专利摘要:

公开号:WO1989004192A1
申请号:PCT/DE1988/000723
申请日:1988-11-14
公开日:1989-05-18
发明作者:Max Schaldach
申请人:Biotronik Mess- Und Therapiegeräte Gmbh & Co. Inge;
IPC主号:A61N1-00
专利说明:
[0001] Herzschrittmacher
[0002] B e s c h r e i b u n g
[0003] Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
[0004] Bei neuzeitlichen-Herzschrittmachern werden eine Reihe von Eingangssignalen verarbeitet, die an getrennten Leitungen anfallen. Diese Signale müssen jeweils entsprechend dem Signalpegel in der Amplitude heraufgesetzt und gegebenen¬ falls gefiltert oder zwischengespeichert werden. Dazu sind bei den bekannten Schrittmachern getrennte Eingangsver- stärker notwendig, welche in konventionneller Ausführung ein beträchtliches Bauvolumen erfordern, das der geforder¬ ten Verkleinerung der Außenmasse von implantierbaren Herz¬ schrittmachern entgegensteht. Auch in integrierter Ausfüh¬ rung ist die durch mehrere Vorverstärker und Filter beleg- te Fläche auf einem Siliziumchip beträchtlich. Dazu kommt, daß die Schaltungen in Analogausführung im Vergleich zu digitalen Schaltungen recht aufwendig sind und eine Viel¬ zahl von integrierten Bauelementen erfordern, die den zu¬ sätzlichen Aufwand für jeden Verarbeitungskanal beträcht- lieh werden lassen.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für einen Herzschrittmacher anzugeben, die trotz einer er¬ höhten Zahl von Eingangskanälen nur eine Vergrößerung des Aufwands erfordert, die geringfügig über den für einen einzigen Kanal zutreffenden Maßnahmen liegt.
[0006] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angeführten Maßnahmen gelöst.
[0007] Der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bei der Signalverarbeitung im Herzen auszuwertenden Signale hin¬ sichtlich der zu berücksichtigenden zeitlichen Änderungen eine weitaus geringere Übertragungsbandbreite benötigen als übliche VertärkerSchaltungen bieten. Durch die zeitlich überlagerte Betriebsweise können in ein und demselben Übertragungskanal sämtliche oder nahezu sämtliche für das Betriebsverhalten eines Herzschrittma¬ chers relevanten Signale verarbeitet werden.
[0008] Besonders vorteilhaft dabei ist, daß gleichzeitig mit der sequentiellen Umschaltung zwischen Signalquellen, Übertra¬ gungsweg und Ausgangsanschlüssen auch die Übertragungs¬ eigenschaften des Übertragungswegs durch Umschaltung von Verstärkungsfaktoren und/oder Filtereigenschaften insbe¬ sondere mittels entsprechend synchron umschaltbarer Kapa¬ zitäten umschaltbar sind. Hierbei fügen sich die Umschal¬ tungen in die sequentiellen Taktzeiten ein, so daß bei ein Umschaltvorgang eines Signalwegs darin besteht, daß im Verlauf der wiederkehrenden Taktsequenz unterschiedliche Signalwege periodisch eingeschaltet werden. Daneben können aber auch Signale für unterschiedliche Betriebsweisen in¬ nerhalb einer wiederkehrenden Taktsequenz übertragen wer¬ den, so daß die Signale für diese Betriebsweisen hinsieht- lieh der SignalVe arbeitung quasi "gleichzeitig" verarbei¬ tet werden können, wobei erst in einer nachfolgenden Stufe dasjenige Signal ausgewählt wird, welches das beste Ergeb¬ nis bietet.
[0009] Der Übertragungsweg kann gleichzeitig für Signalformungs¬ und Regelzwecke eingesetzt werden, wobei die Eigenschaften des Übertragungswegs auch geregelt verändert werden kön¬ nen, wobei eine Rückkopplung in der Weise erfolgt, daß die Eigenschaften der Leitung in Abhängigkeit von den über diese übertragenen Daten veränderbar sind, wobei in vor¬ teilhafter Weiterbildung der Überträgungsweg selbst bzw. ein zeitsequentieller Teil desselben auch die Regelstrecke bilden kann.
[0010] Damit ergibt sich eine optimierte Verstärkerkonfiguration für implantierbare Herzschrittmacher. Die Konfiguration erfordert minimale externe passive Komponenten und eine minimale Anzahl von IC-Schaltungen, um einen Multiplex- Zweikammerbetrieb einschließlich atrialer und ventrikulä- rer endokardialer EKG-Überwachung und Signalaufnahme zu gewährleisten. Außerdem ist die bipolare und unipolare Be¬ triebsweise programmierbar sowie das Austasten des Ein¬ gangs und programmierbare Empfindlichkeit (Verstärkung) . Auf dem Chip ist eine mehrpolige Multiplex-Bandpaß-EKG- Filterschaltung vorgesehen, um R-Wellen und P-Wellen- Signale zu erfassen.
[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un¬ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu¬ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
[0012] Figur 1 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Ausfüh- rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Herzschrittmachers,
[0013] Figuren 2a und 2b ein detaillierteres Blockschaltbild ent¬ sprechend demjenigen gemäß Figur 1,
[0014] Figur 3 ein Detailschaltbild des Multiplex-Übertragungswe- ge enthaltenden Verarbeitungsteils gemäß Figur 2b,
[0015] Figuren 4 bis 6 Einzelheiten von Schaltungen des Multi- plex-Verarbeitungsteils gemäß Figur 3 sowie Figur 7 ein entsprechendes Zeitdiagramm.
[0016] Bei dem in Figur 1 dargestellten Blockdiagramm ist eine Controller-Einheit 1 über einen Bus 2 verbunden mit einer Analog-Einheit 3. An den Bus 2 angeschlossen ist weiterhin ein Speicher 3a, bestehend aus ROM- und RAM-Speicherberei¬ chen. In den Analogteil 3 sind die Verbindungsleitungen zum Herzen 4 angeschlossen sowie weitere Sensoren für im Körper des Patienten abzuleitende Parameter. Im darge- stellten Ausführungsbeispiel sind eine Vorhof-Elektrode 5, eine Kammerelektrode 6 und ein weiterer Sensoreingang 7 dargestellt. Die Controller-Einheit 1 und die Analog- Einheit 3 sind mit weiteren Baugruppen beschaltet, welche in den nachfolgenden Blockschaltbildern näher beschrieben sind. Die in Figur 1 dargestellten Baugruppen sind zusam¬ men mit einem Energieversorgungsteil in ein implantierba¬ res Gehäuse hermetisch eingeschlossen und mit Anschlüssen für die externen Elektroden bzw. Sensoren versehen.
[0017] In den im Figur 2a dargestellten Blockschaltbild wird eine CPU 8 von einem quarzstabilisierten Taktgenerator 9 mit dem Systemtakt versehen. Von der CPU aus werden die digi¬ talen Datenverarbeitungsvorgänge gesteuert, wobei die di¬ gitalen Daten zwischen den Blöcken über den Bus 2 ausge- tauscht werden. Die CPU verweilt in einem Ruhezustand, wenn nicht durch externe Ereignisse oder einen Zeitgeber 9 veranlaßte Interrupts eine Behandlung durch die CPU erfor¬ dern. Sämtliche Interrupts werden zentral von einer Inter¬ rupt-Verarbeitungseinheit 11 erfaßt und über die Leitung IRQ (Interrupt-Request) der CPU mitgeteilt. Auf diese Wei¬ se werden die bekannten Schrittmacherfunktionen reali- siert, wobei StimulationsImpulse entweder in vorgegebenem Zeitabstand nach im Herzen aufgenommenen Spontan-Ereig- nissen oder - bei Ausfall dieser Ereignissen - im vorgege¬ benen Zeitabstand ausgelöst werden. Die Verknüpfung dieser Ereignisse erfolgt nach einem vorgegebenen Programm, wel¬ ches in dem in Figur 1 dargestellten Speicher 3 vorgegeben ist. Dieses Programm bildet die Grundlage für die System¬ steuerung und die Übertragung von Daten zwischen den ein¬ zelnen Blöcken des Controllers. Dazu gehören weiterhin ei- ne Überwachungsschaltung 12, welche mittels einer RC- Zeitkonstante die Stimulationsereignisse zusätzlich über¬ wacht und eine redundante Schrittmacherschaltung im Ana¬ logteil synchronisiert, welche bei Ausfall des Digital- Systems eingreift. Die RC-Zeitkonstante 13 der Überwa- chungsSchaltung 12 ermöglicht eine vom Systemtakt unabhän¬ gigen Zeitvergleich.
[0018] Ein konventioneller Reed-Schalter 14 ist mit einer Ent- prellungsSchaltung 15 versehen und ermöglicht die bei Herzschrittmachern bekannten Magnetschalter-Funktionen. Weiterhin ist mit dem Bus 2 eine bidirektionale Teleme- trieschaltung 16 verbunden, welche über eine Spule 17 mit einer externen Programmiereinheit kommuniziert und sowohl die "Programmierung" der Schrittmacherschaltung in der Weise ermöglicht, daß die systemeigenen Programme, und da¬ mit die Betriebsparameter des Schrittmachers, verändert werden, als auch die Übertragung von EKGs und Schrittma¬ cherdaten aus dem Körper des Patienten heraus zuläßt.
[0019] In Figur 2b ist der Analogteil des erfindungsgemäßen Schrittmachers dargestellt, wobei verschiedene Analog-Ein- heiten mit dem Systembus 2 zusammenarbeiten. Zentrale Bau¬ gruppe ist dabei eine analoge Multiplex-Verarbeitungsein- heit 18, welche gesteuert vom Systembus verschiedene ana¬ loge Signale in einem gemeinsamen Kanal überträgt und formt. Die Taktsteuerung erfolgt dabei vom Bus 2, während die analogen Ein- und Ausgangssignale zu den nachfolgend beschriebenen analogen Einheiten gelangen.
[0020] Neben den ausschließlich für die Schrittmacherfuntkionen notwendigen Signalen sind zusätzliche Baugruppen zur Überwachung von schrittmacherinternen Funktionen vorgese¬ hen. So können der Batteriestrom 19, die Batteriespannung 20 sowie ein über den Datenbus programmierbarer Spannungs¬ vervielfacher in ihrer Funktion durch periodische Abfrage der Ausgangsdaten überwacht werden. Als weitere innerhalb des Schrittmachers zur Verfügung stehende Größe wird von einer Temperatursensor-Einheit 22 die aktuelle Körpertem¬ peratur des Patienten abgefragt und der Verarbeitungsein¬ heit 18 zugeführt. Hierbei handelt es sich dann um eine Größe, welche als Maß für die körperliche Belastung auf die Schrittmacherrate Einfluß nimmt. Entsprechendes kann auch für die Daten der Energiequelle gelten, wobei es bei¬ spielsweise bekannt ist, mit Abfallen der Batteriespannung auf einzelne Leistungsmerkmale des Schrittmachers zu ver- ziehten bzw. die Impulsabgabe ökonomischer zu gestalten. Die Ausgangssignale des analogen Multiplexers gelangen in diesem Fall zu einem Analog-Digital-Converter (ADC) 23. Am Beispiel einer Schleife 24 ist aber auch gezeigt, daß die Analog-Signale den Multiplexer-Verarbeitungsweg mehrfach durchlaufen können, wobei eine "Sample-and-hold"-Schal- tung für eine Zwischenspeicherung sorgt, da diese aufein- anderfolgende Verarbeitung in unterschiedlichen "Verar¬ beitungsfenstern" erfolgen muß, um eine Rückkopplung zu vermeiden und um beispielsweise sicherzustellen, daß eine unterschiedliche Signalfilterung oder -zwischenspeicherung mittels Zeitkonstanten erfolgen soll.
[0021] Auf diese Weise kann beispielsweise die zeitverzögerte Än¬ derung der Herzschlagrate bei Änderungen der Körpertempe¬ ratur mit den dabei zu berücksichtigenden Zeitkonstanten in analoger Form auf dem Verarbeitungsweg nachgebildet werden. Durch eine geringe Taktfrequenz für diesen Verar¬ beitungskanal verlaufen die entsprechenden Ausgleichsvor¬ gänge in den so gebildeten Signalfilterschaltungen ent¬ sprechend langsam. Mit der analogen Multiplex-Verarbei- tungseinheit steht weiterhin eine zu einem externen An¬ schluß des Schrittmachers führende Leitung 26 in Verbin¬ dung, welche - siehe weiter unten beschrieben - bereits in zeitlich multiplexer Überlagerung eintreffende Daten in den zeitlichen Ablauf der Verarbeitungseinheit 18 einbin- det.
[0022] Die weiteren mit dem Körper in Verbindung tretenden Aus¬ gangsleitungen, wie die beiden Atrium-Anschlüsse 27 und 28 und die beiden Ventrikel-Anschlüsse 29 und 30 lassen sich durch einen Betriebsarten-Umschalter 31, der über die Bus- Leitung 2 gesetzt werden kann, alternativ in bipolarer oder unipolarer Betriebsweise benutzen. Zusätzlich über den Betriebsarten-Umschalter 31 gelangen von Anschlüssen 32 und 33 zusätzlich im Körper des Patienten aufgenommene Signale in die entsprechende Verarbeitungseinheiten des Schrittmachers, wobei es sich in diesem Fall um Signalein- gänge handelt, die mit der Elektrodenzuleitung verbunden werden. Die entsprechenden Signalaufnehmer sind dann ent¬ sprechend innerhalb der im Herzen anzubringenden Elektrode vorgesehen, wobei die Betriebsarten-Umschaltung in der Baugruppe 31 eine Anpassung an verschiedene Sensoren pro¬ grammgesteuert über den Bus 2 zuläßt.
[0023] In einer weiteren Baugruppe 34, die über den Bus 2 ange¬ sprochen werden kann, sind die Eingangs- und Ausgangsstu- fen für die Herzstimulation und für die Signalaufnahme über die Elekrodenzuleitung vorgesehen. Es sind der Reihe nach die Endstufe (Ausgangsstufe) für die Stimulation des Atriums, der EKG-Verstärker (Sense-Eingang)-Stufe für das Atrium, die Endstufe für den Ventrikel, der EKG-Verstärker für den Ventrikel, eine interne Stromquelle für den Impe¬ danzmessung im Herzen im Falle der Anwendung von Plethys- mographie sowie eine Empfängerschaltung für 'Körperparame¬ ter.
[0024] Während die Impulsausgangs-Endstufen entweder über die entsprechenden auf dem Bus 2 vorhandenen Daten angespro¬ chen oder aber die entsprechenden Impulse direkt durch ein zusätzliches redundantes Schrittmachersystem 35 ausgelöst werden, das von der Schaltung 12 in Figur 2a synchroni- siert wird, geben die Eingangsstufen ihre Signale auf die analoge Multiplex-Verarbeitungseinheit 18 ab. Hier werden sie getaktet, nacheinander in zeitlicher Folge den notwen¬ digen Verarbeitungen unterworfen, wie es anhand der de¬ taillierteren Darstellung in Figur 3 näher beschrieben werden soll. Das redundante System 35 erhält weiterhin die Eingangssi¬ gnale der EKG-Verstärker in Atrium und Ventrikel jeweils direkt zugeführt, um beim Ausfall des digitalen Verarbei¬ tungsteils unabhängig stimulierend wirken zu können, wobei als zeitbestimmendes Element ein RC-Zei.konstante 39 wirkt. Das redundante Schrittmachersystem wird während des Betriebs des digitalen Systems von der Überwachungsschal¬ tung 12 in Figur 2a über den RESET-Eingang synchronisiert, um jederzeit die Stimulation synchron weiterführen zu kön- nen.
[0025] Die von der Multiplex-Einheit entsprechend verarbeiteten Signale gelangen von der Einheit 18 zu Pegel-Detektoren 36, 37 und 38 für die jeweiligen EingangsSignale aus Atrium, Ventrikel oder sonstigen Körperregionen, wobei die Pegeldetektoren einstufige Analog-digital-Wandler bilden. Die Ausgangssignale dieser Detektoren 36 bis 38 erzeugen Interrupt-Anforderungen bei der Interrupt-Verarbeitungs¬ einheit 11 in Figur 2a.
[0026] In Figur 3 ist die erfindungsgemäße optimierte Verstärker¬ konfiguration mit Multiplex-Verarbeitung für einen Herz¬ schrittmacher als Blockschaltbild näher dargestellt. Der strichpunktiert umrandete Teil entspricht dem Umfang der Darstellung in Figur 2b mit Ausnahme des dort wieder¬ gegebenen redundanten Schrittmacherteils 35.
[0027] Das Blockdiagramm gemäß Figur 3 enthält einen externen Teil mit passiver Beschaltung und einen internen IC- Schaltkreis. Details der Schaltungsanordnung sind anhand von beispiel¬ haft ausgewählten Baugruppen in den Figuren 4 bis 6 wiedergegeben, während die Werte der Filterkomponenten in Tabelle 1 dargestellt sind. Die zugehörigen Zeitdiagramme finden sich in Figur 7.
[0028] Bei den in den Figuren 4 bis 7 näher dargestellten Bau¬ gruppen handelt es sich um die atriale und die ventrikulä- re Eingangsschaltung 40 bzw. 41, den daran anschließenden Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor 42, den folgenden Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor 43, den Filter-Verstärker 44, Detektorschaltung 45 und die Sample&Hold-Schaltung 46. Die Eingänge der jeweils nach¬ folgend genannten Schaltung sind jeweils mit den Eingängen der vorher genannten Schaltung verbunden mit Ausnahme der Schaltungen 40 und 41, deren Ausgangssignale beide zu der Schaltung 42 gelangen, und der Schaltung 46, deren Eingang ebenfalls mit dem Ausgang der Schaltung 43 verbunden ist.
[0029] Ein Speicher/Dekoder 47 erzeugt die Steuersignale für die einzelnen Baugruppen im Multiplexbetrieb aus den auf dem Bus 2 anstehenden Signalen. Die ensprechenden Datenbytes werden in der notwendigen Folge vom digitalen Verarbei¬ tungsteil (Controller) erzeugt. Ein entsprechendes Steuer- signal auf dem Bus schaltet jeweils eine der jeweiligen Baugruppe zugeordnete Steuerleitung ein bzw. aus. Ein Zeitschema für die in den Figuren 4 bis 6 dargestellten Baugruppen ist in Figur 7 wiedergegeben. Durch das Pro¬ gramm des Controllers wird der Zeitgeber jeweils für den nächsten Zeitpunkt, zu dem ein entsprechendes Schaltsignal einer der Baugruppen zugeleitet werden soll, gesetzt und nach Erreichen dieses Zeitpunkts ein Interrupt ausgelöst, der den möglicherweise zwischenzeitlich in den Ruhezustand gesetzten Prozessor (CPU) aktiviert.
[0030] In der Schaltung gemäß Figur 3 ist weiterhin die Möglich¬ keit vorgesehen, die multiplexe Signalübertragung auch bereits auf einer Leitung zu benutzen, die eine Verbindung zumindestens einem externen Meßaufnehmer oder beispiels¬ weise auch der Schrittmacherelektrode bildet.
[0031] EingangsSchaltungen 48 und 49, welche im Aufbau den Schal¬ tungen 40 und 41 entsprechen, sind separat vorgesehen und ausgangsseitig mit einem Verstärker mit festem Verstär¬ kungsfaktor 50 verbunden, der dem Verstärker 42 konstruk- tionsmäßig entspricht. Die Eingänge des Verstärkers 50 werden mit den EingangsSchaltungen 48 und 49 gesteuert durch einen Taktgeber 51 Zyklus verbunden, so daß am Aus¬ gang des Verstärkers 50 die im Pegel heraufgesetzten Si¬ gnale, wie sie von den Schaltungen 48 und 49 abgegeben werden ausschnittsweise zyklich erscheinen. Die Schaltun¬ gen 48 bis 51 sind in in einer Baugruppe zusammengefaßt, welche mit der übrigen Schrittmacherschaltung, die ent¬ fernt davon - bevorzugt den außerhalb eines Gehäuses - angeordnet ist und nur mit einer Datenleitung und den Leitungen für die Stromversorgung verbunden ist.
[0032] Auf diese Weise können eine Anzahl von externen Meßstellen vorgesehen werden, ohne daß innerhalb des Körpers empfind¬ liche, jeweils eine Vielzahl von Adern enthaltende, Lei- tungen verlegt werden müssen. In dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel wird das Eingangssignal für die Eingangs- Schaltung 48 von einer zusätzlichen im Ventrikel ange¬ brachten Elektrode Vz abgeleitet, welche alle Signaler¬ fassung unabhängig von einer Polarisierung der Stimula¬ tionselektrode ermöglicht. Das von der Hilfselektrode vz abgeleitete Signal kann auch dazu dienen, die Rückladung eines Ausgangskondensatcrs der Stimulationsschaltung im Ventrikel durch sogenannte "Autoshort-Impulse", welche dem Stimulationsimpuls entgegengerichtet sind, zu überwachen, um auf diese Weise zu ermitteln, wann die Polarisierung der Stimulationselektrode soweit abgeklungen ist, daß sie wieder zur Signalaufnahme - und insbesondere zur Effekti¬ vitätserkennung - zur Verfügung steht.
[0033] Der Eingang der weiteren Schaltung 49 kann zur Ermittlung von plethysmographischen Daten dienen, welche über die elektrische Widerstandsverteilung in der Herzkammer Aussa¬ gen über die ventrikuläre Aktivität ermöglichen.
[0034] Die von der Baugruppe 50 sequentiell übertragenen Daten gelangen über die Zuleitung zu einem innerhalb des Schrittmachergehäuses befindlichen Schieberegister 52 und werden nach vollständiger Übertragung einer Datensequenz in eine Sample&hold-Schaltung 53 übertragen. Dieser Über¬ tragungsvorgang wird ausgelöst durch einen Schalter 54, dessen Ausgangssignal die Sample&hold-Schaltung zur Auf¬ nahme neuer Daten aktiviert. Der Schalter seinerseits wird angesteuert von einem Decoder 55, der auf ein zyklisch wiederkehrendes Signal innerhalb des Eingangssignals des Schieberegisters 52 anspricht, wobei dieses Signal das Ende einer Datensequenz anzeigt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist dieses Signal einen Pegel auf, der über die üblicherweise auftre¬ tenden weiteren Signalpegel hinausgeht und liegt an einem Eingang der Schaltung 50 als Signal "++" ständig an.
[0035] Infolge der zyklischen Abfrage dieser Eingänge bildet es ein Bezugssignal innerhalb der zyklisch aufeinanderfolgen¬ den Signalproben. Die Decoderschaltung 55 stellt insoweit einen Schwellwertdetektor dar, welcher nur durch dieses in der Signalfolge erscheinende Bezugssignal zum Ansprechen gebracht wird. Die AusgangsSignale der Sample&hold-Schal¬ tung 53 werden durch die Verstärkerschaltung 42 über deren zusätzliche Eingänge entsprechend zyklisch abgefragt, so daß die extern bereits multiplex übertragenenen Signal- werte in die Multiplex-Verarbeitung der Baugruppen 42 bis 46 übernommen werden. Bei dieser Ausführung werden die in ein Multiplexverfahren zum Schrittmacher übertragenen Daten mittels der Schaltungen 52 und 53 wieder in an verschiedenen Leitungen in analoger Form anstehende separate Signale übertragen, um mittels der Schaltung 42 erneut mittels Abtastung in Multiplex-Signale verwandelt zu werden.
[0036] Bei einer (gestrichelt dargestellten) Variante werden die durch die Baugruppe 50 gemultiplexten Daten direkt in die Multiplex-Zeitfolge der Baugruppen 42 bis 45 einbezogen. Dazu gelangen die von außerhalb gelegenen Meßwertaufneh¬ mern ermittelten auf eine einzige Leitung gemultiplexten Daten vom Ausgang der Baugruppe 50 über die gestrichelt dargestellte Leitung direkt zu einem Eingang des Verstär¬ kers 42. Diese Daten sind zeitlich so angeordnet, daß sie nach dem Kennungsignal, welches wieder aus einem Impuls besteht, der eine größere Amplitude aufweist als die übrigen analo¬ gen Signalanteile, ein Zeitbereich ohne Signalübertragung erscheint, welcher ausreichend ist, um alle weiteren an Eingang des Verstärkers 42 erscheinenden Signale in zeit¬ sequentieller Folge aufzunehmen.
[0037] Dabei werden durch die Programmierung des Systems und den Taktdecoder 47 jeweils bezüglich des Eingangs der Schal¬ tung 42 für eine Anzahl Takte ausschließlich Signale über die Leitung vom Ausgang der Baugruppe 50 aufgenommen - entsprechend der Anzahl der auf dieser Leitung in sequen¬ tieller Folge erscheinenden Signale. Nach dem Kennungs- signal werden in dem darauffolgenden Zeitfester ohne Signale vom Ausgang der Schaltung 50 die übrigen Eingänge des Verstärkers 42 nacheinander abgefragt, so daß am Auf¬ gang der Schaltung 42 alle EingangsSignale der Schaltung 50 und alle weiteren EingangsSignale der Schaltung 42 in zeitsequentieller Folge erscheinen und nachfolgend in üblicher Weise weiterverarbeitet werden können.
[0038] Die nachfolgenden Schaltungen 43 und 44 werden also je¬ weils - wie für die Verarbeitung des jeweiligen analogen Eingangssignals vorgesehen - umgeschaltet, auch wenn der Eingang der Schaltung 42 für einige Taktsequenzen mit dem Ausgangs der entfernt gelegenen Schaltung 50 verbunden bleibt.
[0039] Voraussetzung für diese Betriebsweise ist eine Synchroni¬ sation des Taktgebers 51 mit der Taktgabe im Hauptsystem. Das wird dadurch erreicht, daß der Taktdecoder in diesem Fall nicht - oder nicht ausschließlich - vom Systembus 2 angesteuert wird, sondern von einem separaten Taktgenera¬ tor 56, der seinerseits durch ein PLL-System gesteuert wird, welches vom Ausgang des Decoders 55 synchronisiert wird. Der Bezugsimpuls innerhalb der Ausgangssignale der Schaltung 50 sorgt also dafür, daß Taktgenrator 56 phasen¬ synchron mit der von außen zugeführten sequentiellen (multiplexen) Signalfolge übereinstimmt.
[0040] Da durch das PLL-System die Phasenlage der Gesamtsequen¬ zen übereinstimmt, lassen sich auch die einzelnen Signal¬ anteile im Multiplex-Signal zeitlich synchron nacheinander erfassen, so daß die Einbindung der vom Ausgang der Schal- tung 50 eingehenden sequentiellen Signalanteile in das von der Schaltung 42 erzeugte Zeitschema exakt erfolgen kann.
[0041] Die Rückführung von Signalen zur weiteren Verarbeitung vom Ausgang der Multiplexanordnung zurück zu deren Eingang soll am Beispiel des Signals dargestellt werden, welches der Baugruppe (Sample-kHold-Schaltung) 58 zugeführt wird. Dabei soll es sich um das der Körpertemperatur entspre¬ chende Signal handeln, welches von der Schaltung 22 abge¬ geben wird. Dieses Signal steht am Ausgang der Schaltung 58 zur Verfügung. Die Übertragung dieses Signals innerhalb der Multiplex-Signalfolge erfolgt bevorzugt nur in größe¬ ren Zeitabständen, da die Änderungsrate gering ist. Auf diese Weise steht innerhalb des Kanals mehr Zeit für sich schneller ändernde oder weitere Signale zur Verfügung. Häufig ist für die Signalverarbeitung im Schrittmacher aber nicht der Absolutwert der Temperatur, sondern deren zeitliche Änderung oder auch das Integral dieser Größe erforderlich.,- Zur entsprechenden analogen Verarbeitung wird das Ausgangssignal der Baugruppe 58 wieder zum Ein¬ gang der Baugruppe 42 zurückgeführt und in einem anderen zeitlichgen Fenster erneut unter jeweils sequentieller Einschaltung der betreffenden Zeitkonstanten-(Filter-) glieder ind der Schaltung 44 erneut verarbeitet. Auch die¬ se Verarbeitung kann mit einer geringen Abtastrate erfol¬ gen. Auf diese Weise lassen sich die speziellen Anforde- rungen der verschiedensten analogen Eingangssignale opti¬ mal erfüllen, wobei die gesamte analoge Signalverarbeitung im wesentlichen in einem einzigen Übertragungskanal erfol¬ gen kann.
[0042] Unter Bezugnahme auf Figur 4 soll der dort dargestellte externe, diskrete Schaltungsteil näher beschrieben werden. Er besteht aus Eingangskondensatoren Cl und C2, welche Schutz gegen elektromagnetische Einstreuungen gewähren. Je eine Dreifachanordnung von Leistungs-Zenerdioden Dl und D2 bietet Schutz im Falle von Defibrillationen. Anti-Aliasing und Bandbegrenzungsfilter mit Differential-Eingang werden durch widerstände Rl bis R8 und Kondensatoren Cl bis CIO gebildet. Die Grenzfrequenzen des Eingangsbandes für den Differential-Eingangs-Filter für das Eingangssignal liegen bei 0,5 Hz und 100 Hz.
[0043] Die interne IC-Schaltung besteht aus einem Operationsver¬ stärker AI mit Multiplexeingang und fester Verstärkung, einem Multiplex-Verstärker A2 mit programmierbarer Ver- Stärkung und einem mehrpoligen Band Multiplex-Bandpaß- Filterverstärker A3, A4 mit fester Verstärkung, denen Korn- paratoren A5 bis A10 nachfolgen, welche Signalpegel detek- tieren, welche feste Schwellwerte überschreiten.
[0044] Der Verstärker AI mit Multiplexeingang ist in Schaltkondensa- tor-Technologie (SC) aufgebaut, wobei die feste Verstär¬ kung durch das Verhältnis der Eingangs- zur Rückkopplungs- kapazität bestimmt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungs¬ beispiel beträgt die Eingangskapazität 25 pF und die Rück¬ kopplungskapazität 1 pF entsprechend einer festen Verstär- kung von 25.
[0045] Der Programmierschalter ermöglicht eine unipolare/bipolare Arbeitsweise. In der Weise, daß die Eingangsverstärkerty- pologie entweder als unsymmetrischer Verstärker (Schalter offen) oder Differential-Verstärker (Schalter geschlossen) betrieben wird. Die Steuerschaltung für die Phase -E--F bie¬ tet Austastsignale für den Eingang und Schutz vor Stimula¬ tionsimpulsen des selben Kanals oder der entfernten Fel¬ dern von Stimulationsimpulsen des anderen Kanals, welche an der sensenden Elektrode auftreten. Die Betriebweise des Multiplex-Verstärkers mit gesehalteteten Kondensatoren ist abhängig von der Phasenlage von Schaltern bildenden Kon- densatoten, welche von einem Taktgenerator mit zeitlich nicht überlappenden Impulsen gesteuert wird. Das Multiple- xen der beiden Ξingangssignale wird durch das Schalten je¬ der Eingangsstufe mit einer Hälfte der Abtastrate des Rückkopplungnetzwerkes des Verstärkers mit unsymetrischem Eingang bewirkt. Die Schaltsequenz ist in Figur 7 darge¬ stellt. Während die als Austastschalter wirkenden Konden- satoren das Eingangssignal impulsweise kurzschließen, um in Zeitsegmenten, während der durch Ausgangssignale Stö- rungen auftreten können kurzschließen, erzeugen die schaltbaren Kondensatoren in Eingangsteil des Verstärkers AI zeitweise Verindungen zwischen den Signaleingangslei¬ tungen des Verstärkers zu den Eingangsklemmen, wie sie dem bekannten bipolaren bzw. dem unipolaren Betrieb entspre¬ chen.
[0046] Der Verstärker A2 mit programmierbarer Verstärkung ist in unsymmetrischer, geschalteter Kondensatortypologie mit ei- ner Verstärkung, welche durch das Verhältnis von Eingangs¬ und Rückkopplungkapazität festgelegt wird. Bei dem bevor¬ zugten Ausführungbeipiel ist die Eingangskapazität pro¬ grammierbar in Stufen von 1, 2, 4 und 8 pF. Für den Fall, daß die Rückkopplungkapazität 0,6 pF beträgt, ist die Ver- Stärkung programmierbar von 1,667 bis 25 in Stufen von 1,667. Eine maximale Über-alles-Verstärkung von 625 (25 mal 25) wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeipiel von dem Eingangsverstärker und dem programmierbaren Verstärker gemeinsam erreicht. Die Betriebweise des Verstärkers mit geschalteten Kondensatores ist abhängig von der korrekten Phasenlage der Schalter, welche von dem Taktgenerator mit nicht überlappenden Takten gesteuert wird. Die Schaltfolge ist in Figur 7 wiedergegeben. Die geschalteten Kapazitäten wirken entsprechend den Rückkopplungs- und Ξingangswider- städen einer bekannten Operationverstärkerschaltung bei kontinuierlichem Betrieb.
[0047] Unter Bezugnahme auf Figur 5 soll das Multiplex-Mehrpol- Bandpaßfilter mit fester Vertärkung näher beschrieben wer- den. Es ist in geschalteter Kondesatortechnologie herge¬ stellt mit Verstärkungs- und Bandpaßeigenschaften, welche durch das Verhältnis der Kondensatorelemente in Rückkopp- lungs- und Eingangsnetzwerk festgelegt werden. Bei dem be¬ vorzugten Ausführungsbeipiel wird das Ausgangssignal des Verstärkers mit programierbarer Verstärkung nach einem Sample&Hold-Prinzip ermittelt, wobei die breitbandigen atrialen ind ventrikulären EKG-Signale in zwei Gruppen un¬ terteilt werden. Die eine abgetastete Gruppe wird dem Ein¬ gang der Filterschaltung zugeführt, während die andere zur Telemetrie-Überwachungs-Ξinheit gelangt. Die das Übertra- gungsverhalten bestimmenden Filterglieder entsprechen in ihrem Aufbau den bekannten Filterschaltungen für kontinui¬ erlichen Betrieb, wobei, bedingt durch die geschalteten Kapazitäten der Stromfluß impulsweise erfolgt. Die ge¬ schalteten Kapazitäten entsprechen dabei den Widerständen. Frequenzbestimmende Kondensatoren sind in herkömmlicher Weise ausgebildet, so daß diese Kondensatoren nur geladen oder entladen werden, wenn sie über die geschalteten Kapa¬ zitäten mit anderen Schaltungspunkten verbunden sind. Die¬ se herkömmlichen Kondensatoren speichern also ihre Ladun- gen bis sie in der sequentiellen Folge wieder "bedient" werden. Zwischen diesen sequentiellen Taktzeiten ist ihr Zustand unveränderlich also "eingefroren", wenn man einmal von der natürlichen Selbstentladung absieht.
[0048] Die abgetasten Breitband-EKG-Eingangssignale werden gehal¬ ten und sequentiell gefiltert durch die Filterschaltung und das mehrpolige Rückkopplungnetzwerk, um gefilterte atriale und ventrikuläre EKG-AusgangsSignale zu erhalten. Diese Ausgangssignale werden sowohl dem Telemetrieüber- waehungs als auch den Detektorschaltkreisen zugeführt. Die Multiplexfilter werden in unsymmetrischer Verstärker- Topologie erzeugt, wobei zwei atriale Hochpaß- und ein atrialer Tiefpaß-Bereich vorgesehen ist, sowie zwei ven- trikulärer Hochpaß- und ein ventrikulärer Tiefpaß-Bereich. Die sequentielle Phasenschaltung der Schalter wird ge- steuert durch einen Taktgenerator mit nichtüberlappenden Impulsen. Die sequentiellen Phasen lagen der Taktsignale des Hochpaß- und Tiefpaß-Filters, erzeugen die gewünschten gefilterten Multiplexausgangssignale. Die Schaltimpuls¬ folge ist in Figur 7 dargestellt. Die sequentielle Be- triebsweise der Schalter und der Hochpaß- bzw. Tiefpaß- Filterbereiche erzeugen gefilterte Ausgangssignale mit +80 db/pro Dekade im tieffrequenten Bereich und -40 db/pro Dekade im hochfrequenten Bereich.
[0049] Jede Filterschaltung trägt einen Anteil von 40 db/Dekade bei, so daß jeder Kanal zwei Hochpaß-Netzwerke und ein Tiefpaß-Netzwerk benötigt, um das gewünschte Filter¬ verhalten zu erzeugen.
[0050] Die Eckfrequenzen werden durch die Kondensatorverhältnisse innerhalb jeder Filterschaltung festgelegt, wodurch die -3 db Eckfrequenzen zu 40 und 100 für den Vorhof, und mit 20 und 60 Hz für den Ventrikel festgelegt werden.
[0051] Die Rückkopplungswege der FilterSchaltungen gemäß Figur 5 (obere Blöcke) sind in Figur 6 dargstellt.
[0052] Bezüglich der Verbindungswege zwischen den in den Figuren
[0053] 4 bis 6 dargestellten Bauelemente wird auf die Stromlauf- plane bezuggenommen. Hinsichtlich der Einschaltzeiten der geschalteten Kapazitäten wird auf die entsprechend ge- kennzeichneten Zeitintervalle und die - zugeordneten Be¬ zeichnungen der betreffenden Betriebsfunktionen verwiesen. Es ist ersichtlich, daß einige der schaltbaren Kondensato¬ ren mit jedem zweiten Taktimpuls in der Impulssequenz ge- taktet - also aktiviert werden -, während andere Kondensa¬ torgruppen alle vier, acht oder zwölf Impulse aktiviert werden. Auf diese Weise lassen sich durch die sequentielle Betriebsweise nachgebildete verzweigte, Signalwege in der Nachbildung erneut verzweigen oder in drei weitere Wege aufteilen (entsprechend der Taktung mit jedem achten oder zwölf en Signalimpuls. Werden also beispielsweise die vom Verntrikel und Atrium aufgenommenen Signale abwechselnd über denselben Verstärker- und Filterweg verarbeitet, so lassen sich für Atrium- und Ventrikelsignale noch jeweil unterschiedliche Verstärkungs- oder Filtercharakteristiken einstellen. Die Vielfalt dieser "Auffächerung" von Signal¬ verarbeitungswegen wird durch die erforderliche obere Grenzfrequenz bei der Signalübertragung bestimmt, da höch¬ sten zu übertragenden Frequenzen durch die sequentielle Übertragung beeinträchtigt werden.
[0054] Die dargestellten Schaltungen enthalten die Verbindungswe¬ ge der sequentiell nacheinander aktivierbaren Schaltungs¬ konfigurationen überlagert, wobei die taktweise geschalte- ten Kondensatoren die Schaltelemente in den Verbindungswe¬ gen bilden, welche periodisch nacheinander aktiviert wer¬ den. In frequenzbestimmenden Schaltungen, wie Filtern, bilden diese Kapazitäten auch gleichzeitig die frequenzbe¬ stimmenden Schaltelemente, da ihre Werte so gewählt sind, daß sie - bezogen auf die Taktzeiten - unterschiedliche dynamische Widerstände bilden. Die Änderung der Übertragungseigenschaften des multiplexen Übertragungswegs kann auch über den Digitalteil über einen entsprechenden Schaltzustand der jeweiligen geschalteten Kapazitäten in Abhängigkeit von der Auswertung der in den jeweiligen sequentiellen "Kanälen" übertragenen Daten er¬ folgen.
[0055] Auf diese Weise ist eine Amplitudenregelung und auch eine Änderung der Filtereigenschaften in Abhängigkeit von den Signalamplituden auf der Leitung möglich. Die Leitung mit ihren komplexen schaltbaren Übertragungseigenschaften kann dabei auf einem oder mehrenen zeitlichen Übertragungskanä¬ len aufgrund einer für dessen Zeitsequenz programmierten Übertragungsfunktion auch einen "Regler" oder ein sonsti- ges mit Zeitkonstanten oder Filtereigenschaften behaftetes Glied bilden, wie es sich allgemein mit komplexen Übertra¬ gungsfunktionen beschreiben läßt.
[0056] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei¬ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
[0057] * * * * *.
权利要求:
Claims

A n s p r ü c h e
1. Implantierbarer Herzschrittmacher mit mehreren Ξin- g ngen zur Signalaufnahme und mit diesen Eingängen verbun¬ dene Schaltmittel zur Signalverarbeitung,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß von externen Quellen und/oder von internen Quellen über Signalaufnehmer erhaltene analoge Signale auf einem gemeinsamen Signalübertragungsweg innerhalb und/oder au¬ ßerhalb des Herschrittmachergehäuses zeitlich sequentiell übertragen werden.
2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß synchron .zu der Um- schaltung der Verbindungen von den Signalaufnehmern zu dem Signalübertragungsweg einzelne oder mehrere der Signal¬ übertragungseigenschaften verändert werden.
3. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umschaltung der Verbindungen oder Signalübertragungs- eigenschaften mittels umschaltbarer Kondensatoren erfolgt.
4. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltung mit den umschaltbaren Kondensatoren in integrierter Form aufgebaut ist.
5. Herzschrittmacher nach Anspruch 4, daß bei im Signal¬ übertragungsweg vorgesehenen Filterschaltungen die schalt¬ baren Kondensatoren die Filtereigenschaften mitbestimmende Kapazitäten bilden.
6. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei im Signalübertra¬ gungsweg vorhandenen Verstärkerschaltungen die Verstärkung durch Umschaltung der Eingangs- bzw. Rückopplungskapazität veränderbar ist.
7. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltsignale zur Umschaltung der Signalwege von einem nachgeschalteten digital arbeitenden System erzeugt wer¬ den.
8. Herzschrittmacher nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltsignale über einen entsprechenden Decoder über den Datenbus des digital arbeitenden Systems abgeleitet werden.
9. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anschalthäufigkeit der einzelnen Signalquellen an den Übertragungsweg unterschiedlich und insbesondere veränder¬ bar ist.
10. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Signalübertragungsweg Analog-/Digital-Wandler, insbe¬ sondere Schwellwertdetektoren, nachgeschaltet sind, deren Eingänge sequentiell mit dem Signalübertragungsweg ver¬ bindbar sind.
11. Herzschrittmacher nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Erreichen eines vorgebenen Signalamplitudenwerts ein Interruptsignal an einen digitalen Prozessor abgegeben wird.
12. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Signalübertragungsweg eine Sample&Hold-Schaltung nach¬ geschaltet ist, deren Eingang sequentiell mit dem Signalü¬ bertragungsweg verbindbar ist.
14. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalaufnehmer die atriale und die ventrikuläre Elek- trode bilden. 15. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalaufnehmer solche für weitere körpereigene Signa¬ le bilden, welche unabhängig von elektrischen Signalpoten¬ tialen im Herzen aufnehmbar sind, insbesondere Tempera¬ tur-, Druck-, Schall-, plethysmographische, photometrische oder mechanische oder chemische Signale.
16. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Ventrikel neben der Stimulationselektrode eine weitere Elektrode zur elektrischen Kontaktierung der Herzwand vor¬ gesehen ist.
17. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Meßwertaufnehmer als Strom- oder Spannungsaufnehmer im Batterie- oder Spannungsvervielfacher-Stromkreis ausgebil¬ det ist.
18. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An- Sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang des Übertragungswegs unter Einschluß eines Zwischenspeichers mit seinem Eingang verbindbar ist, wobei die Verbindung des Zwischenspeichers an den Ein- bzw. Aus¬ gang zu unterschiedlichen Zeiten erfolgt. 19. Herzschrittmacher nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zu mindestens einer der Zeiten der Ubertragungsweg eine komplexe Übertragungsfunk- tion aufweist.
20. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ubertragungsweg mit zeitsequentieller (multiplexer) Übertragung eine Leitung zum Schrittmacher außerhalb seines Gehäuses einschließt.
21. Herzschrittmacher nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umschaltrate der Signale auf der Leitung ausßerhalb des Gehäuses geringer ist als innerhalb und bei gleicher Wiederholungsrate pro übertragenem Signal dem im Inneren des Gehäuses verlaufen- den Ubertragungsweg weitere Signale innerhalb des oder verbleibenden Zeitfenster zeitsequentiell zugefügt werden.
22. Herzschrittmacher nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß außerhalb des Gehäuses ein separater Taktgeber zur Steuerung der wechselweisen Anschaltung der Signalquellen an den Ubertragungsweg vorgesehen ist und Bezugsimpulse für die Synchronisation eines innerhalb des Schrittmachers vorgesehenen Umschal- ters zwischen Ubertragungsweg und Signalausgängen auf dem Ubertragungsweg selbst ohne zusätzliche Signalader ' mit¬ übertragen werden. 23. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein redundanter Zeitgeber für Schrittmacherimpulse von der Eingangsseite des Signalübertragungswegs her gesteu- ert wird.
24. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Umschaltung zwischen bipolarem und unipolarem Elek¬ trodenanschluß mittels schaltbarer Kondensatoren vorgese¬ hen ist.
25. Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Verstärkungs- oder Filtereigenschaften des Übertragungs¬ wegs in der Weise digital geregelt werden, insbesondere in der Weise, daß bei Überschreiten vorbestimmter Schwellwer- te durch Signale oder Signalanteile an dessen Ausgang Ver¬ stärkungsfaktoren verkleinert werden und umgekehrt.
26. • Herzschrittmacher nach einem der vorangehenden An- Sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Austastzeiten bei der Signalübertragung durch die Unter¬ drückung von Taktsignalen für den betreffenden zeitsequen- tiellen Verbindungsweg innerhalb der multiplexen Verarbei¬ tung für die Dauer der Austastzeit hervorgerufen werden.
* * * * *
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