DE2338540A1

DE2338540A1 - In einem herzschrittmacher verwendbarer impulsgenerator, der impulse mit konstanter energie erzeugt

Info

Publication number: DE2338540A1
Application number: DE19732338540
Authority: DE
Inventors: Wilson Greatbatch
Original assignee: Greatbatch Ltd
Current assignee: Greatbatch Ltd
Priority date: 1972-08-09
Filing date: 1973-07-30
Publication date: 1974-02-21
Also published as: CA1003047A; IL42784A; IL42784A0; GB1445426A; FR2195423B1; NL7310859A; DK145036B; FR2195423A1; DK145036C; AU472693B2; SE391129B; AU5837173A

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · DIpl.-I.i«j. H. BERK ENFOLD, Pateni Anlage Aktanzeichen

zur Eingabe vom 26. Juli 1973 VA// Name d. Anm. WILSON GREATBATCH LTD.

In einem Herzschrittmacher verwendbarer Impulsgenerator, der Impulse mit konstanter Energie erzeugt

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Impulsgeneratoren und insbesondere auf einen neuen und verbesserten Impulsgenerator, der Impulse mit konstanter Energie erzeugt, trotz einer Veränderung des elektrischen Eingangs zum Impulsgenerator.

Ein Verwendungsbereich der Erfindung ist ein medizinischer elektronischer Impulsgenerator für die Verwendung in einem künstlichen Herzschrittmacher, obwohl die Prinzipien der Erfindung in verschiedener Weise angewendet werden können. Die meisten durch eine Batterie betätigten Impulsgeneratoren haben früher Quecksilberbatterien verwendet, welche während ihrer Betriebsdauer eine verhältnismäßig konstante Spannung aufweisen. In letzter Zeit sind Batterien, wie zum Beispiel die Lithium-Jod-Zellen und thermoelektrische Kernbatterien entwickelt worden, welche durch eine aufgeladene Spannung gekennzeichnet sind, die während der Lebensdauer der Batterie allmählich abnimmt. Das Ende der Lebensdauer ist irgendein willkürlicher Zeitpunkt, in welchem die Batteriespannung unter einen afennehmbaren Wert absinkt, wie zum Beispiel das in einem künstlichen Herzschrittmacher annehmbare Niveau der Batteriespannung. Zu diesem Zeitpunkt weisen jedoch diese Batterien noch immer eine beträchtliche verbleibende Energiekapazität auf, .die ausgenützt werden könnte, wenn ein Mittel gefunden wür- " de, um sich der verringerten Spannung an«zupassen.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Ausbildung eines neuen und verbesserten elektrischen Impulsgenerators, welcher einen Ausgangsimpuls mit nahezu konstanter Energie erzeugt, trotz abnehmender Batteriespannung, wenn die Batterie erschöpft ist.

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ORKSMNAL INSPECTED

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Impulsgenerators, in welchem die zuletzt verbleibende chemische Batteriekapazität, die nur bei verringerter Spannung verfügbar ist, in einen nutzbaren Zustand umgewandelt wird, statt in der Batterie unbenutzt gelassen und verschwendet zu werden.

Noch eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Impulsgenerators, der eine genau zunehmende Impulsdauer erzeugt, wenn die Batteriespannung abnimmt, so daß der Zustand der Batterie durch Messung der Impulsdauer genau bestimmt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Impulsgenerators für die Verwendung in einem künstlichen Herzschrittmacher, der abgefragt werden kann, so daß der Sicherheitsfaktor des Systems zu irgendeinem Zeitpunkt leicht bestimmbar ist_e

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines neuen und verbesserten künstlichen Herzschrittmachers, der über die ganze zu erwartende Betriebsdauer der Batterie einen verhältnismäßig konstanten Sicherheitsfaktor des Systems gewährleistet.

Die Erfindung sieht einen elektrischen Impulsgenerator vor, der zum Beispiel in einem künstlichen Herzschrittmacher verwendet wird. Die vom Impulsgenerator erzeugten Ausgangsimpulse werden auf einer konstanten Energie gehalten,trotz Veränderungen der elektrischen Strommenge der Quelle, insbesondere wenn sich die Batterie der Erschöpfung nähert, so daß die Dauer der Ausgangsimpulse allmählich vergrößert wird, wenn deren Amplitude mit dem Altern der Batterie abnimmt. Wenn die Batteriespannung abnimmt, wird dies durch spannungsabhängige Mittel in dem die Impulse formenden Stromkreis erfai3t und bewirkt eine Veränderung in einer Komponente des RC-Gliedes des Impulsgenerators, wie zum Beispiel des Widerstandes oder des Kondensators in dem Stromkreis, um die Zeitkonstante des Stromkreises um einen erforderlichen Wert zu verändern, insbesondere zu erhöhen. Außerdem kann die vergrößerte

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Impulsdauer als eine Anzeige des Alterns der Batterie verwendet werden.

Die Erfindung betrifft daher einen Impulsgenerator zum Erzeugen von Impulsen, welche trotz abnehmender BatterieSpannung konstante Energie aufweisen. Ein.mit der Batterie gekuppelter Oszillator erzeugt Impulse, von denen jeder eine Amplitude aufweist, die zu der Batteriespannung proportional ist, sowie eine Dauer, die zu dem Widerstand eines aus Widerstand und Kondensator bestehenden RC-Gliedes proportional ist, das mit dem Oszillator verbunden ist. Wenn die Batteriespannung abnimmt, wird eine spannungsabhängige Schalteinrichtung wirksam, um den Widerstand des RC-Gliedes zu erhöhen, so daß die Dauer der Impulse vergrößert wird, um die Impulsenergie konstant zu halten. Der Impulsgenerator kann vorteilhaft in einen eingepflanzten künstlichen Herzschrittmacher verwendet werden, um anregende Ausgangsimpulse mit einer konstanten Energie zu erzeugen, wenn sich die Batterie der Erschöpfung nähert.

Die vorstehenden und zusätzliche Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen', in welchen zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines durch eine Batterie betätigten Impulsgenerators, bei welchem die Dauer der Ausgangsimpulse zu einem leicht bestimmbaren Stromkreisparameter proportional ist, und

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Impulsgenerators zum Erzeugen von Ausgangsimpulsen, welche gemäß der Erfindung konstante Energie au&reisen.

Fig. 1 zeigt einen Impulsgenerator 10, welcher ein Paar Ausgangsklemmen 11, 12 aufweist und welcher durch eine elektrische Stromquelle in der Form einer Batterie 15 betätigt wird_o Der Generator 10 erzeugt Ausgangsimpulse, welche parallel zu einer Belastung

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erscheinen, die mit den Klemmen 11, 12 verbunden ist, wie zum Beispiel einem Belastungswiderstand 16. Jeder Impuls weist eine Amplitude auf, die im wesentlichen der Ausgangsspannung der Batterie 15 gleich ist. Jeder Impuls weist eine Energie auf, die zu dem Produkt seiner Amplitude und seiner Dauer proportional ist. Wenn der Impulsgenerator 10 in einem künstlichen Herzschrittmacher verwendet wird, wird mindestens eine der Elektroden 11, 12 auf chirurgischem Wege in Berührung mit dem Herzen eines Patienten angeordnet. Insbesondere die Elektrode 12 wird auf chirurgischem Wege in Berührung mit der Herzkammer des Herzens des Patienten angeordnet. Die Elektrode 11, die als eine indifferente oder Bezugselektrode wirken kann, kann an einer anderen Stelle des Körpers des Patienten unter der Haut eingepflanzt werden. Die Elektrode 11 kann aber auch in Berührung mit dem Herzen des Patienten angeordnet werden,, Die Elektroden 11 und 12 sind mit dem Impulsgenerator 10 durch Leitungen oder Drähte verbunden, welche mit einem ¥ feuchtigkeitssicheren und für den menschlichen Körper reaktionsfreien Material, wie zum Beispiel Silicon oder*⁷ einem entsprechenden Kunststoff, umwickelt sind_o

Im Stroml&is der Figur 1 ist die positive Klemme der Batterie durch eine Leitung 18 mit der Ausgangsklemme 11 verbunden. Die negative Klemme der Batterie 15 ist durch den Kollektor-Emitterweg eines als Stromverstärker dienenden Transistors mit der Ausgangsklemme 12 gekuppelt. Insbesondere weist ein Transistor 20 eine Basisklemme 21, eine Kollektorklemme 22 und eine Emitterklemme 23 auf. Die Kollektorklemme 22 ist durch eine Leitung 24 mit der Ausgangsklemme 12 verbunden und die Emitterklemme 23 ist durch eine Leitung 25 mit der negativen Klemme der Batterie 15 verbunden.

Der Impulsgenerator 10 enthält ferner ein Paar Transistoren, welche verbunden sind, um einen komplementären positiven Rückkopplungsoszillator zu bilden. Insbesondere enthält der Oszillator einen ersten Transistor 28, welcher Basis-, Kollektor- und Emitterklemmen 29, 30 und 31 aufweist, und einen zweiten Transistor

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32, welcher eine Basisklemme 33 aufweist, die direkt mit der Kollektorklemme 30 des Transistors 28 verbunden ist, sowie eine Kollektorklemme 34 und eine Emitterklemme 35. Die Basisklemme 29 des Transistors 28 ist mit einer Klemme eines Widerstandes 37 verbunden, dessen andere Klemme mit dem Verbindungspunkt eines Paares von Widerständen 39, 40 verbunden ist, welche ein Spannungsteilernetz 'bilden, das parallel zur Batterie 15 zwischen der Leitung 18 und der Leitung 25 eingeschaltet ist. Die Emitterklemme 31 des Tranlstors 28 ist durch eine Leitung 41 mit dem-Verbindungspunkt eines Paares von in Reihe geschalteten Widerständen 43, 45 verbunden, welche ein Spannungsteilernetz bilden, das zwischen der Kollektorklemme 34 des Transistors 32 und der Leitung 25 eingeschaltet ist. Die Emitterklemme 35 des Transistors 32 ist durch eine Leitung 50 direkt mit der Leitung 18 verbunden. Die Kollektorklemme 34 ist auch mit einer Klemme eines Kondensators 53 ver-.bunden, dessen andere Klemme mit der Basisklemme 29 des Transistors 28 verbunden ist, und die Kollektorklemme 34 ist ferner über einen Widerstand 35 mit der Basisklemme 21 des Transistors 20 verbunden.

Der Impulsgenerator 10 enthält schließlich einen Schalttransistor 6β, welcher bestimmt, ob sich der Kondensator 53 in einem aufladenden oder entladenden Zustand befindet. Insbesondere weist der Transistor 60 Basis-, Kollektor- und Emitterklemmen 61, 62 und 63 auf. Die Basisklemme 61 ist über einen Widerstand 65 mit der Kollektorklemme 34 des Transistors 32 verbunden. Die Emitterklemme 63 ist direkt mit der Leitung 25 verbunden und die Kollektorklemme 62 ist mit der Kathode einer Diode 65 verbunden, deren Anode übier einen Widerstand 67 mit dem Kondensator 53 und mit der Basisklemme 29 des Transistors 28 verbunden ist.

Der Stromkreis der Figur 1 wirkt in der folgenden Weise:

Die Batterie 15 hat eine Spannung von 3 Volt und die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 11, 12 beträgt entweder ungefähr +3 V oder 0 V, je nachdem, ob der Transistor 20 leitend oder nichtlei-

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tend ist. Die Transistoren 28 und 32 sind von komplementärer Art, das heißt der Transistor 28 ist ein NPN-Transistor und der Transistor 32 ist ein PHP-Transistor. Wenn daher der Transistor 28 zu leiten beginnt, beginnt der Transistor-32 ebenfalls zu leiten, wie für den Fachmann leicht erkennbar ist. Wenn angenommen wird, daß der Transistor 28 anfänglich nicht leitend ist, ist der Transitor 20 ausgeschaltet und es findet kein Stromfluß durch eine Belastung statt, die mit den Ausgangsklemmen 11, 12 verbunden ist. Demgemäß ist die Spannung parallel zu den Klemmen 11, 12 gleich 0 V. Der Kondensator 53 beginnt sich über den Widerstand 32 auf einen Wert positiv aufzuladen, der dem Basis-Emitterspannungsabfall des Transistors von etwa 0,5 V gleich ist, und während einer Zeit, welche ungefähr dem Produkt des Wertes des Widerstands 37 und der Kapazität des Kondensators 53 entspricht, ausgedrückt in Sekunden. Wenn ein Wert von 2 Megohm für den Widerstand 37 und eine Kapazität von 0,47 Mikrofarad für den Kondensator 53 angenommen wird, beträgt diese Zeit ungefähr eine Sekunde. Zu dem Zeitpunkt, in dem die Spannung am Kondensator 53 +0,5 V beträgt, beginnt der Transistor 28 zu leiten, was den Transistor 32 zur Sättigung bringt, welcher seinerseits den Schalttransistor 60 zur Sättigung bringt. Infolgedessen werden alle Elemente des Transistors 32 nahezu auf die positive Spannung der Batterie 15 gebracht, die 3 V beträgt, und beide Seiten des Kondensators 53 steigen um die Batterie spannung von 3 V an. Dadurch wird der Transistor 20 eingeschaltet, was einen Stromfluß zwischen den Ausgangsklemmen 11, 12 zum Beispiel durch den Belastungswiderstand 16 ermöglicht, und die Spannung parallel zu den Klemmen 11, 12 steigt auf die Spannung der Batterie 15 an, die 3 V beträgt. ' Da beide Seiten des Kondensators 53 um 3 V ansteigen, beträgt die Spannung an der Basisklemme 29 des Transistors 28 +3,5 V. Der Kondensator 53 beginnt nun, sich über den Widerstand 67, die Dio*- de 65 und den Kollektor-Emitterweg des gesättigten Transistors 60 zu der negativen Klemme der Batterie 15 zu entladen, was den Abfall der Spannung an der Basisklemme 29 des Transistors 28 bewirkt. Während der Entladung wird die Spannung an der Emitterklemme 31 des Transistors 28 durch die Spannungsteilerwirkung der

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Widerstände 43 und 45 auf etwa +1 V gehalten. Wenn die abnehmende Spannung an der Basisklemme 29 des Transistors 28 einen Wert unter etwa +1,5 V erreicht, mit anderen Worten die -Spannung an der Emitterklemme 31 plus dem Basis-Emitter-Spannungsabfall von 0,5 V, wird der Transistor 28 nahezu ausgeschaltet. Infolgeddessen wird der Transistor 32.ebenfalls nahezu ausgeschaltet und der Transistor 20 hört auf zu leiten, so daß der Stromfluß durch die Belastung zwischen den Ausgangsklemmen 11, 12 zum Stillstand kommt. Dieser Zeitpunkt entspricht dem Ende des Ausgangsimpulses, wenn die Spannung auf Null abnimmt.

Die Impulsdauer ist daher der im vorliegenden Fall erforderlichen Entladungszeit gleich. Wenn für den Widerstand 67 ein Wert von 850 Ohm angenommen wird, beträgt die Entladungszeit und demgemäß die Impulsdauer etwa 0,42 Millisekunden. Wenn der Wert des Widerstandes 67 zwei k-Ohm wäre, würde die Entladungszeit etwa 1,0 MHiSekunden betragen. Wenn die Transistoren 28 und 32 ausgeschaltet werden, verändern sich die Spannungen an der Emitterklemme 31 des Transistors. 28 und an der Kollektorklemme 34 des Transistors 32 plötzlich auf 0 V. Wenn die Spannung an der Kollektorklemme 34 0 V beträgt, wird der Transistor 60 ausgeschaltet. Die Spannung am Kondensator 53 kann sich jedoch nicht plötzlich verändern, und wenn der Transistor 60 nunmehr nicht-leitend ist, kann sich der Kondensator 53 nicht mehr über den Widerstand 67 und die Diode 65 entladen. Der Kondensator 53 trachtet daher, sich über die Widerstände 43 und 45 zu entladen, was bewirkt, daß die Spannung an der Basisklemme 29 des Transistors 28 in negativer Richtung um 3 Volt .auf einen Wert von -1,5 V abnimmt. An diesem Punkt wiederholt sich der vorhergehende Vorgang. Während eines Arbeitsganges, der einen Ausgangsimpuls erzeugt, sind daher die Schwankungen der Spannung an der Basisklemme 29 wie folgt: Beginn der Auefladung -1,5 V, Ende der Aufladung +0,5 V, Beginn der Entladung +3,5 V, Ende der Entladung +1,5 V. Entsprechend dem vorstehenden Beispiel beträgt die Dauer jedes Impulses etwa 0,42 Milüeekunden und die Zeit zwischen den Impulsen etwa 1,0 Millisekunden.

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Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen wird bestimmt, daß die Dauer der Ausgangsimpulse dem Produkt des Wertes des Widerstandes 67 und der Kapazität des Kondensators 53 nahezu direkt proportional ist, welche zusammen ein RC-Glied bilden, das mit dem Oszillator des Stromkreises der Figur 1 verbunden ist, um die Impulsdauer zu regeln. Wenn der Wert der Widerstandskomponente des RC-Gliedes während Zeiten hoher Batteriespannung verringert und dann erhöht, das heißt wieder auf den ursprünglichen Wert zurückgebracht werden kann, wird gemäß der Erfindung bestimmt, daß die Impulsdauer zunimmt, wenn die Batteriespannung abnimmt, wcdurch die Impulsenergie konstant gehalten wird.

In Fig. 2 ist ein Impulsgenerator 70 zum Erzeugen von Ausgangsimpulsen dargestellt, welche gemäß der Erfindung konstante Energie aufweisen. Der Impulsgenerator 70 ist mit einem Paar Ausgangsklemmen 71, 72 versehen. Wenn der Impulsgenerator 70 in einem künstlichen Herzschrittmacher verwendet wird, wird mindestens eine der Elektroden auf chirurgischem Wege in Berührung mit dem Herzen eines Patienten angeordnet. Die Elektrode 72 wird beispielsweise auf chirurgischem Wege in Berührung mit der Herzkammer des Herzens des Patienten angeordnet. Die Elektrode 71, die als eine indifferente oder Bezugselektrode wirken kann, wird an einer anderen Stelle des Körpers des Patienten unter der Haut eingepflanzt oder ebenfalls auf chirurgischem liege in Berührung mit dem Herzen des Patienten angeordnet. Die Elektroden 71, 72 sind mit dem Impulsgenerator 70 durch Leitungen oder Drähte verbunden, welche mit einem feuchtigkeitsdichten und für den menschlichen Körper reaktionsfreien Material, wie zum Beispiel Silicon oder einem entsprechenden Kunststoff, umwickelt sind. Eine elektrische Stromquelle in der Form einer Batterie 73 ist vorgesehen und die positive Klemme derselben ist durch eine Leitung 74 mit der Ausgangsklemme 71 verbunden. Die negative Klemme der Batterie 73 ist mit der Ausgangsklemme 72 gekuppelt durch den Kollektor-Emitterweg eines als Stromverstärker dienenden Transistors 76, der Basis-, Kollektor- und Emitterklemmen 77, 78 und 79 aufweist. Die Kollektorklemme 78 ist durch eine Leitung 80 mit der Ausgangsklemme 72 verbunden und die Emitterklemme 79 ist durch eine Leitung 82 mit

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der negativen Klemme der Batterie 73 verbunden.

Wie im Stromkreis der Figur 1 enthält der Impulsgenerator 70 einen komplementären positiven Rückkopplungsoszillator, der aus einem NPN-Transistor 84 besteht, welcher Basis-, Kollektor- und 33 Emitterklemmen 85, 86 und 87 aufweist, und aus einem PNP-Transistor 90, v/elcher eine Basisklemme 91 aufweist, die direkt mit der Kollektorklemme 86 des Transistors 84 verbunden'ist, sowie eine Kollektorklemme 92 und eine Emitterklemme 93. Die Basisklemme 85 des Transistors 84 ist mit einer Klemme eines Widerstandes 95 verbunden, dessen andere Klemme mit dem Verbindungspunkt eines Paares von Widerständen 97, 98 verbunden ist, welche ein Spannungsteilernetz bilden, das zwischen den Leitungen 74 und 82 zu der Batterie 73 parallel geschaltet ist. Die Emitterklemme 87 des Transistors 84 ist durch eine Leitung 100 mit dem Verbindungspunkt eines Paares in Reihe geschalteter Widerstände 102, 103 verbunden, welche ein Spannungsteilernetz bilden, das zwischen der Kollektorklemme 92 des Transistors 90 und der Leitung 82 eingeschaltet ist. Die Emitterklemme 93 des Transistors 90 ist durch eine Leitung 105 direkt mit der Leitung 74 verbunden,, Die Kollektorklemme 92 ist auch mit einer Klemme eines Kondensators 108 verbunden, dessen andere Klemme mit der Basisklemme 85 des Transistors 84 verbunden ist, und die Kollektorklemme 92 ist ferner über einen Widerstand 110 mit der Basisklemme 77 des Transistors 76 verbunden.

Der Impulsgenerator 70 enthält außerdem Schalttransistoren, welche bestimmen, ob sich der Kondensator 108 im Aö# aufladenden oder entladenden Zustand befindet. Insbesondere weist ein erster Schalttransistor e 115 Basis-j Kollektor- und Emitterklemmen 116, 117 und 118 auf, wobei die Basisklemme 116 über einen Widerstand 120 mit der Kollektorklemme 92 des Transistors 90 verbunden ist_o Die Emitterklemme 118 ist direkt mit der Leitung 82 verbunden und die Kollektorklemme 117 ist mit der Kathode einer Diode 122 verbunden, deren Anoa?de über einen Widerstand 124 mit dem Kondensator 108 und mit der Basisklemme 85 des Transistors 84 verbunden ist. Es ist noch ein zweiter Schalttransistor 126 vorgesehen, welcher Basis-, Kollektor- und Emitterklemmen 127, 128 und 129

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aufweist. Die Emitterklemme 129 ist direkt mit der Leitung 82 verbunden und die Kollektorklemme 128 ist mit der Kathode einer Diode 130 verbunden, deren Anode über einen Widerstand 132 mit dem Kondensator 108 und der Basisklemme 85 des Transistors 84 verbunden ist. Der Impulsgenerator 70 enthält schließlich spannungsabhängige Einrichtungen, welche mit der Basisklemme 127 des Transistors 126 und über den Transistor 90 mit der Batterie 73 verbunden sind. Insbesondere ist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Zekner-Dioden 134 vorgesehen, im vorliegenden Falle vier Dioden» Die Kathode der Diode an einem Ende der Reihenkombination ist durch eine Leitung 136 mit der Basisklemme 127 des Transistors 126 verbunden. Die Basisklemme 127 ist auch über einen Widerstand 137 mit der Leitung 82 verbunden. Die Anode der Diode am entgegengesetzten Ende der Reihenkombination ist über einen Widerstand 138 und eine Leitung 139 mit der Kollektorklemme 92 des Transistors 90 verbunden.

Der Oszillator des Impulsgenerators der Figur 2 erzeugt Ausgangsimpulse, von denen jeder eine Energie aufweist, die zu dem Produkt der ersten und zweiten Impulsparameter in der Form der Impulsamplitude bzw, der Impulsdauer proportional ist. Der erste Impulsparameter, das heißt die Impulsamplitude, ist zu einem Parameter der elektrischen Stromquelle proportional, welcher im vorliegenden Beispiel die Spannung der Batterie 73 ist. © Tatsächlich ist die Impulsamplitude gleich dem Quadrat der Impulsspannung geteilt durch den Wert des Belastungswiderstandes, wobei die Impuls spannung im wesentlichen gleich der Spannung der Batterie 73 ist. Der Kondensator 108 und die Widerstände 124, 132 bilden ein RC-Glied, das mit dem Oszillator verbunden ist und die Größe des zweiten Ausgangsimpulsparameters regelt, welcher die Impulsdauer ist. Die Widerstände 124 und 132 bilden zusammen eine Komponente des RC-Gliedes, welche eine wahlweise veränderliche Größe aufweist, und der zweite Ausgangsimpulsparameter, das heißt die Impulsdauer, ist zu. der Größe dieser Komponente proportional. Der Schalttransistor 126 und die Zener-Dioden 134 bilden eine Regeleinrichtung, welche mit der elektrischen Stromquelle, das heißt

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mit der Batterie 73 verbunden ist, wenn der Transistor 90 eingeschaltet ist, sowie mit dem RC-Glied zur Veränderung der Größe der Komponente entsprechend der Veränderung der Größe des Parameters der elektrischen Stromquelle, das heißt der Spannung der Batterie 73. Infolgedessen wird der zweite Ausgangsiiüpulsparameter, das heißt die Impulsdauer, verändert, so daß die Energie der Ausgangsimpulse konstant gehalten wird.

Der Stromkreis der Figur 2 wirkt in der folgenden Weise:

Die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 71, 72 beträgt entweder etwa +3 V, was der Spannung der Batterie 73 entspricht, oder 0 V, je nachdem ob der Transistor 76 leitend oder nichtleitend ist. Die Transistoren 84 und 90 sind von komplementärer Art, das heißt der Transistor 84 ist ein NPN-Transistor und der Transistor 90 ist ein PNP-Transistor. Wenn daher der Transistor 84 leitet, dann beginnt der Transistor 90 ebenfalls zu leiten. Wenn angenommen wird, daß der Transistor 84 anfänglich nicht leitet, ist der ., Transistor 76 ausgeschaltet und die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 71, 72 beträgt 0 V. Der Kondensator 108 beginnt sich aus der Batterie 73 über den Widerstand 95 auf einen Wert positiv aufzuladen, der dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 84 von etwa 0,5 V |j.eich ist, und in einer Zeit, welche durch das Produkt des Wertes des Widerstandes 95 und der Kapazität des Kondensators 108 bestimmt wird, ausgedrückt in Sekunden. Wenn der Widerstand 95 einen Viert von etwa 2 Megohm und der Kondensator 108 eine Kapazität von etwa 0,47 Mikrofarad aufweist, beträgt diese Zeit ungefähr eine Sekunde_o Wenn der Wert von 0,5 V erreicht ist, leitet der Transistor 84, wodurch der Transistor 90 zur Sättigung gebracht wird mit dem Ergebnis, daß alle Elemente des Transistors 9Ö nahezu auf die positive Spannung der Batterie 73, das heißt 3 V, gebracht werden und beide Seiten des Kondensators 108 um 3 V ansteigen. Dadurch wird der Transistor 76 eingeschaltet und die Spannung parallel zu den Klemmen 71, 72 steigt auf 3 V an. •Da beide Seiten des Kondensators 108 um 3 V ansteigen, beträgt die Spannung an der Basisklemme 85 des Transistors 84 + 3,5 V.

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Der Kondensator 108 beginnt sich dann über einen Weg zu entladen, welcher gemäß der Erfindung in der folgenden Weise geregelt wird.

Die Basisklemme 116 des Schalttransistors 115 ist über den Widerstand 120 direkt mit der Kollektorklemme 92 des Transistors 90 verbunden. Wenn der Transistor 90 gesättigt ist, sind alle Elemente desselben nahezu auf die positive Spannung der Batterie 73 gebracht und daher ist der Schalttransistor 115 bei allen Werten der normalen Batteriespannung gesättigt. Wenn die Spannung der Batterie 73 hoch ist, das heißt auf oder nahe dem maximalen Wert von 3 V, sind beide Schalttransistoren 115, 126 gemeinsam gesättigt und der Kondensator 108 weist zwei Entladungswege auf, den einen über den Widerstand 124 und den anderen über den Widerstand 132. Wenn daher die Spannung der Batterie 73 hoch ist, ist die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators 108 zu der Größe des Widerstandes der parallelen Kombination der Widerstände 124 und 132 proportional. Infolgedessen ist die Zeitdauer der Ausgangsimpulse zu der Größe des Widerstandes der parallelen Kombination der Widerstände 124 und 132 proportional. Insbesondere die Basisklemme 127 des Schalttransistors 126 wird zunächst durch die Reihenkombination der Zener-Dioden 134 angetrieben, welche über den Widerstand 138 mit der Kollektorklemme 92 des Transistors 90 verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Zener- Dioden 134 einen kombinierten Spannungsabfall von etwa 2 V auf. Wenn der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 126 addiert wird, bedeutet dies, daß nur eine Batteriespannungsamplitude und demgemäß Ausgangsimpulsspannungen von mehr als 2,5 V den Schalttransistor 126 sättigen werden. Wenn daher die Spannung der Batterie 73 unter den Wert von 2,5 V absinkt, wird der Schalttransistor 126 immer weniger wirksam. Bei einer Batteriespannung von 2,2 V ist der Schalttransistor 126 nicht mehr gesättigt und der Kondensator 108 wird sich nicht über den Widerstand 132 entladen. Mit anderen Worten, der Entladungsweg über den Widerstand 132 wird durch die Tätigkeit der Regeleinrichtung blockiert, die aus dem Schalttransistor 126 und den Zener-Dioden 134 besteht. Der Kondensator 108 hat dann nur einen Entladungsweg über den Wider-

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stand 124. Die Impulsdauer, die zu der Größe des Widerstandes proportional ist, nimmt zu, da die Größe des Widerstandes der parallelen Kombination der Widerstände 124, 132 kleiner ist als die Größe jedes Widerstandes allein. Während gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Widerstandskomponente des RC-Gliedes verändert wird, um die Impulsdauer zu verändern, könnte die Kapazitätskomponente verändert werden, um die Impulsdauer zu verändern, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Gemäß einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung hat der Widerstand 124 einen Wert von 2.000 Ohm und der Widerstand 132 einen Wert von 1.500 0hm. Die parallele Kombination der Widerstände 124, 132 hat daher einen Wert von etwa 850 0hm. Da der Kondensator 108 eine - Kapazität von 0,47 Mikrofarad aufweist, ergibt dies eine Zeitkonstante und demgemäß eine Impulsdauer von etwa 0,42 Millisekunden, wenn sich der Kondensator 108 über beide Widerstände 124, 132 entlädt. Wenn die Spannung der Batterie 73 auf 2,2 V abnimmt, so daß der Transistor 126 ausgeschaltet wird, entlädt sich der Kondensator 108 nur über den Widerstand 124 mit einer Zeitkonstante von 1,0 Millisekunden. Wenn daher die Spannung der Batterie 73 von ihrem Anfangswert auf 2,2 V abnimmt, nimmt die Dauer der Ausgangsimpulse von 0,4 Millisekunden auf 1,0 Millisekunden zu und die Energie der Impulse bleibt verhältnismäßig konstant.

Die Impulsenergie ist gleich dem Produkt der Impulsleistung und der Impulsdauer. Die Impulsleistung ist gleich dem Quadrat der Impulsspannung, geteilt durch die Größe des Belastungswiderstandes. Wenn ein konstanter Belastungswiderstand angenommen wird, nimmt die Impulsenergie proportional zum Quadrat der Impulsspannung ab. Wenn daher die Impulsdauer gemäß der Erfindung automatisch um einen Betrag vergrößert wird, der gleich dem Quadrat der Abnahme der Impulsspannung ist, kann die Impulsenergie verhältnismäßig konstant gehalten werden, sogar beim Vorhandensein einer abnehmenden Batteriespannung.

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Die Spannung einer typischen Lithium-Jod-Zelle nimmt beispielsweise von 2,8 V bis zum nominellen Ende der Lebensdauer auf 2,2 V ab. Die Abnahme um 0,6 V beträgt etwa 22 % und um eine konstante Energie aufrecht zu erhalten, muß die Impulsdauer um etwa 64 % vergrößert werden. Gemäß einem anderen Beispiel sei angenommen, daß die Werte des Kondensators 108 und der Widerstände 124, 132 des RC-Gliedes im Stromkreis der Figur 2 so gewählt sind, daß die Dauer der erregenden Impulse von 0,8 Millisekunden am Beginn der Batterielebensdauer auf 1,3 Millisekunden am Ende der Batterielebensdauer vergrößert wird. Wenn ein Belastungswiderstand von 500 OHm angenommen wird, der za den Klemmen 71, 72 parallelgeschaltet ist, und Werte von 2,8 V und 2,2 V für den Beginn bzw. das Ende der Lebensdauer der Batterie, zusammen mit den vorstehend erwähnten Werten der Impulsdauer, kann berechnet werden, daß die Impulsenergie am Beginn und am Ende der Batterielebensdauer auf einem Wert von 12,5 Mikrojoule verhältnismäßig konstant bleibt» Der Impulsgenerator gemäß der Erfindung erzeugt daher einen Ausgangsimpuls mit nahezu konstanter Energie trotz abnehmender Batteriespannung,wenn die Batterie erschöpft ist. Die zuletzt verbleibende chemische Kapazität der Batterie, die nur bei verringerter Spannung verfügbar ist, wird in einen nutzbaren Zustand umgewandelt, statt in der Batterie unbenutzt gelassen und verschwendet zu werden. Die Impulsenergie wird aber nicht nur über den Bereich der Betriebsdauer der Batterie verhältnismäßig konstant gehalten, sondern der Impulsgenerator gemäß der Erfindung dehnt die Betriebsdauer der Batterie auf Spannungsniveaus aus, die um etwa 25 % niedriger sind als jene, die ohne die Erfindung erzielt werden könnten.

In dem Stromkreis gemäß der Erfindung besteht eine genaue und wiederholbare Beziehung zwischen der Impulsdauer und der Batteriespannung. Ein normales Oszilloskop kann mit dem Körper eines Patienten in der gleichen Weise verbunden werden wie eine elektrokardiographische Apparatur, um die Impulsdauer eines eingepflanzten Herzschrittmachers direkt abzulesen, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Das Altern der Batterie des Herzschrittmachers kann daher von der Außenseite des Körpers überwacht werden, indem

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der Impuls mit einem Oszilloskop direkt beobachtet wird. Ebenso kann eine Messung der Impulsdauer eines Impulsgenerators gemäß der Erfindung in einer durch eine Batterie betätigten Raumkapsel oder einer anderen entfernt angeordneten Einrichtung eine genaue Information über den Zustand der Batterie liefern, möglicherweise von Impulsen, die in dem normalen Fernmeßverfahren verwendet werden, und ohne zusätzliche Instrumente.

Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur Überprüfung des Sicherheitsfaktors des Systems vorgesehen, welche den die Impulsdauer verlängernden Stromkreis durch ein entfernt zur Einwirkung kommendes Abfragesignal vorübergehend ausschaltet, um die Energie des erzeugten Impulses vorübergehend zu verringern, indem der anfängliche Zustand der Dauer des Impulses wiederhergestellt wird. Wie Fig. 2 zeigt, ist ein gewöhnlich offener Schalter 142 zu der Kombination der Zener-Dioden 134 durch die Leitungen 144 und 146 parallelgeschaltet. Wenn der Impulsgenerator 70 als ein eingepflanzter künstlicher Herzschrittmacher verwendet wird, kann der Schalter 142 ein Zungenschalter sein, der von der Außenseite des Körpers betätigt wird. Solche Schalter und deren Wirkungsweise sind dem Fachmann bekannt. Wenn der Schalter 142 geschlossen ist, um die Kombination der Zener-Dioden 134 kurzzuschließen, dient dies zum Abfragen des Systems. Wenn der Patient den Schrittmacher genau weiterverfolgt, selbst wenn die Impulsdauer durch die Schließung des Schalters 142 vorübergehend verkürzt wird, kann der Sicherheitsspielraum des Patienten als ausreichend angesehen "werden, um ihn bis zur nächsten Überprüfungsperiode zu sichern. Falls der Patient jedoch den Schrittmacher nicht genau verfolgt, wenn die Impulsdauer durch Betätigung des Schalters 142 verringert wird, dann kann sein Sicherheitsspielraum als ungenügend genug angesehen werden, um eine neuerliche Auswertung des Schrittmachers zu rechtfertigen. Der Schalter 142 kann auch aus einem bipolaren oder Feldeffekttransxstor bestehen, der kurzzeitig durch einen entfernten Hochfrequenzsender aktiviert wird, wie in der amerikanischen Patentanmeldung Nr. 47198 vom 18. Juni 1970 beschrieben ist.

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Der Stromkreis gemäß der Erfindung kann einen Ausgangskupplungskondensator enthalten oder nicht, der zu der Leitung 80 der Figur 2 oder zu der Leitung 24 der Figur 1 in Reihe geschaltet ist. Während solche Kondensatoren in Herzschrittmacherstromkreisen gewöhnlich vorhanden sind, sind sie für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich und sind daher zur Vereinfachung der Beschreibung weggelassen worden.

Ein künstlicher Herzschrittmacher gemäß der Erfindung gewährleistet einen verhältnismäßig konstanten Sicherheitsfaktor des Systems während der ganzen zu erwartenden Betriebsdauer der Batterie. Bei bestimmten Patienten kann eine zufällige· Verschiebung ihres Herzschrittmachers einen abnormal hohen physiologischen Schwellenwert der Elektrode erzeugen. Ein solcher Schwellenwert kann innerhalb der ursprünglichen Kapazität des Schrittmachers liegen, kann aber bei einem nur geringen Absinken der Batteriespannung zu einem Randwert werden. Ein solcher Patient brauchte bisher eine neuerliche Operation, lange bevor die normalerweise zu erwartende Betriebsdauer des Schrittmachers abgelaufen war. Mit einem Schrittmacher gemäß der Erfindung braucht ein solcher Patient keine neuerliche Operation vor dem normalerweise geplanten, wahlweisen Austauschdatum. Mit anderen Worten, gemäß der Erfindung bleibt der Sicherheitsfaktor des Systems während der ganzen Betriebsdauer des künstlichen Schrittmachers verhältnismäßig konstant, wenn ein hoher, aber unveränderlicher physiologischer Schwellenwert angenommen wird.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt, die verschiedene Abänderungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche

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Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD · D:pl.-lng. H. BERKEKFCLD, Patentanwälte, Köln

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 26. Juli 1973 VA// Name d. Anm. WILSON GREATBATCH LTD.

PATENTANSPRÜCHE

1. Herzschrittmacher, gekennzeichnet

a) durch eine Batterie,

b) durch einen Oszillator, der mit der Batterie gekuppelt ist, um Ausgangsimpulse zu erzeugen, von denen jeder eine Energie aufweist, die zu dem Produkt der Amplitude und der Dauer desselben proportional ist, wobei die Amplitude jedes Impulses zu der Spannung der Batterie proportional ist,

c) durch ein RC-Glied, das mit dem Oszillator verbunden ist und das die Größe der Impulsdauer regelt, wobei das RC-Glied eine Komponente enthält, welche eine wahlweise veränderliche Größe aufweist, und wobei die Impulsdauer zu der Größe dieser Komponente proportional ist,

d) durch eine Regeleinrichtung, welche mit der Batterie und mit dem RC-Glied verbunden ist, um die Größe der Komponente entsprechend einer Abnahme der Spannung der Batterie zu verändern zwecks Vergrößerung der Dauer der Ausgangsimpulse, um die Energie der Impulse konstant zu halten, und

e) durch ein Paar Ausgangsklemmen, die mit dem Oszillator verbunden sind, wobei mindestens eine derselben mit dem Herzen eines Patienten wirksam gekuppelt v/erden kann.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente aus der Widerstandskomponente eines RC-Gliedes besteht, das durch einen zu einem Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand gebildet wird, und daß die Regeleinrichtung aus einem Schalter zur Regelung dsr Größe der Widerstandskomponente besteht.

Herzschrittmacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskomponente aus einem Paar von Zweigwiderständen besteht, die parallelgeschaltet sind, und daß der Schalter spannungsabhängig ist und die Ausschaltung eines Zweigwider-

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Standes bewirkt, wenn die Spannung der Batterie auf einen vorherbestimmten Wert abnimmt.

4. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied aus einem Kondensator besteht, der mit dem Oszillator verbunden ist, aus einem ersten Widerstand, der mit dem Kondensator verbunden ist,- und einen Entladungsweg für den Kondensator bildet, und aus einem zweiten Widerstand, der mit dem Kondensator verbunden ist, sowie daß die Regeleinrichtung aus einem spanneungsabhängigen Schalter besteht, der mit dem zweiten Widerstand verbunden ist und gewöhnlich ermöglicht, daß der zweite Widerstand einen zweiten Entladungsweg für den Kondensator bildet, bzw. den zweiten Entladungsweg blockiert, wenn die Spannung der Batterie auf einen vorherbestimmten Wert abnimmt.

5. Herzschrittmacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung besteht:

a) aus einem Halbleiterschalter, der in Regelbeziehung zu dem zweiten Widerstand steht, und

b) aus Zener-Dioden, die in Regelbeziehung zu der Batterie und zu dem Schalter stehen.

6. Herzschrittmacher nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen gewöhnlich offenen Schalter, der zu den Zener-Dioden parallelgeschaltet ist und der in geschlossenem Zustand bewirkt, die Regeleinrichtung vorübergehend unwirksam zu machen, wodurch die Dauer der Ausgangsimpulse vorübergehend auf den Wert vor der Betätigung der Regeleinrichtung zurückgeführt wird.

7. Impulsgenerator, gekennzeichnet

a) durch eine elektrische Stromquelle,

b) durch einen Oszillator, der mit der Stromquelle verbunden ist, um Ausgangsimpulse zu erzeugen, von denen jeder eine Energie aufweist, die zu dem Produkt der ersten und zweiten Impulsparameter proportional ist, wobei de:;"" erste Impulspa-

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rameter zu einem elektrischen Parameter der Stromquelle proportional ist,

c) durch ein RC-Glied, das mit dem Oszillator.verbunden ist und die Größe des zweiten Ausgangsimpulsparameters regelt, wobei das RC-Glied eine Komponente enthält, die eine wahlweise veränderliche Größe aufweist, und der zweite Ausgangsimpulsparameter zu der Größe dieser Komponente proportional ist, und

d) durch eine Regeleinrichtung, die mit der Stromquelle und dem RC-Glied verbunden ist, um die Größe der Komponente zu verändern entsprechend Veränderungen der Größe des elektrischen Parameters der Stromquelle, wodurch der zweite Ausgangsimpulsparameter verändert wird, um die Energie der Impulse konstant zu halten.

8. Impulsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ausgangsimpulsparameter die Amplitude bzw. die Dauer sind, und daß die Komponente des RC-Gliedes die Widerstandskomponente eines RC-Gliedes bildet, das aus einem zu einem Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand besteht.

9. Impulsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskomponente aus einer Vielzahl von Widerständen besteht und daß die Regeleinrichtung aus einem Schalter zur Regelung der Anzahl der die Widerstandskomponente bildenden Widerstände besteht, welche durch die Größe des elektrischen Parameters der Stromquelle bestimmt wird.

10. Impulsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromquelle aus einer Batterie besteht und daß der elektrische Parameter der Stromquelle die Spannung ist, daß die Widerstandskomponente aus einem Paar von Zweigwiderständen besteht, die mit dem Kondensator des RC-Gliedes verbunden sind, sowie daß der Schalter spannungsabhängig ist und die Ausschaltung eines Zweigwiderstandes bewirkt, wenn die Spannung der Batterie auf einen vorherbestimmten Wert abnimmt.

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