DE2815397A1 - Implantierbarer herzschrittmacher - Google Patents

Description

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MoskoVvSky Energetichesky Institut Krasnokazarmennaya ulitsa, 14 Moskau (UdSSR)

Implantierbarer Herzschrittmacher

Die Erfindung betrifft einen implantierbaren Herzschrittmacher (Elektrokardiostimulator) zur Behandlung verschiedener Herzrhythmusstörungen, die medikamentös nicht heilbar sind.

Ein bekannter implantierbarer Herzschrittmacher (vgl. US-PS 3 057 356, 128-422) reizt das Herz durch einen kontinuierlichen elektrischen Rechteckimpuls der Dauer von T (vgl. auch hier Fig. 1), um die Herzkontraktionen zu sichern. Der eigentliche Herzschrittmacher ist als ein selbstschwingender Impulsgenerator, ζ. Β. Multivibrator oder Flip-Flop, ausgeführt, dessen Eingang an eine Speisequelle und dessen Ausgang über Elektroden an das Herz angeschlossen sind, wobei die Anzahl der Herzkontraktionen der Anzahl der am Herz eintreffenden Impulse entspricht.

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Es ist auch bekannt, daß zur wirksamen Reizung (Stimulierung) die Dauer der am Herzen ankommenden Impulse eine bestimmte Schwellendauer überschreiten muß. Im Reizbetrieb ist die Polgeperiode T der Impulse stets viel größer als die Impulsdauer T (T/T = 600 bis 16OO).

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Von Nachteil ist beim bekannten implantierbaren Herzschrittmacher dessen verhältnismäßig hohe Leistungsaufnahme und als Folge davon seine geringe Lebensdauer.

Bei Normspannungen von 5>2 V oder 6,5 V der kontinuierlichen Impulse (Amplitudenwert) beträgt die Schwellendauer für die meisten Patienten 0,05 bis 0,2 ms.

Zur Betriebssicherheit des Herzschrittmachers ist die Impulsdauer in Grenzen von 0,5 bis 1,5 ms, d. h. um ein Vielfaches größer als die Schwellendauer, zu wählen.

Für den typischsten Fall der Anwendung des Herzschrittmachers mit einem kontinuierlichen Impuls von T = 0,8 ms, einer Folgeperiode T von 833 ms (72 Schläge/min), einem Herzwiderstand von 500 Sl (Typenwert), einem Spannungsimpuls von 5,2 V und einem Wirkungsgrad des Herschrittmachers von 80 % beträgt die dem Herz zugeführte Leistung 52 /UW, jedoch die der Speisequelle entnommene Leistung 65 /UW und der Stromverbrauch von der Speisequelle 12,5 /UA.

Bei Verwendung eines kontinuierlichen Impulses zur Reizung darf also der von der Speisequelle gezogene Strom zur Sicherung des Reizeffektes grundsätzlich nicht unterhalb von 10 bis 15 /UA liegen. Da die Kapazität der in die Speisequelle .eingehenden Batterien (auf 0,5 oder 1,0 A) begrenzt ist, wird die Lebensdauer der Herzschrittmacher vor allem durch den gezogenen Strom bestimmt, weshalb mit zunehmendem Strom die Lebensdauer abnimmt.

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Die Lebensdauer der bekannten Herzschrittmacher ist also bei Benutzung der bestehenden Batterien grundsätzlich beschränkt₃ d. h. sie beträgt nur einige Jahre.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den gezogenen Strom bei beibehaltener wirksamer Reizung zu verringern und damit die Lebensdauer des Herzschrittmachers bei Verwendung gleicher Speisebatterien zu verlängern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs

Die Erfindung gestattet, die Reizschwelle um ein Mehrfaches zu verringern, was eine mehrfache Verlängerung der Lebensdauer des implantierbaren Herzschrittmachers bei gleicher Gpeisequelle sowie gleichen Abmessungen und gleichem Gewicht ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ünteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Herzschrittmacher hat eine erheblich verlängerte Lebensdauer und ermöglicht insbesondere die Nutzung der freigesetzten Energie zur Speisung der Hilfseinheiten von funktionsmäßig komplizierteren und dem menschlichen Organismus besser angepaßten Herzschrittmachern.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild des an das Herz angeschlossenen implantierbaren Herzschrittmachers;

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Pig. 2 herzreizende Hochfrequenzimpuls-Pakete gemäß der Erfindung;

Fig. 3 herzreizende kontinuierliche Impulse gemäß dem bekannten Verfahren;

Fig. 4 ein detailliertes Ausführungsbeispiel des Blockschaltbilds von Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Herzschrittmacher enthält eine Speisequelle 1 (Fig. 1), an die ein den Arbeitsrhythmus eines Herzens 3 vorgebender Haupt-Impulsgenerator 2 angeschlossen ist, von dem einer der Ausgänge an den Eingang eines Speisungs-Unterbrechers 4 geschaltet ist, der zwischen der Speisequelle 1 und einem Hochfrequenzimpulse abgebenden Zusatz-Impulsgenerator 5 liegt, der seinerseits mit dem Eingang eines das Herz 3 steuernden Ausgangs-Umschalters 6 verbunden ist.

Der Herzschrittmacher von Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Der von der Speisequelle 1 gespeiste Haupt-Impulsgenerator 2 erzeugt unipolare oder Gleich-Rechteckimpulse. Der Unterbrecher 4 des Speisestromkreises ist nur während der Impulsdauer des Haupt-Impulsgenerators. 2 geschlossen. Der Zusatz-Impulsgenerator 5, dessen Speisung über den Unterbrecher 4 erfolgt, arbeitet ebenfalls nur während der Impulsdauer des Haupt-Impulsgenerators und erzeugt über den Ausgangs-Umschalter 6 zum Herzen 3 gelangende Pakete elektrischer Impulse.

Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung U des Herzschrittmachers (Fig. 1) von der Zeit t ist in Fig. 2 dargestellt, wo bedeuten:

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T = Impulspaket-Dauer,
t = Impulsdauer im Paket,

T - t = Pausendauer im Paket, η η '

T = Folgeperiode der Impulse im Paket, T = Polgeperiode der Pakete,

U = Amplitude der Impulse im Paket.

Zum Vergleich ist in Fig. 3 die Abhängigkeit der Ausgangsspannung U des Herzschrittmachers von der Zeit t wiedergegeben, die dem bekannten Verfahren entspricht. Hier bedeuten:

T = Dauer des kontinuierlichen Impulses, T = Folgeperiode der Impulse, ü = Amplitude der Impulse.

Der Ausgangs-Umschalter 6 erfüllt eine Doppelfunktion. Zum einen sorgt er für eine galvanische Entkopplung zwischen dem Herzen 3 und dem Zusatz-Impulsgenerator 5 und zum anderen nimmt er eine Leistungsverstärkung der Signale vom Zusatz-Impulsgenerator 5 vor.

Da die Reizenergieschwelle des Herzens von der Reizform abhängt, kann sie durch Austausch der kontinuierlichen Reizung gegen Impulspaket-Reizung gesenkt werden.

Durch Einwirkung eines Pakets (Fig. 2) elektrischer Impulse auf das Herz erfolgt dessen Kontraktion derart, daß die Anzahl der Herzkontraktionen gleich der Anzahl der eintreffenden Pakete ist. Die Anwendung von Impulspaketen im Herzschrittmacher anstatt kontinuierlicher Impulse (Fig. 3) ermöglicht, bei gleichbleibender Reizwirkung den von der Speisequelle gezogenen Strom um ein Vielfaches zu verringern und folglich die Lebensdauer des Herzschrittmachers um ein Vielfaches zu vergrößern,

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was den Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers gegenüber dem bekannten darstellt.

Zweckmäßigerweise besteht das Paket aus Rechteckoder Quasirechteck-Impulsen (Fig. 2), \ieil in diesem Fall die Bauelemente des Herzschrittmachers im Schaltbetrieb arbeiten und die Verluste in ihnen minimal sind. Hierbei ist ein hoher Wirkungsgrad des Herzschrittmachers gewährleistet, wenn innerhalb des Pakets die ImpulSamplitude U mindestens die lOfache Pausenamplitude beträgt. Es ist auch empfehlenswert, das Pause-Impuls-Verhältnis (T - t )/t größer als 0,2 zu wählen, weil bei einem geringeren Wert dieses Verhältnisses keine merkliche Energieeinsparung zu erzielen ist.

Die elektrische Prinzipschaltung nach Fig. 4 entspricht dem Sonderfall der Anwendung der Erfindung bei der einfachsten asynchronen AusführungsVariante des Herzschrittmachers .

Der Haupt-Impulsgenerator 2 enthält eine Bezugsspannungsquelle 10, einen Vergleicher 11, zwei RC-Glieder und 13j die die Folgeperiode T für die Impulspakete bzw. die Dauer T dieser Pakete vorgeben, einen Transistor-Zwischenverstärker 1*1 und eine Entladeeinheit 15.

Die Bezugsspannungsquelle 10 ist aus Widerständen 16, 17, 18 und einem Transistor 19 aufgebaut.

Der Vergleicher 11 ist aus einem Transistor 20 und einem Widerstand 21 aufgebaut. Die RC-Glieder 12 und -sind mit einem Widerstand 22 bzw. 23 und einem Kondensator 24 bzw. 25 bestückt.

Die Entladeeinheit 15 ist aus einem Transistor 26 909842/0305

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und einem Widerstand 27 aufgebaut.

Der Transistor-Zwischenverstärker 14 ist mit einem Transistor 28 und Widerständen 29 und 30 aufgebaut.

Das Hauptelement des Zusatz-Impulsgenerators 5 ist ein Flip-Flop 31; darüber hinaus weist er zwei die Dauer t der Impulse und deren Folgeperiode T im Paket vorgebende RC-Glieder 32 und 33 sowie Entkoppeldioden 34 auf.

Das RC-Glied 32 ist aus einem Widerstand 37 und einem Kondensator 383 das RC-Glied 33 aus einem Widerstand 39 und einem Kondensator 40 aufgebaut.

Der Unterbrecher des Speisestromkreises 4 ist mit einem Transistor 4l bestückt.

Der Ausgangs-Umschalter 6 ist in Form eines Transistors 42 und eines Widerstandes 43 aufgebaut. Allerdings kann der Ausgangs-Umschalter 6 zwecks größerer Sicherheit des Patienten in Form einer an die Speisequelle angeschlossenen Reihenschaltung aus einem Widerstand, einem Ausgangsschalt-Transistor und einem mit einem gemeinsamen Punkt der Reihenschaltung gekoppelten Trennkondensator ausgeführt werden.

Der Herzschrittmacher von Fig. 4 arbeitet wie folgt:

Bei Leitung des Transistors 19 des Haupt-Impulsgenerators 2 sind die Transistoren 20, 26, 28, 41 und 42 gesperrt. Bei gesperrtem Transistor 4l ist der Speisestromkreis des Zusatz-Impulsgenerators 5 unterbrochen, er ist also abgeschaltet, so daß am Herz 3 keine Reizimpulse anliegen. Bei gesperrtem Transistor 20 wird der Kondensa-

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tor 24 des zeitgebenden RC-Glieds 12 über den Widerstand 22 aufgeladen. Sobald der Kondensator 24 auf eine Spannung ungefähr gleich dem Spannungsabfall am Widerstand 18 der Bezugsspannungsquelle 10 aufgeladen worden ist, wird der Transistor 20 des Vergleichers leitend und der Transistor 19 gesperrt. Hierbei schalten die Transistoren 26, 28 und 41 durch, und die Spannung der Speisequelle 1 wird über den Unterbrecher 4 dem Zusatzgenerator 5 zugeführt. Gleichzeitig wird der Kondensator 24 über die Entladeeinheit 15 (Transistor 26) ent- und der Kondensator 25 des seitgebenden RC-Glieds 13 umgeladen. Die Umladezeit des Kondensators 25 bestimmt die Leitungszeit des Transistors 41 des Unterbrechers 4 und folglich die des die reizenden Impulspakete erzeugenden Zusatz-Impulsgenerators 5·

Der Zusatz-Impulsgenerator 5 arbeitet wie folgt:

Beim Anschluß der Speisung (über den Unterbrecher 4) befindet sich das Flip-Flop 31 in einem der stabilen Zustände (angenommen im L-Zustand). Dann liegt an dessen Ausgang Q ein hohes Potential und am Ausgang Q ein niedriges Potential an. Hierbei wird der über die Diode 35 an den Zähleingang des Flip-Flops 31 angeschlossene Kondensator 4o des zeitgebenden RC-Glieds 33 aufgeladen und der Kondensator 36 entladen. Gleichzeitig kommt über den Widerstand 43 an die Basis des Transistors 42 des Umschalters 6 ein öffnungsstrom, und in dessen Kollektorkreis wird einer der Paketimpulse mit einer Dauer von t (s. Fig. 2) erzeugt. Bei Erreichen des Wertes der Ansprechspannung durch die Spannung am Kondensator 40 kippt das Flip-Flop in den O-Zustand (hohes Potential am Ausgang Q und niedriges Potential am Ausgang Q) um. Hierbei erfolgen die Aufladung des Kondensators 38 und die Entladung des Kondensa-

42.
tors 4o. Der Transistor ist dabei gesperrt; es erfolgt

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die Bildung einer Pause von (T - t ) Dauer im Impulspaket. Bei Erreichen der Ansprechspannung am Kondensator wird das Flip-Flop 31 erneut in den L-Zustand umgesteuert, worauf sich alle Vorgänge wiederholen.

Da die Arbeitsfrequenz des Zusatz-Impulsgenerators 5 oberhalb der Betriebs-Eigenfrequenz des Haupt-Impulsgenerators 2 gewählt ist, werden am Ausgang des Herzschrittmachers Impulspakete mit einem bestimmten Zeitabstand zwischen ihnen, wie in Fig. 2 gezeigt, erzeugt.

Der Herzschrittmacher sorgt für die elektrische Reizung in Gestalt von Impulspaketen und für die Zufuhr dieser Pakete zum Herz. Je größer hierbei das Frequenzverhältnis des Haupt- und des Zusatz-Impulsgenerators und je größer das Impuls-Pause-Verhältnis innerhalb des Pakets ist, desto größer sind die Energieeinsparung und damit die Lebensdauer des Herschrittmachers.

Der oben beschriebene Asynchron-Herzschrittmacher hat etwa die halbe Leistungsaufnahme der bekannten Herzschrittmacher. Infolgedessen ist seine Lebensdauer ungefähr gleich der doppelten Lebensdauer der bekannten implantierbaren Herzschrittmacher.

Die Erfindung kann praktisch in sämtlichen Bauarten implantierbarer Herzschrittmacher (Asynchron-, R-Wellen-, P-Wellen-Herzschrittmacher, Einrichtungen mit paarweiser Reizung od. dgl.) zum Einsatz gelangen, wobei sich in allen Fällen eine Energieeinsparung ergibt.

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ΛΑ

Leerseite

Claims (3)

1. BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ PATENTANWÄLTE

   Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Dipl.-Ing. R. BEETZ sen.

   Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT

   Telex 522048 - Telegramm Allpatent München Dr.-Ing. R. BEETZ jr.

   Rechtsanwalt Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH

   Dr.-Ing. W. TIMPE 530-28 .-098p Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

   Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN

   10. April 1978 A η s ρ r ü c h e

   Implantierbarer Herzschrittmacher,

   mit einem den Herzrhythmus vorgebenden, an eine Speisequelle angeschlossenen Haupt-Impulsgenerator, dessen als Elektroden ausgeführte Anschlüsse an das Herz anlegbar sind, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Haupt-Impulsgenerator (2) und den Elektroden angeordneten Zusatz-Impulsgenerator (5)

   von Hochfrequenzimpuls-Paketen zur Herz(3)-Reizung, so daß die Anzahl der Herzkontraktionen gleich der Anzahl der Hochfrequenzimpuls-Pakete zum Herzen wird.
2. 2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Hochfrequenzimpulse rechteckig oder quasirechteckig sind (Fig. 2).
3. 3. Herzschrittmacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Amplitude (U ) der Hochfrequenzimpulse mindestens die lOfache Pausenamplitude beträgt.

   ¹J. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

   daß das Pause-Impuls-Verhältnis (T -t )/t der Hochfrequenzimpuls-Pakete mindestens 0,2 beträgt (Fig. 2).

   53O-(O8O2/1 P. 7O535-E-6l)-HdSl

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