DE19749710A1 - Elektrostimulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrostimulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist seit längerem bekannt, zur Behandlung von Herzfunk­ tionsstörungen, insbesondere bei Bradykardiezuständen, im­ plantierbare Herzschrittmacher zu verwenden, die über eine endokardial angeordnete Stimulationselektrode elektrische Stimulationsimpulse an das Herz abgeben, falls dieses selbst nicht oder nicht hinreichend schnell schlägt.

Da jeder Stimulationsimpuls zu einer partiellen Entladung der Herzschrittmacherbatterie führt, ist man zur Verlänge­ rung der Batterielebensdauer bestrebt, die Amplitude der Stimulationsimpulse möglichst weit abzusenken, wobei jedoch zu beachten ist, daß das Herz bei einer Stimulation mit ei­ ner Amplitude unterhalb eines bestimmten Schwellwerts- auch als Reizschwellwert bezeichnet - nicht mehr mit einer Kontraktion reagiert.

Es ist deshalb ebenfalls bekannt, einen sogenannten Reiz­ schwellwerttest durchzuführen, um den Reizschwellwert des Herzens individuell für jeden Herzschrittmacherträger zu ermitteln und die Amplitude der Stimulationsimpulse ent­ sprechend programmieren zu können. Hierzu gibt der Herz­ schrittmacher nacheinander Stimulationsimpulse mit abneh­ mender Amplitude ab, wobei durch Auswertung eines extrakor­ poral abgenommenen Elektrokardiogramms (EKG) jeweils ermit­ telt wird, ob das Herz auf den vorangegangenen Stimulation­ simpuls mit einer Kontraktion reagiert. Der Reizschwellwert des Herzens entspricht dann näherungsweise der Amplitude, bei der das Herz von dem Stimulationsimpuls gerade noch er­ regt wurde.

Problematisch ist hierbei jedoch, daß eine Änderung des Reizschwellwerts beispielsweise aufgrund von Änderungen der chronischen Reizschwelle im normalen Betrieb des Herz­ schrittmachers nicht erkannt wird, was entweder zu einer Stimulation mit unnötig hohen Amplituden oder - wesentlich schlimmer - zu einer erfolglosen Stimulation führen kann.

Es sind deshalb neuerdings Herzschrittmacher bekannt, die selbständig ermitteln, ob das Herz von einem Stimulations­ impuls erfolgreich stimuliert wird, und die Amplitude der Stimulationsimpulse entsprechend optimieren. Hierzu mißt der Herzschrittmacher über die Schrittmacherelektrode je­ weils unmittelbar nach einem Stimulationsimpuls das soge­ nannte evozierte Potential, das die Herzmuskelkontraktion hervorruft und die Reizantwort auf den vorangegangenen Sti­ mulationsimpuls darstellt. Problematisch ist hierbei, daß das Elektrodensystem, das zwei Metall-Elektrolyt- Grenzflächen einschließt, aufgrund seiner kapazitiven Ei­ genschaften durch einen Stimulationsimpuls elektrisch auf­ geladen wird, so daß die evozierten Potentiale von den elektrischen Nachwirkungen eines Stimulationsimpulses (Artefakten auf beiden Grenzschichtkapazitäten) verdeckt werden können. Dieses Konzept eignet sich deshalb nur im Zusammenhang mit hochkapazitiven Elektroden, die aufgrund ihrer großen Kapazität von einem Stimulationsimpuls nur auf eine relativ geringe Spannung aufgeladen werden, die die Detektion des evozierten Potentials nicht stört.

Die Auswahl geeigneter Elektroden erfolgte bisher aufgrund einer extrakorporalen Messung der Elektrodenkapazität mit­ tels separater Meßgeräte, was erhöhten Aufwand bei der Im­ plantation bedeutet und den Nachteil hat, daß eine postope­ rative Änderung der Elektrodenkapazität vom Herzschrittma­ cher nicht erkannt wird. Probleme waren zudem bei Neu- Implantation eines Schrittmachers bei Weiterverwendung der bereits implantierten Elektrode zu erwarten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Elek­ trostimulator zu schaffen, der die Messung der Elektroden­ kapazität auch im implantierten Zustand ohne separate Gerä­ te ermöglicht.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Elektrostimulator ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch dessen kenn­ zeichnende Merkmale gelöst.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, zur Mes­ sung der Kapazität bzw. der komplexen Impedanz der Arbeits­ elektrode ein Meßgerät in die Stimulatoranordnung zu inte­ grieren, das bei der Abgabe eines Impulses die Spannung und/oder den Strom am Ausgangsanschluß als der Schnittstel­ le zwischen Stimulator und Arbeits- bzw. Stimulationselek­ trode mißt, und mittels einer Auswertungseinrichtung aus den gemessenen Werten ein die Elektrodenkapazität wider­ spiegelndes Ausgangssignal zu berechnen.

Die Erfindung ist nicht auf in-vivo-Anwendungen begrenzt, sondern bezieht sich vielmehr auch auf den in-vitro-Bereich unter Verwendung von Elektrolytlösungen.

In einer Variante der Erfindung erzeugt der Impulsgenerator zur Bestimmung der Elektrodenkapazität einen Impuls mit ei­ ner vorgegebenen elektrischen Ladung Q, beispielsweise ei­ nen Konstantstromimpuls mit vorgegebener Amplitude und Dau­ er. Anschließend mißt das Meßgerät am Ausgangsanschluß zwi­ schen Herzschrittmacher und Stimulationselektrode, auf wel­ che Spannung U die Stimulationselektrode durch den Impuls aufgeladen wurde und gibt diesen Meßwert an eine nachge­ schaltete Recheneinheit weiter, die daraus nach der Formel

bei bekannter Gehäusekapazität C_CASE die Elektrodenkapazität C_EL berechnet. Die Erfindung ist in dieser Variante jedoch nicht auf einen Konstantstromimpuls beschränkt. Entschei­ dend ist, daß die mit dem Impuls abgegebene elektrische La­ dung Q bzw. der während der Impulsdauer fließende Strom be­ kannt ist. Hierzu ist es wahlweise möglich, einen Impuls mit vorgegebener Ladung zu erzeugen oder während der Abgabe eines Impulses mit bekanntem Stromverlauf die Zeit zu mes­ sen. Vorzugsweise wird ein Konstantstromimpuls verwendet.

Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit der Kapazitätsmessung infolge einer Verringerung von Polarisationseffekten am Elektrodensystem kann der Konstantstromimpuls als Doppelim­ puls mit zueinander inverser Stromrichtung der beiden Tei­ limpulse ausgeführt werden.

In einer anderen Variante der Erfindung ist vorgesehen, zur Bestimmung der Elektrodenkapazität einen Impuls mit vorge­ gebenem Spannungsverlauf, vorzugsweise einen Konstantspan­ nungsimpuls, abzugeben.

Betrachtet man die Stimulationselektrode elektrisch als Reihenschaltung aus einer Kapazität C_El und einem ohmschen Widerstand R_El, so nimmt die Spannung über der Elektroden­ kapazität bei einem Konstantspannungsimpuls während der Im­ pulsdauer exponentiell zu und nähert sich asymptotisch der Spannungsamplitude U_Stim des Impulses. Die Elektrodenkapazi­ tät C_El ergibt sich dann nach der Formel

aus der Impulsdauer T, der Spannungsamplitude U_Stim des Im­ pulses, der am Ausgangsanschluß nach dem Impulsende gemes­ senen Elektrodenspannung U_El sowie dem ohmschen Ladewider­ stand R, der sich aus dem ohmschen Widerstand R_EL der Elek­ trode und im Ladekreis vorhandenen weiteren ohmschen Wider­ ständen zusammensetzt, die als bekannt vorausgesetzt wer­ den.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung ist die Schritt­ macherelektrode Bestandteil eines Schwingkreises, wobei die Elektrodenkapazität aufgrund ihres Einflusses auf das Schwingungsverhalten des Schwingkreises bestimmt werden kann. Der Herzschrittmacher weist in dieser Variante intern eine Induktivität auf, die mit dem Ausgangsanschluß verbun­ den oder durch ein Schaltelement verbindbar ist. Die Induk­ tivität kann hierbei mit der Elektrodenkapazität wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die Anregung des hierdurch gebildeten Schwingkreises erfolgt durch einen Schwingungsgenerator, der ebenfalls wahlweise mit der Schnittstelle verbunden oder mit dieser durch ein Schalte­ lement verbindbar ist.

In einer Ausführungsform dieser Variante erzeugt der Schwingungsgenerator ein vorzugsweise sinusförmiges Schwin­ gungssignal konstanter Frequenz und Spannungsamplitude, so daß der durch den Schwingkreis fließende Strom von der Fre­ quenzabstimmung zwischen Schwingungsgenerator einerseits und Schwingkreis andererseits abhängt. Die Messung des über die Schnittstelle fließenden Stroms ermöglicht dann die Be­ rechnung der Elektrodenkapazität aus der Frequenz des Schwingungsgenerators und der Induktivität des Schwingkrei­ ses.

In einer anderen Ausführungsform dieser Variante ist dage­ gen vorgesehen, durch eine Änderung der Frequenz des Schwingungsgenerators bei gleichzeitiger Messung des Stroms die Resonanzfrequenz des die Phasengrenzkapazität enthal­ tenden Schwingkreises zu ermitteln, was dann in einfacher Weise gemäß der Thomson'schen Schwingungsformel die Berech­ nung der Elektrodenkapazität ermöglicht.

Eine weitere Variante ist die Messung eines Impedanzspek­ trogramms des Elektrodensystems mit einem kontinuierlichen Schwingungsgenerator. Dabei wird durch Einprägung eines frequenzvariablen Konstantstrom- oder Konstantspannungs­ signals und Messung von Spannung bzw. Strom an dem Elektro­ densystem der Verlauf der Elektrodenimpedanz in Abhängig­ keit von der Signalfrequenz aufgenommen. Aus dem Spektrum können die Helmholtzkapazität und darüber hinaus Elektro­ lyt- und Faradaywiderstand kalkuliert werden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei­ gen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Herzschrittmacher mit einer Stimulationselek­ trode als Funktion-Blockschaltbild,

Fig. 2 den Impulsgenerator des in Fig. 1 dargestellten Herzschrittmachers als vereinfachtes Schaltbild,

Fig. 3a und 3b den Spannungsverlauf an der Schnittstelle bzw. an den verschiedenen Bauelementen im Ausgangs­ stromkreis und

Fig. 4 als weiteres Ausführungsbeispiel ein Funktions- Blockschaltbild eines Herzschrittmachers.

Der in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte Herz­ schrittmacher 1 ermöglicht über eine - hier im Ersatz­ schaltbild dargestellte - Stimulationselektrode 2 die Abga­ be von Stimulationsimpulsen an das Herz. Zur Vereinfachung ist hier vom Elektrodensystem nur eine der Elektrode- Elektrolyt-Grenzflächen im Ersatzschaltbild gezeigt.

Das Ersatzschaltbild der endokardial anzuordnenden Schritt­ macherelektrode 2 soll die wesentlichen elektrischen Eigen­ schaften der Metall/Gewebe-Grenzschicht an der Schritt­ macherelektrode wiedergeben. So bildet sich an der Grenz­ schicht zwischen der Schrittmacherelektrode 2 und dem um­ liegenden (nicht dargestellten) Gewebe eine sogenannte Helmholtz-Doppelschicht aus, die durch eine Parallelschal­ tung eines Kondensators C_H und eines ohmschen Widerstandes R_F nachgebildet wird, wobei zu beachten ist, daß der ohm­ sche Widerstand R_F der Helmholtz-Doppelschicht stark vom Elektrodenpotential abhängig ist. Weiterhin weist die Schrittmacherelektrode 2 einen ohmschen Leitungswiderstand R_L, der mit der vorstehend beschriebenen Impedanz der Helm­ holtz-Doppelschicht in Reihe geschaltet ist, sowie - genau genommen - einen (bei kleinen Elektrodenflächen wichtigen) dazu in Reihe liegenden Elektrolytwiderstand auf, der al­ lerdings hier nicht gesondert dargestellt ist.

Zum einen ermöglicht die Schrittmacherelektrode 2 die Abga­ be von Stimulationsimpulsen an das Herz. Die Erzeugung der Stimulationsimpulse erfolgt hierbei in herkömmlicher Weise durch den in Fig. 2 detaillierter dargestellten Impulsge­ nerator 3, der ausgangsseitig zum Anschluß der Schrittma­ cherelektrode 2 einen Ausgangsanschluß 1a aufweist.

Zum anderen dient die Schrittmacherelektrode 2 zur Detekti­ on der von spontanen, nicht stimulierten Herzaktionen her­ rührenden elektrischen Aktivität des Herzens, um die Abgabe eines Stimulationsimpulses gegebenenfalls inhibieren zu können. Zum einen wird hierdurch der Eigenrhythmus des Her­ zens weitestgehend aufrechterhalten. Zum anderen wird so eine unnötige Stimulation vermieden, was zu einer Verlänge­ rung der Batterielebensdauer des Herzschrittmachers 1 bei­ trägt. Hierzu weist der Herzschrittmacher 1 einen Eingangs­ verstärker 4 auf, der die über die Schrittmacherelektrode 2 aufgenommenen elektrischen Herzsignale verstärkt und zur Detektion von spontanen Herzaktionen einem Signaldetektor 5 zuführt. Erkennt der Signaldetektor 5 eine spontane Herzak­ tion, so gibt er ein Inhibierungssignal an den Impulsgene­ rator 3, der daraufhin seine internen Zeitgeber zurücksetzt und die Abgabe eines Stimulationsimpulses aussetzt.

Darüber hinaus ermöglicht die Stimulationselektrode 2 auch die Detektion der Reizantwort des Herzens, was letztlich eine Anpassung der Stärke der Stimulationsimpulse an den individuellen Reizschwellwert des Herzschrittmacherträgers ermöglicht.

Eine erfolgreiche Stimulation des Herzens setzt - verein­ facht gesagt - voraus, daß die Amplitudenzeitfläche der einzelnen Stimulationsimpulse den individuellen Reiz­ schwellwert überschreitet, damit das Herz auf einen Stimu­ lationsimpuls mit einer Kontraktion reagiert. (Streng ge­ nommen, ist die dem Fachmann bekannte Chronaxie-Rheobase- Beziehung zu beachten.) Einerseits ist es wünschenswert, die Amplitudenzeitfläche der Stimulationsimpulse möglichst weit abzusenken, um im Interesse einer Verlängerung der Batterielebensdauer Energie zu sparen. Andererseits muß si­ chergestellt sein, daß die Stimulationsimpulse hinreichend stark sind, um das Herz zu erregen. Der Herzschrittmacher 1 überprüft deshalb jeweils nach einem Stimulationsimpuls die über die Schrittmacherelektrode 2 aufgenommenen elektri­ schen Herzsignale und ermittelt, ob evozierte Potentiale auftreten, die die Reizantwort auf den unmittelbar vorange­ gangenen Stimulationsimpuls darstellen. Das Ausgangssignal des Eingangsverstärkers 4 wird deshalb zur Detektion evo­ zierter Potentiale einem speziellen Signaldetektor 6 zuge­ führt.

Die Einstellung der Stärke der Stimulationsimpulse erfolgt durch eine Steuerschaltung 7, die eingangsseitig mit dem Signaldetektor 6 verbunden ist und die Stimulationsspannung U_Stim langsam absenkt, solange das Herz erregt wird und die Stimulationsspannung stufenartig anhebt, falls im Anschluß an einen Stimulationsimpuls keine Kontraktion des Herzmus­ kels detektiert wird.

Zur Erzeugung eines Stimulationsimpulses wird der in Fig. 2 dargestellte Transistor T₁ durch eine hier nicht darge­ stellte Steuerelektronik geschlossen, während Transistor T₂ geöffnet ist. Da der Ausgangskondensator C_a zu Beginn eines Stimulationsimpulses vollständig entladen ist, liegt an der Schnittstelle zunächst die volle Spannung U_Stim an. Während der Dauer des Stimulationsimpulses wird der Ausgangskonden­ sator C_a jedoch durch den über die Schnittstelle fließenden Strom aufgeladen, was zu einer exponentiellen Abnahme der an der Schnittstelle anliegenden Spannung jeweils während eines Impulses führt. Der Ausgangskondensator C_a begrenzt so die während eines Stimulationsimpulses maximal abflie­ ßende Ladung auf den Wert, der - unter vereinfachender An­ nahme einer rein ohmschen Last - zur Aufladung des Aus­ gangskondensators C_a auf die volle Spannung U_Stim erforder­ lich ist.

Unmittelbar nach jedem Stimulationsimpuls sind also sowohl der Ausgangskondensator C_a als auch die Helmholtz-Kapazität C_H des Elektrodenpaares aufgeladen.

Zum einen wird durch die Spannung des Ausgangskondensators C_a die beim nächsten Stimulationsimpulse maximal erreichba­ re Stimulationsspannung verringert, so daß unmittelbar nach einem Stimulationsimpuls kein neuer Impuls mit der vollen Spannung erzeugt werden kann.

Zum anderen stört die Aufladung der Elektrodenkapazität C_H die Messung der natürlichen Herzaktivität, da die elektri­ schen Herzsignale von der Spannung der Elektrodenkapazität C_H überlagert werden.

Nach dem Ende eines Stimulationsimpulses wird deshalb der Transistor T₂ geschlossen, während der Transistor T₁ geöff­ net ist, so daß sich der Ausgangskondensator C_a und die Elektrodenkapazität C_H relativ rasch entladen. Der Entlade­ vorgang verläuft hierbei hinreichend schnell, um nach einem Stimulationsimpuls die nächste natürliche, nicht stimulier­ te Herzaktion detektieren zu können, was relativ einfach ist, da das Herz während der auf eine Stimulation folgenden Refraktärzeit ohnehin keine spontane Eigenaktivität zeigt.

Die Detektion der Reizantwort des Herzens ist dagegen we­ sentlich schwieriger, da die evozierten Potentiale in sehr geringem zeitlichen Abstand zu dem Stimulationsimpuls auf­ treten. Die Messung der Reizantwort ist deshalb nur bei hochkapazitiven Elektroden möglich, die durch einen Stimu­ lationsimpuls aufgrund ihrer großen Kapazität nur auf eine relativ geringe Spannung aufgeladen werden, die nach dem Autoshort die Messung der evozierten Potentiale nicht stört.

Die vorstehend beschriebene automatische Optimierung der Amplitude der Stimulationsimpulse setzt deshalb eine hin­ reichend große Kapazität der Schrittmacherelektrode 2 vor­ aus. Bei zu niedriger Elektrodenkapazität sollte diese Funktion hingegen inaktiv geschaltet sein.

Der Herzschrittmacher 1 ermittelt deshalb die Kapazität des Elektrodensystems (und somit indirekt der Schrittmacher­ elektrode 2) und schaltet die automatische Optimierung der Impulsstärke aus, falls die Kapazität einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.

Hierzu weist der Herzschrittmacher 1 ein Strommeßgerät 8 auf, das im Ausgangsstromkreis angeordnet ist und bei jedem Stimulationsimpuls bzw. speziellen Meßimpuls den abfließen­ den Strom mißt. Das Ausgangssignal des Strommeßgeräts 8 wird nachfolgend einem Integrator 9 zugeführt, der aus dem Stromverlauf die während eines Stimulationsimpulses abflie­ ßende elektrische Ladung ermittelt. Weiterhin ist ein Span­ nungsmeßgerät 10 vorgesehen, das unmittelbar nach dem Ende eines Stimulationsimpulses bzw. nach oder während eines Meßimpulses die Spannung an der Schnittstelle mißt, die im wesentlichen gleich der Ladespannung der Elektrodenkapazi­ tät ist. Im Falle einer Konstantstrommessung (siehe dazu weiter unten) ist ein Strommeßgerät nicht erforderlich.

Mit den Ausgängen des Integrators 9 und des Spannungsmes­ sers 11 ist eingangsseitig eine Verarbeitungseinheit 11 (ALU - arithmetical logical unit) verbunden, die aus der über der Elektrodenkapazität gemessenen Spannung U und der abgeflossenen elektrischen Ladung die Elektrodenkapazität C_H nach der Formel

berechnet.

Die auf diese Weise ermittelte Elektrodenkapazität C_H wird einem Eingang einer Vergleichereinheit 12 zugeführt, in der sie mit einem am anderen Eingang anliegenden Minimalwert C_Min verglichen wird, der zur Detektion der evozierten Po­ tentiale und damit zur Durchführung der automatischen Opti­ mierung der Impulsamplitude erforderlich und in einem pro­ grammierbaren Vergleichswertspeicher 12a gespeichert ist.

Liegt die gemessene Elektrodenkapazität oberhalb dieses Mi­ nimalwerts, so wird über den Ausgang der Vergleichereinheit an einen Eingang der Steuerschaltung 7 ein entsprechendes Signal ausgegeben, woraufhin die Steuerschaltung 7 die Sti­ mulationsimpulsamplitude in der weiter oben beschriebenen Weise optimiert.

Unterschreitet die Elektrodenkapazität C_H dagegen den er­ forderlichen Minimalwert C_Min, so wird die Optimierung der Impulsamplitude gesperrt, und die Steuerschaltung 7 setzt die Stimulationsamplitude auf einen voreingestellten Wert, der eine sichere Stimulation des Herzens gewährleistet.

Der Spannungsverlauf an den verschiedenen Bauelementen im Ausgangsstromkreis ist detailliert in Fig. 3a dargestellt, wobei angenommen wird, daß vor dem Ausgangskondensator ein Konstantspannungsimpuls mit der Amplitude U_Stim erzeugt wird. Da sowohl Ausgangskondensator als auch Elektrodenka­ pazität zu Beginn des Stimulationsimpulses vollständig ent­ laden sind, fällt die gesamte Stimulationsspannung zunächst über den im Ausgangsstromkreis angeordneten ohmschen Wider­ ständen ab. Während des Stimulationsimpulses werden die beiden Kapazitäten jedoch aufgeladen, so daß der Strom ex­ ponentiell abfällt.

Fig. 3b zeigt den am Ausgangsanschluß für die Schrittma­ cherelektrode meßbaren Spannungsverlauf. In Übereinstimmung mit Fig. 3a entspricht die Ausgangsspannung zu Beginn des Stimulationsimpulses der gesamten Spannung U_Stim, da der Ausgangskondensator zunächst leer ist. Während des Stimula­ tionsimpulses wird der Ausgangskondensator jedoch aufgela­ den, was zu einem exponentiellen Abfall der Ausgangsspan­ nung bis zum Ende des Stimulationsimpulse zum Zeitpunkt t = T führt. Zu diesem Zeitpunkt geht der Strom im Ausgangsstrom­ kreis sprungartig auf Null zurück, so daß die Ausgangsspan­ nung auf die Spannung über der Elektrodenkapazität abfällt, was unmittelbar nach dem Ende des Stimulationsimpulses die Bestimmung der Elektrodenkapazität durch eine einfache Spannungsmessung ermöglicht.

Lineare Beziehungen bestehen hierbei bis zu Artefakt- Spannungswerten von etwa 0,5V; der Aufbau höherer Spannun­ gen sollte daher im Interesse der Aussagefähigkeit der Mes­ sungen vermieden werden. Aus diesem Grunde ist auch der un­ mittelbare Einsatz üblicher Stimulationsimpulse mit einer Amplitude von einigen Volt als Meßimpulse nur für Elektro­ den mit recht hoher Kapazität sinnvoll - besser sollte auf niedrigere Amplitudenwerte zurückgegriffen werden, die bei modernen Schrittmacherschaltungen ebenfalls programmierbar sind.

Zudem sollte die Spannungsmessung bevorzugt nicht sofort nach Beendigung des Meßimpulses erfolgen, sondern erst nach einer vorbestimmten Abklingzeit von einigen Millisekunden. Schließlich ist anzumerken, daß sowohl bei einer Potential­ puls- als auch bei einer Konstantstrommessung streng genom­ men an der Elektrode nicht nur die Spannung nach dem Im­ puls, sondern die Spannungsdifferenz nach und vor dem Im­ puls gemessen werden muß, da dem eigentlichen Artefakt eine (ohne vorherige Messung unbekannte) Offsetspannung überla­ gert ist. Entsprechend wäre Fig. 1 um einen Meßwertspeicher und eine Subtraktionsstufe - dem Spannungsmeßgerät 10 nach- und der ALU 11 vorgeschaltet - zu ergänzen.

Die oben beschriebene Meßtechnik kann in vorteilhafter Wei­ se dahingehend modifiziert werden, daß ein Konstantstrom angewandt wird. Hierbei wird zur Konstanthaltung des durch die Meßelektrode fließenden Stromes ein galvanostatischer Regelkreis gebildet, der - in an sich bekannter Weise - ei­ ne stromzuführende Gegenelektrode und grundsätzlich zudem eine stromfreie Referenzelektrode sowie einen Meßstrom- und einen Leistungsverstärker einschließt. Die Messung des an der zu messenden Elektrode anliegenden Potentials erfolgt als nahezu belastungslose Abtastung mittels hochohmiger Sonde.

In praxi kann bei der Prüfung von implantierbaren Schritt­ macherelektroden im Hinblick auf die sehr kleinen Polarisa­ tionsströme auf eine Referenzelektrode verzichtet und mit hinreichender Genauigkeit für bipolare Systeme zwischen Spitze und Ring und für unipolare Systeme zwischen Spitze und Schrittmachergehäuse gemessen werden.

In Fig. 4 ist, wieder in Form eines Funktions-Block­ schaltbildes, eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Ausführung eines Herzschrittmachers dargestellt. Prinzipiell überein­ stimmende Funktionskomponenten sind mit an Fig. 1 angelehn­ ten Bezugsziffern (etwa für die Elektrode Ziffer 102 als funktionell im wesentlichen übereinstimmend mit Ziffer 2) bezeichnet und werden nachfolgend nicht nochmals erläutert.

Der in Fig. 4 skizzierte Schrittmacher unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten hauptsächlich durch Mittel zur Adaption der Stimulationsrate und eine veränderte Meß- und Auswertungsanordnung zur Prüfung der Elektrodenkapazi­ tät.

Die (an sich bekannten) Mittel zur Ratenadaption umfassen einen dem Ausgang des Eingangsverstärkers 4 nachgeschalte­ ten QT-Intervall-Detektor 117 und eine mit dessen Ausgang verbundene Ratenadaptionsschaltung 118. Im QT-Intervall- Detektor 117 wird der Zeitabstand zwischen einem Stimulati­ onsimpuls und einem vorbestimmten Abschnitt des evozierten Herzsignals (T-Welle) festgestellt, und in der Ratenadapti­ onsschaltung 118 wird aufgrund des gemessenen Zeitabstandes und anhand einer vorgespeicherten Wertetabelle ein Raten­ steuersignal erzeugt, das schließlich dem Stimulationsim­ pulsgenerator 103 zugeführt wird.

Ebenso wie auf die oben beschriebene Weise die automatische Einstellung der Stimulationsamplitude (hier über eine erste Steuerschaltung 107A) inhibiert werden kann, so kann die Funktion der Ratenadaptionsschaltung 118 über eine aus­ gangsseitig mit der Ratenadaptionsschaltung verbundene zweite Steuerschaltung 107B inhibiert werden, falls die Elektrodenkapazität zu gering ist und deshalb die Gefahr besteht, daß die über die Elektrode 102 erfaßten evozierten Potentiale verfälscht sind.

Die Prüfung der Elektrodenkapazität erfolgt bei der Anord­ nung nach Fig. 4 - gesteuert durch eine Prüfsteuerschaltung (Controller) 113 - in Pausen zwischen den Stimulationimpul­ sen mittels eines abstimmbaren Wechselstromgenerators 114. Nach einem im Programmspeicher der Prüfsteuerschaltung 113 gespeicherten Programmablauf wird die Frequenz des Wechsel­ stromgenerators 114 (bevorzugt innerhalb eines Bereiches zwischen 0,1 Hz und 10 kHz) schrittweise verändert und je­ weils bei jedem Schritt die zur Elektrode 102 führende Aus­ gangsleitung für eine vorbestimmte Zeitspanne über einen Schalter 115 mit einer bekannten Induktivität 116 verbun­ den. Dadurch wird als Last für den Wechselstromgenerator 114 jeweils ein Schwingkreis aus der Induktivität 115 und der Elektrodenkapazität C_H gebildet. Eine Spannungs- und/oder Strommessung mittels des Strommeßgerätes 108 und des Spannungsmeßgerätes 110 in jedem Schritt ermöglicht die Feststellung einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises und damit der Kapazität C_H in einer Auswertungseinheit 111.

Ein letztes besonderes Merkmal der Anordnung nach Fig. 4 besteht im Vorsehen einer Bezugswert-Anpassungsstufe 112b, die einen als gleitender Mittelwert der über einen vorbe­ stimmten Zeitraum gemessenen Elektrodenkapazitäten bestimm­ ten Minimalwert an den Vergleichswertspeicher 112a liefert. Hierdurch kann erreicht werden, daß Langzeitschwankungen der Elektrodenkapazität ohne Einfluß auf die Steuer- bzw. Inhibierungsfunktionen der Steuerschaltungen 107A, 107B bleiben.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Aus­ führungen Gebrauch machen.

So kann in einer weiteren Abwandlung des Meßprinzips die Elektrodenkapazität auch über eine Zeitmessung festgestellt werden, und zwar durch Erfassung des Zeitpunktes nach Anle­ gung eines Konstantstromimpulses an die Elektrode, zu dem auf der Elektrode eine vorgegebene Spannung auftritt, etwa eine Spannung von 300 mV.

Die Abschaltung (Inhibierung) der Verarbeitung von über die Schrittmacherelektrode aufgenommenen und u. U. verfälschten Signalen bei zu niedriger Elektrodenkapazität bzw. von auf dieser Auswertung basierten Funktionen ist nicht nur im Zu­ sammenhang mit der automatischen Einstellung der Stimulati­ onsamplitude oder der Ratenadaption - wie oben beschrieben - sondern auch in anderen Zusammenhängen denkbar.

Claims (15)

1. Elektrostimulator (1; 101) mit
einem Ausgangsanschluß (1a; 101a) für eine Arbeitselektrode (2; 102) sowie
einem ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluß verbundenen Prüfsignalgenerator (3; 114) zur Erzeugung eines impulsför­ migen oder periodisch veränderlichen Prüfsignals und Zufüh­ rung zum Ausgangsanschluß, gekennzeichnet durch
eine eingangsseitig mit dem Ausgangsanschluß verbundene erste Meßeinrichtung (8, 10; 108, 110) zur Messung der am Ausgangsanschluß anliegenden elektrischen Spannung und/oder des über diesen fließenden elektrischen Stromes sowie
eine eingangsseitig mindestens mittelbar mit der ersten Meßeinrichtung verbundene Auswertungseinrichtung (11; 111) zur Erzeugung eines die Kapazität der Arbeitselektrode wi­ derspiegelnden Ausgangssignals in Abhängigkeit von Strom und/oder Spannung am Ausgangsanschluß.

2. Elektrostimulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die erste Meßeinrichtung ein parallel zu dem Prüfsi­ gnalgenerator (3; 114) geschaltetes Spannungsmeßgerät (10; 110) aufweist und
daß zur Messung des bei Ausgabe eines Prüfsignals über den Ausgangsanschluß (1a; 101a) fließenden Stromes als zweite Meßeinrichtung ein mit der Auswertungseinrichtung (11; 111) verbundenes, mit dem Prüfsignalgenerator in Reihe geschal­ tet Strommeßgerät (8; 108) vorgesehen ist.

3. Elektrostimulator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strommeßgerät (8) zur Bestimmung der bei dem Impuls abfließenden elektrischen Ladung ein ausgangsseitig mit der Auswertungseinrichtung (11) verbundener Integrator (9) nachgeschaltet ist.

4. Elektrostimulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Prüfsignalgenerator (3; 114) zur Er­ zeugung elektrischer Impulse mit einer wesentlich unterhalb der Amplitude eines Stimulationsimpulses liegenden Amplitu­ de ausgebildet ist.

5. Elektrostimulator nach Anspruch 1 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
die erste Meßeinrichtung ein parallel zu dem Prüfsignalge­ nerator (3) geschaltetes Spannungsmeßgerät (10; 110) auf­ weist und
dem Prüfsignalgenerator (3) zur Konstanthaltung des durch die Meßelektrode fließenden Stromes ein galvanostatischer Regelkreis zugeordnet ist, der eine stromzuführende Gegen­ elektrode sowie einen Meßstrom- und einen Leistungsverstär­ ker aufweist.

6. Elektrostimulator nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
der durch die Meßelektrode fließende Konstantstrom pulsför­ mig ist und
daß unmittelbar vor und nach Beginn des Konstantstromimpul­ ses und unmittelbar vor Abschalten des Konstantstromimpul­ ses jeweils das Potential der Arbeitselektrode als erster, zweiter und dritter Potentialwert sowie die Länge des Kon­ stantstromimpulses gemessen und gespeichert wird,
der Serienwiderstand der Meßelektrode mittels Division der Potentialdifferenz aus dem zweiten und dem ersten Poten­ tialwert durch den Wert des Konstantstromes ermittelt wird und
die Phasengrenzkapazität der Arbeitselektrode mittels Quo­ tientenbildung des Produktes aus Pulslänge und -wert des Konstantstromes und der Potentialdifferenz aus dem dritten und dem zweiten Potential ermittelt wird.

7. Elektrostimulator nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Konstantstromimpuls aus einem Doppelpuls mit zueinander inverser Stromrichtung der beiden Teilpulse besteht und für jede Stromrichtung getrennt die Potentialdifferenzen, Puls­ längen, Serienwiderstände und Phasengrenzkapazitäten der Meßelektrode ermittelt und anschließend hieraus die Mittel­ werte für den Serienwiderstand und die Phasengrenzkapazität bestimmt werden.

8. Elektrostimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung eines die Arbeitselektrode (102) enthalten­ den Schwingkreises eine mit dem Ausgangsanschluß (101a) verbundene oder über ein Schaltelement (115) verbindbare Induktivität (116) vorgesehen ist,
daß der Prüfsignalgenerator (114) einen, insbesondere ab­ stimmbaren, Schwingungserzeuger aufweist und
die Auswertungseinrichtung (111) Mittel zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bzw. eines Impedanz­ spektrogramms aufweist.

9. Elektrostimulator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch die Ausführung als Herz­ schrittmacher (1; 101) zum Anschluß einer intrakardial an­ geordneten Herzschrittmacherelektrode (2; 102) als Arbeit­ selektrode.

10. Elektrostimulator nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Prüfsignalgenerator durch den Stimulati­ onsimpulsgenerator (3) des Herzschrittmachers (1) gebildet ist, der zur Messung bevorzugt mit erniedrigter Im­ pulsamplitude betrieben wird.

11. Elektrostimulator nach Anspruch 9 oder 10, gekenn­ zeichnet durch
einen mit dem Ausgangsanschluß (1a; 101a) verbundenen Ein­ gangsverstärker (4; 104) zur Verstärkung der über die Schrittmacherelektrode (2; 102) erfaßten elektrischen Herz­ signale,
einen dem Eingangsverstärker (4; 104) nachgeschalteten Si­ gnaldetektor (6; 106) zur Detektion der Reizantwort des Herzens in dem Herzsignal und zur Erzeugung eines ersten Steuersignals in Reaktion auf das Ausbleiben der Reizant­ wort nach einem Stimulationsimpuls,
eine eingangsseitig mit dem Signaldetektor (6; 106) verbun­ dene Steuerschaltung (7; 107), welche auf das Erscheinen des ersten Steuersignals hin einen ersten Steuervorgang be­ züglich einer Schrittmacherfunktion oder eines Schrittma­ cherparameters und beim Ausbleiben des ersten Steuersignals einen zweiten diesbezüglichen Steuervorgang ausführt.

12. Elektrostimulator nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswertungseinrichtung (11; 111) aus­ gangsseitig zum Vergleich des die Elektrodenkapazität wi­ derspiegelnden Ausgangssignals mit einem Vergleichswert mit einer Vergleichereinheit (12; 112) verbunden ist, welche beim Überschreiten des Vergleichswertes ein zweites Steuer­ signal erzeugt und daß die Steuerschaltung (7; 107) einen mit dem Ausgang der Vergleichereinheit (12; 112) verbunde­ nen Steuereingang aufweist und den ersten oder zweiten Steuervorgang nur dann ausführt, wenn das zweite Steuersi­ gnal am Steuereingang anliegt.

13. Elektrostimulator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (7; 107) ausgangs­ seitig mit dem Stimulationsimpulsgenerator (3; 103) des Herzschrittmachers verbunden und derart ausgebildet ist, daß sie die Amplitude und/oder die Dauer der Stimulations­ impulse auf das Erscheinen des ersten Steuersignals hin er­ höht und beim Ausbleiben des ersten Steuersignals verrin­ gert.

14. Elektrostimulator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (107) mit einem Steuereingang einer Einrichtung (117, 118) zur Anpassung der Stimulationsrate, die insbesondere zur Ratenanpassung in Reaktion auf ein intrakardial erfaßtes Signal ausgebil­ det ist, verbunden ist und in Abhängigkeit vom ersten und/oder zweiten Steuersignal eine Ratenadaption erlaubt oder inhibiert.

15. Elektrostimulator nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch einen der Vergleichereinheit (12; 112) zugeordneten, programmierbaren oder über eine Zugriffs­ steuerung mit dem Ausgang der Auswertungseinrichtung (111) verbundenen Vergleichswertspeicher (12a; 112a) zur Speiche­ rung eines vorgegebenen oder bei vorangegangenen Auswertun­ gen erhaltenen Vergleichswertes.