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Sender-Empfänger-System zur Übertragung eines Steuersignals zu einem
implantierten herzschrittmacher 19 Patentansprüche 22 Seiten BeschreShung
Die
Erfindung betrifft ein Sender-Empfänger-System zur seriellen Ubertragung eines digital
codierten Steuersignals von einem außerhalb des Körpers befindlichen Senderteil
zu einem implantierten Herzschrittmacher Bei implantierten Herzschrittmachern kann
es erforderlich sein, eine oder mehrere Betriebseigenschaften des Gerätes nach einiger
Zeit einem veränderten Krankheitsbild anzupassen. Derartige Veränderungen können
beispielsweise darin bestehen, daß die Reizschwelle des Herzens sich verändert hat
und eine Einstellung auf andere Aktionspotentiale erfolgen muß, oder daß - möglicherweise
auch bedingt durch veränderte Lebensgewohnheiten des Patienten - die Impulsfrequenz
des Schrittmachers bzw.
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deren Mhängigkeit von anderen Parametern verändert werden muß.
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Eine derartige Beeinflussung der Betriebsdaten des Schrittmachers
sollte im implantierten Zustand vorgenommen werden, da ein operativer Eingriff stets
eine beträchtliche Belastung für den Patienten darstellt. Die Möglichkeit, Betriebsparameter
des Schrittmachers ferngesteuert zu verändern, ist deswegen von besonderer Bedeutung,
weil die derzeitige Funktionsdauer von Herzschrittmachern, bedingt durch die Lebensdauer
der Batterien, bereits in der Größenordnung von zehn Jahren liegt. In einem derartig
langen Zeitraum ist aber die Wahrscheinlichkeit, daß eine Veränderung der Betriebsparameter
zur Anpassung an Veränderungen des Krankheitsbildes des Patienten mindestens einmal
erfolgen muß, relativ groß.
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Die ferngesteuerte Veränderung von Parametern des Schrittmachers wird
meist mittels in die Schaltung des Schrittmachers eingefügter Reed-Schalter durch
magnetische Beeinflussung von außen vorgenommen, wobei Reed-Schalter den Vorteil
haben, daß sie im stationären Zustand keinen Strom verbrauchen und damit die Energiequelle
des Schrittmachers nicht belasten. Durch derartige Reed-Schalter, die direkt in
die Schaltung so eingefügt sind, daß sie die gewünschte Funktion elektrisch ohne
Zwischenschaltung
zusätzlicher DekodierungseleInente umschalten,
können nzr wenige verschiedene Bet:riebszustände ausgelöst werden, da - bauformbcdingt
- zil dicht benachhrtc Reed-Scbalter durch ein äußeres Magnetfeld gleichzeitig betätigt
würden.
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Eine Übertragung von Steuersignalen mittels elektromagnetischer Wellen
kommt deshalb nicht in Betracht, weil ein lierzschrittmacher insbesondere gegen
hochfrequente Störungen dicht gekapselt sein muß, um seinen Träger in der Umgebung
starker elektromagnetischer Felder nicht zu gefährden. Da damit die zur drahtlosen
Auslösung verschiedener Fun]tionen meist verwendeten Funkfernsteuerungen ausscheiden,
wird angestrebt, komplexere Steuerungen dadurch auszuführen, daß mittels eines Magnetfeldes,
dem ein codiertes Signal aufgeprägt ist, im Herzschrittmancher ein Reed-Schalter
betätigt wird, wobei nach einer Dekodierung des übertragenen Steuersignals in der
Schrittmacherschaltung die gewünschte Funktion ausgeführt wird.
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An eine derartige Schaltung wird eine Reihe von Anforderungen gestellt,
die sie von üblichen technischen Fernsteuerschaltungen unterscheidet. So ist zunächst
einmal ein sehr große Betriebssicherheit gefordert, da keine unkontrollierte Veränderung
der eingestellten Schaltungszustände durch Fehler in der Schaltung oder durch magnetische
Störfelder erfolgen darf.
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Daneben muß der Stromverbrauch niedrig sein, damit durch die Fernsteuerungsempfänqerschaltung
keine wesentliche Vergrö-Berung der Energiequellen des Schrittmachers bedingt wird.
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Weiterhin soll die Schaltung auch technisch einfach sein, da zusätzliche
Schaltelemente ebenfalls zu einer unerwünschten Vergrößerung des Schrittmachervolumens
führen. Schließlich soll auch die Ubertragungsdauer für das Steuersignal klein sein,
damit keine unnötigen Wartezeiten für den den Senderteil betätigenden Arzt und den
zu betreuenden Patienten entstehen. Eine zu große Ubertragungsdauer hätte außerdem
zur Folge, daß während der Übertragung die Lage des Senderteils verändert werden
und
durch die damit einhergehenden Änderungen der Intensität des Magnetfeldes Störungen
bei der Übertragung hervorgerufen werden könnten. Auf der anderen Seite muß die
übertragene Information aber ausreichend groß sein, damit eine größere Zahl unterschiedlicher
Schaltzustände beim Herzschrittmacher ausgelöst werden kann und somit eine möglichst
genaue Anpassung an die Bedürfnisse des Patienten möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sender-Empfäncjer-System
der obengenannten Gattung zu schaffen, das in besonderer Weise an die erwähnten
Anforderungen der Herzschrittmachertechnik angepaßt ist, wobei außerdem zu berücksichtigen
ist, daß die erzielten Eigenschaften des Systems über einen Zeitraum von mindestens
zehn Jahren uneingeschränkt erhalten bleiben müssen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptpatentanspruchs
angegebenen Mittel gelöst.
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Bei einem derartigen System ist insbesondere vorteilhaft, daß keine
hochgenauen Zeitgebermittel in der Empfängerschaltung vorhanden zu sein brauchen,
welche aus der zeitlichen Verteilung von Impulsen im Bereich der gesamten übertragungsdauer
eine Zuordnung vornehmen müssen, um die Dekodierung zu ermöglichen.
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Wird nämlich ein seriell übertragenes, digital codiertes Steuersignal
empfangen, so ist eine Auswertung auf der Empfängerseite nur dann möglich, wenn
dort eine genaue "Uhr" vorhanden ist, damit aus der zeitlichen Zuordnung der Impulse
auf ihre Bedeutung geschlossen werden kann. Zeitgebermittel sind aber insofern kritisch,
als die zeitbestimmenden Bauelemente - und dabei insbesondere die meist notwendigen
Kapazitäten - im Laufe der Zeit Veränderungen zeigen, welche die Zeitgeberfunktion
beeint-rächt:igen. Derartige Veränderungen können bei vielen anderen Anwendungen
zwar außer Betracht gelassen werden, bei den bei Herzschrittmachern erforderlichen
Betriebsdauern können
sie jedoch eine beträchtliche Rolle spielen.
Geeignete Kompensationsrnittel, weiche derartigen Veränderungen entgegenwirken,
könnten zwar ebenfalls vorgesehen werden, würden aber eine Vergrößerung des Bauvolumens
und des Stromverbrauchs bedingen Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
die Anforderungen an die Genauigkeit und zeitliche Konstanz der zeitbestimmenden
Elemente wesentlich herabgesetzt werden können, wenn die jeweils auszuwertenden
Zeiten in der Weise verkürzt werden, daß in das zu übertragende Signal Bezugssignale
eingefügt werden. Die Einfügung dieser Referenzsignale erfolgt dabei bei vorteilhaften
Weiterbildungen der Erfindung so, daß letztere in den zu übertragenden Impulsen
selbst enthalten sind, so daß letztlich eine genaue zeitliche Auswertung lediglich
über die Dauer der Impulse bzw. deren zeitliche Abstände erfolgen muß.
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Obgleich der konstruktive Aufwand dadurch, daß das digital codierte
Steuersignal, das an sich bereits in dieser Form, umgesetzt in zeitliche Änderungen
eines Magnetfeldes, zur Übertragung von Funktionsbefehlen an einen Herzschrittmacher
herangezogen werden könnte, erneut codiert wird, auf den ersten Blick hin größer
zu sein scheint, ergibt sich im Endeffekt durch die erzielte Verbesserung hinsichtlich
der Störsicherheit der Übertragung eine Anzahl von Vorteilen, die mit herkömmlichen
Methoden zur Verbesserung des Störabstandes insbesonderte empfängerseitig einen
weitaus größeren Aufwand erfordern würden.
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Eine vorteilhafte Ausführung ergibt sich für binär codierte Steuersignale
dann, wenn die binären Einzelsignale einzeln in die zu übertragenden, das Referenzsignal
enthaltenden zu übertragenden Signalanteile umgesetzt werden. Dadurch, daß die zu
übertragenden Impulse bereits selbst ein zeitliches Referenzsignal beinhalten, entfallen
zusätzliche Synchronisierungsbits, welche in ihrer Erzeugung, Übertragung und Auswertung
einen
erheblichen zusätzlichen Aufwand erfordern würden.
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hervorzuheben sind weiterhin diejenigen Maßnahmen, die beinhalten,
daß die in gewissen Grenzen vorhersehbare Auswirkung der Alterung von zeitbestimmenden
Bauelementen im Empfänger nicht durch aufwendige Maßnahmen kompensiert, sondern
gezielt in Kauf genommen wird, wobei dafür Sorge getragen wird, daß Sender und Empfänger
derartig aufeinander abgestimmt sind, daß die durch Alterung der Bauelemente bedingte
Variation der zeitlichen Auswertung im Empfänger für alle Exemplare, bezogen auf
eine feste senderseitige Impulsrate, für die vorgesehene Betriebs zeit der Herzschrittmacher
innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt, so daß ein Arzt mit einem Senderteil Betriebsparametereinstellungen
an allen hergestellten in Betrieb befindlichen Schrittmachern, die einen Empfänger
des erfindungsgemäßen Typs aufweisen, vornehmen kann.
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Andererseits kann zusätzlich noch die Möglichkeit vorgesehen werden,
eine noch größere Variation der zeitbestimmenden Bauelemente im Empfänger dadurch
zuzulassen, daß auch die Rate der durch den Senderteil abgegebenen Impulse veränderbar
gemacht wird. Hat die Veränderung des Zeitverhaltens des Empfängers infolge Alterung
der Bauelemente nämlich einen bestimmten in gewissen Grenzen reproduzierbaren Verlauf,
so kann dabei die Impulsrate des Senderteils mittels einer geeichten Skala so festgelegt
werden, wie es am günstigsten für den Empfänger in seinem derzeitigen Zustand ist,
d.h. der Arzt müßte dazu auf einer Skala einstellen, wie lange der Schrittmacher,
dessen Parameter verändert werden sollen, bereits ungefähr implantiert ist. Der
Arzt kann aber auch nacheinander verschiedene, jeweils in ihrer Impulsrate geänderte
Steuersignale auslösen, bis er, beispielsweise mittels eines Elektrocardiographen
eine Veränderung der Herzfrequenz des Patienten als Zeichen für die erfolgte Xthaltung
der Parameter des Schrittmachers erkennt. Die Variation der Sendeimpulsrate kann
dabei - in den in Betracht kommenden Grenzen - automatisch erfolgen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann hierbei
auch mittels einer Rückkopplung vom elektrocardiographen zur Steuerung des Senderteils
die Abgabe von Steuersignalen mit gegebenenfalls variierter Ausgaberate dann beendet
werden, wenn sich eine gewünschte Herzfrequenz eingestellt at, die anzeigt, daß
die beabsichtigte Veränderung der Betriobsparameter des Schrittmachers vollzogen
wurde.
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Bei diesen Weiterbildungen wird es sich aber in der Regel um Sonderflle
handel n, da die erfindungsgemäße Lösung in der Regel gerade dann besondere Vorteile
bringt, wenn auf eine unkomplizierte Anwendbarkeit verbunden mit einem kleinen apparativen
Aufwand Wert gelegt wird Die Zeitschran1en bildenden Signale werden in der Empfängerschaltung
in bovorzugter Weise mittels eines Zählers erzeugt, der durch die empfangenen Referenzsignale
jeweils auf null zurückgesetzt wird. Imine solche Zählerschaltung ist hinsichtlich
des Stromverbrauchs günstiger als eine sonst üblicherweise als Zeitgeberschaltung
verwendete Monoflop-Schaltung. Ein derartiger rücksetzbarer Zähler erweist sich
auch deshalb als besonders günstig, weil er, bei geeigneter Auslegung, falls kein
RESET-Impuis erscheint, bis zu höheren Zählerständen weiterztihlt, bei denen gegebenenfalls
zusätzliche Funktionen ausgelöst werden können, wie beispielsweise das Rücksetzen
der Logikschaltungen im Empfänger in einen Anfangszustand, falls kein vollständiges,
ausführbares Steuersignal empfangen wurde.
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Um die Störsicherheit der Steuersignalübertraqung weiter zu verbessern,
ist es von Vorteil, zusätzliche redundante Signale einzuführen, wobei es eine besonders
günstige Lösung ist, wenn diese redundanten Signalanteile die relevanten Signalteile
zeitlich umrahmen. hallen infolge von Störungen Sia,nalteile aus oder werden zusätzliche
Impulse eingeschoben, so verschieben sich die redundanten Signalanteile innerhalb
der
übertragenen Zeichenfolge. Durch eine geeignetE'. Wahl der
redund.lnten Signalanteile kann es erreicht werden, daß, wenn eine derax:ige Verschiebung
im empfangenen Signal auftritt, mit großer Wanrscheinlichkeit nicht eine solche
Signalkonfiguration erscheint, welche vom Empfänger als Steuersignal akzeptiert
wird. Eine derartige Sicherung mittels Redundanzbits zst bei dem erfindungsgemäßen
System deswegen von besondercr Bedeutung, weil innerhalb der relevanten Signalanteile
auftretende Störimpulse als Referenz signale interpretiert werden könnten und damit
zusätzliche auszuwertende Impulse vortäuschen, während unterdrückte Referenzsignale
zu Ausfällen in der Übertragung führen. Insofern ergibt sich also durch die Verwendung
der redundanten Signalanteile im Zusanimenhang mit dem erfindungsgemäßen Sender-Empfänger-System
eine hinsichtlich Störsicherheit und Sicherheit gegen Änderungen zeitbestirrunender
Elemente der Empfängerschaltung besonders vorteilhafte Ausführungsform. Änderungen
der zeitbestimmenden Elemente in der Empfängerschaltung können dabei nicht nur in
alterungsbedingte Veränderungen der Bauelemente, sondern auch in einem Nachlassen
der Batteriespannung infolge zunehmender Erschöpfung der Energiequellen bestehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und
wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung des prinzipiellen
Impulsverlaufs bei dem Ausführungsbeispiel, Fig. 2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 die Schaltung des Senderteils bei dom Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Systems, Fig. 4 die Schaltung des Empfängerteils des selben Systems und Fig. 5 eine
Darstellung des impulsförmigen Spannungsverlaufs
an verschiedenen
Punkten der in den Fign. 3 und 4 dargestellten Schaltungen.
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In Fig. 1 iit der prinzipielle Verlauf der Impulse des vom Senderteil
auszusendenden Signals dargestel lt.. Es hande t sich dabei wn Inpulse, die bei
einer mit besonders geringem konstruktiven Aufwand ausführbaren Systemkonfiguration
erzeugt werden können, die zur Erleichterung des Verständnisses in einem idealisierten
Verlauf der nachfolgenden Beschreibung zugrundegelegt werden soll. Dem dargestellten
Signalverlauf liegt ein billär codiertes Steuersignal zugrunde, das insgesamt 8
bits aufweist: und in Fig. 5 oben geschlossen dargestellt ist. Da das zugrundeliegende
Steuersignal binär codiert ist, kann erfindungsgemäß das weitere Signal in Bezug
auf das Referenzsignal zwei zeitliche Lagen einnehlnen. Es ist ersichtlich, daß
bei entsprechend komplizierteren Systemen komplexere Informationsanteile durch eine
feinere zeitliche Stufung übertragen werden können. Bei dem dargestellten Signalverlauf
bilden die Vorderf)ankt 1 uld 2 der Impulse die Referenzsignale, während die weiteren
Signale, deren zeitliche lage von der Empfängerschaltung ausgewertet wird, durch
die Pückflanken der Signale 3 und 4 gebildet werden. Der Signalverlauf im Bereich
A wird durch ein binäres "1"-Signal erzeugt, während zu dem Signalverlauf im Bereich
B das binäre Signal "O" gehört. Bei der Signalübertragung braucht der Abstand der
die Referenzsignale bildenden Vorderflanken 1 und 2 der Impulse nicht konstant zu
sein. Will man eine zeitliche Kompression der Ubertragung erreichten, so kann die
Vorderflanke 2 nahezu unmittelbar auf die Rückflanke 3 folgen, was aber auf der
anderen Seite den Nachteil hat, daß die Ausgabe der Impulse senderseitig nicht nach
einem festen Taktschema erfolgen kann. Im Bereich A der Darstellung in Fig. 1 ist
bei 4' zusätzlich der Signalverlauf für ein "O"-Signal dargestellt.
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Als strichpunktierte Linien sind zwei Zeitschranken 5 und 6 wiedergegtben,
die empfängerseitig zur Entschlüsselung des empfangenen Steuersignals gebildet werden.
Diese Zeitschranken
werden - in Form von entsprechenden logischen
Signalen - im Empfanger auf das Erscheinen des zeitlichen lleferenzsignals (hier
der Vorderflanken 1 oder 2) hin in einem festen zeitlichen Abstand erzeugt. Die
zeitliche Lage der Rückflanken 3, 4 bzw. 4' zu den Zeitsehranken 5 und 6 wird so
ausgewertet, daß, wenn die Rückflanke zwischen derer Vorderflanke und der Zeitschrallke
5 erscheint, dem Signal eine 1" zugeordnet wird, während, falls die Rückflanke zwischen
den Zeitschranken 5 und 6 erscheint, eine "O" ausgegeben wird. Da die zeitliche
Lage der die Zeitsehranken darstellenden Signale durch im Empfänger vorhandene eigene
zeitbestimmende Elemente festgelegt wird, verändert sie sich durch Variation der
zeit-h»1Lmm3nden Elemente in Bezug auf die empfangenen Impulse, wie es durch die
Pfeile 7 und 8 angedeutet ist. Die Zeitdauer der Impulse soll bei diesen Betrachtungen
zunächst als fest - entsprechend dem festgelegten Übertragungsschema - angesehen
werden, da es senderseitig durch entsprechendfn Aufwand möglich ist, eine nahezu
absolute zeitliche Stabilität zu erzielen. Bei der vorgesehenen Anwendung des Sender-Empfänger-Systems
in der Herzschrittmachertechnik ist es nämlich günstig, technisch aufwendige Schaltungen
in den Senderteil zu verlegen, da dort keine Begrenzung durch die Stromversorgung
und die räumlichen Abmessungen auferlegt ist. Außerdem werden die Senderteile in
geringerer Stückzahl gefertigt als die im Schrittmacher befindlichen Empfängerteile,
so daß auch aus dieser Sicht die hier dargestellte Lösung ökonomische Vorteile aufweist.
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Würde nun die zeitliche Lage der die Zeitschranken 5 und 6 bildenden
Signale im Empfänger über die Dauer der gesamten Übertragung des Steuersignals durch
eine eigene nicht mit dem Sendersignal synchronisierte Zeitgeberschaltung erzeugt,
so würden sich die Abweichungen von Impuls zu Impuls ständig vergrößern, wobei davon
ausgegangen wird, daß beim ersten Impuls Synchronismus besteht. Ergeben sich nun
empfängerseitig infolge Alterung der Bauelemente oder einer zunehmenden Erschöpfung
der
Energiequelle während einer bereits jahrelangen Bet:riebidcluer, so ist nicht mehr
gesähLleistet, daß die im Empfängei gebildeten Zeitschran];cn auch beim letzten
innerhalb eines Steuersignals empfangenen Impuls noch in den Bereich der zu diskriminierenden
Impulsdauern fallen. Fällt die Zeitschranke 5 mit den Rückflanken 3 oder 4' zusammen,
so ist eine Unterscheidung der zeitliche Lage der Rückflanken nicht mehr möglich.
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Wird dagegen - wie bei. dem System gemäß der Erfindung - die Lage
der Zeitschranken jeweils auf ein Referenz signal, wie hier die Vorderflanken 1,
2 der Impulse bezogen, so so wird die Anforderung an die Konstanz der zeitbestimmenden
Glieder in der Empfängerschaltung weiter verringert. Beim dargestellten Beispiel,
wenn acht Impulse in einem Siqnal übertraeen werden, entspricht das einem Faktor
von acht. Bei Betrachtung zeigt sich aber, daß, wenn - wie dargestellt - nur zwischen
zwei Signalzuständen unterschiedci werden soll, es bei der Decodierung des Signals
in wesentlichen auf den zeitlichen Abstand der Zeitschranke 5 vom vorangehenden
Referenzsignal ankommt. Da die Zeitschranke ungefähr in der J4i.tte des Ye-reichs
A liegt, entsprechend also der Hälfte der für die Übertragung eines Bits erforderlichen
Zeit, werden die Anforderungen an die Zeitgenauigkeit wiederum halbiert, so daß
sich im hier dargestellten Beispiel insgesamt ein Faktor von 16 ergibt. Die Lage
der weiteren Zeitschranke 6 ist durch die im Empfängerteil verwendete Auswertungsschaltung
bedingt. Bei der Benutzung eines rücksetzbaren Zählers, der in Form einer sogenannten
Frequenzteilerschaltung in integrierter Bau form günstig verwendet werden kann,
erhält man ein Rechtecksignal mit dem Taktverhältnis 1:1. Wie aus der weiter unten
beschriebenen Beschreibung der Schaltung des Ausführungsbeispiels im einzelnen hervorgeht,
wird zum Zeitpunkt der Zeitschranke 6 der decodierende Zähler wieder in seinen Anfangszustand
zurückgesetzt, so daß eine Auswertung einer später erscheinenden Rückflanke 4' nicht
mehr erfolgen kann. Diese Zeitschranke 6 kann dann von Bedeutung
sein,
wenn keine weiteren Referenzsignale mehr folgen, die Ubertragung des Steuersignals
also beendet ist, oder falls ein nachfolgendes Referenzsignal infei2e ciner Störung
ausfallen sollte. In diesem Fall ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit,
daß trotz Ausfalls eines Referenzsignals ein nach der Zeitschranke 6 erscheinendes
weiteres Signal in gleicher Weise auszuwerten ist, wobei sich bestehende zeitliche
Abs ichungen zwischen der Zeitsteuerung von Sender- und Empfeinyertcil dann allerdings
über zwei Impulsperioden aufaddieren. Weiterhin ist aber auch die Möglichkeit gegeben,
die Zeitschranke 6 durch logische Verknüpfungen in der Empfängerschaltung auswirkungsmäßig
zu unterdrücken, so daß eine Änderung bezüglich der Auswertung der empfangenen Signal
flanke erst mit der nachfolgenden Vorderflanke 2 eintritt, d.h., daß eine zwischen
der Zeitschranke 5 und der folgenden Vorderflanke 2 erscheinende Rückflanke 4' als
Signal "O" ausgewertet würde. Damit ist sichergestellt, daß bei der signalauswertung
tatsächlich nur die Lage der Zeitschranke 5 auch bei der Verwendung einer Frequenzteilerschaltung
bei der Decodierung Einfluß ausübt und in ihrer zeitlichen Lage bei der Veränderung
von Eigenschaften des Empfängerteils berücksichtigt werden muß.
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Ist die Veränderung der Lage der Zeitschranke relativ zum festen zeitlichen
Verlauf der Sendersignale vorherzusehen, ergibt sich also über die Betriebsdauer
der Schrittmacherschaltung eine stets fallende oder stets steigende Tendenz (werden
Elektrolytkondensatoren als zeitbestimmende Glieder verwendet, so ergibt sich für
die damit festgelegten Zeitdauern bei der Decodierung beispielsweise eine fallende
Tendenz). Wird damit bei beispielsweise fallender Tendenz die Zeitschranke 5 bei
Beginn des Betriebs des Empfängers in die Nähe der Zeit gelegt, zu der die Rückflanke
4' auftritt, so kann sie sich im Verle W der Betriebszeit über einen weiten Bereich
in die Nähe Rückflanke 3 bewegen, ohne daß eine Beeinträchtigung
der
Signalübertragung auftritt. Damit ist eine weitere vorteilhafte Möglichkeit gegeben,
Schwankungen der zeitbestimmenden Elemente im rjmpEcingerteil auszugleichen. Bei
dem erfindungsgemäßen Konzept werden also empfängerseitige Schwankungen von Bezugszeiten
bei der Signaldecodierunq hingenommen, da Gegellmanllalln,ell im Empfängerteil den
größten Aufwand bedingen und wegen der daraus resultierenden Vergrößerung des Stromverbrauchs
und des Bauvolumens des Schrittmachers dessen Träger am wenigsten zugemutet werden
können. Stattdessen werden alle Maßnahmen zum Ausgleich von Schwankungen in den
Eigenschaften der zeitbestimmenden Elemente im Empfängerteil auf die Senderseite
verlegt, wenn man einmal von der erforderlichen keinen besonderen Aufwand erfordernden
Anfangseinstellunq des Empfängers absieht.
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Bei Sonderfällen der Anwendung, wenn sich infolge besonderer Umstände
beim Empfängerteil eine aufnehmend große Abweichung bei der Erzeugung der Zeitschranken
ergeben haben sollte, kann der Zeittakt des Senders zusätzlich manuell derartig
veränderbar gestaltet werden, daß eine Anpassung auch noch an sehr große Zeitfehler
bei der Decodierung in der Empfängerschaltung möglich ist, wobei dann entweder durch
den Arzt oder automatische Mittel festgestellt werden kann, wann die erwünschte
Änderung der Betriebseigenschaften des Schrittmachers erreicht werden konnte. Bei
üblichen Anwendungen ist es aber gerade die zeitlich feste zeitliche Steuerung der
Sender, welche keine zusätzlichen Eingriffe oder Betätigungen erforderlich macht,
die einen Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Systems bildet. In diesem Rahmen ist
es aber als zusätzlicher Vorteil anzusehen, daß außerhalb von Routinefällen noch
die zusätzliche Möglichkeit der Beeinflussung gegeben ist.
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Bei der Darstellung des allgemeinen Signalverlaufs anhand eines Ausführungsbeispiels
zeigt sich besonders deutlich, welche
Vorteile eine zusätzliche
Codierung des bereits einmal codierten Steuersignals bei dem System gemäß der Erfindung
Lrrinyt. Es soll dabei an dieser Stelle ausdrücklich darauf llincgewicEen werden,
daß das zugrundeliegende codierte Steuersignal, insbesondere wenn es binär codiert
ist, bereits in dic-ser Eorl;1 zur Signalübertragung mittels eines Magnetfeldes
zu einem Raed-Kontakt verwendet werden könnte, ohne daß jedoch dani die mit dem
erfindungsgemäßen System verbundenen VorLeile erreichbar wären.
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In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Sender-Empfänger-System zur seriellen
Übertragung von Steuersignalen zu einem Herzschrittmacher schematisch dargestellt.
Im oberen Teil der Figur finden sich die Baugruppen des Senderteils, während im
unteren Teil derselben die im Gehäuse des Herzschrittmachers vorhandenen Baugruppen
in Blockdarstellung wiedergegeben sind.
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In eine Codierschaltung 9 werden die an die Schrittmacherschaltung
15 zu übertragenden Signale eingegeben (durch Pfeil angegeben). Die Einstellmittel
der Codierschaltung geben dem Benutzer dabei im Klartext an, welche Werte die Parameter
der Schrittmacherschaltung annehmen können. Bei einer entsprechenden Position der
Einstellmittel werden über die eigentliche Codierschaltung die relevanten Bits des
Steuersignals bei der Ubermittlung so eingestellt, daß in der Schrittmacherschaltung
15 nach Empfang des Signals die erforderlichen Umstellungen vorgenommen werden.
Eine Logikstufe 10 formt dabei das digital codierte Steuersignal entsprechend der
Erfindung in das auszuendende Signal um. Ein Verstärker 11 setzt die Stromstärke
der Impulse auf einen zur Ansteuerung der Spule 12 notwendigen Wore herauf. Durch
die Spule 12 wird ein magnetisches Feld erzeugt, das ausreichend ist, um einen Reed-Kontakt
13 innerhalb des implantierten Schrittmachers aus einer Entfernung von ca.
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5 cm durch den Körper des Patienten hindurch zu betätigen.
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(Die Einwirkung des magnetischen Feldes ist durch die gestrichelten
Pfeile angedeutet.) Der Reed-Kontakt 13 schließt, wenn
er sich
in einem Magnetfeld hipreichender Intensität befindet.
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Die durch den Sendertci 1 in Form eines zeitweise erzeugten Maglletfel('es
ausgesandten Impulse werden durch den ltoedw ntakt in elektrische lipulse umgeformt
und der Auswertiingslogik 1 4 zugeführt. Letztere decodiert die empfangene Impulsfolcje
entsprechend der Erfindung, wie es im einzelnen anhand der nachfolgend besch!iebenen
Schaltungen noch dargestellt werden wird. In der Schri ttmacherschaltung 1 5 werden,
nachdem ein vollständiges Seuersignal eingegangen ist, die diesem Steuersignal zugeordneten
Einstellungen über Schalter, beispielsweise durch Änderung der Werte von Widerständen
vorgenot nen.
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In Fig. 3 ist ein Schaltbild des Senderteils wiedergegeben, welches
in seiner Funktion zusammen mit den in Fig. 5 dargestellten Impulsfolgen erläutert
werden soll. Das zu tibertragende digital codierte Steuersignal hat bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel eine Länge von 8 bits. Sollen acht verschiedene Informationen
übertragen werden, so werden drei Bits für die Nutzsignale benötigt, während die
restlichen fünf Bits als redundante Signale zur Erkennung von Störungen bei der
Signalübertragung zur Verfügung stehen. (Eine 8-bit-Konfiguration ist schaltungstechnisch
besonders günstig, da hierfür eine Anzahl von geeigneten integrierten Bausteinen
zur Verfügung steht.) Aus den bereits genannten Gründen ist es vorteilh2ft,*7enn
die Nutzinformation von den redundanten Bits eingeschlossen ist.
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Im dargestellten Beispiel lautet das Steuersignal 101XXX01, wobei
X jeweils für ein binäres Nutzsignal steht. Die Verwendung von Redundanz-Bits zur
Störerkennung ist bei einem System zur Fernsteuerung eines Herzschrittmachers deswegen
besonders günstig, weil eine direkte Möglichkeit, zu erkennen, ob die durchgeführte
Signalübertragung zu dem gewünschten Resultat führte, nicht gegeben ist. Bei der
Änderung bestimmter Betriebsparameter des imE)lantierten Herz schrittmachers müßte
das
Herzverhalten des Patienten über einen gewissen Zeitraum beobachtet werden, um entscheiden
zu können, ob die Signalübertracjung die erwünschte Veränderung bewirkt hat. Dazu
ist die Aufnahnc eines Elektrocardiogramms erforderlich. Dadurch, daß die redundanten
Bits eine Isonfiguration aufweisen, bei der jeweils die logischen Signale 1" und
0" aufeinanderfolgen, ist es in besonders günstiger Weise möglich, zu erkennen,
ob bei der Übertragung infolge von Störungen zusätzliche Signale eingeschoben wurden
oder aber Signale unterdrückt wurden, denn hierdurch wird eine Verschiebung entweder
der Anfangs- oder der Endsignale in Bezug auf das vorgeschriebene Signalschema bewirkt,
so daß im Empfänger keine Signalfolge entsteht, die eine Steuerfunktion auslöst.
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Über die Codierschaltung 9 werden die drei für die Signalübertragung
relevanten Bits eingestellt. Die Codierscllaltung kann beispielsweise aus einem
BCD-Schalter bestehen, bei dem die dezimalen Ziffern 1 bis 8 mit den über diese
Schalterstellungen einstellbaren Betriebszuständen des Herzschrittmachers bezeichnet
sind. Die mit Hilfe von weiteren Widerständen R 9, R 10 und R 11 erzeugten binären
Signale werden den der Position der Nutzbits entsprechenden Eingängen eines Schieberegisters
16 zugeführt, wobei die den redundanten Bits zugeordneten Eingänge auf festen Potentialen
(+ bzw. Masse) liegen. Es sei angenommen, daß sich durch die Einstellung der Codierschaltung
9 an den Eingängen des Schieberegisters die Bit-Folge 10110101 ergibt, wie es in
Zeile 2 der Fig. 5 angegeben ist.
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Durch Betätigung der START" -Taste gelangt ein L-Impuls über ein Differenzierglied
R 1/C 1 an einen Eingang eines Nand-Gatters 17, der über einen Widerstand R 2 mit
dem H-Potential (+) verbunden ist. Das Nand-Gatter 17 bildet mit einem weiteren
Nand-Gatter 18 eine bistabile Anordnung, so daß der Ausgang des Nand-Gatters 17
auf den Eingangsirnpuls hin seinen
H-Z.istand beibehält. Durch
die Anstiegsflanke am Ausgang des Nand-Gatters 17 wird über einen Kondensator C
2 an einem Widerstand R 3 und eilleln weiteren Eingang des Schieberegisters 16 sowie
an Reset-Eingang eines Zählers 19 ein 11-Impuls hervorqerufen. Der Zähler 19 wird
dadurch auf den bintiren Wert 1000 zurSickyes(tzt, während das Schieberweg ster
zur Übernahme der an den Dateneingängen anli legenden Information veranlaßt wird.
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Durch den H-Pegel am Ausgang des Nand-Gatters 17 wird auch der aus
clen Nand-Gattern 20 und 21 sowie den Widerständen R 4 und R 5 und dem Kondensator
C 3 bestehende Oszillator freigegeb,cn.
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Die Frequenz des Oszillators kann über den Widerstand R 5 verändert
werden. Da der Oszillator die Zeithasis für die gesamte Signalerzeugung im Senderteil
bildet, kann über den Widerstand R 5 die Impulsrate des ausgesandten Steuersignals
zusätzlich variiert werden, wenn in den obengenannten Sonderfällen die zeitliche
Synchronisation unter Ausnutzung der übrigen Merkmale der Erfindung nicht ausreicl1end
sein sollte.
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Mittels der Flipflops 22 und 23 wird die Oszillatorfrequenz zweimal
halbiert, wobei das Flipflop 22 dazu dient, ein Taktverhältnis von 1:1 zu erzeugen.
Der Ausgang Q des Flipflop 23 taktet das Schieberegister 16, so daß die darin enthaltene
Information seriell an den Ausgang "OUT" gelangt.
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In Fig. 5 ist in der dritten Zeile das Signal wiedergegeben, welches
durch die START-Taste erzeugt wird, in der folgenden Zeile das Ausgangssignal des
Nand-Gatters 17, welches den Oszillator (Nand-Gatter 20 und 21) freigibt, in der
vierten Zeile das durch den Oszillator erzeugte Taktsignal und in den Zeilen 5 und
6 die Ausgangssignale Q der Flipflops 22 und 23.
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Am Ausgang "OUT" des Schieberegisters 16 erscheint, gesteuert durch
die am Eingang "CLOCK" anliegenden Taktsignale des Zählers
19,ein
zeitlicher Signalverlauf, wie er in der achten Zeile von Fig. 5 dargestellt ist.
Die Ausgangssignale Q der Flipflops 22 und 23 und das Ausgangssignal "ORT" des Schieberegisters
16 werden durch Nand-Gatter 24 bis 28 zu einem Signal zusammengesetzt, wie es in
seinem zeitlichen Verlauf von dein Senderteil abgegeben wird. Liegt der Ausgang
des Schieberegisters auf H-Ivotential, entsprechend einer logischen 1", so gelangt
der erste Ausgangsimpuls des Flipflops 22 innerhalb einer volle'j Periode des Ausgangssignals
am Ausgang Q des Flipflops 23 über einen aus dem Widerstand R 8 und dem Kondensator
C 6 gebildeten Tiefpaß und einen Inverter 29 zum Verstärker 11. Liegt der Ausgang
"ORT" des Schieberegisters 16 während einer Taktperiode des Flipflops 23 auf L-Potential
(logische 0"), so gelangen die II-Pegel der Ausgänge Q der Flipflops 22 und 23 durch
ein logisches oder" verknüpft an den Eingang des Verstärkers 11, so daß sich insgesamt
für den ausgesendeten Signalverlauf das in der achten Zeile von Fig. 5 dargestellte
Bild ergibt.
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Nach acht Impulsen des Flipflops 23 erreicht der durch positive Flanken
getriggerte abwärtszählende Zähler 19 sein Minimum und über den Ausgang "CARRY OUT"
gelangt ein L-Impuls an das Nand-Gatter 18, so daß der Oszillator (Nand-Gatter 20
und 21) gestoppt wird. Ein mittels des Nand-Gatters 30 und der durch den Widerstand
R 7 und den Kondensator C 5 gebildeten Impulsformstufe erzeugter Impuls setzt die
beiden Flipflops 22 und 23 in ihre Ausgangslage zurück.
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An einen weiteren Eingang des Nand-Gatters 30 ist eine Schaltung angeschlossen,
die nach dem Einschalten der Versorgungsspannung die Flipflops 22 und 23 ebenfalls
in ihre Ausgangslage zurücksetzt (Ausgänge auf L-Pegel).
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In Fig. 4 ist die Schaltung des Empfängerteils dargestellt.
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Tritt ein Sende impuls in Form eines Magnetfeldes im Bereich des Reed-Kontaktes
13 auf, so schließt dieser und verbindet
den Eingang eines Inverters
31, der im übrigen über einen Widerstand R 12 mit H-Potential (+) verbunden ist,
mit dem L-Potential, so daß der Ausgang des Inverters auf L geht.
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bin Kondensator C 6 dient zur Entprellung des Kontaktes.
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Aus der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals des Inverters 31 wird
mittels des aus einem Kondensator C 7 und einem Widerstand R 13 bestehenden Differenziergliedes
ein H-Impuls gebildet, der einen Zähler 32 über seinen RESET"-Eingang zurücksetzt.
Der selbe Impuls wird mittels eines zusätzlichen Inverters 33 negiert und setzt
den Ausgang eines Nand-Gatters 34 auf H, woraufhin der aus einem Nand-Gatter 35,
einem Inverter 36, sowie Widerständen R 14, R 15 und einem Kondensator C 8 gebildete
Oszil-lator startet. Das Nand-Gatter 34 bildet zusammen mit einem Nand-Gatter 37
eine bistabile Schaltung, so daß sein Ausgang weiterhin auf dem H-Pegel verbleibt.
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Die Frequenz des Oszillators wird durch die angeschlossenen passiven
Bauelemente und die Versorgungsspannung der Er,ergiequelle bestimmt. Eine direkte
Nachstimmung eines derartigen, die Auswertung der empfangenen Signale bestimmenden
Oszillators ist mit einem relativ groBen technischen Aufwand verbunden und erfordert
zusätzliche Vergleichs- und Abgleichmittel. Der Abgleich auf eine Sollfrequenz nimmt
stets einen gewissen Zeitraum in Anspruch, währenddessen noch keine Signalübertragung
erfolgen kann und es besteht die Gefahr der Ausbildung von Regelschwingungen.
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Die Taktfrequenz des Oszillators ist um den Faktor 210 höher als die
Taktfrequenz bei der Signalübertragung. Die Oszillatorfrequenz wird deshalb einem
Binär-Zähler 32 zugeführt, der durch einen Frequenzteiler gebildet wird, an dessen
Ausgängen Rechteck-Signale anliegen, deren Frequenz gegenüber der Eingangsfrcquenz
um eine Potenz von 2 herabgesetzt ist und die ein Taktverhältnis von 1:1 aufweisen.
Am Ausgang Q 10 des Zählers 32 ergibt sich ein Signal, welches demjenigen am Ausgang
des Flipflops 23 in Fig. 3, allerdings in negierter
Form, entspricht,
wobei die Synchronität von Sender- und Empfängertaktsignal vorausgesetzt ist. Da
diese Synchronisation aber aus den genannten Gründen nicht von vornherein gegeben
ist, wird der Zähler 32 beim Eintreffen der vorderen Flanke eines Informations-Bits
des übertragenen Steuersignals auf null zurücwkyesetzt. Der freilaufende Oszillatortakt
bewirkt, daß der Zähler 32 jedesmal jeweils wieder von null beginnciid aufwärts
zählt. Nach 512 Impulsen geht das Ausgangssignal Q 10 des Zählers 32 in den anderen
logischen Zustand über, so daß sich bei der Signalauswertung der andere Abfragozustand
cinstellt - vorher festgestellte Rückflanken des Eingancjssignals wurden als 1"
gewertet, während von jetzt ab auftretende Rückflanken als n 0@ ausgewertet
werden. Nach weiteren 512 Impulsen oder nach einem durch den Reed-Kontakt 13 ausgelösten
RESET, geht der Ausgang Q 10 wieder in seinen Anfangszustand zurück. Auf diese Weise
ist auch bei größeren Abweichungen des Oszillatortaktes im Empfängerteil von demjenigen
im Senderteil eine Synchronität bei der Signalauswertung gewährleistet.
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Das Ausgangssignal an Q 10 des Zählers 32 wird mittels eines Inverters
38 negiert und dem seriellen Dateneingang eines Schieberegisters 39 zugeführt. Das
resultierende Empfängertaktsignal ist in Zeile 12 der Impulsdarstellungen in Fig.
5 wiedergegeben. Die vorhergehenden Zeilen 10 und 11 zeigen die Impulse, welche
von der Vorder- bzw. Rückflanke der über den Reed-Schalter 13 aufgenommenen Signale
bilden. Die den Rückflanken zugeordneten Impulse werden mittels eines Inverters
40 und eines aus einem Kondensator C 9 und einem Widerstand R 16 bestehenden Differenzierglied
erzeugt. Diese Impulse takten" das Schieberegister 39. Hierdurch wird eine gut funktionierende
und einfach zu realisierende Decodierungsschaltung für das empfangene Signal realisiert,
da jeweils auf die Rückflanke der Eingangsimpulse hin die am Eingang "DATA IN" des
Schieberegisters 39 vorhandene Information in dieses eingespeichert:
und
die bereits vorhandenon Informationen um eine Position wci Lergerückt werden.
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An den ausgängen des Schieberegisters Q 1 bis Q 8 entsteht beim Eintakten
des Signals der in dan unteren Zeilen von Fig.
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5 dargestellte Signalverlauf. An den Ausgängen liegt - nachdem das
vollständige Signal eingegeben wurde - eine Anzahl von logischen ->ignalen an,
welche in ihrer Folge dem ursprünglichen codiel-ten Steuersignal entsprechen. Mittels
der aus den Nand-Gattern 41 und 42, dem Inverter 43 und den Nor-Gliedern 44 bis
46 bestehenden logischen Schaltung wird festgestellt, ob die redundanien, im Steuersignal
mit übertragenen Bits die zum Auslösen des Steuervorgangs erforderliche Konfiguration
aufweisen. Ist das der Fall, so geht der Ausgang des Nor-Gatters 46 in den logischen
lI-Zustand. Mittels eines Kondensators C 10 und eines Widerstands R 1 7 wird daraus
ein Impuls geformt, der bewirkt, daß die an den Ausgängen Q 3 bis Q 5 anliegenden
Signale in einen Speicher 47 übertragen werden. Mittels eines Decoders 48 wird in
Abhängigkeit von den im Speicher 47 festgehaltenen Signal zuständen einer der Widerstände
R 18 bis R 25 mit dem Ausgang COMMON" Decoders verbunden. Dieser Ausgang ist wie
die zusammengefaßten anderen Anschlüsse der Widerstände R 18 bis R 25 mit der Schaltung
des Schrittmachers verbunden, dessen Betriebsparameter verändert werden sollen (Pfeile
49 und 50). Die Widerstäncle können dabei beispielsweise als frequenzbestimmende
Glieder für die Impulsrate des Schrittmachers dienen.
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Wird kein Impuls mehr empfangen - sei es weil das vollständige Signal
eingetroffen ist oder daß ein fehlerhaftes bzw. unvollständiges Signal empfangen
wurde - so zählt der Zähler 32 solange weiter bis der Ausgang Q 12 den H-Zustand
einnimmt und damit 211 Impulse empfangen wurden. Mittels eines Kondensators C 11
und eines Widerstands fl 26 wird aus dem Signal am Ausgang Q 12 ein Impuls geformt,
welcher das Schieberegister
39 zurücksetzt und, negiert durch
einen Inverter 51, über das Nand-Gatter 37 den aus den Nand-Gattern 35 und 36 bestehenden
Oszillator stoppt.
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Durch die Position der redundanten Bits am Anfang und Ende des zu
übertragenden Steuersignals werden Fehl steuerungen verhind~rt, falls durch Störsignale
Impulse wegfallen oder durch entstehende Einbrüche in Impulse das Vorhandensein
zusatzlichor Impulse vorgetäuscht wird, da nämlich ein Zurücksetzen des Zählers
32 jedesmal erfolgt, wenn eine Vorderflanke ermittelt wird. Durch fehlende oder
vorgetäuschte zusätzliche Impulse, die durch äußere Störeinflfisse auch vor Beginn
bzw. anschließend an die eigentliche Übertragung des Steuersignals entstehen können,
verschiebt sich stets die Position der redundanten Bits im empfangenen und decodierten
Signalverlauf, der an den Ausgängen Q 1 bis Q 8 des Schieberegisters 39 anliegt.
Wenn die redundanten Bits - wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel - eine
Folge von aufeinanderfolgend unterschiedlichen logischen Signalen bilden, bewirkt
das Fehlen eines oder das Entstehen eines zusätzlichen Pulses bei der Signalübertragung
stets eine Veränderung in den Positionen der redundanten Bits. Vorausgesetzt ist
eine Signalverschiebung um eine Position, was für die weitaus meisten Störungsfälle
zutreffend sein wird. Ist die Signalübertragung stärker gestört, so ist die Gefahr,
die darin besteht, daß zufällig Störsignale oder Anteile des Nutzsignals, die in
die Position der redundanten Bits gelangen, genau deren Konfiguration haben, was
allein zu einer Fehlsteuelmnc} führonnwirde.
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Dadurch, daß die redundanten Bits bei der Signalübertragung eine führende
und eine die Signalübertragung abschließende Stellung einnehmen, ist auch eine große
Wahrscheinlichkeit dafür gegeben, daß, wenn Anfang und Ende der Signalübertragung
ungestört blieben, auch die redundanten Signale nicht von einer Störung betroffen
sind.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt nur eine mögliche Form
der Realisierung der Erfindung dar. Es ist daneben noch eine große Anzahl anderer
Varianten denkbar, deren Auswahl von den gestellten Anforderungen und weiteren,
beispielsweise durch die zur Verfügung stehenden rJauelemente gegebenen, Randbedingungen,
bestimmt wird. So wird beispielsweise bei der dargestellten Ausführungsform die
zeitliche Lage der das weitere Signal bildenden Rückflanke im Empfänger dadurch
ermittelt, daß beim Auftreten der Rückflanke der logische Zustand des Empfängertakt-Signals
festgehalten wird. Entsprechend ist es auch möglich, zum Zeitpunkt des Wechsels
des logischen Zustands des Empfängertaktes den Zustand des Sendertaktes einzuspeichern.
In beiden Fällen enthält das Empfängertakt-Signal die zur Auswertung notwendigen
Zeitschranken.
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Weitere Varianten von Ausführungsformen ergeben sich dadurch, daß
verschiedene Baugruppen jeweils in einzelnen Bauelementen zusammengefaßt werden
können, wobei diese Bauelemente - je nach Integrationsgrad der Schaltung - auch
komplexere Funktionen, wie den gleichzeitigen Vergleich aller übertragenen Redundanz-Bits
mit einem vorgegebenen Soll-Signal ausführen können.
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