DE3321051A1 - Schutzschaltung fuer herzschrittmacher - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für Herzschrittmacher zur Beseitigung des Einflusses von Störimpulsen.
• In den letzten Jahren ist die Bedeutung von Herzschrittmachern bekanntlich zunehmend größer geworden. In der Medizin gehören sie daher auch zu einem unerläßlichen Bestandteil bei der Behandlung herzkranker Patienten.
• Es ist selbstverständlich, daß sich die elektrische Schaltung der Herzschrittmacher durch extrem hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit auszeichnen muß, um dessen einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Dazu gehört auch, daß die zuverlässige Arbeitsweise des Herzschrittmachers gegen äußere Störeinflüsse gesichert ist. In der Praxis hat sich hier gezeigt, daß den gestellten hohen Anforderungen nicht immer zufriedenstellend nachgekommen werden kann.
• Ein besonderes Problem bei der Anwendung von implantierten Herzschrittmachern ist der Schutz der elektrischen Schaltung des Herzschrittmachers vor den sogenannten ~Latch-up-Effekten", welche durch Defibrillations-Impulse verursacht werden (mit "Defibrillation" bezeichnet man elektrotherapeutische Maßnahmen zur Beseitigung von Kammerflimmern), da ein vorhandener implantierter Herzschrittmacher durch die Defibrillations-Impulse gefährdet werden kann.
• Zur Beseitigung des angesprochenen Problems hat man schon Zenerdioden - und hier speziell ~Back-to-back-Zenerdioden" - vorgesehen, um die Defibrillations-Impulse nach Art einer Begrenzerschaltung auf ein praktisch nicht mehr gefährliches Maß zu begrenzen, z.B. auf +15 V. Allerdings ist diese Schutzmaßnahme nicht völlig zufriedenstellend, zumal diese Zenerdioden wegen der daran im Störfall abfallenden Leistung eine zulässige Mindestverlustleistung und damit eine Mindestgröße nicht unterschreiten dürfen.
• Bei der vorbekannten Begrenzung können bei den am Elektroden-Anschluß (Zenerdiode) auftretenden Impulsen je nach Flankensteilheit des Impulses Stromimpulse bis zu 2 A in den Herzschrittmacher fließen. Als Folge davon kommt es -vermutlich wegen einer großflächigen Leitung - zum Zusammenbruch der Betriebsspannung und der Ausgangsspannung des Herzschrittmachers. Wenn aber die minimalen Betriebsspannungen unterschritten werden, setzt der Oszillator des Herzschrittmachers aus, und der Betriebsstrom steigt an.
• Für den Fall, daß der Innenwiderstand der verwendeten Batterme gering ist, so daß sich nach dem Deribrillations-Impuls wieder eine ausreichend große Betriebsspannung einstellt (z.B. größer als 2,2 V), setzt der Oszillator wieder ein mit der Folge, daß der (programmierbare) Herzschrittmacher im alten Programm weiterlaufen kann. Ist dagegen im anderen Fall der Innenwiderstand der Batterie groß, stellt sich eine zu geringe Betriebsspannung - beispielsweise zwischen 1,3 V und 1,5 V - ein, so daß der Oszillator des Herzschrittmachers im vorherigen Zustand bleibt und nicht wieder anlaufen kann. In Versuchen ist festgestellt worden, daß ein solches Verhalten insbesondere bei Ausgangsspannungen kleiner 4,8 V, besonders bei 2,4 V und bei Batterie-Innenwiderständen von größer 10 kOhm auftreten kann.
• Die bekannten Zenerdioden können somit als Schutzmaßnahme gegen Störimpulse nicht ausreichend wirken. Es kommt übrigens noch hinzu, daß durch den erwähnten großen Stromimpuls unter Umständen auch Langzeitschäden an der inte-9vierten Schaltung des Herzschrittmachers auftreten können.
• Es besteht also ein Bedürfnis nach ~ einer sicheren Schutzmaßnahme. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Einfluß von Störimpulsen zu unterdrücken, wobei die Funktion des Herzschrittmachers nicht eingeschränkt werden soll.
• Diese Aufgabe wird durch die Erfindung bei der im Oberberiff des Anspruchs 1 vorausgesetzten Schutzschaltung dadurch gelöst, daß -Schaltungsmittel vorgesehen sind, durch welche. die Störimpulse kurzgeschlossen werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines an den Ausgang des Herzschrittmachers geschalteten Triacs, dessen Gate-Anoden-Strecke eine Zenerdiode parallelgeschaltet ist.
• Abweichend von den bisher bekannten Schutzmaßnahmen-wird mit der Erfindung der neue Weg beschritten, den schädlichen Einfluß von Defibrillations-Impulsen durch einen Kurzschluß der Defibrillationsspannung zu eliminieren.
• Dies läßt sich überraschend einfach durch die Kombination eines elektronischen Elementes mit Thyristor-Verhalten mit einem nichtlinearen Element an dessen Steuerelektrode in entsprechender Beschaltung am Herzschrittmacher-Ausgang erreichen.
• Die erfindungsgemäße Maßnahme, die Störspannung kurzzuschließen, statt wie bisher zu begrenzen, läßt in vorteilhafterweise auch eine Reduktion der Stromin-jektionen mit langsam ansteigender Flanke auf unkritische Werte zu.
• Eventuelle Langzeitschäden der integrierten Schaltung des Herzschrittmachers sind daher nicht zu befürchten. Es ist vielmehr eine sichere Funktion des Herzschrittmachers auch bei Defibrillation gewährleistet. Von Vorteil ist auch, daß die erfindungsgemäße Schutzschaltung eine geringe Baugröße bei geringerer zu erwartender maximaler Verlustleistung erlaubt.
• Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Zeichnung dargestellt.
• Nachfolgend wird die Erfindung zum besseren Verständnis an Hand des Ausführungsbeispieles gemäß der Zeichnung näher erläutert, welche das Schaltbild einer Schutzschaltung gemäß der Erfindung zeigt.
• Das Schaltbild zeigt einen Herzschrittmacher 1, der an der Betriebsspannung UB angeschlossen ist, welche von einer nicht dargestellten Batterie geliefert wird.
• Die eigentliche Schutzschaltung 2 besteht aus einem Triac 4, dessen Gate-Anoden-Strecke eine Zenerdiode parallelgeschaltet ist.
• Bei der nachfolgenden Erläuterung der Funktion der Schutzschaltung 2 soll zwischen negativen und positiven Störimpulsen unterschieden werden.
• Beim Auftreten von - negativen Störimpulsen werden solche Störimpulse, die einen vorgegebnen Wert überschreiten, und die im Ausführungsbeispiel größer als 13 V sind, kurzgeschlossen. Mit der negativen Flanke des Störimpulses steigt die Spannung am Schaltungsausgang auf einen Wert an, welcher der Summe der Sperrspannung der Zenerdiode und dem Spannungsabfall an der Gate-Kathoden-Strecke des Triacs 4 (Schaltspannung) entspricht.
• Die Zenerdiode 6 befindet sich dann für ca. 3 /us im Durchbruchbereich. Der-Strom durch die Zenerdiode 6 fließt im Gate des Triacs 4 und zündet diesen, so daß die Spannung am Triac 4 auf ca. 1- V zusammenbricht. Nach dem Ende des Störimpulses wird der Haltestrom des Triacs 4 unterschritten und die Kathoden-/Anodenspannung 4 sinkt auf 0 V. Als Folge -davon wird der Triac 4 ausgeschaltet.
• Bei Auftreten von positiven Störimpulsen erfolgt die Zündung des Triacs 4 entsprechend bereits bei einer Spannung von ca. 1,5 V, da sich die Zenerdiode 6 dann in ihrer Flußrichtung befindet.
• Die Wirkungsweise der rfindungsgemäßen Schutzschaltung läßt sich wie folgt formulieren: Stromeinstreuungen vom Ausgang her führen bei identischer Polarität mit den Herzschrittmacher-Ausgangsimpulsen zum Zünden des Triacs 4, wenn sie eine Amplitude aufweisen, die größer ist als die mögliche Ausgangsamplitude. Bei der umgekehrten Polarität wird schon durch Injektion eines Stromes mit kleinerer Spannung der Triac 4 gezündet.
• Selbst bei einer Fehlfunktion des Triacs 4 wird bei intakter Gate-Kathoden-Strecke die Störspannung auf die Summe der Zenerdiodenspannung und der Schaltspannung begrenzt.
• Da die Schutzschaltung 2 erst relativ große Spannungsimpulse kurzschließt, beeinflußt die Schutzschaltung 2 die Stimualtions-ausgangsimpulse des Herzschrittmachers nicht.
• Mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltng 2 können - in vorteilhafter Weiterbildung nicht nur Störimpulse - wie voranstehend beschrieben - sondern auch Strominjektionen mit langsam ansteigender Flanke unterdrückt werden.
• Um eine Strominjektion bei Störimpulsen mit langsam ansteigender Flanke stark zu begrenzen,#wird-der Ausgang des Herzschrittmachers 1 mit einer Diode 8 von der Schutzschaltung 2 entkoppelt. Zwischen der Diode 8 und dem Ausgang des Herzschrittmachers 1 befindet sich noch ein üblicher Ausgangskondensator 12.
• Für die am Ausgang des Herzschrittmachers 1 auftretenden Schrittmacherimpulse wird die Diode 8 in Flußrichtung betrieben, während sie für Störimpulse gesperrt ist.
• Um den Ausgagnskondensator 12 nach einem Schrittmacherimpuls erneut aufladen zu können, ist parallel zur Diode 8 ein Widerstand 10 geschaltet. Durch die Diode 8 ist ein vernachläßigbarer Spannungsabfall des Schrittmacherimpulses von maximal 0,7 V bedingt. Die Strominjektion ist bei auf beispielsweise 13 V begrenzten Störimpulsen durch den Widerstand 10, dessen Wert hier mit 1 kOhm angenommen ist, auf maximal 13 mA begrenzt. Dieser restliche, nicht zu unterdrückende Strom ist für die Schaltung des, Herzschrittmachers 1 insbesondere dann ohne Einfluß, wenn relativ große Batterieinnenwiderstände (ca. 50 kOhm) verwendet werden.
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Claims (11)

1. Schutzschaitung für Herzschrittmacher Patentansprüche föi. Schutzschaltung für einen künstlichen Herzschrittmacher, zur Beseitigung des Einflusses von Störimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsmittel (2) vorgesehen sind, durch welche der Stimulationsausgang kurzgeschlossen wird, wenn an diesem Ausgang ein nicht vom Schrittmacher selbst hervorgerufenes Signal (Störimpuls) erscheint.
2. 2. SchutzsChaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltungsmittel (2) leitend bleiben, bis der durch den Störimpuls hervorgerufene Impuls abgeklungen ist.
3. 3. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stimulationsausgang bei Störimpulsen mit der Polarität der Schrittmacherausgangssignale dann kurzgeschlossen wird, wenn der Störimpuls eine Amplitude aufweist, welche diejenige der Stimulationsimpulse übertrifft.
4. 4. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltungsmittel (2) durch eine einen Zweipol bildende elektronische Schaltung gebildet werden, welche eine Zündcharakteristik in der Weise aufweist, daß oberhalb einer angelegten vorgegebenen Mindestspannung sich der Innenwiderstand der Schaltung stark vermindert.
5. 5. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden AnsprU-che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltungsmittel (2) durch einen Triac (4) gebildet sind.
6. 6. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die vorgegebene Mindestspannung polaritätsabhängig ist.
7. 7. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 5 und 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gate-Anoden-Strecke des Triacs (4) eine Zenerdiode <6) parallelgeschaltet ist.
8. 8. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Ausgangsschaltung des Schrittmachers und dem Ausgangsanschluß, dem die Schaltungsmittel parallelgeschaltet sind, eine Diode (8) geschaltet ist, welche für Stimulationsimpulse durchlässig ist.
9. 9. Schutzschaltung nach Anspruch 8, d a d u r dr h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein ohmscher Widerstand (10) parallel zur Diode (8) geschaltet ist.
10. 10. Schutzschaltung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Wert des ohmschen Widerstandes (8) im wesentlichen 1 kOhm beträgt.
11. 11. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Batterie mit einem großen Innenwiderstand benutzt wird.