energieversorgungseinheit

Info

Publication number: DE2438727A1
Application number: DE2438727A
Authority: DE
Inventors: Jin W Lee
Original assignee: Medcor Inc
Current assignee: Medcor Inc
Priority date: 1973-09-25
Filing date: 1974-08-12
Publication date: 1975-04-10
Also published as: JPS5059754A; CA1028753A; FR2245134A1; FR2245134B3; US3871383A; NL7412048A; GB1478910A

Description

Elektrische Energieversorgungseinheit

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Impulsgeneratoren wie etwa elektronische Apparate zur Stimulation von Körperorganen. Insbesondere betrifft die Erfindung Impulserzeuger, die zur Erhöhung der Zuverlässigkeit mit einer neuartigen Redundanz-Energiequelle arbeiten. Die Erfindung wird hier im einzelnen im Zusammenhang mit einem batteriegespeisten elektronischen Apparat zur Herζstimulation oder einem Herzschrittmacher beschrieben, da die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Verwendung bei solchen Schrittmachern entwickelt worden ist. Allerdings kann die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit auch bei anderen Impulsgeneratoren verwendet werden. Beispielsweise könnte sie in Verbindung mit elektronischen Stimulatoren für das Gehirn, die Harnblase und sonstige Körperorgane sowie ferner mit Schrittmachern, die sich von dem im folgenden beschriebenen Typ unterscheiden, verwendet werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Während der letzten etwa zehn Jahre ist die elektronische Herzschrittmachertechnik zu der therapeutischen Standardmethode zur Erzeugung einer künstlichen Herzstimulation geworden, um bei Patienten den Herzschlag einzuleiten. Herzschrittmacher werden heutzutage routinemäßig zusammen mit den'Energiequellen, gewöhnlich Batterien, zur Speisung des Schrittmachers in den Körper des Patienten eingepflanzt.

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Obwohl die bei implantierbaren Herzschrittmachern verwendeten Batterien mit äußerster Sorgfalt gebaut werden, um lange Lebensdauer und maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten, versagen sie gelegentlich nach einer unvorhersehbaren und zufälligen Betriebsdauer, und natürlich erschöpfen sie sich während des normalen Betriebs.

Da man festgestellt hat, daß Versagen oder vorzeitige Erschöpfung der Batterie den Hauptgrund für das Versagen von Herzschrittmachern bildet, ist es erwünscht oder zweckmäßig geworden, als Energiequelle für den Schrittmacher mehrere in einer parallelen Redundanzschaltung zusammengeschlossene Batterien zu verwenden. Beispielsweise ist in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 241 577 vom 6. April 1972 eine Energieversorgungseinheit mit zwei parallelen Zweigen gezeigt, wobei in jedem Zweig zwei in Serie geschaltete Zellen vorgesehen .sind.

Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, daß die Verwendung von redundanten oder überschüssigen Batterien als Energiequelle einen erheblichen Nachteil darstellt, falls, in der Energieversorgungseinheit oder in der elektronischen Schaltung des Schrittmachers keine Vorkehrungen getroffen sind, um ein vorzeitiges Versagen der Batterie nach außen anzuzeigen. Es muß hier erläutert werden, daß bei Schrittmachern, die eine aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen aufgebaute Batterie aufweisen, ein Batterieversagen gewöhnlich durch eine Änderung der Impulsfrequenz angezeigt wird, da diese bei solchen Schrittmachern gewöhnlich proportional zur Batteriekleminenspannung ist. Bei einem redundanten System mit zwei Batterien könnte dagegen ein Schrittmacher kurz nach der implantation mit der Hälfte der Energie arbeiten, falls eine Batterie in einem parallelen Zweig versagt, ohne daß der Patient oder der behandelnde Artζ eine äußere Anzeige erhält, weil die Klemmenspannung des anderen parallelen Zweige bestimmungsgemäß für die normale Funktion der Schrittmacher-Elektronik adäquat ist. Dies bedeutet, daß selbst bei völliger Erschöpfung einer der Batterien die Klemmenspannung des verbleibenden Parallelzweigs die ordnungsgemäße Arbeitsweise des Schrittmachers gewährleistet. Die Gefahr dieser Situation liegt auf der Hand, da angenommen wird, daß der Schrittmacher

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nach seiner Implantation über eine vorbestimmte Zeitspanne sicher arbeitet, während er in dem gewählten Beispiel tatsächlich schon in der Hälfte dieser Zeit oder weniger mit Sicherheit ausfallen wird.

Um den soeben beschriebenen Nachteil zu vermeiden, ist gemäß der obengenannten U.S.-Patentanmeldung eine Vorrichtung geschaffen worden, die den Zustand der die redundante Energieversorgungseinheit, des Schrittmachers bildenden Batterien indirekt bestimmt. Die Vorrichtung und die Arbeitsweise zur indirekten Bestimmung des Zustands der Batterien in der Energieversorgungseinheit nach der besagten Anmeldung benötigt einen Permanentmagnet zur Betätigung eines in dem Schrittmacher enthaltenen Schalters, der bei Betätigung die normalerweise parallel geschalteten Batterien in Serie schaltet. Auf diese Weise ist es möglich, eine genaue. Auswertung der Batteriezustände indirekt zu vermitteln.

Ein weiterer in der besagten Patentanmeldung offenbarter Vorteil besteht darin, daß dann, wenn in den beiden parallelen Zweigen der Energieversorgungseinheit eine einzelne Zelle versagt, durch kontinuierliche Verwendung eines Permanentmagnets zur Betätigung des Schalters die restlichen Zellen in jedem parallelen Zweig in Serie geschaltet wurden, um den Betrieb des Schrittmachers aufrechtzuerhalten.

Hinsichtlich weiterer Vorteile der in der obengenannten Anmeldung offenbarten Erfindung wird der Leser darauf verwiesen. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung an der Energieversorgungseinheit des in der oben erwähnten Anmeldung offenbarten Typs dar.

Die Erfindung vermittelt eine Energieversorgungseinheit mit mindestens zwei parallelen Zweigen, wobei in jedem parallelen Zweig mindestens eine elektrische Energiequelle angeordnet ist. Mit den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit sowie mit jedem ihrer parallelen Zweige sind dabei Schaltungseinrichtungen funktionsmäßig verbunden, die ansprechen, wenn die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit auf einen vorbestimmten Wert fällt, und die elektrischen Energie-

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quellen automatisch in Serie schalten.

Die Schaltungseinrichtungen umfassen ein mit jedem parallelen Zweig der Energieversorgungseinheit funktionsmäßig verbundenes Schaltungselement mit variabler Impedanz sowie einen mit den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit sowie dem Schaltungselement variabler Impedanz funktionsmäßig verbundenen Spannungsmeßkreis. Dieser Spannungsmeßkreis spricht auf eine vorbestimmte Meßspannung an und bewirkt, daß die Energiequellen jedes parallelen Zweigs der Energieversorgungseinheit dadurch in Serie geschaltet werden, daß die Impedanz des Schaltungselements variabler Impedanz gemäß der gemessenen Spannung verändert wird. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Spannunng zwischen den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit auf einer konstanten Spannung gehalten wird, die im wesentlichen gleich ist der Summe der an jeder elektrischen Energiequelle auftretenden Spannung minus dem Spannungsabfall an dem Schaltungselement variabler Impedanz.

Auf dieser Art und Weise vermittelt die Erfindung für eine Energieversorgungseinheit mit zwei parallelen Zweigen, in deren jedem ein Paar von seriengeschalteten Batterien vorhanden ist, Schaltungseinrichtungen, die beispielsweise bei Feststellung eines Zellenausfalls in beiden Batteriepaaren automatisch diese beiden Batteriepaare in Serie schaltet, so daß zwischen den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit eine vorbestimmte Ausgangsspannung auftritt und aufrechterhalten wird. In diesem Arbeitsmodus wird die Frequenz der Ausgangsimpulse eines an die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit angeschlossenen Schrittmachers einen wesentlich niedrigeren Wert haben als im normalen Arbeitsmodus, bei dem die beiden Paare von Batterien parallel geschaltet sind. Die automatische Serienschaltung der Batterien der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit vermittelt somit eine definierte Vorwarnung für den Austausch des Schittmachers und gewährleistet gleichzeitig eine maximale Vorwarnzeit für einen solchen Austausch, in dem die maximale Energie ausgenützt wird, die von den die Energieversorgungseinheit bildenden Batterien zur Verfügung steht.

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Die Erfindung wird· in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein teilweise als Blockschaltbild und teilweise schematisch ausgeführtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit und eines damit verwendbaren elektronischen Schrittmachers;

Fig. 2 ein Diagramm der Impulsfrequenz und Impulsdauer in dem elektronischen Schrittmacher nach Fig. 1 unter verschiedenen Bedingungen der in der Energiequelle vorgesehenen Zellen im Test-Arbeitsmodus; und

Fig. 3 das Verhalten der Impulsfrequenz in dem elektronischen Schrittmacher nach Fig. 1 bei
(a) Betrieb im normalen Energieerschöpfungs-

modus,

(b). Versagen einer einzelnen Zelle in einem Paar und Versagen oder Erschöpfung einer zweiten Zelle in dem anderen Paar, (c) Versagen einer einzelnen Zelle in beiden Paaren von Batterien.

In dem teils blockartig teils schematisch ausgeführten Schaltbild nach Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Herzschrittmacher mit einer Energieversorgungseinheit 12 dargestellt, die dem elektronischen Herzschrittmacher 14 elektrische Erregungsenergie zuführt. Die Energieversorgungseinheit 12 weist zwei Ausgangsklemmen 16 und 18 auf, an denen die Energie zur Erregung des Schrittmachers 14 abgenommen wird. Zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 18 liegt ein Filterkondensator 20. An die Klemme 16 ist eine aus seriengeschalteten Zellen 24 und 26 bestehende erste Batterie 22 mit ihrer positiven Klemme 28 angeschlossen. Die negative Klemme 30 der Batterie 22 ist über eine Diode 44 mit der negativen Klemme 18 verbunden sowie über ein Transistor Q3 an die positive Klemme 29 einer zweiten Batterie 31 angeschlossen, die aus seriengeschalteten Zellen 32 und 34 besteht. Die negative Klemme 35 der Batterie 31 ist mit der Klemme 18 und die positive

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Klemme 29 der Batterie 31 über eine Diode 40 mit der Klemme verbunden.

Parallel zu den Batterien 24, 26, 32 und 34 liegen Dioden 24a, 26a, 32a bzw. 34a. Diese Dioden sind in Sperrichtung vorgespannt, wenn die betreffende Batterie normal geladen ist, bilden jedoch einen Nebenschluß-Stroinpfad für eine Batterie, die im Zustand des offenen Stromkreises ausgefallen ist. Darüberhinaus verhindert die Diodenverbindung eine umgekehrte Polung der Batterie, wie dies bekanntlich bei beschädigten Batterien auftritt.

Auf die weiter unten im einzelnen erläuterte Art spricht der Transistor Q3 auf eine zwischen den Klemmen 16 und 18 auftretende vorbestimmte Spannung an und verbindet die negative Klemme der Batterie 22 mit der positiven Klemme 29 der Batterie 31.

Wie ersichtlich, sind dann, wenn die Klemmen 30 und 29 über den Transistor Q3 miteinander verbunden sind, die Batterien 22 und zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 18 in Serie geschaltet. Nimmt man für einen Augenblick an, daß an den Transistor Q3 ein Spannungsabfall von im wesentlichen Null auftritt, so erscheint zwischen den Klemmen 16 und 18 eine Spannung, die viermal so groß ist wie die normale Spannung der einzelnen Zelle. Diese Spannung hat normalerweise mindestens den doppelten Wert des Pegels, der zur Bewirkung einer künstlichen Herzstimulation erforderlich ist, so daß beim normalen Betrieb dann, wenn der Transistor Q3 die Batterien 22 und 31 nicht in Serie schaltet, d.h, die Verbindung zwischen den Klemmen 30 und 29 effektiv offen ist, die Batterien 22 und 31 als redundante elektrische Energiequellen zwischen den Klemmen 16 und 18 parallel geschaltet sind und gemeinsam die Energieeingangsklemmen des Schrittmachers 14 beaufschlagen.

Im folgenden soll eine detailliertere Beschreibung über den Aufbau und die Wirkungsweise der Energieversorgungseinheit gegeben werden. Die Spannung zwischen den Klemmen 16 und 18 fällt an folgenden Kreisen ab:

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(1) von der Klemme 18 über die Zellen 34 und 32 und die Diode 40 zur Klemme 16;

(2) von der Klemme 18 über die Diode 44 und die Zellen 26 und 24 zur Klemme 16;

(3) von der Klemme 18 über die Zellen 34 und 32, den Transistor Q3 und die Zellen 26 und 24 zur Klemme 16.

Die Energie für die Schaltung des Schrittmachers 14 wird von den Klemmen 16 und 18 im normalen Zustand der Zellen über die obigen Wege (1) und (2) zur Verfügung gestellt. Die gesteuerte Leitung des Transistors Q3, die, wie im folgenden erläutert, über die Transistoren Q1 und Q2 umfassende Schaltkreise oder über einen Schalter 28* erfolgt, bestimmt die zwischen den Klemmen 18 und 16 auftretende Endspannung bei Versagen einer Zelle oder Erschöpfung der Energie, wenn sich die Zellen dem Ende ihrer Lebensdauer nähern.

Beim Betrieb wird die der Basis des Transistors Q1 zugeführte Spannung über einen Widerstände R1, R2 und R3 umfassenden Spannungsteiler auf einen Wert oberhalb der Basis-Emitter-Spannung (V, ) des Transistors Q1 eingestellt, um sicherzustellen, daß der Transistor Q1. leitet, wenn die Klemmenspannung der Energieversorgungseinheit 12 ihren Nennwert hat. Da der Transistor Q1 vollständig eingeschaltet ist, befindet sich die Basis des Transistors Q2 nahezu auf Massepotential. Daher leitet der Transistor Q2 nicht, und die am Kollektor dieses Transistors Q2 oder an der Basis des Transistors Q3 auftretende Spannung liegt auf dem Potential der Klemme 16. Da Basis und Emitter des Transistors Q3 auf nahezu gleichem Potential liegen, ist auch der Transistor Q3 nicht-leitend, und die Serienschaltung aus den beiden Batterien 22 und 31 ist unterbrochen. Fällt jedoch die Spannung zwischen den Klemmen 18-16 auf einen Wert, bei dem (E>jQ ^.g) R^

etwas geringer ist als die Spannung V. des Transistors Q1, so wird dieser Transistor weniger leitend, und die Spannung am Kollektor des Transistors Q1 oder an der Basis des Transistors Q2 steigt. Überschreitet diese Spannung den Wert von V_b@ des Transistors Q2, so wird dieser leitend, und der

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Basisstrom des Transistors Q3 fließt über den Widerstand Ro und den Transistor Q2. Durch Leiten des Transistors Q3 wird die Diode 44 in Sperrichtung vorgespannt, so daß die Zellen 34-32 und 26-24 mit einer von seinem Basisstrom abhängigen Impedanz in Serie geschaltet werden. Die Spannung zwischen den Klemmen 16-18 wird also automatisch auf einem Konstanten Wert gehalten, der kleiner ist als die beiden Zellenspannungen E34-E32 oder E26-E24, um die Bedingung zu erfüllen, daß (^E-J8-16^ ^R1 gleich ist der

Spannung V^ des Transistors Q1. Diese Spannung dient dann praktisch als Bezugsspannung für die die Transistoren Q1, Q2_f Q3 und ihre zugehörigen Schaltungselemente umfassende Spannungsregelschleife. Die Regelschleife arbeitet also nicht, wenn sämtliche Zellen in der Energiequelle normale Spannung von beispielsweise 1,35 V pro Zelle haben. Die Regelschleife tritt nur dann in Aktion, wenn die Spannung zwischen den Klemmen 18-16 unter den durch den Ausdruck (R^+Rg+R*) ^v _be bestimmten Wert fällt, und

sie hält die Spannung auf diesem ^¥ert, bis die Quellenspannung unter diesen Wert absinkt.

Daaobigen Ausführungen entnimmt der Fachmann, daß der Transistor Q3 ein Schaltungselement mit variabler Impedanz darstellt und wie ein variabler Widerstand wirkt, der durch seinen Basisstrom automatisch gesteuert wird, wobei der Basisstrom zu der zwischen den Klemmen 18-16 bestehenden Spannung proportional ist. Die Transistoren Q1 und Q2 sowie ihre zugehörigen Schaltungselemente bilden einen Spannungsmeßkreis, der die Spannung an den Ausgangsklemmen 18-16 der Energieversorgungseinheit kontinuierlich mißt. Der Spannungsmeßkreis spricht an, wenn die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit auf einen vorbestimmten Wert absinkt, und ändert die Impedanz des Transitors Q3 kontinuierlich, wodurch die Batterien 22 und 31 derart in Serie geschaltet werden, daß die Ausgangsklemmen 18-16 kontinuierlich mit einer Spannung versorgt werden, die gleich ist der Summme aus den an den einzelnen Batterien auftretenden Spannungen weniger dem Spannungsabfall am Transistor Q3.

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. CJ .

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Zum weiteren Verständnis der Arbeitsweise dieser Merkmale wird auf die in dem Herzschrittmacher 14 enthaltene Elektronik Bezug genommen, wobei diese Schaltung der in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 78 659 vom 7. Oktober 1970 gezeigten Schaltung ähnlich ist.

Innerhalb des Schrittmachers 14 empfängt ein Verstärker 50 als Eingang ein Signal von Elektroden 52 und 54, die an den bekannten Stellen mit dem Körper und Herzgewebe verbunden sind, um die die ventrikulären Kontraktionen innerhalb des Herzes darstellenden Körpersignale aufzunehmen. Die Elektrode 54 ist über einen Widerstand 56 mit der an die Klemme 18 angeschlossenen Masse verbunden, während die Elektrode 52 über Kondensatoren 58 und 60 und einen Reihenwiderstand 62 an den Verstärker 50 angeschlossen ist. Bei dem Verstärker 50 handelt 'es sich vorzugsweise um einen Verstärker des Sättigungstyps, wie er in der obenerwähnten U.S.-Patentanmeldung 78 659 als Verstärker 26 in Fig. 2 angegeben ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird einem regenerierenden einpoligen Wandler 64 zugeführt, der in seinem Aufbau wiederum dem in der genannten U.S.-Patentanmeldung 78 659 als Element 32 bezeichneten Wandler ähnlich sein kann. Der Wandler 64 spricht auf Spitzen oder Impulse im Ausgangssignal des Verstärkers 50 an, und wandelt diese in Impulse einer Polarität um, wobei die an dem Verstärker 50 lie genden Signale der ventrikulären Kontraktionen bekanntlich in unvorhersehbarer Weise mit jeder Polarität auftreten können. Das Ausgangssignal des Wandlers 64 wird einem stabilisierten Rückstelltrigger 66 zugeführt, dessen Funktion darin besteht, die Impulse von dem Wandler 64 gegenüber einem Impulsgenerator 72 während eines Refraktärintervalls nach dem Auftreten des letzten Ausgangssignals von dem Wandler 64 zu sperren.

In dem Rückstell-Trigger 66 ist der Ausgang des Wandlers 64 über eine Diode 74, einen Widerstand 76 und einen Kondensator 78 and die Klemme 16 angeschlossen. Vom Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 76 und dem Kondensator 78 führt ein Widerstand 80 an die über einen Widerstand 84 mit der Masseklemme 18 verbundene Basis eines NPN-Transistors 82, dessen Basis an Masse angeschlossen ist. Der Ausgang des einpoligen Wandlers 64 ist über einen Widerstand 86 mit dem Kollektor des Transistors 82 und der

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Basis eines NPN-Transistors 88 verbunden, dessen Emitter wiederum an Masse angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors ist mit der Basis eines PNP-Transistors 90 verbunden. Kollektor und Emitter des Transistors 82 sind mit der Basis des Transistors 88 bzw. über einen Widerstand 92 mit dem Kollektor des Transistors 88 verbunden. Der Kollektor des Transistors 90 ist an die Klemme 18 geführt.

Beim Betrieb bewirkt jeder am Ausgang des Wandlers 64 auftretende Impuls eine Ladung bzw. Wieder-Ladung des Kondensators 78, so daß der Transistor 82 während eines vorbestimmten Refraktärintervalls leitend gehalten wird. Solange der Transistor 82 leitet, ist der Transistor 88 gesperrt und stellt den Impulsgenerator nicht zurück. Ist der Transistor 82 nicht-leitend, so triggern Impulse von dem Wandler 64 die Transistoren 88 und 90, so daß der Generator 72 zurückgestellt wird.

Das Ausgangssignal der Schaltung 66 wird in dem Impulsgenerator 72 dem Emitter eines PNP-Transistors 100 zugeführt. Der Emitter dieses Transistors ist ferner über einen Kondensator 102, der als Impulsintervall-Zeitsteuerkondensator wirkt, sowie über eine einen variablen Widerstand 104 und einen festen Widerstand 106 umfassende Serienschaltung mit der Klemme 16 verbunden. Die Basis des Transistors 100 ist über einen Widerstand 108 an die Klemme 16 angeschlossen, während sein Kollektor über einen Widerstand 110. mit der Klemme 18 verbunden ist. Die Basis des Transitors 100 ist ferner an den Kollektor eines NPN-Transistors 112 angeschlossen. Der Transistor 112 ist mit seinem Emitter an die Klemme 18 und mit seiner Basis an den Kollektor des Transistors 100 angeschlossen. Zwischen dem Kollektor des Transistors 112 und der Klemme 18 liegt ein weiterer Widerstand 114. Der Impulsgenerator 72 stellt einen regenerativen Kreis dar, der, wie in der obenerwähnten U.S.-Patentanmeldung 78 659 angegeben, die Entlade- und Lade-Zeitkonstanten des Kondensators 102' zur Impülsintervall-Zeitsteuerung benützt. _%

Das Signal an der Basis des Transistors 100 wird über einen Kondensator 116 und einen Widerstand 118 der Basis PNP-Transistors 120 zugeführt, dessen Basis über einen Widerstand 122

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von der Klemme 16 vorgespannt wird und dessen Emitter direkt an die Klemme 16 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 120 ist über einen Widerstand 124 an die Basis eines NPN-Transistors 126, dessen Emitter geerdet ist, sowie über einen Serienwiderstand 128 an die Masseklemme 18 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 120 gibt ferner ein Rückkopplungssignal über einen Kondensator 130, zu dem eine Serienschaltung aus einer Diode und einen Widerstand 134 parallel-geschaltet ist, an die Basis des Transistors 112 und erzeugt somit unabhängig von der Last eine stabilisierte Impulsbreite am Kollektor des Transistors 120.

Der kollektor des Transistors 122 führt über den Kondensator 58, der als Spannungsverdopplungs-Kondensator wirkt, der Elektrode 52 künstliche Stimulationsimpulse zu. Dieser Kollektor ist ferner über seriengeschaltete Widerstände I36 und 138 und einen Spannungsabfall-Widerstand 140 an die Klemme 16 angeschlossen. Die auf niederem Potential liegende Seite des Widerstands 140 ist über einen Speicherkondensator 142 mit der Klemme 18 sowie über die Einitter-Kollektor-Strecke eines PNP-Transistors 148 mit der Elektrode 54 verbunden. Die Basis des Transistors 148 ist vom Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 136 und 138 her vorgespannt. Eine Zenerdiode 150 schützt gegen Überspannungen zwischen den Elektroden 52 und 54, die. von Defibrillationen herrühren könnten, und ein Ausgleichswiderstand 152 verbindet die Elektrode 52 mit der Klemme 18. Wie in der obenerwähnten U.S.-Patentanmeldung 78 659 angegeben, wird der an der Basis des Transistors 100 auftretende Impuls über den Transistor 120 zur Bestimmung der Impulsbreite über den Kondensator Ho und die Widerstände 118 und 122 dem mit den Transistoren 126 und 148 arbeitenden Spannungsverdopplungskreis zugeführt. Ferner wird der Impuls in einer Regelschleife über den Kondensator I30, die Diode 132 und den Widerstand 134 der Basis des Transistors 112 zugeführt, um Impulsbreite und -Intervall unabhängig von der Last an den Elektroden 52 und 54 zu regeln. Die Transistoren 124 und 148 wirken so, daß' sie, auf einen Impuls vom Kollektor des Transistors 120 ansprechend, den Kondensator 58 in Serie mit der Spannung zwisdien den Klemmen 16 und 18 mit den Elektroden 52 und 54 verbinden. Handelt es sich bei der Spannung zwischen den Klemmen 16 und 18 um die normale Spannung, wie sie sich aus

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der parallelen Redundanzschaltung bei wirkungsmäßig geöffnetem Transistor Q3 ergibt, so wird ein Impuls mit normaler Amplitude und normalem Intervall erzeugt.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R2 einerseits sov/ie der Basis des Transistors 82 andererseits der Schalter 28 eingeschaltet, bei dem es sich um einen normalerweise geöffneten magnetischen Zungenschalter handelt. Der Schalter 28* spricht auf ein extern angelegtes Magnetfeld, beispielsweise von einem (nicht gezeigten) Magnet, an und schließt dann seine Kontakte. Der Schalter 28'kann bistabil oder monostabil ausgelegt sein, so, daß bei Auftreten des Magnetfeldes der Schalter entweder je nach Richtung des Hagnetfeldes zwischen seinen zwei Zuständen umgeschaltet wird oder bei Annäherung des Magneten die Kontakte des Schalters 28* geschlossen hält. Wie durch die strichpunktierte Leitung 29' angedeutet, kann der Schalter 28' wahlweise auch mit der Klemme 18 verbunden sein, beispielsweise dann, wenn die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 12 unabhängig von der vorliegenden Elektronik des Schrittmachers 14 verwendet wird oder wenn der Schrittmacher 14 nur bei Bedarf arbeiten soll.

Bei Betätigung des Schalters 28' wird der Transistor 82 leitend und verhindert, daß die Zeitsteuerschaltung in dem Schrittmacher 14 zurückgestellt wird. Dies bedeutet, daß der Schrittmacher mit festem Wert arbeitet und die Ausgangsgröße des Schrittmachers •von der zwischen den Klemmen 18-16 der Energieversorgungseinheit 12 zur Verfügung stehenden Spannung abhängt. Bei Betätigung des Schalters 28' wird die Spannung zwischen der Basis des Transistors Q1 wesentlich kleiner als die Bezugsspannung V. des Transistors Q1„ Dieser Transistor wird daher nicht-leitend, während der Transistor Q2 voll leitend und daher der Transistor Q3 voll gesättigt wird. Dadurch werden sämtliche Zellen in der Energiequelle in Serie geschaltet. Man sieht also, daß der Schalter 28· eine selektiv beätigbare Einrichtung zur Serienschaltung der Batterien 22 und 31 darstellt und daß eine derartige Serienschaltung unabhängig von der Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 18-16 hergestellt werden kann. Bei Betätigung des Schalters 28^f wird die Spannung zwischen den Klemmen 18-16

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gleich dem Vierfachen der normalen Spannung jeder Zelle. Ist der Schalter 28^f jedoch geschlossen und dadurch die Spannung zwischen den Klemmen 16 und 18 verdoppelt, so erzeugt der Impulsgenerator 72 gemäß seinem Aufbau eine Abhängigkeit der Impulsfrequenz von der Spannung, die ausreicht, um die Frequenz gemäß Kurve 154 in Fig. 2 erheblich zu steigern. Wie in der obenerwähnten U.S.-Patentanmeldung 78 659 angegeben,wird diese Spannungsabhängigkeit dadurch hervorgerufen, daß das von den Widerständen 108 und 114 erzeugte Bezugspotential mit der Einschaltung des Transistors 100 in Spannungsdurchlaßrichtung zusammenarbeitet. Die Impulsbreite ist auch spannungsabhängig und ändert sich gemäß der ebenfalls in Fig. 2 gezeigten Kurve 156.

Der Schalter 28' läßt sich auch so betätigen, daß er die Batterien zwischen den Klemmen 16 und 18 in Serie schaltet, falls der Zustand der Batterien oder einzelner ihrer Zellen festgestellt werden sollen. Dies läßt sich normalerweise unter Verwendung eines Magnet zur Schließung der Kontakte des Schalters 28* erreichen. Dadurch, daß die Impulsbreite und Impulsfrequenz mittels Elektrokardiogramm und Kathodenstrahlröhre.bestimmt werden, ist es möglich, den generellen Zustand der vier Zellen in den Batterien 22 und 31 in Verbindung mit den Kurven nach Fig. 2 zu ermitteln. In der nachstehenden Tabelle sind beispielsweise beobachtete Impulsfrequenzen und die sich daraus ergeben möglichen Batteriezustände mit und ohne die Dioden 24a-34a angegeben· Es ist auch möglich, zur Bestimmung des Batteriezustands das Intervall zwischem dem natürlichem Impuls und dem künstlichen Schrittmacherimpuls zu verwenden, solange der natürliche Rhythmus nicht kontinuierlichen Charakter hat, wodurch der Impulsgenerator kontinuierlich gesperrt würde.

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TABELLE	Parallel frequenz	Batterien	2438727
		Serienfrequenz mit Dioden
	69		Serienfrequenz ohne Dioden
Art des Ausfalls	69	78
eine Zelle offen	69	78	69
eine Zelle kurz geschlossen	62	69	78
zwei Zellen offen in der gleichen Batterie	69	69	69
zwei Zellen offen in verschiedenen Batterien		69	0
zwei Zellen kurz geschlossen in der gleichen Batterie	69

zwei Zellen kurz- 62 geschlossen in verschiedenen Batterien

Kein Zellenausfall 69

69

Diese beispielhaften Bedingungen verschiedener Arten, in denen ein Batterieausfall auftreten kann, zeigen auf, wie sich Informationen über Frequenz und Impulsbreite verwenden lassen, um einen Einblick in den Batterie zustand zu gewinnen. Wie man sieht, ergibt sich bei jedem der sechs Ausfallarten eine unterschiedliche Gruppe von Frequenzen, wobei sich jedoch der Schrittmacherbetrieb bei allen Ausfallarten bis zu 50$ der Batterien aufrechterhalten läßt. Es ist also möglich, die kritische Bedeutung eines Batterieausfalls auszuwerten und zu bestimmen, wann die Batterien ersetzt werden sollten.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Energiequelle kann es dann, wenn kein oder nur ein Batterieausfall aufgetreten ist, zweckmäßig sein, den Schalter 28' zu betätigen und seine Kontakte zu schließen, um die in den ersten beiden Zeilen oder in der letzten Zeile der Tabelle angegebenen Zustände hervorzurufen, um dadurch die Impulsfrequenz zu erhöhen und Stimulationsinpulse mit erhöhter Amplitude und erhöhter Impulsbreite zu erzeugen. Die erhöhte Frequenz ist nützlich, um vorzeitige ventrikuläre Kontraktionen zu verhindern, während die Erhöhung von Amplitude und Impulsbreite dann nützlich sind, wenn eine erhebliche Steigerung des Schwellwertes für die künstliche Impulsstimulation eingetreten ist und Impulse höherer Spannung er-" forderlich sind, um eine künstliche Ventrikular-Kontraktion zu erreichen. Ein derartiger Anstieg des Schwellenwertes kann von einer Verschiebung der Elektrode 52 herrühren, die sich normalerweise in der rechten Ventrikel befindet.

Ähnlich können auch Informationen über die Impulsbreite separat zur Bestimmung des Batteriezustands oder als bestätigender Parameter verwendet werden.

Die volle Bedeutung der oben beschriebenen automatischen Regelschleife läßt sich unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 gezeigten Arbeitskennlinien des Schrittmachers besser würdigen. Die verschiedenen Betriebsmodi sind folgende:

(1) Ausfall I: beide Batteriegruppen E34-32 und E26-24 arbeiten im Modus der Energieerschöpfung;

(2) Ausfall II: E34 oder E32 ausgefallen; E26-24 erschöpft;

(3) Ausfall Hl: E26 oder E24 ausgefallen; E34-32 erschöpft;

(4) Ausfall IV: eine Zelle in jeder der beiden Gruppen E24-26 und E34-32 ausgefallen.

Gemäß Fig. 3 ist bei einem Ausfall I die Anfangsfrequenz 69 Schläge/min ₉ wobei der Schrittmacher am Punkt N arbeitet, da die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 18-16 den beiden Zellen entspricht_o Indem sich die Energie in beiden Zellengruppen erschöpft_ö beginnt die Spannung abzufallen und die Schrittmacherfrequenz sinkt gemäß der Kurve N-R, wobei am

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Punkt R die Spannungsregelschaltung in Aktion tritt und sämtliche vier Zellen in Serie schaltet. Der Arbeitspunkt verlegt sich darauf sofort gemäß der gestrichelten Kurve zum Punkt 2, wo die entsprechende Batteriespannung etwa 4,4 Volt beträgt. Die Schrittmacherfrequenz wird jedoch entsprechend der geregelten Spannung von 2,2 V zwischen den Klemmen 18 und 16 auf 62 Schlägen/min, gehalten. Diese Frequenz wird beibehalten, bis die Serien-Quellenspannung auf etwa 2,2 V abfällt, wie dies durch eine Verlagerung des Arbeitspunktes vom Punkt 2 zum Punkt R gemäß der ausgezogenen Linie dargestellt ist, woraufhin die Frequenz weiter in Richtung des Punktes M absinkt. Der Frequenzabfall vom Punkt N zum Punkt R ist bereits eine ausreichende Anzeige dafür, daß. der Schrittmacher ersetzt werden muß. Sollte dies zwischen den Untersuchungsperioden unterlassen werden, so arbeitet der Schrittmacher mit dieser Frequenz weiter, bis aus der stärksten aller verbleibenden Zellen die gesamte Energie entnommen ist; somit wird also die nutzbare Lebensdauer des Schrittmachers verlängert und es wird eine reichliche Vorwarnzeit, daß der Schrittmacher ersetzt werden muß, erzeugt.

Bei einem Ausfall II oder III verläuft die Arbeitsfolge nach wie vor vom Punkt N zum Punkt R, woraufhin sich der Arbeitspunkt abrupt zum Punkt 1 verlagert und dann zum Punkt R und schließlich zum Punkt M zurückkehrt. Dies bedeutet, daß drei Eatterien in Serie geschaltet sind und die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 18-16 auf 2,2 Volt gehalten wird. Unter dieser Annahme hat die verbleibende Zelle des ausgefallenen Paares noch die meiste Energie. Diese Zelle hält in Verbindung mit der stärksten Zelle in der anderen Gruppe den Schrittmacherbetrieb aufrecht, bis die Einheit ersetzt wird.

Bei einem Ausfall IV läßt sich die Funktion nach Ausfall einer Zelle in jedem Paar ohne die erfindungsgemäße Regelschaltung nicht aufrechterhalten. Dies ergibt sich aus einem oder beiden der folgenden Gründe:

(a) die Spannung ist zu gering, um die Oszillatorfunktion in dem Schrittmacher aufrechtzuerhalten; das Ausgangssignal des Schrittmachers reicht nicht aus, die Ventrikularfunkt ion mitzunehmen. 509815/0830

Mit der Regelschleife wird ein plötzlicher Spannungsabfall zwischen den Klemmen 18-16 auf· 1,37 Volt festgestellt, und die Zellen in den beiden Paaren werden automatisch in Serie geschaltet, so daß die Klemmenspannung auf 2,2 Volt gehalten wird. Bei diesem Ausfall verlagert sich der Arbeitspunkt abrupt von dem Punkt N zum Punkt R und von dort zum Punkt 3, wo er bleibt, bis die Spannung an den beiden seriengeschalteten Zellen abzusinken beginnt. Die Ausgangsfrequenz des Schrittmachers bleibt konstant, bis die kombinierte Quellenspannung unter 2,2 V absinkt. Die erfindungsgemäße Regelschaltung sorgt also dafür, die Schrittmacherfunlrtion unabhängig von der Art des Zellenausfalls, wobei zwei gleichzeitig in beliebiger Folge vorliegen, aufrechtzuerhalten. Der Schrittmacher wird weiterarbeiten, bis die dritte Zelle sich zu erschöpfen beginnt, so daß eine adäquate Vorwarnzeit, daß der Schrittmacher ersetzt werden muß, erzeugt wird.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Energieversorgungseinheit mit einem Paar von Ausgangsklemmen, die an die Energieeingangsklemmen einer Vorrichtung zur Stimulation eines Körperorgans anschließbar sind, mit mindestens zwei parallelen Zweigen, die jeweils mindestens eine elektrische Energiequelle enthalten, wobei die beiden.Energiequellen die gleiche anfängliche Klemmenspannung haben, so daß an den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinheit anfänglich eine Spannung liegt, die im wesentlichen gleich der an jedem parallelen Zweig auftretenden Spannung ist, gekennzeichnet durch eine Schaltung (Q1, Q2, Q3), die funktionsmäßig mit den Ausgangskieamen (16, 18) der Energieversorgungseinheit sowie mit jedem ihrer parallelen Zweige verbunden ist, anspricht, wenn die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen auf einen vorbestimmten Wert absinkt, und dann die elektrischen Energiequellen (22, 23) automatisch in Serie schaltet. .

2. Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine erste Einrichtung (Q3) umfaßt, die die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen (16, 18) im wesentlichen gleich dem vorbestimmten Wert hält, sowie eine zweite Einrichtung (Q2, Q3), die die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen mißt und die Beaufschlagung der ersten Einrichtung bewirkt.

3· Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein mit jedem parallelen Zweig funk-

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tionsmäßig verbundenes Schaltungselement (Q3) mit variabler Impedanz sowie einen mit dem Ausgangsklemmen (16, 18) und mit dem besagten Schaltungelement variabler Impedanz verbundenen Spannungsmeßkreis (Q2, Q3) umfaßt, der die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen mißt, der anspricht, wenn die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen auf einen vorbestimmten Wert fällt, der dann die Impedanz des Schaltungselements kontinuierlich ändert und dadurch die Energiequellen (22, 31) in Serie schaltet, so. daß an den Ausgangsklemmen kontinuierlich eine Spannung liegt, die im wesentlichen gleich ist der Summe der an den einzelnen Energiequellen auftretenden Spannungen weniger dem Spannungsabfall an. dem Schaltungselement.

4. Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine selektiv betätigbare Einrichtung (28·) umfaßt, um die Energiequellen (22, 31) unabhängig von der Spannung zwischen den Ausgangsklemmen (16, 18) in Serie zu schalten.

5. Energieversorgungseinheit mit einem Paar von.Ausgangsklemmen, die sich funktionsmäßig mit den Energieeingangsklemmen eines Herzschrittmachers verbinden lassen, gekennzeichnet durch mindestens zwei parallele Zweige, in deren jedem mindestens eine elektrische Energiequelle (22, 31) mit gleicher Klemmenspannung enthalten ist, so daß der Herzschrittmacher anfangs, wenn er mit seinen Energieeingangsklemmen an die Ausgangsklemmen (16, 18) der Energieversorgungseinheit angeschlossen ist, von den Energiequellen der parallelen Zweige gemeinsam mit einer Spannung erregt wird_f die im wesentlichen gleich der an jedem Parallel-

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zweig auftretenden Spannung ist, ferner ein mit jedem Parallelzweig verbundenes Schaltungselement (Q3) mit variabler Impedanz, um die Energiequellen der Parallelzweige in Serie zu schalten, sowie einen mit den Ausgangsklemmen und dem Schaltungselement variabler Impedanz funktionsmäßig verbundenen Spannungsmeßkreis (Q1, Q2) zur Betätigung des Schaltungselements in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Meßspannung, so daß die Energiequellen der einzelnen Parallelzweige mit der sich gemäß der Meßspannung ändernden Impedanz des Schaltungselements in Serie geschaltet werden und die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen auf einer konstanten Spannung gehalten wird, die im wesentlichen gleich ist der Summe der an den einzelnen Spannungsquellen auftretenden Spannungen weniger dem Spannungsabfall an der variablen Impedanz des Schaltungselements.

6. Redundanz-Energieversorgungseinheit für einen Herzschrittmacher, gekennzeichnet durch mindestens zwei parallele Zweige (22, 31) mit jeweils mindestens zwei seriengeschalteten elektrochemischen Zellen (24, 26, 32, 34), wobei jeder Parallelzweig funktionsmäßig mit den Energieausgangsklemmen (16, 18) der Energieversorgungseinheit verbunden ist, so daß an den Klemmen eine Spannung liegt, die im wesentlichen gleich der an jedem der Parallelzweige abfallenden Spannung ist, sowie eine mit den Ausgangsklemmen verbundene Schaltungseinrichtung (Q3), die anspricht, wenn die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen auf einen vorbestimmten Wert fällt,und dann die Zellen der einzelnen Parallelzweige automatisch in Serie schaltet.

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7. Herzschrittmacher mit einer Redundanz-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine von den Energieausgangsklemmen (16, 18) mit Energie gespeiste Einrichtung (14) zur bedarfsweisen Erzeugung von Herzstimulationsimpulsen sowie eine selektiv betätigbare Einrichtung (28*), um die Zellen der einzelnen Parallelzweige unabhängig von der Spannung zwischen den Ausgangsklemmen in Serie zu "schalten und gleichzeitig zu bewirken, daß die impulserzeugende Einrichtung (14) in einem kontinuierlichen Modus arbeitet.

8. Herzschrittmacher mit Redundanz-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jeder Zelle (24, 26, 32, 34) eine Diode (24a, 26a, 32a, 34a) geschaltet ist, die einen die betreffenden Zelle umgehenden Strompfad im Falle einer Unterbrechung und einen Nebenschluß zur Umpolung einer

Zelle bildet. -

9. Herzschrittmacher mit einer Redundanz-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine von den Energieaus gangs klemmen (16, 18) mit Energie gespeiste Einrichtung (14) zur bedarfsweisen Erzeugung von Herzstimulationsimpulsen sowie eine selektiv betätigbare Einrichtung (28¹JjUm die Zellen (24, 26, 32, 34) jedes Parallelzweigs unabhängig von der Spannung zwischen den Ausgangsklemmen in Seri« zu schalten und gleichzeitig zu bewirken, daß die impulserzeugende Einrichtung in einem kontinuierlichen Modus arbeitet, wobei die Zeitfolge der erzeugten Impulse eine Anzeige für die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen ergibt, wenn die Zellen automatisch in Serie geschaltet werden oder wenn

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die selektiv betätigbare Einrichtung die Serienschaltung der Zellen bewirkt.

10.. Herzschrittmacher mit Redundanz-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine erste Einrichtung (Q3) umfaßt, die die Spannung zwischen den Energieausgangsklemmen (16, 18) im wesentlichen gleich dem vorbestimmten Wert hält, sowie eine zweite Einrichtung (Q1, Q2), die die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen mißt und die Betätigung der ersten Einrichtung bewirkt.

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