DE2143356A1 - Implantables Reizstromgerät - Google Patents

Description

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PATENTANWALT DIPL.-INQ. QERHARD SCHWAN

8 MÜNCHEN 80 · QOERZER STRASSE 15 30. AlJCJ, *

Medtronic, Inc. 3055 Old Highway Eight, "Minneapolis, Minn. 55418/V.St.A.

Implantables Reizstromgerät

Die Erfindung betrifft ein implantables Reizstromgerät, insbesondere in Form eines Herzschrittmachers, mit einer elektrischen Schaltungsanordnung, die Reizstromimpulse an eine Elektrodenanordnung liefert, die an den zu stimulierenden Körperteil anschließbar ist.

Implantable Herzschrittmacher sind seit geraumer Zeit bekannt. Es.wurden zahlreiche Schaltungen in dem Bestreben entwickelt, eines der mit derartigen implantablen Geräten verbundenen Probleme, nämlich die Entladung der Batterien, auszuräumen. Ist ein implantables elektromedizinisches Gerät für den Patienten wichtig, muß, nachdem die Batterie entladen ist, das ursprüngliche Gerät als Ganzes gegen ein neues Gerät ausgetauscht werden, was für den Patienten mit erheblichen Unannehmlichkeiten und Kosten verbunden ist. Eine Verringerung der Batterieentladung ohne Einschränkung der Betriebssicherheit ist infolgedessen ein in der · einschlägigen Technik seit langem angestrebtes Ziel. Einige Versuche, die Entladung der Batterie zu vermindern, gingen dahin, die Impulsbreite des implantierten Gerätes zu verkleinern. Dieses Merkmal allein hat jedoch zu einer Verringerung der Betriebs-

ORlGINAL INSPECTED

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sicherheit geführt, ohne daß wesentliche Fortschritte hinsichtlich der Batterieentladung erzielt werden Konnten.

Mit dem Gerät nach der Erfindung wird die Aufgabe, die Batterieentladung zu verringern, ohne die Betriebssicherheit zu gefähr-, den, dadurch gelöst, daß eine konstante Ausgangsspannung mit einer variablen Impulsbreite derart kombiniert wird, daß bei der Implantation in den Patienten die Impulsbreite wahlweise so eingestellt werden kann, daß der Mitnahmepun.kt bestimmt und für ei-.nen zusätzlichen Sicherheitsbereich gesorgt werden kann. Es wurde gefunden, daß auf Grund dieser Kombination wesentliche Einsparungen hinsichtlich der Energieentnahme aus der Batterie erreicht werden können.

Ein weiteres Problem bekannter Geräte besteht darin₅ festzustelr len, wann der implantierte Schrittmacher kurz vor dem Ausfall steht, d. h« wann die Batterie so weit entladen ist, daß das Ge-

■ rät in Kürze ausgetauscht werden muß. Dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße Gerät ebenfalls gelöst, da es dem Arzt die Möglichkeit bietet, die Impulsbreite des implantierten Gerätes solange zu verändern, bis keine Mitnahme mehr erfolgt. Da der Arzt die Impulsbreite kennt, bei der ursprunglich für eine Mitnahme gesorgt war, kann er durch Ändern der Impulsbreite bis zum Ausfall der Mitnahme feststellen, ob die Batterie so weit entladen ist, daß ein Austausch des Gerätes erforderlich wird.

Das erfindungsgemäße Gerät weist eine gekapselte Schaltungsan-

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Ordnung auf, die Reizstromimpulse mit konstanter Ausgangsspannung liefert, wobei die Impulsbreite wahlweise geändert werden kann. Die elektrische Schaltungsanordnung ist an Elektroden angeschlossen, die ihrerseits mit dem zu stimulierenden Körperteil verbunden werden können. Die Verstellung des der Impulsbreitenanderung dienenden Gliedes erfolgt vorzugsweise von einer Anordnung aus, die außerhalb der Kapselung liegt und die keinen mechanischen Kontakt mit dem die Impulsbreite verstellenden Glied erfordert. Beispielsweise eignet sich dafür das in dem DT-Gbm 7 Ο26 67Ο beschriebene magnetische Potentiometer.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäß aufgebauten Gerätes.

Das in Figur 1 schematisch dargestellte Gerat wird in einem Material gekapselt, das gegenüber Körperflüssigkeiten und Gewebe im wesentlichen inert ist. Eine derartige Kapselung ist bekannt; sie ist infolgedessen in der Zeichnung der besseren Übersicht halber weggelassen.

Das gezeigte Gerät weist zwei der Stromzufuhr dienende Eingangsklemmen 11,12 auf. Eine Stromversorgung 13 in Form einer oder mehrerer Batterien ist vorgesehen. Dabei ist die positive Seite an die Klemme 11 und die negative Seite an die Klemme 12 angeschlossen. Ein Kondensator 20 liegt parallel zur Stromversor-

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gung 13, um die Speisespannung zu stabilisieren und die Spitzenstromentnahme aus der Stromversorgung 13 zu verringern. Ein Widerstand 23 liegt zwischen der Klemme 12 und einem Verbindungspunkt 25. Zwischen den Verbindungspunkt 25 und einen weiteren Verbindungspunkt 28 ist ein Kondensator 24 geschaltet. Zwei Widerstände 26,27 liegen in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt 28 und der Klemme 11 . Der Emitter eines Transistors 15 ist an die Klemme 12 angeschlossen, während der Kollektor des-Transistors

15 an den Verbindungspunkt 28 angeschlossen ist. Der Kollektor eines Transistors 14 ist mit der Basis des Transistors 15 verbunden, während der Emitter des Transistors 14 an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 26 und 27 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 14 ist an den Verbindungspunkt 25 angeschlossen. Ein Widerstand 33 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 28 und der Basis eines Transistors 16. Der Emitter des Transistors

16 ist an die Klemme 11 angeschlossen, während der Kollektor des Transistors 16 mit einer Ausgangsklemme 41 in Verbindung steht. Ein Widerstand 34 ist zwischen die Ausgangsklemme 41 und die Eingangsklemme 12 geschaltet. Ein weiterer Widerstand 35 liegt zwischen der Ausgangsklemme 41 und der Basis· eines Transistors 17. Der Emitter des Transistors 17 ist an die Klemme 12 angeschlossen, während der Kollektor des Transistors 17 über einen Widerstand 36 mit der Klemme 11 in Verbindung steht. Der Kollektor des Transistors 17 ist ferner über einen Ausgangskondensator 43 an eine zweite Ausgangsklemme 40 angekoppelt. Die Ausgangsklemmen 40, 41 können an zwei Elektroden angeschlossen werden, die ihrerseits mit dem Körperteil verbunden werden können,., dem die Reiz-

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stromimpulse zuzuführen sind. Der Emitter eines Transistors 32 ist mit der Klemme 11 verbunden. Der Kollektor des Transistors 32 ist über die Reihenschaltung einer Diode 31 und eines veränderlichen Widerstandes, vorliegend veranschaulicht als Potentiometer 10, an den Verbindungspunkt 25 angeschlossen.

Bei dem Potentiometer 1O handelt es sich vorzugsweise um ein magnetisches Potentiometer, das von einer magnetischen Stellvorrichtung aus betätigbar ist, die von einer Stelle aus steuerbar ist, die außerhalb des Körpers liegt, in den der implantable Herzschrittmacher mit der veranschaulichten elektrischen Schaltungsanordnung eingebracht ist. Ein derartiges magnetisches Potentiometer ist im einzelnen in dem DT-Gbm 7 026 670 beschrieben und bedarf infolgedessen vorliegend keiner näheren Erläuterung.

Mit Ausnahme der Anordnung zur Änderung der Impulsbreite entspricht die veranschaulichte Schaltungsanordnung im wesentlichen der Schaltungsanordnung nach Figur 7 der US-PS 3 508 167. Wie dort beschrieben ist, liefert diese Schaltungsanordnung Impulse mit im wesentlichen konstanter Impulsbreite und im wesentlichen konstanter Ausgangs'spannung.

Wenn an die Eingangsklemmen 11,12 Spannung von der Batterie 13 aus angelegt wird, beginnt sich der Kondensator 43 über einen Ladekreis aufzuladen, der von der Batterie 13 über den Widerstand 36, den Kondensator 43,-die Ausgangsklemme 4O₁ das Herz, die Ausgangsklemme 41, den Widerstand 34 und die Klemme 12 zur Batterie

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13 zurückführt. Dabei wird der Ausgangskondensator 43 so aufgeladen, daß sein in der Zeichnung linker Belag positive Polarität hat.

Gleichzeitig beginnt sich der Kondensator 24 über einen Stromkreis zu laden, dervon der Batterie 13 über die Klemme 11, die Wider- . stände 27,26, den Verbindungspunkt 28, den Kondensator 2A, den Verbindungspunkt 25, den Widerstand 23 und die Klemme 12 zur Bat- *" terie 13 führt. Dadurch wird die in der Zeichnung obere Elektrode des Kondensators 24 negativ gegenüber der unteren Elektrode. Die sich aufbauende Ladung sorgt für eine Vorspannung in Durchlaßrichtung am Emitter-Basis-Übergang des Transistors 14, so daß dieser aufgesteuert wird. Bei aufgesteuertem Transistor 14 macht sich der über den Kollektor dieses Transistors fließende Strom an der Basis des Transistors 15 bemerkbar. Der Transistor 15 wird plötzlich aufgesteuert, so daß der Verbindungspunkt 28 im wesentlichen das negative Potential der Stromversorgung 13 annimmt.

Das negative Potential am Verbindungspunkt 28 steuert über den Widerstand 33 den Transistor 16 auf, so daß dessen Kollektor im wesentlichen die positive Spannung der Stromversorgung 13 annimmt. Diese positive Spannung am Kollektor des Transistors 16 liegt über den Widerstand 35 an der Basis des Transistors 17 an. Der Transistor 17 wird aufgesteuert. Der Kollektor dieses Transistors nimmt im wesentlichen die negative Spannung der Stromversorgung 13 an. Infolgedessen wird die Ausgangsklemme 41 auf praktisch den positiven Spannungswert der Stromquelle 13 gelegt, während an dem

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linken Belag des Kondensators 43 über den Transistor 17 im wesentlichen der negative Spannungswert der Stromversorgung 13 anliegt. Die Stromversorgung 13 wird damit praktisch in Reihe mit der im Kondensator 13 gespeicherten Spannung gelegt, so daß es an den Ausgangsklemmen 40,41 zu einem Spannungsverdopplungseffekt kommt. Der Kondensator 43 entlädt sich dann über einen Stromkreis, der von dem linken Be'ag oeh Kondensators 43 über den Transistor 17, die Klemme 12, die Batterie 13, die Klemme 11, den Transistor 16, die Ausgangsklemme 41, das Herz und die Ausgangsklemme 40 zum linken Belag des Kondensators 43 führt.

Wenn die negative Spannung am Verbindungspunkt 28 erscheint und den abgehenden Reizstromimpuls beginnen läßt, wird diese Spannung gleichzeitig über den Widerstand 3O an die Basis des Transistors 32 angelegt. Der Transistor 32 wird aufgesteuert. Dadurch wird ein Entladestromkreis für den Kondensator 24 geschlossen. Dieser Stromkreis führt von dem unteren Belag des Kondensators 24 über den Verbindungspunkt 28, den Transistor 15, die Klemme 12, die Batterie 13, die Klemme 11, den Transistor 32, die Diode 31, das Potentiometer 1O und den Verbindungspunkt 25 zum oberen Belag des Kondensators 24. Dieser Strom fließt weiter, bis der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 14 nicht mehr in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Infolgedessen wird der Transistor 14 gesperrt. Der Transistor 14 sperrt seinerseits den Transistor 15. Der darauf zurückzuführende Potentialanstieg am Verbindungspunkt 28 hat zur Folge, daß alle übrigen Transistoren ebenfalls gesperrt werden. Der Ausgangsimpuls wird damit beendet.

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Aus Vorstehendem folgt, daß die Breite des Ausgangsimpulses durch die Zeitdauer bestimmt wird, die für die Entladung des Kondensators 24 erforderlich ist. Dadurch, daß das Potentiometer 10 mit dem Kondensator 24 in Reihe geschaltet ist, kann die RC-Zeitkon- stante eingestellt werden, um auf diese Weise die Impulsbreite zu ändern. Es erwies sich als besonders zweckmäßig, für eine Impulsbreitenänderung von ur.9e.fahr 0,3 bis 3 ms zu sorgen.

Untersuchungen und mit dem erfindungsgemäßen Gerät durchgeführte Testreihen haben gezeigt, daß die vom Herzen verbrauchte Energie nicht linear mit einer Erhöhung der Energie ansteigt, die von dem implantierten Herzschrittmacher zugeführt wird. Dies ist offenbar in erster Linie auf den komplexen Widerstand, den das Herz als Last für den Schrittmacher darstellt, und auf Polarisationseffekte zurückzuführen, die an der Elektrode und den Grenzflächen zwischen Elektrode und Herz auftreten. Bei Versuchen, bei denen Konstant spannungs-Ausgangsimpulse und Konstantstrom-Ausgangsimpulse verwendet wurden, wurde gefunden, daß die vom Herzen ausgenutzte Energie innerhalb eines großen Bereiches der von der implantierten Schaltungsanordnung angelieferten Energie im wesentlichen die gleiche ist. Dadurch, daß die Spannung des Ausgangsimpulses konstant und die Impulsbreite geändert wird (oder der Strom des Ausgangsimpulses konstant und die Impulsbreite geändert wird), kann infolgedessen die Ausgangsenergie so verändert werden, daß für eine minimale Batterieentladung gesorgt ist und doch eine Mitnahme mit einem ausreichenden Sicherheitsfaktor gewährleistet ist. Im einzelnen ergibt sich dies auch aus den vier folgenden Tabellen,

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j%^;" " '■ "⁹-' . 2K3356

die Versuchsergebnisse für Schrittmacher darstelle^ die Hunden implantiert wurden. In den Tabellen ist PW die' Impulsbreitein Millisekunden, V_pM die konstante Impulsspannung in Volt, i_pM dar konstante Impulsstrom in Milliampere, E^ die vom Herzmuskel verbrauchte Energie in Mikrojoule, E. die durch Polarisation an der

' Grenzfläche von Gewebe und Elektrode verlorengegangene Energie in Mikrojoule und E^. die vom Schrittmacher abgegebene Gesamibenergie in Mikrojoule.

Tabelle I

Zweiphasige Impulse konstanter Spannung Unipolare Myokardialelektroden

PW 0,25 0,50 0,80 1,00 1,23 1,50 2,00 3,00

Vp_M 2,37 1,51 1,17 1 ,05 0,95 0,91 0,84 0,75

E_h 3,10 2,28 1,98 1,88 1,80 1,85 1,91 1 |99

E„ O,2O 0,22 Oj 32 0,37 0,42 0,50 0,60 O_#75

Ep_M 3,30 2,5O 2,30 2,25 2,22 2,35 2,51 2,74

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Zweiphasige Impulse konstanter 'Spdnridnä,'⁵ i Myökardiaieiektroden

PW O,25 0,50 0,80 1 ,OCT ^{ 1,25 · 1 ,50 2,Ö0 3*00

V_pM 2,92 1,85 1,47 1,34 1,23 1,17 1,14 1,04

e_h 3,76 2,53 2,25 2,05 2,01' 2,OI 2,26 " 2,32

E 0,32 0,35 0,53 0,64 0,70 0,77 1 ,02 1,19^:

E_pM 4,08" 2,88 2,78 2,69 2,71 2,78 3,28 3,51

Tabelle III

Zweiphäsige Impulse mit konstantem Strom -

Unipolare Myokardialelektroden '

PW 0,25 0,50 1,80 1,OO 1,25 1 , 5Ο 2,00 3,OO

I_pM 5,02 3,04 2,20 1,89 1,66 1,59 1,33 1 iO6

E_h 2,36 1,78 1,52 1,40 1,35 1,28 1,25 1,15

E 0,24 0,30 0,37 O_r39 0,45 0,48 0,60 Ο>76

E_RM 2,60 2,08 1,89 1,79. 1,80 1 ,76 ■ 1,85- 1 ,91

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Tabelle IV

Zweiphasige Impulse mit konstantem Strom Bipolare Myokardialelektroden

PW O_f25 0,50 0,80 1,00 1,25 1 , 5O 2,00 3,00

I_pM 4,87 2,85 2,05 1,78 1.55 1,36 1,15 0,96

E_h 2,75 1 ,95 1,58 1,48 1 ,37 1 ,30 1 ,27 1 ,21

E^ O,33 0,43 0,54 O,6O O,69 O.72 0,84 1,20

E_pM 3,08 2,38 2,12 2,08 2,06 2,O2 2,11 2,41

Bei der praktischen Anwendung des Gerätes nach der Erfindung kann der Arzt den Herzschrittmacher implantieren und die Elektroden mit dem Herzen verbinden. Sodann kann das Potentiometer 10 verstellt werden, um die Impulsbreite der Impulse wahlweise zu verändern , die über die Klemmen 4O,41 den an das Herz angeschlossenen Elektroden zugeführt werden. Mit Hilfe bekannter Überwachungsgeräte kann der Arzt feststellen, wann die Impulsbreite ausreicht, um für eine Mitnahme, d. h. ein Stimulieren des Herzens durch die Impulse, zu sorgen. Er kann dann einen gewünschten Sicherheitsfaktor einstellen (beispielsweise einen Impulsbreitenfaktor von 3).

Zu einem späteren Zeitpunkt kann der Arzt feststellen, ob die Batterie des Schrittmachers so weit entladen ist, daß das Ge-

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"¹²~ * 2H3356

rät bald ersetzt werden muß. Da der Arzt die Impulsbreite kennt, bei der ursprünglich eine Mitnahme erfolgte, kann durch Ändern der Impulsbreite bis zu einem Wert, bei dem die Mitnahme nicht mehr erfolgt, ermittelt werden, ob die Batterie so weit entladen ist, daß ein Austausch des Gerätes notwendig wird.

Statt eines Konatantspannungsgerätes kann im Rahmen der· Erfindung auch ein Konstantstromgerät vorgesehen werden.

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Claims (9)

1. 2U3356

   Ansprüche

   ( 1 . ilmplantables Reizstromgerät, insbesondere Herzschrittmacher, mit einer elektrischen Schaltungsanordnung, die Reizstromimpulse an eine Elektrodenanordnung liefert, die an den zu stimulierenden Körperteil anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen konstant gehaltener Spannung der Reizstromimpulse die Impulsbreite wahlwßise einstellbar ist.
2. 2. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung in einer gegenüber Körperflüssigkeiten und Gewebe im wesentlichen inerten Kapselung untergebracht ist.
3. 3. Reizstromgerät nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Impulsbreite verstellende Glied (10) mit Hilfe eines außerhalb der Kapselung angeordneten Stellgliedes verstellbar ist.
4. 4. Reizstromgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Impulsbreite verstellende Glied (10) und das externe Stellglied magnetisch koppelbar sind.
5. 5. Reizstromgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung

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   einen Impulsgenerator mit einer Taktsteuerung zur Vorgabe von Breite und Folgefrequenz der Reizstromimpulse aufweist und das die Impulsbreite verstellende Glied (1O) Teil der" Taktsteuerung ist.
6. 6. Reizstromgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktsteuerung mindestens ein RC-Glied (10,23,24,26,27) aufweist.
7. 7. Reizstromgerät nach Anspruch 6,· dadurch gekennzeichnet, daß das die Impulsbreite verstellende Glied einen veränderbaren Widerstand ('1O) aufweist.
8. 8. Reizstromgerät nach Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand ein Potentiometer (1O) ist, das mittels des Stellgliedes von außerhalb des mit dem implantierten Reizstromgerät versehenen Körpers, aus magnetisch

   ψ verstellbar ist.
9. 9. Reizstromgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompegel der Reizstromimpulse im wesentlichen konstant gehalten ist.

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