-
-
Gerät zur externen eingriffslosen elektrischen Herz-
-
stimulation Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Die externe elektrische Stimulation ist ein bewährtes eingriffs loses
Verfahren, mit dem bei der Wiederbelebung von Patienten mit Herz stillstand das
Herz wirkungsvoll wieder zum Schlagen gebracht werden kann. Die Schmerzen, die die
externe elektrische Stimulation bei einem sich bei Bewußtsein befindenden Patienten
erzeugt, hat jedoch eine weitere Verbreitung dieses Verfahrens bei der vorübergehenden
Herz stimulation verhindert. Derzeit wird daher für die vorübergehende Herz stimulation
am häufigsten das einen Eingriff erfordernde Verfahren der Herzkatheterisierung
angewendet, bei dem ein Elektrodendraht -vorübergehend im Herzen angeordnet wird.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
ein Gerät für die eingriffslose Herzstimulation anzugeben, dessen Anwendung wesentlich
weniger Unannehmlichkeiten verursacht als die bekannten Geräte.
-
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Gerät
gelöst.
-
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Gerätes sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die starken
Schmerzen, die bei einer externen elektrischen Herz stimulation durch Erregung der
örtlichen sensorischen Nerven auftreten, durch Verwendung von Elektroden mit großflächigen,
nicht metallischen, die Haut kontaktierenden Körpern oder Elementen mit relativ
hohen Impedanzen weitgehend vermieden werden können. Es wurde ferner festgestellt,
daß die Unannehmlichkeiten durch starke Kontraktionen der Skelettmuskulatur in der
Nähe der Elektroden durch Verwendung eines elektrischen Impulsgenerators erheblich
verringert werden können, die einen konstanten Ausgangsstrom liefert, so daß die
Spitzen hohen Stromes, die die Kontraktionen der Skelettmuskulatur verursachen,
vermieden werden, ohne daß die Herzstimulation beeinträchtigt wird. Weiterhin wurde
festgestellt, daß sich der für die Herz stimulation erforderliche Strom durch eine
Erhöhung der Dauer der stimulierenden Impulse von jeweils 2 Millisekunden auf 5
bis 40 Millisekunden um etwa 30 bis 50% ohne Erhöhung der Kontraktionen der Skelettmuskulatur
herabsetzen läßt.
-
Bei der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gerätes zur externen
elektrischen Herz stimulation haben die Elektroden also großflächige, nichtmetallische,
hochohmige Hautanlage-Elemente und der Impulsgenerator liefert an die Elektroden
im wesentlichen stromkonstante Impulse mit einer Dauer von mehr als 5 Millisekunden,
vorzugsweise mit einer Dauer von 20 bis 40 Millisekunden. Weitere
vorteilhafte
Maßnahmen, die alleine oder in Kombination vorgesehen sein können, bestehen darin,
in der Nähe der Elektroden eine Induktivität vorzusehen, um vorübergehende Stromspitzen
zu beseitigen; die Impulsdauer einstellbar zu machen; beim Elektrodenanschluß ein
Potentiometer vorzusehen, um die Impulsamplitude einstellen zu können; bei der vorderen
Elektrode Hautanlageelemente mit einem Durchmesser zwischen 6 und 10 cm und bei
der hinteren Elektrode Hautanlageelemente mit einem Durchmesser zwischen 8 und 15
cm zu verwenden; Impedanzen über 1000 Ohm vorzusehen; die Elektroden mit einer dünnen
Metallscheibe auszubilden, an deren einer Seite das nichtmetallische Hautanlageelement
angebracht ist, wäh -rend die andere Seite mit einem Anschlußdraht verbunden ist;
das Hautanlageelement aus einem flächigen Stück aus Zelluloseschwamm mit einer Dicke
von etwa 6 mm oder 1/4" herzustellen; die Metallscheibe kann dabei vorteilhafterweise
aus nichtrostendem Stahl bestehen und sie kann außerdem vorteilhafterweise auf der
Seite, an der der Anschlußdraht angebracht ist, mit einem Isoliermaterial, z.B.
Silicongummi überzogen sein.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische, teilweise aufgebrochene
Ansicht einer Ausführungsform einer Elektrode für das vorliegende Gerät; Fig. 2
ein Blockschaltbild eines Impulsgenerators, an den die Elektroden angeschlossen
sind, eines Herzmonitors und einer Auslöse- oder Zeitgeerschaltung, die ihrerseits
an den Impulsgenerator angeschlossen sind;
Fig. 3 ein Schaltbild
einer Ausführungsform des Impulsgenerators.
-
In Fig. 1 ist eine im wesentlichen kreisförmige Vorder-oder Brustelektrode
10 dargestellt, die einen Durchmesser von etwa 8 cm haben kann und ein als Hautanlageelement
12 dienendes, etwa 6,35 mm dickes Stück aus Zelluloseschaumstoff oder -schwamm enthält,
das an einer Seite einer dünnen Metallscheibe 14 angebracht ist, die aus nichtrostendem
Stahl bestehen kann, elektrisch mit einem isolierten Draht 16 verbunden und an ihrer
anderen Seite mit einer Isolierschicht 18 aus Silicongummi überzogen ist, die auch
die Ränder der Platte oder Scheibe 14 bedeckt. Die in Fig. 1 nichtdargestellte hintere
oder Rückenelektrode stimmt mit der Elektrode 10 überein mit der Ausnahme, daß sie
einen Durchmesser von 12 cm hat.
-
Wie Fig. 2 zeigt, werden die Elektroden bei der Anwendung des Gerätes
an den Brustkorb eines Patienten angelegt und elektrisch mit einem Impulsgenerator
22 verbunden.
-
Dem Impulsgenerator 22 wird als Eingangssignal ein Auslösesignal (von
z.B. 10 Volt) zugeführt, welches von einer Zeitgeber- oder Taktschaltung 24 bekannter
Bauart geliefert wird. Bei einem synchronen Betrieb werden QRS-Signale der Herzschläge
von einem üblichen Herzmonitor 26 zur Steuerung des Auslösesignales verwendet; bei
asynchronem Betrieb werden die Auslösesignale mit einer einstellbaren, gleichmäßigen
Frequenz erzeugt. Ferner kann ein Schalter (nicht dargestellt) vorgesehen sein,
der eine Auslösung der Impulse von Hand gestattet. Schließlich kann eine Anordnung
zum Erzeugen einzelner oder mehrfacher Signale in irgend einer gewünschten komplexen
Zeitfolge vorgesehen sein. Durch einen einstellbaren Frequenzbegrenzer wird im Synchronbetrieb
eine zu schnelle Stimulation von häufigen QRS-Synchronisiersignalen ver-
mieten;
er ermöglicht außerdem, die Stimuli nur für jeden zweiten oder nach jeweils drei
oder mehr QRS-Syncbronisiersignalen zu erzeugen. Der Impulsgenerator 22, der noch
im einzelnen erläutert werden wird, enthält im wesentlichen einen Auslöseimpuls-Verstärker
28, einen Monovibrator 30 zur Einstellung der Impulsbreite; einen Oszillator 32,
einen Verstärker 34 einen Isoliertransformator 36 sowie eine Ausgangsschaltung 38
mit einem Gleichrichter, Abschwächer und Filter.
-
Eine bevorzugte Schaltung für den Impulsgenerator 22 ist in Fig. 3
dargestellt. Die untere Hälfte der Schaltung besteht im wesentlichen aus CMOS-Logikbausteinen,
die zur Steuerung von Ausgangsstufen dienen, welche sich in der oberen Hälfte der
Schaltung befinden und den Verstärker 34, den Transformator 36 und die Ausgangsschaltung
38 sowie eine zugehörige geregelte Spannungsquelle umfassen.
-
Die CMOS-Logikbausteine werden durch eine 9-Volt-Batterie 40 gespeist,
während die Ausgangsstufen durch sechs 6-Volt-Leuchtenbatterien 41 gespeist werden,
die nur schematisch dargestellt und in Reihe geschaltet sind, so daß sie 36 Volt
liefern. Der Impulsgenerator weist mechanisch gekuppelte Ein/Aus-Schalter 4 und
42b für die CMOS-Logikbausteine bzw. die Ausgangsstufen auf.
-
Dem unteren Teil der Schaltung in Fig. 3 wird ein Auslösesignal über
einen Steuereingang 44 zugeführt. Der Steuereingang ist durch Dioden 46 geschützt.
Das Auslösesignal steuert einen Auslöseverstärker 28, der dem Auslösesignal eine
scharfe Flanke verleiht und Inverter I1, I2 enthält, welche in eine Mitkopplungsschleife
geschaltet sind. Auf den Verstärker 28 folgt ein die Impulsbreite bestimmender monostabiler
Multivibrator (Monovibrator) 30, welcher ein NOR-Glied G1, einen Inverter I3 einen
Widerstand 48 und einen Kondensator enthält. Er liefert einen gleichförmigen
Impuls
vorgegebener Breite oder Dauer. Mit den in Fig.
-
3 angegebenen Werten des Kondensators und des Widerstandes wird ein
Impuls mit einer Dauer von 40 Millisekunden erzeugt. Um den Patienten gegen Fehlströme
und Schäden durch Ausfall von Komponenten zu schützen, ist der Ausgang zum Patienten
transformatorgekoppelt. Um den 40-ms-Impuls leicht über den Transformator 36 übertragen
zu können, wird der Impuls durch den Oszillator 32 in eine 2-Kilohertz-Rechteckschwingung
umgewandelt, die dann nach der Übertragung durch den Transformator 36 gleichgerichtet
und gefiltert wird. Der Ausgang des Monovibrators 30 ist mit dem Oszillator 32 über
einen Inverter 14 gekoppelt. Der Oszillator 32 enthält NOR-Glieder G2, G3 sowie
einen Inverter 15 und hat zwei Ausgangsanschlüsse 50, 52, an denen Ausgangssignale
zur Verfügung stehen, die in bezug aufeinander um 1800 in der Phase verschoben sind.
Der Ausgangsanschluß 52 ist mit dem Inverter I5 verbunden, während der Ausgangsanschluß
50 mit dem Oszillator 32 über ein NOR-Glied G4 gekoppelt ist.
-
Im oberen Teil der in Fig. 3 dargestellten Schaltung bilden die Batterien
41, ein Kondensator 58, ein Spannungsregler 60 und ein Transistor T1 eine geregelte
Spannungsquelle, die eine stabilisierte Spannung von 24 Volt zwischen Anschlüssen
54 und 56 erzeugt. Der Verstärker 34 bewirkt mittels der Transistoren T2, T3, T4
und T5 eine identische Verstärkung der phasenverschobenen Signale an den Ausgangsklemmen
50 und 52. Diese verstärkten Signale werden zusammen mit der stabilisierten 24-Volt-Spannung
den Primärwicklungen eines 10:1-Aufwärts- und Trenntransformators 36 zugeführt.
Eine Sekundärwicklung des Transformators 36 ist mit dem Gleichrichter 59 verbunden,
der wiederum über ein Potentiometer 62 (5 Kiloohm, 5 Watt) und ein Filter 64, das
einen Kondensator und eine Induktivität 66 (eine Transformatorspule mit Eisenkern,
Induktivität
1/3 H) enthält, mit den Elektroden 10,20 (in Fig. 3 nicht dargestellt) gekoppelt
ist. Das Filter 64 erzeugt einen glatten Stromimpuls ausreichend gleichförmiger
Amplitude und seine Induktivität beseitigt anfängliche vorübergehende Stromspitzen,
die durch die Kapazität der Elektroden 10 und 20 entstehen könnten.
-
Die bei einer praktischen Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig.
3 verwendeten Schaltungsparameter sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: TABELLE
Komponenten: Type: I1, I2, I4, I5 4069 G1, G2 G3 G4 4001 T1, T3, T5 2N 1724 Regler
60 LM 340 T2, T4 2N 2108 Dioden 46 Texas Instruments 59 D1, D2 IN 4000 Gleichrichter
59 Motorola R0804 Betrieb: Bei der Verwendung des Gerätes wird zuerst das aus Schaumstoff
oder Schwammaterial bestehende Element 12 (und das entsprechende Element der Elektrode
20) mit Leitungswasser angefeuchtet; alternativ können auch ein schwacher Elektrolyt,
wie Natriumbicarbonat, oder ein Gel auf den Schwämmen verwendet werden. Die Feuchtigkeit
oder das Gel gewährleisten einen guten elektrischen Kontakt mit der Haut des Patienten
über einen
großen Bereich ohne den Widerstand der Elektrode zu
stark herabzusetzen. Die Elektroden 10, 20 werden auf der Brust (in der Nähe des
Herzens am linken parasternalen vierten oder fünften Zwischenraum ) und am Rücken
(subcapular, d.h. unterhalb des Sch#erblattes) des Patienten angelegt, um die Muskelstimulation
so klein wie möglich zu halten. In einem Notfall mit Herz stillstand oder Brachycardie
läßt man die Taktschaltung 24 im Asynchronbetrieb arbeiten, so daß die stimulierenden
Impulse mit einer einstellbaren, gleichförmigen Frequenz zwischen 30 und 200 pro
Minute erzeugt werden. Wenn man mit einem Synchronbetrieb der Schaltung 24 arbeitet
(z.B. während physiologischer Untersuchungen), wird der Impuls oder Stimulus mit
einer gleichmäßigen, einstellbaren Verzögerung nach dem QRS-Synchronisiersignal
vom Herzmonitor 26 erzeugt. Der Impulsgenerator 22 wird dann, gleichgültig in welcher
Betriebsart die Taktschaltung 24 arbeitet, für jedes Eingangssignal den gleichen,
gleichförmigen Impuls abgeben.
-
Das Potentiometer 62 dient als Amplitudensteller, so daß man die Impulsamplitude
den unterschiedlichen Reizschwellen der verschiedenen Patienten anpassen kann.Der
maximale Ausgangsimpuls, der an einen Patienten abgegeben werden kann, ist 140 Milliampere
an 2000 Ohm mit einer Quellenimpedanz von 500 Ohm.
-
Man arbeitet vorteilhafterweise mit einer Impulsdauer von mehr als
20 Millisekunden, um den für die Herzstimulation erforderlichen Strom auf angenehmere
Werte herabzusetzen.
-
Andere Ausführungsformen: Der Widerstand 48 kann durch ein Potentiometer
bzw. einen veränderbaren Widerstand ersetzt werden, um die Impulsbreite oder -dauer
verändern
zu können, z.B. zwischen 2 und 40 Millisekunden. Für
die Hautelektroden oder -elemente können auch andere nichtmetallische Materialien
verwendet werden als Schwamm oder Schaumstoff, z#B. Gaze.
-
Elektrodendurchmesser von 8 cm bzw. 12 cm haben sich für den normalen
Erwachsenen sehr gut bewährt, man kann jedoch auch beispeilsweise Elektroden mit
einem Durchmesser zwischen 6 und 10 cm bzw. 8 und 15 cm verwenden, um die Elektrodengröße
an Patienten unterschiedlicher Größe und Empfindlichkeit auf Nervenstimulation und
Muskelkontraktion anpassen zu können.( Eine Vergrößerung des Elektrodendurchmessers
verringert einerseits die Nervenstimulation, erhöht jedoch andererseits die Muskelmenge,
die zur Kontraktion gebracht werden kann, und umgekehrt.) Schließlich kann man ein
Herzschlagsignal direkt von den Stimulationselektroden 10 und 20 abnehmen anstatt
für den Herzmonitor 26 getrennte Abnahmeelektroden zu verwenden.