DE4013048A1

DE4013048A1 - Anordnung zur gewebestimulation

Info

Publication number: DE4013048A1
Application number: DE4013048A
Authority: DE
Inventors: Nils Dipl Ing Holmstroem
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 1990-04-24
Filing date: 1990-04-24
Publication date: 1991-10-31
Anticipated expiration: 2010-04-25
Also published as: DE59102191D1; WO1991016102A1; US5391191A; DE4013048B4; EP0526493A1; EP0526493B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewebestimula tion bei einem Lebewesen mit einem aus einer Spannungs quelle gespeisten Stimulationsimpulsgenerator zur Er zeugung von Stimulationsimpulsen, mit einer Detektorein richtung zur Erfassung der Reaktion des Gewebes auf die Stimulation und mit einer den Stimulationsimpulsgenerator steuernden Steuereinrichtung, die zur Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit des Gewebes solange eine Veränderung der Energie nacheinander erzeugter Stimula tionsimpulse veranlaßt, bis die Detektoreinrichtung einen Wechsel von einem Ausbleiben der Reaktion zu einer Reak tion oder umgekehrt erfaßt, wobei anschließend die Stimu lationsimpulse mit einer Energie erzeugt werden, die dem für die Stimulationsempfindlichkeit ermittelten Wert zuzüglich einem Sicherheitswert entspricht.

Bei einer derartigen, aus der US-PS 48 78 497 bekannten Anordnung handelt es sich um einen Herzschrittmacher, mit dem das Herz eines Patienten mit Hilfe von Stimulationsim pulsen angeregt wird. Dabei erfolgt eine Kontraktion als Reaktion des Herzens nur dann, wenn die Energie der Stimulationsimpulse eine bestimmte, sich aus der jeweili gen Stimulationsempfindlichkeit des Herzgewebes ergebende Reizschwelle überschreitet. Um den Energieverbrauch bei dem bekannten Herzschrittmacher gering zu halten, wird die Stimulationsenergie an die veränderbare Stimulationsem pfindlichkeit angepaßt, indem in bestimmten Zeitabständen die Stimulationsempfindlichkeit des Herzgewebes ermittelt wird und anschließend die Stimulationsenergie auf einen Wert eingestellt wird, der dem für die Stimulationsem pfindlichkeit ermittelten Energiewert (Reizschwelle) zuzüglich einem Sicherheitswert entspricht. Zur Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit wird die Energie der Stimulationsimpulse ausgehend von einem unter der Reiz schwelle liegenden Wert nacheinander schrittweise solange erhöht, bis mittels einer Detektoreinrichtung eine Reak tion des Herzgewebes auf die Stimulation detektiert wird. Nach der Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit und der daran angepaßten Einstellung der Stimulationsenergie wird bis zu dem nächsten Ermittlungsvorgang durch Detek tion der Herzreaktion regelmäßig überprüft, ob die einge stellte Stimulationsenergie die Reizschwelle des Herzgewe bes übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so wird die Stimulationsenergie erhöht. Dabei und bei der Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit erfolgt die Änderung der Energie der Stimulationsimpulse in der Weise, daß aus gehend von einer momentanen Impulsdauer zunächst die Impulsamplitude (elektrische Stromstärke) schrittweise bis auf einen bestimmten Wert erhöht wird, anschließend die Impulsdauer schrittweise vergrößert wird und schließlich bei erreichen einer maximalen Impulsdauer die Impulsampli tude auf einen Maximalwert erhöht wird.

Aus der DE-AS 22 54 928 ist ein Herzschrittmacher bekannt, bei dem zur Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit des Herzgewebes die Impulsamplitude aufeinanderfolgender Stimulationsimpulse ausgehend von einem über der Reiz schwelle des Herzgewebes liegenden Wert schrittweise verringert wird, bis ein Ausbleiben der Reaktion des Herzens detektiert wird.

Bekanntlich weisen von denjenigen Stimulationsimpulse, die bei einer bestimmten Stimulationsempfindlichkeit eines zu stimulierenden Gewebes gerade noch in der Lage sind, eine Stimulation auszulösen, diejenigen Stimulationsimpulse mit kürzerer Impulsdauer und höherer Impulsamplitude einen geringeren Stromverbrauch auf, als Stimulationsimpulse mit geringerer Impulsamplitude und längerer Impulsdauer. Da insbesondere bei implantierten Anordnungen die Stimula tionsenergie in der Regel aus einer Batterie als Span nungsquelle bezogen wird, wird in Verbindung mit der Erzeugung der Stimulationsimpulse eine möglichst geringe Ladungsentnahme aus der Spannungsquelle angestrebt. Es besteht ferner, insbesondere bei Ärzten der Wunsch, den Sicherheitswert zwischen der Reizschwelle des Gewebes und der in Abhängigkeit davon eingestellten Stimulationsener gie als elektrische Spannung, d. h. in Volt ausdrücken zu können.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß bei der Anordnung der eingangs angegebenen Art bei der Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit die Stimulationsimpulse mit einer Impulsamplitude erzeugt werden, deren Spannung um einen dem Sicherheitswert entsprechenden Spannungswert unter der maximal verfügbaren Spannung der Spannungsquelle liegt, wobei zur Veränderung der Stimulationsenergie die Impulsdauer der Stimulationsimpulse verändert wird, und daß im Anschluß an die Ermittlung der Stimulationsempfind lichkeit die Stimulationsimpulse mit einer der verfügbaren Spannung der Spannungsquelle entsprechenden Impulsamplitu de und der bei der Detektion des Wechsels bei der Reaktion des Gewebes eingestellten Impulsdauer erzeugt werden. Dadurch, daß in der Zeitdauer zwischen jeweils zwei Vorgängen zur Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit Stimulationsimpulse mit einer der verfügbaren Spannung der Spannungsquelle entsprechenden Impulsamplitude erzeugt werden, ist die Strom- bzw. Ladungsentnahme aus der Spannungsquelle so gering wie möglich. Dabei liegt die Impulsamplitude in vorteilhafter Weise um den als elektri sche Spannung, d. h, in Volt ausgedrückten Sicherheitswert über der zuletzt ermittelten Reizschwelle des zu stimulie renden Gewebes, so daß hiermit für den behandelnden Arzt eine sichere Information über den Sicherheitswert gegeben ist.

Um zu verhindern, daß in dem Zeitraum zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Ermittlungen der Stimulations empfindlichkeit die Reizschwelle des zu stimulierenden Gewebes aufgrund einer Abnahme der Stimulationsempfind lichkeit über den eingestellten Wert für die Stimulations energie steigt, ist entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, daß nach der Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit bis zur nächsten Ermittlung in sich wiederholenden vor gegebenen Zeitabständen einzelne Stimulationsimpulse mit um den Sicherheitswert verringerter Impulsamplitude erzeugt werden, daß dabei die Reaktion des Gewebes mittels der Detektoranordnung detektiert wird und daß bei einem Ausbleiben der Reaktion für die nächsten Stimulationsim pulse die Impulsdauer erhöht und die Impulsamplitude auf den der verfügbaren Spannung entsprechenden Wert zurückge stellt wird. Auf diese Weise wird auch bei einer unvorher sehbar schnellen Abnahme der Stimulationsempfindlichkeit stets eine sichere Stimulation ohne erfolglose Stimula tionsversuche erreicht.

Im einfachsten Fall kann vorgesehen werden, daß bei Detektion einer Reaktion des Gewebes auf den jeweiligen einzelnen Stimulationsimpuls die Impulsamplitude für die nächsten Stimulationsimpulse bei unveränderter Impulsdau er auf den der verfügbaren Spannung entsprechenden Wert zurückgestellt wird. Um auch während der Zeitdauer zwi schen jeweils zwei Ermittlungen der Stimulationsempfind lichkeit eine energiesparende Anpassung der Stimulations energie an die Stimulationsempfindlichkeit zu erreichen, wird in vorteilhafter Weise bei Detektion einer Reaktion des Gewebes auf den jeweils einzelnen Stimulationsimpuls die Impulsdauer für die nächsten Stimulationsimpulse vermindert und die Impulsamplitude auf den der verfügbaren Spannung entsprechenden Wert zurückgestellt.

Wird für die Stimulation und die Detektion der Stimula tionsantwort (Reaktion) des Gewebes eine gemeinsame Stimulationselektrode verwendet, so wird die Stimulations antwort von durch die Stimulation in dem Gewebe verursach ten Polarisationserscheinungen eine zeitlang bis zur Unkenntlichkeit überlagert. In diesem Zusammenhang ist aus der DE-OS 23 42 030 die Erzeugung von bipolaren Stimula tionsimpulsen aus einem ersten, die Stimulation auslösen den Teilimpuls und einem diesem unmittelbar folgenden zweiten Teilimpuls entgegengesetzter Polarität bekannt, wobei der Energieinhalt des zweiten Teilimpulses derart bemessen ist, daß die von dem ersten Teilimpuls im Gewebe erzeugten Polarisationserscheinungen so schnell abgebaut werden, daß anschließend eine störungsfreie Erfassung der Stimulationsantwort möglich ist. Der Energieverbrauch von biphasischen Stimulationsimpulsen ist jedoch etwa doppelt so groß wie der Energieverbrauch von monophasischen Stimulationsimpulsen mit gleicher Wirkung für die Auslö sung einer Stimulation. Um daher den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, ist entsprechend einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, daß bei einem Anschluß des Stimulationsimpulsgenerators und der Detektoreinrichtung an einer gemeinsamen Stimula tionselektrode, die in Verbindung mit einer nachfolgenden Detektion der Reaktion des Gewebes zu erzeugenden Stimula tionsimpulse in Form von biphasischen Stimulationsimpulsen erzeugt werden und daß alle übrigen Stimulationsimpulse in Form von monophasischen Impulsen erzeugt werden.

Dabei besteht jeder biphasischer Stimulationsimpuls vorteilhafterweise aus Teilimpulsen unterschiedlicher Polarität mit einer zwischen den Teilimpulsen liegenden Impulspause, wobei die Teilimpulse jeweils eine weitgehend gleiche Impulsamplitude und Impulsdauer aufweisen. Durch die Impulspause zwischen den Teilimpulsen wird nämlich verhindert, daß die Wirksamkeit des ersten Teilimpulses für die Auslösung einer Stimulation durch den darauffol genden Teilimpuls reduziert wird. Es konnte festgestellt werden, daß das zu stimulierende Gewebe auf die von der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugten biphasischen Stimu lationsimpulse etwa mit der gleichen Stimulationsempfind lichkeit, bei größeren Impulspausen sogar mit erhöhter Stimulationsempfindlichkeit (d. h. niedrigerer Reizschwel le) reagiert, als auf dem jeweils ersten Teilimpuls entsprechende monophasische Stimulationsimpulse.

Wie eingangs bereits erwähnt, ist der Stromverbrauch bei Stimulationsimpulsen mit kürzerer Impulsdauer und höherer Impulsamplitude geringer als bei Stimulationsimpulsen mit geringer Impulsamplitude und längerer Impulsdauer. Es ist jedoch insbesondere bei einer Detektion der Reaktion des Gewebes auf die Stimulation erforderlich, die Impulsdauer auf einen maximalen Wert zu begrenzen, um die Detektion überhaupt zu ermöglichen. Für diesen Fall ist gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, daß zur Veränderung der Energie der Stimula tionsimpulse deren Impulsdauer ausgehend von der durch die verfügbare Spannung der Spannungsquelle vorgegebenen Impulsamplitude zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert verändert wird und daß bei Erreichen des Maximalwertes zur Einstellung einer noch höheren Energie die Impulsamplitude auf einen durch Vervielfachung der Spannung der Spannungsquelle erhöhten Wert eingestellt wird.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 in einem Zeitdiagramm einen biphasischen und einen monophasischen Stimulationsimpuls sowie zu ihrer Erzeugung erforderliche Steuersignale, die

Fig. 3 und 4 jeweils ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Stimulationsempfindlichkeit eines zu stimulierenden Gewebes und den Verlauf der daran angepaßten Stimulations energie und

Fig. 5 in einem Diagramm die bei einer bestimmten Stimulationsempfindlichkeit zur Gewebe stimulation mindestens erforderliche Spannung und Ladung eines Stimulationsim pulses in Abhängigkeit von seiner Impuls dauer.

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel für die erfindungsge mäße Anordnung das Blockschaltbild eines Herzschrittma chers zur Gewebestimulation, in diesem Fall der Stimula tion eines Herzens. Der Herzschrittmacher enthält einen Stimulationsimpulsgenerator (1), an dem ausgangsseitig eine indifferente Elektrode (2) und eine Stimulations elektrode (3) angeschlossen ist. Die indifferente Elektro de (2) wird von dem hier nicht dargestellten Gehäuse des Herzschrittmachers gebildet, während die Stimulations elektrode (3) in dem Herzen plaziert ist. Der Stimula tionsimpulsgenerator (1) ist eingangsseitig an dem Ausgang (4) eines Stimulationsspannungsgenerators (5) angeschlos sen, der den Stimulationsimpulsgenerator (1) mit einer vorgebbaren Spannung für die zu erzeugenden Stimulations impulse versorgt.

Der Stimulationsimpulsgenerator (5) enthält eine Batterie (6) mit einer Batteriespannung U₀ und eine Spannungsver doppelungsschaltung (7), die aus einem Kondensator (8) und drei einzeln steuerbaren Schaltern (9, 10, 11) besteht. Die Batterie (6) ist über den mit (9) bezeichneten Schalter direkt an den Ausgang (4) des Stimulationsspannungsgenera tors (5) schaltbar. Der Kondensator (8) ist über denselben Schalter (9) und den Schalter (10) parallel mit der Batterie (6) verbindbar oder bei geöffneten Schaltern (9, 10) und geschlossenem Schalter (11) in Reihenschaltung mit der Batterie (6) an dem Ausgang (4) des Stimulations spannungsgenerators (5) angeschlossen. Die Schalter (9, 10, 11) werden einzeln über ihnen zugeordnete Steuer leitungen (12, 13, 14) eines Schaltimpulsgenerators (15) gesteuert, der seinerseits an einer ersten ausgangsseiti gen Steuerleitung (16) einer Steuereinrichtung (17) angeschlossen ist. Der Schaltimpulsgenerator (15) ist über eine zusätzliche Steuerleitung (18) mit dem Ausgang eines Komparators (19) verbunden, der über einen ersten Eingang (20) an dem Ausgang (4) des Stimulationsspannungsgenera tors (5) und über einen zweiten Eingang (21) an dem Ausgang eines Digital-/Analog-Umsetzers (22) angeschlossen ist, der seinerseits eingangsseitig über eine zweite ausgangsseitige Steuerleitung (23) der Steuereinrichtung (17) an diese angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung (17) gibt den Wert für die von dem Stimulationsspannungs generator (5) zu erzeugende Spannung vor und veranlaßt durch den Schaltimpulsgenerator (15) eine entsprechende Steuerung der Schalter (9, 10, 11), wie dies untenstehend noch erläutert wird.

Die Steuereinrichtung (17) ist ferner über eine dritte ausgangsseitige Steuerleitung (24) mit einer Zeitgeberein richtung (25) verbunden, die, wie nachstehend noch erläu tert wird, den zeitlichen Verlauf der Erzeugung der Stimulationsimpulse in dem Stimulationsimpulsgenerator (1) steuert. An der Stimulationselektrode (3) ist eine Detek toreinrichtung (26) angeschlossen, die nach Abgabe eines Stimulationsimpulses durch den Stimulationsimpulsgenerator (1) die Reaktion des Gewebes erfaßt und ausgangsseitig mit einem Steuereingang (27) der Steuereinrichtung (17) verbunden ist. Die Detektoreinrichtung (26) kann anstelle mit der Stimulationselektrode (3) auch mit einer in deren Nähe angeordneten Meßelektrode (28) verbunden sein, wie dies in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist.

Innerhalb des Stimulationimpulsgenerators (1) ist ein Speicherkondensator (29) an seinen Anschlüssen (30, 31) über ein erstes Schalterpaar A mit dem Ausgang (4) des Stimulationsspannungsgenerators (5) verbunden. Der Spei cherkondensator (29) ist ferner über ein zweites Schalter paar B und ein drittes Schalterpaar C, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, mit der indifferenten Elektrode (2) und über einen Ausgangskondensator (32) mit der Stimulationselektrode (3) verbunden. Je nachdem, ob das Schalterpaar B oder das Schalterpaar C schließt, wird der Speicherkondensator (29) an seinem mit (30) bezeich neten Anschluß mit der indifferenten Elektrode (2) und an seinem Anschluß (31) mit dem Ausgangskondensator (32) verbunden oder umgekehrt mit seinem Anschluß (31) an der indifferenten Elektrode (2) und mit dem Anschluß (30) an dem Ausgangskondensator (32) angeschlossen. Schließlich ist ein Schalter D vorgesehen, der die Stimulationselek trode (3) über den Ausgangskondensator (32) mit der indifferenten Elektrode (2) verbindet. Die Schalterpaare A, B und C und der Schalter D werden über ihnen zugeordne te Steuerleitungen (33, 34, 35, 36) von der Zeitgebereinrich tung (25) einzeln angesteuert, wie dies im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert wird.

Fig. 2 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Beispiel für einen biphasischen Stimulationsimpuls (37), der aus einem negativen Teilimpuls (38) gefolgt von einem positiven Teilimpuls (39) und einem Schnellentladeimpuls (40) für den Ausgangskondensator (32) besteht; ferner sind ein monophasischer Stimulationsimpuls (41) sowie die zur Erzeugung der Stimulationsimpulse (37, 41) von der Zeit gebereinrichtung (25) an die Schalterpaare A, B und C sowie den Schalter D abgegebenen, hier entsprechend bezeichneten Steuersignale zu sehen. Dabei bedeutet ein von Null abweichender Signalzustand, daß der zugeordnete Schalter geschlossen ist.

Solange das Schalterpaar A geschlossen ist, wird der Speicherkondensator (29) auf die von der Steuereinrichtung (17) vorgegebene und von dem Stimulationsspannungsgenera tor (5) erzeugte Ausgangsspannung aufgeladen. Dabei wird der Speicherkondensator (29) auf die Spannung U₀ der Batterie (6) aufgeladen, indem bei geöffneten Schalter (10, 11) der Schalter (9) geschlossen wird. Um dagegen den Speicherkondensator (29) auf einen Wert zwischen der Spannung U₀ und der doppelten Batteriespannung (2)U₀ aufzuladen, wird der gewünschte Wert von der Steuerein richtung (17) als Digitalwert über die zweite ausgangssei tige Steuerleitung (23) dem Digital-/Analog-Umsetzer (22) zugeführt, der den zweiten Eingang (21) des Komparators (19) mit dem entsprechenden analogen Spannungswert beauf schlagt. Gleichzeitig werden die Schalter (9, 10) einer seits und der Schalter (11) andererseits mit hoher Fol gefrequenz abwechselnd geschlossen und geöffnet, so daß elektrische Ladung aus der Batterie (6) portionsweise in den Speicherkondensator (29) gepumpt wird. Sobald die Spannung an dem Ausgang (4) des Stimulationspannungs generators (5) und damit an dem ersten Eingang (20) des Komparators (19) den Wert der Vergleichsspannung an dem zweiten Eingang (21) des Komparators (19) erreicht, schaltet dieser über die Steuerleitung (18) die Schalter (9, 11) in einen geöffneten Zustand und unterbricht den Vorgang der Ladungspumpe. Das Prinzip der Spannungser höhung ist auch aus der EP-A-00 26 481 bekannt, die auch weitere, im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anord nung anwendbare Möglichkeiten zur Spannungserhöhung aufzeigt.

Zur Erzeugung des biphasischen Stimulationsimpulses (37) zwischen der Stimulationselektrode (3) und der indifferen ten Elektrode (2) wird bei geöffnetem Schalterpaar A das Schalterpaar B für eine Zeitdauer t₁ und nach einer anschließenden Pause t₂ das Schalterpaar C für eine Zeitdauer t₃ geschlossen; schließlich wird nach einer weiteren Pause t₄ der Schalter D für eine Zeitdauer t₅ geschlossen, wodurch der Ausgangskondensator (32) schnell entladen wird. Die Impulsdauern t₁ und t₃ und die Impuls amplituden der Teilimpulse (38, 39) sind jeweils im wesent lichen gleich, wobei die Impulsdauern t₁ und t₃ vorzugs weise im Bereich zwischen 0,03 ms und 1 ms variiert werden. Die Impulspause t₂ zwischen den beiden Teilim pulsen (38, 39) dauert etwa 1 ms und die Dauer des Schnell entladeimpulses (40), der sich auch ohne Pause t₄ direkt an den positiven Teilimpuls (39) anschließen kann, beträgt etwa 4 ms. Die angegebenen Werte sind lediglich Richtwerte und variierbar, wobei aber vorzugsweise spätestens nach 6 bis 7 ms der gesamte biphasische Stimulationsimpuls (37) beendet ist und die Reaktion des stimulierten Gewebes mittels der an die Stimulationselektrode (3) angeschlos senen Detektoreinrichtung (26) erfaßt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die durch den stimulierenden negativen Teilimpuls (38) erzeugte Polarisation im Gewebe auch bei relativ großer Stimulationsenergie auf einige mV abgesun ken, so daß eine eindeutige, von Überlagerungen durch die Polarisationserscheinungen weitestgehend freie Detektion der Reaktion des Gewebes ermöglicht ist. Durch die Im pulspause t₂ zwischen den beiden Teilimpulsen (38, 39) wird verhindert, daß die stimulationsauslösende Wirkung des ersten Teilimpulses (38) durch den nachfolgenden Teilim puls (39) reduziert wird, wobei mit zunehmender Impulspau se t₂ sogar eine leichte Erhöhung der stimulationsauslö senden Wirkung festgestellt werden konnte.

Wird die Reaktion des stimulierten Gewebes über die der Stimulationselektrode (3) benachbarte Meßelektrode (28) erfaßt, so kann anstelle des biphasischen Stimulationsim pulses (37) der monophasische Stimulationsimpuls (41) zur Gewebestimulation verwendet werden, der nur die Hälfte des Stromverbrauches aufweist. Dies liegt daran, daß das Aktionspotential im Gewebe mit einer Zeitverzögerung von der Stimulationselektrode (3) kommend zur Meßelektrode (28) gelangt, so daß in dieser Zeit die Polarisationser scheinungen weitestgehend abgeklungen sind.

Der mit (41) bezeichnete monophasische Stimulationsimpuls wird durch Schließen des Schalterpaares B erzeugt; an schließend wird der Ausgangskondensator (32) durch Schlie ßen des Schalters D mit einem Schnelladeimpuls entladen. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Energieinhalt des monophasischen Stimulationsimpulses (41) bei gleicher Impulsamplitude und Impulsdauer t₆=t₁=t₃ um die Hälfte geringer, als der des biphasischen Stimulationsimpulses (37). Beide Stimula tionsimpulse (37, 41) zeigen jedoch trotz ihres unter schiedlichen Energieinhaltes bei der Gewebestimulation etwa die gleiche stimulationsauslösende Wirkung. Daher werden die biphasischen Stimulationsimpulse (37) nur dann erzeugt, wenn die Reaktion des Gewebes auf die Stimulation über die Stimulationselektrode (3) erfaßt werden soll; ansonsten werden zur Gewebestimulation monophasische Stimulationsimpulse entsprechend dem Impuls (41) erzeugt. Im folgenden wird dies anhand der Fig. 3 und 4 erläutert.

In den Fig. 3 und 4 ist jeweils in dem oberen Zeitdiagramm ein mit (42) bezeichneter möglicher Verlauf der Stimula tionsempfindlichkeit des zu stimulierenden Gewebes in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Die Stimulations empfindlichkeit wird durch einen Energiewert E (oder eine elektrische Spannung oder einen Strom) ausgedrückt, den ein Stimulationsimpuls mindestens für eine erfolgreiche Stimulation des Gewebes aufweisen muß. Um jederzeit eine erfolgreiche Stimulation sicherzustellen, könnte das Gewebe ständig mit einer maximalen Energie stimuliert werden. Der Energiebedarf wäre in diesem Falle jedoch sehr hoch. Daher wird die Stimulationsenergie entsprechend dem Verlauf der mit (43) bezeichneten Kurve an die veränderli che Stimulationsempfindlichkeit (42) des Gewebes angepaßt. Dazu wird in periodischen Zeitabständen T die jeweils aktuelle Stimulationsempfindlichkeit des Gewebes ermit telt, indem das Gewebe mit im Falle des Anschlusses der Detektoreinrichtung (26) an die Stimulationselektrode (3) biphasischen, anderenfalls monophasischen Stimulationsim pulsen (37, 41 vgl. Fig. 2) stimuliert wird und gleichzeitig die Reaktion des Gewebes auf die Stimulation mittels der Detektoreinrichtung (26) erfaßt wird. Solange jedesmal eine Reaktion des Gewebes detektiert wird, wird die Stimulationsenergie des jeweils nächsten biphasischen bzw. monophasischen Stimulationsimpulses verringert, bis eine Reaktion des Gewebes ausbleibt, weil die aktuelle Stimula tionsempfindlichkeit S unterschritten wurde. Die Stimula tionsempfindlichkeit S entspricht dabei der aktuell minimal erforderlichen Stimulationsenergie, um eine Stimulation überhaupt auslösen zu können. Nach Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit S werden zur weiteren Stimulation des Gewebes monophasische Stimulationsimpulse (41) mit einer um einen Sicherheitswert E₀ über der soeben ermittelten Stimulationsempfindlichkeit S liegenden Energie E=S+E₀ erzeugt, bis nach Ablauf des Zeitab standes T die Stimulationsempfindlichkeit (42) des Gewebes auf die oben beschriebene Weise erneut ermittelt wird. Der Sicherheitswert E₀ kann durch einen Festwert oder einen prozentualen Anteil des gefundenen Wertes S für die Stimu lationsempfindlichkeit (42) definiert werden. Bei dem Kurvenverlauf (43) ist die Energie der verwendeten Stimu lationsimpulse auf den stimulationsrelevanten Anteil normiert; d. h. von den biphasischen Stimulationsimpulsen (37) ist nur die Energie des ersten stimulationsauslösen den Teilimpulses (38) berücksichtigt, so daß der tatsäch liche Energieaufwand bei der biphasischen Stimulation etwa doppelt so hoch ist, wie bei der monophasischen Stimula tion. Um einerseits eine schnelle Anpassung der Stimula tionsenergie (43) an den Verlauf (42) der Stimulations empfindlichkeit zu erreichen, andererseits aber die Häufung der bei Verwendung von biphasischen Stimulations impulsen (37) relativ energieaufwendigen Erfassung der Stimulationsempfindlichkeit möglichst gering zu halten, wird der Zeitabstand T bis zur jeweils nächsten Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit in Abhängigkeit von deren Änderung zwischen der aktuellen und der vorangegangenen Ermittlung variiert, wobei bei größer werdender Änderung der Zeitabstand T verringert wird.

Zwischen jeweils zwei Vorgängen zur Ermittlung der Stimu lationsempfindlichkeit wird periodisch, beispielsweise nach jedem 10. monophasischen Stimulationsimpuls (41) ein einzelner biphasischer, oder im Falle des Anschlusses der Detektoreinrichtung (26) an die Meßelektrode (28) ein einzelner monophasischer Stimulationsimpuls (44) mit einer um den Sicherheitswert E₀ verringerten Energie erzeugt und mittels der Detektoreinrichtung (26) überprüft, ob die so verminderte Stimulationsenergie nach wie vor über der Sti mulationsempfindlichkeit (42) liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird die Stimulationsenergie für die folgenden monophasischen Stimulationsimpulse um einen den Sicher heitswert E₀ übersteigenden Betrag erhöht. Abweichend von Fig. 3 zeigt Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zusätz lich für den Fall, daß die um den Sicherheitswert E₀ verringerte Stimulationsenergie (43) die Stimulations empfindlichkeit (42) übersteigt, die Stimulationsenergie für die nächsten monophasischen Stimulationsimpulse auf einen geringeren Betrag als der des Sicherheitswertes E₀ erhöht wird. Zur periodischen Erzeugung der Einzel-Stimu lationsimpulse (44) enthält die in Fig. 1 gezeigte Steuer einrichtung (17) einen dort nicht dargestellten Soft- oder Hardware-Zähler, der die monophasischen Stimulationsim pulse (41) zählt und beim Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes (hier 10) zurückgesetzt wird und die Abgabe des Einzel-Stimulationsimpulses (44) veranlaßt.

Die jeweils unteren Zeitdiagramme in den Fig. 3 und 4 zeigen, in welcher Weise der Verlauf der Stimulationsener gie (43) der Stimulationsimpulse durch Änderung der Impulsamplitude U und Impulsdauer t₁, t₆ eingestellt wird. Dabei zeigt der in Fig. 3 mit (45) bezeichnete Verlauf der Impulsamplitude, daß diese mit Ausnahme der Zeiten, in denen eine Detektion der Reaktion des Gewebes stattfindet, ständig der verfügbaren Batteriespannung U₀ entspricht. Lediglich in den Zeiten, in denen gleichzeitig mit der Erzeugung der Stimulationsimpulse auch die Reaktion des Gewebes auf die Stimulation überwacht wird, wird die Impulsamplitude U um einen dem Sicherheitswert E₀ entspre chenden Spannungswert U_S verringert. Im übrigen erfolgt die Änderung der Stimulationsenergie (43) durch Variation der Impulsdauer t₁ bzw. t₆ der Stimulationsimpulse ent sprechend der mit (46) bezeichneten Kurve. Fig. 4 zeigt ferner, daß dann, wenn die Impulsdauer t₁, t₆ einen maximalen, hier durch eine gestichelte Linie angedeuteten Wert zu übersteigen droht, eine Verdoppelung der Stimula tionsamplitude U auf 2U₀ erfolgt. Auch hierbei werden im Zusammenhang mit der Detektion der Stimulationsempfind lichkeit Stimulationsimpulse mit einer verminderten Impulsamplitude U erzeugt, wobei die Verminderung vor zugsweise 2U_S beträgt, um einen von der Impulsamplitude U_S unabhängigen konstanten Sicherheitswert E₀ zu erhalten. Die Verdoppelung der Impulsamplitude wird darüberhinaus auch anhand von Fig. 5 erläuter. Die Fig. 3 und 4 zeigen also, daß bei der Ermittlung der Stimulationsempfindlich keit (42) die Stimulationsimpulse mit einer Impulsamplitu de erzeugt werden, deren Spannung U um einen dem Sicher heitswert E₀ entsprechenden Spannungswert U_S unter der maximal verfügbaren Spannung U₀ der Spannungsquelle (6) liegt, wobei zur Veränderung der Stimulationsenergie (43) die Impulsdauer t₁, t₆ der Stimulationsimpulse verändert wird, und daß im Anschluß an die Ermittlung der Stimula tionsempfindlichkeit S die Stimulationsimpulse mit einer der verfügbaren Spannung U₀ der Spannungsquelle (6) entsprechenden Impulsamplitude erzeugt werden. Daher liegt außerhalb der Zeiten, in denen die Stimulationsempfind lichkeit des Gewebes erfaßt wird, die Impulsamplitude in vorteilhafter Weise um den als elektrische Spannung, d. h. in Volt ausgedrückten Sicherheitswert U_S über der zuletzt ermittelten Reizschwelle S des zu stimulierenden Gewebes, so daß hiermit für den behandelnden Arzt eine sichere Information über den Sicherheitswert E₀ bzw. U_S gegeben ist. Dadurch, daß in der Zeitdauer T zwischen jeweils zwei Vorgängen zur Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit die Stimulationsimpulse mit einer der verfügbaren Spannung U₀ der Spannungsquelle (6) entsprechenden Impulsamplitude erzeugt werden, ist, wie im folgenden anhand von Fig. 5 erläutert wird, die Strom- bzw. Ladungsentnahme aus der Spannungsquelle (6) so gering wie möglich.

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm für eine bestimmte Stimula tionsempfindlichkeit des Gewebes die zur Stimulation mindestens erforderliche Spannung (Impulsamplitude) U und Ladung Q eines Stimulationsimpulses in Abhängigkeit von dessen Impulsdauer, für die im Falle des biphasischen Stimulationsimpulses (37 vgl. Fig. 2) die Impulsdauer t₁ des ersten stimulierenden Teilimpulses (38) maßgeblich ist und die im Falle des monophasischen Stimulationsimpulses (41) dessen Impulsdauer t₆ entspricht. Bei dem biphasi schen Stimulationsimpuls (37) ist die Ladung aufgrund des zweiten Teilimpulses (39) insgesamt doppelt so groß, so daß der Kurvenverlauf Q im Vergleich zu dem monophasischen Impuls (41) nur die Hälfte der gesamten Ladung des bipha sischen Stimulationsimpulses (37) wiedergibt.

Wie zu erkennen ist, nehmen die Werte für die Spannung U mit geringer werdender Impulsdauer t₁, t₆ zu, während gleichzeitig die Ladung Q, die dem Produkt aus der Strom stärke und der Impulsdauer t₁, t₆ des Stimulationsimpulses entspricht, abnimmt. Bei abnehmender Stimulationsempfind lichkeit des Gewebes verschieben sich die Kurven Q und U nach oben, wie dies durch die Kurvenzüge Q′ und U′ an gegeben ist. Steht, wie im Falle der Batterie (6, vgl. Fig. 1), eine bestimmte Spannung U₀ z. B. 2,5 V zur Verfügung, so ist bei der durch die Kurvenverläufe Q und U definier ten Stimulationsempfindlichkeit der Funktionsverlauf der Ladung Q für die Bestimmung der Ladungsentnahme aus der Batterie (6), d. h. des Stromverbrauchs maßgeblich. Wie Fig. 5 zeigt, ist der Stromverbrauch (d. h. die Ladungsentnahme) dann minimal, wenn die ganze zur Verfügung stehende Spannung U₀ zur Erzeugung des Stimulationsimpulses heran gezogen wird; dabei ergibt sich eine Impulsdauer t′. Nimmt die Stimulationsempfindlichkeit des Gewebes ab, wie dies durch die Spannungskurve U′ und die zugehörige Ladungs kurve Q′ verdeutlicht ist, so ist zur erfolgreichen Stimulation eine Erhöhung der Stimulationsenergie erfor derlich. Dazu wird bei gleichbleibender Stimulationsspan nung U₀ die Impulsdauer t₁, t₆ der Stimulationsimpulse erhöht, bis ein Wert von etwa 1 ms erreicht wird. Über diesen Wert hinaus würde die gesamte Dauer bei dem bipola ren Stimulationsimpuls (37) für eine Detektion der Reak tion des Gewebes auf die Stimulation zu lang werden, weswegen zur weiteren Erhöhung der Stimulationsenergie mittels der Spannungsverdoppelungsschaltung (7 vgl. Fig. 1) eine doppelte Batteriespannung 2 U₀ eingestellt wird, wodurch sich eine Reduzierung der Impulsdauer t₁ auf t₂′ ergibt. Allerdings ist mit der Spannungsverdoppelung auch eine Verdoppelung des Batteriestromes, also der Ladungs entnahme aus der Batterie (6) verbunden, was durch die Ladungskurve 2 Q′ verdeutlicht wird. Wie Fig. 5 zeigt, wird diese Verdoppelung der Ladungsentnahme aus der Batterie (6) nur teilweise dadurch reduziert, daß bei der auf 2 U₀ erhöhten Impulsamplitude eine geringere Impulsdauer t₂′ zur Stimulation erforderlich ist. Daher wird zur Reduzie rung der Ladungsentnahme aus der Batterie (6) die Span nungsverdoppelung erst dann aktiviert, wenn bei der Stimulation mit der verfügbaren Batteriespannung U₀ die Impulsdauer t₁, t₆ einen vorgegebenen Maximalwert (hier 1 ms) überschreitet.

Bezugszeichenliste

1 Stimulationsimpulsgenerator
2 indifferente Elektrode
3 Stimulationselektrode
4 Ausgang von 5
5 Stimulationsspannungsgenerator
6 Spannungsquelle (Batterie)
7 Spannungsverdoppelungsschaltung
8 Kondensator
9, 10, 11 steuerbare Schalter
12, 13, 14 Steuerleitungen für 9, 10, 11
15 Schaltimpulsgenerator
16 erste ausgangsseitige Steuerleitung von 17
17 Steuereinrichtung
18 zusätzliche Steuerleitung
19 Komparator
20 erster Eingang von 19
21 zweiter Eingang von 19
22 Digital-/Analog-Umsetzer
23 zweite ausgangsseitige Steuerleitung von 17
24 dritte ausgangsseitige Steuerleitung von 17
25 Zeitgebereinrichtung
26 Detektoreinrichtung
27 Steuereingang von 17
28 Meßelektrode
29 Speicherkondensator
30, 31 Anschlüsse von 29
32 Ausgangskondensator
33, 34, 35, 36 Steuerleitungen A, B, C, D
37 bisphasischer Stimulationsimpuls
38 negativer Teilimpuls
39 positiver Teilimpuls
40 Schnellentladeimpuls
41 monophasischer Stimulationsimpuls
42 Verlauf der Stimulationsempfindlichkeit
43 Verlauf der Stimulationsenergie
44 einzelner Stimulationsimpuls
45 Verlauf der Impulsamplitude
46 Verlauf der Impulsdauern
A erstes Schalterpaar
B zweites Schalterpaar
C drittes Schalterpaar
D Schalter
E Energie
E_O Sicherheitswert
Q Ladung von 37, 41 bei einer bestimmten Stimulationsempfindlichkeit
Q′ Ladung von 37, 41 bei einer niedrigeren Stimulationsempfindlichkeit
S aktuell ermittelte Stimulationsempfindlichkeit
t Zeit
T Zeitabstand
t₁ Impulsdauer von 38
t₂ Impulspause zwischen 38 und 39
t₃ Impulsdauer von 39
t₄ Impulspause zwischen 39 und 40
t₅ Impulsdauer von 40
t₆ Impulsdauer von 41
t′, t′′ Impulsdauern
U Spannung von 37, 41 bei einer bestimmten Stimulationsempfindlichkeit
U_S in Volt ausgedrückter Sicherheitswert E_O
U_O Batteriespannung
U′ Spannung von 37, 41 bei einer niedrigeren Stimulationsempfindlichkeit

Claims

1. Anordnung zur Gewebestimulation bei einem Lebewesen mit einem aus einer Spannungsquelle (6) gespeisten Stimula tionsimpulsgenerator (1) zur Erzeugung von Stimulationsim pulsen (37, 41), mit einer Detektoreinrichtung (26) zur Erfassung der Reaktion des Gewebes auf die Stimulation und mit einer den Stimulationsimpulsgenerator (1) steuernden Steuereinrichtung (17), die zur Ermittlung der Stimula tionsempfindlichkeit (42) des Gewebes solange eine Verän derung der Energie E nacheinander erzeugter Stimulations impulse (37, 41) veranlaßt, bis die Detektoreinrichtung (26) einen Wechsel von einem Ausbleiben der Reaktion zu einer Reaktion oder umgekehrt erfaßt, wobei anschließend die Stimulationsimpulse (37, 41) mit einer Energie erzeugt werden, die dem für die Stimulationsempfindlichkeit (42) ermittelten Wert S zuzüglich einem Sicherheitswert E₀ entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit (42) die Stimulationsimpulse (37, 41) mit einer Impuls amplitude erzeugt werden, deren Spannung U um einen dem Sicherheitswert E₀ entsprechenden Spannungswert U_S unter der maximal verfügbaren Spannung U₀ der Spannungsquelle (6) liegt, wobei zur Veränderung der Stimulationsenergie E die Impulsdauer t₁, t₆ der Stimulationsimpulse (37, 41) verändert wird, und daß im Anschluß an die Ermittlung der Stimulationsempfindlichkeit (42) die Stimulationsimpulse (37, 41) mit einer der verfügbaren Spannung U₀ der Span nungsquelle (6) entsprechenden Impulsamplitude und der bei der Detektion des Wechsels bei der Reaktion des Gewebes eingestellten Impulsdauer erzeugt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß nach der Ermittlung der Stimula tionsempfindlichkeit (42) bis zur nächsten Ermittlung in sich wiederholenden vorgegebenen Zeitabständen einzelne Stimulationsimpulse (44) mit um den Sicherheitswert U_S verringerter Impulsamplitude U erzeugt werden, daß dabei die Reaktion des Gewebes mittels der Detektoreinrichtung (26) detektiert wird und daß bei einem Ausbleiben der Reaktion für die nächsten Stimulationsimpulse die Im pulsdauer (t₁, t₆) erhöht und die Impulsamplitude U auf den der verfügbaren Spannung U₀ entsprechenden Wert zurückgestellt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Detektion einer Reaktion des Gewebes auf den jeweiligen einzelnen Stimulationsimpuls (44) die Impulsamplitude U für die nächsten Stimulations impulse bei unveränderter Impulsdauer auf den der verfüg baren Spannung U₀ entsprechenden Wert zurückgestellt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Detektion einer Reaktion des Gewebes auf den jeweils einzelnen Stimulationsimpuls (44) die Impulsdauer t₁, t₆ für die nächsten Stimulationsim pulse vermindert und die Impulsamplitude auf den der verfügbaren Spannung U₀ entsprechenden Wert zurückgestellt wird.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß bei einem Anschluß des Stimulationsimpulsgenerators (1) und der Detektoreinrichtung (26) an einer gemeinsamen Stimula tionselektrode (3) die in Verbindung mit einer nachfolgen den Detektion der Reaktion des Gewebes zu erzeugenden Stimulationsimpulse in Form von biphasischen Stimulations impulsen (37) erzeugt werden und daß alle übrigen Stimula tionsimpulse in Form von monophasischen Impulsen (41) erzeugt werden.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder biphasische Stimulationsim puls (37) aus Teilimpulsen (38, 39) unterschiedlicher Polarität mit einer zwischen den Teilimpulsen (38, 39) liegenden Impulspause t₂ besteht und daß die Teilimpulse (38, 39) jeweils eine weitgehend gleiche Impulsamplitude und Impulsdauer t₁, t₃ aufweisen.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Energie E der Stimulationsimpulse (37, 41) deren Impulsdauer t₁, t₆ ausgehend von der durch die verfügbare Spannung U₀ der Spannungsquelle (6) vorgegebe nen Impulsamplitude U zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert verändert wird und daß beim Erreichen des Maximalwertes zur Einstellung einer noch höheren Energie die Impulsamplitude U auf einen durch Vervielfachung der Spannung U₀ der Spannungsquelle (6) erhöhten Wert einge stellt wird.