DE3222315C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Energieinhalts eines elektri­ schen Körperreizimpulses, der durch eine Entladung eines Kondensators erzeugt wird.

Es ist bekannt, die Ausgangsenergie eines Muskelreizimpuls­ generators zwecks Optimierung der Batterielebensdauer zu justieren. In Verbindung mit Herzschrittmachern umfaßt die Optimierung typischerweise zwei Hauptschritte. Der erste Schritt besteht darin, eine Leitung mit einer zum Stimu­ lieren von Muskelgewebe geeigneten Elektrode im Herz zu positionieren. Die Lage der Elektrode wird dabei so ein­ gestellt, daß ein Kontakt mit reizbarem Gewebe erreicht wird, der zu annehmbar niedrigen Energiepegeln führt. Die­ se Einstellung findet normalerweise unter Verwendung einer externen Schrittmacheranordnung oder eines Schrittmacher­ systemanalysators statt. Im Anschluß an die Positionierung der Leitung wird der implantierbare Impulsgenerator so ein­ gestellt, daß er für jeden Reizimpuls eine Ausgangsenergie bereitstellt, die ausreichend ist, um das mit der Elektrode in Kontakt stehende Gewebe verläßlich zu stimulieren, der aber nicht so groß ist, daß es zu einer vorzeitigen Entla­ dung der Batterie kommt. Die beiden erläuterten Einstellun­ gen erfolgen für gewöhnlich im Operationssaal.

Zur Messung der von einem Impulsgenerator (extern oder in­ tern) tatsächlich erzeugten Reizenergie wurden verschiede­ ne Techniken eingesetzt. Das am häufigsten benutzte Vorge­ hen besteht darin, die Ausgangsspannung an einem bestimm­ ten Punkt während des Reizimpulses zu messen und aufgrund von Annahmen bezüglich der Wellenform daraus die Energie zu bestimmen. Die Annahmen bezüglich der Wellenform lassen sich treffen, weil die normale Stimulationsschaltung für die Entladung eines Ausgangskondensators über die Elektro­ de und in das reizbare Gewebe sorgt. Eine Verbesserung die­ ses Verfahrens ist aus der US-PS 39 83 476 bekannt. Dabei erfolgt die Messung der Ausgangsenergie eines Defibrilla­ tors durch Messen des Spannungsabfalls an einem Vergleichs­ widerstand. Bei der bekannten Anordnung wird über die ge­ samte Impulsbreite integriert, wodurch Schwankungen der Ausgangswellenform und Abweichungen von der angenommenen Wellenform kompensiert werden. Der Hauptnachteil der be­ kannten Lösung besteht darin, daß nur die Entladung über einen Vergleichswiderstand gemessen wird. Dies erfordert den Einsatz eines kostspieligen Präzisionswiderstands. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Reizimpuls bei Anlage an den Vergleichswiderstand und nicht bei Anlage an das reizbare Körpergewebe gemessen wird. Es wird also nur die dem Lastwiderstand zugeführte Ausgangsenergie bestimmt.

Ein Verfahren zum Bestimmen des ohmschen Widerstandes von reizbarem Körpergewebe ist aus der US-PS 42 45 643 be­ kannt. Nach einer solchen Messung könnte das Verfahren gemäß der US-PS 39 83 476 benutzt werden, um die Energie einer Entladung nicht an dem Vergleichswiderstand, son­ dern an dem tatsächlichen ohmschen Widerstand des reiz­ baren Körpergewebes zu ermitteln. Dieses zweistufige Vor­ gehen eignet sich zwar zum Bestimmen der Reizenergie mit hinreichender Genauigkeit; es ist jedoch unerwünscht kompli­ ziert.

In ähnlicher Weise wird bei der Schaltung nach der US-PS 37 87 767 und US-PS 37 47 605 vorgegangen, wobei in letzterem Fall auch Messungen während der Anwendung am Patienten mög­ lich sind. Zur Bestimmung der Impulsenergie werden jeweils Spannung, Strom und Impulsdauer ermittelt. Beim Test findet allerdings generell ein Lastwiderstand als "künstlicher" Ver­ braucher Anwendung.

Die Formel zum Errechnen der in einem Kondensator gespeicher­ ten Gesamtenergie aus der Kapazität des Kondensators und der an ihm liegenden Spannung ist beispielsweise aus "Physik - ein Lehrbuch von Wilhelm H. Westphal", Springer-Verlag, Ber­ lin, Heidelberg, New York 1970, Seiten 279-260, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine genaue unmittelba­ re Bestimmung des Energieinhalts von Reizimpulsen ohne Rücksicht auf die Art der Last erlauben, über welche die Entladung stattfindet, ohne daß der Benutzer nach der Mes­ sung zusätzliche Berechnungen durchführen muß.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die Energie ei­ nes Reizimpulses unabhängig davon gemessen werden, ob der Impuls in eine Testlast oder in Körpergewebe geschickt wird. Die Energiemessung erfolgt unmittelbar in einem ein­ stufigen Vorgang. Das heißt, der behandelnde Arzt braucht im Operationssaal keine Berechnungen durchzuführen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Vorrichtung und das Verfah­ ren nach der Erfindung ohne eine Reihe von Präzisionskom­ ponenten auskommen, die bisher normalerweise notwendig waren, um die Energiemessung vorzunehmen. Was bekannt sein muß, ist jedoch der Wert des Ausgangskondensators des Im­ pulsgenerators. Dabei handelt es sich aber im Regelfall um eine Präzisionskomponente von bekannter Größe.

Erfindungsgemäß wird die Spannung an dem Ausgangskondensa­ tor des Impulsgenerators gemessen, bevor und nachdem der Reizimpuls übermittelt wird. Die Energie läßt sich auf die­ se Weise anhand von bekannten Formeln unmittelbar berech­ nen, sofern nur der Wert des Ausgangskondensators mit hin­ reichender Genauigkeit bekannt ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Gesamtblockschaltbild ei­ ner bevorzugten Ausführungs­ form der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches elektrisches Schaltbild des torgesteuerten Verstärkers 12,

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild des Schalters 20,

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild des Verstärkers 40,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm der Firmware des die Energieberechnungen durchführenden Mikroprozessors 48,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm des Unter­ programms RETTST,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm des Unter­ programms QUADRIERE, und

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm des Unter­ programms DIV100.

Die Erfindung ist vorliegend als Teil eines Schrittmacher­ systemanalysators erläutert. Ein solches Gerät wird im Operationssaal für den Implantationsvorgang eingesetzt. Der Schrittmachersystemanalysator weist vorzugsweise ei­ nen externen Impulsgenerator sowohl für Kammerreizung als auch für Vorhofreizung auf. Zu dem Gerät gehört ferner die Hardware zum Bestimmen der Reizimpulsenergie. Weitere Schal­ tungsstufen des Gerätes sind für andere Überwachungsfunktio­ nen vorgesehen. Ein solches Gerät ist beispielsweise in Form des Schrittmachersystemanalysators vom Typ Medtronic (ein­ getragenes Warenzeichen) Modell 5311A bekannt. Es ist je­ doch hervorzuheben, daß die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung in gleicher Weise auch bei anderen Über­ wachungsgeräten und bei implantierbaren Impulsgeneratoren benutzt werden können.

Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Vorrichtung zum Messen der Ausgangsenergie des Schrittmachersystemanalysators dar. Die Anordnung ge­ mäß Fig. 1 erlaubt es, die Reizimpulsenergie zu messen, die sowohl dem Vorhof als auch der Kammer zugehen, wenn Vorhof- und Kammer-Ausgangskondensatoren 10 bzw. 24 ent­ laden werden. Der Ausgangskondensator 10 wird über Lei­ tungen 14 und 14b aufgeladen. Der Ladestrom kommt von dem Vorhofschrittmacherteil des Schrittmachersystemanalysators (nicht dargestellt). Eine Leitung 14a zweigt zu einem tor­ gesteuerten Verstärker 12 ab. Das Ausgangssignal gelangt von dem Kondensator 10 über Leitungen 16 und 16b zum Vor­ hof. Dies entspricht der Leitung, die über eine implan­ tierte Elektrode mit dem reizbaren Gewebe im Vorhof elektrisch verbunden ist. Eine Leitung 16a führt eben­ falls zu dem torgesteuerten Verstärker 12.

Bei dem Verstärker 12 handelt es sich um einen Differenz­ verstärker, dessen Ausgang über eine Leitung 54 von einem Mikroprozessor 48 torgesteuert wird. Wenn der Ver­ stärker 12 über die Leitung 54 entsperrt wird, liefert er ein verstärktes Ausgangssignal, das kennzeichnend für die Differenz der Signale auf den Leitungen 14a und 16a (d. h. die Spannung am Ausgangskondensator 10) ist, über eine Leitung 18 an einen Schalter 20. Es ist wichtig festzuhalten, daß diese Spannung nicht mit Bezug auf Masse oder einen anderen Bezugspunkt gemessen wird. Da­ durch, daß unmittelbar die an dem Ausgangskondensator 10 anliegende Spannung gemessen wird, werden die Ungenauig­ keiten vermieden, die mit dem ohmschen Widerstand von Körpergewebe verbunden sind, wofür bei den oben genann­ ten bekannten Anordnungen eine Kompensation notwendig ist.

Bei dem Schalter 20 handelt es sich um einen linearen Lei­ tungsschalter, der über eine Leitung 34 gesteuert wird. Die Leitung 34 kommt vom Mikroprozessor 48 und öffnet oder schließt den Stromkreis zwischen der den Eingang des Schal­ ters 20 darstellenden Leitung 18 und einer den Ausgang des Schalters 20 bildenden Leitung 22a. Auf diese Weise kann der Mikroprozessor 48 über die Leitung 34 bestimmen, wann das Ausgangssignal des Verstärkers 12 über die Leitung 18, den Schalter 20, die Leitung 22a und eine Leitung 22 zu einem Verstärker 40 geht.

Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um den Energieinhalt des Kammerreizimpulses zu messen. Der Ausgangsimpuls wird für gewöhnlich durch die Entladung des zuvor aufgeladenen Ausgangskondensators erzeugt. Das Sig­ nal auf einer Leitung 15 entspricht also einem an Masse legen der Leitung 15 über das Herz des Patienten. Der Aus­ gangskondensator 24 wird über die Leitung 15 und eine Lei­ tung 15a aufgeladen. Der Kammerreizimpuls läuft über Lei­ tungen 28 und 28a. Ein torgesteuerter Verstärker 30 arbei­ tet in genau der gleichen Weise wie der Verstärker 12, d. h. er gibt auf eine Leitung 32 ein Ausgangssignal, das pro­ portional der Differenz der Potentiale auf der Leitung 15a und einer Leitung 28b ist, wenn er vom Mikroprozessor 48 über eine Leitung 56 entsperrt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 30 läuft über die Leitung 32 zu einem Schalter 38. Der Schalter 38 arbeitet auf die gleiche Weise wie der Schalter 20, d. h. er ist ein Leitungsschal­ ter, der schließt, wenn er vom Mikroprozessor 48 über eine Leitung 36 entsperrt wird.

Der Verstärker 40 verstärkt das Ausgangssignal auf der Leitung 22. Dieses Signal ist proportional der an dem Ausgangskondensator 10 anliegenden, gemessenen Spannung, wenn der Mikroprozessor 48 den Verstärker 12 über die Leitung 54 sowie den Schalter 20 über die Leitung 34 entsperrt. Dagegen ist das Ausgangssignal auf der Lei­ tung 22 proportional der an dem Ausgangskondensator 24 anliegenden Spannung, wenn der Mikroprozessor 48 über die Leitung 56 den Verstärker 30 sowie über die Leitung 36 den Schalter 38 entsperrt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 40 geht über eine Leitung 42 an einen Ana­ log/Digital-Umsetzer 44. Der Umsetzer 44 setzt das über die Leitung 42 eingehende Analogsignal in ein Digital­ signal um, das dem Mikroprozessor 48 über eine Leitung 46 zugeführt wird. Der Mikroprozessor 48 steuert die An­ ordnung und führt die Berechnungen aus. Er gibt den be­ rechneten Energiewert über eine Leitung 50 an eine An­ zeige 52.

Bei dem Analog/Digital-Umsetzer 44 handelt es sich vor­ zugsweise um einen 8Bit-Analog/Digital-Umsetzer von mitt­ lerer Geschwindigkeit. Solche Baustufen stehen in mono­ lithischer Form zur Verfügung. Beispielsweise eignet sich vorliegend das Standardmodell ADC0808 von INTEL, INC. In entsprechender Weise kann es sich bei dem Mikroprozessor 48 um jeden beliebigen 8Bit-Mikroprozessor handeln. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Model 8085 von National, Semiconductor vorgesehen. Die Anzeige 52 ist vorzugsweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD-Anzeige). Bevorzugt wird mit vier vollen Ziffern und Dezimalkomma gearbeitet.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des torgesteuer­ ten Verstärkers 12. Die Schaltungsauslegung des Verstär­ kers 30 stimmt mit derjenigen des Verstärkers 12 überein, so daß auf eine nähere Erläuterung des Verstärkers 30 ver­ zichtet werden kann. Die positive Seite des Ausgangskon­ densators 10 steht über die Leitung 14a mit dem Verstär­ ker 12 in elektrischer Verbindung. Ein Spannungsteiler mit Widerständen 126, 128 und 130 ist als Eingang für ei­ nen Operationsverstärker 132 vorgesehen. Bei den Wider­ ständen 126, 128, 130 handelt es sich jeweils um 1 Megohm- Präzisionswiderstände mit einer Genauigkeit von 1%. Der Spannungsteiler stellt eine hohe Impedanz (ungefähr 3 Meg­ ohm) mit Bezug auf den Ausgangskondensator 10 dar. Die ne­ gative Seite des Ausgangskondensators 10 ist über die Lei­ tung 16a an den Verstärker 12 angeschlossen. Die Leitung 16a führt zu einem Widerstand 124, der gleichfalls ein 1 Megohm-Widerstand mit einer Genauigkeit von 1% ist. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 132 ist an den Verbindungspunkt der Widerstände 128, 130 des Spannungsteilers angeschlossen. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 132 steht über einen 1 Megohm- Widerstand 134 (Genauigkeit 1%) und eine Leitung 142 mit einer Übertragungs-Torschaltung 122 in Verbindung. Bei dem Operationsverstärker 132 kann es sich um einen han­ delsüblichen Baustein, beispielsweise vom Typ 8021, han­ deln.

Die Torschaltung 122 ist gleichfalls eine handelsübliche Komponente, beispielsweise vom Typ 4016. Sie stellt ei­ nen digitalgesteuerten linearen Leitungsschalter dar. Die Torschaltung 122 koppelt, wenn sie über eine Leitung 120 entsperrt wird, das über eine Leitung 140 laufende Analogsignal an die Leitung 142 an. Wenn die Torschal­ tung 122 über die Leitung 120 gesperrt wird, trennt die Torschaltung 122 den Stromkreis auf.

Der Operationsverstärker 132 empfängt infolgedessen die an dem Ausgangskondensator 10 anliegende Spannung immer dann, wenn die Torschaltung 122 über die Leitung 120 ent­ sperrt wird.

Das Signal auf der Leitung 120 wird über das vom Mikro­ prozessor 48 kommende Kabel 54 gesteuert, das Leitungen 54a und 54b umfaßt, die an den Takteingang bzw. den Lösch­ eingang eines D-Flipflops 100 angeschlossen sind. Der Da­ teneingang des D-Flipflops 100 ist an die +15 V-Spannungs­ versorgung angeschlossen und liegt daher stets auf lo­ gisch "hoch". Der Setzeingang des D-Flipflops 100 ist über eine Leitung 104 mit Masse verbunden, so daß er immer "nied­ rig" liegt. Das D-Flipflop 100 wird immer dann gelöscht, wenn die Leitung 54b logisch "hoch" liegt. Das D-Flipflop 100 schaltet um, wenn die Leitung 54a auf logisch "hoch" um­ springt.

Der Mikroprozessor 48 läßt die Leitung 54b logisch "hoch" gehen, wenn der Operator nicht die Messung der Energie des Vorhofreizimpulses gewählt hat. Umgekehrt liegt die Leitung 54b "niedrig", wenn es erwünscht ist, die Energie des Vorhofreizimpulses zu messen. Immer dann, wenn eine Messung durchgeführt werden soll, springt das Signal auf der Leitung 54a von logisch "niedrig" auf logisch "hoch", wo­ durch das D-Flipflop 100 umgeschaltet wird. Der Mikropro­ zessor 48 kann auf diese Weise das zu dem Operationsver­ stärker 132 gehende Eingangssignal steuern.

Der Ausgang Q des D-Flipflops 100 ist über eine Leitung 106 und einen 100 Kiloohm-Widerstand 108 mit einem NPN- Transistor 110 verbunden. Der Transistor 110 wird strom­ führend gemacht, wenn der Ausgang Q des D-Flipflops 100 "hoch" liegt. Der Transistor 110 sperrt, solange der Aus­ gang Q des D-Flipflops 100 "niedrig" liegt.

Die Basis eines PNP-Transistors 116 ist über einen 100 kΩ- Widerstand 114 an den Kollektor des NPN-Transistors 110 angeschlossen. Ein 100 kΩ-Widerstand 112, der mit der +8 V-Stromversorgung verbunden ist, liefert die Emitter­ vorspannung für den PNP-Transistor 116. Ein 100 kΩ-Last­ widerstand 118 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 116 und der -8V-Stromversorgung. Wenn der Transistor 110 Strom führt, wird der Transistor 116 stromführend gemacht. Leitet der Transistor 110 nicht, wird umgekehrt auch der Transistor 116 gesperrt.

Wenn sich der Transistor 116 im leitenden Zustand befin­ det, geht die Leitung 120 logisch "hoch" wodurch die Tor­ schaltung 122 in die Lage versetzt wird, den Stromkreis zwischen den Leitungen 140 und 142 zu schließen. Ist der Transistor 116 nicht stromführend, führt die Leitung 120 logisch "niedriges" Potential; die Torschaltung 122 wird ge­ sperrt.

Wenn das D-Flipflop 100 über die Leitung 54b gelöscht wird, ist die Torschaltung 122 offen, und der negative Eingang des Operationsverstärkers 132 wird nur über einen 1 Megohm- Widerstand 136 vorgespannt. Liegt die Leitung 54b logisch "niedrig", kann das D-Flipflop 100 durch den positiven Span­ nungssprung auf der Leitung 54a gesetzt werden, wodurch die Transistoren 110 und 116 stromführend gemacht werden. Die Torschaltung 122 wird entsperrt. Der Operationsver­ stärker 132 wird veranlaßt, über die Leitung 18 eine Span­ nung abzugeben, die proportional der am Ausgangskondensa­ tor 10 anliegenden Spannung ist. Wie aus der Fig. 2 her­ vorgeht, kann der Mikroprozessor 48 über die Leitungen 54a und 54b die Zeit steuern, innerhalb deren der Opera­ tionsverstärker 132 auf die Leitung 18 eine Spannung gibt, die proportional der Spannung am Ausgangskondensator 10 ist. Dies ist der Fall, wenn der Operator die Messung der Vorhofenergie auswählt, so daß die Leitung 54b "niedrig" liegt, und wenn die Anfangs- und Endpunkte des Reizimpulses auftreten, was durch den Spannungssprung auf der Leitung 54a kenntlich gemacht wird. Die Kammerschaltungsanordnung für den Verstärker 30 ist in gleicher Weise aufgebaut.

Fig. 3 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild des Schalters 20, der identisch mit dem Schalter 38 ist. Der Schalter 20 hat die Aufgabe, das ihm über die Lei­ tung 18 zugehende Ausgangssignal des Verstärkers 12 über die Leitungen 22a und 22 zu dem Verstärker 40 durchzu­ schalten. Der Schalter 20 wird über die vom Mikroprozessor 48 kommende Leitung 34 entsperrt und gesperrt.

Der Schalter 20 weist eine Übertragungs-Torschaltung 144 auf, die den Stromkreis von der Leitung 18 zur Leitung 22a öffnet und schließt. Die Steuerung für das Öffnen und Schließen des Stromkreises erfolgt über die Leitung 34, einen Verstärker 146 und eine Leitung 148. Zwischen der Leitung 34 und Masse liegt ein 100 kΩ-Widerstand 150. Der Verstärker 146 ist vorgesehen, um das über die Lei­ tung 34 laufende Signal ausreichend zu verstärken, so daß die Torschaltung 144 rasch umgeschaltet werden kann. Die Schalter 20 und 38 sorgen dafür, daß dem Verstärker 40 unter dem Einfluß des Mikroprozessors 48 jeweils nur das Vorhof- oder Kammer-Reizimpulssignal zugeht.

Fig. 4 veranschaulicht ein schematisches elektrisches Schaltbild des Verstärkers 40, bei dem es sich um einen ultralinearen Verstärker handelt, der das über die Lei­ tung 22 laufende Signal verstärkt und über die Leitung 42 auf den Analog/Digital-Umsetzer 44 gibt. Der Verstär­ ker 40 weist zwei Stufen auf, die aus Operationsverstär­ kern 156 und 166 sowie zugeordneten Vorspann- oder Kopp­ lungskomponenten aufgebaut sind. Bei den Operationsver­ stärkern 156 und 166 kann es sich um handelsübliche Kom­ ponenten beispielsweise vom Typ 8021 handeln. Zwischen dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 156 und Masse liegen ein 22 Megohm-Widerstand 152 und ein dazu parallelgeschalteter Kondensator 154 von 0,1 mF. Ein mit dem Operationsverstärker 156 verbundener Widerstand 158 hat einen Wert von 10 Megohm. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 156 steht mit seinem negativen Eingang über eine Leitung 160 in Verbindung. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 156 ist ferner über einen 100 kΩ-Widerstand 162 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 166 angeschlossen. Zwischen dem positiven Eingang des Opera­ tionsverstärkers 166 und Masse liegt ein 100 kΩ-Wider­ stand 164. Der Operationsverstärker 166 ist über einen 10 Megohm-Widerstand 168 an die -8 V-Spannungsversorgung angeschlossen. Vom Ausgang des Operationsverstärkers 166 zu dessen negativem Eingang führt eine Leitung 170. Der Ausgang des Operationsverstärkers 166 steht mit der Lei­ tung 42 über einen 2,2 kΩ-Widerstand 172 in Verbindung.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm für das Firmware-Programm, anhand dessen die Energieberechnungen vorgenommen werden. Bei diesem Firmware-Programm handelt es sich um eine Teil­ gruppe der Gesamtfirmware, die im Rahmen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, weil der Schrittmachersystemanalysator vom Typ Medtronic (einge­ tragenes Warenzeichen) Modell 5311A eine Reihe weiterer Funktionen durchführt, die mit der vorliegenden Erfindung nichts zu tun haben. Vorzugsweise wird vorliegend mit ei­ nem Mikroprozessor vom Typ National Semiconductor Modell 8085 gearbeitet. Das Firmware-Programm kann aber ohne wei­ teres auch an andere Mikroprozessoren angepaßt werden.

Nach Wahl des Operators erfolgt der Zugang zu dem Unter­ programm ENERGIE am Element 200. Der Operator wünscht da­ bei die Energie des Reizimpulses zu messen, der entweder von dem externen Impulsgenerator (d. h. dem Impulsgenerator des Schrittmachersystemanalysators) oder mittels eines im­ plantierbaren Impulsgenerators erzeugt wird. Das Element 202 initialisiert die Werte der Variablen, welche das End­ ergebnis speichern. Das Element 204 bestimmt, ob die Mes­ sung für einen implantierbaren Impulsgenerator oder den in­ ternen Impulsgenerator des Überwachungsgerätes durchgeführt werden soll. Wenn die Messung für einen anderen als einen implantierbaren Impulsgenerator vorgenommen werden soll, geht die Steuerung über das Anschlußelement 206 an das Ele­ ment 282 über. Diese Verzweigung entspricht der bevorzug­ ten Ausführungsform. Wie aus der untenstehenden Diskussion folgt, ist diese Messung recht ähnlich derjenigen, die für den implantierbaren Impulsgenerator durchgeführt wird. Bei dem implantierbaren Impulsgenerator muß jedoch der Wert des Ausgangskondensators bestimmt werden, während dieser Wert für den externen Impulsgenerator bekannt ist.

Wenn die zu messende Energie die Energie eines Reizimpul­ ses ist, der im Schrittmachersystemanalysator erzeugt wird, ist der Wert von C bekannt. In diesem Falle kann die Ener­ gie definiert werden als 0.5 mal den Wert des Quadrats der Spitzenspannung minus den Wert des Quadrats der Endspan­ nung mal den bekannten Wert der Kapazität des Kondensators. Im Falle der bevorzugten Ausführungsform haben der Aus­ gangskondensator 10 und der Ausgangskondensator 24 jeweils einen Wert von etwa 10 mF. Dieser Wert erscheint in den un­ ten erläuterten Berechnungen.

Die Energiemessungen für den Vorhof- und den Kammerreiz­ impuls erfolgen auf die gleiche Weise. Im Rahmen der Hard­ warebeschreibung kann daher die Vorhofmessung betrachtet werden. Die Kammermessungen werden in der gleichen Art durchgeführt. Beim Element 282 wird die Prozedur PSAVPM abgerufen, welche die Spitzenspannung des Impulsgenera­ tors im Schrittmachersystemanalysator mißt. Entsprechend Fig. 1 wird dabei die Leitung 54b logisch niedrig gehal­ ten, während die Leitungen 54a und 34 logisch hoch gehal­ ten werden. Dies kann ohne weiteres mittels des Mikro­ prozessors 48 geschehen, wobei eine zweckentsprechende Ein/Ausgabevorrichtung benutzt wird, beispielsweise das National Semiconductor Modell NSC810.

Das Element 284 ruft die Prozedur REORNO ab, um festzu­ stellen, ob der Wert gültig ist. Dabei wird einfach fest­ gestellt, ob der gemessene Wert durchweg aus Einsen be­ steht, oder nicht, d. h. einem Wert, der nicht definiert ist. Das Element 286 stellt fest, ob mittels der Proze­ dur REORNO die Gültigkeit gefunden wurde oder nicht. Wenn der gefundene Wert nicht gültig war, erfolgt über das Element 288 ein Rücksprung. Nimmt man an, daß der gemessene Wert der Spitzenspannung nicht aus lauter Ein­ sen bestand, ruft das Element 290 die Prozedur PSAVEM ab, um die Endspannung des Ausgangskondensators 10 des Im­ pulsgenerators zu messen. Auf diese Weise veranlaßt das Firmware-Programm des Mikroprozessors 48, daß die an dem Ausgangskondensator 10 anliegende Spannung unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Reizimpuls gemessen wird.

Entsprechend Fig. 5 ruft das Element 292 erneut die Pro­ zedur REORNO, um festzustellen, ob die Endspannung gültig ist. Das Element 294 stellt fest, ob Gültigkeit ermittelt wurde. Falls nicht, erfolgt ein Rücksprung über das Ele­ ment 296. Wenn die gemessene Endspannung keinen aus lau­ ter Einsen bestehenden Wert hat, übergibt das Element 298 die Steuerung an die Prozedur RETTST, um festzustellen, ob eine der gemessenen Spannungen Null war. Die Operation dieses Unterprogramms ist weiter unten näher erläutert.

Das Element 300 stellt fest, ob eine der Spannungen Null war oder nicht. Falls ja, erfolgt ein Rücksprung über das Element 302. Wenn keine der beiden gemessenen Spannungen Null war, stellt das Element 304 fest, ob die Spitzen­ spannung gleich der Endspannung war. Dies ist der Fall, wenn ein Konstantspannungs-Reizimpuls erzeugt wird. Das Element 306 stellt fest, ob die Endspannung größer oder gleich 90% der Spitzenspannung ist. Für den anormalen Fall, daß dies der Fall ist, wird über das Element 308 die Steuerung auf das Unterprogramm PSACUR übertragen, um den Spitzenstrom zu messen.

Über das Element 312 wird die Energiemessung für den Schrittmachersystemanalysator für den bevorzugten Fall eines konstanten Stromes fortgesetzt. Das Element 344 ruft die spezialisierte Prozedur QUADRIERE ab, welche die Differenz zwischen dem Quadrat der Spitzenspannung und dem Quadrat der Endspannung ermittelt. Das Element 346 ruft die Prozedur DIVIDIERE, bei der eine Division durch 20 erfolgt. Dadurch wird gleichzeitig für die Multiplikation mit dem Wert von C, d. h. dem Wert des Aus­ gangskondensators 10, die Multiplikation mit der Konstan­ ten 1/2 und die Skalierung gesorgt. Der Rest wird im Ele­ ment 348 überprüft. Das Element 350 veranlaßt ein Abrun­ den des Quotienten, wenn der Rest größer als 10 ist.

Die anderen Arten der Energieberechnungen (weiter unten erläutert) werden über das Element 280 zusammengeführt. Das Element 352 ermittelt, ob der gemessene Wert für die Energie gleich Null ist oder nicht. Falls die Antwort ja ist, ruft das Element 354 einen Fehlercode von 1 ab, und über das Element 358 erfolgt ein Rücksprung. Wenn das Ele­ ment 352 feststellt, daß die Energie nicht gleich Null ist, ermittelt das Element 356, ob die Energie größer als 1000 ist. Dies würde einem unrealistisch hohen Wert für die Energie entsprechen. Falls ja, ruft das Element 360 einen Fehlercode gleich 2 ab, und über das Element 364 erfolgt ein Rücksprung. Wenn der Energiewert innerhalb des vor­ gesehenen Bereiches liegt, wird das Ergebnis vom Element 362 über die Anzeige 52 angezeigt, und über das Element 346 erfolgt ein Rücksprung.

Die zwischen den Elementen 314 und 342 durchgeführten Operationen dienen dem Berechnen der Energie für Kon­ stantspannungs-Impulsgeneratoren. Nach dem Messen des Spitzenstroms durch das Element 308 überträgt das Ele­ ment 314 die Steuerung auf das Unterprogramm REORNO, um festzustellen, ob der ausgelesene Stromwert aus lau­ ter Einsen besteht. Das Element 316 gibt über das Ele­ ment 318 die Steuerung an das rufende Programm zurück, wenn der ausgelesene Stromwert ungültig war. Wenn der aus­ gelesene Stromwert dagegen gültig war, stellt das Element 320 die Erfassung auf die Kammer ein. Diese Anzeige ge­ schieht nur für Wiedergabezwecke. Das Element 322 stellt dann fest, ob der betreffende Wert vom Vorhof stammt oder nicht. Falls nein, geht die Steuerung auf das Element 326 über. Wenn der Vorhof gewählt wurde, stellt dagegen das Element 324 das Hinweissymbol auf die Vorhofanzeige. Der Punkt 246 stellt den Eingabepunkt für die Konstantspan­ nungsmessung für den implantierbaren Impulsgenerator dar. Diese Eingabe ist weiter unten diskutiert.

Am Element 326 geht die Steuerung auf das Unterprogramm SCL2X5 über, um den Stromwert zu skalieren. Das Element 328 ruft dann das Unterprogramm MULTIPLIZIERE ab, um mit dem Strom zu multiplizieren. Die Prozedur DIV100 wird durch das Element 330 abgerufen, um den resultierenden Wert mit dem Faktor 100 zu skalieren. Das Element 332 dividiert die Impulsbreite durch 100, indem es die Pro­ zedur DIVIDIERE abruft.

An dieser Stelle sind die Spitzenspannung, der Spitzen­ strom und die Impulsbreite gemessen, als gültig erkannt und skaliert. Das Element 334 ruft die Prozedur MULTI­ PLIZIERE ab, um diese drei Größen miteinander zu multi­ plizieren. Der Rest wird beim Element 338 multipliziert. Die Resultierende wird beim Element 340 durch die Proze­ dur DIV100 skaliert. Die Resultierende und der Rest wer­ den beim Element 342 addiert. Vom Element 280 geht die Steuerung auf den Teil der Prozedur über, wo die Gültig­ keitskontrolle und die Anzeige des berechneten Energiewer­ tes erfolgen.

Das Element 208 wird erreicht, nachdem das Element 204 feststellt, daß die Impulsenergie eines implantierbaren Impulsgenerators gemessen werden soll. Durch das Element 208 wird die Prozedur IPGVPM aufgerufen, um die an dem Aus­ gangskondensator anliegende Spitzenspannung zu messen. Das Element 210 ruft die Prozedur REORNO ab, um festzustellen, ob die resultierende Spannung einen ausschließlich aus Ein­ sen bestehenden Wert hat. Wenn die gemessene Spannung un­ gültig ist, gibt das Element 212 die Steuerung an das Ele­ ment 214 ab, die ihrerseits die Steuerung auf das rufende Programm zurücküberträgt. Wenn das Element 212 feststellt, daß der gemessene Wert gültig ist, überträgt das Element 216 die Steuerung an die Prozedur IPGVEM, um die Endspan­ nung zu messen. Das Element 218 ruft die Prozedur REORNO ab, um festzustellen, ob die gemessene Endspannung einen ausschließlich aus Einsen bestehenden Wert hat. Wenn der Wert ungültig ist, übergibt das Element 220 die Steuerung für einen Rücksprung an das Element 222. Wenn der gemesse­ ne Wert gültig ist, überträgt das Element 224 die Steuerung auf die Prozedur RETTST, um festzustellen, ob der Spitzen­ spannungswert oder der Endspannungswert gleich Null ist. Ist einer dieser Werte gleich Null, überträgt das Element 300 über das Rücksprungelement 302 die Steuerung auf die rufende Prozedur. War keiner der gemessenen Werte Null, überträgt das Element 232 die Steuerung auf die Prozedur IPGPWM, um die Impulsbreite zu messen. Für die Messung der Impulsbreite steht eine Anzahl von Methoden zur Verfügung.

Die Impulsbreitenmessung wird benötigt, um die Kapazität des Ausgangskondensators des implantierten Impulsgenera­ tors zu bestimmen. Die Prozedur REORNO wird durch das Element 234 aufgerufen, um festzustellen, ob die Impuls­ breite gültig ist. Das Element 236 veranlaßt den Rück­ sprung beim Element 238, falls der Wert nicht gültig ist.

Das Element 240 stellt fest, ob es sich bei dem Ausgangs­ signal des implantierbaren Impulsgenerators um ein Kon­ stantspannungs-Ausgangssignal handelt. Eine Reihe von Herstellern bringen implantierbare Impulsgeneratoren auf den Markt, die in dieser Weise ausgelegt sind. Das Konstantspannungs-Ausgangssignal muß in anderer Art ge­ messen werden; es erfolgt dabei eine Impulsbreitenmes­ sung, die beim Element 232 durchgeführt wird. Obwohl dieses spezielle Meßverfahren nicht das bevorzugte Aus­ führungsbeispiel darstellt, wird es vorliegend der Voll­ ständigkeit halber diskutiert. Das Element 242 ruft die Prozedur SCL2X5 ab, um die Spannung zu skalieren. Die Spitzenspannung und die Endspannung sind gleich. Das Element 244 multipliziert die skalierte Spannung mit 2 und gibt die Steuerung über das Element 246 weiter, um die Berechnungen in der oben erläuterten Weise fortzu­ führen.

Wenn das Element 240 festgestellt hat, daß der implan­ tierbare Impulsgenerator keine konstante Spannung er­ zeugt hat, wird die Steuerung über das Element 248 zu der Prozedur LN übertragen, um den natürlichen Logarith­ mus der Spitzenspannung zu errechnen. In ähnlicher Weise überträgt das Element 250 die Steuerung auf die Prozedur LN, um den natürlichen Logarithmus der Endspannung zu berechnen. Das Element 254 ruft dann die Prozedur NEGHL ab, welche die Endspannung komplementiert. Das Element 254 addiert den natürlichen Logarithmus der Spitzen­ spannung und das Komplement des natürlichen Logarith­ mus der Endspannung. Das Element 256 stellt fest, ob das Ergebnis negativ ist. Wenn das Ergebnis nicht ne­ gativ ist, dekrementiert das Element 258 den natürli­ chen Logarithmus der Spitzenspannung.

Das Element 260 subtrahiert den natürlichen Logarithmus der Endspannung von dem natürlichen Logarithmus der Spi­ tzenspannung. Das Element 262 übergibt die Steuerung an die Prozedur DIVIDIERE, welche die Differenz zwischen dem natürlichen Logarithmus der Spitzenspannung und dem natürlichen Logarithmus der Endspannung durch die Kon­ stante 655 dividiert. Die Division durch diese Konstante erlaubt es der Firmware, den Wert der Spitzenspannung minus der Endspannung durch einen Faktor 16 zu skalie­ ren.

Das Element 266 überträgt die Steuerung an die Prozedur MULTIPLIZIERE, welche die Differenz zwischen dem natür­ lichen Logarithmus der Spitzenspannung und dem natür­ lichen Logarithmus der Endspannung mit 100 multipliziert. Dann wird die Steuerung an die Prozedur QUADRIERE mittels des Elements 268 übertragen, um die Differenz der Quadra­ te der Spitzenspannung und der Endspannung zu erhalten. Die Prozedur QUADRIERE ist unten näher erläutert.

Das Element 270 ruft die Prozedur DIV100 ab, um das Resul­ tat durch 100 zu dividieren. Diese Prozedur ist gleichfalls unten näher erläutert. Das Element 272 ruft die Prozedur MULTIPLIZIERE ab, um das Resultat mit der Impulsbreite zu multiplizieren. Dann ruft das Element 274 die Prozedur DIVIDIERE ab, und das Abrunden für den Rest erfolgt beim Element 276. Wenn der Rest größer als 1/2 ist, inkremen­ tiert das Element 278 den Quotienten. Dann wird die Steue­ rung über den Anschluß 280 auf das Element 352 übertragen.

Die Logik zwischen dem Element 204 und dem Element 280 wird benutzt, um den Wert der Kapazität eines implantier­ baren Impulsgenerators zu berechnen, bei dem der Kapazi­ tätswert nicht bekannt ist. Diese Berechnung erfolgt in der Form Energie = Impulsbreite·(Quadrat der Spitzen­ spannung - Quadrat der Endspannung)/natürlicher Logarith­ mus von (Spitzenspannung/Endspannung). Dies ist im Falle von implantierbaren Impulsgeneratoren notwendig, bei de­ nen der Wert des Ausgangskondensators nicht bekannt ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird also die Energie auf drei grundsätzliche Weisen errechnet. Bei dem bevor­ zugten Vorgehen wird mit einem bekannten Wert der Kapazi­ tät des Ausgangskondensators gearbeitet. Dies ist der Fall, wenn die Energie des Ausgangsimpulses des Schrittmacher­ systemanalysators gemessen wird. Für diesen Fall brauchen nur die Spitzenspannung und die Endspannung gemessen zu werden. Die Energie wird dann errechnet als 1/2·die Kapa­ zität·die Größe Quadrat der Spitzenspannung - Quadrat der Endspannung.

Das zweite Vorgehen ist für implantierbare Impulsgenerato­ ren vorgesehen, bei denen der Wert des Kondensators nicht bekannt ist. In diesem Falle werden die Spitzenspannung, die Endspannung und die Impulsbreite bestimmt, um den Wert des Ausgangskondensators zu ermitteln. Das dritte Vorgehen wird für implantierbare Impulsgeneratoren und den Schritt­ machersystemanalysator eingesetzt. Es errechnet die Ener­ gie aufgrund der Impulsbreite und des Spitzenstroms für Ausgangsreizimpulse mit konstanter Spannung.

Fig. 6 zeigt das Ablaufdiagramm für das Unterprogramm RETTST. Seine Funktion besteht darin, die Anzeigeausgabe für den Fall vorzubereiten, daß kein Reizimpuls erzeugt wird. Dazu kommt es, wenn im Bedarfsschrittmacherbetrieb eine natürliche R-Welle erfaßt wird. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn der Körper für einen normalen physio­ logischen Schrittmacherbetrieb sorgt. Das Element 402 stellt fest, ob die Spitzenspannung gleich Null ist. Wenn dies nicht der Fall ist, inkrementiert das Element 404 den Zähler, und das Element 406 stellt fest, ob die End­ spannung gleich Null ist. Wenn die Endspannung nicht gleich Null ist, inkrementiert das Element 412 den Zäh­ ler erneut, und es erfolgt ein Rücksprung über das Ele­ ment 414. Wenn durch die Elemente 402 bzw. 406 festge­ stellt wird, daß entweder die Spitzenspannung oder die Endspannung gleich Null ist, wird die Steuerung über das Element 410 zurückgegeben, nachdem das Element 408 die Anzeigeausgabewerte RESUL2 und bekannte Werte für CC2 setzt.

Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für das Unterprogramm QUAD­ RIERE. Dieses Unterprogramm wird benutzt, um das Quadrat der Endspannung von dem Quadrat der Spitzenspannung zu subtrahieren. Das Element 452 ruft die Prozedur MULTIPLI­ ZIERE ab, welche die Endspannung mit der Endspannung mul­ tipliziert. Dies ergibt den Wert des Quadrats der Endspan­ nung. Das Element 454 ruft die Prozedur NEGHL ab, welche die quadrierte Endspannung komplementiert. Das Element 456 ruft das Unterprogramm MULTIPLIZIERE ab, um die Spitzenspannung zu quadrieren. Die Differenz wird mit­ tels des Elements 458 gefunden, indem das Quadrat der Spitzenspannung und das komplementierte Quadrat der End­ spannung addiert werden. Das Element 460 ruft die Pro­ zedur DIVIDIERE ab, um das Ergebnis mit einem Faktor 25 zu skalieren. Das Element 462 stellt fest, ob der Rest größer als 1/2 ist. Wenn die Antwort ja ist, inkremen­ tiert das Element 464 den Quotienten. Dies sorgt für die Abrundung. Das Element 466 multipliziert dann den Quotienten mit 4, um ihn für die weitere Verarbeitung zu skalieren. Der Rücksprung erfolgt über das Element 468.

Fig. 8 zeigt das Ablaufdiagramm-für das Unterprogramm DIV100. Diese Prozedur skaliert lediglich eine Größe mit dem Faktor 100. Das Element 482 ruft die Prozedur DIVIDIERE ab, welche durch 100 dividiert. Das Element 484 stellt fest, ob der Rest größer als 1/2 ist. Das Element 486 inkrementiert den Quotienten, um für die notwendige Abrundung zu sorgen. Über das Element 488 erfolgt die Rückkehr zu dem rufenden Programm.

Aus der vorstehenden Diskussion folgt, daß die beschrie­ bene Anordnung die Energie eines Herzschrittmacher-Reiz­ impulses berechnet, unabhängig davon, ob dieser einer festen Last oder dem Körpergewebe zugeführt wird. Der Fachmann wird das erläuterte Vorgehen ohne weiteres auf andere Energiemeßaufgaben auf dem elektromedizinischen Gebiet übertragen können.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Energieinhalts eines elek­ trischen Körperreizimpulses, der durch eine Entladung eines Kondensators erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine an den Kondensator (10, 24) angekoppelte Meßeinrichtung (12, 20, 30, 38, 40, 44) zum Messen der Spannung am Kondensator vor und nach der Entladung, sowie eine mit der Meßeinrichtung verbun­ dene Recheneinrichtung (48) zum Berechnen des Energieinhalts aus den beiden gemessenen Spannungen und der Kapazität des Kondensators (10, 24).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung mit einem Analog/Digital-Umsetzer (44) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung einen Mikrocomputer (48) aufweist.

4. Verfahren zum Bestimmen des Energieinhalts eines elek­ trischen Körperreizimpulses, der durch eine Entladung eines Kondensators erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Spannung am Kondensator vor der Entladung gemessen und in eine erste digitale Größe umgesetzt wird,
• b) die Spannung am Kondensator nach der Entladung gemessen und in eine zweite digitale Größe umgesetzt wird,
• c) die beiden digitalen Größen quadriert werden,
• d) das Quadrat der zweiten digitalen Größe von dem Quadrat der ersten digitalen Größe unter Bildung eines Zwischen­ ergebnisses subtrahiert wird, und
• e) das Zwischenergebnis mit dem halben Wert der Kapazität des Kondensators multipliziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators vor dem Schritt (e) bestimmt wird.