DE19951491A1 - Leistungsverbrauchsverminderung bei eine Anzahl von digitalen Signalprozessoren verwendenden medizinischen Geräten - Google Patents
Leistungsverbrauchsverminderung bei eine Anzahl von digitalen Signalprozessoren verwendenden medizinischen GerätenInfo
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Abstract
Die Leistungsaufnahme bei medizinischen Vorrichtungen wird durch die Verwendung und den Betrieb mehrerer digitaler Signalverarbeitungssysteme verringert. Jeder Prozessor der mehreren Systeme führt mindestens eine spezielle Funktion in einem vorgegebenen Zeitraum aus. Die mehreren digitalen Signalprozessoren solcher Systeme können bei niedrigeren Taktfrequenzen arbeiten als diejenigen, die einer dieser Prozessoren benötigen würde, um die mehreren Funktionen innerhalb des vorgegebenen Zeitraums abzuschließen. Bei verringerter Taktfrequenz ist die Leistungsaufnahme verringert. Weiterhin können bei verringerter Taktgeschwindigkeit auch die an solche digitalen Signalprozessoren angelegten Versorgungsspannungen verringert sein.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Leistungs
aufnahme von Anordnungen integrierter Schaltungen in der
Art von in medizinischen Vorrichtungen, insbesondere
implantierbaren Vorrichtungen, verwendeten Schaltungen. Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung
mehrerer digitaler Signalprozessoren bei solchen
Schaltungsanordnungen, um die Leistungsaufnahme zu verrin
gern.
Bei verschiedenen Vorrichtungen ist ein Betrieb mit einer
niedrigen Leistungsaufnahme erforderlich. Beispielsweise
ist bei tragbaren Kommunikationsvorrichtungen eine solche
niedrige Leistungsaufnahme erforderlich, und es ist ins
besondere bei implantierbaren medizinischen Vorrichtungen
die Fähigkeit zu einem Betrieb bei niedriger Leistungs
aufnahme erforderlich. Hinsichtlich implantierbarer medi
zinischer Vorrichtungen, beispielsweise Mikroprozessor-
gestützter implantierbarer kardialer Vorrichtungen, wie
implantierbarer Schrittmacher und Defibrillatoren, sei
bemerkt, daß sie bei niedrigerer Leistungsaufnahme arbeiten
müssen, um die Batterielebensdauer und die Langlebigkeit
der Vorrichtung zu erhöhen.
Solche Vorrichtungen mit niedriger Leistungsaufnahme sind
im allgemeinen unter Verwendung der Technologie komplemen
tärer Metalloxidhalbleiter (CMOS-Technologie) ausgelegt.
Die CMOS-Technologie wird im allgemeinen verwendet, weil
diese Technologie die Eigenschaft einer im wesentlichen
verschwindenden "statischen" Leistungsaufnahme aufweist.
Die Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen besteht im
wesentlichen aus zwei Faktoren, nämlich der "dynamischen"
Leistungsaufnahme und der statischen Leistungsaufnahme. Die
statische Leistungsaufnahme ist ausschließlich auf Leck
ströme zurückzuführen, weil der Ruhestrom dieser Schaltun
gen null ist. Die dynamische Leistungsaufnahme ist der
dominante Faktor der Leistungsaufnahme bei der CMOS-Techno
logie. Die dynamische Leistungsaufnahme ist im wesentlichen
auf den Strom zurückzuführen, der zum Laden interner Kapa
zitäten und von Lastkapazitäten während des Schaltens, also
zum Laden und Entladen dieser Kapazitäten, erforderlich
ist. Die dynamische Leistung (P) ist äquivalent zu
1/2CVDD 2F, wobei C eine Knotenkapazität ist, F die Takt-
oder Schaltfrequenz ist und VDD die Versorgungsspannung für
die CMOS-Schaltung ist. Wie anhand der Formel zum Berechnen
der dynamischen Leistung (P) ersichtlich ist, ist diese
dynamische Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen zum
Quadrat der Versorgungsspannung (VDD) proportional. Weiter
hin ist die dynamische Leistung (P) zur Schalt- oder Takt
frequenz (F) proportional.
Es war nach der Formel für die dynamische Leistungsaufnahme
bei integrierten CMOS-Schaltungsanordnungen herkömmlicher
weise wirksam, die Versorgungsspannung für eine ganze
Vorrichtung (beispielsweise eine Hybridvorrichtung) oder
eine integrierte Schaltung (IC) zu vermindern, also die
Schaltung bei niedrigen Versorgungsspannungen zu betreiben,
um die Leistungsaufnahme für solche Anordnungen zu verrin
gern. Beispielsweise wurde bei der SPECTRAX®-Vorrichtung
von MEDTRONIC etwa von 1979 eine IC-Schaltungsanordnung
durch eine Lithiumiodzelle und nicht durch die zwei Zellen
gespeist, die typischerweise bei Vorrichtungen aus dem
Stand der Technik verwendet werden. Hierdurch wurde die
Versorgungsspannung von 5,6 Volt auf 2,8 Volt verringert,
wodurch der zusätzliche Strom verringert wurde. Spannungen,
die größer als 2,8 Volt sein mußten, wurden durch einen
Spannungsverdoppler oder alternativ durch eine Ladungspumpe
erzeugt (beispielsweise Ausgangsstimulierimpulse). Weiter
hin wurde beispielsweise bei der SYMBIOS®-Vorrichtung von
MEDTRONIC etwa von 1983 eine Logikschaltungsanordnung durch
einen Spannungsregler gespeist, der die IC-Versorgungs
spannung als eine Versorgungsspannung in Form einer "Summe
von Schwellenwerten" steuerte. Dieser Regler lieferte der
IC eine Versorgungsspannung (d. h. VDD), die um einige
Hundert Millivolt über der Summe der n-Kanal- und der
p-Kanal-Schwellenwerte der die IC bildenden CMOS-
Transistoren lag. Dieser Regler war hinsichtlich Herstel
lungsschwankungen der Transistorschwellenwerte selbst
kalibrierend.
Andere Vorrichtungen weisen auf verschiedene andere Arten
eine verringerte Leistungsaufnahme auf. Beispielsweise
weisen verschiedene Vorrichtungsanordnungen abschaltbare
Analogblöcke und/oder ausschaltbare Taktgeber für Logik
blöcke, die zu bestimmten Zeiten nicht verwendet werden,
auf, wodurch die Leistungsaufnahme verringert wird. Weiter
hin wurde beispielsweise bei Mikroprozessor-gestützten
Vorrichtungen in der Vergangenheit eine "Bursttakt"-Anord
nung zum Betreiben eines Mikroprozessors bei einer sehr
hohen Taktrate (beispielsweise in etwa 500-1000 Kilohertz
(kHz)) für relativ kurze Zeiträume verwendet, um den Vor
teil eines "Tastgrads" zum Verringern der durchschnitt
lichen Stromentnahme zu gewinnen. Ein viel niederfrequen
terer Takt (beispielsweise in etwa 32 kHz) wird für andere
Schaltungsanordnungen und/oder den Prozessor verwendet,
wenn er sich nicht im Modus der hohen Taktrate, also im
Burst-Taktmodus befindet. Bei vielen bekannten Prozessor-
gestützten implantierten Vorrichtungen werden die Burst-
Takttechniken verwendet. Beispielsweise werden bei von
Medtronic, Vitatron, Biotronic, ELA, Intermedics, Pace
setters, InControl, Cordis, CPI usw. erhältlichen implan
tierten Vorrichtungen Burst-Takttechniken verwendet. Einige
der Veranschaulichung dienende Beispiele, die die Verwen
dung eines Bursttakts beschreiben, sind im am 31. Dezember
1985 Vollmann u. a. erteilten US-Patent 4 561 442 mit dem
Titel "Implantable Cardiac Pacer With Discontinuous Micro
processor Programmable Anti Tachycardia Mechanisms and
Patient Data Telemetry", im am 11. Juni 1991 Russie erteil
ten US-Patent 5 022 395 mit dem Titel "Implantable Cardiac
Device With Dual Clock Control of Microprocessor", im am
14. Februar 1995 Yomtov u. a. erteilten US-Patent 5 388 578
mit dem Titel "Improved Electrode System For Use With An
Implantable Cardiac Patient Monitor" und im am 13. Oktober
1992 Bennet u. a. erteilten US-Patent 5 154 170 mit dem
Titel "Optimization for Rate Responsive Cardiac Pacemaker"
gegeben.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Energie
/Verzögerung gegenüber der Versorgungsspannung für CMOS-
Schaltungen, wie einen in Fig. 2 zur Veranschaulichung
dargestellten CMOS-Invertierer 10. Der Invertierer 10 ist
mit einer Versorgungsspannung VDD versehen, die an die
Source-Elektrode eines PMOS-Feldeffekttransistors (FET) 12
angeschlossen ist. Die Drain-Elektrode des PMOS-FETs 12 ist
an die Drain-Elektrode eines NMOS-FETs 14 angeschlossen,
dessen Source-Elektrode an Masse gelegt ist. In dieser
Konfiguration wird eine an beide Gate-Elektroden der FETs
12, 14 angelegte Eingangsspannung Vi invertiert, und es
wird eine Ausgangsspannung V0 erzeugt. Einfach ausgedrückt
wird ein Taktzyklus oder eine Logikpegeländerung zum Inver
tieren der Eingabe Vi zu V0 verwendet.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird die logische Verzöge
rung der Schaltung drastisch erhöht, wenn die Versorgungs
spannung auf nahezu ein Volt verringert wird, wie durch
eine Verzögerungslinie 16 und eine Energie/Verzögerung-
Linie 18 dargestellt ist. Dabei ist ein kontinuierliches
Verringern der Versorgungsspannung (VDD) auf niedrigeres
Pegel praktisch nicht durchführbar, weil höhere Versor
gungsspannungen erforderlich sind, wenn ein Betrieb mit
höherer Frequenz notwendig ist. Beispielsweise müssen CMOS-
Logikschaltungen im allgemeinen periodisch Funktionen bei
einer höheren Frequenz, beispielsweise einer Burst-
Taktfrequenz, bereitstellen. Wenn die Versorgungsspannung
(VDD) jedoch vermindert wird, wird dieser Energieverbrauch
um das Quadrat der Versorgungsspannung (VDD) verringert,
wie durch eine Energieverbrauchslinie 20 dargestellt ist.
Daher ist zum Erreichen einer höheren Geschwindigkeit eine
höhere Versorgungsspannung (VDD) erforderlich, was einer
niedrigen Leistungsaufnahme direkt entgegensteht.
Auch andere Probleme sind bei Verwendung niedrigerer Ver
sorgungsspannungen (VDD) für CMOS-Schaltungsanordnungen
offensichtlich. Wenn eine niedrigere Versorgungsspannung
ausgewählt wird, können insbesondere bei niedrigeren Fre
quenzen erhöhte statische Leckstromverluste auftreten.
Verschiedene Techniken zum Verringern der Leistungsaufnahme
von Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt, wobei
einige Beispiele dazu zumindest in einigen der in der
weiter unten angegebenen Tabelle 1 angeführten Entgegen
haltungen gefunden werden können.
Auf alle in der oben angegebenen Tabelle 1 angeführten
Entgegenhaltungen sei hiermit in ihrer jeweiligen Gesamt
heit verwiesen. Wie für Durchschnittsfachleute beim Lesen
der Zusammenfassung der Erfindung, der Detaillierten
Beschreibung der Ausführungsformen und der Ansprüche, die
weiter unten aufgeführt sind, leicht verständlich sein
wird, können zumindest einige der Vorrichtungen und Verfah
ren, die in den in der vorliegenden Anmeldung erwähnten
Veröffentlichungen, Patenten oder Patentanmeldungen unter
Einschluß derjenigen, die in den in der oben angegebenen
Tabelle 1 angeführten Entgegenhaltungen offenbart sind,
dargelegt sind, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
vorteilhaft modifiziert werden.
Die vorliegende Erfindung hat bestimmte Aufgaben. Dabei
liefern verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung Lösungen für ein oder mehrere Probleme, die im
Stand der Technik im Hinblick auf die Auslegung von Schal
tungsanordnungen mit einer niedrigeren Leistungsaufnahme,
insbesondere in bezug auf implantierbare medizinische
Vorrichtungen, auftreten. Diese Probleme umfassen CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungen
mit einer sehr hohen dynamischen Leistungsaufnahme, wodurch
die Batterielebensdauer verringert wird, die Unfähigkeit,
niedrige Versorgungsspannungspegel wirksam zu verwenden,
das Fehlen der Möglichkeit, angemessene Verarbeitungsfähig
keiten, wie hochentwickelte Verarbeitungsfähigkeiten unter
Einschluß einer Aufwärts/Abwärts-Telemetrie, einer Morpho
logieerfassung und einer Initialisierung von Vorrichtungen,
während weiterhin einfache Verarbeitungsfähigkeiten, wie
das Wahrnehmen natürlicher Herzschläge, eine Stimulation
und eine langsame Telemetrie bei der gewünschten Leistungs
aufnahme bereitgestellt werden, bereitzustellen, und die
Unfähigkeit, Schaltungsanordnungen bereitzustellen, die bei
niedrigeren Frequenzen und dementsprechend einer niedrige
ren Leistungsaufnahme arbeiten, was im Gegensatz zur Ver
wendung schnellerer Takte in der Art von Bursttakten steht.
Im Vergleich zu bekannten Techniken zum Verringern der
Leistungsaufnahme bei Schaltungsanordnungen können ver
schiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten, nämlich
eine verringerte Leistungsaufnahme durch die Verwendung
mehrerer digitaler Signalverarbeitungssysteme (DSP-
Systeme), eine verringerte Leistungsaufnahme durch die
Verwendung einer niedrigeren Versorgungsspannung (VDD),
eine verringerte Leistungsaufnahme durch Verringern der
Taktfrequenz für Schaltungsanordnungen, eine erhöhte Lang
lebigkeit der Schaltungen, insbesondere von Schaltungs
anordnungen implantierbarer Vorrichtungen, das Bereit
stellen einer möglichen Verringerung der Produktgröße und
das Bereitstellen von Hochleistungs-Verarbeitungsanordnun
gen mit zusätzlichen Merkmalen und funktionellen Möglich
keiten durch die Fähigkeit zum Verringern der Leistungs
aufnahme im Hinblick auf andere "erforderliche" Merkmale
und Funktionen.
Einige Ausführungsformen der Erfindung beinhalten eines
oder mehrere der folgenden Merkmale, nämlich zwei oder mehr
digitale Signalverarbeitungssysteme, mehrere Prozessoren,
wobei jeder von ihnen zum Verringern der Leistungsaufnahme
Funktionen bei niedrigeren Taktfrequenzen ausführt, einer
ersten und einen zweiten digitalen Signalprozessor, die
analoge Eingaben repräsentierende Daten verarbeiten, um
während eines vorgegebenen Zeitraums eine erste bzw. eine
zweite Funktion bei einer ersten bzw. einer zweiten Takt
frequenz auszuführen, wobei die erste und die zweite Takt
frequenz derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten
digitalen Signalprozessor während des Ausführens dieser
Funktionen aufgenommene Leistung geringer ist als die
Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer der
Prozessoren die Funktionen innerhalb des Zeitraums ausfüh
ren müßte, mehrere digitale Signalprozessoren, deren Ver
sorgungsspannungen auf der Grundlage der Verringerung der
Taktfrequenz für diese Prozessoren verringert sind, das
Bereitstellen analoger Eingaben, beispielsweise von Herz
wahrnehmungssignalen, für die mehreren Prozessoren, wobei
diese dem Ausführen von Funktionen in der Art einer
T-Zacken-, P-Zacken- und R-Zacken-Erfassung dienen, sowie
das Verwenden verschiedener der vorhergehenden Merkmale
oder Kombinationen von diesen bei CMOS-, CML-(Strommodus
logik)-, SOS-(Silicium-auf-Saphir)-, SOI-(Silicium-auf-
Isolator)-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanord
nungen.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Ener
gie/Verzögerung gegenüber der Versorgungsspannung für einen
CMOS-Schaltungsbetrieb.
Fig. 2 zeigt einen CMOS-Invertierer aus dem Stand der
Technik, der bei vielen CMOS-Schaltungsanordnungen als ein
Baustein verwendet wird.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Zeitgerecht-Taktsystems
gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 4A-4C zeigen Darstellungen von Zeitsteuerun
gen, die beim Beschreiben des Zeitgerecht-Taktsystems aus
Fig. 3 verwendet werden.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Systems mit mehreren
Versorgungsspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, in dem ein System mit einer
veränderlichen Versorgungsspannung gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer taktgesteuerten Verar
beitungsschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfin
dung.
Fig. 8 ist ein Diagramm, in dem eine implantierbare medi
zinische Vorrichtung in einem Körper dargestellt ist.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm der Schaltungsanordnung eines
Schrittmachers, das beim Veranschaulichen von einer oder
mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
Fig. 10 ist ein schematisches Blockdiagramm eines implan
tierbaren Schrittmachers/Kardioverters/Defibrillators
(PCD), das beim Veranschaulichen von einer oder mehreren
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet
wird.
Fig. 11 ist ein schematisches Blockdiagramm eines digita
len Signalverarbeitungssystems mit einem veränderlichen
Takt und einer veränderlichen Versorgungsspannung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 ist ein schematisches Blockdiagramm, in dem das
System aus Fig. 11 allgemein dargestellt ist.
Fig. 13 ist ein schematisches Blockdiagramm, in dem die
Verringerung der Leistungsaufnahme bei Verwendung mehrerer
digitaler Signalverarbeitungssysteme gemäß der vorliegenden
Erfindung allgemein dargestellt ist.
Fig. 14 ist ein schematisches Blockdiagramm eines
Abschnitts eines Herzschrittmachers, der Meßverstärker zum
Empfangen von Herzwahrnehmungssignalen aufweist.
Fig. 15 zeigt eine Ausführungsform mit zwei digitalen
Signalverarbeitungssystemen bei einem System gemäß
Fig. 13, wobei darin eine Verwirklichung der in Fig. 14
dargestellten Meßverstärkerfunktionen gemäß der vorlie
genden Erfindung dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung wird zuerst allgemein mit Bezug
auf die Fig. 3-15 beschrieben. Insbesondere ist in
diesen Figuren wenigstens teilweise die Verwendung mehrerer
DSP-Systeme zum Verringern der Leistungsaufnahme darge
stellt.
Fig. 3 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines
Zeitgerecht-Taktsystems 30. Das Zeitgerecht-Taktsystem 30
beinhaltet eine integrierte Schaltung 32 und eine
Taktquelle 34. Die integrierte Schaltung 32 beinhaltet eine
Vielzahl von Schaltungen C1-Cn. Jede Schaltung kann, wenn
sie arbeitsfähig ist, eine oder mehrere Schaltungsfunktio
nen ausführen. Eine Funktion ist hier als eine beliebige
Operation definiert, die an einer oder mehreren Eingaben in
einer Vielzahl von Zyklen ausgeführt wird und die zu einer
Ausgabe führt. Allgemein gesagt werden die durch die ver
schiedenen Schaltungen C1-Cn ausgeführten Funktionen
gewöhnlich, wenn auch nicht notwendigerweise immer in einer
vorgegebenen Anzahl von Taktzyklen ausgeführt. Die
Taktquelle 34 ist in der Lage, bei einer Vielzahl von
allgemein als clock1-clockn dargestellten Taktfrequenzen
Taktsignale bereitzustellen.
Die Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 32
können diskrete Funktionsschaltungen (beispielsweise eine
bestimmte Funktion verwirklichende Logikschaltungen, die
eine oder mehrere Eingaben bearbeiten und anhand dieser
eine oder mehrere Ausgaben liefern), wie beispielsweise
Schaltungen, die eine Eingabe eines Sensors bearbeiten und
anhand von dieser weiteren Funktionsschaltungsanordnungen
Sende-Empfangsschaltungsanordnungen, Konversionsschaltungs
anordnungen und dergleichen ein entsprechendes Signal
liefern. Weiterhin können die Schaltungen C1-Cn Daten
verarbeitungsschaltungsanordnungen aufweisen, die unter
einer Programmsteuerung mehrere Funktionen ausführen
können. Alternativ können diese Schaltungen C1-Cn
Firmware-(Software)-Funktionen/Routinen realisieren, die
vor einem nachfolgenden Ereignis oder vor Beginn der näch
sten Funktion abgeschlossen sein müssen. Wie hier
beispielsweise weiter mit Bezug auf der Veranschaulichung
dienende Ausführungsformen implantierbarer medizinischer
Vorrichtungen beschrieben wird, können diese Schaltungen
digitale Signalverarbeitungsschaltungen, Telemetrie-
Aufwärts/Abwärts-Schaltungsanordnungen, Morphologieerfas
sungsschaltungsanordnungen, Arrythmieerfassungsschaltungs
anordnungen, Überwachungsschaltungsanordnungen, Schritt
macherschaltungsanordnungen, Mikroprozessoren und der
gleichen umfassen.
Die von jeder der Schaltungen C1-Cn ausgeführten Funktio
nen müssen typischerweise einen bestimmten Zeitraum vor
Ausführung eines nächsten Funktionsprozesses abgeschlossen
sein. Beispielsweise kann eine Logikschaltung eine Funktion
in einem vorgegebenen Zeitraum ausführen, um eine von einer
anderen Schaltung benötigte Ausgabe bereitzustellen, oder
es kann beispielsweise erforderlich sein, eine Funktion
während eines bestimmten Zeitraums durch eine Verarbei
tungsschaltungsanordnung auszuführen, weil diese Verarbei
tungsschaltungsanordnung andere Verarbeitungen ausführen
muß. Bei einem anderen Beispiel, das insbesondere eine
implantierbare medizinische Vorrichtung betrifft, muß eine
Verarbeitung zum Abschließen einer bestimmten Funktion
möglicherweise in einem Teil eines bestimmten Zeitinter
valls, wie eines Austastintervalls, eines oberen Raten
intervalls, eines Escapeintervalls oder eines Refraktär
intervalls eines Herzzyklus oder weiter beispielsweise
während eines Quittungsaustausches zwischen einem Impuls
generator und einer Programmiereinrichtung ausgeführt
werden.
Die Taktquelle 34 kann in irgendeiner Weise zum Bereit
stellen von Taktsignalen bei einer Vielzahl von Frequenzen
konfiguriert sein. Diese Taktquelle kann irgendeine Anzahl
von Taktschaltungen beinhalten, wobei jede von ihnen bei
einer bestimmten Frequenz ein einziges Taktsignal bereit
stellt, die Taktquelle 34 kann eine oder mehrere einstell
bare Taktschaltungen zum Bereitstellen von Taktsignalen
über einen zusammenhängenden Bereich von Taktfrequenzen
beinhalten, und/oder sie kann eine Taktschaltung beinhal
ten, die so arbeiten kann, daß Taktsignale bei diskreten
Taktfrequenzen und nicht über einen zusammenhängenden
Bereich bereitgestellt werden. Die Taktquelle 34 kann
beispielsweise Oszillatoren, Taktteiler, Zeitgeber, Takt
steuer-Schaltungsanordnungen oder irgendwelche andere
Schaltungselemente aufweisen, die zum Bereitstellen von
Taktsignalen gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich
sind. Die Taktquelle 34 ist vorzugsweise als ein kontinu
ierlich oszillierender Niederfrequenz-Taktgeber und als ein
steuerbarer ein-/ausschaltbarer Taktgeber mit höherer
Frequenz konfiguriert.
Ein zeitgerecht steuerbarer Taktbetrieb des Zeitgerecht-
Taktsystems 30 aus Fig. 3 wird hier mit Bezug auf die
Fig. 4A-4C beschrieben. Wie in Fig. 4A dargestellt
ist, repräsentiert der Zeitraum (x) den Zeitraum, in dem
eine Schaltung, beispielsweise eine der Schaltungen C1-
Cn, eine oder mehrere Funktionen ausführen muß. Der gleiche
Zeitraum (x) ist in Fig. 4B dargestellt. Der Zeitraum x
kann jeder beliebigen Anzahl unterschiedlicher Zeiträume
gleichgesetzt werden. Beispielsweise kann der Zeitraum der
Zeitbetrag, in der eine Verarbeitungsschaltung eine
bestimmte Erfassungsfunktion ausführen muß, weil eine
Erfassungsausgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt erforder
lich ist, ein Zeitraum, den eine bestimmte Logikschaltung
zum Abschließen einer bestimmten Funktion benötigt, um
einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung pünktlich eine
Ausgabe zu liefern, ein Zeitraum zum Abschließen einer
Firmware-(Software)-Routine und dergleichen sein. Weiterhin
kann der Zeitraum x einem Herzzyklus oder einem Teil davon
entsprechen.
Wie in Fig. 4B dargestellt ist und gemäß der herkömmlichen
Verarbeitung wurden Schaltungsfunktionen typischerweise bei
einer Burst-Zyklusfrequenz ausgeführt, und die ausgeführte
Funktion benötigte dabei einen Zeitraum 60. Daher wurde nur
ein kleiner Zeitbetrag (beispielsweise der Zeitraum 60) des
ganzen Zeitraums x zum Ausführen der einen oder mehreren
Funktionen verwendet, die bis zum Abschluß n Zeitzyklen
benötigen. In diesem Fall traten diese Bursttakte herkömm
licherweise bei einer beträchtlichen Taktrate von bei
spielsweise 500-1000 kHz für so kurze Zeiträume auf, daß
der Vorteil eines "Tastgrads" erhalten wurde, wodurch die
durchschnittliche Stromentnahme verringert wurde. Solche
hohen Taktraten sind jedoch zum Ausführen solcher Funktio
nen oder aller Funktionen möglicherweise nicht erforder
lich.
Bei der zeitgerechten Takterzeugung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie in Fig. 4A dargestellt ist, im wesent
lichen der ganze Zeitraum x zum Ausführen der einen oder
mehreren Funktionen, die in n Zyklen abgeschlossen werden,
verwendet. Mit anderen Worten wird die Taktfrequenz, bei
spielsweise eine von clock1-clockn, für die die eine oder
die mehreren Funktionen während des Zeitraums x ausführende
Schaltung so festgelegt, daß die eine oder die mehreren
Funktionen in der maximalen Zeit abgeschlossen werden, die
zum Ausführen dieser Funktionen verfügbar ist, was bedeu
tet, daß sich die Taktfrequenz bei ihrem niedrigstmöglichen
Wert befindet. Anders ausgedrückt wird eine niedrigere
Taktfrequenz verwendet, so daß die eine oder die mehreren
Funktionen für andere auszuführende Schaltungs- oder
Routinenfunktionsweisen zeitgerecht ausgeführt werden.
Bei dieser zeitgerechten Art ist die zum Steuern der
Wirkungsweise dieser Funktionen durch die jeweilige CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungs
anordnung verwendete Taktfrequenz verringert, was zu einer
verringerten Leistungsaufnahme dieser Schaltungsanordnung
führt. Nach Berechnungen der dynamischen Leistung führt die
niedrigere Frequenz zu einer proportionalen Verringerung
der Leistungsaufnahme. Beim Verringern der Taktfrequenz
kann die integrierte Schaltung 32 mit den verschiedenen
Schaltungen C1-Cn so ausgelegt sein, daß sie bei einer
niedrigeren Frequenz, beispielsweise im Gegensatz zu einer
Burst-Frequenz, und nach Bedarf auch bei verschiedenen
anderen Frequenzen arbeitet.
Es ist bevorzugt, daß die Verwendung im wesentlichen des
ganzen vorgegebenen Zeitraums zum Abschluß der einen oder
mehreren Funktionen vor dem Ende des Zeitraums x führt, wie
in Fig. 4A durch Restzeiträume 55 dargestellt ist. Dieser
Restzeitraum 55 liegt beispielsweise vorzugsweise in der
Nähe von 0 Sekunden.
In Fig. 4C ist ein der Veranschaulichung dienendes
Zeitsteuerungsbeispiel für eine mehrere Funktionen ausfüh
rende Verarbeitungsschaltungsanordnung dargestellt. Bei
spielsweise ist der Herzzyklus eines Patienten in Fig. 4C
als Zeitraum x dargestellt. Während eines Zeitraums 71,
also während eines QRS-Komplexes des Herzzyklus, wird bei
einer bezüglich einer niedrigeren Taktfrequenz, die zum
Steuern des Betriebs der Verarbeitungsschaltungsanordnung
während des Zeitraums y verwendet wird, hohen Taktfrequenz
eine schnelle Verarbeitung ausgeführt. Wenn die Verarbei
tungsschaltungsanordnung während des Zeitraums y bei einer
niedrigeren Taktfrequenz betrieben wird, kann diese niedri
gere Taktfrequenz so festgelegt werden, daß die während z
Zyklen ausgeführten Funktionen im wesentlichen im ganzen
für diese Verarbeitung verfügbaren maximalen Zeitraum, also
dem Zeitraum y, ausgeführt werden. Wiederum kann ein
kleiner restlicher Zeitraum 75 des Herzzykluszeitraums x
existieren. Dieser Zeitraum kann beispielsweise im Bereich
von etwa 1,0 bis etwa 10,0 Millisekunden liegen, wenn der
Herzzyklus im Bereich von etwa 400 bis etwa 1200 Milli
sekunden liegt.
Fig. 5 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Systems
100 mit mehreren Versorgungsspannungen, bei dem eine oder
mehrere Versorgungsspannungen verfügbar und zum Anlegen an
verschiedene Schaltungen in einem IC speziell angepaßt
sind. Das System 100 mit mehreren Versorgungsspannungen
beinhaltet eine integrierte Schaltung 102 und eine Versor
gungsspannungsquelle 106. Die integrierte Schaltung 102
weist Schaltungen C1-Cn auf. Die Versorgungsspannungs
quelle 106 kann mehrere Versorgungsspannungen V1-Vn
bereitstellen. Jede Versorgungsspannung von der Versor
gungsspannungsquelle 106 ist speziell für das Anlegen an
eine oder mehrere der Schaltungen C1-Cn angepaßt. Wie
dargestellt ist, wird die Versorgungsspannung V1 an die
Schaltung C1 angelegt, wird die Versorgungsspannung V2 an
die Schaltungen C2 und C3 angelegt usw.
Das spezielle Anpassen der Versorgungsspannungen V1-Vn an
die jeweiligen Schaltungen C1-Cn hängt von der Frequenz
ab, bei der die Schaltungen C1-Cn arbeiten müssen. Bei
spielsweise erhöht sich die logische Verzögerung solcher
Schaltungen C1-Cn in Form von CMOS-, CML-, SOS-, SOI-,
BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen
drastisch, wenn die Versorgungsspannung auf nahezu 1 Volt
verringert wird. Falls diese logische Verzögerung zulässig
ist, verringert die einer bestimmten Schaltung zugeführte
Versorgungsspannung drastisch die Leistungsaufnahme für
diese bestimmte Schaltung, wenn die Energie proportional
zum Quadrat der Versorgungsspannung (VDD) verringert wird.
Falls diese logische Verzögerung jedoch nicht zulässig ist,
beispielsweise falls die Logikschaltung eine Funktion
ausführt, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums abge
schlossen sein muß, ist die Verringerung der an diese
Schaltung angelegten Versorgungsspannung (VDD) abhängig von
der annehmbaren logischen Verzögerung begrenzt. Die Versor
gungsspannung VDD für eine bestimmte Schaltung kann jedoch
so weit wie möglich verringert werden und dennoch die
Anforderungen einer angemessenen Geschwindigkeit erfüllen.
Die integrierte Schaltung 102 kann mehrere verschiedene
Schaltungen C1-Cn in der Art der mit Bezug auf Fig. 3
beschriebenen aufweisen. Die Versorgungsspannungsquelle 105
kann unter Verwendung einer Vielzahl von Komponenten ver
wirklicht sein und eine beliebige Anzahl von Spannungs
quellen, von denen jede einen einzigen Versorgungsspan
nungspegel liefert, eine oder mehrere einstellbare Span
nungsquellen zum Bereitstellen von Versorgungsspannungs
pegeln über einen zusammenhängenden Bereich von Pegeln
und/oder eine Spannungsquelle, die im Gegensatz zu sich
über einen zusammenhängenden Bereich erstreckenden Pegeln
diskrete Versorgungsspannungspegel bereitstellen kann,
aufweisen. Die Versorgungsspannungsquelle kann einen Span
nungsteiler, einen Spannungsregler, eine Ladungspumpe oder
irgendwelche anderen Elemente zum Bereitstellen der Versor
gungsspannungen V1-Vn aufweisen. Die Versorgungsspan
nungsquelle 106 ist vorzugsweise als eine Ladungspumpe
konfiguriert.
Im typischen Fall liegt die Versorgungsspannung (VDD) im
allgemeinen im Bereich von etwa 3 Volt bis etwa 6 Volt.
Vorzugsweise und gemäß der vorliegenden Erfindung liegen
die Versorgungsspannungen V1-Vn abhängig von der jeweili
gen verwendeten CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS-
und/oder NMOS-Technologie im Bereich von etwa 1 Volt bis
etwa 3 Volt.
Bei einer Verringerung der Versorgungsspannung (VDD) ver
ringert sich auch die Schwellenspannung (VT) für die Schal
tungen. Wenn die Versorgungsspannungen beispielsweise im
Bereich von etwa 3 bis etwa 6 Volt liegen, liegt die
Schwellenspannung für CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-,
PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente im allgemeinen im Bereich
von etwa 0,8 Volt bis etwa 1,0 Volt. Bei implantierbaren
medizinischen Vorrichtungen werden für implantierbare
Batterien vorzugsweise chemische Lithiumverbindungen ver
wendet. Diese chemischen Lithiumverbindungen liegen im
allgemeinen im Bereich von etwa 2,8 Volt bis etwa 3,3 Volt
und die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder
NMOS-Schaltungsanordnung weist im allgemeinen eine zugeord
nete Schwellenspannung von etwa 0,75 Volt auf.
Durch Verringern der Versorgungsspannungen unter etwa 2,8
Volt können die Spannungsschwellen für CMOS-, CML-, SOS-,
SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente auf ledig
lich etwa 0,2 Volt bis etwa 0,3 Volt verringert werden. Es
gibt gegenwärtig verschiedene Logikentwürfe mit äußerst
niedriger Leistungsaufnahme, die bei einer Versorgungsspan
nung von lediglich etwa 1,1 Volt arbeiten, wie es bei
spielsweise bei Logikschaltungsanordnungen für Mikroprozes
soren der Fall ist, die für Laptops und andere Anwendungen
tragbarer Computer verwendet werden. Unter Verwendung der
speziell angepaßten Versorgungsspannungen V1-Vn können
zumindest für einige der verschiedenen Schaltungen C1-Cn
der integrierten Schaltung 102 Logikentwürfe mit niedriger
oder äußerst niedriger Leistungsaufnahme verwendet werden.
Andere Schaltungen erfordern möglicherweise höhere Versor
gungsspannungen. Bei Verwendung niedrigerer Schwellenpegel
infolge niedrigerer Versorgungsspannungen sind die Verluste
durch die statische Leistungsaufnahme um mehrere Größen
ordnungen erhöht, was unerwünscht ist.
Das System 100 mit mehreren Versorgungsspannungen kann
daher weiterhin wahlweise eine Substratvorspannungsquelle
130 zum Bereitstellen von Substratvorspannungen BV1-BVn
für die Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 102
aufweisen. Im allgemeinen hängen die Substratvorspannungen
BV1-BVn von den an die Schaltungen C1-Cn angelegten
Versorgungsspannungen V1-Vn ab, die dem Einstellen der
Schwellenspannungen für Bauelemente der Schaltungen C1-Cn
dienen. Beispielsweise kann die Schwellenspannung (VT) für
die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-
Bauelemente der Schaltung auf einem niedrigeren Wert
liegen, wenn für die jeweiligen Schaltungen, denen die
niedrigere Versorgungsspannung zugeführt wird, eine Sub
stratvorspannung bereitgestellt wird. Falls der Schaltung
C1 überdies eine niedrigere Versorgungsspannung V1 zuge
führt wird, kann eine Substratvorspannung BV1 wahlweise an
die Schaltung C1 angelegt werden, um die Schwellenspannung
(VT) für die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS-
und/oder NMOS-Bauelemente auf einen höheren Schwellenspan
nungswert (höheren VT-Wert) zu legen. Auf diese Weise
können statische Leckstromverluste minimiert werden, weil
die gleichwertige höhere Schwellenspannung wieder
hergestellt wurde. Überdies ist ein breiterer Versorgungs
spannungsbereich möglich, weil die Einstellung der
Substratvorspannung das spezielle Anpassen der Schwellen
spannung ermöglicht, was einen schnellen/langsamen Betrieb
ermöglicht und den statischen Stromentnahmeverlust besei
tigt.
Die Substratvorspannung kann beispielsweise durch eine
Festspannungsquelle (beispielsweise eine Ladungspumpe)
bereitgestellt werden, die über einen Kontakt an das rück
seitige Gate angeschlossen ist. Alternativ kann ein aktives
Substratvorspannungsschema verwendet werden, bei dem die
Spannungsquelle über einen geeigneten Bereich auswählbar
oder einstellbar ist.
Substratvorspannungen können in auf dem Fachgebiet bekann
ten Arten verwendet werden. Das Anwenden von Substrat
vorspannungen ist beispielsweise in verschiedenen Patent
bezügen einschließlich des Lewis u. a. erteilten US-Patents
4 791 318, des Masuoka erteilten US-Patents 4 460 835, des
Chan u. a. erteilten US-Patents 5 610 083 und des Farb u. a.
erteilten US-Patents 5 185 535 beschrieben, auf die hier
alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei.
In Fig. 6 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines Systems
150 mit einer veränderlichen Versorgungsspannung und einem
veränderlichen Takt gemäß der vorliegenden Erfindung darge
stellt. Das System 150 beinhaltet eine integrierte
Schaltung 152, eine Taktquelle 156, eine Versorgungsspan
nungsquelle 154 und eine Takt/Versorgungsspannungs-Schnitt
stelle 155. Die Versorgungsspannungsquelle 154 liefert
einer Vielzahl von Schaltungen C1-Cn der integrierten
Schaltung 152 eine Vielzahl von Versorgungsspannungen V1-
Vn. Die Taktquelle 156 des Systems 150 liefert bei einer
Vielzahl von Frequenzen clock1-clockn Taktsignale. Die
Schaltungen C1-Cn ähneln den mit Bezug auf Fig. 3
beschriebenen. Die Taktquelle 156 ähnelt der Taktquelle 34,
die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde. Die Versor
gungsspannungsquelle 154 ähnelt der mit Bezug auf Fig. 5
beschriebenen Versorgungsspannungsquelle 106. Im System 150
mit einer veränderlichen Versorgungsspannung und einem
veränderlichen Takt wird jedoch die Takt/Spannung-Schnitt
stelle 155 zum "fliegenden" Einstellen der an die Schaltun
gen C1-Cn angelegten Versorgungsspannungen V1-Vn ver
wendet, wie es für die speziellen Zeitsteuerfunktionen
erforderlich ist, die von den Schaltungen C1-Cn benötigt
werden oder in diesen vorhanden sind.
Die Schaltung C1 kann bei einem der Veranschaulichung
dienenden Beispiel eine bestimmte Logikschaltung zum Aus
führen von einer oder mehreren bestimmten Funktionen sein.
Es ist jedoch möglicherweise erforderlich, diese Funktionen
in einem ersten Zeitraum bei einer ersten Taktfrequenz und
während eines davon verschiedenen zweiten Zeitraums bei
einer zweiten Taktfrequenz auszuführen, so daß diese Funk
tionen innerhalb der zulässigen Zeit des ersten bzw. des
zweiten Zeitraums ausgeführt werden können. Das heißt, daß
ein Zeitraum kürzer ist als der andere und daß die Funktio
nen, die über eine gewisse Anzahl von Zyklen ablaufen
müssen, daher bei einer höheren Taktfrequenz ausgeführt
werden müssen, falls sie innerhalb eines Zeitraums abge
schlossen werden müssen, der kürzer ist als ein anderer
Zeitraum.
Bei einem solchen Beispiel und gemäß der vorliegenden
Erfindung erfaßt die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 das an
die Schaltung C1 angelegte Taktsignal während des ersten
Zeitraums, in dem das höherfrequente Taktsignal verwendet
wird, und führt der Versorgungsspannungsquelle 154 daher
ein Signal zu, das dazu dient, entsprechend der höheren
Taktfrequenz eine gewisse Versorgungsspannung auszuwählen
und anzulegen. Wenn die niedrigere Taktfrequenz daher
während des zweiten Zeitraums an die Schaltung C1 angelegt
wird, nimmt die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 die Verwen
dung der niedrigeren Taktfrequenz wahr, und legt ein Signal
an die Spannungsversorgungsquelle 154 an, um eine gewisse
Versorgungsspannung anzulegen, die der an die Schaltung C1
anzulegenden niedrigeren Taktfrequenz entspricht.
Bei einem anderen Beispiel kann die Schaltung C2 ein CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Prozessor
sein, bei dem auch Einstellungen der Taktfrequenz und der
entsprechenden Versorgungsspannung "fliegend" vorgenommen
werden können. Ein solches System wird für Fachleute beim
Lesen der folgenden Erörterung mit Bezug auf Fig. 7 leicht
verständlich werden.
Fig. 7 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines taktgesteu
erten Verarbeitungssystems 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das taktgesteuerte Verarbeitungssystem 200
beinhaltet einen Prozessor 202 (beispielsweise einen CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Mikro
prozessor oder einen digitalen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-,
BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Signalprozessor), eine
Taktquelle 204, eine Versorgungsspannungsquelle 206, einen
Spannungsregler 212, eine Reglerschnittstelle 210, eine
Taktsteuerung 208 und wahlweise eine Substratvorspannungs
quelle 214. In ähnlicher Weise wie mit Bezug auf Fig. 6
beschrieben wurde, wird die an den Prozessor 202 angelegte
Versorgungsspannung 206 "fliegend" geändert, wie es bei
bestimmten Schaltungszeitsteuerungsanforderungen erforder
lich ist.
Im allgemeinen wird der Prozessor 202 durch die Taktquelle
204 gesteuert betrieben. Abhängig von der erforderlichen
Verarbeitungsfähigkeit kann die Taktquelle 204 den
Prozessor 202 bei jeder beliebigen einer Vielzahl von
Taktfrequenzen betreiben. Diese Taktfrequenzen können durch
die Taktsteuerung 208 gesteuert ausgewählt werden. Die
Taktsteuerung 208 kann Teil irgendeiner Zeitablauf- und
Steuerhardware und/oder Zeitablauf- und Steuersoftware
sein, die zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202 als
Teil eines größeren Systems verwendet wird. Diese Takt
steuerung kann beispielsweise die Form einer digitalen
Steuerungs-/Zeitgeberschaltung zum Ausführen einer Zeit
steuerung einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung
annehmen.
Der Prozessor 202 kann eine Anzahl von Funktionen ausfüh
ren, die für die Vorrichtung, in der er verwendet wird,
geeignet sind. Hochfrequenz-Verarbeitungsfähigkeiten (also
bei etwa 250 kHz bis etwa 10 MHz), Niederfrequenz-Verarbei
tungsfähigkeiten (also bei etwa 1 Hz bis etwa 32 kHz) und
Verarbeitungsfähigkeiten hinsichtlich Frequenzen zwischen
diesen Grenzen werden gemäß der vorliegenden Erfindung
erwogen. Der Einfachheit halber wird die Arbeitsweise des
Taktsteuerungs-Verarbeitungssystems 200 mit Bezug auf den
Prozessor 202 beschrieben, der nur zwei unterschiedliche
Funktionen ausführt, wobei jede von ihnen während eines
vorgegebenen jeweiligen Zeitraums ausgeführt wird. Bei
spielsweise sei mit Bezug auf eine implantierbare medizini
sche Vorrichtung in der Art eines Schrittmachers bemerkt,
daß während des ersten Zeitraums eine hochentwickelte
Verarbeitungsfunktion, die eine relativ hohe Taktfrequenz
benötigt, eine Funktion in der Art einer Aufwärts/Abwärts-
Telemetrie, einer Morphologieerfassung, einer Initialisie
rung, einer Arrhythmieerfassung, einer Fernfeld-R-Zacken-
Erfassung, einer EMI-Erfassung, einer retrograden Leitung
und dergleichen aufweisen kann. Andererseits können Nieder
frequenz-Verarbeitungsfunktionen eine Funktion, wie das
Messen von natürlichen Herzschlägen, eine Stimulation, eine
langsame Telemetrie, eine Datenübertragung über eine
Telefonleitung, eine Fernüberwachung, Batterieprüfungen und
dergleichen, aufweisen.
Wenn der Prozessor 202 während eines vorgegebenen Zeitraums
Hochfrequenz-Verarbeitungsfunktionen ausführt, kann durch
die Taktquelle 204 zum Betrieb des Prozessors 202 eine
relativ hohe Taktfrequenz (beispielsweise etwa 250 kHz bis
etwa 10 MHz) zugeführt werden. Die Reglerschnittstelle 210
erfaßt die zum Betrieb während der hochentwickelten Verar
beitungsfunktion an den Prozessor 202 angelegte höhere
Taktfrequenz und legt an den Spannungsregler 212 ein
Steuersignal zum Regeln der Versorgungsspannungsquelle 206
an. Die Versorgungsspannungsquelle 206 kann durch den
Spannungsregler 212 gesteuert arbeiten und eine Versor
gungsspannung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, vor
zugsweise zwischen etwa 1,1 Volt und etwa 3 Volt, liefern.
Wenn eine hohe Taktfrequenz verwendet wird, um den Prozes
sor 202 in bezug auf Hochfrequenz-Verarbeitungsfunktionen
zu betreiben, legt die Versorgungsspannungsquelle 206 im
allgemeinen eine Versorgungsspannung, die im oberen Bereich
der bevorzugten Versorgungsspannungen liegt, an die CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente
des Prozessors 202 an.
Wenn der Prozessor 202 andererseits während vorgegebener
Zeiträume Niederfrequenz-Verarbeitungsfunktionen ausführt,
signalisiert die Taktsteuerung 208 der Taktquelle 204, eine
niedrigere Frequenz zum Betrieb des Prozessors 202 anzule
gen. Dabei erfaßt die Reglerschnittstelle 210 die zum
Betreiben des Prozessors 202 verwendete niedrigere Frequenz
und gibt ein Steuersignal an den Spannungsregler 212 aus,
um die Versorgungsspannungsquelle 206 so zu regeln, daß
eine niedrigere Versorgungsspannung im unteren Ende des
bevorzugten Bereichs von Versorgungsspannungen an die
CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-
Bauelemente des Prozessors 202 angelegt wird.
Es wird Fachleuten verständlich sein, daß zwischen den oben
beschriebenen Fähigkeiten bei einer höheren Frequenz und
denjenigen bei einer niedrigeren Frequenz eine Verarbei
tungsfähigkeit bei einer mittleren Frequenz erreicht werden
kann und daß der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
nicht auf die Verarbeitung bei nur zwei Taktfrequenzen und
bei zwei entsprechenden Versorgungsspannungen beschränkt
ist. Statt dessen können gemäß der vorliegenden Erfindung
mit zugeordneten Taktfrequenzen und entsprechenden an den
Prozessor 202 angelegten Versorgungsspannungen mehrere
Ebenen der Verarbeitungsfähigkeit erreicht werden.
Fig. 4C zeigt eine Ausführungsform des Taktsteuerungs-
Verarbeitungssystems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 4C dargestellt ist, wird während des ganzen
Herzzyklus mit einem vorgegebenen Zeitraum x eine hohe
Frequenz zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202 wäh
rend des Zeitraums 71 des Herzzykluszeitraums x (beispiels
weise während der Verarbeitung des QRS-Komplexes) verwen
det. Danach wird während des Zeitraums y zum Steuern des
Betriebs des Prozessors 202 eine niedrigere Taktfrequenz
verwendet, um irgendwelche einer Anzahl verschiedener
Funktionen, wie Herzereignis/EMI-Unterscheidungsfunktionen,
auszuführen. Während des Betriebs des Prozessors 202 bei
der höheren Taktfrequenz während des Zeitraums 71 wird eine
höhere Versorgungsspannung von der Versorgungsspannungs
quelle 206 an die als CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-,
PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen ausgebildeten
Bauelemente des Prozessors 202 angelegt. Ebenso wird wäh
rend des Betriebs des Prozessors 202 bei der niedrigeren
Taktfrequenz und während des Zeitraums y des ganzen Herz
zyklus-Zeitraums x eine niedrigere Versorgungsspannung von
der Versorgungsspannungsquelle 206 an die CMOS-, CML-,
SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Bauelemente des
Prozessors 202 angelegt.
Weiterhin kann, wie in Fig. 7 dargestellt ist, eine optio
nale Substratvorspannung 214 zum dynamischen Einstellen der
Schwellenspannung (VT) der als CMOS-, CML-, SOS-, SOI-,
BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen ausge
bildeten Bauelemente des Prozessors 202 als Funktion der
von der Taktquelle 204 an den Prozessor 202 angelegten
Taktfrequenz verwendet werden. Die Reglerschnittstelle 202
erfaßt die zum Steuern des Betriebs des Prozessors 202
verwendete Taktfrequenz und steuert den Spannungspegel der
an die CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder
NMOS-Bauelemente des Prozessors 202 anzulegenden Substrat
vorspannung 214. Die dynamische Einstellung der Schwellen
spannung kann durch eine einstellbare oder wählbare Span
nungsquelle verwirklicht werden, bei der beispielsweise
eine Ladungspumpe und ein Regler verwendet werden. Die
Substratvorspannung und die "normale" Gate-Spannung bilden
eine Gate-Vorspannung oder eine Spannung für den
Transistor. Durch Einstellen der Substratvorspannung wird
die "auftretende" Spannung bei einer resultierenden Verrin
gerung des Leckstroms erhöht.
Fig. 8 ist ein vereinfachtes Diagramm einer implantier
baren medizinischen Vorrichtung 260, auf die die vorlie
gende Erfindung besonders wirkungsvoll angewendet werden
kann. Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 ist
in der Nähe des menschlichen Herzens 264 in einen Körper
250 implantiert. Die implantierbare medizinische Vorrich
tung 260 ist über Leitungen 262 mit dem Herzen 264 verbun
den. Wenn die Vorrichtung 260 ein Schrittmacher ist, können
die Leitungen 262 Stimulations- und Wahrnehmungsleitungen
zum Wahrnehmen elektrischer Signale, die mit der Depolari
sation und Repolarisation des Herzens 264 einhergehen, und
zum Bereitstellen von Stimulationsimpulsen in der Umgebung
ihrer distalen Enden sein.
Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 kann ein
implantierbarer Herzschrittmacher in der Art derjenigen
sein, die im Bennett u. a. erteilten US-Patent 5 158 078, im
Shelton erteilten US-Patent 5 387 228, im Shelton u. a.
erteilten US-Patent 5 312 453 oder im Olson erteilten
US-Patent 5 144 949 offenbart sind, auf die hier alle in
ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei und die alle
gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden können.
Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 kann auch
ein Schrittmacher/Kardioverter/Defibrillator (PCD) entspre
chend einem der verschiedenen kommerziell erhältlichen
implantierbaren PCDs sein, wobei einer von ihnen hier mit
Bezug auf Fig. 10 beschrieben wird und detailliert im
US-Patent 5 447 519 beschrieben ist. Zusätzlich zum im
US-Patent 5 447 519 beschriebenen PCD kann die vorliegende
Erfindung in Zusammenhang mit PCDs in der Art derjenigen
verwirklicht werden, die im Olson u. a. erteilten US-Patent
5 545 186, im Keimel erteilten US-Patent 5 354 316, im
Bardy erteilten US-Patent 5 314 430, im Pless erteilten
US-Patent 5 131 388 oder im Baker u. a. erteilten US-Patent
4 821 723 offenbart sind, auf die hier alle in ihrer
jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei. Diese Vorrichtungen
können in der Hinsicht unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, daß bei ihnen Schaltungs
anordnungen und/oder Systeme gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können oder sie durch diese
modifiziert werden können.
Alternativ kann die implantierbare medizinische Vorrichtung
260 ein implantierbarer Nervenstimulator oder Muskelstimu
lator in der Art derjenigen sein, die im Obel u. a. erteil
ten US-Patent 5 199 428, im Carpentier u. a. erteilten
US-Patent 5 207 218 oder im Schwartz erteilten US-Patent
5 330 507 offenbart sind, oder sie kann eine implantierbare
Überwachungsvorrichtung in der Art derjenigen sein, die im
Bennett u. a. erteilten US-Patent 5 331 966 offenbart ist,
auf die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen
sei.
Schließlich kann die implantierbare medizinische Vorrich
tung 260 ein Kardioverter, ein implantierbarer Impuls
generator (IPG) oder ein implantierbarer Kardioverter-
Defibrillator (ICD) sein.
Es sei jedoch bemerkt, daß der Schutzumfang der vorliegen
den Erfindung nicht nur auf implantierbare medizinische
Vorrichtungen oder andere medizinische Vorrichtungen
beschränkt ist sondern jeden beliebigen Typ elektrischer
Vorrichtungen einschließt, bei dem CMOS-, CML-(Strommodus
logik)-, SOS-(Silicium-auf-Saphir)-, SOI-(Silicium-auf-
Isolator)-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanord
nungen oder Schaltungsentwürfe verwendet werden, bei denen
eine niedrige Leistungsaufnahme erwünscht ist.
Im allgemeinen weist die implantierbare medizinische Vor
richtung 260 ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse auf, das
eine elektrochemische Zelle in der Art einer Lithium
batterie, eine CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS-
und/oder NMOS-Schaltungsanordnung, die den Betrieb der
Vorrichtung steuert, und eine Antenne und eine Schaltung
eines Telemetrie-Sende-Empfangs-Geräts, worüber Abwärts-
Telemetriebefehle von einer externen Programmiereinrichtung
empfangen und gespeicherte Daten in einer Telemetrie-
Aufwärtsverbindung zu diesem gesendet werden, aufweist. Die
Schaltungsanordnung kann als diskrete Logik verwirklicht
sein und/oder ein Mikrocomputergestütztes System mit einer
A/D-Umwandlung beinhalten.
Es sei bemerkt, daß der Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung nicht auf spezielle elektronische Eigenschaften
und Operationen spezieller implantierbarer medizinischer
Vorrichtungen beschränkt ist und daß die vorliegende Erfin
dung in Zusammenhang mit verschiedenen implantierbaren
Vorrichtungen nützlich sein kann. Weiterhin ist der
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf implan
tierbare medizinische Vorrichtungen beschränkt, die nur
einen einzigen Prozessor aufweisen, sondern sie kann auch
auf Mehrfachprozessorvorrichtungen angewendet werden.
In Fig. 9 ist ein Blockdiagramm dargestellt, in dem die
Bauteile des Schrittmachers 300 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Der Schrittmacher
300 weist eine Mikroprozessor-gestützte Architektur auf.
Der in Fig. 9 veranschaulichte Schrittmacher 300 ist nur
eine als Beispiel dienende Ausführungsform solcher Vorrich
tungen, es sei jedoch bemerkt, daß die vorliegende Erfin
dung in jeder Logik-gestützten, kundenspezifisch integrier
ten Schaltungsarchitektur oder in jedem Mikroprozessor-
gestützten System verwendet werden kann.
Bei der in Fig. 9 dargestellten der Veranschaulichung
dienenden Ausführungsform ist der Schrittmacher 300
vorzugsweise durch eine externe Programmiereinheit (in den
Figuren nicht dargestellt) programmierbar. Eine solche für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Program
miereinrichtung ist die im Handel erhältliche Program
miereinrichtung vom Modell 9790 von Medtronic. Die Program
miereinrichtung ist eine Mikroprozessor-gestützte Vorrich
tung, die dem Schrittmacher 300 durch einen Programmier
kopf, der codierte Hochfrequenzsignale (HF-Signale) zur
Antenne 334 des Schrittmachers 300 sendet, eine Reihe
codierter Signale zuführt, wobei dies nach einem Teleme
triesystem geschieht, wie es beispielsweise im Wyborny u. a.
erteilten US-Patent 5 127 404 beschrieben ist, auf das
hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei. Es sei jedoch
bemerkt, daß jede Programmiermethode verwendet werden kann,
solange die gewünschten Informationen zum Schrittmacher und
von diesem übertragen werden.
Die in Fig. 9 veranschaulichend dargestellte Schritt
machervorrichtung 300 ist über Leitungen 302 elektrisch mit
dem Herzen 264 eines Patienten gekoppelt. Eine Leitung 302a
weist eine Elektrode 306 auf, die über einen Eingangs
kondensator 308 mit einem Knoten 310 in der Schaltungs
anordnung des Schrittmachers 300 gekoppelt ist. Eine Lei
tung 302b ist mit einer Druckschaltungsanordnung 354 der
Ein-/Ausgabeschaltung 312 gekoppelt, um der Schaltung 354
ein Drucksignal vom Sensor 309 zuzuführen. Das Drucksignal
wird verwendet, um Stoffwechselanforderungen und/oder die
Herzausgangsleistung eines Patienten sicherzustellen.
Weiterhin liefert ein Aktivitätssensor 351 in der Art eines
piezokeramischen Beschleunigungsmessers eine Sensorausgabe
zur Aktivitätsschaltung 352 der Ein-/Ausgabeschaltung 312.
Die Sensorausgabe ändert sich als Funktion eines gemessenen
Parameters, der Stoffwechselanforderungen eines Patienten
betrifft. Die Ein-/Ausgabeschaltung 312 enthält Schaltungen
zum Koppeln mit dem Herzen 264, dem Aktivitätssensor 351,
der Antenne 334, dem Drucksensor 309 und Schaltungen zum
Anlegen von Stimulationsimpulsen an das Herz 264, um seine
Rate durch unter Verwendung von Software realisierte Algo
rithmen in der Mikrocomputereinheit 314 als Funktion von
ihnen zu steuern.
Die Mikrocomputereinheit 314 beinhaltet vorzugsweise eine
auf der Platine angeordnete Schaltung 316, die einen Mikro
prozessor 320, eine Systemtaktschaltung 322 und einen auf
der Platine angeordneten Direktzugriffsspeicher (RAM) 324
sowie einen auf der Platine angeordneten Nurlesespeicher
(ROM) 326 aufweist. Bei dieser der Veranschaulichung die
nenden Ausführungsform beinhaltet eine außerhalb der
Platine angeordnete Schaltung 328 eine RAM/ROM-Einheit. Die
auf der Platine angeordnete Schaltung 316 und die außerhalb
der Platine angeordnete Schaltung 328 sind jeweils durch
einen Kommunikationsbus 330 mit der digitalen Steuerungs-
/Zeitgeberschaltung 332 gekoppelt.
Die in Fig. 9 dargestellten Schaltungen werden gemäß der
vorliegenden Erfindung durch eine geeignete implantierbare
Batterie-Versorgungsspannungsquelle 301 (beispielsweise
eine in den Fig. 1-7 allgemein dargestellte Spannungs
quelle) gespeist. Der Klarheit wegen ist die Kopplung der
Versorgungsspannungsquelle 301 mit verschiedenen Schaltun
gen des Schrittmachers 300 in den Figuren nicht dar
gestellt. Weiterhin werden die durch ein in Fig. 9 dar
gestelltes Taktsignal gesteuert arbeitenden Schaltungen
gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Taktquelle 338
betrieben. Der Klarheit wegen ist die Kopplung dieser
Taktsignale von der Taktquelle 338 (beispielsweise einer in
den Fig. 1-7 allgemein dargestellten Taktquelle) mit
solchen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder
NMOS-Schaltungen des Schrittmachers 300 in den Figuren
nicht dargestellt.
Die Antenne 334 ist an die Ein-/Ausgabeschaltung 312 ange
schlossen, um eine Aufwärts/Abwärts-Telemetrie über eine
HF-Sender- und Empfängereinheit 336 zu ermöglichen. Die
Einheit 336 kann der Telemetrie- und Programmlogik, die im
Thompson u. a. erteilten US-Patent 4 556 063 offenbart ist,
auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei oder
derjenigen, die im oben erwähnten Wyborny u. a. erteilten
Patent offenbart ist, entsprechen.
Eine Bezugsspannungs-(VREF)- und Vorspannungsschaltung 340
erzeugt eine stabile Bezugsspannung und Vorspannungsströme
für Schaltungen der Ein-/Ausgabeschaltung 312. Eine Analog-
Digital-Wandler-(ADC)- und Multiplexereinheit 342 digitali
siert Analogsignale und Spannungen zum Bereitstellen von
intrakardialen "Echtzeit"-Telemetriesignalen und einer
Batterielebensdauerende-(EOL)-Austauschfunktion. Eine Ein
schalt-Rücksetz-Schaltung 341 wirkt als Einrichtung zum
Rücksetzen von Schaltungsanordnungen.
Betriebsbefehle zur Zeitsteuerung des Schrittmachers 300
werden über den Bus 330 mit der digitalen Steuerungs-
/Zeitgeberschaltung 332 gekoppelt, in der digitale Zeit
geber und Zähler das ganze Escapeintervall des Schritt
machers 300 sowie verschiedene Refraktär-, Austast- und
andere Zeitfenster zum Steuern des Betriebs der in der Ein-
/Ausgabeschaltung 312 angeordneten Peripheriebauteile
einrichten.
Die digitale Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 332 ist vor
zugsweise mit einer Wahrnehmungsschaltungsanordnung 345 und
mit einem Elektrogramm-(EGM)-Verstärker 348 zum Empfangen
verstärkter und verarbeiteter Signale, die von der an der
Leitung 302a angeordneten Elektrode 306 wahrgenommen wer
den, gekoppelt. Diese Signale repräsentieren die elektri
sche Aktivität des Herzens 264 des Patienten. Ein Meß
verstärker 346 der Schaltungsanordnung 345 verstärkt die
wahrgenommenen elektrokardialen Signale und führt einer
Spitzenwertwahrnehmungs- und Schwellenwert-Meßschaltungs
anordnung 347 ein verstärktes Signal zu. Die Schaltung 347
liefert der digitalen Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 332
wiederum auf einem Weg 357 einen Hinweis auf wahrgenommene
Spitzenspannungen und gemessene Meßverstärker-Schwellen
spannungen. Weiterhin wird einem Vergleicher/Schwellen
wertdetektor 349 ein verstärktes Meßverstärkersignal
zugeführt. Der Meßverstärker kann demjenigen entsprechen,
der im Stein erteilten US-Patent 4 379 459 offenbart ist,
auf das hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei.
Das vom EGM-Verstärker 348 bereitgestellte Elektrogramm
signal wird verwendet, wenn die implantierte Vorrichtung
300 durch eine externe Programmiereinrichtung (nicht darge
stellt) aufgefordert wird, durch Aufwärts-Telemetrie eine
Darstellung eines analogen Elektrogramms der elektrischen
Herzaktivität des Patienten zu übertragen. Diese Funktions
weise ist beispielsweise im Thompson u. a. erteilten
US-Patent 4 556 063, auf das zuvor verwiesen wurde, darge
stellt.
Ein Ausgangsimpulsgenerator und Verstärker 350 führt in
Reaktion auf ein von der digitalen Steuerungs-
/Zeitgeberschaltung 332 bereitgestelltes Stimulations
auslösesignal dem Herz 264 des Patienten über einen Kopp
lungskondensator 305 und die Elektrode 306 Schrittmacher-
Stimulationsimpulse zu. Der Ausgangsverstärker 350 kann im
wesentlichen dem im Thompson erteilten US-Patent 4 476 868,
auf das hier ebenfalls in seiner Gesamtheit verwiesen sei,
offenbarten Ausgangsverstärker entsprechen. Die Schaltungen
aus Fig. 9 umfassen CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-,
PMOS- und/oder NMOS-Schaltungsanordnungen, die gemäß der
vorliegenden Erfindung arbeiten können und den Prozessor
320, die digitale Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 332, den
RAM 324, den ROM 326, die RAM-/ROM-Einheit 328 und den
Analog-Digital-Wandler/Multiplexer (ADC/Mux) 342 einschlie
ßen.
Fig. 10 ist ein schematisches Funktionsdiagramm aus dem
Peterson erteilten US-Patent 5 447 519, in dem ein implan
tierbarer PCD 400 dargestellt ist, bei dem die vorliegende
Erfindung nützlich angewendet werden kann. Dieses Diagramm
zeigt lediglich einen als Beispiel dienenden Typ einer
Vorrichtung, bei der die Erfindung verwirklicht werden
kann, und es sollte nicht als den Schutzumfang der vorlie
genden Erfindung einschränkend angesehen werden. Andere
implantierbare medizinische Vorrichtungen in der Art der
zuvor beschriebenen, die Funktionsorganisationen aufweisen,
bei denen die vorliegende Erfindung nützlich sein kann,
können auch gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert
werden. Die vorliegende Erfindung wird beispielsweise auch
als in Zusammenhang mit implantierbaren PCDs nützlich
angesehen, wie sie im Wielders u. a. erteilten US-Patent
4 548 209, im Adams u. a. erteilten US-Patent 4 693 253, im
Haluska u. a. erteilten US-Patent 4 830 006 und im Pless
u. a. erteilten US-Patent 4 949 730 offenbart sind, auf die
hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei.
Der der Veranschaulichung dienende PCD 400 ist mit sechs
Elektroden 401, 402, 404, 406, 408 und 410 versehen. Die
Elektroden 401 und 402 können ein Paar dicht benachbarter
Elektroden sein, die beispielsweise im Ventrikel des Her
zens 264 angeordnet sind. Die Elektrode 404 kann einer
fernen Blindelektrode entsprechen, die sich am Gehäuse des
implantierbaren PCDs 400 befindet. Die Elektroden 406, 403
und 410 können großflächigen Defibrillationselektroden, die
sich an Leitungen zum Herzen 264 befinden, oder epikardia
len Elektroden entsprechen.
Die Elektroden 401 und 402 sind als mit der Nahfeld-R-
Zacken-Detektorschaltung 419 festverdrahtet dargestellt
(sie sind also in geringem Abstand angeordnete Elektroden),
wobei die Nahfeld-R-Zacken-Detektorschaltung 419 einen mit
einem Bandpaßfilter versehenen Verstärker 414, eine selbst
tätige Schwellenwertschaltung 416 (zum Bereitstellen einer
einstellbaren Wahrnehmungsschwelle als Funktion der gemes
senen R-Zacken-Amplitude) und einen Vergleicher 418 auf
weist. Ein Rout-Signal 464 wird immer dann erzeugt, wenn
das zwischen den Elektroden 401 und 402 gemessene Signal
eine von der selbsttätigen Schwellenwertschaltung 416
festgelegte Wahrnehmungsschwelle übersteigt. Weiterhin wird
die Verstärkung am Verstärker 414 durch eine Zeitablauf-
und Steuerschaltungsanordnung 420 des Schrittmachers einge
stellt. Das Wahrnehmungssignal wird beispielsweise verwen
det, um die Zeitfenster festzulegen und aufeinanderfolgende
Wellenformdaten für Morphologieerfassungszwecke anzuordnen.
Beispielsweise kann das Wahrnehmungsereignissignal 464 über
die Schrittmacher/Zeitgeber-Steuerschaltung 420 auf einem
Bus 440 zu einem Prozessor 424 geleitet werden und als ein
Unterbrechungssignal für den Prozessor 424 wirken, so daß
vom Prozessor 424 eine bestimmte Operationsroutine, wie
beispielsweise eine Morphologieerfassung oder Unterschei
dungsfunktionen, eingeleitet wird.
Eine Schaltmatrix 412 wird verwendet, um durch den Prozes
sor 424 gesteuert über den Daten-/Adreßbus 440 verfügbare
Elektroden derart auszuwählen, daß die Auswahl zwei Elek
troden beinhaltet, die in Zusammenhang mit einer Tachy
kardie/Fibrillations-Unterscheidungsfunktion (beispiels
weise eine Funktion zum Unterscheiden zwischen einer Tachy
kardie, also einer abnorm schnellen Herzrate, und einer
Fibrillation, also unkoordinierten und unregelmäßigen
Herzschlägen, um eine geeignete Behandlung anzuwenden) als
ein Paar von Fernfeldelektroden (also in einem weiten
Abstand angeordneten Elektroden) verwendet werden. Fern
feld-EGM-Signale von den ausgewählten Elektroden werden
über einen Bandpaßverstärker 434 und zu einem Multiplexer
432 übertragen, wo sie durch einen Analog-Digital-Wandler
(ADC) 430 in digitale Datensignale umgewandelt werden, um
durch eine Direktspeicherzugriffs-Schaltungsanordnung 428
gesteuert in einem Direktzugriffsspeicher 426 gespeichert
zu werden. Beispielsweise kann eine Reihe von EGM-Komplexen
für mehrere Sekunden ausgeführt werden.
Die in Fig. 10 dargestellten Schaltungen werden gemäß der
vorliegenden Erfindung durch eine geeignete implantierbare
Batterie-Versorgungsspannungsquelle 490 (beispielsweise
eine in den Fig. 1-7 allgemein dargestellte Spannungs
quelle) gespeist. Der Klarheit wegen ist die Kopplung der
Versorgungsspannungsquelle 490 mit verschiedenen Schaltun
gen des PCDs 400 in den Figuren nicht dargestellt. Weiter
hin werden die durch ein in Fig. 10 dargestelltes Takt
signal gesteuert arbeitenden Schaltungen gemäß der vorlie
genden Erfindung durch eine Taktquelle 491 betrieben. Der
Klarheit wegen ist die Kopplung dieser Taktsignale von der
Taktquelle 491 (beispielsweise einer in den Fig. 1-7
allgemein dargestellten Taktquelle) mit solchen CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungen
des PCDs 400 in den Figuren nicht dargestellt.
Das Auftreten eines R-Zacken-Wahrnehmungsereignisses oder
des Meßsignals Rout 464 wird dem Prozessor 424 mitgeteilt,
um eine vom Prozessor 424 durchgeführte Morphologieanalyse
der Wellenformen einzuleiten, die bei einer Auswahl einer
Behandlung für das Herz 264 nützlich ist. Der Prozessor
kann beispielsweise die summierte von Schlag zu Schlag
betrachtete Veränderlichkeit des Herzens 264, R-Zacken-
Wahrnehmungsereignisse trennende Zeitintervalle und ver
schiedene andere Funktionen berechnen, wie in zahlreichen
Entgegenhaltungen unter Einschluß der hier bereits ange
führten und in verschiedenen anderen Entgegenhaltungen, die
implantierbare PCDs betreffen, dargelegt ist.
Andere Teile des PCDs 400 aus Fig. 10 dienen dem Bereit
stellen von Herzstimulations-, Kardioversions- und
Defibrillationsbehandlungen. Hinsichtlich der Herzstimula
tion beinhaltet die Zeitablauf-/Steuerschaltung 420 des
Schrittmachers programmierbare Digitalzähler, die die
grundlegenden Zeitintervalle, die der Herzstimulation
zugeordnet sind, steuern, wobei diese die Stimulations-
Escapeintervalle, die Refraktärperioden, während derer
wahrgenommene R-Zacken die Zeitsteuerung der Escape
intervalle nicht neu starten können, und dergleichen ein
schließen. Die Dauern dieser Intervalle werden typischer
weise durch den Prozessor 424 festgelegt und über den
Adreß-/Datenbus 440 zur Zeitgeber/Steuerschaltung 420 des
Schrittmachers übertragen. Weiterhin bestimmt die Zeit
ablauf-/Steuerschaltung des Schrittmachers durch den Pro
zessor 424 gesteuert auch die Amplitude dieser Herzstimula
tionsimpulse, und eine Stimulations-Ausgangsschaltung 421
führt diese Impulse dem Herzen zu.
Wenn eine Tachyarrhythmie (also eine Tachykardie) erfaßt
wird und eine Antitachyarrhythmie-Stimulationstherapie
erwünscht ist, werden geeignete Zeitintervalle zum Steuern
der Erzeugung von Antitachykardie-Stimulationsbehandlungen
vom Prozessor 424 in die Zeitablauf- und Steuerschaltungs
anordnung 420 geladen. Wenn in ähnlicher Weise die Erzeu
gung eines Kardioversions- oder Defibrillationsimpulses
erforderlich ist, verwendet der Prozessor 424 die Zähler
und die Zeitablauf- und Steuerschaltungsanordnung 420 zum
Steuern des Zeitablaufs dieser Kardioversions- und
Defibrillationsimpulse.
Auf die Erfassung einer Fibrillation oder einer Tachykardie
hin, die einen Kardioversionsimpuls erforderlich macht,
aktiviert der Prozessor 424 eine Kardioversions-
/Defibrillations-Steuerschaltungsanordnung 454, die durch
eine Hochspannungs-Ladeleitung 452 gesteuert das Aufladen
der Hochspannngskondensatoren 456, 458, 460 und 462 über
eine Ladeschaltung 450 einleitet. Danach wird die Zuführung
der Zeitsteuerung des Defibrillations- oder Kardio
versionsimpulses durch die Zeitablauf-/Steuerschaltungs
anordnung 420 des Schrittmachers gesteuert. Verschiedene
Ausführungsformen eines geeigneten Systems zum Zuführen und
Synchronisieren von Kardioversions- und Defibrillations
impulsen und zum Steuern der sie betreffenden Zeit
steuerungsfunktionen sind in näheren Einzelheiten im Keimel
erteilten US-Patent 5 188 105 offenbart, auf das hiermit in
seiner Gesamtheit verwiesen sei. Eine andere solche
Schaltungsanordnung zum Steuern des Zeitablaufs und der
Erzeugung von Kardioversions- und Defibrillationsimpulsen
ist im Zipes erteilten US-Patent 4 384 585, im Pless u. a.
erteilten US-Patent 4 949 719 und im Engle u. a. erteilten
US-Patent 4 375 817 offenbart, auf die hier alle in ihrer
Gesamtheit verwiesen sei. Weiterhin ist eine bekannte
Schaltungsanordnung zum Steuern des Zeitablaufs und der
Erzeugung von Antitachykardie-Stimulationsimpulsen im
Berkovits u. a. erteilten US-Patent 4 577 633, im Pless u. a.
erteilten US-Patent 4 880 005, im Vollmann u. a. erteilten
US-Patent 4 726 380 und im Holley u. a. erteilten US-Patent
4 587 970, auf die hier alle in ihrer Gesamtheit verwiesen
sei, beschrieben.
Die Auswahl einer bestimmten Elektrodenkonfiguration zum
Zuführen der Kardioversions- oder Defibrillationsimpulse
wird über eine Ausgangsschaltung 448 unter der Steuerung
durch die Kardioversions/Defibrillations-Steuerschaltung
454 über einen Steuerbus 446 gesteuert. Die Ausgangs
schaltung 448 bestimmt, welche der Hochspannungselektroden
406, 408 und 410 beim Zuführen der Defibrillations- oder
Kardioversionsimpulsbehandlungen verwendet wird.
Die Bauteile des PCDs 400 aus Fig. 10 umfassen CMOS-,
CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungs
anordnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten
können und den Prozessor 424, die Steuerschaltungen 420 und
454, den RAM 426, die DMA 428, den ADC 430 und den Multi
plexer 432 einschließen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können der in Fig. 9
dargestellte Schrittmacher 300 und der in Fig. 10 darge
stellte PCD 400 beide gemäß den hier zuvor mit Bezug auf
die Fig. 1-7 verallgemeinerten Ausführungsformen
verwirklicht werden. Zuerst sei beispielsweise mit Bezug
auf den in Fig. 9 dargestellten Schrittmacher 300 bemerkt,
daß die Spannungsversorgungsquelle 301 des Schrittmachers
300 in einer zuvor mit Bezug auf die Fig. 1-7
beschriebenen Weise verwirklicht werden kann. Ebenso kann
die Taktquelle 338 des Schrittmachers 300 in einer mit
Bezug auf die Fig. 1-7 beschriebenen Weise verwirk
licht werden. Die Taktquelle 491 des in Fig. 10 darge
stellten PCDs 400 und die Spannungsversorgungsquelle 490
des in Fig. 10 dargestellten PCDs 400 können gemäß den
hier zuvor mit Bezug auf die Fig. 1-7 beschriebenen
verallgemeinerten Ausführungsformen verwirklicht werden.
Bei einem der Veranschaulichung dienenden Beispiel können
der ADC/Mux 342, der HF-Sender/Empfänger 336, die digitale
Steuerungs-Zeitgeber-Schaltung 332 und verschiedene andere
CMOS-, CML-, SOS-, SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-
Schaltungen bei von der Taktquelle 338 verfügbaren unter
schiedlichen Taktfrequenzen individuell betrieben werden.
Ebenso können diese Schaltungen bei entsprechenden Versor
gungsspannungen betrieben werden, die für jede der Schal
tungen verschieden sein können. Weiterhin kann der HF-
Sender/Empfänger 336 während eines bestimmten Zeitraums
(beispielsweise bei einer Aufwärtsverbindung) bei einer von
der Taktquelle 338 erhältlichen bestimmten Taktfrequenz und
bei einer von der Versorgungsspannungsquelle 301 erhältli
chen bestimmten Versorgungsspannung, die der bestimmten
Taktfrequenz entspricht, betrieben werden. Andererseits
kann die Schaltung 336 während eines anderen Zeitraums
(beispielsweise während einer Abwärtsverbindung) bei einer
völlig verschiedenen Taktfrequenz und Versorgungsspannung
betrieben werden. Die automatische Einstellung von Tele
metrieparametern unter bestimmten Umständen ist im Goedeke
u. a. erteilten US-Patent 5 683 432 beschrieben, auf das
hier in seiner Gesamtheit verwiesen sei.
Mit Bezug auf Fig. 10 sei bemerkt, daß die A/D-Wandler
schaltung 430, die Kardioverter/Defibrillator-Steuerschal
tung 454 und verschiedene andere Schaltungen, wie der RAM
426, die DMA 428 und der Multiplexer 432, auch bei von der
Taktquelle 491 erhältlichen unterschiedlichen Taktfrequen
zen und bei von der Versorgungsspannungsquelle 490 erhält
lichen entsprechenden unterschiedlichen Versorgungsspannun
gen betrieben werden können. Eine Telemetrieschaltung (in
den Figuren nicht dargestellt) kann mit dem PCD 400 aus
Fig. 10 verwendet werden und auch bei von der Taktquelle
491 erhältlichen unterschiedlichen Taktfrequenzen und bei
von der Versorgungsspannungsquelle 490 erhältlichen ent
sprechenden unterschiedlichen Versorgungsspannungen betrie
ben werden. Weiterhin kann der Prozessor 424 abhängig von
der vom Prozessor 424 ausgeführten Funktion (wie mit Bezug
auf Fig. 7 beschrieben) bei unterschiedlichen Takt
geschwindigkeiten betrieben werden. Eine Morphologieerfas
sung bei typischen physiologischen Raten (d. h. 50 bis 150
Schlägen je Minute) kann beispielsweise bei einer ersten
Taktfrequenz und einer entsprechenden Versorgungsspannung
vorgenommen werden, während eine Arrythmieerfassung bei
einer anderen Taktfrequenz und entsprechenden Versorgungs
spannung vorgenommen werden kann.
In Fig. 11 ist ein digitales Signalverarbeitungssystem
(DSP-System) 500 mit veränderlichem Takt und veränderlicher
Versorgungsspannung dargestellt, das in Zusammenhang mit
bestimmten in den Fig. 9 und 10 dargestellten Schaltun
gen und/oder alternativ zu diesen verwendet werden kann.
Das DSP-System 500 gemäß Fig. 11 kann beispielsweise an
Stelle der Aktivitätsschaltung 352, der Druckschaltung 354,
der Meßverstärkerschaltung 346 (für P-Zacken-, R-Zacken-
und/oder T-Zacken-Meßverstärker) verwendet werden, und es
kann unter Verwendung eines Pseudo-EKG-Signals 502 weiter
mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. Im allgemeinen
wird eine Anzahl von Analogsignalen 499, wie beispielsweise
Pseudo-EKG-Signale 502, ein Aktivitätssensorsignal 503 und
ein Druck- und Einsetzsensorsignal 504, über jeweilige
Verstärker 505-507 bereitgestellt. Die verstärkten
Signale werden an einen Multiplexer 510 übergeben, der sie
in zyklischer Weise einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 516
des digitalen Signalverarbeitungssystems 500 zuführt.
Die Signale 502-504 können durch zyklisches Abfragen der
Ausgänge der mehreren Verstärker/Vorverstärker 505-507
zyklisch wiederholt werden, wie in der anhängigen
US-Patentanmeldung 08/801 335 mit der Aktennummer P-4521
von Medtronic mit dem Titel "Method for Compressing
Digitized Cardiac Signals Combining Lossless Compression
and Non-linear Sampling", in der eine veränderliche
Kompression durch ADC-Abtastung beschrieben ist und auf die
hier in ihrer Gesamtheit verwiesen sei, beschrieben ist.
Der ADC kann auch veränderliche Umwandlungsraten aufweisen,
wie im US-Patent 5 263 486 und im US-Patent 5 312 446
beschrieben ist, auf die hiermit in ihrer jeweiligen
Gesamtheit verwiesen sei.
Eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 514 und Programmregister 512
werden durch eine Zeitsteuerungsschaltung (nicht darge
stellt) gesteuert verwendet, um das Anlegen der Analog
signale vom Multiplexer 510 an den ADC 516 des DSP-Systems
500 zu steuern, der diese umgewandelten Digitalsignale
einem Digitalfilter 518 zuführt, um einem Wellenform
analyseprozessor 520 (also einem digitalen Signalprozessor
(DSP)) des Systems 500 eine Wellenform zur Analyse zuzufüh
ren. Der Wellenformanalyseprozessor (DSP-Prozessor) 520
wird zum Verringern der Leistungsaufnahme gemäß der vorlie
genden Erfindung entsprechend den Verarbeitungsanforderun
gen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten getaktet, also
"fliegend" gesteuert.
Beispielsweise arbeitet der Wellenformanalyseprozessor 520
nur während eines QRS-Komplexes in einem schnellen Verar
beitungsmodus bei einer relativ hohen Frequenz. Während des
restlichen Herzzyklus kann der DSP-Prozessor 520 bei einer
viel niedrigeren Taktfrequenz "im Leerlauf arbeiten".
Dieser Verarbeitungszyklus wurde zuvor mit Bezug auf Fig.
4C beschrieben. Ein Fachmann wird erkennen, daß gemäß den
anderen Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung
zusätzlich zur für verschiedene Abschnitte des Herzzyklus
verwendeten niedrigeren Taktgeschwindigkeit dann, wenn die
Geschwindigkeit verringert wird, auch der Versorgungs
spannungspegel (VDD) entsprechend verringert werden kann.
Auf diese Weise wird die Aufgabe der verringerten
Leistungsaufnahme verwirklicht.
Das DSP-System 500 aus Fig. 11 ist in Fig. 12 allgemein
dargestellt. DSP-Systeme in der Art des DSP-Systems 500
können allgemein ein Eingangsfilter, einen ADC, eine
Abtast- und Halteschaltung (die manchmal in den ADC einge
baut ist) und einen digitalen Signalprozessor zum Bereit
stellen einer Ausgabe aufweisen. Das Eingangsfilter, der
ADC und die Abtast- und Halteschaltung liefern dem Prozes
sor eine Analogeingabe repräsentierende Daten. Der digitale
Signalprozessor kann dann zum Verwirklichen von einem von
verschiedenen Algorithmen, wie beispielsweise zur Digital
filterung, zum Abbilden der Eingabe, zum Ausführen einer
Morphologieerfassung, zum Erreichen einer Funktionsweise
als Meßverstärker (P-Zacke, R-Zacke oder T-Zacke) und
dergleichen verwendet werden, um eine gewünschte Ausgabe
bereitzustellen.
Die Ausgabe des DSP-Systems 500 wird bei der Verwendung in
einer hier beschriebenen medizinischen Vorrichtung im
allgemeinen in digitaler Form einer Steuereinrichtung
zugeführt. Eine solche sich aus der Digitalverarbeitung
ergebende digitale Ausgabe kann jedoch unter Verwendung von
bei DSP-Systemen üblichen Bauteilen, wie Digital-Analog-
Wandlern (DAC), Ausgangsfiltern und dergleichen, wieder in
eine analoge Ausgabe umgewandelt werden. Ein Fachmann wird
erkennen, daß die Bauteile des DSP-Systems 500 abhängig von
der Anwendung der vorliegenden Erfindung variieren können.
Beispielsweise kann ein DSP-System einen DAC zum Bereit
stellen einer analogen Ausgabe aufweisen, während dies bei
einem anderen solchen System möglicherweise nicht der Fall
ist.
Wie in Fig. 12 dargestellt ist, werden zwei oder mehr
analoge Eingangssignale 499 durch den Multiplexer 510
23108 00070 552 001000280000000200012000285912299700040 0002019951491 00004 22989multiplexiert und in diese repräsentierende digitale Daten
umgewandelt, die durch den digitalen Signalprozessor des
DSP-Systems 500 zu verarbeiten sind. Die die Eingangs
signale repräsentierenden Daten werden dann durch den
digitalen Signalprozessor des DSP-Systems 500 verarbeitet,
um in bezug auf diese während eines vorgegebenen Zeitraums
Funktionen auszuführen. Es können beispielsweise R-Zacken-
Erfassungsalgorithmen und P-Zacken-Erfassungsalgorithmen
durch denselben digitalen Signalprozessor während des
vorgegebenen Zeitraums unter Verwendung von dem Multiplexer
510 zugeführten Daten, die ventrikuläre bzw. atrielle
analoge Eingangssignale repräsentieren, ausgeführt werden.
Für dieses Multiplexieren der Eingangssignale und die
Verwendung eines in den Fig. 11 und 12 dargestellten
einzigen digitalen Signalprozessors zum Ausführen mehrerer
Funktionen in einem vorgegebenen Zeitraum ist es erforder
lich, daß der digitale Signalprozessor des DSP-Systems 500
bei einer relativ hohen Taktfrequenz betrieben wird. Die
Taktfrequenz ist im Vergleich zu den Taktfrequenzen, die
erforderlich wären, wenn mehrere digitale Signalprozessoren
zum Ausführen der Funktionen im gleichen Zeitraum verwendet
würden, relativ hoch. Beim Betrieb bei einer relativ hohen
Frequenz zum Erreichen der mehreren Funktionen während
dieses vorgegebenen Zeitraums muß zum Betrieb auch eines
relativ hohe Versorgungsspannung an den Prozessor angelegt
werden.
Die Versorgungsspannung ist im Vergleich zur Versorgungs
spannung, die erforderlich wäre, falls mehrere digitale
Signalprozessoren zum Ausführen der Funktionen im gleichen
Zeitraum verwendet würden, relativ hoch. Daher ist die vom
einzigen digitalen Signalprozessor aufgenommene dynamische
Leistung (P) ziemlich hoch ((P) = 1/2CVDD 2F, wobei C die
Knotenkapazität ist, F die Takt- oder Schaltfrequenz ist
und VDD die Versorgungsspannung des Prozessors ist). Die
Formel zum Berechnen der dynamischen Leistung (P) gibt an,
daß die dynamische Leistungsaufnahme von CMOS-, CML-, SOS-,
SOI-, BICMOS-, PMOS- und/oder NMOS-Schaltungen proportional
zum Quadrat der Versorgungsspannung (VDD) ist. Weiterhin
ist die dynamische Leistung (P) proportional zur Schalt-
oder Taktfrequenz (F). Wie weiter unten beschrieben wird,
können die gleichen Mehrfachfunktionen, die oben bei Ver
wendung eines einzigen DSP-Systems beschrieben wurden, auch
bei Verwendung von mehreren DSP-Systemen erreicht werden,
die zum Verringern der Leistungsaufnahme bei niedrigeren
Taktfrequenzen und niedrigeren Versorgungsspannungen arbei
ten.
Fig. 13 ist eine verallgemeinerte schematische Darstellung
eines solchen Mehrfachprozessorsystems 600 mit mehreren
DSP-Systemen 602-604 zum Verringern der Leistungsaufnahme
gemäß der vorliegenden Erfindung. Dem DSP-System 602 wird
ein erstes analoges Eingangssignal 612 zugeführt, und es
beinhaltet eine Umwandlungsschaltungsanordnung zum Umwan
deln des analogen Eingangssignals 612 in es repräsentie
rende digitale Daten. Ein digitaler Signalprozessor 622 des
DSP-Systems 602 verarbeitet dann die Daten zum Ausführen
einer Funktion und stellt eine Ausgabe 632 bereit (die,
falls gewünscht, wieder in ein analoges Signal umgewandelt
werden kann). Der digitale Signalprozessor 622 wird bei
einer ersten Taktfrequenz Clk1 betrieben, und es wird an
ihn eine erste Versorgungsspannung SV1 angelegt.
Dem DSP-System 603 wird ein zweites analoges Eingangssignal
613 zugeführt, und es beinhaltet eine Umwandlungs
schaltungsanordnung zum Umwandeln des analogen Eingangs
signals 613 in es repräsentierende digitale Daten. Ein
digitaler Signalprozessor 623 des DSP-Systems 603 verarbei
tet dann die Daten zum Ausführen einer Funktion und stellt
eine Ausgabe 633 bereit (die, falls gewünscht, wieder in
ein analoges Signal umgewandelt werden kann). Der digitale
Signalprozessor 623 wird bei einer zweiten Taktfrequenz
Clk2 betrieben, und es wird an ihn eine zweite Versorgungs
spannung SV2 angelegt. Im allgemeinen sind die erste Takt
frequenz Clk1 und die zweite Taktfrequenz Clk2, bei denen
der erste und der zweite digitale Signalprozessor arbeiten,
um ihre jeweiligen Funktionen in einem vorgegebenen Zeit
raum auszuführen, niedriger als die Taktfrequenz, die ein
einziger Prozessor benötigt, um dieselben Funktionen im
gleichen vorgegebenen Zeitraum auszuführen. Die erste
Taktfrequenz Clk2 und die zweite Taktfrequenz Clk2 sind
derart, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen
Signalprozessor beim Ausführen der jeweiligen Funktionen
während des vorgegebenen Zeitraums aufgenommene Leistung
geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden
würde, falls nur einer von ihnen die beiden jeweiligen
Funktionen innerhalb des vorgegebenen Zeitraums ausführen
müßte.
Ebenso können auch die Versorgungsspannungen SV1 und SV2
verringert werden, weil die digitalen Signalprozessoren 622
und 623 bei einer niedrigeren Geschwindigkeit arbeiten und
eine Verringerung der Taktfrequenz die Verwendung niedrige
rer Versorgungsspannungen ermöglicht, wie hier zuvor
beschrieben wurde. Falls beispielsweise die Taktfrequenz
Clk1 verringert wird, kann die an den digitalen Signal
prozessor 622 angelegte Versorgungsspannung SV1 ebenfalls
verringert werden.
Es sei als Beispiel der Fall betrachtet, in dem das System
600 nur das DSP-System 602 und das DSP-System 603 aufweist.
Jedes der DSP-Systeme 602 und 603 empfängt eine einzige
analoge Eingabe 612 bzw. 613. Der digitale Signalprozessor
622 bearbeitet die die analoge Eingabe 612 repräsentieren
den Daten bei der Taktfrequenz Clk1, um eine erste Funktion
auszuführen. Der digitale Signalprozessor 623 bearbeitet
die die analoge Eingabe 613 repräsentierenden Daten bei der
Taktfrequenz Clk2, um eine zweite Funktion auszuführen. Im
Vergleich zu der von einem System in der Art des in Fig.
12 dargestellten aufgenommenen Leistung (wo ein einziger
Prozessor zum Ausführen der beiden Funktionen innerhalb des
vorgegebenen Zeitraums unter Verwendung multiplexierter
Eingaben verwendet wird) können mehrere digitale Signal
prozessoren die gleichen Funktionen ausführen, wobei sie
jedoch erheblich weniger Leistung aufnehmen.
Insbesondere kann bei Verwendung zweier digitaler Signal
prozessoren gemäß der vorliegenden Erfindung die so aufge
nommene dynamische Leistung (P2) nach der Formel
(P2) = 1/2(2C)(VDD/2)2(F/2)
berechnet werden, wobei C das Zweifache der Knotenkapazität
ist, weil es zwei digitale Signalprozessoren gibt, F/2 die
verringerte Takt- oder Schaltfrequenz ist, weil die beiden
digitalen Signalprozessoren bei der Hälfte der Geschwindig
keit eines einzelnen Prozessors arbeiten können, wenn
versucht wird, beide Funktionen im vorgegebenen Zeitraum
abzuschließen, und wobei VDD/2 die Versorgungsspannung ist,
weil die digitalen Signalprozessoren bei der Hälfte der
Geschwindigkeit des einzelnen Prozessors arbeiten, wenn
versucht wird, beide Funktionen im vorgegebenen Zeitraum
abzuschließen.
Die von den zwei digitalen Signalprozessoren aufgenommene
Leistung ist durch die Formel
P2 = 1/2C(VDD 2/4)F
gegeben, wobei dies 1/4 der vom einzelnen Prozessor bei
Verwendung multiplexierter Eingänge aufgenommenen Leistung
ist, wie oben mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben wurde. Ein
Fachmann wird nun erkennen, daß die vorhergehend erwähnte
Ausführungsform mit zwei digitalen Signalprozessoren gemäß
der vorliegenden Erfindung mehr Chipfläche der integrierten
Schaltung belegt als ein einzelner Prozessor mit multiple
xierten Eingängen. Die Leistungsaufnahme ist jedoch stark
verringert.
Bei der oben beschriebenen der Veranschaulichung dienende
Ausführungsform sind die Taktfrequenzen, bei denen der
erste und der zweite digitale Signalprozessor arbeiten, im
wesentlichen gleich. Diese Taktfrequenzen brauchen jedoch
zum Verringern der Leistungsaufnahme nicht gleich oder im
wesentlichen gleich zu sein, und sie können tatsächlich
unterschiedlich sein. Die erste Taktfrequenz Clk1 und die
zweite Taktfrequenz Clk2, bei denen der erste und der
zweite digitale Signalprozessor arbeiten, um die jeweiligen
Funktionen auszuführen, sind bevorzugt Frequenzen, die so
ausgewählt sind, daß die vom ersten und vom zweiten digita
len Signalprozessor beim Ausführen der jeweiligen Funktio
nen während des vorgegebenen Zeitraums aufgenommene Lei
stung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden
würde, wenn nur einer von ihnen die beiden Funktionen
innerhalb des vorgegebenen Zeitraums ausführen würde.
Weiterhin können, wie in Fig. 13 dargestellt ist, mehr als
zwei DSP-Systeme, wie ein zusätzliches DSP-System 604, zum
Verringern der Leistungsaufnahme verwendet werden. Zusätz
lich kann jeder der digitalen Signalprozessoren unter
Einschluß der DSP-Systeme 602-604 mit einem oder mehreren
analogen Eingängen versehen sein, die allgemein durch
Eingänge 618 dargestellt sind, die so multiplexiert werden
können, wie mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben wurde, oder
jeder von ihnen kann alternativ mit einem einzigen Eingang
versehen sein, wie oben mit Bezug auf die DSP-Systeme 602
und 603 dargestellt wurde.
Die Verwendung von mehreren DSP-Systemen ist besonders
vorteilhaft, wenn höherfrequente analoge Signale verarbei
tet werden, wenngleich diese Systeme auch mit jedem belie
bigen analogen Signal verwendet werden können. Solche
Mehrfach-DSP-Konfigurationen können beispielsweise dann,
wenn sie für das Wahrnehmen von P-Zacken, R-Zacken und
T-Zacken, für eine EMI-Erfassung, für eine Sensorsignal
verarbeitung solcher Signale, wie Druck-, Sauerstoff
sättigungs-, Blutströmungs- und Herzkontraktionssignalen,
für Telemetriefunktionen und dergleichen verwendet werden,
besonders vorteilhaft sein. Diese Funktionen können allge
mein durch die Bandbreite der zum Ausführen dieser Funktio
nen verarbeiteten analogen Signale gekennzeichnet werden.
Im allgemeinen liegt die Bandbreite analoger Signale, wie
Herzwahrnehmungssignale, im Bereich zwischen etwa 10 Hz und
etwa 100 Hz (im Gegensatz zu einigen Sensorsignalen, wie
Drucksignalen, die eine Bandbreite zwischen etwa 1 Hz und
etwa 10 Hz aufweisen).
In den Fig. 14 und 15 ist die Verwendung mehrerer DSP-
Systeme zum Ausführen mehrerer zum Betrieb eines Herz
schrittmachers erforderlicher Funktionen veranschaulicht.
In Fig. 14 sind einige Bauteile dargestellt, die herkömm
lich in einem Herzschrittmacher verwendet werden, wie er im
am 7. Februar 1995 Shelton erteilten US-Patent 5 387 228
mit dem Titel "Cardiac Pacemaker With Programmable Output
Pulse Amplitude and Method" beschrieben ist. Der Einfach
heit wegen werden andere Bauteile des Schrittmachers, wie
die, die hier zuvor beschrieben wurden und die auch in
anderen hier erwähnten Dokumenten, wie im US-Patent 5 387
228 angesprochen wurden, nicht in weiteren Einzelheiten
beschrieben.
Wiederum mit Bezug auf Fig. 14 sei bemerkt, daß eine
digitale Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 731 mit einer
Wahrnehmungsschaltungsanordnung unter Einschluß einer
Meßverstärkerschaltung 738 und einer Empfindlichkeits
steuerschaltung 739 gekoppelt ist. Insbesondere empfängt
die digitale Steuerungs-/Zeitgeberschaltung 731 auf einer
Leitung 740 ein A-Ereignis-(atrielles Ereignis)-Signal und
auf einer Leitung 741 ein V-Ereignis-(ventrikuläres
Ereignis)-Signal. Die Meßverstärkerschaltung 738 ist mit
Leitungen 714 und 715 gekoppelt und empfängt V-Wahrneh
mungs-(ventrikuläre Wahrnehmung)- und A-Wahrnehmungs-
(atrielle Wahrnehmung)-Signale vom Herzen 764. Die Meß
verstärkerschaltung 738 gibt das A-Ereignis-Signal auf die
Leitung 40, wenn ein atrielles Ereignis (also ein stimu
liertes oder natürliches atrielles Ereignis) erfaßt wird
und gibt das V-Ereignis-Signal auf die Leitung 741, wenn
ein ventrikuläres Ereignis (stimuliert oder natürlich)
erfaßt wird. Die Meßverstärkerschaltung 738 weist einen
oder mehrere Meßverstärker auf, die beispielsweise demjeni
gen entsprechen, der im Stein erteilten US-Patent 4 379 459
offenbart ist. Die Empfindlichkeitssteuerschaltung 739 ist
zum Einstellen der Verstärkung der Meßverstärkerschaltung
738 entsprechend den programmierten Empfindlichkeits
einstellungen vorgesehen, wie Fachleuten auf dem Gebiet der
Schrittmacher verständlich sein wird.
Ein ventrikulärer Elektrokardiogrammverstärker 742 ist mit
einem Leiter in der Leitung 714 gekoppelt, um ein V-Wahr
nehmungssignal vom Herzen 764 zu empfangen. In ähnlicher
Weise ist der atrielle Elektrokardiogrammverstärker 743 mit
einem Leiter der Leitung 715 gekoppelt, um ein A-Wahr
nehmungssignal vom Herzen 764 zu empfangen. Die von den
Verstärkern 742 und 743 erzeugten Elektrokardiogrammsignale
werden dann verwendet, wenn die implantierte Vorrichtung
durch eine externe Programmiereinrichtung zur Aufwärts-
Telemetrie abgefragt wird.
In Fig. 15 ist eine Ausführungsform eines Mehrfach-DSP-
Systems 800 gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ersetzen
der in Fig. 14 dargestellten Wahrnehmungsschaltungsanord
nung 738 dargestellt. Das Mehrfach-DSP-System 800 weist
zwei DSP-Systeme 801 und 803 auf. Das DSP-System 801 weist
einen digitalen Signalprozessor 841 auf, der Daten verar
beitet, die das vom Atrium des Herzens ausgehende A-Wahr
nehmungssignal 805 repräsentieren. Weiterhin weist das DSP-
System 803 einen digitalen Signalprozessor 842 auf, der
Daten verarbeitet, die das vom Ventrikel des Herzens ausge
hende V-Wahrnehmungssignal 807 repräsentieren. Als Beispiel
der vorliegenden Erfindung erkennt es der digitale Signal
prozessor 841 unter Verwendung der das A-Wahrnehmungssignal
während eines vorgegebenen Zeitraums repräsentierenden
Daten, wenn ein atrielles Ereignis (eine P-Zacken-Erfas
sung) auftritt. Bei einem anderen Beispiel der vorliegenden
Erfindung erkennt es der digitale Signalprozessor 843 unter
Verwendung der das V-Wahrnehmungssignal während des vorge
gebenen Zeitraums repräsentierenden Daten, wenn ein ventri
kuläres Ereignis (eine R-Zacken-Erfassung) auftritt.
Wie in Fig. 15 dargestellt ist, arbeiten die digitalen
Signalprozessoren bei Taktfrequenzen, die halb so groß sind
wie die zum Betrieb eines einzelnen digitalen Signalprozes
sors erforderliche Taktfrequenz (wobei angenommen wird, daß
der entsprechende einzelne digitale Signalprozessor über
einen Multiplexer sowohl A- als auch V-Wahrnehmungssignale
empfängt und während des vorgegebenen Zeitraums sowohl die
atriellen als auch die ventrikulären Erfassungsfunktionen
ausführt). Auf diese Weise und wie oben beim allgemeinen
Beispiel mit zwei digitalen Signalprozessoren beschrieben
wurde, ist die so aufgenommene Leistung bei Verwendung der
zwei digitalen Signalprozessoren zum Ausführen der jeweili
gen Funktionen innerhalb des vorgegebenen Zeitraums gegen
über der Leistung, die ansonsten ein einzelner Prozessor
benötigen würde, um die gleichen Funktionen während dessel
ben Zeitraums auszuführen, erheblich verringert.
Weiterhin kann, wie oben beschrieben wurde, auch die Ver
sorgungsspannung verringert werden, weil die digitalen
Signalprozessoren bei halber Geschwindigkeit arbeiten und
eine Verringerung der Taktfrequenz die Verwendung niedrige
rer Versorgungsspannungen ermöglicht. Die Leistungsaufnahme
ist verringert, weil die aufgenommene Leistung direkt zum
Quadrat der Versorgungsspannung proportional ist. Falls die
Taktfrequenz der digitalen Signalprozessoren beispielsweise
in bezug auf eine Ausführungsform mit einem einzigen Pro
zessor, bei der multiplexierte Eingaben verwendet werden,
halbiert wird, kann auch die Versorgungsspannung in bezug
auf die bei einer Ausführungsform mit einem einzigen Pro
zessor verwendete Versorgungsspannung halbiert werden.
Nach dem Erfassen eines atriellen Ereignisses erzeugt das
DSP-System 801 an einem Ausgang 811 ein A-Ereignis-Signal.
Nach dem Erfassen eines ventrikulären Ereignisses erzeugt
das DSP-System 803 an einem Ausgang 813 ein V-Ereignis-
Signal. Die in Fig. 14 dargestellten Meßverstärkerfunktio
nen werden daher unter Verwendung der in Fig. 15 darge
stellten Ausführungsform mit zwei DSP-Systemen gemäß der
vorliegenden Erfindung verwirklicht, wobei in bezug auf die
Verwendung eines einzelnen DSP-Systems eine entsprechende
Verringerung der Leistungsaufnahme unter Erreichen der
gleichen Funktionen (wie der in Fig. 12 dargestellten)
auftritt.
Fachleute werden erkennen, daß gemäß der vorliegenden
Erfindung mit den gleichen oder zusätzlichen digitalen
Signalprozessoren und/oder Systemen auch andere Signale
verarbeitet werden können. Solche DSP-Systeme können bei
spielsweise zur T-Zacken-Erfassung, zur Sauerstoffsensor-
Datenanalyse, zur Drucksensor-Datenanalyse, zur Herz
kontraktions-Datenanalyse, zur EMI-Erfassung oder zum
Verarbeiten und Analysieren irgendwelcher anderer Signale
oder Datensätze verwendet werden, bei denen eine digitale
Signalverarbeitung nützlich ist.
Die vorliegende Erfindung ist mit verschiedenen Herstel
lungstechnologien verträglich, wobei diese Silicium-auf-
Isolator-(SOI)-, Silicium-auf-Saphir-(SOS)-, Strommodus
logik-(CML)-, BICMOS-, PMOS-, und NMOS-Technologien, sowie
herkömmliche Silicium-CMOS-Technologien einschließen,
jedoch nicht auf diese beschränkt sind. Im Takamasa erteil
ten US-Patent 4 359 653, im Burgener u. a. erteilten US-
Patent 5 416 043, im Kim erteilten US-Patent 5 538 908
sowie im Matsushita u. a. erteilten US-Patent 5 705 421, auf
die hier alle in ihrer jeweiligen Gesamtheit verwiesen sei,
sind Prozesse und Verfahren zur Herstellung integrierter
Schaltungen beschrieben, die zumindest für einige der
vorhergehend erwähnten Typen integrierter Schaltungen
verwendbar sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Technologie zur
Verwendung von Mehrfach-DSP-Systemen zum Ausführen mehrerer
Funktionen und Berechnungen durch die Art, in der die
Leistungsaufnahme für diese Mehrfach-DSP-Systeme verringert
werden kann. Weiterhin können gemäß der vorliegenden
Erfindung wegen der verringerten Leistungsaufnahme, die
sich aus dem Verringern der Versorgungsspannungen und
Taktfrequenzen für verschiedene von den Prozessoren ausge
führte Funktionen und Berechnungen ergibt, auch auf mehre
ren Prozessoren beruhende Anordnungen verwirklicht werden.
Zusätzlich können bei verringerter Leistungsaufnahme Vor
richtungen gemäß der vorliegenden Erfindung weitere Funk
tionen hinzugefügt werden, um eine Vorrichtung mit einem
erweiterten Funktionsumfang bereitzustellen, die jedoch
eine niedrigere oder die gleiche Leistungsaufnahme aufweist
wie herkömmliche Vorrichtungen aus dem Stand der Technik.
Ein Prozessor gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei
spielsweise verschiedene Morphologieerfassungsfunktionen,
wie ein Unterscheiden von retrograden P-Zacken und ante
graden P-Zacken von EGM-Wellenformen, ein Unterscheiden von
P-Zacken von Fernfeld-R-Zacken, ein Unterscheiden einer AF-
A-Flimmer-AT von einer Sinustachykardie, ein Unterscheiden
eines VT-VF-V-Flimmerns von einer SVT, ein Unterscheiden
von Herzsignalen von einer elektromagnetischen Störung und
dergleichen, ausführen. Weiterhin können beispielsweise
auch verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfin
dung zum Erfassen oder Herausfiltern einer elektromagneti
schen Störung (EMI) verwendet werden, die von Einbruchs
detektoren, Leitungssignalen, HF-Rauschen, Myopotentialen
und dergleichen ausgehen oder von diesen erzeugt werden.
Die vorhergehenden speziellen Ausführungsformen veranschau
lichen die Anwendung der Erfindung. Es ist daher zu verste
hen, daß andere Hilfsmittel, die Fachleuten bekannt sind
oder hier offenbart sind, verwendet werden können, ohne von
der Erfindung oder vom Schutzumfang der anliegenden Ansprü
che abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung ist beispielsweise nicht auf die
Verwendung von nur zwei DSP-Systemen beschränkt, und DSP-
Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung können zusammen
mit anderen hier beschriebenen Taktfrequenz-Behandlungs
techniken (wie mehreren Taktfrequenzen für mehr als eine
von einem der mehreren Prozessoren ausgeführte Funktion)
verwendet werden. Weiterhin kann die für die mehreren DSP-
Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Versor
gungsspannungsquelle nicht nur diskrete Versorgungsspannun
gen sondern auch eine Quelle aufweisen, die beispielsweise
durch einen Spannungsregler über einen bestimmten Span
nungsbereich kontinuierlich variiert wird, wobei diese
Spannungen bei entsprechenden Taktfrequenzen "fliegend"
geändert werden. Die vorliegende Erfindung ist auch nicht
auf eine Verwendung in Zusammenhang mit Schrittmachern oder
PCDs beschränkt, sondern sie kann in anderen relevanten
Bereichen weitere Anwendungen finden, in denen eine nied
rige Leistungsaufnahme erwünscht ist, wie beispielsweise
auf den Gebieten der Telekommunikation oder tragbarer
Computer. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
umfaßt weiterhin Verfahren zum Herstellen und Verwenden der
oben beschriebenen Merkmale, Konzepte und Schaltungs
anordnungen.
In den Ansprüchen sollen Einrichtungs- und Funktions
aussagen die hier beschriebenen Strukturen einschließen,
welche die angeführte Funktion und gleichwertige Formen
ausführen. Die Einrichtungs- und Funktionsaussagen in den
Ansprüchen sollen nicht nur auf strukturell gleichwertige
Formen beschränkt sein sondern auch Strukturen einschlie
ßen, die in der Umgebung der beanspruchten Kombination
gleichwertig arbeiten.
Claims (40)
1. Medizinische Vorrichtung, aufweisend:
ein erstes digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine erste analoge Eingabe empfängt, wobei das erste digitale Signalverarbeitungssystem einen ersten digitalen Signalprozessor aufweist, der bei einer ersten Taktfrequenz Daten verarbeitet, die mindestens die erste analoge Eingabe repräsentieren, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen, und
ein zweites digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine zweite analoge Eingabe empfängt, wobei das zweite digitale Signalverarbeitungssystem einen zweiten digitalen Signalprozessor aufweist, der bei einer zweiten Taktfrequenz Daten verarbeitet, die mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentieren, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen,
wobei die erste und die zweite Taktfrequenz derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorge gebenen Zeitraums ausführen müßte.
ein erstes digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine erste analoge Eingabe empfängt, wobei das erste digitale Signalverarbeitungssystem einen ersten digitalen Signalprozessor aufweist, der bei einer ersten Taktfrequenz Daten verarbeitet, die mindestens die erste analoge Eingabe repräsentieren, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen, und
ein zweites digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine zweite analoge Eingabe empfängt, wobei das zweite digitale Signalverarbeitungssystem einen zweiten digitalen Signalprozessor aufweist, der bei einer zweiten Taktfrequenz Daten verarbeitet, die mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentieren, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen,
wobei die erste und die zweite Taktfrequenz derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorge gebenen Zeitraums ausführen müßte.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste und
die zweite Taktfrequenz in etwa gleich sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste und
die zweite Taktfrequenz unterschiedlich sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der vorgegebene
Zeitraum ein auf physiologischen Ereignissen beruhender
Zeitraum ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mindestens eine
von der ersten und der zweiten analogen Eingabe ein
Herzwahrnehmungssignal ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine
Versorgungsspannungsquelle aufweist, die zum Anlegen einer
ersten Versorgungsspannung an den ersten digitalen
Signalprozessor auf der Grundlage der ersten Taktfrequenz
und zum Anlegen einer zweiten Versorgungsspannung an den
zweiten digitalen Signalprozessor auf der Grundlage der
zweiten Taktfrequenz geschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das erste und
das zweite Taktsignal in etwa gleich sind und die erste und
die zweite Versorgungsspannung weiterhin in etwa gleich
sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eines oder
mehrere zusätzliche digitale Signalverarbeitungssysteme
aufweist, wobei jedes zusätzliche digitale
Signalverarbeitungssystem mindestens eine analoge Eingabe
empfängt und einen digitalen Signalprozessor aufweist, der
bei einer zusätzlichen Taktfrequenz Daten verarbeitet, die
die mindestens eine analoge Eingabe repräsentieren, um
während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine
zusätzliche Funktion auszuführen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mindestens eine
von der ersten und der zweiten Funktion aus der aus einer
Mitnahmeerfassung, einer R-Zacken-Erfassung, einer P-
Zacken-Erfassung, einer T-Zacken-Erfassung, einer Erfassung
einer elektromagnetischen Störung, einer Sauer
stoffsättigungsbestimmung, einer Druckbestimmung, einer
Sensor-Herzkontraktionsbestimmung, einer Herzströmungs
bestimmung, eines Telemetrieempfangs und einer Telemetrie
übertragung bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine luftdicht
abgeschlossene implantierbare medizinische Vorrichtung ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die
implantierbare medizinische Vorrichtung aus der aus einem
implantierbaren Stimulator, einem implantierbaren
Nervenstimulator, einem implantierbaren Schrittmacher
einem IPG, einem implantierbaren Kardioverter, einem
implantierbaren PCD, einem implantierbaren Defibrillator,
einem implantierbaren ICD und einer implantierbaren Medika
mentenpumpe bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mindestens
eines von dem ersten und dem zweiten digitalen
Verarbeitungssystem Schaltungen eines Typs aufweist, der
aus der aus CMOS-Schaltungen, CML-Schaltungen, SOS-
Schaltungen, SOI-Schaltungen, BICMOS-Schaltungen, PMOS-
Schaltungen und NMOS-Schaltungen bestehenden Gruppe ausge
wählt ist.
13. Medizinische Vorrichtung, aufweisend:
ein erstes digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine erste analoge Eingabe empfängt, wobei das erste digitale Signalverarbeitungssystem einen ersten digitalen Signalprozessor aufweist, der Daten verarbeitet, die minde stens die erste analoge Eingabe repräsentieren, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen,
ein zweites digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine zweite analoge Eingabe empfängt, wobei das zweite digitale Signalverarbeitungssystem einen zweiten digitalen Signalprozessor aufweist, der Daten verarbeitet, die mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentieren, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen, und
eine Versorgungsspannungsquelle, die wirkungsmäßig so angeschlossen ist, daß dem ersten digitalen Signalprozessor eine erste Versorgungsspannung und dem zweiten digitalen Signalprozessor eine zweite Versorgungsspannung zugeführt wird, wobei die erste und die zweite Versorgungsspannung derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion im vorgegebenen Zeitraum aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums ausführen müßte.
ein erstes digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine erste analoge Eingabe empfängt, wobei das erste digitale Signalverarbeitungssystem einen ersten digitalen Signalprozessor aufweist, der Daten verarbeitet, die minde stens die erste analoge Eingabe repräsentieren, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen,
ein zweites digitales Signalverarbeitungssystem, das minde stens eine zweite analoge Eingabe empfängt, wobei das zweite digitale Signalverarbeitungssystem einen zweiten digitalen Signalprozessor aufweist, der Daten verarbeitet, die mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentieren, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen, und
eine Versorgungsspannungsquelle, die wirkungsmäßig so angeschlossen ist, daß dem ersten digitalen Signalprozessor eine erste Versorgungsspannung und dem zweiten digitalen Signalprozessor eine zweite Versorgungsspannung zugeführt wird, wobei die erste und die zweite Versorgungsspannung derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion im vorgegebenen Zeitraum aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums ausführen müßte.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, welche ferner eine
Taktschaltung zum Bereitstellen einer ersten und einer
zweiten Taktfrequenz zum Steuern des Betriebs des ersten
und des zweiten digitalen Signalprozessors während der
Ausführung der ersten bzw. der zweiten Funktion aufweist,
wobei die erste und die zweite Taktfrequenz ferner derart
sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen
Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten
Funktion im vorgegebenen Zeitraum aufgenommene Leistung
geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden
würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten
digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch dies
zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums
ausführen müßte.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher die Pegel der
ersten und der zweiten Versorgungsspannung auf der
Grundlage der ersten bzw. der zweiten Taktfrequenz angelegt
werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die erste
Funktion bei einer Taktfrequenz ausgeführt wird, die in
etwa der zum Ausführen der zweiten Funktion verwendeten
Taktfrequenz gleicht, und die erste und die zweite
Versorgungsspannung in etwa gleich sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher mindestens
eine von der ersten und der zweiten Funktion aus der aus
einer Mitnahmeerfassung, einer R-Zacken-Erfassung, einer P-
Zacken-Erfassung, einer T-Zacken-Erfassung, einer Erfassung
einer elektromagnetischen Störung, einer
Sauerstoffsättigungsbestimmung, einer Druckbestimmung,
einer Sensor-Herzkontraktionsbestimmung, einer Herz
strömungsbestimmung, eines Telemetrieempfangs und einer
Telemetrieübertragung bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 13, welche eine luftdicht
abgeschlossene implantierbare medizinische Vorrichtung ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher die
implantierbare medizinische Vorrichtung aus der aus einem
implantierbaren Stimulator, einem implantierbaren
Nervenstimulator, einem implantierbaren Schrittmacher,
einem IPG, einem implantierbaren Kardioverter, einem
implantierbaren PCD, einem implantierbaren Defibrillator,
einem implantierbaren ICD und einer implantierbaren Medika
mentenpumpe bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher mindestens
eines von dem ersten und dem zweiten digitalen
Verarbeitungssystem Schaltungen eines Typs aufweist, der
aus der aus CMOS-Schaltungen, CML-Schaltungen, SOS-
Schaltungen, SOI-Schaltungen, BICMOS-Schaltungen, PMOS-
Schaltungen und NMOS-Schaltungen bestehenden Gruppe ausge
wählt ist.
21. Verfahren zum Sparen von elektrischer Leistung, die von
einer medizinischen Vorrichtung aufgenommen wird, mit den
Schritten:
Bereitstellen eines ersten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine erste analoge Eingabe repräsentieren,
Verarbeiten der die erste analoge Eingabe repräsentierenden Daten unter Verwendung des ersten digitalen Signalprozes sors zum Ausführen mindestens einer ersten Funktion während eines vorgegebenen Zeitraums, wobei der erste digitale Signalprozessor zum Ausführen der ersten Funktion bei einer ersten Taktfrequenz arbeitet,
Bereitstellen eines zweiten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine zweite analoge Eingabe repräsentieren, und
Verarbeiten der die zweite analoge Eingabe repräsentieren den Daten unter Verwendung des zweiten digitalen Signal prozessors zum Ausführen mindestens einer zweiten Funktion während eines vorgegebenen Zeitraums, wobei der zweite digitale Signalprozessor zum Ausführen der zweiten Funktion bei einer zweiten Taktfrequenz arbeitet,
wobei die erste und die zweite Taktfrequenz derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion im vorgegebenen Zeitraum aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums aus führen müßte.
Bereitstellen eines ersten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine erste analoge Eingabe repräsentieren,
Verarbeiten der die erste analoge Eingabe repräsentierenden Daten unter Verwendung des ersten digitalen Signalprozes sors zum Ausführen mindestens einer ersten Funktion während eines vorgegebenen Zeitraums, wobei der erste digitale Signalprozessor zum Ausführen der ersten Funktion bei einer ersten Taktfrequenz arbeitet,
Bereitstellen eines zweiten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine zweite analoge Eingabe repräsentieren, und
Verarbeiten der die zweite analoge Eingabe repräsentieren den Daten unter Verwendung des zweiten digitalen Signal prozessors zum Ausführen mindestens einer zweiten Funktion während eines vorgegebenen Zeitraums, wobei der zweite digitale Signalprozessor zum Ausführen der zweiten Funktion bei einer zweiten Taktfrequenz arbeitet,
wobei die erste und die zweite Taktfrequenz derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion im vorgegebenen Zeitraum aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums aus führen müßte.
22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die erste und
die zweite Taktfrequenz in etwa gleich sind.
23. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der vorgegebene
Zeitraum ein auf physiologischen Ereignissen beruhender
Zeitraum ist.
24. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die erste und
die zweite analoge Eingabe Herzwahrnehmungssignale sind.
25. Verfahren nach Anspruch 21, welches ferner das Anlegen
einer ersten Versorgungsspannung an den ersten digitaler
Signalprozessor auf der Grundlage der ersten Taktfrequenz
und weiter das Anlegen einer zweiten Versorgungsspannung an
den zweiten digitalen Signalprozessor auf der Grundlage der
zweiten Taktfrequenz beinhaltet.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei welchem die erste und
die zweite Taktfrequenz in etwa gleich sind und ferner die
erste und die zweite Versorgungsspannung in etwa gleich
sind.
27. Verfahren nach Anspruch 21, welches ferner die Schritte
des Bereitstellens von einem oder mehreren zusätzlichen
digitalen Signalprozessoren beinhaltet, wobei jeder
zusätzliche digitale Signalprozessor dem Empfang von Daten
dient, die mindestens eine analoge Eingabe repräsentieren.
28. Verfahren nach Anspruch 27, welches ferner den Schritt
des Verarbeitens der das mindestens eine analoge Signal
repräsentierenden Daten unter Verwendung des zusätzlichen
digitalen Signalprozessors bei einer zusätzlichen
Taktfrequenz zum Ausführen mindestens einer zusätzlichen
Funktion während des vorgegebenen Zeitraums beinhaltet.
29. Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem mindestens eine
von der ersten und der zweiten Funktion aus der aus einer
Mitnahmeerfassung, einer R-Zacken-Erfassung, einer P-
Zacken-Erfassung, einer T-Zacken-Erfassung, einer Erfassung
einer elektromagnetischen Störung, einer Sauer
stoffsättigungsbestimmung, einer Druckbestimmung, einer
Sensor-Herzkontraktionsbestimmung, einer Herzströmungs
bestimmung, eines Telemetrieempfangs und einer Telemetrie
übertragung bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 21, welches weiter den Schritt
des Bereitstellens einer luftdicht abgeschlossenen implan
tierbaren medizinischen Vorrichtung beinhaltet.
31. Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem der Schritt des
Bereitstellens der implantierbaren medizinischen
Vorrichtung weiter den Schritt des Bereitstellens einer
implantierbaren medizinischen Vorrichtung beinhaltet, die
aus der aus einem implantierbaren Stimulator, einem
implantierbaren Nervenstimulator, einem implantierbaren
Schrittmacher, einem IPG, einem implantierbaren Kardio
verter, einem implantierbaren PCD, einem implantierbaren
Defibrillator, einem implantierbaren ICD und einer implan
tierbaren Medikamentenpumpe bestehenden Gruppe ausgewählt
wird.
32. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die Schritte
des Bereitstellens des ersten und des zweiten digitalen
Verarbeitungssystems weiter die Schritte des Bereitstellens
einer Schaltungsanordnung für mindestens eines von dem
ersten und dem zweiten digitalen Verarbeitungssystem von
einem Typ, der aus der aus CMOS-Schaltungen, CML-
Schaltungen, SOS-Schaltungen, SOI-Schaltungen, BICMOS-
Schaltungen und NMOS-Schaltungen bestehenden Gruppe
ausgewählt wird, beinhalten.
33. Verfahren zum Sparen von elektrischer Leistung bei
einer medizinischen Vorrichtung mit den Schritten:
Bereitstellen eines ersten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine erste analoge Eingabe repräsentieren,
Anlegen einer ersten Versorgungsspannung an den ersten digitalen Signalprozessor zum Verarbeiten der mindestens die erste analoge Eingabe repräsentierenden Daten, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen,
Bereitstellen eines zweiten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine zweite analoge Eingabe repräsentieren, und
Anlegen einer zweiten Versorgungsspannung an den zweiten digitalen Signalprozessor zum Verarbeiten der mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentierenden Daten, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen,
wobei die erste und die zweite Versorgungsspannung derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums ausführen müßte.
Bereitstellen eines ersten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine erste analoge Eingabe repräsentieren,
Anlegen einer ersten Versorgungsspannung an den ersten digitalen Signalprozessor zum Verarbeiten der mindestens die erste analoge Eingabe repräsentierenden Daten, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen,
Bereitstellen eines zweiten digitalen Signalprozessors der medizinischen Vorrichtung, der Daten empfängt, die minde stens eine zweite analoge Eingabe repräsentieren, und
Anlegen einer zweiten Versorgungsspannung an den zweiten digitalen Signalprozessor zum Verarbeiten der mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentierenden Daten, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen,
wobei die erste und die zweite Versorgungsspannung derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten Funktion aufgenommene Leistung geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums ausführen müßte.
34. Verfahren nach Anspruch 33, welches ferner das
Betreiben des ersten und des zweiten digitalen
Signalprozessors bei einer ersten bzw. einer zweiten
Taktfrequenz, um den Betrieb des ersten und des zweiten
digitalen Signalprozessors während des Ausführens der
ersten bzw. der zweiten Funktion zu steuern, beinhaltet,
und ferner die erste und die zweite Taktfrequenz weiter
derart sind, daß die vom ersten und vom zweiten digitalen
Signalprozessor beim Ausführen der ersten und der zweiten
Funktion im vorgegebenen Zeitraum aufgenommene Leistung
geringer ist als die Leistung, die aufgenommen werden
würde, falls nur einer von dem ersten und dem zweiten
digitalen Signalprozessor sowohl die erste als auch die
zweite Funktion innerhalb des vorgegebenen Zeitraums aus
führen müßte.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33, bei welcher der Pegel der
ersten und der zweiten Versorgungsspannung auf der ersten
bzw. der zweiten Taktfrequenz beruht.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, bei welcher die erste
Taktfrequenz in etwa der zweiten Taktfrequenz gleicht und
ferner die erste Versorgungsspannung weiter in etwa der
zweiten Versorgungsspannung gleicht.
37. Vorrichtung nach Anspruch 33, bei welcher wenigstens
eine von der ersten und der zweiten Funktion aus der aus
einer Mitnahmeerfassung, einer R-Zacken-Erfassung, einer P-
Zacken-Erfassung, einer T-Zacken-Erfassung, einer Erfassung
einer elektromagnetischen Störung, einer
Sauerstoffsättigungsbestimmung, einer Druckbestimmung,
einer Sensor-Herzkontraktionsbestimmung, einer Herz
strömungsbestimmung, eines Telemetrieempfangs und einer
Telemetrieübertragung bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 33, welche eine luftdicht
abgeschlossene implantierbare medizinische Vorrichtung ist.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, bei welcher die
implantierbare medizinische Vorrichtung aus der aus einem
implantierbaren Stimulator, einem implantierbaren
Nervenstimulator, einem implantierbaren Schrittmacher,
einem IPG, einem implantierbaren Kardioverter, einem
implantierbaren PCD, einem implantierbaren Defibrillator,
einem implantierbaren ICD und einer implantierbaren Medika
mentenpumpe bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 33, bei welcher mindestens
eines von dem ersten und dem zweiten digitalen
Verarbeitungssystem Schaltungen eines Typs aufweist, der
aus der aus CMOS-Schaltungen, CML-Schaltungen, SOS-
Schaltungen, SOI-Schaltungen, BICMOS-Schaltungen, PMOS-
Schaltungen und NMOS-Schaltungen bestehenden Gruppe ausge
wählt ist.
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