DE2809091A1

DE2809091A1 - Herzschrittmacher

Info

Publication number: DE2809091A1
Application number: DE19782809091
Authority: DE
Inventors: Gonzalez Jose Luis Bozal
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-02
Publication date: 1978-09-07
Also published as: ES226859Y; DE2809091C2; US4201219A; ES226859U

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER ? Q Γ) Q Π Q 1

PATENTANWÄLTE /ÖUilUcM

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197Ä) . D 1 PL-I N G. W.EITLE · D R. RER. N AT. K. H O FFMAN N · Dl PL.-I N G. W. LEH N

DIPL.-ING. K.FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) . D-8000 MO NCHEN Sl . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATH E)

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Jose Luis Bozal Gonzales, Madrid/Spanien

Herzschrittmacher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Herzschrittmacher, dessen Rhythmus durch Regulierungssignale gesteuert wird, welche in den Nervenleitern und/oder -rezeptoren oder in beiden gleichzeitig nachgewiesen werden.

Das Herz verfügt über ein eigenes System zur Leitung der Impulse, das die Synchronisierung sämtlicher Fasern des Herzmuskels ermöglicht. Der Sinusknoten ist der Initiator des Herzschlages und demnach der hauptsächliche natürliche Schrittmacher.

In den letzten Jahren hat sich die Implantation künstlicher Herzschrittmacher bei solchen Kranken durchgesetzt, denen die Kapazität zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Rhythmus und Synchronismus der zum Pumpen des Blutes notwendigen Elemente verlorengegangen ist.

Bei dem Herzschrittmacher handelt es sich um eine Vorrichtung, die in rhythmischer Form elektrische Impulse zum Herzmuskel leitet, so daß das Herz gezwungen wird, in diesem Rhythmus zu schlagen, d.h. die natürliche elektrische Erregung wird elektronisch ersetzt.

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Gemäß dem Stand der Technik unterscheidet man drei Typen von Schrittmachern, nämlich die asynchronen Schrittmacher oder Schrittmacher mit festem Rhythmus, welche eine festgelegte Frequenz der Herzschläge hervorrufen, die synchronen Schrittmacher, welche ihren Rhythmus der noch bestehenden Kontraktion anpassen, und schließlich die sogenannten Schrittmacher "auf Abruf", welche nicht ansprechen, solange das Vorhandensein von natürlichen QRS-Komplexen nachgewiesen wird.

Der hauptsächliche Nachteil der bekannten Schrittmacher besteht darin, daß eine Regulierung des Rhythmus in Abhängigkeit von den biologischen Notwendigkeiten gemäß der jeweiligen Aktivität des Kranken nicht vorgesehen ist.

Ein normales gesundes Herz reguliert den Rhythmus der Blutspeisung an die Gewebe in Abhängigkeit der Anforderungen, und zwar mittels Nervenleitungen, deren hinführende Wege von den Nervenrezeptoren, Chemorezeptoren etc. ausgehen und deren wegführende Wege auf die natürlichen Herzschrittmacher wie Sinusknoten, Atrium-Ventrikularknoten etc. einwirken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Herzschrittmacher zu schaffen, dessen Rhythmus veränderlich ist und durch Regulierungssignale gesteuert wird, welche in den Nervenwegen und/oder -rezeptoren nachgewiesen werden.

Hierdurch wird der Herzrhythmus automatisch in Abhängigkeit von der jeweiligen Aktivität reguliert, wobei die jeweiligen biologischen Notwendigkeiten in den Nervenrezeptoren bzw. -wegen selbst nachgewiesen werden.

Ein bekannter Herzschrittmacher ist eine elektronische Vorrichtung bestehend aus einem Generator periodischer Impulse, deren Frequenz vorbestimmt ist, welche von einer Batterie gespeist

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wird und durch eine Elektrode mit Verbindungsleitung an den Herzmuskel angeschlossen wird. Diese vom elektronischen Standpunkt her einfache Vorrichtung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, unter denen insbesondere die folgenden von Bedeutung sind. Die Verkapselung zum Schutz der elektronischen Schaltung setzt ein bioverträgliches Material voraus. Die Umgebung des Schrittmachers ist äußerst aggressiv für die Bestandteile, wodurch die mittlere Lebensdauer der Vorrichtung bedeutend herabgesetzt wird. Die Batterien aus Quecksilber werden durch die Feuchtigkeit angegriffen, die das Wachsen von Dendriten und damit Kurzschlüsse hervorrufen. Die letztgenannten Nachteile wurden durch neue Techniken der Verkapselung vermindert.

Die Batterie stellt ein Schlüsselelement für die mittlere Lebensdauer des Schrittmachers dar. Gewöhnlich werden Batterien mit Quecksilber-Zinkoxid verwendet, deren mittlere Lebensdauer 33 Monate beträgt. Seit kurzem werden auch Batterien mit Lithium in festem Zustand verwendet, bei denen die Anode aus Lithium und die Kathode aus Jodid besteht, wobei der elektrische Strom durch die Migration der Ionen des Lithium durch das Salz erzeugt wird. Bei dieser Batterie erfolgt keine Gaserzeugung, und deshalb ist eine hermetische Verkapselung möglich, weshalb in Kombination mit der größeren Energiedichte eine mittlere Lebensdauer von mehr als 5 Jahren erreicht werden kann.

Bei einer weiteren heutzutage verwendeten Batterie wird Plutonium 238 verwendet, dessen Strahlung in einer Thermobatterie zur Erzeugung von elektrischem Strom ausgenutzt wird. Die erwartete mittlere Lebensdauer der Batterie beträgt über 10 Jahre, und der Preis dieser Batterien beträgt das zwei- bis dreifache der Lithium-Batterien.

Die Forschung nach neuen Energiequellen auf diesem Gebiet ist

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sehr aktiv, insbesondere bezüglich der Ausnutzung elektrochemischer Energiequellen im menschlichen Körper.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Stimulationselektrode und der Verbindungsleitung· Die hauptsächlichen Probleme ergeben sich bezüglich der Notwendigkeit der sicheren Befestigung der Elektrode und Ausschaltung eventueller Verschiebungen derselben sowie der erforderlichen Garantie, daß die Leitung, die ununterbrochen Biegungen ausgesetzt ist, nicht reißt.

Bei dem Schrittmacher gemäß der Erfindung handelt es sich um eine bekannte Vorrichtung in bezug auf den Generator periodischer Impulse, die Verkapselung, die Batterie, die Leitung und die Elektrode zur Erregung des Herzmuskels.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Herzschrittmacher, welcher erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch mindestens einen Neurodetektor, der Folgen von Nervenimpulsen und/oder Aktionspotentialen nachweist, welche die Nervenleiter durchströmen oder in den Nervenrezeptoren erzeugt werden, und diese in elektrische Signale umwandelt, in Kombination mit elektronischen Schaltungen, welche die in den Neurodetektoren nachgewiesenen elektrischen Signale umwandeln und derart kombinieren, daß die Frequenz des Generators periodischer Impulse des Schrittmachers modifiziert wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Neurodetektor einen Kopf aufweist, welcher eine Befestigungsöffnung und zwei Mikroelektroden mit Silberkugel aufweist und durch eine Teflonschicht isoliert ist, wobei die Mikroelektroden den Nachweis von Nervenimpulsen und/oder Aktionspotentialen ermöglichen, ohne das Nervengewebe oder den Nervenrezeptor zu beschädigen.

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Der erfindungsgemäße Schrittmacher enthält also einen Detektor in den Nervenleitern und/oder -rezeptoren sowie angeschlossene elektronische Schaltungen, welche die nachgewiesenen Nervenimpulse in Signale verwandeln und die Frequenz des Generators periodischer Impulse und damit den Herzrhythmus modifizieren.

Der Neurodetektor umfaßt im Prinzip jegliches physikalisches System, das in der Lage ist, Folgen von Nervenimpulsen und/ oder Aktionspotentialen nachzuweisen, welche die hinführenden oder wegführenden Nervenleiter durchströmen oder in den Nervenrezeptoren der Herz-Lungenregulierung erzeugt werden, und diese in elektrische Signale zu verwandeln.

Bei den angeschlossenen elektronischen Schaltungen handelt es sich um Vorrichtungen, welche die in den Neurodetektoren erscheinenden elektrischen Signale umwandeln und derart kombinieren, daß die Frequenz des Erzeugers periodischer Impulse des Schrittmachers modifiziert wird.

In der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine allgemeine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Systems,

Fig. 2, 3 und 4 eine ebenfalls schematische Ansicht einer möglichen Ausführungsform eines zweipoligen Neurodetektors mit detaillierten Ansichten der hautsächlichen Elemente,

Fig. 5 und 6 die Form der durch den Neurodetektor nachgewiesenen Folgen von Impulsen in verschiedenen physiologischen Situationen,

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Fig. 7 ein Diagramm des Zusammenhanges zwischen dem Blutdruck im Sinus der Karotide und der Anzahl der Impulse pro Sekunde, wobei auch die Anwendung auf die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Fälle veranschaulicht ist₇

Fig. 8 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen den Teildrücken von Sauerstoff und Kohlendioxid im Glomus der Karotide und der nachgewiesenen Anzahl der Impulse pro Sekunde, wobei auch die Anwendung auf die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Fälle veranschaulicht ist,

Fig. 9, 10 und 11 jeweils Schaubilder der Veränderung der Herzfrequenz , des maximalen Blutdrucks und der Teildrücke von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Arterie, in Abhängigkeit von der durchgeführten körperlichen Arbeit,

Fig. 12 ein Schaubild der Relation zwischen der Herzfrequenz und den vom Neurodetektor nachgewiesenen Impulsen pro Sekunde, und

Fig. 13 eine schematische Darstellung der verschiedenen elektronischen Bauteile der Regulierungsschaltung.

Zur Vereinfachung wurde ein Ausführungsbeispiel gewählt, in dem nur ein einziger Neurodetektor Verwendung findet, der im Sinus und Glomus der Karotide an der Verbindung eines Hering-Nervs angebracht ist, wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern die Verwendung einer beliebigen Anzahl von Neurodetektoren umfaßt, die an den entsprechenden Nervenrezeptoren oder -leitern der Herz-Lungenregulierung angebracht werden könnend

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In der Fig. 1 ist das Herz mit seinen hauptsächlichen Gefässen mit 1 bezeichnet, die hinführenden Fasern des Rückenmarks mit 2, die Fasern des Sympathikus mit 3, die wegführenden Fasern des Nervus Vagus mit 4, die hinführenden Fasern des rechten Vorhofes des Herzens und der großen Hohlvene mit 5, die hinführenden Fasern des Nervus Vagus mit 6 und die hinführenden Fasern des Sinus und Glomus der Karotide mit 7.

Die Stellung des Glomus der Karotide im Punkt der Teilung der Karotide ist mit 8 bezeichnet, und das Bezugszeichen 9 entspricht dem Neurodetektor, der am Glomus der Karotide angebracht und gemäß 15 mit dem Körper des Schrittmachers 11 verbunden ist.

Die Erregungselektrode ist mit 10 bezeichnet und bei 16 an den Körper des Schrittmachers angeschlossen, in dessem Innern die Regulierungsschaltung 12 an den Generator periodischer Impulse

13 angeschlossen ist, wobei beide Elemente durch die Batterie

14 gespeist werden.

Innerhalb des Körpers des Schrittmachers ist der Neurodetektor an die Regulierungsschaltung 12 angeschlossen, wobei die Pfeilrichtung den Informationsfluß ins Innere anzeigt.

Der Generator 13 der Impulse ist mit der Erregerelektrode 10 verbunden, wobei die Pfeilrichtung den Impulsfluß anzeigt.

Der Neurodetektor, der im vorliegenden Beispiel aus einer mit seinem Kabel verbundenen Mikroelektrode besteht, registriert die im Sinus und Glomus der Karotide erzeugten Nervenimpulse, welche im Hering-Nerv auftreten und zur Regulierungsschaltung geführt werden, in der sie gefiltert werden und die mittlere Dichte errechnet wird. Es wird eine elektrische Spannung erzeugt, die die Frequenz des Erzeugers periodischer Impulse mo-

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difiziert, und zwar mit dem erforderlichen Herzrhythmus für die in Fig. 8 dargestellten Werte des Blutdrucks, pO~ und pCO-·

Der Generator periodischer Impulse bildet außerdem den an die Erregerelektrode weiterzugebenden Impuls.

In Fig. 2 ist der Neurodetektor dargestellt, der aus einer Steckverbindung 17 zum Körper des Schrittmachers sowie einer Befestigungsvorrichtung 18 besteht. Das Kabel 19 besteht aus Fasern eines gut leitenden Materials, die zur Erreichung einer guten Flexibilität verflochten sind und die in bioverträglichen Silikonen eingebettet sind. Mit 20 ist der Kopf des Neurodetektors bezeichnet, an dessen Ende sich die Mikroelektrode befindet.

Der Kopf des Neurodetektors ist in Fig. 3 vergrößert dargestellt. Mit 21 ist eine Queröffnung zur Durchführung des Befestigungsfadens bezeichnet und mit 22 und 23 die Mikroelektroden, von denen eine in Fig. 4 vergrößert dargestellt ist. Hier ist am äußeren Ende die Silberkugel 24 sowie die Isolierschicht 25 aus Teflon erkennbar. Diese Mikroelektroden lassen sich leicht herstellen. Der Durchmesser der Silberkugel beträgt ca. 1/2 mm.

In Fig. 5 sind die durch den Neurodetektor nachgewiesenen Signale mit 26 bezeichnet; sie entsprechen der Impulsfolge im Hering-Nerv bei Einatmung von Außenluft durch eine gesunde Person und bei Normalwerten von pO~ und pCCU.

Mit 27 ist die Kurve des mit der Folge von Nervenimpulsen synchronen Blutdrucks bezeichnet. Die Impulse größten Ausschlags entsprechen den Aktionspotentialen der Barorezeptoren des Sinus der Karotide, die an den Spitzen des Blutdrucks erscheinen.

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Die Impulse des geringsten Ausschlags und der größten Frequenz entsprechen den Aktionspotentialen der Chemorezeptoren des Glomus der Karotide.

In Fig. 6 sind dieselben Schaubilder wie in Fig. 5 dargestellt, jedoch bei Einatmung einer sauerstoffarmen Mischung. Die Bezugszeichen 28 und 29 der Fig. 6 entsprechen den Bezugszeichen 26 und 27 der Fig. 5.

Es ist ersichtlich, daß das Fehlen von Sauerstoff und demnach der niedrige pO~-Wert eine bedeutende Erhöhung der Frequenz der Impulse der Chemorezeptoren mit sich bringt.

Das Schaubild der Änderung der mittleren Frequenz der Impulse im Neurodetektor, die von der Erregung des Sinus der Karotide herrühren, in Abhängigkeit vom Blutdruck (Ps) ist in Fig. 7 dargestellt.

In der Abszisse ist der Druck in mm Hg im Sinus angegeben, während in der Ordinate der Prozentsatz der Impulse pro Sekunde in bezug auf den möglichen Höchstwert angegeben ist.

Der in der Kurve herausgestellte Punkt von 150 mm Hg und 40 % entspricht den Fällen gemäß den Fig. 5 und 6.

Das Schaubild der Veränderung der mittleren Frequenz der Impulse, die im Neurodetektor erscheinen und von der Erregung des Glomus der Karotide herrühren, in Abhängigkeit der pO~- Werte und pCO₉-Werte im Blut, ist in Fig. 8 dargestellt.

In der Abszisse des Schaubildes ist der pO„-Wert in mm Hg angegeben und in der Ordinate der Prozentsatz der Impulse pro Sekunde in bezug auf den möglichen Maximalwert.

Weiterhin ist eine Kurvenfamilie in Abhängigkeit der pC0₂~Werte dargestellt.

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Der im Schaubild herausgestellte Punkt A bei 100 mm Hg und 10 % der pCO^-Kurve 40 mm Hg entspricht dem Fall gemäß Fig. 5 bei Einatmung von Außenluft und normalen PO₂ ^- und pC02~ Werten/ in welchem Fall sich eine geringe Anzahl von Impulsen pro Sekunde ergibt.

Der im selben Schaubild herausgestellte Punkt B bei 50 mm Hg und 50 % der pC02~Kurve 60 mm Hg entspricht dem Fall gemäß Fig. 6 bei Einatmung einer sauerstoffarmen Mischung, d.h. Verminderung der pO~-Werte und Erhöhung der pC0₂-Werte, wodurch sich eine große Anzahl von Impulsen pro Sekunde ergibt.

Diese Schaubilder dienen der Erklärung des Verhaltens des Sinus und Glomus der Karotide und dem bestehenden Zusammenhang zwischen den nachgewiesenen Impulsen und der physiologischen Situation des Kranken in bezug auf den Blutdruck (Ps) und die Kombination des Teildrucks von Sauerstoff (PO2) und Kohlendioxid (pCO₂), die bekanntlich einen Kompensationseffekt in den Kurven der Dissoziation des Oxidhämoglobins hat.

Aus den vorhergehenden Ausführungen ergibt sich eindeutig, daß die Anzahl der Impulse pro Sekunde, die vom Neurodetektor ausgewiesen und in zwei Typen unterteilt werden, nämlich die aus dem Sinus und dem Glomus der Karotide, die geeignete Information bezüglich der physiologischen Situation des Patienten liefern.

In Fig. 9 ist ein Schaubild des Zusammenhangs zwischen der Herzfrequenz (Fc) und der körperlichen Arbeit (W) an einem normalen gesunden Herz dargestellt. In dem Diagramm kommt zum Ausdruck, wie das Herz bei erhöhtem Bedarf an Sauerstoff infolge der Notwendigkeit von Sauerstoffzufuhr zu den Geweben zwecks Anpassung an die Anstrengung den Herzrhythmus erhöht.

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In Fig. 10 ist ein Schaubild über die Veränderung des maximalen Blutdrucks (P.) in Abhängigkeit von der körperlichen Arbeit dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Blutdruck bei erhöhter körperlicher Anstrengung steigt.

In der Fig. 11 ist ein Schaubild der Veränderung des Teildrucks von Sauerstoff (pO?) ^unc^ Kohlendioxid (pCO₂) in der Arterie in Abhängigkeit von der körperlichen Anstrengung (W) dargestellt.

Bei erhöhter körperlicher Anstrenung verringert sich der pO~- Wert und der pCO^-Wert nimmt zu. Bei mäßiger Anstrengung sind die Veränderungen nur gering, insbesondere die Veränderung des pC0₂~Werts. Wenn jedoch die Anstrengung die Kapazität der Sauerstoffzufuhr übersteigt, ergeben sich starke Veränderungen der Teildrücke. Bei den ersten Abschnitten des Schaubildes wirken die Regulierungsmechanismen, die große Veränderungen verhindern.

Hiermit sind die bestehenden Zusammenhänge zwischen der körperlichen Arbeit (W), dem Herzrhythmus (Fc), dem maximalen Blutdruck (P_A), dem Teildruck von Sauerstoff (pO₂)/ dem Teildruck von Kohlendioxid (pCO_?), den Impulsen pro Sekunde im Sinus der Karotide (I ) und den Impulsen pro Sekunde im Glomus der Karotide (0_G) aufgestellt.

Aus der Gesamtheit dieser Schaubilder wurde das Schaubild gemäß Fig. 12 gewonnen, in dem die Veränderung der Herzfrequenz' (Fc) in Abhängigkeit der Impulse des Sinus und des Glomus der Karotide dargestellt ist. Dieses Schaubild stellt demnach das Verhalten des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers dar und damit die Funktion des Neurodetektors und der Regulierungsschaltungen .

Die Schaubilder 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 besitzen ausschließlich Angabenwerte bezüglich Größenordnungen und Tendenzen und

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können Änderungen erfahren, ohne daß hierdurch die Erfindungsidee verlassen wird.

Schließlich zeigt die Fig. 13 in Form eines Diagramms eine Ausführungsform der elektronischen Schaltung zur Modifizierung der Frequenz der Impulse des Schrittmachers.

Das Signal des Neurodetektors wird durch den Verstärker 30 verstärkt und gelangt dann zum Trennfilter 31, an dessen Ausgang die Impulse des Sinus der Karotide und des Glomus der Karotide getrennt erhalten werden, deren mittlere Frequenz durch die Zählwerke 32 und 33 errechnet wird. Danach werden beide Signale zu einer Schaltung 34 geführt, die eine Spannung V erzeugt, welche proportional der gewünschten Herzfrequenz in Übereinstimmung mit dem Schaubild in Fig. 12 ist.

Diese Spannung V , die proportional der gewünschten Herzfrequenz ist, modifiziert die Frequenz des Generators periodischer Impulse.

Die vorgenannten Ausführungen des Beispiels sind mit der logischen Änderung der Kurven und Schaubilder auf andere Nervenrezeptoren anwendbar und/oder ausdehnbar.

Ebenfalls ist die Anwendung auf die wegführenden Nervenleiter möglich und von Interesse.

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Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197ί) . DIPL.-IN G. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · Dl PL.-ING. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEUASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFO N (089) 911087 · TELEX 05-29Ä19 (PATH E)

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Jose Luis Bozal Gonzales, Madrid / Spanien

Herzschrittmacher

Ansprüche :

Herzschrittmacher, dessen Rhythmus durch Regulierungssignale gesteuert wird, welche in den Nervenleitern und/oder -rezeptoren oder in beiden gleichzeitig nachgewiesen werden, gekennzeichnet durch mindestens einen Neurodetektor, der Folgen von Nervenimpulsen und/oder Aktionspotentialen nachweist, welche die Nervenleiter durchströmen oder in den Nervenrezeptoren erzeugt werden, und diese in elektrische Signale umwandelt, in Kombination mit elektronischen Schaltungen, welche die in den Neurodetektoren nachgewiesenen elektrischen Signale umwandeln und derart kombinieren, daß die Frequenz des Generators periodischer Impulse des Schrittmachers modifiziert wird.
2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß der Neurodetektor einen Kopf aufweist, welcher eine Befestigungsöffnung und zwei Mikroelektroden mit Silberkugel aufweist und durch eine Teflonschicht isoliert ist, wobei die Mikroelektroden den Nachweis von Nervenimpulsen und/oder Aktionspotentialen ermöglichen, ohne das Nervengewebe oder den Nervenrezeptor zu beschädigen.

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