DE69431281T2

DE69431281T2 - Herzschrittmacher mit elektrode und integriertem sauerstoff-fühler

Info

Publication number: DE69431281T2
Application number: DE69431281T
Authority: DE
Inventors: Said Mortazavi
Original assignee: Pacesetter Inc
Current assignee: Pacesetter Inc
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: DE69431281D1; EP0653918B1; EP0653918A4; EP0653918A1; JPH08501971A; AU7053394A; ATE223176T1; US5411532A; WO1994028787A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein implantierbare Herzschrittmacher und insbesondere Herzschrittmacher mit Sauerstoff- Fühlern von dem Typ, der den Sauerstoffgehalt durch Messung des Reflexionsvermögens des Blutes ermittelt.
Der Herzschrittmacher ist vielleicht eines der am Besten bekannten elektronischen Wunder der modernen Medizin, und die Implantation eines Herzschrittmachers in einen Patienten ist fast eine Routineoperation geworden. Der Herzschrittmacher taktet den Herzmuskel des Patienten fortlaufend über einen längeren Zeitraum oder - im Falle von bedarfsgesteuerten Herzschrittmachern - überwacht die natürliche Tätigkeit des Herzmuskels und erzeugt nur dann stimulierende Impulse, wenn der Herzmuskel einen Schlag auslässt. Herzschrittmacher erlauben es Patienten mit Herzproblemen, die sonst tödlich oder behindernd wären, ein relativ normales Leben wiederaufzunehmen.
Der moderne Herzschrittmacher ist eine sehr komplexe Vorrichtung, imstande zu Ereignisabfühlen, Zweiweg-Telemetrie und Abfühlen und Schrittmachen im Vorhof und/oder der Kammer des Herzmuskels. Solche Herzschrittmacher können nach der Implantation vom Arzt feineingestellt werden, und die eingestellten Parameter sorgen für optimale Schrittmachleistung.
Trotz der Ausgereiftheit solcher Herzschrittmacher bleibt ein Hauptunterschied zwischen dem gesunden Herzmuskel und einem getakteten Herzmuskel, nämlich die Antwort auf Aktivität oder Bewegung. Aufgrund von physiologischen Beanspruchungen wie z. B. Bewegung, Temperaturänderungen, Körperhaltungsänderungen, Emotionen, Hypoglykämie, Valsalva-Manövern usw. treten im Herzgefäßsystem Veränderungen im Herzschlagvolumen und Körpergefäßwiderstand auf.
Um unter diesen Beanspruchungen ausreichenden Perfusionsdruck und ausreichende Herzleistung aufrechtzuerhalten, muss die Herzfrequenz eingestellt werden. Der gesunde Herzmuskel mag zum Beispiel in Ruhe oder im Schlaf mit 60 oder weniger Schlägen pro Minute und während anstrengender Bewegung mit 120 oder mehr Schlägen pro Minute schlagen. Der von einem Herzschrittmacher ohne Frequenzreaktion getaktete Herzmuskel schlägt typischerweise mit einer konstanten Frequenz von ungefähr 70 Schlägen pro Minute.
Man erkennt, dass der konstant getaktete Herzmuskel während des Schlafes mehr Blut zuführt als nötig und möglicherweise sogar verhindert, dass der Patient ruhig schläft. Noch schwerwiegender ist, dass mit 70 Schlägen pro Minute getaktete Patienten erhebliche Schwierigkeiten haben, anstrengende Aktivitäten in Angriff zu nehmen. Selbst ein mäßiger Aktivitätspegel wie z. B. Gehen macht manchen Patienten Schwierigkeiten. Es ist klar, dass ein Herzschrittmacher, dessen Frequenz sich in Reaktion auf physiologische Bedürfnisse verändert, eine sehr wünschenswerte Vorrichtung darstellt, die es Patienten, die Herzschrittmacher benötigen, ermöglicht, ein normales, aktives Leben zu führen.
In Ermangelung einer normalen veränderlichen Herzfrequenz muss physiologisch reaktives Herzschrittmachen die Herzfrequenz optimal auf den Pegel des Stoffwechselbedarfs einstellen. Die einfachste Lösung für dieses Problem ist Schrittmachen mit Vorhof-Nachführung, wobei der Patient eine vollständige oder teilweise AV-Blockierung hat und ein Doppelkammer-Herzschritt macher die Herzkammer in. Reaktion auf im Vorhofabgefühlte normale Herzaktivität taktet. Bei vielen Patienten mit Sinus bradykardia oder Vorhof-Fibrillation ist diese Technik aber nicht möglich, so dass Schrittmachen ohne Frequenzreaktion nötig ist, um die normale veränderliche Herzfrequenz nachzuahmen.
Man hat mannigfache physiologisch reaktive. Schrittmach-Systeme vorgeschlagen, die mannigfache physiologische Parameter als Basis für die Veränderung der Herzfrequenz verwenden. Diese Parameter umfassen die Bluttemperatur, verschiedene abgefühlte Taktsignale vom Herzmuskel, den innerhalb des Herzmuskels gemessenen Druck, die Atemfrequenz, die Aktivität des Nervensystems, die physische Aktivität und die Blutchemie.
Systeme, die auf verschiedene Blutchemieparameter wie z. B. die Blutsauerstoffsättigung reagieren, sind besonders lohnend und wirksam. Ein solcher Sauerstoff-Fühler ist offenbart im US- Patent Nr. 5,040,538, erteilt für Said Mortazavi mit dem Titel "Pulsed Light Blood Oxygen Content Sensor System and Method of Using Same", das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der offenbarte Fühler enthält einen Lichtdetektor zur Messung des gemischten venösen Sauerstoffgehaltes, typischerweise in der rechten Kammer des Herzmuskels. Eine Verminderung im gemischten venösen Sauerstoffgehalt wird benutzt, um eine höher getaktete Herzfrequenz zu erzeugen. Die Geschwindigkeit dieses Systems ist mit der Zeitkonstanten des Körpers vergleichbar, wodurch seine Wirksamkeit verbessert wird.
Der in dem früheren Patent offenbarte Sauerstoff-Fühler enthält eine Leuchtdiode oder LED, die sich in der rechten Kammer des Herzmuskels befindet und so angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht auf das Blut innerhalb der Kammer gerichtet wird, welches das Licht auf einen benachbarten Fototransistor reflektiert. Die so reflektierte Lichtmenge steht in umgekehrter Beziehung zum Sauerstoffgehalt des Blutes. Der Fototransistor ist Teil einer Schaltung, die parallel mit der LED verbunden ist. Wenn der LED ein elektrischer Stromimpuls zugeführt wird, beginnt die Schaltung den resultierenden Fototransistorstrom zu integrieren. Wenn die integrierte Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht, speichert die Schaltung den Stromimpuls von der LED zwischen und leitet ihn um, um die Lichterzeugung der LED zu beenden. Die Verzögerung zwischen der Auslösung des Messstromimpulses bis zum Zwischenspeichern der Schaltung steht in umgekehrter Beziehung zum Pegel des Blutsauerstoffgehaltes.
Zwei Techniken zum Schrittmachen des Herzmuskels sind in allgemeinem Gebrauch. Eine Technik, die als zweipoliges Schrittmachen bezeichnet wird, erfordert die Implantation von zwei Stromleitern. Bei dieser Technik wird das Elektroden-Ende eines Leiters in Kontakt mit dem Herzmuskel implantiert, während ein zweiter Leiter so implantiert wird, dass sein Elektroden- Ende mit Blut im Herzmuskel in Kontakt ist. Stromimpulse zwischen diesen zwei Leitern stimulieren den Herzmuskel. Eine zweite Technik, die als einpoliges Schrittmachen bezeichnet wird, erfordert nur einen einzigen Stromleiter, dessen Elektroden-Ende in Kontakt mit dem Herzmuskel implantiert ist. An Stelle eines zweiten Leiters benutzt diese Technik das Gehäuse des Herzschrittmachers, das elektrisch mit dem Schaltungskomplex des Herzschrittmachers verbunden ist, um eine elektrische Verbindung mit Körpergewebe im Brustkasten zu erzeugen. Diese einpolige Methode unterliegt gewissen Nachteilen. Bei dieser Methode kann der Schrittmach-Impuls nicht nur den Herzmuskel stimulieren, sondern auch Muskeln im Brustkästen, die zwischen dem Implantationsort des Herzschrittmachers und dem Herzmuskel liegen. Und wenn der Herzschrittmacher die Herzmuskelaktivität abfühlen muss, kann er außerdem die Aktivität von anderen Muskeln im Brustkasten abfühlen. Obwohl nicht unüberwindlich, sind dies unerwünschte Konsequenzen.
Vom Standpunkt der elektrischen Einfachheit ideal wäre, wenn die Schnittstelle zum Sauerstoff-Fühler aus zwei Leitern bestünde, die physisch von den zwei Leitern verschieden sind, die bei zweipoligem Schrittmachen des Herzmuskels benutzt werden. Diese vier Leiter müssten aber zusammen als eine einzige Schrittmach-Leitung durch die Vene, durch die Herzklappe und in die rechte Kammer des Herzmuskels führen. Mit zunehmender Anzahl von Leitern erhöhen sich die Dicke und die Steifigkeit der Schrittmach-Leitung proportional. Dies erhöht die Schwierigkeit, die Schrittmach-Leitung in den Herzmuskel zu implantieren, und außerdem die Schwierigkeit der Herzklappe, auf der dickeren Schrittmach-Leitung zu schließen. Außerdem muss die Schrittmach-Leitung durch einen Verbinder mit dem Herzschrittmacher verbinden. Wie in der Technik bekannt, nimmt die Zuverlässigkeit einer elektrischen Schaltung mit zunehmender Anzahl von Verbindungen allgemein ab. Es ist natürlich unbedingt erforderlich, dass eine lebenserhaltende Vorrichtung wie z. B. ein Herzschrittmacher ein so hohes Maß an Zuverlässigkeit wie möglich hat. Daher ist es zwar sehr wünschenswert, einem Herzschrittmacher-System das Merkmal Sauerstoff-Abfühlen hinzuzufügen, es wäre aber noch vorteilhafter, wenn dieses Merkmal hinzugefügt werden könnte, ohne die Anzahl von Leitern in der Schrittmach-Leitung zu vergrößern.
Im US-Patent Nr. 5,040,538 wird dieses Problem angegangen, indem dem Sauerstoff-Fühler ein zusätzlicher Leiter gegeben wird und indem die Signale auf diesem Leiter zu einer mit dem Schrittmach-Signal gemeinsamen elektrischen Verbindung in Beziehung gesetzt werden. In einer zweipoligen Gestaltung führt dies zu einer Drei-Leiter-Realisierung, während es bei einer einpoligen Gestaltung zu einer Zwei-Leiter-Realisierung führt. Diese Realisierung erreicht zwar das Ziel eines Zwei- Leiter-Herzschrittmachers mit Sauerstoff-Abfühlen, diese Realisierung beruht aber auf einer einpoligen Methode mit ihren früher beschriebenen Nachteilen.
Somit existiert ein Bedürfnis, die Leistungsvorteile von physiologisch reaktivem Schrittmachen durch Verwendung eines Sauerstoff-Fühlers zu erzielen, jedoch ohne die Anzahl der Leiter zu vergrößern, die für zweipoliges oder einpoliges Schrittmachen schon benötigt werden. Somit benötigt man für ein zweipoliges System eine Verbindungsvorrichtung, die mit nur zwei Leitern zusätzliches Sauerstoff-Abfühlen ermöglichen kann, während diese Anforderung für ein einpoliges System mit nur einem einzigen Leiter zu erfüllen ist. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse.
Die US-A-4815469 zeigt ein implantierbares Herzschrittmacher- System, das einen Sauerstoff-Fühler zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Blut enthält. Typischerweise wird für einpoliges Schrittmachen eine Zwei-Leiter-Leitung benutzt, da einer der zwei Leiter benutzt wird, um einen Kanal für Sauerstoff-Abfühlsignale zu der Sauerstoff-Abfühleinrichtung zu schaffen. Für zweipoliges Schrittmachen wird typischerweise eine Drei-Leiter-Leitung benutzt, wobei zwei der drei Leiter für zweipoliges Schrittmachen benutzt werden und der dritte Leiter benutzt wird, um einen Kanal für Sauerstoff-Abfühlsignale zu der Sauerstoff-Abfühleinrichtung zu schaffen.
Die EP-A-59868 beschreibt ein Herzschrittmacher-System, das von Änderungen in der venösen Sauerscoffsättigung abhängt, um die Stimulationsfrequenz zu bestimmen. Das System verwendet zwei Leiter. Ein ähnliches System ist in der EP-A-247296 offenbart.
Die US-A-4750495 beschreibt einen bedarfsgesteuerten Herzschrittmacher, der seine Schrittmachfrequenz nach dem Prozentsatz der abgefühlten Sauerstoffsättigung regelt. Die Vorrichtung verwendet ein Zwei-Wellenlängen-Reflexions-Oxymeter als Fühler. Die Konstruktion ermöglicht es dem Fühler, mit nur zwei Leitern zu arbeiten, und kann daher eine zweipolige Schrittmach-Leitung verwenden.
Gemäß der Erfindung wird ein implantierbares Herzschrittmacher-System geschaffen, das Folgendes enthält: einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Schrittmach-Impulsen; einen elektrischen Leiter mit einem nahen Ende, das elektrisch mit dem Impulsgenerator in Verbindung steht, und einem fernen Ende, das dafür eingerichtet ist, elektrischen Kontakt mit einem gewählten Herzmuskel eines Patienten herzustellen, wobei der Impulsgenerator dafür eingerichtet ist, selektiv Schrittmach- Impulse mit einer ersten Polarität entlang des Leiters zu verbinden, um den Herzmuskel elektrisch zu stimulieren; eine Sauerstoff-Fühlerschaltung; eine Einrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff-Abfühlimpulsen; und eine Sauerstoff-Fühlerschaltung-Steuereinheit; dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung in. Reihenschaltung mit dem Leiter verbunden ist und die Sauerstoff-Fühlerschaltung-Steuereinheit dafür eingerichtet ist, Sauerstoff-Abfühlimpulse mit einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität intermittierend entlang des Leiters mit der Sauerstoff- Fühlerschaltung zu verbinden, um den Sauerstoffgehalt des Blutes des Patienten zu messen.
Vorzugsweise enthält die Sauerstoff-Abfühlschaltung eine Diode, die in Reihenschaltung mit dem Leiter verbunden ist und dafür eingerichtet ist, Strom mit der ersten Polarität zu leiten und Strom mit der zweiten Polarität zu sperren.
Das Herzschrittmacher-System kann außerdem einen Herzfühler, der parallel mit dem Impulsgenerator verbunden ist, und einen Widerstand enthalten, der parallel mit der Diode verbunden ist. Vorzugsweise enthält die Sauerstoff-Fühlerschaltung einen Sauerstoff-Fühler und ist die Diode parallel mit dem Sauerstoff-Fühler verbunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein implantierbares Herzschrittmacher-System geschaffen, das Folgendes enthält: einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Schrittmach- Impulsen; einen ersten elektrischen Leiter, der in Kontakt mit dem Herzmuskel eines Patienten implantierbar ist; einen zweiten elektrischen Leiter, der in Kontakt mit dem Blutkreislauf des Patienten implantierbar ist, wobei die ersten und zweiten elektrischen Leiter elektrische Spannungen als Funktion von Herzschlägen tragen; eine Sauerstoff-Fühlerschaltung; und eine Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit; wobei der Impulsgenerator Folgendes enthält: einen Herzfühler zur Überwachung der relativen Spannungen auf den ersten und zweiten elektrischen Leitern, um das Vorhandensein eines Herzschlages nachzuweisen, wobei der Impulsgenerator weiterhin selektiv Schrittmach- Impulse entlang der ersten und zweiten elektrischen Leiter verbindet, um den Herzmuskel elektrisch zu stimulieren; dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung mit einem oder beiden der ersten und zweiten elektrischen Leiter verbunden ist und innerhalb des Blutes des Patienten implantierbar ist; und dass die Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit dafür eingerichtet ist, Sauerstoff-Abfühlimpulse zu erzeugen und die Sauerstoff-Abfühlimpulse intermittierend entlang der ersten und zweiten elektrischen Leiter mit der Sauerstoff-Fühlerschaltung zu verbinden, um den Sauerstoffgehalt des Blutes des Patienten zu messen, wobei die Schrittmach-Impulse eine erste Polarität haben und die Sauerstoff- Abfühlimpulse eine zweite, der ersten Polarität entgegengesetzte Polarität haben; und dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung weiterhin einen Sauerstoff-Fühler; eine in den ersten Leiter oder den zweiten Leiter integrierte Diode zum Leiten von Strom mit der ersten Polarität und Sperren von Strom mit der zweiten Polarität und einen parallel mit der Diode verbundenen Widerstand enthält.
Vorzugsweise enthält die Sauerstoff-Fühlerschaltung weiterhin einen Sauerstoff-Fühler, der parallel mit der Diode und dem Widerstand verbunden ist. Vorzugsweise ist die Sauerstoff- Fühlerschaltung zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter verbunden.
Das Herzschrittmacher-System der Erfindung kann einen Impulsgenerator bereitstellen, der durch einen ersten elektrischen Leiter und eine elektrische Rückleitung mit dem Herzmuskel eines Patienten verbunden ist. Der Impulsgenerator erzeugt intermittierend Schrittmach-Impulse mit einer ersten Polarität durch den ersten Leiter und die elektrische Rückleitung. Eine mit dem Impulsgenerator parallel verbundene Sauerstoff-Fühler- Steuereinheit kann dann intermittierend Abfühlimpulse mit einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität erzeugten, um den Sauerstoff-Fühler zu steuern. Der Sauerstoff-Fühler und der Impulsgenerator können einen gemeinsamen Satz Leiter benutzen.
Eine Diode kann in Übereinstimmung mit der Richtung des Stromflusses zwischen den Schrittmach- und den Sauerstoff- Abfühlimpulsen unterscheiden. Eine Herzabfühlschaltung kann dann benutzt werden, um Schläge vom Herzmuskel abzufühlen. Diese Schaltung kann wieder die gleichen Leiter als ihre Schnittstelle zum Herzmuskel benutzen. Ein Widerstand parallel zu der Stromsperrvorrichtung erlaubt es der Herzabfühlschaltung, sowohl positive als auch negative Spannungen abzufühlen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die anhand von Beispielen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigen.
Fig. 1 ist eine Prinzipskizze der Installation des Herzschrittmacher-Systems der vorliegenden Erfindung im Brustraum eines Menschen;
Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Herzschrittmacher-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Zwei-Leiter-Schrittmachleitung und einen in einen der zwei Leiter integrierten Sauerstoff-Fühler enthält;
Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild des Sauerstoff-Fühlers des Herzschrittmacher-Systems von Fig. 2;
Fig. 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Herzschrittmacher-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Ein-Leiter-Schrittmachleitung und einen in diesen Leiter integrierten Sauerstoff-Fühler enthält; und
Fig. 5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Herzschrittmacher-Systems, das eine Zwei-Leiter-Schrittmachleitung und einen zwischen den zwei heitern verbundenen Sauerstoff-Fühler enthält.
Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein zweipoliges Herzschrittmacher-System 20 mit einem gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengeschalteten Sauerstoff-Fühler 22 zeigt, das im rechten oberen Brustraum eines Patienten 24 implantiert gezeigt ist. Das Herzschrittmacher-System enthält eine Schrittmach-Einheit 26 und eine Schrittmach-Leitung 28, wobei ein nahes Ende der Schrittmach-Leitung durch einen Verbinder 30 mit der Schrittmach- Einheit verbunden ist und ein fernes Ende durch eine Vene 32 hindurch in den rechten. Vorhof 34 des Herzmuskels 36 des Patienten implantiert ist. Innerhalb der Schrittmach-Leitung befinden sich zwei elektrische Leiter, mit einem Spitzenleiter 38, mit dem eine Spitzenelektrode 40 am fernen Ende der Schrittmach-Leitung verbunden ist, und weiterhin mit einem Ringleiter 42, mit dem eine Ringelektrode 44 nahe dem fernen Ende der Schrittmach-Leitung verbunden ist. Die Spitzenelektrode ist am Herzmuskel angebracht, und der Sauerstoff-Fühler 22 ist im rechten Vorhof 46 des Herzmuskels in die Schrittmach-Leitung integriert. Die Ringelektrode liegt im Kontakt mit dem durch den Herzmuskel fließenden Blut zwischen der Spitzenelektrode und dem Sauerstoff-Fühler und bildet eine elektrische Rückleitung für Signale von der Spitzenelektrode. In Fig. 1 liegt der Sauerstoff-Fühler 22 im rechten Vorhof 46 des Herzmuskels, man erkennt aber, dass der Sauerstoff-Fühler 22 alternativ auch in der zum Herzmuskel führenden Vene 32 oder in der rechten Kammer 34 des Herzmuskels liegen könnte.
Biegsamkeit der Schrittmach-Leitung 28 ist ein wichtiger Faktor bei erfolgreichem und wirksamem Durchwinden der Schrittmach-Leitung durch die Vene 32 und in den Herzmuskel 36. Die Spitzenelektrode 40 befindet sich in der rechten Kammer 34, so dass die Schrittmach-Leitung durch eine Herzklappe 48 verlaufen muss, die zwischen der rechten Kammer und dem rechten Vorhof 46 liegt. Da die Herzklappe erfolgreich um die Schrittmach-Leitung herum schließen und den Rückfluss von Blut verhindern muss, sollte die Schrittmach-Leitung so dünn wie möglich sein. Außerdem nehmen die Versagensmöglichkeiten allgemein mit der Anzahl von getrennten Leitern zu, die in der Schrittmach-Leitung oder im Verbinder 30 vorhanden sind. Daher ist es ein Ziel und eine Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, die Anzahl von Leitern innerhalb der Schrittmach-Leitung und im Verbinder möglichst klein zu machen. Somit ist es ein Ziel und eine Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, die Anzahl von Leitern innerhalb der Schrittmach-Leitung und im Verbinder möglichst klein zu machen.
Bei dem zweipoligen Herzschrittmacher-System von Fig. 1 werden dem Herzmuskel 36 Schrittmach-Impulse gegeben, indem Spannungsimpulse von ungefähr -2 Volt relativ zur Ringelektrode 44 an die Spitzenelektrode 40 angelegt werden. Dies bewirkt typischerweise einen Stromimpuls von 4 Milliampere. Man erkennt, dass dieser Strompfad innerhalb des Herzmuskels vervollständigt wird, ohne anderes Körpergewebe im Brustkasten des Patienten einzubeziehen, da Blut leitfähig ist und da die Spitzenelektrode den Herzmuskel 36 berührt und die Ringelektrode das Blut innerhalb des Herzmuskels berührt.
Fig. 2, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt ein Blockdiagramm des Herzschrittmacher-Systems 20 von Fig. 1. Wie gezeigt, enthält die Schrittmach-Einheit 26 drei Haupt- Schaltungen, einen Impulsgenerator 50, einen Herzfühler 52 und eine Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit 54. Der Impulsgenerator 50 erzeugt intermittierend Schrittmach-Impulse von ungefähr -2 Volt relativ zum Ringleiter 42 auf dem Spitzenleiter 38, wenn festgestellt wird, dass der Herzmuskel 36 nicht rechtzeitig einen Schlag erzeugt hat. Der Herzfühler 52 ermittelt so ein Versagen, einen rechtzeitigen Schlag zu erzeugen, durch Überwachung der Spannung an den gleichen Spitzen- und Ringleitern, um ein charakteristisches Spannungsmuster nachzuweisen. Wenn der Herzfühler feststellt, dass es ein Versagen gegeben hat, einen rechtzeitigen Schlag zu erzeugen, sendet er ein Impulsanforderungssignal auf einer Leitung 56 an den Impulsgenerator 50, der dann einen Schrittmach-Impuls erzeugt.
Die Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit 54 sendet periodisch Abfühlimpulse über die Leiter 38 und 42 zum Sauerstoff-Fühler 22, um den Sauerstoffgehalt des Blutes zu messen. Wenn die Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit feststellt, dass der Sauerstoffpegel unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt, sendet sie ein Abfühlanforderungssignal auf einer Leitung 58 an den Herzfühler 52, der antwortet, indem er die Frequenz erhöht, mit der er dessen Nachweis von Herzschlägen erwartet. Daher erzeugt er Impulsanforderungssignale zur Verbindung auf der Leitung 56 mit dem Impulsgenerator nach einer verkürzten Zeitspanne, in der kein Herzschlag nachgewiesen wird.
Bei dem Herzschrittmacher-System 20 von Fig. 2 ist der Sauerstoff-Fühler 22 nahe an der Ringelektrode 44 in den Ringleiter 42 integriert, und er ist parallel mit einer Diode 60 und einem Widerstand 62 verbunden. Die Diode ist so orientiert, dass sie in einer Richtung auf die Ringelektrode zu Strom leitet, die der Richtung entspricht, in der während eines Schrittmach-Impulses Strom fließt. Vorzugsweise wird eine Schottky-Diode verwendet, um den Spannungsabfall und den entsprechenden Leistungsverlust an der Diode während des Schrittmachens möglichst klein zu machen.
Die von der Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit 54 erzeugten Abfühlimpulse haben eine Polarität, die derjenigen der Schrittmach-Impulse entgegengesetzt ist. Daher wird bewirkt, dass Strom von der Spitzenelektrode 40 durch den Herzmuskel 36 zur Ringelektrode 44 fließt. Da die Diode 60 in Sperrrichtung liegt, wird der Strom durch den Sauerstoff-Fühler 22 fließen gelassen. Der Betrieb des Sauerstoff-Fühlers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur. 3 erörtert.
Obwohl der durch die Abfühlimpulse hervorgerufene Strom durch den Herzmuskel 36 fließt, werden keine unerwünschten zusätzlichen Herzschläge verursacht, aus zwei Gründen. Erstens beträgt der vom Sauerstoff-Fühler 22 benötigte Stromfluss nur ungefähr 400 Mikro-Ampere, im Gegensatz zu den 4 Milli-Ampere, die typischerweise zum Stimulieren des Herzmuskels nötig sind. Zweitens ist der Herzmuskel unempfindlich, sofort neu stimuliert zu werden, da die Sauerstoff-Abfühlimpulse während einer Zeitspanne gesendet werden, die direkt einem normalen oder stimulierten Herzschlag folgt.
Der Widerstand 62 wird zum Abfühlen des charakteristischen positiven und negativen Spannungsmusters verwendet, das bei jedem Herzschlag vom Herzmuskel 36 erzeugt wird. Ohne den Widerstand würde die Diode 60 den Herzfühler 52 beschränken, beide Spannungspolaritäten am Spitzenleiter 38 und Ringleiter 42 zu lesen. Der elektrische Widerstand des Widerstandes kann so groß sein, dass er die Stromsperrfunktion der parallel verbundenen Diode 60 nicht ungünstig beeinflusst. Der Widerstand stellt außerdem einen Leitungspfad für einen Wiederladestrom dar, der jedem Schrittmach-Impuls folgt. Die gewünschte Wiederladegeschwindigkeit muss bei der Auswahl des Widerstandswertes berücksichtigt werden. Ein Widerstandswert von. 20 Kilo-Ohm wird als geeignet angesehen.
Die Schrittmach-Einheit 26 arbeitet daher in vier Betriebsarten unter Verwendung des Spitzenleiters 38 und Ringleiters 42. Diese Betriebsarten sind Herzabfühlen, Schrittmachen, Wiederladen und Sauerstoff-Abfühlen, die alle während verschiedener Zeitspannen periodisch wiederholt werden. Zuerst findet Herzabfühlen statt, um zu ermitteln, ob ein Bedürfnis nach einem Schrittmach-Impuls besteht. Während des Herzabfühlens verwendet der Herzfühler 52 den Widerstand 62, um sowohl positive als auch negative Spannungen vom Herzmuskel 36 zu lesen. Zweitens, wenn innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne kein Herzschlag abgefühlt wird, wird der Impulsgenerator 50 ausgelöst, einen Schrittmach-Impuls mit negativer Spannung relativ zum Ringleiter auf dem Spitzenleiter zu senden. Der resultierende Strom wird durch die Diode 60 zum Herzmuskel geleitet. Drittens folgt der Übertragung jedes Schrittmach- Impulses eine Wiederlade-Zeitspanne, während der erlaubt wird, dass Strom in einer umgekehrten Richtung zum Schrittmach- Impuls durch den Herzmuskel fließt. Dieser Wiederladestrom fließt durch den Widerstand 62, der parallel mit der Diode verbunden ist. Viertens sendet während des Sauerstoff-Abfühlens die Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit 50 einen positiven Spannungsimpuls relativ zum Ringleiter auf dem Spitzenleiter. Auf Basis der obigen Beschreibung ist zu beachten, dass das Wiederladen und Sauerstoff-Abfühlen miteinander kombiniert werden können, um den Gesamt-Stromverbrauch zu vermindern.
Fig. 3, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt eine Prinzipskizze des Sauerstoff-Fühlers 22. Dieser Sauerstoff-Fühler ist im US-Patent Nr. 5,040,538 im Detail offenbart. Kurz zusammen gefasst enthält der Sauerstoff-Fühler eine Leuchtdiode (LED) 68, die zwischen einem positiven Eingangsanschluss 64 und einem negativen Eingangsanschluss 66 verbunden ist. Wird eine positive Spannung an die Anschlüsse angelegt, wird die LED dazu gebracht, Licht E1 zu emittieren, das auf das benachbarte Blut gerichtet ist. Es wird dann reflektiertes Licht E2 erzeugt, mit einer Intensität, die den Sauerstoffgehalt des Blutes anzeigt. Ein Fototransistor 70 ist so angeordnet, dass er dieses reflektierte Licht E2 empfängt und mit seinem zugehörigen Schaltungskomplex eine Spannung integriert, die der Intensität des Lichts proportional ist. Wenn diese integrierte Spannung einen vorgeschriebenen Wert erreicht, wird ein Schwellwertdetektor 72 auf EIN vorgespannt, um Strom von der LED nebenzuschließen. Die resultierende Spannungsänderung wird von der Fühler-Steuereinheit 54 (Fig. 2) unter Verwendung der gleichen Leiter 38 und 42 abgefühlt, die den Sauerstoff-Fühler mit Strom versorgen. Die Zeitverzögerung von der Auslösung des Abfühlimpulses bis der Schwellwertdetektor 72 auf EIN vorgespannt wird bildet ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Blutes.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 2 wird die Integration des Sauerstoff-Fühlers 22 in den Ringleiter 42 näher erörtert. Wie vorher erwähnt, sind der Sauerstoff-Fühler, die Diode 60 und der Widerstand 62 alle parallel miteinander verbunden. Wenn die Schrittmach-Einheit 26 einen Schrittmach-Impuls entlang der Leiter 38 und 42 sendet, bewirkt dies, dass Strom von der Ringelektrode 44 zur Spitzenelektrode 40 fließt, in welchem Fall der Strom in Vorwärtsrichtung durch die Diode 60 geleitet wird. Durch den Sauerstoff-Fühler fließt kein Strom, da seine Bauteile LED 64, Fototransistor 70 und Schwellwertdetektor 72 alle in Sperrrichtung liegen.
Andererseits, wenn die Schrittmach-Einheit 26 einen Sauerstoff-Abfühlimpuls entlang der Leiter 38 und 42 sendet, wird bewirkt, dass Strom von der Spitzenelektrode 40 zur Ringelektrode 44 fließt, in welchem Fall der Strom durch den Sauerstoff-Fühler 22 geleitet wird. Durch die Diode 60 fließt kein Strom, da sie in Sperrrichtung liegt.
Zwar wird der Widerstand 62 zum Herzschlag-Abfühlen und Wiederladen benötigt, dieser Widerstand verkompliziert aber die Schnittstellenanforderungen an den Sauerstoff-Fühler 22. Wie im US-Patent Nr. 5,113,862 gelehrt, kann irgendein elektrischer Widerstand parallel zum Sauerstoff-Fühler bewirken, dass der Schwellwertdetektor 72 die LED 68 verfrüht nebenschließt. Das Patent lehrt außerdem, dass diese Situation behoben werden kann, indem zuerst ein kleiner Auslösestrom auf einen Pegel gerade unterhalb der zum Leuchtenlassen der LED nötigen Schwelle ansteigen gelassen wird und indem dann der zugeführte Strom auf einen Wert oberhalb dieser Schwelle vergrößert wird, um die LED leuchten zu lassen. Diese Verluststromkompensation wird durchgeführt, indem der Spannungspegel an der LED überwacht wird, d. h. die Spannung zwischen dem Spitzenleiter 38 und Ringleiter 42. Die gemessene Spannung kann auf die gewünschte LED-Spannung plus dem Spannungsabfall zwischen der Spitzenelektrode 40 und der Ringelektrode 42 zurückgeführt werden. Der elektrische Widerstand des Herzmuskels 36, der die Spitzen- und Ringelektroden miteinander verbindet, beträgt ungefähr 500 Ohm. Da der 20-Kilo-Ohm-Widerstand 20 iri Reihe mit dem Herzmuskel verbunden ist, liegt an den Spitzen- und Ringelektroden ungefähr 500/(20.000 + 500) oder 1/41 der gemessenen Spannung an. Folglich liegt an der LED ungefähr 40/41 der gemessenen Spannung an. Diese geringfügige Korrektur kann durch die im US-Patent Nr. 5,113,862 beschriebene Verluststrom-Kompensationsschaltung angepasst werden.
Das in Fig. 2 gezeigte Herzschrittmacher-System 20 integriert den Sauerstoff-Fühler 22, die Diode 60 und den Widerstand 62 in den Ringleiter 42. In einer modifizierten Ausführungsform (in den Zeichnungen nicht gezeigt) sind diese Bestandteile in den Spitzenleiter 38 integriert. In dieser modifizierten Ausführungsform sind der Sauerstoff-Fühler und die Diode natürlich in einer Richtung orientiert, die der in Fig. 2 gezeigten Richtung entgegengesetzt ist.
Fig. 4, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt eine weitere Ausführungsform eines Herzschrittmacher-Systems 20' gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. 2 darin, dass sie den Spitzenleiter 38 und die Spitzenelektrode 40 enthält, aber den Ringleiter 42 und die Ringelektrode 44 entfallen lässt. Sie wird daher als einpolige Realisierung bezeichnet, wobei das leitfähige Gehäuse der Schrittmach-Einheit 26 als die zweite Elektrode arbeitet. Der Sauerstoff-Fühler 22, die Diode 60 und der Widerstand 62 sind in den Spitzenleiter integriert.
Das Herzschrittmacher-System 20' von Fig. 4 arbeitet ähnlich wie das Herzschrittmacher-System 20 von Fig. 2, außer dass der während des Schrittmachens und Abfühlens fließende Strom zwischen der Spitzenelektrode 40 und dem Gehäuse der Schrittmach- Einheit 26 hindurchgehen muss, das mit Körpergewebe im Brustkasten des Patienten Kontakt hat. Dieser Strompfad schließt dazwischenliegendes Körpergewebe außerhalb des Herzmuskels 36 ein, so dass zusätzliche, unerwünschte Muskelstimulation auftreten kann. Außerdem kann die Schrittmach-Einheit 26 unvermeidlich Muskelaktivität außerhalb des Herzmuskels abfühlen, wenn sie am gleichen Strompfad periodisch Spannungen abfühlt. Diese Komplikationen machen eine einpolige Realisierung weniger wünschenswert.
Fig. 5, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Konstruktion eines Herzschrittmacher- Systems 20'. Ebenso wie in der Ausführungsform von Fig. 2 verbindet die Konstruktion von Fig. 5 die Schrittmach-Einheit 26 über den Spitzenleiter 38 und den Ringleiter 42 mit dem Herzmuskel 36 und mit dem Sauerstoff-Fühler 22. Weiterhin sind die Diode 60 und der Widerstand 62 parallel verbunden und in den Ringleiter 42 integriert. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Fig. 2 verbindet jedoch die Konstruktion von Fig. 5 den Sauerstoff-Fühler zwischen dem Spitzenleiter und dem Ringleiter. Die Konstruktion von Fig. 5 ist somit eine parallele Realisierung.
Auf ähnliche Weise wie in den früher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bewirkt ein auf dem Spitzenleiter 38 vorhandener Schrittmach-Impuls mit negativer Spannung relativ zum Ringleiter 42 während der Betriebsart Schrittmachen, dass ein Strom durch die Diode 60 fließt, um den Herzmuskel 36 zu stimulieren. In diesem Zeitpunkt fließt kein Strom durch den Sauerstoff-Fühler 22, da seine Bestandteile in Sperrrichtung liegen.
Während der Betriebsarten Herzabfühlen und Wiederladen sperrt die Diode 62 wieder eine Polarität des Stroms. Daher stellt der Widerstand 62 wie in den früheren Ausführungsformen einen Zweirichtungspfad unabhängig von der Polarität dar, um die in diesen Betriebsarten geforderten Funktionen durchzuführen. Komplikationen, die aus der Lage des Sauerstoff-Fühlers 22 entstehen, werden weiter unten erörtert.
Während der Betriebsart Sauerstoff-Abfühlen wird an den Spitzenleiter 38 eine positive Spannung relativ zum Ringleiter 42 angelegt. Daher liegt die Diode 60 in diesem Zeitpunkt in Sperrrichtung, und nur ein minimaler Strom wird über den Widerstand 62 durch den Herzmuskel 36 gerichtet. Der Sauerstoff-Fühler 22 ist direkt mit den Spitzen- und Ringleitern verbunden, so dass er im wesentlichen unabhängig von der Diode 60 und dem Widerstand 62 arbeitet.
Man beachte, dass der Sauerstoff-Fühler 22 der Ausführungsform von Fig. 5 wirksam parallel mit einer Reihenverbindung des Widerstandes 62 und des Herzmuskels 36 verbunden ist. Wie vorher erwähnt, hat der Widerstand vorzugsweise einen elektrischen Widerstand von ungefähr 20 Kilo-Ohm, und der Herzmuskel stellt typischerweise einen Widerstand von ungefähr 500 Ohm dar. Dieser parallele elektrische Widerstand kann zu verfrühtem Auslösen des Sauerstoff-Fühlers und daher zu einer ungenauen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration führen. Das US-Patent Nr. 5,113,862, auf das oben Bezug genommen wurde, offenbart eine geeignete Technik zur Kompensation dieses parallelen elektrischen Widerstandes.
Während der Betriebsart Wiederladen liefert die Schrittmach- Einheit 24 über die Diode 60 und den Widerstand 62 Strom zum Herzmuskel 36. Beim Zuführen des Wiederladestroms muss das Vorhandensein des Sauerstoff-Fühlers 22 berücksichtigt werden, der den Herzmuskel nebenschließt. Insbesondere muss die Schrittmach-Einheit die Betriebsart des Sauerstoff-Fühlers berücksichtigen, d. h. ob der Schwellwertdetektor 72 des Sauerstoff-Fühlers Strom führt oder nicht.
In einer Modifizierung des Herzschrittmacher-Systems von Fig. 5 (in den Zeichnungen nicht gezeigt) können die Diode 60 und der Widerstand 62 in den Spitzenleiter 38 statt des Ringleiters 42 integriert sein. Es ist natürlich klar, dass die Polarität der Diode in so einer modifizierten Ausführungsform umgekehrt werden muss.
Aus der vorhergehenden Beschreibung erkennt man, dass die vorliegende Erfindung ein verbessertes implantierbares Herzschrittmacher-System liefert, das einen Sauerstoff-Fühler eingliedert, ohne zusätzliche implantierte Leiter zu benötigen. Dies wird erreicht, indem der Sauerstoff-Fühler in einen der Leiter integriert wird, die zum Takten des Herzens verwendet werden, und indem der Sauerstoff-Fühler nur während Zeitspannen verwendet wird, in denen dem Herz keine Schrittmach- Impulse zugeführt werden.

Claims

1. Implantierbares Herzschrittmacher-System, das Folgendes enthält: einen Impulsgenerator (50) zur Erzeugung von Schrittmach-Impulsen;

einen elektrischen Leiter (42) mit einem nahen Ende, das elektrisch mit dem Impulsgenerator (50) in Verbindung steht, und einem fernen Ende, das dafür eingerichtet ist, elektrischen Kontakt mit einem gewählten Herzmuskel (36) eines Patienten herzustellen, wobei der Impulsgenerator (50) dafür eingerichtet ist, selektiv Schrittmach-Impulse mit einer ersten Polarität entlang des Leiters (42) zu verbinden, um den Herzmuskel (36) elektrisch zu stimulieren;

eine Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62);

eine Einrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff-Abfühlimpulsen;

und eine Sauerstoff-Fühlerschaltung-Steuereinheit (54);

dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62) in Reihenschaltung mit dem Leiter verbunden ist (42) und die Sauerstoff-Fühlerschaltung-Steuereinheit (54) dafür eingerichtet ist, Sauerstoff-Abfühlimpulse mit einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität intermittierend entlang des Leiters (42) mit der Sauerstoff- Fühlerschaltung (22, 60, 62) zu verbinden, um den Sauerstoffgehalt des Blutes des Patienten zu messen.

2. Herzschrittmacher-System wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Abfühlschaltung (22, 60, 62) eine Diode (60) enthält, die in Reihenschaltung mit dem Leiter (42) verbunden ist und dafür eingerichtet ist, Strom mit der ersten Polarität zu leiten und Strom mit der zweiten Polarität zu sperren.

3. Herzschrittmacher-System wie in Anspruch 2 beansprucht, gekennzeichnet durch

einen Herzfühler (52), der parallel mit dem Impulsgenerator (50) verbunden ist, und

einen Widerstand (62), der einen Teil der Sauerstoff-Fühlerschaltung bildet, die parallel mit der Diode (60) verbunden ist.

4. Herzschrittmacher-System wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62) einen Sauerstoff-Fühler (22) enthält und die Diode (60) parallel mit dem Sauerstoff-Fühler verbunden ist.

5. Implantierbares Herzschrittmacher-System, das Folgendes enthält: einen Impulsgenerator (50) zur Erzeugung von Schrittmach-Impulsen;

einen ersten elektrischen Leiter (38), der in Kontakt mit dem Herzmuskel (36) eines Patienten implantierbar ist;

einen zweiten elektrischen Leiter (42), der in Kontakt mit dem Blutkreislauf des Patienten implantierbar ist, wobei die ersten und zweiten elektrischen Leiter (38, 42) elektrische Spannungen als Funktion von Herzschlägen tragen; eine Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62); und eine Sauerstoff- Fühler-Steuereinheit (54); wobei der Impulsgenerator (50) Folgendes enthält:

einen Herzfühler (52) zur Überwachung der relativen Spannungen auf den ersten und zweiten elektrischen Leitern (38, 42), um das Vorhandensein eines Herzschlages nachzuweisen, wobei der Impulsgenerator (50) weiterhin selektiv Schrittmach-Impulse entlang der ersten und zweiten elektrischen Leiter (38, 42) verbindet, um den Herzmuskel (36) elektrisch zu stimulieren;

dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62) mit einem oder beiden der ersten und zweiten elektrischen Leiter (38, 42) verbunden ist und innerhalb des Blutes des Patienten implantierbar ist; und dass die Sauerstoff-Fühler-Steuereinheit (54) dafür eingerichtet ist, Sauerstoff-Abfühlimpulse zu erzeugen und die Sauerstoff- Abfühlimpulse intermittierend entlang der ersten und zweiten elektrischen Leiter (38, 42) mit der Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62) zu verbinden, um den Sauerstoffgehalt des Blutes des Patienten zu messen, wobei die Schrittmach-Impulse eine erste Polarität haben und die Sauerstoff-Abfühlimpulse eine zweite, der ersten Polarität entgegengesetzte Polarität haben; und dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung einen Sauerstoff-Fühler (22), eine in den ersten Leiter (38) oder den zweiten Leiter (42) integrierte Diode (60) zum Leiten von Strom mit der ersten Polarität und Sperren von Strom mit der zweiten Polarität und einen parallel mit der Diode (60) verbundenen Widerstand (62) enthält.

6. Implantierbares Herzschrittmacher-System wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff- Fühler (22) parallel mit der Diode (60) und dem Widerstand (62) verbunden ist.

7. Implantierbarer Herzschrittmacher wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Fühlerschaltung (22, 60, 62) zwischen dem ersten elektrischen Leiter (38) und dem zweiten elektrischen Leiter (42) verbunden ist.