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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur
Abgabe von Energie an das Herz eines Menschen während der
Defibrillierung.
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Ein Defibrillieren des menschlichen Herzens wird durch Anlegen
einer elektrischen Wellenform an den Herzmuskel mit Hilfe
geeigneter Elektroden erreicht, welches das Ende von
schnellen, unkoordinierten Kontraktionen des Herzens und eine
Wiederherstellung des normalen Herzschlags bewirkt.
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Die für diesen Zweck optimale Spannungs-Zeit-Wellenform ist
ungefähr, aber nicht genau bekannt. Es gibt eine große
Übereinstimmung in dem Stand der Technik, daß sie wenigstens
einen rechteckigen oder ungefähr rechteckigen positiven Impuls
umfaßt. Das Adjektiv "positiv" hat eine Bedeutung, nachdem man
den Punkt an dem oder nahe dem Herzen bestimmt hat, welcher
am besten als Referenzspannung für einen bestimmten Patienten
dient; eine Eigenschaft, die von Mensch zu Mensch variiert.
Im einfachsten Fall wird ein einziger derartiger Impuls zur
Defibrillierung verwendet. Diese Möglichkeit wird "einphasige"
Wellenform genannt.
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Um eine konkrete Beschreibung zu geben, wird eine spezifische
Wellenform gewählt, welche in die Bereiche der allgemein
anerkannten Werte fällt. Ein solches Beispiel wird in
idealisierter Form in Fig. 3 gezeigt. Dieser Impuls hat eine
Amplitude von +400 Volt und eine Dauer von 7 ms. Es existiert
zu diesem Thema umfangreiche Literatur, wobei ein typisches
Beispiel ein Artikel von Feeser et al., Circulation, Volume
82, Number 6, Page 2128, December 1990 ist, welcher eine
umfangreiche Bibliographie aufweist.
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Der elektrische Widerstand, welchen der menschliche Herzmuskel
dem Durchfluß des Defibrillierungsstroms entgegenbringt, ist
relativ niedrig und liegt in der Regel in dem Bereich von 40
bis 100 Ohm. Diese geringen Werte sind ein kombiniertes
Ergebnis der verwendeten Großflächenelektroden und der
Nichtlinearität des Herzmuskels als elektrischer Widerstand,
wobei der Widerstand abfällt, wenn sich der Strom vergrößert.
Deswegen sind große Ströme nötig, typischerweise einige Ampere
bei der typischen, aber willkürlich gewählten Amplitude von
400 V. Es ist eine beträchtliche Herausforderung, eine
rechteckige Wellenform bei einem derart hohen Strom zu
erzeugen, insbesondere in einem batteriebetriebenen
implantierbaren Defibrillatorsystem, welches klein und leicht
sein muß. Glücklicherweise kann eine Annäherung an die
idealisierte Form das gewünschte Ergebnis erzielen, allerdings
scheint die Effektivität beträchtlich niedriger zu sein.
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Eine einfache und weithin verwendete Annäherung an die ideale
Wellenform kann dadurch erreicht werden, daß ein Kondensator
in dem vorliegenden Beispiel auf 400 V aufgeladen und direkt
von einer Elektrode zu der anderen mit dem Herzmuskel
verbunden wird sowie das Herz als Lastwiderstand dient,
welcher den Kondensator entlädt. Wenn ein Widerstand auf diese
Weise zum Entladen eines Kondensators verwendet wird, ist das
Ergebnis eine Spannungs-Zeit-Wellenform, welche in
exponentieller Weise von der ursprünglichen Kondensatorspannung von
im vorliegenden Fall 400 V abfällt. Die zuvor genannte
Nichtlinearität verzerrt die exponentielle Wellenform
geringfügig, aber nicht signifikant. Um eine rechteckige
Wellenform anzunähern, ist es notwendig, den Entladungsprozeß
zu unterbrechen, während die Spannung einen bestimmten
Bruchteil ihres ursprünglichen Wertes behält. Dieses kann
durch einfaches Unterbrechen oder "Öffnen" des durch den
Kondensator und den Widerstand gebildeten Stromkreises
erreicht werden, wobei der letzte in diesem Fall das Herz ist.
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Zu diesem Zeitpunkt fällt die an dem Herzen anliegende
Spannung plötzlich auf Null ab.
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Angenommen, daß für ein bestimmtes Beispiel während der Dauer
des Impulses von 7 ms die Spannung der Wellenform auf 200 V
oder ihren halben Anfangswert gefallen ist, so erkennt man,
daß die "charakteristische Zeit" des Entladungsprozesses oder
die Zeit, die es dauert, daß die Spannung auf ungefähr 36,8%
ihres Anfangswertes sinkt, 7 ms im vorliegenden Fall
überschreiten muß. Die charakteristische Zeit in Sekunden wird
durch das Produkt des Widerstandes R in Ohm und des
Kondensators C in Farad bestimmt. Für die angenommenen Erfordernisse
muß eine charakteristische Zeit oder "RC-Zeitkonstante" von
10 ms erreicht werden. Um mit spezifischen Werten für
veranschaulichende Zwecke fortzufahren, soll ein
Herzwiderstand von 70 Ohm angenommen werden, der somit einen
Kondensator von 143 Mikrofarad erfordert. Die Verhältnisse sind in
Fig. 4A für die angenommenen Bedingungen veranschaulicht. Der
qualitative Unterschied zwischen Fig. 3 und 4A ist in der
Fachsprache als das Maß der "Steigung" (tilt) bekannt und es
wird eine Wellenform mit "geringer Steigung" (low-tilt wave
form) bevorzugt. Die angenäherte Wellenform ist
unzufriedenstellend, wenn die Spannung am Ende des Impulsintervalls ein
kleiner Bruchteil der Ursprungsspannung ist, ein Zustand,
welcher als Wellenform mit "großer Steigung" (high-tilt
waveform) beschrieben werden würde.
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Die Verbindung mit und Entfernung des Kondensators von dem
Herzmuskel wird im Stand der Technik beispielsweise, und nur
zum Zwecke der Veranschaulichung und nicht als beschränkend
für die vorliegende Erfindung anzusehen, durch ein
Schaltnetzwerk erreicht, welches einen Leistungsfeldeffekttransistor
(oder FET) verwendet. Das ist ein dreipoliges Festkörper-
Bauteil, wobei ein Pol eine Steuerungselektrode ist und die
anderen zwei Pole Leistungselektroden sind. Der Widerstand
zwischen den Leistungspolen kann entweder sehr niedrig (der
"Sperr"-Betrieb) oder sehr hoch sein (der "Durchlaß"-Betrieb).
Somit ist der FET funktional äquivalent zu dem bekannten
mechanischen einpoligen Ausschalter (single-pole single throw
switch) und er wird als solcher aus Gründen der Kürze und
Veranschaulichung beschrieben. Ein Stromkreis, welcher einen
einzigen derartigen Schalter verwendet, kann eine in Fig. 4A
gezeigte Wellenform liefern. Sowohl die Wellenform als auch
der sie produzierende Stromkreis (in Fig. 4B gezeigt) werden
später im Detail besprochen.
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Das erste Adjektiv, d.h. "einfach" (single) des Ausdrucks
Ausschalter (single-throw switch), deutet darauf hin, daß
dieser Schalter einen einzigen drehbar gelagerten Anker oder
beweglichen Hebel aufweist und das zweite Adjektiv "werfen"
(throw) deutet an, daß es eine stabile Position gibt, welche
Strom leitet. Die Beschreibung des Schaltnetzwerkes wird
transparenter gemacht, indem die mechanische Schalteroption,
wie in Fig. 4B gezeigt, gewählt wird, welche schematisch das
Netzwerk darstellt, welches das in Fig. 4A gezeigte und später
im Detail beschriebene Ergebnis liefert.
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Eine weitere Wellenform nach dem Stand der Technik ist die
"zweiphasige" Wellenform, welche in der Lage ist, die
Defibrillierung mit weniger Energie zu erreichen, als für die
einphasige Wellenform nötig ist. Dieser Unterschied ist von
größter Bedeutung für implantierbare Systeme, da die
lieferbare Gesamtenergie einer Batterie während ihrer Lebensdauer
ungefähr proportional zu ihrer Größe und ihrem Gewicht ist.
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In einer zweiphasigen Wellenform folgt ein negativer Impuls
einem positiven Impuls der vorher beschriebenen Art.
Idealerweise sollte der negative Impuls rechteckig, in der Amplitude
mit dem positiven Impuls vergleichbar sein und eine Dauer
haben, welche ungefähr zwischen 10 und 90% der
Gesamtimpulsbreite
liegt. Es soll mit speziellen Beispielen fortgefahren
und als positive Wellenform die von Fig. 5A angenommen werden,
wobei der negative Impuls, wie gezeigt, eine Dauer von 3 ms
hat. Das einfachste zweiphasige Schaltnetzwerk des Standes der
Technik liefert einen negativen Impuls mit einer
Anfangsamplitude, welche, wie in Fig. 5A gezeigt, gleich der
Endamplitude des positiven Impulses ist. Eine Ausführungsform
eines Netzwerkes zum Liefern dieser kombinierten Wellenform
wird in Fig. 5B gezeigt. Dieser Schaltkreis weist zwei
einpolige Dreifachschalter auf. Ein derartiger Schalter kann
durch die Verwendung von drei FETs realisiert werden, welche
alle eine Leistungselektrode gemeinsam haben. Da die zwei
Schalter verbunden sind, um koordiniert zu arbeiten, können
sie als ein einzelner zweipoliger Dreifachschalter beschrieben
werden. Hier bezeichnet c die Aufladestellung, p die Stellung
des positiven Impulses und n die Stellung des negativen
Impulses.
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Die US-A-4 800 883 offenbart ein Gerät zur Abgabe von Energie
an das Herz eines Menschen während der Defibrillierung, wobei
das Gerät wenigstens zwei Kondensatoren, elektronische
Schaltungstechnik zum Verbinden der Kondensatoren mit dem
Herzen und Steuerungsmittel, welche mit der elektronischen
Schaltungstechnik verbunden sind, um die Kondensatorenergie
an das Herz zu liefern, umfaßt, wobei die Kondensatoren für
eine erste Phase der Energieabgabe elektrisch nur in Reihe mit
dem oder den anderen Kondensatoren zur Energieabgabe an das
Herz verbunden sind.
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Die US-A-4 637 397 offenbart eine Methode und ein Gerät zur
Stimulation von Zellen in arrythmischen myokardialen Geweben,
welche eine Depolarisierung der Zellen durch ein Anlegen eines
ersten elektrischen Impulses oder Schocks umfaßt, gefolgt
durch einen zweiten elektrischen Impuls, welcher eine dem
ersten Impuls entgegengesetzte Polarität hat. Am Ende wird ein
dritter Impuls mit derselben Polarität wie der erste Impuls
an die Zellen angelegt.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Abgabe
von Energie an das Herz eines Menschen während der
Defibrillierung mit
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(a) wenigstens zwei Kondensatoren;
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(b) elektronischen Schaltern zum Verbinden der Kondensatoren
mit dem Herzen; und
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(c) mit den elektronischen Schaltern verbundenen
Steuerungsmitteln, um die Kondensatorenergie an das Herz
abzugeben;
dadurch gekennzeichnet, daß;
in einer ersten Phase der Energieabgabe wenigstens einer der
Kondensatoren in einer der zwei Betriebsarten, parallel und
in Reihe, zu dem oder den anderen Kondensator(en) und während
einer zweiten Phase der Energieabgabe in der anderen der zwei
Betriebsarten mit dem oder den anderen Kondensator(en)
geschaltet ist.
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Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile des Standes
der Technik durch das Bilden von Schaltnetzwerken, welche zum
Beispiel das Entladen von zwei Kondensatoren vorsehen, welche
während des positiven Impulses parallel und während des
negativen Pulses in Reihe liegen und welche auch, falls
gewünscht, nacheinander entladen werden können. In
Weiterführung derartiger Grundsätze werden Schaltnetzwerke gebildet,
welche zwei oder mehr Kondensatoren aufweisen und welche mit
geeigneten Steuerungssignalmustern willkürliche Kombinationen
von parallelen, in Reihe und nacheinander Entladen der
Kondensatoren vorsehen, um die resultierende Wellenform
innerhalb eines großen Bereiches in Annäherung an jede
gewünschte ideale Wellenform nachzubilden. Durch ähnlichen
Umgang mit den Kondensatorverbindungen ist es möglich, Teile
des Impulses zu benutzen, welche in dem Stand der Technik
nicht verwendet wurden, wobei dies erlaubt, bestimmte
Wellenformen mit weniger Kapazität als vorher erforderlich zu
erreichen. Da der Kondensator räumlich gesehen die größte
Komponente in einem Defibrillator nach dem Stand der Technik
ist, ist die Verringerung seines Wertes und somit seiner Größe
entscheidend. Eine derartige Wellenform ist in Fig. 8C
gezeigt. Sie liefert eine bessere Annäherung an die ideale
einphasige Wellenform von Fig. 3 als die Wellenform nach dem
Stand der Technik von Fig. 4A, aber sie erfordert eine um 11%
geringere Kapazität als im Falle des Standes der Technik. Um
die Steuerung und das Einstellen des Schaltnetzwerkes
außerhalb des Körpers durchführen zu können, ist vorgesehen,
daß digitales Programmieren zum Beispiel durch
elektromagnetische Hochfrequenz-Strahlung durchgeführt wird, wie es
jetzt zum Beispiel für andere Systeme, wie Herzschrittmacher,
verwendet wird. Es ist weiter vorgesehen, daß ein
telemetrisches Relais an oder auf dem Körper angebracht werden kann,
um die digitale Programmierung zu vereinfachen. Es ist weiter
vorgeschlagen, daß photovoltaische Vorrichtungen subkutan
implantiert werden, um die implantierten Batterien aufzuladen.
Besonders geeignet sind hier zu einem Feld angeordnete
"Solar"-Zellen, wobei die monolithischen Serienfeldversionen
des Standes der Technik besonders gut geeignet sind. Eine
weitere Option ist natürlich die Verwendung einer
implantierten Spule wie nach dem Stand der Technik, welche durch eine
externe Quelle elektromagnetischer Strahlung angetrieben wird.
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Die generelle Aufgabe der Erfindung ist es, ein
implantierbares Defibrillierungssystem zu realisieren, welches vor oder
nach der Implantation eine Optimisierung der Wellenform
liefert, welches implantiert eine lange verwendbare
Lebensdauer hat und welches kleiner ist als vorherige implantierbare
Defibrillatoren. Ein Teil der Neuheit besteht in dem Aufbau
von Schaltnetzwerken zum Nachbilden der Wellenform.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist zwei
oder mehr Kondensatoren auf, welche durch ein Schaltnetzwerk
parallel entladen werden können, wobei der Strom verdoppelt
wird und die Steigung reduziert wird oder auch in Reihe oder
nacheinander entladen werden können. Wenn die Kondensatoren
in Reihe entladen werden, um den negativen Impuls zu liefern,
ist es möglich, die Amplitude des negativen Impulses zu
vergrößern, so daß sie sich der des positiven Impulses
annähert. Oder die Kondensatoren können für eine geringere
Steigung parallel entladen werden, wenn eine verkleinerte
Amplitude vertretbar ist. In Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung können mehr als zwei Kondensatoren verwendet und
serielle, parallele und sequenzielle
Kondensatorentladungsanordnungen wahlweise kombiniert werden, um eine Wellenform
nachzubilden, welche so weit wie möglich der mit dem
Fortschritt in der Defibrillierung als ideal anerkannten
Wellenform entspricht. Das neue Merkmal, einen großen Kondensator
durch zwei oder mehrere kleinere Kondensatoren der gleichen
Gesamtkapazität zu ersetzen, bringt Vorteile in der
Flexibilität der Anordnung. Zum Beispiel können die kleineren
Komponenten dichter angeordnet werden, welches zu einer kleineren
Gesamtgröße führt. Das liegt daran, daß die in dieser Arbeit
verwendeten Kondensatoren einen inflexiblen zylindrischen
Formfaktor haben. Ein weiteres neues Merkmal ist eine
Reduzierung der benötigten Größe der Kapazität, um bestimmte
Wellenformen zu erzeugen und daher eine weitere Verringerung
der Größe.
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Zu der Neuheit des implantierten Defibrillierungssystems kommt
die Kombination der obigen Merkmale mit digitaler
Programmierung durch Hochfrequenzkommunikation der Art, wie sie in
Schrittmachern verwendet werden, hinzu. Eine weitere
kombinatorische Neuheit umfaßt ein telemetrisches Relais, welches es
erlaubt, daß die Programmierelektronik und der Bediener
räumlich von dem Operationssaal, in dem die Implantation des
Defibrillierungssystems durchgeführt wird entfernt sind.
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Eine noch weitere Neuheit besteht aufgrund des im Laufe der
Zeit beträchtlichen Energiebedarfs von
Defibrillierungssystemen in der Verwendung von implantierbaren Batterien.
Aufgrund der relativ hohen Spannungserfordernisse eines
Defibrillierungssystems weist die Erfindung desweiteren
implantierte, in Reihe geschaltete (und daher
Hochspannungs-) photovoltaischen Vorrichtungen auf, wobei
monolithische Serienanordnungsvarianten aus Gründen der
Zuverlässigkeit und Effizienz besonders bevorzugt werden. Ein Aufladen
mit Hilfe dieser Vorrichtung weist die neuen und bevorzugten
Merkmale auf, nichtinvasiv, preiswert und in Bezug auf die
Anforderungen, welche das Wiederaufladen an den Patienten oder
an den medizinischen Assistenten stellt, einfach zu sein.
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Ein bedeutender Aspekt und bedeutendes Merkmal der
vorliegenden Erfindung ist das Entladen der
Defibrillierungskondensatoren nach Wunsch parallel, in Reihe oder nacheinander durch
neuartige Schaltnetzwerke.
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Ein weiterer bedeutender Aspekt und bedeutendes Merkmal der
vorliegenden Erfindung vergrößert die Anzahl der Kondensatoren
weiter und bietet durch neuartige Schaltnetzwerke willkürliche
Kombinationen von parallelen, seriellen und sequentiellen
Entladungen von willkürlichen Kombinationen der Kondensatoren,
wobei die Defibrillierungswellenform mit einem hohen Maß an
Flexibilität nachgebildet wird. Ein Steuerungssystem steuert
das Schaltnetzwerk, um die gewünschte Wellenform zu erreichen.
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Ein zusätzlicher bedeutender Aspekt und bedeutendes Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung bestimmter
Wellenformen mit einer kleineren Gesamtkapazität als nach dem
Stand der Technik erforderlich, wodurch ein kleinerer
implantierbarer Defibrillator möglich wird, da der Kondensator
eine derart dominante Komponente in einem implantierbaren
Defibrillator ist. Somit trägt die Verwendung von kleineren,
aber mehrfach vorliegenden Kondensatoren auf zwei Arten zur
Verringerung der Größe eines implantierbaren Defibrillators
bei.
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Noch ein weiterer bedeutender Aspekt und besonderes Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist das digitale Programmieren des
Steuerungssystems außerhalb des Körpers, wobei eine
Hochfrequenzübertragung eine mögliche Form der Kommunikation für
diesen Zweck ist. Ein telemetrisches System kann an oder nahe
dem Körper der Person, welche das Implantat hat, aufgestellt
werden.
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Da somit die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
beschrieben wurden, ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Flexibilität der Defibrillatorwellenform zu
erreichen, um sich Änderungen in den Anforderungen des
Patienten oder dem fortschreitenden Wissen in der Technik der
Defibrillierung anzupassen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
System mit langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit für
das implantierbare Defibrillatorsystem zu schaffen.
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Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
ein kleineres, implantierbares Defibrillatorpaket mit den
gleichen Möglichkeiten wie ein Defibrillator nach dem Stand
der Technik zu realisieren.
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Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es
sicherzustellen, daß der Anteil des Patienten an der Technik
der routinemäßigen Wartung einfach, einfach zu handhaben,
ungefährlich und eine insbesondere in Bezug auf das Aufladen
der Batterie dem Wesen nach einfache Technik ist.
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Es werden nun, beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen, Vorrichtungen nach bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In den Zeichnungen:
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Fig. 1 zeigt ein implantierbares Defibrillatorsystem,
welches in einen Patienten implantiert wurde, und
eine externe Programmierkonsole,
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Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des implantierbaren
Defibrillatorsystems,
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Fig. 3 zeigt die idealisierte Wellenform für einphasige
Defibrillierung,
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Fig. 4A zeigt eine einphasige Wellenform nach dem Stand der
Technik, welche durch Entladen und Schalten von
Kondensatoren erreicht wurde,
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Fig. 4B zeigt schematisch einen Schaltkreis zum Erzeugen
der einphasigen Wellenform nach dem Stand der
Technik,
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Fig. 5A zeigt eine zweiphasige Wellenform nach dem Stand
der Technik,
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Fig. 5B zeigt schematisch einen Schaltkreis zum Erzeugen
einer zweiphasigen Wellenform nach dem Stand der
Technik,
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Fig. 6A zeigt eine einphasige Wellenform der vorliegenden
Erfindung, welche aus dem sequentiellen Entladen
von zwei Kondensatoren resultiert,
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Fig. 6B zeigt schematisch einen Schaltkreis zum Erzeugen
der sequentiell einphasigen Wellenform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 6C zeigt eine einphasige Wellenform der vorliegenden
Erfindung, welche aus dem sequentiellen Entladen
von vier Kondensatoren resultiert,
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Fig. 7A zeigt eine zweiphasige Wellenform nach der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 7B zeigt schematisch einen Stromkreis zum Erzeugen
einer zweiphasigen Wellenform nach der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 8A zeigt eine weitere zweiphasige Wellenform der
vorliegenden Erfindung, welche sequentielles
Entladen umfaßt,
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Fig. 8B zeigt schematisch einen Stromkreis zum Erzeugen
einer weiteren zweiphasigen Wellenform der
vorliegenden Erfindung, und
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Fig. 8C zeigt noch eine weitere einphasige Wellenform nach
der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 zeigt ein implantierbares Defibrillatorsystem 5, wie
zum Beispiel einen implantierbaren Defibrillator 10 in einem
Patienten 11, wobei der implantierbare Defibrillator 10 ein
elektronisches Schaltnetzwerk 12 für die flexible Kombination
von Kondensatorentladungswellenformen zum Annähern einer
bestimmten Wellenform zum Anlegen an den Herzmuskel in einem
Defibrillierungsprozeß aufweist. Eine Programmierkonsole 13,
welche in der Lage ist, Befehle zu berechnen und an das
elektronischen Schaltnetzwerk 12 zu übertragen, ist relativ
entfernt von dem Patienten 11, welcher sich einer
Implantationsoperation unterzieht und ein telemetrisches Relais oder
Wiederholer wird nahe oder in dem Körper des Patienten
verwendet. Digitale Signale werden zu den implantierten
Vorrichtungen über elektromagnetische infrarote, sichtbare
oder Hochfrequenz-Strahlung oder Ultraschall-Strahlung
übertragen.
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Fig. 2 zeigt den implantierbaren Defibrillator 10, wobei alle
Bezugszeichen den vorher beschriebenen Elementen entsprechen,
einschließlich eines Kondensatorabschnittes 14, welcher
elektrisch über Elektroden mit einem Herzen 15 verbunden ist,
eines elektronischen Schaltnetzwerkes 12, eines
eingespeicherten oder nicht eingespeicherten Fibrillationsdetektors 16,
einer Spannungsmeß- und Steuerungseinheit 17, Batterien 18 und
19, welche durch die Spannungsmeß- und Steuerungseinheit 17
mit dem elektronischen Schaltnetzwerk 12 verbunden sind, und
einer Ladeeinheit 20. Wie gezeigt, ist die Batterie 18 über
die Spannungsmeß- und Steuerungseinheit 17 mit dem
elektronischen Schaltnetzwerk 12 und den mit diesem verbundenen
Komponenten verbunden. Die Batterie 19 wird über die
Spannungsmeß- und Steuerungseinheit 17 durch die Ladeeinheit 20
wieder aufgeladen. Wenn die Batterie 18 stark entladen ist,
schaltet die Spannungsmeß- und Steuerungseinheit 17 den
Ausgang der Ladungseinheit 20 auf Batterie 18 und schaltet den
Ausgang der Batterie 19 auf das elektronische Schaltnetzwerk
12, wie durch die Umkehrung der entsprechenden Schalter 21 und
22 gezeigt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Batterie 18
aufgeladen und die Batterie 19 treibt den implantierbaren
Defibrillator 10 an. Die Ladeeinheit 20 kann, wenn sie
photovoltaische Vorrichtungen umfaßt, eine subkutan
implantierte Vorrichtung sein, welche von einer externen
Lichtquelle gespeist wird und kann, wenn es eine Spule ist,
welche durch eine externe Quelle elektromagnetischer Strahlung
mit Energie versorgt wird, subkutan oder tiefer implantiert
werden.
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Fig. 3 zeigt eine Spannungs-Zeit-Wellenform 23, welche einen
idealisierten Rechteck-Charakter hat und eine typische, aber
willkürlich gewählte, Amplitude von +400 V hat und eine Dauer
von 7 ms. Die Wellenform besteht aus einem einzigen Impuls und
wird einphasig genannt.
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Fig. 4A zeigt eine einphasige Spannungs-Zeit-Wellenform 24
nach dem Stand der Technik, welche von dem Typ ist, welcher
durch einen geladenen, geeignet geschalteten Kondensator
erzeugt wird. Realistische und willkürliche Pulsdauer 25 wird
wieder verwendet. Die Anfangsimpulsspannung 26 wird durch die
Spannung, auf welche der Kondensator aufgeladen wird, bestimmt
und die Endspannung 27 des Impulses wird durch die
Entladungsrate, die RC-Zeitkonstante 28, bestimmt, welche graphisch
durch lineare Extrapolation der Anfangstangenten 29 bis zun
dem Punkt 30, an dem sich die Tangente mit der Zeitachse 32
schneidet, bestimmt werden kann.
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Fig. 4B zeigt ein schematisches Diagramm 40 nach dem Stand der
Technik eines zwischen einer Ladungsquelle 42 und einem
Herz 44 eingefügten Stromkreises zum Erzeugen der einphasigen
Wellenform 24 von Fig. 4A nach dem Stand der Technik, wobei
ein Kondensator 46, ein einpoliger Ausschalter 48 und eine
Diode 50 verwendet werden.
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Fig. 5A zeigt eine zweiphasige Wellenform 60 nach dem Stand
der Technik, wobei die Endgröße 62 des positiven Impulses,
+200 V, gleich groß und von umgekehrtem Vorzeichen der
Anfangshöhe 64 des negativen Impulses, -200 V, ist.
Typischerweise und willkürlich als Beispiel und nur zum Zwecke der
Veranschaulichung und nicht als beschränkend für die
vorliegende Erfindung aufzufassen, sind die gewählten Dauern für die
zwei Impulse von 7 ms 66 bzw. 3 ms 68.
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Fig. 5B zeigt das schematische Diagramm 70 eines zwischen
einer Ladequelle 72 und einem Herzen 74 eingefügten
Stromkreises zum Erzeugen der zweiphasigen Wellenform 60 nach Fig.
5A, welcher einen Kondensator 76 und die einpoligen Dreifach-
Schalter 80 und 90 (welche zusammengeschaltet und wahlweise
als ein zweipoliger Dreifachschalter beschrieben werden
können) aufweist. Die drei Stellungen des Schalters 80 sind
c, die Aufladestellung 82, b, die Stellung des positiven
Impulses 84 und n, die Stellung des negativen Impulses 86. Die
entsprechenden Stellungen des Schalters 90 sind c, die
Aufladestellung 92, b, die Stellung des positiven Impulses 94
und n, die Stellung des negativen Impulses 96.
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Fig. 6A zeigt eine einphasige Wellenform 100 nach der
vorliegenden Erfindung, welche durch das sequentielle Entladen
von zwei Kondensatoren erzeugt wird, welche eine
Gesamtkapazität haben, die gleich der des Kondensators 46 in Fig.
4B ist und zwei Maxima oder Peaks 102 und 104 aufweisen und
somit eine einphasige Wellenform 100 liefern, welche eine
bessere Annäherung an die ideale Wellenform 23 von Fig. 3 ist
als die Wellenform 24 nach dem Stande der Technik nach Fig.
4A.
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Fig. 6B zeigt das schematische Diagramm 105 eines zwischen
einer Ladungsquelle 106 und einem Herzen 107 eingefügten
Stromkreises zum Erzeugen der Wellenform 100 von Fig. 6A,
welcher Kondensatoren 108 und 109 und die einpoligen Dreifach-
Schalter 110 und 120 (welche zusammengeschaltet und wahlweise
als ein zweipoliger Dreifachschalter beschrieben werden
können) aufweist. Die drei Stellungen des Schalters 110 sind
c, die Aufladestellung 112, pa, die Stellung 114 für die erste
Hälfte des positiven Impulses, und pb, die Stellung 116 für
die zweite Hälfte des positiven Impulses. Die entsprechenden
Stellungen des Schalters 120 sind c, die Aufladestellung 122,
pa, die Stellung 124 für die erste Hälfte des positiven
Impulses und pb, die Stellung 126 für die zweite Hälfte des
positiven Impulses.
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Fig. 6C zeigt eine einphasige Wellenform 130 der vorliegenden
Erfindung, welche durch das sequentielle Entladen von vier
Kondensatoren mit einer Gesamtkapazität, welche gleich der des
Kondensators 46 in Fig. 4B ist, erzeugt wird und vier Maxima
oder Peaks 132, 134, 136 und 138 aufweist, unter Verwendung
eines Stromkreises, welcher eine direkte Entsprechung des
Stromkreises nach Fig. 6B ist und eine Wellenform 130 liefert,
welche eine bessere Annäherung der idealen Wellenform 23 von
Fig. 3 ist die Wellenform 24 nach dem Stande der Technik von
Fig. 4A.
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Fig. 7A zeigt eine zweiphasige Wellenform 140 nach der
vorliegenden Erfindung, wobei die Anfangshöhe 142 des
negativen Impulses in der Größe vergleichbar der
Anfangshöhe 144 des positiven Impulses ist und größer ist als die
Endhöhe 146 des positiven Impulses und somit eine
angenähertere ideale Wellenform liefert als die Wellenform 100 nach dem
Stand der Technik nach Fig. 6A.
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Fig. 7B zeigt das schematische Diagramm 150 des zwischen einer
Ladungsquelle 152 und einem Herz 154 eingefügten Stromkreises
zum Erzeugen der Wellenform 140 von Fig. 7A, welcher die
Kondensatoren 156 und 158 aufweist, zwei einpolige
Dreifachschalter 160 und 170 (welche zusammengeschaltet und wahlweise
als ein zweipoliger Dreifachschalter beschrieben werden
können) und außerdem zwei einpolige Umschalter 180 und 190
(welche zusammengeschaltet und wahlweise als ein zweipoliger
Umschalter) beschrieben werden können. Die drei Stellungen des
Schalters 160 sind c, die Aufladestellung 162, p, die Stellung
des positiven Impulses 164 und n, die Stellung des negativen
Impulses 166. Die entsprechenden Stellungen des Schalters 170
sind c, die Aufladestellung 172, p, die Stellung des positiven
Impulses 174 und n, die Stellung des negativen Impulses 176.
Die zwei Stellungen des Schalters 180 sind c, die
Aufladestellung und Stellung des positiven Impulses 182 und n, die
Stellung des negativen Impulses 184. Die entsprechenden
Stellungen des Schalters 190 sind c, die Aufladestellung und
Stellung des positiven Impulses 192 und n, die Stellung des
negativen Impulses 194. Die verbindenden Drähte 196 und 198
führen zum "Stapeln" (Serienverbindung) der Kondensatoren und
zur Umkehrung der Polarität, welche für den negativen Impuls
benötigt wird.
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Fig. 8A zeigt eine zweiphasige Wellenform 200 nach der
vorliegenden Erfindung, wobei es zwei Peaks 202 und 204 in dem
positiven Impuls gibt und wobei die Anfangshöhe 206 des
negativen Impulses in der Größe vergleichbar zu der
Anfangshöhe 207 des positiven Impulses ist und größer als die Endhöhe
208 des positiven Impulses ist, womit eine angenähertere
ideale Wellenform erzeugt wird als die Wellenform 100 nach dem
Stand der Technik von Fig. 6A.
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Fig. 8B zeigt das schematische Diagramm 210 eines zwischen
eine Ladungsquelle 212 und einem Herzen 214 eingefügten
Schaltkreises zum Erzeugen der Wellenform 200 von Fig. 8A,
welcher die Kondensatoren 216 und 218 aufweist und die
einpoligen Dreifachschalter 220 und 230 (welche
zusammengeschaltet und wahlweise als ein zweipoliger Dreifachschalter
beschrieben werden können) und außerdem die einpoligen
Umschalter 240 und 250 (welche zusammengeschaltet und
wahlweise als ein zweipoliger Umschalter beschrieben werden
kann) sowie den einpoligen Umschalter 260. Die drei Stellungen
des Schalters 220 sind c, die Aufladestellung 222, p, die
Stellung des positiven Impulses 224 und n die Stellung des
negativen Impulses 226. Die entsprechenden Stellungen des
Schalters 230 sind c, die Aufladestellung 232, p, die Stellung
des positiven Impulses 234 und n, die Stellung des negativen
Impulses 236. Die zwei Stellungen des Schalters 240 sind c,
die Aufladestellung und Stellung des positiven Impulses 242
und n, die Stellung des negativen Impulses 244. Die
entsprechenden Stellungen des Schalters 250 sind c, die
Aufladestellung und Stellung des positiven Impulses 252 und n, die
Stellung des negativen Impulses 254. Die zwei Stellungen des
Schalters 260 sind a, die Stellung 262 für die erste Hälfte
des positiven Impulses währenddessen der Kondensator 216
entladen wird und b, die Stellung 246 für die zweite Hälfte
des positiven Impulses währenddessen der Kondensator 218
entladen wird. Die verbindenden Drähte 270 und 272 erzielen
ein "Stapeln" der Kondensatoren und die für den negativen
Impuls benötigte Polaritätsumkehrung.
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Fig. 8C zeigt eine zweiphasige Wellenform 280 der vorliegenden
Erfindung, wobei der erste Peak 282 durch Entladen eines
ersten Kondensators erzeugt wird, der zweite Peak 284 durch
Entladen eines zweiten Kondensators erzeugt wird und der
dritte Peak 286 durch Serienschaltung der zwei Kondensatoren
und Fortführen der Entladung durch eine Schaltung erzeugt
wird, welche ähnlich der Schaltung 210 nach Fig. 8B ist, wobei
jedoch das Merkmal der Polaritätsumkehrung entfernt wurde, mit
dem Ergebnis, daß die Wellenform 280 eine bessere Annäherung
an die ideale Wellenform 23 von Fig. 3 ist als die
Wellenform 24 nach dem Stande der Technik nach Fig. 4A und die Summe
der Kapazitäten der zwei Kondensatoren kleiner ist als die des
Kondensators 46 in Fig. 4B.
Funktionsweise
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Das Nachbilden der Wellenform wird durch verzögerungsfreies
Schalten erreicht, welches parallel geschaltete Kondensatoren
in in Reihe geschaltete Kondensatoren umwandelt oder umgekehrt
und/oder Vertauschungen der Kondensatoranschlußverbindungen.
Ein derartiger Umgang mit Kondensatorzusammenschaltungen macht
außerdem eine Reduzierung der benötigten Gesamtkapazität zum
Erzielen von bestimmten Wellenformen und daher eine
Verringerung der Größe des Defibrillators möglich.
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Leistungs-FETs können zum Schalten verwendet werden und werden
durch digitale Signale gesteuert. Die notwendige hohe oder
niedrige Steuerungsspannung wird durch das Schaltnetzwerk,
welches digital programmiert werden kann, zur Verfügung
gestellt. Die zum Programmieren des implantierbaren
Defibrillatorsystems notwendige Elektronik braucht nicht implantiert
zu werden, sondern kann ein Teil der Programmierkonsole sein.
Die Eingangsinformation für die Programmierkonsole nimmt die
Form der gewünschten Eingangsspannung des positiven Impulses,
der Impulsdauer und der Steigung an und ebenso die
entsprechenden Daten für den negativen Impuls.
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In der Programmierkonsole ist die notwendige Logik und der
notwendige Speicher oder, wenn benötigt, Hilfs-Hardware und
Software des Mikrocomputers, welche die Wellenforminformation
in digitale Befehle umwandelt. Die Programmierkonsole kann
relativ entfernt von dem Patienten sein, welcher sich einer
Implantationsoperation unterzieht, wenn ein telemetrisches
Relais oder ein telemetrischer Wiederholer nahe oder an dem
Körper des Patienten verwendet wird. Es ist die Verwendung von
elektromagnetischer infraroter oder Hochfrequenz-Strahlung
oder Ultraschallstrahlung zum Zweck der entfernten
Programmierung vorgesehen. Die Strahlung kann entlang einer direkten
Sichtlinie geführt werden oder kann mit Hilfe von passiven
Reflektorwiederholungsspiegeln umgelenkt werden.
Schaltnetzwerke
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Neue Schaltnetzwerke sind ein Teil der vorliegenden Erfindung
des implantierbaren Defibrillatorsystems. Die Prinzipien
können durch Beobachten der Merkmale der Wellenform, wie in
Fig. 7A gezeigt, veranschaulicht werden. Hier wird jeder der
zwei Kondensatoren von Fig. 7B auf eine neue Weise verwendet.
Während des positiven Impulses werden die zwei Kondensatoren
parallel entladen, wobei als Ergebnis ein positiver Impuls
äquivalent zu dem in Fig. 4A und Fig. 6A erzeugt wird. Der
negative Impuls wird durch das in Reihe Schalten der zwei
Kondensatoren erzeugt, welches eine Anfangshöhe des negativen
Impulses liefert, die gleich der Anfangshöhe des positiven
Impulses ist. Da zwei identische Kondensatoren in Reihe ein
Viertel der Kapazität derselben zwei Kondensatoren in parallel
darstellen, ist die Entladungsrate des negativen Impulses in
Fig. 7A viermal höher als die des positiven Impulses der Fig.
7A. Die vergrößerte Steigung wird als akzeptierbar angesehen,
da der negative Impuls von relativ kurzer Dauer ist. Das
schematische Diagramm in Fig. 7B zeigt eine Schaltung, welche
die Wellenform von Fig. 7A liefert, mit den Bezeichnungen c
für Aufladung, p für die Stellung des positiven Impulses und
n für die Stellung des negativen Impulses, welche dieselben
Bedeutungen wie vorher haben.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit
zwei Kondensatoren erzeugt eine Wellenform mit zwei Peaks,
wie sie in Fig. 6A gezeigt wird, durch das sequentielle
Entladen von zwei Kondensatoren, welches eine Wellenform
liefert, welche funktional der idealen Wellenform von Fig. 3
näherkommt, als die einphasige Wellenform nach dem Stande der
Technik nach Fig. 4A. Dieses wird durch die schematisch
gezeigte Schaltung in Fig. 6B erreicht. Eine einfache
Übertragung des Prinzips führt zum Hinzufügen von
Kondensatoren und Schaltern zu dieser Schaltung, um vielfache Peaks zu
erzeugen, wie in dem Beispiel mit vier Peaks nach Fig. 6C.
Diese Möglichkeit führt zu einem kleineren implantierbaren
Defibrillator, da die kleineren Kondensatoren dichter gepackt
werden können als ein einzelner größerer Kondensator, welcher
einen inflexiblen zylindrischen Formfaktor hat und die größte
Komponente in der Schaltung ist, größer sogar als die
Batterie.
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Eine spezielle Ausführungsform einer weiteren
Zweikondensatoranordnung der vorliegenden Erfindung führt zu der Zeichnung
der Wellenform nach Fig. 8A. Hier werden die zwei in Fig. 8B
gezeigten Kondensatoren sequentiell während des positiven
Impulses nach Fig. 6A und 6B entladen und werden während des
negativen Impulses nach Fig. 7A und 7B in Reihe entladen. Die
schematisch in Fig. 8B gezeigte vorliegende Erfindung liefert
die Wellenform nach Fig. 8A. Durch Entfernen des Merkmals der
Polaritätsumkehrung der Schaltung in Fig. 8B erzielt man die
einphasige Wellenform von Fig. 8C, welche vollkommener ist als
die Wellenform nach dem Stand der Technik von Fig. 3 und
außerdem eine kleinere Gesamtkapazität aufweist. Dieses ist
besonders wichtig, da das Volumen des Kondensators in einem
implantierten Defibrillator nach dem Stand der Technik größer
ist als das jeder anderen Komponente.
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Durch das Verwenden von mehr als zwei Kondensatoren kann man
deutlich sehen, daß die gerade veranschaulichten Prinzipien
in einer großen Anzahl von Möglichkeiten kombiniert werden
können und daß die resultierenden Kondensatornetzwerke
verschiedene Wellenformen liefern können. Das Steuern von FETs
des Schaltnetzwerkes durch ein Steuerungsnetzwerk ermöglicht
es einem Praktiker, die Defibrillierung den wechselnden
Anforderungen des Patienten oder den weiteren Erkenntnissen
in Bezug auf optimale Wellenformen anzupassen.
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Es ist weiter möglich, durch Programmiereinrichtungen eine
nichtinvasive digitale Programmierung des Steuerungsnetzwerkes
auszuführen, welche für die Programmierung von implantierten
Schrittmachern entwickelt wurden. Eine herausragende Methode
verwendet durch die Haut und in das implantierte elektronische
System gerichtete digital-kodierte elektromagnetische
Hochfrequenz-Strahlung. Ein telemetrischer Wiederholer
verbessert weiterhin die Bequemlichkeit der Verwendung dieser
Art von System in dem Operationssaal.
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Da ein Defibrillatorsystem typischerweise erfordert, daß
einige Ampere und Hunderte von Volt an den Herzmuskel gelegt
werden müssen, sind die Leistungserfordernisse in Bezug auf
den Standard von gewöhnlichen implantierten elektronischen
Systemen ungewöhnlich. Da die Impulse von kurzer Dauer sind,
können glücklicherweise die Energieerfordernisse innerhalb
leicht handhabbare Grenzen gebracht werden. Trotzdem ist die
Energie, welche in Form von Batterien implantiert werden muß,
beachtlich, besonders wenn sich der duty-cycle vergrößert und
ist eine vorrangiger Gesichtspunkt in der Konstruktion und
Anwendung dieser Art von Systemen.