DE3314128A1

DE3314128A1 - Vorrichtung zum stimulieren der herztaetigkeit des menschen und erweitern der blutgefaesse

Info

Publication number: DE3314128A1
Application number: DE19833314128
Authority: DE
Inventors: Manfred 5429 Rettert Fichtner
Original assignee: ELEC ELEKTRONISCHE BAUTEILE UN
Current assignee: ELEC ELEKTRONISCHE BAUTEILE UN
Priority date: 1983-04-19
Filing date: 1983-04-19
Publication date: 1984-10-25

Description

Vorrichtung zum Stimulieren der Herztätigkeit des'Menschen und Erweitern der Blutgefäße

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stimulieren der Herztätigkeit des Menschen und Erweitern der Blutgefäße durch elektrisch gesteuertes Reizen der Barorezeptoren mittels Einrichtungen zur Abtastung der Herztätigkeit und mittels eines elektrischen Steuergerätes.

Die hauptsächlich in den arteriellen Blutgefäßen, namentlich an der Halsschlagader, angeordneten Barorezeptoren sind natürliche Meßfühler für die Ausdehnung von Blutgefäßen. Bei Bluthochdruck werden die Blutgefäße unter.Spannung gedehnt, und gesunde Barorezeptoren geben dann ein Signal zu den vegetativen Zentren, zum zentralen Nervensystem, d.h. die Barorezeptoren feuern. Vom zentralen Nervensystem aus wird daraufhin der Blutdruck durch Erweiterung der Blutgefäße gesenkt, der Sympathikusnerv (der Streßnerv) wird gedämpft, so daß auch die Herztätigkeit verringert wird, d.h. die Kontraktionsgröße und die Herzfrequenz werden gesenkt.

Die Haupttodesursache in der Welt sind derzeit Kreislauferkrankungen, von denen eine Vielzahl auf eine Fehlfunktion der Barorezeptoren zurückzuführen ist. Diese werden nämlich durch permanenten Hochdruck geschädigt, so daß ihre Impulsaktivität abnimmt und sie den vegetativen Zentren einen normalen Blutdruck vortäuschen, der nicht vorhanden ist. 30

Man hat daher schon versucht, die Barorezeptoren künstlich zu reizen, um an die schwer zugänglichen Nervenzentren und SteuerZentren, die sich hauptsächlich im Kopf befinden, heranzukommen. Dies gelingt über die Barorezeptoren deshalb besonder.s gut, weil diese direkt unter der Haut sitzen, die sogenannten Karotis Sinus-Nerven, die man ansteuern kann.

Bekannt ist es, die Barorezeptoren durch galvanisch aufge-

brachte elektrische Ströme zu reizen, welche durch implantierte Elektroden eingeführt wurden. Man hat auch schon eine Rückkopplung über das Elektrokardiogramm vorgenommen mittels auf die Haut des Menschen aufgelegter Elektroden, deren Signale an einen Sender gegeben und von diesem zu einem entfernt an einer anderen Stelle des Körpers angeordneten Steuergerät mit Empfänger übertragen wurden. Von diesem Empfänger wurden die umgewandelten, mit der physiologischen Pulsfrequenz gekoppelten Signale über Drähte an die implantierten Elektroden gegeben.

Der Nachteil dieser bekannten Stimuliervorrichtungen besteht darin, daß das Implantieren von Elektroden unangenehm und teilweise nicht ungefährlich ist. Ferner entstehen Störungen, die einerseits beim kabelfreien Obertragen vom Sender zum Empfänger und andererseits durch die Drähte vom Steuergerät bis zu den implantierten Elektroden eingefangen wurden. Diese Drähte sind zwar kurz, wirken dennoch aber als Induktionsschleifen. Störungen hat man hier insbesondere festgestellt, wenn Menschen mit diesen bekannten Stimuliereinrichtungen unter Hochspannungsleitungen oder in die Flugplatzkontrolleinrichtungen kommen. In diesen Fällen auftretende Störimpulse können größer als die des eigenen Senders sein, so daß das System zusammenbricht und sich eine pathologische Funktion ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Vorrichtung zum Stimulieren der Herztätigkeit des Menschen und Erweitern der Blutgefäße der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der Elektrokardiogramm-Empfänger mit der störungsempfindlichen Übertragung und insbesondere die invasiv implantierten Elektroden ausgeschaltet sind und dennoch ein zuverlässiges-Aktionspotential störungsfrei sowie angenehmer für den jeweiligen Patienten an die Barorezeptoren herangebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abtasteinrichtungen der Herztätigkeit einen außen auf die

• .j. :·· ■ : ■ ^:..^:-..^: 33U128

Haut des Menschen auflegbaren Pulssensor aufweisen, der galvanisch von den elektrischen Einrichtungen im Steuergerät getrennt ist, daß als elektrisches Steuergerät ein Generator zur Erzeugung eines zeitlich sowie hinsichtlich Amplitude und Form gesteuerten elektrischen Stromes vorgesehen ist und daß eine außen an die Haut des Menschen anlegbare Magnetspule dem Generator nachgeschaltet ist, die unter Aufnahme des elektrischen Stromes ein'wechselndes Magnetfeld erzeugt.

Erstmals werden die Barorezeptoren erfindungsgemäß von außen ohne implantierte Elektroden durch ein wechselndes Magnetfeld stimuliert. Die neben die zu stimulierenden Barorezeptoren angeordnete Magnetspule erhält den elektrischen Strom von dem Generator, welcher seinerseits von dem ebenfalls nur auf die Haut des Menschen auflegbaren Pulssensor durch Rückkopplung angesteuert wird. Dabei ist durch die galvanische Trennung des Pulssensors einerseits und des Steuergerätes bzw. Generators andererseits dafür gesorgt, daß nicht etwa die Magnetspule gleichzeitig den Pulssensor ansteuert.

Vielmehr wird allein der Organismus mit seinen Funktionen als Trigger benutzt. Durch die Verwendung des Generators als Steuergerät kann man einen beliebig an- und abstellbaren Hochstrom erzeugen, der in beliebig gewünschter Weise ein Magnetfeld erzeugen kann.

Man hat erkannt, daß die Barorezeptoren nur im Blutschwall feuern, so daß sich der physiologische Puls besonders zweckmäßig für die zeitliche Steuerung des wechselnden Magnetfeldes eignet. Im Gegensatz zu den bekannten Methoden werden nicht mehr die Signale aus dem Elektrokardiogramm für die Triggerung des Generators und damit des wechselnden Magnetfeldes verwendet, sondern der menschliche Puls wird , genau abgefühlt und ausgewertet. Dabei hat man gefunden, daß das Auslösen eines elektrischen Stromes zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Magnetspule im Maximum des Pulses erfolgt, so daß von der sinusförmigen Pulskurve als Signal in der positiven Halbwelle der Maximalbereich genommen wird.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn der von dem Generator gelieferte elektrische Strom ein Impulspaket in Kaskadenform ist mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der vom Pulssensor aufgenommenen physiologischen Pulsfrequenz ist, und mit einer Impulsdauer von einem Bruchteil der Periode der physiologischen Pulswelle. Während man weiß, daß das Magnetfeld den ganzen menschlichen Körper zu durchdringen vermag, hat man erfindungsgeitläß herausgefunden, daß die Stimulation der Barorezeptoren durch die vorgenannte Impulskaskade besonders wirksam erreicht wird. Die Impulskaskade ist also auf die Herztätigkeit über den Pulssensor rückgekoppelt, und man erreicht eine effektive Stimulierung der Barorezeptoren, insbesondere der Karotis Sinus-Nerven, durch Anlegen der Magnetspule und deren in der beschriebenen Weise ausgebildetes Magnetfeld. Auch geschädigte Barorezeptoren geben nun die richtigen Signale an das zentrale Nervensystem, so daß Frequenz und Kontraktilität des Herzens ebenso gedämpft werden wie die Gefäße weitergestellt werden und sich der venöse Rückstrom verbessert.

Zweckmäßig ist dabei, wenn erfindungsgemäß dem Pulssensor ein Rechner mit Speicher nachgeschaltet ist zur periodischen Messung und Speicherung der Meßgröße der physiologischen Pulsfrequenz. Alle 1 bis 5 Minuten oder vorzugsweise jede Sekunde wird die vom Pulssensor erfaßte Pulsfrequenz in den Rechner eingegeben, dort elektronisch erfaßt und verarbeitet, so daß das vom Generator gelieferte Impulspaket zur richtigen Zeit in der richtigen Form abgegeben werden kann.

Günstig ist es gemäß der Erfindung auch, wenn der Generator einen Schmitt-Trigger aufweist zum zeitlich vom Pulssensor gesteuerten öffnen und Schließen eines Sendefensters für die in die Magnetspule geschickten Impulspakete. Die Frequenz der Impulskaskade wird auf die Herztätigkeit über den Pulssensor und seinen Rechner angepaßt, und .das "Sendefenster", d.h. die Einschalt- und Schließzeit für den Impuls, wird durch den Schmitt-Trigger vorgegeben. Dieser, der erwähnte Rechner mit Speicher und alle Einrichtungen in der

. .- " .^: ■ . ·.."" 33 U128

-δι erfindungsgemäßen Vorrichtung können räumlich sehr klein ausgestaltet·sein, so daß sich auch eine praktische Handhabung des Gerätes ergibt. Der Pulssensor wirkt vorzugsweise zum Öffnen des Sendefensters/ d.h. er löst das jeweils in der positiven Halbwelle der Pulskurve auszusendende Impulspaket aus, dessen zeitliche Dauer gewissermaßen konstant ist. Der Begriff "gewissermaßen" bedeutet hier, daß die Öffnungszeit des Sendefensters von dem jeweiligen Patienten . und seinem Zustand abhängt. Immerhin kann die physiologische Pulsfrequenz in weiten Bereichen schwanken, man kennt den Bereich von 40 pro Minute bis 150 pro Minute, wobei vorzugsweise der Wert von 70 pro Minute angenommen werden kann. Die Dauer der Impulskaskade beträgt vorzugsweise 1/4 oder 1/5 der physiologischen Frequenz, wobei diese Meß- und Sendeart von der Amplitude unabhängig ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist ebenso möglich und dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des vom Pulssensor abgegebenen Steuersignals für das Schalten des Sendefensters für die in die Magnetspule geschickten Impulspakete vorgesehen ist. In jedem Falle kann der Generator wie ein Schalter steuern. Die innerhalb des Sendefensters abgegebene Impulskaskade hat als ihre eigene Reizfrequenz vorzugsweise 200 Hz. Nimmt man zum Öffnen des Sendefensters die Amplitude des vom Pulssensor abgegebenen Steuersignals, dann kann man den Blutdruck des jeweiligen Patienten besonders gut berücksichtigen, denn bei hohem Blutdruck ist ein stärkeres Signal und damit ein stärkerer Gegenreiz zweckmäßig.

Durch die sehr hohe magnetische Amplitude des erfindungsgemäßen Nervenschrittmachers sind keine induktiven Steuerungsstörungen zu erwarten, auch nicht unter Hochspannungsleitungen oder in der Flugkontrolle.

Bei vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist der Pulssensor einen Dehnungsmeßstreifen oder eine Fotodiode oder einen Fotowiderstand auf. Piezoelektrische Dehnungsmeßstreifen sind als mechanische Dehnungsmeßstreifen an sich

33U128

_ αϊ bekannt. Diese kann man an geeigneten Stellen neben den Adern des menschlichen Körpers anordnen, beispielsweise auch an der Halsschlagader, um ein klares und störungsfreies Signal des physiologischen Pulses zu erhalten. Um von jeglichen elektrischen Gebern unabhängig zu sein, kann man alternativ gemäß der vorstehend erwähnten Maßnahme auch optische Geräte, wie z.B. eine Fotodiode oder einen Fotowiderstand, verwenden. Der Sensor tastet also über Dehnungsmeßstreifen oder optisch den Puls ab, setzt den Generator in Gang und wird selbst danach sofort stillgelegt, weil der Generator dann zeitlich oder durch die Amplitude gesteuert die Impulskaskade abgeben kann. Der Generator ist sonach eine vorbestimmte Zeit tätig und wird danach wieder stummgelegt, so daß der Empfang des vom Pulssensor gegebenen Signals für das nächste Öffnen des Sendefensters erwartet werden kann.

Zwar ist vorstehend nur von einer Magnetspule die Rede, und es ist vorzugsweise an einen Durchmesser derselben von weniger als 50 mm und eine Länge derselben von weniger als 30 mm gedacht. Alternativ kann aber auch eine wesentlich größere Magnetspule verwendet werden, idie beispielsweise den ganzen Körper des zu behandelnden Menschen bestrahlen kann. Besonders zweckmäßig ist es aber,wenn erfindungsgemäß der Generator als Kompaktgerät mit vorsprungartig angeordnetem Pulssensor und/oder Magnetspule ausgebildet ist. Ein solches Kompaktgerät kann in Draufsicht auf die den VorSprüngen gegenüberliegende Seite die Fläche einer Streichholzschachtel haben. Hauptteil dieser Vorrichtung ist dann der Generator, an dessen einem Ende der Pulssensor vorsprungartig heraussteht, wobei auf derselben Seite im Abstand ebenfalls vorsprungartig die Magnetspule herausstehend angeordnet ist, mit der 30 bis 30 0 Millitesla erzeugt werden können, wenn man eine Stromstärke von 0,1 bis 3 Ampere hat.

Mit einem solchen Gerät hat man keine Störanfälligkeit mehr, da keine drahtlosen Senderimpulse nötig sind, und insbesondere ist keine galvanische Koppelung durch blutig implantier-

- . " . 33U128

-ιοί te Elektroden erforderlich.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be-Schreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1 schematisch ein Kompaktgerät mit vorsprungartig angeordnetem Pulssensor am einen Ende und der Magnetspule am anderen Ende derselben Oberfläche des Generators/

Figur 2 ein Zeitdiagramm der physiologischen Pulskurve und Figur 3 ein Zeitdiagramm der Impulspakete, die von dem Generator erzeugt und in die Magnetspule geschickt werden.

Auf den abgebrochen dargestellten Hals 1 eines Menschen ist das Kompaktgerät gemäß Figur 1 so angesetzt, daß der Pulssensor 2 in einem ersten Vorsprung und die Magnetspule 3 in einem zweiten Vorsprung direkt auf die Oberfläche des Halses 1 aufgelegt werden. Auf der dieser Auflegefläche gegenüberliegenden Seite des Pulssensors 2 und des Vorsprunges mit der Magnetspule 3 befindet sich der Generator 4, der etwa die Größe einer normalen Streichholzschachtel hat, bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Länge L von 53 mm, eine in der Darstellung der Figur 1 nicht gezeigte Breite von 37 mm und eine Höhe H von 15 mm.

Die kastenartigen VorSprünge für den Pulssensor 2 und die Magnetspule 3 haben eine Höhe h von 15 mm, desgleichen eine Länge . 1 von 15 mm, so daß sich ein lichter Abstand X von 23 mm ergibt. Die in Figur 1 nicht dargestellte Breite der Vorsprünge ist gleich der Breite B des Gehäuses des Generators 4.
35

In der schematischen Darstellung der Figur 1 ist offengelassen, ob der Pulssensor 2 über einen mechanischen Dehnungsmeßstreifen oder über optische Meßfühler arbeitet. · Auch die

Rechner und Steuereinrichtungen im Generator 4 sind nicht im einzelnen dargestellt, weil der Fachmann bei der konkret vorgegebenen Aufgabe die notwendigen Elemente auf dem Markt beziehen kann.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist als Batterie ein kleiner Akkumulator vorgesehen, der gegebenenfalls auch außerhalb des Gehäuses des Generators 4 und der Vorsprünge angeordnet sein kann. Die Magnetspule 3 wird mit einer Spannung von < 60 Volt und einer Stromstärke von 0,1 bis 3 Ampere betrieben, so daß sich bei den Maßen eines Spulendurchmessers von etwa 10 mm und einer Spulenlänge von etwa 15 mm ein Magnetfeld mit einer magnetischen Feldstärke von 30 mT bis 300 mT erzeugen läßt.

Bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform sind die Maße des Pulssensors 2 50 χ 30 χ 50 mm, und der Akkumulator befindet sich außerhalb der Gehäuse für Pulssensor 2, Magnetspule 3 und Generator 4.

In Figur 2 ist über der Zeit t die Amplitude des physiologischen Pulses aufgetragen, dessen Kurve ähnlich einer Sinuskurve ausgebildet ist. Nach dem in Fig. 2 gezeigten Null-Durchgang erreicht die Kurve bei einer bestimmten ersten Amplitude den Zeitwert T₁, bei welchem das Sendefenster für den in die Magnetspule 3 geschickten elektrischen Strom geöffnet wird. Dieser von dem Generator 4 gelieferte elektrische Strom ist ein Impulspaket, welches in Fig. 3 gezeigt und mit 5 bzw. 5¹ bezeichnet ist. Die zeitliche Länge des kaskadenförmigen Impulspaketes 5 bzw. 5¹ ist auf den Patienten und seinen augenblicklichen Zustand eingestellt und in dieser Hinsicht konstant. Mit anderen Worten ist das Sendefenster in der Zeit T„ - T₁ geöffnet. Die Impulsdauer beträgt daher T„ - T . Unter der Voraussetzung, daß sich der Zustand des Patienten bei den nächsten Pulsschlägen nicht ändert, ist die Impulsdauer auch des nächstfolgenden Kaskadenimpulspaketes 5¹ gleich lang usw. Man erkennt aus Figur im Vergleich zu Figur 2, daß die Frequenz des Impulspaketes

;■·-:·: ■-.-- :. : 33U128

5, 5¹ ein Vielfaches der Frequenz des physiologischen Pulses ist, weil ja das gesamte Impulspaket innerhalb eines Teils der Schwingungsdauer des Pulses, und zwar in der positiven Halbwelle, ausgesendet wird.
5

Im Betrieb arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung so, daß das Gerät in der in Figur 1 dargestellten Weise an den Hals 1 des Menschen angelegt wird·,' so daß z.B. eine Fotodiode den Puls exakt abtastet. Entsprechend steuert der Pulssensor 2 den Generator 4 an, der das Impulspaket 5 bzw. 5¹ in Kaskadenform mit der erwähnten Frequenz und Impulsdauer als elektrischen Strom in die Magnetspule 3 schickt. Dort wird ein entsprechend geformtes wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches im Abstand von 20 mm zum Pulssensor 2 auf denjenigen Halsbereich neben der Halsschlagader aufgestrahlt wird, in welchem die anzusteuernden Barorezeptoren angenommen werden. Das Gerät arbeitet tagsüber, weil nachts keine besonderen Aktivitäten anzunehmen sind, so daß während der Nacht der Akkumulator wieder aufgeladen werden kann.

Claims

Dr."Dieter Weber Klaus Seiffert

33H128

Patentanwälte

Dlpl.-Cbem. Dr. Dieter Weber · Dipl.-Phya. Klaus Seiffert Postfach 614B ■ 62OO Wiesbaden

D-6200 Wiesbaden 1

GuRtav-Freytsp-Straße 25 Telefon 06121/87 2720

TeleeramtnodreBBC: WiUpalem Telex: 4-186247

Postscheck: Frankfurt/Main 67 63-602 Bank: Dresdner Bank AC,'Wiesbaden, Konlo-Nr. 276807OO (BLZ 510BOO8O)

10

18. April 1983 S/st

Elec System

Vertriebsgesellschaft für medizinische Geräte m.b.H. Am Gemeindezentrum, 6209 Heidenrod 1 - Kernel

Vorrichtung zum Stimulieren der Herztätigkeit des Menschen und Erweitern der Blutgefäße

Patentansprüche

Vorrichtung zum Stimulieren der Herztätigkeit des Menschen und Erweitern der Blutgefäße durch elektrisch gesteuertes Reizen der Barorezeptoren mittels Einrichtungen zur Abtastung der Herztätigkeit und mittels eines elektrischen Steuergerätes, dadur.ch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtungen der Herztätigkeit einen außen auf die Haut des Menschen auflegbaren Pulssensor (2) aufweisen, der galvanisch von den elektrischen

25

Einrichtungen im Steuergerät getrennt ist, daß als elektrisches Steuergerät ein Generator (4) zur Erzeugung eines zeitlich sowie hinsichtlich Amplitude und Form gesteuerten elektrischen Stromes vorgesehen ist und daß eine außen an die Haut des Menschen anlegbare Magnetspule (3) dem Generator (4) nachgeschaltet ist, die unter Aufnahme des elektrischen Stromes ein wechselndes Magnetfeld erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Generator (4) gelieferte elektrische Strom ein Impulspaket (5, 5") in Kaskadenform ist mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der vom Pulssensor (2) aufgenommenen physiologischen Pulsfrequenz ist, und mit einer Impulsdauer (T^-T..) von einem Bruchteil der Periode (Schwingungsdauer) der physiologischen Pulswelle.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulssensor (2) ein Rechner mit Speicher nachgeschaltet ist zur periodischen Messung und Speicherung der Meßgröße der physiologischen Pulsfrequenz.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) ein Schmitt-Trigger aufweist, zum zeitlieh vom Pulssensor (2) gesteuerten Öffnen und Schließen eines Sendefensters für die in die Magnetspule (3) geschickten Impulspakete (5, 5¹).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des vom Pulssensor (2) abgegebenen Steuersignals für das Schalten des Sendefensters für die in die Magnetspule (3) geschickten Impulspakete (5, 5¹) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet/ daß der Pulssensor (2) einen Dehnungsmeßstreifen oder eine Fotodiode oder einen Fotowiderstand aufweist.

1
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) als Kompaktgerät mit vorsprungartig angeordnetem Pulssensor (2) und/oder Magnetspule (3) ausgebildet ist (Fig. 1).