DE3447892A1

DE3447892A1 - Method and arrangement for detecting the effect of a stimulation of a biological tissue, particularly a heart muscle

Info

Publication number: DE3447892A1
Application number: DE19843447892
Authority: DE
Inventors: Herwig Dr.-Ing. Freiherr Von Nettelhorst; Andreas Dipl.-Ing. 1000 Berlin Neumann
Original assignee: Nettelhorst frhr Von herwig dipl-Ing; NETTELHORST FRHR VON HERWIG DI; Nettelhorst Frhr Von Herwig Dipl Ing 1000 Berlin
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE3447892C2

Abstract

The invention can be used, in particular, in the case of pacemakers. To be able to reliably detect the effect of the stimulation, a state of equilibrium, which provides for opportunities for intervention or switching is established between the stimulation circuit and the biological tissue circuit 1. This is done in such a manner that a control loop is switched on after the stimulation. This control loop exhibits an integrator 5 as control device and a controllable current source 3 as control system. The biological tissue circuit 1 is used for influencing the control loop. <IMAGE>

Description

Verfahren und Anordnung zur Erkennung der Wirkung einer Stimulation eines biologischen Gewebes, insbesondere eines-Herzmuskels Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Method and arrangement for recognizing the effect of a stimulation a biological tissue, in particular a myocardium. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an arrangement for Implementation of the procedure.

Die Stimulation biologischer Gewebe mittels elektrischer Impulse ist bekannt. In Muskelgewebe, insbesondere in das Gewebe eines Herzmuskels, werden Elektroden eing setzt. Über diese Elektroden zugeleitete elektrische Impulse können eine Kontraktion des Muskelgewebes, beispielsweise des Herzmuskels, bewirken. The stimulation of biological tissues by means of electrical impulses is known. In muscle tissue, especially in the tissue of a heart muscle Electrodes inserted. Electrical impulses supplied via these electrodes can cause muscle tissue, such as the heart muscle, to contract.

Es ist für viele Anwendungsgebiete, insbesondere auf dem Gebiet der Humanmedizin vom größten Interesse, frühzeitig die Wirkung eines derartigen Stimulationsimpulses zu erkennen. Dies kann zu Meß- oder Steuerzwecken erfolgen oder um andere, beispielsweise therapeutische Maßnahmen, einleiten zu können. It is for many fields of application, especially in the field of Human medicine of the greatest interest, the effect of such a stimulation pulse at an early stage to recognize. This can be done for measurement or control purposes or in order to be able to initiate other measures, for example therapeutic measures.

Die Feststellung der Wirkung einer Stimulation kann zweckmäßigerweise -durch eine elektrische Rückmeldung erfolgen. Das biologische Gewebe kann bei der Wirkung einer Stimulation ein elektrisches Signal erzeugen, der als Erkennungsmerkmal für das Einsetzen der Wirkung verwendet werden kann. In vielen Fällen, wie z. B. beim Herzschrittmacher, tritt das Problem auf, daß in das biologische Gewebe (Herzmuskel) nicht an beliebigen Stellen beliebig viele Elektroden eingesetzt werden können. Es ist oft erforderlich, eine einzige Elektrode zu verwenden. Über diese Elektrode muß der elektrische Stimulationsimpuls zugeführt und das vom biologischen Gewebe erzeugte Signal aufgenommen werden. Hierbei treten erhebliche Schwierigkeiten auf, da das Stimulationssignal von wesentlich höherer Größenordnung ist als das Reaktionssignal des biologischen Gewebes. Beispielsweise kann bei Herzschrittmachern mit einem Stimulationssignal in der Größenordnung von 5 V gearbeitet werden. Das Reaktionssignal des Herzmuskels weist eine Spannung im Bereich von etwa 1 mV auf. Die Elektrode und das diese umgebende biologische Gewebe bilden einen, von zahlreichen nicht überschaubaren Parameter abhängigen, nicht festlegbaren Widerstand. Um nun die Effektivität einer Stimulation erkennen zu können, müssen möglichst schnell die durch die Stimulation aufgebauten Ladungen, insbesondere an der Elektrode, wieder abgebaut werden.The determination of the effect of a stimulation can expediently - by means of an electrical feedback. The biological tissue can with the Effect of a stimulation generate an electrical signal, which is used as a distinguishing feature can be used for the onset of the effect. In many cases, such as B. with the pacemaker, the problem arises that in the biological tissue (heart muscle) an unlimited number of electrodes cannot be used at any point. It is often necessary to use a single electrode. About this electrode the electrical stimulation pulse must be supplied and that from the biological tissue generated signal can be recorded. Considerable difficulties arise here, since the stimulation signal is of a much higher order of magnitude than the response signal of biological tissue. For example, with cardiac pacemakers with a stimulation signal in the order of magnitude of 5 V can be worked. The response signal of the heart muscle has a voltage in the range of about 1 mV. The electrode and that surrounding it Biological tissues form one of a number of unmanageable parameters dependent, non-determinable resistance. Now about the effectiveness of a stimulation To be able to recognize, the built up by the stimulation must as quickly as possible Charges, especially on the electrode, are reduced again.

Man kann die Elektrode mit dem sie umgebenden biologischen Gewebe als biologischen Gewebekreis bezeichnen.One can connect the electrode with the surrounding biological tissue refer to as biological tissue circle.

Man hat bisher versucht, ein Reaktionssignal aus diesem biologischen Gewebekreis in möglichst sauberer Weise dadurch abzuleiten, daß zur Entladung dieser Kreis kurzgeschlossen wurde. Dies hat nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt.Attempts have been made so far to obtain a response signal from this biological Derive tissue circle in the cleanest way possible by discharging it Circuit was short-circuited. This has not led to satisfactory results.

Bei der Erkennung der Wirkung spielt die Zeit eine Rolle, die verstreicht, bis aus dem biologischen Gewebe ein sauberes Nutzsignal abgeleitet werden kann. Das Bestreben geht dahin, diese Zeit möglichst kurz zu gestalten.In recognizing the effect, the time that passes plays a role until a clean useful signal can be derived from the biological tissue. The aim is to make this time as short as possible.

Es wurde auch bereits versucht, mit einem der Stimulationsamplitude entgegengesetzten Impuls nach der Stimulation zu arbeiten. Bei dieser Arbeitsweise wird aber der Zustand des komplexen Widerstandgebildes des biologischen Gewebekreises nicht berücksichtigt und dadurch kann kein eindeutig reproduzierbarer und sauberer Ausgangszustand für die Ableitung eines Reaktionssignales erreicht werden.Attempts have also been made with one of the stimulation amplitudes opposite impulse to work after stimulation. In this way of working but becomes the state of the complex resistance structure of the biological tissue circle not taken into account and therefore no clearly reproducible and cleaner Initial state for the derivation of a reaction signal can be reached.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein sicher und schnell arbeitendes Verfahren zur Erkennung der Wirkung einer Stimulation eines biologischen Gewebes und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.The invention is based on the task of a safe and fast working method for recognizing the effect of a stimulation of a biological To create tissue and an arrangement for performing this method.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die technische Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the technical teaching of Claim 1 solved.

Mit besonderem Vorteil wird nicht von der Technik einer reinen Gegenstimulation Gebrauch gemacht, sondern der biologische Gewebekreis wird verwendet, um auf einen Regelkreis derart einzuwirken, daß ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Stimulationskreis und dem biologischen Gewebekreis erreicht wird, der es ermöglicht, ohne nachteilige Beeinflussungen durch den Stimulationskreis oder durch Polarisationen an der Elektrode aus dem biologischen Gewebe Nutzsignale abzuleiten, deren Amplituden um Potenzen geringer sind als die Erregungsamplitude der Stimulation. Der Regelkreis kann zunächst eine Spannung erzeugen, die der Stimulationsspannung entgegengesetzt ist. Die Regelung ist derart, daß am Ende der Regelung der Strom Null und die Spannung konstant ist. Die zeitlichen Ableitungen dieser Größen sind Null.The technique of pure counter-stimulation is not particularly advantageous Made use of, but the biological tissue circle is used to refer to one Acting control loop in such a way that a state of equilibrium between the stimulation circuit and the biological tissue circle is achieved, which enables it without detrimental Influences from the stimulation circuit or from polarization on the electrode derive useful signals from the biological tissue, their amplitudes by powers are less than the excitation amplitude of the stimulation. The control loop can initially generate a voltage that is opposite to the stimulation voltage. The regulation is such that at the end of the regulation the current is zero and the voltage is constant. The time derivatives of these quantities are zero.

Hierdurch wird in kürzester Zeit ein elektrischen Gleichgewichtszustand hergestellt, der es ermöglicht, in sicherer Weise mit einfachsten Mitteln Wirkungen einer Stimulation festzustellen. Insbesondere kann bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes ein vom biologischen Gewebe abgegebenes Nutzsignal abgeleitet werden. Dazu kann der Stimulationskreis abgeschaltet und eine Eingangsstufe eines Auswertkreises eingeschaltet werden. In dieser Eingangsstufe kann dieses Nutzsignal verstärkt werden.This results in a state of electrical equilibrium in a very short time produced, which enables effects in a safe manner with the simplest of means determine a stimulation. In particular, when the equilibrium is reached a useful signal emitted by the biological tissue can be derived. Can do this the stimulation circuit is switched off and an input stage of an evaluation circuit is switched on will. This useful signal can be amplified in this input stage.

Wenn beispielsweise eine stimulierte Extrasystole eines Herzmuskels festgestellt werden soll, kann beim Verstärken des rückgemeldeten Nutzsignales nacheinander die Auswertung verschiedener Frequenzbänder erfolgen, wobei das zuerst ausgewertete Frequenzband auf einen speziellen Stimulationseffekt des biologischen Gewebes abgestimmt ist. Die Filterung kann dabei sehr tieffrequent erfolgen, so daß in eindeutiger Weise das Einsetzen der Wirkung der Stimulierung festgestellt werden kann. Bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann der Stimulationskreis, der beispielsweise in einem Herzschrittmacher eingebaut ist, eine steuerbare Stromquelle mit einem an- und abschaltbaren Ihtegrator in einer Rückführung aufweisen. Dieser Integrator ist mittels eines Schalters ein- und abschaltbar. Der Stimulationskreis ist dann mit dem Elektrodenkreis ebenfalls über einen Ein- und Ausschalter verbunden.For example, if there is a stimulated extrasystole of a heart muscle is to be determined can be successively when amplifying the reported useful signal the evaluation of different frequency bands take place, with the one evaluated first Frequency band on a special stimulation effect of the biological tissue Voted is. The filtering can be done very low frequency, so that in clearer Way the onset of the effect of the stimulation can be determined. At a The arrangement for performing the method can be the stimulation circuit, for example built into a pacemaker, a controllable power source with a Have on and off integrator in a return. This integrator can be switched on and off by means of a switch. The stimulation circuit is then also connected to the electrode circuit via an on / off switch.

Der Stimulationskreis, der beispielsweise in einem Herzschrittmacher angeordnet sein kann, kann auch einen Spannungsfolger aufweisen, wobei zusätzlich zu diesem Spannungsfolger eine steuerbare Stromquelle vorgesehen ist. Eine Umschaltung zwischen diesen beiden Bauelementen erfolgt mittels eines Umschalters. Dabei kann über den Spannungsfolger die Stimulation erfolgen und mittels der steuerbaren Stromquelle die Regelung zur Erzeugung des Gleichgewichtszustandes.The stimulation circuit, for example in a pacemaker can be arranged, can also have a voltage follower, in addition a controllable current source is provided for this voltage follower. A switch between these two components takes place by means of a switch. Here can the stimulation takes place via the voltage follower and by means of the controllable current source the regulation for generating the equilibrium state.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der Integrator auf Verstärkerbetrieb umschaltbar ist und für die Weiterverarbeitung eines aus dem Gewebe abgeleiteten Signals verwendet wird. Hierbei kann der im Integrator angeordnete Verstärker zur Verstärkung dieses Signals verwendet werden.A particularly simple structure results when the integrator is on Amplifier operation is switchable and for the further processing of one from the tissue derived signal is used. Here, the arranged in the integrator can Amplifiers can be used to amplify this signal.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die schematisch ein Blockschaltbild darstellt.An embodiment of the invention is shown in the drawing, which schematically represents a block diagram.

Ein biologischer Gewebekreis 1 umfaßt beispielweise den Herzmuskel und eine in diesem Herzmuskel angeordnete Elektrode. Dieser biologische Gewebekreis 1 ist über einen Kondensator C1 mit einem Stimulationskreis 2 gekoppelt. Dieser Stimulationskreis 2 weist den bei Herzschrittmachern üblichen Aufbau auf. Über einen Schalter S1 wird ein Stimulationsimpuls U1 beispielsweise einem Spannungsfolger 4 zugeführt, der über einen Umschalter S4 mit einem Schalter S3 verbunden ist, dessen anderer Kontakt zum Kondensator C1 führt. Der Schalter S1 ist ferner mit einer steuerbaren Stromquelle 3 verbunden, die über den Umschalter S4 an den Schalter S3 angeschlossen werden kann. Ein Bestandteil des Regelkreises ist der Integrator 5, der über den Schalter S2 an die Regelstrecke, die von der steuerbaren Stromquelle 3 gebildet wird, angeschlossen werden kann.A biological tissue circle 1 includes the heart muscle, for example and an electrode arranged in this heart muscle. This biological circle of tissue 1 is coupled to a stimulation circuit 2 via a capacitor C1. This Stimulation circuit 2 has the structure customary in cardiac pacemakers. About a Switch S1 becomes a stimulation pulse U1, for example a voltage follower 4 supplied, which is connected via a switch S4 to a switch S3, whose other contact leads to capacitor C1. The switch S1 is also controllable Power source 3 connected, which is connected to switch S3 via switch S4 can be. A component of the control loop is the integrator 5, which is via the Switch S2 to the controlled system, which is formed by the controllable current source 3 can be connected.

Während der Stimulation sind die Schalter S1 und S3 geschlossen. S2 und der Schalter S5 sind offen. Der Umschalter S4 befindet sich in Ruhestellung. Wenn mit stromkonstanter Stimulation gearbeitet wird, ist der Umschalter S4 umgeschaltet. Während der Stimulation wird die Ausgangsamplitude U3 integriert.Switches S1 and S3 are closed during stimulation. S2 and switch S5 are open. The switch S4 is in the rest position. When working with constant current stimulation, the switch S4 is switched over. The output amplitude U3 is integrated during the stimulation.

Nach der Stimulation wird S1 geöffnet und S2 wird geschlossen. Über S4 wird der Ausgang der Stromquelle 3 an den Integrator 5 angeschlossen und es wird ein Strom erzeugt, dessen Amplitude proportional zur Integratorspannung ist. Dieser Strom verändert die bei U3 auftretende Spannung. Da diese Spannung U3 zu Beginn entgegengesetzt zur Stimulationsamplitude ist, geht die Ausgangsspannung des Integrators 5 gegen Null und gleichzeitig damit geht auch der von der Stromquelle 3 abgegebene Kompensationsstrom gegen Null. Entsteht danach am Ausgang durch noch vorhandene Ladungen im biologischen Gewebekreis 1 eine Spannung U3, so wird diese integriert und es wird ein Ausgangsstrom erzeugt, der der anliegenden Spannung U3 entgegenwirkt. Mit dieser Regelung wird erreicht, daß die Spannung U3 und der Strom I3 auf Null geregelt werden. Dabei bewirkt der Integrator 5 eine Regelabweichung von Null.After stimulation, S1 is opened and S2 is closed. Above S4, the output of the current source 3 is connected to the integrator 5 and it becomes generates a current whose amplitude is proportional to the integrator voltage. This Current changes the voltage occurring at U3. Since this voltage U3 at the beginning is opposite to the stimulation amplitude, the Output voltage of the integrator 5 approaches zero and at the same time that of the current source also goes 3 output compensation current towards zero. Arises afterwards at the exit through still existing charges in the biological tissue circuit 1 a voltage U3, then this integrated and an output current is generated that corresponds to the applied voltage U3 counteracts. This control ensures that the voltage U3 and the current I3 can be regulated to zero. The integrator 5 causes a control deviation from zero.

Es ist möglich, nun den Schalter S3 zu öffnen, ohne daß dadurch die Spannung U3 und der Strom I3 beeinflubt werden.It is now possible to open switch S3 without the Voltage U3 and current I3 are influenced.

Nach Öffnen des Schalters S3 kann der Schalter S5 geschlossen werden. Dadurch kann eine Eingangsstufe 6 angeschlossen werden, die einen Verstärker und einen Filter 7 aufweist. In dieser Eingangsstufe 6 kann beispielsweise die Kontraktion des Herzens erkannt werden.After opening switch S3, switch S5 can be closed. This allows an input stage 6 to be connected, which has an amplifier and has a filter 7. In this input stage 6, for example, the contraction of the heart to be recognized.

Insbesondere können im Filter 7 nacheinander verschiedene Frequenzbänder ausgewertet werden. Das zuerst ausgewertete Frequenzband kann beispielsweise der Extrasystole eines Herzens entsprechen.In particular, different frequency bands can be used one after the other in the filter 7 be evaluated. The frequency band evaluated first can, for example, be the Extrasystole of a heart.

Störende Einflüsse von Ladungen, die durch den Stimulationsimpuls erzeugt werden, werden durch die beschriebene Regelung unterdrückt, so daß die Wirksamkeit der Stimulation, beispielsweise eine erfolgte Muskelkontraktion, in eindeutiger Weise und zwar sehr schnell nach der Stimulation festgestellt werden kann.Disturbing influences of charges caused by the stimulation pulse are generated, are suppressed by the control described, so that the effectiveness the stimulation, for example a muscle contraction that has occurred, in a clearer way Manner and can be determined very quickly after the stimulation.

Diese klare und schnelle Feststellung eröffnet eine große Anzahl von Möglichkeiten, Maßnahmen, beispielsweise therapeutischer Art, zu ergreifen, die eine sichere Feststellung der Effektivität der Stimulation voraussetzen.This clear and quick statement opens up a size Number of possibilities to take measures, for example of a therapeutic nature, which require a reliable determination of the effectiveness of the stimulation.

Claims

Method and arrangement for recognizing the effect of a stimulation of a biological tissue, in particular a heart muscle for recognizing the effect of a stimulation of a biological tissue, in particular of a heart muscle, characterized in that between the stimulation circuit (2) and the biological tissue circle (1) thereby established a state of equilibrium that after the stimulation a control loop with an integrator (5) as a control device and a controllable current source (3) switched on as a controlled system and the biological Tissue circle (1) is used to influence the control loop.

2. The method according to claim 1, characterized in that upon reaching of the state of equilibrium, a useful signal emitted by the biological tissue (1) is derived.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at When the state of equilibrium is reached, the stimulation circuit (2) is switched off and an input stage (6) is switched on.

4. The method according to claim 3, characterized in that in the input stage (6) is reinforced.

5. The method according to claim 4, characterized in that when amplifying different frequency bands are evaluated one after the other.

6. The method according to claim 5, characterized in that that first evaluated frequency band on a special stimulation effect of the biological Fabric (1) is matched.

7. Arrangement for performing the method according to one of the claims 1 - 6 with an electrode in the biological tissue that is connected to a stimulation circuit is connected, characterized in that the stimulation circuit (2) is a controllable Current source (3) with an on and off switchable (S2) integrator (5) in a feedback having.

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the stimulation circuit (2) has a voltage follower (4) which can be switched via a changeover switch (S4).

9. Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the Integrator (5) can be switched to amplifier operation