DE2825626C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen implantierbaren, digitalen Herzschrittmacher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Herzschrittmacher dieser Art (US-PS 38 33 005, Ausführungsform gemäß Fig. 4) sind der erste Oszillator und der damit zusammenwirkende erste rückstellbare Zähler (der Taktzähler) wesentlicher Bestandteil sowohl der ersten als auch der zweiten digitalen Zeitgeberanordnung. An eine erste Gruppe von Ausgängen des Taktzählers ist eine Impulsfolgefrequenz-Vergleichslogikschaltung angeschlossen, während eine zweite Gruppe von Ausgängen des Zählers mit einer Impulsbreiten-Vergleichslogikschaltung verbunden ist. Den beiden Vergleichslogikschaltungen gehen ferner Signale von zwei Gruppen von Ausgängen eines zweiten rückstellbaren Zählers (des Stellzählers) zu, der aufgrund von externen Signalen eingestellt wird, welche Sollwerte für die änderbare Impulsfolgefrequenz und die änderbare Impulsbreite der Ausgangsreizimpulse darstellen. Wenn der Taktzähler nach einem Zurückstellen einen Zählwert erreicht, der dem am Stellzähler eingestellten Sollwert für die Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse entspricht, wird ein Ausgangsreizimpuls ausgelöst, und der Taktzähler wird zurückgestellt. Sobald dann der Taktzähler auf einen Zählwert gezählt hat, der mit dem an dem Stellzähler eingestellten Sollwert für die Impulsbreite der Ausgangsreizimpulse übereinstimmt, wird der Ausgangsreizimpuls beendet, und das Arbeitsspiel wird erneut eingeleitet.

Um bei einem solchen digitalen Herzschrittmacher die Impulsbreite der Ausgangsreizimpulse in für die Praxis geeigneten Stufen einstellen zu können, muß die Frequenz des für die Vorgabe von Breite und Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse genutzten Oszillators so gewählt sein, daß der Impulsabstand der Oszillatorimpulse wesentlich kleiner als die Impulsbreite der Ausgangsreizimpulse ist. Soll beispielsweise die Impulsbreite der Ausgangsimpulse zwischen einer halben und einer Millisekunde in Schritten von ein Zehntel Millisekunden verändert werden können, muß die Oszillatorfrequenz mindestens 10 000 Hz betragen. Selbst bei einer solchen Frequenz ist unter Umständen eine befriedigende Impulsbreiteneinstellung noch nicht möglich. Bei einer Oszillatorfrequenz von 10 000 Hz muß der dem Oszillator nachgeschaltete Zähler mindestens bis 10 000 zählen können, wenn der maximale Impulsabstand der Ausgangsreizimpulse eine Sekunde beträgt, d. h. wenn die minimale Schrittmacherfrequenz bei 60 Schlägen pro Minute liegt. Da aber jeder Zählschritt mit einer gewissen Stromentnahme aus der Schrittmacherbatterie verbunden ist, führt eine so hohe Schrittzahl zu einem erheblichen Energieverbrauch und damit zu einer relativ kurzen Lebensdauer des Schrittmachers, der bei drohender Erschöpfung der Batterie ausgewechselt werden muß. Desweiteren besteht die Gefahr, daß aufgrund eines Ausfalls von Schrittmacherkomponenten der Oszillator auf eine Frequenz springt, die größer als die vorgesehene Oszillatorfrequenz ist. Da der dem Oszillator zugeordnete Zähler nach einem Rückstellen den nächsten Reizimpuls auslöst, nachdem er eine vorbestimmte Anzahl von Oszillatorsignalen gezählt hat, geht in einem solchen Störfall der Schrittmacher auf eine überhöhte Reizimpuls-Folgefrequenz über. Ein derartiges Weglaufen des Herzschrittmachers ist für den Patienten lebensbedrohend, denn es kann ein Herzkammerflimmern auslösen.

Desweiteren ist ein aus analogen Schaltungsstufen aufgebauter Herzschrittmacher bekannt (US-PS 35 18 997), der zwei Oszillatoren aufweist, von denen der eine auf eine erste und der andere auf eine zweite Folgefrequenz für Reizimpulse von vorgegebener Impulsbreite abgestimmt ist. Ein mittels eines Magnetfeldes betätigbarer, in den Schrittmacher integrierter und dementsprechend implantierbarer Zungenschalter erlaubt es, durch Auflegen eines externen Magneten, wahlweise den einen oder den anderen der beiden Oszillatoren wirksam zu machen. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform dieses bekannten Herzschrittmachers können beide Oszillatoren Reizimpulsfolgen von gleicher Folgefrequenz liefern. Wenn in diesem Fall der eine Oszillator ausfällt, kann durch Betätigen des Zungenschalters der andere Oszillator aktiviert werden. Dazu kann es jedoch zu spät sein, wenn die Oszillatorstörung nicht sofort bemerkt wird, beispielsweise, weil sie während des Schlafes des Patienten auftritt.

Es ist ferner ein bedarfsweise und extern anzuwendendes Herzschrittmacher-Prüfgerät bekannt (DE-OS 25 39 592), das die Reizimpulsfolgefrequenz eines implantierten Herzschrittmachers mit einer hochkonstanten, von einem Quarzoszillator abgeleiteten Folgefrequenz vergleicht und bei einer Abweichung oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes ein Alarmsignal abgibt, das erkennen läßt, daß der Schrittmacher ausgewechselt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Herzschrittmacher der eingangs genannten Art zu schaffen, der im Normalfall auch bei hoher Zeitauflösung für die Impulsdauer der Ausgangsreizimpulse einen relativ geringen Energieverbrauch hat und der für eine selbsttätige Sicherung gegen ein Weglaufen der Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse sorgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem digitalen Herzschrittmacher nach der Erfindung bestimmen im Normalfall der erste Oszillator und der ihm zugeordnete erste Zähler nur die Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse, während die Impulsdauer der Ausgangsreizimpulse von dem zweiten Oszillator im Zusammenwirken mit dem zweiten Zähler bestimmt wird. Dies erlaubt es, den ersten Oszillator mit einer Frequenz arbeiten zu lassen, die wesentlich niedriger als diejenige des zweiten Oszillators ist, so daß der die Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse bestimmende Zähler für jede Schrittmacherimpulsperiode nur eine relativ geringe Anzahl von Schritten auszuführen braucht. Tritt ein Störfall auf, bei welchem die Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse wegläuft, wird dies von der Vergleichereinrichtung selbsttätig erkannt. Die gestörte erste Zeitgeberanordnung wird, gleichfalls selbsttätig, wirkungslos gemacht. Die im Normallfall nur die Impulsdauer der Ausgangsreizimpulse bestimmende zweite Zeitgeberanordnung wird, wiederum selbsttätig, veranlaßt, zusätzlich auch die Funktion der ersten Zeitgeberanordnung zu übernehmen, d. h. neben der Impulsdauer auch die Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse vorzugeben. Dabei muß der zweite Zähler eine vergleichsweise große Anzahl von Zählschritten für jede Schrittmacherimpulsperiode ausführen. Zu dem dadurch bedingten hohen Energieverbrauch kommt es aber nicht im Normalfall, sondern nur in dem lebensbedrohenden Störfall.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert. Diese Figur zeigt ein Blockschaltbild eines digital gesteuerten Herzschrittmachers, der in Verbindung mit einer Leitung verwendet wird, die zwischen dem Herzschrittmacher und dem Herz des Patienten liegt.

Der insgesamt mit 10 bezeichnete digital gesteuerte Herzschrittmacher weist einen Niederfrequenzoszillator 12 und einen Hochfrequenzoszillator 14 auf. Der Niederfrequenzoszillator 12 kann so aufgebaut sein, daß er mit einer Frequenz von 200 Hz schwingt, während der Hochfrequenzoszillator 14 so ausgelegt sein kann, daß er mit einer Frequenz von 20 kHz schwingt, wenn an seinen Entsperreingang (E) ein Entsperrsignal angelegt wird.

Das Ausgangssignal des Oszillators 12 geht an einen Zähler 16, bei dem es sich um einen achtstufigen Zähler handeln kann. Der Zähler 16 ist so aufgebaut, daß der im Zähler stehende Zählwert jedesmal um eins weitergeschaltet wird, wenn an den Takteingang (C) des Zählers ein Impuls vom Niederfrequenzoszillator 12 angelegt wird. Immer wenn an den Rückstelleingang (R) des Zählers 16 ein Impuls geht, springt ferner der im Zähler stehende Zählwert auf den Zählwert Null, d. h., jede der acht Stufen wird zurückgestellt.

Die Ausgangssignale von jeder der acht Stufen des Zählers 16 gehen an eine Gruppe von Entschlüsselungsgattern 18, die in bekannter Weise Digitalsignale liefern, wenn der Zähler 16 vorbestimmte Zählwerte erreicht. Wie unten im einzelnen erläutert ist, können die Entschlüsselungsgatter 18 eine Folge von Gattern aufweisen, die von vorbestimmten Signalen entsperrt werden, die an die Gatter von einer Erkennungs- und Entschlüsselungslogik 20 aus angelegt werden.

Der Hochfrequenzoszillator 14 wird wahlweise entsperrt, indem seinem Entsperreingang (E) ein Signal zugeführt wird. Im entsperrten Zustand liefert der Oszillator 14 ein Impulssignal mit einer Frequenz von 20 kHz an einen Zähler 22. Bei dem Zähler 22 kann es sich um einen sechzehnstufigen Zähler handeln. Die Ausgangssignale aus den ersten sieben Stufen des Zählers 22 werden den Gattern einer Entschlüsselungsgatterlogik 24 zugeführt. Bei der Entschlüsselungsgatterlogik 24 kann es sich um eine Gruppe von entsperrten UND- Gattern handeln, die mit den verschiedenen Ausgängen des Zählers 22 derart gekoppelt sind, daß bestimmte Zählwerte im Zähler 22 durch Signale am Ausgang der Entschlüsselungsgatterlogik 24 manifestiert werden können.

Die Entschlüsselungsgatterlogik 18 gibt fünf Ausgangsimpulssignale an Ausgänge 26, 27, 28, 29 und 30. Ein Signal erscheint am Ausgang 26 immer dann, wenn der Zählwert im Zähler 16 eins beträgt. Am Ausgang 27 tritt ein Signal auf, wenn der Zählwert im Zähler 16 gleich zwei ist. Am Ausgang 28 erscheint ein Signal nach der Zeitspanne, die der Zähler 16 benötigt, um von Null auf einen Zählwert zu zählen, der äquivalent der Zeitspanne zwischen Reizimpulsen ist, die vom Herzschrittmacher 10 abgegeben werden. Wenn beispielsweise Impulse mit einer Folgefrequenz von einem Impuls pro Sekunde angeliefert werden sollen, spricht ein Gatter innerhalb der Entschlüsselungsgatterlogik 18 darauf an, daß der Zähler 16 einen Zählwert von 200 erreicht; zu diesem Zeitpunkt geht ein Ausgangssignal an den Ausgang 28. Bei diesem Gatter kann es sich um ein UND-Gatter handeln, an das die Ausgänge der dritten, siebten und achten Stufe angekoppelt sind. Die Ausgänge 29 und 30 werden benutzt, um die Refraktär- und Umschaltperioden des Impulsgenerators 10 zu steuern. Der Ausgang 29 kann so angeschlossen sein, daß er ein Signal 175 Millisekunden nach dem Rückstellen des Zählers 16 abgibt, oder in anderen Worten, dann, wenn der Zähler 16 einen Zählwert von fünfunddreißig erreicht. Der Anschluß des Ausgangs 30 kann so erfolgen, daß ein Signal 300 Millisekunden nach dem Rückstellen des Zählers 16 erscheint, oder in anderen Worten, wenn der Zähler 16 einen Zählwert von sechzig erreicht hat. Wie im folgenden näher erläutert ist, können die Zählwerte, bei denen die Gatter der Logik 18 ansprechen, durch Betätigen der Erkennungs- und Entschlüsselungslogik 20 wahlweise geändert werden.

Die Entschlüsselungsgatterlogik 24 weist drei Ausgänge 32, 34 und 36 auf; an jedem dieser Ausgänge erscheint ein Impulssignal bei vorbestimmten Zählwerten des Zählers 22. Die Gatter der Logik 24 sind so angeordnet, daß ein Signal am Ausgang 32 eine Zeitspanne nach dem Rückstellen des Zählers 22 erscheint, die gleich der halben Zeitdauer zwischen Impulsen des Niederfrequenzoszillators 12 ist, oder wenn der Zähler 22 einen Zählwert von fünfzig erreicht. Im Falle des Ausgangs 34 tritt ein Signal einen Zählschritt des Zählers 22 nach dem Erscheinen des Signals am Ausgang 32 auf. Ein Signal erscheint am Ausgang 36 eine Zeitspanne nach Rückstellen des Zählers 22, die gleich der Zeitdauer des Reizimpulses ist. Wenn beispielsweise der Reizimpuls eine Dauer von 1 ms hat, ermitteln die den Ausgangsimpuls an den Ausgang 36 gebenden Gatter einen Zählwert von 20 im Zähler 22.

Um den Reizimpuls zu beeinflussen, sind zwei Zeitdauern von Wichtigkeit. Bei der ersten Zeitdauer handelt es sich um die Zeitspanne zwischen Reizimpulsen; die zweite Zeitdauer ist die Zeitdauer des Reizimpulses. Weil die Zeitspanne zwischen Reizimpulsen relativ lang ist, werden zu ihrer Vorgabe der Niederfrequenzoszillator 12 und der Zähler 16 benutzt, während der Hochfrequenzoszillator 14 und der Zähler 22 zur Vorgabe der relativ kleinen Dauer des Reizimpulses herangezogen werden. Ein ODER-Gatter 40, eine Latchschaltung 42 und ein Ausgangsverstärker 44 dienen ferner der Abgabe des Reizimpulses.

Der Ausgang 28 der Logikschaltung 18 steht über einen Eingang des ODER-Gatters 40 mit dem Stelleingang der Latchschaltung 42 in Verbindung. Eine Latchschaltung, beispielsweise die Latchschaltung 42, ist bekanntlich eine bistabile Anordnung mit einem Ausgang Q und einem Ausgang sowie mit einem Stelleingang (S) und einem Rückstelleingang (R). Wenn ein Impulssignal an den Stelleingang angelegt wird, gibt der Ausgang Q eine logische "1" oder eine positive Spannung ab, während am Ausgang eine logische "0" oder Massepotential anliegt. Diese Spannungen bleiben erhalten, bis dem Rückstelleingang ein logisches "1"-Signal zugeführt wird, das bewirkt, daß am Ausgang Q eine logische "0" auftritt, während der Ausgang eine logische "1" abgibt. Dieser Zustand der Latchschaltung bleibt wiederum erhalten, bis dem Stelleingang ein logisches "1"-Signal zugeht. Eine Latchschaltung kann aus zwei UND-Schaltungen mit jeweils zwei Eingängen aufgebaut werden, deren Ausgänge überkreuzt mit einem Eingang gekoppelt sind, während der andere Gattereingang den Stell- bzw. Rückstelleingang der Latchschaltung bildet.

Der Ausgang Q der Latchschaltung 42 ist an den Eingang des Ausgangsverstärkers 44 angeschlossen, dessen Ausgang an die (zum Herzen führende) Leitung 46 angekoppelt ist. Der Verstärker 44 ist so ausgebildet, daß immer dann, wenn das ihm vom Ausgang Q der Latchschaltung 42 zugeführte Signal eine logische "1" ist, ein Reizimpuls vom Verstärker 44 an die Leitung 46 geht. Das Eingangssignal S der Latchschaltung 42 geht ferner über ein ODER-Gatter 52, um den Zähler 16 auf den Zählwert Null zurückzustellen.

Der Ausgang 36 der Logikschaltung 24 ist an den Rückstelleingang der Latchschaltung 42 angekoppelt. Immer dann, wenn ein Impuls zur Rückstellung der Latchschaltung 42 angeliefert wird, wird die logische "1"-Spannung am Ausgang Q der Latchschaltung 42 zu logisch "0"; der vom Ausgang des Verstärkers 44 auf die Leitung 46 gehende Reizimpuls hört auf. Damit wird der Reizimpuls vom Verstärker 44 nur zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Stellsignal an die Latchschaltung 42 geht, und dem Zeitpunkt abgegeben, zu dem auf die Latchschaltung 42 ein Rückstellsignal gegeben wird oder, mit anderen Worten, zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Signal am Ausgang 28 der Logikschaltung 18 erscheint, und dem Zeitpunkt, an dem ein Signal am Ausgang 36 der Logikschaltung 24 auftritt.

Das Ausgangssignal Q der Latchschaltung 42 geht ferner an einen Eingang eines ODER-Gatters 48, dessen Ausgangssignal dem Entsperreingang des Hochfrequenzoszillators 14 als Entsperrsignal zugeführt wird, um den Oszillator zu veranlassen, Impulse an den Zähler 22 anzulegen. Zum gleichen Zeitpunkt, zu dem ein Signal am Ausgang 28 der Logikschaltung 18 erscheint und die Latchschaltung 42 einstellt, wird daher der Oszillator 14 entsperrt, so daß er anfängt, Impulse an den Zähler 22 zu geben. Nachdem im Zähler 22 ein Zählwert erreicht ist, der die gewünschte Impulsbreite manifestiert, erscheint am Ausgang 36 ein Signal, das die Latchschaltung 42 zurückstellt. Damit wird der Reizimpuls zum gewünschten Zeitpunkt beendet. Gleichzeitig wird der Oszillator 14 veranlaßt, mit der Abgabe von Impulsen an den Zähler 22 aufzuhören.

Der Herzschrittmacher 10 ist so ausgelegt, daß er als ventrikulär inhibierter oder Bedarfsschrittmacher arbeitet. D. h., dem Herz wird eine Gelegenheit gegeben, vor Ablauf einer bestimmten Zeitdauer auf natürliche Weise zu schlagen. Nur wenn das Herz innerhalb dieser Zeitspanne nicht natürlich schlägt, geht von dem Verstärker 44 ein Reizimpuls auf die Leitung 46. Die Leitung 46 wird in bekannter Weise als Sende- und Empfangsleitung ausgenutzt, d. h., sie überträgt den Reizimpuls vom Verstärker 44 zum Herz; außerdem übermittelt sie elektrische Signale vom Herz zum Herzschrittmacher 10.

Mit der Leitung 46 ist ein Meßverstärker 50 verbunden, der die elektrischen Signale erfaßt, die vom Herzen infolge eines Herzschlags kommen. Er liefert an seinem Ausgang ein kompatibles Digitalsignal, welches das Auftreten eines solchen Herzschlags manifestiert. Durch Verwendung zweckentsprechender Frequenzfilter und Schwellwertstufen kann der Verstärker 50 so ausgelegt sein, daß er die R-Welle, jedoch nicht die P- oder T-Welle des Elektrokardialsignals erfaßt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 50 läuft über den einen Eingang eines normalerweise entsperrten, drei Eingänge aufweisenden UND-Gatters 51 zum einen Eingang des ODER-Gatters 52. Dessen Ausgangssignal geht dem Rückstelleingang des Zählers 16 zu, um den Zähler 16 auf den Zählwert Null zurückzustellen. Wenn daher ein natürlicher Herzschlag auftritt, bevor der Zählwert im Zähler 16 den Wert erreicht, der genügt, um ein Signal am Ausgang 28 auftreten zu lassen, wird der im Zähler 16 stehende Zählwert auf Null zurückgestellt. Dadurch wird ein neues Arbeitsspiel des Herzschrittmachers 10 eingeleitet; es wird verhindert, daß ein Signal an den Ausgang 28 geht und einen Reizimpuls auslöst.

Bekanntlich ist es erwünscht, einen ventrikulär inhibierten Schrittmacher für eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. 300 ms) refraktär zu machen, nachdem ein Reizimpuls abgegeben wurde, oder, falls keine Reizimpulsabgabe erfolgt, nachdem ein natürlicher Herzschlag aufgetreten ist. Während der Refraktärdauer spricht der Herzschrittmacher 10 auf keine Signale an, die ihm über die Leitung 46 zugehen. Die Refraktärfunktion wird von einer Latchschaltung 53 in Verbindung mit dem UND-Gatter 51 und dem ODER-Gatter 52 gesteuert.

Der Stelleingang (S) der Latchschaltung 53 ist mit dem Ausgang des ODER-Gatters 52 verbunden, während der Rückstelleingang (R) der Latchschaltung 53 an den Ausgang 30 der Logikschaltung 18 angekoppelt ist, d. h. den das 300- Millisekunden-Zeitsignal liefernden Ausgang. Der Ausgang der Latchschaltung 53 ist an einen zweiten Eingang des UND-Gatters 51 angekoppelt und dient der Sperrung des UND-Gatters 51 bei eingestellter Latchschaltung 53, d. h., immer dann, wenn der Ausgang der Latchschaltung 53 logisch "0" ist. Wenn im Betrieb vorzeitig ein Signal vom Verstärker 50 erfaßt wird und infolgedessen ein Impulssignal am Ausgang des ODER-Gatters 52 erscheint, oder durch ein Impulssignal am Ausgang des ODER-Gatters 40 ein Reizimpuls ausgelöst wird, der über das ODER-Gatter 52 angelegt wird, wird die Latchschaltung 53 durch das Signal am Ausgang des ODER-Gatters 52 eingestellt. Infolgedessen wird der Ausgang zu logisch "0"; das UND-Gatter 51 wird darin gehindert, weitere Signale vom Meßverstärker 50 aus durchzulassen. Gleichzeitig wird der Zähler 16 auf Null zurückgestellt; er beginnt erneut zu zählen. Wenn der Zählwert im Zähler 16 die Zahl sechzig erreicht, was bei einer Frequenz von 200 Hz dem Verstreichen von 300 ms entspricht, wird die Latchschaltung 53 zurückgestellt, wodurch der Ausgang wieder zu logisch "1" wird. Dadurch wird das UND-Gatter 51 wieder entsperrt; es läßt Signale vom Verstärker 50 passieren.

Bekanntlich ist es ferner erwünscht, daß ein ventrikulär inhibierter Schrittmacher in einen Asynchronbetrieb übergeht, wenn ein kontinuierliches oder ungedämpftes Störsignal vorliegt, das stark genug ist, um von dem Verstärker erfaßt zu werden und den Zähler 16 zurückzustellen. Bei dem häufigsten derartigen Störsignal handelt es sich um ein Netzfrequenzsignal (50 oder 60 Hz). Die für diesen Zweck vorgesehene Umschalteinrichtung des Herzschrittmachers 10 umfaßt eine Latchschaltung 54, ein UND-Gatter 55 und eine Latchschaltung 56 in Verbindung mit dem UND-Gatter 51 und den Zeitsignalen an den Ausgängen 29 und 30 der Logikschaltung 18. Das 175 ms-Zeitsignal am Ausgang 29 geht an den Stelleingang (S) der Latchschaltung 54 und den Rückstelleingang (R) der Latchschaltung 56, während das 300 ms-Zeitsignal am Ausgang 30 an den Rückstelleingang (R) der Latchschaltung 54 angekoppelt wird. Der Ausgang Q der Latchschaltung 54 ist an einen Eingang des UND-Gatters 55 angeschlossen. Der andere Eingang des UND-Gatters 55 ist mit dem Ausgang des Meßverstärkers 50 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 55 ist an den Stelleingang (S) der Latchschaltung 56 angeschlossen, während der Ausgang der Latchschaltung 56 mit dem dritten Eingang des UND-Gatters 51 verbunden ist.

Im Betrieb achtet die Umschalteinrichtung auf ein Ansprechen des Meßverstärkers während des Zeitfensters von 125 ms Dauer am Ende der Refraktärperiode. Festzuhalten ist, daß der Meßverstärker so ausgelegt ist, daß er gewisse niederfrequente Signale und Signale mit kleiner Amplitude ausfiltert, so daß insbesondere T-Wellen nicht bewirken, daß ein Impuls am Ausgang des Meßverstärkers angeliefert wird. Bei Vorhandensein eines Zeitfensters von 125 ms bewirkt jedes Signal mit ausreichend hoher Amplitude und einer Folgefrequenz von 8 Hz oder mehr, daß während des Zeitfensters mindestens ein Impuls erscheint.

Bei der Umschalteinrichtung des Herzschrittmachers 10 wird die Latchschaltung 54 durch das Signal am Ausgang 29 der Logikschaltung 18 eingestellt. Die Latchschaltung 56 wird 175 ms nach Rückstellen des Zählers 16 zurückgestellt; sie bleibt 125 ms lang eingestellt, d. h. so lange, bis der Zähler 16 bewirkt, daß ein Signal am Ausgang 30 der Logikschaltung 18 erscheint. Während der Zeitdauer von 125 ms, für die die Latchschaltung 54 eingestellt ist, bevor das Rückstellen erfolgt, steht der Ausgang Q auf logisch "1"; das UND-Gatter 55 wird entsperrt, um jedes vom Meßverstärker 50 angelieferte Impulssignal passieren zu lassen. Falls ein Impulssignal auftreten sollte, läuft es über das UND-Gatter 55 und stellt die Latchschaltung 56 ein, was bewirkt, daß der Ausgang zu logisch "0" wird und eine Sperrung des UND-Gatters 51 erfolgt. Bei gesperrtem UND-Gatter 51 wird die ventrikulär inhibierte Betriebsart des Herzschrittmachers 10 gesperrt, da keine erfaßten Herzschläge über das UND-Gatter 51 laufen können. Der Herzschrittmacher 10 arbeitet vielmehr im Asynchronbetrieb. Das UND-Gatter 51 wird zum Zeitpunkt 175 ms des nächsten Arbeitsspiels durch das Signal am Ausgang 29 der Logikschaltung 18 zurückgestellt. Falls das Störsignal verschwunden ist, wird die Latchschaltung 56 nicht erneut eingestellt. Andernfalls erfolgt ein neues Einstellen der Latchschaltung 56, so daß der Asynchronbetrieb andauert.

Ein Vorteil des Vorhandenseins von zwei Oszillatoren 12 und 14 im Herzschrittmacher 10 besteht darin, daß zwischen beiden ein Vergleich durchgeführt werden kann, um ein Weglaufen des Schrittmachers zu verhindern. Für diesen Zweck ist eine Vergleicherschaltung vorgesehen, die aus Latchschaltungen 57, 64 und 65, UND-Gattern 58 und 62 sowie einem Inverter 60 besteht.

Der Ausgang 26 der Logikschaltung 18 ist mit dem Stelleingang der Latchschaltung 57 verbunden, während der Ausgang 27 der Logikschaltung 18 an den Rückstelleingang der Latchschaltung 57 angeschlossen ist. Der Ausgang der Latchschaltung 57 und der Ausgang 32 der Logikschaltung 24 sind mit den beiden Eingängen des UND-Gatters 58 verbunden, dessen Ausgang über den Inverter 60 an einen Eingang des UND-Gatters 62 angeschlossen ist. Der Ausgang 34 der Logikschaltung 24 steht mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 62 in Verbindung. Der Ausgang des UND-Gatters 62 ist an den einen Eingang eines ODER-Gatters 67 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Rückstelleingang des Zählers 22 verbunden ist, um den Zähler 22 auf den Zählwert Null zurückzustellen. Der Ausgang des UND-Gatters 58 ist ferner an den Stelleingang der Latchschaltung 64 angekoppelt. Der Ausgang des ODER-Gatters 40 ist mit dem Rückstelleingang der Latchschaltung 64 verbunden. Der Ausgang 26 der Logikschaltung 18 ist an den Stelleingang der Latchschaltung 65 angeschlossen. Der Ausgang 34 der Logikschaltung 24 ist mit dem Rückstelleingang der Latchschaltung 65 gekoppelt. Der Ausgang Q der Latchschaltung 65 ist mit einem zweiten Eingang des ODER-Gatters 48 verbunden. Der Ausgang Q der Latchschaltung 64 ist an einen dritten Eingang des ODER-Gatters 48 angeschlossen.

Im Betrieb der Vergleicherschaltung des Herzschrittmachers 10 wird das Signal am Ausgang 26 der Logikschaltung 18 benutzt, um die Latchschaltungen 57 und 65 kurz nach dem Rückstellen des Zählers 16 einzustellen, d. h., einen Zählschritt später. Dann wird das logische "1"-Signal am Ausgang Q der eingestellten Latchschaltung 65 über das ODER-Gatter 48 an den Oszillator 14 angelegt, um diesen zu entsperren und Impulse an den Zähler 22 gelangen zu lassen. Das logische "0"-Signal am Ausgang der eingestellten Latchschaltung 57 sperrt das UND-Gatter 58, so daß dieses kein seinem anderen Eingang zugehendes Signal durchläßt.

Einen Zählschritt des Oszillators 12 später stellt das Ausgangssignal am Ausgang 27 der Logikschaltung 18 die Latchschaltung 57 zurück, so daß der Ausgang wieder auf logisch "1" springt. Das UND-Gatter 58 wird wieder entsperrt, so daß es seinem anderen Eingang zugeführte Signale durchläßt. Unter normalen Arbeitsbedingungen erscheint am Ausgang 32 der Logikschaltung 24 ein Signal ungefähr in der Mitte des Zeitfensters, während dessen das UND-Gatter 58 gesperrt ist. Das Signal wird daher über das UND-Gatter 58 nicht weitergegeben, um die Latchschaltung 64 einzustellen. Ein Impuls des Oszillators 14 nach Auftreten eines Signals am Ausgang 32 erscheint ein Signal am Ausgang 34, welches die Latchschaltung 65 zurückstellt, wodurch das Entsperrsignal verschwindet, das über das ODER-Gatter 48 an den Oszillator 14 angelegt wird.

Nur wenn die Frequenz des Oszillators 12 auf das Doppelte, beispielsweise von 200 Hz auf 400 Hz, oder mehr ansteigt, oder wenn die Frequenz des Oszillators 14 um die Hälfte, beispielsweise von 20 kHz auf 10 kHz, oder mehr absinkt, kommt ein Signal vom Ausgang 32, während das UND-Gatter 58 nicht gesperrt ist, und wird infolgedessen dieses Signal über das UND-Gatter 58 geleitet. Im letztgenannten Falle besteht keine Gefahr, daß der Schrittmacher wegläuft. Im erstgenannten Falle wird jedoch, wenn die Frequenz des Oszillators 12 zu hoch wird, das Herz mit einer zu hohen Rate stimuliert, was ernsthafte Folgen haben kann. Um eine zu rasche Reizung des Herzens zu unterbinden, stellt das logische"1"-Impulssignal am Ausgang des UND-Gatters 58 die Latchschaltung 64 ein, wodurch deren Ausgang Q auf logisch "1" springt. Dieses logische "1"-Signal wird über das ODER-Gatter 52 auf den Zähler 16 gegeben, um diesen ständig in zurückgestelltem Zustand zu halten. Außerdem wird das logische "1"-Signal vom Ausgang Q der Latchschaltung 64 über das ODER-Gatter 48 dem Hochfrequenzoszillator 14 zugeführt, um diesen entsperrt zu halten. Dieser Zustand dauert an, bis die Latchschaltung 64 zurückgestellt wird, wenn der Reizimpuls des Herzschrittmachers 10 abgegeben wird, d. h., wenn ein Signal am Ausgang des ODER-Gatters 40 erscheint.

Bei entsperrtem Oszillator 14 zählt der Zähler 22 durch alle sechzehn Stufen hindurch hoch. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Stufe sechzehn eingestellt wird, d. h. etwa 1,64 s, nachdem im Zähler 22 der Zählwert Null stand, geht ein Signal von der sechzehnten Stufe über das ODER-Gatter 40 an die Latchschaltung 42, um diese einzustellen. Dadurch wird das Anlegen eines Reizimpulses an die Leitung 46 gestartet. Der Impuls am Ausgang des ODER-Gatters 40 wird ferner dem Rückstelleingang der Latchschaltung 64 zugeführt, so daß das Rückstellsignal am Zähler 16 verschwindet. Eines der Entsperrsignale für den Oszillator 14 wird über das ODER-Gatter 48 angelegt. Gleichzeitig geht das Ausgangssignal von der Stufe sechzehn über das ODER-Gatter 67 an den Zähler 22, um diesen auf den Zählwert Null zurückzustellen; das den Reizimpuls bewirkende Signal am Ausgang Q der Latchschaltung 42 wird über das ODER-Gatter 48 angelegt, um den Oszillator 14 zu entsperren. Dies bewirkt, daß der Zähler 22 ausgehend von Null hochzählt, bis ein Signal am Ausgang 36 erscheint, um zu dem geeigneten Zeitpunkt die Latchschaltung 42 zurückzustellen und das Entsperrsignal verschwinden zu lassen.

Wenn der Zähler 16 nicht länger ständig zurückgestellt gehalten wird, erscheint ein Signal am Ausgang 26 kurz nach Beendigung des Reizimpulses. Dies bewirkt, daß ein erneuter Vergleich zwischen den Frequenzen des Oszillators 12 und des Oszillators 14 erfolgt. Wenn die Frequenz des Oszillators 12 zu hoch oder die Frequenz des Oszillators 14 zu niedrig ist, tritt am Ausgang des UND-Gatters 58 ein Impuls auf, und der Zähler 22 zählt erneut die Impulse des Oszillators 14, bis die sechzehnte Stufe wieder eingestellt ist. Mit anderen Worten, in dieser Betriebsart arbeitet der Herzschrittmacher 10 hinsichtlich der Reizimpulsabgabe im Asynchronbetrieb.

Wenn der Oszillator 12 normal arbeitet und ein Signal am Ausgang 32 erscheint, bevor die Latchschaltung 57 eingestellt wird, geht ein logisches "1"-Ausgangssignal von dem UND-Gatter 62 über das ODER-Gatter 67 an den Zähler 22, um diesen auf den Zählwert Null zurückzustellen. Falls erwünscht, könnte das Ausgangssignal vom Verstärker 50 während dieser Betriebsweise über das ODER-Gatter 67 zum Rückstelleingang des Zählers 22 geführt werden, um die Anordnung als ventrikulär inhibierten oder Bedarfsschrittmacher arbeiten zu lassen; ferner könnten entsprechende Signale von der Logikschaltung 24 über Gatter zu den Latchschaltungen 53, 54 und 56 geführt werden, um für die Refraktär- und Umschaltfunktionen zu sorgen.

Der Herzschrittmacher 10 ist mit Mitteln versehen, die es gestatten, sowohl die Folgefrequenz und die Impulsdauer als auch die Refraktär- oder Umschaltdauern des Herzschrittmachers 10 zu variieren. Dies geschieht mittels der Erkennungs- und Entschlüsselungslogik 20, die verschlüsselte Hf-Informationen aufnimmt, die in bekannter Weise (beispielsweise US-PS 38 33 005) an eine Antenne 66 gehen. Nach dem Entschlüsseln dieser Informationen werden vorbestimmte Signale über Leitungen 68, 70 . . . und 72 angelegt, die von der Logikschaltung 20 zur Logikschaltung 18 führen. Jede dieser Leitungen 68, 70 . . . und 72 ist an eine andere Gruppe von Gattern bezüglich der Ausgänge 28, 29 und 30 der Logikschaltung 18 angekoppelt, so daß der Zählwert des Zählers 16, der notwendig ist, um Signale an den Ausgängen 28, 29 und 30 erscheinen zu lassen, variiert werden kann. Damit werden die Impulsfolgefrequenz der Reizimpulse sowie die Refraktär- und Umschaltzeiten geändert. Außerdem gibt die Logikschaltung 20 Signale auf Leitungen 74, 76 . . . und 78, die der Logikschaltung 24 zugeführt werden, um den Zählwert zu variieren, der erforderlich ist, um ein Signal am Ausgang 36 auftreten zu lassen. Damit wird die Impulsdauer geändert. Außerdem können Signale das Arbeiten des UND-Gatters 58 verhindern und damit die Vergleicherfunktion sperren, falls das Problem, das bewirkt, daß das UND-Gatter 58 einen Impuls abgibt, darin besteht, daß die Frequenz des Oszillators 14 zu gering ist.

Die Logikschaltung 20 spricht nicht nur auf die von der Antenne 66 aufgefangenen Hf-Signale, sondern auch auf ein Signal von einem Analog/Digital-Wandler 80 an, das in digitaler Weise die Größe der Spannung der Stromquelle zum Ausdruck bringt. Diese digitale Darstellung kann von der Logikschaltung 20 derart verarbeitet werden, daß in Abhängigkeit von der Spannung der Stromquelle selbsttätig die Impulsbreite verändert wird. Wenn die Spannung der Stromquelle aufgrund von Alterungserscheinungen abzunehmen beginnt, ist es nämlich erwünscht, die Breite der Reizimpulse zu erhöhen. Innerhalb der Logikschaltung 20 vorgesehene Schaltungsteile können bewirken, daß zweckentsprechende Signale über die Leitungen 74, 76 . . . und 78 entsprechend dem Wert des Digitalsignals gehen, das an die Logikschaltung von dem Analog/Digital-Wandler 80 angelegt wird.

Claims (15)

1. Implantierbarer, digitaler Herzschrittmacher zum Liefern von Ausgangsreizimpulsen von vorbestimmter Impulsdauer und mit vorbestimmter Folgefrequenz, mit

• - einer ersten digitalen Zeitgeberanordnung (12, 16, 18, 40, 42) zur Vorgabe der Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse, aufweisend einen ersten Oszillator (12), der ein erstes Zeitsignal in Form einer Impulsfolge abgibt, einen auf das erste Zeitsignal ansprechenden ersten rückstellbaren Zähler (16), der die nach dem jeweils letzten Rückstellen des ersten Zählers auftretenden Impulse des ersten Zeitsignals zählt, und eine erste Steuereinrichtung (18, 40, 42), die einen Ausgangsreizimpuls jeweils auslöst, wenn der erste Zähler (16) einen vorbestimmten Zählerstand erreicht; und
• - einer zweiten digitalen Zeitgeberanordnung (14, 22, 24, 42) zur Vorgabe der Impulsdauer der Ausgangsreizimpulse

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die zweite Zeitgeberanordnung (14, 22, 24, 42) einen mit wesentlich höherer Frequenz als der erste Oszillator (12) arbeitenden zweiten Oszillator (14) zum Liefern eines zweiten Zeitsignals in Form einer Impulsfolge, einen auf das zweite Zeitsignal ansprechenden, zweiten, rückstellbaren Zähler (22) und eine zweite Steuereinrichtung (24, 42) aufweist, die einen von der ersten Steuereinrichtung ausgelösten Ausgangsreizimpuls beendet, wenn der zweite Zähler (22) einen vorbestimmten ersten Zählerstand erreicht;
• - der zweite Oszillator (14) derart mit beiden Steuereinrichtungen in Verbindung steht, daß er über die erste Steuereinrichtung (18, 40, 42) beim Auslösen eines Ausgangsreizimpulses entsperrt und über die zweite Steuereinrichtung (24, 42) beim Beenden des betreffenden Ausgangsreizimpulses wieder gesperrt wird, und
• - eine Vergleichereinrichtung (57, 58, 60, 62, 64, 65) vorgesehen ist, welche den zweiten Oszillator (14) für einen Vergleich des ersten Zeitsignals mit dem zweiten Zeitsignal entsperrt, welche prüft, ob der zweite Zähler (16) innerhalb eines von vorbestimmten Zählwerten des ersten Zählers begrenzten Zeitfensters von einem ersten auf einen zweiten vorbestimmten Zählwert zählt, und welche im Normalfall dann den zweiten Oszillator (14) wieder sperrt, jedoch bei einer Fehlfunktion des ersten Oszillators (12), die bewirkt, daß die Impulsfolgefrequenz des ersten Zeitsignals einen vorbestimmten Grenzwert mit Bezug auf die Impulsfolgefrequenz des zweiten Zeitsignals überschreitet,
  • die erste Steuereinrichtung (18, 40, 42) am Auslösen der Ausgangsreizimpulse hindert;
  • das Sperren des zweiten Oszillators (14) nach dem Zeitsignalvergleich verhindert und
  • den zweiten Zähler (22) im Zusammenwirken mit dem zweiten Oszillator (14) auch die Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse bestimmen läßt, indem der jeweils nächste Ausgangsreizimpuls ausgelöst wird, wenn der zweite Zähler (22) einen vorbestimmten zweiten Zählerstand erreicht.

2. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz des ersten Zeitsignals ein ganzzahliges Vielfaches der vorbestimmten Folgefrequenz der Ausgangsreizimpulse ist und daß die vorbestimmte Impulsdauer der Ausgangsreizimpulse ein ganzzahliges Vielfaches des Impulsabstandes der Impulse des zweiten Zeitsignals ist.

3. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsabstand der Impulse des ersten Zeitsignals größer als die vorbestimmte Impulsdauer der Ausgangsreizimpulse ist.

4. Digitaler Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Rückstellen des ersten Zählers (16) ein Ansprechsignale erfassender Meßverstärker (50) vorgesehen ist, der bei Auftreten eines erfaßten Ansprechsignals das Rückstellen des Zählers bewirkt.

5. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit der ersten Steuereinrichtung (18, 40, 42) und dem Meßverstärker (50) zusammenwirkende Umschalteinrichtung (51, 54, 55, 56), die auf von dem Meßverstärker (50) erfaßte starke Störsignale ansprechend ein Rückstellen des ersten Zählers (16) verhindert.

6. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (51, 54, 55, 56) versehen ist mit

• - einer Auswertestufe (54, 55), die darauf anspricht, daß der erste Zähler (16) Zählwerte erreicht, die ein Zeitfenster begrenzen, das eine untere Grenzfrequenz für die Störsignale bestimmt, auf welche die Umschalteinrichtung anspricht, sowie
• - einer Erkennungsstufe (56), die feststellt, ob der Meßverstärker (50) während des vorgegebenen Zeitfensters ein beliebiges Signal erfaßt.

7. Digitaler Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine mit der ersten Steuereinrichtung (18, 40, 42) und dem Meßverstärker (50) zusammenwirkende Refraktärstufe (51, 52, 53), die nach einem Rückstellen des ersten Zählers (16) ein erneutes Rückstellen des ersten Zählers aufgrund eines von dem Meßverstärker (50) erfaßten Ansprechsignals für eine vorgegebene Refraktärzeitdauer verhindert.

8. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Refraktärstufe (51, 52, 53) eine Latchschaltung (53) aufweist, welche aufgrund von Ausgangsreizimpulsen oder bei Erfassen eines Ansprechsignals durch den Meßverstärker (50) eingestellt wird und welche zurückgestellt wird, wenn der erste Zähler (16) einen der Refraktärzeitdauer entsprechenden Zählerstand erreicht.

9. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 6 und Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Zeitfenster innerhalb der Refraktärzeitdauer liegt.

10. Digitaler Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichereinrichtung (57, 58, 60, 62, 64, 65) nach dem Vergleich der beiden Zeitsignale den zweiten Zähler (22) wieder zurückstellt, wenn der zweite Zähler (22) einen vorgegebenen Zwischenzählwert (Signal am Ausgang 32 der Entschlüsselungsstufe 24) erreicht, bevor der erste Zähler (16) auf einen vorbestimmten Zwischenzählerstand (Signal am Ausgang 27 der Entschlüsselungsstufe 18) gezählt hat.

11. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Zähler (16) eine erste Entschlüsselungsstufe (18) nachgeschaltet ist, die, bevor der erste Zähler (16) den zur Auslösung des Ausgangsreizimpulses führenden vorbestimmten Zählerstand erreicht, zwei Signale (Signale an den Ausgängen 26 und 27 der Entschlüsselungsstufe 18) abgibt, die ein von der Frequenz des ersten Oszillators (12) abhängiges Vergleichszeitfenster begrenzen, daß dem zweiten Zähler (22) eine zweite Entschlüsselungsstufe (24) nachgeschaltet ist, die, wenn der zweite Zähler (22) den vorgegebenen Zwischenzählwert erreicht, ein Auswertesignal (Signal am Ausgang 32 der Entschlüsselungsstufe 24) ausgibt, das in das Vergleichszeitfenster fällt, solange die beiden Oszillatoren (12, 14) mit ihrer jeweiligen Sollfrequenz arbeiten, sowie daß die Vergleichereinrichtung (57, 58, 60, 62, 64, 65) eine den beiden Entschlüsselungsstufen (18, 24) nachgeschaltete Auswertestufe (57, 58) aufweist, die ein Erkennungssignal (Ausgangssignal des UND-Gatters 58) abgibt, wenn das Auswertesignal aus dem Vergleichszeitfenster herausfällt.

12. Digitaler Herzschrittmacher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichereinrichtung (57, 58, 60, 62, 64, 65) eine Steuerstufe (64) aufweist, die, auf das Erkennungssignal (Ausgangssignal des UND-Gatters 58) ansprechend, die Anlieferung des zweiten Zeitsignals an den zweiten Zähler (22) entsperrt und verhindert, daß der erste Zähler (16) den zur Auslösung des Ausgangsreizimpulses führenden vorbestimmten Zählerstand erreicht, und daß eine Schaltungsstufe (40, 67) vorgesehen ist, welche, wenn der zweite Zähler (22) den vorbestimmten zweiten Zählerstand erreicht, die Abgabe eines Ausgangsreizimpulses auslöst und den zweiten Zähler (22) zurückstellt, um letzteren dann auf den vorbestimmten ersten Zählerstand zählen zu lassen.

13. Digitaler Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung (20, 66) zur Auswahl einer einer Mehrzahl von vorbestimmten Folgefrequenzen der Ausgangsreizimpulse, zur Auswahl einer einer Mehrzahl von vorbestimmten Impulsdauern der Ausgangsreizimpulse und zum Einstellen der Refraktärzeitdauer sowie des Zeitfensters der Umschalteinrichtung (51, 54, 55, 56) in Abhängigkeit von extern angelegten Steuersignalen.

14. Digitaler Herzschrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stellstufe (80) zur Auswahl einer einer Mehrzahl von vorbestimmten Impulsdauern der Ausgangsreizimpulse in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung einer den Herzschrittmacher speisenden Stromquelle.