DE3222315A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen des energieinhalts eines elektrischen koerperreizimpulses - Google Patents

Description

Medtronic, Inc.

3055 Old Highway Eight

Minneapolis, Minn. 55440, V.St.A,

Vorrichtung und Verfahren

zum Bestimmen des Energieinhalts eines

elektrischen Körperreizimpulses

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen und Anzeigen des Energieinhalts eines elektrischen Körperreizimpulses, der durch eine Entladung eines Kondensators von vorgegebener Kapazität erzeugt wird.

Es ist bekannt, die Ausgangsenergie eines Muskelreizimpulsgenerators zwecks Optimierung der Batterielebensdauer zu justieren, In Verbindung mit Herzschrittmachern umfaßt die Optimierung typischerweise zwei Hauptschritte. Der erste Schritt besteht darin, eine Leitung mit einer zum Stimulieren von Muskelgewebe geeigneten Elektrode im Herz zu positionieren. Die Lage der Elektrode wird dabei so eingestellt, daß ein Kontakt mit reizbarem Gewebe erreicht wird, der zu annehmbar niedrigen Energiepegeln führt. Diese Einstellung findet normalerweise unter Verwendung einer externen Schrittmacheranordnung oder eines Schrittmachersystemanal ysators statt. Im Anschluß an die Positionierung der Leitung wird der implantierbare Impulsgenerator so ein-

gestellt, daß er für jeden Reizimpuls eine Ausgangsenergie bereitstellt, die ausreichend ist, um das mit der Elektrode in Kontakt stehende Gewebe verläßlich zu stimulieren, der aber nicht so groß ist, daß es zu einer vorzeitigen Entladung der Batterie kommt. Die beiden erläuterten Einstellungen erfolgen für gewöhnlich im Operationssaal.

Zur Messung der von einem Impulsgenerator (extern oder intern) tatsächlich erzeugten Reizenergie wurden verschiedene Techniken eingesetzt. Das am häufigsten benutzte Vorgehen besteht darin, die Ausgangsspannung an einem bestimmten Punkt während des Reizimpulses zu messen und aufgrund von Annahmen bezüglich der Wellenform daraus die Energie zu bestimmen. Die Annahmen bezüglich der Wellenform lassen sich treffen, weil die normale Stimulationsschaltung für die Entladung eines Ausgangskondensators über die Elektrode und in das reizbare Gewebe sorgt. Eine Verbesserung dieses Verfahrens ist aus der US-PS 3,983,476 bekannt. Dabei erfolgt die Messung der Ausgangsenergie eines Defibrillators durch Messen des Spannungsabfalls an einem Vergleichswiderstand. Bei der bekannten Anordnung wird über die gesamte Impulsbreite integriert, wodurch Schwankungen der Ausgangswellen form und Abweichungen von der angenommenen Wellenform kompensiert werden. Der Hauptnachteil der bekannten Lösung besteht darin, daß nur die Entladung über einen Vergleichswiderstand gemessen wird. Dies erfordert den Einsatz eines kostspieligen Präzisionswiderstands. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Reizimpuls bei Anlage an den Vergleichswiderstand und nicht bei Anlage an das reizbare Körpergewebe gemessen wird. Es wird also nur die

dem Lastwiderstand zugeführte Ausgangsenergie bestimmt.

Ein Verfahren zum Bestimmen des bhmschen Widerstandes von reizbarem Körpergewebe ist aus der US-PS 4,245,643 bekannt. Nach einer solchen Messung könnte das Verfahren gemäß der US-PS 3,983,476 benutzt werden, um die Energie einer Entladung nicht an dem Vergleichswiderstand, sondern an dem tatsächlichen ohmschen Widerstand des reizbaren Körpergewebes zu ermitteln. Dieses zweistufige Vorgehen eignet sich zwar zum Bestimmen der Reizenergie mit hinreichender Genauigkeit; es ist jedoch unerwünscht kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine genaue unmittelbare Bestimmung des Energieinhalts von Reizimpulsen ohne Rücksicht auf die Art der Last erlauben, über welche die Entladung stattfindet, ohne daß der Benutzer nach der Messung zusätzliche Berechnungen durchführen muß.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die Energie eines Reizimpulses unabhängig davon gemessen werden, ob der Impuls in eine Testlast oder in Körpergewebe geschickt wird. Die Energiemessung erfolgt unmittelbar in einem einstufigen Vorgang. Das heißt, der behandelnde Arzt braucht im Operationssaal keine Berechnungen durchzuführen. Ein

weiterer Vorteil ist, daß die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung ohne eine Reihe von Präzisionskomponenten auskommen, die bisher normalerweise notwendig waren, um die Energiemessung vorzunehmen. Was bekannt sein muß, ist jedoch der Wert des Ausgangskondensators des Impulsgenerators. Dabei handelt es sich aber im Regelfall um eine Präzisionskomponente von bekannter Größe.

Erfindungsgemäß wird die Spannung an dem Ausgangskondensator des Impulsgenerators gemessen, bevor und nachdem der Reizimpuls übermittelt wird. Die Energie läßt sich auf diese Weise anhand von bekannten Formeln unmittelbar berechnen, sofern nur der Wert des Ausgangskondensators mit hinreichender Genauigkeit bekannt ist.

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

Fig. 1 ein Gesamtblockschaltbild ei

ner bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches elektrisches

Schaltbild des torgesteuerten Verstärkers 12,

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild

des Schalters 20,

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild

des Verstärkers 40,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm der Firmware

des die Energieberechnungen durchführenden Mikroprozessors 48,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm des Unter

programms RETTST,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm des Unter

programms QUADRIERE, und

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm des Unter

programms DIVlOO.

Die Erfindung ist vorliegend als Teil eines Schrittmachersystemanal ysators erläutert. Ein solches Gerät wird im Operationssaal für den Implantationsvorgang eingesetzt. Der Schrittmachersystemanalysator weist vorzugsweise einen externen Impulsgenerator sowohl für Kammer reizung als auch für Vorhofreizung auf. Zu dem Gerät gehört ferner die Hardware zum Bestimmen der Reizimpulsenergie. Weitere Schaltungsstufen des Gerätes sind für andere Überwachungsfunktionen vorgesehen. Ein solches Gerät ist beispielsweise in Form des Schrittmachersystemanalysators vom Typ Medtronic (eingetragenes Warenzeichen) Modell 5311A bekannt. Es ist jedoch hervorzuheben, daß die Vorrichtung und das Verfahren

nach der Erfindung in gleicher Weise auch bei anderen Überwachungsgeräten und bei implantierbaren Impulsgenerator en benutzt werden können.

Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen der Ausgangsenergie des Schrittmachersystemanalysators dar. Die Anordnung gemäß Fig. 1 erlaubt es, die Reizimpulsenergie zu messen, die sowohl dem Vorhof als auch der Kammer zugehen, wenn Vorhof- und Kammer-Ausgangskondensatoren 10 bzw. 24 entladen werden. Der Ausgangskondensator 10 wird über Leitungen 14 und 14b aufgeladen. Der Ladestrom kommt von dem Vorhofschrittmacherteil des Schrittmachersystemanalysators (nicht dargestellt). Eine Leitung 14a zweigt zu einem torgesteuerten Verstärker 12 ab. Das Ausgangssignal gelangt von dem Kondensator 10 über Leitungen 16 und 16b zum Vor- ■ hof. Dies entspricht der Leitung, die über eine implantierte Elektrode mit dem reizbaren Gewebe im Vorhof elektrisch verbunden ist. Eine Leitung 16a führt ebenfalls zu dem torgesteuerten Verstärker 12.

Bei dem Verstärker 12 handelt es sich um einen Differentialverstärker , dessen Ausgang über eine Leitung 54 von einem Mikroprozessor 48 torgesteuert wird. Wenn der Verstärker 12 über die Leitung 54 entsperrt wird, liefert er ein verstärktes Ausgangssignal, das kennzeichnend für die Differenz der Signale auf den Leitungen 14a und 16a (d.h. die Spannung am Ausgangskondensator 10) ist, über eine Leitung 18 an einen Schalter 20. Es ist wichtig festzuhalten, daß diese Spannung nicht mit Bezug auf

Masse oder einen anderen Bezugspunkt gemessen wird. Dadurch, daß unmittelbar die an dem Ausgangskondensator 10 anliegende Spannung gemessen wird, werden die Ungenauigkeiten vermieden, die mit dem ohmschen Widerstand von Körper gewebe verbunden sind, wofür bei den oben genannten bekannten Anordnungen eine Kompensation notwendig ist.

Bei dem Schalter 20 handelt es sich um einen linearen Leitungsschalter, der über eine Leitung 34 gesteuert wird. Die Leitung 34 kommt vom Mikroprozessor 48 und öffnet oder schließt den Stromkreis zwischen der den Eingang des Schalters 20 darstellenden Leitung 18 und einer den Ausgang des Schalters 20 bildenden Leitung 22a. Auf diese Weise kann der Mikroprozessor 48 über die Leitung 34 bestimmen, wann das Ausgangssignal des Verstärkers 12 über die Leitung 18, den Schalter 20, die Leitung 22a und eine Leitung 22 zu einem Verstärker 40 geht.

Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um den Energieinhalt des Kammerreizimpulses zu messen. Der Ausgangsimpuls wird für gewöhnlich durch die Entladung des zuvor aufgeladenen Ausgangskondensators erzeugt. Das Signal auf einer Leitung 15 entspricht also einem an Masse legen der Leitung 15 über das Herz des Patienten. Der Ausgangskondensator 24 wird über die Leitung 15 und eine Leitung 15a aufgeladen. Der Kammerreizimpuls läuft über Leitungen 28 und 28a. Ein tor gesteuerter Verstärker 30 arbeitet in genau der gleichen Weise wie der Verstärker 12, d.h. er gibt auf eine Leitung 32 ein Ausgangssignal, das pro-

- li -

portional der Differenz der Potentiale auf der Leitung 15a und einer Leitung 28b ist, wenn er vom Mikroprozessor über eine Leitung 56 entsperrt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 30 läuft über die Leitung 32 zu einem Schalter 38. Der Schalter 38 arbeitet auf die gleiche Weise wie der Schalter 20, d.h. er ist ein Leitungsschalter der schließt, wenn er vom Mikroprozessor 48 über eine Leitung 36 entsperrt wird.

Der Verstärker 40 verstärkt das Ausgangssignal auf der Leitung 22. Dieses Signal ist proportional der an dem Ausgangskondensator 10 anliegenden, gemessenen Spannung, wenn der Mikroprozessor 48 den Verstärker 12 über die Leitung 54 sowie den Schalter 20 über die Leitung 34 entsperrt. Dagegen ist das Ausgangssignal auf der Lei tung 22 proportional der an dem Ausgangskondensator 24 anliegenden Spannung, wenn der Mikroprozessor 48 über die Leitung 56 den Verstärker 30 sowie über die Leitung 36 den Schalter 38 entsperrt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 40 geht über eine Leitung 42 an einen Analog/ Digital-Umsetzer 44. Der Umsetzer 44 setzt das über die Leitung 42 eingehende Analogsignal in ein Digitalsignal um, das dem Mikroprozessor 48 über eine Leitung 46 zugeführt wird. Der Mikroprozessor 48 steuert die Anordnung und führt die Berechnungen aus. Er gibt den berechneten Energiewert über eine Leitung 50 an eine Anzeige 52.

Bei dem Analog/Digital-Umsetzer 44 handelt es sich vorzugsweise um einen 8Bit-Analog/Digital-Umsetzer von mittlerer Geschwindigkeit. Solche Baustufen stehen in mono-

lithischer Form zur Verfugung. Beispielsweise eignet sich vorliegend das Standardmodell ADC0808 von INTEL, INC. In entsprechender Weise kann es sich bei dem Mikroprozessor 48 um jeden beliebigen 8Bit-Mikroprozessor handeln. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Model 8085 von National Semiconductor vorgesehen. Die Anzeige 52 ist vorzugsweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD-Anzeige). Bevorzugt wird mit vier vollen Ziffern und Dezimalkomma gearbeitet.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des torgesteuerten Verstärkers 12. Die Schaltungsauslegung des Verstärkers 30 stimmt mit derjenigen des Verstärkers 12 überein, so daß auf eine nähere Erläuterung des Verstärkers 30 verzichtet werden kann. Die positive Seite des Ausgangskondensators 10 steht über die Leitung 14a mit dem Verstärker 12 in elektrischer Verbindung. Ein Spannungsteiler mit Widerständen 126, 128 und 130 ist als Eingang für einen Operationsverstärker 132 vorgesehen. Bei den Widerständen 126, 128, 130 handelt es sich jeweils um 1 Megohm-Präzisionswiderstände mit einer Genauigkeit von 1 Z. Der Spannungsteiler stellt eine hohe Impedanz (ungefähr 3 Megohm) mit Bezug auf den Ausgangskondensator 10 dar. Die negative Seite des Ausgangskondensators 10 ist über die Leitung 16a an den Verstärker 12 angeschlossen. Die Leitung 16a führt zu einem Widerstand 124, der gleichfalls ein 1 Megohm-Widerstand mit einer Genauigkeit von 1 %> ist. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 132 ist an den Verbindungspunkt der Widerstände 128, 130 des Spannungsteilers angeschlossen. Der negative Eingang

des Operationsverstärkers 132 steht über einen 1 Megohm-Widerstand 134 (Genauigkeit 1 Z) und eine Leitung 142 mit einer Übertragungs-Tor schaltung 122 in Verbindung. Bei dem Operationsverstärker 132 kann es sich um einen handelsüblichen Baustein, beispielsweise vom Typ 8021 handeln.

Die Torschaltung 122 ist gleichfalls eine handelsübliche Komponente, beispielsweise vom Typ 4016. Sie stellt einen digitalgesteuerten linearen Leitungsschalter dar. Die Torschaltung 122 koppelt, wenn sie über eine Leitung 120 entsperrt wird, das über eine Leitung 140 laufende Analogsignal an die Leitung 142 an. Wenn die Torschaltung 122 über die Leitung 120 gesperrt wird, trennt die Torschaltung 122 den Stromkreis auf.

Der Operationsverstärker 132 empfängt infolgedessen die an dem Ausgangskondensator 10 anliegende Spannung immer dann, wenn die Torschaltung 122 über die Leitung 120 entsperrt wird.

Das Signal auf der Leitung 120 wird über das vom Mikroprozessor 48 kommende Kabel 54 gesteuert, das Leitungen 54a und 54b umfaßt, die an den Takteingang bzw. den Löscheingang eines D-Flip flops 100 angeschlossen sind. Der Dateneingang des D-Flip flops 100 ist an die +15V-Spannungsversorgung angeschlossen und liegt daher stets auf logisch hoch. Der Setzeingang des D-Flipflops 100 ist über eine Leitung 104 mit Masse verbunden, so daß er immer niedrig liegt. Das D-Flipflop 100 wird immer dann gelöscht, wenn die Leitung 54b logisch hoch liegt. Das D-Flip flop

schaltet um, wenn die Leitung 54a auf logisch hoch umspringt .

Der Mikroprozessor 48 läßt die Leitung 54b logisch hochgehen, wenn der Operator nicht die Messung der Energie des Vorhofreizimpulses gewählt hat. Umgekehrt liegt die Leitung 54b niedrig, wenn es erwünscht ist, die Energie des Vorhofreizimpulses zu messen. Immer dann, wenn eine Messung durchgeführt werden soll, springt das Signal auf der Leitung 54a von logisch niedrig auf logisch hoch, wodurch das D-Flip flop 100 umgeschaltet wird. Der Mikroprozessor 48 kann auf diese Weise das zu dem Operationsverstärker 132 gehende Eingangssignal steuern.

Der Ausgang Q des D-Flip flops 100 ist über eine Leitung 106 und einen 100 kiloohm-Widerstand 108 mit einem NPN-Transistor 110 verbunden. Der Transistor 110 wird stromführend gemacht, wenn der Ausgang Q des D-Flip flops 100 hoch liegt. Der Transistor 110 sperrt, solange der Ausgang Q des D-Flipflops 100 niedrig liegt.

Die Basis eines PNP-Transistors 116 ist über einen 100 kJ\ -Widerstand 114 an den Kollektor des NPN-Transistors 110 angeschlossen. Ein 100 kJX-Widerstand 112, der mit der +8V-Stromversorgung verbunden ist, liefert die Emittervorspannung für den PNP-Transistor 116. Ein 100 kJ\-Lastwiderstand 118 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 116 und der -8V-Stromversorgung. Wenn der Transistor Strom führt, wird der Transistor 116 stromführend gemacht. Leitet der Transistor 110 nicht, wird umgekehrt auch' der Transistor 116 gesperrt.

Wenn sich der Transistor 116 im leitenden Zustand befindet, geht die Leitung 120 logisch hoch, wodurch die Torschaltung 122 in die Lage versetzt wird, den Stromkreis zwischen den Leitungen 140 und 142 zu schließen. Ist der Transistor 116 nicht stromführend, führt die Leitung 120 logisch niedriges Potential; die Torschaltung 122 wird gesperrt .

Wenn das D-Flip flop 100 über die Leitung 54b gelöscht wird, ist die Torschaltung 122 offen, und der negative Eingang des Operationsverstärkers 132 wird nur über einen 1 Megohm-Widerstand 136 vorgespannt. Liegt die Leitung 54b logisch niedrig, kann das D-Flip flop 100 durch den positiven Spannungssprung auf der Leitung 54a gesetzt werden, wodurch die Transistoren 110 und 116 stromführend gemacht werden. Die Torschaltung 122 wird entsperrt. Der Operationsverstärker 132 wird veranlaßt, über die Leitung 18 eine Spannung abzugeben, die proportional der am Ausgangskondensator 10 anliegenden Spannung ist. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, kann der Mikroprozessor 48 über die Leitungen 54a und 54b die Zeit steuern, innerhalb deren der Operationsverstärker 132 auf die Leitung 18 eine Spannung gibt, die proportional der Spannung am Ausgangskondensator 10 ist. Dies ist der Fall, wenn der Operator die Messung der Vorhofenergie auswählt, so daß die Leitung 54b niedrig liegt, und wenn die Anfangs- und Endpunkte des Reizimpulses auftreten, was durch den Spannungssprung auf der Leitung 54a kenntlich gemacht wird. Die Kammerschaltungsanordnung für den Verstärker 30 ist in gleicher Weise aufgebaut.

Fig. 3 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild des Schalters 20, der identisch mit dem Schalter 38 ist. Der Schalter 20 hat die Aufgabe, das ihm über die Leitung 18 zugehende Ausgangssignal des Verstärkers 12 über die Leitungen 22a und 22 zu dem Verstärker 40 durchzuschalten . Der Schalter 20 wird über die vom Mikroprozessor 48 kommende Leitung 34 entsperrt und gesperrt.

Der Schalter 20 weist eine Übertragungs-Tor schaltung auf, die den Stromkreis von der Leitung 18 zur Leitung 22a öffnet und schließt. Die Steuerung für das Öffnen und Schließen des Stromkreises erfolgt über die Leitung 34, einen Verstärker 146 und eine Leitung 148. Zwischen der Leitung 34 und Masse liegt ein 100 kJ\.-Widerstand 150. Der Verstärker 146 ist vorgesehen, um das über die Leitung 34 laufende Signal ausreichend zu verstärken, so daß die Torschaltung 144 rasch umgeschaltet werden kann. Die Schalter 20 und 38 sorgen dafür, daß dem Verstärker 40 unter dem Einfluß des Mikroprozessors 48 jeweils nur das Vorhof- oder Kammer-Reizimpulssignal zugeht.

Fig. 4 veranschaulicht ein schematisches elektrisches Schaltbild des Verstärkers 40, bei dem es sich um einen ultralinearen Verstärker handelt, der das über die Lei tung 22 laufende Signal verstärkt und über die Leitung 42 auf den Analog/Digital-Umsetzer 44 gibt. Der Verstärker 40 weist zwei Stufen auf, die aus Operationsverstärkern 156 und 166 sowie zugeordneten Vorspann- oder Kopplungskomponenten aufgebaut sind. Bei den Operationsverstärkern 156 und 166 kann es sich um handelsübliche Komponenten beispielsweise vom Typ 8021 handeln. Zwischen

dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 156 und Masse liegen ein 22 Megohm-Widerstand 152 und ein dazu parallelgeschalteter Kondensator 154 von 0,1 mF. Ein mit dem Operationsverstärker 156 verbundener Widerstand 158 hat einen Wert von 10 Megohm. Der Ausgang des Operationsverstärkers 156 steht mit seinem negativen Eingang über eine Leitung 160 in Verbindung. Der Ausgang des Operationsverstärkers 156 ist ferner über einen 100 kj%.-Widerstand 162 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen. Zwischen dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 166 und Masse liegt ein 100 kyi-Widerstand 164. Der Operationsverstärker 166 ist über einen 10 Megohm-Widerstand 168 an die -SV-Spannungsversorgung angeschlossen, Vom Ausgang des Operationsverstärkers 166 zu dessen negativem Eingang führt eine Leitung 170. Der Ausgang des Operationsverstärkers 166 steht mit der Leitung 42 über einen 2,2 kJ2.-Widerstand 172 in Verbindung.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm für das Firmware-Programm, anhanddessen die Energieberechnungen vorgenommen werden. Bei diesem Firmware-Programm handelt es sich um eine Teilgruppe der Gesamt firmware, die im Rahmen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, weil der Schrittmachersystemanalysator vom Typ Medtronic (eingetragenes Warenzeichen) Modell 5311A eine Reihe weiterer Funktionen durchführt, die mit der vorliegenden Erfindung nichts zu tun haben. Vorzugsweise wird vorliegend mit einem Mikroprozessor vom Typ National Semiconductor Modell 8085 gearbeitet. Das Firmware-Programm kann aber ohne weiteres auch an andere Mikroprozessoren angepaßt werden.

Nach Wahl des Operators erfolgt der Zugang zu dem Unterprogramm ENERGIE am Element 200. Der Operator wünscht dabei die Energie des Reizimpulses zu messen, der entweder von dem externen Impulsgenerator (d.h. dem Impulsgenerator des Schrittmachersystemanalysators) oder mittels eines implantierbaren Impulsgenerators erzeugt wird. Das Element 202 initialisiert die Werte der_ Variablen, welche das Endergebnis speichern. Das Element 204 bestimmt, ob die Messung für einen implantierbaren Impulsgenerator oder den internen Impulsgenerator des Überwachungsgerätes durchgeführt werden soll. Wenn die Messung für einen anderen als einen implan tier baren Impulsgenerator vorgenommen werden soll, geht die Steuerung über das Anschlußelement 206 an das Element 282 über. Diese Verzweigung entspricht der bevorzugten Aus führungsform. Wie aus der untenstehenden Diskussion folgt, ist diese Messung recht ähnlich derjenigen, die für den implantierbaren Impulsgenerator durchgeführt wird. Bei dem implantier baren Impulsgenerator muß jedoch der Wert des Ausgangskondensators bestimmt werden, während dieser Wert für den externen Impulsgenerator bekannt ist.

Wenn die zu messende Energie die Energie eines Reizimpulses ist, der im Schrittmachersystemanalysator erzeugt wird, ist der Wert von C bekannt. In diesem Falle kann die Energie definiert werden als 0.5 mal dem Wert des Quadrats der Spitzenspannung minus dem Wert des Quadrats der Endspannung mal dem bekannten Wert der Kapazität des Kondensators. Im Falle der bevorzugten Ausführungsform haben der Ausgangskondensator 10 und der Ausgangskondensator 24 jeweils einen Wert von etwa 10 mF. Dieser Wert erscheint in den unten erläuterten Berechnungen.

- 1'

Die Energiemessungan für den Vorhof- und den Kammerreizimpuls erfolgen auf die gleiche Weise. Im Rahmen der Hardwarebeschreibung kann daher die Vorhofmessung betrachtet werden. Die Kammermessungen werden in der gleichen Art durchgeführt. Beim Element 282 wird die Prozedur PSAVPM abgerufen, welche die Spitzenspannung des Impulsgenerators im Schrittmachersystemanalysator mißt. Entsprechend Fig. 1 wird dabei die Leitung 54b logisch niedrig gehalten, während die Leitungen 54a und 34 logisch hoch gehalten werden. Dies kann ohne weiteres mittels des Mikroprozessors 48 geschehen, wobei eine zweckentsprechende Ein/Ausgabevorrichtung benutzt wird, beispielsweise das National Semiconductor Modell NSC810.

Das Element 284 ruft die Prozedur REORNO ab, um festzustellen, ob der Wert gültig ist. Dabei wird einfach festgestellt, ob der gemessene Wert durchweg aus Einsen besteht, oder nicht, d.h. einem Wert, der nicht definiert ist. Das Element 286 stellt fest, ob mittels der Prozedur REORNO die Gültigkeit gefunden wurde oder nicht. Wenn'der gefundene Wert nicht gültig war, erfolgt über das Element 288 ein Rücksprung. Nimmt man an* daß der gemessene Wert der Spitzenspannung nicht aus lauter Einsen bestand, ruft das Element 290 die Prozedur PSAVEM ab, um die Endspannung des Ausgangskondensators 10 des Impulsgenerators zu messen. Auf diese Weise veranlaßt das Firmware-Programm des Mikroprozessors 48, daß die an dem Ausgangskondensator 10 anliegende Spannung unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Reizimpuls gemessen wird.

Entsprechend Fig. 5 ruft das Element 292 erneut die Prozedur REORNO, um festzustellen, ob die Endspannung gültig ist. Das Element 294 stellt fest, ob Gültigkeit ermittelt wurde. Falls nicht, er folgt ein Rücksprung über das Element 296. Wenn die gemessene Endspannung keinen aus lauter Einsen bestehenden Wert hat, übergibt das Element die Steuerung an die Prozedur RETTST, um festzustellen, ob eine der gemessenen Spannungen Null war. Die Operation dieses Unterprogramms ist weiter unten näher erläutert.

Das Element 300 stellt fest, ob eine der Spannungen Null war oder nicht. Falls ja, erfolgt ein Rücksprung über das Element 302. Wenn keine der beiden gemessenen Spannungen Null war, stellt das Element 304 fest, ob die Spitzenspannung gleich der Endspannung war. Dies ist der Fall, wenn ein Konstantspannungs-Reizimpuls erzeugt wird. Das Element 306 stellt fest, ob die Endspannung größer oder gleich 90 % der Spitzenspannung ist. Für den anormalen Fall, daß dies der Fall ist, wird über das Element 308 die Steuerung auf das Unterprogramm PSACUR übertragen, um den Spitzenstrom zu messen.

Über das Element 312 wird die Energiemessung für den Schrittmachersystemanalysator für den bevorzugten Fall eines konstanten Stromes fortgesetzt. Das Element 344 ruft die spezialisierte Prozedur QUADRIERE ab, welche die Differenz zwischen dem Quadrat der Spitzenspannung und dem Quadrat der Endspannung ermittelt. Das Element 346 ruft die Prozedur DIVIDIERE, bei der eine Division durch 20 erfolgt. Dadurch wird gleichzeitig für die

Multiplikation mit dem Wert von C, d.h. dem Wert des Ausgangskondensators 10, die Multiplikation mit der Konstanten 1/2 und die Skalierung gesorgt. Der Rest wird im Element 348 überprüft. Das Element 350 veranlaßt ein Abrunden des Quotienten, wenn der Rest größer als 10 ist.

Die anderen Arten der Energieberechnungen (weiter unten erläutert) werden über das Element 280 zusammengeführt. Das Element 352 ermittelt, ob der gemessene Wert für die Energie gleich Null ist oder nicht. Falls die Antwort ja ist, ruft das Element 354 einen Fehlercode von 1 ab, und über das Element 358 erfolgt ein Rücksprung. Wenn das Element 352 feststellt, daß die Energie nicht gleich Null ist, ermittelt das Element 356, ob die Energie größer als 1000 ist. Dies würde einem unrealistisch hohen Wert für die Energie entsprechen. Falls ja, ruft das Element 360 einen Fehlercode gleich 2 ab, und über das Element 364 erfolgt ein Rücksprung. Wenn der Energiewert innerhalb des vorgesehenen Bereiches liegt, wird das Ergebnis vom Element 362 über die Anzeige 52 angezeigt, und über das Element 3-66 erfolgt ein Rücksprung.

Die zwischen den Elementen 314 und 342 durchgeführten Operationen dienen dem Berechnen der Energie für Konstantspannungs-Impulsgeneratoren. Nach dem Messen des Spitzenstroms durch das Element 308 überträgt das Element 314 die Steuerung auf das Unterprogramm REORNO, um festzustellen, ob der ausgelesene Stromwert aus lauter Einsen besteht. Das Element 316 gibt über das Element 318 die Steuerung an das rufende Programm zurück,

wenn der ausgelesene Stromwert ungültig war. Wenn der ausgelesene Stromwert dagegen gültig war, stellt das Element 320 die Erfassung auf die Kammer ein. Diese Anzeige geschieht nur für Wiedergabezwecke. Das Element 322 stellt dann fest, ob der betreffende Wert vom Vorhof stammt oder nicht. Falls nein, geht die Steuerung auf das Element über. Wenn der Vorhof gewählt wurde, stellt dagegen das Element 324 das Hinweissymbol auf die Vorhofanzeige. Der Punkt 246 stellt den Eingabepunkt für die Konstantspannungsmessung für den implantierbaren Impulsgenerator dar. Diese Eingabe ist weiter unten diskutiert.

Am Element 326 geht die Steuerung auf das Unterprogramm SCL2X5 über, um den Stromwert zu skalieren. Das Element 328 ruft dann das Unterprogramm MULTIPLIZIERE ab, um mit dem Strom zu multiplizieren. Die Prozedur DIVlOO wird durch das Element 330 abgerufen, um den resultierenden Wert mit dem Faktor 100 zu skalieren. Das Element 332 dividiert die Impulsbreite durch 100, indem es die Prozedur DIVIDIERE abruft.

An dieser Stelle sind die Spitzenspannung, der Spitzenstrom und die Impulsbreite gemessen, als gültig erkannt und skaliert. Das Element 334 ruft die Prozedur MULTIPLIZIERE ab, um diese drei Größen miteinander zu multiplizieren. Der Rest wird beim Element 338 multipliziert. Die Resultierende wird beim Element 340 durch die Prozedur DIVlOO skaliert. Die Resultierende und der Rest werden beim Element 342 addiert. Vom Element 280 geht die Steuerung auf den Teil der Prozedur über, wo die Gültig-

keltskontrolle und die Anzeige des berechneten Energiewertes erfolgen.

Das Element 208 wird erreicht, nachdem das Element 204 feststellt, daß die Impulsenergie eines implantierbaren Impulsgenerators gemessen werden soll. Durch das Element 208 wird die Prozedur IPGVPM aufgerufen, um die an dem Ausgangskondensator anliegende Spitzenspannung zu messen. Das Element 210 ruft die Prozedur REORNO ab, um festzustellen, ob die resultierende Spannung einen ausschließlich aus Einsen bestehenden Wert hat. Wenn die gemessene Spannung ungültig ist, gibt das Element 212 die Steuerung an das Element 214 ab, die ihrerseits die Steuerung auf das rufende Programm zurücküberträgt. Wenn das Element 212 feststellt, daß der gemessene Wert gültig ist, überträgt das Element 216 die Steuerung an die Prozedur IPGVEM um die Endspannung zu messen. Das Element 218 ruft die Prozedur REORNO ab, um festzustellen, ob die gemessene Endspannung einen ausschließlich aus Einsen bestehenden Wert hat. Wenn der Wert ungültig ist, übergibt das Element 220 die Steuerung für einen Rücksprung an das Element 222. Wenn der gemessene Wert gültig ist, überträgt das Element 224 die Steuerung auf die Prozedur REITST, um festzustellen, ob der Spitzenspannungswert oder der Endspannungswert gleich Null ist. Ist einer dieser Werte gleich Null, überträgt das Element 300 über das Rücksprungelement 302 die Steuerung auf die rufende Prozedur. War keiner der gemessenen Werte Null, überträgt das Element 232 die Steuerung auf die Prozedur IPGPWM, um die Impulsbreite zu messen. Für die Messung der Impulsbreite steht eine Anzahl von Methoden zur Verfügung.

Die Impulsbreitenmessung wird benötigt, um die Kapazität des Ausgangskondensators des implantierten Impulsgenerators zu bestimmen. Die Prozedur REORNO wird durch das Element 234 aufgerufen, um festzustellen, ob die Impulsbreite gültig ist. Das Element 236 veranlaßt den Rücksprung beim Element 238, falls der Wert nicht gültig ist,

Das Element 240 stellt fest, ob es sich bei dem Ausgangssignal des implantierbaren Impulsgenerators um ein Konstantspannungs-Ausgangssignal handelt. Eine Reihe von Herstellern bringen implantierbare Impulsgeneratoren auf den Markt, die in dieser Weise ausgelegt sind. Das Konstantspannungs-Ausgangssignal muß in anderer Art gemessen werden; es erfolgt dabei eine Impulsbreitenmessung, die beim Element 232 durchgeführt wird. Obwohl dieses spezielle Meßverfahren nicht das bevorzugte Ausführungsbeispiel darstellt, wird es vorliegend der Vollständigkeit halber diskutiert. Das Element 242 ruft die Prozedur SCL2X5 ab, um die Spannung zu skalieren. Die Spitzenspannung und die Endspannung sind gleich. Das Element 244 multipliziert die skalierte Spannung mit 2 und gibt die Steuerung über das Element 246 weiter, um die Berechnungen in der oben erläuterten Weise fortzuführen .

Wenn das Element 240 festgestellt hat, daß der implantierbare Impulsgenerator keine konstante Spannung erzeugt hat, wird die Steuerung über das Element 248 zu der Prozedur LN übertragen, um den natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung zu errechnen. In ähnlicher Weise überträgt das Element 250 die Steuerung auf die Prozedur

LN, um den natürlichen Logarithmus der Endspannung zu berechnen. Das Element 254 ruft dann die Prozedur NEGHL ab, welche die Endspannung komplementiert. Das Element 254 addiert den natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung und das Komplement des natürlichen Logarithmus der Endspannung. Das Element 256 stellt fest, ob das Ergebnis negativ ist. Wenn das Ergebnis nicht negativ ist, dekrementiert das Element 258 den natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung.

Das Element 260 subtrahiert den na türlichen Logarithmus der Endspannung von dem natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung. Das Element 262 übergibt die Steuerung an die Prozedur DIVIDIERE, welche die Differenz zwischen dem natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung und dem natürlichen Logarithmus der Endspannung durch die Konstante 655 dividiert. Die Division durch diese Konstante erlaubt es der Firmware, den Wert der Spitzenspannung minus der Endspannung durch einen Faktor 16 zu skalieren .

Das Element 266 überträgt die Steuerung an die Prozedur MULTIPLIZIERE, welche die Differenz zwischen dem natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung und dem natürlichen Logarithmus der Endspannung mit 100 multipliziert, Dann wirddie Steuerung an die Prozedur QUADRIERE mittels des Elements 268 übertragen, um die Differenz der Quadrate der Spitzenspannung und der Endspannung zu erhalten. Die Prozedur QUADRIERE ist unten näher erläutert.

Das Element 270 ruft die Prozedur DIVlOO ab, um das Resultat durch 100 zu dividieren. Diese Prozedur ist gleichfalls unten näher erläutert. Das Element 272 ruft die Prozedur MULTIPLIZIERE ab, um das Resultat mit der Impulsbreite zu multiplizieren. Dann ruft das Element 274 die Prozedur DIVIDIERE ab, und das Abrunden für den Rest erfolgt beim Element 276. Wenn der Rest größer als 1/2 ist, inkrementiert das Element 278 den Quotienten. Dann wird die Steuerung über den Anschluß 280 auf das Element 352 übertragen.

Die Logik zwischen dem Element 204 und dem Element 280 wird benutzt, um den Wert der Kapazität eines implantierbaren Impulsgenerators zu berechnen, bei dem der Kapazitätswert nicht bekannt ist. Diese Berechnung erfolgt in der Form Energie = Impulsbreite · (Quadrat der Spitzenspannung - Quadrat der Endspannung)/natürlicher Logarithmus von (Spitzenspannung/Endspannung). Dies ist im Falle von implantierbaren Impulsgeneratoren notwendig, bei denen der Wert des Ausgangskondensators nicht bekannt ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird also die Energie auf drei 'grundsätzliche Weisen errechnet. Bei dem bevorzugten Vorgehen wird mit einem bekannten Wert der Kapazität des Ausgangskondensators gearbeitet. Dies ist der Fall, wenn die Energie des Ausgangsimpulses des Schrittmachersystemanalysators gemessen wird. Für diesen Fall brauchen nur die Spitzenspannung und die Endspannung gemessen zu werden. Die Energie wird dann errechnet als 1/2 · die Kapazität · die Größe Quadrat der Spitzenspannung - Quadrat der Endspannung.

Das zweite Vorgehen ist für implantierbare Impulsgeneratoren vorgesehen, bei denen der Wert des Kondensators nicht bekannt ist. In diesem Falle werden die Spitzenspannung, die Ends'pannung und die Impulsbreite bestimmt, um den Wert des Ausgangskondensators zu ermitteln. Das dritte Vorgehen wird für implantierbare Impulsgeneratoren und den Schrittmachersystemanalysator eingesetzt * Es errechnet die Energie aufgrund der Impulsbreite und des Spitzenstroms für Ausgangsreizimpulse mit konstanter Spannung.

Fig. 6 zeigt das Ablaufdiagramm für das Unterprogramm RETTST. Seine Funktion besteht darin, die Anzeigeausgabe für den Fall vorzubereiten, daß kein Reizimpuls erzeugt wird. Dazu kommt es, wenn im Bedarfsschrittmacherbetrieb eine natürliche R-b'elle erfaßt wird. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn der Körper für einen normalen physiologischen Schrittmacherbetrieb sorgt. Das Element 402 stellt fest, ob die Spitzenspannung gleich Null ist. Wenn dies nicht der Fall ist, inkrementiert das Element 404 den Zähler, und das Element 406 stellt fest, ob die Endspannung gleich Null ist. Wenn die Endspannung nicht gleich Null ist, inkrementiert das Element 412 den Zähler erneut, und es erfolgt ein Rücksprung über das Element 414. Wenn durch die Elemente 402 bzw. 406 festgestellt wird, daß entweder die Spitzenspannung oder die Endspannung gleich Null ist, wird die Steuerung über das Element 410 zurückgegeben, nachdem das Element 408 die Anzeigeausgabewerte RESUL2 und bekannte Werte für CC2 setzt.

Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für das Unterprogramm QUADRIERE. Diese Unterprogramm wird benutzt, um das Quadrat der Endspannung von dem Quadrat der Spitzenspannung zu subtrahieren. Das Element 452 ruft die Prozedur MULTIPLIZIERE ab, welche die Endspannung mit der Endspannung multipliziert. Dies ergibt den Wert des Quadrats der Endspannung. Das Element 454 ruft die Prozedur NEGHL ab, welche die quadrierte Endspannung komplementiert. Das Element 456 ruft das Unterprogramm MULTIPLIZIERE ab, um die Spitzenspannung zu quadrieren. Die Differenz wird mittels des Elements 458 gefunden, indem das Quadrat der Spitzenspannung und das komplementierte Quadrat der Endspannung addiert werden. Das Element 460 ruft die Prozedur DIVIDIERE ab, um das Ergebnis mit einem Faktor zu skalieren. Das Element 462 stellt fest, ob der Rest größer als 1/2 ist. Wenn die Antwort ja ist, inkrementiert das Element 464 den Quotienten. Dies sorgt für die Abrundung. Das Element 466 multipliziert dann den Quotienten mit 4, um ihn für die weitere Verarbeitung zu skalieren. Der Rücksprung erfolgt über das Element 468.

Fig. 8 zeigt das Ablaufdiagramm - für das Unterprogramm DIVlOO. Diese Prozedur skaliert lediglich eine Größe mit dem Faktor 100. Das Element 482 ruft die Prozedur DIVIDIERE ab, welche durch 100 dividiert. Das Element 484 stellt fest, ob der Rest größer als 1/2 ist. Das Element 486 inkrementiert den Quotienten, um für die notwendige Abrundung zu sorgen. Über das Element 488 erfolgt die Rückkehr zu dem rufenden Programm.

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Aus der vorstehenden Diskussion folgt, daß die beschriebene Anordnung die Energie eines Herzschrittmacher-Reizimpulses berechnet, unabhängig davon, ob dieser einer festen Last oder dem Körpergewebe zugeführt wird. Der Fachmann wird das erläuterte Vorgehen ohne weiteres auf andere Energiemeßaufgaben auf dem elektromedizinischen Gebiet übertragen können.

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Claims (6)

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN ELFENSTRASSE 32 - D-8000 MÜNCHEN 83 Medtronic, Inc. 3055 Old Highway Eight Minneapolis, Minn.55440, V.St.A. Ansprüche

1. Vorrichtung zum Bestimmen und Anzeigen des Energie Inhalts eines elektrischen Körperreizimpulses, der durch eine Entladung eines Kondensators von vorgegebener Kapazität erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine an den Kondensator (10, 24) angekoppelte Meßeinrichtung (12, 20, 30, 38, 40, 44) zum Mes sen eines ersten Spannungsabfalls an dem Kondensator vor der Entladung und eines zweiten Spannungsabfalls im Anschluß an die Entladung, sowie eine mit der Meßeinrichtung in Wirkverbindung stehende Recheneinrichtung (48) zum Berechnen des Energieinhalts aus dem ersten Spannungsabfall, dem zweiten Spannungsabfall und der vorgegebenen Kapazität.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Recheneinrichtung in Wirkverbindung stehende Erfassungseinrichtung zum Bestimmen der vorgegebenen Kapazität.

FERN SPRECHER: 089/6012039 · TELEX: 52 2589 dpa J · KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung mit einem Analog/ Digital-Umsetzer (44) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung einen Mikrocomputer (48) aufweist.

5. Verfahren zum Bestimmen des Energieinhalts eines elektrischen Körperreizimpulses, der durch eine Entladung eines Kondensators von vorgegebener Kapazität erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein erster Spannungsabfall an dem Kondensator vor der Entladung gemessen wird,

(b) der erste Spannungsabfall in eine erste digitale Größe umgesetzt wird,

(c) ein zweiter Spannungsabfall an dem Kondensator nach der Entladung gemessen wird,

(d) der zweite Spannungsabfall in eine zweite digitale Größe umgesetzt wird,

(e) die erste digitale Größe quadriert wird,

(f) die zweite digitale Größe quadriert wird,

(g) das Quadrat der zwei ten digitalen Größe von dem Quadrat der ersten digitalen Größe unter Bildung eines Zwischenergebnisses subtrahiert wird, und

(h) das Zwischenergebnis mit dem halben Wert der vorgegebenen Kapazität multipliziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnetdaß vor dem Schritt (h) die vorgegebene Kapazität bestimmt wird.