DE69821914T2 - Schaltung zur überwachung der impedanz der stimulationselektrodenleitung - Google Patents

Schaltung zur überwachung der impedanz der stimulationselektrodenleitung Download PDF

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/362Heart stimulators
    • A61N1/37Monitoring; Protecting
    • A61N1/3706Pacemaker parameters

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der implantierbaren Impulsgeneratoren und auf die Bestimmung der Leitungsimpedanz solcher implantierbarer medizinischer Vorrichtungen.
  • Implantierbare Impulsgeneratoren werden heute verwendet für Herzschrittmacher, Defibrillatoren, Kardioverter, Neurostimulatoren einschließlich jener mit Leitungen, die zur Kontrolle von Tremor in das Gehirn implantiert werden, jener mit Leitungen, die zur Kontrolle dauernder Schmerzen in das Rückenmark implantiert werden, usw. Ein Problem, das allen diesen Vorrichtungen gemeinsam ist, beinhaltet die Bestimmung der Fähigkeit der Leitung, Energie zu leiten, und einen Weg, eine zuverlässige Messung dieser Leitungsfähigkeit zu schaffen.
  • Insbesondere können implantierbare Impulsgeneratoren, die verwendet werden, um das Herz eines Patienten zu stimulieren, also Herzschrittmacher, gegebenenfalls eine entscheidende Funktion erfüllen, ohne die der Patient beinahe augenblicklich sterben kann, indem sie den Reiz bereitstellen, der nötig ist, um das Herz am Schlagen zu halten, beispielsweise in Fällen eines Herzblocks und in Fällen, in denen der Patient ein transplantiertes Herz erhalten hat.
  • Wenn eine Leitung bzw. Zuleitung, die für die Stimulation des Herzens wesentlich ist, ausfällt, kann die automatische Antwort auf dieses Versagen den Unterschied zwischen Leben und Tod des Patienten bedeuten. Dementsprechend stellte in den vielen Jahren seit der Einführung der Stimulation des Herzens die Frage der Integrität oder Unversehrtheit der Leiter, die die elektrischen Reizimpulse zur Stimulation des Herzens vom implantierten Impulsgenerator zur Verbindungsstelle mit dem Herzen leiten, eine ernstzunehmende Sorge dar. Viele Lösungen wurden vorgeschlagen, um sowohl für ein automatisches Ansprechen durch Umschalten des Schrittmacherimpulses von einem defekten Leiter auf einen intakten Ersatzleiter zu sorgen, als auch wenigstens eine minimale historische Aufzeichnung der Impedanzmessungen des Leiters der Schrittmacherleitung zu schaffen, um so Daten zu erzeugen, die verwendet werden können, um die nächste Generation von Leitungen neu zu entwickeln oder um möglicherweise vor einem drohenden Versagen des Leitungsleiters zu warnen.
  • Der Grund, warum dieses Problem bei der elektrischen Herzstimulation besonders drängend ist, ist, dass Leitungsleiter üblicherweise aus Metall sind, das andauernd durch die wiederholten Herzbewegungen gebogen wird, was zur Metallermüdung führt; außerdem sind Schrittmacherleitungen anfällig für die Möglichkeit eines Isolationsfehlers, der die Metallleiter der Körperumgebung aussetzen würde, die einem Halten von kleinen Metalldrähten oder Drahtspulen in einem optimalen Zustand ausgesprochen feindlich gegenübersteht.
  • In dem an Hafelfinger u. a. erteilten US-Patent 5.003.975 findet sich eine gute Beschreibung der Lösungen im Stand der Technik. Es beschreibt die US-Patente Nr. 4.140.131 (Dutcher u. a.), Nr. 4.549.548 (Wittkampf u. a.) und Nr. 4.606.349 (Livingston u. a.). Zusätzliche Patente von Walhstrand u. a., 5.534.018; Kuehn, 5.201.865; Steinhaus u. a., 5.201.808; Hudrlik, 5.156.149; Wayne u. a., 5.137.021; Ekwall, 4.899.750; Collins, 5.184.614; und u. a., 5.350.410; und Hansen u. a., 5.431.692; beschreiben auch das Verfahren und die Vorrichtung für die Mes sung und Verwendung der Leitungsimpedanz zur Bestimmung der Integrität und/oder der Verbindung der Leitungsleiter zum Herzen. Die meisten der oben aufgelisteten Patente beruhen auf der Erzeugung eines Impedanzmesswerts während eines Zeitraums, in dem der Herzschrittmacher dem Herzen keinen Stimulationsimpuls gibt, oder tasten alternativ einen Abschnitt oder Abschnitte eines Schrittmachersignals ab und halten diese, digitalisieren ein bestimmtes charakteristisches Merkmal oder Merkmale, die diesem Signal zu eigen sind, und werten die digitalisierte Signaldarstellung durch ein Programm aus, das von einem Mikroprozessor ausgeführt wird, um einen Signalwert oder eine Zahl zu erzeugen, der bzw. die einen guten oder schlechten Wert für den geprüften bzw. zu prüfenden Leiter anzeigt.
  • Was der Stand der Technik noch nicht gezeigt hat, ist ein praktisch durchführbares System, durch das der Schrittmacherimpuls zur Ableitung eines auf einer Impedanzmessung beruhenden Wertes für die Integrität verwendet werden kann, fast gleichzeitig mit dem Schrittmacherimpuls und ohne wesentlichen Mikroprozessoreinsatz oder Energieverbrauch zu benötigen. Idealerweise sollte ein solches System in der Lage sein, zwischen Kurzschlüssen und offenen Schaltkreisen im Schrittmacherweg (oder einem anderen Stimulatorpfad) zu unterscheiden und es ermöglichen, dass der implantierbare Impulsgenerator innerhalb eines einzigen Herzzyklus auf Ausweichpfade umschaltet.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung innerhalb eines implantierbaren Impulsgenerators zu schaffen, die den Zustand der Stimulationsimpulsschaltungen gleichzeitig mit der Abgabe des Stimulationsimpulses durch solche Schaltungen bestimmen kann.
  • Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Schaltung zum Vermessen einer medizinischen elektrischen Leitung für die Verwendung in einem implantierbaren Impulsgenerator (IPG), mit dem ein Leiter einer medizinischen elektrischen Leitung verbunden ist, wobei die Schaltung ein Entladungsschaltungselement umfasst, um durch den Leitungsleiter zum Gewebe in einem Körper einen Strom zu schicken, wobei die Leitung so ausgebildet ist, dass sie mit dem Gewebe über eine Elektrode elektrisch verbunden werden kann; wobei die Schaltung ferner aufweist:
    Spannungsverstärkungs- bzw. VA-Mittel, die eine Spannungsschwankung verstärken, die an dem Leitungsleiter während eines Stimulationsimpulses festgestellt wird, der von dem Entladungsschaltungselement durch den Leitungsleiter geschickt bzw. bereitgestellt wird,
    Ableitungsdetektor-Schaltungsmittel, die ein Ausgangssignal von dem Spannungsverstärker empfangen und einen Ableitungsdetektor-Ausgangsstrom erzeugen, der zu der Steigung der Schwankung proportional ist, die in dem VR-Verstärker-Ausgangssignal in einer Zeitspanne ermittelt wird, die durch die Länge des Schrittmacherimpulses bestimmt ist und bezüglich dieser im Wesentlichen gleich groß bzw. kommensurabel ist,
    eine Stromverstärkerschaltung, die mit den Entladungsmitteln über ein Widerstandsschaltungselement verbunden ist, um einen Strom zu erzeugen, der zu der Spannung über den Entladungsmitteln während des Stimulationsimpulses proportional ist, und
    Schaltungskomparatormittel, die anhand eines Vergleichs der Ausgangssignale des Ableitungsdetektors und des Schaltungsverstärkers ein Signal erzeugen, das einen Zustand des Leitungsleiters angibt.
  • Vorzugsweise erzeugt eine Messung der Ableitung der Spannung kombiniert mit einer Messung des Stroms, der proportional ist zur Spannung, die dem Stimulationsim puls-Entladungsmechanismus entnommen wird, einen Wert, der mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der für die jeweilige geprüfte bzw. zu prüfende Stimulations- oder Schrittmacherleitung angenommen wird, verglichen wird. Wenn die kombinierten Spannungsableitungs- und Stromsignale in dem Bereich liegen, der für die spezielle Schrittmacherleitung durch den vorgegebenen Schwellenwert angegeben wird, kann ermittelt werden, ob die Schrittmacher-Verbraucherimpedanz eine Impedanz darstellt, die für den mit dieser Stimulationsimpulswelle geprüften Zustand (ob ein offener Schaltkreis oder ein Kurzschluss vorliegt) annehmbar oder nicht annehmbar ist.
  • Für die Prüfung auf offenen Schaltkreis und die Prüfung auf Kurzschluss werden vorzugsweise verschiedene Schwellenwerte verwendet. In Vorrichtungen mit vielen zu prüfenden Stimulationsschaltungen, können Informationen bezüglich der zeitlichen Steuerung des Stimulationsimpulses, der abgegeben und gemessen wird, verwendet werden, um zum einen zu entschlüsseln, welche Schaltung geprüft wird, und zum anderen die Schwellenwerte zu bestimmen, gegen die die Messungen ausgeführt werden.
  • Außerdem werden die Verwendung eines unipolaren Reizimpulses oder Unipolarschrittes zur Unterstützung der Erfassung, wenn bei einem bipolaren Reizimpuls oder Bipolarschritt ein Problem erkannt worden ist, und die Verwendung von mehrfachen Mitteln zum Prüfen von Leitungen gemeinsam mit jenem Mittel, das hier beschrieben wird, gelehrt.
  • Mit Bezug auf die begleitende Zeichnung werden nun ausschließlich beispielhalber bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
  • 1 ist ein heuristisches Diagramm, das die Kontur des Körpers eines Patienten und dessen Herz sowie die Verbindung eines für bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung verwendeten implantierbaren Impulsgenerators (IPG) mit diesem und eine Kommunikationsvorrichtung zur Kommunikation mit dem IPG enthält.
  • 2 ist ein heuristischer Blockschaltplan, der die Hauptkomponenten eines Schrittmachersystems zeigt, das zur Implementierung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.
  • 2A ist eine alternative Form von 2.
  • 3 ist ein Stromlaufplan in Blockform der Schaltungselemente und der Verbindungen dazwischen, die in dem IPG untergebracht sind und die Implementierung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermöglichen.
  • 4 ist ein Ablaufplan für die Verwendung der verallgemeinerten Form dieser Erfindung.
  • 5 ist ein Schaltplan für die Verwendung eines zusätzlichen Schaltungselements zum Halten einer Zusatzladung für einen doppelten Reizimpuls oder Doppelschritt, das vorzugsweise nach dem Erfassen eines Kurzschlusses verwendet wird.
  • 6 ist ein Ablaufplan, der die Arbeitsweise einer bevorzugten Ausführungsform der Leitungsimpedanz-Messvorrichtung bei Schrittmachern in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform im Einzelnen beschreibt.
  • In 1 ist zunächst eine Darstellung des Systems 100, das mit dem Körper B eines Patienten verbunden ist, gezeigt. Ein implantierbarer Impulsgenerator (IPG) 14, in dieser Ausführungsform ein Schrittmacher, enthält einen Verbinderblock 16a, der für die elektrische Verbindung mit einer Herzkammer-Leitung 17 sorgt, die eine bei 19 angeordnete Ringelektrode und eine im Punkt 18 angeordnete Spitzenelektrode aufweist und Leiter enthält, die über die Leiter in der Leitung 17 eine elektrische Verbindung zwischen jenen Punkten 18 und 19 und dem IPG 14 an seinem Gehäuse M, gewöhnlich einem hermetisch verschlossenen "Behälter" aus Titan, herstellen. Außerdem ist eine in den Vorhof des Herzens H eingepflanzte Leitung 16 gezeigt, die eine Spitzenelektrode bei 22 und eine Ringelektrode bei 21 aufweist und gleichfalls Leiter enthält, die elektrische Wege vom Verbinderblock 16a zu den Elektroden schaffen. Der Verbinderblock 16a wird verwendet, um die Leiter in den Leitungen vom Behälter oder von anderen Flächenelektroden, die zusammen mit dem IPG verwendet werden können, elektrisch zu trennen. Im Gehäuse M des IPG 14 sind elektrische Schaltungen und Komponenten angeordnet, die weiter unten beschrieben werden. Das Gehäuse M ist hermetisch verschlossen und enthält elektrische Verbinder, die elektrische Verbindungen von den Leitungsverbindern in Leitungen 15 über den Verbinderblock 16 zu den Schaltungen im hermetisch verschlossenen Gehäuse M herstellen. Wie es gewöhnlich der Fall ist, kann der IPG 14 durch HF-Kommunikation 13 mit einer Programmiereinheit 11 kommunizieren, die üblicherweise einen Kopf 12 einsetzt, um in die Nähe des Körpers B des Patienten zu gelangen und so den Leistungsbedarf für die telemetrische Übertragung vom IPG 14 zu verringern.
  • In 2 sind nun die Teile des typischen Schrittmacher-IPG 200 näher gezeigt. Vier Leiter 15a führen durch die Leitungen (die kollektiv als 15 angegeben sind) in 1. Diese stellen über die Leitungen elektrische Verbindungen von den Komponenten im Behälter 20 zu den Elektroden der Leitungen her.
  • Üblicherweise ist außerdem eine Elektrode 15b zum Anschluss an das Gehäuse des hermetisch verschlossenen IPG vorgesehen. Die Leiter 15a führen durch den Verbinderblock 16a. Eine Leitungsschnittstelle 37 ist innerhalb des hermetisch verschlossenen Gehäuses vorgesehen, um eine Verbindung sowohl zu den Komponenten als auch zu den integrierten Schaltungen im Gehäuse herzustellen. Diese Komponenten können die Haltekondensatoren umfassen, die üblicherweise in den stromerzeugenden IPGs verwendet werden, um den Strom für die über die Leiter 15a abgegebenen Stimulationsimpulse zu liefern, wie an sich bekannt ist. Üblicherweise führt die stimulierende Schaltung oder Stimulationsschaltung bei der bipolaren Stimulation von Vtip oder Atip im Ventrikel oder im Atrium aus durch das Herzgewebe und/oder andere Körpergewebe und -fluide zu den Vring- und Aring-Elektroden. Bei der unipolaren Stimulation geht die Verbindung gewöhnlich von der Spitzenelektrode durch das Körpergewebe zu der Gehäuseelektrode (15b). Bei der Bereitstellung von Stimulationsschaltungen sind sämtliche Variationen bekannt, jedoch sind die soeben beschriebenen Anordnungen die gebräuchlichsten.
  • In dem IPG-Gehäuse 20 (das gewöhnlich aus Titan gefertigt ist, obwohl andere Metalle und Kunststoffe verwendet werden könnten) befindet sich das mit der Leitungsschnittstelle und dem Komponentenblock 37 verbundene geeignete Signalverteilungsnetz 36, das gewöhnlich einen Eingangs-/Ausgangsbus und Multiplexer-Schaltungsgruppen enthält. Schalter innerhalb eines Steuerlogikblocks 35 liefern eine Anzahl (w) von Signalen, um den Signalverkehr durch die Multiplexer in der Schaltung 36 zu lenken. Wenn die Abgabekomponenten auf der Leitungsleiterseite der Schaltung 36 angeordnet sind, ist ein Reizimpulsaus gabeblock 25 für diese Darstellung zweckmäßig. Ein Fachmann erkennt, dass die Entwurfs- und Ausführungsmerkmale der in den Blöcken 36, 37, 25 und 35 enthaltenen Schaltungen für die zu entwerfende spezifische Vorrichtung geeignet sind. Ein Leseverstärker-Systemblock 301 enthält Verstärkerschaltungen, die Signale über die Schaltungen 37 und 36 direkt von den Elektroden empfangen. Die Steuerlogik 35 wählt die Verfügbarkeit von Komponenten in dem Leseverstärkersystem 301 aus, um eine Verstärkersättigung auf Grund sich überlagernder Großsignale zu verhindern, die Verstärkung zu steuern und ihren Betrieb allgemein zu steuern. Zur Steuerung dieses Systems ist eine geeignete Anzahl von Eingangsleitungen (x) vorgesehen. Einzelheiten dieser Steuerung sind für die Verbesserung der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung relevant, wie weiter unten mit Bezug auf 3 beschrieben wird. Die Steuerlogik 35 stützt sich auf Eingangsleitungen (y), die vom Zeitgeberschaltungs- und Quarzuhrblock 37a herangeführt sind, sowie auf einen Eingang von einem (nicht gezeigten) CPU-Bus, der Signale vom CPU-Block 26 bereitstellt.
  • Der CPU-Block 26 umfasst einen Mikroprozessor und zugehörige Eingangs- und Ausgangs-Digitalsignalleitungen, die entweder über den Steuerlogikblock 35 oder direkt für die verschiedenen Schaltungen in dem implantierbaren Impulsgenerator 200 verfügbar sind. Er kann mikrocodierte Befehle enthalten oder durch ein sich in einem RAM/ROM-Block 27 befindliches Programm gesteuert sein, um die verschiedenen Steuerfunktionen zu erfüllen und unter Einsatz der anderen Schaltungen in dem IPG 200 die verschiedenen Therapien auszuführen.
  • Außerdem enthält ein Telemetrieblock 28 eine Schaltungsanordnung, die erfasst, wann eine Kommunikation erforderlich ist, und sowohl Eingangs- als auch Ausgangsdatenim pulse in einer für die Kommunikation über eine Antenne 31 geeigneten Form liefert. Die Antenne 31 und der Aktivitätsquarz 29 sowie weitere Sensoren, die vom IPG 200 im Block 33 verwendet werden können, können innerhalb oder außerhalb des hermetisch verschlossenen Behälters des IPG 200 angeordnet sein. Dies ist in der Abbildung durch die gestrichelte Linie 20a in 2A angegeben. Die Aktivitätserfassungsschaltung 34 erfüllt ähnlich wie die den anderen sensorbezogenen Schaltungen 32 eine Funktion, die darin besteht, von den Sensoren, die mit jener Schaltung verbunden sind, Daten zu empfangen und Ausgangssignale zu liefern, üblicherweise an den CPU-Bus oder einen anderen Datenbus, damit der von dem bestimmten Sensor gelieferte Messwert vom IPG 200 verwendet werden kann. Außerdem können solche Schaltungen die Funktion eines mit ihnen verbundenen Sensors ein- oder ausschalten.
  • In 3 ist ein Blockschaltplan des für die Erfindungsmerkmale der vorliegenden Erfindung relevantesten Schaltungssystems 300. Um die Schaltung in den Zusammenhang mit dem implantierbaren Impulsgenerator zu stellen, sei angemerkt, dass ein Datenbus 30 mit den CPU-RAM/ROM-Schaltungen kommuniziert und jene Leitungen 43 und 44 eine elektrische Verbindung mit einem Atrium-Leitungsleiter Al bzw. einem Ventrikel-Leiter VL herstellen. (Die AL- und VL-Leiter können in Abhängigkeit von einer nicht gezeigten vorhergehenden Schaltereinstellung Ring oder Spitze sein.) Die Kondensatoren, die die Ladung für die Stimulationsimpulse bereitstellen, sind hier als Kondensatoren 41 und 42 gezeigt. (Es sei angemerkt, dass bei einer einzigen Leitervorrichtung weder eine Gruppe der oben beschriebenen Merkmalen noch ein Multiplexer 40 notwendig wäre. Außerdem wäre ein großer Teil der mit Bezug auf diese Ausführungsform beschriebenen Steuerung nicht notwendig.) Die Daten von der erfindungsgemäßen Schaltung 300 sind für den Mikroprozessor zur Speicherung oder Verarbeitung auf höherer Ebene durch die Leitungsintegritäts-Zustandsregister im Block 71, der Signale 73 liefert, die auf der linken Seite des Blocks 71 gezeigt sind, auf dem Datenbus 30 verfügbar. Das auf diesen Leitungen 73 vorhandene Signal wird durch die Eingangssignale über die Zustandsleitungen 74 von der Decodierlogik 72 bestimmt. Die Steuerregister im Block 60 lesen Signale in den Leitungsintegritäts-Zustandsregistern 71 aus oder ein, indem sie Lese- und Schreibsignale auf den Bus 75 geben. Die Steuerung, die bestimmt, ob sie ein- oder auszulesen sind, wird durch Signale auf den Leitungen 77 und 78 an ein Adressendecodierregister 70 besorgt, das von den Leitungen 76 Adressinformationen entnimmt, die in einem momentan in der CPU ablaufenden Programm und in den RAM/ROM-Schaltungselementen, die mit Bezug auf 2 beschrieben sind, verwendet werden können.
  • Der Zeitgeber- und Steuerschaltungsblock 50 empfängt eine Eingabe von einer (nicht gezeigten) Taktsignalschaltung und kann durch Informationen vom Steuerregisterblock 60 und von der Leitung 61b Taktsignale an andere Komponenten des Diagramms, die mit dem Teil des gerade ausgeführten Programms zusammenhängen, liefern. Wenn beispielsweise der IPG eine Vorhof-Unipolarstimulation vornehmen soll, liefert die Zeitgeber- und Steuerschaltungsanordnung Signale auf der Leitung 51, um die Schaltungen 48, 49 für den Empfang eines Eingangssignals zum geeigneten Moment und die Bereitstellung von Energie für die übrigen Schaltungsblöcke vorzubereiten. Es sei angemerkt, dass die Schwellenwerteingabe CURAMP verschiedene Eingänge für die OCP- und SCP-Schwellenpegel haben sollte. Einzelne Schaltungen, die das Signal messen, richten sich dann mit den geeigneten Schwellenwerten für eine in diesem Beispiel Vorhof-Unipolarstimulation ein und öffnen einen geschlos senen Test.
  • Wenn einer der Kondensatoren 41 oder 42 vollständig aufgeladen ist und während einer Reizimpulsabgabe zu entladen beginnt, hat der hochohmige Eingang der Spannungsverstärkerschaltung 48 eine direkte Verbindung mit jenem entladenden Kondensator über die Leitungen 45 und 45a, die über den Multiplexer 40 darauf gerichtet werden. In dem Signalpfad 45b zur Stromverstärkerschaltung 49 ist ein großer Widerstand 46 angeordnet, um die Stimulationsspannung nachzusteuern bzw. zu tracken. Dieser Widerstandswert beträgt in der bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise 20 Megaohm plus minus etwa 5% und erfordert somit ein Register außerhalb des Chips. Schwellen- und Verstärkungscharakteristika, wie sie durch die Steuerregister im Block 60 vorgegeben werden, werden somit über die Leitung 61a an beide Schaltungen 48 und 49 gleichzeitig geliefert. Beispielsweise dürfte bei einem Vorhof-Unipolarstimulationsimpuls beim Prüfen auf offenen Schaltkreis (AOCP) üblicherweise ein Widerstandswert erwartet werden, der größer als 4.000 Ohm ist (gegenüber 200 Ohm bei einem Kurzschlussimpuls oder "SCP"). Nach Bedarf können andere Werte programmiert werden. Die Dauercharakteristik des abgegebenen Stimulationsimpulses wird durch die Freigabe- und Sperrsignale bestimmt, die durch die Schaltung 50 zeitlich so gesteuert werden, dass sie der Impulsbreite entsprechen. Typische Werte eines von einem Schrittmacher abgegebenen Stimulationsimpulses umfassen einen Bereich von unter 1 Volt bis über 7½ Volt bezüglich der Amplitude und eine Impulsbreite von 121 Mikrosekunden bis 1,5 Millisekunden. Die Leitung 61a liefert Schwellenwertinformationen an die Schaltungen 48 und 49. Die Verstärkung wird über die Leitung 61a angegeben. So nahe wie möglich am Zeitpunkt des Schließens des Reizimpulsabgabeschalters, der den Stimulationsimpulsstrom über den Leitungsleiter abgibt, weisen Signale auf der Leitung 51 die entsprechenden Schaltungen an, einzuschalten und zu messen, was an ihrem Eingang anliegt. Dieses Signal bräuchte bloß eine Gruppe von Taktsignalen sein, könnte vom Entwickler jedoch nach Bedarf komplexer gestaltet werden.
  • Die Grundoperation der Schaltung 300 ist dazu bestimmt, den an das Herz gelieferten Strom (in der Schrittmacherausführungsform) während jeder Reizimpulsabgabe zu überwachen und übermäßig hohe oder niedrige Strompegel als Indikatoren für den Leitungszustand zu kennzeichnen. In einer verallgemeinerten Form ist diese Tätigkeit durch den Ablaufplan von 4, Schritte 16, veranschaulicht. Die stimulierende Spannung wird ebenfalls überwacht, so dass dann, wenn der Strom mit ansteigender Spannung bei gleicher Stimulationslast zunimmt, ein solcher Zustand die Leitungszustandsbits nicht setzt. Die Schaltung 300 misst die Spannung an den externen 10-μF-Stimulationsimpuls-Haltekondensatoren über den Strom durch den 20-Megaohm-Hybridwiderstand. Der stimulierende Strom wird durch die Gleichung IP = Ch·(d Vch/dt) bestimmt, wobei Ip der stimulierende Strom ist, Ch entweder der Vorhof- oder der Kammerstimulations-Haltekondensatorwert ist und Vch die Spannung über dem Haltekondensator ist. Der stimulierende Strom wird mit den Schwellenströmen verglichen, um zu bestimmen, ob die Impedanz bei Reizimpulsabgabe einen oberen Impedanzschwellenwert überschreitet oder einen unteren Impedanzschwellenwert unterschreitet. Reizimpulse, die hohe Impedanz ergeben, werden Offener-Schaltkreis-Reizimpulse (OCPs) genannt, während Reizimpulse, die eine niedrige Impedanz ergeben, Kurzschluss-Reizimpulse (SCPs) genannt werden.
  • Die Funktion der Schaltung 48 kann als wechselstromgekoppelter Verstärker beschrieben werden. Ihre Ausgänge 91 und 92 speisen in die Ableitungsdetektorschaltungen (dv/dt-Detektorschaltungen) 81 und 82 ein, die einen zur Steigung ihrer Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstrom erzeugen. Der Stromverstärker 49 empfängt einen zur Spannung am Haltekondensator proportionalen Eingangsstrom, der über die durch den Eingangsmultiplexer 40 ausgewählte Leitung 45 empfangen wird. Die Schaltung 49 wirkt als Stromverstärker. Die Verstärkungen der beiden Schaltungen 48 und 49 sind programmierbar, um verschiedene OCP- und SCP-Schwellenwerte zu liefern, und können durch eine Eingabe von der Leitung 61a eingestellt werden. Dies hängt natürlich davon ab, ob die Schaltung 300 momentan auf einen Kammer-Reizimpuls oder auf einen Vorhof-Reizimpuls prüft. Da die Zeitgeberschaltung das Ein- und Ausschalten dieser Schaltungen lenkt, sind die Impulsbreitenänderungen kein Problem. Da die "Einschaltzeit-Schaltkreise" in etwa der Breite eines Stimulationsimpulses entsprechen, ist die Gelegenheit für eine doppelte Reizimpulsabgabe durch diese Schaltung gegeben. Die doppelte Reizimpulsabgabe wird weiter unten besprochen.
  • Wie einem Leser, der sich auf dem Gebiet auskennt, klar ist, können sämtliche der auf den Leitungen 88a, 88b, 87a, 87b und 88 sowie 87 gelieferten Signale in digitaler oder analoger Form vorkommen und dennoch das gleiche Ergebnis liefern. Dies wird im Zuge der folgenden Beschreibung der Schaltungsblöcke 81 bis 86 noch deutlicher.
  • Begonnen wird mit einer Offener-Schaltkreis-Reizimpuls-Erfassung. Die programmierbare Verstärkung des Schaltungsblocks 48 für den OCP-Erfassungskanal ist im Allgemeinen höher als die Verstärkung für einen SCP-Kanal. Indem die Verstärkung der Schaltung 48 so programmiert wird, dass ihre Ausgangsgröße in einem Bereich gehalten wird, der für die Ableitungsdetektorschaltung 82 annehmbar ist, ist die Schaltung 82 keinem weiten Bereich von Eingangsanstiegen für verschiedene OCP-Schwellenwerte unterworfen. Der von dem Detektor 82 gelieferte Ausgangswert wird mit der Ausgangsgröße der Stromverstärkerschaltung 49 verglichen, wobei bei einer analogen Ausgangsgröße der Vergleich wegen einer Verbindung bei 88 erfolgt und andernfalls beide an den Stromkomparator 84 als Digitalsignale mit einem numerischen Wert, der die Messergebnisse repräsentiert, geliefert werden.
  • Der Reizimpuls folgt OCP- oder SCP-Zuständen mit Bipolarstimulationsleitung und ist dem Wesen nach ein unipolarer Backup- bzw. Ersatztreizimpuls. Vorzugsweise stellt die Vorrichtung für den SCP-Zustand einen dritten oder zusätzlichen Schrittmacher-Kondensator 501 bereit, dessen Ladung durch eine Schaltung wie 500 zur SCP-Leitung (Stimulationsleitung) geleitet wird und die Stimulation nach Entdeckung des SCP-Zustands in einer Bipolarkonfiguration wie in 5 fortsetzt.
  • Es sei angemerkt, dass bei derselben Stimulationslast auf Grund dessen, dass sowohl der Ausgangsstrom der Schaltung 82 als auch der Ausgangsstrom der Schaltung 49 zur gleichen Reizimpulsamplitude proportional sind, keine Abhängigkeit von der ausgegebenen Amplitude besteht.
  • In der analogen Form bleibt der Ausgang der Schaltung 84 auf Tiefpegel (oder auf Hochpegel, je nachdem wie der Entwickler den Indikator wählt) als Angabe eines Offener-Schaltkreis-Reizimpulses, wenn die Ausgangsgröße des Detektors 82 kleiner als der Ausgangsstrom der Stromverstärkerschaltung 49 ist. Dieser Ausgang kann je nach Signal, das auf der Leitung 51 zur Decodierlogik 72 und zur Logik für offenen Schaltkreis 86 geschickt wird, entweder für einen OCP-Zustand bei einer Vorhof-Bipolarstimulation, einer Kammer-Bipolarstimulation, einer Vorhof-Unipolarstimulation oder einer Kammer-Unipolarsti mulation kennzeichnend sein. Da diese Schaltungen einen Kurzschlusszustand oder einen Zustand offenen Schaltkreises während der Impulsabgabe bestimmen, ist die Gelegenheit gegeben, sofort einen zweiten Reizimpuls abzugeben. Dies wird "Doppelschritt" oder "Doppelstimulation" genannt. Indem über die Leitung 302 von der Decodierlogik 72 ein Signal geliefert wird, sobald eine positive Angabe eines Bipolar-OCP- oder Bipolar-SCP-Zustandes gefunden wird, kann die Zeitgeberschaltung 50 (oder, falls bevorzugt, eine andere, für diesen Zweck entworfene Schaltung) ein Signal erzeugen, das die Entladung eines Doppelschrittes in einer Unipolarkonfiguration, im Wesentlichen entweder durch Zuschalten des Zusatzkondensators oder der Zusatzladungsschaltung, wie in 5 gezeigt ist, oder durch Verwendung der Restladung auf dem Kondensator, unmittelbar bevor sie verfügbar gemacht wird, freigibt, um im Fall eines offenen Schaltkreises einen Stimulationsimpuls an das Gewebe abzugeben, da im OCP-Fall eine ausreichende Ladung verbleibt. Gleichzeitig sollte die Zeitgeberschaltung die Zeit, in der von den Schaltungen CURCOMP und VAMP und den auf deren Ausgangsseite liegenden Schaltungen die Messungen ausgeführt werden, verlängert werden.
  • Wenn die Spannungsschaltung 48 so programmiert ist, dass sie über die SCP-Ausgangsleitung 91 eine Ausgabe an die Detektorschaltung 81 liefert, wird die Verstärkung so eingestellt, dass sie einer Kurzschlussprüfung (und einer viel niedrigeren Impedanz) entspricht, wobei der Schwellenwert entsprechend programmiert ist. Das verstärkte Signal treibt die Schaltung 81, wobei wie im Fall des OCP-Detektors 82 die Ausgangsgröße der Schaltung 81 mit der Ausgangsgröße der Stromverstärkerschaltung 49 unter Verwendung der Komparatorschattung 83 verglichen wird. Diese Stromkomparatorschaltung 83 gibt ein logisches Hoch (oder das Gegenteil, je nachdem, welche Logik durch die Ausgangsschaltung 84 vorgesehen ist) aus, wenn der SCP-Schwellenwert zu irgendeinem Zeitpunkt während des Messens des Stimulationsimpulses überschritten wird.
  • 6 ist ein Ablaufplan 600 in Blockform, das die Reihenfolge, in der die Ereignisse in diesen Schaltungen stattfinden, veranschaulicht. Dieser Prozess initiiert den Beginn einer Reizimpulsabgabe (601), wobei im ersten Schritt 602 die Schaltungsanordnung eingeschaltet wird. Die Schaltungen messen dann die Impedanz und bestimmen, ob sie über dem OCP-Schwellenwert liegt 603, und/oder kleiner als der SCP-Schwellenwert ist 604. Wenn sie außerhalb beider Schwellenwerte liegt, kann die Schaltung bei 607 wieder abschalten und im Schritt 601 auf die Auslösung eines neuen Reizimpulses warten. Dieser Impedanzwert ist die Ausgangsgröße auf den Leitungen 93, 94 und 96 der Schaltung 300 von 3.
  • Wenn in den Schritten 603 oder 604 ermittelt worden ist, dass die Impedanz innerhalb des Schwellenwerts liegt, muss eine Entscheidung getroffen werden, ob dies ein A-Reizimpuls oder ein V-Reizimpuls (d. h. ein Atrium-Stimulationsereignis oder ein Ventrikel-Stimulationsereignis) war, wobei diese Entscheidung in Schritten, die hier durch die Blöcke 608 und 609 des Ablaufplans 600 repräsentiert sind, durch die Decodierlogik 72 der Schaltung 300 getroffen wird. Wenn ein Kurzschluss-Reizimpuls-Zustand gegeben ist, wird unabhängig davon, ob es ein Unipolar-Kurzschluss oder ein Bipolar-Kurzschluss ist, im Schritt 612 das gleiche Atrium-Kurzschluss-Reizimpuls-(ASCP)-Zustandsbit oder andernfalls im nächsten Schritt 613 das Ventrikel-Kurzschluss-Reizimpuls-(VSCP)-Zustandsbit gesetzt. Wenn im Schritt 619 ermittelt worden ist, dass eine automatische Kurzschluss-Impulsabgabe (Autopace) freigegeben ist, steht die Leitung 302 in der Schaltung 300 zur Verfügung, um Informationen, dass ein Kurzschluss-Reizimpuls vorgekommen ist, an die Zeitsteuerungsschaltung 50 zu liefern. Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt 620 der Zusatzkondensator (Kondensator 501 der Schaltung 500) freigegeben, wenn es einen solchen Ladungsspeicher gibt, der in der Vorrichtung, die von der Schaltung, die gemäß diesem Ablaufplan gesteuert wird, verfügbar ist. Wenn nicht bereits im Schritt 621 auf Unipolarkonfiguration eingestellt worden ist, wird dies getan, bevor im Schritt 622 der Doppelstimulationsimpuls abgegeben wird. Nachdem die Doppelstimulation erfolgt ist, startet ein Signal im Schritt 607 den Ausschaltvorgang, der andernfalls durch die ebenfalls auf der Leitung 605 verfügbaren Ausgangssignale ausgelöst worden wäre.
  • Wenn im Schritt 603 ermittelt worden ist, dass ein Impedanzpegel größer als der OCP-Schwellenwert ist, d. h., dass im Schritt 608 ermittelt worden ist, dass eine Vorhofstimulation betroffen ist, wird in 610 bestimmt, ob das Zustandsbit ABOCP im Schritt 614a oder AUOCP im Schritt 614b zu setzen ist, um auf dem Datenbus 30 den Leitungsintegritätszustand für die bestimmte Konfiguration (d. h. Atrium-Bipolar oder Atrium-Unipolar) zu identifizieren.
  • Wenn es keine Vorhofstimulation ist bzw. betrifft, ist klar, dass es eine Kammerstimulation ist, wobei im Schritt 611 die Schaltungen wiederum bestimmen, ob diese bipolar oder nicht bipolar ist. Wenn sie nicht bipolar ist, wird im Schritt 614d das Zustandsbit VUOCP gesetzt, und wenn sie bipolar ist, wird im Schritt 614c VBOCP gesetzt. Welches Zustandsbit auch immer gesetzt ist, ermittelt der nächste Schritt 616, ob der OCP ein Autopace-freigegeben-Merkmal besitzt, und stellt dann, wenn dem so ist, sicher, dass der nächste Impuls im Schritt 617 in einer Unipolarkonfiguration abzugeben ist und im Schritt 618 abgegeben wird. Nach der Abgabe des Doppelstimulationsimpulses im Schritt 618 wird die Schaltung 300 im Schritt 607 abgeschaltet, falls sie nicht durch die anderen Eingaben auf die Leitung 606 bereits abgeschaltet worden ist. Es sei noch angemerkt, dass dann, wenn der OCP im Unipolarmodus ist, die bevorzugte systemische Antwort wäre, keinen doppelten Reizimpuls abzugeben, da sich unipolare Stimulation als ineffektiv erwiesen hat. Somit sieht in dem bevorzugten System ein (nicht gezeigter) Schritt (607) im Fall eines OCP im Unipolarmodus einfach einen Abschaltschritt vor.
  • Außerdem können diese Schaltungen und andere oben beschriebenen Merkmale zusammen mit den Impedanzmessungen verwendet werden, die von anderen Systemen, vorzugsweise jenen, die auf Leitungsintegrität zu Zeiten prüfen, in denen kein Stimulationsimpuls vorliegt. Das am stärksten bevorzugte System wäre jenes, das von diesem Erfinder in US 5 910 156 A mit dem Titel "Non-Physiologic Sense Detection" beschrieben worden ist.
  • Durch Ausführen einer alternativen Messung können mehr Daten hinsichtlich des Zeitpunkts des Auftretens eines Leitungsschaltungsintegritätsproblems gesammelt werden. Die Daten überdecken mehr mechanische Herzstellen als eine Vorrichtung, die entweder nur während der Abgabe eines Impulses oder dann, wenn kein Impuls abgegeben wird und die Leseverstärkeraustastung nicht eingeschaltet ist, misst. Solche Daten, die nicht während einer Stimulation bestimmt worden sind, könnten durch eine der Verfahrens- und Vorrichtungslehren bereitgestellt werden, die in den Patenten im Hintergrundabschnitt beschrieben sind, mit Ausnahme jener, die in einem Abschnitt der Stimulationsimpulsabgabezeit messen. Daten, die durch eine dieser Messungen erzeugt werden, können ohne weiteres kompiliert und in einem geeigneten Format im Speicher innerhalb des IPG gespeichert werden. Diese Daten im Speicher könnten verwendet werden, um die Grundlage für ein Programm zu liefern, das einen Patientenalarm erzeugt, oder durch Kommunikation zwischen dem IPG und einer externen Vorrichtung ausgelesen werden, wobei ein Arzt die Daten für einen beliebigen Zweck einschließlich dem Aufstellen eines Terminplans zur Auswechslung einer schlechten Leitung, dem Ändern von Schrittmacherparametern und so weiter sowie dem Berichten an den Hersteller verwenden kann. Wenn das Auftreten einer schlechten Leitung im Bipolarzustand festgestellt wird, kann der IPG automatisch auf Dauer in den Unipolarmodus umschalten.

Claims (7)

  1. Schaltung (300) zum Vermessen einer medizinischen elektrischen Leitung für die Verwendung in einem implantierbaren Impulsgenerator (IPG), mit dem ein Leiter (15) einer medizinischen elektrischen Leitung verbunden ist, wobei die Schaltung ein Entladungsschaltungselement (41, 42) umfasst, um durch den Leitungsleiter zum Gewebe in einem Körper einen Strom zu schicken, wobei die Leitung so ausgebildet ist, dass sie mit dem Gewebe über eine Elektrode elektrisch verbunden werden kann; wobei die Schaltung ferner aufweist: Spannungsverstärkungs- bzw. VA-Mittel (48), die eine Spannungsschwankung verstärken, die an dem Leitungsleiter während eines Stimulationsimpulses festgestellt wird, der von dem Entladungsschaltungselement (41, 42) durch den Leitungsleiter geschickt bzw. bereitgestellt wird, Ableitungsdetektor-Schaltungsmittel (81, 82), die ein Ausgangssignal von dem Spannungsverstärker (48) empfangen und einen Ableitungsdetektor-Ausgangsstrom erzeugen, der zu der Steigung der Schwankung proportional ist, die in dem VA-Verstärker-Ausgangssignal in einer Zeitspanne ermittelt wird, die durch die Länge des Schrittmacherimpulses bestimmt ist und bezüglich dieser im Wesentlichen gleich groß bzw. kommensurabel ist, eine Stromverstärkerschaltung (49), die mit den Entladungsmitteln über ein Widerstandsschaltungselement (46) verbunden ist, um einen Strom zu erzeugen, der zu der Spannung über den Entladungsmitteln während des Stimulationsimpulses proportional ist, und Schaltungskomparatormittel (83, 84), die anhand eines Vergleichs der Ausgangssignale des Ableitungsdetektors (81, 82) und des Schaltungsverstärkers (49) ein Signal erzeugen, das einen Zustand des Leitungsleiters angibt.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, die ferner Signalangabemittel (71) aufweist, die anhand bzw. auf der Basis eines Ausgangssignals der Schaltungskomparatormittel (83, 84) ein Signal erzeugen, das angibt, ob der Leitungszustand einen offenen Schaltkreis, einen Kurzschluss oder einen normalen Schaltkreis repräsentiert.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine zusätzliche Ladungshaltequelle (501) aufweist, um einen Strom bereitzustellen, der benötigt werden könnte, um bei Auftreten eines Zustandes eines bipolaren Kurzschlussschrittes bzw. einer bipolaren Kurzschlussstimulation einen Doppelschritt bzw. eine Dippelstimulation zu liefern.
  4. Schaltung nach Anspruch 3, bei der die zusätzliche Quelle (501) außerdem einen Strom bereitstellen kann, um bei Auftreten einer durch einen offenen Kreis bedingten Bipolarstimulation eine Doppelstimulation zu liefern.
  5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzliche Umschaltschaltungsmittel (40) aufweist, um zwischen einer Vorhof-Ladungsquelle und einer Kammer-Ladungsquelle im IPG so umzuschalten, dass für eine Vorhofstimulation die Vorhof quelle so geschaltet ist, dass sie mit der Messschaltung verbunden ist, hingegen während einer Kammerstimulation die Kammerladungsquelle so geschaltet ist, dass sie mit der Messschaltung verbunden ist.
  6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Polaritätsumschalt-Schaltungsmittel aufweist, um bei Auftreten eines Hinweises von der Messschaltung auf einen offenen Kreis oder auf einen Kurzschluss in dem geprüften bzw. zu prüfenden Schrittmacher-Leitungsleiter von einer Bipolarschrittmacher-Konfiguration zu einer Unipolarschritterzeugung umzuschalten.
  7. Schaltung nach Anspruch 6, die die Garantie von Unipolaritäts-Schaltungsmitteln besitzt, um sicherzustellen, dass der IPG eine unipolare Konfiguration für die Lieferung einer Doppelstimulation aufweist.
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