DE2061182A1 - Bifunktioneller bedarfsgesteuerter Herzschrittmacher - Google Patents

Description

Priorität; 15. Dez. 1969; V. St. A.; Hr. 884 825

Die Erfindung bezieht sieh auf Herzschrittmacher und insbesondere auf bedarfsgesteuerte Herzschrittmacher für solche Patienten, die an Vorhofbradykardie und an unvorhersehbarer AV-Blockierung (Atrium-Ventrikel-Blockierung) leiden.

Die elektrische Aktivität eines normalen Herzens beginnt mit einem Nervenimpuls, der durch ein in dem Sinusknoten befindliches Faserbündel erzeugt wird. Der Impuls breitet sich über die beiden Vorhöfe aus, während diese sich zusammenziehen und den Blutfluß in die unter ihnen befindlichen Herzkammern beschleunigen. Die Vorhofaktivität des Herzens entspricht der P-Zacke des EKG. Der elektrische Impuls breitet sich weiter aus bis zu dem Vorhofknoten, der seinerseits die linke und rechte Herzkammer stimuliert. Üblicherweise verstreicht eine Zeitspanne von 120-160 msek zwischen der Vorhofstimulation und der Herzkammerstimulation. Die Herz-

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kammeraktivität entspricht dem QRS-Signal des EKG und hat üblicherweise eine Dauer von 80 msek. Gegen Ende jedes Herzschlages repolarisieren die Herzkammermuskeln, und dieser Teil der elektrischen Aktivität des Herzens entspricht der T-Zacke des EKG.

Von den beiden Kontraktionsarten ist die Herzkammerkontraktion wesentlich wichtiger als die Vorhofkontraktion. Die Vorhofkontraktion bewirkt, daß die Herzkammerkontraktionen wirksamer sind; die Herzkammerkontraktionen sind nämlich dann wirksamer, wenn die Herzkammern anfänglich mit Blut gefüllt werden. Ein Patient kann zwar ohne richtige Vorhofaktivität überleben; er kann aber ohne Herzkammerkontraktionen nicht überleben. Bei einer AV-Blockierung, d. h. bei elektrisch gelöstem Vorhofknoten, kann das Leben nicht aufrecht erhalten werden, es sei denn, die Herzkammern schlagen selbständig ohne AV-Stimulierung; selbst in einem solchen Fall ist aber die Herzschlaghäufigkeit üblicherweise bei weitem zu gering. Bei richtigen Herzkammerkontraktionen kann ein Patient sogar mit Fibrillationen des Vorhofes leben. Aus diesem Grund wurden dem Stand der Technik entsprechende Schrittmacher allgemein dazu verwendet, gegen einen Ausfall der Herzkammerkontraktionen zu schützen. Diese Schrittmacher stimulierten die Herzkammern kontinuierlich mit einer vorgegebenen Impulsrate, um ihre Kontraktionen zu steuern.

Nachdem diese Schrittmacherart viele Jahre verwendet worden war, wurde der Bedarfsschrittmacher eingeführt. Bei einem Bedarfsschrittmacher werden die das Herz stimulierenden elektrischen Impulse nur dann erzeugt, wenn die natürlichen Herzschläge ausbleiben. Wenn nur ein einzelner natürlicher Herzschlag ausbleibt, wird nur ein einziger elektrischer

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Impuls erzeugt. Wenn mehr als ein natürlicher Herzschlag ausbleibt, stellt der Schrittmacher mit der Schrittmacherwiederholungsrate Reizimpulse so lange bereit, wie die natürlichen Herzschläge ausbleiben. Unabhängig davon, wie viele elektrische Reizimpulse erzeugt werden, erscheinen diese im wesentlichen mit demselben zeitlichen Abstand voneinander und von vorhergehenden natürlichen Herzschlägen, wie das auch der Fall sein würde, wenn es sich sämtlich um natürliche Herzschläge handelte. Das Ergebnis ist eine "integrierte" Betriebsweise, d. h_e eine wechselseitig aus- \ schließende Zusammenarbeit von natürlichen Herzschlägen und Reizimpulsen. Ein Bedarfsschrittmacher dieser Art wird in dem am 10. Oktober 1967 veröffentlichten US-Patent 3 345 beschrieben·

Üblicherweise ist ein Bedarfsschrittmacher so angelegt, daß er nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem letzten natürlichen Herzschlag einen Impuls erzeugt. Wenn ein weiterer natürlicher Herzschlag innerhalb dieser Zeitspanne des Schrittmachers auftritt, wird kein Impuls erzeugt, und die Taktperiode des Schrittmachers beginnt von neuem. Wenn andererseits ein natürlicher Herzschlag bis zum Ende der ge- g nannten Zeitspanne nicht auftritt, wird ein Stimulationsimpuls erzeugt. Für die ordnungsgemäße Betriebsweise eines Bedarf sschrittmachers muß die Schaltungsanordnung des Schrittmachers bestimmen, ob ein natürlicher Herzschlag aufgetreten ist. Das elektrische Signal größter Amplitude, das bei der Herzaktivität entsteht, ist das QRS-Signal, welches der Herzkammerkontraktion entspricht. Um zu bestimmen, ob ein natürlicher Herzschlag aufgetreten ist, wird üblicherweise eine Elektrode mit einer Herzkammer gekoppelt. Da in den meisten Fällen eine Herzkammerstimulierung erwünscht ist, kann dieselbe Elektrode sowohl zur Stimulierung der Herz- -

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kammern als auch zum Registrieren eines natürlichen Herzschlages verwendet werden, wie in dem obengenannten US-Patent beschrieben ist.

Wenn Störsignale auftreten, kann eine fehlerhafte Arbeitsweise eines Bedarfsschrittmachers dieser Art vorkommen. Das Störsignal kann die Erzeugung eines elektrischen Signals an der Herzkammerelektrode zur Folge haben, und die Schaltungsanordnung des Schrittmachers kann dieses Störsignal als natürlichen Herzschlag auffassen und die Erzeugung eines Stimulationsimpulses verhindern, auch wenn ein solcher in Wirklichkeit benötigt wird. In der schwebenden US-Patentanmeldung Nr. 727 129 vom 11. April 1968 wird ein verbesserter Bedarf sschrittmacher beschrieben. Bei diesem verbesserten Bedarf sschrittmacher wird bei Anwesenheit eines Störsignals die Taktperiode des Schrittmachers nicht unterbrochen. Es werden kontinuierliche Stimulationsimpulse erzeugt, auch wenn diese nicht benötigt werden. Es ist nämlich eher in Kauf zu nehmen, einen Impuls zu erzeugen, auch wenn dieser nicht benötigt wird, als keinen Impuls zu erzeugen, wenn ein solcher benötigt wird.

Es gibt viele Patienten mit Vorhofbradykardie, und zwar auch solche mit normaler AV-Leitung (Atrium-Ventrikel-Leitung). Für einen solchen Patienten bringt die langsame Vorhofschlagfrequenz eine Verringerung der Herzkammerschlagfrequenz mit sich. Die Stimulation der Herzkammer durch den Schrittmacher ist bisher dazu verwendet worden, diesen Mangel zu beheben. Für solche Patienten wäre es jedoch besser, eine Vorhofstimulation vorzusehen, um so sowohl die Vorhofschlagfrequenz als- auch die Herzkammerschlagfrequenz zu steuern, wobei sich zusätzlich der Vorteil der natürlichen

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Zeitfolge zwischen Vorhoftätigkeit und Herzkammertätigkeit ergehen würde. Eine solche Vorhofstimulation würde jedoch den Patienten nicht vor unvorhersehbarer AV-Blockierung schützen. Es muß also auch dafür Sorge getragen werden, daß eine Herzkammerstimulation erfolgt, wenn dies notwendig ist.

Beide Arten von Stimulierung könnten durch Verwendung von zwei einzelnen Schrittmachern erreicht werden. Doch selbst wenn diese in einem einzigen Gehäuse kombiniert werden könn- λ ten, müßten viele Probleme überwunden werden, besonders wenn eine bedarfsgesteuerte Betriebsart erwünscht ist. Eine offensichtliche Schwierigkeit ist z. B. die zeitliche Aufeinanderfolge des Arbeitsablaufes der beiden Schrittmacher. Ein bifunktioneller bedarfsgesteuerter Schrittmacher sowohl zur Vorhofstimulation als auch zur Herzkaimnerstimulation wird in der eigenen schwebenden Patentanmeldung P 20 10 724.8, eingereicht am 6. März 1970, beschrieben. Die erste Punktion des Schrittmachers besteht darin, einen Vorhofstimulationsimpuls zu erzeugen. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne bewirkt der Schrittmacher, daß ein Kammerstimulationsimpuls erzeugt wird. Es sind drei Elektroden vorgesehen, eine neutrale Elektrode, eine Elektrode zur Vorhofstimulation und eine Elektrode zur Herzkammerstimulation. Die Herzkammerelektrode dient auch dazu, das Auftreten einer Herzkammerkontraktion zu registriereno

Der Schrittmacher weist zwei Taktintervalle auf. Das Herzkammertaktintervall ist 160-250 msek langer als das Vorhoftaktintervall. Das Herzkammertaktintervall ist größer als die normale Zeitspanne zwischen zwei Herzschlägen, wie in einem üblichen Bedarfsschrittmacher. Das VorhoftaktintervalHAst größer als der normale zeitliche Abstand zwischen Herzkammer- und Vorhofschlägen (von R bis P), aber geringer

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als die normale Herzpause (von R bis R). Beide Taktintervalle beginnen mit der Erzeugung des letzten Herzschlages (natürlich oder stimuliert). Wenn eine weitere Kammerkontraktion nicht innerhalb des VorhoftaktIntervalls auftritt, d. h. bei Abwesenheit einer vorzeitigen Herzkammerkontraktion, wird der VorhofStimulationsimpuls erzeugt. Die Vorhöfe ziehen sich zusammen und füllen die Herzkammern mit Blut an. In dem Fall, daß die Herzkammern sich zusammenziehen, d. h. daß keine AV-Blockierung vorhanden ist, löscht das von der Herzkammerelektrode empfangene EKG-Signal beide Taktschaltungen, und der Herzkammerreizimpuls wird nicht erzeugt. In dem Fall, daß die Herzkammerkontraktion nicht auftritt, wird ein Herzkammerreizimpuls am Ende des Kammertaktintervalls erzeugt.

Der VorhofStimulationsimpuls hat eine relativ große Amplitude in der Größenordnung von 5 V und bewirkt das Erscheinen eines elektrischen Signals an der Herzkammerelektrode. Wenn dieses Signal so behandelt wird, als wenn es von einer Herzkammerkontraktion herrührte, würde die Herzkammertaktschaltung gelöscht werden, und es würde kein Kammerstimulationsimpuls erzeugt werden, auch wenn eine Herzkammerkontraktion nach der Vorhofkontraktion nicht aufträte. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Schrittmacher daran zu hindern, ein Signal, welches an der Herzkammerelektrode zur Zeit einer elektrischen Stimulation des Vorhofes erscheint, fälschlich als Herzkammerkontraktion zu interpretieren. Bei dem in der schwebenden deutschen Patentanmeldung P 20 10 724.8 beschriebenen bifunktionellen Schrittmacher wird der Detektorkreis zur Registrierung des Herzschlages während einer kurzen

unempfänglichen Zeitspanne, die auf die Erzeugung jedes VorhofStimulationsimpulses folgt, gesperrt. Üblicherweise

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hat der VorhofStimulationsimpuls eine Dauer von 2 msek, und der Detektorkreis zur Registrierung des Herzschlages wird für 8 msek gesperrt, die mit dem Anfang des Vorhofstimulationsimpulses beginnen. Auf diese Weise kann die Herzkammertaktschaltung nicht gelöscht werden, wenn der Vorhofstimulationsimpuls erzeugt wird. Die Herzkammertaktschaltung setzt ihre übliche Arbeitsweise fort, und wenn die Herzkammerkontraktion nicht planmäßig auftritt, wird ein Kammerstimulationsimpuls erzeugt.

Jedoch kommt es manchmal vor, daß eine Herzkammerkontraktion mit einer Vorhofkontraktion zeitlich zusammenfällt oder auf diese innerhalb von 8 msek folgt. Bei dem in der obengenannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen bifunktionellen Bedarfsschrittmacher kann eine solche Kammerkontraktion nicht registriert werden, weil der Detektorkreis zur Registrierung der Kammerkontraktionen während der Erzeugung jedes VorhofStimulationsimpulses und unmittelbar danach gesperrt ist. Wenn eine Kammerkontraktion während der unempfänglichen Zeitspanne auftritt, wird die Kammertaktschaltung nicht gelöscht, und es wird am Ende der Taktperiode ein Kammerstimulationsimpuls erzeugt, obwohl eine Kontrak- A tion der Herzkammer bereits stattgefunden hat.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen bifunktionellen bedarf sgesteuerten Schrittmacher zu schaffen, bei dem ein elektrisches Signal an der Herzkammerelektrode, welches von der Erzeugung eines Vorhofstimulationsimpulses herrührt, nicht als Herzkammerkontraktion interpretiert wird, so daß eine unempfängliche Zeitspanne des Schrittmachers nach der Vorhofstimulation nicht erforderlich ist und eine Kammerkontraktion, welche während der VorhofStimulierung oder unmittelbar danach auftritt, registriert werden kann.

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©er erfindungsgemäße bifunktioneile Schrittmacher beruht auf einer Analyse der Signalfrequenzen, die in den verschiedenen Wellenformen, einschließlich des Vorhofstimulationsimpulses und der QRS-Gkruppe, enthalten sind. Die Vorhoftaktschaltung und die Herzkammertaktschaltung sind voneinander isoliert durch Verwendung eines verschiedenen Elektrodenpaares für jede der beiden Punktionen anstelle der Verwendung von insgesamt drei Elektroden für die beiden Punktionen, wobei eine der Elektroden beiden Punktionen gemeinsam zugeordnet ist. Diese Isolierung setzt die Größe des elektrischen Signals, welches aufgrund der Erzeugung einer Vorhofstimulation an der Herzkammerelektrode erscheint, herab. Jedoch ist die Signalamplitude nicht genügend klein, um den Detektorkreis des Schrittmachers davon abzuhalten, das Signal als Anzeichen für eine Herzkammerkontrakt ion anzusehen. Es werden zusätzliche Kreise vorgesehen, um zwischen den beiden Pällen zu unterscheiden, wobei die Verschiedenheit der Prequenzen der beiden Signale, die an der Herzkammerelektrode erscheinen, herangezogen wird. Auf diese Weise besteht keine Notwendigkeit, den Detektorkreis nach der Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses zu sperren, und wenn eine Herzkammerkontraktion tatsächlich während einer Vorhofstimulation oder unmittelbar danach auftritt, kann dieses Ereignis registriert werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht also darin, daß getrennte und voneinander isolierte Vorhof- und Herzkammerelektroden in dem bifunktioneilen Bedarfsschrittmacher vorgesehen werden, wobei gleichzeitig ein Detektorkreis zur Registrierung der Herzkammerkontraktion vorgesehen wird, der dazu imstande ist, die von einer VorhofStimulierung herrührenden Signale zu unterdrücken.

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Ein bifunktioneller künstlicher Herzschrittmacher kennzeichnet sich gemäß der Erfindung durch ein erstes Elektrodenpaar zur Verbindung mit dem menschlichen Herzen zwecks Vorhofstimulierung, ein zweites Elektrodenpaar zur Verbindung mit dem menschlichen Herzen zwecks Herzkammerstimulierung, einen Detektorkreis, der mit dem zweiten Elektrodenpaar gekoppelt ist und elektrische Signale abtastet, die auf dem Herzschlag des Patienten beruhen, eine Impulsgeneratorschaltung zur Erzeugung elektrischer Stimulationsim__pulse an den genannten g Elektrodenpaaren nach Maßgabe des Zeitpunktes, an dem die genannten Herzschlagsignale abgetastet werden, und elektrische Sperreinrichtungen zur Verhinderung des Ansprechens des genannten Detektorkreises auf das Auftreten eines elektrischen Signals an dem zweiten Elektrodenpaar, welches von der Erzeugung eines Stimulationsimpulses an dem ersten Elektrodenpaar herrührt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 den bifunktionellen bedarfsgesteuerten Herz- f

schrittmacher gemäß der älteren Patentanmeldung P 20 10 724.8;

Figur 2 den Verlauf eines typischen EKG;

Figur 3 ein Zeitfolgediagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Schrittmachers von Fig. Ij und

4 das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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Bei dem in Pig. 1 gezeigten Schrittmacher ist die Elektrode E2 neutral - der Leiter 9 ist geerdet -, die Elektrode El ist die die Herzkammer stimulierende Elektrode, und die Elektrode E3 ist die den Vorhof stimulierende Elektrode. Die Taktschaltung zur Stimulierung der Herzkammer befindet sich in der Zeichnung zwischen dem Schalter S und den Elektroden El und E2. Der Kondensator 65 wird zunächst durch einen Strom aufgeladen, der von den Batterien 3, 5 und 7 über den Widerstand 59, die Elektroden El und E2 und das Herz des Patienten in einer Zeitspanne fließt, die viel kürzer ist als das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen. Der Wert des Widerstandes 59 ist niedrig genug gewählt, um eine schnelle Aufladung des Kondensators 65 zu ermöglichen, und gleichzeitig hoch genug, um eine wesentliche Schwächung des an den Elektroden El und E2 empfangenen Signals zu verhindern, wobei die Elektroden El und E2 implantiert sind. Wenn der Transistor T9 in seinen leitenden Zustand versetzt wird, entlädt sich der Kondensator über ihn, wobei der Strom von dem Kondensator durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors, über ein Kabel zu der Elektrode E2, über das Herz, über die Elektrode El und ein weiteres Kabel zum Kondensator fließt. Die Entladung des Kondensators 65 über die Elektroden bewirkt den zur Stimulierung der Herzkammer gegebenenfalls erforderlichen Reizimpuls. Sobald der Transistor T9 abschaltet, lädt sich der Kondensator 65 noch einmal auf, um für den nächsten Zyklus vorbereitet zu sein. Der Kondensator dient also einfach als Stromquelle für den Moment, in dem ein Impuls benötigt wird. Der Kondensator 65 ist nicht an den verschiedenen Taktvorgängen beteiligt, die zur Steuerung der selektiven Erzeugung von Impulsen verwendet werden.

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Der Kondensator lädt sich immer auf die maximale Batterie-, spannung auf. Da er sich über einen im wesentlichen kurssgeschlossenen Transistor entlädt, tritt keine Variation der Größe der Impulse mit anwachsendem Widerstand der Batterie aufgrund von Alterungserscheinungen auf. Ferner wird auch keine Energie zwischen Herstellung und Implantation verschwendet; solange die Elektroden nicht zu einem Stromkreis geschlossen sind, kann sich der Kondensator 65 nicht entladen, auch wenn der Transistor T9 während jedes Zyklus in seinen leitenden Zustand geschaltet wird. ™

Die Ladung und Entladung des Kondensators findet über das Herz statt, so daß der über die Elektroden von dem Schrittmacher her fließende Gesamtgleichstrom gleich null ist. Andernfalls könnten elektrolytische Prozesse in den Herzzellen die Elektroden auflösen»

Die Transistoren T7 und T8, die gemäß Fig. 1 geschaltet sind, stellen das Äquivalent eines üblichen siliciumgesteuerten Gleichrichters dar. Beide sind im Normalzustand nichtleitend. Wenn die Emitterelektrode des Transistors T7 ausreichend positiv wird, leiten die Transistoren, und es fließt ein Strom durch den Emitterkreis des Transistors T8. Der Stromfluß setzt sich so lange fort, bis das Potential am Emitter des Transistors T7 unter einen vorbestimmten Vert fällt.

Der Transistor T9 ist ein einfacher Stromverstärker, der normalerweise nichtleitend ist. Wenn der Transistor T8 leitend ist, bewirkt der durch die Widerstände 61 und 63 fließende Strom ein Anwachsen des Potentials an der Basis des Transistors T9. Zu dieser Zeit ist der Transistor T9 in seinem leitenden Zustand, und der Kondensator 65 kann sich in der oben beschriebenen Weise über ihn entladen.

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Die Anordnung kann in der freilaufenden Betriebsart verwendet werden, d. h. es kann z. B₀ ein Impuls, mit einer Impulsrate von 72 Impulsen pro Minute unabhängig von dem Auftreten von natürlichen Herzschlägen erzeugt werden. In einem solchen Fall ist der Schalter S geschlossen, und die Basis des Transistors T6 ist mit der negativen Klemme der Batterie 3 verbunden. Der Transistor T6 bleibt daher in seinem abgeschalteten Zustand. Die über den Kondensator 53 übermittelten Impulse, die noch beschrieben werden, werden über den Schalter kurzgeschlossen, so daß sie den Transistor nicht erreichen. Anfänglich ist der Kondensator 57 entladen, und die Transistoren T7 und T8 sind nichtleitend. Der Strom fließt von den Batterien 3, 5 und 7 über die Widerstände und 37, den Kondensator 57 und die Widerstände 61 und 63« Der Strom über die Widerstände 61 und 63 reicht nicht aus, um den Transistor T9 einzuschalten. Wenn sich der Kondensator auflädt, erhöht sich das Potential an der Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator und dem Widerstand 37. Dadurch erhöht sich das Potential des Transistors T7. Schließlich ist das Potential ausreichend, um die Relaxation des aus den Transistoren T7 und T8 bestehenden Oszillators auszulösen. Der Kondensator 57 entlädt sich über den Widerstand 37 und über diese zwei Transistoren. Zur selben Zeit fließt Strom von den Batterien 3 und 5 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T8 und die Widerstände 61 und 63. Der Transistor T9 wird leitend, und der Kondensator 65 entlädt sich über ihn, so daß ein Impuls an die Herzkammern gegeben wird. So_bald der Kondensator 57 sich ausreichend entladen hat und das Potential des Emitters des Transistors T7 auf einen ausreichend geringen Wert gefallen ist, schalten die Transistoren T7, T8 und T9 ab, und der Impuls ist beendet. Der Kondensator 65 lädt sich sofort wieder auf, und der Kondensator 57 beginnt wieder seine Aufladung zwecks Vorbereitung des nächsten Impulses.

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Die Aufladeperiode des Kondensator 57, d. h. das Zeitintervall zwischen den Impulsen, wird von der Dimensionierung des Kondensators und der Widerstände 35» 37, 61 und 63 bestimmt. Die Widerstände 37, 61 und 63 sind im Verhältnis zur Größe des Widerstandes 35 sehr klein. Daher wird die Größe der Impulspause im wesentlichen durch den Widerstand 35 bestimmt. Durch Einstellung der Größe des Widerstandes 35 kann die Wiederholungsrate der Impulse eingestellt werden«,

Ferner kann es auch erwünscht sein, die Breite jedes an das ^ Herz gelieferten Impulses einzustellen. Der Kondensator entlädt sich über den Widerstand 37 und die Transistoren T7 und T8. Die Breite des τοη dem Kondensator 65 gelieferten Impulses wird durch die Entladezeit des Kondensators 57 bestimmt, d. ho durch die Zeitspanne, während der die Transistoren T7 und T8 leiten und daher den Transistor T9 einschalten. Durch Variieren der Größe des Widerstandes 37 kann die Breite jedes Impulses eingestellt werden. Im Fall eines implantierbaren Schrittmachers können die Werte der Widerstände 35 und 37 vor dem Implantieren des Gerätes in den Körper eingestellt werden«,

Wenn der Schalter S geöffnet ist, d. h. im Falle einer Bedarf sbetriebsart des Schrittmachers, wurden sich die gleichen Vorgänge wie bei der freilaufenden Betriebsart abspielen, wenn kein Eingangssignal zu der Basis des Transistors T6 über den Kondensator 53 gelangte. Der Transistor T6 würde im nichtleitenden Zustand bleiben und würde die Aufladung des Kondensators 57 nicht beeinflussen. Jedoch werden bei geöffnetem Schalter S die über den Kondensator 53 übermittelten Impulse nicht vor der Basis-Emitter-Strecke des Vranaistors T6 über den Schalter kurzgeschlossen. Bei geöffnetem Schalter wird vielmehr jeder Impuls über den Kon-

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densator 53 zu der Basis des Transistors T6 übertragen und versetzt den Transistor in seinen leitenden Zustand. Der Kondensator 57 entlädt sich über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. In diesem Fall wird der Taktzyklus unterbrochen, und.das Potential der Verbindungsstelle des Kondensators 57 und des Widerstandes 37 erhöht sich nicht bis zu dem Punkt, an dem die Transistoren T7 und T8 in ihren leitenden Zustand versetzt werden. Wenn die Anordnung als Bedarfsschrittmacher arbeitet, bewirkt jede Kontraktion der Herzkammer eine Übermittlung eines Impulses über den Kondensator 53 zwecks Einschaltung des Transistors T6. Der Transistor T6 wird unter Entladung des Kondensators 57 leitend, und zwar gerade vor dem Zeitpunkt, in dem der Kondensator 57 durch Entladung über die Transistoren T7 und T8 die Erzeugung eines Impulses auslösen würde. Nachdem sich der Kondensator 57 über den Transistor T6 entladen hat, schaltet sich der Transistor ab. Der Kondensator beginnt dann wieder mit seiner Aufladung. Der neue Zyklus beginnt unmittelbar nach dem Auftreten der letzten Herzkammerkontraktion, so daß der nächste Impuls, falls er benötigt wird, unmittelbar nachdem der nächste natürliche Herzschlag im Falle eines richtig arbeitenden Herzens registriert wird, erzeugt wird»

Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist zur Erzeugung eines den Vorhof stimulierenden Impulses vorgesehen. Die verschiedenen Schaltungskomponenten rechts von den Elektroden El und E2 sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie die ihnen äquivalenten Schaltungskomponenten in der Taktschaltung für die Herzkammern, wobei lediglich Striche angehängt sind. Abgesehen von der Dimensionierung der Schaltungskomponenten ist die Taktschaltung für die Vorhöfe dieselbe wie die für die Herzkammern.

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Die Elektrode E3 "wird in das Herz des Patienten implantiert, um seine Vorhöfe zu stimulieren. Der Kondensator 57' entlädt sich über die Potentiometer 35' und 37'. Nach einem vorbestimmten Zeitintervall, wenn nämlich die Kondensatorspannung den zur Einschaltung der Transistoren T7¹ und T8' erforderlichen Wert erreicht hat, werden die beiden Transistoren leitend und spannen den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T9' in Durchlaßrichtung vor. Die Ladung am Kondensator 65' fließt über den Transistor T9' und die Elektroden E2 und E3. Die Breite jedes Impulses wird durch die Einstellung des Potentiometers 37' bestimmt, welches die Zeit bestimmt, die der Kondensator 57' benötigt, um sich über die Transistoren T7' und T8' zu entladen. Die Länge der Impulspausen wird durch die Einstellung des Potentiometers 35' bestimmt, welches die Zeit bestimmt, die von dem Kondensator 57' benötigt wird, um sich auf den Wert aufzuladen, der den Leitungszustand der Transistoren T7^f und T8' bewirkt.

Jeder über den Kondensator 53 als Ergebnis der Registrierung einer R-Welle gelief-erte Impuls hat zur Folge, daß der Transistor T6' ebenso wie der Transistor T6 leitend wird. Zur gleichen Zeit, zu der sich der Kondensator 57 über den Transistor T6 entlädt, entlädt sich der Kondensator 57' über den Transistor T6'. In diesem Fall wird die Taktperiode der Schaltung von Fig· 3 nicht beendet, und es wird kein Impuls zur Stimulierung der Yorhöfe erzeugt. Stattdessen beginnt eine weitere Taktjoeriode.

Fig. 3 veranschaulicht den zeitlichen Ablauf und dient zum Verständnis der Betriebsweise des Schrittmachers. Es werden zwei R-Zacken gezeigt, die zwei aufeinanderfolgende Herzschläge (Herzkammerkontraktionen) darstellen. Üblicherweise beträgt das Zeitintervall zwischen diesen weniger als

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760 msek. Die P-Zacke, die der zweiten R-Zacke zugeordnet ist, tritt, wie gezeigt, vor dieser auf.

Das Potentiometer 35' ist so dimensioniert, daß der Kondensator 57* sich auf den Wert auflädt, der zur Leitfähigkeit der Transistoren T7' und T8¹ erforderlich ist, nachdem 600 msek seit der letzten Kondensatorentladung verstrichen sind. Der Impuls E3 zur Stimulierung der Vorhöfe tritt, wie gezeigt, 600 msek nach der ersten R-Zacke auf. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einem normalen Herzschlag die Vorhöfe nach Auftreten der P-Zacke stimuliert werden. In der Tat ist die Tatsache, daß eine P-Zacke erzeugt worden ist, ein Zeichen dafür, daß eine Kontraktion der Vorhöfe stattgefunden hat und ein Impuls zur Stimulierung der Vorhöfe an der Elektrode E3 nicht benötigt wird. Wenn jedoch ein solcher Impuls nach der Vorhofkontraktion erzeugt wird, d. h. während der nichtempfänglichen Zeit der Vorhöfe, hat dies keinen Einfluß auf den Herzschlag des Patienten. Die Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses vor der natürlichen Vorhofkontraktion kann eine vorzeitige Vorhoftätigkeit auslösen, was nicht erwünscht ist.

Das Potentiometer 35 in Fig. 1 ist so dimensioniert, daß das Zeitintervall bis zur Herzkammerstimulierung 800 msek beträgt. Der in Fig. 3 mit El bezeichnete Impuls tritt, wie gezeigt, 800 msek nach der ersten R-Zacke auf, d. h. etwas nach der zweiten R-Zacke, falls diese auftritt. Wenn die zweite R-Zacke an der Elektrode El registriert wird, werden beide Taktschaltungen gelöscht, und es wird kein Impuls an der Elektrode El erzeugt. Dies ist die erwünschte Bedarfsbetriebsart. Wenn ein natürlicher Herzschlag nicht innerhalb von 800 msek nach dem letzten Herzschlag auftritt, wird ein Impuls an der Elektrode El erzeugt, um die Herzkammer-

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kontraktion zu stimulieren. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei natürlichem Herzschlag keine HerzkammerStimulierung durch den Schrittmacher stattfindet. Jedoch erfolgt eine Vorhofstimulierung, weil das Vorhoftaktintervall von 600 msek geringer ist als die natürliche Pausenlänge. Falls aber eine natürliche Vorhofkontraktion nicht stattfindet, wird die VorhofStimulierung zu dem Zweck benötigt, daß eine effektvollere Herztätigkeit erreicht wird. Die Kammerstimulation wird natürlich vorgesehen, um eine Vorhof-Kammer-Blockierung zu korrigieren. Eine normale Vorhofkontraktion kann ungefähr 120-160 msek nach der Vorhofstimulierung auftreten. Die Kammertaktperiode ist 200 msek langer als die Vorhoftaktperiode; es ist daher genügend Zeit für eine natürliche Kammerkontraktion vorhanden, bevor ein Kammerstimulationsimpuls erzeugt wird. Im allgemeinen sollte die Kammertaktperiode um 160-250 msek größer sein als die Vorhoftaktperiode.

Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß die Arbeitsweise der Vorhoftaktschaltung von der Registrierung einer Kammerkontraktion an der Elektrode El abhängt. Es ist höchst erwünscht, die Vorhoftaktschaltung mit dem Herzschlag des Pa- j tienten in Verbindung zu bringen; würde man einen frei- - ™ laufenden Generator zur Stimulierung der Vorhöfe vorsehen, so würde der Zeitablauf des Herzschlages des Patienten ernstlich in Mitleidenschaft gezogen werden. Während nämlich der Zeitablauf der natürlichen Herztätigkeit sich ändern kann, würde der Zeitablauf der Schaltung unverändert bleiben. Aus diesem Grund entlädt sich der Kondensator 57^f nach jedem Herzschlag des Patienten. Theoretisch ist es möglich, eine Vorhofkontraktion zu registrieren, d. he die P-Zacke zu registrieren, und den Kondensator 57' zu entladen, bevor er seine Taktperiode beendet, so daß kein Vor-

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hof stimulationsimpuls erzeugt wird, wenn dieser nicht benötigt wird. Es ist jedoch extrem schwierig, die P-Zacke aufgrund ihrer geringen Größe zu registrieren im Vergleich zu der R-Zacke. Aus diesem Grund dient bei dem Schrittmacher gemäß Pig. 1 die Registrierung der R-Zacke dazu, auch die Vorhoftaktschaltung zu löschen. Natürlich hat dies eine kontinuierliche Erzeugung von Impulsen an der Elektrode E3 zur Folge, wenn das Herz normal schlägt - auch wenn an der Elektrode El keine Impulse erzeugt werden -, weil jede R-Zacke registriert wird, nachdem der Impuls an der Elektrode E3 erzeugt worden ist. Jedoch hat es sich erwiesen, daß die Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses während der unempfindlichen Periode des Vorhofes den normalen Herzschlag des Patienten nicht stört. Dies gilt jedoch nicht für die Erzeugung eines Kammerstimulationsimpulses, der einer Kammerkontraktion folgt, und dies ist primär der Grund dafür, daß Bedarfsschrittmacher verwendet werden.

Die Punktion des Schaltungsteiles links von dem Schalter S ist es, einen natürlichen Herzschlag (Herzkammerkontraktion) zu registrieren, wobei andere unerwünschte Signale ausgeschlossen werden sollen, und daraufhin einen positiven Impuls an die Basis des Transistors T6 zwecks Unterbrechung des Aufladezyklus der Kondensatoren 57 und 57' zu legen.

Der natürliche Herzschlag erzeugt elektrische Signale, die für die Aufeinanderfolge von bestimmten Vorgängen während jedes Herzschlages charakteristisch sind. Ein im normalen Rhythmus (Sinusrhythmus) schlagendes Herz erzeugt elektrische Signale, die üblicherweise als P-, Q-, R-, S- und T-Zacken gemäß Pig. 2 bezeichnet werden·

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Es wird allgemein anerkannt, daß es vorzuziehen ist, den Teil QRS eines EKG zwecks Registrierung eines natürlichen Herzschlages τοη den P- und T-Zacken zu unterscheiden. Bei xmplantierbaren Schrittmachern ist in der Tat das Elektrogramm der Zellen in der Hähe der Elektroden wichtig und nicht das Haut-EKG, da der Schrittmacher auf die von den Zellen in der Hähe der Elektroden erzeugten elektrischen Signale anspricht. Das von diesen Zellen herrührende Elektrogramm ist im allgemeinen von dem Haut-EKG beträchtlich verschieden. Das letztere ist nämlich das Integral über samtliehe Zellenelektrogramme, die durch den Herzschlag erzeugt werden. Weil die verschiedenen Zellen ihre Signale während jedes Herzschlages zu verschiedenen Zeiten erzeugen, ist das Integral, d. h. das EKG, in mancher Hinsicht von einem einzelnen Zellenelektrogramm verschieden. Jedoch ebenso, wie das BKG eine scharf ansteigende R-Zacke zeigt, ist dies auch bei den Zellenelektrogrammen der Fall. Diese scharf ansteigende Zacke des Elektrogramms ist die zuverlässigste Anzeige eines natürlichen Herzschlages. Wenn auch unten auf den QRS-Komplex eines EKG Bezug genommen wird, sollte man dabei im Auge behalten, daß für die in das Herz des Patienten implantierten Elektroden der scharf ansteigende Impuls des Zellenelektrogramms von Wichtigkeit ist. Es ist üblich geworden, sich auf den QRS-Komplex des EKG zu konzentrieren anstatt auf die einzelnen Zellenelektrogramme, und zwar hauptsächlich deshalb, weil die R-Zacke in dem EKG überwiegend dem scharf ansteigenden Impuls des Zellenelektrograams entspricht.

Unter Verwendung der Frequenzanalyse kann gezeigt werden, daß die R-Zacke Frequenskomponenten enthält, die überwiegend in den Bereich von 20-30 Hz fallen. Die P- und T-Zacken enthalten überwiegend geringere Frequenzen. Um eine Aus-

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lösung des Transistors T6 durch die P- und die T-Zacken zu vermeiden, sind verschiedene Filter in der Anordnung vorgesehen, um die Frequenzen unter 20 Hz herauszufiltern. Es ist natürlich vorteilhaft, zusätzliche Filter vorzusehen, um die Frequenzen über 30 Hz herauszuf iltern, und insbesondere Signale mit 60 Hz. Derartige Filter sind in dem in Fig. 1 gezeigten Schrittmacher vorgesehen} es hat sich jedoch herausgestellt, daß solche Filter bei der Verhinderung der Auslösung des Transistors T6 durch 60 Hz-Streusignale nicht voll wirksam sind. Aus diesem Grund sind nicht nur verschiedene Filter in den Verstärkerstufen Tl und T2 vorgesehen, sondern es ist auch ein Impulsratenfilterkreis, bestehend aus den Transistoren T3, T4 und T5, den Widerständen 45 und 47 und den Kondensatoren 49 und 53, vorgesehen, um eine Auslösung des Transistors T6 durch 60 Hz-Streusignale zu verhindern. Dieser Impulsratenfilterkreis wird weiter unten beschrieben, nachdem zunächst der Frequenzfilterkreis betrachtet wird.

Der Transistor Tl ist normalerweise leitend, wobei die Emitterelektrode des Transistors über den Widerstand 19 und den Leiter 9 mit der negativen Klemme der Batterie 3 verbunden ist und die Basis des Transistors über den Widerstand 15 und den Leiter 13 mit der positiven Klemme der Batterie verbunden ist. Die von den in das Herz implantierten Elektroden aufgenommenen elektrischen Signale werden über den Kondensator 17 und einen Widerstand 15 in den Basiskreis des Transistors Tl eingekoppelt. Es können Signale beider PoIa-

von

ritäten «et dem Transistor Tl verstärkt werden. Der Transistor ist so vorgespannt, daß er in der Betriebsart A arbeitet, weil die empfangenen Signale von jeder Polarität sein können, je nach der Art, in der die Elektroden implantiert sind.

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Es sei darauf hingewiesen, daß die Zener-Dioden 67 und 67* die Elektroden El und-E2 bzw. E3 und E2 überbrücken. Es ist möglich, daß sehr hohe Spannungen an den Elektroden auftreten.' Wenn z. B, eine Defibrillationseinrichtung verwendet wird, kann eine sehr hohe Spannung an das Herz des Patienten angelegt werden. Um eine Beschädigung der Schrittmacherschaltung zu verhindern, werden große Spannungssignale durch die Zener-Dioden kurzgeschlossen. Jede Mode leitet in ihrer Durchlaßrichtung bei Spannungen etwas ober- Λ halb von einigen Zehntel Volt sowie in der Sperrichtung bei Spannungen, die oberhalb der Durchbruchsspannung von 10 V liegen.

Der Kondensator 17 und der Widerstand 15 heben die Stufe in dem Zellenelektrogramm stärker hervor. Diese beiden Schaltungskomponenten bilden ein Differenzierglied, welches die Frequenzkomponenten oberhalb von etwa 20 Hz betont. Für solche Signale entsteht ein beträchtlicher Spannungsabfall am Widerstand 15, und das Eingangssignal zum Transistor Tl ist relativ groß. Für Signale geringerer Frequenz ist jedoch der Spannungsabfall am Kondensator 17 viel größer, und es wird an den Basis-Emitter-Übergang des Transistors "

Tl ein kleineres Eingangssignal gelegt,,

Der Widerstand 19 und der Kondensator 21 in dem Emitterkreis des Transistors Tl haben eine ähnliche Funktion. Die Impedanz der Parallelschaltung wächst mit abfallender Frequenz. Die Emitterimpedanz bewirkt eine, negative Rückkopplung des Transistors, und die Gesamtverstärkung des Transistors fällt daher mit abfallender Frequenz.

Das verstärkte Signal am Kollektor des Transistors Tl wird an den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T2 gelegt,

1 o 9 π; r, /1 α 8 6

wobei dieser Transistor ebenfalls so vorgespannt ist, daß er in der Betriebsart A arbeitet. Der Transistor T2 bewirkt eine weitere Verstärkung der empfangenen Signale. Der Kondensator 25 und der Widerstand 27 in dem Emitterkreis des Transistors T2 haben dieselbe Funktion wie der Widerstand 19 und der Kondensator 21 in dem Emitterkreis des Transistors Tl. Dieses dritte Differenzierglied bewirkt eine weitere Begrenzung der Ansprechempfindlichkeit des Detektorkreises auf niedrige Frequenzen, so daß die P- und T-Zacken und andere Frequenzen unter 20 Hz unterdrückt werden,,

Der Widerstand 29 und der Kondensator 23 dienen als Integrator, um die Rauschkomponenten hoher Frequenz, die über 30 Hz liegen, herabzusetzen. Je höher die Frequenz ist, desto geringer ist die Impedanz des Kondensators 23_} und desto geringer ist die gesamte Kollektorimpedanz des Transistors Tl, und desto geringer ist die Verstärkung der Stufe. Der Widerstand 31 und der Kondensator 43 in dem Kollektorkreis des Transistors T2 haben dieselbe Funktion. In der Tat dienen diese vier Elemente dazu, die Frequenzen oberhalb von 60 Hz zu schwächen, und haben kaum Einfluß auf Signale von 60 Hz. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sondert der Impulsratenfilterkreis die Streusignale von 60 Hz von den erwünschten Signalen ab.

Wechselstromsignale am Kollektor des Transistors T2 werden über den Kondensator 41 zu der Basis des Transistors T3 und zu der Basis des Transistors T4 gekoppelt. Die Gesamtverstärkung der Stufen Tl und T2 von den Elektroden El und E2 zum Kollektor des Transistors T2 und zu dem Leiter 9 ist derart, daß Signale im Bereich von 20-30 Hz in stärkstem Maß verstärkt werden. Die Verstärkungskurve fällt unterhalb

1 0 9 <? 2 Π / 1 ^r! 8 6

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von 20 Hz sehr schnell ab, so daß die Frequenzkomponenten der P- und T-Zacken nicht genügend verstärkt werden, um die Transistoren T3 und T4 in ihren leitenden Zustand zu steuern. Für Frequenzkomponenten oberhalb von 30 Hz, etwa für 60 Hz-Signale, ist die Verstärkung nur wenig geringer als die Maximalverstärkung. Für Signale von wesentlich höherer Frequenz, z. B. über 150 Hz, ist die Verstärkung gering genug, um eine falsche Aktivierung der Transistoren T3 und T4 zu verhindern.

Wenn die Transistoren T3 und T4 ein Signal von ungefähr 1 V benötigen, um leitend zu werden, und die maximale Verstärkung der Stufen Tl und T2 oberhalb von 50 liegt, ist es offensichtlich, daß Signale von 20 mV in dem Bereich von 20-30 Hz an den Elektroden die Transistoren T3 und T4 in ihren leitenden Zustand steuern können. Die von dem Herzschlag in der Nähe der Elektroden erzeugten elektrischen Signale enthalten üblicherweise Komponenten von 20-30 Hz oberhalb von 20 mV. Die für die P- und die T-Zacken charakteristischen Frequenzkomponenten haben nicht nur eine zwei- bis dreimal geringere Amplitude als die für die R-Zacken charakteristischen Komponenten; die Verstärkung der Stufen Tl und T2 in dem Bereich um 5 Hz ist zudem nur ein Bruchteil der maximalen Verstärkung, so daß diese Signale die Transistoren T3 und T4 nicht in ihren Leitungszustand steuern»

Der Impulsratenfilterkreis enthält drei Transistoren T3> T4 und T5, die gemeinsam einen zweiphasigen Schalter bilden, der zwei Funktionen hat. Erstens dient der Schalter dazu, unipolare Stromimpulse zur Aufladung des Kondensators 49 bereitzustellen. Jedoch ist der Schalter wegen seiner zweiten Funktion kein wirklicher Gleichrichter. Diese zweite

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Funktion besteht darin, unipolare Impulse konstanter Größe, und zwar unabhängig von der Größe der oberhalb eines Grenzwertes liegenden Eingangssignale, bereitzustellen. Jedes Signal durch den Kondensator 41» sei es negativ oder positiv, das einen Grenzwert übersteigt (üblicherweise 1 V), hat einen unipolaren Stromimpuls vorbestimmter Größe zur Folge, der über den Widerstand 45 den Kondensator 49 auflädt.

Der Emitter des Transistors T4 ist mit der positiven Klemme der Batterie 5 verbunden, während die Basis des Transistors über den Vorspannungswiderstand 39 mit demselben Potential verbunden ist. Der Transistor T4 ist normalerweise nichtleitend. Wenn jedoch ein negatives Signal über den Kondensator 41 übermittelt wird, wird der Transistor leitend, und es fließt ein Strom von der Batterie 5 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors, über den Widerstand 45 und über die Parallelschaltung des Widerstandes 47 und des Kondensators 49. Der Kondensator lädt sich dadurch auf eine maximale Spannung auf, die durch die Batterien 3 und 5, den Spannungsabfall am Transistor T4 und die Widerstände 45 und 47 bestimmt wird. Wenn die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors als Leiter vernachlässigbarer Impedanz angesehen wird, wird der Aufladestrom allein durch die Größe der Batterien und die Dimensionierung der Elemente 45, 47 und 49 bestimmt. Die Größe des negativen Eingangssignals hat keinen Einfluß. Solange dieses sich oberhalb des Grenzwertes befindet, der zur Steuerung des Transistors T4 in seinen Leitungszustand erforderlich ist, wird ein Stromimpuls vorbestimmter Größe zur Aufladung des Kondensators 49 bereitgestellt.

Ein über den Kondensator 41 erscheinendes positives Signal hat andererseits keine Wirkung auf den Transistor T4. Jedoch

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steuert dieses Signal den Transistor T3 in seinen Leitungszustand, so daß ein Strom von der Batterie 7 über den Widerstand 33 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 fließt. Es ist notwendig, daß das positive Signal, welches am Kondensator 41 erscheint, ebenfalls einen unipolaren Impuls derselben Polarität zur Aufladung des Kondensators 49 zur Folge hat. Der Kollektorausgang des Transistors T3 kann für diesen Zweck nicht verwendet werden, weil sein Potential bei Stromleitung des Transistors T3 abfällt. Aus diesem Grund ist der Transistor T5 als Phasenumkehrer vorgesehen. Während der Emitter dieses Transistors mit der negativen Klemme der Batterie 7 verbunden ist, ist die Basis des Transistors mit der Verbindungsstelle der Widerstände 51 und 69 verbunden. Normalerweise ist der Transistor nichtleitend. Wenn jedoch der Transistor T3 leitend wird und seine Kollektorspannung abfällt, so fällt auch das Basispotential des Transistors T5 ab. Dann wird der Transistor T5 leitend, und es fließt ein Strom von der positiven Klemme der Batterie 5 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T5 zu dem Widerstand 45. Man sieht also, daß jedes über den Kondensator 41 übermitteltes sich änderndes Signal oberhalb eines Grenzwertes einen zu dem Aufladekreis gelieferten unipolaren Impuls zur Folge hat.

Betrachtet man nun die von dem Transistor T4 oder dem Transistor T5 oder von beiden gelieferten unipolaren Impulse, die mit einer sehr langsamen Wiederholungsrate auftreten, so bewirkt jeder derartige Impuls eine Aufladung des Kondensators 49> wobei der Strom durch den Widerstand 45 und den Kondensator fließt. Ein Teil des Stroms fließt dabei durch den Widerstand 47} aber der Kondensator 49 wird trotzdem währenddessen aufgeladen,und die an ihm anliegende Spannung wächst an. Am Ende des Impulses beginnt der Kondensator 49j

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sich über den Widerstand 47 zu entladen. Nimmt man an, daß jeder Aufladeim_puls ausreicht, um den Kondensator 49 vollständig aufzuladen, so ist die Kondensatorspannung gleich der Summe der Spannungen der Batterien 3 und 5 multipliziert mit dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 47 und 45 abzüglich eines Spannungsabfalls am Transistor T4. Der Ausnahmefall schmaler Hochfrequenz-Eingangsimpulse wird weiter unten beschrieben. Am Ende jedes unipolaren Impulses beginnt der Kondensator 49, sich durch den Widerstand 47 zu entladen. Wenn der Kondensator sich zu dem Zeitpunkt vollständig entladen hat, wenn der nächste Aufladeimpuls geliefert wird, wird sich der Kondensator dann auf die maximale Spannung wieder aufladen, wonach er sich wieder vollständig entladen wird. Die Spannung am Kondensator 49 wird über den Kondensator 53 an die Basis des Transistors T6 und an die Basis des Transistors T6¹ wechselstrommäßig angekoppelt. Jeder Aufladeimpuls erhöht die Spannung am Kondensator 49 von null auf den Maximalwert. Dieser positive Schritt ist ausreichend, um die Transistoren T6 und T6' in ihren Leitungszustand zu steuern, wodurch sich die Kondensatoren 57 und 57' entladen und dadurch die Erzeugung der nächsten Reizimpulse verhindern.

Es seien nun Aufladeimpulse betrachtet, die mit einer höheren Wiederholungsrate auftreten, z. B. mit einer Rate von 72 pro Minute, was bei natürlichen Herzschlägen erwartet werden kann. Jeder Aufladeimpuls ladt den Kondensator 49 auf seine maximale Spannung auf. Der Kondensator beginnt dann, sich über den Widerstand 47 zu entladen; jedoch bevor diese Entladung vollendet ist, tritt ein anderer Aufladeimpuls auf. Der Kondensator lädt sich unmittelbar auf die Maximalspannung auf und beginnt dann wieder, sich zu entladen. Der Kondensator entlädt sich nie vollständig; aber die an ihm anliegende minimale Spannung, nämlich am Ende des Entladungszyklus,

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wenn der nächste Aufladeimpuls erreicht wird, ist niedrig genug, so daß der Anstieg der Kondensatorspannung beim Auftreten jedes Aufladeimpulses noch ausreicht, um die Transistoren T6 und T6' in ihren Leitungszustand zu steuern.Demzufolge bewirkt jeder Aufladeimpuls, der von einem natürlichen Herzschlag herrührt, eine Löschung beider Taktschaltungen.

Es sei nun die Einwirkung von Signalen von 60 Hz auf die Schaltung betrachtet. Wenn ein Streusignal von 60 Hz der Basis des Transistors T3 und der Basis des Transistors T4 zugeführt wird, leitet jeder dieser Transistoren während jeder Viechseistromperiode, nämlich der Transistor T3 leitet eine gewisse Zeit während der positiven Halbperiode, und der Transistor T4 leitet eine gewisse Zeit während der negativen Halbperiode. Demzufolge werden dem Kondensator 49 Aufladeimpulse mit einer Eate von 120 pro Sekunde zugeführt. Diese Rate ist beträchtlich größer als 72 pro Minute. Jeder Impuls lädt den Kondensator 49 vollständig auf, und der nächste Impuls wird geliefert, bevor der Kondensator Gelegenheit gehabt hat, sieh in merklichem Ausmaß zu entladen. Obwohl jeder Impuls den Kondensator vollständig auflädt, ist der daraus resultierende Anstieg der Kondensatorspannung vernachlässigbar, weil die Kondensatοrsρannung nie wesentlich unter die maximale Spannung abfällt. Demzufolge werden Spannungsschritte vernachlässigbarer Amplitude über den Kondensator 53 zu der Basis des Transistors T6 und der Basis des Transistors T6¹ geführt. Jeder Transistor erfordert für seinen Leitungszustand ein Signal von ungefähr 0,5 V, und die über den Kondensator 53 gelieferten Spannungssohritte sind wesentlich unterhalb dieses Wertes aufgrund der Tatsache, daß die unipolaren Impulse mit einer Impulsrate von 120 pro Sekunde auftreten.

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Eine Aktivierung der Transistoren T3 oder T4 mit einer Wiederholungsrate von 40 pro Sekunde entsprechend einem Impulsabstand von 25 msek ist ausreichend, um eine merkliche Entladung des Kondensators 49 und ein Auslösen des Transistors T6 zu verhindern. Es ist offensichtlich, daß in dem Fall, in dem Signale von 60 Hz oder Signale einer höheren Frequenz auftreten, Spannungsschritte durch den Kondensator 53 geschickt werden, deren Größe nicht mehr dazu ausreicht, die Transistoren T6 und T6' in den leitungszustand zu steuern. Die Transistoren T6 und T6' bleiben nichtleitend, und der Schrittmacher arbeitet dann in seiner freilaufenden Betriebsart. Selbst wenn zu dieser Zeit natürliche Herzschläge auftreten, haben diese keine Wirkung. Jeder natürliche Herzschlag hat einen dem Kondensator 49 zugeführten Aufladeimpuls zur Folge; dieser bleibt aber ohne Wirkung, da der Kondensator sich ständig fast auf einem Maximalwert befindet. Nur bei Abwesenheit von unerwünschten hochfrequenten Signalen hat der Kondensator ausreichend Gelegenheit, sich vor der Lieferung eines von einem natürlichen Herzschlag herrührenden Stromimpulses zu entladen. Nur dann hat jeder natürliche Herzschlag eine Leitung der Transistoren T6 und T6' und eine Löschung der Taktschaltungen zur Folge. Hinsichtlich ihrer Wirkungsweise können die Widerstände 45 und 47 und der Kondensator 49 als ein Schalter großer Trägheit gedacht werden. Dieser Schalter kann nicht auf Steuersignale oberhalb einer Impulsrate von 40 pro Sekunde ansprechen. Jedes Signal mit einer Wiederholungsrate von mehr als 40 pro Sekunde ist nicht dazu in der Lage, die Schaltungen zur Erzeugung der Reizimpulse zu sperren.

Natürlich arbeitet während der Zeit, während der 60 Hz-Signale oder andere unerwünschte Signale auftreten, der Schrittmacher in seiner freilaufenden Betriebsart zusammen

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mit dem natürlichen Herzschlag des Patienten. Dies kann nachteilig sein, ist jedoch wesentlich gün3tiger,als wenn der Schrittmacher vollständig ausfallen würde, was dann eine tödliche Gefahr bedeutet, wenn gerade zu dieser Zeit das Herz des Patienten aufhört zu arbeiten.

Während sehr hochfrequente Signale auf den Kondensator 49 dieselbe Wirkung haben wie Signale von 60 Hz, gibt es eine Signalart, die durch die fehlende Entladung des Kondensa- _Λ

tors 49 nicht daran gehindert werden kann, die Transistoren ™ T6, T6' in falscher Weise zu steuern. Genau gesagt können einzelne Impulse sehr geringer Breite einen der Transistoren T3 oder T4 in den Leitungszustand steuern und bewirken, daß ein Aufladeimpuls zu dem Kondensator 49 geliefert wird. Wenn der Kondensator 49 zu dieser Zeit entladen ist, wie das normalerweise am Ende jedes Zyklus der Fall ist, kann der positive Spannungsschritt am Kondensator 49 eine fälschliche Auslösung der Transistoren T6 und T6¹ bewirken,. Um diese Möglichkeit auszuschließen, ist der Widerstand 45 vorgesehen. Jeder Aufladeimpuls erzeugt zwar einen schnellen Anstieg der Spannung am Kondensator 49, dieser Anstieg ist jedoch keine genaue Treppenfunktion, da der Widerstand 45 |

eine Erhöhung der Zeitkonstante der Aufladung bewirkt. Bei einem sehr schmalen Impuls endet der Impuls zu der Zeit, in der der Kondensator 49 gerade merklich begonnen hat, sich aufzuladen. Der Kondensator 49 lädt sich demzufolge nicht in ausreichendem Maß auf, um die Transistoren T6 und T6* auszulösen, d. h. in ihren Leitungszustand zu steuern·

Die Transistoren Tl und T2 haben eine andere Funktion als die Transistoren T5, T4, T5. Die ersten beiden Transistoren dienen zusammen mit den mit ihnen verbundenen Differenzier- und Integriergliedern als Frequenzfilterkreis. Höhere Fre-

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quenzen werden zwar etwas geschwächt; wichtig ist jedoch vor allem die Schwächung der niedrigeren Frequenzen unter 20 Hz. Durch die Abschwächung dieser Signalfrequenzen und durch die Absonderung bestimmter Zacken des Herzmuskelsignals ist es möglich, einen EinfluiS der P- und T-Zacken auf die Steuerung der Transistoren T6 und T6¹ auszuschalten. Der Frequenzfilterkreis schwächt zwar Signale unter 20 Hz, dies darf jedoch nicht mit Herzschlägen einer Wiederholungsrate von 72 pro Minute durcheinandergebracht werden. Es ist gerade die Hervorhebung der Signalfrequenzen in dem Bereich von 20-30 Hz, die sicherstellt, daß Herzschläge mit einer Wiederholungsrate von 72 pro Minute an der Basis des Transistors T3 und an der Basis des Transistors T4 erscheinen, nämlich aufgrund der R-Zacken unter Ausschluß der übrigen Signale. Soweit die durch den Kondensator 41 gesendeten Signale betroffen sind, ist es bequemer, die Wirkungsweise des Schrittmachers unter Betrachtung der Anregungsraten zu analysieren. Die Frequenzkomponenten irgendeines Signals sind, sobald das Signal durch den Kondensator 41 gelangt ist, nicht bestimmend. Von diesem Zeitpunkt an liegt die wesentliche Bedeutung in der Anzahl der Anregungen des Transistors T3 oder T4 während einer vorgegebenen Zeitspanne. Da bei jedem Signal der zweiphasige Schalter einen Stromimpuls vorbestimmter Größe an den den Kondensator aufladenden Kreis liefert, ist es der Impulsratenfilterkreis, der eine Ausschaltung des Schrittmachers durch auftretende Sinusstörsignale oder durch irgendwelche anderen Störsignale verhindert, die mit einer Wiederholungsrate auftreten, die größer als der Minimalwert ist. Bei dem Schrittmacher von Fig. 1 wird eine Störung durch alle Signale verhindert, die mit einer Wiederholungsrate auftreten, die größer ist als 40 pro Sekunde.

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Es ist in einigen Fällen möglich, daß der Vorhofstimulationsimpuls ein elektrisches Signal an der Elektrode El erzeugt, welches nach Verstärkung eine !löschung der beiden Taktschaltungen zur Folge hat. Aus diesem Grund ist der FET-Schalter 92 in den Leiter 11 zwischen die Elektrode El und den Kondensator 17 und damit in den Basiskreis des Transistors Tl geschaltet. Der Schalter ist normalerweise aufgrund seiner Verbindung über den Widerstand 94 mit dem Erdungsleiter 9 leitend. Der an der Elektrode E3 erzeugte negative Impuls wird über den Leiter 84 und über die Diode " 95 zu dem Kondensator 93 gebracht. Der Kondensator lädt sich auf und schaltet den FET-Schalter ab. Wenn der Vorhofstimulationsimpuls zu Ende ist - nach einer üblichen Dauer von 2 msek -, entlädt sich der Kondensator 93 über den Widerstand 94. Die Zeitkonstante der Kondensator-Widerstands-Schaltung ist derart, daß der FET-Schalter für etwa 6 zusätzliche msek ausgeschaltet bleibt und damit eine fehlerhafte Registrierung einer Herzkammerkontraktion während einer zusätzlicher Millisekunden verhindert, bis alle Spannungsspitzen abgeklungen sind. Auf diese Weise wird der Kreis zur Registrierung des Herzschlags während jeder Vorhof stimulation und für eine kurze Zeitspanne danach un- ä empfänglich gemacht. Der Kondensator 91 ist dabei dafür vorgesehen, hochfrequente Spannungsspitzen, die aus der Umschaltung des FET-Schalters resultieren können, zu dem Leiter 9 kurzzuschließen.

Es ist jedoch möglich, daß eine wiÄliche Herzkammerkontraktion innerhalb der von dem FET-Schalter 92 gesteuerten Unempfindlichkeitsperiode von 8 msek erfolgt. Bei dem Schrittmacher von Fig. 1 wird eine solche Herzkammerkon-

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traktion nicht entdeckt, weil das Signal an der Elektrode El nicht über den Schalter und den Kondensator 17 zu der Basis des Transistors Tl gelangt. Es ist erwünscht, daß die Herzkammerkontraktion registriert wird, damit die Herzkammertaktschaltung gelöscht wird. Die Vorhoftaktschaltung beginnt von neuem, soweit der Kondensator 57' sich entlädt, um zuerst den Vorhofimpuls zu erzeugen. Aber der Kondensator 57 setzt seine Aufladung fort, wenn der Transistor T6 nicht beim Auftreten der Herzkammerkontraktion eingeschaltet wird.

Der Schrittmacher von Pig. 4 ist ähnlich dem von Pig. I, außer daß der den FET-Schalter 92 enthaltende Sperrkreis weggelassen ist. Die Kammertaktschaltung des Schrittmachers von Fig. 4 kann gelöscht werden, wenn eine Kammerkontraktion während oder unmittelbar nach der Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses auftritt. Gleichzeitig kann bei Abwesenheit einer solchen Kammerkontraktion der Vorhofstimulationsimpuls keine Einschaltung des Transistors T6 und damit eine löschung der Kammertaktschaltung bewirken»

Die Schaltungsanordnung von Fig. 4 weist gegenüber der von Fig· 1 eine Anzahl von Unterschieden auf. Zunächst sind anstelle einer einzelnen Vorhofstimulations elektrode E3> die die Erdungselektrode E2 mit der Kammerstimulationselektrode El gemeinsam hat, zwei getrennte Vorhofstimulationselektroden E3 und E4 vorgesehen. Der Kollektorkreis des Transistors T9' in Fig. 4 ist also verschieden von dem von Fig. 1« Zweitens enthält die Schaltungsanordnung von Fig. 4 anstatt des FET-Schalters 92 von Fig. 1 Filterkreise zum Abschwächen des Signals an der Elektrode El, welches von der

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Erzeugung des VorhofStimulationsimpulses herrührt. Drittens ist anstelle einer direkten Verbindung zwischen den oberen Anschlußklemmen des Widerstandes 47 und des Kondensators von Pig. 1 eine Parallelschaltung des Widerstandes 38 und der Diode 42 in der Schaltungsanordnung von Figo 4 vorgesehen. Viertens ist die Anordnung des Schalters S bei der Schaltungsanordnung von Fig. 4 etwas unterschiedlich, und es sind zwei getrennte Kondensatoren 53 und 54 anstelle des einzigen Kondensators 53 von Fig. 1 vorgesehen. ä

Bei dem Schrittmacher von Fig. 1 kann der Vorhofstimulationsimpuls an der Elektrode E3 ein beträchtliches Signal an der Elektrode El, welche die Kammerkontraktion registrieren soll, bewirken. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Erdungselektrode E2 den beiden anderen Elektroden gemeinsam ist. Jede der Elektroden El und E3 ist über das Herz mit der Elektrode E2 verbunden. Die Elektrode E2 hat eine gewisse Impedanz, und es ist offensichtlich, daß bei Erzeugung eines Vorhofstimulationsimpulses und eines Stromflusses zwischen den Elektroden E3 und E2 das Potential an der Elektrode E2 aufgrund eines an dieser Elektrode stattfindenden Spannungsabfalls ansteigt. Das angestiegene Po- " tential wird wiederum über das Herz der Elektrode El zugeführt.

Um die Unempfindlichkeitsperiode des Schrittmachers nach dem VorhofStimulationsimpuls zu eliminieren, ist es zunächst erforderlich, das an der Elektrode El auftretende Signal, welches von der Erzeugung eines Vorhofstimulationsimpulses herrührt, abzuschwächen. Das wird bei den Schrittmacher von Figo 4 dadurch erreicht, daß ein getrenntes Paar von Elektroden E3 und E4 für den Vorhofstimulationskreis vorgesehen wird. \'lenn ein Vorhof Stimulationsimpuls erzeugt wird, fließt

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²⁰⁶¹

ein Strom zwischen den Elektroden E3 und E4. Weil die Elektrode E2 den Elektroden El und E3 nicht gemeinsam zugeordnet ist, wird der Elektrode El kein merklicher Anstieg des Potentials mitgeteilt.

Der Kondensator 65' wird nicht mehr dazu verwendet, Ladung zu speichern, um die Erzeugung jedes Vorhofstimulationsimpulses vorzubereiten. Stattdessen bewirkt die Stromleitung des Transistors T9¹, daß ein Impuls über den Transformator 44 an die Elektroden E3 und E4 geliefert wird. Wenn der Transistor leitend wird, fließt ein Strom von den Batterien 3, 5 und 7 über die Primärwicklung des Transformators 44 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T9¹ zum Srdleiter 9· Der Stromimpuls durch die Primärwicklung des Transformators 44 bewirkt, daß ein Spannungsimpuls an der Sekundärwicklung des Transformators erscheint. Dieser Impuls geht durch den Kondensator 48. Die Elektrode E3 wird positiv bezüglich der Elektrode E4, und es fließt ein Strom durch den Vorhof, mit dem die Elektroden verbunden sind.

Der Kondensator 48 ist dazu vorgesehen, einen Gleichstromfluß in dem Fall zu verhindern, daß die Elektroden polarisiert werden. Die Zener-Diode 52 ist anstelle der Zener-Diode 67' in Pig. 1 vorgesehen. Die Diode ist so gepolt, daß sie in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn der stimulierende Stromimpuls erzeugt wird. Im Fall einer übermäßigen Signalamplitude an den Elektroden, die von einer externen Quelle herrührt, leitet die Diode in ihrer Durchlaßrichtung, wenn das Signal einige Zehntel Volt überschreitet, und sie leitet in ihrer Sperrichtung, wenn das Signal 10 V überschreitet. In beiden Fällen kann die Größe des in umgekehrter Richtung durch den Transformator 44 zu

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dem Kollektorkreis des Transistors T9¹ gelangenden Impulse keinen Schaden anrichten.

Die Diode 46 ist dafür vorgesehen, daß der Strom durch die Primärwicklung des Transformators vernichtet wird, wenn der Transistor T9^! am Ende jedes Impulses abschaltet. Der Strom fließt dann weiter in derselben Richtung durch die Primärwicklung; er fließt dann jedoch durch die Diode 46 anstatt durch den Transistor 19'. Die Diode ist bei leitendem Tran- ^ sistor T9¹ in Sperrichtung gepolt, so daß sie während der Erzeugung des Reizimpulses keinen Einfluß auf die Wirkungsweise der Schaltung hat. Die Verwendung der Diode in dieser Weise ermöglicht ein schnelles Verschwinden des von dem Stromfluß durch die Primärwicklung erzeugten Magnetfeldes am Ende des Yorhofstimulationsimpulses.

Da der Strompfad für den Vorhofstimulationsimpuls durch das Herzgewebe zwischen den Elektroden E3 und E4 verläuft und die Elektroden El und Ξ2 oder das Herzgewebe, in denen diese eingepflanzt sind, -nicht einschließt, ist das Potential an der Elektrode E2 und das Potential an der Elektrode El, -

welches durch das Herzgewebe zwischen den Elektroden El und ™ E2 reflektiert wird, wesentlich geringer als das Potential, das an derselben Elektrode bei dem Schrittmacher von Figo 1 entwickelt wird. In der Praxis jedoch kann das Potential an

noch
der Elektrode El/ausreichend sein,nach Verstärkung durch die Transistoren Tl und T2 eine Löschung der Kammertaktschaltung zu bewirken. Aus diesem Grund enthält der Schrittmacher von Fig. 4 zusätzliche Schaltungskomponenten, um eine Löschung der Kammertaktschaltung zu verhindern.

Der Vorhofstimulationsimpuls hat üblicherweise eine Dauerron 2 msek. Aufgrund seiner geringen Breite ist der Impuls

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in erster Linie durch relativ hochfrequente Komponenten "bestimmt. Bei dem Schrittmacher von Figo 1 ist die Elektrode El über den FET-Schalter 92 direkt mit dem Kondensator 17 verbunden. Wenn der FET-Schalter weggelassen wird, ist es offensichtlich, daß die Elektrode El direkt mit der Basis des Transistors Tl über den Kondensator gekoppelt wird. Bei dem Schrittmacher von Fig. 4 wird die Elektrode El über den Widerstand 32 mit dem Kondensator 17 gekoppelt. Ein Ende des Widerstandes ist über den Kondensator 91 mit der Erdungsleitung 9 verbunden. Der Kondensator 91 bei dem Schrittmacher von Fig. 1 dient dazu, hochfrequente Umschaltspannungsspitzen des FET-Schalters 92 nach Erde kurzzuschließen. Bei dem Schrittmacher von Fig. 4 bilden der Widerstand 32 und der Kondensator 91 ein Tiefpaßfilter, welches die Spannungsspitze schwächt, die durch den Kondensator 17 zu der Basis des Transistors Tl gelangt, wenn ein Vorhofstimulationsimpuls erzeugt wird. Ein typischer Wert für die Grenzfrequenz des aus dem Widerstand 32 und dem Kondensator 91 bestehenden Tiefpaßfilters ist 15 Hz. Das Tiefpaßfilter hat nur einen geringen Einfluß auf das QRS-Signal, das an der Elektrode El empfangen wird, weil die QRS-Welle überwiegend durch Frequenzen oberhalb von 15 Hz bestimmt ist. Das Tiefpaßfilter schwächt jedoch die relativ hochfrequenten Signale auf der Leitung 11, die beim Erzeugen eines Vorhofstimulationsimpulses erscheinen.

Bei dem Schrittmacher von Fig. 1 wird das Potential zur Vorspannung der Basis des Transistors Tl aus der Verbindung der Leitung 13 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Batterien 3 und 5 und mit dem Widerstand 15 hergeleitet. Im Idealfall haben Batterien zwar keinen Innenwiderstand; in der Praxis macht sich jedoch stets ein Innenwiderstand der Batterien bemerkbar. Menn der VorhofStimulationsimpuls erzeugt wird,

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verursacht der Strom, der durch die Batterie fließt, eine Änderung der an jeder Batterie anliegenden Spannung. Obwohl also die Verwendung eines gesonderten Elektrodenpaares in dem Vorhofstimulationskreis und die Einbeziehung eines zusätzlichen Tiefpaßfilters die Größe der durch den Kondensator 17 an die Basis des Transistors Tl bei der Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses gelangenden Spannungsspitze herabsetzt, kann die Änderung der Spannung der Batterie während des Fließens des Vorhofstimulationsstromes bewirken, ä daß sich das Basispotential des Transistors Tl ändert. Diese Änderung des Basispotentials hat den gleichen Effekt zur Folge wie die Übermittlung einer Spannungsspitze durch den Kondensator 17; das verstärkte Signal kann nämlich eine Löschung der Herzkammertaktschaltung bewirken. Um Änderungen des Basispotentials des Transistors Tl aufgrund des Innenwiderstandes der Batterie minimal zu halten, sind der Widerstand 36 und der Kondensator 34 vorgesehen«

Diese beiden Schaltungskomponenten bilden nämlich ein weiteres Tiefpaßfilter. Der VorhofStimulationsimpuls, der durch die Batterie 3 fließt, hat zur Folge, daß eine Span- nungsspitze von 2 msek Dauer an den Batterieklemmen er- ™

scheint. Dieser Impuls ist durch relativ hohe Frequenzen charakterisiert, und diese werden durch das Tiefpaßfilter abgeschwächt, so daß der noch resultierende und über den Widerstand 15 zu der Basis des Transistors Tl gelangende Spannungsstoß minimal ist. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters, das aus dem Widerstand 36 und dem Kondensator 34 besteht, kann viel höher sein als die Grenzfrequenz des aus dem Widerstand 32 und dem Kondensator 91 bestehenden Tiefpaßfilters, die 15 Hz beträgt. Das letztgenannte Filter soll nämlich nicht diejenigen Frequenzen schwächen, die für

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die QRS-Wellenform charakteristisch sind, und aus diesem Grund ist die Grenzfrequenz dieses Filters nur 15 Hz. Da iedoch keine Notwendigkeit dafür besteht, dso QRS-Signal über den Widerstand 15 zu der Basis des Transistors Tl zu senden, können der Widerstand 36 und der Kondensator 34 noch höhere Frequenzen abschwächen, die für die QRS-Wellenform charakteristisch sind. Aus diesem Grund kann die

des

Grenzfrequenz/in die Leitung 13 eingeschalteten Tiefpaßfilters um Größenordnungen höher sein als die Grenzfrequenz des in die Leitung 11 eingeschalteten Tiefpaßfilters.

Selbst mit diesen Änderungen gegenüber der Anordnung von Fig. 1 ist es jedoch möglich, daß das Signal an der Elektrode El, das von der Erzeugung eines Vorhofstimulationsimpulses herrührt, groß genug ist, so daß nach Verstärkung einer der Transistoren T4 und T5 leitend wird. In einem solchen Fall würde der Spannungsanstieg am Kondensator 49 bewirken, daß der Transistor T6 leitend wird und die Kammertaktschaltung gelöscht wird. Aus diesem Grund wird gegenüber dem Schrittmacher von Fig. 1 noch eine weitere Änderung vorgenommen, um die Wahrscheinlichkeit einer falschen Auslösung des Transistors T6 herabzusetzen.

Der kurz dauernde VorhofStimulationsimpuls (2 msek) bewirkt zwar, daß einer der Transistoren T4 und T5 leitend wird, bewirkt die Leitfähigkeit dieses Transistors aber nur für 2 msek. Dieser kurz dauernde Impuls ist ähnlich einer RF-Spannungsspitze, für deren Abschwächung die Schaltungsanordnung den Widerstand 45, den V/iderstand 47 und den Kondensator 49 enthält. Der Widerstand 45 bewirkt, daß sich der Kondensator 49 im Vergleich zu der Breite einer RF-Spannungsspitze langsam auflädt. Nur eine relativ breite Spannungsspitze, so wie die, welche beim Empfang eines QRS-

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Signals an der Elektro-de El auftritt, hat eine Aufladung des Kondensators 49 auf einen zur Auslösung des Transistors T6 ausreichenden Wert zur Folge. Um die Wahrscheinlichkeit -weiter herabzusetzen, daß eine bei der Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses auftretende Spannungsspitze den Kondensator 49 auf einen zur Auslösung des Transistors T6 ausreichenden Wert auflädt, kann der Widerstandswert des Widerstandes 45 vergrößert werden. Mit einem ausreichend großen Widerstand kann verhindert werden, daß der Kondensator 49 sich durch eine Spannungsspitze von ä

2 msek in einem zur Auslösung des Transistors ausreichenden Maß auflädt. Wenn jedoch der Widerstandswert des Widerstandes 45 vergrößert wird, reicht möglicherweise die von dem Empfang eines QRS-Signals herrührende Spannungsspitze nicht dazu aus, den Kondensator 49 in einem zur Auslösung des Transistors T6 ausreichendem Maß aufzuladen. Dies beruht auf der Tatsache, daß der Widerstand 45 und der Widerstand 47 einen Spannungsteiler bilden und daß die zur Aufladung des Kondensators 49 verfügbare Spannung umso kleiner ist, je größer der Widerstand 45 ist. Selbst eine von dem Auftreten eines QRS-Signals herrührende Spannungsspitze kann dann möglicherweise den Kondensator 49 nicht in einem zur Auslösung des Transistors T6 ausreichenden Maß aufladen, " wenn der Widerstandswert des Widerstandes 45 stark angehoben wird.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist anstelle der direkten Verbindung des Kondensators 49 mit der Verbindungsstelle der Widerstände 45 und 47 der Kondensator mit der genannten Verbindungsstelle über die den Widerstand 38 und die Diode 42 enthaltende Parallelschaltung verbunden. Der Strom, der von dem Kollektor eines der Transistoren T4 und T5 kommt, fließt durch den Widerstand 45 und den Widerstand

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58 in der Aufladestrecke zur Aufladung des Kondensators. Die Einbeziehung des Widerstandes 38 in die Schaltungsanordnung ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Widerstandes 45, soweit die Verzögerung der Aufladung des Kondensators 49 betroffen ist. Jedoch wird durch die Maßnahme, den Widerstand 38 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 45 und 47 zu verbinden, anstatt die Größe des Widerstandes 45 zu erhöhen, die maximale Aufladung des Kondensators 49 nicht in so großem Maß beeinflußt. Demzufolge verzögert zwar der Widerstand 38 die Aufladung des Kondensators 49, so daß die relativ schmale Spannungsspitze, welche von der Erzeugung eines Vorhof Stimulationsimpulses herrührt, den Kondensator 49 nicht in einem zur Auslösung des Transistors T6 ausreichenden Maß auflädt; die relativ breite Spannungsspitze, die von der Registrierung einer Herzkammerkontraktion herrührt, lädt aber den Kondensator 49 in einem zur Auslösung des Transistors ausreichendem Maß auf.

Die Verwendung des Widerstandes 38 beeinflußt die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung jedoch auch in einer anderen Weise. Es sei daran erinnert, daß die von jedem QRS-Signal herrührende Spannungsspitze den Kondensator 49 von Figo 1 auflädt und sich der Kondensator danach über den Widerstand 47 entlädt. Der Kondensator muß sich während der Herzschlagpause ausreichend entladen, damit die von jedem QRS-Signal herrührende Spannungsspitze dazu imstande ist, die Spannung am Kondensator zu erhöhen. Wenn der Kondensator sich nicht ausreichend entlädt, ist der Spannungsanstieg am Kondensator aufgrund der Leitung der Transistoren T4 oder T5 nicht ausreichend, um den Transistor T6 in seinen Leitungszustand zu steuern. In der Tat arbeitet der Impulsratenfilterkreis in solcher Weise, daß Impulse mit einer zu hohen Wiederholungsrate keine ausreichende Entladung des Kondensators gestatten, so daß jeder Impuls den Kondensator nur leicht auf-

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lädt und der Transistor T6 nicht ausgelöst wird. Bei Einbeziehung des Widerstandes 38 in die Schaltungsanordnung von Fig. 4 ist es offensichtlich, daß die Entladestrecke diesen Widerstand ebenso wie den Widerstand 47 enthält. Die angewachsene Zeitkonstante der Entladestrecke kann möglicherweise dazu führen, daß sich der Kondensator 49 zwischen den Herzschlägen nicht in ausreichendem Maß entlädt. Der Tran sistor T6 wird dann beim Empfang eines QRS-Signals nicht leitend werden.

Aus diesem Grund ist die Diode 42 in der Schaltung vorgesehen. Die Diode wird nur dann stromleitend, wenn der Kondensator 49 sich entlädt und der Strom in der Durchlaßrichtung durch die Diode fließt. In einem solchen Fall ist der Widerstand 38 praktisch durch die Diode kurzgeschlossen, deren Impedanz vernachlässigbar ist. Demzufolge ist die Entladestrecke des Schrittmachers von Fig. 4 grundsätzlich die gleiche wie die von Fig. 1, da der Widerstand 38 praktisch aus der Entladestrecke eliminiert ist. Der Widerstand ist nur während des Aufladezyklus des Kondensators 49 wirksam, da bei Stromfluß von einem der Transistoren T4 und T5 dieser Strom durch den Widerstand 38 von links nach rechts fließt und die Diode 42 dann in Sperrichtung gepolt ist. Die Einbeziehung der Diode 42 in die Schaltung ermöglicht die Verwendung des Widerstandes 38 zur Erhöhung der Aufladezeitkonstante des Impulsratenfilterkreises ohne gleichzeitige Beeinflussung der Entladezeitkonstante. Die Schaltung kann z. B. so eingestellt werden, daß einer der Transistoren T4 und T5 mindestens 10 msek lang leiten muß, und zwar in Intervallen, die einem normalen Herzschlag entsprechen, damit der Spannungsanstieg am Kondensator 49 ausreicht, den Transistor T6 auszulösen. Der VorhofStimulationsimpuls, der nur 2 msek lan."; irst, wird, selbst wenn er einen der Tran-

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sistoren T4 und T5 in seinen Leitungszustand versetzt, keine zur Auslösung des Transistors T6 ausreichende Aufladung ermöglichen.

Es sei daran erinnert, daß bei dem Schrittmacher von Fig. 1 am Ende der Vorhoftaktperiode, wenn die Transistoren T7' und T8¹ leiten, der Spannungsabfall an den Widerständen 61' und 63* ansteigt. Lieser Spannungsanstieg wird über den Widerstand 55' zu der Leitung 82 rückgekoppelt. Natürlich ist es nötig, daß die erhöhte Spannung an der Leitung 82, die mit der Basis des Transistors T6 verbunden ist, nicht dazu ausreicht, den Transistor T6 leitend zu machen, was wiederum die Löschung der Herzkammertaktschaltung zur Folge haben würde. Bei der Schaltung von Fig. 1 wird der Transistor T6 deswegen nicht leitend, weil der Widerstand 55' und die Kondensatoren 53 und 49 einen Integrierkreis bilden. Das Potential am Verbindungspunkt des Kondensators 53 und des Widerstandes 55', d„ h. an der Basis des Transistors T6, kann nicht plötzlich ansteigen, wenn das Potential am Verbindungspunkt der Widerstände 55' und 61' bei der Erzeugung eines VorhofStimulationsimpulses ansteigt. Der Vorhofstimulationsimpuls ist genügend kurz, so daß die Spannung an der Basis des Transistors T6 nicht in einem Haß ansteigt, das ausreicht, den Transistor in dem Zeitpunkt, in dem der Vorhof Stimulationsimpuls zu Ende ist, in seine Leitfähigkeit zu steuern.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß es möglich ist, eine bessere Isolation zwischen den beiden Takt se hai tun/¹: en vorzusehen, und dies wird bei der Schaltung von Fig. 4 durch Verwendung eines zusätzlichen Kondensators 54 erreicht. Die Leitung 82 wird über dienen zusätzlichen Kondensator mit der Verbindungsstelle des Kondensators 53 und des Kondensators 49 ge-

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koppelt. Der Spannungsanstieg am Kondensator 49 bei Leitung eines der Transistoren T4 und T 5 hat nun zur Folge, daß ein Impuls über den Kondensator 53 bei geschlossenem Schalter S zu der Basis des Transistors T6 gelangt und ein Impuls über den Kondensator 54 zu der Basis des Transistors T6' gelangt. Jeder Transistor leitet in· der erforderlichen Weise, wenn ein QRS-Signal empfangen wird. Wenn jedoch der Vorhofstimulations impuls erzeugt wird, wird der entlang der Leitung 82 reflektierte Impuls nun durch den Kondensator 54 zu der g Verbindungsstelle der Kondensatoren 59 und 53 gegeben, anstatt direkt zu der Basis des Transistors T6 wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Mg. 1 gekoppelt zu werden. Der Kondensator 49 hat eine größere Kapazität als der Kondensator 53j so daß der durch den Kondensator 53 zu der Basis des Transistors T6 gesandte Impuls noch stärker in seiner Amplitude reduziert wird zwecks Verhinderung einer Leitung des Transistors T6. Die Verwendung eines zusätzlichen Kondensators 54 in dieser Weise isoliert die beiden Taktschaltungen voneinander.

Es ist zu beachten, daß der Schalter S in dem Schrittmacher von Pig. 4 mit der Basis des Transistors T6 in Serie liegt, f anstatt mit dieser parallel zu liegen, wie das bei der Schaltungsanordnung von Fig. 1 der Fall ist. Bei der Schaltungsanordnung von Fig. 1 werden, wenn der Schalter S geschlossen ist, die Basis des Transistors T6 und die Basis des Transistors T6¹ nach Erde kurzgeschlossen, und beide Taktschaltungen arbeiten in ihrer kontinuierlichen Betriebsart. Wenn der Schalter S geöffnet ist, arbeiten beide Taktschaltungen in der Bedarfsbetriebsart. Bei der Schaltungsanordnung von Fig. 4 wird eine etwas andere Anordnung verwendet, wobei der Schalter S mit der Basis des Transistors T6 in Serie liegt. Wenn der Schalter geöffnet ist, arbeitet

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die Herzkammertaktschaltung in der kontinuierlichen Betriebsart, da keine Impulse über den Kondensator 53 gelangen, um den Transistor T6 auszulösen und den Kondensator 57 zu entladen. Wenn der Schalter andererseits geschlossen ist, arbeitet die Herzkammertaktschaltung in der Bedarfsbetriebsart. Was die Vorhoftaktschaltung anbelangt, so arbeitet diese ständig in der Bedarfsbetriebsart. Selbst wenn der Schalter S geöffnet ist und die Herzkammertaktschaltung in der kontinuierlichen Betriebsart arbeitet, wird jede Herzkammerkontraktion registriert und bewirkt, daß ein Impuls durch den Kondensator 54 gelangt und den Transistor T6' leitend macht. Me Vorhoftaktperiode beginnt daher bei jeder Herzkammerkontraktion von neuem. Diese Anordnung ist sehr zweckmäßig, weil sie eine Synchronisierung der beiden Taktschaltungen miteinander ermöglicht, selbst wenn die Herzkammertaktschaltung in der kontinuierlichen Betriebsart arbeitet.

Patentansprüche;

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Claims (11)

1. Patentansprüche

   ly'Bifunktioneller künstlicher Herzschrittmacher, gekennzeichnet durch ein erstes Elektrodenpaar (E'3, E4) zur Verbindung mit dem menschlichen Herzen zwecks VorhofStimulierung, ein zweites Elektrodenpaar (El, E2) zur Verbindung mit dem menschlichen Herzen zwecks Herzkammerstimulierung, einen Detektorkreis (Tl bis T5, 41, 49, " 53), der mit dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) gekoppelt ist und elektrische Signale abtastet, die auf dem Herzschlag des Patienten beruhen, eine Impulsgeneratorschaltung (57, T7, T8, 65, 57', T7¹, T8¹, 65») zur Erzeugung elektrischer Stimulationsimpulse an den genannten Elektrodenpaaren nach Maßgabe des Zeitpunktes, an dem die genannten Herzschlagsignale abgetastet werden, und elektrische Sperreinrichtungen (32, 91; 34, 36; 38, 42) zur Verhinderung des Ansprechens des genannten Detektorkreises auf das Auftreten eines elektrischen Signals an dem zweiten Slektrodenpaar (El, E2), welches von der Erzeugung eines Stimulationsimpulses an dem ersten Elektrodenpaar (E3, E4) herrührt. ä
2. 2. Schrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulationsimpulse an dem ersten Elektrodenpaar (E3, E4) nach ZeitIntervallen erzeugt werden, die kürzer sind als der normale zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden R-Zacken des EKG und die länger sind als der normale zeitliche Abstand zwischen einer R-Zacke und der nächstfolgenden P-Zacke in dem EKG, und daß an dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) Stimulationsimpulse in Zeitintervallen erzeugt werden, die länger sind als der normale zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden R-Zacken des EKG.

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   Hfc
3. 3. Schrittmacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Erzeugung der Stimulationsimpulse für das erste Elektrodenpaar (E3, E4) einen Impulsgenerator (57', T7¹, T8^! , T9¹) und einen Transformator (44) zur Ankopplung des Impul3generators an das erste Elektrodenpaar enthalten.
4. 4. Schrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Stimulationsimpulse, die an dem ersten Elektrodenpaar (E3, £4) erzeugt werden, viel schmaler sind als ein übliches QRS-Signal, und daß die genannten Sperreinrichtungen ein Tiefpaßfilter (32, 91) zur Abschwächung der relativ hochfrequenten Signalkomponenten enthalten, die in dem an dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) erscheinenden elektrischen Signal enthalten sind, welches von der Erzeugung eines elektrischen Stimulations impulses an dem ersten Elektrodenpaar (E3, E4) herrührt.
5. 5. Schrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerstufe vorgesehen ist, die auf den oberhalb einer vorgegebenen Impulsrate erfolgenden Betrieb des Detektorkreises anspricht und die Erzeugung von Stimulationsimpulsen an dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) mit einer Impulsrate steuert, welche von der Abtastung der Herzschläge des Patienten unabhängig ist, und daß die Steuerstufe einen Kondensator (49), einen ersten in Serie mit dem Kondensator (49) liegenden Widerstand (45), eine auf den Betrieb des Detektorkreises ansprechende Schaltstufe (T3, 24, T5) zur Zuführung eines Stromimpulses zu dem ersten Widerstand (45) zwecks Aufladung des Kondensators (49), einen zweiten Widerstand (38), der zwischen den ersten Widerstand (45) und den

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   HV

   Kondensator (49) geschaltet ist, um den Kondensator in den Pausen zwischen den aufeinanderfolgenden Stromimpulsen zu entladen, wobei die Im pulsgeneratorschaltung auf einen Spannungsanstieg an dem Kondensator (49) bei Zuführung eines der Stromimpulse anspricht, wenn der Spannungsanstieg größer ist als ein vorbestimmter Wert, und Mittel (42) zur Reduzierung der Entladezeitkonstante des Kondensators (49) enthält.
6. 6. Schrittmacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zur Reduzierung der Entladezeitkonstante aus einer Diode (42) bestehen, die parallel zu dem genannten zweiten Widerstand (38) geschaltet ist und deren Durchlaßrichtung in der Richtung des von dem Kondensator (49) kommenden Entladestroms liegt.
7. 7. Schrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratorschaltung eine erste Taktschaltung (57¹, T7', T8¹, T9') zur Erzeugung des dem ersten Elektrodenpaar (E3, E4) zuzuführenden Stimulationsimpulses und eine zweite Takt- f schaltung (57, T7, T8, T9) zur Erzeugung des dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) zuzuführenden Stimulationsimpulses enthält und daß der Detektorkreis auf ein von dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) abgetastetes, eine Herzkammerkontraktion anzeigendes Signal anspricht und daraufhin eine Löschung der zweiten Taktschaltung bewirkt und daß die genannten Sperreinrichtungen die Löschung der zweiten Taktschaltung verhindern, wenn an dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) ein von der Erzeugung eines Vorhofstimulationsimpulses herrührendes Signal erscheint.

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   H*
8. 8. Schrittmacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der genannte zweite Widerstand (38) sowohl in der Aufladestrecke (45, 38) als auch in der Entladestrecke (38, 42) des Kondensators (49) liegt und daß die Mittel zur Herabsetzung der Entladezeitkonstante des Kondensators (49) den Widerstand der Entladestrecke herabsetzen.
9. 9. Schrittmacher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der genannten Schaltstufe (T3, T4, T5) erzeugten und dem Kondensator (49) zugeführten Stromimpulse eine Dauer aufweisen, die gleich der Dauer des an dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) empfangenen Signals ist, und daß der der Aufladestrecke und der Entladestrecke des Kondensators (49) gemeinsame Widerstand (38) groß genug ist, um einen über einem vorbestimmten Wert liegenden Potentialanstieg am Kondensator (49) zu verhindern, wenn der zugeführte Stromimpuls eine unter einem vorbestimmten Wert liegende Länge aufweist.
10. 10. Schrittmacher nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß der Entladewiderstand durch Eliminierung des der Aufladestrecke und der Entladestrecke gemeinsamen Widerstandes (38) einen so geringen Wert hat, daß eine Entladung des Kondensators (49) auf einen ausreichend geringen Wert ermöglicht wird, so daß der nächste zugeführte Stromimpuls einen oberhalb des genannten vorbestimmten Wertes liegenden Spannungsanstieg am Kondensator zur Folge hat, wenn der nächste Stromimpuls eine vorgegebene Zeitspanne nach dem vorangehenden Stromimpuls auftritt, wobei die vorgegebene Zeitspanne das Reziproke der zu unterdrückenden Impulsrate ist.

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11. 11. Schrittmacher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratorschaltung eine erste Taktschaltung (57', T7^f , T8', 19') zur Erzeugung eines dem ersten Elektrodenpaar (E3, E4) zuzuführenden Stimulationsimpulses und eine zweite Taktschaltung (57, T7, T8, Τ9) zur Erzeugung eines dem zweiten Elektrodenpaar (El, E2) zuzuführenden Sitimulationsimpulses enthält und daß der Detektorkreis auf die Herzkammerkontraktion des Patienten anspricht und daraufhin die erste Taktschaltung und die zweite Taktschaltung löscht und daß ein Schalter (S) vorgesehen ist, um die Löschung nur der zweiten Taktschaltung zu verhindern.

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