DE3146917A1 - Geraet zum externen eingriffslosen elektrischen herzstimulation - Google Patents

Geraet zum externen eingriffslosen elektrischen herzstimulation

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DE3146917A1 DE19813146917 DE3146917A DE3146917A1 DE 3146917 A1 DE3146917 A1 DE 3146917A1 DE 19813146917 DE19813146917 DE 19813146917 DE 3146917 A DE3146917 A DE 3146917A DE 3146917 A1 DE3146917 A1 DE 3146917A1
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Description

  • Gerät zur externen eingriffslosen elektrischen Herz-
  • stimulation Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die externe elektrische Stimulation ist ein bewährtes eingriffs loses Verfahren, mit dem bei der Wiederbelebung von Patienten mit Herz stillstand das Herz wirkungsvoll wieder zum Schlagen gebracht werden kann. Die Schmerzen, die die externe elektrische Stimulation bei einem sich bei Bewußtsein befindenden Patienten erzeugt, hat jedoch eine weitere Verbreitung dieses Verfahrens bei der vorübergehenden Herz stimulation verhindert. Derzeit wird daher für die vorübergehende Herz stimulation am häufigsten das einen Eingriff erfordernde Verfahren der Herzkatheterisierung angewendet, bei dem ein Elektrodendraht -vorübergehend im Herzen angeordnet wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Gerät für die eingriffslose Herzstimulation anzugeben, dessen Anwendung wesentlich weniger Unannehmlichkeiten verursacht als die bekannten Geräte.
  • Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Gerät gelöst.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die starken Schmerzen, die bei einer externen elektrischen Herz stimulation durch Erregung der örtlichen sensorischen Nerven auftreten, durch Verwendung von Elektroden mit großflächigen, nicht metallischen, die Haut kontaktierenden Körpern oder Elementen mit relativ hohen Impedanzen weitgehend vermieden werden können. Es wurde ferner festgestellt, daß die Unannehmlichkeiten durch starke Kontraktionen der Skelettmuskulatur in der Nähe der Elektroden durch Verwendung eines elektrischen Impulsgenerators erheblich verringert werden können, die einen konstanten Ausgangsstrom liefert, so daß die Spitzen hohen Stromes, die die Kontraktionen der Skelettmuskulatur verursachen, vermieden werden, ohne daß die Herzstimulation beeinträchtigt wird. Weiterhin wurde festgestellt, daß sich der für die Herz stimulation erforderliche Strom durch eine Erhöhung der Dauer der stimulierenden Impulse von jeweils 2 Millisekunden auf 5 bis 40 Millisekunden um etwa 30 bis 50% ohne Erhöhung der Kontraktionen der Skelettmuskulatur herabsetzen läßt.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gerätes zur externen elektrischen Herz stimulation haben die Elektroden also großflächige, nichtmetallische, hochohmige Hautanlage-Elemente und der Impulsgenerator liefert an die Elektroden im wesentlichen stromkonstante Impulse mit einer Dauer von mehr als 5 Millisekunden, vorzugsweise mit einer Dauer von 20 bis 40 Millisekunden. Weitere vorteilhafte Maßnahmen, die alleine oder in Kombination vorgesehen sein können, bestehen darin, in der Nähe der Elektroden eine Induktivität vorzusehen, um vorübergehende Stromspitzen zu beseitigen; die Impulsdauer einstellbar zu machen; beim Elektrodenanschluß ein Potentiometer vorzusehen, um die Impulsamplitude einstellen zu können; bei der vorderen Elektrode Hautanlageelemente mit einem Durchmesser zwischen 6 und 10 cm und bei der hinteren Elektrode Hautanlageelemente mit einem Durchmesser zwischen 8 und 15 cm zu verwenden; Impedanzen über 1000 Ohm vorzusehen; die Elektroden mit einer dünnen Metallscheibe auszubilden, an deren einer Seite das nichtmetallische Hautanlageelement angebracht ist, wäh -rend die andere Seite mit einem Anschlußdraht verbunden ist; das Hautanlageelement aus einem flächigen Stück aus Zelluloseschwamm mit einer Dicke von etwa 6 mm oder 1/4" herzustellen; die Metallscheibe kann dabei vorteilhafterweise aus nichtrostendem Stahl bestehen und sie kann außerdem vorteilhafterweise auf der Seite, an der der Anschlußdraht angebracht ist, mit einem Isoliermaterial, z.B. Silicongummi überzogen sein.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht einer Ausführungsform einer Elektrode für das vorliegende Gerät; Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Impulsgenerators, an den die Elektroden angeschlossen sind, eines Herzmonitors und einer Auslöse- oder Zeitgeerschaltung, die ihrerseits an den Impulsgenerator angeschlossen sind; Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Impulsgenerators.
  • In Fig. 1 ist eine im wesentlichen kreisförmige Vorder-oder Brustelektrode 10 dargestellt, die einen Durchmesser von etwa 8 cm haben kann und ein als Hautanlageelement 12 dienendes, etwa 6,35 mm dickes Stück aus Zelluloseschaumstoff oder -schwamm enthält, das an einer Seite einer dünnen Metallscheibe 14 angebracht ist, die aus nichtrostendem Stahl bestehen kann, elektrisch mit einem isolierten Draht 16 verbunden und an ihrer anderen Seite mit einer Isolierschicht 18 aus Silicongummi überzogen ist, die auch die Ränder der Platte oder Scheibe 14 bedeckt. Die in Fig. 1 nichtdargestellte hintere oder Rückenelektrode stimmt mit der Elektrode 10 überein mit der Ausnahme, daß sie einen Durchmesser von 12 cm hat.
  • Wie Fig. 2 zeigt, werden die Elektroden bei der Anwendung des Gerätes an den Brustkorb eines Patienten angelegt und elektrisch mit einem Impulsgenerator 22 verbunden.
  • Dem Impulsgenerator 22 wird als Eingangssignal ein Auslösesignal (von z.B. 10 Volt) zugeführt, welches von einer Zeitgeber- oder Taktschaltung 24 bekannter Bauart geliefert wird. Bei einem synchronen Betrieb werden QRS-Signale der Herzschläge von einem üblichen Herzmonitor 26 zur Steuerung des Auslösesignales verwendet; bei asynchronem Betrieb werden die Auslösesignale mit einer einstellbaren, gleichmäßigen Frequenz erzeugt. Ferner kann ein Schalter (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der eine Auslösung der Impulse von Hand gestattet. Schließlich kann eine Anordnung zum Erzeugen einzelner oder mehrfacher Signale in irgend einer gewünschten komplexen Zeitfolge vorgesehen sein. Durch einen einstellbaren Frequenzbegrenzer wird im Synchronbetrieb eine zu schnelle Stimulation von häufigen QRS-Synchronisiersignalen ver- mieten; er ermöglicht außerdem, die Stimuli nur für jeden zweiten oder nach jeweils drei oder mehr QRS-Syncbronisiersignalen zu erzeugen. Der Impulsgenerator 22, der noch im einzelnen erläutert werden wird, enthält im wesentlichen einen Auslöseimpuls-Verstärker 28, einen Monovibrator 30 zur Einstellung der Impulsbreite; einen Oszillator 32, einen Verstärker 34 einen Isoliertransformator 36 sowie eine Ausgangsschaltung 38 mit einem Gleichrichter, Abschwächer und Filter.
  • Eine bevorzugte Schaltung für den Impulsgenerator 22 ist in Fig. 3 dargestellt. Die untere Hälfte der Schaltung besteht im wesentlichen aus CMOS-Logikbausteinen, die zur Steuerung von Ausgangsstufen dienen, welche sich in der oberen Hälfte der Schaltung befinden und den Verstärker 34, den Transformator 36 und die Ausgangsschaltung 38 sowie eine zugehörige geregelte Spannungsquelle umfassen.
  • Die CMOS-Logikbausteine werden durch eine 9-Volt-Batterie 40 gespeist, während die Ausgangsstufen durch sechs 6-Volt-Leuchtenbatterien 41 gespeist werden, die nur schematisch dargestellt und in Reihe geschaltet sind, so daß sie 36 Volt liefern. Der Impulsgenerator weist mechanisch gekuppelte Ein/Aus-Schalter 4 und 42b für die CMOS-Logikbausteine bzw. die Ausgangsstufen auf.
  • Dem unteren Teil der Schaltung in Fig. 3 wird ein Auslösesignal über einen Steuereingang 44 zugeführt. Der Steuereingang ist durch Dioden 46 geschützt. Das Auslösesignal steuert einen Auslöseverstärker 28, der dem Auslösesignal eine scharfe Flanke verleiht und Inverter I1, I2 enthält, welche in eine Mitkopplungsschleife geschaltet sind. Auf den Verstärker 28 folgt ein die Impulsbreite bestimmender monostabiler Multivibrator (Monovibrator) 30, welcher ein NOR-Glied G1, einen Inverter I3 einen Widerstand 48 und einen Kondensator enthält. Er liefert einen gleichförmigen Impuls vorgegebener Breite oder Dauer. Mit den in Fig.
  • 3 angegebenen Werten des Kondensators und des Widerstandes wird ein Impuls mit einer Dauer von 40 Millisekunden erzeugt. Um den Patienten gegen Fehlströme und Schäden durch Ausfall von Komponenten zu schützen, ist der Ausgang zum Patienten transformatorgekoppelt. Um den 40-ms-Impuls leicht über den Transformator 36 übertragen zu können, wird der Impuls durch den Oszillator 32 in eine 2-Kilohertz-Rechteckschwingung umgewandelt, die dann nach der Übertragung durch den Transformator 36 gleichgerichtet und gefiltert wird. Der Ausgang des Monovibrators 30 ist mit dem Oszillator 32 über einen Inverter 14 gekoppelt. Der Oszillator 32 enthält NOR-Glieder G2, G3 sowie einen Inverter 15 und hat zwei Ausgangsanschlüsse 50, 52, an denen Ausgangssignale zur Verfügung stehen, die in bezug aufeinander um 1800 in der Phase verschoben sind. Der Ausgangsanschluß 52 ist mit dem Inverter I5 verbunden, während der Ausgangsanschluß 50 mit dem Oszillator 32 über ein NOR-Glied G4 gekoppelt ist.
  • Im oberen Teil der in Fig. 3 dargestellten Schaltung bilden die Batterien 41, ein Kondensator 58, ein Spannungsregler 60 und ein Transistor T1 eine geregelte Spannungsquelle, die eine stabilisierte Spannung von 24 Volt zwischen Anschlüssen 54 und 56 erzeugt. Der Verstärker 34 bewirkt mittels der Transistoren T2, T3, T4 und T5 eine identische Verstärkung der phasenverschobenen Signale an den Ausgangsklemmen 50 und 52. Diese verstärkten Signale werden zusammen mit der stabilisierten 24-Volt-Spannung den Primärwicklungen eines 10:1-Aufwärts- und Trenntransformators 36 zugeführt. Eine Sekundärwicklung des Transformators 36 ist mit dem Gleichrichter 59 verbunden, der wiederum über ein Potentiometer 62 (5 Kiloohm, 5 Watt) und ein Filter 64, das einen Kondensator und eine Induktivität 66 (eine Transformatorspule mit Eisenkern, Induktivität 1/3 H) enthält, mit den Elektroden 10,20 (in Fig. 3 nicht dargestellt) gekoppelt ist. Das Filter 64 erzeugt einen glatten Stromimpuls ausreichend gleichförmiger Amplitude und seine Induktivität beseitigt anfängliche vorübergehende Stromspitzen, die durch die Kapazität der Elektroden 10 und 20 entstehen könnten.
  • Die bei einer praktischen Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig. 3 verwendeten Schaltungsparameter sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: TABELLE Komponenten: Type: I1, I2, I4, I5 4069 G1, G2 G3 G4 4001 T1, T3, T5 2N 1724 Regler 60 LM 340 T2, T4 2N 2108 Dioden 46 Texas Instruments 59 D1, D2 IN 4000 Gleichrichter 59 Motorola R0804 Betrieb: Bei der Verwendung des Gerätes wird zuerst das aus Schaumstoff oder Schwammaterial bestehende Element 12 (und das entsprechende Element der Elektrode 20) mit Leitungswasser angefeuchtet; alternativ können auch ein schwacher Elektrolyt, wie Natriumbicarbonat, oder ein Gel auf den Schwämmen verwendet werden. Die Feuchtigkeit oder das Gel gewährleisten einen guten elektrischen Kontakt mit der Haut des Patienten über einen großen Bereich ohne den Widerstand der Elektrode zu stark herabzusetzen. Die Elektroden 10, 20 werden auf der Brust (in der Nähe des Herzens am linken parasternalen vierten oder fünften Zwischenraum ) und am Rücken (subcapular, d.h. unterhalb des Sch#erblattes) des Patienten angelegt, um die Muskelstimulation so klein wie möglich zu halten. In einem Notfall mit Herz stillstand oder Brachycardie läßt man die Taktschaltung 24 im Asynchronbetrieb arbeiten, so daß die stimulierenden Impulse mit einer einstellbaren, gleichförmigen Frequenz zwischen 30 und 200 pro Minute erzeugt werden. Wenn man mit einem Synchronbetrieb der Schaltung 24 arbeitet (z.B. während physiologischer Untersuchungen), wird der Impuls oder Stimulus mit einer gleichmäßigen, einstellbaren Verzögerung nach dem QRS-Synchronisiersignal vom Herzmonitor 26 erzeugt. Der Impulsgenerator 22 wird dann, gleichgültig in welcher Betriebsart die Taktschaltung 24 arbeitet, für jedes Eingangssignal den gleichen, gleichförmigen Impuls abgeben.
  • Das Potentiometer 62 dient als Amplitudensteller, so daß man die Impulsamplitude den unterschiedlichen Reizschwellen der verschiedenen Patienten anpassen kann.Der maximale Ausgangsimpuls, der an einen Patienten abgegeben werden kann, ist 140 Milliampere an 2000 Ohm mit einer Quellenimpedanz von 500 Ohm.
  • Man arbeitet vorteilhafterweise mit einer Impulsdauer von mehr als 20 Millisekunden, um den für die Herzstimulation erforderlichen Strom auf angenehmere Werte herabzusetzen.
  • Andere Ausführungsformen: Der Widerstand 48 kann durch ein Potentiometer bzw. einen veränderbaren Widerstand ersetzt werden, um die Impulsbreite oder -dauer verändern zu können, z.B. zwischen 2 und 40 Millisekunden. Für die Hautelektroden oder -elemente können auch andere nichtmetallische Materialien verwendet werden als Schwamm oder Schaumstoff, z#B. Gaze.
  • Elektrodendurchmesser von 8 cm bzw. 12 cm haben sich für den normalen Erwachsenen sehr gut bewährt, man kann jedoch auch beispeilsweise Elektroden mit einem Durchmesser zwischen 6 und 10 cm bzw. 8 und 15 cm verwenden, um die Elektrodengröße an Patienten unterschiedlicher Größe und Empfindlichkeit auf Nervenstimulation und Muskelkontraktion anpassen zu können.( Eine Vergrößerung des Elektrodendurchmessers verringert einerseits die Nervenstimulation, erhöht jedoch andererseits die Muskelmenge, die zur Kontraktion gebracht werden kann, und umgekehrt.) Schließlich kann man ein Herzschlagsignal direkt von den Stimulationselektroden 10 und 20 abnehmen anstatt für den Herzmonitor 26 getrennte Abnahmeelektroden zu verwenden.

Claims (18)

  1. Gerät zur externen eingriffslosen elektrischen Herzstimulation Patentansprüche Gerät zur externen, eingriffslosen elektrischen Herzstimulation mit zwei Elektroden und einem an diese angeschlossenen Impulsgenerator, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Elektroden (10, 20) nichtmetallische Hautanlageelemente (12) hoher Impedanz aufweisen und daß der Impulsgenerator (22, 24) Impulse im wesentlichen konstanten Stromes liefert, die frei von scharfen Spitzen sind und eine Dauer von mehr als fünf Millisekunden haben.
  2. 2. Gerät 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 der Impulsgenerator eine Auslöseanordnung (24) enthält.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 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 eine Induktivität (66) zur Beseitigung von vorübergehenden Stromspitzen durch Ladungen auf den Elektroden (10, 20) vorgesehen ist.
  4. 4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e i chn e t d u r c h eine Vorrichtung zur Änderung der Impulsdauer.
  5. 5. Gerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Impulsdauer zwischen 20 und 40 Millisekunden liegt.
  6. 6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Vorrichtung (62) zur Verstellung der Amplitude der Impulse.
  7. 7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (10, 20) kreisförmig sind; daß die eine Elektrode (10) einen Durchmesser zwischen 6 und 10 cm hat, und daß die andere Elektrode (20) einen Durchmesser zwischen 8 und 15 mm hat.
  8. 8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche. d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Impedanz größerals 1000 Ohm ist.
  9. 9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jede Elektrode (10) eine Metallscheibe (18) aufweist, die an der der Hautanlagefläche entgegengesetzten Seite des Elements (12) angebracht ist; daß die dem Element abgewandte Seite und die Ränder der Metallscheibe (18) mit einem Isoliermaterial überzogen sind und daß die Metallscheibe elektrisch mit einem elektrischen Draht (16) verbunden ist.
  10. 10. Gerät nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e nnz e i c h n e t , daß die Metallscheibe aus nichtrostendem Stahl besteht
  11. 11. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß das Isoliermaterial Silicongummi ist.
  12. 12. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hautanlageelement (12) aus einem schwammartigen Material, insbesondere Celluloseschwamm besteht.
  13. 13. Gerät nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Auslöseanordnung (24) durch das Ausgangssignal eines Herzmonitors (26) gesteuert ist und Auslöseimpulse liefert, die mit einer gewünschten Phasenbeziehung mit den vom Herzmonitor wahrgenommenen Herzschlägen synchronisiert sind.
  14. 14. Gerät nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein Eingangssignal für den Herzmonitor (26) von den Elektroden (10, 20) abgenommen ist.
  15. 15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hautanlageelement (12) aus Gaze besteht.
  16. 16. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hautanlageelement mit Leitungswasser angefeuchtet ist.
  17. 17. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hautanlageelement mit einem schwachen Elektrolyten angefeuchtet ist.
  18. 18. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hautanlageelement mit einem Gel überzogen ist.
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