DE69914343T2

DE69914343T2 - Medizinisches implantat

Info

Publication number: DE69914343T2
Application number: DE69914343T
Authority: DE
Inventors: Johan Lidman; Lars Landelius; Charlotte Kjellman; Kenth Nilsson
Original assignee: St Jude Medical AB
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-09-21
Also published as: WO2000016853A1; SE9803197D0; DE69914343D1; EP1115455A1; EP1115455B1; US6829507B1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet medizinischer Implantate. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Liefern eines Signals, das den Zustand eines Sensors in einem medizinischen Implantat repräsentiert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Seit der Einführung von frequenzadaptierenden implantierten Herzstimulatoren ist eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter benutzt worden, um den Aktivitätspegel des Patienten zu bestimmen, der wiederum benutzt wird, um die Frequenz zu steuern mit der das Herz des Patienten durch den Schrittmacher zu stimulieren ist. Eine der üblichsten Sensoren ist der piezoelektrische Beschleunigungsmesser.
Eine andere Form eines Sensors ist der intrakardiale piezoelektrische Drucksensor.
Anders als die piezoresistiven und piezokapazitiven Sensoren sind die piezoelektrischen Sensoren nicht Energie verbrauchend, sie erzeugen ihre Energie stattdessen selbst. Piezoelektrische Sensoren werden auch angeordnet, um die mechanische Spannung des piezoelektrischen Materials abhängig von einer Änderung von Belastungen, die z. B. von einer Beschleunigung einer seismischen Masse oder von einer auf den Sensor wirkenden Druckänderung herrühren, zu verändern. Dies führt zu einem Transport von Elektronen oder elektrischen Ladungen innerhalb des Materials, welcher eine Änderung in der Spannung an dem piezoelektrischen Sensor liefert. Diese Spannung entspricht der Belastung, der der Sensor unterworfen wird. Eine derartige Vorrichtung ist in der US-A-5,040,535 beschrieben, welches Dokument die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet.
Ein Problem hinsichtlich der Messung der Spannung an einem piezoelektrischen Sensor ist der auftretende Abfluss (Lecken) von Ladungen, der die Genauigkeit der Messungen negativ beeinflusst. Bei einem Versuch, dieses Problem zu lösen, ist ein Spannungsverstärker mit sehr hoher Eingangsimpedanz eingesetzt worden. Dies macht jedoch eine sehr große Widerstandskomponente erforderlich, was innerhalb eines medizinischen Implantats unerwünscht ist. Darüber hinaus ist das den Abfluss der Ladungen betreffende Problem noch nicht ausreichend eliminiert und damit wird die Verwendung einer Speicherfunktion irgendeiner Art erforderlich. Das Problem des Abflusses von Ladungen ist von besonderem Interesse, wenn der piezoelektrische Sensor relativ kleinen Belastungsänderungen über längere Zeitperioden unterworfen wird, wie kleinen Änderungen des Druckes über eine lange Zeit oder Änderungen in der Position.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Zustandes eines piezoelektrischen Sensors verfügbar zu machen, das den oben erwähnten Abfluss von Ladungen berücksichtigt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeit in der Bewertung des Zustandes eines piezoelektrischen Sensors zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Ziele werden gemäß der Erfindung erreicht mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen und durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass wenigstens nahezu kontinuierlich der sich auf Sensorausgangsänderungen beziehende Zustand erfasst und hierauf beruhend ein Signal erzeugt wird, das den tatsächlichen Zustand eines Sensors repräsentiert.
Vorzugsweise wird das genannte Signal durch Integration der genannten Sensorausgangsänderungen erzeugt.
Vorzugsweise wird ein Sensor der Art benutzt, bei der Zustandsänderungen Änderungen bezüglich der elektrischen Ladungen in dem Sensor berücksichtigen. Damit ist der Sensor des piezoelektrischen Typs geeignet.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung werden durch den Sensor erzeugte positive und negative Ladungen, wie weiter unten näher erläutert, im Wesentlichen kontinuierlich erfasst und vom Sensor entfernt, wodurch die Ausgangsspannung des Sensors bei einem im Wesentlichen konstanten Pegel von Null gehalten wird, während gleichzeitig ein Ausgangsstrom geliefert wird, der die Grundlage für eine Integration sein kann, um das genannte Signal zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann dies erreicht werden durch Verbinden des ladungsproduzierenden Sensors mit einer Schaltung, die die Charakteristik einer extrem niedrigen oder redundanten Eingangsimpedanz hat. Als Folge hiervon werden durch den piezoelektrischen Sensor erzeugte Ladungen sofort abfließen oder gesammelt oder durch die verbundene Schaltung beseitigt werden. Dies bedeutet auch, dass kein Problem bezüglich eines unkontrollierten Abfließens von Ladungen aus dem Sensor besteht, wie es beim Stand der Technik der Fall ist.
Wie oben angegeben, erzeugt in einem Sensor des piezoelektrischen Typs eine Belastungsänderung eine Änderung von Ladungen, wobei sämtliche erzeugten Ladungen durch die verbundene Schaltung gesammelt, d. h. erfasst und von dem piezoelektrischen Sensor entfernt werden. Eine Belastungsänderung kann entweder positiv oder negativ sein. Eine positive Belastungsänderung erzeugt einen internen Transport von Ladungen in einer Richtung entgegengesetzt zu der, die durch eine negative Belastungsänderung hervorgerufen wird. Falls ferner ein Transport von Ladungen in einer Richtung eine positive Spannung am piezoelektrischen Sensor erzeugt, erzeugt ein Transport von Ladungen in der entgegengesetzten Richtung eine negative Spannung. Deshalb muss für die Wiederherstellung eines Null-Spannungspegels am Sensor von einem positiven Spannungspegel aus ein Transport von „tatsächlichen" Ladungen aus dem Sensor erfolgen, während zum Wiederherstellen eines Null-Pegels von einer negativen Spannung aus ein Transport der „tatsächlichen" Ladungen aus der verbundenen Schaltung in den Sensor erfolgen muss.
Gemäß Obigem werden die dem Sensor zum Wiederherstellen eines Null-Pegels zugeführten tatsächlichen Ladungen im Folgenden als gesammelte oder entfernte negative Ladungen bezeichnet und der erhaltene Strom wird als negativer Strom bezeichnet. Entsprechend werden die aus dem Sensor entfernten tatsächlichen Ladungen als positive Ladungen bezeichnet und der erhaltene Strom als positiver Strom. Deshalb werden im Folgenden die Zufuhr und das Entfernen von Ladungen zu und aus dem Sensor bezeichnet als Sammeln von Ladungen, wobei die Zufuhr von Ladungen zum Sensor bezeichnet wird als Sammeln von negativen Ladungen und eine Entfernung von Ladungen aus dem Sensor bezeichnet wird als ein Sammeln von positiven Ladungen.
Die in einem Sensor des diskutierten Typs erzeugten Ladungen entsprechen der Belastung (beispielsweise Beschleunigung und/oder Schwerkraft oder Druck), der der Sensor unterworfen wird. Demgemäß repräsentiert jede erzeugte Ladung eine bestimmte Belastungsänderung. Eine größere Belastungsänderung erzeugt mehr Ladungen; eine schnellere Belastungsänderung liefert eine schnellere Erzeugung von Ladungen; und eine Belastungsänderung in einer Richtung erzeugt positive Ladungen und eine Belastungsänderung in der entgegengesetzten Richtung erzeugt negative Ladungen (entsprechend der oben gegebenen Definition von positiven und negativen Ladungen). Somit entsprechen die durch den Sensor pro Zeiteinheit erzeugten Ladungen, d. h. der elektrische Strom, dem Betrag und der Richtung der Ladungsänderung und somit der Zeitableitung der Belastung, der der Sensor unterworfen wird.
Die durch einen piezoelektrischen Sensor erzeugten Ladungen werden, wie oben beschrieben einer Schaltung zum Erfassen und Entfernen der genannten Ladungen zugeführt. Da die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Ladungen, die im Folgenden als Sensorstrom oder Sensorausgangsstrom bezeichnet wird, proportional zum Zeitdifferential der Belastungsänderung ist, führt eine Integration des genannten Stroms zu einem integrierten Wert oder Signal, das proportional zur Belastung ist.
Die Schaltung zur Aufnahme des Stroms (Erfassung und Entfernung der Ladungen) ist gemäß der Erfindung so angeordnet, das sie den genannten Strom integriert, d. h. die durch den Sensor erzeugten Ladungen quantifiziert und kumuliert.
Demgemäß repräsentiert der erhaltene Wert aus dieser Integration den Nettobetrag, d. h. unter Berücksichtigung des Vorzeichens der erzeugten Ladungen, von den durch den Sensor erzeugten Ladungen. Damit ist der integrierte Werte bzw. das Signal direkt repräsentativ für die Belastung, der der Sensor gerade ausgesetzt ist. Der genannte integrierte Wert kann deshalb als eine Wiedererschaffung der Spannung angesehen werden, die im Sensor vorhanden gewesen wäre, vorausgesetzt, dass überhaupt kein Abfluss oder eine absichtliche Entfernung der Ladungen vorhanden gewesen wäre. Damit löst die vorliegende Erfindung das Problem hinsichtlich des Erhaltens eines absoluten Wertes, der repräsentativ für den Pegel beispielsweise einer konstanten Beschleunigung oder Schwerkraft oder eines Druckes bei der Benutzung eines Sensors vom piezoelektrischen Typ ist.
Wie oben festgestellt, würde das Wiederherstellen eines Null-Pegels im Sensor, ausgehend von einem negativen Spannungspegel, eine Zufuhr von Ladungen aus der verbundenen Schaltung zum Sensor erfordern. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Zufuhr von Ladungen vorgesehen werden durch Zuführen eines konstanten Gleichstroms, im Folgenden als Gleichstromsignal bezeichnet, zum Sensor und der Schaltung. Falls die Größe des Gleichstromsignals die mögliche maximale Größe des positiven und des negativen Sensorstroms überschreitet, werden die zum Sensor für das Wiederherstellen des Null-Pegels gelieferten Ladungen bzw. der Strom durch das hinzugefügte Gleichstromsignal geliefert. Als Folge hiervon wird die angeschlossene Schaltung mit einem kombinierten Signal beliefert, wobei das genannte kombinierte Signal die Summe aus dem Gleichstromsignal und dem Sensorstrom darstellt. Das kombinierte Signal hat beispielsweise die Größe des Gleichstromsignals, wenn der Sensor nicht durch eine Änderung in der Beschleunigung und/oder Schwerkraft oder im Druck beeinflusst wird; eine Größe mehr als das Gleichstromsignal, wenn der Sensor durch eine positive Änderung in der Belastung, z. B. Beschleunigung und/oder Schwerkraft beeinflusst wird; und eine Größe weniger als das Gleichstromsignal, wenn der Sensor durch eine negative Änderung in der genannten Last beeinflusst wird.
Wie oben beschrieben, integriert die verbundene Schaltung den Sensorstrom. Gemäß bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung kann diese Integration erreicht werden, indem der Sensorstrom zunächst einer Umwandlung von Strom in Frequenz unterworfen wird. Das Vorsehen eines hinzugefügten Gleichstromssignals zum Liefern eines kombinierten Signals, wie es oben beschrieben ist, ist insbesondere vorteilhaft, wenn es in Verbindung mit einem Strom-zu-Frequenz-Wandler benutzt wird, in dem das kombinierte Signal stets positiv gehalten wird und die Frequenz kann proportional zum Pegel des kombinierten Signals gehalten werden.
Die Strom-zu-Frequenz-Umwandlung erzeugt ein Frequenzsignal, das zu einer Zählvorrichtung geliefert wird, um die im Frequenzsignal enthaltenen Impulse zu zählen. Der Zählvorgang erzeugt den gewünschten integrierten Wert nach einer Kompensation für den Beitrag aus dem hinzugefügten Gleichstromsignal, der direkt repräsentativ ist für die aktuelle Beschleunigung oder Schwerkraft, durch die der Sensor beeinflusst wird.
Der Beitrag des hinzugefügten Gleichstromssignals muss jedoch eliminiert werden, um ein integriertes Signal zu erhalten, das den unmittelbaren Einfluss der Belastung auf den Sensor repräsentiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Beitrag des hinzugefügten Gleichstromssignals dadurch entfernt werden, dass im Zähler ein Zählwert abgezogen wird, der dem Beitrag aus dem Gleichstromsignal entspricht. Nach jedem Abzug repräsentiert der Zählwert, d. h. der integrierte Wert den Beitrag nur aus dem Sensorstrom und demzufolge aus der Belastung, mit der der Sensor beeinflusst wird.
Der abzuziehende Wert, der hier als Subtraktionswert bezeichnet wird, kann durch Abtrennen des Sensors für eine vorgegebene Zeitdauer von der angeschlossenen Schaltung und durch Registrieren der während der genannten Zeitdauer im Frequenzsignal enthaltenen Impulse erhalten werden. Das Abtrennen des Sensors kann einfach durch einen Schalter erfolgen. Wenn die genannte Zeitdauer abläuft wird die Anzahl der während dieser Zeitdauer registrierten Impulse als Subtraktionswert gespeichert und die Arbeit der angeschlossenen Schaltungsanordnung fortgeführt unter Verwendung des aktualisierten Subtraktionswertes, wie es oben beschrieben ist. Der Vorgang zum Erhalten des Subtraktionswertes kann in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt werden, wird jedoch vorzugsweise durchgeführt, wenn kein Sensorstrom vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Problem bei der Kompensation des Beitrages des addierten Gleichstromssignals dadurch gelöst werden, dass zwei parallele Signalpfade vorgesehen werden, von denen jeder Pfad mit einem getrennten Gleichstromsignal, wie oben beschrieben, beliefert wird und die eine Strom-zu-Frequenz-Wandler-Vorrichtung enthalten; ferner eine erste Schaltvorrichtung zum Schalten des Sensorstroms zwischen den beiden Signalpfaden; eine zweite Schaltvorrichtung zum Schalten des betreffenden Frequenzsignals aus dem betreffenden Signalpfad zwischen Inkrementation- und Dekrementationeingängen eines Vor-/Rückwärtszählers; und ein Vor-/Rückwärtszähler vorgesehen werden.
Der Sensorstrom wird periodisch zwischen den betreffenden Pfaden geschaltet, so dass der Sensorstrom die Hälfte der Zeit zu dem einen Pfad und die Hälfte der Zeit zu dem anderen Pfad geliefert wird. Als Folge enthält das durch jeden Pfad ausgegebene konvertierte Frequenzsignal die Hälfte der Zeit das konvertierte kombinierte Signal, die Hälfte der Zeit eine Frequenzumwandlung des zugefügten Gleichstromsignals. Wenn das umgewandelte Signal nur den Beitrag des Gleichstromsignals enthält, kann dies als ein Inaktiv-Frequenzsignal angesehen werden. Wenn der Sensorstrom null ist, hat offensichtlich eine Frequenzumwandlung des kombinierten Signals die gleiche Frequenz, wie das genannte Inaktiv-Frequenzsignal, unabhängig vom Zustand der ersten Schaltvorrichtung.
Das durch jeden Signalpfad ausgegebene Frequenzsignal wird periodisch zwischen einem Inkrement- und einem Dekrement-Eingang eines Vorwärts-/Rückwärts-Zählers geschaltet. Das genannte Schalten wird vorzugsweise in Verbindung mit dem Schalten des Sensorstromes zwischen den betreffenden Signalpfaden durchgeführt, so dass der den Sensorstrom gerade empfangende Pfad mit dem Inkrement-Eingang des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers verbunden wird, und dass der den Sensorstrom gerade nicht empfangende Pfad mit dem Dekrement-Eingang des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers verbunden wird. Damit erhöht das betreffende Frequenzsignal den Zähler schrittweise, wenn der Beitrag des Sensorstroms enthalten ist und verringert den Zähler schrittweise, wenn der Beitrag den Sensorstroms nicht enthalten ist. Demgemäß wird der Beitrag des betreffenden hinzugefügten Gleichstromsignals vollständig eliminiert und der durch den Vorwärts-/Rückwärts-Zähler ausgegebene integrierte Wert ist direkt repräsentativ für den durch den Sensor erzeugten Strom. Der Beitrag des betreffenden hinzugefügten Gleichstromsignals wird vollständig eliminiert, unabhängig von einem Triften des Gleichstromsignals über die Zeit und unabhängig von dem Unterschied zwischen den Gleichstromsignalen.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der Zählwert, d. h. der integrierte Wert fortlaufend aktualisiert und repräsentiert zu allen Zeiten die Belastung, der der Sensor gerade ausgesetzt ist.
Ein Weg zur Bestimmung des Aktivitätspegels eines Patienten ist es, einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser in einem medizinischen Implantat zu verwenden, um die physische Aktivität des Patienten zu bestimmen und demzufolge die Frequenz mit der das Herz des Patienten zu stimulieren ist.
Die Herzfrequenz in einem gesunden Lebewesen ist jedoch auch von dem statischen Zustand des Lebewesens oder der Langzeitorientierung oder Haltung des Körpers oder einer Änderung aus einer solchen Orientierung in eine andere, beispielsweise beim Hinlegen aus dem Stand, abhängig. Die innere Herzfrequenz ist sogar abhängig davon, ob die Person in einer Rückenlage liegt, d. h. auf ihrem Rücken oder in einer Bauchlage, d. h. auf ihrem Gesicht. Deshalb besteht ein Bedarf zum Erstellen sowohl des Aktivitätspegels als auch der Körperhaltung des Schrittmacherpatienten, um die Arbeitsweise des Schrittmachers abhängig vom Aktivitätspegel und der Haltung des Patienten zu steuern.
Es ist zur Bestimmung der körperlichen Orientierung oder Haltung eines Patienten eine Anzahl verschiedener Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Im Allgemeinen werden zum Bestimmen der Haltung Beschleunigungsmesser benutzt, siehe beispielsweise EP-0,845,240. Dies zufolge der Tatsache, dass die Schwerkraft ein Objekt in der gleichen Weise beeinflusst, wie eine entsprechende konstante Beschleunigungskraft. Durch Bestimmen der Auswirkung der Schwerkraft auf den Beschleunigungsmesser, der gegenüber Beschleunigungskräften nur in einer bestimmten Richtung empfindlich ist, kann die Gravitationskomponente in dieser Richtung gemessen werden und damit kann der Winkel zwischen der Achse der Empfindlichkeit und der Richtung der Schwerkraft bestimmt werden. Wenn die Orientierung des Beschleunigungsmessers relativ zum Patienten bekannt ist, kann die Haltung des Patienten leicht festgestellt werden.
Der Beschleunigungsmesser kann auch mit einem oder mehreren Beschleunigungsmessern kombiniert werden, die unterschiedliche Empfindlichkeitsrichtungen aufweisen, vorzugsweise senkrecht zu der des ersten Beschleunigungsmessers. Hierdurch erhöht sich die Möglichkeit unterschiedliche Haltungen des Patienten zu erfassen. Beispielsweise würde die Kombination mit einem Beschleunigungsmesser, der eine Empfindlichkeit in Rechts-Links-Richtung des Patienten aufweist, es ermöglichen, eine aufrechte Position von einer Position zu unterscheiden, in der der Patient auf der Seite liegt.
Da die Änderungen in der Beschleunigung und Schwerkraft verbunden mit Änderungen in der Haltung relativ langsam sind im Vergleich zu Änderungen in der Beschleunigung in Verbindung mit einer normalen physischen Aktivität und die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Lecken der Ladungen aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser in Betracht zieht, ist die Erfindung insbesondere interessant in piezoelektrischen Vorrichtungen zum Erfassen von Änderungen in der Haltung.
Wie oben diskutiert, repräsentiert der fortlaufend aktualisierte integrierte Wert die Beschleunigung und/oder Schwerkraft (d. h. die Komponente der Schwerkraft in Richtung der Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers), der der Beschleunigungsmesser gerade ausgesetzt ist. Der maximale Beitrag des Beschleunigungsmessers kann durch eine Schwerkraft ausgeübt werden, die einer Beschleunigung von 1 g (9,81 m/s²) entspricht. Mit schweren Übungen, wie Laufen, verbundene Beschleunigungen, können jedoch klar über 1 g, manchmal sogar über 2 g liegen. Deshalb wird der integrierte Wert in geeigneter Weise einer weiteren Verarbeitung unterworfen, um beispielsweise zwischen dem Beitrag aus der Schwerkraft und dem Beitrag aus der physischen Aktivität zu unterscheiden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der fortlaufend aktualisierte, integrierte Wert als digitales Ausgangssignal von der beschriebenen Zählvorrichtung an die Haltungsbewertungsvorrichtung geliefert werden, um die Haltung des Patienten zu bestimmen. Die genannte Haltungsbewertungsvorrichtung oder eine zwischen die Haltungsbewertungsvorrichtung und die Zählvorrichtung geschaltete Vorrichtung führt eine digitale Tiefpassfilterung des integrierten Signals durch. Die genannte Tiefpassfilterung mit einer bevorzugten Grenzfrequenz von weniger als 1 Hz, vorzugsweise etwa 0,5 Hz filtert wirksam Beiträge der Aktivität, Herzschläge etc., heraus. Das tiefpassgefilterte, integrierte Signal kann dann mit Schwellwerten verglichen werden, um einen Haltungswert zu erhalten, der die tatsächliche Haltung des Patienten anzeigt. Der genannte Haltungswert kann dann der Steuervorrichtung zugeführt werden, um in Übereinstimmung mit der Haltung des Patienten in an sich bekannter Weise den Arbeitsvorgang eines Schrittmachers zu steuern.
In gleicher Weise kann gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung der integrierte Wert auch als digitales Ausgangssignal an die Aktivitätsbewertungsvorrichtung zur Bestimmung der physischen Aktivität des Patienten geliefert werden. Die genannte Aktivitätsbewertungsvorrichtung oder eine Vorrichtung, die zwischen die Aktivitätsbewertungsvorrichtung und die Zählvorrichtung geschaltet ist, führt eine digitale Bandpassfilterung des integrierten Signals durch. Die genannte Bandpassfilterung hat eine bevorzugte untere Grenzfrequenz von etwa 1 Hz und besitzt eine bevorzugte obere Grenzfrequenz von etwa 10 Hz, vorzugsweise etwa 6 Hz. Das bandpassgefilterte, integrierte Signal kann dann in bekannter Weise bewertet werden, um einen die physische Aktivität des Patienten anzeigenden Aktivitätswert zu erhalten. Der genannte Aktivitätswert kann dann an die Steuervorrichtung zum Steuern des Arbeitsvorgangs eines Schrittmachers in Übereinstimmung mit der physischen Aktivität und der Haltung des Patienten geliefert werden.
Gemäß einer speziellen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird Gebrauch gemacht von einem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser, der einen Zwei-Schichten-Ausleger enthält, eine piezoelektrische Schicht und eine Tragschicht, wobei der Ausleger an einem Ende an einer Befestigungsfläche befestigt ist und am anderen Ende mit einem Gewicht versehen ist. Damit wird der Ausleger bei einer Beeinflus sung durch eine Beschleunigungs- oder Schwerkraft-Änderung um das befestigte Ende ausgelenkt. Der Ausleger ist vorzugsweise breit, was den Ausleger daran hindert, sich zu verdrehen oder in andere Richtungen als in die beabsichtigte auszulenken. Der Ausleger kann auch geneigt sein. Diese Neigung und die Breite des Auslegers erzielen eine Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungs- und Schwerkraft-Änderungen nur in einer Richtung, senkrecht zur Befestigungsfläche. Damit kann der piezoelektrische Beschleunigungsmesser angesehen werden, vom monoaxialen Typ zu sein. Die Breite des Auslegers verbessert auch die Größe des durch die piezoelektrische Schicht erzeugten Stroms. Wenn der Beschleunigungsmesser Beschleunigungs- und/oder Gravitations-Kräften unterworfen wird, die senkrecht zur Befestigungsfläche verlaufen, wird der Ausleger um das befestigte Ende ausgelenkt und das piezoelektrische Material erzeugt abhängig von dem Maß und der Größe der Beschleunigungs- und/oder Schwerkraft-Änderungen Ladungen.
Ferner ist gemäß dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung der piezoelektrische Beschleunigungsmesser derart innerhalb eines Schrittmachers positioniert, dass, wenn der Schrittmacher in einen Patienten implantiert wird, der Beschleunigungsmesser-Ausleger senkrecht positioniert ist gegenüber seiner Empfindlichkeitsrichtung, die die Vorne-Rückwärts-Richtung des Patienten ist, mit den oben beschriebenen Vorteilen. Da der piezoelektrische Beschleunigungsmesser in der Lage ist negative Werte zu liefern, kann die Bauchlage leicht von der Rückenlage unterschieden werden.
Wie oben angegeben, ist die Erfindung auch auf andere piezoelektrische Sensoren anwendbar, wie endokardiale Drucksensoren zum Messen des intrakardialen Drucks.
Es ist z. B. möglich, Haltungsänderungen mittels eines intrakardialen Drucksensors zu bestimmen. Der auf den Sensor wirkende hydrostatische Druck nimmt zu, wenn sich der Patient aus einer Bauchlage oder Rückenlage in die aufrechte Position erhebt, da die vertikale Distanz oberhalb des Sensors innerhalb des Patienten, die den hydrostatischen Druck definiert, zunimmt. Die Auswirkungen einer Zunahme im Druck auf den Drucksensor sind im Allgemeinen ähnlich den Auswirkungen der Beschleunigung oder Schwerkraft auf einen Beschleunigungsmesser des oben beschriebenen Typs. Die oben beschriebene Anordnung zum Bewerten des Beschleunigungssignals kann deshalb auch zum Bewerten des Signals aus dem Drucksensor verwendet werden. Da ein Schrittmachersystem normalerweise irgendeine Art von Aktivitätssensor enthält, kann das Drucksignal auch zusätzlich mittels des Signals aus dem Aktivitätssensor bewertet werden, um besser zwischen dem aus einer Haltungsänderung resultierenden Druckanstieg und einer Druckänderung zu unterscheiden, die aus einer Aktivitätsänderung resultiert.
Eine weitere Verwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung ist es, Langzeitänderungen oder ein Triften im intrakardialen Druck mittels eines Drucksensors zu erfassen.
Weitere Details und Aspekte der Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
1 stellt in Form eines Blockdiagramms ein medizinisches Implantat dar, das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
2 stellt einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser gemäß einer speziellen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
3 und 4 stellen in Form eines Blockdiagramms und eines Schaltungsdiagramms eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar.
5 und 6 stellen in Form eines Blockdiagramms und eines Schaltungsdiagramms eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar.
7 stellt in Form eines Impulsdiagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren dar.
8 stellt in einem Blockdiagramm eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGSGEMÄß
Wie oben erwähnt, ist die Erfindung bei Beschleunigungsmessern und insbesondere bei Beschleunigungsmessern, die in Verbindung mit Schrittmachern benutzt werden und ähnlich zur Erfassung von Änderungen in der Haltung einsetzbar, und die Erfindung wird im Folgenden anhand eines derartigen Beschleunigungsmessers im Einzelnen beschrieben. In 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Schrittmachers 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Der erfindungsgemäße Schrittmacher 1 enthält einen piezoelektrischen Sensor (Beschleunigungsmesser) 100, eine Integriervorrichtung 200, eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300, eine Logikschaltung 400 und einen Impulsgenerator 500. Die Logikschaltung 400 ist außerdem mit einer Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700 verbunden, welche mit einem aus dein piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 stammenden Aktivitätssignal beliefert wird. Der Schrittmacher 1 ist ferner mit wenigstens einer Schrittmacherleitung 600 verbunden, die mit wenigstens einer Stimulationselektrode versehen ist, wobei die Elektrode auch zum Abfühlen benutzt wird. Der Schrittmacher 1 enthält ferner eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten des Abfühlsignals bzw. der Abfühlsignale aus der genannten (nicht dargestellte) Elektrode bzw. den Elektroden. Der Schrittmacher 1 kann für eine unipolare oder eine bipolare Stimulation in einer Weise ausgebildet sein, wie sie dem Fachmann wohl bekannt ist.
Es wird nun der piezoelektrische Beschleunigungsmesser 100 anhand von 2 beschrieben. Der Schrittmacher 1 von 1 enthält einen aus einem Zweischichtausleger bestehenden piezoelektrischen, monoaxialen Beschleunigungsmesser 100, der an einem Ende über einen Träger 110 an einer Fläche 120 befestigt ist, wobei der Ausleger gegenüber der Befestigungsfläche 120 geneigt ist. Das andere Ende, das offene Ende, ist mit einem Gewicht 108 versehen, das eine Biege- oder Auslenk-Bewegung um das befestigte Ende vorsieht. Die obere Schicht 102 des Auslegers ist aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt, die untere Tragschicht 104 besteht aus einem Material hoher Dichte mit hohem Elastizitätsmodul. Der Träger 110, das Gewicht 108 und die Tragschicht 104 sind alle in einem Stück hergestellt, das elektrisch leitend ist. Die Schichten sind durch einen Klebstoff fest miteinander verbunden, wobei ein elektrisch leitender Klebstoff 106 verwendet ist. Die freie obere Seite der piezoelektrischen Schicht ist mit einer dünnen Metallschicht überzogen, die als eine Elektrode dient. Die piezoelektrische Schicht 102 ist mit der sie umgebenden Schaltungsanordnung über die leitende Schicht 104 und eine mit der Metallschicht verbundene Leitung 112 verbunden.
In den 3 und 5 ist der Sensor 100 und die Integriervorrichtung 200 gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die genannte Integriervorrichtung 200 enthält Kombinationsvorrichtungen 201, 202, 203, um einen Sensorausgangsstrom S(t) mit einem Gleichstromsignal zu kombinieren, wodurch ein kombiniertes Signal C(t) mit einem versetzten Gleichstrompegel erhalten wird; Wandlervorrichtungen 210, 220, 230 zum Umwandeln des kombinierten Signals C(t) in ein Frequenzsignal F(t); und Zählvorrichtungen 240, 242, um das genannte Frequenzsignal F(t) einem Zählvorgang zu unterwerfen, um ein integriertes Signal I(t) zu erhalten.
Speziell unter Bezugnahme auf 3 enthält die genannte Integriervorrichtung entsprechend einer speziellen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ferner eine erste Schaltvorrichtung S₁, um den genannten Sensorausgangsstrom S(t) zwischen zwei parallelen Signalverarbeitungspfaden zu schalten, wobei jeder Signalpfad eine Kombinationsvorrichtung 201, 202 zum Kombinieren des Sensorausgangsstromes S(t) mit einem betreffenden Gleichstromsignal DC₁, DC₂ enthält, wodurch ein betreffendes kombiniertes Signal C₁(t), C₂(t) erhalten wird, sowie Wandlervorrichtungen 210, 220 zum Umwandeln des betreffenden kombinierten Signals C₁(t), C₂(t) in ein entsprechendes Frequenzsignal F₁(t), F₂(t). Die Integriervorrichtung 200 enthält ferner eine zweite Schaltvorrichtung S_2,3 um die genannten Frequenzsignale F₁(t), F₂(t) zwischen den Eingängen einer Zählvorrichtung 240 zu schalten. Die genannte Zählvorrichtung 240 ist vorgesehen, um die Ausgangssignale F₁(t), F₂(t) aus den beiden getrennten Signalverarbeitungspfaden zu kombinieren, wodurch das genannte integrierte Signal I(t) erhalten wird.
Die Vorrichtung gemäß der speziellen ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit besonderer Bezugnahme auf die 3 und 4 detaillierter beschrieben. Wie oben beschrieben, enthält der Schrittmacher 1 von 1 einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100. Die Integriervorrichtung 200 von 1 enthält gemäß dieser ersten Ausführungsform eine erste Schaltvorrichtung S₁ in Form eines Schalters S₁, um das Ausgangssignal S(t) aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 zwischen zwei parallelen, im Wesentlichen gleichen Signalpfaden zu schalten. Der Schalter S₁ wird durch ein konstantes, periodisches Steuersignal gesteuert, das gewährleistet, dass das Ausgangssignal S(t) aus dem Sensor jeweils die gleiche Zeit an die betreffenden Signalpfade geliefert wird. Die Schaltfrequenz ist typischerweise eingestellt von etwa 100 bis etwa 1000 Hz.
Die Integriervorrichtung 200 enthält auch in den Signalpfaden jeweils eine Kombinationsvorrichtung 201, 202, um den Ausgangsstrom S(t) aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 mit einem Gleichstromsignal zu kombinieren, das aus einer Stromquelle DC₁, DC₂ stammt, wodurch ein kombiniertes Signal C₁(t), C₂(t) verfügbar wird. Die Größe des hinzugefügten Gleichstromsignals DC₁, DC₂ ist größer als der erwartete Maximalwert des Beschleunigungsstromes aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100.
Wenn sich der Schalter S₁ in einer Position befindet, um den Sensorausgangsstrom S(t) zu einem Signalpfad zu schalten, enthält das Ausgangssignal aus der Kombina tionsvorrichtung 201, 202 in dem betreffenden anderen Signalpfad nur das betreffende hinzugefügte Gleichstromsignal.
Ferner enthält jeder Signalpfad der Integrationsvorrichtung einen Wandler 210, 220 in Form einer Verstärkerschaltung, die als Strom-zu-Frequenz-Wandler funktioniert, um das betreffende gelieferte kombinierte Signal C₁(t), C₂(t) in ein entsprechendes Frequenzsignal F₁(t), F₂(t) umzuwandeln. Die genannte jeweilige Verstärkerschaltung enthält einen ersten Operationsverstärker (op amp) 212, 222; einen ersten und einen zweiten Kondensator 214, 216, 224, 226, vier Schalter S₁₁ bis S₁₄, S₂₁ bis S₂₄; und einen Komparator 218, 228. Die Positionen sind in 4 ersichtlich. Das kombinierte Signal C₁(t), C₂(t), das mit oder ohne den Beitrag des Sensorausgangsstromes S(t) vorliegt, wird zum ersten Operationsverstärker 212, 222 geliefert.
Wenn sich die genannten Schalter S₁₁ bis S₁₄, S₂₁ bis S₂₄ in den in 4 gezeigten Stellungen befinden, ist der erste Operationsverstärker 212, 222 durch den ersten Kondensator 214, 224 rückgekoppelt und lädt den genannten Kondensator 214, 224 auf. Der Komparator 218, 228, der als ein zweiter Operationsverstärker dargestellt ist, vergleicht die Ladung des ersten Kondensators 214, 224 mit einer Bezugsspannung V_ref.
Wenn die Ladung des ersten Kondensators 214, 224 die Bezugsspannung überschreitet, liefert der Komparator 218, 228 ein Ausgangssignal, das ein Schalten der Schalter S₁₁ bis S₁₄, S₂₁ bis S₂₄ in ihre zweite Stellung hervorruft, wodurch der erste Kondensator 214, 224 entladen wird und eine Aufladung des zweiten Kondensators 216, 226 beginnt. Wenn das Eingangssignal zum Komparator 218, 228 erneut die Bezugsspannung V_rif überschreitet, schalten die Schalter S₁₁ bis S₁₄, S₂₁ bis S₂₄ wiederum zurück und die Prozedur wird wiederholt. Das Ausgangssignal des Komparators 218, 228 repräsentiert die Frequenz, mit der die ersten und die zweiten Kondensatoren 214, 216, 226 entladen werden. Somit liefert das Ausgangssignal aus dem Komparator 218, 228 ein entsprechendes Frequenzsignal F₁(t), F₂(t).
Die Frequenz, mit der die Kondensatoren entladen werden, hängt offensichtlich vom Strompegel des kombinierten Eingangssignals C₁(t), C₂(t) ab. Der Pegel des kombinierten Signals C₁(t), C₂(t) ist jedoch so ausgewählt, dass die aus dem kombinierten Signal C₁(t), C₂(t) umgewandelte Frequenz des Ausgangsfrequenzsignals F₁(t), F₂(t) stets die Schaltfrequenz zum Schalten des Schalters S₁ überschreitet. Tatsächlich wird das kombinierte Signal die Hälfte der Zeit nur aus dem Gleichstromsignal DC₁, DC₂ erzeugt. Wenn der Signalpfad das kombinierte Signal C₁(t), C₂(t), welches nur den Gleichstromsignalbeitrag enthält, empfängt, bildet das Ausgangssignal aus dem Komparator ein Inaktiv-Frequenzsignal F₀₁, F₀₂. Die Frequenz des genannten Inaktiv-Frequenzsignals F₀₁, F₀₂ ist in der Größenordnung von 10 bis 100 kHz, d. h. überschreitet bei weitem die Schaltfrequenz zum Schalten des Schalters S₁.
Die Integriervorrichtung enthält ferner eine zweite Schaltvorrichtung S_2,3 in Form eines ersten Schalters S₂ und eines zweiten Schalters S₃ zum Schalten des Ausgangsfrequenzsignals F₁(t), F₂(t) aus dem betreffenden Signalpfad zwischen den betreffenden positiven und negativen Eingängen einer Zählvorrichtung 240. Der erste und der zweite Schalter S₂, S₃ arbeiten in einer reversierenden Weise, so dass, wenn der erste Schalter S₂ einen Signalpfad mit dem positiven Eingang der Zählvorrichtung 240 verbindet, der zweite Schalter S₃ den anderen Signalpfad mit dem negativen Eingang der genannten Zählvorrichtung 240 verbindet. Die Schalter S₂, S₃ werden durch das gleiche konstante, periodische Steuersignal gesteuert auf das oben im Hinblick auf die Steuerung des Schalters der ersten Schaltvorrichtung S₁ hingewiesen wurde, wobei die Schaltfrequenz 20 Hz beträgt. Somit werden die betreffenden Signalpfade mit einem Eingang der genannten Zählvorrichtung 240 verbunden, d. h. der positive Eingang, wenn der Pfad gerade den Sensorausgangsstrom S(t) empfängt und demgemäss wird er mit dem anderen Eingang, d. h. dem negativen Eingang verbunden wird, wenn der Pfad nicht das Eingangssignal S(t) aus dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 100 empfängt.
Die Integriervorrichtung 200 enthält ferner eine Zählvorrichtung 240 in Form eines Vorwärts-/Rückwärtszählers zum Zählen der Impulse des Frequenzsignals F₁(t), F₂(t), das durch den oben beschriebenen Komparator erzeugt wird, wodurch das integrierte Signal I(t) erhalten wird. Der Vorwärts-/Rückwärtszähler 240 enthält einen positiven Eingang zum schrittweisen Erhöhen des Zählers 240 und einen negativen Eingang zum schrittweisen Verringern des Zählers 240. Jeder in dem Frequenzsignal F₁(t), F₂(t) enthaltene Ausgangsimpuls, der durch den betreffenden Komparator 218, 228 ausgegeben wird, erzeugt eine schrittweise Erhöhung oder eine schrittweise Erniedrigung des Zählers 240, abhängig von der Stellung der Schalter S₂, S₃.
Der in 1 dargestellte Schrittmacher 1 enthält ferner eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300 zum Bewerten des integrierten Signals I(t) und zum Gewinnen eines Wertes der unmittelbar für die Körperhaltung des Patienten repräsentativ ist. Die digitale Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz von 0,5 Hz wird durch die genannte Haltungsbewertungsvorrichtung 300 oder mittels nicht gezeigter zwischen die Integrationsvorrichtung 200 und die Bewertungsvorrichtung 300 geschaltete Mittel durchgeführt. Die Haltungsbewertungsvorrichtung vergleicht ferner in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen das integrierte, digital tiefpassgefilterte Signal mit vorgegebenen Schwellwerten. Die Bewertungsvorrichtung 300 liefert zur Logikschaltung 400 ein Signal, das kennzeichnend für die folgenden Körperhaltungszustände ist, wenn der Beschleunigungsmesser einem Schwerkraftbeitrag unterworfen wird, der einer Beschleunigung entspricht von:
1 g, Patient in der Bauchlage liegend;
0 g, Patient in aufrechter Position; und
–1 g, Patient in der Rückenlage liegend.
Die Bewertungsvorrichtung 300 kann auch ein Signal liefern, das kennzeichnend für eine unbestimmte Haltung ist, beispielsweise wenn sich die Haltung des Patienten von einer Rückenlage zu einer stehenden Position verändert.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung enthält der Schrittmacher 1 auch eine Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700 zum Liefern eines Signals an die Logikschaltung 400, das für die gegenwärtige Aktivität des Patienten kennzeichnend ist. In Übereinstimmung mit der Haltungsbewertungsvorrichtung wird das integrierte Signal I(t) einer digitalen Bandpassfilterung unterworfen, um den Signalbeitrag zu entfernen, der sich nicht auf die physische Aktivität des Patienten bezieht. Die obere und die untere Grenzfrequenz der genannten Bandpassfilterung ist 1 Hz bzw. 6 Hz. Die digitale Bandpassfilterung per se kann in einer dem Fachmann gut bekannten Weise durchgeführt werden, und wird deshalb nicht detaillierter beschrieben. Das Ausgangssignal aus der Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700 wird dann zur Logikschaltung 400 geliefert.
Der in 1 gezeigte Schrittmacher 1 enthält ferner eine Logikschaltung 400 und einen Impulsgenerator 500 zum Steuern, Regeln und Ausgeben von Stimulationsimpulsen über die Stimulationsleitungen zum Atrium und/oder Ventrikel des Herzens. Die genannte Steuerung wird wenigstens auf der Grundlage der Haltung und Aktivität des Patienten in einer dem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet bekannten Weise durchgeführt. Es ist verständlich, dass Mittel und Schaltungen, die für den üblichen Betrieb eines Schrittmachers gemäß dem Stand der Technik erforderlich sind, in dem erfindungsgemäßen Schrittmacher enthalten sind, obgleich sie hier nicht dargestellt oder beschrieben sind.
Mit besonderer Bezugnahme nun auf 7 ist hier diagrammartig gezeigt, wie ein Beschleunigungsbeitrag, aus Gründen der Erläuterung in idealisierter Form, durch das integrierte Signal repräsentiert wird. Das Impulsdiagramm besteht aus sechs verschiedenen Signalen (A bis F), die durch gestrichelte Linien (1 bis 5) in fünf Zeitperioden unterteilt sind.
A ist der idealisierte Beitrag der Schwerkraftkomponente in Empfindlichkeitsrichtung des Beschleunigungsmessers, mit der der Beschleunigungsmesser beeinflusst wird. In einem wirklichen Fall würde diese überlagert sein von Aktivitäts- und Stör-Beiträgen, die dauernd vorhanden sind.
B ist der Strom, der durch einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser erzeugt wird, welcher der Gravitationskomponente gemäß A unterworfen wird, d. h. der Sensorausgangsstrom S(t). Dieser Strom ist proportional zur Ableitung der Beschleunigung.
C ist das Steuersignal, das die Schalter S₁ bis S₃ steuert, d. h. das Schalten des Sensorausgangsstroms S(t) zwischen den parallelen Signalpfaden und das Schalten zum Vorwärts-/Rückwärtszähler.
D sind die durch den Komparator 218 des oberen Signalpfades gelieferten Ausgangssignalimpulse und E sind die in der beschriebenen Weise durch den Komparator 228 des unteren Signalpfades gelieferten Impulse. Die genannten jeweiligen Impulse steuern die betreffenden Schalter S₁₁ bis S₂₄ und triggern die schrittweise Zunahme und schrittweise Abnahme des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers 240. Der Unterschied in der Impulsbreite ist nur, um die Tatsache zu veranschaulichen, dass ein Unterschied in der Größe der betreffenden Gleichstromsignale DC₁, DC₂ die Funktion der Integriervorrichtung nicht beeinflusst. Die Beiträge der Gleichstromsignale DC₁, DC₂ sind vollständig eliminiert.
F ist das im Zähler 240 registrierte und zur Haltungsbewertungsvorrichtung 300 gelieferte, erhaltene, integrierte Signal I(t).
Während der Zeitintervalle 1–2, 3–4 und 5–6 ist der Sensorausgangsstrom S(t) zum oberen Signalpfad geschaltet, dessen Komparator zum positiven Eingang des Vorwärts-/Rückwärts-Zählers 240 geschaltet ist. Demgemäss erhöht das Signal D und verringert das Signal E schrittweise den Vorwärts-/Rückwärts-Zähler 240 während dieser Zeitintervalle. Folglich ist während der Zeitperioden 2–3 und 4–5 der Sensorausgangsstrom zum unteren Signalpfad L geschaltet und das Signal E schaltet den Zähler hoch und das Signal D schaltet den Zähler herunter.
Wie in 7 ersichtlich, stimmt der Pegel des durch den Zähler 240 gelieferten integrierten Signals I(t) eng mit der Gravitationskomponente überein, der der piezoelektrische Beschleunigungsmesser 100 gerade unterworfen wird. Somit liefert der Ausgang der Integriervorrichtung gemäß der Erfindung einen direkten absoluten Wert, der die laufende Auslenkung des Auslegers des Beschleunigungsmessers und damit die laufende Gravitation (oder Beschleunigung) repräsentiert.
Es wird nun unter besonderer Bezugnahme auf die 5 und 6 eine Vorrichtung gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gemäß dieser alternativen zweiten Ausführungsform enthält die in 1 gezeigte Integriervorrichtung 200 nur einen Signalpfad, wodurch die Notwendigkeit für die erste und die zweite Schaltvorrichtung zum Schalten des Sensorausgangsstromes S(t) zwischen getrennten Signalpfaden entfällt. Wie oben bemerkt, enthält die Integriervorrichtung eine Kombiniervorrichtung 203, eine Wandlervorrichtung 230 und eine Zählvorrichtung 242. Die Wandlervorrichtung 230 ist als Verstärkerschaltung ausgestaltet, wobei die genannte Verstärkerschaltung einen ersten Operationsverstärker 232 umfasst; einen ersten und einen zweiten Kondensator 234, 236, vier Schalter S₃₁ bis S₃₄ und einen Komparator 238. Die Funktionen der Kombiniervorrichtung 203, der Wandlervorrichtung 230 und der in der Wandlervorrichtung 230 enthaltenen Komponenten sind ähnlich den Funktionen der entsprechenden Vorrichtungen und Komponenten, wie sie oben insbesondere anhand der 3 und 4 beschrieben worden sind, und werden deshalb nicht im Einzelnen erläutert.
Die Zählvorrichtung 242 gemäß dieser zweiten Ausführungsform enthält ferner einen Zähler zum Zählen der durch den Komparator 238 erzeugten Impulse des Frequenzsignals F(t). Wie oben beschrieben, wird das Gleichstromsignal dem Sensorausgangs strom S(t) überlagert. Der Beitrag aus dem Gleichstromsignal wird entfernt, indem in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 1 bis 10 ms ein Zählwert entsprechend dem Beitrag aus dem Gleichstromsignal abgezogen wird. Das von dem Zähler ausgegebene integrierte Signal I(t) wird nach jedem Abzug aktualisiert und das integrierte Signal I(t) ist für die Beschleunigung oder Schwerkraft repräsentativ.
Der abzuziehende Zählwert, ein Subtraktionswert, wird erhalten, indem in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise einer Stunde, für eine vorgegebene Zeitperiode, beispielsweise 1 Sekunde, der piezoelektrische Beschleunigungsmesser 100 durch Öffnen eines (nicht dargestellten), zwischen dem Beschleunigungsmesser 100 und der Kombiniervorrichtung 203 positionierten Schalters von der Kombiniervorrichtung 203 abgetrennt wird. Wenn die Zeitperiode verstreicht, wird die während dieser Zeitperiode registrierte Anzahl von Impulsen als der neue Subtraktionswert gespeichert, der Schalter wird geschlossen und der Betrieb der Integriervorrichtung 200 geht wie oben beschrieben mit dem aktualisierten Subtraktionswert weiter.
Der Schrittmacher 1 gemäß dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält auch eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300, eine Logikschaltung 400, einen Impulsgenerator 500 und eine Aktivitätsbewertungsvorrichtung 700, in der gleichen Weise und mit den gleichen Funktionen, wie sie oben anhand der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden sind.
In einer dritten Ausführungsform kann die Haltung mit einem intrakardialen Drucksensor bewertet werden. Der auf den Sensor einwirkende hydrostatische Druck nimmt zu, wenn sich der Patient aus einer Bauchlage oder Rückenlage in eine aufrechte Position erhebt, da der vertikale Abstand vom Sensor aus nach oben innerhalb des Patienten, der den hydrostatischen Druck bestimmt, zunimmt. Die Auswirkungen einer Zunahme im Druck auf den Drucksensor sind im Allgemeinen ähnlich den Auswirkungen einer Beschleunigung oder Schwerkraft auf einen Beschleunigungsmesser des oben beschriebenen Typs. Die oben beschriebene, zur Bewertung des Beschleuni gungsmessersignals benutzte Anordnung kann deshalb auch zur Bewertung des Signals aus dem Drucksensor benutzt werden. Da ein Schrittmachersystem normalerweise irgendeine Art von Aktivitätssensor enthält, kann das Drucksignal auch zusätzlich bewertet werden mittels des aus dem Aktivitätssensor erhaltenen Signals, um besser den aus einer Haltungsänderung resultierenden Druckanstieg gegenüber einer Druckänderung unterscheiden zu können, die aus einer Aktivitätsänderung resultiert.
In 8 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Schrittmachers 1 gemäß der Erfindung dargestellt, enthaltend einen piezoelektrischen Sensor (Drucksensor) 100', eine Integriervorrichtung 200, eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300', eine Logikschaltung 400 und einen Impulsgenerator 500. Die Logikschaltung 400 ist auch mit einem Aktivitätssensor 800 verbunden. Merkmale in dieser Zeichnung, die identisch zu Merkmalen in 1 sind, haben die gleichen Bezugszeichen, wie in 1. Der Schrittmacher 1 ist ferner mit wenigstens einer Schrittmacherleitung 600 verbunden, die mit wenigstens einer Stimulationselektrode versehen ist, wobei diese Elektrode auch zum Abfühlen benutzt wird. Der Schrittmacher 1 enthält ferner eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten des Abfühlsignals bzw. der Abfühlsignale aus der (nicht dargestellten) Elektrode bzw. den Elektroden. Der Schrittmacher 1 kann auch für eine unipolare oder bipolare Stimulation in einer Weise ausgebildet sein, wie sie einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet wohl bekannt ist.
Der in 8 gezeigte Schrittmacher 1 enthält somit auch eine Haltungsbewertungsvorrichtung 300' zum Bewerten des integrierten Signals I(t) und zum Erhalten eines Wertes, der direkt repräsentativ für die physische Haltung des Patienten ist. Das digitale Tiefpassfiltern mit einer Grenzfrequenz von 0,5 Hz wird durch die genannte Haltungsbewertungsvorrichtung 300' durchgeführt oder mittels einer nicht gezeigten, zwischen die Integriervorrichtung 200 und die Bewertungsvorrichtung 300' geschaltete Vorrichtung. Die Haltungsbewertungsvorrichtung vergleicht ferner in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen, das integrierte, digital tiefpassgefilterte Signal mit vorgegebenen Schwellwerten. Die Bewertungsvorrichtung 300' liefert an die Logikschal tung 400 ein Signal, das kennzeichnend für die verschiedenen physischen Haltungszustände ist, beispielsweise zeigt eine Zunahme von etwa 20 mm Hg eine aufrechte Position an. Obwohl es denkbar ist, die physische Aktivität des Patienten mittels der Kurzzeitcharakteristiken des Drucksignals an sich zu bewerten, wird vorgezogen, um den aus einer Haltungsänderung resultierenden Druckanstieg gegenüber einer aus einer Aktivitätsänderung resultierenden Druckänderung besser zu unterscheiden, dass das Drucksignal auch zusätzlich mittels des aus dem getrennten Aktivitätssensor stammenden Signals bewertet wird, wie dem Aktivitätssensor 800. Getrennte Aktivitätssensoren sind Standardmerkmale in Schrittmachern. Es soll bemerkt werden, dass bei der obigen Ausführungsform, die sich auf einen Beschleunigungsmesser bezieht, dieser Beschleunigungsmesser primär ein Aktivitätssensor ist und deshalb kein weiterer Bedarf für einen weiteren Sensor besteht, um zu prüfen, ob ein Signal, das eine Haltungsänderung anzeigt, das Ergebnis einer plötzlichen Aktivität ist oder nicht.
Ähnlich dem auf dem Beschleunigungsmesser basierenden Aktivitätssignal, das in den oben beschriebenen beiden ersten Ausführungsformen zur Bestimmung der Haltung benutzt worden ist, enthält das Drucksignal auch Komponenten, die vergleichsweise schnell mit den Herzschlägen variieren. Diese Komponenten würden der konstant vorhandenen Aktivität und Störsignalbeiträgen, die dem Signal A in 7 überlagert sind, entsprechen, und würden einem Drucksignal überlagert werden, das den hydrostatischen Druck reflektiert, der wiederum dem Signal A in 7 entspricht.
Die Ausgestaltung der Schaltungen ist im übrigen identisch zu den Schaltungen, die oben in Verbindung mit den obigen Ausführungsbeispielen für einen Beschleunigungsmesser benutzt sind.
Der intrakardiale Druck kann jedoch auch eine Komponente enthalten, die langsam über relativ lange Zeitperioden variiert mit der Folge einer sehr langsamen Veränderung pro Zeiteinheit. Diese Langzeitvariationen können auch mittels der obigen dritten Ausführungsform der Erfindung erfasst werden. Dies ist auch in 8 mit dem Be zugszeichen 300'' angegeben, das einen Langzeittrend der Änderungen der Druckanalysevorrichtung kennzeichnet. Diese Vorrichtung ist jedoch im Prinzip identisch zu den Haltungserfassungsvorrichtungen 300 und 300', wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass Tiefpassfilter in der Trendanalysevorrichtung eine Grenzfrequenz aufweist, die wesentlich niedriger als die Grenzfrequenz der Filter in den Bewertungsvorrichtungen 300 und 300' ist und beispielsweise 0,05 Hz betragen kann.

Claims

Vorrichtung zum Verfügbarmachen eines Signals, das den Zustand eines Sensors (100, 100') in einem medizinischen Implantat (1), vorzugsweise in einem Herzstimulator, darstellt, enthaltend: einen Sensor (100, 100'), der positive und negative Ladungen erzeugt, in Abhängigkeit von positiven und negativen Änderungen in der Belastung, beispielsweise bei Beschleunigung und/oder Schwerkräften oder Druck, durch die der Sensor (100, 100') beeinflusst wird; eine Vorrichtung zum Erfassen von Ladungen an dem Sensor (100, 100') zum Bilden eines Sensorausgangssignals, eine Vorrichtung zum Integrieren des Sensorausgangssignals (S(t)), wodurch ein integriertes Signal (I(t)) geliefert wird, welches Signal den Zustand des Sensors (100, 100') darstellt, wobei die genannte Integriervorrichtung enthält: einen Strom-zu-Frequenz-Wandler zum Umwandeln des Sensorausgangssignals (S(t)) in ein Frequenzsignal (F(t)) mit einer Frequenz, die einen Pegel des Sensorausgangssignals (S(t)) darstellt; und eine Zählvorrichtung zum Unterwerfen des vom Wandler gelieferten Frequenzsignals (F(t)) einem Zählvorgang, um das genannte integrierte Signal (I(t)) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Erfassungsvorrichtung eine Vorrichtung enthält, zum Entfernen von im Wesentlichen sämtlichen erzeugten positiven und negativen Ladungen aus dem Sensor (100, 100'), wodurch das angesammelte Ladungspotential des Sensors (100, 100') im Wesentlichen auf einem Null-Pegel gehalten wird, wobei die erfassten positiven und negativen Ladungen einen Strom bilden, der das genannte Sensorausgangssignal (S(t)) darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der genannte Sensor (100, 100') von der piezoelektrischen Art ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Integriervorrichtung ferner enthält: eine Vorrichtung zum Kombinieren des genannten Sensorausgangsstromes (S(t)) mit einem Gleichstromsignal (DC), wodurch ein kombiniertes Signal (C(t)) mit einem versetzten Gleichstrompegel erhalten wird, das genannte Gleichstromsignal (DC) derart ausgebildet ist, dass eine Änderung des Vorzeichens des Sensorausgangsstromes (S(t)) nicht zu einer Änderung des Vorzeichens des kombinierten Signals (C(t)) führt, und wobei die genannte Integriervorrichtung geeignet ist, das kombinierte Signal (C(t)) zu integrieren, um das genannte integrierte Signal zu erhalten; und Mittel zum Entfernen des Integrationsbeitrages des genannten Gleichstromsignals (DC).
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das genannte Mittel zum Entfernen des Integrationsbeitrages des Gleichstromsignals (DC) enthält: eine erste Schaltvorrichtung (S₁) um den genannten Sensorausgangsstrom (S(t)) zwischen zwei parallelen Signalverarbeitungspfaden wiederholt zu schalten; eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wobei die genannte Vorrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals geeignet ist, als das genannte Ausgangssignal ein Informationsausgangssignal auf der Basis des kombinierten Signals zu erzeugen, wenn der Pfad den Sensorausgangsstrom (S(t)) empfängt und als das genannten Ausgangssignal ein Inaktiv-Ausgangssignal auf der Grundlage des Gleichstromsignals zu erzeugen, wenn der Pfad den Sensorausgangsstrom nicht empfängt; und eine Vorrichtung zum Kombinieren der Ausgangssignale aus den zwei Signalverarbeitungspfaden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder Signalverarbeitungspfad der beiden Signalverarbeitungspfade ferner enthält: eine Vorrichtung zum Kombinieren des genannten Sensorausgangsstromes (S(t)), wenn er im Signalverarbeitungspfad empfangen worden ist, mit einem Gleichstromsignal (DC₁, DC₂), wodurch in dem genannten Pfad ein kombiniertes Signal (C₁(t), C₂(t)) mit einem versetzten Gleichstrompegel erhalten wird; und eine Vorrichtung zum Umwandeln des genannten kombinierten Signals (C₁(t), C₂(t)) in ein Frequenzsignal (F₁(t), F₂(t)) mit einer Frequenz, die einem Pegel des genannten kombinierten Signals (C₁(t), C₂(t)) derart entspricht, dass das genannte Ausgangssignal eine Frequenz ungleich null darstellt und wobei die genannte Vorrichtung zum Kombinieren der Ausgangssignale aus den zwei Signalverarbeitungspfaden eine Zählvorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die genannte Integriervorrichtung ferner enthält: eine Vorrichtung zum abwechselnden Aufladen durch das genannte kombinierte Signal (C(t)) und Endladen einer ersten und einer zweiten Kondensatorvorrichtung (234, 236) derart, dass, wenn durch das genannte kombinierte Signal (C(t)) einer aufgeladen wird, der andere entladen wird und derart, dass eine beendete Aufladung der ersten Kondensatorvorrichtung (234) eine Entladung der ersten Kondensatorvorrichtung (234) veranlasst und ein Aufladen der zweiten Kondensatorvorrichtung (236) und umgekehrt und wobei jede Entladung einen entsprechenden Entladungsimpuls erzeugt; und eine Zählvorrichtung (242) zum Zählen der Entladungsimpulse und zum Erzeugen hierdurch eines Zählwertes, der einem integriertem Signal (I(t)) des genannten kombinierten Signals entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Zählvorrichtung (242) ferner eine Vorrichtung zum Entfernen eines Integrationsbeitrages des genannten Gleichstromsignals (DC) enthält durch Abziehen eines Subtraktionswertes, der dem Integrationsbeitrag entspricht, von dem genannten Zählwert wodurch ein verringerter Zählwert erzeugt wird, der das genannte integrierte Signal (I(t)) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend: eine Bewertungsvorrichtung (300, 300', 300'') zum Bewerten des integrierten Signals (I(t)), wodurch eine Information erhalten wird, die sich auf den Zustand des Sensors (100, 100') bezieht, wobei die genannte Bewertungsvorrichtung eine Filtervorrichtung zum Herausfiltern von unerwünschten Informationen aus dem integrierten Signal (I(t)) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die genannte Filtervorrichtung geeignet ist das integrierte Signal (I(t)) einer Tiefpassfilterung zu unterziehen und wobei die Bewertungsvorrichtung (300, 300', 300'') geeignet ist, das genannte tiefpassgefilterte Signal zu bewerten, wodurch ein Wert erhalten wird, der eine Orientierung des medizinischen Implantats (1) oder des Patienten repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die genannte Bewertungsvorrichtung (300, 300', 300'') auch eine Vorrichtung zum Vergleichen des genannten tiefpassgefilterten Signals mit vorbestimmten Schwellwerten enthält, von denen jeder einer speziellen vorbestimmten Orientierung des medizinischen Implantats (1) entspricht, wodurch ein Wert erhalten wird, der die Orientierung des medizinischen Implantats (1) oder des Patienten repräsentiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 enthaltend eine zusätzliche Bewertungsvorrichtung (700), wobei die genannte zusätzliche Bewertungsvorrichtung (700) eine Bandpassfiltervorrichtung zum Bandpassfiltern des integrieren Signals (I(t)) enthält und wobei die genannte zusätzliche Bewertungsvorrichtung (700) geeignet ist, das genannte bandpassgefilterte Signal zu bewerten, wodurch ein Wert erhalten wird, der einen physischen Aktivitätspegel des Trägers des medizinischen Implantats (1) repräsentiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der genannte Sensor (100) gegenüber positiven und negativen Änderungen in der Beschleunigung und/oder bei Schwerkräften in einer Richtung oder nur in Achsrichtung empfindlich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Vorrichtung mit einer Aktivitätsabfühlvorrichtung (800) verbunden ist, um zu bestimmen, ob eine Änderung in der Belastung auf den genannten piezoelektrischen Sensor (100') ein Ergebnis einer physischen Aktivität des Patienten ist oder nicht.