DE2342030A1

DE2342030A1 - Elektrischer herzschrittmacher

Info

Publication number: DE2342030A1
Application number: DE19732342030
Authority: DE
Inventors: Hermann Dietrich Dr Funke
Original assignee: BIOMEDIX DR ING OSRPKA KG; Siemens AG
Current assignee: BIOMEDIX DR ING OSRPKA KG; Siemens AG
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1973-08-20
Publication date: 1975-03-27
Also published as: SE7410534L; FR2241287A1

Description

Elektrischer Herzschrittmacher

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Herzschrittmacher, insbesondere implantierbaren Herzschrittmacher, bei dem die Stimulationsimpulse dem zu reizenden Herzen mit einer Elektrode zugeführt werden und mit derselben oder einer zweiten Elektrode die elektrische Stimulationsantwort des Herzens abgenommen werden kann, mit einem Ausgangskondensator in der Schrittmacherausgangsschaltung, der zur Abgabe eines Stimulationsimpulses rasch entladen wird.

Aus dem Buch "The Artificial Cardiac Pacemaker" von H.J.Th.Thalen et al., 1969, Royal VanG-orcum, Publishers, Assen, the Netherlands Charles C Thomas, Publishers, ist ein derartiger Schrittmacher bekannt, bei dem das zu stimulierende Herz in Serie mit ' der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors sowie des Ausgangskondensators liegt. Der Transistor wird an seiner Basis im Rhythmus der abzugebenden Stimulationsimpulse derart gesteu-

509813/0411 - 2 -

ert, daß die Kollektor-Emitter-Strecke für die Dauer des Stimulationsimpulses stromdurchlässig ist. Während der Zeit zwischen zwei Stimulationsimpulsen, also während die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors nicht leitend ist, wird der Kondensator über einen Widerstand langsam wieder aufgeladen. Der Ladestrom fließt dementsprechend auch über die Stimulationselektrode, die am Herzen appliziert ist, wobei der Ladestrom die umgekehrte Polarität hat, wie der während eines Stimulationsimpulses fließende Strom. Dieser Wiederaufladungsstrom trägt zur Depolarisation bei (vgl. Pig. VIII-9 auf Seite 239 und Text auf Seite 242, Zeilen 8 und 9 des zitierten Buches).

Bei dem bekannten Schrittmacher erfolgt die Aufladung des Ausgangskondensators wegen der Höhe des Vorschaltwiderstandes und des elektrischen Widerstandes des Herzens relativ langsam. Diese Tatsache bewirkt, daß die Depolarisierungserscheinungen noch andauern, wenn die Stimulationsantwort des Herzens bereits (z.B. in Form des Kammerkomplexes, QRS-Welle) vorliegt. Infolgedessen ist es bei Verwendung der bekannten Ausgangsschaltung nicht möglich, festzustellen, ob einem Stimulationsimpuls eine Kammeraktion des Herzens gefolgt ist oder nicht. Dies bedeutet, daß nicht erkennbar ist, ob ein Stimulationsimpuls eine Herzkammeraktion hervorgerufen hat, ob also beispielsweise die Amplitude des Stimulationsimpulses größer war als die aktuelle Reizschwelle des Herzens. Dies festzustellen, ist jedoch nicht nur allgemein interessant, sondern vor allem dann wichtig, wenn Herzschrittmacher benutzt werden, mit denen die Reizschwelle des Herzens durch kontinuierliche Absenkung der Impulshöhe der Stimulations impulse bestimmbar ist oder die u.a. zur Stromersparnis und damit zur Verlängerung der lebensdauer der Batterien während des Betriebes automatisch die Impulshöhe der Stimulationsimpulse immer so lange absenken, bis ein Impuls unter der Reizschwelle des Herzens liegt (wonach eine sprunghafte Erhöhung der Amplitude der Impulse erfolgt).

5098T3/0A11 _ * _

Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Herzschrittmacher anzugeben, der es erlaubt, die Stimulationsantwort des Herzens mittels der Stimulationselektrode oder einer zweiten Elektrode (die vorzugsweise als konzentrischer Ring um die Stimulationselektrode ausgebildet ist) aufzunehmen und die spezielle Aufgabe besteht darin, dafür zu sorgen, daß die durch den Stimulationsimpuls verursachten Polarisationsphänomene so rasch verschwinden, daß die Abnahme des dem Stimulationsimpuls folgenden elektrischen Kammerkomplexes des Herzens erfaßbar wird.

Gemäß der Erfindung ist dies durch eine Schaltungsanordnung erreicht, die unmittelbar nach einem Stimulationsimpuls einen zweiten Impuls entgegengesetzter Polarität an die Stimulationselektrode abgibt, wobei die Dauer des zweiten Impulses maximal 3Qmsec beträgt, und der Energieinhalt des zweiten Impulses derart gewählt ist, daß die durch die Abgabe des Stimulationsimpulses eingetretenen Polarisierungserscheinungen an der am Herzen applizierten Stimulationselektrode rückgängig gemacht werden.

Eine Schaltung mit diesen Eigenschaften läßt sich auf verschiedene Weisen realisieren. Am einfachsten ist es, die bei der bekannten Schaltung langsam erfolgende Ladung des Ausgangskondensators zu beschleunigen, wobei vorzugsweise ein Schalttransistor zur Steuerung der Aufladung benutzt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in den LadeStromkreis des Ausgangskondensators eine Induktivität einzuschalten. Während der Abgabe eines Stimulationsimpulses wird dann in dieser Induktivität ein Feld aufgebaut, das am Ende der Dauer des Stimulationsimpulses zusammenbricht und infolgedessen einen Stromimpuls hoher Amplitude und kurzer Dauer unmittelbar nach dem Stimulationsimpuls erzeugt. Die Schaltung ist dabei zweckmäßigerweise derart aufgebaut, daß die Induktivität einerseits am positiven Pol der Versorgungsspannung liegt und andererseits sich an sie die Parallelschaltung des Ausgangskondensators und der Emitter-Kollektor-Strecke des Steuertransistors für die Entladung des Kondensators anschließt. 509813/0411

■ ..... . . oq /. on°.n

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen getrennten Kondensator zu verwenden, der unmittelbar nach Ablauf der Dauer des Stimulationsimpulses seine Ladung mit umgekehrter Polarität an die Elektrode abgibt.

Bei Verwendung einer bipolaren Stimulationselektrode, die aus einer zentralen Elektrode und einer diese ringförmig umgebenden Ringelektrode besteht, wird vorzugsweise die zentrale Elektrode zur Stimulation und die Ringelektrode zur Detektion des QRS-Komplexes benutzt.

Nachfolgend wird anhand einer Pigur eine bekannte Ausgangsschaltung eines Herzschrittmachers erläutert und anhand der Figuren 2 bis 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben. Es zeigen

Pig. 2 eine Ausgangsschaltung für Schrittmacher mit einem Steuertransistor zur beschleunigten Aufladung des Ausgangskondensators und

Fig. 3 die mit dieser Schaltung erzielbare Pulsform.

Pig. 4 zeigt.eine Variation der Schaltungsanordnung nach Pig. 2.

Pig. 5 eine Schaltung mit einer Induktivität im Ladekreis des Ausgangskondensators und

Pig. 6 die mit dieser Ausgangsschaltung erzeugbare Impulsform.

Pig. 7 ein Prinzipschaltbild für die Ansteuerung des Schalttransistors.

509813/0411

In der Fig. 1 erkennt man die eingangs genannte bekannte Schal-' tung wieder. Zur Erläuterung der Erfindung sind lediglich der Transistor 1, der Widerstand 2, der Kondensator 3 und die Anschlußklemmen 4 und 5, zwischen denen der Patientenwiderstand angeordnet wird, interessant. Bei dieser Schaltung wird der Kondensator 3 über den Widerstand 2 und den Patientenwiderstand 6 auf die volle Batteriespannung geladen, solange der Transistor gesperrt ist. Sobald durch einen Steuerimpuls an der Basis des Transistors 1 dessen Emitter-Kollektor-Strecke leitend wird, entlädt sich der Kondensator 3 über diese Emitter-Kollektor-Strecke unter Abgabe eines Impulses an·den Patientenwiderstand Danach erfolgt wieder die langsame Auf ladung^ des Kondensators 3, nachdem der Steuerimpuls an der Basis des Transistors 1 verschwunden ist.

In Fig. 2 entsprechen der Transistor 7» der Widerstand 8, der Ausgangskondensator 9i die Anschlußklemmen 10 und 11 sowie der Patientenwiderstand 12 den in Fig. 1 dargestellten Schaltungskomponenten. Die Schaltung ist, abgesehen von. einer Verkleinerung des Wertes des Widerstands 8, lediglich ergänzt durch den_e Transistor 13, welcher der beschleunigten Wiederaufladung des Ausgangskondensators 9 dient. Die Zeitkonstante für die Aufladung ergibt sich aus dem Produkt des Kondensatorwerts und der Summe der Widerstände 8 und 12. Der Widerstand 8 kann dabei so gewählt werden, daß ein Aufladeimpuls entsteht, der die aus der Fig. 3 ersichtliche Form aufweist. In der Fig. 3 ist der Stimulationsimpuls mit 14 und der zweite Impuls (Gegenimptils) mit 15 bezeichnet. Die Dauer der Impulse, mit denen die jeweilige Basis der Transistoren 7 und 13 angesteuert wird, beträgt dabei etwa 1 msec.

Die obengenannte Zeitkonstante soll kleiner sein als 10 msec. In Fig. 4 ist eine Ausgangsschaltung dargestellt, bei der zwei Kondensatoren 16 und 17 von den Transistoren- 18 und 19 gesteuert werden. Die Aufladung des Kondensators 16 erfolgt über

509813/0411

den Widerstand 20 und der Widerstand 21 dient als Aufladungswiderstand für den Kondensator 17. Die Ausgangsklemmen sind mit 22 und 23 und der Patientenwiderstand mit 24 bezeichnet.

In Fig. 5 ist der Steuertransistor mit 25, der Ausgangskondensator mit 26, die Anschlußklemmen mit 27 und 28 und der Patientenwiderstand mit 29 bezeichnet. Eine Induktionsspule trägt das Bezugszeichen 30. Der Ausgangskondensator hat eine Kapazität von z.B. 3,3/uF und die Spule eine Induktivität von 400 mH. Die Spule liegt einerseits an der positiven Versorgungsspannung 31 und andererseits am Schaltpunkt 32. An diesem Schaltpunkt ist sowohl der Kollektor des Transistors 25 als auch die eine Seite des Kondensators 26 angeschlossen. Während der Durchlaßzeit des Ausgangstransistors 25 wird in der Induktivität 30 ein PeId aufgebaut, das nach Ende des Stimulationsimpulses zusammenbricht und einen Nachstrom fließen läßt, der bei einer raschen Änderung der Spannung in der Zeit eine so hohe Spannung entwickelt, daß der Patientenwiderstand bei der Wiederaufladung des Kondensators 26 keine wesentliche Rolle mehr spielt. Tatsächlich wird durch den in Pig. 6 ersichtlichen Rückladeimpuls, der dem Stimulationsimpuls 32 unmittelbar folgt, eine sofortige Depolarisation an der Stimulationselektrode erreicht, so daß die; Abnahme der elektrischen Herzaktion (QRS-Komplex), die dem Stimulationsimpuls folgt, möglich wird. In Fig. 6 beträgt die Dauer des Stimulationsimpulses etwa 1 msec, während der Wiederaufladeimpuls nur etwa 0,5 msec lang andauert. Die Größe der Induktivität wird zweckmäßig zwischen 200 mH und 700 mH gewählt.

Abschließend wird noch auf folgende Einzelheiten hingewiesen. Der Schalttransistor (gemäß Anspruch 3) wird so gesteuert, daß an seiner Basis außerhalb der Stimulationsimpulszeit die Impulssollspannung (zuzüglich Basis-Emitter-Durchlaßspannung) liegt, wodurch nach einem Stimulationsimpuls sehr schnell der Ausgangskondensator wieder rückgeladen wird (vgl. Pig. 7).

S0981 3/0411 - 7 -

Gemäß Fig. 4 "und Anspruch 9 sind zwei Ausgangskondensatoren vorgesehen, die in der Weise gesteuert sind, daß nach Abgabe des ersten Impulses der entsprechende Transistor wieder geschlossen wird. Daraufhin wird der andere Transistor geöffnet und nach 1 msec ebenfalls wieder geschlossen.

Durch die in der Beschreibung angegebenen Maßnahmen zur Beschleunigung der Rückladung wird in den Fällen der Fig. 2, 5 und 7 keine zusätzliche Energie benötigt, so daß diese Schaltungen immer dort mit Erfolg und Vorteil eingesetzt werden können, wo es auf Stromersparnis bzw. auf Verlängerung der Lebensdauer der Batterien wesentlich ankommt. Bei einem Vergleich zwischen den verschiedenen Möglichkeiten der beschleunigten Rückladung hat sich bis jetzt die Schaltung besonders bewährt, die sich zu diesem Zweck einer Induktivität bedient (vgl. Fig. 5). Die Größe dieser Induktivität bewegt sich bei den realisierten Schaltungen zwischen 200 mH und 700 mH.

Die Induktivität und die Größe des Ausgangskondensators sind derart aufeinander abgestimmt, daß sie zusammen mit dem Patientenwiderstand eine gedämpfte Schwingung für den Stimulationsimpuls ergeben, die vor Ablauf von ca. 40 msec beendet ist. Es besteht folgender mathematischer Zusammenhang:

L ^a C ss ———

1 - e"

HG

wobei L = Induktivität der Spule in Henry C = Kapazität dee Ausgangskondensators in Farad T= Pulsdauer in Sekunden

e = Basis der natürlichen Logarithmen R = äquivalenter Widerstand des Patienten in Ohm.

509813/0411

Besonders hervorzuheben ist, daß durch die Erfindung in ihren einzelnen Ausfiihrungsformen erreicht ist, daß die Stimulation und die Abnahme der Herzantwort innerhalb von ca. 100 msec an ein und derselben Elektrode möglich ist. Auf diese Weise ist auch die Verwendung einer monopolaren Elektrode möglich, die einerseits eine längere Lebensdauer hat, weniger umständlich zu applizieren ist und eine größere Sicherheit bietet.

— 9 —

509813/04 1 1

Claims

Patentansprüche

Al J Elektrischer Herzschrittmacher, insbesondere implantierbarer Herzechrittmacher, bei dem die Stimulationsimpulse dem zu reizenden Herzen mit einer Elektrode zugeführt werden und mit derselben oder einer zweiten Elektrode die elektrische Stimulationsantwort des Herzens abgenommen werden kann, mit einem Ausgangskondensator in der Schrittmacherausgangsschaltung, der zur Abgabe eines Stimulationsimpulses rasch entladen wird, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung, die unmittelbar nach einem Stimulationsimpuls einen zweiten Impuls entgegengesetzter Polarität an die Stimulationselektrode abgibt, wobei die Dauer des zweiten Impulses maximal 30 msec beträgt, und der Energieinhalt des zweiten Impulses derart gewählt ist, daß die durch die Abgabe des Stimulationsimpulses eingetretenen Polarisierungserscheinungen an der am Herzen applizieafcen Stimulationselektrode rückgängig gemacht werden.

2. Schrittmacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verkürzung der Ladezeit des Ausgangskondensators.

3. Schrittmacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeit dadurch verkürzt wird, daß zur Steuerung der Aufladung ein Schalttransistor verwendet ist.

4. Schrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor im Ladestromkreis des Ausgangskondensators angeordnet ist.

-5· Schrittmacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ladestromkreis des Ausgangskondensators eine Induktivität eingeschaltet ist. ■

-10-509813/0411

- ίο -

6. Schrittmacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität einen Wert in der Größenordnung zwischen 200 mH und 700 mH, vorzugsweise von 400 mH besitzt.

7. Schrittmacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Induktivität auf den Wert des Ausgangskondensators in der Weise abgestimmt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

C =

T ²
P

- e

RC

wobei L = Induktivität der Spule in Henry 0 = Kapazität des Ausgangskondensators in Farad T=. Pulsdauer in Sekunden

e = Basis der natürlichen Logarithmen R = äquivalenter Widerstand des Patienten in 0hm.

8. Schrittmacher nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität derart in der Ausgangsschaltung angeordnet ist, 'daß sie einerseits an einem Pol der Vereorgungsspannung, vorzugsweise am positiven Pol, liegt und andererseits an der Parallelschaltung des Ausgangskondensators und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Steuertransistors für die Entladung des Ausgangskondensators.

9· Schrittmacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausgangskondensatoren vorgesehen sind, die auf etwa die gleiche ladungsmenge aufgeladen werden und die unmittelbar aufeinanderfolgend derart entladen werden, daß dem Stimulationsimpuls aus dem ersten Kondensator ein Impuls entgegengesetzter Polarität unmittelbar folgt.

- 11 5098-13/0411

10. Schrittmacher nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stimulation und zur Abnahme der elektrischen Herzantwprt ein und dieselbe Elektrode benutzt ist.

11. Schrittmacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer bipolaren Stimulationselektrode, die aus einer zentralen Elektrode und einer diese ringförmig umgebenden Ringelektrode besteht, vorzugsweise die zentrale Elektrode zur Stimulation und die Ringelektrode zur Detektion des QRS-Komplexes benutzt wird.

509813/0A 1 1