DE2939173A1

DE2939173A1 - Pacemaker with automatic amplitude control - has Rc network and parallel counter chains linked by logic gates

Info

Publication number: DE2939173A1
Application number: DE19792939173
Authority: DE
Inventors: Hans Sundbyberg Strandberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-27
Filing date: 1979-09-27
Publication date: 1981-04-16

Abstract

This pacemaker includes a high frequency pulse generator, 1kHz to 10kHz, modulated by the stimulation pulse. It is an automatic amplitude control circuit for monitoring the stimulation threshold of the heart which is easily implemented by using integrated circuit technology. The circuit includes an RC network (3,4), where the capacitor (4) is formed by the output capacitance of the circuit. A pulse sequence generator (1,2) produces a pulse sequence n/N, where n is pulse width and N is the pulse repetition period. This sequence is controlled by the stimulation pulse generator (8,9). N and n are variable and controlled by two parallel counter chains linked by logic gates.

Description

HerzschrittmacherPacemaker

Die Erfindung bezieht sich auf einen Herzschrittmacher mit eigentlichem Reizimpulserzeuger mit Betriebsspannungsgeber, insbesondere Batterie, und mit einem im Rhythmus der Reizimpulse steuerbaren Schaltwerk zum selbsttätigen Ändern der Amplitude der vom Reizimpulserzeuger abgegebenen Reizimpulse, insbesondere zum Erfassen der Reizschwelle des Herzens.The invention relates to a cardiac pacemaker with an actual Stimulus pulse generator with an operating voltage generator, in particular a battery, and with a Switching mechanism that can be controlled in the rhythm of the stimulus impulses for automatic changing of the Amplitude of the stimulus pulses emitted by the stimulus pulse generator, in particular for detection the stimulus threshold of the heart.

Ein Herzschrittmacher dieser Art ist beispielsweise durch die DE-OS 22 17 400 vorbekannt. Der dort beschriebene Herzschrittmacher verwendet jedoch als Schaltwerk einen digitalen Dual zähler in Kombination mit einer Schaltungskette aus Festwiderständen, die gemäß einer geometrischen Reihe (im Dualkode) gestuft und im Schrittakt des Digitalzählers einzeln miteinander in der Weise kombinierbar sind, daß sich eine stufenförmig absinkende Reizamplitude des Reizimpulserzeugers ergibt. Eine Anordnung aus einer Vielzahl von festen Widerständen bereitet jedoch Schwierigkeiten bei der Integration der Schaltelemente. Eine optimale Integration ist jedoch im Hinblick auf kompaktere und damit verkleinerte Bauform des Herzschrittmachers wünschenswert.A pacemaker of this type is, for example, by the DE-OS 22 17 400 previously known. However, the pacemaker described there uses as Derailleur a digital dual counter in combination with a circuit chain of fixed resistors, which are graded according to a geometric series (in binary code) and individually combinable with one another in this way in the step cycle of the digital counter are that there is a gradually decreasing stimulus amplitude of the stimulus pulse generator results. However, an arrangement of a large number of fixed resistors prepares Difficulties with the integration of the switching elements. An optimal one Integration is, however, with a view to a more compact and thus reduced size of the pacemaker is desirable.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Herzschrittmacher der eingangs genannten Art aufzubauen, dessen Schaltungsteile optimal integrierbar sind, so daß sich insgesamt kompaktere Bauweise als bisher ergibt.The object of the present invention is to provide a cardiac pacemaker to build the type mentioned at the beginning, the circuit parts of which can be optimally integrated, so that there is an overall more compact design than before.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltwerk eine Zeitglied-Schaltung mit vorgebbarer Zeitkonstante, insbesondere RC-Glied, nebst einem Ladepulsfolgenerzeuger umfaßt, welcher Ladepulsfolgenerzeuger die Zeitglied-Schaltung mit einer Ladepulsfolge des Betriebsspannungsgebers beaufschlagt, deren Tastverhältnis ff, mit n = Impulsdauer und N = Periodendauer, im Takt der Reizimpulse des Reizimpulserzeugers änderbar ist.The object is achieved according to the invention in that the switching mechanism a timing element circuit with a predeterminable time constant, in particular an RC element, in addition a charge pulse train generator, which charge pulse train generator comprises the timer circuit acted upon by a charging pulse sequence of the operating voltage generator, the duty cycle ff, with n = pulse duration and N = period duration, in time with the stimulus pulses of the stimulus pulse generator is changeable.

Gemäß der Erfindung dient zur Erzeugung des Treppenverlaufes eine einfache Zeitglied-Schaltung, deren Einzelelemente leicht integrierbar sind. Diese Zeitglied-Schaltung wird mit der Betriebsspannung U3 des Betriebsspannungsgebers, insbesondere Batterie, im Takt der Ladepulsfolge des Ladepulsfolgenerzeugers beaufschlagt.According to the invention, one is used to generate the course of the stairs simple timing circuit, the individual elements of which can be easily integrated. These Timing element circuit is operated with the operating voltage U3 of the operating voltage generator, in particular battery, acted upon in the cycle of the charge pulse train of the charge pulse train generator.

Aufgrund der Zeitkonstanten des Zeitgliedes folgt die Ladespannung des spannungsspeichernden Elementes des Zeitgliedes der Funktion UB x ff. Gemäß der Erfindung ist nun jedoch das Tastverhältnis ff im Takt der Reizimpulse des Reizimpulserzeugers schrittweise änderbar.The charging voltage follows due to the time constants of the timing element of the voltage-storing element of the timing element of the function UB x ff According to the invention, however, the pulse duty factor ff is now in time with the stimulus pulses from the stimulus pulse generator changeable step by step.

Damit ergibt sich am speichernden Element des Zeitgliedes schrittweise Änderung der Ladespannung. Bei optimal integrierbarem Aufbau ergibt sich-auf einfachste Weise die erwünschte stufenweise Änderung, insbesondere Absenkung, der Amplitude der Reizimpulse.This results in a step-by-step process on the storing element of the timing element Change of charging voltage. With an optimally integrable structure, the result is the simplest way the desired gradual change, in particular lowering, the amplitude of the stimulus pulses.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei sind insbesondere auch die Unteransprüche 7 und 8 von Bedeutung.Particularly advantageous embodiments of the invention result from the subclaims. In particular, the dependent claims 7 and 8 of importance.

Bei Anwendung der Lehre des Anspruchs 8 kann sogar auf ein selbständiges Ladeglied verzichtet werden, so daß das gemäß der Erfindung notwendige Zeitglied sich zusätzlich noch in optimaler Weise vereinfacht.When applying the teaching of claim 8 can even apply to an independent Charging element can be dispensed with, so that the timer necessary according to the invention is also simplified in an optimal way.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.Further details and advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment with reference to the drawing in conjunction with the subclaims.

Es zeigen: Fig. 1 den Herzschrittmacher gemäß der Erfindung in einem Prinzipschaltbild, Fig. 2 das prinzipielle Schaltbild eines Schrittschaltwerkes gemäß der Erfindung, Fig. 3 einen mit der Erfindung erreichbaren abgestuften Zeitverlauf der Herzschrittmacher-Impulse.1 shows the cardiac pacemaker according to the invention in one Basic circuit diagram, FIG. 2 shows the basic circuit diagram of a stepping mechanism according to the invention, FIG. 3 shows a graduated time curve that can be achieved with the invention the pacemaker impulses.

In der Fig. 1 ist der Ladepulsfolgenerzeuger mit 1, 2 bezeichnet. Er umfaßt einen hochfrequenten Oszillator 1, der eine Taktpulsfrequenz von f = 1 kH bis 10 kH liefert. Der Schaltungsblock 2 umfaßt eine Zählschaltung und ein logisches Verknüpfungsgatter zur Verknüpfung der Ausgangssignale der Zählschaltung. Die Steuerung wenigstens eines Teiles der Zählschaltung erfolgt im Takt fHI des Reiztakterzeugers 9 des Herzschrittmachers.In FIG. 1, the charge pulse train generator is denoted by 1, 2. It comprises a high-frequency oscillator 1 which has a clock pulse frequency of f = 1 kH to 10 kH delivers. The circuit block 2 comprises a counting circuit and a logic Linking gate for linking the output signals of the counting circuit. The control at least part of the counting circuit takes place in the cycle fHI of the stimulus clock generator 9 of the pacemaker.

Ferner ist ein Zugang UB für die Batteriespannung vorgesehen. Diese Batteriespannung U3 wird im Takt der anfallenden Ladepulsfolge f1 des Ladeimpulserzeugers 1, 2 auf das ladungsspeichernde Glied 4 eines Zeitgliedes 3, 4 mit hochohmiger Zeitkonstante gegeben. Im vorliegenden Falle besteht das Zeitglied in einfachster Weise aus einem ohmschen Widerstand 3 und einer Kapazität 4.An access UB for the battery voltage is also provided. These Battery voltage U3 is in time with the charging pulse sequence f1 of the charging pulse generator 1, 2 to the charge-storing element 4 of a timing element 3, 4 with a high-resistance time constant given. In the present case, the timing element consists of one in the simplest possible way ohmic resistance 3 and a capacitance 4.

Der ohmsche Widerstand 3 ist speziell in die Schaltungsanordnung des Herzschrittmachers integrierbar. Bei der Kapazität 4 handelt es sich vorzugsweise um die an sich bereits immer vorhandene Ausgangskapazität der Herzschrittmacherschaltung. Im Prinzipschaltbild der Figur 1 ist die rechte Elektrode der Kapazität 4 mit der Stimulationselektrode 6 des Herzschrittmachers und damit über diese mit dem Herz 5 des Herzschrittmacherpatienten verbunden. Die linke Elektrode ist über einen Transistorschalter 8 mit der indifferenten Elektrode 7 verbindbar. Eine Verbindung erfolgt jeweils im Reiztakt fHI. Im Takt dieser Impulse wird der Transistor jeweils leitend, so daß sich die in diesem Augenblick anstehende Ladespannung des Kondensators über das Herz des Patienten zu dessen Reizung entladen kann.The ohmic resistor 3 is specially designed in the circuit arrangement of the Pacemaker can be integrated. The capacity 4 is preferably about the output capacitance of the pacemaker circuit that is always present. In the basic circuit diagram of Figure 1, the right electrode of the capacitance 4 is with the Stimulation electrode 6 of the pacemaker and thus via this with the heart 5 of the pacemaker patient connected. The left electrode is over a transistor switch 8 can be connected to the indifferent electrode 7. A connection is made in each case in the stimulation cycle fHI. The transistor becomes conductive at the rate of these pulses, see above that the current charging voltage of the capacitor is over the patient's heart can discharge to its irritation.

Die Umformung des amplitudenbestimmenden Teiles des Schrittschaltwerkes zu einem einzelnen Zeitglied, dessen ohmscher Widerstand in einfachster Weise in der Schaltungsanordnung integrierbar ist, ist der besondere Vorteil der Erfindung.The transformation of the amplitude-determining part of the stepping mechanism to a single timing element, whose ohmic resistance is in the simplest way in the circuit arrangement can be integrated is the particular advantage of the invention.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 erzeugt der Ladepulsfolgenerzeuger eine Ladepulsfolge f1(t), deren Tastverhältnis ft, mit n = Impulsdauer und N = Periodendauer, gemäß der Erfindung im Takt fHI der Reizimpulse des Reizimpulserzeugers schrittweise änderbar ist. Die Änderung erfolgt dabei schrittweise in der Zählschal- tung mit Logikgatter so, daß sich am Kondensator 4 des Zeitgliedes 3 ein sich stufenweise ändernder Verlauf der Ladespannung ergibt. Der für jeden Schritt anstehende Wert wird durch entsprechend schrittweises Durchsteuern des Transistors 8 auf das Herz 5 des Schrittmacherpatienten gegeben. Die schrittweise Änderung (schrittweises Absinken gemäß Fig. 3) der Reizimpulsamplitude ermöglicht eine Messung der Reizschwelle des Herzens und Nachregulierung der Reizamplitude auf Werte unmittelbar oberhalb der Reizschwelle, so daß die Batterien wenig belastet und damit der Lebenszustand der Batterie erhöht wird.In the exemplary embodiment in FIG. 1, the charge pulse train generator generates a charging pulse train f1 (t), whose duty cycle ft, with n = pulse duration and N = period duration, according to the invention in the cycle fHI of the stimulus pulses of the stimulus pulse generator step by step is changeable. The change is made step by step in the counter tion with logic gate so that the capacitor 4 of the timing element 3 is a step by step changing course of the charging voltage results. The pending value for each step is activated by appropriately step-by-step control of the transistor 8 on the heart 5 given by the pacemaker patient. The gradual change (gradual decline according to Fig. 3) the stimulus pulse amplitude enables a measurement of the stimulus threshold of the Heart and readjustment of the stimulus amplitude to values immediately above the Stimulus threshold, so that the batteries are little burdened and thus the state of life of the Battery is increased.

Der im Blockschaltbild der Fig. 1 lediglich in Form zweier Blöcke angezeigte Ladepulsfolgenerzeuger 1, 2 ist in der Fig. 2 detaillierter dargestellt. Die Schaltungsanordnung der Fig. 2 weist im Prinzip zwei Kettenschaltungen aus Binärzählern auf. Die erste Zählerkette setzt sich aus den Binärzählern 10, 11, 12 und 13 zusammen. Die gesamte Zählkette zählt im Takt der einfallenden Schrittmachertaktimpulse fHI vom Anfangswert fünfzehn bis Endwert Null (oder umgekehrt). Anschliessend werden sämtliche Zähler der Kette auf den Anfangswert zurückgesetzt. Der Höchstzählerstand fünfzehn legt damit die Periodendauer der Ladepulsfolge f1 zu N = 15 fest. Die Impulsdauer n der Pulse der Ladepulsfolge ist hingegen als Binärwert an den Ausgängen der einzelnen Zähler 10 bis 13 der Zählerkette in Abhängigkeit vom Schrittmachertakt fHI zwischen Null bis fünfzehn variabel. Im Zusammenspiel mit einer zweiten Zählerkette aus Zählern 14, 15, 16 und 17, die von einem hochfrequenten Taktgeber (zwischen 1 kHz und 10 kHz) bedient wird, sowie mit einer Gatterschaltung 18 bis 29, die die Zähler der beiden Zählerketten logisch miteinander verknüpft, ergibt sich die Aufsummierung ein- zelner Zählerausgangsimpulse zu solchen, die dem erwünschten Puls der Ladepulsfolge mit der'Dauer n entsprechen.The one in the block diagram of FIG. 1 only in the form of two blocks The displayed charge pulse train generator 1, 2 is shown in more detail in FIG. The circuit arrangement of FIG. 2 basically has two chain circuits made up of binary counters on. The first counter chain consists of the binary counters 10, 11, 12 and 13. The entire counting chain counts in time with the incoming pacemaker pulse fHI from the initial value fifteen to the final value zero (or vice versa). Then be all counters in the chain are reset to their initial value. The maximum count fifteen thus defines the period of the charging pulse sequence f1 to be N = 15. The pulse duration In contrast, n of the pulses of the charging pulse train is available as a binary value at the outputs of the individual Counters 10 to 13 of the counter chain depending on the pacemaker rate fHI between Zero to fifteen variable. In conjunction with a second chain of meters 14, 15, 16 and 17, which are generated by a high-frequency clock (between 1 kHz and 10 kHz) is operated, as well as with a gate circuit 18 to 29, which the counters of the the two counter chains are logically linked to one another, this results in the totalization a- individual counter output pulses to those that correspond to the desired Pulse correspond to the charging pulse sequence with the duration n.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 handelt es sich in der dargestellten Verschaltungsweise bei den logischen Verknüpfungsgliedern 18, 19, 20 und 21 sowie 22 und 23 um invertierende UND-Glieder. Die Zusammenschaltung der invertierenden UND-Glieder 24 entspricht einem Reset-Flip-Flop, während die Glieder 25 und 26 invertierende ODER-Glieder sind. 27 und 28 stellen Flip-Flop-Stufen dar und mit 29 ist ein Invertierschaltglied für die Batteriespannung UB im Takt der am Ausgang der Flip-Flop-Stufe 28 anfallenden Pulsfolge bezeichnet. Die Pulsfolge am Ausgang des Invertierschaltgliedes ist dann die erwünschte Ladepulsfolge. Das Schaltungsglied 30 am Eingang der ersten Zählkette 10 bis 13 ist ebenfalls ein Invertierglied, während das der Zählerkette 14 bis 17 vorgeschaltete Schaltungselement 31 ein invertierendes ODER-Glied ist. Dieses ODER-Glied bewirkt in Verbindung mit dem Schaltkontakt 32 eines Magnetschalters, daß lediglich zu ganz bestimmten erwünschten Zeiten, d.h. dann, wenn von außen durch Auflegung eines Magneten der Schaltkontakt 32 geschlossen wird, eine Impulsabstufung zum Zwecke einer Reizschwellenmessung vorgenommen wird.In the embodiment of FIG. 1, it is the one shown The way of interconnection for the logic gates 18, 19, 20 and 21 as well as 22 and 23 to inverting AND gates. The interconnection of the inverting AND element 24 corresponds to a reset flip-flop, while elements 25 and 26 are inverting OR gates are. 27 and 28 represent flip-flop stages and 29 is an inverter circuit for the battery voltage UB at the rate of the output of the flip-flop stage 28 Pulse sequence referred to. The pulse train at the output of the inverter switching element is then the desired charge pulse sequence. The circuit element 30 at the input of the first counting chain 10 to 13 is also an inverting element, while that of the counter chain 14 to 17 upstream circuit element 31 is an inverting OR gate. This OR element causes in connection with the switching contact 32 of a magnetic switch that only at very specific desired times, i.e. when from outside by hanging up a magnet, the switching contact 32 is closed, a pulse gradation for the purpose a stimulus threshold measurement is carried out.

Die Fig. 3 zeigt im Prinzip drei Betriebsphasen eines Herzschrittmachers gemäß der Erfindung. In der Phase I wird zum Zwecke der Erfassung der Reizschwelle die Amplitude der Herzschrittmacherimpulse nach Betätigung des Magnetschaltkontaktes 32 in der Amplitude schrittweise bis zu einem Minimalwert abgesenkt. In der Phase II ist der Magnetschalter 32 dauernd geöffnet. Es erfolgt somit keine Amplitudenabsenkung; der Herz- schrittmacher arbeitet vielmehr mit konstanter Reizamplitude. Zu Beginn der Phase III wird der Magnetkontakt 32 erneut betätigt und es erfolgt jetzt wiederum Ampl itudenabsenkung.In principle, FIG. 3 shows three operating phases of a cardiac pacemaker according to the invention. Phase I is used for the purpose of recording the stimulus threshold the amplitude of the pacemaker impulses after actuation of the magnetic switch contact 32 gradually decreased in amplitude to a minimum value. In the phase II, the magnetic switch 32 is permanently open. There is therefore no reduction in amplitude; the heart- Pacemaker works with a constant stimulus amplitude. At the beginning of phase III, the magnetic contact 32 is actuated again and it takes place now again amplitude reduction.

Claims

Claims 6 pacemaker, with actual stimulus pulse generator with operating voltage transmitter, especially battery, and with one in rhythm with the Stimulation impulses controllable switching mechanism to automatically change the amplitude of the Stimulus pulse generator emitted stimulus pulses, in particular for detecting the stimulus threshold of the heart, that the rear derailleur is a Timing element circuit (3, 4) with a predefinable time constant, in particular an RC element, in addition to a charge pulse train generator (1, 2), which charge pulse train generator the timer circuit with a charge pulse sequence from the operating voltage generator (UB) applied, whose duty cycle Nn, with n = pulse duration and N = period duration, in the cycle (fHI) of the stimulus pulses of the stimulus pulse generator (8, 9) can be changed.

2. pacemaker according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z E i c h n e t that the duty cycle by changing the pulse duration (s) while keeping it constant the period duration (N) or vice versa by changing the period duration (N) with a constant Pulse duration (n) or by changing both variables (n, N) at the same time is.

3. pacemaker according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the period (N) of the pulse train through the highest count a counting circuit (10 to 13; 14 to 17) can be given constant and that the pulse duration (n) is variable, in that at least part of the counting circuit (10 to 13) in the stimulation pulse rate (fHI) starting from an initial count value, e.g. zero, step by step counted to the end value, e.g. fifteen with a 4-stage binary counter, or vice versa will.

4. pacemaker according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the counting circuit consists of a first chain of binary counters (10 to 13), which define the value N in the final meter reading and which are on the input side controlled by the rate of the pacemaker pulses and that a second counting chain (14 to 17) is available, the input side of a high-frequency basic clock (fo) of a high frequency oscillator, e.g. 1 kHz to 10 kHz oscillator and that both counting chains are connected by a: Logical linkage gate (18 to 28) are linked to one another on the output side in such a way that the desired pulse sequence for controlling the timing circuit results.

5. pacemaker according to one of claims 1 to 3, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the timing element circuit (3, 4) at least partially is also part of the actual stimulus generator.

6. pacemaker according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in the case of the use of an RC element (3, 4) the capacitor (4) with an electrode on the stimulation electrode (6) for the patient's heart (5) is, and that the other electrode by means of switch (8) in the desired pacemaker rate (fHI) can be connected to the indifferent electrode (7) of the pacemaker.

7. pacemaker according to one of claims 1 to 6, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the timing element circuit (3, 4) from in addition consists of individual elements to be integrated in the pacemaker or partial elements of the Timer circuit (e.g. 4) consist of such elements of the pacemaker, which are available from the start as individual elements.

8. pacemaker according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that when using an RC element (3, 4) as a timing element only the resistor (3) in the circuit of the pacemaker as an independent element should be integrable, while the capacitor (4) which is always present in itself Output capacitance of the pacemaker circuit is used.