JPH0211267B2 - - Google Patents

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JPH0211267B2
JPH0211267B2 JP57176471A JP17647182A JPH0211267B2 JP H0211267 B2 JPH0211267 B2 JP H0211267B2 JP 57176471 A JP57176471 A JP 57176471A JP 17647182 A JP17647182 A JP 17647182A JP H0211267 B2 JPH0211267 B2 JP H0211267B2
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JP
Japan
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electrode
electrodes
capacitor
charge
stimulation
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JP57176471A
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Japanese (ja)
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JPS5969081A (en
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Kerii Manii Deibido
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Original Assignee
Telectronics Pty Ltd
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Priority to FR8217520A priority patent/FR2534812B1/en
Priority to AU90020/82A priority patent/AU9002082A/en
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Publication of JPH0211267B2 publication Critical patent/JPH0211267B2/ja
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/362Heart stimulators
    • A61N1/365Heart stimulators controlled by a physiological parameter, e.g. heart potential
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H03K17/6872Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor using complementary field-effect transistors

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は生体刺激装置のための出力段に関
し、特に心臓のペースメーカによつて発生される
ような急速に変化する信号を出力するための直接
結合された出力段に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates to an output stage for a biostimulator, and more particularly to a directly coupled output stage for outputting rapidly changing signals such as those generated by a cardiac pacemaker. It is.

代表的な心臓のペースメーカにおいては、1つ
または2つ以上のコンデンサに電荷が蓄積され
る。整調パルスが要望された時電荷蓄積コンデン
サは刺激および中性の電極リードと直例に接続さ
れ、そのコンデンサはリードおよび電極/電解液
境界面を通つて患者の組織内に放電される。(一
般的に、2つの電極が心臓の組織に接近して置か
れる必要はないが、少くとも1つは必要である。)
刺激電極リードに直接接続されたコンデンサはバ
ツテリ電源および刺激電極を通して再充電する。
正味電荷が心臓に出力されることはないというこ
とが一般的に受け入れられる設計目標である。コ
ンデンサを通る平均電流がゼロであるので交流結
合を設けることは刺激電極を通る正味電流量がな
いということを保障する。
In a typical cardiac pacemaker, charge is stored on one or more capacitors. When a pacing pulse is desired, a charge storage capacitor is connected directly to the stimulation and neutral electrode leads and the capacitor is discharged through the leads and the electrode/electrolyte interface into the patient's tissue. (Generally, it is not necessary for two electrodes to be placed in close proximity to the heart tissue, but at least one is necessary.)
A capacitor connected directly to the stimulation electrode lead recharges through the battery power supply and the stimulation electrode.
It is a generally accepted design goal that no net charge is output to the heart. Providing an AC coupling ensures that there is no net amount of current through the stimulation electrode since the average current through the capacitor is zero.

この型の交流結合を使用したものにおいては少
くとも2つの主な欠点がある。その第1のもの
は、結合コンデンサの価格が高いということに加
うるに、かさばる物であるためペースメーカの大
きさおよび重量が大きいものとなる。このことは
外部の生体刺激装置(心臓のペースメーカ、また
は他の型のもの)の場合には重大な欠点ではな
い。他の欠点は外部の生体組織の刺激装置にも等
しく当てはまる。(外部の刺激装置とは生体の外
部にあるが、内部にあるリードを通つて信号を与
える装置を意味する。)少くとも心臓のペースメ
ーカの場合においては電極リードは心臓における
電気的な動作を検知するために使用される。刺激
電極上の電位は整調パルスの開始において急激に
変化し、電極に接続されているコンデンサが再充
電する時にはその電位は徐々に戻る。この充電過
程の間心臓の動作信号はマスクされる。代表的に
は、中性電極(接地)に対する刺激電極の電位は
充電サイクルの間は数100ミリボルトであり、一
方心臓の電気的動作は単に数ミリボルトの信号を
もたらすにすぎない。代表的な心臓のペースメー
カを検知する回路と共に使用されるフイルター
は、心臓の動作に影響を与える信号を最小に減少
している間、充電電流の信号を阻止するように設
計されている。感知サイクルの開始時においては
普通不感期間があり、そのすぐ後に整調パルスの
発生が続く。この期間は50から100ミリ秒続き、
さらに長いことすらある。この問題は単室の整調
の場合には特に重要ではない。なぜならば心臓の
動作は、少くとも不感期間と同じ長さである心臓
の不応期の間、検知回路によつて無視されるべき
だからである。しかしながら、二室のペースメー
カの場合において完全に独立した電極の対が2つ
の室に対して設けられていない場合には問題はよ
り重大であり、1つの心臓室における電気的動作
は別の室にパルスが与えられた後まもなく検出さ
れなければならない。このような場合において不
感期間を減ずるために急速な充電が重要となる。
There are at least two major drawbacks to using this type of AC coupling. First, in addition to the high cost of coupling capacitors, they are bulky, increasing the size and weight of the pacemaker. This is not a significant disadvantage in the case of external biostimulators (cardiac pacemakers or other types). Other disadvantages apply equally to external tissue stimulators. (External stimulator means a device that is external to the living body but provides signals through internal leads.) At least in the case of cardiac pacemakers, electrode leads detect electrical activity in the heart. used to. The potential on the stimulation electrode changes rapidly at the beginning of the pacing pulse and gradually returns when the capacitor connected to the electrode recharges. During this charging process the cardiac operating signals are masked. Typically, the potential of the stimulating electrode relative to the neutral electrode (ground) is several hundred millivolts during a charging cycle, while the electrical activity of the heart results in a signal of only a few millivolts. Filters used with typical cardiac pacemaker sensing circuits are designed to block charging current signals while minimizing signals that affect cardiac operation. There is usually a dead period at the beginning of a sensing cycle, followed immediately by the generation of a pacing pulse. This period lasts 50 to 100 milliseconds,
There are even longer ones. This problem is not particularly important in the case of single room shakedowns. This is because cardiac activity should be ignored by the sensing circuitry during the cardiac refractory period, which is at least as long as the dead period. However, the problem is more severe in the case of a two-chamber pacemaker, where completely independent pairs of electrodes are not provided for the two chambers, and electrical activity in one chamber is transmitted to another chamber. It must be detected shortly after the pulse is applied. In such cases, rapid charging is important to reduce the dead period.

直接結合された出力段を設けた組織刺激装置が
あるということを理解すべきである。例えば骨格
成長刺激装置は、骨格の成長が促されるべきであ
る骨折部位に直流電流を与える。明らかに直流の
出力段はこの場合においては必須である。関係す
る組織刺激装置は急速に変化する信号を与えるも
のであり、どの信号も(AC、パルス、等)10秒
以内に(生体的な影響を有するように)識別しう
るように変化する。この型の代表的な刺激装置は
心臓のペースメーカであり、それにおいて刺激パ
ルスは1秒程度ごとに発生される。
It should be understood that there are tissue stimulation devices that have a directly coupled output stage. For example, skeletal growth stimulators apply direct current to the fracture site where skeletal growth is to be stimulated. Obviously, a direct current output stage is essential in this case. The tissue stimulators involved provide rapidly changing signals, with any signal (AC, pulse, etc.) changing appreciably (so as to have a biological effect) within 10 seconds. A typical stimulator of this type is a cardiac pacemaker, in which stimulation pulses are generated every second or so.

この発明の一般的な目的は急速な信号の生体刺
激装置のための直接接続された出力段を提供する
ことであり、それ故結合コンデンサの必要性を除
きかつそれに付随する欠点を除くことである。
The general object of this invention is to provide a directly connected output stage for a rapid signal biostimulator, thus eliminating the need for coupling capacitors and eliminating the attendant disadvantages thereof. .

結合コンデンサを使用することの上述の欠点に
もかかわらず、例えば心臓のペースメーカの分野
においては出力結合コンデンサを省略することは
ほとんど異端とみなされる。例えばアメリカン・
ジヤーナル・オブ・カーデオロギー(The
American Journal of Cardiology)1976年6月
のフイツシヤー(Fisher)等の「連続的な直流電
流の漏れによつて特徴づけられるペースメーカの
故障」を参照されたし。結合コンデンサが必須で
あるという信仰は心臓のペースメーカの設計者の
心にそれ程根深いものであるので、コンデンサが
実際に必要であるかどうかということについては
現在においてさえ、明白な思想がほとんど与えら
れていない。しかしながら注意深く分析すれば、
結合コンデンサが必要であるかどうかという問題
だけでなく、それが為すと思われている仕事され
本当に為すかどうかという問題をも提起する。
Despite the above-mentioned disadvantages of using a coupling capacitor, omitting an output coupling capacitor is almost considered heretical, for example in the field of cardiac pacemakers. For example, American
Journal of Cardiology
See Fisher et al., "Pacemaker Failure Characterized by Continuous Direct Current Leakage," American Journal of Cardiology, June 1976. The belief that coupling capacitors are essential is so ingrained in the minds of cardiac pacemaker designers that even today little clear thought has been given as to whether capacitors are actually necessary. do not have. However, if carefully analyzed,
This raises not only the question of whether a coupling capacitor is necessary, but also whether it really does the job it is supposed to do.

急速な信号のどんな生体刺激装置においても、
少くとも刺激電極が刺激されるべき組織に接近し
て植え込まれる。中性の電極がその近くに植え込
まれ、またはそれから離れた組織内に植え込まれ
得る。しかし信号電流は必然的に2つの電極間を
流れる。ここで起ることは、電極リード内の電子
電流が生体の電解液との境界面においてイオン流
に変換されるということである(生体の流体は普
通は塩類である)。電極/電解液の境界面におけ
る等価なインピーダンスは電極間の生体組織それ
自身のものとは同じではなく、後者は別の抵抗と
して表わしうる。各電極の境界面においてインピ
ーダンスは実際、配分されたRC回路網であり、
無限の抵抗が直列に接続され、各抵抗を横切つて
実効コンデンサが平列に接続されている。これは
整調電流パルスが流れる等価回路であり、配分さ
れた容量は充電する。電気化学的な影響を最小に
するために、組織に対するどんな正味電荷転送も
あるべきではない。このことは、電極/電解液の
境界面において蓄積された電荷が回収されるとい
うことを要求する。正味の電流の流れがないとい
うことを確実にすることによつて結合コンデンサ
は理論的には全電荷回収をもたらす。
In any biostimulator with rapid signals,
At least a stimulating electrode is implanted in close proximity to the tissue to be stimulated. A neutral electrode may be implanted nearby or in tissue remote from it. However, the signal current necessarily flows between the two electrodes. What happens here is that the electronic current in the electrode lead is converted into an ionic current at the interface with the biological electrolyte (the biological fluid is usually a salt). The equivalent impedance at the electrode/electrolyte interface is not the same as that of the biological tissue itself between the electrodes, and the latter can be expressed as a separate resistance. At the interface of each electrode the impedance is actually a distributed RC network,
An infinite number of resistors are connected in series and an effective capacitor is connected in parallel across each resistor. This is the equivalent circuit through which the pacing current pulse flows and the allocated capacitance charges. There should be no net charge transfer to the tissue to minimize electrochemical effects. This requires that the charge accumulated at the electrode/electrolyte interface be recovered. By ensuring that there is no net current flow, the coupling capacitor theoretically provides total charge recovery.

しかしながら結合コンデンサ、すなわちそれら
がそのコンデンサと直列であるので電極リードを
通るゼロの正味電流量は実際重要なことではな
い。理論的には電荷は各電極/電解液の境界面に
おいて配分された容量内に蓄積され、この電荷は
電荷蓄積コンデンサとしての整調パルスがバツテ
リを通して再充電されたあと回収され、そして電
極リードを通して反対方向に電流が流れる。しか
し結合コンデンサを通る正味電流がなかつたとい
う理由は、イオンの流れが刺激された組織内に発
生しなかつたということを意味しない。
However, since they are in series with the coupling capacitor, zero net current flow through the electrode leads is of no practical importance. Theoretically, charge is stored in a distributed capacitance at each electrode/electrolyte interface, this charge is collected after the pacing pulse as a charge storage capacitor is recharged through the battery, and then transferred back through the electrode leads. Current flows in the direction. However, just because there was no net current through the coupling capacitor does not mean that ion flow did not occur within the stimulated tissue.

全く理論的なレベルで、電極を通つて出力され
る1秒、10ミリアンペアの電流パルスの場合につ
いて考察する。さらに反対方向への電流の流れが
同じ期間および同じ量を有するように動作的に制
御されうると仮定する。対称的な矩形波電流信号
は電極を通つて流れ、その場合結合コンデンサを
通る平均電流はゼロである。電流が1つの方向に
流れる時、電荷は電極/電解液境界面において、
配分されたコンデンサに蓄積される。しかしなが
らこの電荷は反対方向に流れる電流によつて回収
されるまでそこに滞在してはいない。そのかわり
いくつかの電荷は配分されたコンデンサで漏れ、
生体組織を通つて流れ、そして取り戻し不可能に
消失する。同一の電流パルスが反対方向に流れる
ようにされた時、配分された容量上に残つた電荷
が回収される。しかし元の電荷のいくつかが漏れ
出るので、回収された電荷の残りは組織内のどこ
か他の所から引き出されなければならない。結合
コンデンサを通る正味電流はゼロであるが、しか
し組織内における2つの望ましくないイオンの流
れが実際にある。その1つは本来的な漏れによる
ものであり、そして他は消失した電荷を補つた回
収によるものである。最初の漏れは望ましいもの
ではないが、組織を通る付加的なイオンの流れに
問題を混ぜることによつては何も得られない。漏
れによつて為されるどんな損傷も保障されない。
その代り保障されたイオンの流れはより損傷を為
す。結合コンデンサを流る正味電荷はゼロである
が、正味イオン流すなわち電荷転送はゼロでな
い。これは実際正しいことを為さない2つの悪い
場合である。
At a purely theoretical level, consider the case of a 1 second, 10 milliamp current pulse delivered through an electrode. Assume further that the current flow in the opposite direction can be operatively controlled to have the same duration and the same amount. A symmetrical square wave current signal flows through the electrodes, where the average current through the coupling capacitor is zero. When current flows in one direction, the charge at the electrode/electrolyte interface is
stored in distributed capacitors. However, this charge does not remain there until it is recovered by a current flowing in the opposite direction. Instead, some charge leaks through the distributed capacitor,
It flows through living tissues and disappears irretrievably. When the same current pulse is made to flow in the opposite direction, the charge remaining on the distributed capacitance is recovered. However, some of the original charge leaks out and the remainder of the recovered charge must be extracted from elsewhere within the tissue. The net current through the coupling capacitor is zero, but there are actually two unwanted ion flows within the tissue. One is due to inherent leakage and the other is due to recovery to compensate for lost charge. While the initial leak is undesirable, nothing is gained by mixing the problem with additional ion flow through the tissue. Any damage caused by leakage is not covered.
Instead, a guaranteed ion flow will cause more damage. Although the net charge flowing through the coupling capacitor is zero, the net ion current or charge transfer is not zero. These are two bad cases that don't actually do the right thing.

要約すれば組織内の最も可能な“電荷平衡”
(最小の正味電荷転送)は電極を通るゼロの正味
電流量によつて必ずしも影響されない。
In summary, the most possible “charge balance” within the tissue
(minimum net charge transfer) is not necessarily affected by zero net current flow through the electrodes.

結合コンデンサが使用されない、すなわち出力
段が電極に直列接続されていないというもののも
う1つの例について考察する。その例はこの発明
の原理を示すものである。代表的な整調パルスは
量において10ミリアンペアであり、0.5ミリ秒の
期間を有する。電流−時間の積すなわち5ミリア
ンペア−ミリ秒に等しい積分値まで結合コンデン
サが電極を通して再充電することが可能であると
いうかわりに、電極リードが互いに短絡されると
仮定する。整調パルスの間電極を通つて出力され
た電荷の99%は、電極の短絡に続いてリードを経
由して最初の8ミリ秒の間に回収されるというこ
とが実験の結果分かつている。このことは組織内
の正味電流の流れがピークパルス電流の約1%に
過ぎないということを意味する。
Consider another example in which no coupling capacitor is used, ie the output stage is not connected in series with the electrodes. The example illustrates the principles of the invention. A typical pacing pulse is 10 milliamps in volume and has a duration of 0.5 milliseconds. Assume that the electrode leads are shorted together instead of allowing the coupling capacitor to recharge through the electrodes to an integral value equal to the current-time product or 5 milliamps-milliseconds. Experiments have shown that 99% of the charge output through the electrodes during the pacing pulse is recovered via the leads during the first 8 milliseconds following electrode shorting. This means that the net current flow within the tissue is only about 1% of the peak pulse current.

結合コンデンサが使用される場合、電荷の回収
は比較的遅く、なぜならば結合コンデンサは普通
抵抗を通してバツテリ電源に戻るからである。例
えば100ミリ秒のような比較的長い電荷回収の時
間の間、配分された容量上の電荷のいくらかは漏
れ出て、それ故この電荷は電荷回収過程の終りに
頃、組織内での付加的なイオン流によつて単に回
収されうる。この望ましくないイオン流を生ずる
のはコンデンサそれ自身であり、その理由はコン
デンサを通るゼロの正味電流量を達成する唯1つ
の方法が、配分された容量から漏れ出る電荷を取
り戻すために付加的なイオン流が生ずることであ
るからである。しかしもし電極リードが一緒に短
絡されたならばその短絡を通して配分された容量
が急速に放電する。その放電は非常に速いので、
上述したように電荷の約99%が約8ミリ秒以内に
回収される。電荷の約1%が配分された容量から
漏れ出てかつその損傷を増すけれども、配分され
た容量の放電が急速であるのでより少い漏れであ
るというだけでなく、組織内の全体的に不必要な
イオンの流れが反対方向に生ずるということによ
つてその損傷は混合されない。
If a coupling capacitor is used, charge recovery is relatively slow because the coupling capacitor typically returns to the battery power supply through a resistor. During relatively long charge recovery times, e.g. 100 milliseconds, some of the charge on the distributed capacitance leaks out, and therefore this charge is transferred to additional sources within the tissue at the end of the charge recovery process. can simply be recovered by a stream of ions. It is the capacitor itself that causes this undesired ion flow, and the reason is that the only way to achieve zero net current through the capacitor is to add additional This is because an ion flow is generated. However, if the electrode leads are shorted together, the capacitance distributed across the short will rapidly discharge. Since the discharge is very fast,
As mentioned above, about 99% of the charge is recovered within about 8 milliseconds. Although about 1% of the charge leaks out of the distributed capacitance and adds to its damage, not only is there less leakage because the distributed capacitance discharge is rapid, but also the overall dissipation within the tissue. The damage is not mixed by the fact that the necessary ion flow occurs in the opposite direction.

この場合において電極を8ミリ秒以上の間短絡
したまゝに保つておくための必然的な理由がな
い。最初の電荷の99%以上が回収されるというこ
とはなく、最初の8ミリ秒の間最初の電荷の約1
%が漏れ出て回収されることはない。反対方向に
流れる電流は8ミリ秒が満了した時までに低レベ
ルに落ちる。短絡電極が不必要なイオン流を生ず
ることがないので(電荷回収は受動的であり能動
的ではない)、どんな害も及ぼさないけれども、
電極をそれ以上長く短絡させておく理由がない。
このことは高価で大きい結合コンデンサの使用を
避けるというだけでなく、不感期間を非常に減少
する(心臓のペースメーカの関係において)とい
うことを意味する。短絡回路すなわち電極を一緒
に結合しかつ受動の電荷の消失を可能とするよう
に使用される機構が開放されるやいなや、電極は
心臓の動作を感知するために使用され得、その結
果の信号は出力コンデンサの再充電電流の流れに
よつてマスクされない(回収不能の電荷のために
境界面の電圧成分は今だ残るけれども)。
There is no compelling reason to keep the electrodes shorted for more than 8 milliseconds in this case. No more than 99% of the initial charge is recovered; approximately 1 of the initial charge is recovered during the first 8 milliseconds.
% will not leak and be recovered. The current flowing in the opposite direction drops to a low level by the time the 8 milliseconds expire. Although shorting electrodes do not cause any harm as they do not create unnecessary ion currents (charge recovery is passive and not active),
There is no reason to keep the electrodes shorted for much longer.
This means not only avoiding the use of expensive and large coupling capacitors, but also greatly reducing dead periods (in the context of cardiac pacemakers). Once the short circuit, the mechanism used to couple the electrodes together and allow passive charge dissipation, is opened, the electrodes can be used to sense the movement of the heart, and the resulting signal is It is not masked by the output capacitor recharging current flow (although the interface voltage component still remains due to unrecoverable charge).

もちろん電極は9ミリ秒以上の間この方法で短
絡されたまゝであり所望の期間の自動的な不応期
を提供する。代表的な心室抑止(VVI)の心臓
ペースメーカにおいては、感知回路は整調パルス
が発生された後多分50ミリ秒位の間心臓の動作に
応答すべきではなく、そして電荷を回収する短絡
回路はその感知回路を不動作とするための便利な
機構である。概してこの発明では0.01〜400ミリ
秒の間電極を短絡することを意図している。その
範囲の低い方における短かい期間には、急な狭い
パルス内で、すなわち1つのパルスに断続的に続
いて数回短絡し、間をおいて感知するのを可能と
する。特に心臓のペースメーカの場合においては
8〜50ミリ秒の短絡休止期間が好ましい。
Of course, the electrodes remain shorted in this manner for more than 9 milliseconds, providing an automatic refractory period of the desired duration. In a typical ventricular arrest (VVI) cardiac pacemaker, the sensing circuit should not respond to cardiac movement for perhaps 50 milliseconds or so after the pacing pulse is generated, and the shorting circuit that recovers the charge This is a convenient mechanism for disabling the sensing circuit. Generally, the present invention contemplates shorting the electrodes for between 0.01 and 400 milliseconds. For short periods at the lower end of the range, short circuits can be made within sharp narrow pulses, ie one pulse intermittently followed by several short circuits, allowing for sensing at intervals. A short-circuit pause period of 8 to 50 milliseconds is preferred, particularly in the case of cardiac pacemakers.

この発明は、大きいコンデンサのような幾つか
の要素を取り除くことが望まれる植め込み可能装
置に使用する場合に特に有効である。この発明は
唯1つの電圧源が設けられた代表的な心臓のペー
スメーカの場合に非常に有効であるということを
評価すべきである。反対の極性の2つの電源が設
けられているならば、結合コンデンサを使用する
ことが、2つの電圧源を刺激電極へ切り変えるこ
とによつて避けられ得るということが考えられ
る。一方の電圧源は刺激電極へのパルスの印加を
制御するために使用され、そして他方の電圧源は
配分された容量の実際の放電を制御するために使
用される。しかし普通の心臓のペースメーカには
2つの電圧源が設けられてはいない。唯1つの極
性の電圧源だけが使用され、そして結合コンデン
サは電荷平衡の目的のために必要であると信じら
れてきた。上述した理由でそのコンデンサは事実
必要とされず、望ましくないものでさえある。
The invention is particularly useful when used in implantable devices where it is desired to eliminate some elements such as large capacitors. It should be appreciated that this invention is highly effective in the case of typical cardiac pacemakers where only one voltage source is provided. It is conceivable that if two voltage sources of opposite polarity are provided, the use of a coupling capacitor can be avoided by switching the two voltage sources to the stimulation electrodes. One voltage source is used to control the application of pulses to the stimulation electrode, and the other voltage source is used to control the actual discharge of the apportioned capacitance. However, common cardiac pacemakers are not provided with two voltage sources. It has been believed that only one polarity voltage source is used and that a coupling capacitor is necessary for charge balancing purposes. For the reasons mentioned above, the capacitor is in fact not needed or even undesirable.

この全ての、コンデンサを使用することが避け
られ得るということは意味しない。事実この発明
の心臓のペースメーカの図示実施例においては、
2つの大きなコンデンサが使用されている。一方
のコンデンサ、代表的には5〜15μF、は電圧母
線を安定化するためにペースメーカ内のバツテリ
を横切つて接続されている。このコンデンサは整
調パルスの出力または充電の回収とは関係なく、
整調パルスからもたらされる過渡現象がペースメ
ーカ内の他の回路の付勢に影響を与えないように
するだけのために使用する。第2のコンデンサ、
代表的には15μF、は整調パルスの印加の間出力
されるべき電荷を蓄電するように使用される。心
臓のペースメーカ内に使用される普通のバツテリ
は、整調パルスに必要な比較的大電流を供給する
ことができない。この比較的大電流を得るための
普通の技術はバツテリから蓄電コンデンサに充電
することであり、そして整調パルスが望まれた時
はいつもこのコンデンサを電極リードに急速に放
電することである。この発明ではこのようなコン
デンサを使用しているがそれは結合コンデンサで
はない。何故ならば、結合コンデンサは整調パル
スを刺激電極へ直接出力はするけれども、パルス
の終りにおいて電荷はそれを通して回収されな
い。コンデンサは整調パルス間で電極を通して再
充電しない。むしろコンデンサはペースメーカ内
の回路を通してもう1つの整調パルスのために準
備してもう1度充電し、電極リードを通る電流の
流れは関係しない。電荷平衡は2つの電極を互い
に短絡することによつて達成される。蓄電コンデ
ンサは結合コンデンサとしては作用せず、何故な
らば刺激リードを通つて流れる全ての電流がそれ
を通つて流れないからである。
All this does not mean that the use of capacitors can be avoided. In fact, in the illustrated embodiment of the cardiac pacemaker of this invention:
Two large capacitors are used. One capacitor, typically 5 to 15 μF, is connected across the battery within the pacemaker to stabilize the voltage bus. This capacitor is independent of pacing pulse output or charge recovery.
It is used only to ensure that transients resulting from the pacing pulses do not affect the energization of other circuits within the pacemaker. a second capacitor,
Typically 15 μF is used to store the charge to be output during the application of the pacing pulse. Conventional batteries used in cardiac pacemakers are not capable of supplying the relatively large currents required for pacing pulses. A common technique for obtaining this relatively large current is to charge a storage capacitor from a battery and then rapidly discharge this capacitor into the electrode leads whenever a pacing pulse is desired. Although this invention uses such a capacitor, it is not a coupling capacitor. This is because although the coupling capacitor outputs the pacing pulse directly to the stimulation electrode, no charge is recovered through it at the end of the pulse. The capacitor does not recharge through the electrodes between pacing pulses. Rather, the capacitor is charged once more through circuitry within the pacemaker in preparation for another pacing pulse, and current flow through the electrode leads is not involved. Charge balance is achieved by shorting the two electrodes together. The storage capacitor does not act as a coupling capacitor because all the current flowing through the stimulation lead does not flow through it.

普通の従来の心臓のペースメーカはしばしば倍
電圧回路を含んでいる。このような回路は、(バ
ツテリを横切る第3のフイルターコンデンサに加
うるに)2つの大きな蓄電コンデンサの使用をも
たらす。この2つのコンデンサは別々にバツテリ
の電位に充電され、一方のコンデンサは結合コン
デンサであり、それ故電極リードを通して充電平
衡のために充電される。整調パルスが要求された
時、そしてもし倍の量のパルスが望まれたならな
ば2つのコンデンサは電極リードと直列に接続さ
れる。この発明の図示実施例においても倍電圧が
提供される。しかしながら、30μFの2つの大き
な蓄電コンデンサを使用するかわりに唯1つの
15μFの構成要素が、代表的には0.1μFの小さなポ
ンプコンデンサと一緒に使用される。そのポンプ
コンデンサはバツテリ電源の2倍に等しい蓄電コ
ンデンサの電位を制御する。それ故正味の結果は
1つの大きなコンデンサが省略され得るというこ
とであり、他の半分の大きさに減じているという
ことである。しかし倍電圧を達成するために2つ
の大きなコンデンサが使用されたが、充電平衡を
制御するためにそれらのいずれかを使用しなけれ
ば、生体組織での望ましくないイオン流は避けら
れる。換言すれば、構成要素の正味減少がなく、
直流結合の使用が不感期間をかなり減ずるのを可
能とするということを言わないとしても、生理的
観点からすれば直接結合を提供することは良いこ
とである。
Common conventional cardiac pacemakers often include voltage doubler circuits. Such a circuit results in the use of two large storage capacitors (in addition to the third filter capacitor across the battery). The two capacitors are separately charged to the battery potential; one capacitor is a coupling capacitor and is therefore charged for charging balance through the electrode leads. When a pacing pulse is required, and if double the amount of pulse is desired, two capacitors are connected in series with the electrode leads. A voltage doubler is also provided in the illustrated embodiment of the invention. However, instead of using two large 30μF storage capacitors, only one
A 15μF component is used with a small pump capacitor, typically 0.1μF. The pump capacitor controls the potential of the storage capacitor equal to twice the battery power supply. The net result is therefore that one large capacitor can be omitted, reducing the size of the other by half. However, although two large capacitors were used to achieve voltage doubling, not using either of them to control charge balance would avoid undesired ion flux in the biological tissue. In other words, there is no net decrease in the component;
From a physiological point of view it is good to provide direct coupling, even if it is not to say that the use of DC coupling makes it possible to reduce the dead period considerably.

過去に行なわれた1つの実験において電極が9
グラム/リツトルの塩分溶液内におかれ、生体組
織を模擬した。0.5ミリ秒、10ミリアンペアのパ
ルスが毎秒1の繰り返し速度で発生され、リード
内の正味電流は、各パルスの印加に続いて異つた
短絡の休止期間の間測定された。以下の表は正味
電流、すなわち電荷の不平衡を短絡の異つた休止
期間に対して示す。
In one experiment conducted in the past, the electrodes were 9
It was placed in a gram/liter salt solution to simulate living tissue. 0.5 millisecond, 10 milliamp pulses were generated at a repetition rate of 1 per second, and the net current in the lead was measured during different short-circuit rest periods following the application of each pulse. The table below shows the net current, ie the charge imbalance, for different rest periods of the short circuit.

短絡の休止期間 正味電流 1 ミリ秒 1.40μA 1.75ミリ秒 0.62μA 2 ミリ秒 0.44μA 2.75ミリ秒 0.15μA 3.2 ミリ秒 0.13μA 5 ミリ秒 0.07μA 8 ミリ秒 0.04μA この発明のさらなる目的、特徴、および長所
は、図面と関連して以下の詳細な説明を考察すれ
ば明白となるであろう。
Short circuit rest period net current 1 ms 1.40 μA 1.75 ms 0.62 μA 2 ms 0.44 μA 2.75 ms 0.15 μA 3.2 ms 0.13 μA 5 ms 0.07 μA 8 ms 0.04 μA Further objects, features, and The advantages will become apparent upon consideration of the following detailed description in conjunction with the drawings.

第2図のペースメーカの出力段は、3ボルトの
電圧源72とそれを横切つて接続されたフイルタ
コンデンサ68とを含んでいる。ペースメーカ回
路を付勢するための2つの電圧母線がV+および
V−で示されている。コンデンサ68は代表的に
は5〜15μFであり、上述したようにそれを使用
することは、整調パルスの出力または充電平衡と
は他の理由のために必要である。
The output stage of the pacemaker of FIG. 2 includes a 3 volt voltage source 72 and a filter capacitor 68 connected across it. Two voltage buses for energizing the pacemaker circuit are designated V+ and V-. Capacitor 68 is typically 5 to 15 μF, and its use, as discussed above, is necessary for reasons other than pacing pulse output or charge balancing.

第2図に示された回路の他の部分はそれ自身出
力段であり、心臓の動作(activity)を感知し整
調パルスと同期を取るための回路は図示されてな
い。整調パルスの間では2つのトランジスタ11
および19はオフに保たれている。コンデンサ1
5は抵抗13および17を通して2つの電圧母線
間で充電される。そのコンデンサの右側はもう1
つの整調パルスを発生するための必要が生ずる前
に左側に対して十分に負となつている。同時にコ
ンデンサ25は抵抗23、刺激および中性の電極
リード、2つの電極、および心臓組織を経て充電
される。電極/電解液の境界面において、配分さ
れた容量から電荷が回収されるのはこの期間であ
り、コンデンサ25の右側は左側に対して負電圧
に充電される。ツエナーダイオード70は、2つ
の電極を横切つて過度の電圧が生ずるのを防ぐた
めの普通の保護ダイオードであり、ここではこれ
以上の説明は不要である。整調パルスが出力され
るべきである時、正のパルスがトランジスタ11
のベースに与えられる。そのトランジスタはオン
となり、それを通つてコンデンサ15の左側を負
電圧母線に短絡する。この負の電圧ステツプはコ
ンデンサ15を通してトランジスタ19のエミツ
ターに与えられ、このトランジスタ19も同様に
オンする。コンデンサ15および25は今や中性
の電極INDおよび刺激の電極STIM間で直列に接
続され、そして負のパルスが刺激電極に与えられ
て心臓を整調する。
The other parts of the circuit shown in FIG. 2 are themselves output stages; the circuitry for sensing cardiac activity and synchronizing the pacing pulses is not shown. Between the pacing pulses the two transistors 11
and 19 are kept off. capacitor 1
5 is charged between the two voltage buses through resistors 13 and 17. There is another one on the right side of that capacitor.
is sufficiently negative to the left before there is a need to generate two pacing pulses. At the same time, capacitor 25 is charged via resistor 23, the stimulation and neutral electrode leads, the two electrodes, and the heart tissue. It is during this period that charge is recovered from the distributed capacitance at the electrode/electrolyte interface, and the right side of capacitor 25 is charged to a negative voltage with respect to the left side. Zener diode 70 is a common protection diode to prevent excessive voltages from building up across the two electrodes and does not need further explanation here. When a pacing pulse is to be output, a positive pulse is
given on the basis of. That transistor turns on, shorting the left side of capacitor 15 through it to the negative voltage bus. This negative voltage step is applied through capacitor 15 to the emitter of transistor 19, which also turns on. Capacitors 15 and 25 are now connected in series between the neutral electrode IND and the stimulating electrode STIM, and a negative pulse is applied to the stimulating electrode to pace the heart.

パルスの終りにトランジスタ11はオフとな
り、それをもつてトランジスタ19もオフとな
る。コンデンサ15は今や抵抗13および17を
通して再充電したコンデンサ25は抵抗23およ
び心臓組織を通して再充電する。(抵抗23は代
表的には15キロオームである。それはあまり大き
すぎるべきではなく、さもなければコンデンサ2
5が充電するのに時間がかかりすぎるであろう。)
コンデンサの各々を全供給電圧に充電し、次に整
調パルスが出力されるべきである時にそれらを直
列に接続するというこの技術は、パルスの振幅を
バツテリの振幅の2倍にする。コンデンサ15お
よび25の各々は30μFの大きさを持ち、2つの
コンデンサはそれらが整調パルスを出力するよう
直列に接続された時には15μFと等価な容量とな
る。
At the end of the pulse, transistor 11 is turned off, and with it transistor 19 is also turned off. Capacitor 15 now recharges through resistors 13 and 17. Capacitor 25 recharges through resistor 23 and the heart tissue. (Resistor 23 is typically 15 kilohms. It should not be too large, otherwise capacitor 2
5 would take too long to charge. )
This technique of charging each of the capacitors to the full supply voltage and then connecting them in series when a pacing pulse is to be output makes the pulse amplitude twice that of the battery. Each of capacitors 15 and 25 has a size of 30 μF, and the two capacitors have a capacitance equivalent to 15 μF when they are connected in series to output the pacing pulse.

コンデンサ25は2つの作用を為す。第1にそ
れは2つの蓄電コンデンサの一方が電圧の2倍を
達成しかつ大電流パルスのための十分な電荷を蓄
積するように使用されるということである。第2
は、コンデンサ25が交流の結合コンデンサとし
て使用されるということである。コンデンサを通
る正味電流はゼロでなければならないので、電極
を通る正味電流の流れは必然的にゼロである。上
述したように、しかしながら、結合コンデンサが
必要であると考えられていたと言う事実にもかか
わらずそれは充電平衡をもたらさない。事実、
各々の電極/電解液の境界面において、配分され
た容量からの漏れのために完全な充電平衡が不可
能であり、コンデンサ25は実際には電極/電解
液の境界面における不必要なイオンの流れを生ず
る。ゼロの正味電流量を制御することによつて、
もしそうしない場合に比べてより大きい電荷の正
味転送を生ずる。
Capacitor 25 serves two functions. Firstly, one of the two storage capacitors is used to achieve voltage doubling and store enough charge for large current pulses. Second
is that the capacitor 25 is used as an AC coupling capacitor. Since the net current through the capacitor must be zero, the net current flow through the electrodes is necessarily zero. As mentioned above, however, despite the fact that a coupling capacitor was considered necessary, it does not provide charge balancing. fact,
At each electrode/electrolyte interface, perfect charge balance is not possible due to leakage from the apportioned capacitance, and capacitor 25 actually absorbs unwanted ions at the electrode/electrolyte interface. Create a flow. By controlling the net current of zero,
This results in a greater net transfer of charge than would otherwise occur.

コンデンサ25は他の理由のために必要とされ
る、すなわち連続的な直流電圧が刺激的な電極に
印加されるのを阻止することに、ペースメーカ内
のスイツチングトランジスタが失敗した場合が考
えられる。しかしながら特に集積回路のペースメ
ーカの場合にはスイツチは普通コンデンサよりも
信頼性が高い。
Capacitor 25 may be needed for other reasons, ie, if the switching transistor in the pacemaker fails to prevent continuous DC voltage from being applied to the stimulating electrode. However, switches are usually more reliable than capacitors, especially in integrated circuit pacemakers.

第1図のペースメーカは、第2図に示された従
来のペースメーカよりもより具体的に示されてお
り、ペースメーカの動作に必要な構成要素のすべ
てが示されているけれども、それらの構成要素の
いくつかは当業者に良く知られたものなので単に
ブロツクで示されている。刺激的および中性の電
極STIMおよびINDはそれぞれリード66および
64に接続されており、それらを横切つて同様の
ツエナーダイオード70が配置されている。第2
図の抵抗23とは違つて、抵抗62は代表的には
100Kオームの高インピーダンスの要素であり、
それは蓄電コンデンサを再充電するためには使用
されない。第1図のコンデンサ68は第2図のコ
ンデンサ68と同じ作用を果し、それは3ボルト
の電源のためのフイルタコンデンサである。第1
図のコンデンサ36は蓄電コンデンサであり、そ
れが放電する時にペースメーカのパルスが出力さ
れるようにする。刺激電極に与えられた電荷の全
てはこのコンデンサ36から出力されたものであ
る。それ故、第2図の従来の回路においては2つ
の30μFコンデンサ15および25が使用されて
15μFと等価な直列コンデンサを与えているが、
コンデンサ36は単に15μFを必要とするだけで
ある。このコンデンサ36は、以後説明するよう
にバツテリ電圧の2倍に充電され、第2図の回路
における2つの30μFコンデンサの場合と同様、
同じ形状の刺激電流パルスを出力する。第1図の
コンデンサ30は0.1μFの非常に小さなポンプコ
ンデンサである。以後説明されるようにこのコン
デンサは電源電圧の2倍に等しい電圧までコンデ
ンサ36に注入するために使用される。
The pacemaker of FIG. 1 is shown more specifically than the conventional pacemaker shown in FIG. 2, and although all of the components necessary for pacemaker operation are shown, Some are simply shown as blocks as they are well known to those skilled in the art. Stimulatory and neutral electrodes STIM and IND are connected to leads 66 and 64, respectively, with a similar Zener diode 70 placed across them. Second
Unlike resistor 23 in the figure, resistor 62 is typically
100K ohm high impedance element,
It is not used to recharge the storage capacitor. Capacitor 68 of FIG. 1 serves the same function as capacitor 68 of FIG. 2, which is a filter capacitor for a 3 volt power supply. 1st
The illustrated capacitor 36 is a storage capacitor that, when discharged, causes a pacemaker pulse to be output. All of the charge applied to the stimulation electrode is output from this capacitor 36. Therefore, two 30 μF capacitors 15 and 25 are used in the conventional circuit of Figure 2.
I am giving a series capacitor equivalent to 15μF,
Capacitor 36 only requires 15 μF. This capacitor 36 is charged to twice the battery voltage as will be explained below, and as with the two 30 μF capacitors in the circuit of FIG.
Outputs stimulation current pulses with the same shape. Capacitor 30 in FIG. 1 is a very small pump capacitor of 0.1 μF. This capacitor is used to inject capacitor 36 to a voltage equal to twice the supply voltage, as will be explained hereinafter.

増幅器48は普通の感知増幅器であり、心臓内
の電気的な働きに応答し、それは自然の心臓の鼓
動を検出する。タイマ50の出力は正常では低
い。ペースメーカは、整調パルスが要求された時
だけ発生されるという点において“要求”(VVI
モード)に作用する。もしタイマ50が1分間に
60の鼓動の整調速度を提供するよう調節されるな
らば、そのタイマの出力は、自然の心臓の鼓動が
1秒ごとに少くとも1度検出される限り低いまゝ
に留まる。しかしながら心臓の鼓動が生ずること
なく1秒が終つた時はいつもタイマ50の出力は
0.5ミリ秒の間高くなる。このことは整調パルス
の発生をもたらす。
Amplifier 48 is a conventional sense amplifier and responds to electrical activity within the heart, which detects natural heart beats. The output of timer 50 is normally low. Pacemakers are “on demand” (VVI) in that pacing pulses are generated only when requested.
mode). If timer 50 is set to 1 minute
If adjusted to provide a pacing rate of 60 heartbeats, the timer output will remain low as long as a natural heartbeat is detected at least once every second. However, whenever one second passes without a heartbeat occurring, the output of timer 50 is
High for 0.5ms. This results in the generation of a pacing pulse.

心臓が正常に鼓動しておりタイマ50の出力が
低い限りにおいて、インバータ14の出力は高電
位でありNANDゲート12の一方の入力を可能
化する。ゲート12の他方の入力は1KHzの発振
器10に接続されている。それ故ゲート12の出
力は1KHzの速度で高電位および低電位を交互に
パルス出力される。ゲート出力が低電位である
時、トランジスタ20はオンに保たれ、そしてト
ランジスタ18Aおよび18Bはオフに保たれ
る。これら後者の2つのトランジスタ18Aおよ
び18Bは普通の伝送ゲートを備えており、イン
バータ16はそれらのゲート端子に反対の電位レ
ベルを与えるように制御する。ゲート12の出力
はまたレベルトランスレータ40の入力にも接続
されている。この通常の装置はその入力(ゲート
12の出力)が低電位である時その出力に低電位
を出力するように作用する。それ故、トランジス
タ20がオンで、トランジスタ18Aおよび18
Bがオフである時、レベルトランスレータおよび
インバータ42はトランジスタ32Aおよび32
Bをオンのまゝとし、そしてコンデンサ34Aお
よび34Bをオフのまゝとする。それ故、正の電
源母線からトランジスタ20、コンデンサ30お
よびトランジスタ32A,32Bを経て負の母線
へ電流が流れ、コンデンサ30は充電し、そのコ
ンデンサの左側は右側に対して正となる。
As long as the heart is beating normally and the output of timer 50 is low, the output of inverter 14 is at a high potential, enabling one input of NAND gate 12. The other input of gate 12 is connected to a 1KHz oscillator 10. The output of gate 12 is therefore pulsed alternately between high and low potentials at a rate of 1KHz. When the gate output is at a low potential, transistor 20 is kept on and transistors 18A and 18B are kept off. These latter two transistors 18A and 18B have conventional transmission gates and are controlled by inverter 16 to provide opposite potential levels to their gate terminals. The output of gate 12 is also connected to the input of level translator 40. This conventional device operates to output a low potential at its output when its input (output of gate 12) is at a low potential. Therefore, transistor 20 is on and transistors 18A and 18
When B is off, level translator and inverter 42 connects transistors 32A and 32
B remains on and capacitors 34A and 34B remain off. Current therefore flows from the positive power supply bus through transistor 20, capacitor 30 and transistors 32A and 32B to the negative bus, charging capacitor 30 and making the left side of the capacitor positive with respect to the right side.

レベルトランスレータ40を設けた唯一の理由
は、Nチヤネルトランジスタ34Bを完全にオフ
するためには、そのゲートを回路内における最も
負の電位に保たなければならないからである。最
も負の電位とは必ずしもV−母線の電位ではな
い。なぜならばコンデンサ36はバツテリ電源の
2倍まで充電し、それ故そのコンデンサの下側は
負の母線のV−電位よりもさらに負となるからで
ある。このため、コンデンサ36の下側の電位は
レベルトランスレータ40まで拡張され、
NANDゲート12の出力が低電位である時には、
レベルトランスレータの出力はその2つの負電位
の入力、すなわちV−電位またはコンデンサ36
の下側の電位のいずれかの常に低い方である。
NANDゲート12の出力が高電位である時、レ
ベルトランスレータ40の出力はV+母線の電位
に等しい。
The only reason for level translator 40 is that in order to completely turn off N-channel transistor 34B, its gate must be held at the most negative potential in the circuit. The most negative potential is not necessarily the potential of the V-bus. This is because capacitor 36 charges to twice the battery power supply, so the bottom of that capacitor is more negative than the V- potential of the negative bus. Therefore, the potential on the lower side of the capacitor 36 is extended to the level translator 40,
When the output of the NAND gate 12 is at a low potential,
The output of the level translator is the input of its two negative potentials, i.e. the V-potential or the capacitor 36.
is always the lower of the lower potentials.
When the output of NAND gate 12 is at a high potential, the output of level translator 40 is equal to the potential of the V+ bus.

レベルトランスレータおよびインバータ42の
出力は、伝送ゲートを含むデバイス34Aおよび
34Bをオフに保ち、その時伝送ゲートを含むデ
バイス32Aおよび32Bはオンである。
The output of level translator and inverter 42 keeps transmission gate containing devices 34A and 34B off while transmission gate containing devices 32A and 32B are on.

それ故、コンデンサ30の充電中にはコンデン
サ30はコンデンサ36に結合されていない。
Therefore, capacitor 30 is not coupled to capacitor 36 while capacitor 30 is being charged.

発振器の動作の交流の半サイクルの間はゲート
12の出力は高電位である。デバイス20のゲー
トに与えられる高電位はそのデバイスをオフに保
つ。その時デバイス32Aおよび32Bもオフで
あり、そして導通するのはデバイス18A,18
B,34Aおよび34Bである。その結果、V+
およびV−母線間でコンデンサ30および36、
そして2つの伝送ゲートからなる直列接続が存在
する。コンデンサ30の電荷はコンデンサ36に
伝えられ、コンデンサ36を横切る電圧が増加す
る。立ち上がりはステツプ状である。動作の交流
の半サイクルの間コンデンサ30は充電される。
これらのサイクルの間コンデンサ30の電荷はコ
ンデンサ36に伝えられる。コンデンサ30は常
に、その左側端がその右側端に対して正であるよ
うに充電されるので、電荷がコンデンサ36に出
力されるごとにそのコンデンサ36の下部端はそ
の上部端に対して負となる。コンデンサ36を横
切る電圧変化はコンデンサ36が充電されるにつ
れてますます小さくなるが、1秒よりもかなり短
い時間にコンデンサ36はバツテリ電源の2倍に
充電されるようになる。
During the AC half cycle of oscillator operation, the output of gate 12 is at a high potential. The high potential applied to the gate of device 20 keeps the device off. Devices 32A and 32B are also off at that time, and conducting are devices 18A and 18.
B, 34A and 34B. As a result, V+
and capacitors 30 and 36 between V and bus,
Then there is a series connection consisting of two transmission gates. The charge on capacitor 30 is transferred to capacitor 36 and the voltage across capacitor 36 increases. The rise is step-like. Capacitor 30 is charged during an AC half cycle of operation.
During these cycles the charge on capacitor 30 is transferred to capacitor 36. Capacitor 30 is always charged such that its left end is positive with respect to its right end, so that each time a charge is output to capacitor 36, the bottom end of that capacitor 36 becomes negative with respect to its top end. Become. The voltage change across capacitor 36 becomes smaller and smaller as capacitor 36 charges, but in much less than one second capacitor 36 becomes charged to twice the battery power.

整調パルスが要求されたということを感知増幅
器回路が決定した時、タイマ50の出力は0.5ミ
リ秒間高電位となる。インバータ14の出力は低
電位となり、そしてゲート12の出力は高電位と
なる。このことは次にレベルトランスレータ40
の出力を高電位にし、ゲート44の一方の入力を
可能化する。ゲート44の他方の入力はタイマ5
0の出力に直接接続されており、それ故ゲート4
4の出力は0.5ミリ秒の間高電位となる。そのゲ
ート44の出力はトランジスタ38のゲートに接
続されるので、このトランジスタは導通し、そし
て蓄電コンデンサ36の電荷がこのデバイス38
を通して刺激電極に与えられ、心臓組織および中
性電極を通してV+電源に電流が流れる。コンデ
ンサ36が放電される時間であるこのパルスの期
間は0.5ミリ秒であるが、それはゲート44の出
力が高電位である期間であるからである。トラン
ジスタ38は50Nデバイスであるということに留
意すべきであり、そのことはそのオン抵抗が今ま
でのところ、考えられる他のトランジスタのオン
抵抗よりも少く、50倍であるということを意味す
る。刺激パルスが患者の心臓に与えられるべきで
あるときに、電極リードにおける非常に低い抵抗
が必要であり、この理由で、トランジスタ38は
大きいデバイスである。
When the sense amplifier circuit determines that a pacing pulse is required, the output of timer 50 goes high for 0.5 milliseconds. The output of inverter 14 is at a low potential, and the output of gate 12 is at a high potential. This then translates into level translator 40
The output of gate 44 is brought to a high potential and one input of gate 44 is enabled. The other input of gate 44 is timer 5
0 and hence gate 4
The output of 4 is at high potential for 0.5 milliseconds. The output of its gate 44 is connected to the gate of transistor 38, so that this transistor conducts and the charge on storage capacitor 36 is transferred to this device 38.
A current is applied to the stimulating electrode through the heart tissue and to the V+ power supply through the neutral electrode. The duration of this pulse, the time during which capacitor 36 is discharged, is 0.5 milliseconds, since that is the period during which the output of gate 44 is at a high potential. It should be noted that transistor 38 is a 50N device, which means that its on-resistance is so far less than the on-resistance of other possible transistors, by a factor of 50. When stimulation pulses are to be delivered to the patient's heart, very low resistance in the electrode leads is required, and for this reason transistor 38 is a large device.

整調パルスが出力されている時間の間、ゲート
12の出力は高電位である。それ故コンデンサ3
6はトランジスタ38を経て刺激電極リードに接
続されているだけでなく、伝送ゲート34A,3
4B、コンデンサ30、および伝送ゲート18
A,18Bを通して負の電源母線にも接続され
る。しかしながらこのことは重要でない。なぜな
らば刺激電極リードからコンデンサ30に、コン
デンサ30の比較的小さい大きさのために無視し
得る電流しか向けられないからである。
During the time that the pacing pulse is being output, the output of gate 12 is at a high potential. Therefore capacitor 3
6 is connected to the stimulation electrode lead via transistor 38 as well as transmission gates 34A, 3
4B, capacitor 30, and transmission gate 18
It is also connected to the negative power supply bus through A and 18B. However, this is not important. This is because only a negligible current is directed from the stimulation electrode lead to the capacitor 30 due to the relatively small size of the capacitor 30.

パルサ46はその入力に与えられる0.5ミリ秒
の正パルスの後縁でトリガされる。パルサがトリ
ガされると、それは負パルスを発生し、その負パ
ルスの期間が電極リード64,66を短絡する期
間を制御し、それ故電極/電解液境界面におい
て、配分されたコンデンサに貯えられた電荷が回
収され得る。パルスの出力はトランジスタ60の
ゲートに与えられ、そしてパルサ出力が低電位に
なつた時このデバイスはオンする。トランジスタ
60も大きいものであり、非常に低いオンインピ
ーダンスを有し、それ故最も速い放電すなわち配
分された容量の回収が短絡された電極リードを通
して行なわれる。パルサ出力が再度高電位となる
や否やトランジスタ60はオフする。電極リード
の短絡の期間はコンデンサ36の再充電とは無関
係である。0.5ミリ秒の整調パルスの終りにおい
ては、ゲート44の出力は低電位となり、それ故
トランジスタ38はオフにされる。このことは2
つの電極リードを回路の他の部分から孤立させ、
別の整調パルスのために準備してコンデンサ30
を充電し始める。
Pulser 46 is triggered on the trailing edge of a 0.5 millisecond positive pulse applied to its input. When the pulser is triggered, it generates a negative pulse whose duration controls the duration of shorting the electrode leads 64, 66 and is therefore stored in the distributed capacitor at the electrode/electrolyte interface. The accumulated charge can be recovered. The output of the pulse is applied to the gate of transistor 60, and the device turns on when the pulser output goes low. Transistor 60 is also large and has a very low on-impedance so that the fastest discharge, or recovery of allocated capacity, occurs through the shorted electrode leads. As soon as the pulsar output becomes high potential again, transistor 60 turns off. The period of electrode lead shorting is independent of capacitor 36 recharging. At the end of the 0.5 millisecond pacing pulse, the output of gate 44 is at a low potential, so transistor 38 is turned off. This is 2
isolate one electrode lead from the rest of the circuit,
Capacitor 30 in preparation for another pacing pulse
Start charging.

2つの電極リードが一緒に短絡されている間、
感知増幅器48は不動作となるということに留意
すべきである。示されてはいないけれどもこの増
幅器は刺激および中性リードの電位差に応答し、
それらが一緒に短絡されている間、感知動作が不
動作となる。通常のデイマンド型ペースメーカに
おいてはおよそ100ミリ秒の絶対不応期が所望さ
れる。感知増幅器は刺激パルスそれ自身からもた
らされる心臓の動作(activity)を検出すべきで
なく、またその刺激パルスが自然な心臓の鼓動と
して検出されるべきでもなく解釈されるべきでも
ない。不応期制御は、リードが互いに短絡されて
いる間感知増幅器を不動作にするために付加的な
回路を設けてはならないという点において“自
動”である。通常のVVIペースメーカにとつて、
パルサ46の出力におけるパルス期間は300ミリ、
秒と同じ位の高さであるように調節され得る。短
い不応期が望まれる他の場合においては、パルス
はより短くあるべきである。上述したように8ミ
リ秒程度のパルスは実際上、全電荷の回収をもた
らす。
While the two electrode leads are shorted together,
It should be noted that sense amplifier 48 is inactive. Although not shown, this amplifier responds to a potential difference between the stimulus and neutral leads;
While they are shorted together, sensing operation is disabled. An absolute refractory period of approximately 100 milliseconds is desired for a typical demand-type pacemaker. The sense amplifier should not detect cardiac activity resulting from the stimulation pulse itself, nor should the stimulation pulse be detected or interpreted as a natural heart beat. Refractory period control is "automatic" in that no additional circuitry must be provided to disable the sense amplifier while the leads are shorted together. For regular VVI pacemakers,
The pulse period at the output of pulser 46 is 300 mm,
It can be adjusted to be as high as seconds. In other cases where a short refractory period is desired, the pulses should be shorter. As mentioned above, pulses on the order of 8 milliseconds effectively result in total charge recovery.

トランジスタ60に対する低い“オン”インピ
ーダンスの重要性は評価されるべきである。トラ
ンジスタが例え、300ミリ秒間オンに保たれたと
しても、急速に電荷を回収することが必要であ
る。上述したように従来のペースメーカ回路と共
に問題の1つは、実際の電荷回収の間、配分され
た容量からの漏れがあり、そして漏れ去つた電荷
は回収不可能であるということである。従来の回
路は反対のイオンの流れが不必要に生じ、それは
電極を通るゼロの正味電流を制御するという以外
に実際何の意味も為さず、そしてこのことはそれ
自体有用でない。第1図の回路においては電荷平
衡過程が能動ではなく受動(電荷の短絡)である
ので、どの電荷も電極/電解液の境界面において
配分された容量から漏れ出すことがなく、反対の
イオンの流れを不必要に補うということもない
が、さらに電荷の漏れを最小にすることが望まし
い。この理由で電極リードの最も効果的な短絡が
望まれ、これはデバイス60に対する非常に低い
“オン”インピーダンスを提供することによつて
達成される。
The importance of low "on" impedance for transistor 60 should be appreciated. Even if the transistor is kept on for 300 milliseconds, it is necessary to quickly recover the charge. One of the problems with conventional pacemaker circuits, as mentioned above, is that during actual charge recovery, there is leakage from the allocated capacitance, and the leaked charge is not recoverable. Conventional circuits unnecessarily create opposing ion flows that serve no practical purpose other than controlling zero net current through the electrodes, which is not useful in itself. In the circuit of Figure 1, the charge balancing process is passive (charge shorting) rather than active, so that no charge leaks out of the distributed capacitance at the electrode/electrolyte interface, and the opposite ion While not unnecessarily compensating for flow, it is also desirable to minimize charge leakage. For this reason, most effective shorting of the electrode leads is desired, and this is achieved by providing a very low "on" impedance to device 60.

スイツチ38および60の双方は200オーム以
下の“オン”インピーダンスを有するべきであ
る。これらのスイツチは、コンデンサーポンプと
同様、本件出願人によつて本件出願と同日に出願
された、““急速な信号の生体刺激装置のための直
接結合された出力段”という名称の係属中の出願
番号第 号にさらに詳しく記載されてお
り、その出願は本願明細書に参考として組み込ま
れている。
Both switches 38 and 60 should have an "on" impedance of less than 200 ohms. These switches, as well as condenser pumps, are part of a pending patent application filed by the applicant on the same date as the present application entitled "Direct Coupled Output Stage for Rapid Signal Biostimulators." Further details are provided in Application Serial No. 1, which is incorporated herein by reference.

この発明は特定の実施例について記載したけれ
どもこの実施例は単にこの発明の原理の応用を説
明するためのものであることを理解すべきであ
る。多くの変更を為すことができ、そしてこの発
明の精神から逸脱することなく他の装置を工夫す
ることができる。
Although the invention has been described with respect to a particular embodiment, it should be understood that this embodiment is merely illustrative of the application of the principles of the invention. Many changes may be made and other arrangements may be devised without departing from the spirit of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の一実施例による心臓のペー
スメーカを示す回路図、第2図は従来の代表的な
AC結合されたペースメーカの出力段を部分的に
示す回路図である。図において、10は発振器、
12はNANDゲート、14,16および42は
インバータ、18A,18B,20,32A,3
2B,34A,34B,38および60はトラン
ジスタ、30,36および68はコンデンサ、4
0はレベルトランスレータ、44はゲート、46
はパルサ、48は増幅器、50はタイマ、62は
抵抗、64および66は電極リード、70はツエ
ナーダイオード、72は電圧源である。
Fig. 1 is a circuit diagram showing a cardiac pacemaker according to an embodiment of the present invention, and Fig. 2 is a circuit diagram showing a conventional typical pacemaker.
FIG. 2 is a circuit diagram partially showing the output stage of an AC-coupled pacemaker. In the figure, 10 is an oscillator,
12 is a NAND gate, 14, 16 and 42 are inverters, 18A, 18B, 20, 32A, 3
2B, 34A, 34B, 38 and 60 are transistors, 30, 36 and 68 are capacitors, 4
0 is a level translator, 44 is a gate, 46
48 is an amplifier, 50 is a timer, 62 is a resistor, 64 and 66 are electrode leads, 70 is a Zener diode, and 72 is a voltage source.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 バツテリ電源と、患者の心臓に刺激パルスを
与えるための一対の電極と、心臓の動作を感知す
るために前記電極の少なくとも1つに接続された
感知装置と、蓄電コンデンサ装置と、刺激パルス
の必要性を決定するために前記感知装置に応答
し、かつそれに応答して前記蓄電コンデンサ装置
を前記電極を横切つて接続して刺激パルスを前記
患者の心臓に与える接続装置と、前記患者の心臓
に刺激パルスを印加することに続いて前記蓄電コ
ンデンサを前記バツテリ電源から充電する装置
と、前記患者の心臓に刺激パルスを印加すること
に続いて前記電極を互いに直接結合するよう動作
する結合装置であつて、前記バツテリ電源とは無
関係に、前記刺激パルスの結果として前記電極お
よび前記患者の組織間の境界面に蓄積された電荷
を前記電極を通して大部分回収することができる
ものとを備えた心臓のペースメーカ。 2 前記結合装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲内
の時間期間の間動作する特許請求の範囲第1項記
載の心臓のペースメーカ。 3 前記接続装置は、前記結合装置の動作と同時
に前記蓄電コンデンサ装置を前記電極から外し、
それ故、前記患者の心臓に蓄積された電荷が前記
電極を通して回収されている間、前記蓄電コンデ
ンサ装置が前記バツテリ電源から充電され得る特
許請求の範囲第2項記載の心臓のペースメーカ。 4 前記結合装置は前記電極を互いに短絡する特
許請求の範囲第2項記載の心臓のペースメーカ。 5 患者の心臓に刺激電流を供給する電極装置
と、心臓の動作を感知するための感知装置と、刺
激電流の必要性を決定するために前記感知装置に
応答し、かつそれに応答して刺激電流を前記電極
装置を通して流すようにする制御装置と、前記制
御装置の動作に続いて、前記患者の心臓内に配分
された容量の受動放電を可能とするよう動作する
可能装置とを備えた心臓のペースメーカ。 6 前記可能装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲内
での時間期間の間動作される特許請求の範囲第5
項記載の心臓のペースメーカ。 7 前記電極装置は2つの電極からなり、前記可
能装置は前記2つの電極を互いに短絡するよう動
作する特許請求の範囲第5項記載の心臓のペース
メーカ。 8 ペースメーカは唯1つの電圧源から付勢さ
れ、前記制御装置は前記電極装置を通して一方向
にだけ電流の流れを生じるよう動作する特許請求
の範囲第5項記載の心臓のペースメーカ。 9 前記感知装置は前記電極装置に接続され、前
記可能装置が動作している間、心臓の動作の感知
を不能とした特許請求の範囲第5項記載の心臓の
ペースメーカ。 10 前記可能装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲
内での時間期間の間動作する特許請求の範囲第9
項記載の心臓のペースメーカ。 11 前記電極装置は2つの電極からなり、前記
可能装置は前記2つの電極を互いに短絡するよう
動作する特許請求の範囲第10項記載の心臓のペ
ースメーカ。 12 ペースメーカは唯1つの電圧源から付勢さ
れ、前記制御装置は前記電極装置を通して一方向
にだけ電流を流すように動作する特許請求の範囲
第11項記載の心臓のペースメーカ。 13 最小の正味電荷を移入すべき部位に、急速
に変化する信号を与えるための生体組織刺激装置
であつて、前記部位に刺激電流を与えるための電
極装置と、急速に変化する直接結合された刺激電
流が前記電極装置を通つて流れるようにする制御
装置と、前記制御装置の動作に続いて、前記部位
における配分された容量の受動放電を可能とする
よう動作する装置とを備えた生体組織刺激装置。 14 前記可能装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲
内の時間期間の間動作する特許請求の範囲第13
項記載の生体組織刺激装置。 15 前記電極装置は2つの電極からなり、前記
可能装置は前記2つの電極を互いに短絡するよう
に動作する特許請求の範囲第13項記載の生体組
織刺激装置。 16 刺激装置は、唯1つの電圧源から付勢さ
れ、前記制御装置は前記電極装置を通して一方向
にだけ電流を流すよう動作する特許請求の範囲第
13項記載の生体組織刺激装置。 17 前記制御装置は、前記可能装置が動作して
いる間は動作不能とされる特許請求の範囲第13
項記載の生体組織刺激装置。 18 前記可能装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲
内の時間期間の間動作される特許請求の範囲第1
7項記載の生体組織刺激装置。 19 前記電極装置は2つの電極からなり、前記
可能装置は前記2つの電極を互いに短絡するよう
動作する特許請求の範囲第18項記載の生体組織
刺激装置。 20 刺激装置は唯1つの電圧源から付勢され、
前記制御装置は、前記電極装置を通して一方向に
だけ電流を流すよう動作する特許請求の範囲第1
9項記載の生体組織刺激装置。 21 低い正味電荷の移入が望まれた部位を刺激
するために、前記部位を通して電流を流すための
一対の電極と、電荷蓄積装置と、刺激電流が出力
されるべき時に前記電荷蓄積装置を前記一対の電
極と直列に接続する接続装置と、この接続装置の
動作に続いて、前記一対の電極を互いに結合する
結合装置とを備えた生体組織刺激装置のための出
力回路。 22 前記接続装置は、前記電荷蓄積装置と前記
電極の一方との間に接続され、前記結合装置は前
記電極の他方を、前記接続装置と前記一方の電極
との接続点に結合する特許請求の範囲第21項記
載の生体組織刺激装置のための出力回路。 23 前記結合装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲
内の或る時間期間の間動作する特許請求の範囲第
22項記載の生体組織刺激装置のための出力回
路。 24 前記刺激装置は唯1つの電圧源から付勢さ
れ、前記電荷蓄積装置は、前記電極を通して一方
向に電流が流れる時だけ前記電極に接続される特
許請求の範囲第23項記載の生体組織刺激装置の
ための出力回路。 25 前記刺激装置は唯1つの電圧源から付勢さ
れ、前記電荷蓄積装置は、前記電極を通して一方
向に電流が流れる時だけ前記電極に接続される特
許請求の範囲第22項記載の生体組織刺激装置の
ための出力回路。 26 前記結合装置は、0.01〜400ミリ秒の範囲
内の或る時間期間の間動作する特許請求の範囲第
21項記載の生体組織刺激装置のための出力回
路。 27 前記刺激装置は唯1つの電圧源から付勢さ
れ、前記電荷蓄積装置は、前記電極を通して一方
向に電流が流れた時のみ前記電極に接続される特
許請求の範囲第21項記載の生体組織刺激装置の
ための出力回路。
[Scope of Claims] 1. A battery power source, a pair of electrodes for applying stimulation pulses to the patient's heart, a sensing device connected to at least one of the electrodes for sensing the operation of the heart, and a storage capacitor. a device and a connecting device responsive to the sensing device to determine the need for a stimulation pulse and responsive thereto to connect the storage capacitor device across the electrode to provide a stimulation pulse to the patient's heart; an apparatus for charging the storage capacitor from the battery power supply following applying a stimulation pulse to the patient's heart; and directly coupling the electrodes to each other following applying a stimulation pulse to the patient's heart. a coupling device operative to allow charge accumulated at an interface between the electrode and the patient's tissue as a result of the stimulation pulse to be largely recovered through the electrode, independent of the battery power supply; A pacemaker for the heart. 2. The cardiac pacemaker of claim 1, wherein the coupling device operates for a period of time within the range of 0.01 to 400 milliseconds. 3. The connection device removes the storage capacitor device from the electrode simultaneously with the operation of the coupling device,
3. A cardiac pacemaker as claimed in claim 2, wherein the storage capacitor device is therefore capable of being charged from the battery power source while charge stored in the patient's heart is being recovered through the electrodes. 4. The cardiac pacemaker of claim 2, wherein the coupling device shorts the electrodes together. 5 an electrode device for providing a stimulating current to the patient's heart, a sensing device for sensing the movement of the heart, and responsive to said sensing device to determine the need for the stimulating current; a control device for causing a flow of the electrode device through the electrode device; and an enabling device operable, following operation of the control device, to enable passive discharge of the distributed volume within the patient's heart. pacemaker. 6. The enabling device is operated for a time period in the range of 0.01 to 400 milliseconds.
Cardiac pacemaker as described in Section. 7. A cardiac pacemaker as claimed in claim 5, wherein the electrode arrangement consists of two electrodes, and the enabling device is operative to short the two electrodes together. 8. The cardiac pacemaker of claim 5, wherein the pacemaker is energized from only one voltage source and the control device is operative to cause current flow in only one direction through the electrode device. 9. The cardiac pacemaker of claim 5, wherein the sensing device is connected to the electrode device to disable sensing of cardiac motion while the enabling device is operating. 10. Claim 9, wherein the enabling device operates for a time period within the range of 0.01 to 400 milliseconds.
Cardiac pacemaker as described in Section. 11. The cardiac pacemaker of claim 10, wherein the electrode device comprises two electrodes, and the enabling device is operative to short-circuit the two electrodes together. 12. The cardiac pacemaker of claim 11, wherein the pacemaker is energized from only one voltage source and the control device is operative to pass current through the electrode device in only one direction. 13. A biological tissue stimulator for applying a rapidly changing signal to a site to which a minimum net charge is to be transferred, the device comprising: an electrode device for applying a stimulating current to said site; A biological tissue comprising: a control device for causing a stimulating current to flow through said electrode device; and, following operation of said control device, a device operative to enable passive discharge of a distributed capacitance at said site. Stimulator. 14. Claim 13, wherein the enabling device operates for a time period in the range of 0.01 to 400 milliseconds.
The biological tissue stimulator described in . 15. The biological tissue stimulation device of claim 13, wherein the electrode device comprises two electrodes, and the enabling device operates to short-circuit the two electrodes together. 16. The biological tissue stimulator of claim 13, wherein the stimulator is energized from only one voltage source and the control device is operative to pass current through the electrode device in only one direction. 17. Claim 13, wherein the control device is inoperable while the enabling device is in operation.
The biological tissue stimulator described in . 18. The enabling device is operated for a time period in the range of 0.01 to 400 milliseconds.
The living tissue stimulation device according to item 7. 19. The biological tissue stimulation device of claim 18, wherein the electrode device comprises two electrodes, and the enabling device is operative to short-circuit the two electrodes together. 20 The stimulator is energized from only one voltage source;
Claim 1, wherein the control device is operative to cause current to flow in only one direction through the electrode device.
The living tissue stimulation device according to item 9. 21 a pair of electrodes for passing a current through the site to stimulate the site where low net charge transfer is desired; a charge storage device; An output circuit for a living tissue stimulation device, comprising a connecting device connected in series with an electrode of the device, and a coupling device coupling the pair of electrodes to each other following operation of the connecting device. 22. The connecting device is connected between the charge storage device and one of the electrodes, and the coupling device couples the other of the electrodes to a connection point between the connecting device and the one electrode. An output circuit for the biological tissue stimulation device according to scope 21. 23. An output circuit for a biological tissue stimulation device according to claim 22, wherein the coupling device operates for a period of time in the range of 0.01 to 400 milliseconds. 24. The biological tissue stimulation of claim 23, wherein the stimulator is energized from only one voltage source and the charge storage device is connected to the electrode only when current flows in one direction through the electrode. Output circuit for the device. 25. The biological tissue stimulation of claim 22, wherein the stimulator is energized from only one voltage source and the charge storage device is connected to the electrode only when current flows in one direction through the electrode. Output circuit for the device. 26. An output circuit for a biological tissue stimulation device according to claim 21, wherein the coupling device operates for a period of time in the range of 0.01 to 400 milliseconds. 27. The biological tissue of claim 21, wherein the stimulation device is energized from only one voltage source and the charge storage device is connected to the electrode only when current flows in one direction through the electrode. Output circuit for the stimulator.
JP57176471A 1982-09-29 1982-10-08 Rapid signal output means directly connected to living body stimulating apparatus Granted JPS5969081A (en)

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