DE69223244T2

DE69223244T2 - Herzschrittmacher mit Konstantladung

Info

Publication number: DE69223244T2
Application number: DE69223244T
Authority: DE
Inventors: Christer Ekwall
Original assignee: Pacesetter AB
Current assignee: Pacesetter AB
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-09-19
Also published as: DE69223244D1; US5423866A; EP0587939B1; JPH06190062A; EP0587939A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher mit einer Impulsquelle zur Abgabe von Herzstimulationsimpulsen an mindestens eine Herzstimulationselektrode.
In der biomedizinischen Therapie von Herzkrankheiten wird häufig die elektrische Stimulation des Gewebes ausgenützt. In Anwesenheit normaler spontaner Aktivität des Herzens wird die Herzstimulation inhibiert oder mit den abgefühlten natürlichen Ereignissen synchronisiert.
Es ist wichtig, daß die Kontraktion des Herzens als Ergebnis der Stimulation, das sogenannte Stimulationseinfangen, erzielt wird. Wenn ein Stimulationsgerät implantiert wird, wird normalerweise die minimale Stimulationsspannung für das Einfangen bestimmt. Es ist allgemein bekannt, daß der Schwellwert des Stimulationseinfangens zuerst vorübergehend während einer Anzahl von Wochen bis auf ein Maximum ansteigt. Es ist auch allgemein bekannt, daß dieser Schwellwert auch später noch mit der Zeit variiert. Wegen dieses Effektes muß das Stimulationsniveau eher hoch eingestellt werden, um ein Stimulationseinfangen sicherzustellen. Oft wird eine Stimulationsspannung als Standardprozedur gewählt, die doppelt so hoch oder höher als der gemessene Schwellwert ist. Als Ergebnis wird der Stromverbrauch um den Faktor 4 über den gemesse nen Schwellwert für das Stimulationseinfangen erhöht, was eine verkürzte Lebensdauer des Stimulators zur Folge hat. Das ist ein wesentlicher Nachteil und es ist ein permanentes Bestreben innerhalb dieses technischen Feldes, die notwendige Stimulationsenergie zu reduzieren und die Intervalle zwischen erneuten Operationen zu verlängern.
Eine größere Kontaktfläche der Stimulationselektrode mit dem Gewebe resultiert normalerweise in einem stabileren Schwellwert, wohingegen eine kleinere Kontaktfläche der Stimulationselektrode unter etwa 3 mm² größere Streuung und Variation des Schwellwertes hervorruft, vergleiche z.B. Stokes at al,The Mythology of Threshold Variations as a Funktion of Electrode Surface Area, PACE, Band 14, November 1991, Teil II, Seiten 1748 - 1751. Andererseits zeigt eine kleine Elektrodenkonaktfläche eine höhere elektrische Kontaktimpedanz und folglicherweise werden die Energieverluste in elektrischen Drähten und Ausgangsschaltern reduziert. Weiterhin scheint die Stromdichte ein wesentlicher Faktor zum Erzielen des Stimulationseinfangs zu sein und eine hohe Stromdichte wird bei niedriger Stimulationsspannung mit einer kleinen Elektrodenkontaktfläche mit dem Gewebe erhalten.
Fibröses Gewebewachsen und Fettzellen werden die Kontaktimpedanz zwischen Elektrode und Gewebe erhöhen und resultieren in großen örtlichen Variationen. Dieser Effekt verursacht Probleme, wenn kleine Elektrodenoberflächen verwendet werden, wird aber über große Elektrodenoberflächen ausgeglichen. Hohe Energien werden auch diese Schwierigkeiten überwinden, eine höhere Energie kann in einem Abstand liegenden Zellen stimulieren und wird daher eine nichtleitende Schicht "überbrücken".
Der Implantation eines Herzschrittmachers folgt normalerweise die überwachung des Wertes des Stimulationsschwellwertes, gemessen in Spannungsspitzenamplituden und Stimulationsimpedanzvariationen, vom Herzschrittmacher gesehen. Diese Impedanz ist normalerweise in der Größenordnung von 500 Ohm. Größere Abweichungen dieser Werte indikieren fehlerhafte Stimulationsbedingungen.
Da die Verwendung kleiner Stimulationselektroden trotz allem unbestrittene Vorteile hat, ist das Interesse an solchen Elektroden gestiegen. Stimulationsimpulse werden heute durch Spannungsamplituden und -dauer bestimmt, manchmal durch Stimulationsstrom und -dauer. Wenn die Kontaktimpedanz dann vergrößert wird, was normalerweise geschieht, wenn die Kontaktfläche reduziert wird, wird die Stimulationsenergie jedoch vermindert mit dem naheliegenden Risiko, daß das Einfangen verloren geht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem des Verlierens des Stimulationseinfangens wegen hoher oder instabiler Kontaktimpedanz , wenn Herzschrittmacher mit Elektroden mit kleiner leitender Fläche verwendet werden, zu lösen.
Diese Aufgabe wird mit einem Herzschrittmacher gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein Herzschrittmacher vorgeschlagen, mit dem das Problem des Verlierens des Stimulationseinfangens bei hoher oder instabiler Kontaktimpedanz durch Abgabe einer vorbestimmten Menge von Stimulationsenergie anstelle der Verwendung einer vorbestimmten Stimulationsspannung überwunden wird. Wenn mit einer vorbestimrnten, programmierten Ladungsmenge stimuliert wird, wird die Ausgangsspannung automatisch erhöht werden, wenn die Kontaktimpedanz erhöht wird. Daher wird mit dem Herzschrittmacher gemäß der Erfindung das Problem von z.B. durch Fettzellen oder fibröses Wachsen verursachter abnehmender Leitfähigkeit an den Kanten einer Elektrode mit kleiner Oberfläche eliminiert. Wenn ein Verlust des Einfangens detektiert werden sollte, wenn ein Herzschrittmacher gemäß der Erfindung verwendet wird, wird die vorbestimmte Stimulationsenergie erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Herzschrittmachers gemäß der Erfindung werden mindestens zwei Kondensatoren parallel über die Batterie aufgeladen und dann in Reihe zu den Ladungsspeichermitteln entladen. Auf diese Art und Weise wird ein kapazitiver Spannungsvervielfacher erzielt, der es möglich macht, Ausgangsspannungen zu erhalten, die mehrere Male größer sind als die Batteriespannung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Herzschrittmacher gemäß der Erfindung werden die Ladungsspeichermittel durch eine sogenannte Ladungspumpe aufgeladen. Um eine konstante Stimulationsladung zu erzielen, ist es dann ausreichend, eine Ladungspumpe mit einer maximalen Ausgangsspannung von der doppelten Stimulationsausgangsspannung zu haben. Die an den Ausgangskondensator gelieferte Ladung ist proportional dazu, wieviele Male die Ladungspumpe arbeitet, und um eine bestimmte Ausgangsstimulationsladung zu wählen, wird festgesetzt, wieviele Male nach einer Stimulation die Ladungspumpe arbeitet. In einer Situation, in der die von der Energiequelle des Herzschrittmachers abgezapfte Energie hauptsächlich für die Herzstimulation verwendet wird, d.h. Verluste sind vernachlässigbar, würde eine konstante Energiezuführung pro Stimulus in einer konstanten Stimulationsladung resultieren.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Herzschrittmacher nach der Erfindung enthalten die Ladungsspeichermittel eine Hochinduktanzspule, die gespeicherte magnetische Energie direkt über die Elektrode als ein Stimulationsimpuls entlädt. Die vorgeschriebene Ladungsmenge wird dann entladen werden und die Ausgangsspannung wird automatisch auf die notwendigen Werte adaptiert. Falls die Überleitungsimpedanz erhöht wird, wird daher auch die Spannung derart erhöht, daß ein ausreichender Strom für die vorgeschriebene Ladungsmenge abgegeben wird.
Gemäß noch einer vorteilhaften Ausführungsform des Herzschrittmachers nach der Erfindung enthält die Ladungsquelle eine Batterie, die eine Spule auflädt, die ihrerseits die Ladungsspeichermittel auflädt. In einer solchen Ausführungsform werden die Ladungsverluste auf ein Minimum reduziert.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Herzschrittmachers nach der Erfindung enthalten die Ladungsspeichermittel einen Ausgangskondensator und ein Komparator vergleicht während des Ladevorganges die Spannung dieses Ausgangskondensators mit einem vorbestimmten Sicherheitsniveau, um das Aufladen zu beenden, wenn die Spannung des Kondensators dieses Sicherheitsniveau erreichen sollte.
Als Beispiele werden nun ausgewählte Ausführungsformen des Herzschrittmachers gemäß der Erfindung detaillierter unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben, in denen
Fig.1 die Prinzipien einer Ausführungsform des Herzschrittmachers gemäß der Erfindung illustriert,
Fig.2 zeig, wie Ladungsspeichermittel des Herzschrittmachers gemäß der Erfindung auf eine die Batteriespannung überschreitende Spannung aufgeladen werden können,
Fig.3 das Prinzip des Ladungspumpens, das in einer Ausführungsform des Herzschrittmachers gemäß der Erfindung verwendet wird illustriert,
Fig.4 illustriert, wie die Ausgangsspannung der Schaltung in Fig.3 während des Ladevorganges stufenweise vergrößert wird,
Fig.5 eine als Ladungsspeichermittel dienende Spule zeigt und
Fig.6 eine Alternative zu der in Fig 3 dargestellten Ladungspumpe zeigt.
Figur 1 illustriert das prinzipielle Layout einer Impulsquelle des Herzschrittmachers gemäß der Erfindung . Die Impulsquelle enthält eine Ladequelle mit einer Batterie 2 und einer Ladeschaltung 4 zum Laden eines Ladungsspeichermittels in der Form eines Ausgangskondensators 6. Wenn der Kondensator 6 auf ein vorbestimmtes Niveau aufgeladen ist, wird er mittels eines Schalters 7 über die in das Herz 10 eingeführte Stimulationselektrode 8 entladen. Die Spannung der Batterie 2 ist normalerweise etwa 3 Volt. Um in der Lage zu sein, höhere Stimulationsspannungen zu erzielen, kann die Ladeschaltung 4 einen kapazitiven Spannungsvervielfacher oder eine "Ladungspumpe" des in Figur 2 illustrierten Typs enthalten.
Während des Ladens sind die Kondensatoren 12 und 14 parallel an die Batterie angeschlossen, wozu die Schalter 16, 18, 20, 22 in der in Figur 2 gezeigten Stellung sind. Die Schalter 16, 18, 20, 22 werden dann in Richtung der Pfeile in ihre andere Position umgeschaltet, in der die Kondensatoren 12 und 14 zum Entladen in Reihe mit dem Ausgangskondensator geschaltet sind. Daher wird der Ausgangskondensator von den Kondensatoren 12 und 14 mit einer Spannung aufgeladen, die doppelt so groß ist wie die Batteriespannung. Natürlich kann die Schaltung nach Figur 2 mehr als zwei Kondensatoren enthalten und somit eine entsprechend höhere Spannungsmultiplikation realisieren.
Als eine Alternative kann der Ausgangskondensator 6 durch eine Ladungspumpe, deren Prinzip in den Figuren 3 und 4 illustriert wird, aufgeladen werden.
In diesem letzteren Fall enthält die Ladeschaltung einen Kondensator 24, der erst über den Schalter 26 mit der Batterie 2 verbunden ist. Somit wird der Kondensator 24 zuerst auf die Spannung Ubat der Batterie 2 aufgeladen. Die Lage des Schalters 26 wird dann geändert und der Ausgangskondesator 6 wird von dem Kondensator 24 auf die Spannung Ubat/2 aufgeladen, wodurch die beiden Kondensatoren 6 und 24 dann gleiche Spannung haben. Der Schalter wird dann erneut in seine erste Lage umgeschaltet und der Kondensator 24 wird erneut auf die Spannung Ubat aufgeladen. Der Schalter 26 wird in seine zweite Lage umgeschaltet, um den Kondensator 24 in den Kondensator 6 zu entladen, bis die Spannung der beiden Kondensatoren die gleiche ist und 0,75 Ubat entspricht.
Der Kondensator 24 wird erneut auf die Spannung Ubat aufgeladen, erneut mit dem Kondensator 6 verbunden, um diesen Kondensator erneut auf zuladen, bis die Spannung der beiden Kondensatoren gleich ist, 0,875 Ubat, u.s.w. bis der Ausgangskondensator 6 auf sein gewünschtes Niveau aufgeladen worden ist.
Dieses graduelle Stufe für Stufe Aufladen des Ausgangskondensators 6 wird in der Figur 4 illustriert. Wie aus dieser Figur hervorgeht, nähert sich die Spannung des Ausgangskondensators 6, Uaus, asymthotisch der Spannung Ubat. Es sollte angemerkt werden, daß die Kapazitäten der Kondensatoren 6 und 24 in dem in den Figuren 3 und 4 beschriebenen Beispiel gleich groß sind.
Um zu verhindern, daß die Spannung des Ausgangskondensators 6 ein vorbestimmtes Sicherheitsniveau überschreitet, ist ein Komparator (nicht dargestellt) vorgesehen, um die Ausgangsspannung mit dem vorbestimmten Sicherheitsniveau zu vergleichen. Wenn dieses Niveau erreicht wird, wird das Aufladen beendet.
Für die Stimulation mit einer konstanten Ladung ist es praktisch ausreichend, eine Ladungspumpe mit einer maximalen Ausgangsspannung von dem Doppelten der Stimulationsausgangsspannung zu haben. Die an den Ausgangskondensator gelieferte Ladungsmenge ist dann proportional zur Betriebszeit der Ladungspumpe. Die Betriebszeit der Ladungspumpe nach der Stimulation wird daher so gewählt, um die gewünschte Ausgangsstimulationsladung zu erhalten, da die Ladungsmenge des Ausgangskondensators linear mit der Ladezeit ansteigt.
Aus einem Energiestandpunkt sind induktive Laungsspeichermittel besser als kapazitive. In einer kapazitiven Schaltung werden 50% der Energie in dem Ladewiderstand verloren. Die Verwendung von Induktanzen ist nicht mit derartigen Verlusten verbunden. Ladungsverluste werden auf ein Minimum reduziert und die Effektivität wird hoch sein, etwa 90% oder mehr.
In Figur 5 kann eine Induktanz in Form einer Hochinduktanzspule 28, vorzugsweise mit eine Ferritkern, durch Verbinden mit einer Batterie über einen Schalter 30 auf eine gewähltes Niveau aufgeladen werden. Die in der Spule 28 gespeicherte magnetische Energie wird dann durch Umschalten des Schalters 30 in seine zweite Lage über die Stimulationselektrode als ein Stimulationsimpuis entladen.
Die in der Spule 28 gespeicherte und auf die Stimulationselektrode überführte Ladungsmenge ist proportional zu der Zeit, für die die Spule 28 mit der Batterie verbunden ist. Der Strom durch die Spule 28 wird für kurze Ladezeiten annähernd linear mit der Zeit und mit der Ladespannung anwachsen. Alternativ für die Aufladung der Spule 28 könnte eine feste Ladezeit und eine variable Ladespannung verwendet werden.
Wenn eine Induktanz als Ladungsspeichermittel verwendet wird, muß man nur überprüfen, daß von der Spule genügend Energie für die Stimulation geliefert wird und während dieses Vorganges kann die Spannung die notwendigen Werte annehmen. Daher wird, wenn die übergangsimpedanz zwischen Elektrode und Gewebe erhöht wird, die Spannung höher sein, um einen ausreichenden Strom oder die vorbestimmte Stimulationsladung aufrecht zuerhalten.
In Figur 6 wird eine Alternative zu der in Figur 3 gezeigten Ladungspumpe angegeben, worin der Kondensator 24 durch eine Spule zum Aufladen des Ausgangskondensators 6 ersetzt wird. In dieser Ausführungsform wird die Induktanz nicht direkt für die Stimulation entladen, sondern bildet zusammen mit einem Ausgangskondensator eine Ausgangsstufe.
Die Spule 32 wird dann von einer Batterie 2 aufgeladen und die Ladung wird dann vor der Stimulation auf den Kondensator 6 überführt. Auf diese Weise wird analog zu der in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 beschriebenen kapazitiven Ladungspume eine "induktive" Ladungspumpe erhalten. In diesem Fall kann eine kleinere Spule benutzt werden als wenn die Spule als ein Ladungsspeichermittel zur direkten, wie in Figur 5 gezeigten Stimulation benutzt wird. Der Kondensator 6 kann in einem Schritt oder in einem Mehrschrittverfahren aufgeladen werden, wobei die auf den Kondensator 6 überführte Ladungsmenge durch die Betriebszeit des Schaltung bestimmt wird. Wenn die Spule 32 in einem Mehrschrittverfahren mit einer konstanten Ladung für jeden Schritt aufgeladen wird, wird die auf den Kondensator 6 überführte Ladungsmenge erneut proportional zu der Anzahl der Ladeschritte sein ( oder der aktiven Betriebszeit der Schaltung).
Es ist auch möglich, eine Vielzahl von Spulen , die parallel an die Ladungsquelle angeschlossen sind, auf zuladen und dann diese aufgeladenen Spulen in Reihe zu schalten und sie in einen Kondensator zu entladen, der dann auf eine Spannung aufgeladen wird, die beträchtlich größer als die Spannung der Ladungsquelle ist. Auf diese Weise wird ein induktiver Spannungsvervielfacher analog zu dem in Verbindung mit Figur 2 beschriebenen kapazitiven Spannungsvervielfacher realisiert.

Claims

1. Herzschrittmacher mit einer Impulsquelle zur Abgabe von Herzstimulationsimpulsen an mindestens eine Herzstimulationselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß diese Impulsquelle eine Quelle (2, 4) zum Aufladen eines Ladungsspeichermittels (6, 28) mit einer vorgeschriebenen Ladungsmenge für jeden Herzstimulus aufweisen, wobei diese Ladungsspeichermittel geeignet sind, eine vorbestimmte Ladungs menge über die Stimulationselektrode (8) zu entladen, um einen Herzstimulationsimpuls zu bilden.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsquelle eine Batterie (2) und eine an die Ladungsspeichermittel (6) angeschlossene Ladungspumpe (24, 26; 32) aufweist. (Fig. 3 und 6)

3. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsquelle eine Batterie (2) aufweist, die mindestens zwei parallel an die Batterie angeschlossene Kondensatoren (12, 14) auflädt, die dann in Reihe geschaltet und zu den Ladungsspeichermitteln entladen werden. (Fig. 2)

4. Herzschrittmacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsquelle eine Batterie (2) aufweist, die eine Spule (32) auflädt, die ihrerseits die Ladungsspeichermittel (6) auflädt (Fig. 6)

5. Herzschrittmacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter vorgesehen ist, der alternierend die Spule (32) an die Batterie (2) und die Ladungsspeichermittel anschließt, um stufenweise, vorzugsweise in einem Mehrstufenverfahren, die Ladungsspeichermittel (6) aufzuladen.

6. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeichermittel einen Ausgangskondensator (6) aufweisen.

7. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeichermittel eine hochinduktante Spule (28) aufweisen. (Fig. 5)

8. Herzschrittmacher nach Anspruch 4, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Zeit zum Aufladen der Spule (28; 32) auf eine vorbestimmte Länge festzusetzen.

9. Herzschrittmacher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator die Ausgangsspannung des Kondensators (6) vergleicht und das Aufladen des Ausgangskondensators stoppt, wenn die Kondensatorspannung ein vorbestimmtes Sicherheitsniveau erreicht.