DE3237198C2 - Herzschrittmacher mit direkt gekoppelter Ausgangsstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Herzschrittmacher ist z. B. aus der US 43 00 566 bekannt.

Bei einem typischen Herzschrittmacher wird die Ladung in einem Kondensator gespeichert. Wenn ein Schrittmacherimpuls erforderlich ist, wird er in Reihe mit den stimulierenden und indifferenten Elektrodenleitungen geschaltet, der Kondensator entlädt sich über die Leitungen und die Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche in dem Gewebe des Patienten. Der direkt mit der Stimulierungs-Elektrodenleitung verbundene Kondensator lädt sich sodann erneut durch die Batteriespeisung und die stimulierende Elektrode auf. Es ist ein allgemein anerkanntes Ziel, daß keine Nettoladung zu dem Herzen geführt wird. Da der Durchschnittsstrom durch den Kondensator null beträgt, stellt eine AC-Kopplung sicher, daß kein Nettostrom durch die stimulierende Elektrode fließt.

Es bestehen zumindest zwei Nachteile bei der Anwendung einer AC-Kopplung dieser Art. Zunächst ist der Kopplungskondensator zusätzlich zu den Kosten platzbeanspruchend und trägt zu der Größe und dem Gewicht des Schrittmachers bei.

Die Elektrodenleitungen werden auch zum Abfühlen der elektrischen Aktivität im Herzen angewandt. Das Potential an der stimulierenden Elektrode verändert sich abrupt beim Start eines Schrittmacherimpulses und geht sodann langsam zurück, wenn der mit der Elektrode verbundene Kondensator sich auflädt. Während des Ladeprozesses können Herztätigkeitssignale maskiert werden. In typischer Weise kann das Potential an der Stimulierungselektrode relativ zu der (geerdeten) indifferenten Elektrode mehrere hundert Millivolt während des Aufladezyklus betragen, während die elektrische Herztätigkeit in einem Signal von lediglich einigen Millivolt resultieren kann. Bei typischen Herzschrittmacher-Abfühlschaltungen sind die Filter so ausgelegt, daß sie das Ladungsstromsignal zurückweisen, während Signale, die die Herztätigkeit wiedergegen, minimal geschwächt werden. Es besteht also eine Pause beim Start des Abfühlzyklus, unmittelbar im Anschluß an die Erzeugung eines Schrittmacherimpulses. Diese Zeitspanne kann 50-100 Millisekunden dauern und kann sogar länger sein. Das Problem ist nicht besonders schwerwiegend im Fall einer Einzelkammer-Schrittmachung, da die Herztätigkeit durch die Fühlvorrichtung während der "Erholungsperiode" des Herzens ignoriert werden sollte, die in typischer Weise wenigstens so lange wie die o. g. Pause dauert. Das Problem kann jedoch weit schwerwiegender in dem Fall eines Zweikammer-Schrittmachers sein, bei dem keine vollständig unabhängigen Elektrodenpaare für die zwei Kammern vorgesehen werden und die elektrische Tätigkeit in einer Herzkammer kurz nach einem auf die andere Herzkammer abgegebenen Impuls festgestellt werden muß; in einem derartigen Fall ist ein schnelles Aufladen von Wichtigkeit.

Aus der DE-OS 25 20 729 ist ein Herzschrittmacher bekannt, bei dem spezielle Maßnahmen getroffen sind, unerwünschte Wellenformen mit Hilfe eines speziellen Steuerkreises zu unterbinden. Der Ausgang eines Impulsgebers ist über einen Verstärker an die Stimulierungselektrode angeschlossen. Der Ausgang des Impulsgebers ist ferner über einen Steuerkreis an einem gesteuerten Schalter angeschlossen, dessen steuernder Eingang die Signale von der Stimulierungselektrode empfängt. Der Ausgang des gesteuerten Schalters ist an eine indifferente Elektrode des Schrittmachers angeschlossen. Durch Differenzierglieder im Steuerkreis wird nach Beendigung des Stimulierungsimpulses dessen Pegel rascher auf den Ruhepegel abgesenkt.

Aus der US 41 14 627 ist ein Herzschrittmacher bekannt, bei dem in Serie mit den Elektroden ein Koppelkondensator liegt, über den zwar ein Teil der Ladung an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Patientengewebe abgeleitet wird, jedoch ist hier eine kritische zeitliche Steuerung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Herzschrittmacher der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Notwendigkeit eines Koppelkondensators und damit die mit dem Koppelkondensator verbundenen Nachteile beseitigt sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung.

Auf dem Gebiet der Herzschrittmacher gilt es als unmöglich, den Ausgangs-Kopplungskondensator wegzulassen. Vergleiche z. B. Fischer et al., "Pacemaker Failures Characterized by Continous Direct Current Leakage", The American Journal of Cardiology, Juni 1976. Der Glaube, daß ein Kopplungskondensator zwingend vorgeschrieben ist, hat sich so im Denken der Herzschrittmacher-Designer eingeprägt, daß offensichtlich wenig Gedanken auch noch heute darauf verwandt werden, ob der Kondensator tatsächlich erforderlich ist. Eine sorgfältige Analyse wirft allerdings nicht nur die Frage auf, ob ein Kopplungskondensator notwendig ist, sondern ob derselbe überhaupt dem Zweck dient, den man von ihm erwartet.

Bei jedem Schnellsignal-Stimulator wird wenigstens die Stimulierungselektrode benachbart zu dem zu stimulierenden Gewebe eingepflanzt. Die indifferente Elektrode kann benachbart hierzu implantiert werden oder kann in weiter entfernt gelegenes Gewebe implantiert werden. Der Signalstrom fließt jedoch notwendigerweise zwischen den zwei Elektroden. Was geschieht ist, daß ein Elektronenfluß in den Elektrodenleitungen in einen Ionenfluß an der Grenzfläche mit dem Körperelektrolyten umgewandelt wird (Körperflüssigkeiten oder Natursole). Die äquivalente Impedanz an einer Elektrode/Elektrolyt-Grenzschicht ist nicht von gleicher Art wie diejenige des Körpergewebes zwischen den Elektroden, letztere stellt einen diskreten Widerstand dar.

An der Grenzfläche jeder Elektrode stellt die Impedanz tatsächlich ein verteiltes RC-Netzwerk - eine unbestimmte Anzahl von in Serie geschalteten Widerständen, mit einem effektiven, über jeden Widerstand parallel geschalteten Kondensator dar. Dies ist der äquivalente Schaltkreis, durch den ein Schrittmacher-Stromimpuls fließt und die verteilten Kapazitäten auflädt. Um elektrochemische Effekte kleinstmöglich zu halten, sollte keine Nettoladungsübertragung auf das Gewebe stattfinden. Dies erfordert, daß die gespeicherte Ladung an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche zurückgeholt wird. Der Kopplungskondensator führt theoretisch zu einer totalen Erholung der Ladung.

Ein Nettostromfluß von null durch den Kopplungskondensator oder die Elektrodenleitungen, die in Serie zu dem Kondensator liegen, stellt jedoch nicht die tatsächliche Besonderheit dar. Theoretisch wird die Ladung in der verteilten Kapazität an jeder Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche gespeichert, und die Ladung erholt sich nach dem Schrittmacherimpuls, wenn der Ladespeicherkondensator durch die Batterie erneut aufgeladen wird und ein Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung durch die Elektrodenleitungen fließt. Aber daß kein Nettostrom durch den Kopplungskondensator fließt, bedeutet nicht, daß kein Ionenfluß in dem stimulierenden Gewebe aufgetreten ist.

Auf rein abstrakter Basis soll der Fall eines Einsekunden-10-Milliampere-Stromimpulses, der durch die Elektroden geliefert wird, betrachtet werden. Man nimmt an, daß ein Stromfluß in der umgekehrten Richtung aktiv gesteuert werden kann, der die gleiche Dauer und Größe annimmt. Ein symmetrisches Quadratwellen-Stromsignal würde durch die Elektroden fließen, wobei der durchschnittliche Strom durch den Kopplungskondensator bei Null liegt. Wenn der Strom in einer Richtung fließt, wird die Ladung an den verteilten Kapazitäten an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche gespeichert. Diese Ladung "sitzt" nicht nur dort, bis sie durch einen Strom, der in der entgegengesetzten Richtung fließt, abgeführt wird. Etwas Ladung, die von der verteilten Kapazität abgeleitet wird, fließt durch das Körpergewebe und ist unwiderruflich "verloren". Wenn ein identischer Stromimpuls in der entgegengesetzten Richtung fließt, erholt sich die verbleibende Ladung an der verteilten Kapazität. Da aber etwas von der ursprünglichen Ladung abgezweigt worden ist, muß der Rest der "erholten" Ladung von irgendwoher in dem Gewebe abgeleitet werden. Der Netzstrom durch den Kopplungskondensator beträgt null, es ergeben sich jedoch tatsächlich zwei "unerwünschte" Ionenflüsse in dem Gewebe - einer aufgrund des ursprünglichen Ableitens und der andere aufgrund der kompensierenden "Erholung" der verlorenen Ladung.

Kurz gesagt wird der beste mögliche "Ladungsausgleich" (minimale Nettoladungsübertragung) in dem Gewebe nicht notwendigerweise durch einen Nettostromfluß von null durch die Elektroden reflektiert.

Es soll nun ein anderes Beispiel betrachtet werden, ein Beispiel, bei dem kein Kopplungskondensator angewandt wird, d. h. die Ausgangsstufe ist direkt an die Elektroden gekoppelt, ein Beispiel, das die Prinzipien der Erfindung illustriert. Ein typischer Schrittmacherimpuls mag eine Größe von 10 Milliampere und eine Dauer von 0,5 Millisekunden haben. Es sei angenommen, daß anstelle des erneuten Aufladens des Kopplungskondensators durch die Elektroden, bis das Strom-Zeitprodukt oder Integral 5-Milliampere-Millisekunden gleicht, die Elektrodenleitungen miteinander kurzgeschlossen werden. Versuche haben gezeigt, daß etwa 99% der durch die Elektroden während des Schrittmacherimpulses gelieferten Ladung sich während der ersten 8 Millisekunden im Anschluß an das Kurzschließen der Elektroden über die Leitungen erholt. Dies bedeutet, daß der Nettostromfluß in dem Gewebe nur etwa 1% des Scheitelimpulsstroms entspricht.

Dort, wo ein Kopplungskondensator verwendet wird, ist die Ladungserholung relativ langsam, da der Kopplungskondensator gewöhnlich zu der Batterie durch einen Widerstand zurückgeführt wird. Während der relativ langen Erholungszeit der Ladung, z. B. 100 Millisekunden, wird immer noch etwas von der Ladung an der verteilten Kapazität abgeleitet, so daß sich die Ladung lediglich durch einen zusätzlichen Ionenfluß in dem Gewebe gegen Ende des Ladungs-Erholungsprozesses "erholt". Es ist der Kondensator selber, der diesen unzweckmäßigen Ionenfluß bedingt, da der einzige Weg zum Erreichen eines Nettostromflusses von null durch den Kondensator durch einen zusätzlich stattfindenden Ionenfluß gegeben ist, um so die Ladung zu ersetzen, die aus der verteilten Kapazität abgeleitet worden ist. Wenn jedoch die Elektrodenleitungen miteinander kurzgeschlossen werden, erfolgt eine schnelle Entladung der verteilten Kapazität durch den Kurzschluß. Die Entladung erfolgt so schnell, daß, wie weiter oben erwähnt, etwa 99% der Ladung sich innerhalb von 8 Millisekunden erholt haben. Obwohl etwa 1% der Ladung aus der verteilten Kapazität abgeleitet worden ist und einen Schaden verursacht hat, erfolgt nicht nur eine geringere Ableitung, da die Entladung der verteilten Kapazität schnell stattfindet, sondern der Schaden wird nicht durch einen völlig unnötigen Ionenfluß in dem Gewebe in der entgegengesetzten Richtung verstärkt.

Es besteht kein Grund dafür, die Elektroden für mehr als 8 Millisekunden in diesem Fall kurzgeschlossen zu halten. Nicht viel mehr als 99% der ursprünglichen Ladung können zurückgewonnen werden während der ersten 8 Millisekunden, etwa 1% der ursprünglichen Ladung sind abgeleitet worden und können nicht zurückgewonnen werden. Der in der umgekehrten Richtung fließende Strom fällt auf einen niedrigen Wert ab zu der Zeit, zu der 8 Millisekunden verstrichen sind. Es besteht somit kein Grund, die Elektroden länger kurzgeschlossen zu halten, obgleich hierdurch kein Schaden auftreten kann, da kurzgeschlossene Elektroden keinen unnötigen Ionenfluß (die Ladungserholung ist passiv, nicht aktiv) bewirken.

Natürlich können die Elektroden länger als 9 Millisekunden kurzgeschlossen gehalten werden, um so eine "automatische" Erholungsperiode angestrebter Dauer zur Verfügung zu haben. Bei einem typischen ventrikular-inhibierten-(VVI) Herzschrittmacher sollte der Fühlschaltkreis nicht auf die Herztätigkeit von etwa 50 Millisekunden nach einem Schrittmacherimpuls ansprechen, und der Ladungs-Erholungs-Kurzschlußkreis ist ein herkömmlicher Mechanismus für das Abschalten des Fühlschaltkreises. Im allgemeinen wird ein Kurzschließen der Elektroden für 0,01-400 Millisekunden vorgeschlagen. Geringe Dauer an dem unteren Ende des Bereiches können ein Kurzschließen für mehrere Male innerhalb eines Stoßes enger Impulse oder intermittierend im Anschluß an einen Impuls erfordern und ein Abfühlen dazwischen gestatten. Insbesondere im Fall eines Herzschrittmachers ist ein Kurzschlußintervall von 8-50 Millisekunden bevorzugt.

Der Erfindungsgegenstand ist insbesondere vorteilhaft für die Anwendung bei implantierbaren Schrittmachern, bei denen das Ausschließen jeglicher Komponente, insbesondere eines voluminösen Kondensators, angestrebt wird.

All dies bedeutet nicht, daß die Anwendung von Kondensatoren vermieden werden kann. Tatsächlich werden bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, d. h. eines Herzschrittmachers, zwei Kondensatoren eingesetzt. Ein Kondensator, typischerweise 5-15 µF, ist parallel zu der Batterie in dem Herzschrittmacher geschaltet, um Potentialableitungen zu stabilisieren. Dieser Kondensator hat nichts mit dem Liefern von Schrittmacherimpulsen oder Ladungserholung zu tun. Ein zweiter Kondensator, z. B. 15 µF, wird zum Speichern der während des Beaufschlagens eines Schrittmacherimpulses erzeugten Ladung benutzt. Eine gewöhnliche, in einem Herzschrittmacher eingesetzte Batterie kann nicht die relativ großen Ströme zur Verfügung stellen, die für einen Herzschrittmacherimpuls erforderlich sind. Die herkömmlichen Arbeitsweisen zum Ableiten derartig großer Ströme bestehen darin, einen Speicherkondensator durch eine Batterie aufzuladen und den Kondensator schnell in die Elektrodenleitungen zu entladen, wann immer ein Schrittmacherimpuls benötigt wird. Es wird ein derartiger Kondensator verwendet, jedoch ist derselbe kein Kopplungskondensator, da, obgleich er einen Schrittmacherimpuls zur Verfügung stellt, und zwar direkt an die Stimulierungselektrode, keine Ladung durch ihn hindurch bei Beendigung des Impulses zurückgewonnen wird. Der Kondensator lädt sich nicht durch die Elektroden zwischen den Schrittmacherimpulsen auf. Der Kondensator lädt sich vielmehr erneut in Vorbereitung auf einen weiteren Schrittmacherimpuls durch einen Schaltkreis in dem Schrittmacher auf, der keinen Stromfluß durch die Elektrodenleitungen bewirkt. Ein Ladungsausgleich wird durch das Kurzschließen der beiden Elektroden miteinander bewirkt.

Es ist eine Spannungs-Dopplung vorgesehen. Jedoch anstelle von zwei großen 30-µF-Speicherkondensatoren wird lediglich eine 15-µF-Komponente zusammen mit einem kleinen, typischerweise 0,1-µF-"Pump"-Kondensator verwendet, der das Potential am Speicherkondensator steuert, das gleich dem Zweifachen der Batteriespannung ist. Somit ergibt sich, daß auf einen der großen Kondensatoren verzichtet werden kann und der andere auf die Hälfte seiner Größe reduziert werden kann.

Bei einem durchgeführten Versuch wurden die Elektroden in eine 9-G/l-Solelösung gebracht, um das Körpergewebe nachzuahmen. 1/2 Millisekunden, 10 Milliampere Impulse wurden mit einer Wiederholungsgeschwindigkeit von 1 pro Sekunde erzeugt, und der Nettostrom in den Leitungen wurde während unterschiedlicher Kurzschlußintervalle im Anschluß an das Beaufschlagen jeden Impulses gemessen. Die folgende Tabelle gibt die Nettoströme, d. h. den Ladungsausgleich, für unterschiedliche Kurzschlußintervalle wieder.

Kurzschlußintervall
Nettostrom
1 msec|1,40 µA
1,75 msec	0,62 µA
2 msec	0,44 µA
2,75 msec	0,15 µA
3,2 msec	0,13 µA
5 msec	0,07 µA
8 msec	0,04 µA

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im nachfolgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Herzschrittmachers,

Fig. 2 einen Teil einer typischen AC-gekoppelten Schrittmacher-Ausgangsstufe nach dem Stand der Technik.

Die Ausgangsstufe des Schrittmachers nach der Fig. 2 besitzt eine 3-V-Potentialquelle 72 mit einem Filterkondensator 68, der zu ihr parallelgeschaltet ist.

Die beiden Spannungsleitungen zur Versorgung der Schrittmacherschaltung liegen auf V+ und V-. Ein Kondensator 68 besitzt eine Kapazität von 5-15 µF, und seine Verwendung ist, wie weiter oben beschrieben, aus anderen Gründen notwendig als zur Schrittmacherimpulserzeugung und zum Ladungsausgleich.

Der nicht gezeigte Rest des in der Fig. 2 gezeigten Schaltkreises sind die Ausgangsstufe; die Schaltkreise für das Abfühlen der Herztätigkeit und die Zeitsteuerung der Schrittmacherimpulse. Zwischen den Schrittmacherimpulsen sind sowohl der Transistor 11 als auch 19 außer Funktion. Der Kondensator 15 lädt sich zwischen den beiden Potentialleitungen durch die Widerstände 13 und 17 auf, wobei die rechte Seite des Kondensators negativ gegenüber der linken Seite ist, und dies bevor eine Notwendigkeit besteht, einen weiteren Schrittmacherimpuls zu erzeugen. Zur gleichen Zeit wird der Kondensator 25 ebenfalls geladen durch den Widerstand 23, die stimulierenden und indifferenten Elektrodenleitungen, die zwei Elektroden und das Herzgewebe. Während dieses Intervalls findet eine Erholung bzw. Rückgewinnung der Ladung von der verteilten Kapazität an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche statt, wobei die rechte Seite des Kondensators 25 auf ein negatives Potential gegenüber der linken Seite aufgeladen wird. Eine Zenerdiode 70 ist die herkömmliche Schutzdiode, um ein überschüssiges Potential über den beiden Elektroden zu vermeiden. Dieselbe braucht hier keine weitere Berücksichtigung zu finden. Wenn ein Schrittmacherimpuls abgegeben werden soll, wird ein positiver Impuls auf die Basis des Transistors 11 gegeben. Der Transistor schaltet sich ein und schließt die linke Seite des Kondensators 15 an der negativen Spannungsleitung kurz. Die negative Potentialstufe erstreckt sich durch den Kondensator 15 zu dem Emitter des Transistors 19, so daß auch dieser Transistor angeschaltet wird. Die Kondensatoren 15 und 25 sind nun in Serie zwischen den indifferenten und stimulierenden Elektroden geschaltet, und es wird ein negativer Impuls auf die Stimulierungselektrode zur Schrittmachung des Herzens beaufschlagt.

Zu Ende des Impulses wird der Transistor 11 abgeschaltet, und mit ihm wird ebenfalls der Transistor 19 abgeschaltet. Der Kondensator 15 lädt sich nun über die Widerstände 13 und 17 auf, und der Kondensator 25 lädt sich über die Widerstände 23 und den des Herzgewebes auf. (Der Widerstand 23 weist typischerweise eine Größe von 15 K auf, er sollte nicht viel größer sein, weil es andererseits zu lange dauern würde, bis der Kondensator 25 aufgeladen ist.) Dieses Aufladen jedes Kondensators auf ein volles Potential und das anschließende Schalten derselben in Serie, wenn ein Schrittmacher-Impuls zu erzeugen ist, resultiert in einer Impulsamplitude, die dem Zweifachen der Amplitude der Batterie entspricht. Jeder der Kondensatoren 15 und 25 weist eine Kapazität von 30 µF auf, und somit weisen die zwei Kondensatoren eine äquivalente Kapazität von 15 µF auf, wenn sie zwecks Abgabe eines Stimulierungsimpulses in Serie geschaltet sind.

Der Kondensator 25 dient zwei Funktionen. Zunächst stellt er einen der zwei Speicherkondensatoren dar, die zum Erreichen einer Spannungsdopplung und zum Speichern einer ausreichenden Ladung für einen großen Stromimpuls dienen. Zweitens dient der Kondensator 25 als ein AC-Kopplungskondensator. Da der Nettostrom durch den Kondensator null sein muß, ist der Nettostromfluß durch die Elektroden notwendigerweise ebenfalls null. Abgesehen davon, daß der Kopplungskondensator als Notwendigkeit angesehen worden ist, führt dies nicht zu einem Spannungsausgleich. Da tatsächlich ein perfekter Spannungsausgleich nicht möglich ist aufgrund des Ableitens von der verteilten Kapazität an jeder Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche, bedingt der Kondensator 25 tatsächlich einen unnötigen Ionenfluß an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche. Durch Steuern eines Nettostromflusses von null erfolgt eine größere Nettoübertragung von Ladung, als es sonst der Fall wäre.

Man könnte annehmen, daß der Kondensator 25 für einen anderen Zweck gebraucht wird, nämlich, um einen Zugang eines Gleichpotentials zu der stimulierenden Elektrode zu vermeiden, sollte der Schalttransistor in dem Herzschrittmacher versagen. Insbesondere jedoch in dem Fall eines Schrittmachers mit integriertem Schaltkreis sind die Schalter gewöhnlich verläßlicher als der Kondensator.

Der Herzschrittmacher gemäß Fig. 1 ist vollständiger gezeigt als der Schrittmacher nach dem Stand der Technik in Fig. 2. Alle für einen Betrieb des Schrittmachers erforderlichen Komponenten sind dargestellt, einige in Form eines Blockdiagramms. Die stimulierende und indifferente Elektrode sind mit entsprechenden Leitungen 66, 64 verbunden, zwischen denen eine Zener-Diode 70 liegt. Im Gegensatz zu dem Widerstand 23 gemäß Fig. 2 ist der Widerstand 62 eine Hochimpedanz-Komponente, typischerweise 100 K, da er nicht zur Wiederaufladung eines Speicherkondensators dient. Der Kondensator 68 gemäß Fig. 1 dient der gleichen Funktion wie der Kondensator 68 gemäß Fig. 2, er ist ein Filterkondensator für die 3-V-Energiequelle. Der Kondensator 36 in Fig. 1 ist der Speicherkondensator, der einen Schrittmacherimpuls liefert, wenn derselbe entladen wird. Die gesamte an die Elektrode gelieferte Ladung wird von dem Kondensator abgeleitet. Wenn somit zwei 30-µF-Kondensatoren 15 und 25 in dem Schaltkreis gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 2 eingesetzt werden und eine äquivalente Serie Kapazitäten von 15 µF erbringen, sollte der Kondensator 36 einen Wert von nur 15 µF besitzen. Dieser Kondensator, der auf das Zweifache des Batteriepotentials aufgeladen wird, erzeugt die gleichen stimulierenden Stromimpulse wie die zwei 30-µF-Kondensatoren in dem Schaltkreis nach Fig. 2. Der in Fig. 1 gezeigte Kondensator 30 ist ein sehr kleiner "Pump"-Kondensator mit einer Größe von 0,1 µF. Wie weiter unten beschrieben, dient dieser Kondensator zum "Aufpumpen" des Kondensators 36 auf ein Potential, das gleich dem Zweifachen der Versorgungsspannung ist.

Der Verstärker 48 ist ein herkömmlicher Fühlverstärker, der auf die elektrische Aktivität in dem Herzen anspricht und die natürlichen Herzschläge feststellt. Der Ausgang eines Zeitgebers 50 ist normalerweise niedrig. Der Herzschrittmacher arbeitet auf "Anforderung" (VVI), indem der Schrittmacherimpuls nur dann erzeugt wird, wenn er benötigt ist. Wenn der Zeitgeber 50 so eingestellt ist, daß er eine Schrittmacherrate von 60 Schlägen pro Minute liefert, verbleibt der Ausgang des Zeitgebers so lange niedrig, wie natürliche Herzschläge mindestens einmal in jeder Sekunde festgestellt werden. Wenn jedoch eine Sekunde ohne das Auftreten eines natürlichen Herzschlages verstreicht, geht der Ausgang des Zeitgebers 50 für 0,5 Millisekunden hoch. Dies führt zu einer Erzeugung eines Schrittmacherimpulses.

Solange das Herz normal schlägt und der Ausgang des Zeitgebers 50 niedrig ist, ist der Ausgang eines Negators 14 hoch, um so einen Eingang des NAND-Tors 12 freizugeben. Der andere Eingang des Tors ist mit dem Ausgang eines 1-kHz-Oszillators 10 verbunden. Somit wechselt der Ausgang des Tors 12 mit einer Frequenz von 1 kHz alternierend von hoch auf niedrig. Wenn der Torausgang niedrig ist, wird der Transistor 20 offen gehalten, und die Transistoren 18A, 18B werden geschlossen gehalten. Diese beiden letzteren Transistoren bilden ein herkömmliches Übertragungstor, wobei ein Negator 16 das Anlegen entgegengesetzter Potentialwerte an die Torausgänge steuert. Der Ausgang des Tors 12 ist auch mit dem Eingang eines Pegelumsetzers 40 verbunden. Diese herkömmliche Anordnung arbeitet unter Lieferung eines niedrigen Potentials an ihrem Ausgang, wenn der Eingang (der Ausgang des Tors 12) niedrig ist. Wenn somit der Transistor 20 eingeschaltet und die Transistoren 18A, 18B ausgeschaltet sind, bewirken der Umsetzer 40 und der Negator 42, daß die Transistoren 32A, 32B angeschaltet bleiben und die Transistoren 34A, 34B abgeschaltet sind. Somit fließt der Strom von der positiven Zuführungsleitung durch den Transistor 20, den Kondensator 30 und die Transistoren 32A, 32B zu einer negativen Leitung, wobei sich der Kondensator 30 auflädt und seine linke Seite gegenüber seiner rechten Seite positiv ist.

Die einzige Funktion für den Pegelumsetzer 40 besteht darin, den N-Kanaltransistor 34B voll abzuschalten, sein Gate sollte auf dem negativsten Potential des Schaltkreises gehalten werden. Das negativste Potential ist nicht notwendigerweise das Potential der V-Leitung, da der Kondensator 36 sich auf das Zweifache der Batteriespeisung auflädt und somit die Unterseite des Kondensators mehr auf Negativ geht als das V-Potential an der negativen Leitung. Aus diesem Grunde wird das Potential an der Unterseite des Kondensators 36 auf den Pegelumsetzer 40 ausgedehnt, dessen Ausgang jeweils negativ bezüglich seiner zwei negativen Potentialeingänge ist, wenn der Ausgang des NAND-Tors 12 niedrig ist - entweder das V-Potential oder das Potential an der Unterseite des Kondensators 36. Wenn der Ausgang des NAND-Tors 12 hoch ist, ist der Ausgang des Pegelumsetzers 40 gleich dem Potential der V+-Leitung.

Die Ausgänge des Umsetzers 40 und des Negators 42 halten das Übertragungstor der Vorrichtungen 34A, 34B im geschlossenen Zustand, wenn das die Vorrichtungen 32A, 32B enthaltende Übertragungstor im angeschalteten Zustand vorliegt. Somit wird während des Aufladens des Kondensators 30 dieser nicht mit dem Kondensator 36 gekoppelt.

Während alternierender Halbzyklen des Oszillatorbetriebes ist der Ausgang des Tors 12 hoch. Das hohe, auf das Gate der Vorrichtung 20 gegebene Potential hält diese geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Vorrichtungen 32A, 32B ebenfalls abgeschaltet, und es sind nunmehr die Vorrichtungen 18A, 18B, 34A und 34B, die leiten. Demzufolge besteht eine Reihe von Verbindungen zwischen den V+- und V--Leitungen, die aus den Kondensatoren 30 und 36 und zwei Übertragungstoren bestehen. Die Ladung des Transistors 30 wird auf den Kondensator 36 übertragen, und die Spannung an letzterem wird erhöht. Der Aufbau erfolgt in Stufen. Während alternierender halber Zyklen des Betriebs des Kondensators 30 wird dieser aufgeladen. Zwischen den Zyklen wird die Aufladung des Kondensators 30 auf den Kondensator 36 übertragen. Da der Kondensator 30 stets mit seinem linken Belage positiv aufgeladen ist bezüglich des rechten Belags, wird der Kondensator 36 an seinem unteren Belag zu jedem Zeitpunkt seiner Beschickung auf Negativ bezüglich seines oberen Belags gehen. Die Spannungsänderungen über dem Kondensator 36 werden kleiner und kleiner, wenn sich der Kondensator 36 auflädt, jedoch wird der Kondensator 36 in weniger als einer Sekunde auf das Zweifache der Batteriespannung aufgeladen.

Wenn die Fühlvorrichtung 62, 48 feststellt, daß ein Schrittmacherimpuls erforderlich ist, geht der Ausgang des Zeitgebers 50 für 0,5 Millisekunden hoch. Der Ausgang des Negators 14 geht nach unten, und der Ausgang des Tors 12 geht nach oben. Dies führt dazu, daß der Ausgang des Umsetzers 40 nach oben geht, um einen Eingang an dem Tor 44 zu öffnen. Der andere Eingang des Tors ist direkt mit dem Ausgang des Zeitgebers 50 verbunden, so daß der Ausgang des Tors 44 0,5 Millisekunden lang nach oben geht. Da der Ausgang des Tors mit dem Gate des Transistors 38 verbunden ist, leitet dieser Transistor, und die Ladung an dem Speicherkondensator 36 wird durch die Vorrichtung an die stimulierende Elektrode abgegeben, Strom fließt durch das Herzgewebe und die indifferente Elektrode zu der V+-Leitung. Die Dauer des Impulses, während welcher sich der Kondensator entlädt, beträgt 0,5 Millisekunden, und dies entspricht einer Zeitspanne, während der der Ausgang des Tors 44 hoch bleibt. Es ist zu beachten, daß der Transistor 38 eine 50-N-Vorrichtung ist, und dies bedeutet, daß sein Einschaltwiderstand 50mal kleiner ist als sein Ausschaltwiderstand. Ein sehr geringer Widerstand in den Elektrodenleitungen ist angestrebt, wenn ein Stimulierungsimpuls dem Herzen des Patienten zugeführt werden soll, und aus diesem Grund ist der Transistor 38 ein "großes" Bauelement.

Während der Zeitspanne, während der ein Schrittmacherimpuls erzeugt wird, ist der Ausgang des Tors 12 hoch. Somit ist der Kondensator 36 nicht nur durch den Transistor 38 mit der stimulierenden Elektrodenleitung verbunden, sondern ebenfalls durch die Übertragungstore 34A, 34B, den Kondensator 30 und die Übertragungstore 18A, 18B mit der negativen Speiseleitung. Dies ist allerdings ohne Bedeutung, da ein vernachlässigbarer Strom von der stimulierenden Elektrodenleitung zu dem Kondensator 30 aufgrund der geringen Größe des Kondensators 30 umgeleitet wird.

Die Pulsiervorrichtung 46 wird an der Vorderflanke des 0,5-Millisekunden-Impulses, der auf den Eingang gegeben wird, getriggert. Wenn die Pulsiervorrichtung getriggert wird, erzeugt sie einen negativen Impuls, dessen Dauer festlegt, wie lange die Elektrodenleitungen 64, 66 miteinander kurzgeschlossen werden, so daß die Ladung an der verteilten Kapazität an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche aufgehoben werden kann. Der Ausgang der Pulsiervorrichtung wird auf das Gate des Transistors 60 gegeben, und wenn der Ausgang der Pulsiervorrichtung auf niedrig geht, wird der Transistor abgeschaltet. Der Transistor 60 ist groß, er besitzt eine sehr niedrige "Ein"-Impedanz, so daß die schnellste mögliche Entladung oder Erholung der verteilten Kapazität durch ein Kurzschließen der Elektrodenleitungen stattfindet. Sobald der Ausgang der Pulsierungsvorrichtung hoch wird, schaltet sich der Transistor 60 aus. Die Zeitspanne des Kurzschließens der Elektrodenleitungen ist unabhängig von der Wiederaufladung des Kondensators 36. Zu Ende des 0,5-Millisekunden-Schrittmacherimpulses geht der Ausgang des Tors 44 auf niedrig, so daß der Transistor 38 abgeschaltet wird. Dies trennt die beiden Elektrodenleitungen von dem Rest des Schaltkreises, der sofort damit beginnt, den Kondensator 36 "aufzupumpen" in Vorbereitung eines weiteren Schrittmacherimpulses.

Während die beiden Elektrodenleitungen kurzgeschlossen sind, wird der Fühlverstärker 48 abgeschaltet. Obgleich nicht gezeigt, versteht es sich, daß dieser Verstärker auf die Unterschiede in den Potentialen der stimulierenden und indifferenten Leitungen anspricht, und da beide kurzgeschlossen sind, ein Abfühlen unmöglich gemacht wird. Bei einem herkömmlichen Bedarfsschrittmacher ist eine absolute Erholungsspanne von etwa 100 Millisekunden wünschenswert; der Fühlverstärker sollte keine Herztätigkeit "feststellen", die sich aus dem Stimulierungsimpuls heraus ergibt, und schon gar nicht sollte dieser Stimulierungsimpuls als ein natürlicher Herzschlag interpretiert werden. Die Erholungsspannen-Steuerung erfolgt "automatisch", indem kein zusätzlicher Schaltkreis vorgesehen wird, um den Fühlverstärker auszuschalten, während die Leitungen kurzgeschlossen sind. Bei jedem VVI-Schrittmacher kann die Dauer jedes Impulses an dem Ausgang der Pulsiervorrichtung 46 so eingestellt werden, daß sie einen Wert von 300 Millisekunden erreicht. In anderen Fällen, wo eine kurze Erholungsdauer angestrebt wird, kann der Impuls kürzer sein. Wie weiter oben erläutert, führt ein Impuls, der kürzer als 8 Millisekunden ist, zu einer praktisch gesamten Ladungserholung.

Die Wichtigkeit einer niedrigen Einschaltimpedanz des Transistors 60 sollte beachtet werden. Selbst dann, wenn der Transistor über 300 Millisekunden angeschaltet ist, ist eine schnelle Erholung der Aufladung erwünscht. Wie weiter oben erwähnt, ist es eines der Probleme bei Schrittmacher-Schaltungen nach dem Stand der Technik, daß während der tatsächlichen Erholung der Ladung ein Ableiten von den verteilten Kapazitäten stattfindet und die abgeleitete bzw. verlorengegangene Ladung nicht wiedergewonnen werden kann. Schaltungen nach dem Stand der Technik bedingen einen umgekehrten Ionenfluß, der keinem anderen Zweck dient als dem Steuern eines Nettostroms von null durch die Elektroden. Bei dem Schaltkreis gemäß Fig. 1 ist es zweckmäßig, den Ladungsverlust so klein wie möglich zu halten, obgleich jede Ladung, die nicht aus den verteilten Kapazitäten an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche austritt oder abgeleitet wird, nicht zu einer nutzlosen Kompensation des umgekehrten Ionenflusses führt, da der Ladungsausgleichsprozeß passiv ist (Kurzschließen der Elektroden) im Gegensatz zu einem aktiven Verfahren. Aus diesem Grund ist ein wirksames Kurzschließen der Elektrodenleitungen zweckmäßig, und dies wird durch eine sehr niedrige Einschaltimpedanz für die Vorrichtung 60 bewirkt. Sowohl der Schalter 38 als auch 60 sollten Einschaltimpedanzen von unter 200 Ohm aufweisen.

Claims (3)

1. Herzschrittmacher mit einer Batterie (72), einem Paar Elektroden zur Zuführung eines Stimulierungsimpulses zu dem Herzen des Patienten, einer mit mindestens einer der Elektroden verbundenen Fühlvorrichtung (62, 48) zum Fühlen der Herztätigkeit, einem Speicherkondensator (36), einer Anordnung (50, 10, 12), die auf die Fühlvorrichtung (62, 48) zum Feststellen der Notwendigkeit eines Stimulierungsimpulses anspricht, einer Verbindungsanordnung (38, 34), die hierauf den Speicherkondensator (36) mit den Elektroden zwecks Zuführen eines Stimulierungsimpulses zu dem Patientenherz verbindet, und einer Anordnung (20, 32, 40, 30) zum Laden des Speicherkondensators (36) durch die Batterie (72) im Anschluß an das Zuführen eines Stimulierungsimpulses zu dem Herzen des Patienten, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an das Zuführen des Stimulierungsimpulses zum Herzen des Patienten die Verbindungsanordnung (38, 34) den Speicherkondensator (36) von den Elektroden trennt und eine Kopplungsanordnung (60) gleichzeitig die Elektroden miteinander verbindet, so daß der Speicherkondensator (36) durch die Batterie geladen werden kann, während die in dem Herzen des Patienten gespeicherte Ladung sich durch die Elektroden ausgleichen kann.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung (60) eine Zeitspanne in einem Bereich von 0,01-400 Millisekunden betrieben wird.

3. Herzschrittmacher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (62, 48) mit den Elektroden in Verbindung steht und nicht in der Lage ist, die Herztätigkeit abzufühlen, während die Kopplungsanordnung in Betrieb ist.