DE2755706A1

DE2755706A1 - Herzschrittmacheranordnung

Info

Publication number: DE2755706A1
Application number: DE19772755706
Authority: DE
Inventors: Lanny Louis Lewyn; Glen David Simpson
Original assignee: American Hospital Supply Corp
Current assignee: American Hospital Supply Corp
Priority date: 1976-12-14
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1978-06-15
Also published as: NL7713726A; JPS5392582A; BE861850A; US4114627A; FR2374023A1

Description

- 4 Patentanwälte

Dipl "Ing Dtpl -Chem Dip! -lug 2 7 6 O '/ U

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: A T798 12.Dezember 1977

AMERICAN HOSPITAL SUPPLY CORPORATION 1 American Plaza

11th Floor

Evanstort, Illinois , V.St.A.

Herzschrittmacheranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Herzschrittmacheranordnung. Es sind verschiedene Arten von Herzschrittmachern bekannt, beispielsweise Schrittmacher, die mit fester Impulsfolgefrequenz arbeiten, und Schrittmacher, die bedärfsweise arbeiten. In Schrittmachern mit fester Impulsfolgefrequenä erzeugt eine Schaltungsanordnung eine Folge von Anregungsimpulsen mit konstanter Periodendauer (etwa der Periodendauer der natürlichen Herzschläge), und diese Impulse werden an das Herz angelegt, damit dessen Schlagrhythmus erzwungen wird. In einem bedarfsweise arbeitenden Schrittmacher wird die natürliche Aktivität des Herzens abgetastet (gewöhnlich in der Herzkammer) und diese Schw/Ba

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Information wird dazu benutzt, den Schrittmacher davon abzuhalten, einen Impuls zu erzeugen. Bei dieser Art von Schrittmachemkann gesagt werden, daß die elektronische Schaltung nicht mit dem natürlichen Herzschlag im Wettstreit steht. DasZeitIntervall zwischen dem letzten natürlichen abzutastenden Herzschlag und dem ersten Anregungsimpuls wird als das AusfallIntervall bezeichnet. Es ist allgemein üblich, das Ausfallintervall bei einem solchen Schrittmacher auf einen Wert einzustellen, der eine gewünschte Schrittgeschwindigkeit bei Fehlen der natürlich vorkommenden Herzschläge aufrechterhält.

Es gibt auch noch andere Typen von Schrittmachern, und in jeder breiten Schrittmacherklasse gibt es viele Variationen; beispielsweise gibt es mit Hysterese arbeitende Schrittmacher, die unterschiedliche Ausfallintervalle im Anschluß an abgetastete Herzschläge oder im Anschluß an zwangsweise herbeigeführte Herzschläge aufweisen. Beispielsweise kann das erste Ausfallintervall relativ lang sein, und anschließende Ausfallintervalle können kürzer sein. Ein weiterer Schrittmacher, der in der USA-Patentschrift 3 662 759 beschrieben ist, tastet einen natürlichen Herzschlag ab. Wenn dieser auftritt, erzeugt er einen nichtanregenden Gleichlaufimpuls synchron mit einem natürlich auftretenden Herzschlag. Wenn kein natürlicher Herzschlag abgetastet wird, dann wird am Ende des Ausfallintervalls ein Impuls mit einer größeren, zur Herzanregung ausreichenden Energie erzeugt. In einem solchen Schrittmacher kann der GLefchlaufimpüls einen Arzt (über eine Fernsprechleitung) darüber informieren, daß das Herz mit dem natürlichen Sinusrhythmus arbeitet, und daß die implantierte Schaltung ebenfalls betriebsfähig ist und richtig arbeitet. Wenn während einer Untersuchung das Herz

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normal arbeitet und die Schrittmacherschaltung einen Ruhezustand einnimmt, sagt der Gleichlauf impiis einem untersuchenden Arzt, daß die Schaltung arbeitsfähig ist, daß die Energieversorgung funktioniert, und daß das Elektrodensystem einwandfrei ist (derGleichlafimpuls wird gewöhnlich direkt am Herzen abgetastet).

Ein weiterer Schrittmachertyp wird als Schrittmacher mit SchwellenwertnaGhfUhrung bezeichnet. Bei diesem System versucht die Schrittmacherschaltung den Schwellenwert zu messen, der zum Anregen des Herzens gerade ausreicht. Es ist zu erkennen, daß sich der Anregungsschwellenwert nicht nur von Person zu Person ändert, sondern manchmal auch bei der gleichen Person zeitlich verschieden sein kann; auch für verschiedene Elektrodensysteme kann er sich ändern. Sobald ein Anregungsschwellenwert gemessen ist, kann ein solches System die Anregung für nachfolgende Impulse um einen festen Wert vergrößern, oder es kann so programmiert sein, daß es den Schwellenwert an festgelegten Zeitpunkten,oder Jedesmal dann, wenn der natürliche Sinusrhythmus verlorengeht, erneut feststellt. Bei solchen Schrittmachern ist es wichtig, festzustellen, wann ein Anregungsimpuls das Herz tatsächlich anregt, und wann er dies nicht tut. In diesem Zusammenhang bedeutet das Wort "Anregung", daß der auf die Herzelektrode übertragene Impuls die Depolarisierung und die Kontraktion einer der Herzkammern, beispielsweise einer der unteren Herzkammern, bewirkt. Die Feststellung, daß ein Anregungs. impuls eine Herzdepolarisierung oder ein "Ansprechen¹¹ erzeugt hat, wird als "Ansprechprüfung·· bezeichnet. Ein Schrittmacher mit Schwellenwertnachführung ist in dem Aufsatz "Automatic Threshold Traking pacemaker" von Preston and Bowers in der Zeitschrift Medical Instrumentation, Band 8, Nr.6, November-Dezember 1974 beschrieben. Der Aufsatz

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beschreibt zwar nicht die verwendete Schaltung, doch erläutert er vier getrennte Elektrodensysteme. Beim ersten Elektrodensystem werden vier Elektroden verwendet, nämlich zwei für die HerzSchrittanregung und zwei für das Abtasten des Ansprechens . Bei einem zweiten Elektrodensystem werden drei Elektroden verwendet, von denen zwei mit Hilfe eines Katheters im Herzen angebracht werden, während eine dritte große Elektrode entfernt davon angebracht war (beispielsweise im Bauchbereich, wo künstliche Herzschrittmacher gewöhnlich implantiert werden).Die Herzschrittanregung erfolgte von der vorderen Spitzenelektrode zur entferntliegenden Elektrode, während das Abtasten von der zweiten eingebetteten Elektrode zur entfernt liegenden Elektrode erfolgte. Beim dritten Elektrodensystem wurden ein Katheter mit bipolarer Elektrode und eine groBe, an der Körperoberfläche befestigte Referenzelektrode benutzt, wobei dieses Elektrodensystem Abtastprobleme bei hohen Stromwerten zeigte. Beim vierten Elektrodensystem wurde ein bipolarer Katheder benutzt,bei dem beide Elektroden zur Herzschrittanregung und zum Abtasten eingesetzt wurden. Ein bipolarer Käthe er 1st ein Katheter mit zwei Elektrodenflächen, die elektrisch voneinander isoliert sind und am Katheterende angebracht sind. Bei diesem Elektrodensystem treten Abtastschwierigkeiten auf Grund eines Rest-Nachpotentials und einer Elektrodenpolarlsierung auf.Die Autoren des oben erwähnten Aufsatzes ziehen den Schluß, daß für eine saubere Abtastung ein mit drei Elektroden versehenes System erforderlich ist.

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Die Elektrodenpolarisierung ist eine bekannte Erscheinung, die auf Grund der Berührungsfläche zwischen der Metalloberfläche der Elektrode und dem im Körpergewebe,mit dem die Elektrode in Verbindung steht, in Lösung vorhandenen Ionen verursacht wird. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Ausdruck "Polarisierung" eine Restspannung, die sich aus der Ansammlung von Ladung an der Grenzfläche zwischen der Elektrodenmetalloberflache und dem Elektrolyt, also der Körperflüssigkeit, ansammelt; dieser Ausdruck ist nicht mit der Depolarisierung der Herzzellen zu verwechseln, der die Kontraktion begleitet. Die Polarisierungsspannung kann klein sein, beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 1,7 V liegen, doch ist sie ein wesentlicher Faktor bei der Ansprechprüfung, da das Abtastsystem zur Prüfung des Ansprechens versucht, die Anwesenheit einer R-Wellenspannung in der Größenordnung von 10 mV festzustellen; dieses Signal ist klein im Vergleich zu den normalen Polarisierungsspannungen. Zusätzlich zum Größenunterschied zwischen einer typischen Polarisierungsspannung und einer angeregten R-Welle klingt die Polarisierungsspannung mit der Zeit ab, und die Neigung der abklingenden Spannung macht die Feststellung einer angeregten R-Welle noch komplizierter, wie noch erläutert wird. Ausgedrückt in einer elektrischen Ersatzschaltung besteht die Wirkung der Elektrodenpolarisierung darin, daß sie für die Ansteuerschaltung so erscheint, als habe die Elektrode eine Kapazität, die nach der Anregung eine gewisse Restladung speichert; es wird dann auf eine Elektrodenkapazität Bezug genommen. Der Wert dieser Kapazität hängt vom Material der Elektrode und von ihrer Größe ab.

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Ein weiterer Herzschrittmacher, der feststellt, daß das Herz die Anregung aufgenommen hat und der die Amplitude eines nachfolgenden Anregungsimpulses verringert, wenn ein angeregter Herzschlag festgestellt wird, ist in der USA-Patentschrift 3 757 792 beschrieben. Bei diesem Herzschrittmacher wird dann, wenn die Schaltung nach der Aussendung eines Anregungsimpulses zum Herzen keine angeregte R-Welle feststellt, die Amplitude des nächsten Anregungsimpulses um einen vorbestimmten Betrag vergrößert. Wie in dieser Patentschrift ausgeführt ist, werden zur Anregung und zum Abtasten getrennte Elektrodenpaare verwendet, damit das Problem der Elektrodenpolarisierung und der daraus resultierenden refraktären Phase vermieden wird.

Es ist offensichtlich, daß die Verwendung eines einzigen Elektrodensystems sowohl zur Anregung als auch zur Abtastung der AneprechprUfung wünschenswert ist, da dies sowohl zu einem einfachen Elektrodenaufbau als auch zu einem einfachen Betrieb führt. Ein zuverlässiges System zur Anzeige der Ansprechbestätigung unter Verwendung einer einzigen, in das Herz implantierten Elektrode zum Abtasten und zur Feststellung ist bisher noch nicht geschaffen worden. Die Erfindung bezieht sich auf ein derartiges System. Die zweite Elektrode ist an einem entfernten Ort, beispielsweise im Bauchbereich angebracht, wo auch die Schaltung normalerweise eingesetzt wird.

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Die Erfindung kann in vielen verschiedenen Arten von Herzschrittmachern, beispielsweise in bedarfsweise arbeitenden Schrittmachern oder in mit fester Impulsfolgefrequenz arbeitenden Schrittmachern angewendet werden. Der Einfachheit halber wird die Erfindung im Zusammenhang mit einem Schrittmacher beschrieben, der mit fester Impulsfolgefrequenz arbeitet. FUr den Fachmann ist erkennbar, daß es auch andere Anwendungsfälle für ein Ansprechbestatigungssystem als das oben beschriebene automatische SchwellenwertnachfUhrsystem gibt. Beispielsweise kann das Elektrokardiogramm eines Patienten abgetastet und über eine Telemetrieanordnung oder über Fernsprechleitungen zu einem Arzt in seine Praxis oder in eine Klinik übertragen werden. Wenn während eines Tests das Herz nicht richtig arbeitet, dann wäre die Information sehr wichtig, daß der Schrittmacher einen Anregungsimpuls erzeugt und das Herz darauf reagiert. Im Zusammenhang mit der EKG-Telemetrie sei auf einen Aufsatz von Lewyh mit dem Titel "An Implantable Multichannel Blotelemetry System" in Proceedings IEEE Interkpn, April 1975 verwiesen. Ein solches Telemetriesystem ist insbesondere dort von Nutzen, wo es erwünscht ist, die Form der QRS Gruppe im Anschluß an einen Anregungsimpuls zu verstärken und zu übertragen. Wenn es nicht erwünscht ist, die Form der QRS Gruppe, sondern nur einen einzigen Impuls zu übertragen, der anzeigt, daß eine R-WeIIe vorhanden war, dann kann die Erfindungs im Zusammenhang mit einem Schrittmacher benutzt werden, der auch einen GleichlaiXJmpJüs liefert, wie in der oben angegebenen USA-Patentschrift 3 662 759 beschrieben ist, wobei der Gleichlauf impuls derzeit für die Anzeige verwendet wird, daß das Herz normal arbeitet und daß die Schrittmacherschaltung betriebsfähig ist, sich jedoch in einem Ruhezustand befindet, so daß sie nicht mit dem Herz im Wettstreit steht. Für den Fachmann sind auch andere Anwendungsfälle erkennbar.

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Nach der Erfindung enthält der Herzschrittmacher einen Oszillator zur Erzeugung des Schrittintervalls und eine Treiberschaltung* die abhängig vom Ausgangssignal des Oszillators ein Anregungssignal erzeugt, das kapazitiv an eine einzige, auf das Herz einwirkende Elektrode angekoppelt wird.

Ein Im Differenzbetrieb arbeitender Abtastverstärker ist mit seinem Signaleingang an die Herzelektrode zum Abtasten einer R-WeIIe angeschlossen· Insbesondere ist der Signaleingang des Abtastverstärkers mit Hilfe eines steuerbaren Halbleiterschalters an die echaltungsseitige Eingangsseite (im Unterschied zur herzseitigen Ausgangsseite) des Ausgangskopplungskondensators angeschlossen.

In der hier zu beschreibenden Anordnung sind mehrere elektronische Schalter zur Durchführung verschiedener erforderlicher Funktionen vorgesehen; zur Vermeidung von Verwechslungen ist Jeder dieser Hauptschalter mit einem Großbuchstaben bezeichnet. Der soeben erwähnte Halbleiterschalter ist als Schalter D bezeichnet.

Ein weiterer Schalter, nämlich der Schalter F, ist mit einem Entladewiderstand für den Ausgangkopplungskondensator in Serie geschaltet. Ein dritter Schalter, der Schalter A, wj.rd dazu benutzt, die Schal tungs sei te des Ausgangskopplungskondensators über einen Widerstand mit einem Klemmpotential zu verbinden, das im dargestellten AusfUhrungsbeispiel das Massepotential ist.

Ein vierter Schalter, der Schalter E wird dazu benutzt, den Verstärkungsfaktor des Abtastverstärkers in ausgewählter Weise zu ändern. Schließlich sind zwei Schalter, nämlich die Schalter B und C, vorgesehen, die dazu benutzt werden, den Signaleingang und den Referenzeingang des

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Differenzverstärkers miteinander und mit einer Referenzspannung squelle zu verbinden. Die Funktionen dieser Schalter und der zeitliche Ablauf der Betätigungen werden noch genauer erläutert. Hier sei nur kurz erwähnt, daß bei der Erzeugung eines Anregungsimpulses, was durch den Oszillator gemeldet wird, der Schalter F sofort in einen nichtleitenden Zustand umschaltet, damit der Entladewiderstand vom Ausgangskopplungskondensator abgetrennt wird. Dieser Entladewiderstand wird solange nicht wieder angeschlossen, bis die Zeitperiode verstrichen ist, in der ein angeregtes R-Wellensignal erwartet wird. Einer der Hauptgründe für das Abtrennen des Entladewiderstandes besteht darin, den Strom zu eliminieren, der sonst zum Entladen des Ausgangskopplungskondensators fliessen würde und Anlaß zu einer zeitabhängigen Spannungsänderung während der Zeitperiode geben würde, in der der Abtastverstärker versucht, das Ansprechen durch Abtasten einer angeregten Ra-Welle zu bestätigen.

Gleichzeitig, d.h. bei der Auslösung eines Anregungsimpulses, wird der Abtastverstärker mittels des Schalters D von der Elektrode abgetrennt; der Abtastverstärker wird festgehalten, indem sein Signaleingang und sein Referenzeingang gemeinsam über die Schalter B und C mit der BezugsSpannungsquelle verbunden werden. Außerdem wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers herabgesetzt, da das minimale R-Wellen-Antwortsignal des Herzens auf ein künstliches Anregungssignal gewöhnlich größer als der Minimalwert einer natürlichen R-Welle ist.

Wenn der Anregungsimpuls endet, wird die Entladung der Elektrodenkapazität ausgelöst, indem die Klemmwiderstandsschaltung über den Schalter A geschlossen wird. Der Wert des Klemmwiderstandes und die Klemmzeit sind so eingestellt, daß ein gewisser Anteil der Ladung von der Elektrodenkapazität

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abgeführt wird. Während der Klemmperiode trägt die Ladung am Ausgangskopplungskoni ensator zur Entladung der Elektrodenkapazität bei, da der Ausgangskopplungskondensator mit einer entgegengesetzt gepolten Ladung parallel zur Elektrodenkapazität geschaltet ist, so daß die im Ausg angsk opplungskondensator gespeicherte Ladung zum direkten Entladen der Elektrodenkapazität benutzt wird. Dies bewirkt eine starke Reduzierung der Ladung auf der Elektrodenkapazität, jedoch keine vollständige Eliminierung.Die Elektrode wird auf einen Wert entladen, bei dem die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung vernachlässigbar 1st. Am Ausgangskopplungskondensator bleibt auch eine gewisse Rest.spannung vorhanden.

Nach der Beendigung des Klemmvorgangs, jedoch vor dem Zeitpunkten dem das Festhalten des Verstärkers aufgehoben wird (wobei die Eingänge immer noch miteinander verbunden sind), wird der Verstärker wxeder mit dem Ausgangskopplungskondensator verbunden. In diesem Zeitpunkt sind beide Eingangsklemmen des Verstärkers an eine Bezugsspannung angelegt. Der Eingangskopplungskondensator des Verstärkers wird daher schnell aufgeladen, damit die Rest spannung am schal tungsseitigen Belag des Ausgangs kopplung skond ensator s versetzt wird, während die Verstärkereingänge auf die Bezugsspannungen festgeklemmt sind. Dadurch wird ein übersteuern des Abtastverstärkers während der Zeitperiode verhindert, in der er wieder an den Ausgangskopplungskondensator angeschlossen wird. Durch Erzeugen der Offset-Spannung am Eingangskopplungskondensator des Verstärkers zur Kompensation der Restspannung am Ausgangskopplungskondensator ist für den Verstärker kein Spannungssprung erkennbar ( der ihn übersteuern würde), wenn das Festhalten des Verstärkers beendet wird.

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Die Verstärkereingänge liegen daher auf dem gleichen Potential, und die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung am Ausgangskopplungskondensator hat in einer sehr kurzen Zeitperiode ( von etwa 18 ms ) nach einem Anregungsimpuls und vor der Abtastperiode zur Bestätigung des Ansprechens nahezu den Wert 0. Im Anschluß an die Abtastperiode wird der Ladewiderstand des Kopplungskondensators wieder angeschlossen, und der Verstärke rungs faktor des Abtastverstärkers wird auf den Ausgangswert vergrößert.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß festgestellt wurde, daß die Polarisations spannung von normalerweise als Herzelektroden verwendeten Materialien in einer ausreichend kurzen Zeitdauer, typischerweise 18 ms von der Auslösung eines Anregungsimpulses aus, kompensiert werden kann, damit angeregte R-Wellen festgestellt werden können. Der Abtastverstärker wird in selektiver Weise an einem Zeitpunkt mit der Herzelektrode gekoppelt, an dem das dort vorhandene Signal zumindest in dem Ausmaß im eingeschwungenen Zustand vorliegt, daß eine angeregte R-Welle festgestellt werden kann, wenn sie erwartet wird. Außerdem eignet sich das hier angewendete Klemm-, Kompensations- und Abtastverfahren für verschiedene Arten von Elektrodenmaterialien. Dies ist bedeutsam, da Jedes Material seine eigene charakteristische Polarisationsspannung und,seine eigene Elektrodenkapazität aufweist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Anordnung geschaffen wird, mit deren Hilfe unmittelbar im Anschluß an eine Anregung Energie von einer Elektrode entfernt werden kann, ohne daß eine zusätzliche Energie aus der Energieversorgungsqi eile benötigt wird. Das bedeutet, daß die Elektrodenenergie mit Hilfe

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passiver Schaltungsvorrichtungen (dem Klemmwiderstand und dem Ausgangskopplungskondensator) entfernt wird, was über einen weiten Bereich von Eingangsströmen wirksam ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung 1st die Treiberschaltung, die zur Anregung einen konstanten Ausgangsstrom liefert; der Wert des Ausgangs Stroms bleibt konstant, und er ist Über einen weiten Bereich nahezu herab bis zum Ausfall unabhängig von der Größe der Quellenspannung. Dies ist besonders wichtig bei einer implantierten Anregungsvorrichtung, wie einem Herzschrittmacher, wo es erwünscht ist, einen konstanten Ausgangsstrom auch'dann zu liefern, wenn die Versorgungsspannung abgenommen hat.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Ansprechbestatigungssignal für einen Herzschrittmacher geschaffen wird, der nur eine einzige, mit dem Herzen in Berührung stehende Elektrode enthält, was bedeutet, daß die gleiche Elektrode sowohl zur Anregung als auch zur Abtastung benutzt wird. Dies 1st bei verschiedenen Arten von Herzschrittmachern von Nutzen, also auch bei Herzschrittmachern mit fester Impulsfolgefrequenz und bei bedarfsweise arbeitenden Herzschrittmachern.

Wie erwähnt wurde, wird in einem System mit einer einzigen Elektrode während der Zeitperiode, in der der Anregungsimpuls an der Elektrode vorhanden ist, der Signaleingang des Abtastverstärkers von der Herzelektrode abgetrennt. Dies verhindert in vorteilhafter Weise Im Zusammenhang mit dem Festhalten des Verstärkers, mit der Verstärkungsreduzierung und dem Grundaufbau des Verstärkers eine Überlastung des Abtastverstärkers· Durch Reduzieren des Verstärkungsfaktors während der Zeitperiode, in der eine angerege te R-WeI Ie abgetastet wird, kann außerdem die gleiche Schaltung sowohl zum Abtasten angeregter R-Wellen

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als aucli zum Abtasten natürlich vorkommender Π-Wellen benutzt werden; dies j nt bei Herzschrittmachern mit fester Folgefroquonz und auch bei bedarfsweise arbeitenden Horzschrittmachcrn nützlich.

Aus der folgenden genauen Beschreibung wird zu erkennen sein, daß das Festhalten des Verstärkers mit der Auslösung eines Anregungsimpulses beginnt und bis über einen Zeitpunkt andauert, der nach dem Wiederanschließen des Verstärkers an die Elektrode liegt. Der Verstärker bewirkt daher nicht die Feststellung des Ansprechens bis zu einem Zeitpunkt, der später liegt als der Zeitpunkt, an dem alle SchaltvorgMnge für die Elektrodenkompensation durchgeführt worden sind. Der Verstärker spricht daher auf Schalt störung en nicht an. Außer dan wird der Verstärker in einer Weise ausgelöst, daß er von der am schaltungsseitigen Belag des Ausgangskopplungskondensators vorhandenen Offsetspannung nicht Überlastet wird, wenn er wieder zur Durchführung eines Abtastvorgiangs angeschl ossen wird.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild einer mit einem Ansprechbestätigungssignnl arbeitenden Herzschri ttma eher anordnung nach dnr Erii ndung ,

Fig.2 ein ZeJ 1 dingramm, das den Verlauf verschiedener Spannun/ion und die relativen Schaltzeitpunkte in der Schal lung von Fig.1 angibt,

Fig.3 ein Schaltbild des in der Schaltung von Fig.1 enthaltenen Oszillators,

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PLg.4 ein Schaltbild der monostabilen Schaltung und der Konstantstrom-Treiberschaltung von FLg,I,

Fig.5 ein Schaltbild der Schaltung zur Erzeugung des SRWI-Signals,

Flg.6 ein Schaltbild der Schaltung zur Erzeugung des IWEN-SIgnals und

FIg.7 ein Schaltbild der Steuerschaltung und der Verstärkerschaltung von FLg. 1.

Das Schaltbild von Flg. 1 enthält einen Oszillator 10 zur Erzeugung einer periodischen Folge von [mpuLsen. VLe angegeben wurde, 1st das dargestellte Ausftihrungsbeispiel ein Herzschrittmacher mit fester ImpuLafoLgefrequenz, und die AusgangsImpulse des Oszillators können beispielsweise In Zeltintervallen von 833 ms miftreten. Diese Impulse werden einer monostabllen Schaltung 11 zugefUhrt, die Jeden Impuls In der Ausgangsfolge In einen entsprechenden Impuls mit fester Zeitdauer oder Breite (0,75 ms) umsetzt. Das Ausgangs signal der monostabilen Schaltung 11 wird einem Konstantstromtreiber 11 zugeführt, dessen Ausgang an einen Auagangakopplungskondensator C1 angeschlossen ist. Die andere Klemme des Ausgangskopplungskondensators C1 ist mit der Herzelektrode verbunden, die schematisch durch den gestrichelten Block 14 dargestellt ist. Das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild der Herzelektrode 14 ist auf Grund des oben erörterten Polarisierungeeffekts eine alt gestrichelten Linien dargestellte Kapazität C2. Der Stromkreis wird durch das Körpergewebe zu einer an einem entfernten Ort angebrachten gemeinsamen Elektrode geschlossen.Der Widerstand des Herzens und des Körpergevebes ist als gestrichelter Widerstand R^ angegeben.

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In der AnsLcht von Flg.1 ist die linke Seite des Kondensators CI manchmal als die Schal tung s sei te bezeichnet, da die Schrittmacher schal tung an sie angeschlossen 1st; aus ebensolchen Gründen ist die rechte Seite manchmal als die Herzseite bezeichnet.

Die Schal tungssei te des Ausgangskopplung skond uns a tors Cl 1st an eine Serienschaltung aus einem Entladewiderstand Il und einem mit dem Emitter an Masse liegenden Schalttrannls tor F angeschlossen. Die Basis des Schalt transistors F 1st ml.t dem Ausgang eines SRWI-Signalsgenerators 16 verbunden, dem vom Ausgang des Oszillators IO »in Eingangssignal zugeführt wird. Der SRWI-Slgnalgenerutor 16 erzeugt ein SLgnal mit elnan ZeI tintervaL L₁ das eine ZeLtdauer vom tU^lnri eines Anregung s Impuls es bLs zum Ende der ZeL tperLode erzeugt, in der das Auftreten einer angeregetw Ft -Welle erwartet wird. Dieses Signal wird manchmal, uls das angeregte R-WeI len- Intervallsignal (Stimulated Jl-Wave inter να L al&uL) oder als SRWI-Signal bezeichnet. Dieses Signal ist In Flg.2 In der Zelle L12 dargestellt, und der Zustand des Schalttransistors F 1st entsprechend In der Zelle L13 dargestellt. In diesem Diagramm 1st ein In einem leitenden Zustand befindlicher Schalter als dicke Linie dargestellt, während das Fehlen einer dicken Linie diejenigen Zeltperloden anzeigt,In denen sich der entsprechende Schalter Im nichtleitenden Zustand befindet. Beispielswelse 1st so zu erkennen, daß sich der Schalttransistor F während der Zeitperiode, in der das SRWI-Signal (Zeile L12) auftritt, im nichtleitenden Zustand (Zeile L13) befindet.

Nach Fig.1 1st dl· Schaltungeseite des Ausgangskopplungskondensators C1 auch «it einer Schaltungseinheit in Serie geschaltet, dl· einen CMOS-Schalter A und einen Klemmwiderstand 17 enthält. Der gleiche Schaltungspunkt ist auch an eine Serienschaltung aus einem CMOS-Schalter D und

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cinnm Kondensator C3 (der manchmal als der VerstärkereJ ußnngskopplungskondensator bezeichnet wird) angeschlossen, und vom Kondensator C3 aus mit dem Signal eingang 18 des Verßtörkers 20 verbunden, der als Abtast- oder Ausgangsverstärker bezeichnet wird. Am Ausgang des Verstärkers erscheint ein Signal, das eine angeregte oder eine natürliche Π-WeIle repräsentiert.

Der Verstärker 20 ist vorzugsweise ein Differenzverstärker; er enthält einen Referenzeingang 21, der Über einen Kondensator CA mit Masse verbunden 1st. Der Signaleingang 18 des Verstärkers 20 ist Über einen CMOS-Schalter C an eine Referenzspannung V_REp gelegt; der Referenzeingang 21 ist In der gleichen Weise mittels eines CMOS-S ehalt er β B an die Referenzspannung V_REF gelegt. Die Referenzspannung ^VREF *^{lrd aus der Ener}8^ievereorgungsquelle des Schrittmachers abgeleitet; sie ist schematisch als Spannungsquelle 23 und als ein parallel zu ihr liegender Kondensator 24 dargestellt.

]m RUckkopplungskreis des Verstärkers 20 liegt ein CMOS-Schalter E. Dies Ibt eine schematische Darstellung für den später noch genauer zu erörternden Sachverhalt, daß im leitenden Zustand des Schalters E die Verstärkung des Abtastverstärkers 20 um einen vorbestimmten Betrag herabgesetzt wird. In einem AusfUhrungsbeispiel wird die Verstärkung den Verstärkers20 um den Faktor 4 herabgesetzt, wenn der Schalter E leitet. Der Betrag, um den die Verstärkung abgesenkt wird, hängt von zuvor angenommenen Größenunterschieden zwischen dem erwarteten Minimalwert einer ange rege ten Ην el le und einer natürlich auftretenden R-Welle ab. Der Schalter B wird von dem vom Negator 16A gelieferten, mit SRWI* bezeichneten Komplement des SRMI-Signals erregt. Wie angegeben wurde, wird die Herzelektrode während diesel* Zeitperiode für die Feststellung des Ansprechens auf ein

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Anregungssignal tltierwacht.

Der Ausgang des Oszillators 10 ist mit dem Eingang einer Schaltungseinheit ?7 verbunden, die ein mit IWEN-Signal bezeichnetes Signal erzeugt. Dieses Signal wird manchaml als Eingangswellenfreigabesignal (Input Wave Enable signal) bezeichnet. Der Ausgang des IWEN-Signalgenerators 27 (Zeile L3 von Fig.2) ist an eine Differenzierschaltung 28 ( Zeile IM von Fig.2)und an einen Negator 29 angeschlossen. Die Differenzier schaltung 28 speist die Gate-Leitung des zuvor erörterten Schalters D.

Das Ausgangssignal des Negators 29 ist das Signal IWEN* (wobei das Komplement eines Signals auch hier wieder durch einen Stern angegeben wird); das Signal ist in Zeile L8 von Fig.2 zu erkennen. Es wird den Gate-Anschlüssen der Schalter B und C und dem Eingang einer Torschaltung 30 zugeführt. Das Signal IWEN* definiert eine kurze Zeitperlode im Anschluß an ein Anregungssignal (im dargestellten Ausführungsbeispiel 18 ms) und vor der Zeitperiode, in der die Schaltung bestimmen soll, ob das Anregungs signal das Herz tatsächlich angeregt hat, das Herz also angesprochen hat , und innerhalb der die Elektrodenkapazität kompensiert ist. Die Torschaltung 30 ist mit einem Sperreingang I dargestellt, der aus einer Schaltungseinheit 32 ein Signal OW* empfängt, das vom Ausgangs signal der monostabilen Schaltung 11 abgeleitet wird. Das Signal OW* sperrt die Übertragung des Signals IWEIi* durch die Torschaltung 30 für eine Zeitperiode, die gleich der Dauer des Anregungsimpulses ist, wie noch erläutert wird. Das Signal OW* ist in Fig.2 in der Zeile L7 dargestellt, und das Ausgangssignal der Torschaltung 30 ist in dar Zeile L9 dargestellt. Das Ausgangssignal der Torschaltung 30 wird einer Differenzierschaltung zugeführt, die in einem gestrichelt dargestellten Block 33 enthalten ist. Diese Differenzierschaltung enthält einen Widerstand 3^, einen Schalter 35 mit zwei Positionen A_-

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und J^ sowie einen ersten Kondensator 36 und einen zweiten Kondensator 37. Abhängig von der Position des Schalters 35 liegt einer der Kondensatoren 36, 37 in Serie zum Widerstand 34. Die Kondensatoren 36, 37 sind so gewählt, daß sich abhängig vom Elektrodenmaterial und insbesondere abhängig von der Elektrodenkapazität verschiedene Zeitkonstanten ergeben, wie noch genauer ersichtlich wird. Das differenzierte Ausgangs signal der Torschaltung 30 wird an den Gateanschluß des Schalters angelegt.

Wirkungswelse t

Es wird nun auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Das Ausgangssignal des Oszillators 10 triggert die monostabile Schaltung 11 im Zeitpunkt T_Q, die einen Ausgangsimpuls mit der Dauer von 0,75 ms erzeugt. Dieses Signal wird dann dem Konstantstromtreiber 12 zugeführt, der einen negativen Ausgangsstromimpuls gemäß der Zeile L1 von Fig.2 erzeugt, der eine konstante Größe und eine feste Dauer von 0,75 ms hat. Dies 1st der Impuls, der Über den Ausgangskopplungskondensator C1 zur Anregung an die Herzelektrode angelegt wird. Er wird daher manchmal als der AnregungsImpuls bezeichnet. Wenn das Herz angeregt ist, wird ein als angeregtes Herzsignal bezeichnetes Signal in der Zeitperiode von 18 bis 110 ms nach Beginn Jedes Zyklus abgetastet. Die entsprechende Spannung an der Schaltungsseite des Ausgangskopplungskondensators ist in der Zeile L2 von Fig.2 in idealisierter Form als Impuls 40 angegeben. Die tatsächliche Ausgangsspannung enthält die Wirkungen der Elektrodenkapazität, so daß sie eher das in der Zeile L6 angegebene Aussehen hat, wie noch erläutert wird·

In der Zeile L3 von Flg.2 ist das Ausgangssignal des IWEN-Generators 27 als Signal mit der Dauer von 18 ms

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dargestellt, das im Zeitpunkt T5 des Zeitdlagramms endet. Dieses Signal wird in der Differenzlerschaltung 28 differenziert, deren Ausgangssignal an den Schalter D angelegt wird. Das differenzierte IWEN-Signal ist in der Zeile L4 dargestellt; wenn es negativ wird, wird der Schalter D nichtleitend (siehe Zeile L5), damit auf diese Weise der Signaleingang 18 des Verstärkers 20 vom Ausgang des Stromtreibers 12 abgetrennt wird. Wenn das differenzierte IWEN-Signal auf einen vorbestimmten Schwellenwert ansteigt,der durch die Linie 41 angegeben ist und durch die Schwellen spannung des Schalters O bestimmt wird, wird der Schalter D wieder leitend, wie im Zeitpunkt T4 in Flg.2 angegeben ist. Es ist zu erkennen, daß der Zeitpunkt T4, der bei etwa 15 ms liegen kann, vor dem Zeitpunkt T5 liegt, der das Ende der IWEN*-Periode markiert. Dies bedeutet, daß das Festhalten des Verstärkers erst nach dem Wiederanlegen des Signaleingangs 18 des Verstärkers an den Ausgangskopplungskondensator C1 aufgehoben wird, wie noch genauer erläutert wird.

In der Zeile L6 von Fig.2 1st ein besser mit der Wirklichkeit übereinstimmender Spannungsverlauf dargestellt, der an der Schaltungsseite des Ausgangskondensators C1 für ein gegebenes Elektrodenmaterial auftreten kann. Die Kurve 1st dadurch gekennzeichnet, daß sie zunächst eine zu negativen Werten verlaufende Stufe aufweist, daß dann ein weniger negativer, schräg verlaufender Abschnitt (während des Anregungsstrom impulses) folgt, der auf Grund der Elektrodenpolarisierung auftritt, daß dann eine zu positiven Werten gehende Stufe folgt, wenn der Anregungsimpuls endet, daß dann ein abklingender positiver Abschnitt folgt, der von der Entladung des Ausgangskopplungskondensators verursacht wird, und daß sich dann ein mit einer gestrichelten Linie angegebener Restwert anschließt, wenn das Klemmen aufgehoben 1st.

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Der IWEN-Generator 27 ist eine monostabile Schaltung, die einen Impuls mit der Dauer von 18 ms erzeugt, der In der Zeile L3 von Fig.2 dargestellt 1st und zuvor erläutert wurde. Dieser Impuls wird im Negator 29 negiert, deren Ausgangeimpuls in der Zeile L8 von Fig.2 dargestellt 1st. Der OW*-Signalgenerator spricht auf das Ausgangssignal der monostabilen Schaltung 11 so an, daß er einen Impuls erzeugt, dessen Dauer gleich der Dauer des Anregungsimpulses ist, wie in der Zeile L7 von Flg.2 dargestellt ist. Dieses Signal wird dazu benutzt, die übertragung des IWEN*-Signals durch die Torschaltung 30 zu sperren. Das resultierende Signal (IWEN**OW*) ist in der Zelle L9 so dargestellt, daß es sich über die Zeltperlode von 0,75 ms bis 16 ms erstreckt. Der Impuls wird in der Differenzierschaltung 33 differenziert, wie in der Zelle L10 dargestellt 1st, wobei sich der Schalter 35 in der Position A befindet, in der der Kondensator 36 In die Schaltung eingefügt 1st.Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 33 hat zur Folge,daß der Schalter A leitet, so daß die Schaltungsseite des Ausgangekopplungskondensators C1 Über den Klemmwiderstand 17 auf Masse geklemmt wird. Der Wert des Klemmwiderstandes 17 ist klein im Vergleich zum Wert des Entladewiderstandes R, so daß er den Ausgangskopplungskondensator C1 schnell entlädt. Durch Klemmen der Schaltungsseite des Ausgangskopplungskondensators C1 auf Masse, wird dieser Kondensator nun parallel mit dem Elektrodenkondensator C2 entladen, wobei die Polaritäten der gespeicherten Ladungen einander entgegengesetzt sind, während sie während der Anregung in Serie zueinander aufgeladen worden sind. In anderen Worten heißt das, daß die Ladungen an den Kondensatoren C1 und C2 während der Anregung kumulativ wirken, während sie während der Klemmung einander entgegengesetzt sind, so daß ein Teil der Ladung des Kondensators C1 zum

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Entladen des Elektrodenkondensators C2 benutzt wird. Der Ausgangskopplungskondensator wird auf diese Weise schnell entladen, und ein Teil der Ladung des Ausgangskopplungskondensators wird zum Entladen der Elektrodenkapazität benutzt. Eine Kompensation der Elektrodenkapazität wird auf diese Weise mit Hilfe passiver Schaltungevorrichtungen bewirkt; es ist ein wichtiges Merkmal der hier zu beschreibenden Anordnung, daß die Entladung des Ausgangskopplungskondensators und die Elektrodenkompensation innerhalb einer Zeitperlode erzielt wird, die vor der Zeltperiode liegt, In deren Verlauf das Auftreten eines angeregten Herzsignals erwartet wird, da während dieser Zeitperiode der Signaleingang des Verstärkers 20 abgetrennt und daher nicht in der Lage 1st, die R-Welle abzutasten. Die Zeltperlode,in deren Verlauf der Ausgangskopplungskondensator C1 auf Masse geklemmt wird, und die von der Differenzlerschaltung 33 bestimmt wird, und der Wert des Klemmwiderstandes 17 sind auf verschiedene Parameter bezogen, beispielsweise das Elektrodenmaterial, das die Elektrodenkapazität bestimmt und den Wert des Ausgangskopplungskondensators, damit diese Entladung In der erforderlichen Zeitdauer erzielt wird. Es 1st ein Vorteil der hier beschriebenen Anordnung, daß mit Hilfe dieses Verfahrens eine saubere Kompensation Über einen weiten Bereich von Anregungsstromwerten erzielt werden kann. Wie In der Zelle L6 angegeben ist, 1st nach Entfernen der Klemmung und in der Zeitperiode zur Bestätigung des Ansprechens ( 18 bis 110 ms), die durch den gestrichelten Abschnitt angegeben 1st, eine Restladung vorhanden, die zu einem Spannungswert 42 fuhrt, doch ist die Geschwindigkeit der Spannungsänderung sehr klein im Vergleich zu der Spannungsänderungsgeschwindlgkelt, die auftreten würde, wenn keine Klemmung vorhanden wäre. Die kleine Offset-

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Spannung 42 hangt von Systemparametern ab; sie wird berücksichtigt, wenn der Verstärker wieder angeschlossen wird.

Das Ausgangssignal des XWEN-Generators 27 wird auch einer zweiten Differenzierschaltung 28 zugeführt, deren Ausgang mit dem Gate-Anschluß des Schalters D verbunden ist. Die Zeitkonstante der Differenzierschaltung 28 ist länger als die längste Zeitkonstante der Differenzierschaltung 33, jedoch kürzer als die Dauer des XWEN-Signals, so daß der Signaleingang 18 des Verstärkers 20 während der Anregung und der Klemmung abgetrennt werden kann, jedoch wieder an die Herzelektrode angeschlossen werden kann, ehe das Festhalten des Verstärkers aufgehoben wird, wie jetzt erläutert wird. Dieser Sachverhalt ist in den Zeilen LA und L5 veranschaulicht, in denen das differenzierte IWEN*- Signal dargestellt ist, wenn es abnimmt, bis es den zuvor erwähnten Schwellenwert 41 erreicht, wobei sich der Schalter D während dieser Zeltperiode im nichtleitenden Zustand befindet.

Nach den Zeilen L12 und L13 von Fig.2 bewirkt das SRWI-Signal, daß der Schalter P vom Beginn einesAnregungsimpulses bis zur Beendigung der Zeitperlode für die Ansprechbestätigung nichtleitend wird, worauf der Schalter F dann leitend wird, damit das vollständige Entladen des Ausgangskopplungakondensators C1 freigegeben wird. Das SRWI*-Signal wird dem Schalter E zugeführt, damit die Verstärkung des Verstärkers 20 geändert wird. Hier sei auf die Zeilen L16 und L17 von Flg.2 verwiesen.

Es sei nun auf die Schaltung Bezug genommen, mit deren Hilfe der Verstärker 20 festgehalten wird; das IWEN*-Signal wird unter der Zeile L13 in der Zeile L13A

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von Flg.2 wiederholt. Dieses Signal bewirkt ebenfalls, daß die Schalter B und C von einem Zeitpunkt am Beginn der Auslösung eines Anregungsimpulses bis zum Beginn der eigentlichen Abtastperiode (18ms nach der Auslösung eines Anregungs-Impulses) in den leitenden Zustand Übergehen.

Wenn die Schalter B und C leiten, sind der Signaleingang und der Referenzeingang 21 des Verstärkers 20 miteinander verbunden. Wad ein Signal an der Herzelektrode anbelangt, ändert sich der Verstärker von einem Gegentaktbetrieb zu einem Gleichtaktbetrieb· Da der Verstärkungsfaktor im Gegentaktbetrieb wesentlich höher liegt (der Verstärkungsfaktor des Verstärkers hat im Gleichtaktbetrieb den Wert 1), führen Signale mit großen Werten während dieser Periode nicht zur Übersteuerung des Verstärkers. Außerdem werden der Signaleingang 18 und der Referenzeingang 21 des Verstärkers an eine Referenzspannung V^gp gelegt. Diese Spannung bildet einen Bezugswert, auf den die Restspannung des Ausgangskopplungskondensators nach der Beendigung des Klemmens gebracht wird (siehe die Spannung 42 in der Zeile L6 von Flg.2). Es muß verhindert werden, daß diese Restspannung als Signal am Verstärker 20 erscheint, da dies zu einer überlastung des Verstärkers fUhren würde. Die Größe der Restspannung hängt vom Elektrodenmaterial ab; bezugnehmend auf die Zeile L6 kann sie fUr eine Platinelektrode relativ klein oder für eine Elgiloy-Elektrode relativ groß sein, wobei es sich hier um die zwei am häufigsten verwendeten Materialien handelt. Die beiden Verstärkereingänge 18 und sind bei geschlossenen Schaltern B und C in dem Zeitpunkt, in dem der Verstärker wieder Über den leitend werdenden

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Schalter D an den Ausgangskopplungskondensator angeschlossen wird, direkt an die Referenzspannung V^p gelegt· Wenn der Schalter O leitet, lädt aich der Eingangskopplungekondeneator C3 des Verstärkers daher auf «ine Spannung auf, die notwendig ist, eine aa Auegangskopplungskondensator C1 vorhandene Restspannung zu verschieben, so daß verhindert wird, daB der Verstärker auf eine solche Restspannung anspricht.

Zusammenfassend läßt sich zur Wirkungsweise und zur Zeitsteuerung der Kompensation bei Verwendung einer einzigen Elektrode feststellen, daß unmittelbar nach der Beendigung des Anregungsimpulses der Schalter A in den leitenden Zustand übergeht, damit die Schaltungsseite des Ausgangskopplungskondensators C1 über den Widerstand 17 an Masse geklemmt wird· Gleichzeitig liegt am Kondensator C1 eine Ladung, die eine zur Ladung am Elektrodenkondensator C2 während des Klemmens entgegengesetzte Polarität hat. Auf diese Welse wird die Ladung am Kondensator C1 dazu benutzt, die Ladung am Elektrodenkondensator wahrend des Klemmens teilweise zu entladen oder zu neutralisieren.

Das Klemmen endet im Zeitpunkt T3 von Flg«2, deutlich vor dem Ende der Zeitperiode des IWEN*-Slgnals, und was zu beachten 1st, vor dem erneuten Anschließen des Verstärkers, wenn sich der Schalter O im Zeitpunkt T4 schließt. Zwischen dem Zeltpunkt TU und dem Ende der IWEN-Periode wird im Zeitpunkt T5 der Eingangskopplungskondensator C3 des Verstärkers auf eine Spannung aufgeladen, die ausreicht, als Offsetspannung fUr eine Reetspannung am Ausgangskopplungskondensator C1 zu wirken, wie beispielsweise in der Zeile L6 von Flg.2 durch die Offset-Spannung U2 angegeben

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ist. Öles tritt ein,während die Verstärkereingange im Gleichtaktbetrieb geschaltet sind und zusammen mit einer Referenzspannungsquelle verbunden sind. Auf diese Weise reagiert der Verstärker nicht auf plötzliche Spannungsänderungen» die während des Schaltens der Schalter A und D auftreten können. Nachdem der Eingangskopplungskondensator C3 ausreichend aufgeladen ist, damit eine Offset-Spannung für eine Restspannung am Ausgangskopplungskondensator C1 entstanden ist, wird das Festhalten des Verstärkers aufgehoben, da die Schalter B und C nichtleitend werden. Alle diese Vorgänge geschehen innerhalb von 18 ms nach der Auslösung eines Anregungsimpulses und vor der Zeitperiode, in deren Verlauf ein angeregtes Herzsignal festgestellt wird, das das Ansprechen bestätigen würde.

Die einzelnen Schaltungen

In Fig.3 ist eine herkömmliche Oszillatorschaltung mit in Kaskade geschalteten Transistoren 50 und 51 dargestellt; die Basis des Transistors 50 ist dabei am Kollektor des Transistors 51 angeschlossen. Kondensatoren 53 und 54 sind zwischen Masse und dem Emitter des Transistors 51 eingefügt, und vom Wert der Kapazität und vom Gesamtwiderstandswert eines Festwiderstandes 55 und eines veränderlichen Widerstandes 56 wird eine RC-Zeitkonstante festgelegt. Wenn im Betriebszustand die Transistoren 50 und 51 leiten, entladen sie die Kondensatoren,so da0 die Ausgangsspannung gegen Masse geht. Auf Grund des von den Transistoren 50 und 51 bewirkten RUckkopplungseffekts entsteht eine sehr schnelle Vorderflanke· Nach der Entladung der Kondensatoren werden die Transistoren und 51 nichtleitend, und das Ausgangssignal wird negativ, wie

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die RC-Zeltkonstante festlegt. Die Impulsfolgefrequenz kann durch Einstellen des Widerstandes 56 verändert werden. ,Ein als Diode geschalteter Transistor 5OA bewirkt zusammen mit den ihm zugeordneten Versorgungs-Widerständen, daß die Basis des Transistors 51 auf einem konstanten Spannungswert gehalten wird. Der Transistor 52 wird dazu benutzt, den Oszillator abzuschalten, nachdem er zurückgestellt worden ist, falls es erwünscht 1st, so daß während des Rückstellzyklus, wenn der Transistor 52 leitend gemacht wird, die Basis des Transistors 50 auf eine negative Versorgungsspannung geklemmt wird und der Oszillator zurückgestellt wird.

In Flg.4 ist ein Schaltbild für die monostabile Schaltung 11 und den Stromtreiber 12 dargestellt.Die monostabile Schaltung 11 wirkt als Pufferverstärker für das vom Schaltungspunkt 57 des Oszillators von Fig.3 abgenommene Ausgangssignal; sie enthält Transistoren 59» 60, 61 und 62. Der Ausgang des Transistors 59 ist mit den in Kaskade geschalteten Transistoren 60, 61 verbunden, und das Ausgangssignal wird vom Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors 60 und einem an die Basis des Transistors 61 angeschlossenen Kopplungskondensator 60A abgenommen. Diese monostabile Schaltung ist herkömmlich aufgebaut. Wenn der Transistor 60 leitet, wird über den Kondensator 60A eine Spannung zum Einschalten des Transistors 61 übertragen. Wenn durch den Transistor 61 kein Basisstrommehr fließt, (der Kondensator sich entlädt)) ,wird die Schaltung abgeschaltet . Das Ausgangssignal der monostabilen Schaltung 11 wird der Basis eines Transistors 64 zugeführt. Das Signal wird vom Kollektor des Transistors 54 abgenommen.

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Der Rest der Schaltung von Flg.4 bildet einen Konstant stromtreiber 12; diese Schaltung wird als sehr vorteilhaft angesehen, da das Ausgangssignal hinsichtlich des Stroms Über einen sehr großen Bereich von Quellenspannungen konstant bleibt; sie stellt eine Verbesserung gegenüber bisherigen Schaltungen dieser Art dar. Es sei bemerkt, daß diese Eigenschaft besonders bei einem implantierten Herzschrittmacher wichtig ist. Außerdem hat diese Schaltung, wie es bei einem Herzschrittmacher ebenfalls erwünscht ist, das Merkmal einer niedrigen Ausgangssättigungsspannung, auch wenn der Ausgangsspannungshub der Spannung der Energieversorgungsquelle sehr naheliegt. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung der verfügbaren Spannung.

Die Treiberschaltung enthält einen ersten Transistor 66, der in herkömmlicher Weise zur Bildung einer Konstantstromquelle mit Dioden 67, 68 und einem Widerstand 69 in Serie geschaltet ist. Die Dioden 67, 68 sind in Durchlaßrichtung vorgespannt, und auch der Emitter-Basis-Übergang des Transistors 66 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt. Die Spannung am Widerstand 69 ist daher konstant, so daß auch der Kollektorstrom konstant bleibt. Der Basisstrom wird mit Hilfe eines ersten Stromspiegels aus einem Transistor 70, einem Widerstand 70A und einem Transistor 71 konstant gehalten. Der Transistor 71 wird als gemeinsame Diode in einem zweiten Stromspiegel verwendet , der den Transistor 72 enthält. Das Ausgangssignal der Schaltung wird vom Kollektor des Transistors abgegriffen; der Kondensator 73 bildet den Ausgangskopplungskondensator zur Herzelektrode. Die Klemme Jk ist direkt an die Schalter A und D angeschlossen, wie oben angegeben wurde. Der Kollektor des Transistors 72 ist über einen Widerstand auch mit dem Eingang des SRWI-Generators verbunden, der in der

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noch zu erläuternden Figur 5 dargestellt 1st.

In Betrieb arbeitet der voa Transistor 70 und von dem als Diode geschalteten Transistor 71 gebildete Stroaspiegel als RUckkopplungskrele zur Erzielung eines konstanten Stroas in den Dioden 67, 68. Ein Widerstand 77 liegt zwischen der Basis des Transistors 66 und der negativen Kleaae der Versorgungsspannung, doch hat er einen großen Widerstand swert; auch ait diesen Widerstand bewirkt der Rückkopplungsstroaspiegel die Stabilisierung des Betriebsstroms der Koiistant stromquelle. Die Stromverstärkung in der RUckkopplungsschleife aus den Transistoren 69 und ist kleiner als 1, dealt die Stabilität gewährleistet wird. Mit dieser Schaltung, also bei Verwendung eines Stroasplegels zur Erzeugung eines konstanten Stroas in den Dioden 67, im Basiskreis des Transistors 66, wird die Betriebsspannung der Dioden la wesentlichen unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung geaacht. Bei konstanter Spannung an der Basis des Transistors 66 wird aa Widerstand 69 eine konstante Spannung erzeugt, und der Ausgangsstroa ist von der Versorgungespannung la wesentlichen unabhängig.

Der den Transistor 72 enthaltende zweite Stroaspiegel bildet einen Steilheitsverstärker, dessen Verstäricungsfektor den Wert 20 hat, da der. Widerstand 80, der flir noch höhere Verstärkungsfaktoren weggelassen werden kann, wesentlich kleiner als der Widerstand 7OA ist. Dieser Stromepiegel wird von der eben beschriebenen Konstantetroaquelle angesteuert. Ia Stroakreis des Transistors ist ein veränderlicher Widerstand 81 enthalten, der zur Einstellung des Ausgangestroawerts eingestellt werden kann. Bei einer Einstellung des Ausgangsstroas auf einen Wert in der Größenordnung von 6aA kann der Transistor 72 aus einem Batterlesystea alt 5,52 V eine Spannung von mehr als 5,52 V liefern.Dies stellt einen

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Spannungswirkungsgrad von 96,37% dar. Die Ausgangsspannung, die von dieser Anordnung geliefert werden kann, liegt also innerhalb von 0,2 Volt der Klemmenspannung, während existierende Schaltungen eine Spannung liefern können, die bis zu etwa 0,6 V unter der Versorgungsspannung liegt.

Der in Fig.5 dargestellte SRWI-Signalgenerator ist eine herkömmliche monostabile Schaltung mit Transistoren 87, 88, die von der Ausgangsklemme 85 der Schaltung von Fig.4 ein Eingangssignal empfangen. Das am Kollektor des Transistors 88 erzeugte Signal ist das SRWI-Signal, das, wie oben angegeben wurde, der Basis des Schalttransistors F zugeführt wird, der in Fig. 5 ebenfalls dargestellt ist. Der Kollektor des Schalttransistors F ist an den Ladewiderstand R von Fig.1 angeschlossen. Die monostabile Schaltung erzeugt einen positiven Impuls mit der Dauer von 110 ms, der dazu benutzt wird, den Ladewiderstand R durch Umschalten des Schalters F in den nichtleitenden Zustand abzutrennen und den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 auf Grund des öffnens des Schalters E Über den Negator 16A zu ändern.

In Fig.6 ist eine monostabile Schaltung zur Erzeugung des IWEN-Signale dargestellt. Die Schaltung enthält Transistoren 90, 91, die die monostabile Schaltung bilden; ferner enthält sie einen Transistor 92, der einen Pufferverstärker bildet. Das IWEN-Signal wird vom Kollektor des Transistors 92.abgenommen. Die monostabile Schaltung erzeugt einen Impuls mit der Dauer von 18 ms, die durch die Zeitkonstante des Widerstandes 93 und des Kondensators 9^ bestimmt wird. Der Kollektor desTransistors 92 ist über die Klemme 93 mit dem Negator (Flg.1 und Fig.7) verbunden. In Fig.7 1st der Negator als NAND-Glied dargestellt, das als Negator geschaltet ist, da er ein Element einer integrierten Schaltung 95 ist. Das bedeutet, daß die integrierte Schaltung zwei

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weitere NAND-Glieder 96 und 97 enthält. Das Ausgangssignal des Negators 29 1st das IWEN*-Signal, das an einem Eingang des NAND-Glieds 96 und an die Gate-Anschlüsse der CMOS-Schalter B und C angelegt wird, wie bereits beschrieben wurde (siehe die untere linke Ecke in Fig.7).

Das SRWI-Signal wird an die Basis eines Transistors angelegt, der als Negator wirkt, und vom Kollektor dieses Transistors 99 wird das Signal SRVI* abgegriffen und dem Gateanschluß des Schalters E zugeführt (siehe den unteren Mittelabschnitt von Fig.7).

Das OW*-Signal wird an den zweiten Eingang des NAND-Glieds 96 angelegt, und das Ausgangssignal des NAND-Glieds 96 wird einem Eingang des NAND-Glieds 97 zugeführt,daß als Negator geschaltet ist. Das Ausgangssignal des NAND-Glieds 97 ist daher das Signal IWEN*·OW*. Die NAND-Glieder 96 und 97 von Fig.7 bilden also die Torschaltung 30 von Fig.1, deren Ausgangs signal dem Schleifarm des Schalters 35 und von hier aus der beschriebenen Differenzierschaltung 33 zugeführt wird. Der Ausgang des Differenzierglieds 33 ist mit dem Gateanschluß des Schalters A verbunden, dessen Wirkungsweise und Funktion bereits beschrieben worden sind.

Nach Fig.7 wird das IWEN-Signal auch einem Kondensator und einem Widerstand 101 zugeführt, die die Differenzierschaltung 28 von Fig.1 bilden. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 28 wird dem Gate-Anschluß des Schalters D zugeführt, der den Verstärker 20 gemäß der Darstellung vom Ausgangskopplungskondensator abtrennt. In einen bevorzugten Ausf Uhrungsbeispiel besteht der Verstärker 20 aus zwei Meß- Differenzverstärkern 105 und 106. Der positive Eingang des Verstärkers 105 bildet den Signaleingang 18 und der

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positive Eingang des Verstärkers 106 bildet den Referenzeingang 21, und die Kondensatoren C3 und C4 sind nach Fig.7 angeschlossen. Zwischen den negativen Eingangsklemmen der Verstärker 105, 106 liegt der Schalter E, der im leitenden Zustand die Widerstände 107, 108 zur Vergrößerung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers kurzschließt.

Der positive Eingang des Verstärkers 105 ist gemäß der Darstellung mit dem SchalterC und einem Widerstand verbunden. Ebenso ist der positive Eingang des Verstärkers 106 mit dem Schalter B und mit einem Widerstand 116 verbunden. Im leitenden Zustand schließen die Schalter B und C die Widerstände 116, 115 kurz, damit die Betriebsweise des Verstärkers vom normalen Gegentaktbetrieb in einen Gleichtaktbetrieb umgeschaltet wird, wie oben erläutert wurde.

Wie erwähnt wurde, wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers von den Werten der Widerstände 107, 108 und 109 bestimmt, wenn sich der Schalter E im nichtleitenden Zustand befindet. Wenn ein Anregungsimpuls zum Herzen Übertragen worden ist, wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers durch öffnen des Schalters E und durch Aufheben des Kurzschlusses der Widerstände 107 und 108 herabgesetzt. Die Werte dieser verschiedenen Widerstände werden abhängig davon bestimmt, in welchem Ausmaß der Verstärkungsfaktor während des Abtastens der angeregten R-Welle gewünscht wird.

Zwischen den negativen Eingangsklemmen der Verstärker 105, 106 liegt eine Differenzierschaltung 110. Die Punktion dieser Differenzierschaltung 110 ist bei der Verbesserung der Störfestigkeit des Abtastverstärkers ebenfalls von Bedeutung. Nach Fig.2, Zeile L6 verschiebt sich dLe

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Spannung am Kopplungskondensator nach dem Offnen des Schalters A geringfügig zu negativen Werten, wie durch die gestrichelte Linie angegeben ist. Diese negative Drift wird von der Differenzierschaltung ausgeglichen, die eine kleine Versetzung der Referenzspannungen in den Verstärkern 106 und 107 in einer Richtung verursacht, die der in der Zeile L6 angegebenen Drift entgegengesetzt ist.

Zur Zusammenfassung der Zeitsteuerung der Arbeitswelse des Verstärkers 20 läßt sich feststellen, daß eine erste Zeitperiode (0 bis 18 ms) vorhanden ist, wenn der Eingang des Verstärkers vom Ausgangskopplungskondensator abgetrennt wird. Im Anschluß an die Zeitperiode (18 ms bis 110 ms) ist der Verstärker so angeschlossen, daß er ein angeregtes Herzsignal abtastet, jedoch ist sein Verstärkungsfaktor herabgesetzt. Diel ist als die Zeitperiode bezeichnet worden, in deren Verlauf das Auftreten eines angeregten Herzsignals erwartet wird.

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch kann der Fachmann ohne weiteres erkennen, daß im Rahmen der Erfindung noch Abwandlungen und Änderungen, beispielsweise das Einsetzen äquivalenter Schaltungselnheiten, möglich sind.

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Claims

Oipl-Ing
E. Prinz Patentanwälte
Opt-Chem
Dr. G. Hauser A 1798 2755706
Op«-mg.
G. Leiser Ernsbergerstrasse 19 θ München 60 Unser Zeichen: 12.Dezember 1977

AMERICAN HOSPITAL SUPPLY CORPORATION

1 American Plaza

11th Floor

Evanston/ Illinois, V.St.A.

Patentansprüche

1·jHerzschrlttmacheranordnung alt einer kapazitiven Anregungselektrode zum Herstellen eines Kontakts mit dem Herzen einer Person, einer Anregungsschaltung zur Erzeugung elektrischer Impulse in einem vorbestimmten Intervall zum Anregen des Herzens und einem Ausgangskopplungskondensator zum Ankoppeln . der Impulse an das Herz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansprechprüfschal tuig vorgesehen ist, die die Feststellung ermöglicht, ob das Herz auf einen Anregungsimpuls angesprochen hat, daß diese Ansprechprüfschaltung eine Verstärkervorrichtung enthält, die über den Ausgangskopplungskondensator an die Anregungselektrode ankoppelbar ist, damit ein angeregtes Herzsignal abgetastet und als Reaktion darauf ein Signal erzeugt wird, daß die Ansprechprüfschaltung ferner eine Klemmschaltungsvorrichtung enthält mit einer ersten Schaltanordnung zum Verbinden des Ausgangskopplungskondensators mit der Klemmschaltungsvorrichtung Schw/Ba für eine zweite vorbestimmte Zeitdauer nach der Beendigung

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des Anregungsimpulses und vor der Abtastung des angeregten Herzsignale sowie mit einer zweiten Schaltanordnung zum Abtrennen der Verstärkervorrichtung von dem Kopplungskondensator, wenn der angeregte Impuls erzeugt ist, und zum erneuten Verbinden der Verstärkervorrichtung mit dem Kopplungskondensator nach der zweiten vorbestimmten Zeitperiode, Jedoch vor dem Zeitpunkt, an dem die Abtastung des angeregten Herzsignals erwartet wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung einen Differenzverstärker mit einem Signaleingang und einem Referenzeingang enthält, daß der Signaleingang über einen Verstärkereingangskopplungskondensator mittels der zweiten Schaltanordnung an den Ausgangskopplungskondensator abschließbar 1st, daß eine

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Referenzspannungsquelle vorgesehen ist, und daß dritte und vierte Schaltanordnungen vorgesehen sind, die den Signaleingang bzw. den Referenzeingang des Differenzverstärkers miteinander und mit der Referenzspannungequelle für die Dauer einer dritten vorbestimmten Zeltperiode verbinden, die beginnt, wenn der Anregungsimpuls erzeugt ist und endet, nachdem die zweite Schaltanordnung die Verstärkervorrichtung wieder an den Ausgangskopplungskondensator angeschlossen hat, wodurch die Differenzverstärker während der Periode des Anregungsimpulses und des zweiten vorbestimmten Zeitintervalls festgehalten ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltungsvorrichtung eine passive Schaltung mit einem Widerstand enthält, der zwischen den Ausgangskopplungskondensator und ein bekanntes Entladepotential einschaltbar

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1st, daß die Klemmzeltperiode und der Widerstand bekannte Werte haben, die ausreichen, die Ladung von dem Ausgangskopplungskondensator zu entfernen, und daß wenigstens ein Teil der nach der Anregung auf den Kopplungskondensator verbleibenden Ladung dazu benutzt wird, die kapazitive Elektrode während des Festklemmens zu entladen, wobei die durch die Entladung verursachte Spannungsänderungsgeschwindigkeit an einem vorbestimmten Zeitpunkt im Anschluß an das Ende des Klemmvorgangs Im wesentlichen Null ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Ladewiderstand zur Erzielung eines Wegs für die Aufladung des Ausgangskopplungskondensators nach der Anregung und eine fünfte Schaltanordnung zum Abtrennen des Ladewiderstandes während der Zeitperlode, in der das Auftreten eines anregenden Herzsignals' erwartet wird.
5. Anordnung nach Anspruch 3t gekennzeichnet durch eine KOmpensationsladungsvorrichtung zum Kompensieren der Offset-Gleichspannung am Kopplungskondensator, wenn die Verstärkervorrichtung wieder mit dem Kopplungskondensator verbunden wird·
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende eines Anregungsimpulses auf dem Kopplungskondensator eine Ladung gespeichert 1st, daß wenigstens ein Teil der gespeicherten Ladung die auf der kapazitiven Elektrode gespeicherte Ladung neutralisiert, wenn der Kopplungskondensator festgeklemmt wird, und daß die Klemmschaltung einen Widerstand enthält, wobei der Wert dieses Kleianwideretandee und die Klemmzeitperiode von der Elektrodenkapazität abhängen.

ORIGINAL 1N6PECTED 809824/1004