DE3150524A1 - Schrittmacher - Google Patents

Description

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Medtronic, Inc.

3055 Old Highway Eight

Minneapolis, Minn. 55440

V. St. A.

Schrittmacher

Die Erfindung betrifft Schrittmacher, insbesondere Schrittmacher zum therapeutischen Stimulieren des Herzens.

Herzschrittmacher sind bekannt. Ursprünglich wurden diese Geräte als diskrete Analogschaltungen von beschränkter Komplexität aufgebaut. In jüngster Zeit wurden dagegen Schrittmacher mit integrierten Digitalschaltungen von hoher Komplexität entwickelt und gefertigt. Dadurch lassen sich bei solchen modernen Schrittmachern zusätzliche Eigenschaften und Merkmale, wie Telemetrie und Programmierbarkeit, verwirklichen .

Die Programmierbarkeit gestattet es, dem behandelnden Arzt, einen Schrittmacher parameter, beispielsweise die Schrittmacherrate, auf nichtinvasive Weise zu ändern. Typischerweise wird der Wert des gewählten Parameters im Schrittmacher in einem flüchtigen Halbleiterspeicher lokal eingespeichert. Ein Problem,

das bei Schrittmachern auftaucht, die unter der Steuerung von lokal gespeicherten Daten arbeiten, besteht in Ausfällen, die auf den Verlust dieser gespeicherten information zurückzuführen sind. Bei solchen softwaregesteuerten Schrittmachern kann es zu unbeabsichtigten Speicheränderungen oder Phantomprogrammierungen aufgrund von elektromagnetischen Störungen kommen. Diese Störungen können Änderungen des Speicher Inhalts herbeiführen und ein Schrittmachen mit einer Rate bewirken, die sich von der durch den behandelnden Arzt zuvor in den Schrittmacher einprogrammierten Rate erheblich unterscheidet. Infolgedessen können solche softwarebezogenen Fehler zu vom Schrittmacher induzierter Bradykardie oder vom Schrittmacher induzierter Tachykardie führen, welche das Herz zwingen, außerhalb von physiologisch sicheren Grenzwerten zu arbeiten.

Die US-PS 3,391,697 befaßt sich mit dem Problem der schrittmacherinduzierten Tachykardie. Entsprechend einer dort beschriebenen Ausführungsform wird eine Schaltungsstufe zwischen den die Oszillatorrate bestimmenden Teil des Schrittmachers und die Ausgangsstufe des Schrittmachers eingefügt. Im Betrieb verhindert die Ratenbegrenzungsanordnung, daß an das Herz Reizimpulse mit einer Rate gehen, die über einem vorgegebenen oberen Frequenzgrenzwert liegt. Diese Form des RatenweglaufSchutzes hat in der Praxis in großem Umfang Eingang gefunden; es wird dadurch verhindert, daß der Ausfall von einzelnen Komponenten des Schrittmachers einen lebensbedrohenden Weglauf der Rate zur Folge hat.

Obwohl diese Technik bei modernen digitalen Schrittmachern eingesetzt wird, bleiben dadurch das Problem einer durch einen Ausfall bedingten zu niedrigen Rate und andere Probleme ungelöst, die sich bei Schrittmachern einstellen, die unter der Steuerung von gespeicherten Daten arbeiten.

Mit einer Ratenbegrenzung für Schrittmacher beschäftigt sich auch die US-PS 3,903,897, die■allgemein einen AV-Folgeschrittmacher mit Begrenzungsstufen für obere und untere Rate beschreibt. Bei diesem Schrittmacher werden von Depolarisationen des Vorhofs oder der Herzkammer abgeleitete Synchronisierimpulse ignoriert, die außerhalb der voreingestellten oberen und unteren Ratengrenzwerte liegen. Wenn diese Ratengrenzwerte überschritten werden, werden asynchrone Schrittmacher impulse im Reversionsbetrieb erzeugt. Diese Ratenbegrenzungstechnik ist jedoch nicht auf Probleme anwendbar, die sich bei Schrittmachern stellen, welche unter der Steuerung von gespeicherten Daten arbeiten j sie befaßt sich vielmehr nur mit dem Einfluß von Depolarisationen auf den Schrittmacher, welche den oberen Ratengrenzwert überschreiten oder unterhalb des unteren Ratengrenzwertes liegen.

Schrittmacher, die unter der Steuerung von gespeicherten Daten arbeiten, sind aus der DE-OS 29 44 618 bekannt. Bei programmierbaren Schrittmachern dieser Art ist eine Reihe von kritischen Betriebsparametern in einem flüchtigen Halbleiterspeicher eingespeichert. Ein Verlust dieser Informationen durch Phantomprogrammie-

rung oder aufgrund anderer Ursachen kann zur Folge haben, daß Ausgangsimpulse mit einer Rate angeliefert werden, die außerhalb physiologisch sicherer Grenzwerte liegt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmacher zu schaffen, bei dem sichergestellt ist, daß Reizimpulse nur innerhalb sicherer physiologischer Grenzwerte abgegeben werden. Letzteres soll insbesondere auch dann gewährleistet sein, wenn in einem örtlichen Speicher eingespeicherte Informationen verlorengehen.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 galösL.

Die Ratenbegrenzungsschaltung sitzt zweckmäßig zwischen dem impuls formenden Teil des Schrittmachers und dem Ausgangs- oder Pulsabgabeteil des Schrittmachers, wobei die vorzugsweise als Ratenbegrenzungslogik ausgebildete Ratenbegrenzungsschaltung ein Schrittmacherraten-Eingangssignal von der impulsbildenden Schaltungsanordnung aufnimmt und ein Ausgangspulsratensignal erzeugt, das zwischen vorgegebenen Grenzwerten liegt. Die Ratenbegrenzungslogik weist vorzugsweise eine Überwachungsstufe zum Erfassen von Zustandsübergängen des Eingangssignals und eine 'Zeitgeberanordnung auf, die gewiihrloi&toL , duIi das Eingangssignal vorgegebene Zeitkriterien erfüllt.

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Falls das Eingangssignal einen physiologisch sicheren oberen Ratengrenzwert überschreitet, wird verhindert, daß Reizimpulse das Herz früher erreichen, als dies einem voreingestellten Hb'chstratenintervall entspricht Erzeugt dagegen die Schrittmacherlogik ein Eingangsratensignal unterhalb eines physiologisch sicheren Grenzwertes, definiert durch ein Ausfallratenintervall, erzeugt die Ratenbegrenzungslogik Reizimpulse mit einer voreingestellten Mindestrate.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

ein Blockschaltbild eines erfin dungsgemäßen ratenbegrenzten Schrittmachers,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm für die Arbeits

weise der Ratenbegrenzungslogik nach der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der

Ausgangsimpulsrate als Funktion der EingangsimpuIsrute tür den Schrittmacherbetrieb,

Figo 4 eine graphische Darstellung ähn

lich Fig. 3 für den Sperrbetrieb, und

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild der

Ratenbegrenzer logik des Schrittmachers gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 veranschaulichte ratenbegrenzte Schrittmacher weist eine Sehrittmacherlogik 10 zum Erzeugen von Impulsen mit einer fiate auf, die von dem Inhalt eines Speichers 22 sowie der er fußten llerzaktivität abhängt, die vom Herzen an einen Meßverstärker 30 Übermittelt wird. Dieser impulsbildende Teil des Schrittmachers gibt Impulse an eine Ratenbegrenzungslogik 12. Die Ratenbegrenzungslogik überwacht die Eingangsrate über eine Eingangsratenleitung 24, und sie erzeugt eine entsprechende Ausgangsrate, wenn die Eingangsrate zwischen vorgegebenen oberen und unteren Ratengrenzwerten liegt. Die Ausgangsrate geht einem Ausgangsverstärker 14 über einen Anschluß 32 zu.

Die Ratenbegrenzungslogik 12 wird von der Schrittmacherlogik 10 mit Hilfe von drei Steuersignalen gesteuert, die mit LÖSCHEN, RATENBEGRENZUNGSÜBERSTEUERUNG und SCHRITTMACHER-/SPERRBETRIEB bezeichnet sind. Diese Steuersignale laufen über Leitungen 25, 26 bzw. 28. Der Schrittmacherlogik 10 und der Ratenbegrenzungslogik 12 gehen Taktimpulse von einem Oszillator 20 mit nachgeschaltetem Dividierer zu. Jedes der von der Schrittmacherlogik entwickelten Steuersignale modifiziert den Betrieb der Ratenbegrenzungslogik 12.

Das von dem 32,768 kHz-Quartzoszillator 20 kommende und über eine Leitung.27 gehende Taktsignal bildet beispiels-

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weise die grundlegende 1,024 kHz-Zeitinformation für die verschiedenen Ratengrenzwerte„ Das über die Leitung 28 gehende SCHRITTMACHER-/SPERRBETRIEB-Signal ist ein Einbit-Steuersignal, das die Ratenbegrenzungslogik davon in Kenntnis setzt, ob der Schrittmacher im Sperrbetrieb arbeitet oder Schrittmacherimpulse an das Herz liefert. Eine logische O auf der Steuerleitung 28 entspricht einem Arbeiten des Schrittmachers im Sperrbetrieb und verhindert, daß Eingangsratensignale zu einem entsprechenden Ausgangsratensignal führen.

Das RATENBEGRENZUNGSÜBERSTEUERUNG-Steuerslgnal auf der Leitung 26 befindet sich während des Normalbetriebs des implantierten Schrittmachers auf dem logischen Spannungspegel 1, wodurch die Ratenbegrenzungslogik im Schutzbetrieb arbeiten kann. Für gewisse diagnostische Zwecke ist es jedoch erwünscht, die Ausgangsreizrate auf einen Bereich auszudehnen, der jenseits der normalen physiologisch sicheren Ratenwerte liegt. Eine logische O auf der Steuerleitung 26 sperrt die Ratenbegrenzungslogik 12, so daß die Ausgangsrate der entsprechenden Eingangsrate bis über die voreingestellten Ratenhöchst- und -mindestwerte hinaus folgen kann.

Das Steuersignal LÖSCHEN auf der Leitung 25 ist ein Einbit-Steuersignal, das während des normalen Betriebs des Schrittmachers den logischen Spannungspegel O hat. Wenn die Schrittmacherlogik 10 an die Leitung 24 ein EINGANGSRATEN-Signal gibt, das unter dem physiologisch sicheren Grenzwert ist, verriegelt sich die Ratenbe-

-JO-

grenzungslogik 12 auf einem Betrieb mit der Mindestrate, und es werden Ausgangsimpulse mit einer Mindeatreizrate erzeugt, bis eine Rückstellung dadurch erfolgt, daß ein logischer Spannungspegel 1 auf die LÖSCH-Leitung 25 gegeben wird.

Der in Fig. 1 veranschaulichte ratenbegrenzte Schrittmacher weist also eine Ratenbegrenzungslogik 12 auf, die von der die Rate bestimmenden Schrittmacherlogik 10 ein Eingangsratensignal sowie Takt- und Steuersignale empfängt und eine Ausgangsrate erzeugt, die zwischen physiologisch sicheren Grenzwerten für das Herz liegt. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein Ausfall von Schaltungskomponenten oder eine Fehlprogrammierung der Schrittmacherlogik 10 zu schrittmacherinduzierter Tachykardie oder Bradykardie führen.

In Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Ratenbegrenzungslogik 12 bei niedriger Eingangsrate und hoher Eingangsrate graphisch dargestellt.

Die Wellenform A zeigt die von der Schrittmacherlogik 10 erzeugte und über die Leitung 24 an die Ratenbegrenzungslogik 12 gehende Eingangsrate„ Die entsprechende untere Wellenform B stellt die Ausgangsrate der Ratenbegrenzungslogik aufgrund der Eingangswellen form dar, wie sie am Anschluß Ί2 auftritt. In der Figur stellen Impulse 40 und 42 Kammerreizimpulse dar, die durch Intervalle von 0,8 s getrennt sind, was näherungsweise einer Herzschlagrate von 72 Schlägen/min (bpm) ent-

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-JJ-

spricht* Die Ratenbegrenzungslogik 12 liefert an den Ausgangspufferverstärker 14 entsprechende Kammerreizim pulse 44 und 46 zur Abgabe an üris Herz. Werden für ein Ausfallintervall von 2 s keine Eingangsratenimpulse ermittelt, gibt die Logik für die niedrige Rate Kammerreiz-Ausgangsimpulse an den Anschluß 32 mit einer voreingestellten Mindestrate, die in Fig. 2 als 1,125 s entsprechend einer 53,3 bpm-Schrittmacherrate für ein Taktsignal von 1,024 kHz veranschaulicht ist.

Wenn die der Ratenbegrenzungslogik 12 zugeführte Eingangsrate einen oberen Ratenwert überschreitet, wie dies die Wellenform C der Fig. 2 zeigt, nimmt die Ausgangsrate der Ratenbegrenzungslogik 12 am Anschluß 32 einen oberen Ratengrenzwert entsprechend dem Intervall von 0,390 s der Wellenform D an, was einer Sehri ttmucherrate von 153,3 Schlägen/min entspricht. Diese anhand der Fig, 2 erläuterte Betriebsweise ist in Fig.3 schematisch dargestellt, wo die Ausgangsrate als Funktion der Eingangsrate für den Schrittmacherbetrieb veranschaulicht ist. Wenn der Schrittmacher jedoch gesperrt ist, gehen von der Ratenbegrenzungslogik 12 keine Ausgangsreizimpulse an den Pufferverstärker 14. Dies ist in Fig, 4 dargestellt. In beiden Betriebsarten überwacht jedoch die Ratenbegrenzungslogik 12 weiterhin die Eingangsrate, die möglicherweise für einen anderweitigen Gebrauch in der Schrittmacherlogik 10 erzeugt wird. So liegt in dem in Fig. 4 veranschaulichten Sperrbetrieb die Rate des Ausgangssignals der Ratenbegrenzungslogik 12 bei 53,3 Schlägen/min, wenn die der Ratenbegrenzungslogik zugeführte Eingangsrate kleiner

-lasen gestattet das vom Zähler 60 gebildete Zeitintervall, daß die Ausgangsrate der Eingangsrate folgt, solange die Frequenz der Eingangsrate die Höchstrate nicht übersteigt, die durch das Zeitintervall des Zählers 60 vorgegeben wird.

Die untere Ratenbegrenzung geschieht wie folgt: Wenn von dem Flankendetektor 74 innerhalb eines 2 s-Zeit-Intervalls, das vom Ausgang Q12 des Zählers 60 vorgegeben wird, keine Flanke ermittelt wird, verriegelt sich ein Flipflop 88, so daß eine logische O am NOTQ-Ausgang des Flip flops 88 erscheint. Dadurch wird der Zähler 60 zurückgestellt. Das Flip flop verzögert die Rückstellung des Zählers 60 um einen Taktzyklus, um einen Konflikt mit dem 2 -Ausgang des Zählers zu verhindern . Dies bewirkt außerdem die Zeitsteuerung für die der Mindestrate entsprechende Impulsbreite. Der Logikübergang, der das Flip flop 88 verriegelt„ läßt außerdem ein Mindestratensignal an einen Inverter 90 gehen? dieses Signal steuert die NAND-Schaltung 86 um und bewirkt einen Reizimpuls 2 s nach dem zuletzt erfaßten Zustandsübergang auf der Eingangsratenleitung. Dieses Signal verriegelt ein RS-Flipflop 92 und erzeugt einen Logikpegel an der NAND-Schaltung 66, der erlaubt, daß zusätzliche Impulse vom Zähler 60 entsprechend den Zählwerten von Q8 und QIl über eine Leitung 94 an den Anschluß 32 für die Ausgangsrate angekoppelt werden. Der von der NAND-Schaltung 86 kommende Ausgangsimpuls triggert einen Flankendetektor 75. Dieser spricht auf die Rückflanke jedes Ausgangsimpulses an und stellt das der Höchstrate zugeordnete Flip flop 77 zurück, um den

Ausgang für ein Zeitintervall von 390 ms zu sperren.

Auf diese Weise arbeitet die der niedrigen Rate zugeordnete Begrenzer logik nach einer Verzögerung von 2 s im Anschluß an den zuletzt erfaßten logischen Pegelübergang als asynchroner Zeitgeber, der Ausgangsreize am Anschluß Ί2 mit einer vorvingc&tel 1tcn Rute entsprechend 1,125 s oder etwa 53,3 Schlagen/min erzeugt. Um d.iesen Mindestratcnbetrieb zu verlassen, muß auf die Löschleitung 25 ein Logikpegel 1 gegeben werden, mit Hilfe dessen das Flip flop 92 zurückgestellt wird. Dies kann durch den behandelnden Arzt aufgrund einer Umprogrammierung des Schrittmachers oder durch die Schrittmacherlogik geschehen.

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Claims (5)

1. PATENTANWALT. DIKL^G:.GEKHARD SCHWAN

   ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MÜNCHEN 83

   P-491

   Medtronic, Inc.

   3055 Old Highway Eight

   Minneapolis, Minn, 55440

   V. St. A.

   Ansprüche

   Schrittmacher mit öl nor ZeI. Lgeberscha 1 L ung y.uin Erzeugen eines an eine Ratenbegrenzungsschaltung gehenden Eingangssignals und zum Auslösen eines Ausgangsreizsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Ratenbegrenzungsschaltung (12) mit einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangsratensignals gleich dem Eingangsratensignal, wenn das Eingangsratensignal zwischen einem oberen Höchstratengrenzwert und einem unteren AusEallratengrenzwert liegt, zum Erzeugen einer im wesentlichen der Höchstrate entsprechenden Ausgangsrate, wenn das Eingangsratensignal den Höchstratengrenzwert übersteigt, und zum Erzeugen einer Ausgangsrate mit einem Mindestratenwert versehen ist, wenn die Eingangsrate kleiner als die Ausfallrate ist.
2. 2. Schrittmacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Oszillator (20) zum Bereitstellen von Taktim pulsen mit einer Taktrate, einen Speicher C22,) zum Einspeichern von Parameterdaten und eine Schrittmacherlogik (10) zum Erzeugen eines Eingangsratensig-

   FERNSPKEC:^EP.:O895'6O12(M9 · TELEX: 52 2589 dpa d · KABEL: ELECTIUCPATENT MÜNCHEN

   nals aufgrund der gespeicherten Parameterdaten und der Taktimpulse.
3. 3. Schrittmacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ratenbegrenzungsschaltung Bis Ratenbegrenzungslogik (12) ausgelegt ist, die versehen ist mit einer Überwach'ungsstufe (7 4) zum Erfassen des Zustande des Eingangssignals, einer Zählerstufe (60), die auf die Taktimpulse ansprechend ein Mindestratenintervallsignal, ein Höchstratenintervallsignal und ein Ausfallratenintervallsignal erzeugt, einer auf das Höchstratenintervallsignal ansprechenden ersten Schaltstufe zum Durchschalten des Eingangssignals an eine Ausgangssignalstufe, wenn die Eingangssignalperiode das Höchstratenintervall überschreitet, einer auf das Ausfallratenintervallsignal ansprechenden zweiten Schaltstufe, die verhindert, daß Zählerrückstellsignale den Zähler zurückstellen, und einer auf das Ausfallratenintervallsignal ansprechenden dritten Schaltstufe zum Erzeugen einer Ausgangsrate mit einer dem MIndestratenintervall entsprechenden Frequenz.
4. 4. Schrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Schaltstufe jeweils als logische Schaltstufen aufgebaut sind.
5. 5. Schrittmacher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsstufe so ausgelegt ist, daß sie Eingangssignal-Zustandsübergänge erfaßt und ein Zählerrückstellsignal aufgrund von Zustandsübergängen erzeugt.