DE69817022T2 - In lebenden Gewebe Implantierbare hintereinandergeschaltete Sensoren und Stimulatoren - Google Patents
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Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf implantierbare medizinische Vorrichtungen, und insbesondere auf sehr kleine implantierbare Sensoren und/oder Stimulatoren, die in einer Priortätsverkettung mit lediglich zwei Leitern in Serie geschaltet werden können. Wichtige Aspekte der Erfindung beziehen sich auf Niedrigstleistungs-Gleichrichterschaltungen, Leitungsschnittstellenschaltungen und Strom-Frequenz-Wandlerschaltungen, die Teil einer jeden implantierbaren Sensor/Stimulator-Prioritätsverkettung sind, wobei die Schaltungen das Versorgen und Bedienen des implantierbaren Sensors/Stimulators erleichtert, der über lediglich zwei Leiter verfügt, die mit allen anderen Sensoren/Stimulatoren der Prioritätsverkettung geteilt werden.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Auf dem Gebiet der implantierbaren medizinischen Vorrichtungen wird eine medizinische Vorrichtung, die zur Ausübung einer gewünschten medizinischen Funktion ausgebildet ist, in das lebende Gewebe eines Patienten implantiert, so dass eine gewünschte Funktion, wie für das Wohl des Patienten notwendig, ausgeübt werden kann. Auf diesem Gebiet sind zahlreiche Beispiele für implantierbare medizinische Vorrichtungen bekannt, die von implantierbaren Schrittmachern, Cochlear-Stimulatoren, Muskelstimulatoren bis zu Glukosesensoren und dergleichen reichen.
- Viele implantierbare medizinische Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie nur die Stimulationsfunktion ausführen, d. h. auf Befehl ein vorbestimmtes Muskelgewebe stimulieren, um eine Kontraktion der Muskeln zu bewirken. Ein Beispiel für einen kleinen implantierbaren Stimulator ist z. B. in der US-A-5.324.316 oder der US-A-5.358.514 angeführt.
- Andere implantierbare medizinische Vorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie lediglich die Abfühl-Funktion erfüllen, d. h. einen speziellen Parameter abfühlen, wie z. B. die Menge einer spezifizierten Substanz im Blut oder im Gewebe des Patienten, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das auf die Menge oder die Konzentration der abgefühlten Substanz hinweist. Ein derartiges elektrisches Signal wird anschließend mit einem geeigneten Steuerungselement gekoppelt, das implantiert sein kann oder nicht und auf die abgefühlte Information auf eine Art und Weise reagiert, die der medizinischen Vorrichtung ein Ausüben ihrer vorbestimmten Funktion ermöglicht, wie z. B. das Anzeigen und/oder Aufzeichnen des Messwerts der abgefühlten Substanz. Ein Beispiel für eine implantierbare medizinische Vorrichtung, die die Abfühlfunktion ausübt, ist z. B. in der US-A-4.671.288 angeführt.
- Weitere implantierbare medizinische Vorrichtungen sind ausgebildet, um sowohl die Abfühl- als auch die Stimulationsfunktion auszuüben. In diesem Fall umfassen die medizinischen Vorrichtungen üblicherweise separate Abfühl-, Stimulations- und Steuerungsschaltungen. Die Abfühlschaltung misst, ob ein bestimmter Parameter oder eine bestimmte Substanz vorhanden ist oder nicht. Die Steuerungschaltung analysiert die vom Sensor gefühlte Information und bestimmt, ob ein Stimulations-Stromimpuls notwendig ist. Wenn ein Stimulations-Stromimpuls erforderlich ist, weist die Steuerungsschaltung die Stimulationsschaltung dazu an, einen spezifizierten Stimulations-Stromimpuls bereitzustellen. Ein klassisches Beispiel für eine implantierbare medizinische Vorrichtung, die sowohl Abfühlfunktion (fühlen, ob und mit welchem Rhythmus das Herz stimuliert werden muss) als auch die Stimulationsfunktion (das Herz wie erforderlich stimulieren, um eine gewünschten Herzrhythmus aufrechtzuerhalten) ausübt, ist ein Herzschrittmacher.
- Nachdem medizinische Vorrichtungen immer hochentwickelter geworden sind, besteht ein kontinuierlicher Bedarf an der Verwendung von mehr als einem Sensor. In manchen Fällen wird z. B. mehr als ein Sensor benötigt, um mehr als eine Substanz oder mehr als einen physiologischen Parameter zu messen. Anderweitig kann mehr als ein Sensor benötigt werden, um dieselbe Substanz oder denselben physiologischen Parameter an unterschiedlichen Stellen im Körper des Patienten zu messen oder abzufühlen. Ähnlich kann auch, je nach involvierter medizinischer Anwendung, der Bedarf bestehen, Muskelgewebe an mehr als einer Stelle im Körper zu stimulieren. Eine Möglichkeit, mehrere Stellen zu stimulieren, ist es, separate Stimulatoren an jeder der gewünschten Stellen zu implantieren und dann das Betreiben der Stimulatoren so zu koordinieren, das das gewünschte Ergebnis erzielt wird (siehe z. B. US-A-5.571.148).
- Immer wenn mehrere Sensoren und/oder mehrere Stimulatoren implantiert werden und zur gemeinsamen Verwendung gedacht sind, um eine gewünschte medizinische Funktion zu erfüllen, besteht Bedarf, diese Vielzahl von getrennten Sensoren/Stimulatoren zu einer einzigen Steuerungsschaltung oder einem gemeinsamen Steuerungspunkt zu schalten oder zu koppeln. Die Steuerungsfunktion wird manchmal außerhalb des Patienten durchgeführt, so dass die Sensoren/Stimulatoren mit einer implantierten Fernmessschaltung oder dergleichen verbunden sind. Alternativ dazu kann eine Fernmessschaltung als Bestandteil in jeden Sensor eingeschlossen sein, der das Senden und Übertragen von Befehlen und Daten zwischen einer externen Steuerungsvorrichtung und dem implantierten Sensor/Stimulator ermöglicht oder anderweitig über das Gewebe/die Haut des Patienten gekoppelt ist. Manchmal wird die Steuerungsfunktion durch eine implantierbare Steuerungsschaltung ausgeübt, die im Allgemeinen direkt mit den implantierten Sensoren/Stimulatoren verbunden ist. Wenn eine implantierte Steuerungsschaltung verwendet wird, schließt diese üblicherweise eine Fernmessschaltung oder dergleichen ein, die das Kommunizieren der implantierten Steuerungsschaltung mit einem externen Programmierer ermöglicht, wodurch die implantierte Steuerungsschaltung programmiert oder durch den externen Programmierer anderweitig modifiziert und/oder überwacht werden kann.
- Wenn eine Vielzahl von Sensoren/Stimulatoren verwendet wird, gibt es mehrere Probleme zu bewältigen. Beispielsweise muss jeder Sensor/Stimulator über eine eigenen Fernmessschaltung oder dergleichen verfügen, wenn nicht jeder der Sensoren/Stimulatoren mit einer gemeinsamen Steuerungs- und/oder Fernmessschaltung verbunden ist, die eine Überwachung und/oder Steuerung ermöglicht. Solche individuellen Fernmess- oder Kommunikationsschaltungen können die implantierten Sensoren/Stimulatoren unnötig komplizierter machen und Größe, Gewicht und/oder Stromverbrauch der Sensoren erhöhen. Benötigt werden relativ einfache Sensoren und Stimulatoren, die an mehreren Stellen im Patienten implantiert werden können, jedoch unabhängig voneinander effizient und wirksam funktionieren.
- Wenn eine Vielzahl von Sensoren/Stimulatoren direkt durch eine Steuerungsschaltung überwacht und/oder kontrolliert werden, muss es eine direkte Verbindung geben, d. h. zumindest einen getrennten Leiter und einen Rückführpfad für jeden Sensor/Stimulator. Ist die Anzahl von Sensoren/Stimulatoren groß, so kann die Zahl der zum Steuern und/oder Überwachen der Sensoren/Stimulatoren benötigten getrennten Leiter unhandlich werden. Die Zahl der Leiter kann besonders groß und schwer zu verwalten sein, wenn jeder Sensor mehr als zwei Leiter braucht, z. B. wenn jeder Sensor eine Vielzahl von Funktionen ausübt, die einen getrennten Ausgangsleiter für jede Funktion zusätzlich zu Leitern, die den Sensor mit Strom versorgen, notwendig machen. Darüber hinaus ist das Ausgangssignal von vielen Sensoren, d. h. das Signal, das eine Messung des zu überwachenden oder abzufühlenden Parameters oder Substanz bereitstellt, üblicherweise ein sehr schwaches analoges Signal, das ohne Verstärkung oder Pufferung nicht über sehr große Distanzen übertragen werden kann. Das bedeutet, dass derartige schwache Signale leicht gestört werden können, v. a. wenn die Leiter in einer sehr aggressiven Umgebung (d. h. innerhalb lebendem Gewebe, was gleichbedeutend mit dem Eintauchen in Salzwasser ist) angeordnet sind. Schwache Signalpegel ergeben in einer aggressiven Umgebung einen Rauschabstand (S/N, signal-to-noise ratio), der unanehmbar niedrig ist. Ein derartig niedriger Rauschabstand macht wiederum die Verwendung einer Signalverstärkung und/oder spezielle Pufferungsschaltungen notwendig. Diese Signalverstärkung und/oder -pufferung erfordert jedoch zum Nachteil eine zusätzliche Schaltung, wodurch Komplexität, Größe und Gewicht der Vorrichtung erhöht wird und weiters zusätzlicher Betriebsstrom notwendig wird. Es besteht daher eindeutig der Bedarf an Sensoren/Stimulatoren, die problemlos in einer Konfiguration mit einer Vielzahl von Sensoren/Stimulatoren eingesetzt werden kann, jedoch nur eine minimale Anzahl an Leitern benötigt, um die Sensoren/Stimulatoren mit einer Steuerungsschaltung zu verbinden, und worin ein hoher Rauschabstand für Daten- und Befehlssignale aufrecht erhalten werden kann, die zu und von den Sensoren/Stimulatoren übertragen werden.
- Die US-A-5.016.631 offenbart eine implantierbare medizinische Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle zwischen einem Hauptimplantat und einem oder mehreren implantierten Sensormodulen. Die Schnittstelle benötigt nur zwei Leitungen pro Modul. Ein elektronisches Umschaltmittel wird verwendet, um die zwei Leitungen von einer Versorgungsphase, bei der das Sensormodul mit Spannung und Strom versorgt wird, in eine Lesephase umzuwandeln, bei der dieselben Leitungen als Kommunikationsverbindung zwischen dem Sensormodul und dem Hauptimplantat verwendet werden. Sämtliche Sensormodule sind jedoch parallel geschaltet, d. h. jedes Sensormodul ist direkt mit dem Hauptmodul verbunden.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung nimmt sich der obigen sowie weiterer Bedürfnisse an, indem eine implantierbare medizinische Vorrichtung, wie z. B. ein Sensor/Stimulator, bereitgestellt wird, die mit einem Steuerungselement, üblicherweise ein implantierbares Steuerungselement (oder ein implantierbarer Transceiver, der mit einem Fernsteuerungselement kommuniziert), verbunden ist, wobei lediglich zwei Leiter verwendet werden, die sowohl Betriebsstrom als auch Daten (Datenbefehle und/oder gemessene Daten) zwischen der Vorrichtung und der Steuerungsschaltung übertragen. Darüber hinaus kann eine Vielzahl solcher Vorrichtungen unter der Verwendung von lediglich zwei Leitungen miteinander verbunden sein. Das heißt, eine erste Vorrichtung kann mit dem Steuerungselement über lediglich zwei Leiter verbunden sein. Eine andere Vorrichtung kann über dieselben zwei Leiter, die an der ersten Vorrichtung angeschlossen sind, mit der ersten Vorrichtung verbunden sein, wodurch eine Prioritätsverkettung derartiger Vorrichtungen ausgebildet wird. Vorteilhaft ist es, wenn jede Vorrichtung in der Prioritätsverkettung von der Steuerungsschaltung individuell adressierbar ist, und die Art der Datenübertragung zwischen einer gegebenen Vorrichtung und der Steuerungsschaltung gegen Störungen äußerst immun ist, wodurch ein hoher Rauschabstand bereitgestellt wird.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst die Erfindung eine Kette in Serie geschalteter elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 1.
- Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Senden von Strom und Steuerungsdaten an sowie dem Empfangen von Übertragungsdaten von einer Vielzahl von implantierbaren medizinischen Vorrichtungen nach Anspruch 13.
- Es ist von Vorteil, dass durch die Verwendung von zweiphasigen Impulsen auf die oben beschriebene Art die Impulse zweierlei Zwecken dienen:
- (1) die darin enthaltene Energie kann durch eine Gleichrichterschaltung gleichgerichtet werden und zum Versorgen der Vorrichtung verwendet werden, und
- (2) die darin enthaltene Information kann detektiert werden und einen Strom an Eingangs- oder Steuerungsdaten für die Vorrichtung bereitstellen.
- Weiters können die gemessenen oder erzeugten Ausgangsdaten durch eine Vorrichtung auf dieselben ersten und zweiten Leitungsleiter übertragen werden, um einen Eingangsdatenstrom an die Vorrichtung zu senden, indem die amplitudenmodulierten Ausgangsimpulse zwischen die eintreffenden zweiphasigen Impulse verschachtelt werden. Bezeichnenderweise kann, wenn die Abwesenheit eines einphasigen Impulses zum Darstellen eines binären Zustands, z. B. eine binäre „0", sowie ein Ausgangsimpuls mit maximaler Amplitude zum Darstellen eines anderen binären Zustands, z. B. eine binäre „1", verwendet wird, ein hoher Rauschabstand erreicht werden, indem die Ausgangsdaten in einer sehr aggressiven Umgebung über eine minimale Anzahl an Leitern (zwei Leiter) übertragen werden.
- Es ist somit ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, durch das implantierbare Sensoren oder Stimulatoren in einer Prioritätsverkettung miteinander verbunden werden können, bei der nur eine minimale Anzahl an Verbindungsleitern verwendet wird.
- Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, eine Prioritätsverkettung von implantierbaren Sensoren/Stimulatoren-Vorrichtungen bereitzustellen, die durch eine gemeinsame Strom/Daten-Sammelleitung in Serie geschaltet sind, worin jede der Vorrichtungen von einer gemeinsamen Steuerungseinheit adressierbar ist, die durch die gemeinsame Strom/Daten-Sammelleitung mit jeder implantierbaren Vorrichtung verbunden ist.
- Ein anderes Merkmal der Erfindung ist es, individuelle implantierbare Sensoren und/oder Stimulatoren bereitzustellen, die Strom- und Datensignale über eine minimale Anzahl an dazwischen geschalteten Signalleitungen übertragen und/oder empfangen können.
- Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, eine implantierbare Sensor/Stimulator-Vorrichtung bereitzustellen, die einen hermetisch abgedichteten Teil und einen nicht-hermetisch abgedichteten Teil aufweist, wobei elektrische Durchschleifmittel zum Erzeugen elektrischer Verbindungen zwischen dem hermetisch abgedichteten Teil und dem nicht-hermetisch abgedichteten Teil angeordnet sind, und worin der hermetisch abgedichtete Teil elektrische Schaltungen zum Betreiben und Steuern der Vorrichtung umfasst, und worin weiters der nicht hermetisch abgedichtete Teil einen Sensor zum Abfühlen eines Zustands oder einer Substanz, der die Vorrichtung ausgesetzt ist, elektrische Anschlüsse oder Anschlusspunkte zum Verbinden mit verbindenden Leitern und/oder Elektroden einschließt, durch die stimulierende Stromimpulse auf umliegende Gewebe oder Körperflüssigkeiten ausgeübt werden können.
- KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
- Die obigen sowie weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detailliertere Beschreibung in Zusammenhang mit den folgenden Abbildungen deutlicher, worin:
-
1 ein Blockschaltbild ist, der die Vielzahl miteinander über eine Zwei-Leiter-Sammelleitung verbundenen Sensoren/Stimulatoren veranschaulicht, wobei die Zwei-Leiter-Sammelleitung mit einem Steuerungselement verbunden sein kann; -
2 schematisch eine bevorzugte Art veranschaulicht, wie ein Sensor/Stimulator nach der vorliegenden Erfindung mit einem Steuerungselement und anderen Sensoren/Stimulatoren in Serie oder in einer Prioritätsverknüpfung geschaltet sein kann; -
3A eine perspektivische Ansicht, teils in Einzelteilen, eines bevorzugten Sensors/Stimulators darstellt, wie er in der Prioritätsverkettung in2 verwendet wird; -
3B eine seitliche Querschnittsansicht des Sensors/Stimulators aus3A darstellt; -
3C eine Querschnittsansicht des Sensors/Stimulators aus3A von oben darstellt; -
3D eine Querschnittsansicht des Sensors/Stimulators aus3A von vorne darstellt; -
4 eine implantierbare Leitung veranschaulicht, die eine Vielzahl von Sensoren/Stimulatoren aus den3A –3D einschließt; -
5A ein Funktionsübersichtsplan einer einfachen, durch Prioritätsverkettung verknüpfbaren implantierbaren Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, worin ein elektrischer Pfad zum Anbringen zusätzlicher Vorrichtungen durch einen hermetisch abgedichteten Abschnitt der implantierbaren Vorrichtung verläuft; -
5B einen Funktionsübersichtsplan wie in5A darstellt, worin der elektrische Pfad zum Anbringen zusätzlicher Vorrichtungen jedoch den hermetisch abgedichteten Abschnitt der implantierbaren Vorrichtung umgeht; -
5C einen Funktionsübersichtsplan wie in5A darstellt, worin jedoch zusätzliche Schaltungsvorrichtungen bereitgestellt sind, so dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren und ein Stimulator innerhalb der durch Prioritätsverkettung verknüpfbaren implantierbaren Vorrichtung eingeschlossen werden können; -
6 ein Zeitsteuerungsdiagramm ist, das Eingangs- und Ausgangsdaten veranschaulicht, die an eine durch Prioritätsverkettung verknüpfbare Vorrichtung, wie sie in den5A ,5B oder5C gezeigt wird, gesendet sowie von dieser empfangen werden; -
7 einen Datenrahmen veranschaulicht, der für die Kommunikation mit der implantierbaren Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wenn sie in einer Prioritätsverkettung geschaltet ist; -
8 ein Zeitsteuerungsdiagramm darstellt, das Zeitmultiplex-Eingangs- und – Ausgangsdaten innerhalb eines Datenrahmens veranschaulicht, wie er auf der Zwei-Leiter-Sammelleitung vorkommt, die eine Vielzahl von durch Prioritätsverkettung verknüpfbaren Vorrichtungen wie in den5A ,5B oder5C verbindet; und -
9 ein repräsentatives schematisches Diagramm einer typischen Leitungsschnittstellenschaltung zeigt, die als Teil von durch Prioritätsverkettung verknüpfbaren implantierbaren Vorrichtungen, wie sie in den5A ,5B oder5C veranschaulicht sind, verwendet werden kann. - Übereinstimmende Bezugszeichen weisen auf in den unterschiedlichen Ansichten der Abbildungen übereinstimmende Komponenten hin.
- DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die folgende Beschreibung stellt die Ausführungsform dar, die derzeit als beste Umsetzungsform der Erfindung erachtet wird. Die Beschreibung ist nicht eingrenzend zu verstehen, sondern dient rein dem Zweck der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung. Der Schutzumfang der Erfindung sollte mit Verweis auf die Ansprüche bestimmt werden.
- Bezugnehmend auf
1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, der eine Vielzahl von Sensoren/Stimulatoren12a ,12b , ...12n oder andere implantierbare Vorrichtungen, die miteinander verbunden sind, sowie ein Steuerungselement (nicht dargestellt) veranschaulicht, das lediglich zwei gemeinsame Leiter14 und16 aufweist. Die zwei Leiter14 und16 stellen einen gemeinsamen Signal- und Rückführleiter für Datensignale und Stromsignale bereit, die vom Steuerungselement an die Vorrichtungen12a ,12b ...12n gesendet werden, sowie einen gemeinsamen Signal- und Rückführpfad für Datensignale, die von den Vorrichtungen12a ,12b ...12n an das Steuerungselement übertragen werden. -
2 veranschaulicht schematisch, wie eine implantierbare Vorrichtung, z. B. ein Sensor/Stimulator18a , gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Fernsteuerungselement20 und anderen implantierbaren Vorrichtungen18b , ...18n in Serie oder in einer Prioritätsverkettung geschaltet sein kann. Wie in2 ersichtlich wird, ist die Vorrichtung18a durch zwei Leiter14' und16' mit dem Steuerungselement20 verbunden, die an einem ersten Paar von Anschlusspunkten oder Anschlüssen13 und15 entlang einer proximalen (d. h. der dem Steuerungselement20 am nächsten liegenden) Seite der Vorrichtung18a angebracht sind. Ein weiteres Paar von Anschlusspunkten oder Anschlüssen17 und19 ist entlang einer distalen Seite (d. h. der vom Steuerungselement20 am weitesten entfernten Seite) der Vorrichtung18a angeordnet. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich wird, ist der distale Anschlusspunkt17 durch die Schaltung21 , die auf der Vorrichtung18a angeordnet ist, elektrisch mit dem proximalen Anschlusspunkt13 verbunden. Auf ähnliche Art ist der distale Anschlusspunkt19 durch die Schaltung21 , die innerhalb der Vorrichtung18a eingeschlossen ist, mit dem proximalen Anschlusspunkt15 elektrisch verbunden. Zwei zusätzliche Leiter14'' und16'' werden nun verwendet, um die distalen Anschlusspunkte17 und19 der Vorrichtung18a mit den zugehörigen proximalen Anschlusspunkten13' und15' der nächsten Vorrichtung18b in der Prioritätsverkettung zu verknüpfen. Auf diese Weise können so viele Vorrichtungen wie erwünscht durch lediglich zwei Leiter mit dem Steuerungselement20 in Serie geschaltet werden. - Es ist festzustellen, dass die
1 funktionell und elektrisch mit der2 übereinstimmt.2 verwendet einfach proximale und distale Paare von Anschlusspunkten oder Anschlüssen, um die Verbindung zusätzlicher Vorrichtungen mit der Kette zu ermöglichen, indem zwei Leiter von den distalen Anschlusspunkten17 und19 einer nächstgelegenen Vorrichtung in der Kette zu den proximalen Anschlusspunkten13' und15' einer neuen zur Kette hinzugefügten Vorrichtung verlängert werden. Wenn es die jeweilige Anwendung jedoch erlaubt, Verbindungen von den zwei Hauptleitern14 und16 weg auszubilden oder abzuleiten, kann die Konfiguration aus1 genauso gut verwendet werden, die die Konfiguration aus2 . - Es gibt viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für die in den
1 und2 dargestellten, durch Prioritätsverkettung verbindbaren Sensoren/Stimulatoren12 oder18 der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen sind die Sensoren/Stimulatoren12 oder18 , wenn sie implantiert werden, so gestaltet, dass sie einen oder mehrere Körperparameter oder in Körpergewebe oder -flüssigkeiten vorhandene Substanzen, wie Glukosegehalt, Blut-pH, O2, Temperatur oder dergleichen, messen. Derartige Messungen können wertvolle Information bezüglich des Zustands und Status des Patienten geben. Daher ist es oft erwünscht, mehr als eine Messung innerhalb desselben allgemeinen Körpergewebebereichs zu machen, so dass ein Durchschnitt oder Mittelwert der so durchgeführten Messungen berechnet werden kann, oder anderweitig eine Übereinstimmung aus mehreren unterschiedlichen Messer gebnissen erzielt werden kann, wodurch eine bessere Sicherstellung von Genauigkeit und Verläßlichkeit der so gesammelten Daten ermöglicht werden kann. - Manchmal kann es auch erwünscht sein, mehrere Messwerte einer gegebenen Substanz an körperlich zusammenhängenden, jedoch unterschiedlichen Stellen im Körper zu bestimmen. Bei manchen Anwendungen, wie z. B. einem geschlossenen Glukose-Infusionssystem, könnte es von Vorteil sein, einen Glukosemesswert innerhalb des Blutstroms und einen anderen Glukosemesswert innerhalb des Körpergewebes nahe dem Blutstrom zu bestimmen. Der Grund dafür liegt darin, dass die Zeitkonstante, die mit der Geschwindigkeit, mit der sich der eine Glukosewert im Verhältnis zum anderen Glukosewert verändert, unterschiedlich sein kann (und in der Tat normalerweise auch unterschiedlich ist), und die Möglichkeit, diesen Unterschied zu bestimmen oder zu überwachen, würde wertvolle Information in Bezug auf die Regulierung der Glukoseinfusion bereitstellen.
- Bezugnehmend auf die
3A ,3B ,3C und3D ist eine Perspektive in Einzelteilen (3A ), eine Seitenansicht (3B ), eine Draufsicht (3C ) bzw. eine Stirn-Ansicht (3D ) einer typischen implantierbaren Sensorvorrichtung30 dargestellt, die sich für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignet. Wie in der3A am besten ersichtlich ist, schließt die Sensorvorrichtung üblicherweise einen Träger oder ein Substrat36 ein, auf dem eine integrierte Schaltung38 und andere Komponenten, wie ein Kondensator40 , angebracht sind. Es muss festgestellt werden, dass in manchen Ausführungsformen der Träger oder das Substrat36 eigentlich das Substrat umfassen, auf dem die integrierte Schaltung38 hergestellt ist. Aufgrund der nachfolgenden Erläuterung wird jedoch angenommen, dass ein getrenntes Substrat oder ein getrennter Träger36 verwendet wird, auf dem mehrere Schaltungselemente in Form einer Gabelschaltung befestigt sind. Der Träger oder das Substrat weisen geätzte oder anderweitig ausgebildete Verdrahtungsmuster auf, um die integrierte Schaltung38 , den Kondensator40 und beliebige andere Komponenten in Form einer Gabelschaltung miteinander zu verbinden, die die erwünschte Abfühlfunktion (oder eine erwünschte andere Funktion) ausführt. - Sämtliche Komponenten der Gabelschaltung sind innerhalb eines Hohlraums, der durch einen Deckel oder eine Abdeckung
42 geformt wird und auf das Substrat36 geklebt ist, hermetisch abgedichtet. Proximale Anschlusspunkte oder Anschlüsse13 und15 sowie distale Anschlusspunkte oder Anschlüsse17 und19 verbleiben außerhalb des hermetisch abgedichteten Teils der Gabelschaltung, der durch die Abdeckung42 ausgebildet wird. Diese proximalen und distalen Anschlusspunkte sind jedoch durch geeignete Durchführungsverbindungen elektrisch mit der Schaltung innerhalb des hermetisch abgedichteten Bereichs verbunden. Obwohl für diesen Zweck eine beliebige geeignete Durchführungsverbindung verwendet werden kann, wird die Durchführungsverbindung vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Durchführungsverbindung verwendet wird, die treppenartig durch den Träger oder das Substrat verläuft (einschließlich vertikaler sowie horizontaler Segmente). - Auf dem der elektrischen Gabelschaltung gegenüberliegenden Seite des Trägers oder des Substrats kann ein geeigneter elektrochemischer Sensor
44 oder ein anderer gewünschter Sensor- oder Stimulatortyp ausgebildet oder angebracht sein. Eine Art von elektrochemischem Sensor, die verwendet werden kann, ist z. B. der in der US-A-5.497.772, die hierin mit Verweis beinhaltet ist, und insbesondere in den2A ,2B ,2C ,3 ,4A und4B dieses Patents beschriebene Enzym-Elektrodensensor. Es muss jedoch betont werden, dass die genaue Art des Sensors44 und anderer implantierbarer Elemente, die innerhalb der Vorrichtung30 verwendet werden, für die vorliegende Erfindung nicht entscheidend ist. Was wichtig ist, ist, dass der Sensor oder ein anderes Element implantierbar sind, und dass er die gewünschte Funktion erfüllt, wie z. B. das Abfühlen eines gewissen Substanzparameters, oder das Erzeugen eines gewissen Signals in Reaktion auf ein geeignetes Steuerungssignal oder -signale. - Egal welche Art von Steuerungssignalen) oder Ausgangsignal(en) durch den Sensor
44 oder ein anderes Element erzeugt wird, die Signale können von der der Gabelschaltung zugewandten Seite des Substrats oder Trägers36 (die die Oberseite ist, wenn die Vorrichtung30 wie in den3B oder3D ausgerichtet ist, und welche Oberseite den hermetisch abgedichteten Abschnitt der Vorrichtung umfasst) auf die dem Sensor zugewandte Seite der Vorrichtung30 übertragen werden (die wie in den3B oder3D gezeigt die Unterseite ist), indem geeignete hermetisch abgedichtete Durchführungen angeordnet werden, die stufenweise von der Gabelseite (Oberseite) der Vorrichtung30 durch das Substrat oder den Träger, z. B. wie in der oben zitierten US-A-5.750.926, bis zur Sensorseite (Unterseite) der Vorrichtung30 verlaufen. - Wenn der Sensor z. B. einen Glukosesensor wie er in der US-A-5.497.772 gelehrt wird umfasst, gibt es im Wesentlichen fünf Leiter, die die Hauptelemente (Elektroden) des Sensors elektrisch verbinden, wie in
4A der Patentschrift '772 am besten ersichtlich ist. Wenn ein solcher Glukosesensor verwendet wird, verbinden diese fünf Leiter die elektrische Gabelschaltung, die sich auf der Oberseite des Trägers36 befindet, durch geeignete Durchführungen, die stufenweise hermetisch durch den Träger36 verlaufen, d. h. sowohl mit vertikalen als auch horizontalen Segmenten durch den Träger verlaufen, wie es in der US-A-5.750.926 gelehrt wird. - Es muss betont werden, dass die Erfindung nicht auf die in den
3A –3D dargestellte spezifische Sensor-Konfiguration beschränkt ist. Viel mehr könnte jede beliebige Art an implantierbarer Vorrichtung, ob konfiguriert wie in den3A –3D oder anders, in der Erfindung verwendet werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Art und Weise, wie eine Vielzahl von Sensoren oder andere implantierbare Vorrichtungen ungeachtet ihrer Form oder Konfiguration mit einer minimalen Anzahl an Leitern, z. B. zwei Leiter, wie eine Prioritätsverkettung in Serie geschalten werden können, sowie darauf, wie solche Vorrichtungen mit dem Steuerungselement20 oder einer anderen externen Vorrichtung elektrisch kommunizieren können, so dass jede durch das Steuerungselement individuell adressierbar ist und jede Daten an das Steuerungselement senden kann. - Es ist festzustellen, dass die Konfiguration aus
2 besonders gut geeignet ist, bei der mehrere implantierbare Vorrichtungen durch eine Prioritätsverkettung verbunden werden sollen, um eine einzelne Leitung32 wie in4 auszubilden. Wie in4 ersichtlich ist, sind drei Sensor-artige Vorrichtungen30a ,30b und30c durch Leitungssegmente46a ,46b und46c miteinander verbunden. Jedes der Leitungssegmente46a ,46b und46c verfügt über zwei Leiter14 und16 und kann auf eine beliebige geeignete Weise konstruiert sein, z. B. können die zwei Leiter wie eine Spirale innerhalb der Leitungssegmente gewickelt sein und die Spiralenwicklungen von einer Schicht Silicongummi umhüllt oder bedeckt sein, wie es auf dem Gebiet der Leitungstechnik bekannt ist. (Es ist anzumerken, dass in4 jeder der beiden Leiter14 und16 innerhalb der Leitung32 als ein Leiter angesehen wird, obwohl sie innerhalb der einzelnen Leitungssegmente46a ,46b und46c segmentiert sind, wenn sie sich vom distalen Anschlusspunkt einer Vorrichtung zum proximalen Anschlusspunkt einer anderen Vorrichtung erstrecken). Ein distaler Verschluss34 bedeckt die distalen Anschlusspunkte der End- oder am weitesten entfernten Vorrichtung30c der Leitung32 . - Wie oben erwähnt wurde, ist es festzustellen, dass die Vorrichtung
30 nicht unbedingt einen Träger36 per se verwenden muss, wie in den3A ,3B ,3C ,3D und4 veranschaulicht, worin die Steuerungselektronik auf einer Seite (der Oberseite) des Trägers36 angebracht ist, und der Sensor oder eine andere Vorrichtung, die mit der Elektronik verwendet wird oder durch diese gesteuert wird, auf der anderen Seite (der Unterseite) des Trägers angeordnet ist. Es kann vielmehr ein Keramikstoff oder ein anderes Substrat, auf dem die integrierte Schaltung38 ausgebildet ist, selbst als Träger fungieren. Das heißt, die Wege, die in einem Substrat oder zwischen den verschiedenen Schichten einer integrierten Schaltung bei der Herstellung der integrierten Schaltung ausgebildet werden, können als hermetische Durchführungen dienen, wobei ausgewählte Schichten und Spuren nach Bedarf mit Aluminiumoxid oder anderen Oxidbeschichtungen überzogen sein können, um die geeigneten Bereiche oder Abschnitte der integrierten Schaltung abzudichten, so dass die beschichtete integrierte Schaltung selbst implantiert werden kann. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Sensor oder ein anderes implantierbares Element44 , das zusammen mit der integrierten Schaltung verwendet oder von dieser gesteuert wird, auf der Rückseite des Substrats der integrierten Schaltung ausgebildet sein. Somit wird kein Träger per se benötigt, da das Substrat der integrierten Schaltung als Träger dient. - Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Schaltung, die innerhalb oder als Teil des oben als „Gabelschaltungsabschnitt" bezeichneten Bereichs der implantierbaren Vorrichtung
30 enthalten ist. Der Zweck dieser elektrischen Schaltung ist es, eine Verbindung der implantierbaren Vorrichtung30 durch eine Prioritätsverkettung mit anderen ähnlichen implantierbaren Vorrichtungen zu ermöglichen, und dennoch eine individuelle Adressierbarkeit jeder einzelnen Vorrichtung zuzulassen, die von einem einzigen Steuerungselement20 kontrolliert und überwacht werden. Diese elektrische Schaltung, die im Nachfolgenden häufig als Schnittstellen/Steuerungsschaltung bezeichnet wird, wird in den3A ,3B ,3C ,3D und4 so dargestellt, dass sie auf der „Oberseite" des Trägers36 , überwiegend unter dem Verschluss42 in einem hermetisch abgedichteten Abschnitt der Vorrichtung30 , angebracht ist. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Position der Schnittstellen/Steuerungsschaltung innerhalb der Vorrichtung30 nicht entscheidend ist, solange sie geeignet hermetisch abgedichtet ist. - Die Steuerungs/Schnittstellenschaltung kann auf zahlreiche unterschiedliche Arten ausgebildet sein. Die unten erläuterten
5A ,5B und5C zeigen drei dieser Varianten. Bezugnehmend auf5A ist z. B. ein Funktionsblockschaltbild einer grundlegenden Konfiguration der Steuerungs/Schnittstellenschaltung50 dargestellt, die mit einem einzelnen Sensor52 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die strichlierte Linie54 repräsentiert eine hermetische Dichtung, die die Schaltung50 und den gesamten Sensor52 bis auf einen Abschnitt hermetisch abdichtet. (Im Allgemeinen wird bei der Verwendung eines Sensors zumindest ein Abschnitt des Sensors, z. B. eine Elektrode, in Kontakt mit dem Gewebe und den Körperflüssigkeiten belassen, in die die Vorrichtung30 implantiert wird, so dass der Sensor seine jeweilige Funktion, einen in Gewebe und/oder Körperflüssigkeiten vorhandenen Parameter oder ein Element zu messen, erfüllen kann). Die Eingangsanschlusspunkte13 und15 sowie die Ausgangsanschlusspunkte17 und19 sind nicht hermetisch abgedichtet, wodurch sich diese Anschlusspunkte einfach mit den beiden Leitern14 und16 (1 ) des Steuerungselements20 verbinden lassen. - Wie in der
5A ersichtlich ist, sind die Anschlusspunkte13 und15 mit zugehörigen Leiterbahnen mit der Bezeichnung LEITUNG1 (EINGANG) und LEITUNG2 (EINGANG) verbunden, und jede dieser Leiterbahnen erstreckt sich durch zugehörige Durchführungen53 und55 in den hermetisch abgedichteten Abschnitt der Schaltung50 . Anschlusspunkte17 und19 auf der anderen Seite der Schaltung sind ebenso mit zugehörigen Leitungsspuren mit der Bezeichnung LEITUNG1 (AUSGANG) und LEITUNG2 (AUSGANG) verbunden, und jede dieser Leitungsspuren erstreckt sich durch zugehörige Durchführungen57 und59 in den hermetisch abgedichteten Abschnitt54 der Schaltung50 . Innerhalb des hermetisch abgedichteten Abschnitts ist die LEITUNG1 (EINGANG) über die Leiterbahn56 mit der LEITUNG1 (AUSGANG) und die LEITUNG2 (EINGANG) über die Leiterbahn58 mit der LEITUNG2 (AUSGANG) verbunden. Dadurch ist der Anschlusspunkt13 über die Spur56 , die durch den zwischen den Durchführungen53 und57 liegenden hermetisch abgedichteten Abschnitt54 verläuft, mit dem Anschlusspunkt17 verbunden. Diese Verbindung zwischen Anschlusspunkt13 , Bahn56 und Anschlusspunkt57 kann einfach als LEITUNG1 bezeichnet werden. Auf ähnliche Art ist der Anschlusspunkt15 über die Bahn58 elektrisch mit dem Anschlusspunkt19 verbunden, wobei die Spur ebenfalls durch den zwischen den Durchführungen55 und59 liegenden hermetisch abgedichteten Bereich54 verläuft. Diese Verbindung kann einfach als LEITUNG2 bezeichnet werden. - Wie in
5A ersichtlich ist, ist zwischen der LEITUNG1 und der LEITUNG2 eine Leistungsgleichrichtungsschaltung geschaltet. Diese Schaltung extrahiert und demoduliert jeden Signalimpuls, der auf der LEITUNG1 und der LEITUNG2 auftritt, und erzeugt eine Betriebsspannung, +V und –V, zum Versorgen der Schaltung50 . Das Gleichrichten ist angesichts der schwachen Signale, die im Allgemeinen auf der LEITUNG1 und der LEITUNG2 auftreten und normalerweise unter dem Spannungsabfall einer herkömmlichen Siliziumdiode von 0,6–0,8 liegen, keine einfache Aufgabe. - Zwischen der LEITUNG
1 und der LEITUNG2 ist auch eine Leitungsschnittstellenschaltung62 geschaltet. Die Schaltung62 dient als Schnittstelle zwischen der Schaltung50 , der LEITUNG1 und der LEITUNG2 . Dafür empfängt die Schnittstellenschaltung50 hereinkommende Datenimpulse auf LEITUNG1 /LEITUNG2 und erzeugt daraus ein DATEN-EINGANG-Signal auf Leitung64 . Die Schnittstellenschaltung62 erzeugt zudem ein Taktsignal (CLK) auf der Leitung66 , das mit den hereinkommenden Datensignalen synchronisiert wird. Die Schnittstellenschaltung50 empfängt auch digitale Ausgangsdaten, DATEN-AUSGANG, von einem Zähler68 , und wandelt diese Ausgangsdaten in ein geeignetes Format um, bevor die Ausgangsdaten wieder an die LEITUNG1 /LEITUNG2 abgegeben werden. Ein Typ an Leitungsschnittstellenschaltung62 , der in der Schaltung50 verwendet werden kann, ist im schematischen Diagramm der9 veranschaulicht und wird untenstehend in Verbindung mit dieser erläutert. - Immer noch bezugnehmend auf
5A kann als Sensor52 ein beliebiger geeigneter implantierbarer Sensor eingesetzt werden, der für das Abfühlen eines gewünschten Zustands, Parameters oder Substanz ausgebildet ist, welche im implantierbaren Gewebe, in das die Vorrichtung30 implantiert wird, vorhanden sind (oder nicht vorhanden sind. Der Sensor52 kann z. B. einen Glukosesensor umfassen, der auf der Leitung69 einen analogen Ausgangsstrom1 erzeugt, dessen Größenordnung als Funktion des gemessenen Glukose-Gehalts variiert. - Aus praktischen Gründen erzeugt der Sensor
52 , egal was für eine Art von Sensor verwendet wird, normalerweise entweder eine analoge Ausgangsspannung oder einen analogen Ausgangsstrom als Funktion der Konzentration, Größenordnung, Zusammensetzung oder eines anderen Attributs des zu messenden Parameters. Analogstrom oder Analogspannung können dann mittels einer geeigneten Wandlerschaltung70 in ein Frequenzsignal auf der Leitung72 umgewandelt werden. Das Frequenzsignal auf Leitung72 umfasst typischerweise eine Abfolge von Impulsen mit einer Frequenz (oder Wiederholungsrate), die als Funktion der Eingangsspannung oder des Eingangsstroms variiert. In5A wird z. B. angenommen, dass der Sensor52 einen Ausgangsstrom1 erzeugt, und die Wandlerschaltung70 eine Strom-Frequenz-Wandlerschaltung (I/F) umfasst, die auf der Leitung72 eine Abfolge von Ausgangsimpulsen erzeugt, deren Frequenz variiert, wenn sich die Größenordnung des Stroms1 ändert. (Natürlich wäre es für den Sensor genauso möglich, eine Ausgangsspannung V zu erzeugen und eine Wandlerschaltung70 mit einer Spannung-Frequenz-Wandlerschaltung aufzuweisen, die auf der Leitung72 eine Abfolge von Ausgangsimpulsen erzeugt, deren Frequenz variiert, wenn sich die Größenordnung der Spannung ändert). - Wenn eine Impulsabfolge
72 , oder ein anderes Wechselstromsignal, mit einer Frequenz erzeugt wird, die sich als Funktion des durch den Sensor52 gemessenen Parameters verändert, wird dieses Signal an einen Zähler68 angelegt. (Es ist zu beachten, dass ein Signal, das auf einer Signalleitung mit einem gegebenen Bezugszeichen auftritt, in dieser Anwendung als Abkürzung als Signal mit diesem gegebenen Bezugszeichen bezeichnet werden kann, d. h. das Signal auf der Signalleitung72 kann einfach als „Signal72'' bezeichnet werden). Der Zähler zählt die Anzahl der Impulse, die im Signal72 in einer bestimmten Zeitspanne auftreten, wodurch ein Maß für die Frequenz des Signals72 bereitgestellt wird. Wenn das Signal72 z. B. ein Signal mit 100 Impulsen pro Sekunde (pps) umfasst, und der Zähler68 so eingestellt ist, dass er die Impulse über eine Zeitspanne oder ein Zeitmessfenster von einer Sekunde zählt, wird der Zähler68 unter der Annahme, dass am Beginn des Messzeitraums auf null zurückgestellt wird, am Ende des Messzeitraums einen darin gespeicherten Zählerstand von 100 aufweisen. Wenn die Frequenz des Signal72 steigt, z. B. auf 120 pps, dann sollte sich der Zählerstand im Zähler am Ende des Messzeitraums auf 120 erhöhen. Wenn das Frequenzsignal72 sinkt, z. B. auf 80 pps, dann sollte sich der Zählerstand im Zähler am Ende des Messzeitraums auf 80 verringern. Durch das Zurücksetzen des Zählers68 zu Beginn jedes Messzeitraums, stellt der Zählerstand des Zählers am Ende des Messzeitraums ein Signal bereit, das repräsentativ für die Frequenz des Signals72 ist. Ein solches Zählsignal kann daher, für die in5A dargestellte grundlegende Ausführungsform, als das Ausgangsdatensignal DATEN-AUSGANG dienen, das über die Signalleitung74 an die Leitungsschnittstellenschaltung62 gesendet wird. - Die Steuerung des Zählers
68 , d. h. das Zurücksetzen des Zählers und/oder Stoppen des Zählers nach einem vorbestimmten Messzeitraum, erfolgt durch die Steuerlogik76 . In einer einfachen Ausführungsform kann der Messzeitraum eine fixe Zeitspanne umfassen. In anderen Ausführungsformen kann der Messzeitraum von den von der Leitungsschnittstellenschaltung62 über die Signalleitung64 empfangenen Eingangsdaten festgesetzt werden. Das Taktsignal66 kann als ein Maß für die verstrichene Zeit sein, sowie das Senden des DATEN-AUSGANG-Signals74 vom Zähler68 an die Leitungsschnittstellenschaltung62 koordinieren. - Je nach Bedarf erzeugt ein Spannungsgeneratorkreis
78 eine Referenzspannung VREF sowie ein Ansteuersignal VBIAS, auf die die Strom-Frequenz-Wandlerschaltung70 (I/F) zurückgreift, wenn sie ihre Funktion ausübt und das Analogstromsignal69 in ein Frequenzsignal72 umwandelt. - Bezugnehmend auf
5B ist ein Funktionsblockschaltbild einer alternativen implantierbaren Vorrichtung50' dargestellt. Die Vorrichtung50' stimmt größtenteils mit der Vorrichtung50 aus5A überein oder ist dieser ähnlich. Das heißt, die Vorrichtung schließt einen hermetisch abgedichteten Abschnitt54' ein, worin gewünschte elektronische Schaltungsanordnungen, einschließlich einer Leistungsgleichrichterschaltung60' und einer Leitungsschnittstellenschaltung62' , untergebracht sind. Weitere Schaltungen, die allgemein als Block80 dargestellt sind, sind mit der Leitungsschnittstellenschaltung62' gekoppelt. Diese Schaltungen80 können z. B. einen Strom-Frequenz-Wandler, einen Sensor, einen Stimulator, einen Zähler, einen Mikroprozessor und/oder andere Schaltungen nach Bedarf einschließen, um eine gewünschte Stimulations- oder Abfühlfunktion zu steuern und auszuführen. - Wie die Vorrichtung
50 aus5A schließt die Vorrichtung50' aus5B ein Paar Durchführungsanschlüsse53' und55' ein, durch die eine LEITUNG-1- und eine LEITUNG-2-Verbindung zwischen externen (nicht hermetisch abgedichteten) Eingangsanschlusspunkte13' bzw.15' und der hermetisch abgedichteten Leistungsgleichrichterschaltung60' sowie der Leitungsschnittstellenschaltung62' ausgebildet werden kann. Anders als die Vorrichtung50 aus5A schließt die Vorrichtung50' aus5B Ausgangsanschlusspunkte17' und19' für LEITUNG1 und LEITUNG2 ein, die jeweils direkt mit den Eingangsanschlusspunkten13' und15' verbunden sind, ohne dass die Verbindung durch den hermetisch abgedichteten Abschnitt54' der Vorrichtung verläuft. Die Konfiguration der in5B veranschaulichten Vorrichtung eignet sich als solches besser für Anwendungen, bei denen Sensor/Stimulatorvorrichtungen in der Prioritätsverkettung nicht in Serie oder wie in einer Leitung angeordnet sein müssen (wie z. B. durch die Vorrichtungen18a ,18b ...18n in3 nahegelegt), sondern worin jede Vorrichtung50' der Kette ausgefächert und an unterschiedlichen Stellen relativ zu den anderen Vorrichtungen der Kette angeordnet oder positioniert sein kann. - Bezugnehmend auf
5C ist ein Funktionsblockschaltbild einer Sensor-Stimulator-Vorrichtung50'' dargestellt. Die Vorrichtung50'' ist in vielerlei Hinsicht der Vorrichtung50 aus5A ähnlich, schließt jedoch, wie aus der5C hervorgeht, zusätzliche Schaltungsfunktionen ein, die die Bereitstellung einer Vielzahl von unterschiedlichen Sensor- und/oder Stimulatorfunktionen ermöglichen. Mit Ausnahme der stimulierenden Elektroden82 und83 sowie die Abschnitte eines oder mehrerer des Sensoren53a ,53b ,53c ...53n sind sämtliche in5C gezeigten Elemente in einem hermetisch abgedichteten Abschnitt der Vorrichtung50'' eingeschlossen. - Ähnlich der Vorrichtung
50 aus5A umfasst die Vorrichtung50'' aus5C eine Leistungsgleichrichterschaltung60'' und eine Leitungsschnittstellenschaltung62'' , die beide mit den LEITUNG1 und LEITUNG2 Eingangs/Ausgangsleitern verbunden sind. Diese LEITUNG-1- und LEITUNG-2-Leiter sind durch geeignete Durchführungslemente (nicht dargestellt) mit geeigneten Anschlusspunkten verbunden (ebenfalls in5C nicht dargestellt, die jedoch gleich oder ähnlich sind wie die Eingangs/Ausgangspunkte13 ,15 ,17 und19 in5A oder Eingangs/Ausgangspunkte13' ,15' ,17' oder19' in5B ). Die Leistungsgleichrichterschaltung60'' und die Leitungschnittstellenschaltung62'' dienen derselben Funktion wie die oben beschriebene oder in Verbindung mit5A erwähnte Leistungsgleichrichterschaltung60 und Leitungsschnittstellenschaltung62 , und können auch gleich oder ähnlich wie diese gestaltet sein. Gleich wie oder ähnlich der Vorrichtung50 aus5A kann die Vorrichtung50'' aus5C auch einen Spannungsgeneratorkreis78'' beinhalten, der ein VREF- und ein VBIAS-Signal erzeugt, die von verschiedenen anderen Schaltungen in der Vorrichtung50'' genutzt werden. - Anders als die einfache Vorrichtung
50 aus5A , die einen einzelnen Sensor52 einschließt, umfasst die Vorrichtung50'' aus5C eine Vielzahl von Sensoren53a ,53b ,53c ,53d ...53n . Jeder dieser Sensoren kann so konfiguriert sein, dass er einen unterschiedlichen Parameter oder eine unterschiedliche Substanz misst, oder es können alle so gestaltet sein, dass sie denselben Parameter oder dieselbe Substanz messen. Als Alternative kann eine erste Gruppe von Sensoren, z. B. die Sensoren53a und53b , so ausgebildet sein, dass sie denselben Parameter oder dieselbe Substanz messen; während eine zweite Gruppe von Sensoren, z. B. die Sensoren53c ,53d ...53n , so konfiguriert sein können, dass sie noch einen zusätzlichen Parameter oder eine zusätzliche Substanz messen. Die Sensoren53a und53b können z. B. Dehnungsmessstreifen umfassen, die die Bewegung des Gewebes messen, in das sie implantiert werden. Die Sensoren53c ,53d ...53n können Glukosesensoren umfassen, die die Glukosekonzentration in Gewebe oder Körperflüssigkeiten bestimmen, in die sie implantiert werden, und die Spannung VC kann eine Spannung repräsentieren, die innerhalb der Vorrichtung50'' ermittelt wurde und ein Maß für die Temperatur der Vorrichtung50'' und somit ein Temperaturmaß (über die Zeit) des Gewebes darstellt, in das die Vorrichtung50'' implantiert wurde. - Wie in der
5C dargestellt, erzeugen die Sensoren53a und53b jeweils einen Ausgangsstrom Ia bzw. Ib als Ausgangssignal (mit einer Größenordnung, die auf eine bekannte Weise, z. B. linear, als Funktion des gemessenen Parameters oder der gemessenen Substanz variiert). Falls nötig kann die Spannung Vc, die einen Statuszustand oder einen anderen Parameter in Bezug auf die Vorrichtung50'' repräsentiert, an eine Spannung-Strom-Wandlerschaltung88 angelegt werden, wobei die Schaltung die gemessene Spannung Vc in ein entsprechendes Stromsignal Ic umwandelt. Die Stromsignale Ia, Ib und Ic sind alle über eine analoge Multiplexschaltung90 mit einer ersten Strom-Frequenz-Wandlerschaltung71a (I/F0) verbunden. Die Multiplexschaltung90 wird durch ein geeignetes Steuerungssignal gesteuert, das sie von einer Status-Gerätesteuerlogik94 über die Signalleitung92 empfängt. - Die I/F0-Wandlerschaltung
71a erzeugt ein variables Frequenz-Ausgangssignal (mit einer Frequenz, die als Funktion des ausgewählten Eingangsstroms Ia, Ib oder Ic variiert), das durch einen digitalen Multiplexer96 zu einem ersten Messzähler98a gelenkt wird. Wie in5C dargestellt, kann der digitale Multiplexer96 , unter der Kontrolle eines Steuerungssignals95 von der Status-Gerätesteuerlogik94 , auch das Frequenz-Ausgangsignal auswählen, das von einer zweiten Strom-Frequenz-Wandlerschaltung71b (I/F1) erzeugt wird, wobei die I/F1-Wandlerschaltung71b einen Eingangsstrom I1 vom Sensor53c empfängt. Der erste Messzähler98a misst daher je nach Steuerung durch die Status-Gerätesteuerlogik94 entweder die Ausgangsfrequenz von der I/F0-Schaltung71a oder die Ausgangsfrequenz von der I/F1-Schaltung71b . - Andere Messzähler
98b , ...98n können auch verwendet werden, um jeweils die von zusätzlichen Sensoren53d , ...53n erzeugten Frequenzsignale zu messen. Das heißt, der Sensor53d erzeugt einen Ausgangsstrom I2 als Funktion eines gemessenen Parameters oder einer gemessenen Substanz. Dieser Strom I2 wird an eine dritte Strom-Frequenz-Wandlerschaltung71c (I/F2) angelegt. Die I/F2-Schaltung71c wandelt den Strom I2 in ein Frequenzsignal um, das an die Messzählerschaltung98b angelegt wird. Auf ähnliche Art erzeugt jeder in der Vorrichtung50'' vorhandene Sensor bis zum Sensor53n einen zugehörigen Ausgangsstrom als Funktion eines gemessenen Parameters oder einer gemessenen Substanz. Der von jedem dieser Sensoren stammende Strom, einschließlich dem Strom In von Sensor53n , wird an eine zugehörige Strom-Frequenz-Wandlerschaltung, bis hin zur I/Fn-Wandlerschaltung71n , angelegt. - Jede der I/F-Wandlerschaltungen, bis hin zur I/Fn-Wandlerschaltung
71n , wandelt den jeweiligen Eingangsstrom in ein zugehöriges Frequenzsignal um, welches dann an eine zugehörige Messzählerschaltung angelegt wird. Der Sensor53n erzeugt daher z. B. einen Strom In als Funktion eines gemessenen Parameters oder einer gemessenen Substanz, und legt diesen Strom In an den Wandler I/Fn an, dessen Ausgangs-Frequenzsignal dann an den Messzähler98n angelegt wird. - Die Ausgangssignale jedes Messzählers
98a ,98b ...98n , die ein digitales Maß des durch einen zugehörigen Sensor, der stromauf des Messzählers liegt, gemessenen Parameters darstellen, werden dann durch eine Ausgangsmultiplexschaltung100 selektiv an die Leitungsschnittstellenschaltung62'' angelegt. Diese Auswahl wird durch die Status-Gerätesteuerlogik94 mittels einem geeigneten Steuerungssignal97 kontrolliert. Das durch den Multiplexer100 ausgewählte Ausgangssignal umfasst somit Ausgangsdaten (in5C als „DATEN-AUSGANG" bezeichnet), die an die LEITUNG-1- und LEITUNG-2-Leiter des Zwei-Leiter-Kabels (oder Verbindungssammelleitung) angelegt werden, die jede der implantierbaren Vorrichtungen50'' mit einem geeigneten Steuerungselement20 verbinden. Die Ausgangsdaten können somit über die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter auf unten beschriebene Art auf das Steuerungselement20 übertragen werden. - Wie oben beschrieben wurde, wird dadurch gezeigt, dass es die Vorrichtung
50'' ermöglicht, dass eine Vielzahl von Sensoren53a ,53b ...53n einen geeigneten Parameter, Substanz oder Zustand abfühlt, den bestimmten Parameter, Substanz oder Zustand zuerst in ein Frequenzsignal und als zweites in ein Digitalsignal umwandelt, wobei das Digitalsignal dann selektiv an andere Vorrichtungen, z. B. ein Fernsteuerungselement20 oder eine weitere Vorrichtung50 , die mit den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leitern gekoppelt ist, übertragen. Es ist von Vorteil, dass durch die Verwendung der Multiplexer90 ,96 und100 , die jeweils durch eine geeignete Status-Gerätesteuerlogik94 gesteuert werden, die Frequenz, mit der ein gegebener Sensor abgefragt wird, auf gewünschte Art gesteuert werden kann. Wie von der in5C dargestellten Konfiguration nahegelegt wird, können die Sensoren53d ...53n z. B. mit einer Frequenz abgefragt werden, die durch den Ausgangsmultiplexer100 gesteuert wird. Der Sensor53c mit einer Frequenz abgefragt werden, die durch den Ausgangsmultiplexer100 und den Multiplexer96 gesteuert wird. Und die Sensoren53a und53b sowie die Status-Spannung Vc können mit einer Frequenz abgefragt werden, die durch den Ausgangsmultiplexer100 , den Multiplexer96 und den Multiplexer90 gesteuert wird. - Es muss betont werden, dass die spezielle in
5C gezeigte Konfiguration, bei der eine Vielzahl von Sensoren und Multiplexern verwendet wird, lediglich exemplarisch und nicht eingrenzend ist. Jede beliebige Konfiguration einer implantierbaren durch Prioritätsverkettung verbindbaren Vorrichtung, die die Verwendung eines oder mehrerer, z. B. einer Vielzahl, Sensoren in der Vorrichtung zulässt, wobei die von jedem Sensor gemessenen Daten in eine geeignete Form umwandelbar und über eine geeignete Leitungsschnittstellenschaltung auf die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter übertragbar sind, im Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen sein soll. - Immer noch bezugnehmend auf
5C ist ersichtlich, dass die Vorrichtung50'' weiters eine Stimulatorschaltung86 einschließt. Die Stimulatorschaltung86 wird durch die Status-Gerätesteuerlogik94 gesteuert. Die Stimulatorschaltung86 erzeugt geeignete elektrische Stimulationsimpulse, die auf eine oder mehrere Elektroden82 und/oder83 angelegt werden. Die Elektroden83 und/oder83 sind über Leiter mit der Stimulatorschaltung86 verbunden, die durch einen geeigneten Durchführungsanschluss oder eine Dichtung84 verlaufen, wodurch zumindest eine der Elektroden im nicht hermetisch abgedichteten Abschnitt der Vorrichtung50'' verbleiben kann. Die Gestaltung der Stimulatorschaltung86 kann auf herkömmliche Art erfolgen, wie sie z. B. auf dem Gebiet der Cochlear-Stimulation (siehe z. B. US-A-5.603.726, die hierin durch Verweis beinhaltet ist), der Kardiogewebestimulation, der neuralen Stimulation und/oder der Schmerzlinderungsstimulation üblicherweise verwendet wird. - Die Status-Gerätesteuerlogik
94 kann ebenso herkömmlich gestaltet sein, und zwar auf eine Weise, die für die Beschränkungen durch die schwachen Stromsignale, die an sämtliche Schaltungsanordnungen innerhalb der Vorrichtung50'' angelegt werden, geeignet ist. Die Funktion der Status-Gerätesteuerlogik94 ist es, Steuerungssignale zu erzeugen, die das Betreiben der Stimulatorschaltung86 sowie das Abfragen und Daten-Umwandeln in Verbindung mit jedem der unterschiedlichen Sensoren53a ,53b ...53n steuern, die alle durch sowie synchron mit DATEN-EINGANG-Signalen und einem von der Leitungsschnittstellenschaltung62" empfangenen Taktsignal (CLK) gesteuert werden. In ihrer einfachsten Form kann die Steuerlogik94 eine oder zwei einfache Kippschaltungen (FLIP-FLOP) und zugehörige Verknüpfungsglieder umfassen, die die DATEN-EINGANG- und CLK-Signale empfangen und diese Signale zum Steuern oder Kontrollieren der Kippschaltungen) verwenden, um zwischen verschiedenen Betriebsstufen umzuschalten oder diese zu durchlaufen. In jeder Stufe werden durch die Steuerlogik geeignete Steuerungssignale erzeugt, um einen bestimmten Sensor abzufragen und/oder einen Stimulationsimpuls zu erzeugen. Je nach Bedarf werden in den verschiedenen Stufen auch Rücksetzsignale produziert, um die unterschiedlichen Zählerschaltungen rückzustellen. Zusätzlich kann eine Stromeinschalt-Rücksetz-Schaltung102 mit der Status-Gerätesteuerlogik94 gekoppelt sein, um sicherzustellen, dass die Steuerlogik94 in einem gewünschten Status oder Betriebsart einsetzt, jedesmal wenn Spannung an die Vorrichtung50'' angelegt wird. Die Einzelheiten der Status-Gerätesteuerlogik sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend. Fachleute auf dem Gebiet können problemlos eine geeignete Status-Gerätesteuerlogik ausbilden, die ein für die Vorrichtung50'' gewünschtes Betriebsverhalten erfüllt. - Es sollte auch darauf hingewiesen werden, dass jede beliebige Schaltungsanordnung, die die Funktion der Status-Gerätesteuerlogik
94 erfüllt, statt oder zusätzlich zur oben beschriebenen herkömmlichen Status-Gerätesteuerlogik verwendet werden könnte. Derartige Schaltungsanordnungen schließen z. B. einen Niedrigstrom-Mikroprozessor ein, der mit einem im Festwertspeicher (ROM, read-only memory) gespeicherten Betriebsprogramm programmiert ist. - Darüber hinaus ist es festzustellen, dass das Integrieren einer Stimulatorschaltung
86 und zugehöriger Elektroden82 und/oder83 in die implantierbare Vorrichtung50'' als Option angesehen werden sollte, und nicht als Erfordernis. Bei vielen Anwendungen ist alles, was die durch Prioritätsverkettung verbindbare implantierbare Vorrichtung50'' leisten muss, das Abfühlen eines oder mehrerer Parameter oder Substanzen, ohne dabei Stimulation bereitstellen zu müssen. Für solche Anwendungen kann die Stimulationsfunktion weggelassen werden. - Die Strom-Frequenz-Wandlerschaltungen
71a ,71b ...71n können im Wesentlichen wie in der oben zitierten Patentanmeldung (die hierin mit Verweis beinhaltet ist) mit dem Titel „Low Power Current-To-Frequency Converter" ausgebildet sein. - Die Zählerschaltkreise
98a ,98b ...98n sowie die Multiplexschaltungen90 ,96 und100 können alle herkömmlich gestaltet sein, und verwenden z. B. integrierte CMOS-Niedrig-Strom-Schaltungen. - Um noch einmal auf
2 zurückzukommen, wo eine Vielzahl implantierbarer durch Prioritätsverkettung verbindbarer Sensor/Stimulatorvorrichtungen18a ,18b ...18n gemäß der vorliegenden Erfindung in Reihe geschaltet dargestellt sind, muss festgestellt werden, dass ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Erfindung in der Fähigkeit der Steuerungselements20 liegt, für jede der Vorrichtungen18 Betriebsstrom bereitzustellen, individuell an diese Steuerungsdaten zu senden sowie Daten von diesen zu empfangen, die über dieselben zwei Leiter14 und16 mit dem Steuerungselement verbunden sind. Wie das Versorgen und das individuelle Adressieren bevorzugt erfolgt, wird als nächstes in Verbindung mit den6 ,7 und8 erläutert. -
6 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm, das ein bevorzugtes Verhältnis zwischen Eingangsdaten (obere Wellenform), die an die implantierbaren Vorrichtungen gesendet werden, und Ausgangsdaten (untere Wellenform), die von den implantierbaren Vorrichtungen empfangen werden, zeigt, da solche Daten auf den beiden LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leitern auftreten würden, die sämtliche Vorrichtungen miteinander verbinden. In6 wird angenommen, dass die Zeit die horizontale Achse ist, während die Amplitude die vertikale Achse ist. Es ist auch festzustellen, dass die Wellenformen in6 wellenförmige Stromimpulse darstellen. - Wie in
6 ersichtlich ist, besteht die bevorzugte Form der Eingangsdaten in zweiphasigen Impulsen. Jeder zweiphasige Impuls umfasst einen ersten Stromimpuls mit einer ersten Polarität, gefolgt von einem zweiten Stromimpuls derselben Größenordnung jedoch mit gegenteiliger Polarität. Somit beträgt der Nettostrom jedes zweiphasigen Impulses vorzugsweise null, wobei der positive Stromimpuls den negativen Stromimpuls wirksam ausgleicht. - Eine binäre „1" wird durch einen zweiphasigen Impuls einer Phase, z. B. ein positiver Stromimpuls gefolgt von einem negativen Stromimpuls, dargestellt, während eine binäre „0" durch einen zweiphasigen Impuls mit entgegengesetzter Phase, z. B. ein negativer Impuls gefolgt von einem positiven Impuls, repräsentiert wird.
- Wie aus
6 weiters hervorgeht, kann es eine „Unterbrechungszeit" zwischen den zwei Stromimpulsen jedes zweiphasigen Impulses geben, die jedoch nicht immer erforderlich ist (sie kann daher, wie angedeutet ist, auf null reduziert werden). Eine vorbestimmte Zeiterhöhung T1 trennt einen zweiphasigen Eingangsdaten-Stromimpuls vom nächsten zweiphasigen Eingangsdaten-Stromimpuls. - In
6 ist zudem ersichtlich, dass die bevorzugte Form der Ausgangsdaten ebenfalls ein zweiphasiger Impuls ist, wobei die Amplitude als eine Funktion davon moduliert (oder vorzugsweise ein-aus moduliert ist), ob die Ausgangsdaten eine binäre „1" oder „0" sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Spitzenamplitude des Ausgangsdatenimpulses für eine binäre „1" IP, während die Spitzenamplitude des Ausgangsdatenimpulses für eine binäre „0" null ist. Somit repräsentiert in diesem bevorzugten EIN/AUS-Modulationsschema ein vorhandener Ausgangsdatenimpuls eine binäre „1" und ein fehlender Ausgangsdatenimpuls eine binäre „0". Die Ausgangsdatenimpulse werden in den auf den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiterimpulsen auftretenden Datenstrom zu eine bestimmten Zeit T2 nach dem Eingangsdatenimpuls eingeführt, so dass sie als Zeitmultiplex zwischen den Eingangsdatenimpulsen auftreten. Obwohl die bevorzugte Form der Ausgangsdatenimpulsen ein zweiphasiger Impuls ist (um eine Stromausgleichung zu erreichen), ist festzustellen, dass in manchen Fällen auch ein einphasiger Impuls zum Zeitpunkt T2 (mit einer Amplitude IP oder null) verwendet werden kann. - Wie in den
7 und8 dargestellt ist, sind die durch das Steuerungselement über die LEITUNG-1-/LEITUNG-2-Leiter gesendeten Eingangsdaten in Datenrahmen der Länge T3 unterteilt. Innerhalb jedes Datenrahmen sind N Datenbits zu finden, wobei N eine ganze Zahl üblicherweise von 8 bis 64 ist. In7 ist eine repräsentative Zuordnung der in einem Datenrahmen vorhandenen Datenbits veranschaulicht. Wie ersichtlich ist, ist das erste Bit des Datenrahmens ein Startbit, gefolgt von drei Bits (Bit 2, 3 und 4), die Adressbits umfassen. Bits 5, 6 und 7 umfassen einen Operationscode (Opcode), der eine Operation definiert (z. B. eine von acht Operationen), die von der adressierten Vorrichtung ausgeführt werden soll. Bits 8– 12 definieren dann spezielle Steuerungsparameter, die mit der auszuführenden Operation in Zusammenhang stehen, z. B. die Amplitude eines Stimulationsimpulses oder der/die jeweilige(n) Sensor(en), von dem/denen Daten abgefragt werden sollen, etc. Bit 13 umfasst ein Paritätsbit. Bits 14 bis N–1 umfassen Übertragungsdaten, gefolgt von Bit N, das ein Stopbit oder Endbit des Datenrahmens ist. - Die Übertragungsdatenbits definieren in einer Ausführungsform wirksam die Zeitfenster innerhalb des Datenrahmens, während denen Daten, die von einer gegebenen implantierbaren Vorrichtung an das Steuerungselement gesendet werden, in den Datenrahmen eingeführt werden sollen. Das Steuerungselement kann z. B. so eingestellt sein, dass es erkennt, dass Ausgangsdaten, die T2 Sekunden nach dem 13. Dateneingangsimpuls (d. h. während Bit 13) auftreten, Daten entsprechen, die von einer bestimmten Vorrichtung in der Prioritätsverkettung gesendet wurden. Dadurch können von jeder der implantierbaren Vorrichtungen in der Kette während jedem Datenrahmen gewisse Daten empfangen werden. Alternativ können andere Schemen verwendet werden, um festzustellen, welche auf den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leitern auftretenden Ausgangsdaten zu welchen Vorrichtungen gehören. Es können z. B. alle Vorrichtungen bis auf eine wirksam heruntergefahren werden, zumindest was das Senden von Ausgangsdaten betrifft, bis sämtliche von dieser einen freigegebenen Vorrichtung benötigten Daten abgefragt worden sind. Dies ermöglicht, dass Daten von einer gegebenen Vorrichtung schneller empfangen werden können, wobei dies jedoch auf Kosten des Empfangens von Daten der anderen Vorrichtung geschieht, bis die Übertragung abgeschlossen ist.
- Da die Eingangsdaten zweiphasige Impulse umfassen, die in regelmäßigen Intervallen oder Zeiteinheiten (z. B. alle T1 Sekunden) auftreten, kann die in diesen Impulsen enthaltene Energie dazu verwendet werden, Betriebsstrom für die Schaltungen innerhalb der Vorrichtung
50'' bereitzustellen. Dies wird durch die Verwendung der Gleichrichterschaltung60 ,60' oder60'' (5A ,5B oder5C ) erreicht. - Die Eingangs- und Ausgangsdatenimpulse, wie sie in den
6 und8 dargestellt sind, werden durch die Leitungsschnittstellenschaltung62 ,62' oder62'' (5A ,5B oder5C ) erzeugt. Eine schematische Darstellung einer repräsentativen Leitungsschnittstellenschaltung ist in9 veranschaulicht. Die spezielle in9 gezeigte Leitungsschnittstellenschaltung empfängt zweiphasige Impulse vom Steuerungselement20 (2 ) und sendet einphasige Impulse an dieses zurück. Die Funktionsweise der in9 gezeigten Schaltung sollte für Fachleute auf dem Gebiet eindeutig sein. Die folgende Erklärung gibt einen Überblick über die Funktionsweise. - Die auf den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leitern auftretenden zweiphasigen Impulse sind effektiv Impulspaare, wobei ein Impuls des Paars positiv und der andere Impuls negativ ist und die Polarität des ersten Impulses bestimmt, ob der Impuls eine binäre „1" oder eine binäre „0" darstellt. Die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter sind mit CMOS-Schaltern M3 und M4 verbunden, so dass beim Übergang in den logischen HOCH-Zustand, der LEITUNG
1 M4 ein- und M3 ausgeschaltet wird. Durch das Einschalten von M4 wird das Niveau am Drain-Anschluss von M4 für die Dauer des Impulses abgesenkt. Durch das Ausschalten von M3 geht der Drain von M3 auf HIGH. Der schwache Impuls am Drain-Anschluss von M4 geht durch drei Inverter112 ,114 und116 und tritt an der DATEN-EINGANG Signalleitung64 als starker Datenimpuls auf, der dieselbe Impulsdauer wie der Eingangsimpuls aufweist. Somit werden positive Eingangsimpulse auf der LEITUNG1 als positive Impulse an die DATEN-EINGANG-Leitung64 weitergegeben. - Auf ähnliche Art und Weise führen negative Impulse auf der LEITUNG
1 dazu, dass M3 auf EIN und M4 auf AUS geschaltet wird. Durch das Ausschalten von M4 wird der Drain von M4 hochgezogen, und dieser HIGH-Pegel geht durch die Inverter112 ,114 und116 hindurch, um einen Datenimpuls mit LOW-Pegel an die DATEN-EINGANG Signalleitung64 weiterzugeben, der dieselbe Impulsdauer wie das negative Eingangssignal aufweist. Dadurch werden negative Eingangssignale von LEITUNG1 als LOW-Impulse an die DATEN-EINGANG-Leitung64 weitergegeben. - Das Taktsignal auf der Signalleitung
66 wird durch ein D-FLIP-FLOP122 erzeugt, das durch die Anstiegsflanke des Q*-Ausgangs eines NOR-Glieds120 gesteuert (oder getaktet) wird. Das NOR-Glied120 wird durch das Gatter118 zurückgesetzt, wodurch der Q*-Ausgang des Glieds120 ansteigt, sobald einer der Schalter M3 oder M4 eingeschaltet wird, was der Fall ist, wenn ein Eingangsimpuls beliebiger Polarität empfangen wird. Ist das NOR-Glied120 zurückgesetzt und dadurch sein Q*-Ausgang von einem LOW-Pegel auf einen HIGH-Pegel angestiegen, werden zwei Vorgänge ausgelöst: (1) eine erste Zeitgeberschaltung124 beginnt ihren Zeitzyklus; und (2) das D-FLIP-FLOP122 wird getaktet, wodurch sein Q-Ausgang (mit der Signalleitung66 verbunden) auf einen HIGH-Level gebracht wird. Die Anstiegsflanke des Signals auf der Signalleitung66 verursacht zudem, dass eine zweite Zeitgeberschaltung126 ausgelöst wird. Die repräsentativen Zeiten für den ersten und den zweiten Zeitgeber sind 152 Mikrosekunden (μsec) bzw. 44 μsec. Sobald der positive oder negative Eingangsimpuls empfangen wird, beginnen sowohl der erste als auch der zweite Zeitgeber mit dem Time-out. - Solange die erste Zeitgeberschaltung
124 unterbricht, z. B. für 152 μsec nach einem Eingangsimpuls, wird das NOR-Glied120 gesperrt, wodurch es gegen jegliche weitere von den Schaltern M3 oder M4 hereinkommende Signale immun wird (d. h. es wird unempfindlich gegenüber jeglicher Leitungsaktivität auf den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Signalleitungen). Die Leitungsaktivität, die während dieser Immunitätszeitspanne auftritt, schließt typischerweise den zweiten Leitungsimpuls des zweiphasigen Impulspaars, jeden Antwortimpuls, der willkürlich auf die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Signalleitungen angelegt werden kann, oder Rauschen ein. Sobald der erste Zeitgeber124 seinen Zyklus beendet, wird das NOR-Glied120 freigegeben, wodurch es für die nächste auftretenden Leitungsaktivität, wie z. B. den nächsten zweiphasigen Datenimpuls, der das nächste Datenbit des Datenrahmens repräsentiert, empfänglich gemacht wird. - Wenn der zweite Zeitgeber
126 seinen Zyklus beendet, z. B. 44 μsec nach dem Empfang eines Eingangsimpulses, steigt der Q-Ausgang des zweiten Zeitgebers126 an, wodurch das D-FLIP-FLOP rückgesetzt wird, was wiederum dazu führt, dass das Taktsignal auf der Signalleitung66 auf LOW geht. Das Taktsignal auf der Signalleitung66 bleibt auf LOW bis das D-FLIP-FLOP122 durch das NOR-Glied120 auf Empfang des nächsten Eingangsimpulses über die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter hin wieder hochgetaktet wird (nach dem die Immunitätszeitspanne des ersten Zeitgebers124 von 152 μsec vorüber ist). Das Taktsignal CLK (auf der Signalleitung66 ) umfasst ein Signal, das auf Empfang des ersten Impulses über die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter auf HIGH geht, für die Zeitdauer des zweiten Zeitgebers HIGH bleibt (z. B. 44 μsec), und dann sinkt und niedrig bleibt, bis nach dem Ende des ersten Zeitgeberzeitraums (z. B. 152 μsec) der nächste Eingangsimpuls über die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter hereinkommt. Aus diesem Grund sollte der Datenübertragungszyklus des Fernsteuerungselements20 (2 ) nicht kürzer sein als die längst mögliche Zeitspanne des ersten Zeitgebers124 , wobei Schwankungen im Zeitgeberzeitraum aufgrund von Prozessvariationen berücksichtigt werden müssen. Wenn z. B. ein nominaler erster Zeitgeberwert von 154 μsec angenommen wird, beträgt ein sicherer Wert für den Datenübertragungszyklus etwa 244 μsec, was in der ersten Zeitgeberzeitspanne ein Schwankung von etwa ±52% zulässt. - Es muss beachtet werden, dass eine geringere Stufenverzögerung vom Empfang eines Impulses auf den LEITUNG-1/LEITUNG-2-Eingangsleitungen zur DATEN-EINGANG-Leitung
64 besteht als zur CLK-Leitung66 . Dies ist wichtig, um durch ein weiteres D-FLIP-FLOP128 eine gepufferte Datenleitung127 auszubilden. Diese gepufferte Datenleitung127 wird durch das Verbinden der DATEN-EINGANG-Leitung64 mit dem D-Eingang des D-FLIP-FLOP128 geschaffen, während der Takteingang des D-FLIP-FLOP128 mit der CLK-Leitung66 verbunden wird. Dadurch dass die Stufenverzögerung zur DATEN-EINGANG-Leitung64 kürzer gestaltet wird als die Stufenverzögerung zur CLK-Leitung66 , wird das D-FLIP-FLOP 128 zum Zeitpunkt des Taktübergangs immer die richtigen Daten auf der DATEN-EINGANG-Leitung erfassen und festhalten. Somit erfasst das D-FLIP-FLOP128 , wann immer ein positiver Impuls relativ zur LEITUNG2 zuerst auf der LEITUNG1 empfangen wird (d. h. wann immer der erste Impuls des zweiphasigen Impulspaares positiv ist), wodurch die DATEN-EINGANG-Leitung für die Dauer des Impulses wie oben erläutert hochfährt, diesen Vorgang als einen Hochpegel erfasst, und dadurch veranlasst, dass die gepufferte Datenleitung127 auf HIGH geschaltet wird. Auf ähnliche Weise erfasst das D-FLIP-FLOP128 , wann immer ein negativer Impuls relativ zur LEITUNG2 zuerst auf der LEITUNG1 empfangen wird (d. h. wann immer der erste Impuls des zweiphasigen Impulspaares negativ ist), wodurch die DATEN-EINGANG-Leitung für die Dauer des Impulses wie oben erläutert auf LOW geht, diesen Vorgang als einen LOW-Pegel erfasst, und dadurch veranlasst, dass die gepufferte Datenleitung127 auf LOW geschaltet wird. - Es muss festgestellt werden, dass das D-FLIP-FLOP
128 nicht als Bestandteil einer Leitungsschnittstellenschaltung62 beinhaltet sein muss (obwohl dies möglich wäre), wobei es vielmehr üblich ist, dieses in die Status-Gerätesteuerlogik94 oder andere verarbeitende Schaltungsanordnungen zu inkludieren, die Eingangsdaten empfangen und verarbeiten. - Ausgangsdaten, die zu einem Zeitpunkt T2 nach Empfang eines Eingangdatenimpulses an die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter abgegeben werden müssen, werden an die DATEN-AUSGANG-Signalleitung
74 angelegt. Diese Daten werde dann in das D-FLIP-FLOP132 getaktet, was dazu führt, dass die Daten (ein HIGH oder ein LOW) am Ende des durch den zweiten Zeitgeber126 festgesetzten Zeitraums von 44 μsec auf der Signalleitung134 auftreten. Wenn das Ausgangsdatensignal eine „1" ist, d. h. ein HIGH-Pegel, wird dadurch eine dritte Zeitgeberschaltung136 ausgelöst, die nach einer vorgeschriebenen Zeitspanne, z. B. 1 sec, unterbricht. Das Time-out der dritten Zeitgeberschaltung136 setzt das D-FLIP-FLOP132 zurück, wodurch die Signalleitung auf LOW geht, und somit ein Ausgangssignalimpuls mit einer Impulsdauer von etwa 1 μsec auf der Signalleitung134 erzeugt wird. Dieser Ausgangsdatenimpuls wird dann durch Einwirkung der komplementären Schalter M1 und M2 auf die LEITUNG-1/LEITUNG-2-Leiter übertragen, wobei beide Schalter durch den 1 μsec Ausgangsdatenimpuls auf EIN geschaltet werden, wobei für die Zeitdauer des Ausgangsdatenimpulses, z. B. 1 μsec., M1 die LEITUNG1 auf HIGH und M2 die LEITUNG auf LOW setzt. Dadurch tritt der Ausgangsdatenimpuls auf LEITUNG1 /LEITUNG2 zu einem Zeitpunkt T2 auf, wie in den6 und8 dargestellt ist. - Wenn die Ausgangsdaten auf der DATEN-AUSGANG-Leitung
74 eine „0", d. h. ein LOW-Pegel, sind, wird ein LOW-Pegel in das D-FLIP-FLOP132 getaktet. Das bedeutet, dass es zu keiner Veränderung auf der Signalleitung134 kommt, die dritte Zeitgeberschaltung136 nicht ausgelöst wird und Schalter M1 und M2 nicht auf EIN geschalten werden. Dadurch wird kein Datenimpuls auf die LEITUNG1 /LEITUNG2 übertragen, und dieser fehlenden Datenimpuls bedeutet, dass das Ausgangsdatensignal „0" ist. Indem das Ausgangsdatensignal „0" durch das Fehlen eines Ausgangsimpulses dargestellt wird, wird für die Vorrichtung nötiger Betriebsstrom gespart. Das Einsparen von Betriebsstrom ist bei der hierin beschriebenen Art von implantierbaren Sensor/Stimulatorvorrichtungen immer eine wichtige Überlegung. - Die durch die Zeitgeberschaltung
136 festgesetzte Zeitspanne von 1 μsec wird, wie in der9 veranschaulicht, dadurch erreicht, dass eine Inverterschaltung ausgebildet wird, die komplementäre Transistoren M5 und M6 umfasst, wobei der NFET (M6) des Paars mit langen Abmessungen gestaltet ist. Die langen Maße führen zusammen mit der elektrischen Kapazität des Kondensators C3 (nominell 3 Pikofarad) zur gewünschten Verzögerung von 1 μsec. - Wie oben beschrieben wurde, ist somit ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein Mittel bereitstellt, durch das implantierbare Sensoren oder Stimulatoren in einer Prioritätsverkettung über eine herkömmliche Strom/Daten-Sammelleitung unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Verbindungsleitern, z. B. zwei, verbunden werden können, und worin jede einzelne Vorrichtung der Prioritätsverkettung von einer gemeinsamen Steuerungseinheit einzeln adressierbar ist, die durch die gemeinsame Strom/Daten-Sammelleitung mit jeder der implantierbaren Vorrichtungen verbunden ist.
- Wie oben ebenso erläutert wurde, wird gezeigt, dass die Erfindung individuelle implantierbare Sensoren und/oder Stimulatoren bereitstellt, die Strom- und Datensignale über eine minimale Anzahl an dazwischen geschalteter Signalleitungen übertragen und/oder empfangen können.
- Des Weiteren geht aus obiger Beschreibung hervor, dass jede implantierbare Sensor/Stimulatorvorrichtung der Erfindung einen hermetisch abgedichteten Teil und einen nicht hermetisch abgedichteten Teil aufweist, die elektrische Durchführungsmittel besitzen, um elektrische Verbindungen zwischen dem hermetisch abgedichteten Teil und dem nicht hermetisch abgedichteten Teil auszubilden, und worin der hermetisch abgedichtete Teil elektrische Schaltungen zum Betreiben und Steuern der Vorrichtung umfasst, und worin weiters der nicht hermetisch abgedichtete Teil einen Sensor zum Abfühlen eines Zustands oder einer Substanz, dem/der die Vorrichtung ausgesetzt ist, elektrische Anschlüsse oder Anschlusspunkte, mit denen Verbindungsleiter verbunden werden können, und/oder Elektroden einschließt, durch die stimulierende Stromimpulse an das umliegende Gewebe oder umliegende Körperflüssigkeiten angelegt werden können.
- Obwohl die hierin offenbarte Erfindung anhand von spezifischen Ausführungsformen und Anwendungen davon beschrieben worden ist, könnten von Fachleuten auf dem Gebiet zahlreiche Modifikationen und Variationen durchgeführt werden, ohne dass dabei der in den Ansprüchen erläuterte Schutzumfang der Erfindung überschritten wird.
Claims (14)
- Kette in Serie geschalteter elektronischer Vorrichtungen, die zum Implantieren in lebendes Gewebe ausgebildet ist, umfassend: eine Vielzahl im Wesentlichen identischer elektronischer Vorrichtungen (
12 ,18 ,30 ), wobei jede elektronische Vorrichtung ein erstes Paar Anschlüsse (13 ,15 ), ein zweites Paar Anschlüsse (17 ,19 ), Mittel zum Empfangen eines gepulsten Datenstrom-Eingangssignals über das erste Paar Anschlüsse, Mittel zur Durchführung einer spezifizierten Funktion sowie Mittel zum Anlegen von Ausgangsimpulsen an das erste Paar Anschlüsse umfasst, die für die durchgeführte spezifizierte Funktion repräsentativ sind, so dass die Ausgangsimpulse zwischen Impulsen des gepulsten Datenstrom-Eingangssignals verschachtelt sind; eine Steuerungsschaltung (20 ,20' ) mit einem ersten Leitungsanschluss und einem zweiten Leitungsanschluss, Mittel zur Erzeugung des gepulsten Datenstrom-Eingangssignals und Anlegen des gepulsten Datenstrom-Eingangssignals zwischen dem ersten Leitungsanschluss und dem zweiten Leitungsanschluss, sowie Mittel zum Detektieren etwaiger Ausgangsimpulse, die zwischen Impulsen des gepulsten Eingangsdatenstroms auftreten; einen ersten Leitungsleiter (14' ), der zwischen den ersten Leistungsanschluss der Steuerungsschaltung und einen ersten Anschluss des ersten Anschlusspaares einer ersten elektronischen Vorrichtung geschaltet ist, sowie einen zweiten Leitungsleiter (16' ), der zwischen den zweiten Leitungsanschluss der Steuerungsschaltung und einen zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaares der ersten elektronischen Vorrichtung geschaltet ist; sowie für jede zusätzliche elektronische Vorrichtung, die in der Kette implantierbarer, in Serie geschalteter elektronischer Vorrichtungen enthalten ist, worin eine elektronische Vorrichtung in der Kette, die der Steuerungsschaltung am nächsten ist, eine vordere elektronische Vorrichtung umfasst, und eine elektronische Vorrichtung in der Kette, die der Steuerungsschaltung am zweitnächsten ist, eine hintere elektronische Vorrichtung umfasst, einen Signalleiter (14'' ), der zwischen einen ersten Anschluss des zweiten Anschlusspaares der vorderen elektronischen Vorrichtung und einen ersten Anschluss des ersten Anschlusspaares der hinteren elektronischen Vorrichtung geschaltet ist, und einen Rückführleiter (16'' ), der zwischen einen zweiten Anschluss des zweiten Anschlusspaares der vorderen elektronischen Vorrichtung und einen zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaares der hinteren elektronischen Vorrichtung geschaltet ist; wodurch die erste elektronische Vorrichtung mit nur zwei Leitern an die Steuerungsschaltung angeschlossen ist und jede hintere elektronische Vorrichtung in der Kette von elektronischen Vorrichtungen auch mit der vorderen elektronischen Vorrichtung mit nur zwei Leitern gekoppelt ist. - Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 1, worin die spezifizierte Funktion, die von jeder der Vielzahl elektronischer Vorrichtungen durchgeführt wird, das Abfühlen und Messen eines Parameters umfasst, der dem lebenden Gewebe zugehörig ist, in das die Kette von Vorrichtungen implantiert ist.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 2, worin das gepulste Datenstrom-Eingangssignal, das von der Steuerungsschaltung erzeugt wird, eine Abfolge zweiphasiger Impulse umfasst, wobei jeder zweiphasige Impuls in der Abfolge von Impulsen einen negativen Impuls, dem ein positiver Impuls folgt, um einen binären Zustand darzustellen, und einen positiven Impuls, dem ein negativer Impuls folgt, um den anderen binären Zustand darzustellen, umfasst, und worin jeder zweiphasige Impuls von einem benachbarten zweiphasigen Impuls in der Abfolge zweiphasiger Impulse durch eine Zeitspanne T1 getrennt ist, und weiters worin die Abfolge zweiphasiger Impulse an das erste Anschlusspaar einer jeden elektronischen Vorrichtung in der Kette angelegt wird.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 3, worin die Steuerungsschaltung Mittel umfasst, um die Abfolge zweiphasiger Impulse zu erzeugen, so dass sie in Datenrahmen angeordnet sind, wobei jeder Datenrahmen eine Sequenz zweiphasiger Impulse umfasst, wobei jeder zweiphasige Impuls ein Datenbit darstellt, worin eine erste Gruppe von Datenbits innerhalb des Datenrahmens eine Adresse umfasst, eine zweite Gruppe von Datenbits einen Operationscode umfasst und eine dritte Gruppe von Datenbits Daten umfasst.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 4, worin die dritte Gruppe von Datenbits eine erste Untergruppe von Datenbits, die Opcode-Bits darstellen, und eine zweite Untergruppe von Datenbits umfasst, die übertragene Daten darstellen.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 5, worin der Datenrahmen weiters zumindest einen zusätzlichen zweiphasigen Impuls umfasst, der ein Paritätsbit darstellt.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 5, worin der Datenrahmen weiters einen ersten zweiphasigen Impuls, der ein Start-Bit darstellt, und einen letzten zweiphasigen Impuls umfasst, der ein Stop-Bit darstellt.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 3, worin die von jeder elektronischen Vorrichtung erzeugten Ausgangsimpulse Ausgangsimpulse mit einer variablen Amplitude umfassen, und worin jede elektronische Vorrichtung Mittel umfasst, um die Ausgangsimpulse im Datenstrom zweiphasiger Impulse in einem Zeitraum T2 von einem vorherigen zweiphasigen Impuls anzuordnen, worin T2 geringer als T1 ist, wodurch die Ausgangsimpulse zwischen den zweiphasigen Impulsen des Datenstroms verschachtelt sind.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 8, worin die Ausgangsimpulse eine erste Amplitude annehmen, um einen ersten binären Zustand darzustellen, und eine zweite Amplitude annehmen, um einen zweiten binären Zustand darzustellen.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 8, worin die Ausgangsimpulse eine erste Amplitude annehmen, um einen ersten binären Zustand darzustellen, und fehlen, d. h. eine Amplitude gleich null annehmen, um einen zweiten binären Zustand darzustellen.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 8, worin die Ausgangsimpulse einphasige Impulse umfassen.
- Kette implantierbarer elektronischer Vorrichtungen nach Anspruch 8, worin die Ausgangsimpulse zweiphasige Impulse umfassen.
- Verfahren, um Leistungs- und Steuerungsdaten zu einer Vielzahl implantierbarer medizinischer Vorrichtungen (
12 ,18 ,30 ), die jeweils an ein Zwei-Leiter-Kabel (46 ) angeschlossen sind, zu senden und von diesen übertragene Daten zu empfangen, umfassend: (a) das Erzeugen einer Zweiphasenimpuls-Abfolge von zweiphasigen Impulsen mit einer regelmäßigen Wiederholungsrate von F1 Impulsen pro Sekunde (pps), worin jeder zweiphasige Impuls in der Impulsabfolge eine Breite TW aufweist und von einem benachbarten Impuls in der Impulsabfolge um eine Zeittrenndistanz T1 getrennt ist, worin TW ≪ T1 ist und T1 = 1/F1 ist; (b) das Modulieren der Impulse der Impulsabfolge, so dass sie Datenbits darstellen, worin ein zweiphasiger Impuls, der zuerst positiv und dann negativ wird, einen ersten binären Zustand, beispielsweise eine logische 1, umfasst, und worin ein zweiphasiger Impuls, der zuerst negativ und dann positiv wird, einen zweiten binären Zustand, beispielsweise eine logische 0, umfasst; (c) das Anordnen der zweiphasigen Impulse der Impulsabfolge in Datenrahmen aus jeweils N Datenbits, worin ein erster Teilsatz der N Datenbits Adressbits umfasst, ein zweiter Teilsatz der N Datenbits einen Operationscode umfasst, ein dritter Teilsatz der N Datenbits Steuerungsdaten umfasst und ein vierter Teilsatz der N Datenbits Übertragungsdaten umfasst; (d) das Anlegen der Datenrahmen an das Zwei-Leiter-Kabel, so dass die Datenrahmen von jeder der Vielzahl implantierbarer medizinischer Vorrichtungen empfangen werden, die an das Zwei-Leiter-Kabel angeschlossen sind; (e) das Empfangen und Verarbeiten der Datenrahmen innerhalb einer jeden medizinischen Vorrichtung durch: (1) Teilen der empfangenen zweiphasigen Impulse in einen ersten und einen zweiten Signalweg, (2) das Gleichrichten und Filtern der im ersten Signalweg erzeugten zweiphasigen Impulse, um eine Betriebsspannung zu erzeugen, die verwendet wird, um die medizinische Vorrichtung zu betätigen, (3) das Demodulieren der Adressbits, die im zweiten Signalweg eines jeden Datenrahmens empfangen werden, um zu bestimmen, ob die Adressbits zu einer vorbestimmten Adresse passen, die in der medizinischen Vorrichtung gespeichert ist, und (4) wenn die Adressbits zur vorbestimmten Adresse passen, das Demodulieren des Operationscodes und der Steuerungsdaten, die im zweiten Datenweg empfangen werden; und (f) das Senden übertragener Daten von einer medizinischen Vorrichtung, für die eine Übereinstimmung zwischen den empfangenen Adressbits und der vorbestimmten Adresse besteht, durch: (1) das Erzeugen eines Ausgangsdatenimpulses mit einer Breite ≪ T1, wobei der Ausgangsdatenimpuls eine erste Amplitude, beispielsweise eine maximale Amplitude, um einen ersten binären Zustand darzustellen, und eine zweite Amplitude, beispielsweise eine minimale Amplitude, aufweist, um einen zweiten binären Zustand darzustellen, und (2) das Anlegen des Ausgangsdatenimpuls an das Zwei-Leiter-Kabel zu einem Zeitpunkt im Datenrahmen, der zwischen den zweiphasigen Impulsen der N Datenbits liegt, die einen Datenrahmen definieren. - Verfahren nach Anspruch 13, worin die erste Amplitude von Schritt (f)(1) eine Amplitude ungleich null umfasst und die zweite Amplitude von Schritt (f)(1) eine Amplitude gleich null umfasst, wodurch das Vorhandensein eines Ausgangsdatenimpulses mit einer erkennbaren Amplitude zum Zeitpunkt im Datenrahmen, der zwischen den zweiphasigen Impulsen der Datenbits im Datenrahmen liegt, den ersten binären Zustand darstellt, und das Fehlen eines Ausgangsdatenimpulses den zweiten binären Zustand darstellt.
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