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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet
medizinischer Implantate. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf eine Vorrichtung zum Liefern eines Signals, das den Zustand
eines Sensors in einem medizinischen Implantat repräsentiert.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Seit
der Einführung
von frequenzadaptierenden implantierten Herzstimulatoren ist eine
Vielzahl unterschiedlicher Parameter benutzt worden, um den Aktivitätspegel
des Patienten zu bestimmen, der wiederum benutzt wird, um die Frequenz
zu steuern mit der das Herz des Patienten durch den Schrittmacher zu
stimulieren ist. Eine der üblichsten
Sensoren ist der piezoelektrische Beschleunigungsmesser.
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Eine
andere Form eines Sensors ist der intrakardiale piezoelektrische
Drucksensor.
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Anders
als die piezoresistiven und piezokapazitiven Sensoren sind die piezoelektrischen
Sensoren nicht Energie verbrauchend, sie erzeugen ihre Energie stattdessen
selbst. Piezoelektrische Sensoren werden auch angeordnet, um die
mechanische Spannung des piezoelektrischen Materials abhängig von
einer Änderung
von Belastungen, die z. B. von einer Beschleunigung einer seismischen
Masse oder von einer auf den Sensor wirkenden Druckänderung herrühren, zu
verändern.
Dies führt
zu einem Transport von Elektronen oder elektrischen Ladungen innerhalb
des Materials, welcher eine Änderung
in der Spannung an dem piezoelektrischen Sensor liefert. Diese Spannung
entspricht der Belastung, der der Sensor unterworfen wird. Eine
derartige Vorrichtung ist in der US-A-5,040,535 beschrieben, welches
Dokument die Grundlage für
den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet.
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Ein
Problem hinsichtlich der Messung der Spannung an einem piezoelektrischen
Sensor ist der auftretende Abfluss (Lecken) von Ladungen, der die Genauigkeit
der Messungen negativ beeinflusst. Bei einem Versuch, dieses Problem
zu lösen,
ist ein Spannungsverstärker
mit sehr hoher Eingangsimpedanz eingesetzt worden. Dies macht jedoch
eine sehr große
Widerstandskomponente erforderlich, was innerhalb eines medizinischen
Implantats unerwünscht ist.
Darüber
hinaus ist das den Abfluss der Ladungen betreffende Problem noch
nicht ausreichend eliminiert und damit wird die Verwendung einer
Speicherfunktion irgendeiner Art erforderlich. Das Problem des Abflusses
von Ladungen ist von besonderem Interesse, wenn der piezoelektrische
Sensor relativ kleinen Belastungsänderungen über längere Zeitperioden unterworfen
wird, wie kleinen Änderungen
des Druckes über
eine lange Zeit oder Änderungen
in der Position.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bestimmen des Zustandes eines piezoelektrischen Sensors verfügbar zu
machen, das den oben erwähnten
Abfluss von Ladungen berücksichtigt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeit
in der Bewertung des Zustandes eines piezoelektrischen Sensors zu
verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Ziele werden gemäß der Erfindung
erreicht mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen und durch
die in den abhängigen
Ansprüchen angegebenen
bevorzugten Ausführungsformen.
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Die
Erfindung beruht auf der Einsicht, dass wenigstens nahezu kontinuierlich
der sich auf Sensorausgangsänderungen
beziehende Zustand erfasst und hierauf beruhend ein Signal erzeugt
wird, das den tatsächlichen
Zustand eines Sensors repräsentiert.
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Vorzugsweise
wird das genannte Signal durch Integration der genannten Sensorausgangsänderungen
erzeugt.
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Vorzugsweise
wird ein Sensor der Art benutzt, bei der Zustandsänderungen Änderungen
bezüglich
der elektrischen Ladungen in dem Sensor berücksichtigen. Damit ist der
Sensor des piezoelektrischen Typs geeignet.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der Erfindung werden durch den Sensor erzeugte
positive und negative Ladungen, wie weiter unten näher erläutert, im
Wesentlichen kontinuierlich erfasst und vom Sensor entfernt, wodurch
die Ausgangsspannung des Sensors bei einem im Wesentlichen konstanten
Pegel von Null gehalten wird, während
gleichzeitig ein Ausgangsstrom geliefert wird, der die Grundlage
für eine
Integration sein kann, um das genannte Signal zu erzeugen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann dies erreicht werden durch Verbinden des ladungsproduzierenden
Sensors mit einer Schaltung, die die Charakteristik einer extrem
niedrigen oder redundanten Eingangsimpedanz hat. Als Folge hiervon werden
durch den piezoelektrischen Sensor erzeugte Ladungen sofort abfließen oder
gesammelt oder durch die verbundene Schaltung beseitigt werden. Dies
bedeutet auch, dass kein Problem bezüglich eines unkontrollierten
Abfließens
von Ladungen aus dem Sensor besteht, wie es beim Stand der Technik der
Fall ist.
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Wie
oben angegeben, erzeugt in einem Sensor des piezoelektrischen Typs
eine Belastungsänderung
eine Änderung
von Ladungen, wobei sämtliche
erzeugten Ladungen durch die verbundene Schaltung gesammelt, d.
h. erfasst und von dem piezoelektrischen Sensor entfernt werden.
Eine Belastungsänderung
kann entweder positiv oder negativ sein. Eine positive Belastungsänderung
erzeugt einen internen Transport von Ladungen in einer Richtung
entgegengesetzt zu der, die durch eine negative Belastungsänderung
hervorgerufen wird. Falls ferner ein Transport von Ladungen in einer
Richtung eine positive Spannung am piezoelektrischen Sensor erzeugt,
erzeugt ein Transport von Ladungen in der entgegengesetzten Richtung
eine negative Spannung. Deshalb muss für die Wiederherstellung eines Null-Spannungspegels
am Sensor von einem positiven Spannungspegel aus ein Transport von „tatsächlichen" Ladungen aus dem
Sensor erfolgen, während zum
Wiederherstellen eines Null-Pegels von einer negativen Spannung
aus ein Transport der „tatsächlichen" Ladungen aus der
verbundenen Schaltung in den Sensor erfolgen muss.
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Gemäß Obigem
werden die dem Sensor zum Wiederherstellen eines Null-Pegels zugeführten tatsächlichen
Ladungen im Folgenden als gesammelte oder entfernte negative Ladungen
bezeichnet und der erhaltene Strom wird als negativer Strom bezeichnet.
Entsprechend werden die aus dem Sensor entfernten tatsächlichen
Ladungen als positive Ladungen bezeichnet und der erhaltene Strom
als positiver Strom. Deshalb werden im Folgenden die Zufuhr und
das Entfernen von Ladungen zu und aus dem Sensor bezeichnet als
Sammeln von Ladungen, wobei die Zufuhr von Ladungen zum Sensor bezeichnet wird
als Sammeln von negativen Ladungen und eine Entfernung von Ladungen
aus dem Sensor bezeichnet wird als ein Sammeln von positiven Ladungen.
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Die
in einem Sensor des diskutierten Typs erzeugten Ladungen entsprechen
der Belastung (beispielsweise Beschleunigung und/oder Schwerkraft
oder Druck), der der Sensor unterworfen wird. Demgemäß repräsentiert
jede erzeugte Ladung eine bestimmte Belastungsänderung. Eine größere Belastungsänderung
erzeugt mehr Ladungen; eine schnellere Belastungsänderung
liefert eine schnellere Erzeugung von Ladungen; und eine Belastungsänderung
in einer Richtung erzeugt positive Ladungen und eine Belastungsänderung
in der entgegengesetzten Richtung erzeugt negative Ladungen (entsprechend der
oben gegebenen Definition von positiven und negativen Ladungen).
Somit entsprechen die durch den Sensor pro Zeiteinheit erzeugten
Ladungen, d. h. der elektrische Strom, dem Betrag und der Richtung
der Ladungsänderung
und somit der Zeitableitung der Belastung, der der Sensor unterworfen
wird.
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Die
durch einen piezoelektrischen Sensor erzeugten Ladungen werden,
wie oben beschrieben einer Schaltung zum Erfassen und Entfernen
der genannten Ladungen zugeführt.
Da die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Ladungen, die im Folgenden als
Sensorstrom oder Sensorausgangsstrom bezeichnet wird, proportional
zum Zeitdifferential der Belastungsänderung ist, führt eine
Integration des genannten Stroms zu einem integrierten Wert oder Signal,
das proportional zur Belastung ist.
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Die
Schaltung zur Aufnahme des Stroms (Erfassung und Entfernung der
Ladungen) ist gemäß der Erfindung
so angeordnet, das sie den genannten Strom integriert, d. h. die
durch den Sensor erzeugten Ladungen quantifiziert und kumuliert.
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Demgemäß repräsentiert
der erhaltene Wert aus dieser Integration den Nettobetrag, d. h.
unter Berücksichtigung
des Vorzeichens der erzeugten Ladungen, von den durch den Sensor
erzeugten Ladungen. Damit ist der integrierte Werte bzw. das Signal direkt
repräsentativ
für die
Belastung, der der Sensor gerade ausgesetzt ist. Der genannte integrierte
Wert kann deshalb als eine Wiedererschaffung der Spannung angesehen
werden, die im Sensor vorhanden gewesen wäre, vorausgesetzt, dass überhaupt
kein Abfluss oder eine absichtliche Entfernung der Ladungen vorhanden
gewesen wäre.
Damit löst
die vorliegende Erfindung das Problem hinsichtlich des Erhaltens
eines absoluten Wertes, der repräsentativ
für den
Pegel beispielsweise einer konstanten Beschleunigung oder Schwerkraft
oder eines Druckes bei der Benutzung eines Sensors vom piezoelektrischen
Typ ist.
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Wie
oben festgestellt, würde
das Wiederherstellen eines Null-Pegels im Sensor, ausgehend von einem
negativen Spannungspegel, eine Zufuhr von Ladungen aus der verbundenen
Schaltung zum Sensor erfordern. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Zufuhr von Ladungen vorgesehen werden durch
Zuführen
eines konstanten Gleichstroms, im Folgenden als Gleichstromsignal
bezeichnet, zum Sensor und der Schaltung. Falls die Größe des Gleichstromsignals
die mögliche
maximale Größe des positiven
und des negativen Sensorstroms überschreitet,
werden die zum Sensor für
das Wiederherstellen des Null-Pegels gelieferten Ladungen bzw. der
Strom durch das hinzugefügte
Gleichstromsignal geliefert. Als Folge hiervon wird die angeschlossene
Schaltung mit einem kombinierten Signal beliefert, wobei das genannte
kombinierte Signal die Summe aus dem Gleichstromsignal und dem Sensorstrom
darstellt. Das kombinierte Signal hat beispielsweise die Größe des Gleichstromsignals,
wenn der Sensor nicht durch eine Änderung in der Beschleunigung
und/oder Schwerkraft oder im Druck beeinflusst wird; eine Größe mehr
als das Gleichstromsignal, wenn der Sensor durch eine positive Änderung
in der Belastung, z. B. Beschleunigung und/oder Schwerkraft beeinflusst
wird; und eine Größe weniger
als das Gleichstromsignal, wenn der Sensor durch eine negative Änderung
in der genannten Last beeinflusst wird.
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Wie
oben beschrieben, integriert die verbundene Schaltung den Sensorstrom.
Gemäß bevorzugter
Ausführungsbeispiele
der Erfindung kann diese Integration erreicht werden, indem der
Sensorstrom zunächst
einer Umwandlung von Strom in Frequenz unterworfen wird. Das Vorsehen
eines hinzugefügten Gleichstromssignals
zum Liefern eines kombinierten Signals, wie es oben beschrieben
ist, ist insbesondere vorteilhaft, wenn es in Verbindung mit einem Strom-zu-Frequenz-Wandler
benutzt wird, in dem das kombinierte Signal stets positiv gehalten
wird und die Frequenz kann proportional zum Pegel des kombinierten
Signals gehalten werden.
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Die
Strom-zu-Frequenz-Umwandlung erzeugt ein Frequenzsignal, das zu
einer Zählvorrichtung
geliefert wird, um die im Frequenzsignal enthaltenen Impulse zu
zählen.
Der Zählvorgang
erzeugt den gewünschten
integrierten Wert nach einer Kompensation für den Beitrag aus dem hinzugefügten Gleichstromsignal,
der direkt repräsentativ
ist für
die aktuelle Beschleunigung oder Schwerkraft, durch die der Sensor
beeinflusst wird.
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Der
Beitrag des hinzugefügten
Gleichstromssignals muss jedoch eliminiert werden, um ein integriertes
Signal zu erhalten, das den unmittelbaren Einfluss der Belastung
auf den Sensor repräsentiert.
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der Beitrag des hinzugefügten Gleichstromssignals dadurch
entfernt werden, dass im Zähler
ein Zählwert
abgezogen wird, der dem Beitrag aus dem Gleichstromsignal entspricht.
Nach jedem Abzug repräsentiert
der Zählwert,
d. h. der integrierte Wert den Beitrag nur aus dem Sensorstrom und
demzufolge aus der Belastung, mit der der Sensor beeinflusst wird.
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Der
abzuziehende Wert, der hier als Subtraktionswert bezeichnet wird,
kann durch Abtrennen des Sensors für eine vorgegebene Zeitdauer
von der angeschlossenen Schaltung und durch Registrieren der während der
genannten Zeitdauer im Frequenzsignal enthaltenen Impulse erhalten
werden. Das Abtrennen des Sensors kann einfach durch einen Schalter erfolgen.
Wenn die genannte Zeitdauer abläuft
wird die Anzahl der während
dieser Zeitdauer registrierten Impulse als Subtraktionswert gespeichert
und die Arbeit der angeschlossenen Schaltungsanordnung fortgeführt unter
Verwendung des aktualisierten Subtraktionswertes, wie es oben beschrieben
ist. Der Vorgang zum Erhalten des Subtraktionswertes kann in vorgegebenen
Zeitintervallen durchgeführt
werden, wird jedoch vorzugsweise durchgeführt, wenn kein Sensorstrom
vorhanden ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Problem bei der Kompensation
des Beitrages des addierten Gleichstromssignals dadurch gelöst werden, dass
zwei parallele Signalpfade vorgesehen werden, von denen jeder Pfad
mit einem getrennten Gleichstromsignal, wie oben beschrieben, beliefert
wird und die eine Strom-zu-Frequenz-Wandler-Vorrichtung enthalten;
ferner eine erste Schaltvorrichtung zum Schalten des Sensorstroms
zwischen den beiden Signalpfaden; eine zweite Schaltvorrichtung
zum Schalten des betreffenden Frequenzsignals aus dem betreffenden
Signalpfad zwischen Inkrementation- und Dekrementationeingängen eines
Vor-/Rückwärtszählers; und
ein Vor-/Rückwärtszähler vorgesehen
werden.
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Der
Sensorstrom wird periodisch zwischen den betreffenden Pfaden geschaltet,
so dass der Sensorstrom die Hälfte
der Zeit zu dem einen Pfad und die Hälfte der Zeit zu dem anderen
Pfad geliefert wird. Als Folge enthält das durch jeden Pfad ausgegebene
konvertierte Frequenzsignal die Hälfte der Zeit das konvertierte
kombinierte Signal, die Hälfte der
Zeit eine Frequenzumwandlung des zugefügten Gleichstromsignals. Wenn
das umgewandelte Signal nur den Beitrag des Gleichstromsignals enthält, kann dies
als ein Inaktiv-Frequenzsignal angesehen werden. Wenn der Sensorstrom
null ist, hat offensichtlich eine Frequenzumwandlung des kombinierten
Signals die gleiche Frequenz, wie das genannte Inaktiv-Frequenzsignal,
unabhängig
vom Zustand der ersten Schaltvorrichtung.
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Das
durch jeden Signalpfad ausgegebene Frequenzsignal wird periodisch
zwischen einem Inkrement- und einem Dekrement-Eingang eines Vorwärts-/Rückwärts-Zählers geschaltet.
Das genannte Schalten wird vorzugsweise in Verbindung mit dem Schalten
des Sensorstromes zwischen den betreffenden Signalpfaden durchgeführt, so
dass der den Sensorstrom gerade empfangende Pfad mit dem Inkrement-Eingang
des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers verbunden
wird, und dass der den Sensorstrom gerade nicht empfangende Pfad
mit dem Dekrement-Eingang des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers verbunden wird. Damit
erhöht
das betreffende Frequenzsignal den Zähler schrittweise, wenn der
Beitrag des Sensorstroms enthalten ist und verringert den Zähler schrittweise,
wenn der Beitrag den Sensorstroms nicht enthalten ist. Demgemäß wird der
Beitrag des betreffenden hinzugefügten Gleichstromsignals vollständig eliminiert
und der durch den Vorwärts-/Rückwärts-Zähler ausgegebene
integrierte Wert ist direkt repräsentativ
für den
durch den Sensor erzeugten Strom. Der Beitrag des betreffenden hinzugefügten Gleichstromsignals
wird vollständig
eliminiert, unabhängig
von einem Triften des Gleichstromsignals über die Zeit und unabhängig von
dem Unterschied zwischen den Gleichstromsignalen.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird der Zählwert,
d. h. der integrierte Wert fortlaufend aktualisiert und repräsentiert
zu allen Zeiten die Belastung, der der Sensor gerade ausgesetzt
ist.
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Ein
Weg zur Bestimmung des Aktivitätspegels
eines Patienten ist es, einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser
in einem medizinischen Implantat zu verwenden, um die physische
Aktivität
des Patienten zu bestimmen und demzufolge die Frequenz mit der das
Herz des Patienten zu stimulieren ist.
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Die
Herzfrequenz in einem gesunden Lebewesen ist jedoch auch von dem
statischen Zustand des Lebewesens oder der Langzeitorientierung
oder Haltung des Körpers
oder einer Änderung
aus einer solchen Orientierung in eine andere, beispielsweise beim
Hinlegen aus dem Stand, abhängig.
Die innere Herzfrequenz ist sogar abhängig davon, ob die Person in
einer Rückenlage
liegt, d. h. auf ihrem Rücken oder
in einer Bauchlage, d. h. auf ihrem Gesicht. Deshalb besteht ein
Bedarf zum Erstellen sowohl des Aktivitätspegels als auch der Körperhaltung
des Schrittmacherpatienten, um die Arbeitsweise des Schrittmachers
abhängig
vom Aktivitätspegel
und der Haltung des Patienten zu steuern.
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Es
ist zur Bestimmung der körperlichen
Orientierung oder Haltung eines Patienten eine Anzahl verschiedener
Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Im Allgemeinen
werden zum Bestimmen der Haltung Beschleunigungsmesser benutzt,
siehe beispielsweise EP-0,845,240. Dies zufolge der Tatsache, dass
die Schwerkraft ein Objekt in der gleichen Weise beeinflusst, wie
eine entsprechende konstante Beschleunigungskraft. Durch Bestimmen
der Auswirkung der Schwerkraft auf den Beschleunigungsmesser, der
gegenüber
Beschleunigungskräften
nur in einer bestimmten Richtung empfindlich ist, kann die Gravitationskomponente
in dieser Richtung gemessen werden und damit kann der Winkel zwischen
der Achse der Empfindlichkeit und der Richtung der Schwerkraft bestimmt
werden. Wenn die Orientierung des Beschleunigungsmessers relativ
zum Patienten bekannt ist, kann die Haltung des Patienten leicht
festgestellt werden.
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Der
Beschleunigungsmesser kann auch mit einem oder mehreren Beschleunigungsmessern kombiniert
werden, die unterschiedliche Empfindlichkeitsrichtungen aufweisen,
vorzugsweise senkrecht zu der des ersten Beschleunigungsmessers.
Hierdurch erhöht
sich die Möglichkeit
unterschiedliche Haltungen des Patienten zu erfassen. Beispielsweise würde die
Kombination mit einem Beschleunigungsmesser, der eine Empfindlichkeit
in Rechts-Links-Richtung des Patienten aufweist, es ermöglichen,
eine aufrechte Position von einer Position zu unterscheiden, in
der der Patient auf der Seite liegt.
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Da
die Änderungen
in der Beschleunigung und Schwerkraft verbunden mit Änderungen
in der Haltung relativ langsam sind im Vergleich zu Änderungen
in der Beschleunigung in Verbindung mit einer normalen physischen
Aktivität
und die Vorrichtung gemäß der Erfindung
ein Lecken der Ladungen aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser in
Betracht zieht, ist die Erfindung insbesondere interessant in piezoelektrischen
Vorrichtungen zum Erfassen von Änderungen
in der Haltung.
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Wie
oben diskutiert, repräsentiert
der fortlaufend aktualisierte integrierte Wert die Beschleunigung
und/oder Schwerkraft (d. h. die Komponente der Schwerkraft in Richtung
der Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers), der der Beschleunigungsmesser
gerade ausgesetzt ist. Der maximale Beitrag des Beschleunigungsmessers
kann durch eine Schwerkraft ausgeübt werden, die einer Beschleunigung
von 1 g (9,81 m/s2) entspricht. Mit schweren Übungen,
wie Laufen, verbundene Beschleunigungen, können jedoch klar über 1 g, manchmal
sogar über
2 g liegen. Deshalb wird der integrierte Wert in geeigneter Weise
einer weiteren Verarbeitung unterworfen, um beispielsweise zwischen
dem Beitrag aus der Schwerkraft und dem Beitrag aus der physischen
Aktivität
zu unterscheiden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der fortlaufend aktualisierte, integrierte Wert
als digitales Ausgangssignal von der beschriebenen Zählvorrichtung
an die Haltungsbewertungsvorrichtung geliefert werden, um die Haltung
des Patienten zu bestimmen. Die genannte Haltungsbewertungsvorrichtung
oder eine zwischen die Haltungsbewertungsvorrichtung und die Zählvorrichtung
geschaltete Vorrichtung führt
eine digitale Tiefpassfilterung des integrierten Signals durch.
Die genannte Tiefpassfilterung mit einer bevorzugten Grenzfrequenz
von weniger als 1 Hz, vorzugsweise etwa 0,5 Hz filtert wirksam Beiträge der Aktivität, Herzschläge etc.,
heraus. Das tiefpassgefilterte, integrierte Signal kann dann mit
Schwellwerten verglichen werden, um einen Haltungswert zu erhalten,
der die tatsächliche Haltung
des Patienten anzeigt. Der genannte Haltungswert kann dann der Steuervorrichtung
zugeführt
werden, um in Übereinstimmung
mit der Haltung des Patienten in an sich bekannter Weise den Arbeitsvorgang
eines Schrittmachers zu steuern.
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In
gleicher Weise kann gemäß einer
besonderen Ausführungsform
der Erfindung der integrierte Wert auch als digitales Ausgangssignal
an die Aktivitätsbewertungsvorrichtung
zur Bestimmung der physischen Aktivität des Patienten geliefert werden.
Die genannte Aktivitätsbewertungsvorrichtung
oder eine Vorrichtung, die zwischen die Aktivitätsbewertungsvorrichtung und
die Zählvorrichtung
geschaltet ist, führt
eine digitale Bandpassfilterung des integrierten Signals durch.
Die genannte Bandpassfilterung hat eine bevorzugte untere Grenzfrequenz
von etwa 1 Hz und besitzt eine bevorzugte obere Grenzfrequenz von
etwa 10 Hz, vorzugsweise etwa 6 Hz. Das bandpassgefilterte, integrierte
Signal kann dann in bekannter Weise bewertet werden, um einen die
physische Aktivität
des Patienten anzeigenden Aktivitätswert zu erhalten. Der genannte
Aktivitätswert
kann dann an die Steuervorrichtung zum Steuern des Arbeitsvorgangs
eines Schrittmachers in Übereinstimmung
mit der physischen Aktivität
und der Haltung des Patienten geliefert werden.
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Gemäß einer
speziellen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird Gebrauch gemacht von einem piezoelektrischen
Beschleunigungsmesser, der einen Zwei-Schichten-Ausleger enthält, eine piezoelektrische
Schicht und eine Tragschicht, wobei der Ausleger an einem Ende an
einer Befestigungsfläche
befestigt ist und am anderen Ende mit einem Gewicht versehen ist.
Damit wird der Ausleger bei einer Beeinflus sung durch eine Beschleunigungs-
oder Schwerkraft-Änderung
um das befestigte Ende ausgelenkt. Der Ausleger ist vorzugsweise
breit, was den Ausleger daran hindert, sich zu verdrehen oder in
andere Richtungen als in die beabsichtigte auszulenken. Der Ausleger
kann auch geneigt sein. Diese Neigung und die Breite des Auslegers
erzielen eine Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungs- und Schwerkraft-Änderungen
nur in einer Richtung, senkrecht zur Befestigungsfläche. Damit
kann der piezoelektrische Beschleunigungsmesser angesehen werden,
vom monoaxialen Typ zu sein. Die Breite des Auslegers verbessert
auch die Größe des durch
die piezoelektrische Schicht erzeugten Stroms. Wenn der Beschleunigungsmesser
Beschleunigungs- und/oder Gravitations-Kräften unterworfen wird, die senkrecht
zur Befestigungsfläche
verlaufen, wird der Ausleger um das befestigte Ende ausgelenkt und
das piezoelektrische Material erzeugt abhängig von dem Maß und der
Größe der Beschleunigungs-
und/oder Schwerkraft-Änderungen
Ladungen.
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Ferner
ist gemäß dieser
speziellen Ausführungsform
der Erfindung der piezoelektrische Beschleunigungsmesser derart
innerhalb eines Schrittmachers positioniert, dass, wenn der Schrittmacher in
einen Patienten implantiert wird, der Beschleunigungsmesser-Ausleger
senkrecht positioniert ist gegenüber
seiner Empfindlichkeitsrichtung, die die Vorne-Rückwärts-Richtung des Patienten
ist, mit den oben beschriebenen Vorteilen. Da der piezoelektrische
Beschleunigungsmesser in der Lage ist negative Werte zu liefern,
kann die Bauchlage leicht von der Rückenlage unterschieden werden.
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Wie
oben angegeben, ist die Erfindung auch auf andere piezoelektrische
Sensoren anwendbar, wie endokardiale Drucksensoren zum Messen des intrakardialen
Drucks.
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Es
ist z. B. möglich,
Haltungsänderungen mittels
eines intrakardialen Drucksensors zu bestimmen. Der auf den Sensor
wirkende hydrostatische Druck nimmt zu, wenn sich der Patient aus
einer Bauchlage oder Rückenlage
in die aufrechte Position erhebt, da die vertikale Distanz oberhalb
des Sensors innerhalb des Patienten, die den hydrostatischen Druck
definiert, zunimmt. Die Auswirkungen einer Zunahme im Druck auf
den Drucksensor sind im Allgemeinen ähnlich den Auswirkungen der
Beschleunigung oder Schwerkraft auf einen Beschleunigungsmesser
des oben beschriebenen Typs. Die oben beschriebene Anordnung zum
Bewerten des Beschleunigungssignals kann deshalb auch zum Bewerten des
Signals aus dem Drucksensor verwendet werden. Da ein Schrittmachersystem
normalerweise irgendeine Art von Aktivitätssensor enthält, kann
das Drucksignal auch zusätzlich
mittels des Signals aus dem Aktivitätssensor bewertet werden, um
besser zwischen dem aus einer Haltungsänderung resultierenden Druckanstieg
und einer Druckänderung
zu unterscheiden, die aus einer Aktivitätsänderung resultiert.
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Eine
weitere Verwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung ist es, Langzeitänderungen oder
ein Triften im intrakardialen Druck mittels eines Drucksensors zu
erfassen.
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Weitere
Details und Aspekte der Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden
detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung,
wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
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1 stellt in Form eines Blockdiagramms ein
medizinisches Implantat dar, das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
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2 stellt einen piezoelektrischen
Beschleunigungsmesser gemäß einer
speziellen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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3 und 4 stellen in Form eines Blockdiagramms
und eines Schaltungsdiagramms eine Vorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dar.
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5 und 6 stellen in Form eines Blockdiagramms
und eines Schaltungsdiagramms eine Vorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung dar.
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7 stellt in Form eines Impulsdiagramms ein
erfindungsgemäßes Verfahren
dar.
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8 stellt in einem Blockdiagramm
eine Vorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNGSGEMÄß
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Wie
oben erwähnt,
ist die Erfindung bei Beschleunigungsmessern und insbesondere bei
Beschleunigungsmessern, die in Verbindung mit Schrittmachern benutzt
werden und ähnlich
zur Erfassung von Änderungen
in der Haltung einsetzbar, und die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines derartigen Beschleunigungsmessers im Einzelnen beschrieben.
In 1 ist ein schematisches
Blockdiagramm eines Schrittmachers 1 gemäß der Erfindung gezeigt.
Der erfindungsgemäße Schrittmacher 1 enthält einen
piezoelektrischen Sensor (Beschleunigungsmesser) 100, eine
Integriervorrichtung 200, eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300,
eine Logikschaltung 400 und einen Impulsgenerator 500. Die
Logikschaltung 400 ist außerdem mit einer Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700 verbunden,
welche mit einem aus dein piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 stammenden
Aktivitätssignal
beliefert wird. Der Schrittmacher 1 ist ferner mit wenigstens
einer Schrittmacherleitung 600 verbunden, die mit wenigstens
einer Stimulationselektrode versehen ist, wobei die Elektrode auch
zum Abfühlen
benutzt wird. Der Schrittmacher 1 enthält ferner eine Verarbeitungsschaltung
zum Verarbeiten des Abfühlsignals
bzw. der Abfühlsignale
aus der genannten (nicht dargestellte) Elektrode bzw. den Elektroden.
Der Schrittmacher 1 kann für eine unipolare oder eine
bipolare Stimulation in einer Weise ausgebildet sein, wie sie dem
Fachmann wohl bekannt ist.
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Es
wird nun der piezoelektrische Beschleunigungsmesser 100 anhand
von 2 beschrieben. Der
Schrittmacher 1 von 1 enthält einen
aus einem Zweischichtausleger bestehenden piezoelektrischen, monoaxialen
Beschleunigungsmesser 100, der an einem Ende über einen
Träger 110 an
einer Fläche 120 befestigt
ist, wobei der Ausleger gegenüber
der Befestigungsfläche 120 geneigt
ist. Das andere Ende, das offene Ende, ist mit einem Gewicht 108 versehen,
das eine Biege- oder Auslenk-Bewegung um das befestigte Ende vorsieht.
Die obere Schicht 102 des Auslegers ist aus einem piezoelektrischen
Keramikmaterial hergestellt, die untere Tragschicht 104 besteht
aus einem Material hoher Dichte mit hohem Elastizitätsmodul.
Der Träger 110,
das Gewicht 108 und die Tragschicht 104 sind alle
in einem Stück
hergestellt, das elektrisch leitend ist. Die Schichten sind durch
einen Klebstoff fest miteinander verbunden, wobei ein elektrisch
leitender Klebstoff 106 verwendet ist. Die freie obere
Seite der piezoelektrischen Schicht ist mit einer dünnen Metallschicht überzogen,
die als eine Elektrode dient. Die piezoelektrische Schicht 102 ist
mit der sie umgebenden Schaltungsanordnung über die leitende Schicht 104 und
eine mit der Metallschicht verbundene Leitung 112 verbunden.
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In
den 3 und 5 ist der Sensor 100 und die
Integriervorrichtung 200 gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die genannte Integriervorrichtung 200 enthält Kombinationsvorrichtungen 201, 202, 203,
um einen Sensorausgangsstrom S(t) mit einem Gleichstromsignal zu
kombinieren, wodurch ein kombiniertes Signal C(t) mit einem versetzten
Gleichstrompegel erhalten wird; Wandlervorrichtungen 210, 220, 230 zum
Umwandeln des kombinierten Signals C(t) in ein Frequenzsignal F(t);
und Zählvorrichtungen 240, 242,
um das genannte Frequenzsignal F(t) einem Zählvorgang zu unterwerfen, um
ein integriertes Signal I(t) zu erhalten.
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Speziell
unter Bezugnahme auf 3 enthält die genannte
Integriervorrichtung entsprechend einer speziellen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ferner eine erste Schaltvorrichtung S1,
um den genannten Sensorausgangsstrom S(t) zwischen zwei parallelen
Signalverarbeitungspfaden zu schalten, wobei jeder Signalpfad eine
Kombinationsvorrichtung 201, 202 zum Kombinieren
des Sensorausgangsstromes S(t) mit einem betreffenden Gleichstromsignal
DC1, DC2 enthält, wodurch
ein betreffendes kombiniertes Signal C1(t),
C2(t) erhalten wird, sowie Wandlervorrichtungen 210, 220 zum
Umwandeln des betreffenden kombinierten Signals C1(t),
C2(t) in ein entsprechendes Frequenzsignal
F1(t), F2(t). Die Integriervorrichtung 200 enthält ferner
eine zweite Schaltvorrichtung S2,3 um die
genannten Frequenzsignale F1(t), F2(t) zwischen den Eingängen einer Zählvorrichtung 240 zu
schalten. Die genannte Zählvorrichtung 240 ist
vorgesehen, um die Ausgangssignale F1(t),
F2(t) aus den beiden getrennten Signalverarbeitungspfaden
zu kombinieren, wodurch das genannte integrierte Signal I(t) erhalten
wird.
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Die
Vorrichtung gemäß der speziellen
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun mit besonderer Bezugnahme auf
die 3 und 4 detaillierter beschrieben.
Wie oben beschrieben, enthält
der Schrittmacher 1 von 1 einen
piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100. Die Integriervorrichtung 200 von 1 enthält gemäß dieser ersten Ausführungsform
eine erste Schaltvorrichtung S1 in Form
eines Schalters S1, um das Ausgangssignal
S(t) aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 zwischen
zwei parallelen, im Wesentlichen gleichen Signalpfaden zu schalten.
Der Schalter S1 wird durch ein konstantes,
periodisches Steuersignal gesteuert, das gewährleistet, dass das Ausgangssignal
S(t) aus dem Sensor jeweils die gleiche Zeit an die betreffenden
Signalpfade geliefert wird. Die Schaltfrequenz ist typischerweise
eingestellt von etwa 100 bis etwa 1000 Hz.
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Die
Integriervorrichtung 200 enthält auch in den Signalpfaden
jeweils eine Kombinationsvorrichtung 201, 202,
um den Ausgangsstrom S(t) aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 mit einem
Gleichstromsignal zu kombinieren, das aus einer Stromquelle DC1, DC2 stammt, wodurch
ein kombiniertes Signal C1(t), C2(t) verfügbar
wird. Die Größe des hinzugefügten Gleichstromsignals
DC1, DC2 ist größer als
der erwartete Maximalwert des Beschleunigungsstromes aus dem piezoelektrischen
Beschleunigungsmesser 100.
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Wenn
sich der Schalter S1 in einer Position befindet,
um den Sensorausgangsstrom S(t) zu einem Signalpfad zu schalten,
enthält
das Ausgangssignal aus der Kombina tionsvorrichtung 201, 202 in dem
betreffenden anderen Signalpfad nur das betreffende hinzugefügte Gleichstromsignal.
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Ferner
enthält
jeder Signalpfad der Integrationsvorrichtung einen Wandler 210, 220 in
Form einer Verstärkerschaltung,
die als Strom-zu-Frequenz-Wandler funktioniert, um das betreffende
gelieferte kombinierte Signal C1(t), C2(t) in ein entsprechendes Frequenzsignal
F1(t), F2(t) umzuwandeln. Die
genannte jeweilige Verstärkerschaltung
enthält einen
ersten Operationsverstärker
(op amp) 212, 222; einen ersten und einen zweiten
Kondensator 214, 216, 224, 226,
vier Schalter S11 bis S14,
S21 bis S24; und
einen Komparator 218, 228. Die Positionen sind
in 4 ersichtlich. Das
kombinierte Signal C1(t), C2(t),
das mit oder ohne den Beitrag des Sensorausgangsstromes S(t) vorliegt,
wird zum ersten Operationsverstärker 212, 222 geliefert.
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Wenn
sich die genannten Schalter S11 bis S14, S21 bis S24 in den in 4 gezeigten
Stellungen befinden, ist der erste Operationsverstärker 212, 222 durch
den ersten Kondensator 214, 224 rückgekoppelt
und lädt
den genannten Kondensator 214, 224 auf. Der Komparator 218, 228,
der als ein zweiter Operationsverstärker dargestellt ist, vergleicht
die Ladung des ersten Kondensators 214, 224 mit
einer Bezugsspannung Vref.
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Wenn
die Ladung des ersten Kondensators 214, 224 die
Bezugsspannung überschreitet,
liefert der Komparator 218, 228 ein Ausgangssignal,
das ein Schalten der Schalter S11 bis S14, S21 bis S24 in ihre zweite Stellung hervorruft, wodurch
der erste Kondensator 214, 224 entladen wird und
eine Aufladung des zweiten Kondensators 216, 226 beginnt.
Wenn das Eingangssignal zum Komparator 218, 228 erneut die
Bezugsspannung Vrif überschreitet, schalten die Schalter
S11 bis S14, S21 bis S24 wiederum
zurück
und die Prozedur wird wiederholt. Das Ausgangssignal des Komparators 218, 228 repräsentiert
die Frequenz, mit der die ersten und die zweiten Kondensatoren 214, 216, 226 entladen
werden. Somit liefert das Ausgangssignal aus dem Komparator 218, 228 ein
entsprechendes Frequenzsignal F1(t), F2(t).
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Die
Frequenz, mit der die Kondensatoren entladen werden, hängt offensichtlich
vom Strompegel des kombinierten Eingangssignals C1(t),
C2(t) ab. Der Pegel des kombinierten Signals
C1(t), C2(t) ist
jedoch so ausgewählt,
dass die aus dem kombinierten Signal C1(t),
C2(t) umgewandelte Frequenz des Ausgangsfrequenzsignals
F1(t), F2(t) stets
die Schaltfrequenz zum Schalten des Schalters S1 überschreitet. Tatsächlich wird
das kombinierte Signal die Hälfte
der Zeit nur aus dem Gleichstromsignal DC1,
DC2 erzeugt. Wenn der Signalpfad das kombinierte
Signal C1(t), C2(t),
welches nur den Gleichstromsignalbeitrag enthält, empfängt, bildet das Ausgangssignal aus
dem Komparator ein Inaktiv-Frequenzsignal F01, F02. Die Frequenz des genannten Inaktiv-Frequenzsignals F01, F02 ist in der
Größenordnung
von 10 bis 100 kHz, d. h. überschreitet
bei weitem die Schaltfrequenz zum Schalten des Schalters S1.
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Die
Integriervorrichtung enthält
ferner eine zweite Schaltvorrichtung S2,3 in
Form eines ersten Schalters S2 und eines
zweiten Schalters S3 zum Schalten des Ausgangsfrequenzsignals
F1(t), F2(t) aus
dem betreffenden Signalpfad zwischen den betreffenden positiven
und negativen Eingängen
einer Zählvorrichtung 240.
Der erste und der zweite Schalter S2, S3 arbeiten in einer reversierenden Weise,
so dass, wenn der erste Schalter S2 einen
Signalpfad mit dem positiven Eingang der Zählvorrichtung 240 verbindet,
der zweite Schalter S3 den anderen Signalpfad
mit dem negativen Eingang der genannten Zählvorrichtung 240 verbindet.
Die Schalter S2, S3 werden durch
das gleiche konstante, periodische Steuersignal gesteuert auf das
oben im Hinblick auf die Steuerung des Schalters der ersten Schaltvorrichtung
S1 hingewiesen wurde, wobei die Schaltfrequenz
20 Hz beträgt.
Somit werden die betreffenden Signalpfade mit einem Eingang der
genannten Zählvorrichtung 240 verbunden,
d. h. der positive Eingang, wenn der Pfad gerade den Sensorausgangsstrom
S(t) empfängt
und demgemäss
wird er mit dem anderen Eingang, d. h. dem negativen Eingang verbunden
wird, wenn der Pfad nicht das Eingangssignal S(t) aus dem piezoelektrischen
Beschleunigungsmesser 100 empfängt.
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Die
Integriervorrichtung 200 enthält ferner eine Zählvorrichtung 240 in
Form eines Vorwärts-/Rückwärtszählers zum
Zählen
der Impulse des Frequenzsignals F1(t), F2(t), das durch den oben beschriebenen Komparator
erzeugt wird, wodurch das integrierte Signal I(t) erhalten wird.
Der Vorwärts-/Rückwärtszähler 240 enthält einen
positiven Eingang zum schrittweisen Erhöhen des Zählers 240 und einen
negativen Eingang zum schrittweisen Verringern des Zählers 240.
Jeder in dem Frequenzsignal F1(t), F2(t) enthaltene Ausgangsimpuls, der durch den
betreffenden Komparator 218, 228 ausgegeben wird,
erzeugt eine schrittweise Erhöhung
oder eine schrittweise Erniedrigung des Zählers 240, abhängig von
der Stellung der Schalter S2, S3.
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Der
in 1 dargestellte Schrittmacher 1 enthält ferner
eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300 zum Bewerten des
integrierten Signals I(t) und zum Gewinnen eines Wertes der unmittelbar
für die Körperhaltung
des Patienten repräsentativ
ist. Die digitale Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz von 0,5
Hz wird durch die genannte Haltungsbewertungsvorrichtung 300 oder
mittels nicht gezeigter zwischen die Integrationsvorrichtung 200 und
die Bewertungsvorrichtung 300 geschaltete Mittel durchgeführt. Die Haltungsbewertungsvorrichtung
vergleicht ferner in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen das
integrierte, digital tiefpassgefilterte Signal mit vorgegebenen
Schwellwerten. Die Bewertungsvorrichtung 300 liefert zur
Logikschaltung 400 ein Signal, das kennzeichnend für die folgenden
Körperhaltungszustände ist,
wenn der Beschleunigungsmesser einem Schwerkraftbeitrag unterworfen
wird, der einer Beschleunigung entspricht von:
1 g, Patient
in der Bauchlage liegend;
0 g, Patient in aufrechter Position;
und
–1
g, Patient in der Rückenlage
liegend.
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Die
Bewertungsvorrichtung 300 kann auch ein Signal liefern,
das kennzeichnend für
eine unbestimmte Haltung ist, beispielsweise wenn sich die Haltung
des Patienten von einer Rückenlage
zu einer stehenden Position verändert.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der
Erfindung enthält
der Schrittmacher 1 auch eine Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700 zum
Liefern eines Signals an die Logikschaltung 400, das für die gegenwärtige Aktivität des Patienten
kennzeichnend ist. In Übereinstimmung
mit der Haltungsbewertungsvorrichtung wird das integrierte Signal
I(t) einer digitalen Bandpassfilterung unterworfen, um den Signalbeitrag
zu entfernen, der sich nicht auf die physische Aktivität des Patienten
bezieht. Die obere und die untere Grenzfrequenz der genannten Bandpassfilterung
ist 1 Hz bzw. 6 Hz. Die digitale Bandpassfilterung per se kann in
einer dem Fachmann gut bekannten Weise durchgeführt werden, und wird deshalb nicht
detaillierter beschrieben. Das Ausgangssignal aus der Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700 wird dann
zur Logikschaltung 400 geliefert.
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Der
in 1 gezeigte Schrittmacher 1 enthält ferner
eine Logikschaltung 400 und einen Impulsgenerator 500 zum
Steuern, Regeln und Ausgeben von Stimulationsimpulsen über die
Stimulationsleitungen zum Atrium und/oder Ventrikel des Herzens.
Die genannte Steuerung wird wenigstens auf der Grundlage der Haltung
und Aktivität
des Patienten in einer dem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet
bekannten Weise durchgeführt.
Es ist verständlich,
dass Mittel und Schaltungen, die für den üblichen Betrieb eines Schrittmachers
gemäß dem Stand
der Technik erforderlich sind, in dem erfindungsgemäßen Schrittmacher
enthalten sind, obgleich sie hier nicht dargestellt oder beschrieben sind.
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Mit
besonderer Bezugnahme nun auf 7 ist
hier diagrammartig gezeigt, wie ein Beschleunigungsbeitrag, aus
Gründen
der Erläuterung
in idealisierter Form, durch das integrierte Signal repräsentiert
wird. Das Impulsdiagramm besteht aus sechs verschiedenen Signalen
(A bis F), die durch gestrichelte Linien (1 bis 5) in fünf Zeitperioden
unterteilt sind.
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A
ist der idealisierte Beitrag der Schwerkraftkomponente in Empfindlichkeitsrichtung des
Beschleunigungsmessers, mit der der Beschleunigungsmesser beeinflusst
wird. In einem wirklichen Fall würde
diese überlagert
sein von Aktivitäts-
und Stör-Beiträgen, die
dauernd vorhanden sind.
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B
ist der Strom, der durch einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser
erzeugt wird, welcher der Gravitationskomponente gemäß A unterworfen
wird, d. h. der Sensorausgangsstrom S(t). Dieser Strom ist proportional
zur Ableitung der Beschleunigung.
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C
ist das Steuersignal, das die Schalter S1 bis
S3 steuert, d. h. das Schalten des Sensorausgangsstroms
S(t) zwischen den parallelen Signalpfaden und das Schalten zum Vorwärts-/Rückwärtszähler.
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D
sind die durch den Komparator 218 des oberen Signalpfades
gelieferten Ausgangssignalimpulse und E sind die in der beschriebenen
Weise durch den Komparator 228 des unteren Signalpfades gelieferten
Impulse. Die genannten jeweiligen Impulse steuern die betreffenden
Schalter S11 bis S24 und triggern
die schrittweise Zunahme und schrittweise Abnahme des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers 240.
Der Unterschied in der Impulsbreite ist nur, um die Tatsache zu
veranschaulichen, dass ein Unterschied in der Größe der betreffenden Gleichstromsignale
DC1, DC2 die Funktion
der Integriervorrichtung nicht beeinflusst. Die Beiträge der Gleichstromsignale
DC1, DC2 sind vollständig eliminiert.
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F
ist das im Zähler 240 registrierte
und zur Haltungsbewertungsvorrichtung 300 gelieferte, erhaltene,
integrierte Signal I(t).
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Während der
Zeitintervalle 1–2,
3–4 und
5–6 ist
der Sensorausgangsstrom S(t) zum oberen Signalpfad geschaltet, dessen
Komparator zum positiven Eingang des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers 240 geschaltet
ist. Demgemäss
erhöht
das Signal D und verringert das Signal E schrittweise den Vorwärts-/Rückwärts-Zähler 240 während dieser
Zeitintervalle. Folglich ist während
der Zeitperioden 2–3 und
4–5 der
Sensorausgangsstrom zum unteren Signalpfad L geschaltet und das
Signal E schaltet den Zähler
hoch und das Signal D schaltet den Zähler herunter.
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Wie
in 7 ersichtlich, stimmt
der Pegel des durch den Zähler 240 gelieferten
integrierten Signals I(t) eng mit der Gravitationskomponente überein,
der der piezoelektrische Beschleunigungsmesser 100 gerade
unterworfen wird. Somit liefert der Ausgang der Integriervorrichtung
gemäß der Erfindung
einen direkten absoluten Wert, der die laufende Auslenkung des Auslegers
des Beschleunigungsmessers und damit die laufende Gravitation (oder
Beschleunigung) repräsentiert.
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Es
wird nun unter besonderer Bezugnahme auf die 5 und 6 eine
Vorrichtung gemäß einer
alternativen zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Gemäß dieser
alternativen zweiten Ausführungsform
enthält
die in 1 gezeigte Integriervorrichtung 200 nur
einen Signalpfad, wodurch die Notwendigkeit für die erste und die zweite
Schaltvorrichtung zum Schalten des Sensorausgangsstromes S(t) zwischen
getrennten Signalpfaden entfällt. Wie
oben bemerkt, enthält
die Integriervorrichtung eine Kombiniervorrichtung 203,
eine Wandlervorrichtung 230 und eine Zählvorrichtung 242.
Die Wandlervorrichtung 230 ist als Verstärkerschaltung
ausgestaltet, wobei die genannte Verstärkerschaltung einen ersten
Operationsverstärker 232 umfasst;
einen ersten und einen zweiten Kondensator 234, 236,
vier Schalter S31 bis S34 und
einen Komparator 238. Die Funktionen der Kombiniervorrichtung 203,
der Wandlervorrichtung 230 und der in der Wandlervorrichtung 230 enthaltenen
Komponenten sind ähnlich
den Funktionen der entsprechenden Vorrichtungen und Komponenten,
wie sie oben insbesondere anhand der 3 und 4 beschrieben worden sind,
und werden deshalb nicht im Einzelnen erläutert.
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Die
Zählvorrichtung 242 gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
enthält
ferner einen Zähler
zum Zählen
der durch den Komparator 238 erzeugten Impulse des Frequenzsignals
F(t). Wie oben beschrieben, wird das Gleichstromsignal dem Sensorausgangs strom
S(t) überlagert.
Der Beitrag aus dem Gleichstromsignal wird entfernt, indem in vorgegebenen
Zeitintervallen, beispielsweise alle 1 bis 10 ms ein Zählwert entsprechend
dem Beitrag aus dem Gleichstromsignal abgezogen wird. Das von dem Zähler ausgegebene
integrierte Signal I(t) wird nach jedem Abzug aktualisiert und das
integrierte Signal I(t) ist für
die Beschleunigung oder Schwerkraft repräsentativ.
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Der
abzuziehende Zählwert,
ein Subtraktionswert, wird erhalten, indem in bestimmten vorgegebenen
Zeitintervallen, beispielsweise einer Stunde, für eine vorgegebene Zeitperiode,
beispielsweise 1 Sekunde, der piezoelektrische Beschleunigungsmesser 100 durch Öffnen eines
(nicht dargestellten), zwischen dem Beschleunigungsmesser 100 und
der Kombiniervorrichtung 203 positionierten Schalters von
der Kombiniervorrichtung 203 abgetrennt wird. Wenn die
Zeitperiode verstreicht, wird die während dieser Zeitperiode registrierte
Anzahl von Impulsen als der neue Subtraktionswert gespeichert, der Schalter
wird geschlossen und der Betrieb der Integriervorrichtung 200 geht
wie oben beschrieben mit dem aktualisierten Subtraktionswert weiter.
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Der
Schrittmacher 1 gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
der Erfindung enthält
auch eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300, eine Logikschaltung 400,
einen Impulsgenerator 500 und eine Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700,
in der gleichen Weise und mit den gleichen Funktionen, wie sie oben anhand
der ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben worden sind.
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In
einer dritten Ausführungsform
kann die Haltung mit einem intrakardialen Drucksensor bewertet werden.
Der auf den Sensor einwirkende hydrostatische Druck nimmt zu, wenn
sich der Patient aus einer Bauchlage oder Rückenlage in eine aufrechte Position
erhebt, da der vertikale Abstand vom Sensor aus nach oben innerhalb
des Patienten, der den hydrostatischen Druck bestimmt, zunimmt.
Die Auswirkungen einer Zunahme im Druck auf den Drucksensor sind
im Allgemeinen ähnlich
den Auswirkungen einer Beschleunigung oder Schwerkraft auf einen Beschleunigungsmesser
des oben beschriebenen Typs. Die oben beschriebene, zur Bewertung
des Beschleuni gungsmessersignals benutzte Anordnung kann deshalb
auch zur Bewertung des Signals aus dem Drucksensor benutzt werden.
Da ein Schrittmachersystem normalerweise irgendeine Art von Aktivitätssensor
enthält,
kann das Drucksignal auch zusätzlich
bewertet werden mittels des aus dem Aktivitätssensor erhaltenen Signals,
um besser den aus einer Haltungsänderung
resultierenden Druckanstieg gegenüber einer Druckänderung
unterscheiden zu können,
die aus einer Aktivitätsänderung
resultiert.
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In 8 ist ein schematisches
Blockdiagramm eines Schrittmachers 1 gemäß der Erfindung dargestellt,
enthaltend einen piezoelektrischen Sensor (Drucksensor) 100', eine Integriervorrichtung 200,
eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300', eine Logikschaltung 400 und
einen Impulsgenerator 500. Die Logikschaltung 400 ist
auch mit einem Aktivitätssensor 800 verbunden.
Merkmale in dieser Zeichnung, die identisch zu Merkmalen in 1 sind, haben die gleichen
Bezugszeichen, wie in 1.
Der Schrittmacher 1 ist ferner mit wenigstens einer Schrittmacherleitung 600 verbunden,
die mit wenigstens einer Stimulationselektrode versehen ist, wobei diese
Elektrode auch zum Abfühlen
benutzt wird. Der Schrittmacher 1 enthält ferner eine Verarbeitungsschaltung
zum Verarbeiten des Abfühlsignals
bzw. der Abfühlsignale
aus der (nicht dargestellten) Elektrode bzw. den Elektroden. Der
Schrittmacher 1 kann auch für eine unipolare oder bipolare
Stimulation in einer Weise ausgebildet sein, wie sie einem Fachmann
auf dem betreffenden Gebiet wohl bekannt ist.
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Der
in 8 gezeigte Schrittmacher 1 enthält somit
auch eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300' zum Bewerten des integrierten
Signals I(t) und zum Erhalten eines Wertes, der direkt repräsentativ für die physische
Haltung des Patienten ist. Das digitale Tiefpassfiltern mit einer
Grenzfrequenz von 0,5 Hz wird durch die genannte Haltungsbewertungsvorrichtung 300' durchgeführt oder
mittels einer nicht gezeigten, zwischen die Integriervorrichtung 200 und die
Bewertungsvorrichtung 300' geschaltete
Vorrichtung. Die Haltungsbewertungsvorrichtung vergleicht ferner
in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen, das integrierte, digital
tiefpassgefilterte Signal mit vorgegebenen Schwellwerten. Die Bewertungsvorrichtung 300' liefert an
die Logikschal tung 400 ein Signal, das kennzeichnend für die verschiedenen
physischen Haltungszustände
ist, beispielsweise zeigt eine Zunahme von etwa 20 mm Hg eine aufrechte Position
an. Obwohl es denkbar ist, die physische Aktivität des Patienten mittels der
Kurzzeitcharakteristiken des Drucksignals an sich zu bewerten, wird
vorgezogen, um den aus einer Haltungsänderung resultierenden Druckanstieg
gegenüber
einer aus einer Aktivitätsänderung
resultierenden Druckänderung besser
zu unterscheiden, dass das Drucksignal auch zusätzlich mittels des aus dem
getrennten Aktivitätssensor
stammenden Signals bewertet wird, wie dem Aktivitätssensor 800.
Getrennte Aktivitätssensoren sind
Standardmerkmale in Schrittmachern. Es soll bemerkt werden, dass
bei der obigen Ausführungsform,
die sich auf einen Beschleunigungsmesser bezieht, dieser Beschleunigungsmesser
primär
ein Aktivitätssensor
ist und deshalb kein weiterer Bedarf für einen weiteren Sensor besteht,
um zu prüfen,
ob ein Signal, das eine Haltungsänderung
anzeigt, das Ergebnis einer plötzlichen
Aktivität
ist oder nicht.
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Ähnlich dem
auf dem Beschleunigungsmesser basierenden Aktivitätssignal,
das in den oben beschriebenen beiden ersten Ausführungsformen zur Bestimmung
der Haltung benutzt worden ist, enthält das Drucksignal auch Komponenten,
die vergleichsweise schnell mit den Herzschlägen variieren. Diese Komponenten
würden
der konstant vorhandenen Aktivität
und Störsignalbeiträgen, die
dem Signal A in 7 überlagert
sind, entsprechen, und würden
einem Drucksignal überlagert
werden, das den hydrostatischen Druck reflektiert, der wiederum
dem Signal A in 7 entspricht.
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Die
Ausgestaltung der Schaltungen ist im übrigen identisch zu den Schaltungen,
die oben in Verbindung mit den obigen Ausführungsbeispielen für einen
Beschleunigungsmesser benutzt sind.
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Der
intrakardiale Druck kann jedoch auch eine Komponente enthalten,
die langsam über
relativ lange Zeitperioden variiert mit der Folge einer sehr langsamen
Veränderung
pro Zeiteinheit. Diese Langzeitvariationen können auch mittels der obigen
dritten Ausführungsform
der Erfindung erfasst werden. Dies ist auch in 8 mit dem Be zugszeichen 300'' angegeben, das einen Langzeittrend
der Änderungen
der Druckanalysevorrichtung kennzeichnet. Diese Vorrichtung ist
jedoch im Prinzip identisch zu den Haltungserfassungsvorrichtungen 300 und 300', wobei der
Hauptunterschied darin besteht, dass Tiefpassfilter in der Trendanalysevorrichtung
eine Grenzfrequenz aufweist, die wesentlich niedriger als die Grenzfrequenz
der Filter in den Bewertungsvorrichtungen 300 und 300' ist und beispielsweise
0,05 Hz betragen kann.