DE3153780C2 - Verfahren zur Steuerung eines implantierbaren Herzschrittmachers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines im­ plantierbaren Herzschrittmachers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein aus der DE 27 38 871 A1 bekannter Herzschrittmacher besitzt einen Mikropro­ zessor mit einem Taktgeber, dessen Funktion und Zweck darin besteht, die Ge­ schwindigkeit zu steuern, mit der der Mikroprozessor seine Operationen ausführen soll. Der Mikroprozessor, dem ein geeigneter Speicher zugeordnet ist, dient zum Steuern sowohl des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Stimulationsimpulsen als auch der Dauer der einzelnen Stimulationsimpulse. Derartige Mikroprozessoren bieten zwar eine erhebliche Flexibilität, jedoch verbrauchen sie auch einiges an Energie. Es wurde herausgefunden, daß, je schneller der Mikroprozessortakt und je kürzer jeder Befehlszyklus ist, desto größer der Energieverbrauch ist. Somit sollte der Mikroprozessor nicht in einer Dauergeschwindigkeit betrieben werden, die höher ist als sie zur Erfüllung der vorgegebenen Aufgaben sein muß. Es wurde deshalb empfohlen, den Mikroprozessor mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu betreiben, und zwar in Abhängigkeit davon, wieviel Aktivität von ihm gefordert wird. Ein le­ digliches Schalten zwischen langsamen und schnellen Geschwindigkeiten ist jedoch nicht möglich, nicht zuletzt deshalb, weil es eine bestimmte Geschwindigkeit gibt, unterhalb der die Gefahr besteht, daß der Mikroprozessor ohne Verlust an Informati­ on nicht zu betreiben ist. Aber auch bei einer solchen geringen Geschwindigkeit wird immer noch zu viel an Energie verbraucht.

Aus der DE 28 25 626 A1 ist ferner ein Herzschrittmacher bekannt geworden, der nicht mit Hilfe eines Mikroprozessors arbeitet. Dieser Herzschrittmacher verwendet einen niederfrequenten Oszillator und einen hochfrequenten Oszillator, die in der Weise zusammenarbeiten, daß die gewünschten Stimulierungsimpulse dem Patienten zugeführt werden können. Der Grund für die Verwendung von zwei Oszillatoren liegt darin, daß zwei Zeitintervalle vorhanden sind, die für die Zwecke der Steuerung der Stimulierungsimpulse signifikant sind. Einer dieser Intervalle ist die Zeit zwi­ schen aufeinanderfolgenden Stimulierungsimpulsen, während das andere Zeitinter­ vall die Zeit dei Dauer jedes Stimulierungsimpulses ist. Weil das Zeitintervall zwi­ schen den Stimulierungsimpulsen relativ lang ist, wird hierfür ein niederfrequenter Oszillator verwendet. Der hochfrequente Oszillator wird deshalb nur dann zuge­ schaltet, wenn er benötigt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines im­ plantierbaren Herzschrittmachers der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem dessen Energieverbrauch erheblich abgesenkt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Steuerung eines implantierbaren Herzschrittmachers der genannten Art mit den im Anspruch 1 angegebenen Merk­ malen vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, die Steuereinheit in einen sogenannten "Schlafzustand" zu den Zeiten zu bringen, in denen die verschiedenen Zustände der zugeordneten externen Schaltkreise derart ist, daß sie keinerlei Unter­ stützung ihres Betriebs durch die Steuereinheit erfordern. Dies führt während dieser Betriebsphase der Steuereinheit zu einer erheblichen Reduzierung von deren Ener­ gieverbrauch. Damit keine Daten verlorengehen, wird zwar immer noch Energie zugeführt, jedoch lediglich in einem minimalen Umfange.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung in Form eines Blockschaltbil­ des den funktionellen Aufbau eines Herzschrittmachers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Steuereinrichtung 1 besitzt einen Mikroprozessor 3, der einen maskenprogram­ mierten Speicher und einen Arbeitsspeicher aufweist.

Mit dem Prozessor 3 sind zugeordnete Schaltkreise 4 in Form eines oder mehrerer integrierter Schaltkreise zugeordnet und verbunden. Im gezeichneten Falle können der Mikroprozessor 3 und die zugeordneten Schaltkreise 4 zu einem einzigen integ­ rierten Schaltkreis kombiniert werden.

Vorzugsweise verwendet man zur Herstellung der Schaltkreistypen die CMOS- Technik, es können jedoch auch andere Techniken, wie die I²L-Technik, in gleicher Weise verwendet werden.

Mit dem Prozessor 3 ist ein geeigneter Zeit- bzw. Taktimpulsgenerator 5, wie bei­ spielsweise ein Widerstands-Kapazitäts-Oszillator, verbunden, dessen Frequenz die Betriebsgeschwindigkeit des Prozessors 3 bestimmt.

Es versteht sich, daß der Taktimpulsgenerator 5 auch auf andere Weise verwirklicht werden kann, insbesondere mit Hilfe eines Quarzes.

Der Prozessor 3 besitzt eine Vielzahl von Ausgängen 6a, 6b, 6c, 6d, die mit dem Herzschrittmacher 2 über Eingangsverbindungen 7a, 7b, 7c, 7d verbunden sind. Die Anzahl der Ausgänge ist zur Steuerung des Herzschrittmachers 2 ausreichend. Das Signal oder das Zurückstellen auf Null für einen Ausgang 6a, 6b, 6c, 6d wird vom Prozessor 3 in Abhängigkeit vom Programm des im Speicher gespeicherten Arbeits­ programms bestimmt.

Der Herzschrittmacher 2 besitzt ebenfalls analoge oder numerische Ausgänge 8a, 8b, mit denen Verbindungsleitungen 9a, 9b mit der Steuereinrichtung verbunden werden können. Beim durch die Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Ausgän­ ge 8a, 8b gezeigt; es versteht sich jedoch, daß auch eine beliebige Anzahl von Aus­ gängen angewendet werden kann.

Die Verbindungen 9a, 9b sind mit den Eingängen von Kippschaltungen 10a bzw. 10b verbunden. Vorzugsweise sind die Signale an den Eingängen der Kippschaltungen 10a, 10b numerische Zeitsignale mit steilem Anstieg, um den Energieverbrauch der Kippschaltungen 10a, 10b zu begrenzen. In diesem Falle können die Signale einen Binärcode darstellen, der den Zustand einer bestimmten Anzahl von Parametern zeigt, die von der Steuereinrichtung zu überwachen sind. Beim implantierbaren Herzschrittmacher sind diese Parameter beispielsweise der Innenwiderstand der Speisebatterie, die funktionellen Merkmale des Herzschrittmachers usw.

Die Ausgänge 11a, 11b der Kippschaltungen 10a, 10b sind mit den Eingängen 12a, 12b des Prozessors 3 über die Verbindungsleitungen 13a, 13b verbunden.

Die Kippschaltungen 10a, 10b besitzen auch Rückstelleingänge 14a, 14b zum Rück­ stellen auf Null, die mit den Ausgängen 15a, 15b des Prozessors 3 über Verbin­ dungsleitungen 16a, 16b verbunden sind.

Auf diese Weise kann der Prozessor 3 über die Eingänge 12a, 12b und die Ausgänge 11a, 11b jeweils einzeln den Zustand der Kippschaltungen 10a, 10b prüfen. Gleich­ falls kann der Prozessor 3 die Kippschaltungen 10a, 10b über die Ausgänge 15a, 15b und die Eingänge 14a, 14b auf Null zurückstellen.

Die Steuereinrichtung 1 besitzt andererseits einen Taktimpulsgenerator 17 oder nu­ merischen bistabilen Oszillator, der unterschiedlich zum Taktimpulsgenerator 5 ist und mit einer geringeren Frequenz als derjenigen des Taktimpulsgenerators 5 arbei­ tet. Die Ausführungsform des Taktimpulsgenerators 17 kann Gegenstand zahlreicher Varianten entsprechend dem Ermessen eines Fachmannes sein, beispielsweise quarzgesteuert oder dergleichen. Die Betriebsfrequenz des Taktimpulsgenerators 17 wird zur maximalen Effizienz insbesondere der minimalen Periode, die von der Steuereinrichtung gemessen wird, gewählt.

Vom Ausgang 18 des Taktimpulsgenerators 17 werden die Impulse des Taktgenera­ tors über Verbindungsleitungen 20a, 20b an die Eingänge 19a, 19b von Zählwerken 21a, 21b angelegt.

Es versteht sich, daß die Anzahl der Zählwerke je nach Bedarf beliebig sein kann.

Die Zählwerke 21a, 21b besitzen jeweils einen Eingang 25a, 25b, der mit einem Ausgang 26a, 26b des Prozessors 3 über Verbindungsleitungen 38a, 38b verbunden ist. Eine Sammelschiene 39 ist mit einem Ausgang 40 des Prozessors 3 und mit Ein­ gängen 41a, 41b der Zählwerke 21a, 21b verbunden. Der Prozessor 3 kann über die Verbindungsleitungen 38a, 38b und die Eingänge 25a, 25b in den Zählern 21a, 21b die Änderung einer Anfangszählung steuern, die er auf die Sammelschiene 39 über den Ausgang 40 vorher gebracht hat und die über die Eingänge 41a, 41b zu den Zählern 21a, 21b übertragen worden ist.

Die Zähler 21a, 21b besitzen Ausgänge 22a, 22b, die über Verbindungsleitungen 23a, 23b mit den Eingängen 24a, 24b des Prozessors 3 verbunden sind.

Die Ausgänge 22a, 22b ermöglichen es über die Verbindungsleitungen 23a, 23b der Signale zum Prozessor 3 festzustellen, daß der Inhalt der Zähler 21a, 21b einen fes­ ten und bestimmten Wert oder eine Endzählung erreicht hat.

Somit ist die Dauer vom Augenblick der Änderung des Zählers bis zum Augenblick, in dem er die Endzählung erreicht hat, gleich der Differenz, die zwischen dem An­ fangswert und der Endzählung, multipliziert mit der Periode des Taktimpulsgenera­ tors 17, besteht.

Der Prozessor 3 kann entweder nur einen oder beide Zähler 21a, 21b steuern, um die Vielfache der Betriebsfrequenz des Taktimpulsgenerators 17 unabhängig zu messen. Es ist nicht notwendig, daß der Prozessor 3 während der Zeitmessung dieser Inter­ valle in Gang gehalten ist. Der Prozessor 3 kann während dieser Zeitmessung in sei­ nem vorhergehenden bzw. Ausgangszustand sein und das Ende der Zeitmessung über die Ausgänge 22a, 22b und der Eingänge 24a, 24b erfassen.

Die beiden Kippschaltungen 10a, 10b besitzen einen logischen Ausgang 27a, 27b. Die beiden Zähler 21a, 21b besitzen einen logischen Ausgang 28a, 28b. Die Aus­ gänge 27a, 27b, 28a, 28b sind über Verbindungsleitungen 29a, 29b, 30a, 30b mit den Eingängen eines logischen UND-Gatters 31 verbunden, dessen einer zusätzlicher Eingang 32 über eine Verbindungsleitung 33 mit einem Ausgang 34 des Prozessor 3 verbunden ist. Der Ausgang 35 des Gatters 31 ist über eine Verbindungsleitung 36 mit dem Stopeingang 37 des Prozessors 3 verbunden.

Die logischen Ausgänge 27a, 27b, 28a, 28b sind "1", wenn die Kippschaltungen 10a, 10b kein Signal von den Ausgängen 8a, 8b empfangen haben oder die Zähler 21a, 21b die Endzählungen nicht erlangt haben. Sobald die Kippschaltungen 10a, 10b Signale empfangen haben, sind die logischen Ausgänge 27a, 27b "0". Entsprechend sind die logischen Ausgänge 28a, 28b der Zähler 21a, 21b "O", sobald sie die End­ zählungen erreicht haben.

Der logische Ausgang 35 des Gatters 31 ist "1", wenn, und nur wenn die logischen Ausgänge 27a, 27b, 28a, 28b "1" sind und wenn in Kombination dazu der logische Ausgang 34 des Prozessors 3 "1" ist.

Der Prozessor 3 geht in Betrieb, sobald der logische Ausgang 35 im Zustand "0" ist, das heißt, der Stopeingang des Prozessors 3 ist inaktiv. Der Prozessor 3 arbeitet bis zu dem Zeitpunkt, an dem der logische Ausgang 35 in den Zustand "1" zurückkehrt. Von diesem Augenblick an ist der Prozessor 3 in seinem vorhergehenden bzw. Aus­ gangszustand, wobei der Taktimpulsgenerator 5 angehalten ist. Somit ist der Ener­ gieverbrauch der Steuereinrichtung sehr gering und nur von Kriechströmen abhän­ gig.

Während der vorhergehenden Phase des Prozessors 3 setzt der Taktimpulsgenerator 17 seinen Betrieb fort und die Zähler 21a, 21b setzen die Messung der Zeitdauer fort, die durch den Prozessor 3 voreingestellt worden ist.

Sobald einer der logischen Ausgänge 27a, 27b, 28a, 28b in den Zustand "0" über­ geht, geht gleichzeitig der logische Ausgang 35 in den Zustand "0" über und der Prozessor 3 kann arbeiten.

Der Prozessor 3 bestimmt nun, welches oder welche der Elemente 10a, 10b, 21a, 21b im Auslöse- bzw Triggerausgangszustand ist. Der Ausgang 34 wird in den Zu­ stand "0" gesetzt, um den Prozessor 3 in Betrieb zu halten. Danach kann der Prozes­ sor 3 die Kippschaltungen 10a, 10b auf Null zurückstellen und/oder in die Zähler 21a, 21b die verschiedenen Anfangswerte ihrer Endzählungen eingeben. Der Prozes­ sor 3 führt nun die Operationen aus, die durch das Triggern bzw Auslösen impliziert sind, oder eine andere Operation, und kehrt dann, wie weiter oben bereits erwähnt, in seinen vorhergehenden Zustand zurück, in dem sein Ausgang 34 in den Zustand "1" zurückgestellt wird.

Es versteht sich, daß die Betriebsdauer des Prozessors 3 in Funktion des Auslösens bzw. Triggerns des Prozessors 3 variieren kann. Andererseits kann der Prozessor 3 ebenso gut auf verschiedene und gleichzeitige Auslösegründe hin antworten.

Die Steuereinrichtung zum Betreiben des Herzschrittmachers, insbesondere ein Mikroprozessor oder ein Mikrorechner, kann Gegenstand verschiedener Ausfüh­ rungsformen sein.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektrisch gespeisten, insbe­ sondere medizinischen Gerätes oder Instrumentes, insbesondere eines Herzschritt­ machers. In diesem Zusammenhang wird der Zustand von mit dem Herzschrittma­ cher verbundenen Kippschaltungen und von Zählern, mit denen ein Taktimpulsgene­ rator verbunden ist, ermittelt. Ein Prozessor wird dann und nur dann in Betrieb ge­ setzt, wenn der Zustand mindestens einer der Kippschaltungen oder mindestens einer der Zähler einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Der Prozessor wird in einem Be­ triebsrhythmus betrieben, der höher ist als der des Taktimpulsgenerators, und der Prozessor wird in den vorhergehenden Zustand versetzt, sobald die Operationen, die aus seinem Inbetriebsetzen resultieren, durchgeführt sind.

Bei diesem Verfahren können der Taktimpulsgenerator und die verbundenen Zähler in Tätigkeit bleiben, solange der Prozessor in seinem vorhergehenden Zustand ist.

Der Prozessor der Steuereinrichtung des Herzschrittmachers funktioniert zwar mit hoher Geschwindigkeit, jedoch kurzzeitig und diskontinuierlich nur in ei­ ner Betriebsphase. Dieser intermittierende Betrieb des Prozessors ermöglicht eine Reduzierung des elektrischen Speiseenergieverbrauchs. Dieser Vorteil wird durch die Tatsache noch verstärkt, daß der oder die Zähler extern und nicht im Prozessor selbst integriert sind, der diese Funktion der Zeitmessung nicht verwirklicht. Die Betriebs­ geschwindigkeit des Prozessor ist erhöht und die Antwort auf äußere Ereignisse ist schnell. Somit kann das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung auf drei gleich­ zeitige Ereignisse in mindestens 1,5 Millisekunden antworten, mit einem niedrigen elektrischen Energieverbrauch von 1 Mikroampere bei 3,5 Volt. Diese Vorteile erhält man insgesamt, wobei man der Steuereinrichtung eine große funktionelle Flexibilität verleiht.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung eines implantierbaren Herzschrittmachers mit einer Steuereinrichtung (1) und mit mindestens einer Einheit, die eine Gerätefunktion realisiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (1) dann aus einem Ruhezustand in einen Betriebszustand gesetzt wird, wenn die mindestens eine Einheit die Gerätefunktion realisiert hat, und daß sie in den Ruhezustand zurückge­ setzt wird, sobald Operationen, die aus dem Setzen in den Betriebs­ zustand resultieren, durchgeführt sind, wobei die Gerätefunktion die Zeitsteuerung eines Intervalls ist und wobei die Dauer dieses Intervalls von der Steuereinrichtung (1) voreingestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minde­ stens eine Einheit während des Ruhezustands der Steuereinrichtug die Gerätefunktion ausführt.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gerätefunktion, die von der mindestens einen Einheit ausgeführt wird, das Abtasten einer natürlichen Herzaktivität ist.