DE2133743A1 - Elektrischer Organstimulator - Google Patents

Description

Patentanwälte

. Willielm

ff Wolfcßng Beichel 6 Frankfurt a. M. 1 Parkslraße 13

6693 GEIiERAl EIdEOiDRIC COIiPAHT, Schenectady, 2T.Y. VStA

Elektrischer Organstimulator

Es ist "bekannt, elektrische Imptilsgeneratoren innerhalb oder außerhalb des Körpers zur 3?unktionsanregung eines Körperorgans bei fehlenden natürlichen elektrischen oder natürlichen Servenimpulsen zu verwenden. Die Stimulation der Harnblase, des Harnleiters, des Herzvorhofes und des Herzkanals sind Beispiele dafür. Die erste Generation von Organstimulatoren sind im wesentlichen Impulsgeneratoren mit fester Impulsfolgefrequenz, die an dem Organ angeschlossen werden, um diesem künstliche Impulse zuzuführen, und zwar unabhängig davon, ob dessen natürliche oder eigene elektrische Impulse oder Mervenimpulse sich wiederholen oder nicht.

In kurzer Zeit wurde dann ein Organstimulator vom Bereitscbaftstyp entwickelt. Der Bereitschafts-Herzstimulator, gewöhnlich "Schrittmacher" genannt, enthält einen Impulsgenerator, der von einem Herzsignalfühler gesteuert wird. V/enn der Fühler ein eigenes Herzsignal feststellt, sperrt er den Impulsgenerator oder verhindert er die Zuführung. eines künstlichen Stimulationsimpulses zum Herzen. Wenn kein eigenes Signal innerhalb einer Zeitspanne am Herzen festgestellt wird, die der gewünschten Herzschlagfolgefrequenz entspricht, wird der Impulsgenerator freigegeben,

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so daß er dem Herzen - je nach den Erfordernissen - einen oder mehrere künstliche Stimulationsimpulse zuführt.

Zur !Feststellung der eigenen oder natürlichen Herzsignale ist ein verhältnismäßig auf v/endiger Fühler erforderlich. Diese Signale sind aus verschiedenen Freajienzkomponenten zusammengesetzt, und es ist häufig ein breites Spektrum von Stör- oder Räuschfrequenzen vorhanden. Die Amplitude der Signale ist klein und muß bis herunter zu etwa 2 Millivolt festgestellt werden. Es gibt einige unvorhersagbare Erscheinungen elektrischer und chemischer Art, die an der Grenzfläche der Stimulationselektroden und des Herzgewebes auftreten und die Erzeugung von Signalen zur Folge haben, die die Feststellung der natürlichen Signale beeinträchtigen, die notwendigerweise zur richtigen Steuerung des Impulsgenerators festgestellt werden müssen. Wenn der Herzkoppelkondensator über das Herz langsam wieder aufgeladen wird, wie bei bekannten Geräten, im Anschluß an den kurzen Impuls, der das Herz künstlich stimuliert, modulieren die Rausch-oder Störsignale den Wiederaufladestrom, so daß sie die Stör— bzw. Rauschsignale betonen, die der Fühler von anderen Frequenzkomponenten der natürlichen Herzsignale unterscheiden muß.

Ein weiteres Problem, das bei Herzstimulatoren bzw. Schrittmachern auftritt, ist das Wandern von Metallionen aus den Herzanschlußelektroden in das Gewebe des Herzens. Heben der schädlichen, zersetzenden Einwirkung, die dies auf das Herzgewebe haben kann, trägt es vermutlich auch zureiner elektrischen Instabilität des Herzens unmittelbar nach der Stimulation und während der Fühl- bzw. Feststellzeit bei. Es ist bekannt, daß vorgeschlagen wurde, das Wandern von Metallionen dadurch zu verringern, daß man das Herz mit abwechselnd positiven und negativen Impulsen

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stimuliert, die soweit auseinander liegen, wie es der gewünschten Herzschlagperiodendauer entspricht. Man hat erwartet, daß dadurch die Ionen bei jedem zweiten Impuls wieder an die Elektroden angezogen werden, doch hat die Erfahrung gezeigt, daß dieses Verfahren nicht voll wirksam ist, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, daß die Zeit zwischen den'Impulsen zu lang ist. Ferner wird dadurch die elektrische Stabilität des Herzens während der kritischen EUhI- bzw. Peststellzeit nicht verbessert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile dadurch zu beseitigen, daß der Stimulator mit einer verbesserten Schnellerholungs-Ausgangsschaltung versehen wird.

Ferner soll die Ausgangsschaltung das Herz während der Fühlzeit in einen weitgehend stabilen elektrischen Zustand bringen bzw. die Elektrodenoberflächen, die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Gewebe, stabilisieren und den Einfluß von Polarisationssperrschichten verringern. Die Schnellerholungs-Ausgangsschaltung soll Störsignalkomponenten mit niedriger !Frequenz verringern und diese aus dem Fühlereingangssignal entfernen, so daß durch die Kondensatorladung oder Elektrodenpolarisation verursachte Meßfehler verhindert werden. Dabei sollen Mittel geschaffen werden, die den Herzankoppelausgangskondensator während der Refraktärperiode (refraktären Pause) des Fühlers aufladen, so daß eine irrtümliche Feststellung eines Herzsignals durch den Fühler verhindert wird. Außerdem sollen die Ausgangsschaltung und der Stimulator so beschaffen sein, daß das Herz an einer hohen Impedanz liegt, um das Feststellen schwacher Signale zu erleichtern, die durch eine Depolarisation von Herzzellen erzeugt werden. Schließlich soll eine schnelle Wiederherstellung der elektrischen Stabilität des Herzens unabhängig von Änderungen der

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Herzbelastungsimpedanz oder der Intensität oder Energie der Stimulationsimpulse ermöglicht werden.

Die lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Danach enthält die Stimulatοrausgangssehaltung zwei steuerbare Bauelemente, bei denen es sich um Transistorschalter handeln kann, die jeweils Kollektor-und Emitteranschlüsse als Lastkreisanschlüsse aufweisen. Das eine der beiden fe steuerbaren Bauelemente kann durch einen Impuls ausgelöst werden, der in dem Ausgenblick auftritt, in dem das Organ stimuliert werden soll. Durch das Leitendwerden dieses Bauelementes wird ein Koppelkondensator über das Organ zur Stimulation - je nach der Ausführung - entladen oder aufgeladen. Das Leitendwerden des anderen steuerbaren Bauelementes wird verhindert, wenn das erste Bauelement leitend ist. Wenn der leitende Zustand des ersten Bauelements aufhört, wird das zweite sofort leitend und lädt oder entlädt den Kondensator wieder jeweils auf weitgehend die gleiche Spannung, die er anfangs aufwies. Der Wiederaufladekreis enthält auch das Organ, so daß der Wiederaufladestrom weit-. gehend gleich dem Entladestrom zuzüglich Verlusten ist, * unabhängig davon, ob sich die Organimpedanz ändert oder nicht. Wenn das zweite steuerbare Bauelement aufhört leitend zu sein, wird dem Kondensator der Rest der fehlenden Ladung über einen hochohmigen Widerstand aus der Gleichstromquelle zugeführt. Das zweite steuerbare Bauelement liegt daher nicht in dem Kreis, wenn die Wiederaufladung des Kondensators weitgehend abgeschlossen ist, so daß der Organsignalfühler und das Organ nur .den hochohmigen Ladewiderstand "sehen", der parallel zum zweiten steuerbaren Bauelement liegt.

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Der Ausgangskreis bzw. die Ausgangssohaltung ist in einem bekannten Bereitschafts-Sohrittmacher oder -Stimulator angeordnet. Der Schrittmacher enthält einen Pühler, der alle elektrischen Signale feststellt, die an dem Organ auftreten. Wenn das gewünschte natürliche Signal nicht dann auftritt, wenn es soll, schaltet der Pühler einen Impulsgenerator ein, der die Ausgangssohaltung bzw. den Ausgangskreis steuert und die Abgabe eines künstlichen Stimulierungs· impulses bewirkt. Die Ausgangssohaltung ist jedoch auch in anderen Organstimulatoreη verwendbar und hat dort die gleiche Punktion.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anband von Zeichnungen ausführlicher beschrieben, die bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellen.

Pig. 1 ist ein Schaltbild eines Herzatimulators mit der neuen Ausgangsschaltung»

Fig. 2 bis 4 sind Schaltbilder anderer Ausführungsbeispiele der neuen Ausgangsschaltung und

Pig. 5 bis 6 stellen den Verlauf von Impulsen dar, die nach der Erfindung verwendet werden können.

In Pig. 1 ist das Organ, das stimuliert werden soll, symbolisch durch einen ohmsehen Lastwiderstand Rt dargestellt. Der lastwiderstand ist durch eine Leitung 11 mit einem Stimulatorausgangsansobluß 10 verbunden. Im Palle eines Schrittmachers sind alle in Pig. 1 dargestellten Schaltungsbauelemente in Harz eingekapselt und mit einem körperverträglichen Überzug versehen, so daß die ganze Vorrichtung im Körper eingesetzt und mit einem leitenden Katheter oder anderen leitungen an dem Organ angeschlossen werden kann.

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Stattdessen kann die "Vorrichtung auch außerhalb des Körpers angeordnet sein, und die Leitungen 11 können einen leitenden Katheter bilden, der durch ein Blutgefäß hindurchläuft und mit dem zu stimulierenden Organ verbunden ist oder mit diesem in Berührung steht.

Sowohl die stimulierenden Ausgangssignale des Stimulators als auch die eigenen Signale des Organs erscheinen am Ausgangsanscbluß 10 des Stimulators.

Eine Leitung 12 ist am Ausgangsanschluß 10 zur Abnahme aller Signale angeschlossen, die an dem Organ erscheinen. Diese leitung 12 führt zu einem fühler 13· Bei dem Fühler

13 handelt es sich im Prinzip um einen Vorverstärker und ein Filter, das ein abklingendes Signal, beispielsweise in Form einer Schwingung, an seinem Ausgang erzeugt, wenn es angestoßen wird. Sin ähnliches Signal wird unabhängig davon erzeugt, ob das Eingangssignal des Fühlers 13 positiv oder negativ ist. Der Fühler 13 und die angeschlossene Schaltung sind so ausgebildet, daß das System für die Dauer einer kurzen Zeitspanne im Anschluß an das Eintreffen eines Eingangssignals refraktär ist. Hit anderen Worten,

es vergeht eine vorbestimmte Zeit» bevor ein Ausgangssignal ' nach einem vorhergehenden Signal erzeugt werden kann.

Die Fühlerausgangssignale 14 werden einem torgesteuerten Schwellwerttrigger 15 über einen Kondensator 16 zugeführt. Die baulichen Einzelheiten des !riggers 15 sind einem Fachmann geläufig, so daß sie hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden brauchen. Es genügt zu wissen, daß die Zuführung eines positiven Schwingungsteils des Signals

14 zum Irigger 15 die Abgabe eines Impulses 17 zur Folge hat, der an einem ohmschen Widerstand 18 erscheint.

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An dem torgesteuerten Schwellwerttrigger 15 ist ferner ein Sperrtransistor 19 angeschlossen. Der ohmsehe Kollektorwiderstand dieses Transistors ist mit 20 bezeichnet. Zwischen Kollektor und Emitter des !Transistors liegt ein ohmscher Widerstand 21, an dem das schwingende Signal 14 abgegriffen wird, daß dem Trigger 15 zugeführt wird. Tinter bestimmten Umständen muß jedoch die Abgabe von Impulsen durch den Trigger 15 gesperrt werden, und in diesem Falle v/ird der Basis des Transistors 19 über eine Leitung 22 ein Sperrsignal zugeführt. Wie dieses Sperrsignal erzeugt wird, wird später noch erklärt. An dieser Stelle genügt es zu wissen, daß, wenn der Transistor 19 durchgesteuert (in den leitenden Zustand gesteuert) wird, das Signal 14 gegen Masse kurzgeschlossen wird und den Trigger 15 nicht betätigt.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß ein eigenes bzw. natürliches Organsignal am Ausgangsanschluß 10 festgestellt wurde und der Trigger 15 einen entsprechenden Impuls 17 erzeugt hat. Dieser Impuls oder folgende Impulse werden einem Störsignalunterdrücker 23 zugeführt. Bei dem Unterdrücker 23 handelt es sich im wesentlichen um ein selektives PiIter, das Ausgangssignale, wie das Signal 24t Qur dann erzeugt, wenn die Signale 17 mit einer vorbestimmten 3?olgefrequenz auftreten. Die Einzelheiten des Unterdrückers 23 sind nicht erfindungserheblich.

Jedes impulsartige Signal 24 wird der Basis eines Transistors 25 zugeführt, dessen Kollektorwiderstand 26 mit der positiven Betriebsspannungszuleitung verbunden ist. Der Transistor steuert einen Taktimpulsgenerator 27, der nachstehend beschrieben wird.

Der Taktimpulsgenerator 27 enthält ein Zeitgebernetzwerk mit ohmschen Widerständen 28 und 29 und einom Zeitgebcr-

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kondensator 30, die zwischen der positiven Betriebsspannuhgszuleitung und Masse in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator 30 lädt sich auf und bewirkt das Einschalten des Impulsgenerators, wenn seine" Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht, sofern der Kondensator nicht vorzeitig völlig oder teilweise entladen wird. Ein Spannungsteiler aus -ohmschen Widerständen 31 und 32 bestimmt die Vorspannung am Taktimpulsgenerator. Der Punkt A des Spannungsteilers hat ein vorbestimmtes positives Potential gegenüber Masse. Ein Kondensator 33, der zum Widerstand | parallelgeschaltet ist, stabilisiert das Potential des Punktes A. Wenn sich der Zeitgeberkondensator 30 über einen vorbestimmten Wert hinaus aufgeladen hat, wird die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors 34 über einen ohmschen Widerstand 35 durchgesteuert. Dadurch lädt siGh der Zeitgeberkondensator 30 soweit auf, bis die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 34 durchgesteuert wird und der Transistor an seinem Kollektor einen Impuls 36 abgibt. Dieser Impuls wird nur dann erzeugt, wenn der Kondensator 30 nicht vorzeitig wieder entladen wird. Wenn der Kondensator 30 hinreichend aufgeladen ist, liefert er den zuriDurchsteuerung der Emitter-Basis-Strecke des _fc Transistors 34 erforderlichen Strom Über einen Zweig, der ™ den Widerstand 35 enthält, und in diesem Ausgenblick macht er auch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 34 leitend, so daß an dem Kollektor der Impuls 36 erscheint. Die Impulsdauer beträgt etwa 2 Millisekunden, was zur Stimulierung des Herzens ausreichend ist. Zur Stimulierung anderer Organe können Impulse mit anderer Dauer gewählt werden.

Eine Verriegelungsspannung, die diese Multivibratorschaltung im leitenden Zustand hält, erscheint am Widerstand 35 und addiert sich zur Vorspannung, die am Widerstand 31 liegt.

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Ein weiterer Transistor 37 im Taktimpulsgenerator ist ebenfalls leitend, und das an seinem Emitter erscheinende Potential wird über einen ohmschen Widerstand 38 und eine leitung 22 der Basis eines Sperrtransistors 19 zugeführt. Ein Filternetzwerk mit einem Kondensator 39 und einem dazu parallel liegenden ohmschen Widerstand 40 verhindert, daß der Emitter des Transistors 37 gegenüber Masse potentialfrei ist (gegenüber Massepotential schwankt), und bildet die Emitterimpedanz während des leitenden Zustands des Transistors 37. Der Zweck des Zuführung eines Signals zum Transistor 19 besteht darin, diesen leitend zu machen und dadurch den Schwellwerttrigger 15 zu sperren, so daß er keine künstlichen Herzanregungssignale erfaßt und auf diese anspricht. Wie bereits erwähnt wurde, ist der Widerstand 21 kurzgeschlossen, wenn der Transitor 19 leitend ist, so daß die Vorspannung vom Schwellwerttrigger 15 weggenommen ist und dieser keinen Impuls 17 abgibt.

Wenn der Fühler 13 das Auftreten eines eigenen oder natürlichen Signals am Herzen feststellt, wird der Zeitgeberkondensator 30 - in diesem Beispiel - vorzeitig entladen, so daß er den Transistor 34 nicht durchsteuert und ein Taktimpuls 36 erzeugt wird. Der Kondensator 30 wird vorzeitig über einen Kreis entladen, der eine Diode 41» einen ohmschen Widerstand 42 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors25 enthält. Es sei daran erinnert, daß der Transistor 25 jedesmal durchgesteuert wird, wenn ein natürliches Signal festgestellt wird, so daß er die Entladung des Kondensators 30 und den erneuten Beginn des Takt- bzw. Zeitgeberzyklus veranlaßt.

Wenn ein oder mehrere Impulse 36 vom Taktimpulsgenerator erzeugt werden, erzeugen sie eine Signalspannung an einem ohmschen Widerstand 43. Diese Spannung wird über einen

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ohmschen Widerstand 44 der Basis eines transistors 45 zugeführt. Die Impulse 36 steuern den Transistor 45 durch und veranlassen- diesen zur Abgabe von Impulsen, wie den Impuls 46, an seinem Kollektor.. An einem ohmschen Kollektarwlderstand 47 des Transistors 45 liegt ein Euter, das ohmsche Widerstände 48 und 49 und.einen Kondensator 50 enthält. Das !Filter dient zur Normung der Impulse 36 in Rechteckform, in der sie der Basis eines Transistors 51 zugeführt werden.

Der Transistor '51 verstärkt und ermöglicht mit Hilfe seiner angeschlossenen Schaltung die Einstellung der Stromstärke der neuen Ausgangsschaltung und mithin des Stroms, der dem Organ zur Stimulation zugeführt wird. Zwischen dem Emitter des Transistors 51 und der positiven Betriebsspannungszuleitung liegt ein ohmscher Widerstand 52 in Reihe mit einer Parallelschaltung eines festen ohmschen Widerstands 53 und eines veränderbaren ohmschen Widerstands 54. Diese Widerstände bestimmen den Vorstrom des Transistors 51 und seinen laststrom, der durch einen einstellbaren ohmschen Widerstand 55 und einen festen ohmschen Widerstand 56 fließt. Bei der an dem Abgriff 57 des veränderbaren

* Widerstands 55 erscheinenden Spannung handelt es sich vorzugsweise um eine Rechteckschwingung von 2 Millisekunden Dauer bei Herzstimulatoren. Der Abgriff 57 kann auf Aus-. gangsspannung UuIl eingestellt werden, wenn der veränderbare Widerstand 54 und sein - nicht dargestellter - geeichter Stromanzeigewähler auf Stimulationsstrom UuIl eingestellt sind. Diese Impulse 62 werden über einen ohmschen Widerstand 58 einem der Anschlüsse 59 der neuen Schnellerholungs-Ausgangsschaihing zugeführt.

Das Ausführungsbeispiel der neuen Stimulator-Ausgangsschaltung nach Pig. 1 enthält ein erstes leitfähigkeitssteuerbares Bauelement, bei dem es sich um irgendeinen geeigneten

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Scbalter bandeln kann, der hier jedoch als Transistor 60 dargestellt ist, dessen Las tans chlüsrse einen Kollektor und Emitter des Transistors umfassen. Im Emitterkreis des Transistors 60 liegt ein ohmscher Widerstand 61, so daß der Transistor 60 als Emitterfolger wirkt. Bei diesem Ausfuhr ungsbeispiel hat der Widerstand 61 eine Impedanz von 47 Ohm, während es sich bei dem Transistor 60 um einen Silicium-Transitor vom Typ 2N930 handelt. Die Stärke des durch "den ohmschen Widerstand 61 fließenden Stroms und mithin des dem Organ zugeführten Stroms ist gleich der durch den Wert des Widerstands 61 dividierten Differenz zv/ischen der Spannung an der Basis des Transistors 60 und dem Basis-Emitter-Spannungsabfall. Die Amplitude des Eingangsimpulses der Basis des Transistors 60 bestimmt mithin die Stärke des durch den Widerstand 61 fließenden Stroms, und der Spannungsabfall an dem Widerstand 61 folgt der Basisspannung .

Die Schnellerholungs-Ausgangsschaltung «nthält ein weiteres leitfähigkeitssteuerbares Bauelement oder einen Schalter in Form eines Transistors 63, bei dem es sich um den gleichen Typ wie bei dem Transistor 60 handeln kann. Der Transistor 63 hat einen Kollektor und einen Emitter als Lastanschlüsse und ist in diesem Ausführungsbeispiel geeignet, einen Organkoppelkondensator 67 schnell aufzuladen und den Anfangs ladungszustand des Kondensators wiederherzustellen, wenn er zur Abgabe eines Stimulationsimpulses an das Organ teilweise entladen wurde. Der Basis-Emitter-Vorstrom wird dem Transistor 63 über einen ohmschen Widerstand 65 und einen Anschluß 70, der mit der positiven Betriebsspannungszuleitung verbunden ist, zugeführt. Der ohmsche Kollektorwiderstand 64 des Transistors hat in diesem Beispiel einen Viert von 1000 Ohm zur Strombegrenzung, doch kann sein Viert unter bestimmten Umständen auf Hull verringert werden.

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Zwischen dem Emitter des Transistors 63 und dem Anschluß

70 liegt ein vorzugsweise hochohmiger Widerstand 66 von. beispielsweise 1 Megohm. Die Anode einer Diode 68 ist mit. ■ dem Emitter des !Transistors 63 lind die Katode der Diode mit dem Kollektor des Transistors 60 verbunden. Die Basis des Transistors 63 ist mit der Katode der Diode durch eine Leitung 71 verbunden.

Die Ausgangsschaltung arbeitet in folgender Weise. Es sei angenommen, daß der Organkoppelkondensator 67 anfangs entladen ist, wenn die Batterie 72 mit dem Stromversorgungsanschluß 70 verbunden wird. Der Koppelkondensator 67 wird dann über einen Stromkreis geladen, der in Reihe den Anschluß 70, den Torwiderstand 65, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 63, den Kondensator 67, den Ausgangsanschluß 10, die Leitung 11 und die Organlast R^ enthält. Wenn ein Strom über die BasiB fließt, fließt durch den Kollektorkreis des Transistors 63 ein verstärkter Strom, der den Kondensator 67 sehr schnell auflädt Sobald der Kondensator 67 nahezu völlig geladen ist, wird der Tranistor 63 gesperrt, weil die Differenz zwischen der Spannung an seiner Basis und der Kondensatorspannung zu klein ist, um den Transistor durchzusteuern. Über den hochohmigen Widerstand 66 wird der Kondensator 67 schließlich auf die volle Batteriespannung aufgeladen. Wenn der Kondensator 67 vollständig aufgeladen ist, ist er bei Bedarf bereit, der Organlast Rt einen Stimulationsimpuls zuzuführen.

Ein Stimulationsimpuls wird dann abgegeben, wenn der erste Transistor 60 von einem Impuls durchgesteuert wird. Dabei entlädtsich der Kondensator 67 über einen Stromkreis, der in Reihe die Diode 68, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 60, den Widerstand 61 und die Organlast Rt enthält. Wenn der Transistor 60 leitend'ist, wird das

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Potential der Basis des Transistors 63 nahezu "bis auf Massepotential nach unten gezogen, so daß dieser !Transistor 63 nicht durchgesteuert wird. Wenn der Triggerimpuls, der den Transistor 60 durchsteuert, verschwindet, wird der Transistor 60 gesperrt, so daß der Transistor 63 wieder durchgesteuert wird, um den Kondensator 67 wieder sehr schnell aufzuladen. Die Wiederaufladung wird gleichzeitig mit dem Ende der Entladung des Kondensators ausgelöst. Wenn der Koppelkondensator 67 nahezu vollständig wieder-*auf ge laden ist, reicht die Differenz zwischen der Spannung am Kondensator und an der Basis des Transistors 63 nicht zur Aufrechterhaltung des leitenden Zustands des Transistors aus, so daß dieser gesperrt wird. Durch den ständigen Stromfluß über den hochohmigen Widerstand 66 nähert sich dann die Spannung am Kondensator 67 der Betriebsspannung .

Die Stärke des dem Organ während der Entladezeit des Kondensators 67 zugeftihrten Stroms hängt davon ab, wie weit der Transistor 60 von seinem Triggerimpuls aufgetastet wird. Die Amplitude des Triggerimpulses 62 und mithin die Stimulationsstromstärke hängt von der Einstellung des Abgriffs des veränderbaren Widerstand 54 ab.

Der zeitliche Verlauf eines Entlade- und Wiederaufladezyklus des Kondensators 67 bei einer bestimmten Stromstärkeeinstellung der Ausgangsschaltung nach Pig. 1 ist in Pig. 5 "dargestellt. Bevor der Transistor 60 leitend ist, hat die Spannung am Anschluß 10 und an der Last R^ eine soweit negative Amplitude, wie es durch die Zahl 73 angedeutet ist. Wenn der 2-JYLLllisekundenimpuls aufhört, hört auch die Entladung des Kondensators 67 auf, und das dem Organ zugeführte Potential ist weniger negativ und hat eine Amplitude, die durch die Zahl 74 angedeutet ist. Die schraffierte Fläche

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unter der Kurve ist ein Maß für die- Stimulationsenergie, die dem Organ zugeführt wird. Sofort nachdem der [Transistor 60 gesperrt ist, wird der Transistor 63 leitend, um den Kondensator 67 wieder um den Betrag·der Ladung aufzuladen, die er verloren hat. Die Wiederaufladekurve ist mit 75 bezeichnet, und die schraffierte Fläche unter dieser Kurve 75 entspricht der in dem Organ umgesetzten Energie zuzüglich Verlusten. Der Gesamtstromfluß durch das Organ ist weitgehend gleich Full, und der Umstand, daß die Stromflußrichtung sehr schnell wieder umgekehrt wird, verringert eine Ionenabwanderung aus den Metallelektroden, an denen das Organ angeschlossen ist. .

Es spielt keine Rolle, daß der Wiederaufladestrom das Organ, z.B. das Herz, in der gleichen Weise anzuregen versucht wie der Entladestrom des Kondensators 67, v/eil sich das Herz bereits zusammenzieht und dabei gegen eine weitere Stimulation refraktär (unempfindlich) ist.

Fig. 6 zeigt die lade- und Entladekurven des Kondensators 67 für den Fall, daß die Impedanz des Organs wesentlich niedriger als im vorhergehenden Falle ist. In diesem Falle wird der größte Teil der Energie, die im Kondensator 67 gespeichert ist, während der Entladung des Kondensators in dem Organ verbraucht. Dennoch wird ein Ausgleichstrom während einer kurzen Zeitspanne unmittelbar nach der Stimulation des Herzens schnell über das Herz getrieben, wie es durch die Ladestromkurve 76 dargestellt ist.

Bei einer handelsüblichen Ausführung bat der Kondensator eine Kapazität von 22 Mikrofarad. Seine Ladezeitkonstante ist gleich der Summe des Sättigungswiderstands des Transistors 63, des Widerstands 64 und von R-^, multipliziert mit der Kapazität des Kondensators 67. Dies ist eine nichtlineare Impedanz, die von &%m Basisairtrieb über den Widerstand und die Spannungsdifferenz """zwischen der Batteriespannung and

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der Spannung-am Kondensator 67 am Ende des Entladeimpulse3 abhängt.

In der Strombetriebsart ist die Entladezeitkonstante eine Funktion des über den Katodenwiderstand 61 fließenden konstanten Batteriestroms, wenn man annimmt, daß der Transistor 60 nicht in der Sättigung betrieben wird.

Wenn "der Widerstand 61 Hull ist, arbeitet die Schaltung in der Spannungsbetriebsart, so daß die Zeitkonstante gleich der mit der Kapazität des Kondensators 67 multiplizierten Summe des lastwiderstandes Rj₁, des Sättigungswiderstandes des Transistors 60 und des Durchlaßwiderstandes der Diode 68 ist.

Bei dieser Ausgangsschaltung wird die Ladung des Kondensators 67 innerhalb einer kurzen Zeit unmittelbar nach dem das Organ künstlich stimuliert wurde wieder auf ihren Anfangswert gebracht. Dieser symmetrische Wiederaufladestrom stellt im Falle des Herzens dessen elektrische Stabilität sehr schnell wieder her, so daß der Fühler 13 später nicht das Rauschen bzw. Störsignale empfängt, wie wenn der Kondensator in dem größten Teil der Zeitspanne zwischen künstlich stimulierten oder natürlichen Herzschlägen langsam wieder aufgeladen wird, wie dies bei bekannten Geräten der Fall ist. Rausch- bzw. Störsignale, die durch die Kondensatoraufladung oder Elektrodenpolarisation an der Gewebegrenzfläche verursacht werden, sind besonders bei bekannten Geräten nachteilig, weil diese Rausch- bzw. Störsignale reich an niederfrequenten Komponenten sind, die den Betrieb des Fühlers 13 stören, da er auf das Ansprechen auf Frequenzen im Bereich von 20 bis 40 Hz abgestimmt ist, die in der natürlichen R-Zacke des Herzens vorherrschen. Dieser Frequenzbereich ist in dem natürlichen'elektrokardiografi3chen •Signal vorherrschend. _ßÄD OR/_G/NAL

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Bei der neuen Ausgangsschaltung wird also die Auswirkung von Rausch- oder Stoersignalen verhindert, so daß das Herz elektrisch stabil ist, wenn der Fühler 13 zur !Feststellung aufgerufen wird, ob das nächste-natürliche oder eigene Herzsignal erzeugt wird, oder wenn er zur Steuerung der Erzeugung von Stimulationsimpulsen aufgefordert wird, wenn das natürliche Signal nicht innerhalb der gewünschten Zeit auftritt.

Wenn der Transistor 63 gesperrt ist, wird die von der Ausgangsseite (dem Herzen ) über den Ausgangsanschluß 10 her gesehene Impedanz durch den hohen Widerstand 66 zusammen mit dem hohen Widerstand des Fühlers 13 gebildet. Das Herz wird daher nicht vom Stimulator belastet, so daß die Fühlempfindlichkeit verbessert wird. Uach der Erfindung hat der Widerstand 66 etwa 1 Megohm, während bei bekannten Stimulatoren der Koppelkondensator 67 über einen ohmschen Widerstand von nur einem Dreißigstel dieser Größe oder nur etwa. 33 Kiloohm aufgeladen wird. Dies stellt für das Herz eine niedrige Impedanz dar und macht die Signalabtastung am Herzen instabil und unsicher.

Bei der vorliegenden Schaltung wird der Koppelkondensator 67 in etwa 100 bis 150 Millisekunden wieder aufgeladen. Der Fühler 13 ist - wie bereits erwähnt wurde - so ausgebildet, daß er für eine etwas längere Zeit refraktär ist und nicht daß mit der Wiederaufladung des Kondensators 67 zusammenfallende Signal abtastet.

Fig. 2 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der neuen Stimulator-Ausgangsschaltung dar. Bei dieser Figur sind diejenigen leile, die denen nach Fig. 1 gleich sind, mit denselben Bezugszahlen versehen. In gewissem Sinne ist dieses Ausführungsbeispiel das Gegenteil des vorhergehenden, weil der Koppelkondensator 67 jetzt bei Erhalt eines Irigger-

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bzw. Auslöseimpulses am Anschluß 59 zur Stimulierung des Herzens aufgeladen wird. Wenn ein Triggerimpuls auftritt, ■wird der Transistor60 etwa 2 Millisekunden lang durchgesteuert, so daß sich der Kondensator 67 über den Anschluß 70, die last Hj₁,die Diode 68, den Transistor 60 und den Widerstand 61 auflädt Die rechte Seite des Kondensators ist dann positiv, doch ist er wegen des Iiastwiderstandes

nicht vollständig aufgeladen.

Wenn der Transistor 60 beim Verschwinden des Triggerimpulses gesperrt wird, trennt er praktisch die Basis des Transistors 63 vom Massepotential, so daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 63 durchgesteuert wird, v/eil die Spannung an der linken Seite des Kondensators 67 negativer als die Speisespannung an der Speis^spannungszuleitung ist. Dadurch fließt zunächst ein starker Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 63 in den Kondensator 67 und schließlich ein geringerer Strom über den hochohmigen Widerstand 66. Der Strom für diesen ladungsausgleich fließt von der positiven Speisespannungszuleitung über die Parallelschaltung aus Transistor 63 und Widerstand 66 und über den Herz-Iastwiderstand Rj₁ zur positiven Speisespannungszuleitung zurück. Der Verlauf des Stimulations- und Wiederaufladestromes ist daher umgekehrt als der in Pig.. 5 dargestellte, doch fließen die gleichen symmetrischen Ströme über das Herz.

3 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der Ausgangsschaltung mit PNP-Transistoren dar. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 erfolgt auch hier die Stimulation durch Entladung des Kondensators 67» wenn der Basis des PNP-Transitors 80 und dem Widerstand 81 ein Triggerimpuls zugeführt wird. In diesem Palle ist der Triggerimpuls negativ.

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Der Kondensator 67 ladt sich zunächst auf seiner rechten Seite positiv auf. Ein Triggerimpuls an der Basis des Transistors 80 gestattet dann die Entladung, und zwar auf der positiven rechten Seite des Kondensators beginnend, über den Lastwiderstand Rr, die Emitter-Basis-Strecke des !Transistors 80, die Diode 68 und zurück zur linken Seite des Kondensators. Die sofortige Wiederaufladung erfolgt über einen Stromkreis, der bei der positiven Betriebsspannungszuleitung beginnt und IU,den Kondensator 67 und die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 82, der dann durchgesteuert wird, enthält. Die Restladung wird wieder über den hochohmigen Widerstand 66 zugeführt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 4- v/erden ebenfalls PHP-Transistoren verwendet. Hier erfolgt die Stimulation bei der Aufladung des Kondensators 67. Zur Aufladung wird der Basis des Transistors 80 ein negativer Impuls zugeführt, der den Transistor 80 durchsteuert und so die Aufladung des Kondensators 67 über den Transistor 80, die Diode 68, den Kondensator 67 und R-r ermöglicht. Dadurch wird der andere transistor gesperrt gehalten. Die linke Seite des Kondensators 67 ist positiv, liegt jedoch unterhalb des Potentials der Betriebsspannungszuführleitung, und zwar wegen des Strombegrenzungseffekts von Rj₁. Wenn der Transistor 80 gesperrt wird, wird der Transistor 82 leitend und die Ladung des Kondensators 67 über den Transistor 82 und Rj₁ ausgeglichen. Daher fließt unmittelbar nach der Stimulation des Herzens ein gleichgroßer (symmetrischer) Strom in entgegengesetzter Richtung wieder über das Herz.

Zusammenfassend wird also bei allen Ausführungsbeispielen der neuon Ausgangsschaltung für Organstimulatoren ein symmetrischer bzw» gleichgroßer Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem Stimulationsstromimpuls über das Herz oder ein anderes Organ geschickt.

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In allen Fällen wird der Gegenstrom sofort nach dem Stimulationsstrom innerhalb einer kurzen Zeitspanne zugeführt, die sehr viel kleiner als die Zeit zwischen natürlichen oder künstlichen Stimulationsimpulsen ist. Die Feststellung oder Erfassung des elektrischen Zustande des Herzens nach einer künstlichen Anregung wird dadurch erleichtert, weil das Herz sofort nach der Stimulation elektrisch staM-1 ist, da während der kritischen Peststell- bzw. Meßperiode kein Wiederaufladestrom fließt. Die natürlichen Depolarisationspotentiale des Herzens sind leichter feststellbar, und zwar wegen der hohen Impedanz der neuen Ausgangsschaltung .im Vergleich zu irgendeinem bekannten Stimulator. Die symmetrischen' Gegenströme verringern offenbar auch die Metallionenwanderung aus den Elektroden in das Gewebe in höherem Maße als irgendeine bislang angewandte Herzanregungsimpulsfolge.

Die neue Ausgangsschaltung kann nicht nur bei Schrittmachern vom Bereitschafts- oder Bedarfstyp sondern auch bei Schrittmachern mit fester Impulsfolgefrequenz und Stimulatoren für andere Organe verwendet werden.

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Claims (1)

1. 6693 Patentansprüche

   1J Elektrischer Organstimulator, gekennzeich- ^~^^ net durch eine Gleichstromquelle, einen an ein Organ anschließbaren Ausgangsanschluß und zwei hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit steuerbare Bauelemente, von denen das erste steuerbare Bauelement mit der Gleichstromquelle verbunden und derart angeordnet ist, daß es in seinem leitenden Zustand einen Strom über den Konden-

   * sator und das als Last v/irkende Organ, das an dem Anschluß angeschlossen ist, leitet, um den Anfangszustand der Ladung des Kondensators zu ändern und das andere steuerbare Bauelement während der Zeit, in der das eine Bauelement leitend ist, nichtleitend zu halten, und von denen das zweite steuerbare Bauelement an dem Kondensator angeschlossen ist und auf die Rückkehr des ersten steuerbaren Bauelements in seinen nichtleitenden Zustand dahingehend anspricht, daß es nichtleitend wird und den Anfangsladungszustand des Kondensators durch das Leiten eines Stroms über den Kondensator und das Organ, das an dem Anschluß angeschlossen sein kann, wiederherstellt.

   2. Stimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die steuerbaren Bauelemente Halbleiterbauelemente sind, von denen jedes einen Steueranschluß und Lastanschlüsse aufweist, wobei die Bauelemente mit ihren Lastanschlüssen in Reihe geschaltet sind, die' . eine Seite des Koppelkondensators mit einem zwischen den jeweiligen Lastanschlüssen liegenden Punkt und die andere Seite über den Ausgangsanschluß und das Organ mit dem anderen Pol der Gleichstromquelle verbunden ist.

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   , Stimulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die steuerbaren Bauelemente Sransistorvorrichtungen sind, die jeweils einen Steueranschluß und zwei Lastansohlüsse aufweisen, daß der eine Lästanschluß der zweiten Sransistorvorrichtung mit der Quelle und der andere mit der einen Seite der Diodenvorrichtung verbunden ist, daß die andere Seite der Diodenvorrichtung mit dem Lastansohluß der ersten Transistorvorrichtung und der andere Anschluß des anderen Transistors mit der Stromquelle verbunden ist und daß die eine Seite des Kondensators mit der Diodenvorrichtung und die andere Seite mit dem Ausgangsansohluß und über das Organ mit der Quelle verbunden ist.

   Stimulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Anschlüsse der Iransistorvorrichtungen jeweils ein Basis-, ein Emitter- und ein Kollektoransohluß sind, der Kollektor des zweiten Ü3ransistors mit dem einen Pol der Stromquelle und sein Emitter mit der Anode der Diodenvorriohtung verbunden ist, der Kollektor des ersten Transistors mit der Katode der Diodenvorrichtung und sein Emitter mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden ist, die eine Seite des Kondensators mit der Anode der Diodenvorrichtung und die andere Seite über den Ausgangsanschluß und das Organ mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die der ersten Transistorvorrichtung Triggersignale in einer Folge zuführen, die den gewünschten Reaktionen des Organs entspricht, so daß der erste Transistor den Kondensator soweit entlädt; daß dies zur .Stimulation dss Organs hinreichend ist, wonach die zv/eite Transistorvorrichtung leitend wird und den Kondensator auf seinen Anfangsv/ert wiedor.-auflädk.

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   5. Stimulator naoh Ansprach 3» dadurob gekennzeichnet , daß de Anschlüsse der Iransistorvorrichtungen jeweils ein Basis-, ein Emitter- und ein Kollektoranschluß sind, daß der Emitter des ersten Transistors mit dem einen Pol der Stromquelle und sein Kollektor mit der Anode der Diodenvorrichtung verbunden ist, daß der Emitter des zweiten Transistors mit der Katode der !Diodenvorrichtung und sein. Kollektor mit* dem anderen Pol der Stromquelle verbunden iat, daß die eine Seite des Kondensators direkt mit der Katode der Diodenvorrichtung und mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist, wobei die andere Seite des Kondensators über den Ausgangsanschluß und das Organ mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die der"ersten Iransistorvorrichtung Triggersignale in einer lolge zuführen, die den gewünschten Reaktionen des Organs entspricht, so daß der erste !Transistor den Kondensator soweit entlädt; daß die Entladung zur Stimulation des Organs hinreichend ist, wonach die zweite Transistorvorrichtung leitend wird und den Kondensator auf seine: Anfangsladung wieder-^auflädb.

   6. Stimulator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ' gekennzeichnet, daß eine hochohmige Widerstandsvorrichtung zwischen dem einen Pol der Stromquelle und dem Kondensator liegt und die Widerstandsvorrichtung den Strom weiterhin leitet, nachdem die zweite Transistorvorrichtung aufhört leitend zu sein, um die Aufladung des Kondensators auf seinen Anfangswert zu vervollständigen.

   7. Stimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Fühler zur Abtastung elektrischer Signale am Herzen, einen Taktimpulsgenerator, der einen liggerimpuls erzeugt, wenn der Fühler kein

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   natürliches Organsignal innerhalb einer vorbestimmten Zeit nach dem Auftreten des letzten Signales an dem Organ feststellt, wobei das erste steuerbare Bauelement bei Erhalt eines llriggerimpulses in den leitenden Zustand gesteuert wird und dadurch den Anfangsladungswert des Kondensators ändert.

   Re/K/Ho

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