DE2804054A1

DE2804054A1 - Sender-empfaenger-system zur uebertragung eines steuersignals zu einem implantierten herzschrittmacher

Info

Publication number: DE2804054A1
Application number: DE19782804054
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Ing Blaser; Werner Dipl Ing Teichert
Original assignee: Biotronik Mess und Therapiegeraete GmbH and Co
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1979-10-11

Description

Sender-Empfänger-System zur Obertragung eines Steuersignals
zu einem implantierten Herzschrittmacher 27 Patentansprüche 34 Seiten Beschreibung 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 Geräts nach einiger Zeit einem veränderten Krankheitsbild des Trägers 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. deren Abhängigkeit von anderen Parametern verändert werden muß.
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 Änderung der Betriebsparameter zur Anpassung an Veränderungen des Krankheitsbildes des Patienten mindestens einmal erfolgen muß, relativ groß.
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 zusätzlich belasten. Durch derartige Reed-Schalter, die direkt in die Schaltung so eingefügt sind, daß sie die gewünschte Funktion elektrisch ohne Zwischenschaltung zusätzlicher Decodierungselemente umschalten, können nur wenige verschiedene Betriebszustände ausgelöst werden, da -bauformbedingt - zu dicht benachbarte Reed-Schalter durch ein äußeres Magnetfeld gleichzeitig betätigt würden.
Eine Obertragung von Steuersignalen mittels elektromagnetischer Wellen kommt deshalb nicht in Betracht, weil ein Herzschrittmacher 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 Funktionen meist verwendeten Funkfernsteuerungen ausscheiden, wird angestrebt, komplexere Steuerungen dadurch in die Tat umzusetzen, daß mittels eines Magnetfeldes, dem ein codiertes Signal aufgeprägt ist, im Herzschrittmacher ein Reed-Schalter betätigt wird, wobei nach einer Dekodierung des übertragenen Steuersignals in der Schrittmacherschaltung die gewünschte Funktion ausgeführt wird.
An eine derartige Schaltung wird eine Reihe von Anforderungen gestellt, die sie von üblichen technischen Fernsteuerschaltungen unterscheidet. So ist zunächst einmal eine sehr große Betriebssicherheit gefordert, da keine unkontrollierte Veränderung der eingestellten Schaltungszustände durch Fehler in der Schaltung oder durch magnetische Störfelder erfolgen darf. Daneben muß der Stromverbrauch niedrig sein, damit durch die Fernsteuerungsempfängerschaltung keine wesentliche Vergrößerung der Energiequellen des Schrittmachers bedingt wird. Weiterhin soll die Schaltung auch technisch einfach sein, da zusätz- liche 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 Übertragungsdauer hätte außerdem zur Folge, daß während der Ubertragung die Lage des Senderteils verändert werden und durch die damit einhergehenden Änderungen der Intensität des Magnetfeldes Störungen bei der Ubertragung hervorgerufen werden könnten. Auf der anderen Seite muß die übertragene Informationsmenge aber ausreichend sein, um eine größere Zahl unterschiedlicher Schaltzustände beim Herzschrittmacher auslösen zu können und somit eine möglichst genaue Anpassung an die Bedürfnisse des Patienten zu ermöglichen.
Weiterhin besteht bei programmierbaren Schrittmachern der Wunsch, zusätzlich kurzfristig eine charakteristische Impulsfrequenz einzustellen, um durch Ausmessung der sich tatsächlich einstellenden Anregungsfrequenz Aufschluß über den Zustand der Batterie und damit auch die voraussichtliche restliche Betriebszeit des Schrittmachers zu bestimmen.
Es ist bei nicht programmierbaren Schrittmachern bekannt, den Batteriezustand nach der Implantation dadurch festzustellen, daß ein Dauermagnet in die Nähe des Schrittmachers gebracht wird. Das Magnetfeld des Dauermagneten beeinflußt einen in dem Schrittmachergehäuse eingebauten Reed-Schalter, welcher seinerseits die Anregungsrate des Schrittmachers über entsprechende elektrische Schaltungsmittel auf einen festen Wert einstellt, der jedoch von der Batteriespannung abhängig ist. Durch Auszählen der sich auf diese Weise einstellenden Betriebsfrequenz des Schrittmachers ist es wie zuvor erwällnt möglich, anhand eines die Spannungs-Prequenzcharaktaristik wiedergebenden Diagramms den Zustand der Batterie zu bestifilmen.
Bei programmierbaren Schrittmachern bisheriger Bauart ist eine einfache Möglichkeit der Batterieüberprüfung anhand einer Spannungs-Frequenz-Kennlinie in dieser direkten Weise nicht gegeben, weil die Schrittmacherfrequenz auf verschiedene Werte eingestellt werden kann. ZtJar wäre es denkbar, für jede einzelne der programmierbaren Frequenzen eine besondere Spannungs-Frequenz-Kennlinie anzugeben.
Hierdurch könnten aber einerseits Irrtümer hervorgerufen werden und zum anderen ergibt sich eine Schwierigkeit daraus, daß die aus dem zunehmenden Abfall der Batteriespannung im Verlaufe der Batterielehensdauer resultierende Frequenzänderung im Extremfall 5 bis 6 Impulse betragen kann. Damit ist die Aussage anhand einer solchen Kennlinie nicht einde tig, vor allem, wenn di durch Programmierung einstejlbaren Frequenzwerte einander dicht benachbart sind.
Es ist zwar auch grundsätzlich möglich, eine Linie der Schar der sich für alle durch Programmierung einstellbaren Frequenzen ergebenden Spannut#gs-Frequenz-Kennlinien als charakteristische Kennlinie des Schrittmachers bei der Prüfung zu definieren und für diese Kennlinie die notwendigen Beziehungen anzugeben, welche Rückschlüsse auf den Zustand der Batterie des Schrittmachers zulassen. Damit könnte der Schrittmacher zu Prüfunqszwecken auf diese Frequenz in üblicher Weise durch Fernsteuerung programmiert werden. Umständlich ist dabei, daß zunächst die charakteristische Frequenz mittels des Senderteils der Fernsteuerung eingestellt werden muß. Dieser Senderteil steht möglicherweise für einfache Routineuntersuchungen oder in eiligen Fällen nicht zur Verfügung. Auch ist der Fall denkbar, daß aufgrund der bereits abgesunkenen Batteriespannung oder infolge eines technischen Defekts der Programmierteil der Empfängerschaltullg des Progralnmier-Systems nicht mehr einwandfrei arbeitet, wegen der übrigen guten Funktion der Schr-ittmacherscìlaltung eine Neuimplantation aber noch hinausgeschoben werden soll.
Unter diesen Voraussetzungen ist eine Einstellung der charakteristischen Frequenz des Schrittmachers und damit eine Überprüfung des Batteriezustands nicht mehr direkt möglich.
Ein weiterer Nachteil der Einstellung der charakteristischen Frequenz des Schrittmachers über die Programmierungsmittel besteht darin, daß nach erfolgter Überprüfung die ursprüngliche Betriebsfrequenz zeitaufwendig erneut einprogrammiert werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sender-Empfänger-System der obengenannten Gattung zu schaffen, das in besonderer Weise an die erwähnten Anforderungen der Herzschrittmachertechnik angepaßt ist.
Es besteht weiterhin die Aufgabe, eine Schaltung zu ermöglichen, die auch bei einen mittels eines äußeren Magnetfelds über einen eingebauten Magnetschalter programmierbaren künstlichen Herzschrittmacher erlaubt, eine charakteristische Anregungsfrequenz vorübergehend einzustellen und unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ohne größeren zusätzlichen Aufwand einem derartigen Schrittmacher hinzugefügt werden kann, wobei sich auch keine nennenswerte Vergrößerung der Bauform ergeben soll. Weiterhin muß auch hier eine sehr hohe Betriebssicherheit gewährleisçet sein, damit bei der Überprüfung eines mit einer derartigen Schaltung ausgestatteten Herzschrittmachers nicht ein im Prüfsystem selbst liegender Fehler ein falsches, für den Patienten gefährliches Ergebnis vorcauschen kann.
Diese Aufgabe wird crfindungsgernäß gelöst durch ein System mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen.
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 Obertragungsdauer eine Zuordnung vorzunehmen in der Lage sind, um die Decodierung zu ermöglichen. Wird nämlich ein seriell übertragenes, digital codiertes Steuersignal empfangen, so ist eine Auswertung auf dem Empfängerseite nur dann möglich, wenn doLt eine genaue Uhr vorhanden ist, damit aus der genauen zeitlichen Zuordnung der Impulse auf ihre Bedeutung geschlossen werden kann.
Zeitgebermittel sind aber insofern kritisch, als die zeitbestimmenden Bauelemente - und dabei insbesondere die meist verwendeten Kapazitäten - im Laufe der eit Veränderungen zeigen, welche die Zeitgeberfunktiolien beeinträchtigen. Derartige Veränderungen können bei vielen anderen Anwendungen zwar außer betracht gelassen werden, bei den bei Herzschrittmachern erforderlichen Betriebszeiten können sie jedoch eine beträchtliche Rolle spielen.
Geeignete Kompensationsmittel, welche derartigen Veränderungen entgegenwirken, könnten zwar auch verwendet werden würden aber eine Vergrößcrung sowohl des Bauvolumens als auch 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 bei der Signalerkennung im Empfänger auszuwertenden Zeiten in der Weise verkürzt werden, daß in das zu übertragende Signal Bezuyssignale 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 die Genauigkeit der zeitlichen Auswertung lediglich für die Dauer der einzelnen Impulse bzw. deren zeitliche Abstände gewährleistet sein muß.
Obgleich der konstruktive Aufwand dafür, daß das digital codierte Steuersignal, das an sich bereits in dieser Form, umgesetzt in zeitliche Anderungen eines Magnetfeldes, zur Übertragung von Funktionsbefehlen an einen Herzschrittmacher herangezogen werden könnte, erneut codiert wird, auf den ersten Blick hin vergrößert erscheinen mag, 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 iiisbesondere empfüngerseitig einen weitaus größeren Aufwand erfordern würden.
Eine vorteilhafte Ausführung resultiert für binär codierte Steuersignale dann, wenn die binären Einzelsignale einzeln in die das Referenzsignal enthaltenden, zu übertragenden Signalanteile umgesetzt werden. Dadurch, daß die zu übertragenden Impulse bereits selbst ein zeitliches Referenzsignal beinhalten, entfallen zusätzliche Sychronisationsbits, welche zu ihrer Erzeugung, Übertragung und Auswertung erhebliche zusätzliche Mittel notwendig machen würden.
Hervorzuheben sind weiterhin noch diejenigen Maßnahmen, die umfassen, 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 vorhergesehene Betriebszeit des Herzschrittmachers innerhalb vorgebener 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.
Andererseits kann zusätzlich 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 variierbar 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 Umschaltung der Parameter des Schrittmachers erkennt. Die Variation der Sendeimpulsrate kann dabei - in den in Betracht kommenden Grenzen - automatisch erfolgen.
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 Auscgaberate dann beendet werden, wenn sich eine gewünschte Herzfrequenz dann eingestellt hat, die anzeigt, daß die beabsichtigte Veränderung der Betriebsparameter des Schrittmachers vollzogen wurde. Bei diesen Weiterbildungen wird es sich aber in der Regel um Sonderfälle handeln, 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 Zeitschranken bildenden Signale werden in der Empfängerschaltung in bevorzugter Weise mittels eines Zählers erzeugt, der durch die empfangenden Referenzsignale jeweils auf Null zurückgesetzt wird. Eine 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-Impuls erscheint, bis zu höheren Zählerständen weiterzählt, 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.
Um die Störsicherheit der Steuersignalübertragung weiter zu verbessern, ist es von Vorteil, zusätzliche redundante Signale einzuführen, wobei es eine besonders günstige Lösung darstellt, wenn diese redundanten Signalanteile die relevanten Signalteile zeitlich umrahmen. Fallen infolge von Störungen Signalteile aus oder werden zusätzliche Impulse eingeschoben, so verschieben sich die redundanten Signalanteile innerhalb der übertragenen Zeichenfolge.
Durch eine geeignete Wahl der redundanten Signalanteile kann es erreicht werden, daß, wenn eine derartige Verschiebung im empfangenen Signal auftritt, mit großer Wahrscheinlichkeit nicht eine solche Signalkonfiguration erscheint, welche vom Empfänger als Steuersignal akzeptiert wird. Eine derartige Sicherung mittels Redundanzbits ist bei dem erfindungsgemäßen System deswegen von besonderer Bedeutung, weil innerhalb der relevanten Signalanteile auftretenden Störimpulse als Referenzsignale 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 Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sender-Empfänger-System eine hinsichtlich Störsicherheit und Sicherheit gegen Änderungen zeitbestimmender Elemente der Empfängerschaltung besonders vorteilhafte Ausführungsform. Die zeitbestimmenden Eigenschaften der Empfängerschaltung betreffende Änderungen können dabei nicht nur durch altersbedingte Veränderungen der Bauelemente, sondern auch durch ein Nachlassen der Batteriespannung infolge zunehmender Erschöpfung der Energiequellen hervorgerufen werden.
Die das kurzfristige Umschalten der Anregungsrate auf eine charakteristische Frequenz betreffende Lösung entsprechend der Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, daß der Schrittmacher nicht durch bloßes Auflegen bzw. infolge des Entfernen des Dauermagenten bezüglich seiner eingespeicherten, programmierten Frequenz verändert werden kann. Dabei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Vorsehen von zusätzlichen, die eigentliche Programmierungsschaltung im Empfänger umgehenden Mitteln, obgleich sie zunächst wegen der dadurch notwendigen Zweigleisigkeit der Schaltung'als aufwendiger angesehen werden kann, letztlich die brauchbarere Lösung darstellt. Nicht zuletzt deswegen, weil durch die Beibehaltung des ursprünglich programmierten Schaltungszustände im Steuerteil des Schrittmachers während des Ausführens der Überprüfung Irrtümer und Fehler bei der Rückkehr in den permanenten Betriebszustand ausgeschlossen sind.
Für die Realisierung dieser Ausführungsform bestehen prinzipiell zwei verschiedene Möglichkeiten, wobei die an zweiter Stelle genannte auch dann anwendbar ist, wenn die charakteristische Frequenz nicht im Vorrat der programmierbaren Frequenzwerte enthalten ist.
1. Das durch den aufgelegten Magneten erzeugte Dauermagnetfeld bewirkt, daß die (digitalen) Ansteuerungsmittel für die frequenzbestimmenden Elemente von dem das codierte Steuersignal für die Programmierung enthaltenden Speicher getrennt und statt dessen mit Ansteuerungsmitteln verbunden werden, die die frequenzbestimmenden Elemente zur Erzeugung der charakteristischen Frequenz veranlassen.
2. Das durch den aufgelegten Magneten erzeugte Dauermagnetfeld bewirkt, daß die die Stimulationsimpulse erzeugende Ausgangsstufe des Herzschrittmachers von den frequenzbestimmenden Elementen im Empfänger abgetrennt und mit anderen, die charakteristische Frequenz festlegenden Elementen verbunden wird.
Gemeinsam ist diesen beiden Ausführungsformen, daß durch das für den Zeitraum der Prüfung beständig erzeugte Magnetfeld die übrige Programmierung des Schrittmachers nicht beeinflußt wird. Auch kann, wenn der S ch ri ttmacherträger sich unbeabsichtigt in den Bereich eines starken Dauermagnetfeldes begibt, keine Gefahr für diesen eintreten, da sich der Schrittmacher höchstens für den Zeitraum des Verbleibens im Magnetfeld auf die Prüffrequenz umstellt, welche im Rahmen der üblichen Anregungsraten liegt und bei ihrem Auftreten ein Signal für den Schrittmacherträger sein kann, den Bereich des starken Magnetfelds zu verlassen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist einschließlich zweier Ausführungsformen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung des prinzipiellen Impulsverlaufes bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels, Fig. 3 eine detaillierte Schaltung des Senderteils des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems, Fig. 4 eine detaillierte Schaltung des Empfängerteils des selben Sysems, bei dem die erste Ausführungsform einer Weiterbildung der Erfindung realisiert ist, Fig. 4a eine Variante eines Teils der Schaltung gemäß Fig.
4, wobei dieser Schaltungsteil mit der übrigen Schaltung nach Fig. 4 eine Schaltung entsprechend der zweiten Ausführungsforin einer Weiterbildung der Erfindung bildet, Fig. 5 eine Darstellung des impulsförmigen Spannungsverlaufs an verschiedenen Punkten der in den Fign.3, 4 und 4a dargestellten Schaltungen, Fig. 6 ein Blockschaltbild der ersten Ausführungsform der Weiterbildung der Erfindung und Fig. 6a ein Blockschaltbild der zweiten Ausführungsform der Weiterbildung der Erfindung.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Verlauf der Impulse des vom Senderteil auszusendenden Signals dargestellt. Es handelt sich dabei um Impulse, 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 binär 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 verschiedene zeitliche Lagen einnehmen. Es ist ersichtlich, daß bei entsprechend komplizierten Systemen komplexere Informationsanteile durch eine feinere zeitliche Stufung übertragen werden können.
Bei dem dargestellten Signalverlauf bilden die Vorderflanken 1 und 2 der Impulse die Referenzsignale, während die weiteren Signale, deren zeitliche Lage von der Empfängerschaltung ausgewertet wird, durch die Rückflanken der Signale 3 und 4 gebildet werden. Der 52 gnaS verlauf im Bereich A wird durch ein binäres "T"-Signal erzeugt, während zu dem Signalverlauf im Bereich B das binäre Signal "0" gehört. Bei der Signalübertragung raut der Abstand der die Referenzsignale bildenden Vorderflanken 1 und 2 der Impulse nicht konstant zu sein. Will man eine zeitliche Kompression der Übertragung erreicnen, 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 "0"-Signal dargestellt. Als strichpunktierte Linien sind zwei Zeitschranken 5 und 6 wiedergegeben, die empfängerseitig zur Entschlüsselung des empfangenen Steuersignals gebildet werden. Diese Zeitschranken werden - in Form von entsprechenden logischen Signalen - im Empfänger auf das Erscheinen des zeitlichen Referenzsignals (hier der Vorderflanken 1 oder 2) hin in einem festen zeitlichen Abstand erzeugt.
Dadurch, daß bei dem System gemäß der Erfindung die Lage der Zeitschranken jeweils auf ein Referenzsignal, wie hier die Vorderflanken 1, 2 der Impulse bezogen ist, werden die Anforderungen an die Konstanz der zeitbestimmenden Glieder in der Empfängerschaltung verringert. Beim dargestellten Beispiel, wenn acht Impulse in einem Signal übertragen werden, entspricht die Verbesserung etwa einem Faktor von acht einer @@@, bei der eine zu Beginn cler Signalübertragung stattfindet.
Bei näherer Betrachtung zeigt sich, daß, wenn - wie @@@@@@@ @@@ zwis@@@@ zwei Signalz@@tänden @nterschieden werden soll, es bei einer Decodierung des Signals im wesentlichen auf den zeitlichen Abstand der Zeitschranke 5 vom vorangehenden Referenzsignal ankommt. Da die Zeitschranke ungefähr in der Mitte des Bereiches A liegt, entsprechend also die 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 Lape der weiteren Zeitschranke 6 ist durch die im Empfängerteil verwendete Auswertungsschaltung bedingt.
Bei der Benutzung eines rücksetzharen Zählers, der in Form einer sogenannten Frequenzteilerschaltung in integrierter Bauform günstig verwendet werden kann, erhält man ein Rechtecksignal mit dem Taktverhältnis 1:1, so daß bei einer günstigen Ausführungsform der Erfindung die Zeitschranken 5 und 6 gleiche Abstände voneinander aufweisen.
Wie aus der weiter unten beschriebenen Darstellung der Schaltung des Ausführungsbeispiels im einzelnen hervorgeht, wird im durch die Zeitschranke 6 definierten Zeitpunkt der decodierende Zähler wieder in seinen Anfangszustand zurückversetzt, so daß eine später erscheinenden Rückflanke 4' nicht mehr als Signal 0 ausgewertet wird. Diese Zeitschranke 6 kann dann von Bedeutung sein, wenn keine weiteren Referenzsignale mehr folgen, die Übertragung des Steuersignals also beendet ist, oder falls ein nachfolgendes Referenzsignal infolge einer 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, korrekter Weise auszuwerten ist, wobei sich bestehende zeitliche Abweichungen zwischen der Zeitsteuerung von Sender- und Empfängerteil dann allerdings über zwei Impulsperioden aufaddieren. Weiterhin ist andererseits aber auch die Möglichkeit gegeben, die Zeitschranke 6 durch logische Verknüpfungen in der Empfängerschaltung auswirkungsmäßig zu unterdrücken, so daß eine Anderung bezüglich der Auswertung der empfangenden Signalfianke 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 "0" ausgewertet würde. Damit ist sichergestellt, daß bei der Signalauswertung nur die Lage der Zeitschranke 5 bei der Decodierung Einfluß ausübt und in ihrer zeitlichen Lage bei der Veränderung der Eigenschaften des Empfängerteils mit zunehmender Betriebsdauer berücksichtigt werden muß.
Ist die Veränderung der Lage der Zeitschranke relativ zum festen zeitlichen Verlauf der Sendersignale vorherzusehen, ergibt sich also während der Betriebszeit der Schrittmacherschaltung eine stets fallende oder stets steigende Tendenz so kann durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung den Auswirkungen in weiten Grenzen entgegengewirkt werden. Werden Elektrolytkondensatoren als zeitbestimmende Elemente verwendet, so ergibt sich für die damit festgelegten Zeitdauern bei der Decodierung beispielsweise eine fallende Tendenz.
Wird damit bei angenommener 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 Verlaufe der Betriebszeit über einen weiten Bereich in die Nähe der Rückflanke 3 bewegen, ohne daß eine Beeinträchtigung der Signalauswertung auftritt. Damit ist eine weitere vorteilhafte Möglichkeit gegeben, Veränderungen der zeitbestimmenden Elemente im Empfängerteil auszugleichen. Bei dem erfindungsgemäßen Konzept werden also empfängerseitige Veränderungen der zeitlichen Auswertung bei der Signaldecodierung ohne Stabilisierungsmaßnahmen hingenommen, da sie im Empfängerteil den größten Aufwand bedingen würden und wegen der daraus resultierenden Vergrößerung des Stromverbrauchs und des Bauvolumens des Schrittmachers dessen Träger am wenigsten zugemutet werden könnten. Stattdessen werden alle Maßnahmen zur Stabilisierung hinsichtlich Schwankungen in den Eigenschaften der zeitbestimmenden Elemente von der Empfänger- auf die Senderseite verlegt, wenn man einmal von der erforderlichen eine besonderen Aufwand erfordernden Anfangseinstelluny des Empfängers absieht. Wird das Erscheinen der Zeitschranke 6 durch logische Mittel verzögert, wie es an Hand des Ausführungsbeispiels beschrieben ist, so ergibt sich ein besonders breiter Anderungsbereich für die Lage der Zeitschranken während der Lebensdauer des Schrittmachers.
Bei Sonderfällen der Anwendung, wenn sich infolge besonderer Umstände beim Empfängerteil eine ausnehmend große Abweichung bei der Erzeugung der Zeitschranken ergeben haben sollte, kann der Zeittakt des Senders zusätzlich manuell derartig veränderbar gestaltet werden, daß die Anpassung auch noch an sehr große Zeitfehler bei der Decodierung in der Empfängerschaltung möglich ist, bei der dann entweder durch den Arzt oder automatische Mittel festgestellt werden kann, wann die erwünschte Änderung der Betriebseigenschaften des Schrittmachers erreicht werden konnte. Bei den 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 als weiterer großer Vorteil anzusehen, daß außerhalb von Routinefällen noch die zusätzliche Möglichkeit der Beeinflussung gegeben ist.
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 bringt. Es soll dabei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß das zugrundeliegende codierte Steuersignal, insbesondere wenn es binär codiert ist, bereits in dieser Form zur Signalübertragung mittels eines Magnetfeldes zu einem Reed-Kontakt verwendet werden könnte, ohne daß jedoch dann die mit dem erfindungsgemäßen System verbundenen Vorteile erreichbar wären.
In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Sender-Empfäi-.ger-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. In einer Codierschaltung 9 werden die an die Schrittmacherschaltung 15 zu übertragenden Signale eingegeben (durch Pfeil angedeutet). Die Einstellmittel der Codierschaltung geben dem Benutzer dabei beispielsweise 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 Übermittlung so eingestellt, daß in der Schrittmacherschaltung 15 nach Empfang des Signals die erforderlichen Umstellungen vorgenommen werden.
Keine Logikstufe 10 formt dabei das digital codierte Steuersignal in das auszusendende Signal um. Ein Verstärker 11 setzt die Stromstärke der Impulse auf einen zur Ansteuerung der Spule 12 notwendigen Wert 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. 5 cm durch den Körper des Patienten hindurch zu betätigen. (Die Einwirkung des magnetischen Feldes ist durch die gestrichelten Pfeile angedeutet). Der Reed-Kontakt 13 schließt, wenn er sich in einem Magnetfeld hinreichender Intensität befindet. Die durch den Senderteil in Form eines zeitweise erzeugten Magnetfeldes ausgesendeten Impulse werden durch den Reed-Kontakt in elektrische Impulse umgeformt und der Auswertungslogik 14 zugeführt. Letztere decodiert die empfangene Impulsfolge wie es im einzelnen anhand der nachfolgend beschriebenen Schaltungen noch dargestellt werden wird. In der Schrittmacherschaltung 15 werden, nachdem ein vollständiges Steuersignal eigegangen ist, die diesem Steuersignal zugeordneten Einstellungen über Schalter, beispielsweise durch Änderung der Werte von Widerständen vorgenommen.
In Fig. 3 ist ein Schaltbild des Senderteils wiedergegeben, welches in seiner Funktion zusammen mit den Fig. 5 dargestellten Impulsfolgen erläutert werden soll. Das zu übertragende digital codierte Steuersignal hat bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Länge von 8 bit.
Sollen acht verschiedene Informationen übertragen werden, so werden drei Bits für die Nutzsignale benötigt, während die erstlichen 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 vorteilhaft, wenn die Nutzinformationen von den redundanten Bits eingeschlossen ist. Im dargestellten Beispiel lautet das Steuersignal lOlXXXOl, wobei X jeweils für ein binäres Nutzsignal steht. Die Verwendung von Redundanz-Bits zur Störerkennung und -beseitigung 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 ces implalltierten Herzschrittmachewrs müßte das Herzverhalten des Patienten über einen gewissen Zeitraum beoLsachtet werden, um entscheiden zu können, ob die Signalübertragung die erwtinschte Veränderung bewirkt hat. Dazu ist die Aufnahme eines Elektrocardiogramms erforderlich. Dadurch, daß die redundanten Bits eine Konfiguration 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.
Über die Codierschaltung 9 werden die drei für die Signalübertragung relevanten Bits eingestellt. Die Codierschaltung 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 tiutzbits 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.
Durch Betätigung der "Start"-Taste gelangt ein L-Impuls über ein Differenzierglied R 1/C 1 an einen Eingang eines Nand-Gatters 17, der außerdem über einen Widerstand R 2 mit dem dem logischen H-Zustand entsprechenden +-Potentiet1 verbunden ist. (In der hier gegebenen Darstellung entspricht das Massepotential ungefähr dem logischen L-Zustand sowie dem Signal "0", während das +-Potential, entsprechend dem Signal ~1", dem logischen il-Zustand zugeordnet 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 Eingangsimpuls hin seinen H-Zustand beibehält. Durch die Anstiegsflanke am Ausgang des Nand-Gatters 17 wird über einen Kondensator C 2 an einem Widerstand R 3 und einem weiteren Eingang des Schieberegisters 16 sowie am Reset-Eingang eines Zählers 19 ein H-Impuls hervorgerufen. Der Zähler wird dadurch auf den binären Wert 1000 zurückgegesetzt während das Schieberegister zur Übernahme der an den Dateneingängen anliegenden Information veranlaßt wird.
Durch den H-Pegel am Ausgang des Nand-Gatters 1 7 wird auch der aus den Nand-Gattern 20 und 21 sowie den Widerständen R 4 und R 5 und dem Kondensator C 3 bestehende Oszillator freigegeben. Die Frequenz des Oszillators kann über den Widerstand R 5 verändert werden. Da der Oszillator die Zeitbasis für die gesamte Signalerzeugung im Senderteil bildet, kann über den Widerstand R 5 die Impulsrate des ausgesendeten Steuersignals zusätzlich variiert werden, wenn in den obengenannten Sonderfällen die zeitliche Synchronisation unter Ausnutzung der übrigen Merkmale der Erfindung nicht ausreichend sein sollte.
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.
In'Fig. 5 ist in der dritten Zeile das Signal wieder:jeyeben, 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 Ausgatigssignale Q der Flipflops 22 und 23.
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 ~OUT" des Schieberegisters 16 werden durch Nand-Gatter 24 bis 28 zu einem Signal zusammengesetzt, wie es in seinem zeitlichen Verlauf von dem Senderteil abgegeben wird. Liegt der Ausgang des Schieberegisters auf H-Potential, entsprechend einer logischen 11111, so gelangt der erste Ausgangsimpuls des Flipflops 23 über einen aus dem Widerstand R 8 und dem Kondensator C 6 gebildeten Tiefpaß und einem Inverter 29 zum Verstärker 11. Liegt der Ausgang OUT des Schieberegisters 16 während einer Taktperiode des Flipflops 23 auf L-Potential (logische "0"), so gelangen die H-Pegel der Ausgänge Q der Flipflops 22 und 23 durch ein logisches "oder" verknüpft an den Eingang ds Verstärkers 11, so daß sich insgesamt für den ausgesendeten Signalverlauf das in der achten Zeile von Fig. 5 dargestellte Bild ergibt.
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.
An einem weiteren Eingang des Nand-Gatters 3G ist eine Schaltung angeschlossen, die nach dem Einschalten der Versorgungsspannung die Flipflops 22 und 23 ebenfalls in ihre Ausgangslage zurücksetzt (Ausgänge auf L-Pegel).
In Fig. 4 ist die Schaltung des Empfängerteils dargestellt.
Tritt ein Magnetfeld ausreichender Intensität im Bereich des Reed-Kontaktes 13 auf, so schließt dieser und verbindet den Eingang eines Inverters 31, der während der übrigen Zeit über einen Widerstand R 12 mit dem H-Potential- (+> verbunden ist, mit dem L-Potential, so daß der Ausgang des Inverters auf L geht. Ein Kondensator C 6 dient zur Entprellung des Kontaktes. 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 Oszillator startet. Das Nand-Gatter 34 stellt zusammen mit einem Nand-Gatter 37 eine bistabile Schaltung dar, so daß sein Ausgang weiterhin auf dem H-Pegel verbleibt. Die Frequenz des Oszillators wird durch die angeschlossenen passiven Bauelemente und die Versorgungsspannung der Energiequelle bestimmt. Eine direkte Nachstimmung eines derartigen, die Auswertung der empfangenden Signale bestimmenden Oszillators ist mit einem relativ großen 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 gelschingunge.
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 Eingangsfrequenz um eine Potenz von 2 herabgesetzt ist und die ein Taktverhältnis von 1 : 1 aufweisen.
Am Ausgang Q 10 des Zählers ergibt sich ein Signal, welches demjenigen am Ausgang des Flipflops 23 in Fig. 3, allerdings in negierter Form, entspricht, wobei die Sychronität von Sender- und Empfängertaktsignal vorausgesetzt ist. Da diese Synchronität 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 zurückgesetzt. Der freilaufende Oszillatortakt bewirkt, daß der Zähler 32 jedesmal jeweils wieder von null beginnend 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 Abfragezustand einstellt vorher festgestellte Rückflanken des Eingangssignals wurden als "1" gewertet, während von jetzt ab auftretende Rückflanken als "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.
Das Ausgangssignal an Q 10 des Zählers 32 kann mittels eines Inverters negiert und dem seriellen Dateneingang eines Schieberegisters 39 zugeführt werden. Das resultierende Empfängertaktsignal ist in Zeile 12 der Tmpulsdarstellungen 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 der Rückflanke der Eingangs impulse hin die am Eingang "DATA IN" des Schieberegisters 39 vorhandene Information in dieses eingespeichert und die bereits vorhandenen Informationen um eine Position weitergerückt werden.
Wird, wie in der Zeichnung dargestellt, statt eines Inverters ein Nor-Gatter 38 vorgesehen, dessen weitere Eingang mit dem Ausgang Q 11 einer weiteren nachgeschaLteten Frequenzteilerstufe des Zählers 32 verbunden ist, so verzögert sich die Rückkehr in den Abfragezustand "1" für die Rückflanken bei der Signalauswertung. Das hat, wie oben dargestellt, zur Folge, daß, auch wenn die Zeitkonstanten der zeitbestimmenden Elemente des Empfängers stark verkleinert sind, der volle Zeitraum bis zum Erscheinen des nächsten Referenz-Signals zur Auswertung zur Verfügung steht.
Für die Decodierung des aufgenommenen Signals ist es gleichbedeutend, wenn die Eingangssignale an den Eingängen (DATA IN" und "CLOCK" vertauscht sind. In einem Fall wird 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. Im anderen Fall wird zum Zeitpunkt des Wechsels des logischen Zustands des Empfängertaktes der Zu- stand des Sendertaktes tingespeichert. In beiden Fällen enthält da Empfängertakt-Signal die zur Auswertung notwendigen Zeitschranken.
An den Ausgängen Q 1 bis Q 8 e Schieberegisters entsteht beim Eintakten des Signals der in den unteren Zeilen von Fig. 5 dargestellte Signalverlauf. Es liegt - nachdem das vollständige Signal eingegeben wurde - eine Anzahl von logischen Signalen an, welche in ihrer Folge dem ursprünglichen codierten 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 redundanten, im Steuersignal mit übertragenen Bits die zum Auslösen des Steuervorgangs erforderliche Konfiguration aufweist. Ist das der Fall, so geht der Ausgang des Nor-Gatters 46 in den logischen Zustand. Mittels eines Kondensators C 10 und eines Widerstandes R 17 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. Diese Gatter können in vorteilhafter Weise in einer logischen Schaltung zusammengefaßt sein, die ein bestimmtes Ausgangssignal abgibt, wenn ein vorgegebenes logisches Eingangssignal in Kombination an den Eingängen vorhanden ist. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die zusammengefaßten, mit dem Ausgang des Inverters 31 verbundenen Eingänge der Nor-Gatter 51 bis 53 den L-Zustand einnehmen.
Mittels eines Decoders 48 wird in Abhängigkeit von den im Speicher festgehaltenen Signalzuständen einer der Widerstände R 18 bis R 25 mit dem Ausgang "COMMON" des 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 Widerstände können dabei beispielsweise als frequenzbestimmende Glieder für die Impulsrate des Schrittmachers dienen.
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 Widerstandes R 26 wird aus dem Signal an 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.
Durch die Position der redundanten Bits am Anfang und Ende des zu übertragenden Steuersignls werden Fehlsteuerungen verhindert, falls durch Störsignale Impulse wegfallen oder durch entstehende Einbrüche in Impulse das Vorhandensein zusätzlicher 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 Störeinflüsse 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 Impulses 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 Fehlsteuerung führen würde - die Wahrscheinlichkeit dafür ist jedoch sehr gering. Dadurch, daß die redundanten Bits bei einer Signajübertragung abschließende Stellung einnehmen, ist auch eine große Wahrscheinlichkeit dafür gegeben, daß, wenn sie von Anfang und Ende der Signalübertragung ungestört blieben, auch die redundanten Signale nicht von einer Störung betroffen sind.
Bevor die zur kurzfristigen Umschalten des Schrittmachers auf eine charakteristische Frequenz zu Prüfzwecken dienenden Schaltungsteile im einzelnen beschrieben werden, soll zunächst deren grundsätzliche Funktion anhand der in den Fign. 6 und 6a wiedergegebenen Blockdarsteliungen näher erläutert werden.
In Fig. 6 ist ein Blockdiagramm der ersten Ausführungsform der Schaltung wiedergegeben. Ein programmierbarer Informationsspeicher 61 wird durch nicht dargestellte Mittel für die Einstellung der permanenten Betriebsweise des Herzschrittmachers von außen über ein Magnetfeld mit einem codierten Signal gesteuert, wie es durch den Pfeil angedeutet ist. Ein Bauelement 62 enthält diejenigen Schaltzustände gespeichert, welche zum Umschalten des frequenzbestimmenden Elementes 63 auf die charakteristische Frequenz des Herzschrittmachers erforderlich sind. Durch Anlegen eines Permanentmagnetfeldes wird ein logisches Schaltelement so gesteuert, daß das frequenzbestimtnende Element für den Zeitraum, während dessen das Permanentmagnetfeld vorhanden ist, nicht mehr mit dem programmierbaren Informationsspeicher 61, sondern mit dem Bauelement 62 verbunden ist. Wichtig ist dabei, daß durch das Permanentmagnetfeld der Inhalt des Informationsspeichers 61 nicht verändert wird. Das Ausgangssignal des frequenzbestimmenden Elementes 63 (Pfeil) steuert die Rate dfr Anregungsimpulse des Schrittmachers.
In Fig. 6a ist ein Blockdiagramm der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung wiedergegeben. Hierbei sind die die Herzschrittmacherfrequenz bestimmende Elemente permanent mit einem proc3ramln.erbareìl Informationsspeicher 66 verbunden, der, wie heim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der programmierbare Informationsspeicher 61, von außen her beeinflußbar ist. Ein Umschalter 67, der entsprechend dem Umschalter 64 in Fig.
2 durch ein über einen gewissen Zeitraum vorhandenes Magnetfeld beeinflußt wird, schaltet für die Zeitdauer des Vorhandenseins dieses Feldes seinen mit den Impulserzeugungsmitteln des Herzschrittmachers verbundenen Ausgang (Pfeil) zu dem die charakteristische frequenzbestimmende Element 67 durch. Hierbei ist es ebenfalls von Bedeutung, daß durch dieses permantente Magnetfeld der Inhalt des Informationsspeichers 66 nicht verändert wird.
Für diejenigen Zeiten, zu denen der Ausgang des Inverters 31 sich im H-Zustand befindet, der Reed-Schalter also infolge eines vorhandenen Magnetfeldes geschlossen ist, nehmen die Ausgänge der Nor-Gatter 51 bis 53 den L-Zustand ein. Hierdurch wird der übrige Programmiervorgang nicht beeinflußt. Da bei impulsförmigem äußeren Magnetfeld dieser Zustand nur kurzzeitig eintritt, wird einerseits die Impulsabgabe des Schrittmachers kaum und andererseits der Einspeichervorgang des Schieberegisters 39 überhaupt nicht beeinflußt. Wird kein Impuls mehr empfangen, d.h.
ist die Programmierung abgeschlossen, und das äußere Magnetfeld abgeschaltet oder wird, zwecks Einstellung der charakteristischen Frequenz, ein Dauermagnetfeld aufrechterhalten, 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 Widerstandes R 26 wird aus dem Signal am Ausgang Q 12 ein Impuls geformt, welcher das Schiehereqister 3 zurücksetzt und, negiert durch einen Inerter 51, über das Nand-Gatter 37 den aus den Nand-Gattern 35 und 36 bestehenden Oszillator stoppt. Eine Veränderung des Inhalts des Speichers 47 erfolgt dabei nicht, da die redundanten Bits nicht vorhanden qind bzw. in einer ausschließlich Nullen aufweisenden Konfiguration ausgegeben werden.
Beim Einschalten der charakteristischen Frequenz des Schrittmachers zu Prüfzwecken durch Annäherung eines Dauermagneten an den implantieren Schrittlllacher wird das äußere Dauermagnetfeld über den zur Prüfung erforderlichen Zeitraum aufrechterhalten und die Ausgänge der Nor-Gatter 51 bis 53 nehmen den Zustand ein. Über den Decoder 48 wird dieses die Konfiguration OU darstellende Signal in der Weise ausgewertet, daß die frequenzizestimmenden Elemente bildende Widerstände R 18 bis R 25 so geschaltet werden, daß der Schrittmacher mit der charakteristischen Frequenz arbeitet. Voraussetzung bei. dieser Schaltung ist, daß - wie dargelegt - auch bei der Frequenzbeein£lussung durch Programmierung die für Prüfzwecke gewählte charakteristische Frequenz mittels eines Signals mit einer Zeichenfolge einstellbar ist, wie sie durch logische Schaltungen (Nor-Gatter 51 bis 53) beim Auftreten des Dauermagnetfeldes bestimmt wird. (Beim hier beschriebenen Beispiel ist das die Ziffernfolge ~000">.
Bei der in Fig. 4a dargestellten Ausführungsform der Erfindung, die der in Fig. 3 prinzipiell dargestellten entspricht, brauchen im Vergleich zu Fig. 4 nur wenige Bauelemente geändert zu werden. Anstelle der Nor-Gatter 51 bis 53 ist ein Umschalter 54 eingefügt, der statt der mit der Decodierschaltung 48 verbundenen die Frequenz bestimmenden Elemente bildende Widerstände R 18 bis R 25 einen weiteren Widerstand R 26 einschaltet, der den Schrittmacher auf die zu Prüfzwecken erforderliche Impulsrate umschaltet.
Der Umschalter 54 kann dabei aus ariten elektronischen Schaltern aufgebaut sein, die in ihrer Technoloyie den übrigen verwendeten Bauelementen entsprechend ausgewählt sind.
Bei dieser Ausführungsform wird die Decodierungsvorrichtung 48 umgangen und es ist nicht erforderlich, daß die charakteristische Frequenz in den programmierbaren Frequenzen enthalten ist.
Die Funktion bei den Ausführungsformen der Erfindung hängt in ersichtlicher Weise davon ab, daß die Programmierschaltung des Schrittmachers nicht durch länger anhaltende Magnetfelder beeinflußt wird, wie es weiter oben dargestellt ist.
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 Art der zur Verfügung stehenden Bauelemente, gegebenen Randbedingungen, bestimmt wird.
Weitere Varianten von Ausführungsformen ergeben sich dadurch, da verschiedene Baugruppen jeweils in einzelnen Bauelementen zusammengefaßt werden können, wobei diese Bauelemente - je nach Integrationsgrad der Schaltung -auch komplexere Funktionen, wie de#n gleichzeitigen Vergleich aller übertragenen Redundanz-Bits mit einem vorgegehnen Soll-Signal ausführen können.
- Zeichnung - L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Sender-Empfänger-System zur seriellen Ubertragung eines digital codierten Steuersignals von einem außerhalb des Körpers befindlichen Senderteil zu einem implantierten Herzschrittmacher, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß im Senderteil Mittel zur Umwandlung des digital codierten Steuersignals in ein auszusendendes Signal in der Weise vorgesehen sind, daß in einer Folge von Referenzsignalen (Vorderflanken 1, 2) jeweils auf ein derartiges Referenzsignal ein in Bezug dazu in seiner zeitlichen Lage veränderbares weiteres Signal (Rückflanken 3, 4, 4') folgt, dessen zeitliche Lage von einem Anteil der in dem digital codierten Steuersignal enthaltenden Information beeinflußt ist, und daß der Empfängerteil zur Wiedergewinnung der in dem Steuersignal enthaltenen Information Mittel zur Auswertung des empfangenen Signals in der Weise enthält, daß die zeitliche Lage des weiteren Signals (3, 4, 4') in Bezug auf mindestens ein eine Zeitschranke (5, 6) bildendes Signal ermittelt wird, das in einem durch Zeitgebermittel des Empfängers festgelegten zeitlichen Abstand auf das empfangene Referenzsignal (1, 2) folgt.
2. System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das digital codierte Steuersignal binär codiert ist und die zeitliche Lage des weiteren Signals (3, 4, 4') jeweils von mindestens einem Bit des Steuersignals beeinflußt ist.
3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein im Empfänger erzeugtes logisches Signal im durch die Zeitschranke definierten Zeitpunkt seinen Zustand ändert.
4. System nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß logische Mittel (Schieberegister 39) vorgesehen sind, die den augenblicklichen Zustand des im Empfänger erzeugten logischen Signals festhalten, wenn das weitere Signal (3, 4, 4') vom Empfänger aufgenommen wird.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das weitere Signal in einer zeitlichen Änderung des logischen Zustands des ausgesendeten Signals besteht.
6. System nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Empfänger Mittel zum festhalten des logischen Zustands im durch die Zeitschranke definierten Zeitpunkt vorgesehen sind.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zeitliche Abstand des die Zeitschranken bildenden Signals von den empfangenen Referenzsignalen (1, 2) so gewählt ist, daß bei einer durch Änderung der zeitbestimmenden Elemente (C 8, R 14, R 15) des Empfängers bedingten Veränderung dieses zeitlichen Abstands das die Zeitschranke bildenden Signals während der vorgesehenen Betriebsdauer des Herzschrittmachers nicht mit den empfangenen weiteren Signal (3, 4, 4') zusammenfällt.
8. System nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß bei einer im wesentlichen gleichen Tendenz der durch Änderung der zeitbestimmenden Elemente (C 8, R 14, R 15) des Empfängers bedingten Veränderung des zeitlichen Abstands des die Zeitschranke bildenden Signals von dem empfangenen Referenzsignal (1, 2) die zeitbestimmenden Elemente des Empfängers so dimensioniert sind, daß die Zeitschranke bei Inbetriebnahme des Herzschrittmachers von demjenigen empfangenen weiteren Signal (3, 4, 4') einen kleinen zeitlichen Abstand aufweist, von dem es sich mit der Alterung der zeitbestimmenden Elemente entfernt.
9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ermitteln der zeitlichen Lage des weiteren Signals (3, 4) in Bezug auf das eine Zeitschranke bildende Signal (5, 6) jeweils durch das Erscheinen eines nachfolgenden Referenzsignals (2) beenden wird.
10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , da3 das Ermitteln der zeitlichen Lage des weiteren Signals (3, 4) in Bezug auf Zeitschranken bildende Signale (5, 6) nach einem durch zeitbestimmende Elemente (C 8, R 14, R 15) des Empfängers festgelegten Zeitraum beendet wird.
11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Referenzsignale (1, 2) innerhalb des auszusendenden Sigals in einer konstanten Zeitfolge ausgesendet werden.
12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Refererenzsignale jeweils die Vorder- (1, 2) und die weiteren Signale jeweils die Rückflanke (3, 4, 4') von Impulsen bilden, die in dem ausgesendeten Signal enthalten sind, bzw. umgekehrt.
13. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Maß der Beeinflussung der zeitlichen Lage des weiteren Signals (3, 4') von einem Anteil der in dem digital codierten Steuersignal enthaltenen Information im Senderteil zum Ausgleich der Veränderungen zeitbestimmender Elemente des Empfängerteils variierbar ist.
14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Empfänger ein Zeitschranken darstellende Signale bei mindestens einem vorgegebenen Zählerstand auslösender Zähler (32) vorgesehen ist, der jeweils durch das Auftreten eines nachfolgenden Referenzsignals (2) in einen Ausgangszustand zurückgesetzt wird.
15. System nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Zähler (32) aus einem Oszillator (35, 36) und einem Frequenzteiler besteht, wobei zur Unterscheidung von zwei verschiedenen zeitlichen Lagen des weiteren Signals (3, 4, 4') eine Zeitschranke durch die Änderung des logischen Zustands des Ausgangssignals des Frequenzteilers gebildet wird.
16. System nac#h Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß logische Schaltungsmittel vorgesehen sind, welche das Ausgangssignal des Frequenzteilers bzw. ein davon abgeleitetes Signal verzögert in seinen logischen Anfangszustand zurückgelangen lassen.
17. System nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die logischen Schaltungsmittel ein von dem Ausgangssignal des Frequenzteilers abgeleitetes Signal erst in den logischen Anfangszustand gelangen lassen, wenn von einer nachgeschalteten Frequenzteilerstufe ein Signal erscheint.
18. System nach einem der Ansprüche 15 bis 17 und Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang des Frequenzteilers mit dem Dateneingang (DATA IN) eines Schieberegisters (39) verbunden ist, wobei beim Auftreten der weiteren Signals (3, 4, 4') jeweils ein Impuls an dessen Takteingang (CLOCK) gelangt.
19. System nach einem der Ansprüche 15 bis 17 und Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang des Frequenzteilers mit dem Takteingang (CLOCK) eines Schieberegisters (39) verbunden ist, wobei beim Auftreten der weiteren Signale (3, 4, 4') jeweils ein Impuls an dessen Dateneingang (DATA IN) gelangt.
20. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß redundante Signalanteile im digital codierten Steuersignal an führender und/oder an letzter Stelle stehen.
21. System nach den Ansprüchen 10 und 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Empfänger nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer seit dem Eintreffen des letzten Referenzsignals (1, 2) in einen Ausgangszustand zurückgesetzt wird.
22. System nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Zurücksetzen durch ein Signal erfolgt, das durch den Zähler (32) bei einem vorgegebenen Zählerstand ausgelöst wird.
23. System nach den Ansprüchen 15 und 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Signal durch weitere dem Frequenzteiler nachgeschaltete zusätzliche Frequenzteilerstufen ausgelöst wird.
24. System zum vorübergehenden Einstellen einer vorgebenen (charakteristischen) Impulsfrequenz bei einem mittels eines äußeren Magnetfelds über einen eingebauten Magnetschalter programmierbaren künstlichen Herzschrittmacher, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel vorgesehen sind, die, gesteuert von einem durch ein äußeres magnetisches Feld beeinflußten Magnetschalter (Reed-Kontakt 32) die Impulsfrequenz des Schrittmachers auf den vorgegebenen Wert umzuschalten, solange das magnetische Feld weiterhin aufrechterhalten bleibt, wobei der durch die Programmierung eingestellte permanente Betriebszustand des Schrittmachers nicht verändert wird.
25 System nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Mittel vorgesehen sind, um einer mindestens ein frequenzbestimmendes Element (Widerstände R 18 bis R 25) ansteuernden Decodierungsschaltung für ein logisches Eingangssignal ein Signal zuführen, welches die Decodierungsschaltung (48) dazu veranlaßt, die Impulsfrequenz des Schrittmachers auf den vorgegebenen Wert einzustellen.
26. System nach Anspruch 25, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Eingang der Decodierungsschaltung (48) über logische Verknüpfungsschaltungen (Nor-Gatter 51 bis 53) beeinflußt werden.
27. System nach Anspruch 24, d a d u r c h a e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein frequenzbestimmendes Element (Widerstände R 18 bis R 25) in seinem Wert verändert und/oder ein anderes Element (Widerstand R 26) an seiner Stelle eingeschaltet wird.