DE3750983T2 - Biomedizinisches Verfahren und Gerät zur gesteuerten Verabreichung der Behandlung für einen Patienten in Bezug auf Wechsel im physiologischen Bedarf. - Google Patents

Description

• Das Herzschlagvolumen ist definiert als das Volumen des Blutes, das durch eine Kammer in einem einzigen Schlag ausgetrieben ist. Es ist gleich der Differenz zwischen dem enddiastolischen Volumen und dem endsystolischen Volumen. Die Bedeutung des Schlagvolumens bei der Bestimmung des Zustands des Herzens ist darin offensichtlich, daß das Herzzeitvolumen, d. h. das Gesamtvolumen des Blutes, das während einer Zeitdauer von einer Kammer gepumpt ist, gleich dem Produkt der Herzfrequenz bzw. Pulszahl und des Schlagvolumens ist. Das Schlagvolumen kann entweder durch Verkleinern des endsystolischen Volumens, was größere myokardiale bzw. Herzmuskelverkürzung bedeutet, oder durch Vergrößern des enddiastolischen Volumens vergrößert sein. Vergrößerungen der Kammerausdehnung führen zu größerer Wandspannung, um während des Ausstoßes denselben Kammerdruck zu entwickeln.
• Bei normalen menschlichen Subjekten bzw. Personen mit gesundem Herzen bleibt das Schlagvolumen des Herzens über einen weiten Anstrengungsbereich, von minimaler Tätigkeit bis zu hoher physischer Anstrengung, relativ konstant. Die Vergrößerungen von Herzzeitvolumen unter Streß bzw. Belastung sind hauptsächlich von erhöhter Herzfrequenz verursacht, wenigstens bis zu einem Punkt. Auch werden bei normalen menschlichen Subjekten Vergrößerungen des Schlagvolumens nur unter maximalen Belastungsbedingungen berichtet, da die Herzfrequenz dazu neigt, sich einzupendeln. Bei Patienten dagegen, die an einem Herzblock dritten Grades leiden, wo ein Herzschrittmacher mit unveränderlicher Frequenz die Herzfrequenz bestimmt, beruht ein höheres Herzzeitvolumen bei Anstrengung hauptsächlich auf vergrößertem Schlagvolumen. Das Schlagvolumen kann jedoch nicht um mehr als einen Faktor von 2 bis 2,1/2 zunehmen, was die Belastungsfähigkeiten dieser Patienten beschränkt.
• Weil das Schlagvolumen bei Personen mit einer unveränderlichen Herzfrequenz aufgrund von Herzblock ein nützlicher Anzeiger für kardiovaskuläre Belastung ist, und da Studien auf eine Beständigkeit von Schlagvolumen bei untermaximaler Belastung hinweisen, wäre es vorteilhaft, einen Herzschrittmacher zu haben, der eine veränderliche Frequenz und eine Einrichtung zum Verändern dieser Frequenz als eine Funktion von Schlagvolumen hat. Bei einer solchen Anordnung wäre bei Belastung der Impulsgenerator so ausgelegt, daß er die Zunahme des Schlagvolumens aufgrund von Wechseln im physiologischen Bedarf abtastet, und er würde funktionieren, um die Impulsfrequenz bzw. Pulszahl so zu erhöhen, daß er den Schlagvolumenparameter auf seinen ursprünglichen Wert zurückbringt.
• In einem Papier mit dem Titel "Confinuous Measurement of Ventricular Stroke Volume by Electrical Impedance", veröffentlicht in dem Cardiovascular Research Center Bulletin, Volume 4, No. 4, April-Juni 1966, Seiten 118 bis 131, berichteten L.A. Geddes und seine Mitherausgeber bzw. Kollegen an dem Baylor University College of Medicine in Houston, Texas, über einen Ansatz zur Messung des Schlagvolumens durch Abtasten von Impedanzänderungen zwischen zwei beabstandeten Elektroden, die in der Kammerhöhle angeordnet sind. Es wurde darüber theoretisiert, daß das Blut in der Kammer einen elektrischen Leiter von unregelmäßiger und veränderlicher Form bildet, so daß beabstandete Elektroden, die in die Kammer gesetzt sind, benutzt sein könnten, um augenblickliche Impedanzschwankungen, die zwischen den Elektroden beobachtet sind, während das Blut die Kammer füllt und verläßt, abzutasten.
• In der Anmeldung von Knudson et al,, Serial No. 170,947, die am 21. Juli 1980 eingereicht wurde (jetzt U.S. Patent 4,313,442) ist ein Herzschrittmacher beschrieben, dessen Rate bzw. Frequenz der Erzeugung von Schrittmacherimpulsen als eine Funktion von Veränderungen der detektierten bzw. aufgenommenen P-Wellen- bzw. P-Zackenrate steuerbar ist. Bei dieser Anordnung ist ein Kabel, das eine Stimulationselektrode an seinem distalen bzw. fernen Ende hat, so positioniert, daß die Elektrode an den Scheitelpunkt der Herzkammer angrenzt. Dieses Kabel hat weitere Abtastelektroden, die in einer vorbestimmten Entfernung proximal bzw. nahe dem Ende der Stimulationselektrode angeordnet sind, um sich in der Nähe der rechten oberen Wand des Vorhofes zu befinden. Die Vorhof- (P-Zacken-) Aktivität, die von den Abtastelektroden abgetastet ist, ist in einer geeigneten Schaltungsanordnung verarbeitet und benutzt, um das Zwischenimpulsintervall eines Bedarfs-Typ-Herzschrittmachers bzw. Kammerschrittmachers zu ändern. Weil die P-Zacken-Aktivität auf den physiologischen Bedarf hinweist, erlaubte der Herzschrittmacher mit veränderlicher Frequenz des obenerwähnten Patentes von Knudson et al die Änderung der Stimulationsrate bzw. -frequenz als eine Funktion des Körperbedarfs.
• EP-A1-140472 beschreibt einen Schrittmacher mit veränderlicher Frequenz, der das Herz mit einer Frequenz stimuliert, die von erkannten Schwankungen des Herzschlagvolumens abhängt. Ein Kabelsystem ist zum Messen von Signalen benutzt, die zum Ableiten bzw. Folgern des Herzschlagvolumens benutzt sind.
• Wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Herzschrittmacher benutzt ist, der eine Fähigkeit für veränderliche Frequenz hat, ist die P-Zacken-Aktivität nicht länger ein Anzeiger für physiologischen Bedarf, aber statt dessen sind Änderungen des Schlagvolumens erkannt, und ein Signal ist entwickelt, das zu diesen Änderungen proportional ist. Durch Anlegen dieses Signals als ein Steuersignal an die Zeitsteuerschaltung eines Bedarf-Typ-Herzschrittmachers gibt der Schrittmacher- Impulsgenerator Stimulationsimpulse in Übereinstimmung mit dem physiologischen Bedarf aus, der durch Schlagvolumenänderungen angegeben ist. Das Verfahren und Gerät der vorliegenden Erfindung, wie es bei einem Herzschrittmacher angewandt ist, beinhaltet das Ändern der Kammerschritt- bzw. Frequenzstimulatonsfrequenz auf eine solche Art, daß Änderungen des Schlagvolumens minimiert sind. Daher tastet die zu beschreibende Abtastschaltungsanordnung während einer Belastung Änderungen des Kammervolumens oder des Schlagvolumens ab und verändert dann die Betriebsparameter der Benutzungsbzw. Hilfsvorrichtung. Bei einer Herzschrittmacheranwendung können beispielsweise Vergrößerungen des Schlagvolumens abgetastet sein, und das sich ergebende Steuersignal kann benutzt sein, um die Pulszahl so zu erhöhen, daß das Schlagvolumen auf seinen ursprünglichen Wert zurückgebracht ist. Dies kann entweder in bezug auf ein absolutes Referenzschlagvolumen oder, wie in dem System des obenerwähnten Knudson-Patents, durch Abtasten nur von Änderungen des Schlagvolumens und Abändern der Frequenz zum Minimieren der Änderungen getan sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Bei der Ausführung der Erfindung hat eine Kabelanordnung, die ein Stimulationsende hat, das so angepaßt ist, daß es an die Spitze bzw. den Scheitelpunkt der rechten Herzkammer angrenzt, weiter Abtastelektroden in der Form von entweder axial beabstandeten Ringen oder Ringen, die geteilt bzw. gespalten sind, um zwei radial beabstandete gekrümmte Segmente zu bilden, die nahe dem Ende in einer Entfernung angeordnet sind, die diese Abtastelektroden oder Segmente allein innerhalb der Kammer positioniert. Ein Wechselstromsignal mit relativ niedriger Frequenz und niedriger Amplitude, typischerweise in dem Bereich zwischen 0,5 und 5 kHz und zwischen 1,0 und 10 Mikroampere (quadratisches Mittel), ist über die beabstandeten Elektroden angelegt, und es ist festgestellt, daß die Schlagaktion des Herzens und die begleitenden Änderungen des Blutvolumens in der überwachten Kammer zu einer Modulation des Wechselstromsignals führt, wobei die Modulationshüllkurve zu dem Schlagvolumen proportional ist. Die modulierte Trägerwelle ist dann gefiltert, demoduliert und signalverarbeitet, um ein Stromsignal zu erzeugen, das zu dem Schlagvolumen des Herzens proportional ist. Dieser Strom kann in die Zeitsteuerschaltung eines Herzschrittmachers injiziert sein, wodurch das Escape- bzw. Austritts-Intervall des Schrittmachers als eine Funktion von Änderungen des Schlagvolumens gesteuert ist. Alternativ kann die demodulierte Wellenform oder das Stromsignal, das zu Schlagvolumenänderungen proportional ist, in anderen biomedizinischen elektronischen Geräten, wie etwa einer medikamentenspendenden Pumpe, chirurgischer Überwachungsausrüstung, einem Herzzeitvolumen-Computer, einem Arrhythmie-Überwacher usw. benutzt sein.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 stellt mittels eines Blockdiagramms ein System dar, das die vorliegende Erfindung enthält;
• Fig. 2 verdeutlicht eine Form einer Kabelanordnung, die bei der Anwendung der Erfindung nützlich ist;
• Fig. 3 verdeutlicht einen alternativen Kabelbau, der bei der Anwendung der Erfindung benutzt sein kann;
• Fig. 4 ist ein schematischer Schaltplan einer Schaltung zum Erzeugen eines Steuersignals, das zu Änderungen des Schlagvolumens eines Säugetierherzens von einer absoluten Referenz proportional ist;
• Fig. 5 ist eine Abänderung des Ausführungsbeispiels in Fig. 4, wodurch das Steuersignal durch Änderungen des Schlagvolumens ohne Bezug auf eine vorher festgelegte Schwelle bestimmt ist; und
• Fig. 6a bis 6i verdeutlichen Wellenformen an verschiedenen Punkten in der Schaltungsanordnung von Fig. 4.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
• Zuerst auf Fig. 1 Bezug nehmend, ist ein Oszillator 10 gezeigt, dessen Ausgang durch eine Konstantstromquelle 11 an erste und zweite beabstandete Elektroden 12 und 13, die in der Herzkammer positioniert sind und an einem Kabel bereitgestellt sind, das mit dem Ausgang der Konstantstromquelle 11 verbindet, gekoppelt ist. Der Oszillator ist angeordnet, um Impulse bei einer Frequenz zu erzeugen, die im Vergleich zur Herzfrequenz ziemlich hoch ist, typischerweise in dem Bereich von 500 bis 1000 Hz. Ein Differentialverstärker 14 hat seinen umkehrenden Eingang über einen Leiter in dem Kabel an die Elektrode 12 gekoppelt, und sein nichtumkehrender Eingang ist durch einen separaten Leiter, der auch in dem Kabel enthalten ist, an die Elektrode 13 gekoppelt. Der Ausgang von dem Differentialverstärker 14, der in der Form einer modulierten Trägerwelle ist, ist an eine Hochpaßfilterschaltung 15 angelegt, und von dort ist der Ausgang über einen Leiter 16 an ein Halbwellengleichrichternetzwerk 17 gespeist. Der Halbwellengleichrichter stellt seinen Ausgang einem Tiefpaßfilter 18 bereit, der das Trägersignal entfernt, und von dort ist das Hüllensignal durch eine weitere signalverarbeitende Schaltung 19 an eine Spannungs-Strom-Umsetzungsschaltung 20 angelegt. Wenn die vorher beschriebene Schlagvolumen-Abtastschaltungsanordnung zu benutzen ist, um die schrittmachende bzw. Stimulationsfrequenz eines Herzschrittmachers zu steuern, kann der Ausgang aus der Schaltung 20 an den Zeitsteuerschaltungsteilbereich eines einpflanzbaren Impulsgenerators 21 gekoppelt sein, dessen Ausgang durch einen weiteren Leiter in dem Kabel an eine Stimulationselektrode 22, die in oder an dem Herzen angeordnet ist, gekoppelt ist. Das Signal von dem V-I-bzw. Spannungs-Strom-Umsetzer 20, das an die Zeitsteuerschaltung des Impulsgenerators angelegt ist, kann proportional entweder zu dem absoluten Schlagvolumen oder der Änderung des Schlagvolumens sein, je nach der Weise, in der das Ausgangssignal von der Tiefpaßfilterstufe verarbeitet ist.
• Bevor eine ausführliche Erklärung einer Implementierung bzw. Verwirklichung einer Schaltung gegeben ist, die dem Blockdiagramm in Fig. 1 entspricht, mag es hilfreich sein, den Aufbau der Kabelstrukturen zu betrachten, die in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zum Bewirken von Frequenzänderung als eine Funktion des Schlagvolumenparameters des Herzens des Patienten benutzt sein können. In dieser Hinsicht verdeutlicht Fig. 2 eine Form von Kabel- und Elektroden-Strukturen, die benutzt sein kann. In dieser Figur ist ein endokardiales bzw. im Innern des Herzens gelegenes Kabel 23 gezeigt, das eine Spitzen- bzw. Ende-Elektrode 22 hat, die so angeordnet ist, daß sie im Scheitelpunkt der rechten Herzkammer bereitgestellt ist, und proximal von dieser Ende-Elektrode entlang der Achse des Kabels 23 beabstandet sind die leitenden Ringelektroden 12 und 13, die zum Abtasten von Schwankungen der zwischen ihnen vorhandenen Impedanz benutzt sind. Es ist festgestellt worden, daß während einer Systole, während sich die Querschnittsfläche des Herzens verkleinert, eine entsprechende Erhöhung der Impedanz, die zwischen den Abtastelektroden 12 und 13 vorhanden ist, erkannt ist.
• In Fig. 3 ist eine alternative Kabelkonfiguration gezeigt, bei der ein einziges Ringelement, das im allgemeinen mit der 24 gekennzeichnet ist, entlang eines Durchmessers geschlitzt ist, um zwei allgemein zylindrische Oberflächen zu ergeben, die radial voneinander beabstandet sind, nicht axial, indem sie die Elektrodenbestandteile 12 und 13 bilden.
• In den Ausführungsbeispielen beider Fig. 2 und 3 umfaßt das Kabel einen Isoliermantel 23, der drei Leiter 25, 26 und 27 umgibt, die jeweils die Abtastelektroden 12 und 13 und die Stimulationsende-Elektrode 22 an den eingepflanzten Impulsgenerator koppeln. Die Elektroden 12 und 13 sind an der äußeren Oberfläche des Isoliermantels 23 angeordnet, wo sie Körperflüssigkeiten ausgesetzt sind, wenn sie eingepflanzt sind.
• Bei der Zwei-Ring-Elektrodenkonfiguration von Fig. 2 kann das System durch einen Volumenleiter von fester Länge (dem Abstand zwischen den Ringen 12 und 13) und variable Querschnittsfläche gestaltet sein. Mit dieser Elektrodenkonfiguration ist der Querschnitt senkrecht zur Längsachse der rechten Kammer, in der das Kabel zum einfügen angepaßt ist. Aus der wohl bekannten Formel zum Berechnen von elektrischem Widerstand R = P l/A ist es offenbar, daß eine Verkleinerung der Querschnittsfläche (A), die während der Systole stattfindet, zu einer entsprechenden Erhöhung des Widerstands führt, der zwischen den zwei beabstandeten Elektroden gemessen ist. Desgleichen fährt die Zunahme der Querschnittsfläche, während Blut während einer Diastole die Herzkammern füllt, zu einer Verkleinerung des Widerstands, der zwischen den zwei beabstandeten Elektroden gemessen ist.
• Bei der in Fig. 3 verdeutlichten Spalt-Ring-Elektrodenkonfiguration besteht der Vorteil von erhöhter Empfindlichkeit darin, daß Längs- und Radialbewegung der Kammerwand zu größeren gemessenen Impedanzänderungen führt. Ein weiterer Vorteil der Elektrodenkonfiguration von Fig. 3 besteht darin, daß sie aufgrund der symmetrischen Positionierung der Ringe in bezug auf die Ende-Elektrode 22 verbesserte Schrittmacher- Spike- bzw. -Spitzenabweisung aufweist. Diese deutlichen Vorteile kompensierend ist die Tatsache, daß die durch die Spalt-Ring-Abtastelektrodenanordnung erhaltene Impedanzmessung etwas von der Kabelausrichtung abhängt. Es kann gezeigt werden, daß die Impedanzänderung, die mit den Spalt-Ring-Elektroden meßbar ist, als eine Kosinusfunktion des Winkels zwischen der maximalen Breitenabmessung der rechten Kammer und einer Linie, die sich senkrecht zu dem axialen Spalt zwischen den Spalt- Ring-Segmenten 12 und 13 erstreckt, abnimmt.
• Die Fig. 4 verdeutlicht einen schematischen Schaltplan einer Schaltungsanordnung, die das System verwirklicht, das diagrammhaft in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Schaltplan umfaßt der Oszillator 10 einen astabilen Multivibrator und ist als durch den unterbrochenen Linienrahmen 28 eingeschlossen gezeigt. Er beinhaltet einen Operationsverstärker 29, dessen umkehrender Eingangsanschluß 30 durch einen Kondensator 31 an einen Referenzpotentialpunkt, wie etwa Erde, gekoppelt ist, und dessen Ausgangsanschluß 32 durch einen Rückkopplungswiderstand 33 an den umkehrenden Eingangsanschluß 30 des Operationsverstärkers gekoppelt ist. Der nichtumkehrende Eingang dieses Verstärkers ist wiederum an einen Verbindungspunkt 34 zwischen reihenverbundenen Widerständen 35 und 36 gekoppelt, wobei der restliche Anschluß des Widerstands 35 an den Ausgangsanschluß 32 des Operationsverstärkers gekoppelt ist und der restliche Anschluß des Widerstands 36 an einen Punkt des Referenzpotentials VR gekoppelt ist. Ein Widerstand 37 ist zwischen dem Vorspannungsversorgungsanschluß des Operationsverstärkers 29 und Erde gekoppelt.
• Der Ausgang von dem Rechteckwellenoszillator 10 ist durch eine Kapazität 37 kapazitiv an die Konstantstromquelle 11 gekoppelt, die als durch den unterbrochenen Linienrahmen 38 eingeschlossen verdeutlicht ist. Die Konstantstromquell& 11 beinhaltet einen Operationsverstärker 39, dessen nichtumkehrender Eingang durch einen Widerstand 40 an die Quelle des Referenzpotentials, VR, gekoppelt ist, und ein Widerstand 41 fügt den Kopplungskondensator 37 an einen Verbindungspunkt 42, der direkt an den umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 39 gebunden bzw. angeschlossen ist. Ein Vorspannungswiderstand 43 ist in einer herkömmlichen Weise mit dem Operationsverstärker 39 und mit einem Punkt von festem Referenzpotential (Erde) verbunden.
• Der Ausgang von der Konstantstromquelle 11 ist durch einen der Leiter 25 in dem Kabel 23 an eine Abtastelektrode 13 gekoppelt. Die restliche Elektrode 12 ist durch einen Leiter 26 in dem Kabel 23 an einen Anschluß 27 gekoppelt, der direkt an den obenerwähnten Anschluß 42 der Konstantstrom-Operationsverstärkerstufe 39 angeschlossen ist. Wenn das Herz, in das das Kabel 23 eingepflanzt ist, schlägt, ändern sich Änderungen des in der rechten Kammer vorhandenen Blutvolumens, und diese Änderungen sind als eine Modulation des Ausgangssignals von dem Oszillator 10 widergespiegelt. Die Hochfrequenzsignale von dem Oszillator können als eine Trägerwelle betrachtet sein, und die Welle ist durch die Impedanzänderungen, die durch das bzw. die Abtastkabel und -elektroden erkannt sind, amplitudenmoduliert. Der Träger kann typischerweise eine Frequenz von 1000 Hz haben, aber eine Beschränkung dieser Frequenz ist nicht beabsichtigt. Es ist festgestellt, daß ein Träger, der eine Frequenz von etwa 1000 Hz und eine Amplitude in dem Bereich von 1 bis 10 Mikroampere hat, keine unerwünschte Gewebestimulation erzeugt. Als solche ist die Wahrscheinlichkeit des Herbeiführens von Pulsarrhythmien (Tachykardie bzw. Herzjagen) minimiert.
• Das modulierte Trägersignal ist an eine Differentialverstärkerstufe 14 gespeist (durch den unterbrochenen Linienrahmen 43a eingeschlossen gezeigt), die der erkannten Wellenform eine vorbestimmte Verstärkung bereitstellt. Speziell ist das an der Elektrode 12 aufgenommene Signal durch einen Kopplungskondensator 44 und einen Widerstand 45 an den umkehrenden Eingang eines Operationsverstärkers 46 gespeist. Auf eine gleiche Weise ist das an der Elektrode 13 entwickelte Signal durch einen Kopplungskondensator 47 und einen Widerstand 48 an den nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 46 gekoppelt. Der nichtumkehrende Eingang ist auch durch einen Widerstand 49 an die Quelle des Referenzpotentials VR gekoppelt. Ein Rückkopplungswiderstand 50 verbindet den Ausgangsanschluß 51 der Differentialverstärkerstufe 14 zurück zu den umkehrenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 46.
• Das verstärkte modulierte Trägersignal von dem Differentialverstärker 46 ist an eine aktive Hochpaßfilterstufe 15 gekoppelt. Die Hochpaßfilterstufe ist als durch den unterbrochenen Linienrahmen 53 eingeschlossen gezeigt. Sie beinhaltet einen ersten Operationsverstärker 54 und einen zweiten Operationsverstärker 55. Ein Kondensator 52 legt das Signal von dem Differentialverstärker 46 über einen weiteren Kondensator 56 an den nicht umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 54 an. Der Ausgangsanschluß 57 des Operationsverstärkers 54 hat einen Widerstand 58, der ihn an den Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren 52 und 56 fügt. Ein Vorspannungswiderstand 59 ist an einem Anschluß direkt mit dem nichtumkehrenden Eingang der Verstärkerstufe 54 und an seinem anderen Anschluß mit der Quelle VR verbunden. Ein weiterer Widerstand 60 ist zwischen dieser gleichen Quelle VR und dem umkehrenden Eingangsanschluß 61 des Operationsverstärkers 54 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 62 fügt den Ausgangsanschluß 57 dieses Verstärkers an den umkehrenden Eingang. Dieser Ausgang ist kapazitiv über die Kondensatoren 63 und 64 ab den nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 55 gekoppelt. Sein Ausgangsanschluß ist über reihenverbundene Widerstände 66 und 67 an die Referenzquelle VR und über den Widerstand 68 an den Verbindungspunkt zwischen den reihenverbundenen Kondensatoren 63 und 64 gekoppelt. Der umkehrende Eingang der zweiten Stufe des Hochpaßfilternetzwerks verbindet mit dem gemeinsamen Anschluß zwischen den reihenverbundenen Widerständen 66 und 67.
• Die Hochpaßfilterstufe 15 ist eine vierpolige Vorrichtung, die wirksam ist, um das modulierte Tragersignal passieren zu lassen. Die Gemeinsam-Modus-Abweisung, die von der Differentialverstärkerstufe 14 geboten ist, und die Hochpaßfilterstufe 15 arbeiten jedoch zusammen, um EKG-Artefakte, wie etwa R-Wellen bzw. R-Zacken oder Schrittmacherspitzen, die von den Abtastelektroden aufgenommen sein können, wesentlich zu unterdrücken. Ferner dient der Hochpaßfilter zum Entfernen aller anderen Artefakte, das Trägersignal, das die Impedanzinformation in der Form einer Niederfrequenz-Amplitudenmodulation davon trägt, ausnehmend.
• Durch den unterbrochenen Linienrahmen 69 eingeschlossen gezeigt ist eine Halbwellengleichrichterschaltung 17. Sie umfaßt eine Operationsverstärkerstufe 70, die ihren umkehrenden Eingang durch einen Widerstand 71 an die Ausgangsverbindungsstelle 65 der Hochpaßfilterstufe 15 gekoppelt hat. Der nichtumkehrende Eingang des Verstärkers 70 ist durch einen Widerstand 72 an die Referenzquelle VR gekoppelt. Eine erste Diode hat ihre Kathode mit dem Ausgangsanschluß 73 des Operationsverstärkers 70 und ihren Anodenanschluß mit dem umkehrenden Eingang dieses Verstärkers verbunden. Eine Reihenschaltung, die eine weitere Diode 75 und eine parallele Kombination eines Widerstands 76 und eines Kondensators 77 beinhaltet, ist zwischen diesem selben Ausgangsanschluß 73 und dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 70 gekoppelt. Mit den Dioden 74 und 75, die gepolt sind, wie gezeigt ist, sind nur positive Schwingwege bzw. Ausschläge des modulierten Trägers an dem Ausgangsanschluß 75a reproduziert bzw. wiedergegeben.
• Nach der Gleichrichtung ist das sich ergebende Signal an eine Dreipol- Tiefpaßfilterschaltung 18 angelegt, die in Fig. 4 als durch den unterbrochenen Linienrahmen 78 eingeschlossen gezeigt ist. Dieser Tiefpaßfilter beinhaltet einen Operationsverstärker 79, der einen nichtumkehrenden Eingangsanschluß 80, einen umkehrenden Eingangsanschluß 81 und einen Ausgangsanschluß 82 hat. Der Ausgangsanschluß 75a des Halbwellengleichrichters ist durch eine Reihenkette von Widerständen 83, 84 und 85 an den nichtumkehrenden Eingangsanschluß 80 gekoppelt. Ein Kondensator 86 koppelt diesen selben Eingangsanschluß an eine Quelle von Referenzpotential VR. Ein weiterer Kondensator 87 ist zwischen Erde und dem Verbindungspunkt zwischen den reihenverbundenen Widerständen 83 und 84 gekoppelt. Ein Rückkopplungswiderstand 88 verbindet den Ausgangsanschluß 82 des Operationsverstärkers 79 zurück zu seinem umkehrenden Eingangsanschluß 81. Dieser selbe umkehrende Eingangsanschluß 81 ist durch einen Widerstand 89 an die Spannungsquelle VR gekoppelt. Ein Rückkopplungskondensator 90 verbindet zwischen dem Ausgangsanschluß 81 des Operationsverstärkers 79 und der Verbindungsstelle, die zwischen den reihenverbundenen Widerständen 84 und 85 gebildet ist.
• Die Komponentenwerte der Tiefpaßfilterschaltung sind so gewählt, daß sie eine obere Grenzfrequenz von etwa 5 Hz aufweist. Als solche ist die Tiefpaßfilterstufe 18 wirksam, um das Trägersignal abzustreifen, wobei sie nur die Hüllenwellenform beläßt. Es ist festgestellt, daß diese Hüllenwellenform eine große Ähnlichkeit mit den veröffentlichten Schlagvolumenwellenformen hat, die von Geddes et al berichtet sind; siehe oben.
• Das modulierte Hüllensignal ist durch zusätzliche Signalverarbeitungsstufen, die durch den unterbrochenen Linienrahmen 90a eingeschlossen gezeigt sind, angewandt bzw. angelegt, so daß es schließlich benutzt sein kann, um eine Steuerfunktion an einer Hilfsvorrichtung auszuführen, wie etwa zum Abändern der Zeitsteuerschaltung eines Herzschrittmacher-Impulsgenerators in einer Weise, um die Frequenz zu verändern, bei der Stimulationsimpulse als eine Funktion des gemessenen Schlagvolumens erzeugt sind. Diese weitere Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung beinhaltet ein Gleichstrom- Wiederherstellnetzwerk, das allgemein durch die Zahl 91 angegeben ist, und eine weitere Tiefpaßfilterstufe, die allgemein als Zahl 192 angegeben ist. Der Gleichstrom- Wiederhersteller beinhaltet einen Operationsverstärker 93, dessen umkehrender Eingang durch einen Kondensator 94 und einen Widerstand 95 an den Ausgang von dem Tiefpaßfilter 18 gekoppelt ist.
• Der Widerstand 95 umfaßt einen Teilbereich eines Spannungsteilers, der auch einen Widerstand 96 beinhaltet, wobei dieser letztere Widerstand zwischen Erde und dem gemeinsamen Anschluß zwischen dem Kondensator 94 und dem Widerstand 95 verbunden ist. Ein weiterer Spannungsteiler, der Festwiderstände 97 und 98 und ein Potentiometer 99 enthält, ist zwischen Erde und einer Quelle von geregelter Spannung, VREG, gekoppelt. Der Kontaktarm des Potentiometers 99 ist direkt an den nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 93 angeschlossen. Eine Klemmdiode 100, die so gepolt ist, wie angegeben ist, ist zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 93 und dem Verbindungspunkt zwischen den Reihenverbinderwiderständen 95 und 96 verbunden. Die Gleichtstrom- Widerherstellerschaltung 91 veranlaßt, daß das an dem Ausgang des Tiefpaßfilters 18 entwickelte Spannungssignal auf eine Spannung geklemmt ist, die durch Einstellen des Potentiometers 99 festgelegt ist.
• Der Ausgang von der Gleichstrom-Wiederherstellerschaltung ist über den Leiter 101 mit der weiteren Tiefpaßfilterstufe 92 verbunden. Dieser Tiefpaßfilter ist so ausgelegt, daß er zwei Pole aufweist, und er beinhaltet einen Operationsverstärker 102. Der nichtumkehrende Eingang von Verstärker 102 empfängt den Ausgang von der Gleichstrom-Wiederherstellerstufe über reihenverbundene Widerstände 103 und 104. Ein Rückkopplungskondensator 106a ist zwischen dem Ausgangsanschluß 105 des Operationsverstärkers 102 und der gemeinsamen Anschlußstelle zwischen den reihenverbundenen Widerständen 103 und 104 verbunden. Ein weiterer Kondensator 106 ist direkt zwischen dem nichtumkehrenden Eingangsanschluß und der Referenzspannungsquelle VR verbunden. Ein Spannungsteiler, der die Widerstände 107 und 108 beinhaltet, ist in Reihe zwischen der Quelle VR und dem Ausgangsanschluß 105 des Tiefpaßfilter-Operationsverstärkers 102 verbunden. Der umkehrende Eingang dieses Verstärkers ist direkt an den Verbindungspunkt zwischen den reihenverbundenen Widerständen 107 und 108 angeschlossen. Die signalverarbeitende Schaltungsanordnung, die der letzten Tiefpaßfilterstufe 92 folgt, kann eine von zwei Formen annehmen. In der Ansicht von Fig. 4 ist die Schaltungsanordnung angeordnet, um eine Stromamplitude zu erzeugen, die zu einem absoluten Referenzschlagvolumen proportional ist, wobei die Referenz durch das Einstellen des Potentiometers 99 festgelegt ist. Durch Einsetzen der in Fig. 5 gezeigten Schaltungsanordnung für diejenige, die der in Fig. 4 als "X" bezeichneten Verbindungsstelle folgt, ist ein Stromsignal erzeugt, das zu Änderungen des Schlagvolumens proportional ist, und keine relative Referenz hat.
• Mit dem obengenannten im Sinne, gilt die Aufmerksamkeit dann weiterhin dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 4 verdeutlicht ist, d. h. der Anordnung, die ein absolutes Referenzschlagvolumen-Stromsignal ergibt. Der Ausgang von der Tiefpaßfilterstufe 92 ist durch einen Widerstand 109 an den umkehrenden Eingang eines Operationsverstärkers 110 gekoppelt, dessen nichtumkehrender Eingang durch einen Widerstand 111 an eine Spannungsreferenzquelle VR gekoppelt ist. Ein Integrationskondensator 112 ist als ein Rückkopplungselement zwischen dem Ausgangsanschluß 113 des Operationsverstärkers 110 und seinem umkehrenden Eingangsanschluß verbunden. Die eben beschriebene Integratorschaltung funktioniert, um die Differenz zwischen dem tatsächlichen Schlagvolumen, wie es durch die Hülle des modulierten Trägersignals dargestellt ist, und dem Referenzpotiential, das durch das Potentiometer 99 eingestellt ist, zu integrieren.
• Der Ausgang von dem Integrator ist an eine Spannungs-Strom-Umsetzungsschaltung 114 angelegt. Diese Schaltung beinhaltet einen Operationsverstärker 115, der seinen umkehrenden Eingang durch einen variablen bzw. Stellwiderstand 116 an den Ausgang von der Integratorstufe gekoppelt hat. Der nichtumkehrende Eingang des Operationsverstärkers 115 ist durch einen Widerstand 117 an die Referenzspannungsquelle VR gekoppelt. Als ein Rückkopplungselement an dem Spannungs-Strom-Umsetzer 114 verbunden ist ein NPN-Transistor 118. Speziell ist die Basiselektrode des Transistors an den Ausgang des Operationsverstärkers 115 gekoppelt, und seine Emitterelektrode ist an den umkehrenden Eingang angeschlossen. Das sich ergebende Stromsignal "out" das in der Kollektorschaltung des Transistors 118 fließt, kann mathematisch wie folgt dargestellt sein:
• wobei VSV die Amplitude des Schlagvolumens am Ausgang des Gleichstrom- Wiederherstellerpunkts 101 ist.
• Dieses Stromsignal ist an ein sogenanntes Stromspiegelnetzwerk 119 gespeist, das funktioniert, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der gleich dem Negativen des Eingangsstroms ist. Das Spiegelnetzwerk beinhaltet erste und zweite PNP-Transistoren 120 und 121, deren Emitter gemeinsam an eine geragelte Spannungsquelle VReg angeschlossen sind, und deren Basiselektroden gemeinsam an die Kollektorelektrode des Transistors 118 angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 120 ist auch an die Kollektorelektrode des Transistors 118 angeschlossen, während das Ausgangssignal von dem Stromspiegel 119 an der Kollektorelektrode des Transistors 121 durch den Kopplungswiderstand 122 erhalten ist.
• Bei einer Anwendung der Erfindung kann der Ausgang von der Stromspiegelschaltung 119 an die Zeitsteuerschaltung eines Herzschrittmacher-Impulsgenerators in einer solchen Weise angelegt sein daß die normale schrittmachende bzw. Stimulationsfrequenz dieses Impulsgenerators von einer voreingestellten Frequenz als eine Funktion des in die Zeitsteuerschaltung injizierten Stroms abweicht. Ein typischer R-Zacken-gehemmter Bedarfs- bzw. Kammerschrittmacher des Stands der Technik, mit dem die vorliegende Erfindung benutzt sein kann, ist in dem Anderson et al Patent 4,041,953 vollständig beschrieben. Bezüglich dieses Patents würde der an dem Ausgangsanschluß 123 der vorliegenden Erfindung erhaltene Strom mit dem gemeinsamen Punkt zwischen der Kollektorelektrode des Transistors Q103 und dem Zeitsteuerkondensator C101 in der in Fig. 6a des Anderson et al Patents 4,041,953 beschriebenen Schrittmacherschaltung verbunden sein. In dieser Weise kann das Stromsignal, das von dem Schlagvolumen- Abtastgerät der vorliegenden Erfindung beigetragen ist, in den Zeitsteuerkondensator injiziert sein, um eine Schwankung bzw. Änderung der Frequenz zu bewirken, in der Schrittmacherimpulse bei Abwesenheit von normaler R-Zacken-Aktivität erzeugt sind.
BETRIEB - Fig. 4
• Da nun die Einzelheiten des Baus eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargelegt worden ist, wird seinem Betriebsmodus die Aufmerksamkeit geschenkt. In dieser Hinsicht werden die in den Fig. 6a bis 6i dargelegten Wellenformen für einem vollständigen und kompletten Verständnis des Betriebs für nützlich gehalten. Wie bereits angegeben worden ist, ist das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 gebaut bzw. ausgelegt, um ein absolutes Referenzschlagvolumen bereitzustellen, wobei die Referenz von dem Potentiometer 99 eingestellt ist. Überdies ist angenommen, daß der Steuerstrom in die Zeitsteuerschaltung eines Schrittmachers injiziert ist. Dieser Strom ist bis zu der Zeit injiziert, zu der der Integratorkondensator 112 vollständig entladen ist. Dies findet nicht statt, bis das Schlagvolumen zu dem voreingestellten Referenzwert zurückgekehrt oder daruntergefallen ist.
• Die Fig. 6a verdeutlicht die Signalwellenform, die an dem Ausgangsanschluß 32 der Oszillatorschaltung 10 erhalten ist, wobei das Signal an die Abtastelektroden 12 und 13 angelegt ist, die an der Oberfläche eines Kabels angeordnet sind, das ausgelegt ist, um in die rechte Herzkammer gesetzt zu sein. Während das Herz schlägt und Blut in die rechte Kammer eintritt und diese verläßt, findet eine Änderung der elektrischen Impedanz zwischen den Abtastelektroden 12 und 13 statt. Diese Impedanzänderung führt zu Amplitudenmodulation des Oszillator-Ausgabesignals, und dieses modulierte Signal ist über die Eingänge der Differentialverstärkerstufe 14 angelegt. Die Wellenform 6b verdeutlicht das Signal, das an dem Ausgang des Differentialverstärkers erscheint. Hier ist die EKG-Wellenform auf dem Trägersignal so überlagert, daß die Schlagvolumenmodulation an diesem Punkt etwas schwierig zu beobachten ist.
• Die Wellenform 6c verdeutlicht die Wellenform, die an dem Ausgang des Hochpaßfilternetzwerks 15 beobachtet ist, d. h. an dem Ausgangsanschluß 65 des Operationsverstärkers 55. Beim Durchgang durch den Hochpaßfilter ist die EKG-Welle entfernt, so daß die Schlagvolumenmodulation des Oszillatorausgangs (Trägersignal) jetzt ziemlich erkennbar ist.
• Die Wellenform 6d stellt den Ausgang von dem Halbwellengleichrichter 17 dar. Wie angegeben ist, dient der Halbwellengleichrichter zum Entfernen der negativgehenden Spitzen von dem modulierten Träger.
• Wenn das halbwellengleichgerichtete schlagvolumenmodulierte Trägersignal als nächstes an einen Tiefpaßfilter angelegt ist, wie bei 18, stellt die durch Fig. 6e dargestellte Wellenform das dar, was typischerweise an dem Ausgangsanschluß 82 beobachtet würde. Dieser Ausgang bildet eine Spannung, die zu dem augenblicklichen Schlagvolumen proportional ist. Nach dem Durchgang durch die Klemmschaltung 91 stellt die Wellenform von Fig. 6f das augenblickliche Schlagvolumensignal, das auf die Spannung VR geklemmt ist, dar.
• Die Wellenform von Fig. 6g verdeutlicht den Klemmenausgang, der an dem Leiter 101 erscheint, nur mit einem längeren Zeitmaßstab. Sie zeigt eine Vergrößerung des Schlagvolumens, der eine Verkleinerung folgt. Wenn dieses Signal an die zweite Tiefpaßfilterstufe 92 angelegt ist, erscheint die in Fig. 6h verdeutlichte Wellenform an dem Ausgangsanschluß 105 dieses Tiefpaßfilters. Die Klemme für die vorherige Stufe ist eingestellt bzw. angepaßt, um einen Gleichstromausgang von dem Tiefpaßfilter von einem Pegel VR zu ergeben, wenn das Schlagvolumen die gewünschte Amplitude hat.
• Wie in Fig. 4 verdeutlicht ist, ist dieses Signal an die Integratorschaltung 110 angelegt, und der Ausgang des Integrators ist durch die Wellenform von Fig. 6i dargestellt. Hier ist die Ausgabe der integrierte Spannungsausschlag des Signals von dem VR-Pegel und kann durch die Gleichung (A) dargestellt sein. Dieses Spannungssignal ist durch die Spannungs-Strom-Umsetzungsschaltung 114, die einen Ausgangsstrom erzeugt, der gleich der Eingangsspannung minus der Referenzspannung dividiert durch den Widerstand des Stellwiderstands 116 ist, in ein Stromsignal umgewandelt.
• Dementsprechend kann der Ausgangsstrom von dem Spannungs-Strom-Umsetzer durch die Gleichung (A) dargestellt sein. Es ist dieser Strom, der durch die Spiegelschaltung 119 an die Zeitsteuerschaltung des Kammerschrittmacher-Impulsgenerators oder an einen Steuerpunkt in einem anderen medizinischen elektronischen Gerät, das allgemein als eine gesteuerte Vorrichtung betrachtet sein kann, gekoppelt sein kann.
• Es wird festgestellt sein, daß der in die Zeitsteuerschaltung des Herzschrittmachers injizierte Strom die Zeitsteuerperiode des Impulsgenerators verkleinert, wodurch künstliche Stimulationsimpulse bei einer höheren Frequenz erzeugt sind, wenn der physiologische Bedarf eine Vergrößerung des Schlagvolumens erzeugt. Wie bereits erwähnt worden ist, ergibt sich eine entsprechende Verkleinerung des Schlagvolumens, wenn die Herzfrequenz ansteigt. So veranlaßt die Schaltung von Fig. 4 bei ordnungsgemäßer Verbindung mit einem Herzschrittmacher-Impulsgenerator, der eine stromempfindliche Zeitsteuerschaltung hat, wie in der Schaltung des obenerwähnten Patents von Anderson et al, diesen Impulsgenerator, bei einer Stimulationsfrequenz zu arbeiten, die sich gemäß der Abweichung des gemessenen Schlagvolumens von einem voreingestellten Pegel bzw. Wert ändert. Wenn das Schlagvolumen zunimmt, tut dies auch die Stimulationsfrequenz. Vergrößerungen der Stimulationsfrequenz führen zu einer entsprechenden Verkleinerung des Schlagvolumens. Daher arbeitet die Schaltung, um das Schlagvolumen bei einem vorbestimmten Schwellenwert relativ konstant zu halten.
• Die Schaltung von Fig. 4 kann abgeändert sein, so daß das System anstatt des kontinuierlichen Betriebs, um das Schlagvolumensignal gegen eine voreingestellte Referenz zu zwingen, statt dessen nur gegen Änderungen des Schlagvolumens empfindlich ist, ohne Rücksicht auf eine relative Referenz. Hier ist die Kammerstimulationsfrequenz veränderlich gemacht, um Änderungen des Schlagvolumens zu minimieren. Bei der Verwirklichung dieser alternativen Anordnung ist der Teilbereich der in Fig. 4 rechts neben dem Punkt mit der Bezeichnung "X" gezeigten Schaltungsanordnung durch die Schaltungsanordnung ersetzt, die in Fig. 5 gezeigt ist. Speziell ist der Ausgang von der Tiefpaßfilterstufe 92 angeordnet, um durch einen Widerstand 124 an den nichtumkehrenden Eingang eines Operationsverstärkers 125 gekoppelt zu sein. Ein Rückkopplungswiderstand 126 ist zwischen dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers und seinem umkehrenden Eingangsanschluß verbunden. Ein weiterer Widerstand 127 hat einen Anschluß ebenfalls mit dem umkehrenden Eingangsanschluß des Verstärkers 125 verbunden und seinen restlichen Anschluß mit der Referenzspannungsquelle VR verbunden. Die Funktion der nichtumkehrenden Verstärkerstufe besteht darin, eine vorbestimmte Verstärkung in den Spannungsausgang aus der Tiefpaßfilterstufe 92 einzubringen. Typischerweise kann diese Verstärkung ein Faktor von 10 sein.
• Das verstärkte Signal, das an dem Ausgang des Operationsverstärkers 125 erscheint, ist als nächstes als ein Eingang an eine Stromsteuerschaltung angelegt, die allgemein durch die Zahl 128 angegeben ist. Sie beinhaltet als ihre aktiven Elemente einen weiteren Operationsverstärker 129, einen ersten Transistor 130 und einen zweiten Transistor 131. Der Ausgang von dem nichtumkehrenden Verstärker 125 ist durch einen relativ großen Kondensator 132 an den nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 129 gekoppelt. Eine weitere Verbindung ist zu diesem nichtumkehrenden Eingang von dem Mittelpunkt an einem Spannungsteilernetzwerk gemacht, das aus reihenverbundenen Widerständen 133 und 134 besteht. Diese Reihenwiderstandsanordnung ist zwischen einer Quelle von geregelter Spannung VReg und Erde verbunden. Der umkehrende Eingang des Operationsverstärkers 129 ist durch einen Stellwiderstand 135 an die Referenzspannungsquelle VR gekoppelt. Der Widerstand 135 ist variabel gemacht, so daß das
• Δi (die Änderung des Ausgangsstroms pro Einheit)/ΔVsy (die Änderung der Schlagvolumenamplitude in Volt)
• angepaßt sein kann. Der Transistor 130 ist als ein Rückkopplungselement verbunden und hat seine Basiselektrode an den Ausgang des Operationsverstärkers 129 gekoppelt und seine Emitterelektrode mit dem umkehrenden Eingang desselben Verstärkers verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 130 ist durch einen Leiter 136 mit einer Stromspiegelschaltung 137 verbunden. Der Transistor 131 hat seine Basiselektrode auch an den Ausgang des Operationsverstärkers 129 gekoppelt, und seine Kollektorelektrode ist direkt mit dem nichtumkehrenden Eingang dieses Verstärkers verbunden. Der Transistor 131 ist mittels eines Potentiometers 138, das zwischen der Spannungsquelle VREg und VR gekoppelt ist, vorgespannt bzw. mit einer Vorspannung versehen, wobei die Emitterelektrode des Transistors 131 an den Kontaktarm dieses Potentiometers angeschlossen ist.
• Die Stromspiegelschaltung ist aufbaumäßig im wesentlichen mit der Stromspiegelschaltung 119 von Fig. 4 identisch und beinhaltet erste und zweite PNP- Transistoren 139 und 140. Die Basiselektrode dieser zwei Transistoren sind mit der Kollektorelektrode des Transistors 140 verbunden und mit Hilfe eines Leiters 136 an die Kollektorelektrode des Transistors 130 angeschlossen. Die Emitterelektrode der Transistoren 139 und 140 sind verbunden und an die geregelte Spannungsquelle VReg angeschlossen. Der Ausgang von der Stromspiegelschaltung ist durch einen Widerstand 141 an einen Ausgangspunkt mit der Bezeichnung 142 gespeist. Es ist dieser Ausgangspunkt, der angeordnet ist, um mit der Zeitsteuerschaltung des Schrittmacher- Impulsgenerators verbunden zu sein, wie bereits ausführlich dargelegt worden ist, als die Schaltungsanordnung von Fig. 4 erörtert wurde.
• Man wird sich erinnern, daß das an Punkt "X" in Fig. 4 auftretende Ausgangssignal eine Spannung ist, die zum Schlagvolumen proportional ist. Diese Spannung ist durch den nichtumkehrenden Verstärker 125 verstärkt, und der sich ergebende Ausgang ist durch die Stromsteuerschaltung 128 auf eine solche Weise weiterverarbeitet, daß nur Änderungen des Schlagvolumens von Bedeutung sind. Die Änderungen des Schlagvolumens sind natürlich von dem physiologischen Bedarf des Körpers abhängig.
• Der Kondensator 132 stellt in Verbindung mit dem Rest der Schaltung eine sehr große Zeitkonstante bereit, wobei der Kondensator als ein Differenzierer wirkt. Anders gesagt umfaßt er einen Hochpaßfilter mit einer äußerst langen Zeitkonstante. Die Zeitkonstante ist durch den Wert des Kondensators 132 in Mikrofarad multipliziert mit dem Effektivbzw. Wirkwiderstand der Widerstände 133 und 134, gemessen in Megaohm, bestimmt. Diese Zeitkonstante kann so eingestellt sein, daß sie ungefähr in dem Bereich von fünf bis fünfunddreißig Minuten liegt, wobei 10 Minuten vielleicht typisch sind. Bei Dauerzuständen wird die an dem nichtumkehrenden Eingang des Verstärkers 129 erscheinende Spannung von der Größe der Gleichstromspannung bestimmt sein, die an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 133 und 134 erhalten ist. Der Kondensator 132 erlaubt nur den Durchgang von Änderungen des Signals, das von dem Verstärker 125 ausgegeben ist. Die Komponentenwerte sind so gewählt, daß beim Auftreten von Änderungen des Schlagvolumen-Spannungssignals ungefähr dreißig Minuten, d. h. ungefähr drei Zeitkonstanten, für das im Leiter 136 beobachtete Stromsignal zur Rückkehr zu seinem Ruhe- oder Dauerzustandspegel erforderlich sind. Diese Dreißig-Minuten-Periode entspricht sehr eng derjenigen, die mit menschlichen physiologischen Anforderungen übereinstimmt. Das heißt, nach wesentlicher Belastung sind ungefähr zwanzig bis dreißig Minuten erforderlich, bis die Herzfrequenz zu der Ruhefrequenz zurückkehrt.
• Das Steuersignal, das an dem nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 129 entwickelt ist, ist das tatsächliche Steuersignal, das an diesem Punkt eine Funktion der Schlagvolumenänderungen ist, nicht des Absolutwerts der Schlagvolumenmessung. Der Verstärker 129 ist ausgelegt, um dieses Steuersignal in einen Strom umzuwandeln, der in einen herkömmlichen Herzschrittmacher-Impulsgenerator auf eine solche Weise injiziert sein kann, daß die Frequenz, bei der Kammerstimulationsimpulse erzeugt sind, als eine Funktion dieses Steuersignals angepaßt ist, oder der an ein anderes Gerät angelegt sein kann, wo Schlagvolumenüberwachung und/oder Reaktion auf Änderungen des Schlagvolumens gewünscht ist.
• Im Augenblick auf Fig. 6a des Patents 4,041,953 von Anderson et al Bezug nehmend, bilden die Transistoren Q101 und Q102 zusammen mit den Widerständen R103 und R104 einen Konstantstromerzeuger. Diese Stromquelle richtet eine Spannung ein und erlaubt dann einen Strom durch den Transistor Q103 zum Aufladen des Zeitsteuerkondensators C 101 des Impulsgenerators. Der zuletzt erwähnte Kondensator bildet einen Teilbereich der RC- bzw. Widerstand-Kondenstor-Zeitkonstante des Oszillatorteilbereichs des Schrittmacher-Impulsgenerators. Durch Injizieren von Strom an dem angegebenen Punkt ist die Ladezeit des Kondensators C101 verkürzt, und die Kammerstimulationsimpulse, die über den Herz + und Herz - Anschlüssen der Impulsgeneratorschaltung auftreten, nehmen zu, wobei angenommen ist, daß natürlich auftretende R-Zacken den Betrieb des Bedarfs- bzw. Kammerschrittmachers nicht hemmen.
• Im Augenblick zusammenfassend, stellt die Schaltung von Fig. 5, wenn sie an den Anbindungspunkt "X" in Fig. 4 gekoppelt und als Ersatz für die Schaltung in Fig. 4, die sich stromabwärts von dem Anbindungspunkt befindet, benutzt ist, einen injizierten Strom bereit, der proportional zu Änderungen des Schlagvolumens ist. Nur Vergrößerungen des Schlagvolumens sind abgetastet. Verkleinerungen des Schlagvolumens führen zur Entladung des Kondensators 132, der, während er sich entlädt, den injizierten Strompegel verkleinert.
• Ohne beabsichtigte Einschränkung und nur zu Zwecken der Verdeutlichung gibt die folgende Tabelle typische Komponentenwerte an, die bei der Verwirklichung des Schlagvolumenabtast- und Schritt- bzw. Stimulationsfrequenz-Steuergeräts der vorliegenden Erfindung benutzt sein können. TABELLE EINS KOMPONENTENWERTE Widerstände Wert Kondensatoren OP-Verst. Typ National LM Intersil ICL Transistoren kSpannungen
• Die Erfindung ist hierin in beträchtlicher Ausführlichkeit beschrieben worden, um den Fachkundigen Informationen bereitzustellen, die benötigt sind, um die neuartigen Grundsätze anzuwenden und solche spezialisierten Komponenten, wie erforderlich sind, zu bauen und zu benutzen. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Erfindung durch spezifisch andere Ausrüstung und Vorrichtungen ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann der Steuerstrom, der zur Schlagvolumenänderung proportional ist, in Verbindung mit einer einpflanzbaren Infusionspumpe zur Verabreichung solcher Arzneimittel wie Dobutaminisoprotorenol oder Nitroprussid benutzt sein, wodurch das Schlagvolumen auf einem gewünschten Wert gehalten sein kann. Als Alternative kann die demodulierte Wellenform oder das Steuersignal von einer anderen Diagnoseausrüstung direkt benutzt sein. Durch entsprechende Anwendung der Informationen, die von der Kammerimpedanz abgeleitet sind, wäre es möglich, das Schlagvolumen zu messen, ohne auf Thermodilution bzw. Wärmeauflösung oder andere Techniken zurückgreifen zu müssen.

Claims (5)

1. Herzschrittmachervorrichtung mit veränderlicher Rate bzw. Frequenz, welche auf den metabolischen bzw. Stoffwechselbedarf des Patienten anspricht, und welche ein endokardiales elektrisches Kabel (23) mit mindestens zwei im Abstand zueinander angeordneten Atastelektroden (12, 13) und einer Stimulationselektrode (22) umfaßt, wobei die Abtastelektroden nahe der Stimulationselektrode (22) so angeordnet sind, daß dann, wenn sich die Stimulationselektrode (22) unmittelbar am Scheitelpunkt einer Herzkammer befindet, die Abtastelektroden (12, 13) sich ebenfalls innerhalb der einen Kammer befinden, und diese Vorrichtung des weiteren umfaßt:

eine Stromquelle (10), wobei Leiter (25, 26, 27) des - Kabels (23) die Quelle (10) mit dem Abtastelektrodenpaar (12, 13) koppeln;

eine über das Kabel (23) mit dem Abtastelektrodenpaar (12, 13) gekoppelte Einrichtung zum Empfang elektrischer über die Abtastelektroden (12, 13) entwickelter Signale;

eine Einrichtung (19, 20) zur Entwicklung eines Steuersignals in Abhängigkeit von Änderungen dieses Signals;

einen Herzschrittmacher- Impulsgenerator mit einer Takteinrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit bzw. Frequenz, mit der die Herzstimulierungsimpulse generiert werden; und

eine Einrichtung zum Anlegen des Steuersignals an die Takteinrichtung; und

eine Einrichtung zur Kopplung der generierten Stimulationsimpulse mit der Stimulationselektrode (22) in dem Kabel (23), dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (10) Wechselstrom-Trägersignale einer vorgegebenen Frequenz im Bereich von 500 bis 5000 Hz bereitstellt, wobei die Empfängereinrichtung eine Leseverstärkereinrichtung (14) für Empfang und Verstärkung der über die Abtastelektroden (12, 13) entwickelten modulierten elektrischen Signale umfaßt; und die Vorrichtung des weiteren eine Hochpaßfiltereinrichtung (15) umfaßt, die so geschaltet ist, daß sie den Ausgang der Leseverstärkereinrichtung (14) empfängt, um die Trägersignale zu übergeben, während sie eventuelle von den Abtastelektroden (12, 13) erfaßte elektrische Artefakte einer Frequenz unterhalb der vorgegebenen Frequenz der Trägersignale dämpft; außerdem eine Demodulatorschaltungseinrichtung (17, 18) mit einer Tiefpaßfiltereinrichtung (18), welche mit dem Ausgang der Hochpaßfiltereinrichtung (15) gekoppelt ist, um das modulierte Trägersignal zu demodulieren und das modulierte Signal daraus wiederherzustellen, wobei sich das modulierte Signal proportional zum Schlagvolumen des Herzens des Patienten verhält; wobei die Entwicklungseinrichtung (19, 20) mit dem Tiefpaßfilter gekoppelt ist und einen sich proportional zu den Amplitudenänderungen des modulierten Signals verhaltenden Steuerstrom entwickelt; und die Vorrichtung des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Entwicklungseinrichtung (19, 20) eine Einrichtung (97, 98, 99) zur Vorgabe eines festen Referenzpotentials (Vr) und eine zum Empfang des modulierten Signals und des festen. Referenzpotentials gekoppelte Integratorschaltungseinrichtung (110, 112, 125, 132) zur Integration der Differenz zwischen dem modulierten Signal und dem festen Referenzpotential enthält.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in welcher eine impedanzplethysmographische Einrichtung mit Abtasteinrichtungen (11, 12, 13, 14, 15, 17, 18) mit einer Einrichtung (90a) zur Erzeugung eines sich proportional zum Schlagvolumen ändernden Signals gekoppelt ist; und eine Einrichtung (119, 137) das Signal mit dem Impulsgenerator (21) koppelt, um die Betriebsweise der Takteinrichtung zu ändern, wodurch sich die Frequenz, mit der Stimulationsimpulse erzeugt werden, mit den Änderungen im Schlagvolumen ändert; und in welcher die mit der impedanzplethysmographischen Einrichtung gekoppelte Einrichtung (90a) Einrichtungen (90a, 110, 114; 90a, 125, 128) zur Entwicklung eines analogen Steuersignals, welches sich proportional zu den Änderungen des Schlagvolumens des Herzens des Patienten verhält, und die Kopplungseinrichtung (119, 137) eine Einrichtung (119, 137) zur Kopplung eines analogen Steuersignals mit dem Impulsgenerator (21) umfaßt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt:

eine mit der Demodulationseinrichtung (17, 18) gekoppelte Integrationseinrichtung (110, 112) zur Erzeugung eines analogen Gleichstrom-Steuersignals, welches sich proportional zu den Änderungen des Trägersignals über ein vorgegebenes Zeitintervall verhält;

und eine Einrichtung (110; 137) zum Anlegen des analogen Steuersignals an die Takteinrichtung in dem Impulsgenerator (21), um die Frequenz, mit der Herzstimulationsimpulse erzeugt werden, in Übereinstimmung mit Änderungen des Herzschlagvolumens zu ändern.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Elektroden (12, 13) gelegte Trägersignal eine Amplitude und eine Frequenz aufweist, welche nicht ausreichen, elektrisch stimulierte Systolen herbeizuführen.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (17, 18, 90a) folgendes umfaßt:

(a) eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung (17) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang so gekoppelt ist, daß er modulierte Trägersignale von der Hochpaßfiltereinrichtung (15) empfängt;

(b) eine erste Tiefpaßfiltereinrichtung (18) mit einem Eingang zum Empfang des Ausgangs der Halbwellen- Gleichrichterschaltung und einer Grenzfrequenz, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie niedriger als die Frequenz des Trägersignals, jedoch höher als die erwartete Frequenz eines Herzschlags ist; und

(c) eine zweite Tiefpaßfiltereinrichtung (92), welche so gekoppelt ist, daß sie den Ausgang der ersten Tiefpaßfiltereinrichtung (18) empfängt, wobei die zweite Tiefpaßfiltereinrichtung (92), eine Grenzfrequenz aufweist, welche niedriger ist als die erwartete Frequenz eines Herzschlags, um eine Gleichspannung zu erzeugen, welche sich proportional zu den Amplitudenänderungen der modulierten Trägersignale verhält.