DE3237199C2 - Implantierbare medizinische Prothese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine implantierbare medizinische Prothese nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Speziell geht es um einen Herzschrittmacher.

Ein typischer Herzschrittmacher fühlt die elektrische Herztätigkeit ab und erzeugt davon abhängig Stimulierungsimpulse, die auf das Herzgewebe gegeben werden. Das abgefühlte Analogsignal wird gefiltert bei einer Bandbreite von 20-100 Hz. Anhand dieses Signals werden einzelne Ereignisse der Herztätigkeit erkannt, beispielsweise das Zusammenziehen der Kammer. Die Verarbeitung des gefühlten Signals zur Gewinnung von Stimulierungssignalen kann analog oder digital erfolgen.

Die digitale Verarbeitung hat mehrere Vorteile, unter anderem die genaue Darstellung des abgefühlten elektrischen Signals.

Bei der Umwandlung eines analogen Signals in eine digitale Darstellung wird häufig von der Deltamodulation Gebrauch gemacht. Die Deltamodulation ist eine Codiertechnik, mit deren Hilfe jedes analoge Signalmuster in beispielsweise einen 8 Bits umfassenden Digitalcode umgewandelt werden kann. Das 8-Bit-Muster kann dann entweder parallel oder seriell übertragen und verarbeitet werden. Ist die Auflösung bei dieser Umwandlung hoch genug, so stellt das in ein Analogsignal zurückverwandelte Signal ziemlich genau den Verlauf des ursprünglichen Analogsignals dar.

Ein Merkmal der Deltamodulation besteht darin, daß nicht jeder Wert eines Signals einzeln codiert wird, sondern nur die Differenz eines Augenblickswerts eines Signals zu einem früheren Wert codiert wird.

Eine implantierbare medizinische Prothese in Form eines Herzschrittmachers ist bekannt aus der WO 81/01 659. Bei dieser bekannten Prothese wird ein Deltamodulator dazu benutzt, das mit Hilfe der Elektrodenanordnung abgefühlte elektrische Signal umzuwandeln in eine digitale Darstellung. Der Deltamodulator empfängt das abgefühlte Analogsignal an einem Eingang einer Vergleicherschaltung, an dessen anderem Eingang die Kondensatoranordnung angeschlossen ist. An einer Seite des Kondensators ist eine gesteuerte Stromquelle angeschlossen, die sich intern aus zwei Stromquellenkomponenten zusammensetzt, damit entweder die eine Stromquelle der einen Seite des Kondensators Strom zuführt oder die andere Stromquelle der einen Seite des Kondensators Strom abzieht.

Weiter unten soll noch anhand der Fig. 1 und 2 näher ausgeführt werden, warum die Verwendung von getrennten Stromquellen bei einem solchen Deltamodulator problematisch ist. Besonders in Verbindung mit sich nur langsam ändernden Signalen, sodann, wenn man mit relativ wenigen Bits zur Darstellung des Analogsignals auskommt, ist ein präzises Arbeiten des Deltamodulators unerläßlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine implantierbare medizinische Prothese anzugeben, bei der die Umwandlung des abgefühlten elektrischen Signals in eine digitale Darstellung mit hoher Genauigkeit erfolgt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angebene Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die einfachste Form der Deltamodulation besteht in der Übertragung von Einzelbit-Musterdifferenzen. Die Übertragung einer 0 bedeutet einfach, daß das laufende Muster kleiner ist als das vorhergehende Muster; ein Bit im Wert von 1 stellt eine Zunahme in der Mustergröße dar. Eine größere Zunahme des Analogsignals von Interesse kann in einer langen Reihenfolge von Bits mit dem Wert 1 resultieren. An dem Empfangsende der Übertragungsverbindung nimmt das wiederhergestellte Signal stufenweise für jeden empfangenen Bit mit dem Wert 1 zu. Ähnliches gilt für die Übertragung einer Reihe von Nullen, wenn das zu verarbeitende analoge Signal in seiner Amplitude abnimmt. Ein beständiges Analogsignal wird einfach durch abwechselnd "0" und "1" dargestellt.

Obgleich andere Analog-zu-Digital-Umwandlungsschemen Anwendung finden können, ist die Anwendung der Einzelbit-Deltamodulation deshalb bevorzugt, da sie die relativ einfache Umwandlung eines Analogsignals an einer Elektrode in einen Bitstrom gestattet. Insbesondere im Fall eines Systems zur Überwachung elektrischer Signale, die die Herztätigkeit aufzeigen, ist die Deltamodulation bevorzugt, da sich das zu verarbeitende Analogsignal relativ langsam verändert und Einzelbit-Differenzmuster mit mäßigen Raten im Kilohertzbereich genügen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei Schaltkreise, die in allgemeiner Weise zeigen, wie ein Analogsignal mittels Deltamodulation in einen Bitstrom umgewandelt werden kann;

Fig. 3A und 3B die Weise, in der der Bitstrom der durch jeden der Schaltkreise gemäß Fig. 1 und 2 abgeleitet wird, zum Wiederherstellen eines Analogsignals verwendet werden kann;

Fig. 4A ein typisches Analogsignal, das durch den erfindungsgemäß erläuterten Herzschrittmacher verarbeitet werden kann, wobei die Fig. 4B und 4C die ersten und die zweiten Ableitungen des Signals wiedergeben;

Fig. 5-9 eine erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei die Fig. 6 den logischen Schaltkreis, in der Fig. 7 links angeordnet, wiedergibt;

Fig. 10 und 11 bestimmte Zeitgeberwellenformen, die ein Verständnis des Betriebes des logischen Schaltkreises gemäß Fig. 6 und 7 erleichtern.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 1 ist ein einfacher Deltamodulator zum Umwandeln eines Analogsignals am Eingang 11 in einen Digital-Bitstrom am Ausgang 13. Das Eingangssignal wird auf den Plus-Eingang eines Komparators 10 beaufschlagt. Der Ausgang des Komparators ist hoch oder niedrig und stellt eine Rechteckwelle an dem Ausgang 13 dar. (Der einfache Schaltkreis gemäß Fig. 1, der nicht unbedingt bevorzugt ist, enthält keinen Mechanismus für das Verändern des Ausgangs nur bei diskreten Taktintervallen). Die gestrichelte Linie 15 gibt den Steuerschalter 18 durch den Ausgang des Komparators wieder. Wenn der Komparatorausgang hoch ist, befindet sich der Schalter in der gezeigten Stellung, wenn der Ausgang niedrig ist, befindet sich der Schalter in der anderen Lage.

Der Kondensator dient als Integrator. Es sei angenommen, daß das Potential des Eingangssignals an dem Anschluß 11 größer als das Potential über dem Kondensator ist. Da das Kondensatorpotential am Minus-Eingang des Komparators auftritt, wird der Ausgang des Komparators hoch sein. In einem derartigen Fall ist die Stromquelle 12 durch den Schalter 18 verbunden, um den Kondensator 14 aufzuladen. Der Ausgang des Komparators verbleibt hoch, und der Schalter verbleibt in der gezeigten Lage, bis die Spannung über dem Kondensator 14 diejenige an dem Eingangsanschluß übersteigt. Wenn sodann der Ausgang des Komparators niedrig wird, verändert der Schalter 18 seine Lage, und die Stromquelle 16 dient dem Entladen des Kondensators. Der Gesamteffekt besteht darin, daß der Komparatorausgang die Lage des Schalters 18 steuert, so daß die Spannung an dem Kondensator 14 der Spannung an dem Eingangsanschluß folgt. Das Potential an dem Anschluß 13 zeigt an, ob das Eingangssignal zu- oder abnimmt. Durch Anwenden des Rechteckwellensignals an dem Anschluß 13 zwecks Steuern des Ladens und Entladens des anderen Kondensators, z. B. nach der Übertragung an eine andere Stelle, wird es ermöglicht, daß die Spannung an dem anderen Kondensator der Spannung an dem Anschluß 11 folgen kann. Da natürlich die Stromquellen 12 und 16 nicht augenblicklich den Kondensator 14 laden und entladen können, wird jedes aus der Wellenform an dem Anschluß 13 rekonstruierte Signal in seiner Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit verzögert, bzw. begrenzt.

Ganz abgesehen von der Tatsache, daß das System nach Fig. 1 nicht getaktet ist, so daß dessen Ausgang nicht tatsächlich einem Bitstrom entspricht, kann diese Schaltung keine Eingangssignal-Veränderungen in einem breiten Bereich verarbeiten. Der Schaltkreis gemäß Fig. 2 ergibt nicht nur einen getakteten Bit-Strom, sondern verarbeitet auch einen breiteren Bereich an Eingangssignalen. Der Kondensator 14 wird nun direkt durch die Quellenimpedanz geladen oder entladen, die an dem Anschluß oder der Klemme 11 auftritt. Der Plus-Eingang des Komparators 10 ist nun geerdet. Wenn z. B. das Eingangssignal zunimmt und ein positives Potential an dem Minus-Eingang des Komparators auftritt, ist der Ausgang des Komparators niedrig und, unter Ignorieren der Wirkung des Tors 22 und des Taktgebers 24, führt das niedrige Potential dazu, daß der Schalter 18 seine Stellung verändert. Somit ermöglicht die Stromquelle 16 ein Aufladen des Kondensators, wodurch das Potential an dem Minuseingang des Komparators verringert wird. Wenn andererseits das Potential an dem Minuseingang des Komparators negativ ist, wird der Ausgang hoch, der Schalter 18 verbleibt in der gezeigten Lage, und die Stromquelle 12 bedingt einen in entgegengesetzter Richtung fließenden Strom, unter Zurückkehren zu dem Potential an dem Minus-Eingang des zu erdenden Komparators. Höher ausschlagende Signale an dem Minus-Eingang des Komparators können aufgefangen werden; die Eingangssignal-Spannungsschwankung ist nur durch die Nenn-Spannung des Kondensators 14 begrenzt und die Eingangssignal- Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit ist lediglich durch den Wert des Kondensators 14 und den durchschnittlichen Wert des Ladestroms begrenzt.

Der Taktgeber 24 gibt das Tor 22 periodisch frei. Lediglich dann, wenn das Tor zunächst freigegeben wird, kann der Schalter 18 seine Lage verändern. Die gestrichelte Linie 15 ist lediglich symbolisch, die tatsächliche Auslegung des in der Fig. 2 dargestellten Schaltkreises kann einen Zwischenspeicher aufweisen, der mit jeder Erzeugung eines Taktgeberimpulses gesetzt oder zurückgestellt werden kann. Wenn der Schalter einmal eine Lage eingenommen hat, verbleibt er in dieser, bis der nächste Taktgeberimpuls ankommt. Somit beeinflußt der Ausgang des Komparators 10 die Schalterstellung lediglich einmal während jedes Taktgeberzyklus. Es ist zu beachten, daß das Potential an dem Ausgang 13 tatsächlich in der Mitte eines Taktgeberzyklus wechseln kann, wie sich der Kondensator 14 auf- oder entlädt. Es sind der Zustand des Schalters 18 und der Zustand des Zwischenspeichers, der diesen steuert, die für die Reihe der Bitwerte charakteristisch sind, da dieselben sich lediglich bei festgelegten Intervallen verändern. In ähnlicher Weise dient ein Zwischenspeicher zwischen dem Ausgang des Komparators und dem Ausgang 13 einem ähnlichen Zweck.

Unter der Annahme, daß die inkrementale Veränderung des Kondensatorpotentials, entweder eine Zunahme oder eine Abnahme während jedes Taktgeberzyklus gleich ist, ist es offensichtlich, daß die Größe einer Stufenveränderung in dem Eingangssignal durch die Anzahl der sukzessiven 0 oder 1 Bits widergespiegelt wird, die in Aufeinanderfolge erzeugt werden. Nur, nachdem das Kondensatorpotential mit demjenigen des Eingangssignals übereinstimmt, werden wahlweise 0 und 1 Bits erzeugt.

Die Fig. 3A zeig ein Analogsignal in Form einer Stufe, und Fig. 3B zeigt die Art und Weise, in der das Signal durch den Bitstrom, der von dem Deltamodulator abgeleitet wird, rekonstruiert werden kann. Jedes Bit mit dem Wert 1, die Ladung des Kondensators 14 wiedergebend, resultiert in einem diskreten Inkrement in dem rekonstruierten Signal. Die Inkremente treten nur bei einer Rate auf, bei der die Muster an die erste Stelle gerückt werden. Die gestrichelte Linie in der Fig. 3B, die dem Anstieg des rekonstruierten Signals folgt, zeigt, daß das gesamte System einer Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit unterliegt. Das rekonstruierte Signal kann keinem schnellen Wechsel in dem zu verarbeitenden Signal folgen, wie auch das Potential an dem Kondensator 14 nicht springen kann; es braucht eine gewisse Zeit, bis genug Bits mit dem Wert 1 empfangen werden, bevor das rekonstruierte Signal einen Wert gleich demjenigen des zu verarbeitenden Eingangssignals erreicht. Die gestrichelte Linie in Fig. 3B gibt die schnellste Rate wieder, mit der das rekonstruierte Signal verändert werden kann. Es ist ebenfalls zu beachten, siehe Fig. 3B, daß dann, wenn einmal ein "beständiger Zustand" erreicht ist, das rekonstruierte Signal tatsächlich wahlweise durch einzelne Inkremente in den zwei entgegengesetzten Richtungen verändert werden kann. Dies beruht darauf, daß der Schalter 18 jeweils die Ladung oder die Entladung des Kondensators 14 steuert und somit das Auflösungsvermögen des Systems durch die Größe jedes von dem rekonstruierten Signal beim Erreichen eines 1 oder 0 Bits genommenen Inkrements begrenzt ist.

Obgleich die Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit und die Auflösung auf alle Delta-Modulator-Schaltkreise zutreffen, und natürlich auch auf alle Digitalmusterschemen, geben die Wellenformen der Fig. 3A und 3B ein grundlegendes Problem bezüglich der Schaltung gemäß Fig. 2 wieder. Für einen reibungslosen Betrieb sollten die Stromquellen 12 und 16 identische Größe besitzen. Wenn dies nicht zutrifft, sollten langsame Veränderungen in dem zu überwachenden Eingangssignal nicht beachtet werden.

Dies läßt sich durch ein hypothetisches Beispiel verstehen, bei dem eine von zwei Stromquellen in ihrer Größe um 10% größer als die andere ist. Für ein konstantes Eingangssignal bedeutet dies, daß der Schalter 18 sich elfmal in der einen und dementsprechend nur zehnmal in der anderen Stellung befinden sollte. Dies ist der einzige Weg, durch den die von dem Kondensator 14 zur Verfügung gestellte durchschnittliche Nettoladung bei 0 liegt, wenn die zwei Stromquellen in ihrer Größe um 10% differieren. Der sich ergebende Bitstrom wird elf Bits eines Wertes pro zehn Bits eines anderen enthalten, und es ist unklar, ob dies auf den inherenten Fehler des Systems oder an einem sich verändernden Eingangssignal liegt. Somit ist der Prozentsatz der Differenz zwischen den zwei Stromquellen-Größen nicht dazu geeignet, Veränderungen in dem Eingangssignal, das bei einer Geschwindigkeit geringer als 10% der Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit auftritt, zu erkennen. Wie sich weiter unten ergibt, wird erfindungsgemäß ein Mechanismus vorgesehen, der sicherstellt, daß der integrierte Kondensator durch Ströme aufgeladen oder entladen wird, die in ihrer Größe tatsächlich identisch sind.

Vor einer weiteren Beschreibung des Erfindungsgegenstandes dürfte es jedoch zweckmäßig sein, die Art des zu verarbeitenden physiologischen Signals zu verstehen. Das herkömmliche elektrocardiographische Signal stellt ein Hautoberflächen-Potential dar. Das Signal stellt ein Zeit- und Raumintegral dar, indem es durch die elektrische Aktivität eines weiten Körperbereiches beeinflußt wird, und es ergeben sich ungleiche Verzögerungen im Signalempfang von den verschiedenen Teilen der Hautelemente, wo eine Überwachung stattfindet. Andererseits zeigt die Fig. 4A, was man unter einem "Elektrogramm"-Signal versteht, der Art eines Signals, das an einer Elektrode auftritt, die mit dem Herzgewebe verbunden ist. Das ventrikuläre Zusammenziehen resultiert in einem hervortretenden Signalsegment, das als "tatsächliche Ablenkung" bekannt ist und dessen Dauer etwa 10 Millisekunden beträgt. Es ist die tatsächliche Ablenkung des gesamten Elektrogramms, welches die beste Anzeige für eine ventrikuläre Zusammenziehung darstellt, das in einem Herzschrittmacher zur Stimulierung der ventrikulären Kontraktion wesentliche Element.

Es ist jedoch möglich, anstelle des Verarbeitens des Elektrogrammsignals, ein Signal zu verarbeiten, das eine erste Ableitung (Fig. 4B) oder ein Signal, das eine zweite Ableitung (Fig. 4C) desselben darstellt. Es ist tatsächlich die zweite Ableitung, die es ermöglicht, die genaueste Messung der Dauer der tatsächlichen Ablenkung durchzuführen. Die abgeleiteten Signale können digital gewonnen werden, ohne daß es erforderlich ist, Differenzierglieder mit diskreten Komponenten anzuwenden. Mit anderen Worten, ein Bitstrom, der Zunahmen und Abnahmen mit konstanten Stufen des Elektrogrammsignals wiedergibt, kann in digitale Werte umgewandelt werden, die Muster der abgeleiteten Signale darstellen. In einem derartigen Fall erfolgt immer noch nicht eine anfängliche Verarbeitung im Frequenzbereich, und die unmittelbare Umwandlung des Eingangssignals in einen Bitstrom ermöglicht es, daß die gesamte Verarbeitung im Zeitbereich erfolgt.

Es versteht sich weiterhin, daß es in vielen Fällen noch nicht einmal notwendig ist, einen diskreten Kondensator verbunden mit der Elektrode anzuwenden, an der das Elektrogrammsignal auftritt, wie den Kondensator 14 nach den Fig. 1 und 2. Körperflüssigkeiten sind elektrolytisch und führen zu einem natürlichen kapazitiven Effekt, der es ermöglichen kann, auf den Eingangskopplungskondensator zu verzichten. Bei dem System nach den Fig. 5 bis 9 wird jedoch ein getrennter Kondensator 30 (siehe die Fig. 5) in einer Weise aufgeladen und entladen, die vergleichbar zu derjenigen des Kondensators 14 nach der Fig. 2 ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Deltamodulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Leitung 38 ist mit der Stimulierungselektrode verbunden, und ein Bitstrom erscheint auf dem Ausgangsleiter 40. Das Bauelement 32 ist ein Operationsverstärker hoher Verstärkung, dessen Ausgang an dem Minuseingang des Komparators 34 angekoppelt ist. Zusammen stellen die zwei Elemente einen Komparator hoher Empfindlichkeit dar. Ein wichtiges Merkmal der Schaltung nach der Fig. 5 besteht darin, daß der gleiche von dem Transistor N2 abgeleitete Strom durch den Kondensator 30 in den zwei unterschiedlichen Richtungen geführt wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Kondensator 30 geladen oder entladen werden soll.

Die Schaltung nach der Fig. 5 weist drei Transmissionstore S1, S2 und S3 auf. Die Tore S1 und S2 werden durch das S1-Enable- (Fig. 6) und das S2-ENABLE- (Fig. 7) Signal gesteuert, wie weiter unten beschrieben. Das Tor S3 ist zwischen die Stimulierungselektrode und die Erdung geschaltet und ist sowohl in der Fig. 8 als auch in der Fig. 5 gezeigt. Wie anhand der Fig. 8 ersichtlich, wird dieses Tor durch das Ausgangssignal des Inverters 58 gesteuert. Die drei Tore oder Schalter A, B und C nach Fig. 5 werden durch die drei entsprechenden ENABLE-Signale gesteuert, die am unteren Ende der Fig. 7 gezeigt sind. Die sechs Steuersignale werden durch die logische Schaltung erhalten, die in Übereinstimmung mit dem Bitstrom arbeitet, der an dem Ausgang des Komparators 34 nach Fig. 5 auftritt. Die Art und Weise, in der die Steuersignale erhalten werden, wird weiter unten erläutert, jedoch wird zuvor die Schaltung nach der Fig. 5 beschrieben.

Der Transistor N1 setzt den Transistor N2 unter eine Vorspannung unter Abgabe eines konstanten Stroms. Der Strom fließt durch eines der Tore A, B oder C und durch einen der angeschlossenen Transistoren N3, N4 oder N5. Wie anhand der weiteren Ausführungen ersichtlich, kann nur eines der Tore A oder B zu einem gegebenen Zeitpunkt leitend sein. Wenn keines der Tore A und B leitend ist, ist das Tor C leitend. In dieser Weise fließt immer ein Strom durch die Schaltung. Der gleiche Strom fließt konstant durch den Transistor N2, wird jedoch unterschiedlich gesteuert in Abhängigkeit davon, welches der Tore, A, B oder C zu einem speziellen Zeitpunkt leitend ist. Das Tor C ist einfach vorgesehen, um sicherzustellen, daß ein Strom immer dann fließt, wenn eines der Tore A oder B leitend wird (zu diesem Zeitpunkt ist das Tor C nicht leitend), so daß keine Verzögerung bei dem Aufbau des Stroms eintritt. Der Transistor N2 ist in Kaskade angeordnet, um sicherzustellen, daß ein Strom mit gleicher Größe durch die Tore A, B und C fließt unabhängig davon, welches Tor leitend ist und unabhängig von den Potentialen an den Elementen, mit denen das Tor verbunden ist.

Immer wenn das Tor A leitend ist, ist das Tor S2 ebenfalls leitend, jedoch das Tor S1 nicht leitend. Somit fließt Strom von der Erdung durch das Tor S2 nach links durch den Kondensator 30 und nach unten durch den Transistor N3, das Tor A und den Transistor N2. Wie anhand der weiteren Ausführungen ersichtlich, wird das Tor S2 leitend, bevor das Tor A leitend wird und wird nicht leitend, nachdem das Tor A nicht leitend geworden ist. Somit kann Strom von rechts nach links durch den Kondensator 30 über die gesamte Dauer der Leitung des Tors A fließen.

Um einen vergleichbaren Stromfluß von links nach rechts durch den Kondensator 30 zu steuern, müssen die Tore S1, S3 und B gleichzeitig leitend sein (während das Tor S2 nicht leitend ist). In diesem Fall fließt der Strom von der Erdung durch die Tore S3 und S1, den Kondensator, den Transistor N4, das Tor B und den Transistor N2. Die Tore S1 und S3 werden leitend, bevor das Tor B leitend wird und dieselben werden nicht leitend, nachdem das Tor B nicht leitend geworden ist, wie weiter unten beschrieben. Somit leitet das Tor B den Strom während der gesamten Zeitspanne während dasselbe leitend gehalten wird (wahlweise kann der Strom durch die Elektrode und nicht durch das Tor S3 fließen. Das untere Ende des Tors S2 ist verbunden mit der Erdung wie in der Fig. 5 gezeigt. Tatsächlich ist das untere Ende des Tores nicht geerdet, sondern ist vielmehr mit dem Ausgang des Komparators 34 verbunden, wie durch die gestrichelte Linie 36 symbolisiert. Für ein richtiges Arbeiten der Schaltung darf der Komparator keine Hysterese besitzen, und die Kombination aus Verstärker und Komparator muß stabil sein, wenn das Tor S2 nicht leitend ist unter Abgeben einer einheitlichen Verstärkungskonfiguration. Der Grund für die gestrichelt gezeigte Verbindung wird weiter unten erläutert, jedoch ist es leichter, die Arbeitsweise der Schaltung zu verstehen, wenn das untere Ende des Tors S2 als geerdet betrachtet wird, wie in der Fig. 5 gezeigt.

Die logische Schaltung "mustert" zunächst das Eingangssignal an der Stimulierungselektrode, um festzustellen, in welcher Richtung der Strom durch den Kondensator 30 fließen sollte. Während der Musterungszeit sind die beiden Tore A und B nicht leitend und somit ist das Tor C leitend. Der durch den Transistor N2 abgegebene konstante Strom fließt durch den Transistor N5 und das Tor C, hat ansonsten aber keine Wirkung auf das Arbeiten der Schaltung.

Während des Musterungsintervalls wird das Tor S1 leitend gehalten, während die Tore S2 und S3 nicht leitend gehalten werden, d. h. das S1-Enable-Signal nach der Fig. 6 ist hoch, das S2-Enable-Signal nach Fig. 7 ist niedrig, und das S3′-Signal nach Fig. 8 ist hoch. Die Differenz zwischen dem Potential des Eingangssignals und des an dem Kondensator 30 liegenden Potentials erscheint an dem Pluseingang des Verstärkers 32. Unter der Annahme, daß der Kondensator 30 ursprünglich entladen und das Eingangssignal positiv ist, geht der Ausgang des Komparators 34 nach niedrig unter Anzeigen eines zunehmenden Eingangssignals. Während der Musterung wird der Kondensator 30 nicht geladen oder entladen, da derselbe mit dem Pluseingang des Operationsverstärkers 32 verbunden ist, der eine sehr hohe Impedanz aufweist. Nach dem Mustern der logischen Schaltung, die das negative Ausgangssignal an dem Komparator 34 festgestellt hat, unter Anzeigen eines sich vergrößernden Signals an der Stimulierungselektrode, werden die Tore S1, S3 und B leitend gemacht, die Tore S2 und A verbleiben nicht leitend. Somit fließt Strom von links nach rechts durch den Kondensator 30 unter Aufladen desselben. Derselbe Vorgang tritt ein nach aufeinanderfolgenden Musterungen, bis der Kondensator 30 auf den Wert des Eingangssignals aufgeladen worden ist. Andererseits gilt, daß immer dann, wenn das Eingangssignal auf einen Wert unter denjenigen des Kondensators abfällt, das Potential an dem Pluseingang des Verstärkers 32 negativ sein wird nach Entnahme eines Musters, und das sich ergebende Bit an dem Ausgang des Komparators 34 positiv wird. Die logische Schaltung steuert nun das Leitendwerden der Tore S2 und A. (Wie weiter unten beschrieben, wird das Tor S3 ebenfalls leitend gehalten, jedoch hat dies keine Wirkung auf den Stromfluß, da das Tor S1 nicht leitend gehalten wird.) Solange das Tor A leitend gehalten wird, fließt Strom durch das Tor S2 nach links durch den Kondensator 30 und nach unten durch die Transistoren N3, Tor A und N2. Der Kondensator wird somit entladen. Dieser Prozeß setzt sich fort, wobei der Kondensator 30 während jedes Zyklus geladen oder entladen wird in Übereinstimmung mit dem Wert des Ausgangssignals des Komparators 34 sobald die vorangehende Musterung durchgeführt worden ist. Die Tore A und B werden leitend, wenn sie es sind, über das gleiche Intervall, da die gleiche konstante Stromquelle N2 für das Steuern des Stromflusses durch den Kondensator 30 in beiden Richtungen angewandt wird. Es ist offensichtlich, daß der Kondensator um einen gleichen Betrag jedes Arbeitszyklus geladen oder entladen wird und es wird kein Fehler eingeführt, bedingt durch das Anwenden von Stromquellen unterschiedlicher Größe für das Laden und Entladen des Kondensators.

Wenn das Eingangssignal konstant und der Kondensator 30 stabilisiert ist, treten abwechselnd Bitwerte von 0 und 1 an dem Ausgang des Komparators 34 auf und der Kondensator 30 wird abwechselnd geladen und entladen.

Wie weiter unten beschrieben, werden im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses alle Tore S1, S2 und S3 leitend. Das Tor S3 wird 5 Millisekunden lang leitend und schließt die zwei Elektroden miteinander kurz, da die indifferente Elektrode geerdet ist, siehe Fig. 8. Der Grund ist der, daß man den größten Teil der in dem Herzgewebe gespeicherten Ladung zurückgewinnt. Während der größte Teil der in den Elektrode- Elektrolyt-Grenzflächen gespeicherten Ladung während dieser 5 Millisekunden zurückgewonnen werden kann, verbleibt eine gewisse Ladung, und das an der Stimulierungselektrode vorliegende Potential kann in der Größenordnung von 0,5 V zu dem Zeitpunkt liegen, zu dem das Tor S3 nicht leitend wird. Während 0,5 V wesentlich weniger als ein typischer 5-V-Schrittmacherimpuls ist, muß der Kondensator 30 aufgeladen oder entladen werden, bis dessen Potential diese anfängliche Spannung angenommen hat, bevor die Verfolgung des zu überwachenden physiologischen Signals beginnen kann. Es kann mehrere 10 Millisekunden erfordern, bevor der Kondensator sich wieder erholt, und die Systemlogik kann den resultierenden Bitstrom an dem Ausgang des Komparators 34 während dieses Intervalls ignorieren. Bei einem praktischen Schrittmacher wird ohnehin üblicherweise eine längere Refraktärperiode vorgesehen, damit die Nachwirkungen des Schrittmacherimpulses ignoriert werden können. Es ist somit nichts Außergewöhnliches, daß die logische Schaltung die anfängliche Bitwerte an dem Ausgang des Comparators 34 ignoriert. Es wird jedoch ein Mechanismus vorgesehen, durch den die Kondensatorerholung beschleunigt wird.

Während der Zeit, in der das Tor S3 im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses leitend gehalten wird, werden die Tore S1 und S2 ebenfalls leitend gehalten. Diese werden jedoch zusätzliche 1 bis 2 Millisekunden leitend gehalten, um die Kondensatorerholung zu beschleunigen, d. h. indem ein direkter Weg gegeben ist, der den Kondensator zwischen den Eingangsanschluß und die Erdung schaltet.

Aber selbst eine einwandfreie Erholung des Kondensators ist nicht ausreichend. Jeder praktische Operationsverstärker oder Komparator weist eine Verlagerungsspannung auf, z. B. im 25-Millivoltbereich für einen typischen CMOS-Operationsverstärker, stärker, und dies ist in der Praxis eine eingebaute Schwellenwertspannung. Der Ausgang des Komparators verändert sich nicht, bis der Eingang die Verlagerungsspannung erreicht. Mit anderen Worten, obgleich der Pluseingang des Verstärkers 32 ein Potential von null im Anschluß an die Erholung aufweisen kann, gilt doch für den Gesamtkomparator, daß dies nicht der "Entscheidungspunkt" für den tatsächlichen Schwellenwert der Vorrichtung ist. Aus diesem Grund ist das untere Ende des Tors S2 mit dem Ausgang des Komparators 34 und nicht mit der Erdung verbunden, wie tatsächlich in der Fig. 5 gezeigt. Die Rückkopplung von dem Ausgang des Komparators zu dem Eingang führt tatsächlich zu einem Laden oder Entladen des Kondensators 30, so daß der Pluseingang des Verstärkers 32 unter Vorspannung steht gegenüber dem Verlagerungspotentials des Komparators. Mit anderen Worten, die negative Rückkopplung kompensiert die Verlagerungsspannuung durch Aufladen oder Entladen des Kondensators. Dies ist eine Standardarbeitsweise nach dem Stand der Technik für das Kompensieren der Wirkung der Verlagerungsspannung, und es müssen die üblichen Vorsichtsmaßnahmen bezüglich der Stabilität beachtet werden.

Nach dieser allgemeinen Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung nach der Fig. 5 wird nachfolgend die Logik für das Steuern des Leitens und Nichtleitens des Tors beschrieben. Die Logik als solche ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt, und ein großer Teil der Arbeitsweise der Schaltung ist in den Wellenformen der Fig. 10 und 11 wiedergegeben.

Es wird ein 4-kHz-Taktsignal an den CLK-Eingang des Flip-Flops FF1 gelegt. Die Flip-Flops FF1, FF2 und FF3 sind als Teile-durch- zwei-Zähler angeordnet und liefern 2-kHz- 1-kHz- und 500-Hz-Taktsignale. Es sind diese Taktsignale, die die Arbeitsweise der Tore S1, S2 und S3 und der Tore A, B und C bestimmen, um so die Musterung und das Laden/Entladen des Kondensators 30 zu steuern. (Die Tore S1, S2 und S3 werden bezüglich ihrer Arbeitsweise weiter gesteuert, wenn ein Schrittmacherimpuls erzeugt wird, doch erfolgt dies nicht unter der direkten Steuerung der Taktsignale und wird weiter unten beschrieben). Die ersten vier Wellenformen der Fig. 10 zeigen das ursprüngliche und die drei davon abgeleiteten Taktsignale.

Das Tor G2 wird durch die zwei höchsten Taktfrequenzen gesteuert, und dessen Ausgangssignal ist als die fünfte Wellenform der Fig. 10 wiedergegeben. Das Tor G3 wird durch die zwei niedrigsten Taktsignale gesteuert und dessen Ausgangssignal wird dem CLK-Eingang des Flip-Flops FF5 zugeführt. Ein gleiches Signal wird durch den Inverter I15 invertiert, und somit ist das Ausgangssignal des Inverters das DECISION-Signal. Dieses Signal ist als die sechste Wellenform in der Fig. 10 wiedergegeben. Da es das -Signal ist, das dem CLK-Eingang des Flip-Flops FF5 zugeführt wird, und das Flip-Flop auf der Vorderflanke getaktet wird, wird das Flip-Flop auf derRückflanke des DECISION-Signals getaktet, siehe die Fig. 10. Das Ausgangssignal des Komparators 34 gemäß Fig. 5 wird nach Inversion durch den Inverter I113 in dem Flip-Flop FF5 bei der Rückflanke des DECISION-Signals gehalten. Es ist der Zustand des Flip-Flops FF5, der bestimmt, ob der Stromfluß durch den Kondensator 30 gemäß Fig. 5 durch die Tore S2 und A und die Tore S1 und B gesteuert werden soll. Wie weiter oben beschrieben, muß das Tor S3 leitend sein, damit die Tore S1 und B den Stromfluß von links nach rechts durch den Kondensator 30 steuern. Tatsächlich wird das Tor S3 selbst dann betätigt, wenn der Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung verläuft, weil zu einem derartigen Zeitpunkt das Tor S1 nicht leitend ist und die Leitung durch das Tor S3 keine Wirkung auf den Kondensator hat. Das Tor S3 muß jedoch nicht leiten während der Musterung, so daß nicht der Eingangsanschluß kurzgeschlossen wird, wobei zu diesem Zeitpunkt das Tor S1 leitend und das Tor S2 nicht-leitend ist.

Das Tor G4 wird durch das Inverse der zwei Taktsignale gesteuert, die das Tor G3 steuern. Das Signal an dem Ausgang des Inverters I4 unterscheidet sich jedoch von dem DECISION-Signal, da sie durch unterschiedliche Ausgangssignale der Flip-Flops FF3 und FF3 gesteuert werden. Das eine hat das gleiche Tastverhältnis, ist jedoch geringfügig verzögert. Das I4-Signal wird im Tor G14 mit dem Signal an dem Ausgang des Tors G2 kombiniert, und zwar nach Inversion des letzteren durch den Inverter I3. Das Signal an dem Ausgang des Tors G14 wird durch den Inverter I14 invertiert und dient als Taktsignal für das Flip-Flop-FF6. Das Signal an dem Ausgang des Inverters I14 ist als die letzte Wellenform in der Fig. 10 wiedergegeben, und man sieht, daß das Flip-Flop FF6 getaktet wird kurz nachdem ein Muster in dem Flip-Flop FF5 auf der Rückflanke des DECISION-Signals gespeichert worden ist. Es ist der Zustand des Flip-Flops FF6, der tatsächlich den Zustand des Tors S1 steuert, da das S1-Enable-Signal von dem Q-Ausgang des Flip-Flops FF6 abgeleitet ist.

Die Tore G15, G17 und G18 ergeben einen kurzen Impuls gleich den Schaltzeiten der drei Vorrichtungen. Das S1-CONTROL-Signal ist normalerweise hoch, so daß es keine Wirkung auf das Tor G16 hat. (Das S1-CONTROL-Signal geht nach niedrig unter Steuern des Leitendwerdens des Tors S1 lediglich nach der Erzeugung eines Schrittmacherimpulses, wie weiter unten erläutert.) Das Ergebnis besteht darin, daß nach einer kurzen Verzögerung jede Vorderflanke des DECISION-Signals zu einem positiven Schritt am Setzeingang des Flip-Flops FF6 führt, und der Q-Ausgang geht hoch unter Leitendmachen des Tors S1. Wie weiter oben beschrieben, wird das Tor S1 leitend gemacht, während jedes Musterungsintervalls, so daß das Potential an der Stimulierungselektrode durch den Komparator abgefühlt werden kann. Durch Leitendwerden des Tors S1 zu Beginn jedes DECISION-Impulses, wie in der zweiten Wellenform der Fig. 11 gezeigt, jedoch unter Verriegeln des Komparatorausgangs in dem Flip-Flop FF5 lediglich im Anschluß an das Ende jedes DECISION-Impulses, steht fast die volle Dauer des DECISION-Impulses für den Komparator zur Verfügung zur Bestimmung der Richtung, in der der Strom durch den Kondensator 30 fließen sollte, damit die Kondensatorspannung das Potential an der Stimulierungselektrode verfolgt.

Obgleich das Ableiten des S1-CONTROL-Signals weiter unten beschrieben ist, ist zu beachten, daß bei Niedrighalten dieses Signals das Flip-Flop FF6 seinen Eingang hoch hält, so daß das S1-ENABLE-Signal ebenfalls hoch bleibt. In dieser Weise wird das Tor S1 leitend gehalten im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses. Sobald das S1-CONTROL-Signal wieder hochgeht, wird der Zustand des Flip-Flops FF6 durch die Werte der nachfolgenden Muster gesteuert.

Das Flip-Flop FF7 steuert den Zustand des Tors S2. Das S2-CONTROL-Signal wird, wenn es hoch ist, dazu angewandt, das Flip-Flop in dem eingestellten Zustand zu halten, so daß das Tor S2 leitend gehalten wird im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses. Außer dieser Steuerung dieses Schrittmacherimpulses steuert das Flip-Flop FF7 das Tor S2 in Abhängigkeit von dem in dem Flip-Flop FF5 gespeicherten Musterwert, so wie das Flip-Flop FF6 den gleichen Musterwert dazu benutzt, das Tor S1 zu steuern. Es ist der -Ausgang des Flip-Flops FF5, der mit dem D-Eingang des Flip-Flops FF7 verbunden ist, der den Zustand des letzteren Flip-Flops steuert, so wie der Q-Ausgang des Flip-Flops FF5 in Verbindung mit dem D-Eingang des Flip-Flops FF6 den Zustand dieses letzteren Flip-Flops steuert. Bezüglich des Flip-Flops FF7 wirken mehrere Tore auf die verschiedenen Taktsignale ein unter Ableiten eines Rückstellsignals an dem Ausgang des Inverters I12 und eines Taktsignals an dem Ausgang des Inverters I8. Diese beiden Signale sind in der Wellenform in der Fig. 11 gezeigt. Die Fig. 11 zeigt ebenfalls drei Wellenformen, die zeigen, warum die Arbeitsweisen des S1- und S2-Tors sich gegenseitig ausschließen (mit Ausnahme an den Anschluß an einen Schrittmacherimpuls). Die Wellenform Q gemäß Fig. 11 stellt den Zustand des Flip-Flops FF5 dar. Die Wellenform S1 ist das S1-ENABLE-Signal, d. h. es gibt den Zustand des Flip-Flops FF6 wieder. Die Wellenform S2 ist das S2-ENABLE-Signal, d. h. es gibt den Zustand des Flip-Flops FF7 wieder. Bezüglich der Fig. 11 sei angenommen, daß das erste durch den Komparator abgeleitete Muster eine Null ist, so daß der Ausgang des Inverters I13 hoch ist. Es sei weiterhin angenommen, daß das nächste Muster eine Eins ist, so daß der Ausgang des Inverters I13 niedrig ist. Unabhängig von dem Zustand des Flip-Flops FF5 vor der abfallenden Flanke des ersten DECISION-Impulses Impulses (wie durch die Schraffierung in d er Q-Wellenform in der Fig. 11 symbolisiert), stellt die erste fallende Flanke dieses DECISION-Impulses das Flip-Flop FF5 in den Einszustand, und dessen Q-Ausgang geht hoch. Das Flip-Flop verbleibt in diesem Zustand, bis die fallende Flanke des nächsten DECISION-Impulses auftritt und zu diesem Zeitpunkt der Q-Ausgang niedrig wird, da der Ausgang des Inverters I13 nun für das neue Muster niedrig ist.

Bei Aufladen des Kondensators 30 ist das Tor S1 leitend. Es muß ebenfalls während der Musterung leitend sein, d. h. beginnend mit der ansteigenden Flanke des DECISION-Impulses. Es gibt keinen Grund, das Tor zwischen diesen zwei Vorgängen nicht-leitend zu machen. Andererseits ist das Tor S2 während der Entladung des Kondensators 30 nicht leitend, und dasselbe muß für die Musterung zu Beginn des DECISION-Impulses leitend gemacht werden. Die linke Seite der S1-Wellenform nach Fig. 11 ist schraffiert gezeigt, da eine Annahme gemacht wird bezüglich des anfänglichen Zustandes des Flip-Flops FF6. An der steigenden Flanke des ersten DECISION-Impulses wird das Flip-Flop FF6 gesetzt, und das S1-Signal geht hoch. Wenn der Inverter I14 das Flip-Flop taktet, wird der Zustand des Flip-Flops FF5 - wiedergegeben durch die Q-Wellenform nach Fig. 11 - zu dem Flip-Flop FF6 übertragen. In dem Fall des ersten in den Wellenformen wiedergegebenen Musters verbleibt das Flip-Flop FF6 einfach in dem Einszustand. In ähnlicher Weise hat die ansteigende Flanke des nächsten DECISION-Impulses, der ansonsten das Flip-Flop setzt, keine Wirkung, da das Flip-Flop bereits gesetzt ist. Es ist lediglich der zweite I14 Taktimpuls, der das Flip-Flop zurückstellt, da das zweite Muster dazu geführt hat, daß der Q-Ausgang des Flip-Flops FF5 niedrig ist.

Immer wenn der Ausgang des Inverters I12 hochgeht, wird das Flip-Flop FF7 zurückgestellt, und das S2-ENABLE-Signal wird niedrig, Die linke Seite der S2-Wellenform ist gemäß Fig. 11 schraffiert, da keine Anahme gemacht wird bezüglich des ursprünglichen Zustands des Flip-Flops FF7, jedoch ist das Signal niedrig beginnend mit der Vorderflanke des I12-Rückstellimpulses. Das Flip-Flop wird auf ansteigenden Flanke jedes durch den Inverter I8 erzeugten Impulses getaktet, und der Zustand des Flip-Flops wird durch das Signal an dem -Ausgang des Flip-Flops FF5 bestimmt (die inverse Form desselben ist als die Q-Wellenform gemäß Fig. 11 gezeigt). Da das erste in dem Flip-Flop FF5 gespeicherte Muster eine Eins ist, verbleibt die S2-Wellenform nach Fig. 11 niedrig, wenn der erste Taktimpuls durch den Inverter I8 erzeugt wird. Da das zweite in dem Flip-Flop FF5 gespeicherte Muster eine Null ist, wird das Flip-Flop FF7 in den Einszustand gestellt, wenn der zweite Taktimpuls von dem Inverter I8 erzeugt wird, wie durch die Wellenform gemäß Fig. 11 gezeigt. Das Flip-Flop wird wiederum zurückgestellt an der ansteigenden Flanke des nächsten durch den Inverter I12 erzeugten Impulses.

Es gibt mehrere wichtige zu beachtende Dinge bezüglich der S1- und S2-Wellenformen gemäß Fig. 11. Das erste besteht darin, daß sich die Signale niemals überlappen (mit Ausnahme im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses, wenn beide hoch sind, wie weiter unten erläutert). Zu einem beliebigen Zeitpunkt sollte lediglich eines der zwei Tore leitend sein zum Steuern des Stromflusses durch den Kondensator 30, um denselben somit aufzuladen oder zu entladen. Während das S2-Tor immer durch einen Rückstellimpuls am Flip-Flop FF7 durch den Inverter I12 nicht-leitend gemacht wird, gibt es kein automatisches Nichtleitendmachen des Tors S1. Dieses Tor wird nur nichtleitend, wenn das in dem Flip-Flop FF5 gespeicherte Muster es erforderlich macht, daß das Tor nicht-leitend wird. Ansonsten kann das Tor kontinuierlich leitend bleiben. Dies beruht darauf, daß das Tor leitend sein muß sowohl während der Musternahme als auch während des Aufladens des Kondensators 30, wenn Strom von links nach rechts durch denselben fließt. Es gibt keinen Grund, das Tor nichtleitend zu machen, es sei denn, daß Strom durch den Kondensator 30 in entgegengesetzter Richtung fließen muß. Das Tor S2 ist jedoch immer nichtleitend, nachdem ein Entladungsstrom von rechts nach links durch den Kondensator fließt, da dieses Tor nichtleitend sein muß, wenn das nächste Muster genommen wird.

Es wurde weiter oben betont, daß der Kondensator 30 in konstanten Schritten im Anschluß an das Nehmen eines Musters geladen oder entladen werden sollte. Die Tatsache, daß die Tore S1 und S2 unterschiedlich lang leitend gehalten werden, ist von keiner Bedeutung, da der Strom tatsächlich durch den Kondensator 30 nur dann fließt, wenn eines der Tore A oder B leitend ist (obgleich das Tor S1 während der Musterperiode und sogar während anderer Teile jedes Zyklus leitend bleibt, wenn ein Lade- oder Entladungsstrom durch den Kondensator 30 nicht tatsächlich erforderlich ist, ist dies von keinerlei Wichtigkeit, da kein wesentlicher Strom durch den Kondensator 30 fließen kann, wenn nicht eines der Tore B oder S1 leitend ist. Es sei daran erinnert, daß der Pluseingang des Verstärkers 32 einen wesentlich kleineren Eingangsstrom als Nanoampere aufweist). Man läßt gleiche Ströme in den zwei Richtungen durch den Kondensator 30 fließen, wenn das Tor S1 oder S2 leitend ist, indem man die Tore A und B gleiche Zeitspannen lang leitend macht. In dieser Weise lädt oder entlädt der gleiche Strom von der Stromquelle N2 den Kondensator über das gleiche Zeitintervall während jedes Zyklus.

Unter Bezugnahme auf die A- und B-Wellenformen nach Fig. 11, die die A-ENABLE- und B-ENABLE-Signale an dem unteren Ende der Fig. 7 wiedergeben, sieht man, daß jeder Impuls nach der Erzeugung die gleiche Dauer besitzt. Es ist weiterhin zu beachten, daß jeder Impuls auftritt, während das entsprechende S1- oder S2-Signal hoch ist. Wie weiter oben beschrieben, ist das Tor S1 oder S2 leitend vor dem Leitendwerden des entsprechenden der Tore B oder A, und das Tor S1 oder S2 wird nichtleitend gemacht bis zu dem Zeitpunkt nach Nichtleitendwerden des entsprechenden der Tore B oder A. Welches der Tore A oder B leitend gemacht wird, wird durch den Zustand des Flip-Flops FF4 gesteuert. Der Zustand des Flip-Flops wird durch den -Ausgang des Flip-Flop FF5 bestimmt, d. h. den Wert des letzten Musters. Die verbleibende Logik gemäß Fig. 7 steuert einfach das Takten des Flip-Flops FF4 sowie ein Hochtasten einer der A-ENABLE- oder B-ENABLE-Leitungen während jedes Zyklus. Die Logik steuert das C-ENABLE-Signal nur auf hoch, wenn beide A-ENABLE- und B-ENABLE-Signale niedrig sind, so daß die Stromquelle N2 immer einen konstanten Strom liefert, welbst wenn der Kondensator 30 nicht geladen oder entladen wird. Die A- und B-Wellenformen gemäß Fig. 11 können abgeleitet werden vermittels Zeichnen der Zwischensteuerungs-Wellenformen, wie allgemein bekannt. Unter Bezugnahme auf die grundlegende Taktwellenformen gemäß Fig. 10 und die A- und B- Wellenformen gemäß Fig. 11 sieht man, daß die Gesamtzyklen mit einer 500-Hz-Rate auftreten, wobei der Kondensator 0,5 Millisekunden während jedes Gesamtzyklus geladen oder entladen wird.

Die Fig. 9 zeigt eine sehr einfache beispielhafte Schaltung für das Bestimmen des Auftretens eines interessierenden Vorgangs am Herzen, ausgehend von den durch die Deltamodulator-Schaltung abgeleiteten Mustern. Die A-ENABLE- oder B-ENABLE-Leitung wird während jedes Zyklus hochgepulst. Diese zwei Signale werden durch das ODER-Tor 82 und die Verzögerungsanordnung 84 dem Takteingang des Schieberegisters 80 zugeführt. Somit wird das Schieberegister einmal während jedes Gesamtzyklus getaktet. Der Dateneingang des Schieberegisters wird mit dem A-ENABLE-Signal beaufschlagt, obgleich das B-ENABLE-Signal stattdessen angewandt werden kann, da das eine das Inverse des anderen ist. Das Ergebnis besteht darin, daß die vier letzten Proben immer in den aufeinanderfolgenden Stufen des Schieberegisters wiedergegeben werden. Die Tore 86 und 88 stellen das Vorliegen von vier Nullmustern oder vier Einsmustern fest, und das ODER-Tor 89 pulsiert seinen Ausgangsleiter 90 in jedem Fall. Dies bedeutet, daß vier aufeinanderfolgende Muster des gleichen Wertes, die entweder ein ansteigendes oder abfallendes Segment des Elektrogrammsignals wiedergeben, als eine ventrikulare Kontraktion für das Steuern der Schrittmacherzeitfunktion behandelt werden. Da das Elektrogrammsignal steigende und fallende Teile aufweist entsprechend jeder ventrikularen Kontraktion, ist es möglich, den Leiter 90 zweimal für jede ventrikulare Kontraktion zu pulsieren. Dies ist jedoch ohne Bedeutung, da herkömmliche Schrittmachersysteme so ausgelegt sind, daß sie festgestellte Signale innerhalb einer Refraktärperiode im Anschluß an das Feststellen einer ventrikularen Kontraktion ignorieren, das zweite Pulsieren des Leiters 90 würde stets innerhalb dieser Refraktärperiode auftreten.

Die Stufengröße, d. h. die Inkrementänderung des Potentials des Kondensators 30 während jedes Gesamtzyklus, ist ebenfalls ein zu berücksichtigender Faktor. Wenn die Größe des durch den Transistor N2 abgegebenen Stroms zu groß ist, kann das Kondensatorpotential sogar ein Überschwingen jedes Musters bedingen, und das Verfolgen des Eingangssignals würde nicht möglich sein. Alles, was hier eintreten würde, wäre das Erzeugen einer Aufeinanderfolge abwechselnder Nullen und Einsen. Die Stufengröße muß ausreichend schmal sein, um sicherzustellen, daß eine Aufeinanderfolge von Bitmustern lediglich eines Wertes resultiert, sobald das Kondensatorpotential mit dem Eingangssignal "aufschließt". Durch Erzeugen einer Mustersequenz dieser Art kann das Auftreten eines interessierenden Vorganges bestimmt werden.

Der restliche Anteil der Schrittmacherschaltung ist in der Fig. 8 gezeigt. Unter Hinweis auf die Fig. 5 sieht man, daß das Tor S3 zwischen die Stimulierungselektrode und die Erdung geschaltet ist. Dieses gleiche Tor ist in der Fig. 8 so gezeigt, daß es zwischen die Stimulierungselektrode 62 und die indifferente Elektrode 60 geschaltet ist, da die letztere geerdet ist. Ein Zweck des Tors besteht darin, die zwei Elektroden miteinander kurzzuschließen im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses, um so den größten Teil der in den Elektrode-Elektrolytgrenzflächen gespeicherten Ladung zurückzugewinnen. Der andere Zweck des Tors besteht darin, das Tor S1 zu erden, wenn der Kondensator 30 geladen werden soll, obgleich der Kondensator 30 durch die Elektrode als solche geladen werden kann. Die Schaltung nach der Fig. 8 entwickelt ein Signal für das Leitendmachen des Tors S3 sowie der S1- und S2-CONTROL-Signale für das gleichzeitige Leitendmachen der Tore S1 und S2 im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses, wie weiter oben beschrieben.

Das Tor S4 nach Fig. 8 verbindet einfach die Stimulierungselektrode mit der negativen Spannungsquelle. Dieses Tor wird immer dann leitend gemacht, wenn ein Schrittmacherimpuls erzeugt werden soll. (Wahlweise könnte ein Ladungsspeicherkondensator angewandt werden, wie es nach dem Stand der Technik üblich ist, wobei der Kondensator durch das Tor in die Elektrode entladen wird, wenn ein Schrittmacherimpuls erforderlich ist. Die Einzelheiten dieser herkömmlichen Arbeitsweisen sind hier nicht für das Verständnis des Erfindungsgegenstandes erforderlich, und somit zeigt die Darstellung einfach das Anwenden eines Tors S4 für das Steuern der Verbindung der Batterie mit der Stimulierungselektrode). Es ist hier ein Inverter 52 gezeigt als Treibertor S4, da ein negativer Impuls durch den Treiberkreis 50 erzeugt wird, sobald ein Schrittmacherimpuls erforderlich ist. Die Dauer des Dauerimpulses des Kreises 50 ist gleich der Dauer des Schrittmacherimpulses und steuert denselben.

Das Flip-Flop FF8 steuert das Leitendwerden des Tors S3. Die drei den Zustand des Flip-Flops steuernden Signale werden auf die Eingänge des Tors 64 und den Eingang des Flip-Flops gegeben, wobei alle drei Signale von der logischen Schaltung nach Fig. 6 und 7 abgeleitet werden. Der Treiberkreis 50, der bestimmt, wann ein Schrittmacherimpuls erzeugt werden soll, und der denselben dadurch steuert, daß der Ausgang niedrig gepulst wird, ist mit drei Eingängen versehen, u. a. A-ENABLE und B-ENABLE. Wenn die Entscheidungslogik nach Fig. 9 in dem Treiberkreis nach Fig. 8 angewandt wird, sind als Eingangsgrößen nur die A-ENABLE unhd B-ENABLE Signale erforderlich. Das Eingangssignal ist als Komparatorausgangssignal gezeigt, da dieses erforderlich sein kann, insbesondere dann, wenn es sich um einen Dual-Kammerschrittmacher handelt, wo eine größere Anzahl Entscheidungen unterschiedlicher Arten gemacht werden muß.

Der Ausgangs-Treiberkreis 50 arbeitet in herkömmlicher Weise unter Erzeugen negativer Impulse an seinem Ausgang zwecks Steuern der Erzeugung der Schrittmacherimpulse. Typischerweise erzeugt dieser Treiberkreis Impulse mit 800 Millisekunden in Intervallen. Sobald eine ventrikulare Kontraktion festgestellt wird, wird z. B. durch eine Schaltung wie derjenigen nach der Fig. 9 der nächste Schrittmacherimpuls verhindert, und es beginnt ein neues 800-Millisekunden- Intervall. Immer, wenn ein Schrittmacherimpuls erzeugt wird, wird der mit dem Ausgang des Kreises 50 verbundene Eingang des Tors 56 niedrig gehalten, so daß der Torausgang hoch geht. Der Inverter 58 hält somit das Tor S3 nicht leitend, da die zwei Elektroden nicht miteinander kurzgeschlossen werden sollten, während ein Impuls erzeugt wird.

Der monostabile Multivator 68 wird an der hinteren (steigenden) Kante jedes durch den Kreis 50 erzeugten Impulses ausgelöst. Der Ausgang des Multivibrators geht niedrig, so daß die Ausgänge der Tore 54 und 72 beide hoch gehen. Sobald der Q-Ausgang des Multivibrators hoch geht, wird der Multivibrator 70 ebenfalls ausgelöst, und sein -Ausgang geht niedrig. Da dieser Ausgang ebenfalls mit einem Eingang des Tors 72 verbunden ist, führt dies weiterhin dazu, daß der Ausgang des Tors 72 hoch bleibt. Der Multivibrator 68 weist ein Zeitintervall von 5 Millisekunden und der Multivibrator 70 ein Zeitintervall von 6 bis 7 Millisekunden auf. Somit bleibt der Ausgang des Tors 72 6 bis 7 Millisekunden hoch, beginnend mit dem Ende des Schrittmacherimpulses. Das hohe Potential an der S2-Control-Leitung führt zu einem Leitendwerden des Tors 72, wie weiter oben beschrieben. Das gleiche hohe Potential an dem Ausgang des Tors 72 wird durch den Inverter 74 invertiert unter Ausbilden eines niedrigen Potentials an dem S1-CONTROL-Leiter während des gleichen Zeitintervalls, wie weiter oben beschrieben, wodurch das S1-Tor leitend bleibt.

Wenn der Multivibrator 68 das erstemal an der hinteren Kante des Schrittmacherimpulses ausgelöst wird, geht der Ausgang des Tors 74 hoch. Somit ist ein Eingang des Tors 56 hoch. Da der Schrittmacherimpuls geendet hat, geht der andere Eingang des Tors 56 ebenfalls hoch. Somit geht der Ausgang niedrig für die 5 Millisekunden, die der -Ausgang des Flip-Flops 68 niedrig bleibt, und der Ausgang des Inverters 58 geht für 5 Millisekunden hoch unter Leitendhalten des Tors S3. Innerhalb dieser 5 Millisekunden sind die zwei Elektroden miteinander kurzgeschlossen unter Rückgewinnung der gespeicherten Ladung. Wie weiter oben beschrieben, werden die S1- und S2-Tore leitend über zusätzliche 1 bis 2 Millisekunden gehalten, so daß sich der Kondensator 30 schnell aufladen kann in Übereinstimmung mit dem Potential, das an der Stimulierungselektrode nach Abschluß des Ladungsintervalls verbleibt.

Wie weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig. 5 erläutert, muß das Tor S3 leitend gemacht werden nicht nur im Anschluß an das Erzeugen eines Schrittmacherimpulses, sondern ebenfalls, wenn das Tor S1 und das Tor B leitend sind unter Steuern des Aufladens des Kondensators 30, es sei denn, daß der Kondensator 30 durch die Elektrode geladen wird. In diesem Fall fließt der Strom von der Erdung durch die Tore S3 und S1. Wenn die Tore S2 und A des Entladen des Kondensators 30 zu steuern, ist es nicht erforderlich, daß das Tor S3 leitend ist, da das Tor S1 nicht leitend ist. Trotzdem besteht kein Grund dafür, daß das Tor S3 nicht leitend gemacht wird, und es ist vom Standpunkt der Steuerung aus einfacher, das Tor S3 während jedes Zyklus leitend zu machen, unabhängig davon, ob der Kondensator geladen oder entladen wird.

Immer wenn ein DECISION-Signal hoch geht, wird das Flip-Flop FF8 nach Fig. 8 gesetzt, und der Q-Ausgang geht hoch. Der Q-Ausgang des Flip-Flops ist das S3′-Signal, das als ein Eingangssignal für das Tor 54 dient, die S3′-Wellenform ist an dem unteren Ende der Fig. 11 gezeigt. Das Tor 64 weist die 1-kHz- und 2-kHz-Taktsignale an dessen Eingängen auf, und das Flip-Flop FF8 wird getaktet kurz vor dem Zeitpunkt, wo während jedes Gesamtzyklus eines der A-ENABLE- oder B-ENABLE-Signale hoch geht. Solange der Ausgang des Tors 72 niedrig ist und aufgrund dessen Verbindung mit dem D-Eingang des Flip-Flops FF8, wird somit das Flip-Flop mit dem Niedriggehen des S3′-Signals zurückgestellt, wenn das Flip-Flop getaktet wird. Wenn kein Schrittmacherimpuls erzeugt wird, ist der Ausgang des Tors 72 niedrig, da seine beiden Eingänge hoch sind. Man sieht somit, daß das S3′-Signal niedrig wird während jedes Zyklus, kurz bevor das A-ENABLE und B-ENABLE-Signal hoch geht, und es geht hoch wiederum, nachdem der A-ENABLE- und B-ENABLE-Impuls geendet haben. Somit ist das S3′-Signal niedrig dergestalt, daß jeder der A-ENABLE- und B-ENABLE-Impulse eingeschlossen wird. Solange das S3′-Signal niedrig ist, ist der Ausgang des Tors 54 hoch. Da beide Eingänge des Tors 56 bei Nichterzeugen eines Schrittmacherimpulses hoch sind, ist der Ausgang des Tors niedrig, und der Inverter 58 führt dazu, daß das Tor S3 in der oben beschriebenen Weise leitend bleibt. Das Tor S3 wird somit nichtleitend gehalten, wenn ein Schrittmacherimpuls erzeugt wird, es wird 5 Millisekunden lang leitend gehalten im Anschluß an das Erzeugen jedes Schrittmacherimpulses, und es wird ebenfalls leitend gehalten während der Kondensator 30 geladen oder entladen wird bei Verfolgen des Eingangssignals. Da das S3′-Signal vom Beginn des DECISION-Impulses an bis zu dem Ende des DECISION-Impulses hoch ist, wird das Tor S3 über die gesamte Musterperiode nicht leitend gehalten. Dies muß so sein, um nicht die Elektrode kurzzuschließen, deren Potential getastet werden soll.

Claims (3)

1. Implantierbare medizinische Prothese, umfassend:
eine Elektrodenanordnung;
eine Abfühleinrichtung zum Abfühlen eines elektrischen Signals von der Elektrodenanordnung, welches repräsentativ für einen physiologischen Vorgang ist, wobei die Abfühleinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen einer kontinuierlichen Folge von Bitmustern zweier Zustände aufweist, welche Zustände Veränderungen in entgegengesetzte Richtungen in dem abgefühlten elektrischen Signal angeben, wozu die Bitmustererzeugungseinrichtung eine Kondensatoranordnung (30), eine Einrichtung zum Laden und zum Entladen (S1, S2, S3; N1, N2, N3, N4; A, B, C) und eine Einrichtung (32, 34) zum periodischen Vergleichen des Potentials an der Kondensatoranordnung mit dem Potential des abgefühlten elektrischen Signals aufweist, um Bitmuster zu erzeugen, deren Zustand das Ergebnis des jeweils jüngsten Vergleichs widerspiegelt; und
eine Einrichtung zum Betätigen entweder der Ladeeinrichtung oder der Entladeeinrichtung nach Maßgabe des Zustands jedes Bitmusters, um das Potential an der Kondensatoranordnung so zu steuern, daß es dem Potential des abgefühlten elektrischen Signals folgt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kondensatoranordnung in Reihe zwischen die Elektrodenanordnung und die Vergleichereinrichtung (32, 34) geschaltet ist;
sowohl die Lade- als auch die Entladeeinrichtung jeweils einen Satz von Schaltern (S1, S2, S3) aufweist, die an die beiden Seiten der Kondensatoranordnung angeschlossen sind, um dieser Strom in einer ersten oder einer zweiten, entgegengesetzten Richtung zuzuführen, und die Stromquelle, aus welcher der Kondensatoranordnung Strom zugeführt wird, durch eine einzige Konstantstromquelle gebildet wird, die einen ständig fließenden Konstantstrom liefert.

2. Prothese nach Anspruch 1, bei der ein erster Schalter (S1) in einem Satz von Schaltern an eine Seite der Kondensatoranordnung (30) und ein erster Schalter (S2) des anderen Satzes von Schaltern an die andere Seite der Kondensatoranordnung (30) angeschlossen ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um an die Elektrodenanordnung ein Anregungssignal zu legen, und eine Einrichtung vorgesehen, um die Schalter gleichzeitig für eine kurze Zeitspanne im Anschluß an das Anlegen eines Anregungssignals an die Elektrodenanordnung zu betätigen, damit das Potential an der Kondensatoranordnung (30) schnell wieder das Potential des abgefühlten elektrischen Signals annehmen kann.

3. Prothese nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum kurzfristigen Kurzschließen der Elektrodenanordnung im Anschluß an das Anlegen eines Anregungsstromsignals, um dadurch eine Rückgewinnung von in dem Körpergewebe aufgrund des Anregungssignals gespeicherter Ladung zu erleichtern, und eine Einrichtung zum Veranlassen, daß die Elektrodenanordnung auf diese Weise während einer Zeitspanne kurzgeschlossen wird, die kürzer ist als die Zeitspanne, während der beide erste Schalter gleichzeitig betätigt werden.