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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum drahtlosen Übertragen
von Information hinsichtlich variabler physiologischer Daten, und
insbesondere zum drahtlosen Übertragen
von solcher Information, die durch invasive Messungen bestimmt worden
sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
besteht ein allgemeiner Bedarf dahingehend, physiologische Größen invasiv
zu messen. Wenn beispielsweise Herz-Kreislauf-Erkrankungen untersucht werden, ist
es in außerordentlichem
Maße erwünscht, lokale
Messungen des Druckes und des Durchflusses zu erzielen, um die Beschaffenheit
des Subjektes abschätzen
bzw. einschätzen
zu können.
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Von
daher wurden Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, um einen Miniatur-Sensor
bei dem Einsatzort einzusetzen, wo die Messungen durchgeführt werden
sollen, und um mit dem Miniatur-Sensor zu kommunizieren.
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Beispielsweise
werden in der US-Patentschrift Nr. 3,853,117 ein System und ein
Verfahren zum Messen eines Fluid-Drucks eines lebendigen Körpers beschrieben.
Ein Sensor zur Implantation in die Schädelhöhle ist als mechanische Resonanzstruktur
ausgebildet, wobei die Resonanzfrequenz eine Funktion des Fluid-Drucks
ist. Indem Schallenergie von einer externen Quelle eingesetzt und
das entsprechende Resonanzsignal empfangen werden, ist es möglich, die
Resonanzfrequenz zu detektieren, und demgemäss ist es möglich, den Druck des Fluides
zu ermitteln.
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Ein
anderes Beispiel einer intrakraniellen Drucküberwachung ist aus der US-Patentschrift 4,026,276
bekannt, in welcher eine Vorrichtung beschrieben wird, die einen
passiven Resonanzschaltkreis enthält, der eine durch den Umgebungsdruck beeinflusste
natürliche
Frequenz aufweist. Der lokale Druck wird gemessen, indem jene Frequenz
festgestellt wird, bei welcher Energie von einem auferlegten elektromagnetischen
Feld absorbiert wird, welches hinsichtlich der Schädelhöhle extern
angeordnet ist.
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Um
die gemessene Darstellung der physiologischen Größe zu übertragen, wurden Vorrichtungen entwickelt,
die sowohl auf einer akustischen als auch einer elektromagnetischen
Interaktion basieren. In beiden Fällen weist der Sensor ein Resonanzelement
auf, wobei seine Resonanzfrequenz eine Funktion der zu ermittelnden
physiologischen Größe ist. Von
einem externen Sender wird Energie von jeweils akustischen oder
elektromagnetischen Wellen in Richtung des Resonanzelementes ausgestrahlt.
Die Frequenz der übertragenen
Energie wird über
einen zuvor ausgewählten
Bereich abgetastet und mittels einer Überwachungseinheit registriert.
Während
der Frequenzabtastung wird die registrierende Einheit die Resonanzfrequenz
des Resonanzelementes detektieren, da bei dieser Frequenz ein Abfall
der überwachten, übertragenen
Energie auftreten wird.
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Beide
oben genannte Beispiele der bekannten Vorrichtungen für invasive
Messungen von physiologischen Größen sind
Beispiele von passiven Systemen, d.h. der im Inneren des Körpers angeordnete Sensor
benötigt
keine Energiequelle, wie etwa eine Batterie oder eine über elektrische
Leitungen bereitgestellte Elektrizität.
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Um
während
der Untersuchung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen einen Sensor zu
einem bestimmten Messpunkt zu führen,
ist es bekannt, an das distale Ende eines Führungsdrahtes oder eines Katheders
einen Miniatur-Sensor zu montieren. Der Führungsdraht oder der Katheder
wird in ein Blutgefäß, wie etwa
in die Oberschenkel-Arterie eingeführt und mittels Radioskopie
bzw. Röntgendurchleuchtung
zu lokalen Stellen innerhalb des Herz-Kreislauf-Systems geführt, wo
die unpassende Funktionalität
bzw. Störung
erwartet wird.
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Die
Entwicklung von Miniatur-Sensoren oder Mikro-Sensoren für eine Anzahl
von physiologischen Größen, einschließlich des
Druckes, des Durchflusses, der Temperatur, etc., weist eine lange
Geschichte auf.
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Jedoch
ist es aufgrund der geringen physischen Dimensionen, der erforderlichen
mechanischen Präzision
und aufgrund der unabdingbaren Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit
des Patienten schwierig, in einer kosteneffizienten Art und Weise
den Sensor und die angeschlossenen Kabel und Verbinder anzuordnen
bzw. zusammenzubauen. Im einzelnen wird abgeschätzt, dass von den gesamten Herstellungskosten
solcher Vorrichtungen etwa die Hälfte
der Kosten oder noch mehr auf Verbinder und Kabel zurückzuführen ist.
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Als
eine Folge hiervon sind Vorrichtungen, die diese Funktionen ausführen, ziemlich
teuer, und ihr Einsatzspektrum ist auf Bereiche der höchsten klinischen
Priorität
beschränkt.
Der Kostenaspekt wird ferner durch die Tatsache gesteigert, dass
Vorrichtungen für
invasive Eingriffe aufgrund des Risikos der Übertragung von Infekten als
Wegwerfartikel betrachtet werden müssen. Wenn die Kosten der Kabel und
Verbinder minimiert oder zumindest gesenkt werden können, wären große Einsparungen
möglich.
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Ein
anderes Problem bei passiven Sensoren jener in der US-Patentschrift Nr.
4,026,276 offenbarten Art ist in der unerwünschten elektromagnetischen Kopplung
zwischen dem Sender/Empfänger
einerseits und dem Sensor andererseits zu sehen. Diese Kopplung
ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die
Leistungsversorgung und die Signalübertragung nicht funktionell
getrennt voneinander vorliegen. Eine Erscheinungsform dieses Problems
besteht darin, dass das Ausgabesignal des Systems durch die Position
des Sensors beeinflusst wird, was offensichtlich eine unerwünschte Eigenschaft
ist.
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Dieses
Problem kann überwunden
werden, indem zu dem Sensor eine aktive elektronische Schaltung
hinzugefügt
wird, die einen lokalen Sender enthält, welcher bei einer Frequenz
arbeitet, die verschieden von der Frequenz ist, welche verwendet wird,
um dem Sensor und dem Schaltkreis elektrische Leistung bereitzustellen.
Dadurch soll die Funktion der drahtlosen Leistungsversorgung von
der Funktion der Signalübertragung
separiert werden, und demzufolge soll das Ausgabesignal nicht durch die
Position des Sensors beeinflusst werden. Solch eine Lösung wird
von R. Puers in der Druckschrift
Linking
sensors with telemetry: Impact on the system design``, Proc. 8th
Int. Conf. Solid State Sensors and Actuators, Tansducers –95, Stockholm
Schweden, 25 bis 29 Juni 1995, Vol. 1, Seiten 47 bis 50, beschrieben.
Jedoch liegt ein Nachteil dieser Lösung darin, dass es schwierig
ist, die Lösung
auf eine Größe zu miniaturisieren,
welche für
eine medizinische Verwendung mit einem Führungsdraht erwünscht ist. Darüber hinaus
sind breite Bandsysteme dieser Art in Bezug auf elektromagnetische
Interferenzen und Störungen
empfänglich.
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Die
Druckschrift US-A-5,504,352 beschreibt einen implantiblen passiven
Bio-Sensor, der zumindest einen Sensor oder Messwertfühler zum Überwachen
eines physiologischen Zustandes eines Patienten sowie einen passiven
Wiedergabesensor bzw. Transponder enthält, welcher Sensor-Signale
von dem Sensor oder den Sensoren empfängt, die Sensor-Signale digitalisiert
und die digitalisierten Signale aus dem Körper des Patienten überträgt, wenn
er einem extern erzeugten Abfrage-Signal ausgesetzt ist. In einer
Ausführungsform
ist der Bio-Sensor für
eine nicht-invasible Überwachung
der Operation einer Abzweigung in der Seitenwand der Abzweigung
enthalten, die zum Behandeln eines Wasserkopfes verwendet wird.
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Von
daher besteht ein Bedarf hinsichtlich eines verbesserten Übertragungssystems
zur Kommunikation mit einem Sensor, welcher innerhalb eines Körpers eines
Subjektes angeordnet ist, und zwar für eine invasive Messung einer
physiologischen Größe, wobei
das Übertragungssystem
eine niedrigere Sensitivität
hinsichtlich der Position des Sensors sowie hinsichtlich elektromagnetischer
Interferenzen an den Tag legt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung
zum Überwinden
der zuvor geschilderten Probleme anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein passives biotelemetrisches System gemäss dem Patentanspruch
1 der beigefügten
Ansprüche
gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
elektronische Schaltung, die eine Transpondereinheit bildet, vorgesehen,
welche auf einem einzelnen Siliziumchip mit äußerst geringen Dimensionen
integriert sein kann, und welche nur eine geringe Anzahl diskreter
Komponenten erfordert, welche sämtlich
innerhalb des verfügbaren
Raumes eines Führungsdrahtes
untergebracht und eingeschlossen werden können, welcher einen Außendurchmesser
von 0,4 mm aufweist, oder welche auf einer separaten Scheibe zur
Implantation integriert sein kann. Alternativ hierzu kann die Transpondereinheit
als Implantat in einen lebendigen Körper eingeführt werden.
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Das
System arbeitet bei einer geringen Bandbreite, und von daher ist
es nicht hinsichtlich elektromagnetischer Störungen empfindlich. Das System
ist weder hinsichtlich der Position noch hinsichtlich der genauen
Steuerung der Übertragungseigenschaften
des Mediums empfindlich.
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Darüber hinaus
beseitigt es die Anforderung in Bezug auf Kabel und Verbindern,
um den Sensor mit der Umgebung außerhalb des Körpers zu
verbinden.
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Ein
weiterer Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird
anhand der nachfolgenden angegebenen detaillierten Beschreibung
ersichtlich. Jedoch muss die Erfindung so verstanden werden, dass
die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele lediglich
zum Zwecke der Darstellung angegeben sind, und zwar indem sie bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung aufzeigen.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der hierin angegebenen detaillierten
Beschreibung besser verstanden, die die beigefügten Zeichnungen einschließt, welche
lediglich zum Zwecke der Darstellung angegeben sind, und welche
von daher nicht die vorliegende Erfindung einschränken, und
in welchen:
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1 ein Blockdiagramm einer
ersten Ausführungsform
eines Kommunikationssystems gemäss
der Erfindung ist;
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2 eine schematische Darstellung
einer Funkfrequenzleistung ist, die von dem Sender eines Kommunikationssystems
gemäss
der Erfindung übertragen
wird;
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3 eine schematische Darstellung
einer gleichgerichteten Spannung in einer Transpondereinheit eines
Kommunikationssystems gemäss
der Erfindung ist;
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4 eine schematische Darstellung
eines Ausgabesignals von einem Modulator in einer Transpondereinheit
eines Kommunikationssystems gemäss
der Erfindung ist;
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5 eine schematische Darstellung
einer Funkfrequenzleistung ist, die durch eine Empfängereinheit
eines Kommunikationssystems gemäss
der Erfindung empfangen wird;
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6 eine schematische Darstellung
eines demodulierten Ausgabesignals ist;
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7 ein Blockdiagramm einer
zweiten Ausführungsform
eines Kommunikationssystems gemäss
der Erfindung ist;
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8 ein Schaltdiagramm einer
Ausführungsform
einer Transpondereinheit des Kommunikationssystems gemäss der Erfindung
ist;
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9 ein Schaltdiagramm einer
anderen Ausführungsform
einer Transpondereinheit des Kommunikationssystems gemäss der Erfindung
ist;
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10 ein Blockdiagramm einer
Ausführungsform
einer Transpondereinheit eines Kommunikationssystems gemäss der Erfindung
ist, welche die Möglichkeit
bereitstellt, sequentiell verschiedene physiologische Größen zu messen
und zu übertragen.
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11 eine Querschnittsansicht
des distalen Endes eines Führungsdrahtes
mit einer Transpondereinheit ist;
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12 eine schematische Darstellung
eines Systems gemäss
der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung ist;
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13 eine schematische Querschnittsansicht
eines Implantates gemäss
der vorliegenden Erfindung ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung liegt eine System-Architektur an den Tag,
die es gestattet, dass eine im Inneren eines menschlichen oder tierischen Körpers angeordnete
Transpondereinheit ohne den Einsatz von signalübertragenden Kabeln oder physikalischen
Verbindern mit einer außerhalb
des Körpers
angeordneten elektronischen Einrichtung kommuniziert, und wobei
die System-Architektur eine niedrigere Empfindlichkeit hinsichtlich
elektromagnetischer Interferenzen aufweist.
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Dieses
wird mit einem neuartigen Prinzip zum Kommunizieren bzw. Übertragen
der Darstellung der zu messenden physiologischen Größe erreicht,
wobei das Prinzip ebenso die Empfindlichkeit hinsichtlich der genauen
Anordnung der Mikro-Sensorschaltung
herabsetzt.
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In
einem System gemäß der Erfindung
wird Funkfrequenzleistung geringer Bandbreite von einer Quelle außerhalb
des Subjekt-Körpers emittiert
und teilweise absorbiert, um für
eine Transpondereinheit als Leistungsversorgung verwendet zu werden,
wobei die Transpondereinheit eine Modulator-Einheit und eine Sensor-Einheit
aufweist, die innerhalb des Subjekt-Körpers
angeordnet sind. Die Modulator-Einheit ist ausgelegt, um die Absorption
des elektromagnetischen Feldes gemäss einem Muster umzuändern, welches
mittels der Sensor-Einheit in Erwiderung auf die gemessene physiologische
Größe gesteuert
wird, wodurch die Absorption ein Repräsentant für diese physiologische Größe ist.
Das System enthält
eine außerhalb
des Körpers
angeordnete Empfänger-Einheit,
wobei die Einheit ausgelegt ist, die Absorption des elektromagnetischen
Feldes zu registrieren.
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Die
Transpondereinheit gemäss
der vorliegenden Erfindung ist für
einen Anwendungsbereich von invasiven Messungen nutzbar, wie etwa
für Messungen
innerhalb von Blutgefäßen (z.B.
zur Diagnose von Herz-Erkrankungen), für Druckmessungen in einem Auge,
für Messungen
in oder um das Gehirn herum, für
Aorta-Messungen,
etc. Die Transpondereinheit kann an einem langgestreckten Bauteil,
wie etwa an einem Führungsdraht
oder an einer Kanüle, angebracht
sein, oder sie kann eine implantierbare, sich selbst enthaltende
Einheit sein.
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Die
Sensor-Einheit der Transpondereinheit selber ist nicht neu und kann
irgendeine geeignete Sensor-Vorrichtung enthalten, wie etwa einen
solchen Widerstands-Sensor, wie er in der Druckschrift
An
IC Piezoresistive Pressure Sensor for Biomedical Instrumentation``,
Samann, K.D. Wise, J.D. Angell, IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. BME-20
(1973), Seiten 101 bis 109, beschrieben wird, oder einen solchen
kapazitiven Sensor, wie er in der Druckschrift
A
Monoloithic Capacitive Pressure Sensor with Pulse-Period Output``,
C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, IEEE Trans. Electron. Devices,
Vol. ED-27 (1980)1, Seiten 927 bis 930, beschrieben ist.
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Die
Modulator-Einheit der Transpondereinheit überwacht die Ausgabe von der
Sensor-Einheit und stellt basierend auf der Ausgabe von der Sensor-Einheit
eine temporär
kodierte Modulation der absorbierten Leistung bereit, das heißt die Größe der Modulation ändert sich
hinsichtlich der Zeit gemäss einem
Signal, welches einen Zustand des Sensors darstellt. Diese temporäre Modulation,
welche gemäss
einem zuvor ausgewählten
Algorithmus durchgeführt
wird, stellt kodierte Information der mittels der Sensor-Einheit
abgetasteten physiologischen Größe dar,
die in die Zeit-Domäne
bzw. in den Zeitraum überführt ist.
Die Modulation wird außerhalb
des Subjekt-Körpers
detektiert, und wenn der verwendete Algorithmus bekannt ist, wird
die Information auf einfache Weise in eine Größe konvertiert, die den Pegel der
physiologischen Größe darstellt.
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Es
wird auf die 1 Bezug
genommen, wo eine Ausführungsform
eines Kommunikationssystems gemäss
der vorliegenden Erfindung eine Sende-Einheit 1, eine Transpondereinheit 2 und
eine Empfangs-Einheit 3 enthält.
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Die
Sende-Einheit 1 enthält
einen Schmalband-Oszillator 4, einen Verstärker 5 sowie
eine Antenne 6. Funkfrequenzwellen 101 mit im
wesentlichen konstanter Amplitude und Frequenz werden bei der Betriebsfrequenz
des Oszillators 4 mittels der Antenne 6 emittiert.
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Um
die Oszillationsfrequenz bei einer konstanten oder steuerbaren Frequenz
zu steuern und zu halten, ist eine geeignete Steuereinrichtung,
wie etwa ein Quarzkristall 17, enthalten. Mit einem Quarzkristall
ist es möglich,
eine Frequenzstabilität von
10–6 oder
besser sicherzustellen. Dieses ist sowohl hinsichtlich der Unempfindlichkeit
gegenüber elektromagnetischen
Interferenzen des Systems wichtig, als auch dahingehend wichtig,
um unerwünschte
eingeführte
Interferenzen von dem System zu anderen elektronischen Einrichtungen
zu vermeiden.
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Das
System ist in typischer Weise derart ausgeführt, dass es abhängig von
dem geometrischen Operationsbereich, den Genauigkeitsanforderungen,
etc. eine Funkfrequenzleistung 101 in der Größenordnung
von 0,1 bis 10 Watt emittiert. Die Betriebsfrequenz kann in dem
Bereich von 100 MHz bis 10 GHz, typischer Weise bei etwa 400 MHz,
liegen. Die schematische Darstellung der 2 zeigt in einer nicht skalierten Art
und Weise die übertragene Funkfrequenzspannung
als eine Funktion der Zeit.
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Die
Transpondereinheit 2 der 1 enthält eine
Einrichtung zum Konvertieren der mittels der Sende-Einheit 1 erzeugten
Leistung in eine lokale Spannung. Wenn Leistung von einem einzelnen Draht
kapazitiv empfangen wird, kann eine Transponderantenne 7 als
Konvertierungseinrichtung bzw. Umwandlungseinrichtung dienen, vorausgesetzt
allerdings, dass eine Erdungs-Elektrode bei einem Potential definiert
werden kann, welches verschieden von dem Potential der Transponderantenne 7 ist. Eine
Spannungsdifferenz zwischen der Transponderantenne und der Erdungs-Elektrode
steigen an, sobald in dem Übertragungsmedium
ein Netto-Potentialgradient vorliegt. Von daher kann ein einzelner Draht,
wie etwa ein Abschnitt eines Kerndrahtes bzw. einer Kernader eines
Führungsdrahtes,
mit einer Erdungs-Elektrode als Konvertierungselement bzw. Umwandlungselement
für elektromagnetische
Wellen dienen, und zwar insbesondere bei hohen Frequenzen, die Wellenlängen der
gleichen Magnitudengröße wie die
Kabellänge
entsprechen.
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Die über den
Anschlüssen
der Antenne 7 und der neutralen Erde 18 abfallende
Spannung wird in einen Gleichrichter 9 eingegeben, beispielsweise in
eine Schottky-Diode in dem Fall hoher Frequenzen, oder in einen
PN-Halbleiter in dem Fall einer etwas moderateren Frequenz.
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Die
gleichgerichtete Spannung läuft
durch einen Tiefpass-Filter 10 und
dient dann als Versorgungsspannung für einen Mikro-Sensor 11 und
einen Modulator 12. Das Signal 102 zwischen dem
Tiefpass-Filter 10 und dem Mikro-Sensor 11 ist
schematisch in dem Diagramm der 3 dargestellt,
welche die konstante, gleichgerichtete Spannung 102 als eine
Funktion der Zeit zeigt.
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Der
Mikro-Sensor 11 spricht auf die zu messende, physiologische
Größe an, wie
etwa auf den Druck, den Durchfluss, die Temperatur, etc., und liefert
ein der Größe entsprechendes
Ausgabesignal. Er kann gemäss
der etablierten Praxis der Sensorauslegung auf einem widerstandsbasierenden,
kapazitiven, piezoelektrischen, pyro-elektrischen oder optischen
Wirkungsprinzip arbeiten.
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Der
Modulator 12 konvertiert das Ausgabesignal des Mikro-Sensors 11 in
ein temporär
kodiertes Signal, und zwar gemäss
einem spezifischen Schema oder Algorithmus, beispielsweise gemäß einer Pulsbreiten-Modulation
(PWM), einer Frequenzmodulation (FM), etc. Die Modulation wird über den Schalter 8 zu
der Transponderantenne 7 rückgekoppelt. Das Ausgabesignal 103 von
dem Modulator 12 ist schematisch in der 4 gezeigt. Wie es in der 4 dargestellt wird, ist das Ausgabesignal
bis zu dem Zeitpunkt T1 AUS. Zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt
T2 ist das Ausgabesignal EIN, wonach es wiederum in den AUS-Zustand übergeht. Zu
dem Zeitpunkt T3 ist es erneut EIN usw.
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Von
daher wird die mittels der Transpondereinheit 2 absorbierte
Leistung durch den Ablauf bzw. die Handlung des Schalters 8 beeinflusst,
so dass die Absorption unterschiedlich ist, wenn sich der Schalter
jeweils in dem Ein-Zustand oder dem Aus-Zustand befindet.
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Diese
Differenz hinsichtlich der Leistungsabsorption wird ebenso als Fluktuationen
in dem elektromagnetischen Feld gezeigt, die von der Sende-Einheit 1 derart
ausgestrahlt werden, dass sie mittels einer Empfangs-Einheit 3 detektiert
werden können.
Von daher wird, wie es in der 5 gezeigt
ist, die mittels der Empfangs-Einheit 3 detektierte Funk-Frequenzspannung 104 einen
höheren
Pegel HL während
des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2
darbieten, und einen geringeren Pegel LL vor dem Zeitpunkt T1 und
während
des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt T2 und dem Zeitpunkt T3
darbieten, etc.
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Dieses
ermöglicht
es, dass die Information der gemessenen Größe auf das übertragene elektromagnetische
Feld überlagert
wird, um mittels eines Demodulators der Empfangs-Einheit extrahiert
zu werden, wodurch ein Signal
105 erzeugt wird, welches,
wie es in
6 zu sehen
ist, im wesentlichen gleiche temporäre Eigenschaften wie das Ausgabesignal
103 von dem
Modulator in der Transpondereinheit aufweist, das heißt jede Änderung
von einem
hohen
Zustand`` zu einem
niedrigen
Zustand`` tritt beim im wesentlichen gleichen Zeitpunkt für das Signal
103 von
dem Modulator und für
das Signal
105 von dem Demodulator auf. Von daher kann
die in dem Signal enthaltene temporäre Information extrahiert werden.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass die schematische Wellendarstellung
der 5 nicht skaliert
ist. In typischer Weise absorbiert die Transpondereinheit 2 von
der mittels der Sende-Einheit 1 ausgestrahlten Gesamtenergie
0,1 bis 1%, und in typischer Weise beträgt von diesem Anteil der über den Schalter 8 bereitgestellte
Bereich der Modulation 1 bis 10% hiervon.
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Jeder
nutzbare Algorithmus kann ausgewählt
werden, um eine mit einem oder mehreren Intervallen von hoher oder
niedriger Absorption der Funk-Frequenzspannung dargestellte Messung
der physikalischen Größe in eine
charakteristische Größe zu überführen. Beispielsweise
kann der Modulator 12 ausgelegt sein, den Schalter 8 für ein Zeitintervall zu
schließen,
welches direkt proportional zu der gemessenen Größe ist. Selbstverständlich kann
die Größe wiederholt
bei ausgewählten
Intervallen gemessen werden, wobei jede dieser Messungen den Modulator
initiiert, den Schalter für
eine geeignete Zeitlänge
zu schließen.
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Als
eine Alternative hiervon kann der gemessene Wert derart hinsichtlich
der Frequenz kodiert sein, dass der Modulator 12 den Schalter 8 für eine ausgewählte Anzahl
von Zeiten für
ein vorgegebenes Zeitintervall schließt, welches einem zuvor festgelegten
Pegel der gemessenen Größe entspricht.
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Der
Modulator 12 besteht in typischer Weise aus einer digitalen
Logik und einem Schaltwerk, welches zum Zwecke des niedrigen Leistungsverbrauchs
in bevorzugter Weise mittels der CMOS-Technik (CMOS, complementary
metal oxide semiconductor) aufgebaut ist. Der Schalter 8 kann abhängig von
der Art der Modulation, der Betriebsfrequenz, etc. ein einzelner
Transistor, entweder ein Bipolar-Transistor oder ein Feldeffekt-Transistor
sein.
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Die
Transpondereinheit 2 kann physikalisch in einer oder in
wenigen Komponenten mit sehr kleinen Abmessung miniaturisiert sein.
Beispielsweise kann der Mikro-Sensor 11 ein kapazitiver
Drucksensor sein, der durch Oberflächenbearbeitung von Silizium
hergestellt ist, und der Dimensionen aufweist, die kleiner als 100×100×100 Mikrometer
sind. Das Schaltwerk, welches den Gleichrichter 9, den
Tiefpass-Filter 10, den Modulator 12 sowie den
Schalter 8 enthält,
kann auf einem separaten Silizium-Chip integriert sein, welcher
in etwa die gleichen Ausmaße wie
der Mikro-Sensor aufweist.
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Die
Transponderantenne 7 ist in bevorzugter Weise mit einem
Kerndraht bzw. einer Kernader eines Führungsdrahtaufbaus integriert,
wie es nachfolgend und unter Bezugnahme auf die 11 beschrieben wird, jedoch kann sie
ebenso an einem Implantat angefügt
sein, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die 13 beschrieben wird. Elektrische Verbindungen
zwischen den Komponenten können
effizient durch Drahtbonden oder "Flip-Chip"-Bonden ausgeführt werden.
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Der
Empfänger 3 enthält eine
Empfangs-Antenne 13, einen Verstärker 14 sowie einen
Demodulator 15. Der Demodulator 15 konvertiert
das Zeit- oder Frequenz-kodierte Signal zurück zu einem Sensor-Signal,
und zwar gemäss
einem Algorithmus, der invers hinsichtlich des Algorithmus des Modulators 12 ist.
Der Empfänger 3 enthält ebenso
eine Einrichtung 16 zur Signalverarbeitung und Darstellung.
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Der
Verstärker 14 ist
in bevorzugter Weise von dem Typ, der in der Literatur als Phasen-sensitiver,
Phasen-nachführender
oder synchroner Verstärker
bekannt ist. Die Bandbreite von solch einem Verstärker kann äußerst gering
sein. Das System gemäss
der Erfindung arbeitet in bevorzugter Weise bei einer äußerst geringen
Bandbreite, um den Einfluss der elektromagnetischen Störungen zu
minimieren.
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Wie
es in der 8 gezeigt
ist, weist ein Beispiel eines detaillierten Schaltungsdiagramms
einer Ausführungsform
einer Transpondereinheit 72 eine Transponderantenne 71,
einen aus einer Diode und einer Kapazität bestehenden Gleichrichter 73,
einen kapazitiven Sensor 75, drei Invertierer 76, 77, 78 sowie
einen Widerstand 74 auf. Die Schaltung bildet einen Rechteck-Wellengenerator,
der bei einer durch R × C
vorgegebenen Periodenzeit arbeitet, wobei R der Widerstandswert
des Widerstandes 74 in Ohm ist, und wobei C die Kapazität des Sensors 75 in
Farad ist. Von daher wird die Zeitperiode dem Wert der physiologischen
Größe entsprechen,
wie diese gemessen wurde. Diese Schaltung weist einen äußerst geringen
Stromverbrauch auf, wenn sie in der CMOS-Technik implementiert ist.
In der Tat findet der Haupt-Leistungsverbrauch
während
der kurzen Schaltvorgänge
statt. Aufgrund dieses vorübergehenden
bzw. instationären
Zunehmens hinsichtlich des Leistungsverbrauchs können diese Vorgänge, wie
es nachfolgend beschrieben wird, entfernt mittels einer externen
Demodulator-Einheit detektiert werden.
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In
der 9 ist ein detailliertes
Schaltungsdiagramm von noch einer anderen Ausführungsform einer Transpondereinheit 82 gezeigt,
welche einen Widerstandssensor 85, einen aus einer Diode
und einer Kapazität
bestehenden Gleichrichter 87, einen Operationsverstärker 81,
zwei andere Widerstände 83, 84,
eine Kapazität 86 sowie
eine Transpondereinheit 88 aufweist. Analog zu der zuvor
unter Bezugnahme auf die 8 beschriebenen
Schaltung erzeugt die Schaltung gemäss der 9 eine Rechteck-Wellenform, wobei die
Periode dieser Rechteck-Wellenform durch die passiven Komponenten der
Schaltung, beispielsweise durch den Widerstand des Sensors 85,
festgelegt ist.
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In
der 7 ist eine zweite
Ausführungsform des
Kommunikations- bzw. Übertragungs-Systems gemäss der Erfindung
gezeigt. Die Transpondereinheit 22 entspricht der Transpondereinheit 2 der 1, und enthält eine
Transponderantenne 28, einen Gleichrichter 29,
einen Tiefpass-Filter 30, einen Mikro-Sensor 31,
einen Modulator 32 sowie einen Schalter 33.
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Die
Empfangs-Einheit 21 von 7 operiert sowohl
als Sender von Funkfrequenzleistung sowie als Empfänger des
Sensor-Signals,
welches als passive Modulation der mittels einer Transpondereinheit 22 absorbierten
Leistung bereitgestellt wird. Von daher enthält die Sende-Einheit 21 analog
zu der Sendeeinheit 1 der 1 einen
Oszillator 23, einen Quarzkristall 34, einen Verstärker 24 sowie
eine Antenne 25. Zusätzlich
enthält
die Sende-/Empfangseinheit 21 analog zu der Empfangseinheit 3 der 1 ebenso einen Demodulator 27 sowie
eine Einrichtung zur Signalverarbeitung und Signal-Darstellung.
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Der
Modulator 27 wird verwendet, um kleine und zeitabhängige Größen der
Impedanz der Antenne 25 zu detektieren. Wenn eine Veränderung
hinsichtlich der mittels des Modulators 32 und des Schalters 33 eingeführten Leistungsabsorption
vorliegt, werden Veränderungen
hinsichtlich der Antennen-Impedanz gemäss etablierten Prinzipien reziproker
Netzwerke eingeführt.
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Es
wird auf die 10 Bezug
genommen, wo eine Ausführungsform
einer Transpondereinheit 42 in einem Kommunikationssystem
gemäss
der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, welches die Möglichkeit
bereitstellt, verschiedene physiologische Größen sequentiell zu messen und
zu übertragen.
Obwohl es nicht in der 10 dargestellt
ist, sind ebenso in dem Kommunikations- bzw. Übertragungs-System entsprechend dem unter Bezugnahme
auf 1 Beschriebenen
eine Sende-Einheit und eine Empfangs-Einheit, oder, wie er unter
Bezugnahme auf die 7 beschrieben
wird, ein Sender/Empfänger
enthalten.
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Eine
ausgewählte
Anzahl von Mikro-Sensoren 41, 43, 47 sind
vorgesehen (in 10 sind
als Beispiel drei Mikro-Sensoren gezeigt, und zusätzliche
Mikro-Sensoren sind durch punktierte Linien angedeutet), wobei jeder
Mikro-Sensor einer oder mehrerer der zu untersuchenden physiologischen
Größen entspricht.
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Jeder
Sensor 41, 43, 47 liefert ein zumindest eine
physiologische Größe darstellendes
Signal an einen Multiplexer 44, der jeden Sensor sequentiell oder
gemäss
einer anderen zuvor festgelegten Regel mit einem Modulator 45 und
einem Schalter 46 verbindet. Das Arbeitsprinzip des Modulators 45 und
des Schalters 46 ist analog zu dem Prinzip des zuvor beschriebenen
Modulators 12 und des zuvor beschriebenen Schalters 8 der 1. Die Abfolge, mit welcher
einzelne Sensoren 41, 43, 47 mit dem
Modulator 45 verbunden werden, kann entweder auf einem
in dem Modulator und der Sensor-Einheit 42 enthaltenen,
frei-laufenden bzw. unabhängig
arbeitenden Oszillator (nicht dargestellt) basieren, oder sie kann
mittels einer Adressier-Routine getriggert werden, die in der Leistungsemission
von der Sende-Einheit, beispielsweise durch Frequenz- oder Amplituden-Modulation
der Leistungsemission, eingegliedert ist. Von daher sind viele Konfigurationen
möglich,
um die Übertragung
einer erfassten Größe von einem
Sensor zu steuern, jedoch ist die Tatsache, dass ein Mikrocontroller 47 mit
dem Multiplexer 44 verbunden ist, um eine digitale Steuerung
der Adressier-Routinen bereitzustellen, für sämtliche solcher Konfigurationen
gemeinsam.
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Unter
Bezugnahme auf die 11 wird
eine einen Mikro-Sensor 52 sowie eine Leistungskonvertierungs-
und Modulations-Schaltung 53 enthaltende Transpondereinheit 151 gezeigt,
welche, wie obig erläutert,
bei dem distalen Ende des Führungsdrahtes 50 angebracht
ist. Ein Kerndraht bzw. eine Kernader 51 erstreckt sich
durch die Länge
des Führungsdrahtes.
Zum Bereitstellen einer verminderten Biegungssteifheit ist der aus
einem einzelnen oder mehradrigen Kabel bestehende Kerndraht 51 in
typischer Weise mit einem einen reduzierten Durchmesser aufweisenden
Abschnitt 55 versehen, um das Risiko der Beschädigung des
Gefäßes während der
Positionierung zu mindern. Aus dem gleichen Grund ist in typischer
Weise die Spitze des Führungsdrahtes 56 abgerundet.
Eine Wicklung 57 deckt den Abschnitt 55 des reduzierten
Durchmessers ab, um das distale Ende des Führungsdrahtes mit einem im
wesentlichen gleichförmigen
Außendurchmesser
zu versehen.
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Die
Transpondereinheit 151 ist in dem Kerndraht-Abschnitt 55 in
einer Aussparung 153 eingebracht, und elektrisch 154 mit
dem Kerndraht 51 verbunden, um ein Erdungs-Potential der
Transpondereinheit über
den Kerndraht bereitzustellen.
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Ein
Wicklungsdraht-Abschnitt 54 aus einem für Röntgenstrahlen undurchlässigen Material,
wie etwa Platin, ist ähnlich
wie die Wicklung 57 spiralförmig um einen Teil des Führungsdraht-Abschnittes 55 gewunden,
um die Transpondereinheit 151 abzudecken, und um gleichzeitig
einen Teil der Außenfläche des
distalen Endes des Führungsdrahtes
zu bilden. Der Wicklungs-Draht 54 ist mittels einer Isolierschicht 155 von
dem Kerndraht 51 isoliert und mit der Transpondereinheit
verbunden, um als Leistungs-Konvertierungs- bzw. Leistungs-Umwandlungs-Einrichtung zu
dienen, und zwar so wie es unter Bezugnahme auf die Leistungs-Konvertierungs-
bzw. Leistungs-Umwandlungs-Transponderantenne 7 der 1 beschrieben wird.
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Da
der Kerndraht 51 und der Draht 54 verschiedene
räumliche
Anordnungen aufweisen, wird von daher dann eine Spannung zwischen
ihnen auftreten, wenn ein elektrischer Feld-Gradient vorhanden ist,
wie es der Fall ist, wenn wie obig beschrieben eine Sende- oder
Empfangs-Einheit aktiviert ist.
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12 zeigt ein Beispiel der
Verwendung eines Systems gemäss
der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Subjekt 62 mit
einer Transpondereinheit 61 untersucht wird, die an einem
Führungsdraht 66 montiert
ist. Der Führungsdraht 66 wurde
chirurgisch in die Oberschenkelarterie eingeführt und so weit vorgeschoben,
bis die Transpondereinheit 61 innerhalb des Herzens angeordnet
ist, was lokale kardiovaskulare Messungen ermöglicht. Außerhalb des Subjektes 62 ist
eine Sende/Empfangs-Einheit 63 mit einer Antenne 64 angeordnet.
Die Sende-/Empfangs-Einheit 63 ist mit einer Signal-Verarbeitungs- und
Signal-Darstellungseinheit 65 verbunden. Die Signal-Verarbeitungs-
und Darstellungseinheit 65 kann, wie es für einen
Fachmann ersichtlich ist, irgendeine geeignete Vielzweck-Vorrichtung
sein, wie etwa ein Arbeitsplatz-Computer mit einer geeigneten Schnittstellenschaltung.
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Anstatt
dass die Transpondereinheit an einem Führungsdraht montiert ist, kann
die Transpondereinheit, wie es in der 13 gezeigt
ist, auf einem Substrat 162 montiert sein, welches als
Implantat 160 in den Körper
eingeführt
wird. Das Implantat ist mit einem Schutz-Ummantelungsmaterial 164 überdeckt, wie
etwa ein Silikon-Kunstharz, um die Schaltung sowie das das Implantat
umgebende Körpergewebe
zu schützen.
Eine Transponderantenne 167, die, wie es zuvor für die verschiedenen
Ausführungsformen
der Transponderantenne beschrieben wurde, mit der Transpondereinheit
verbunden ist, und die aus einem biologisch annehmbaren Metall ausgebildet
ist, läuft durch
das Ummantelungsmaterial hindurch.
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Selbstverständlich kann
beispielsweise die Transpondereinheit eines Substrats, das ihren
Sensor enthält,
irgendeine von den zuvor beschriebenen Transpondereinheiten sein.
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Das
Implantat 160 ist bei der Mess-Seite angeordnet, und ist
mittels einer geeigneten Befestigungseinrichtung des Implantates
hieran befestigt. Ein Beispiel von solch einer Befestigungseinrichtung ist
in der 13 als ein Loch
durch das Implantat gezeigt, wobei das Loch zur Verankerung des
Implantates mit einer chirurgischen Naht verwendet wird. Andere
solche Befestigungseinrichtungen könnten Klammern oder hakenähnlich Vorsprünge sein.
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Im
Unterschied zu den bisher verwendeten Systemen, in welchen eine
Frequenzabtastung verwendet wird, um eine Resonanzfrequenz zu ermitteln,
wobei der Wert hiervon die physiologische Größe anzeigt, wird von daher
gemäss
der vorliegenden Erfindung die Informationen der physiologischen Größe ermittelt,
indem eine konstante, zuvor ausgewählte Trägerfrequenz verwendet wird.
Stattdessen wird die Information auf der konstanten Trägerfrequenz
in der Gestalt einer Zeit- oder Frequenz-basierenden Modulation überlagert.
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Gemäss der Erfindung
wird die Trägerfrequenz
mittels eines alternierenden elektromagnetischen Feldes, das ebenso
Energie für
die Operation der Transpondereinheit bereitstellt, der in einem
lebendigen Körper
angeordneten Transpondereinheit bereitgestellt. Die Transpondereinheit
wirkt mit dem derart angelegten elektromagnetischen Feld zusammen,
das bei der Sensorseite mittels zumindest einem physikalischen Parameter
bestimmt wird. Das Zusammenwirken, welches gemäss einem Muster, welches einen
Wert des physikalischen Parameters darstellt, als eine Änderung
in der Stärke
des elektromagnetischen Feldes beobachtbar wird, wird außerhalb
des Körpers überwacht
und mittels einer Demodulations-Einheit interpretiert.
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Von
daher wird die Übertragung
des gemessenen Parameterwertes in einer kabellosen Art und Weise
erzielt, wodurch der Bedarf hinsichtlich Verbindern und Kabeln entlang
des Führungsdrahtes
beseitigt wird.
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Mit
der Erfindung werden eine Anzahl von Vorteile erzielt.
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Von
daher kann die erforderliche elektronische Schaltung auf einem einzelnen
Siliziumchip integriert sein, der extrem kleine Abmessungen aufweist,
und die elektronische Schaltung bedarf nur eine geringe Anzahl diskreter
Komponenten. Insgesamt können
sämtliche
notwendige Komponenten innerhalb eines verfügbaren Raumes eines Führungsdrahtes
angeordnet und eingepackt werden, wobei der Führungsdraht einen Außendurchmesser
von 0,4 mm oder weniger aufweist.
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Ebenso
arbeitet das System bei einer niedrigen Bandbreite, und es ist von
daher nicht hinsichtlich elektromagnetischer Störungen empfindlich. Darüber hinaus
ist das System nicht empfindlich gegenüber der Position des Senders
oder gegenüber
der genauen Steuerung der Übertragungseigenschaften des
Mediums.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene
Arten hinsichtlich der obig angegebenen detaillieren Beschreibung
verändert werden
kann. Es ist beabsichtigt, dass solche Veränderungen innerhalb des Umfangs
der nachfolgenden Patentansprüche
enthalten sind.