DE3715822C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kardioversions-System zur automa­ tischen Kardioversion des Herzens eines Patienten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Begriffe der "Kardiovertierung" oder "Kardioversion", wie sie nachstehend benutzt werden, umfassen auch die Korrektur einer Anzahl arrhythmischer Herzzustände, wobei dies letal, also mit tödlichem Ausgang, oder nicht letal sein kann. Diese arrhythmischen Herzverhältnisse umfassen bei­ spielsweise das Atrium betreffende Tachykardie, das Atrium betreffendes Flattern, atriales Flimmern, eine Verbindung, z.B. anatomischer Art dieser Rhythmen, das Ventriculum betreffende Tachykardie, ventrikuläres Flattern, ventrikuläres Flimmern und jegliche andere, nicht auf einen Schrittmacher zurückzuführende arrhythmische Zustände, die durch Anwendung und Zuführung elektrischer Schocks zum Herzen korrigiert werden können. Auch eine "Defibrillation" wird hierbei vom Begriff "Kardioversion" umfaßt, wobei das Herz mit elektrischen Schocks behandelt wird, um ein flimmerndes Atrium oder flimmernde Ventrikel zu defibrillieren.

Ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Kardioversionssystem ist beispielsweise aus dem US-Patent 41 64 946 bekannt. Bei diesem System wird ein Arrhythmie-Zustand detektiert und dann die Entladung einer aufgeladenen Kapazität über eine Inverter-Schaltung oder eine DC-zu-DC-Konverter- Schaltung initiiert. Nachdem der Speicher-Kondensator aufgeladen ist und festgelegt worden ist, daß ein kardiovertierender oder defibrillierender Schock im Sinne eines Elektroschocks dem Patientenherzen über implantierbare Elektroden zugeführt werden muß, wird der Kondensator über die implantierten Elektroden verbunden. Die Kondensatorentladung bewirkt dabei einen einzigen Impuls mit hoher Spannung, wobei dieser in der Form einer exponentiell-abklingenden Wellenform über die Elektroden auftritt und auf das Gewebe des Herzens gegeben wird, um das Herz zu depolarisieren. Der in einem derartigen Kardioversions-System abgegebene Impuls mit hoher Energie ist ein einziger Gleich­ strom-Impuls, so daß aus diesem Grund die Impedanz des Herzens im wesentlichen eine Funktion der Gleichstrom-Impe­ danz-Komponente oder des Widerstandes des Herzens ist. Die Herz-Impedanz ist im Hinblick auf einen einzigen Gleichspannungsimpuls, der dem Herzen zugeführt ist, relativ niedrig und gleichförmig, weshalb der Impuls nicht optimal ganz durch bzw. über das ganze Herz gegeben werden kann, sondern dies vielmehr in einem relativ lokalisierten Bereich des Herzens geschieht. Als Erkenntnis daraus hat man dann, um einen größeren Bereich des Herzens zu depolarisieren und ohne die Elektroden-Geometrie zu verändern, höhere Energien angewandt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 28 15 397 ein Herzschrittmacher mit einer Zerhackereinrichtung zwischem dem Impulsgenerator und den implantierten Elektroden entnehmbar. Schaltungstechnisch wird bei diesem bekannten Herzschrittmacher gelehrt, Hochfrequenzimpulspakete anstelle einzelner, kontinuierlicher Rechteckimpulse zu verwenden, um durch diese Hochfrequenzimpulse letztlich eine erhebliche Energieeinsparung zu erreichen und somit die Lebensdauer der Batterie des Herzschrittmachers bedeutend verlängern zu können.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Kardioversionssystem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges System so auszulegen, daß eine optimalere Verteilung der zur Defibrillation aufgebrachten Spannungsimpulse über das gesamte Herz erreicht wird, wobei diese verbesserte Effektivität bei niedrigerer Energie realisiert werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Kardioversionssystem durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung berücksichtigt dabei, daß sich die Impedanz des Herzgewebes bei unterschiedlichen Frequenzen verändert. Es treten dabei Bereiche mit hoher Impedanz und Bereiche mit niedrigerer Impedanz über und durch das Herz verstreut auf.

Mittels des exponentiell abklingenden, in hochfrequente kardiovertierende Impulse zerhackten Spannungsverlaufs, der den Elektroden zugeführt wird, erreicht man daher dreierlei:
Einerseits erzielt man durch die hochfrequenten Impulse mit einer Frequenz vorzugsweise im Bereich von 10 kHz bis 1 MHz einen günstigeren Defibrillationseffekt als man dies bisher bei einem einheitlichen Impuls erreichen konnte.

Zum anderen reduziert man jedoch durch dieses Zerhacken des einheitlichen Impulses die in einem Impulspaket dem Herzen zugeführte Energie, wodurch man mit einer niedrigeren Impulsenergie auskommt und gleichzeitig aber die Energiebeaufschlagung des Herzens erheblich reduzieren kann.

Zur noch effizienteren Auslegung des Kardioversionssystems im Hinblick auf eine Defibrillation wird eine Detektoreinrichtung vorgesehen, die ein Absinken des hochfrequenten Wellenpakets unter eine bestimmte Referenzspannung detektiert. Hiermit kann sichergestellt werden, daß die hochfrequenten Impulse nur bis zu einem wirkungsvollen Spannungspegel im Herzen zugeleitet werden.

Die Detektoreinrichtung wird mit einer Abschalteinrichtung, speziell in Form eines parallel zum Kondensator liegenden Thyristors, ausgelegt, dessen Ansteuerung durch die Detektoreinrichtung das weitere Entladen des hochfrequenten Wellenpakets über die Elektroden verhindert, da der Kondensator kurzgeschlossen wird.

Mit diesen Maßnahmen der Detektoreinrichtung und der Abschalteinrichtung werden die drei vorausgenannten Vorteile noch dahingehend unterstützt, daß die Defibrillation des Herzens auf einem niedrigen, aber effektiven Energieniveau gehalten wird, da eine weitere Energiezufuhr unterhalb eines wirkungsvollen, minimalen Pegels gestoppt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels des er­ findungsgemäßen Kardioversions-Systems und

Fig. 2 die exponentiell abklingenden Wellenformen bei einem Kardioversions-System nach dem Stand der Technik und dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Kardioversions-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Das System umfaßt eine An­ zahl von Schaltelementen und Blöcken, die aus dem US-Patent 46 14 192 (am 30. September 1986 erteilt) bekannt sind.

Ein Arrhythmie-Detektor 2 ist mit implantierten bzw. im­ plantierbaren Elektroden, die nicht dargestellt sind, ver­ bunden. Diese Elektroden sind wiederum mit dem Herzen des Patienten verbunden. Der Arrhythmie-Detektor 2 ist in der Lage, einen arrhythmischen Zustand festzustellen und darauf­ hin ein INVST-Ausgangssignal zu erzeugen. Der Arrhythmie- Detektor 2 kann eine Detektorschaltung zur Ermittlung des Herzschlag-Verhältnisses und eine Schaltung zur Festlegung einer Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion aufweisen. Die vorgenannten Schaltungen arbeiten derart, daß, wenn der Pulsschlag bzw. das Herz­ schlag-Verhältnis eine vorbestimmte Schwelle überschreitet und die Bedingungen der Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funk­ tion erfüllt sind, das INVST-Signal einem Hochspannungs­ wandler- und Steuerschaltkreis 4 zugeleitet wird. Die das Herzschlag-Verhältnis analysierenden Schaltungen und die Schaltung zur Festlegung der Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion sind aus der US-PS 46 14 192 bekannt. Es dürfte einleuchtend sein, daß auch andere Schaltungen bzw. Abläufe zur Ermittlung einer Arrhythmie eingesetzt werden können, um ein Start­ signal (oder INVST-Signal) auf einen Hochspannungswand­ ler 4 zu geben.

Der Hochspannungswandler 4, der auch als DC-/DC-Wandler bekannt ist, ist eine herkömmliche Baugruppe, die im Be­ reich der implantierbaren Defibrillatoren hinreichend be­ kannt ist. Bezug genommen wird hierbei beispielsweise auf das US-Patent Nr. 41 64 946, das einen DC-/DC-Wandler bzw. Konverter, der als Baugruppe 30 in diesem Patent bezeich­ net ist, beschreibt. Bei Empfang des INVST-Signals lädt der Hochspannungswandler 4 einen internen Speicherkonden­ sator 6 mit Energie bis zu einem vorgegebenen Niveau. Bei Aufnahme seiner Funktion nach Erhalt des INVST-Signals beginnt der Hochspannungswandler 4 den Kondensator 6 zu beaufschlagen oder zu laden und gibt ein INV-Betriebssig­ nal über bzw. auf ein logisches Wandlerelement 8, das mit dem Eingang eines UND-Gatters 10 verbunden ist.

Das UND-Gatter 10 hat zwei zusätzliche Eingänge. Der Ein­ gang 12 kommt von einem R-Wellen-Detektor, wie es in der US-PS 46 14 192 beschrieben ist. Bei Ermitt­ lung jeder R-Welle wird ein Signal auf den Eingang 12 des UND-Gatters 10 gegeben. Ein anderer Eingang 13 des UND-Gatters 10 kommt von einem Flip-Flop 14, das nach Empfang des INVST-Signals vom Arrhythmie-Detektor 2 gesetzt wird. Das Flip-Flop 14 wird durch den Empfang eines CT-Signals zurückgesetzt, wie es nachfolgend noch beschrieben ist.

Bei Feststellung eines Arrhythmie-Zustandes und der Aus­ lösung eines INVST-Signals beginnt der Hochspannungswandler 4 seinen Betrieb und gibt ein INV-Betriebssignal, das durch das logische Element 8 invertiert wird, ab, um ein Eingangssignal mit niedrigem Pegel auf das UND-Gatter 10 zu geben. Wenn der Wandler 4 seinen Betrieb stoppt, d.h. bei Beendigung der Aufladung des Speicherkondensators 6, geht der Ausgang des invertierenden Logikelementes 8 auf einen hohen Pegel über. Eine auf den Eingang 12 des UND- Gatters 10 nachfolgend gegebene R-Welle bewirkt daher eine Impuls-Abgabe, wobei dieser Impuls über ein geeignetes, impulsformendes RC-Netzwerk 16 und einen Puffer 18 zu einem Transistor 20 gegeben wird. Der Transistor 20 wird dadurch angesteuert bzw. geöffnet und ein Trigger-Impuls (TRG) für den Patienten über eine Leitung 22 zum Zünden eines Thyristors 24 gegeben. Nach dem Zün­ den des Thyristors ist der vollaufgeladene Kondensator 6 dann in der Lage, über die Anschlüsse 26, die mit den Elektro­ den, die nicht dargestellt sind und die mit dem Herzen des Patienten verbunden sind, eine Entladung durchzuführen.

Zwischen dem Kondensator 6 und den Elektroden-Anschlüssen 26, speziell dem Pluspol, liegt in Reihe ein Transistor 28, der als Leistungs-FET ausgelegt ist. Dieser FET-Transistor 28 ist mit einem Taktimpulsgenerator 30 verbunden, der auf das Gate des FET-Transistors 28 Takt- bzw. Steuerimpulse gibt. Die Taktimpulse werden bei Empfang eines TRIG-Sig­ nals, z.B. von der Leitung 22, dem FET-Transistor 28 zu­ geleitet, wenn der Transistor 20 eingeschaltet wird.

Die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators 30 dienen dazu, den FET-Transistor 28 mit hoher Frequenz ein- und aus­ zuschalten, wobei dies in Übereinstimmung mit der Schalt­ frequenz des Taktimpulsgenerators 30 geschieht. Vorzugs­ weise gibt der Taktimpulsgenerator 30 Steuerimpulse mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz, vorzugsweise zwischen 10 kHz und 1 MHz, auf den FET-Tran­ sistor 28. Auf diese Weise schaltet der TRIG-Impuls vom Transistor 20 den Thyristor 24 an und versetzt den Takt­ impulsgenerator 30 in dessen Betriebszustand. Anschlie­ ßend wird der Kondensator 6 über die Elektrodenanschlüs­ se 26 mit einer Frequenz, die proportional der Frequenz der Taktimpulse vom Taktimpulsgenerator 30 ist, entladen. Ein Paar parallel zu den Anschlüssen 26 liegender Wider­ stände 32 stellt die Entladung über eine CT-Leitung fest. Diese CT-Leitung ist mit dem Rücksetz-Eingang des Flip- Flop 14 verbunden, so daß bei der Feststellung der Ent­ ladung ein CT-Impuls das Flip-Flop 14 zurücksetzt.

Ebenfalls parallel zu den Elektrodenanschlüssen 26 liegen zwei Widerstände 39, die die Impulsabgabe über die Elek­ trodenanschlüsse 26 feststellen. Dieses Signal, das auch als Impuls-Rückkopplungs-Signal (PF-Sig­ nal) bezeichnet wird, wird einem Hüllkurven-Detektor 36 zugeführt. Der Hüllkurven-Detektor 36 ermittelt die Umhüllende der hochfrequenten, exponen­ tiell abklingenden Impulse und gibt das ermittelte Hüll­ kurven-Signal auf einen positiven Eingang eines Kompara­ tors 38. Der negative Eingang des Komparators 38 ist auf eine Bezugsspannung REF gelegt.

Sofern die Spannung der ermittelten Hüllkurve unter die Bezugsspannung absinkt, erzeugt der Kompara­ tor 38 ein Ausgangssignal, das durch einen Inverter 40 invertiert wird und nach­ folgend über ein impulsformendes Netzwerk 42 geformt und über ein Pufferelement 44 geleitet wird, um ein TRG-Signal zu erzeugen. Das TRG-Signal wird auf einen Sperreingang des Taktimpulsgenerators 30 gegeben, um den Generator 30 im Hinblick auf die Abgabe weiterer Taktimpulse an den FET- Transistor 28 zu sperren. Dieses TRG-Signal wird auch auf einen Thyristor 46 gegeben, um diesen zu zünden. Nachdem der Thyristor 46 gezündet ist, bewirkt dies das Abschneiden des exponentiell abklingenden Impulses, der zwischen den Elektrodenanschlüssen 26 anliegt, so daß keine weitere Energie den Elektroden zugeführt wird. Dies wird deshalb durchgeführt, da es nicht erwünscht ist, daß der Impuls exponentiell bis zum Null-Pegel abklingt, wie es auch aus der US-PS 46 14 192 bekannt ist.

In Fig. 2 (a) ist die zerhackte, exponentiell abklingende Wellenform stark vergrößert dargestellt. Im wesentlichen ist daraus erkennbar, daß die Wellenform nach Fig. 2 (a) ein Wellenpaket ist, das eine Vielzahl hochfrequenter kar­ diovertierender oder defibrillierender Impulse aufweist, die über die Elektrodenanschlüsse 26 appliziert werden.

In Fig. 2 (b) ist eine exponentiell abklingende Wellen­ form dargestellt, die nicht zerhackt ist und die damit vergleichbar und ähnlich der Art der Im­ pulse ist, die in Defibrillationssystemen nach dem Stand der Technik abgegeben werden.

Claims (6)

1. Kardioversionssystem zur automatischen Kardioversion des Herzens eines Patienten,
mit einem Speicherkondensator,
mit einer Einrichtung zur Aufladung des Speicherkondensators auf einen vorgebbaren Spannungspegel,
mit einer Einrichtung zum Entladen des Speicherkondensators und
mit einem Paar implantierbarer Elektroden, die über den Speicherkondensator miteinander verbunden sind, wobei die Entladung des Speicherkondensators eine exponentiell abklingende Spannung über die Elektroden erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Zerhacker-Einrichtung (28, 30) elektrisch verbunden zwischen dem Speicherkondensator (6) und den implantierbaren Elektroden vorgesehen ist und die exponentiell abklingende Spannung in ein Wellenpaket hochfrequenter, kardiovertierender Impulse zerhackt, das über die implantierbaren Elektroden (26) anlegbar ist,
daß eine Detektoreinrichtung (36, 38) vorgesehen ist, die das exponentiell abklingende Wellenpaket auf ein Unterschreiten eines Referenzpegels prüft und
daß eine Abschalteinrichtung (46) vorhanden ist, die bei Ansteuerung durch die Detektoreinrichtung (36, 38) die Entladung des Speicherkondensators (6) über die Elektroden (26) unterbricht.

2. Kardioversionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (36, 38) einen Hüllkurvendetektor (36) mit nachgeschaltetem Komparator (38) aufweist, dem der Referenzpegel zugeführt ist.

3. Kardioversionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung (46) als parallel zum Speicherkondensator (6) liegende Thyristor-Strecke (46) ausgelegt ist.

4. Kardioversionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhacker-Einrichtung (28, 30) im wesentlichen einen FET-Transistor (28) zwischen Speicherkondensator (6) und einer Elektrode (26) aufweist, dessen Gate über einen Taktimpulsgenerator (30) angesteuert ist.

5. Kardioversionssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des FET-Transistors (28) mit einer Frequenz von größer 1 kHz, vorzugsweise zwischen 10 kHz und 1 MHz, erfolgt.

6. Kardioversionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Elektroden (26) eine Widerstandsbrücke (39) vorgesehen ist, über deren Mittelabgriff ein Impuls- Rückkopplungssignal der Detektoreinrichtung (36, 38) zugeführt ist.