DE10111059A1

DE10111059A1 - Magnetfeldsensor für eine implantierbare medizinische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10111059A1
Application number: DE10111059A
Authority: DE
Inventors: David L Thompson
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2001-10-25
Also published as: FR2805999A1; US6580947B1; FR2805999B1

Abstract

Eine implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) verwendet einen Solid-State-Sensor zum Detektieren der Einwirkung eines externen magnetischen Feldes, wobei der Sensor einen oder mehrere auf Magnetfeld reagierende, mikroelektromechanische (MEM) Schalter, hergestellt in einem IC und gekoppelt mit einer Schalter-Signalverarbeitungsschaltung des ICs, umfaßt, die periodisch den Zustand jedes MEMs bestimmt. Der MEM-Schalter umfaßt einen über einen fixen Kontakt durch ein Aufhängungselement aufgehängten bewegbaren Kontakt, so daß die MEM-Schalterkontakte entweder normal offen oder normal geschlossen sind. Auf dem Aufhängungselement ist eine ferromagnetische Schicht gebildet, und der aufgehängte Kontakt wird zum fixen Kontakt angezogen oder vom fixen Kontakt abgestoßen. Die ferromagnetische Schicht, die Eigenschaften des Aufhängungselements und der Abstand der Schalterkontakte kann eingestellt werden, um die Schalterkontakte als Reaktion auf einen Schwellwert einer magnetischen Feldstärke und/oder -polarität zu schließen (oder öffnen). Eine Vielzahl solcher magnetisch betätigter MEM-Schalter wird vorgesehen, um die IMD zu veranlassen, einen Betriebsmodus oder einen Parameterwert zu ändern und Programmieren und Uplink-Telemetrie-Funktionen zu ermöglichen oder zu beeinflussen.

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen den Bereich der implantierbaren medizinischen Vorrichtungen, und insbesondere eine implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD), die eine oder mehrere mikroelektromechanische (MEM) Ma gnetfeldsensoren umfaßt, die zwischen einem offenen und geschlossenen Zu stand als Reaktion auf die Einwirkung eines magnetischen Felds durch die Haut oberfläche des Patienten über der IMD schalten.

Stand der Technik

In dem Bereich der IMD's, die in einem Körper eines menschlichen Patienten im plantiert werden, wie Herzschrittmacher und implantierbare Cardioverter- Defibrillatoren und dergleichen ist es oftmals wünschenswert, daß bestimmte Be triebsmodi und Parameter der Vorrichtung zeitweise oder dauerhaft in nicht invasi ver Weise (z. B. nicht-operativ) geändert werden. Eines der am gebräuchlichsten Verfahren einer nicht-invasiven Änderung von Betriebsparametern verwendet ei nen miniaturisierten, im IMD-Gehäuse enthaltenen Reed-Schalter, der auf die Einwirkung eines Magnetfeldes durch die Haut des Patienten über der IMD rea giert, z. B. durch Schließen der Schalterkontakte, solange das Magnetfeld ansteht.

Der typische magnetische Reed-Schalter besteht aus einer hermetisch abgedich teten Einkapselung, in der zwei metallische Reeds angeordnet sind. Die metalli schen Reeds sind in der Einkapselung derart angeordnet, daß, wenn ein hinrei chend starkes Magnetfeld von außerhalb des Körpers des Patienten auf die IMD einwirkt, die magnetische Kraft die zwei Reeds in elektrischen Kontakt miteinander bringt, wodurch ein elektrischer Schaltkreis vervollständigt wird. Wenn das magne tische Feld zurückgezogen wird, trennen sich die Reeds, wobei der elektrische Schaltkreis unterbrochen wird. Solch eine Anordnung ist zum Beispiel in den be kannten US-Patenten Nrn. 3,805,796, 3,920,005 und 4,066,086 offenbart.

Solche miniaturisierte Reed-Schalter wurden zuerst bei implantierbaren Pulsgene ratoren (IPGs) von Herzschrittmachern eingesetzt. Der Reed-Schalterverschluß wird in Zusammenhang mit der Forderung an Herzschrittmacher IPGs verwendet, die Schrittrate auf einen fixen Wert oder auf einen asychronen Modus zum Nach behandeln und zur trans-telefonischen Bewertung des implantierten Herzschritt machers zu schalten. Zusätzlich werden Schrittrate, Pulsbreite und Modiwechsel, die auf Schließen des Reed-Schalters erscheinen, zum Überwachen der Vorrich tungsfunktion und des Batteriestatus verwendet. Eine Verwendung dieser Technik war, eine unmittelbar bevorstehende Batterieerschöpfung durch Beobachtung ei nes Wechsels der Schrittrate von einer vorgegebenen oder programmierten Schrittrate als Reaktion auf die Batterie-Spannungsabfall anzuzeigen, wie zu Bei spiel im US-Patent Nr. 4,445,512 beschrieben. Dieser Lösungsweg konnte nur einen Niedrig-Bandpaßkanal schaffen, natürlich um Wechselwirkung mit der primä ren Funktion des Anstoßens des Patientenherzens, wenn notwendig, zu vermei den.

Als sich die digitale Schaltkreistechnik verbesserte, wurde bemerkt, daß die Steue rung der Betriebsmodi und der Parameter von implantierten medizinischen Vor richtungen durch digitale oder binäre Schaltkreise realisiert werden konnte, welche gespeicherte Steuerungszustände oder Parameterwerte ermöglichen. Um einen Betriebsmodus oder Parameterwert zu ändern, wurden "Programmierer" auf Basis von Radiofrequenz-Downlink-Datenkommunikation (RF) von einem externen Pro grammierübertrager zu einem Fernübertrager und einem in der IMD aufgenomme nen Speicher entwickelt. Durch die Verwendung solcher Telemetriesysteme wurde es möglich, eine Uplink-Daten-Telemetrie zu schaffen, um die Inhalte eines Regi sters oder Speichers in der IMD an den Telemetrie-Empfänger im Programmierer zu übertragen, wobei die gleichen RF-Übertragungsmöglichkeiten verwendet wer den. Für den magnetisch betätigten Reed-Schalter war es erforderlich, durch ein extern einwirkendes Magnetfeld geschlossen zu werden, um dem IPG zu ermögli chen, auf gleichzeitig übertragene Downlink-Telemetriesignale zu antworten, um sicherzustellen, daß der IPG-Telemetrie-Empfänger nicht falscherweise auf RF EMI antworten würde, welchem der Patient ausgesetzt sein könnte. Daher wurden verschiedene Programmabläufe vorgeschlagen, die das Erfordernis für ein extern einwirkendes Magnetfeld und das Reed-Schalter Schließen eliminieren, die mei sten IMDs und RF-Telemetriesysteme verwenden dessen einsetzen.

Herzschrittmacher und ICD IPGs und andere IMDs werden kontinuierlich kleiner und kleiner gemacht, während die Langlebigkeit und die Betriebsfunktionen blei ben oder sogar zunehmen. Reed-Schalter sind typischerweise die einzigen be weglichen Teile in solchen IMD-Gehäusen, wobei sie theoretisch hinsichtlich Be schädigung oder mechanischem Fehler wie solche, die durch Vibration oder me chanischem Schock oder Handhabung während der Montage des IMD's, geeig neter gemacht werden, als die elektronischen Bauteile des Herzschrittmachers. Es ist schwierig, Reed-Schalter bei gleichzeitigem Halten hoher Zuverlässigkeit und Integrität wie auch befriedigender Sensibilität zu miniaturisieren, um nur auf vorge gebene Magnetfeldintensitäten zu reagieren und nicht auf schwache Magnetfelder zu reagieren, die auf den Patienten von anderen elektromagnetischen Vorrichtun gen oder Systemen treffen können. Obwohl ein Reed-Schalter sensibel genug sein muß, auf ein bestimmtes, extern einwirkendes Magnetfeld zu reagieren, ist es wichtig, daß der Schalter nicht dermaßen empfindlich ist, daß auf jedes Magnet feld, welchem der Patient während der täglichen Aktivität ausgesetzt sein könnte, reagiert. Demzufolge sind die Herstellungstoleranzen für Reed-Schalter niedrig, wodurch die Herstellkosten hoch sind.

Eine Anzahl alternativer Vorrichtungen wurde vorgeschlagen, um die Nachteile eines Reed-Schalters zu überwinden. Das bekannte US-Patent Nr. 4,301,804 of fenbart einen Herzschrittmacher-IPG, in welchem eine Schaltung einen Strobe- Signal verwendet wird, um einen Stromfluß durch ein Hall-Element einzuschalten, bei jedem Herzschrittmacher-Pulszyklus für eine ausgewählte Zeitdauer. Die An wesenheit eines externen magnetischen Felds ändert die elektrischen Eigen schaften des Hall-Elements (typischerweise bei einem Herstellungsprozeß für eine integrierte bipolare Schaltung implementiert), so daß eine positive Spannung für den Herzschrittmacher-Schaltkreis geschaffen wird, wenn das Element getaktet wird. Obwohl das Hall-Element keine mechanische Vorrichtung und diesbezüglich dem Reed-Schalter vorzuziehen ist, stellte sich heraus, daß das Hall-Element we niger empfindlich als ein Reed-Schalter ist, ein teures Verfahren und einheitliche, teure Ummantelung erfordert und nicht mit dem Standardverfahren für Linear- CMOS kompatibel ist, welches bevorzugt bei implantierbaren medizinischen Vor richtungen verwendet wird.

Als eine Alternative zum Verwenden mechanischer Reed-Schalter oder Hall- Elemente zum Detektieren magnetischer Felder wurde in den bekannten US- Patenten Nrn. 5,438,990, 5,292,342, 5,391,188 und 5,891,180 zum Beispiel vor geschlagen, Mehrfach-Drain-Feldeffekt-Transistoren, gelegentlich MAGFET's ge nannt, für diesen Zweck einzusetzen. Obwohl ähnlich zu einem konventionellen Feldeffekt-Transistor (FET) ist der Drain von einem MAGFET in zwei isolierte Hälften aufgespalten. Eine Einwirkung eines magnetischen Feldes auf eine MAGFET-Vorrichtung bewirkt eine Differenz der Ströme in den gespaltenen Drain- Hälften, wobei die Größe der Differenz zur Stärke des einwirkenden Magnetfeldes direkt proportional ist.

Obwohl MAGFET's wie Halleffekt-Vorrichtungen den Vorteil von Vorrichtungen mit stabilen Zustand aufweisen, sind einige Probleme mit der Verwendung von Hall effekt und MAGFET's bekannt. Im Gegensatz zu klassischen Reed-Schaltern, ver brauchen die MAGFET's und Halleffekt-Vorrichtungen elektrische Energie, wenn sie als Reaktion auf ein Taktsignal arbeiten. Eine komplexere Schaltung als in dem oben genannten '770 Patent ist erforderlich, um die MAGFET-Signale zu verar beiten, um eine adäquate Empfindlichkeit zu schaffen, und um Drift und Leckagen zu kompensieren, als für ein einfaches Reed-Schalter-Signal erforderlich. Der klassische Reed-Schalter, obwohl er allzu groß ist, weist den Vorteil auf, bei den Betriebscharakteristiken beständiger und empfindlicher gegenüber einwirkenden Magnetfeldern zu sein und erfordert keine einwirkende Energie und viel weniger Signalverarbeitungsschaltung.

Daher existiert ein Bedürfnis für einen Magnetfeld-Aktivierbaren Schalter, der die diese vorteilhaften Eigenschaften des Reed-Schalters nachahmt, und weitgehend miniaturisiert und fertig in eine IMD eingeschlossen werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzen ein oder mehrere Magnetfeld- betätigbare MEM-Schalter den Reed-Schalter, den MAGFET oder die Halleffekt- Vorrichtungen, wie oben beschrieben, gewöhnlich verwendet oder vorgeschlagen zur Verwendung in IMD's. Gemäß der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehrere MEM-Schalter vorgesehen sein, die selektiv auf extern einwirkende Nord(N)- oder Süd(S)-polarisierte Felder und/oder auf unterschiedliche, magneti sche Feldstärken reagieren, um separate Einzel- oder Mehrfachschalterverschluß- Signale zu erzeugen, die die IMD veranlassen, selektiv zu antworten und in den getrennt vorgegebenen Betriebsmodi zu arbeiten.

Der MEM-Schalter umfaßt einen bewegbaren Kontakt, der so durch ein Aufhän gungselement über einem fixen Kontakt hängt, daß die MEM-Schalter-Kontakte jeweils normal offen oder normal geschlossen sind. Auf dem Aufhängungselement ist eine ferromagnetische Schicht gebildet, und der hängende Kontakt wird zum fixen Kontakt angezogen oder von ihm abgestoßen. Die ferromagnetische Schicht, die Eigenschaften des Aufhängungselements und der Abstand der Schalterkon takte können für eine Reaktion auf eine Schwelle für eine Magnetfeldstärke und/ oder -polarität passend gemacht werden. Eine Vielzahl solcher magnetisch betä tigten MEM-Schalter ist vorgesehen, um ein Ändern des Betriebsmodus oder eines Parameterwertes des IMD zu bewirken und Programmieren und Uplink-Telemetrie- Funktionen zu ermöglichen oder zu beeinflussen.

Eine IMD Steuerungs- und Ablaufschaltung setzt IMD-Betriebsmodi gemäß pro grammierter Betriebsmodi und Parameterwert-Befehle. Die IMD-Steuerungs- und und Ablaufschaltung reagiert auf ein Schaltersignal, um einen programmierten Be triebsmodus oder Parameterwert zu beeinflussen. Eine Anzahl von Programmier- und Abfragefunktionen kann selektiv erreicht werden, wenn eine Vielzahl von ma gnetisch betätigten MEM-Schaltern jeweils selektiv reagierend auf die einwirken den magnetischen Feldstärken und/oder -polaritäten in der IMD-Schaltung auf genommen sind.

Der magnetisch betätigte MEM-Schalter bietet eine Vielzahl von Vorteilen. In einer Vorgehensweise werden Techniken zur Massenherstellung von Halbleitern einge setzt, um zu erreichen, was in der Auswirkung eine dreidimensionale Mikroher stellung von einkrallinem und polykristallinem Silizium und Silizium-Dielektrika ge trennt oder auf einem gemeinsamen Substrat mit der restlichen IMD-Schaltung ist, um ein oder mehrere magnetisch betätigte MEM-Schalter zu bilden. Herstellung und Montage werden vereinfacht und die Kosten vermindert. Der oder die resultie renden, magnetisch betätigten MEM-Schalter sind klein, zerklüftet, einfach und können mit einer einfachen Schalter-Verarbeitungsschaltung angeschlossen wer den. Der magnetisch betätigte MEM-Schalter und die daran angeschlossene, ein fache Schalter-Verarbeitungsschaltung vermindern den Drain-Strom im Vergleich mit dem sehr kleinen Strom im Vergleich mit dem Reed-Schalter, MAGFET oder Halleffekt-Vorrichtungen und der damit verbundenen Schaltung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ge würdigt, wobei sie unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der be vorzugten Ausgestaltung der Erfindung unter Berücksichtigung der zugehörigen Zeichnungen besser verstanden wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den Figuren bezeichnen, und in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Systemarchitektur einer exemplarischen IMD ist, das die Lieferung einer Therapie- und/oder physiologischen Ein gangssignalverarbeitung umfaßt, in dem auf Magnetfeld reagierende MEM's gemäß der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Einwirkung eines Magnetfel des auf eine exemplarische IMD, in dieser Darstellung insbesondere ein Herzschrittmacher IPG, ist, welche in einem Körper eines Patienten im plantiert ist, im Laufe einer Telemetrie-Session oder Initialisierung eines zeitweisen Wechsels des Betriebsmodus oder Parameterwertes;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen exemplarischen, frei tragenden Träger einen auf Magnetfeld reagierenden, durch Massenherstellung gebildeten MEM- Schalter ist, der in der exemplarischen IMD der Fig. 1 und 2 eingesetzt werden kann;

Fig. 4 eine Seitenansicht mit einem Teilschnitt entlang der Linien 4-4 des frei tragenden MEM-Schalter-Trägers in Fig. 3 im Vergleich zu einem extern einwirkenden Magnetfeld ist, welcher in dem exemplarischen IMD der Fig. 1 und 2 eingesetzt werden kann;

Fig. 5 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm ist, welches die funktionale Verbindung eines auf ein Magnetfeld reagierenden MEM-Schalters mit einem Strobe-Signal zum Detektieren und Antworten auf das Schließen und Wiederöffnen der Kontakte des MEM-Schalters darstellt;

Fig. 6 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm ist, welches die Verwendung von ersten und zweiten MEM-Schaltern reagierend auf unterschiedliche Magnetfeldpolaritäten oder -Feldstärken in der Weise, wie in Fig. 5 be schrieben darstellt; und

Fig. 7 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm ist, welches die Verwendung von vier MEM-Schaltern darstellt, wobei jeder auf verschiedene, einwir kende Magnetfeldpolaritäten und -Feldstärken in der Weise, wie in Fig. 5 beschrieben, reagiert.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung

Die bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung offenbart die Verwen dung von einem oder mehreren auf Magnetfeld reagierenden MEM-Schaltern, ins besondere hergestellt, um auf extern einwirkende Magnetfelder, wie die oben be schriebenen Reed-Schalter, Halleffekt-Schalter und MAGFET-Schaltungen in der in Fig. 1 beschriebenen IMD-Systemarchitektur, zu reagieren. Das Schließen des oder der MEM-Schalter induziert einen zeitweiligen Wechsel des Betriebsmodus oder der Parameterwerte für therapeutische oder diagnostische Zwecke und das Ermöglichen eines Programmier-RF-Telemetrie-Empfangs und einer Uplink- Telemetrie-Übertragung. Ein implantierbares von einem Herzschrittmacher IPG oder ICD IPG 200 umfaßtes Schaltungssystem ist im folgenden unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann auch in einem vereinfachten, niedrig-Kostenschaltung-IPG Betriebssystem des im oben genannten '180 Patent Typs implementiert werden. In dem System sind die Schrittmachermodi und -Pa rameter programmiert und die Aufwärtsfrequenz-Übertragung der IMD-Information wird getriggert, wobei eine zeitliche Einwirkung und Entfernung eines Permanent magneten über der Implantationsstelle verwendet wird.

Fig. 1 beschreibt eine Systemarchitektur einer in einem Körper 10 eines Patienten implantierten exemplarischen IMD 100, die die Lieferung einer Therapie- und/oder physiologischen Eingangssignalverarbeitung schafft, bei welcher Betriebs modi und Parameterwerte zeitweilig durch Einwirkung eines Magnetfeldes und/ oder Telemetrie gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht geändert werden können, wobei einer oder mehrere magnetisch betätigte MEM-Schalter 130 ver wendet werden. Die typische IMD-Systemarchitektur 100 weist eine Systemarchi tektur auf, die durch eine Mikrocomputersteuerung und einem Timing-System 102 gebildet ist, welches mit hoher Entwicklung und Komplexität abhängig von den darin aufgenommenen Typ und funktionalen Merkmalen variiert. Die Funktionen der mikrocomputer-basierenden IMD-Steuerung und das Timing-System 102 wer den durch Firmware und programmierte Softwarealgorithmen gespeichert im RAM und im ROM einschließlich PROM und EEPROM gesteuert und werden unter Verwendung einer CPU, ALU, etc., einer typischen Mikroprozessor-Kernarchitektur ausgeführt. Die mikrocomputer-basierende IMD-Steuerung und das Timing- System 102 können auch eine Watchdog-Schaltung, einen DMA-Controller, einen Block-Mover/Reader, einen CRC-Kalkulator und andere spezifische, logische Schaltungen zusammengekoppelt durch einen On-Chip-Data-Bus, Adress-Bus, Power-, Clock- und Control-Signalleitungen in Pfaden oder Bäumen in der im Stand der Technik bekannten Weise einschließen. Es ist auch klar, daß die Steue rung und das Timing des IMD's 100 mit einer bestimmten Hardware-Schaltung, wie zum Beispiel in der oben genannten '188 und '342 Patenten beschrieben, oder durch eine Status-Maschinenlogik wie einem programmierten Mikrocomputer erreicht werden kann.

Das IMD 100 schließt typisch auch eine Patienten-Schnittstellenschaltung 104 zum Erhalten von Signalen von an spezifischen Stellen eines Patientenkörpers 10 angeordneten Sensoren oder Elektroden und/oder die Anwendung einer Thera pie an einer Stelle des Patientenkörpers ein. Die typische Patienten- Schnittstellenschaltung 104 umfaßt daher ein Therapie-Anwendungssystem 106 und/oder eine Physiologik-Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 108 oder ein fach die eine oder die andere.

Die Physiologik-Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 108 ist mit Elektroden gekoppelt und/oder physiologischen Sensoren auf oder im Gehäuse des IMD 100 oder an vom Gehäuse des IMD beabstandeten Stellen angeordnet, typisch in entfernten Bereichen über lange Zuleitungen. Im letztgenannten Fall werden durch solche Sensoren oder querenden Elektroden erzeugte, physiologische Signale durch verlängerte Zuleitungen oder Katheder gekoppelt oder durch den Körper an die Physiologik-Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 108 übertragen.

Die IMD 100 kann ein implantierbares Herzüberwachungsgerät ohne ein Therapie- Anwendungssystem 106 umfassen, z. B. einen implantierbaren EGM Monitor zum Aufnehmen von Elektrokardiogrammen von vom Herzen entfernten Elektroden, wie in dem bekannten US-Patent Nr. 5,331,966 und der PCT-Veröffentlichung WO 98/02209 offenbart. Oder das IMD kann einen implantierbaren hemodynamischen Monitor (IHM) zum Aufnehmen eines Elektrokardiogramms und anderer von phy siologischen Sensoren abgeleiteter Signale umfassen, z. B. ein oder mehrere für Blutdruck, Blutgase, Temperatur, elektrische Impedanz des Herzens und/oder Brustkastens und der Patientenaktivität. Der Medtronic® REVEAL® Insertable Loop Recorder, welcher ein beabstandetes Gehäuse mit EGM-Elektroden auf weist, ist ein Beispiel des Früheren, sowie das Medtronic® CHRONICLE® IHM gekoppelt mit einer kapazitiven Druck- und Temperatur-Sensorzuleitung und EGM- Sensorelektroden des in dem bekannten US-Patent Nr. 5,564,434 letztgenannten Typs.

In diesen Überwachungs-Ausgestaltungen werden physiologische Daten, z. B. Herz-EGM und/oder Sensor-abgeleitete Daten typisch in einem RAM eines Mi krocomputer-basierenden Steuerungs- und Timingsystems 102 für eine Uplink- Telemetrie an einen externen Programmierer 110 gespeichert, wenn die IMD 100 einen Telemetrie-Abfragebefehl zum Herunterladen vom Programmierer 110 er hält. Der Datenspeicher ist entweder durch einen Timer der IMD 100 auf einer pe riodischen Basis oder durch logische Detektion innerhalb der Physiologik- Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 108 auf Befriedigung bestimmter Ereig nisdetektionskriterien getriggert. In einigen Fällen ist der Patient mit einem Magnet 116 oder einem vereinfachten externen Programmierer 110, z. B. einem Patien tenaktivator, versehen, der über dem subkutan implantierten IMD 100 angeordnet werden kann, um den phsysiologischen Datenspeicher zu triggern, wenn der Pati ent bestimmte Symptome bemerkt. In jedem Fall können ereignisrelevante Daten, z. B. die Daten und die Zeit, parallel zu den gespeicherten Episodendaten für Uplink-Telemetrie bei einer späteren Abfrage-Session gespeichert werden.

Therapie Liefer-IMD's 100 schließen das Therapie-Anwendungssystem 106 ein, das verschiedene Formen annehmen kann und typisch die Lieferung elektrischer Stimulation von Körper-Muskelgruppen, dem Herzen, dem Gehirn, anderen Orga nen, ausgewählten Nerven und der Wirbelsäule, oder die Lieferung von Medika menten in Organe zur therapeutischen Behandlung oder in die Wirbelsäule zur Schmerzerleichterung umfaßt. Es ist klar, daß die meisten dieser Therapie-Liefer- IMD's auch eine Physiologik-Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 108 aufwei sen, die physiologische Signale verarbeitet, die zum Triggern oder Modulieren der Therapiebehandlung verwendet werden und als physiologische Signaldaten zum späteren Zurückholen, wie oben beschrieben, gespeichert werden.

Was die Therapie-Behandlungs-Konfigurationen betrifft, können das IMD 100 und das Therapie-Anwendungssystem 106 zum Betreiben einer implantierbaren Herz- Unterstützungsvorrichtung oder einer in einer auf eine Herztransplantation warten den Patienten implantierten Pumpe konfiguriert werden. In diesem Fall können die abgeleiteten Blutdruck- und/oder Temperaturwerte verwendet werden, um die Aktionen der Pumpe zu modulieren, um eine adäquate Herzleistung zu erreichen. Das IMD 100 und das Therapie-Anwendungssystem 106 können auch als Kar diomyo-Stimulator eingerichtet werden, um einen um das Herz gewickelten Muskel synchron mit der Herzdepolarisation surgeartig zu stimulieren, um die Herzleistung eines erkrankten Herzens zu erhöhen.

Die IMD 100 und das Therapie-Anwendungssystem 106 können eingerichtet wer den, um eine Substanz-Liefervorrichtung oder Pumpe einzuschließen, welche an einen geeigneten Katheder gekoppelt ist, welcher sich zu einer Stelle des Körpers des Patienten erstreckt, um eine Substanz aus einem Substanzreservoir zu liefern, z. B. eine therapeutische oder diagnostische Agens oder Medikament. Zum Bei spiel kann ein Medikament zum Behandeln von Hypertonie zum Herzen des Pati enten oder dem Vaskularsystem geliefert werden, oder ein Analgetikum kann zur Wirbelsäule geliefert werden, um von hartnäckigen Schmerz zu befreien.

Oder IMD 100 kann als ein Herzstimulator zum Detektieren von Herzsignalen und Liefern von Schrittmacherpulsen oder Kardioversion/Defibrillation-Schocks für das Herz durch das Therapie-Anwendungssystem 106 konfiguriert werden. Die IMD 100 kann eine oder eine Kombination von einem Anti-Tachy-Kardia-Pacer, einem Anti-Brady-Kardia-Pacer, einem Kardiokonverter und/oder Defibrillator, der ge eignete Zuleitungen und Elektroden aufweist, die zum Herzen des Patienten er strecken, als Teil des IMD-Therapie-Anwendungssystems 106 einschließen.

Ähnlich kann das IMD 100 und das Therapie-Anwendungssystem 106 mit geeig neten Zuleitungen getragenen Elektroden als ein Gehirnstimulator für tiefere Ge hirnregionen, um die Parkinson'sche Krankheit zu steuern, oder als ein Wirbel säulenstimulator oder Nervenstimulator zur Schmerzsteuerung konfiguriert wer den. Die IMD und das Therapie-Anwendungssystem 106 können mit geeigneten Elektroden und/oder Sensoren konfiguriert werden, um Herzschämie zu detektie ren und autonome kompensatorische Nervenstimulation zu schaffen.

Die IMD 100, das Therapie-Anwendungssystem 106 und die Physiologik- Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 108 können auch als ein Cochlear- Implantat konfiguriert werden, welches auf Geräuschsensor-Übertragereingaben reagiert und eine Stimulation an die Cochlea gibt.

Diese sind bloß exemplarische Konfigurationen des IMD's 100, des Therapie- Anwendungssystems 106 und der Physiologik-Eingangssignal- Verarbeitungsschaltung 108 für Therapieanwendung und/oder Anzeige. In allen Fällen steuert das mikrocomputer-basierende Steuerungs- und Timingsystem 102 alle Betriebsfunktionen, wobei ein genauer, programmierbarer Betriebsalgorithmus angewendet wird. Fig. 1 zeigt auch andere für eine IMD 100 in einer dieser Thera pieanwendungs- und/oder Anzeigekonfigurationen typische Bauteile.

Zum Beispiel weisen die meisten solcher IMD's programmierbare Betriebsmodi und Parameter auf, die in einem RAM des mikrocomputer-basierende Steuerungs- und Timingsystems 102 gespeichert sind. Die Betriebsmodi und Parameterwerte können unter Verwenden des Programmierers 110 ferngesteuert programmiert werden, um Befehle und Werte über eine Programmier-Telemetrie-Verbindung 114 zwischen einer externen Telemetrie-Antenne 112 und der IMD-Telemetrie- Antenne 134, erhalten und kodiert in der Telemetrie I/O-Schaltung 124 in bekann ter Weise, zu übertragen.

Alle Strom-IMD's verlassen sich auf eine elektrische Energiequelle, um das IMD- Betriebssystem einschließlich der Schaltung der IMD 100 zu versorgen, und weite re elektromechanische Vorrichtungen zu versorgen, z. B. Ventile, Pumpen, usw. einer Substanzliefer-IMD oder elektrische Stimulationsenergie eines ICD-Schock- Generators, Herzschrittmacher-Pulsgenerators oder anderer elektrischer Stimula tionsgeneratoren zu schaffen. Die typische Energiequelle ist eine Niedrig- Spannungsbatterie 136 mit hoher Energiedichte gekoppelt mit einer Energiever sorgungs/POR-Schaltung 126, die eine Power-on-reset-Möglichkeit (POR) auf weist. Die Energieversorgungs/POR-Schaltung 126 schafft eine oder mehrere niedrig-Spannungsversorgungen VI₀, das POR-Signal ein oder mehrere VREF- Quellen, Stromquellen, ein elektrisches Ersatzanzeigesignal (ERI) und im Falle eines ICD's Hochspannungsenergie V_hi für das Therapie-Anwendungssystem 106. Nicht alle der konventionellen Verbindungen dieser Spannungen und Signale sind in Fig. 1 gezeigt.

Zusätzlich wird bei bestimmten IMD's eine hörbare Warnung eines Patien tenalarms oder Mitteilung durch einen Übertrager 128 erzeugt, wenn dieser durch einen Patientenalarm-Treiber 118 angesteuert wird, um den Vorrichtungsbetrieb, Batterieladungszustand oder eine angezeigte Patientenbedingung, zu Rate zu ziehen. Bei ICD's kann der Patient durch Detektion durch eine Tachyarrhytmie und die immanente Lieferung eines Kardioversions/Defibrillations-Schocks gewarnt werden, um dem Patienten zu ermöglichen, vor der Lieferung eine Ruhestellung einzunehmen.

Virtuell verwendet die gängige elektronische IMD-Schaltung getaktete CMOS- Digital-Logik-IC's, welche ein durch einen piezoelektrischen Kristall 132 geschaf fenes Taktsignal CLK und einen damit verbundenen Systemtakt 122 erfordern. In Fig. 1 ist jedes durch den Systemtakt 122 erzeugte CLK-Signal zu allen angewen deten getakteten Logiken über den Taktbaum 138 verbunden. Der Systemtakt 122 schafft ein oder mehrere Frequenz-CLK-Signale, die über einen Batterie- Betriebsspannungsbereich für Systemtiming und Steuerungsfunktionen und zum Formatieren der Uplink-Telemetrie-Signalübertragung in der Telemetrie-I/O- Schaltung 124 unabhängig von der Betriebsspannung sind.

In Fig. 2 ist der IMD 100 als ein im Körper eines Patienten 10 implantierter Herz schrittmacher dargestellt, welcher einen Herzschrittmacher IPG 140 und eine Schrittmacher-Zuleitung 146 umfaßt, welche sich vom IPG-Verbinder 142 zu einer oder mehreren in oder auf dem Atrium oder Ventrikel des Patienten in konventio neller Weise angeordneten Puls/Detektionselektroden erstreckt. Der Schrittmacher IPG 140 ist daher entweder als programmierbares Einkammer-Atrium oder ventri kuläres, auf atrikuläre Anforderung betriebenes IPG oder auf ventrikulär angefor derten Schrittmachermodus dargestellt.

Ein zeitweiser Betrieb (oder Telemetriebetrieb) wird mit dem IPG 140 durch An wendung eines Permanentmagneten 116 an der Haut des Patienten über dem IPG 140 gemäß Protokoll, daß für den IPG 140 besonders ist, durch den Physiker oder Medical-Care-Provider erreicht. Diesbezüglich ist die normale Anforderung des Schrittmachermodus aufgehängt, um die Bestimmung einer programmierten Schrittmacherrate, Pulsweite und Batteriespannung in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise zu erlauben. Bei bestimmten Schrittmacher-IPGs, be schrieben in den oben genannten Patenten '188 und '342, kann auch ein Pro grammier-/Abfrageprotokoll verfolgt werden, daß einfach wiederholte Anwendun gen eines diskreten Magneten 116 über dem magnetisch betätigbaren MEM- Schalter 130 anwendet, um Programmänderungen und Abfragen des IPG- Speichers auszuführen.

Fig. 1 und 2 zeigen auch die geläufigere Art des Programmierens und des Abfra gens eines IMD 100/IPG 140 unter Verwendung eines hochentwickelten Pro grammierers 110 und eines über dem IMD 100/IPG 140 angeordneten Program mierkopfes 150, um eine Telemetrie-Session mit aufladender und herunterladen der Telemetrieübertragung zu beginnen. Der Permanentmagnet 116 im Program mierkopf 150 des Programmierers 110 wirkt auf den MEM-Schalter 130, indem dieser schließt und eine Kommunikationsverbindung erreicht, die eine Telemetrie- Session ermöglicht. Der Programmierer 110 ist vorzugsweise ein MEDTRONIC® Modell 9790 Programmierer und kommuniziert mit der IMD 100 durch eine Teleme trieverbindung zwischen der Telemetrie-Antenne 112 im Programmierkopf 150 und der Telemetrie-Antenne 134 im IPG 140 in einer im Stand der Technik bekannten Weise.

Eine große Vielfalt von Telemetriesystemen sind durch den Anmelder Medtronic Inc. und anderen für Kommunikationen zwischen IMD's und externen Monitoren oder Programmierern angewendet und vorgeschlagen worden. Der Modell 9790 Programmierer 110 kommuniziert mit dem IMD 100/IPG 140 über eine Kurzstrec ken-Telemetrie-Übertragung, welche einen 175 kHz RF-Träger und dichte physi kalische Kopplung von Magnetfeldern anwendet, welche die RF-Telemetrie- Antennen 112 und 134 umgibt. Zur Erleichterung der Beschreibung wird die be vorzugte Ausgestaltung wie folgt unter Verwendung einer Downlink-Kurzstrecken- RF-Telemetrie-Übertragung (DT) Uplink-Telemetrie-Übertragung (UT) beschrie ben, aber die Erfindung und die folgenden Ansprüche sollen nicht so verstanden werden, als daß sie hierauf beschränkt wären. Ähnlich sollen die Begriffe "Tele meter", "Telemetrie-Übertragung" und dergleichen bestimmt sein zum Umfassen jeder derartigen Aktion und Art zum Kommunizieren und Befördern von Daten und Befehlen zwischen der IMD 100 oder IPG 140 und irgendeiner externer Überwa chungsvorrichtung oder Programmierer 110 in der UT-Richtung und der DT- Richtung.

Daher zeigen die Fig. 1 und 2 Arten der Kommunikation mit einer IMD 100 durch Verwendung eines extern einwirkenden Magnetfeldes und eines auf Magnetfeld reagierenden MEM-Schalters 130 in der IMD 100, wenn sie im Körper 10 eines Patienten implantiert ist. Der MEM-Schalter 130 kann normal geschlossen oder normal geöffnet sein und kann durch das extern einwirkende Magnetfeld geöffnet oder geschlossen werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung und Darstellung wird der MEM-Schalter 130 hierin als normal geöffnet beschrieben und dargestellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der MEM-Schalter 130 mit einer MEM-Schalter- Schaltung 120 gekoppelt, die ein "Schalter geschlossen"-Signal SC für das Mikro computer-basierende Steuerungs- und Timingsystem 102 schafft, wenn ein STROBE-Signal vom Mikrocomputer-basierenden Steuerungs- und Timingsystem 102 erhalten wird und der MEM-Schalter geschlossen ist. Das Strobe-Signal kann das Systemtakt-Signal (CLK) oder ein periodisch erzeugtes Signal sein, das eine IMD-Betriebsfunktion betrifft, z. B. das Timing eines Schrittmacher-Escape- Intervalls im Falle eines Schrittmachersystems und mit dem CLK-Signal synchroni siert ist. Das Mikrocomputer-basierende Steuerungs- und Timingsystem 102 ver arbeitet das SC-Signal, um eine zeitweilige Änderung an einem Betriebsmodus und/oder Parameterwert bewirken, um eine Therapie durchzuführen oder Über wachungsfunktionen zu beginnen, oder um eine Telemetrie-Session, solange das Magnetfeld den MEM-Schalter 130 geschlossen hält, oder für eine vorgegebene Zeitdauer, die auf die Erzeugung des SC-Signals folgt, zu ermöglichen. Wie oben beschrieben, ist das magnetische Feld durch einen Permanentmagneten 116 (oder einem Elektromagneten) geschaffen, welcher ein diskreter Magnet sein kann oder im Programmierkopf 150 des Programmierers 110 eingeschlossen sein kann, was typisch in gängigen Programmier- und Abfrageprotokollen zwischen der IMD 100 und dem externen Programmierer 110 ausgeführt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere auf Magnetfeld reagie rende oder betätigte MEM-Schalter 130 in einem IC für eine IMD 100 oder IPG 140 eingeschlossen, welche zum Beispiel in der MEM-Schalter-Schaltung 130 in Fig. 5 dargestellt ist. Gemäß den Fig. 6 und 7 können zwei oder mehrere MEM- Schalter vorgesehen sein, die selektiv auf einwirkende Nord- oder Südpol-Felder und/oder auf unterschiedliche magnetische Feldstärken reagieren, um die IMD zu bewegen, selektiv zu antworten und in unterschiedlichen, vorgegebenen Betriebs modi zu arbeiten.

Jeder solche magnetfeldbetätigter MEM-Schalter 130 kann durch eine Vielfalt von Techniken hergestellt werden und kann eine Vielfalt von Formen annehmen. Bei einer Verfahrensweise werden Techniken zur Halbleitermassenherstellung ange wendet, um zu erreichen, was in der Auswirkung ein dreidimensionales Mikroher stellen von einkristallinem und polykristallinem Silizium und Siliziumdielektrikum in Stab- oder Membranstrukturen ist, welche unterschnitten und im Abstand über ei nem im Substrat gezogenen Graben oder Bohrung oder abgekantete Vertiefung hängend sind. Eine alternativ bekannte zeitweilige, als eine Freigabeschicht oder eine Opferschicht bekannte Struktur erlaubt den beweglichen Teilen, durch selbst schreibende Gießverfahren mit späterem selektiven Abkanten gebildet zu werden, um die Opferschicht zu entfernen. Da Mikroherstellung ursprünglich von der Tech nologie zum Herstellen Integrierter Schaltungen auf Siliziumbasis basiert, wird ge wöhnlich Niedrig-Temperatur SiO₂ als Opferschichtmaterial angewendet. Mikro herstellung von Siliziumsubstraten und Niedrig-Temperatur SiO₂ durch die Ver wendung von Ätzflüssigkeiten und Dotieren, um das Äzten und die Dünnfilmabla gerung auf leitfähigen Schichten zu steuern, erlauben die vollständige Herstellung von MEM-Schaltern auf einem einzigen Siliziumkristall. MEM-Siliziumsensoren oder -Schalter verwenden den Vorteil der Präzisions-Fotolithographie und Stapel verarbeitung, um Miniaturisierung und Herstellkosten-Verminderung zu ermöglichen. Nur selektives Ablagern und Entfernen von Material auf einem Substrat sind den konventionellen CMOS-Herstellungsverfahren hinzuzufügen. Einer oder meh rere solcher MEM-Siliziumsensoren oder -Schalter können auf einem IC-Substrat mit anderen CMOS-Schaltungen umfaßt sein. Beschreibungen von Mikroherstel lungstechniken und verschiedenen Ätzflüssigkeiten sind zum Beispiel beschrieben in G. T. A. Kovacs et al. in "Bulk Micromashining of Silicon" (Proc. Of the IEEE, vol. 86, no. 8, 8/98, S. 1536-1551). Die Herstellung und die Eigenschaften eines einfachen, elektrisch betätigten, ausgekragten Stabschalters ist in "Electrostatically actuated micromechanical switches using surface micromachining" erhalten von http:\ \www.ece.neu.edu/edsnu/zavracky/mfl/programs/relay/relay.html (2/14/00) beschrieben. Die Form und die Herstellung einer magnetisch betätigten aufge hängten Membran- und Brücken-MEM-Schaltern ist auch in den US-Patenten Nrn. 5,778,513 und 5,475,353 beschrieben.

Fig. 3 und 4 zeigen einen exemplarischen, stabförmig ausgekragten, magnetisch betätigten MEM-Schalter 130 hergestellt zum Aufhängen über einem in das Silizi umsubstrat 200 gezogenen Graben oder geätzten Ausnehmung 208 bezüglich des magnetischen Feldes von einem Magnetfeld eines extern einwirkenden Magneten 116, das bewirken kann, die Schalterkontakte 212 und 214 zu schließen (oder zu öffnen). Es ist klar, daß das Aufhängungselement 204, in diesem Beispiel als aus gekragter Stab dargestellt, der Stabkontakt 212 und der Substratkontakt 214 ir gendeine vorteilhafte Form annehmen können. Das Aufhängungselement 204 kann alternativ mit einer Membran- oder Brückenaufhängung des magnetisch ge bogenen Stabkontakts 212 hergestellt werden.

Das Substrat 200 ist vorzugsweise ein <110< oder <100< orientierter Wafer, der anisotropisches Naßätzen, wie in den oben genannten Herstellungsartikeln und - Patenten beschrieben, erlaubt. Das Substrat 200 ist zuerst mit internen Metallisie rungen und Verbindungen auf Silizium gebildet. Eine verlängerte Polysilizium schicht (SiO₂) 216 wird auf dem Substrat 200 an einer Stelle gebildet, an der ein MEM-Schalter 130 hergestellt werden soll. Das Substrat 200 und die Polysilizium schicht 216 sind geätzt, um die Ausnehmung 208 und darüber aufgehängt das Aufhängungselement 204 zu bilden. Eine Verbindung 230 wird auch durch die Polysiliziumschicht 216 am freien Ende des Aufhängungselements 204 gebildet, um die elektrische Verbindung mit dem Stabkontakt 212 herzustellen, und es wird ein Metallisierungsleiter 206 entlang der Oberfläche der Polysiliziumschicht 216 gebildet, welche sich zu der Verbindung 226 erstreckt, die sich dadurch zu einer weiteren Verbindung 232 im Siliziumsubstrat erstreckt. Die Verbindung 232 ist mit einer Metallisationsspur 228 gekoppelt, welche sich zum fixen Substratkontakt 214 erstreckt. Der Stab- und der fixe Kontakt 212 und 214 sind entsprechend gegen die Verbindung 230 und die Spur 228 gebildet.

Der Stabkontakt 212 des Schalters und der Substratkontakt 214 des Schalters sind vorzugsweise durch Sputtern oder Verdampfung von Platin, Aluminium, Gold, Nickel, Tantal, Titan und entsprechend deren Legierungen über der Verbindung 230 und der Spur 228 gebildet. Techniken für chemische Dampfablagerung (CVD), chemische Niederdruck-Dampfablagerung (LPCVD) und plasmaangereicherte chemische Dampfablagerung (PECVD) werden angewendet. Die Spuren und Ver bindungen Oberflächenmetallisationsleiter sind vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Gold und der Legierungen gebildet.

Die Schalterkontakte 212 und 214 sind normalerweise voneinander getrennt, wie in Fig. 4 dargestellt, um einen normal offenen Schalter zu schaffen, obwohl es klar ist, daß sie in Kontakt miteinander sein können, um einen normal geschlossenen Schalter zu schaffen. Eine ferromagnetische Schicht 210 ist auf der oberen Ober fläche des hängenden Endes des freitragenden Stabes 204 abgelagert oder als Dotierstoff in das Halbleitermaterial des freitragenden Stabes 204 eingebracht. Das Magnetfeld eines Magnets 116 wird in die Nähe des MEM-Schalters 130 ge bracht und kann die ferromagnetische Schicht 210 und den Stab 204 entweder anziehen oder abstoßen, abhängig von der Polarität des Magnetfelds und der fer romagnetischen Materialverbindung der ferromagnetischen Schicht 210. In der dargestellten Beziehung des einwirkenden Magnetfeldes stößt das genau einwir kende Magnetfeld die ferromagnetische Schicht 210 und den freitragenden Stab 204 ab, so daß der MEM-Schalter 130 durch wechselseitigen Kontakt der Schal terkontakte 212 und 214 geschlossen wird. Der MEM-Schalter 130 kann konfigu riert werden, um eine bestimmte Schwelle einer Magnetfeldstärke zu erfordern, um ein Schließen durch Abrundung der Steifigkeit und der Länge des Aufhängungs elements zu bewirken, z. B. des freitragenden Stabes 204, den Typ, die Oberflä che und die Dicke der ferromagnetischen Schicht 210 und der Trennungsabstand zwischen den Kontakten 212 und 214. Mehrfach-MEM-Schalter, welche unter schiedliche Schwellen für Magnetfeldstärken aufweisen, können auf einem einzi gen Substrat 200 hergestellt werden, so daß der oder die MEM-Schalter, die ge schlossen sind, von der Stärke des einwirkenden Magnetfeldes abhängen.

Wenn die Schicht 210 aus einem relativ weichmagnetischem Material, z. B. Ni₈₀ Fe₂₀, gebildet ist, werden die MEM-Schalterkontakte 212 und 214 geschlossen, wenn ein Magnetfeld mit hinreichender Stärke und entweder Nordpol- (N) oder Südpol-(S)Polarität zum Beispiel durch einen Magneten 116 einwirkt. Aber der MEM-Schalter 130 kann selektiv auf das einwirkende Magnetfeld mit Nordpolarität oder Südpolarität reagierend eingestellt werden, so daß nur die genau einwirkende Magnetfeldpolarität die ferromagnetische Schicht 210 und den Stab 204 abstößt, um die MEM-Schalterkontakte 212 und 214 zu schließen. Magnetisch harte Per malloy Werkstoffe, die mit einer vorbestimmten magnetischen Feldorientierung zur Zeit der Herstellung des MEM-Schalters 130 permanent magnetisiert sind, können verwendet werden.

In der aktuellen Umgebung der Verwendung wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, ist es notwendig, das Schließen und wieder Öffnen der MEM-Schalterkontakte 212 und 214 verursacht durch das Einwirken und das Entfernen des Magnetfeldes des externen diskreten oder Programmierkopfmagneten 116 zu detektieren. Das Ma gnetfeld wirkt durch den Medical Care Provider oder den Patienten für eine Zeit ein, die vom Betrieb oder der Anwort abhängt, welche von der IMD beabsichtigt ist. Der Stabkontakt 212 und der Leiter 206 sind an gewöhnlicher Versorgungsspan nung, welche den logischen HIGH-Pegel repräsentiert, wenn das Substrat 200 und der Substratkontakt 214 auf der gemeinsamen Systemmasse sind, welche einen logischen LOW-Pegel repräsentiert. Der logische Pegelübergang ist bei Schließen der Kontakte 212 und 214 von HIGH nach LOW und bei wieder Öffnen der Kon takte 212 und 214 von LOW nach HIGH. Diese zum Schließen und wieder Öffnen der Schalterkontakte 212 und 214 zugehörigen Übergänge sind nicht notwendi gerweise mit dem Systemtaktübergängen synchronisiert (können aber zusam mentreffen), welche typisch den getakteten Betrieb des in Fig. 1 gezeigten IMD- Betriebssystems steuern. Der HIGH zu LOW und der LOW zu HIGH Signalpegel übergang können elektrisch gestört oder intermittierend oder mit einer Slew rate sein, die nicht bemerkt wird oder Konfusion in der bestimmten CMOS-Schaltung verursacht, daß der Schalter 130 gekoppelt würde, um die Änderung des Be triebsmodus oder Anwendung einer Therapie oder das Ermöglichen einer Tele metrie-Session, usw. zu bewirken. Daher ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, den HIGH- oder LOW-Zustand des Stabkontakts 212 zu detektieren, wenn der Signalpegel stabil ist, und sich nicht auf den logischen Pegelübergang des Schalters selbst zu verfassen.

Fig. 5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm, welches die funktionalen Zwischenverbindungen eines auf Magnetfeld reagierenden MEM-Schalters 130 mit einem Strobe-Signal zum Detektieren und Antworten auf das Schließen und wie der Öffnen der Kontakte 212 und 214 des MEM-Schalters darstellt. In Fig. 5 ist der Schalterkontakt 214 mit der Systemmasse verbunden, und der Schalterkontakt 212 ist an eine Versorgungsspannung VDD durch einen Minimal-Die-Size-p-Kanal FET 182 gekoppelt und ist mit dem Eingang des Minimal-Die-Size-Inverters 180 am Knoten 188 gekoppelt. Der Ausgang des Inverters 180 (am Knoten 186) ist an das Gate des FET's 182 und den D-Eingang des D-Flip-Flops 184 gekoppelt. Während der Schalter 130 geöffnet ist, ist der Knoten 188 HIGH infolge der Lei tung des FET's 182, und der Knoten 186 ist LOW wegen Inverter 180. Infolge der großen Gate zu Source-Drain-Widerstände des FET's 182 und des den Inverter 180 bildenden FET's wird kein Strom verbraucht, um den Knoten 188 HIGH und 186 LOW zu halten.

Das STROBE-Signal wirkt periodisch, wie oben beschrieben, auf den Takt- Eingang (CLK) des D-Flip-Flops 184, und der Q-Ausgang des D-Flip-Flops 184 ist den am Konten 186 gefundenen, logischen Pegel gesetzt. Das Strobe-Signal wird erzeugt durch oder synchronisiert auf das Systemtakt-Signal CLK. Der Q-Ausgang ist daher auf einem logischen LOW-Pegel, solange der MEM-Schalter 130 geöffnet ist. Das logische HIGH-SC-Ausgangssignal (geschlossen geschaltet) wird daher nicht produziert, solange der MEM-Schlater 130 geöffnet ist.

Aber der MEM-Schalter 130 schließt, wenn ein einwirkendes Magnetfeld MF die Schaltschwelle überschreitet, und die logische Spannungspegel an den Knoten 188 und 186 sich zu LOW und zu HIGH entsprechend umkehren. Der magnetisch betätigte MEM-Schalter 130 kann konfiguriert und hergestellt werden, um auf ein bestimmt polarisiertes Magnetfeld oder ein Magnetfeld mit entweder N oder S Po larität zu reagieren, welches in beiden Fällen einen Schwellwert einer Magnetfeld stärke übersteigt. Das STROBE-Signal, welches gleichzeitig mit dem MEM- Schalter-Schließen folgt und der resultierende HIGH-Pegel am Knoten 186 verur sachen, daß der Q-Ausgang SC des D-Flip-Flops 184 die Leitung 185 auf HIGH umschaltet. Das logische HIGH-SC-Ausgangssignal auf Leitung 185 wird an das mikrocomputer-basierende Steuerungs- und Timingsystem 102 in Fig. 1 synchron mit dem STROBE-Signal geliefert. Der Q-Ausgang bleibt auf dem logischen HIGH- Pegel, solange der MEM-Schalter 130 geschlossen ist, und wird auf den logischen LOW-Pegel zurückgeschaltet, wenn der MEM-Schalter 130 wieder geöffnet wird und ein STROBE-Signal erscheint.

Die MEM-Schalter-Schaltung 120 liefert das SC-Signal, welches eine genaue Syn chronisation (beides, mit seinem Start und seinem Ende) mit dem System-CLK- Signal und die Signalform geeignete Anstiegs- und Abfallzeiten aufweist. Der In verter 180 liefert auch saubere Übergänge zwischen logischen HIGH- und LOW- Pegeln am Knoten 186 als Reaktion auf Öffnen und Schließen der Schalterkon takte 212 und 214, daß eine zuverlässige Antwort des D-Flip-Flops 184 sicher stellt.

Fig. 6 ist ein vereinfachtes, schematisches Diagramm, welches die Verwendung eines ersten und eines zweiten MEM-Schalters 130 und 130' darstellt, welche auf unterschiedliche, einwirkende Magnetfeldpolarisierungen oder -stärken reagieren, um ein erstes und/oder ein zweites Schalter-geschlosssen-Signal SC und SC' an das mikrocomputer-basierende Steuerungs- und Timingsystem 102 der Fig. 1 zu liefern. Die MEM-Schalter 130 und 130' sind an entsprechende Signalverarbei tungsschaltungen 190 und 190' des oben unter Bezug auf Fig. 5 in der MEM- Schalter-Schaltung 120 beschriebenen Typs gekoppelt.

Der MEM-Schalter 130 schließt, wenn ein erstes Magnetfeld MF1 einwirkt, und das Signal SC durch die erste Signalverarbeitungsschaltung 190 auf das STROBE- Signal, welches gleichzeitig auf das Schalter-Schließen folgt, erzeugt wird. Der MEM-Schalter 130' schließt, wenn ein zweites Magnetfeld MF2 einwirkt, und das Signal SC' durch die zweite Signalverarbeitungsschaltung 190' auf das STROBE- Signal, welches gleichzeitig auf das Schalter-Schließen folgt, erzeugt wird.

Wenn die MEM-Schalter 130 und 130' nicht polaritätssensitiv sind, ist eine erste Schwelle einer Feldstärke definiert, um den MEM-Schalter 130 zu schließen, und eine zweite Schwelle einer Feldstärke zum Beispiel größer als die erste Schwelle einer Feldstärke ist definiert, um den MEM-Schalter 130' zu schließen. In diesem Fall muß MF1 einfach die erste Schwelle einer Feldstärke überschreiten, um den MEM-Schalter 130 zu schließen, und MF2 muß die zweite Schwelle einer Feld stärke überschreiten, um beide Schalter 130 und 130' zu schließen.

Aber wenn die MEM-Schalter 130 und 130' polaritätssensitiv sind, ist nur einer zur Zeit geschlossen. Eine erste N-polarisierte Schwelle einer Feldstärke ist definiert, um den MEM-Schalter 130 zu schließen und eine zweite S-polarisierte Schwelle einer Feldstärke, unterschiedlich zu der gleichen ersten Schwelle einer Feldstärke, ist zum Beispiel definiert, um den Schalter 130' zu schließen.

Fig. 7 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm, welches die Verwendung von vier MEM-Schaltern 130, 130', 130" und 130''' zeigt, wobei jeder an entspre chende Signalverarbeitungsschaltungen 190, 190', 190" und 190''' gekoppelt ist. Jede der Signalverarbeitungsschaltungen 190, 190', 190" und 190''' liefert eines der entsprechenden Signale SC, SC', SC" und SC''' an das mikrocomputer- basierende Steuerungs- und Timingsystem 102, wenn einer der entsprechenden MEM-Schalter 130, 130', 130" und 130''' als Reaktion auf entsprechend einwir kende Magnetfelder N1, N2, S1 und S2 geschlossen wird. In diesem Fall wird ei nes von vier möglichen logischen HIGH-Signalen SC, SC', SC" und SC''' auf den entsprechenden Leitungen 185, 185', 185" und 185''' erzeugt.

Es ist klar, daß die getrennten parallelen Signalverarbeitungsschaltungen 190, 190', 190" und 190''' kombiniert werden können. Es ist auch klar, daß die MEM- Schalter 130, 130 ', 130" und 130''' hergestellt werden können, als Reaktion auf entsprechend einwirkende Magnetfelder geschlossen zu sein, die die gleiche Pola rität, jedoch vier unterschiedliche Feldstärken aufweisen. Oder die MEM-Schalter 130, 130', 130" und 130''' können hergestellt werden, um als Reaktion auf ent sprechend einwirkende Magnetfelder irgendeiner Polarität jedoch mit vier unter schiedlichen Feldstärken geschlossen zu sein. Fig. 7 ist lediglich beispielhaft für eine große Anzahl von Kombinationen Mehrfach-MEM-Schaltern, welche auf die gleiche oder unterschiedliche Polarität einwirkender magnetischer Felder bei spe zifischen Schwellen der Feldintensitäten oder -stärken sensitiv sind, daß gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden kann.

Jedes der Vielzahl von Schalter-geschlossen-Signalen, z. B. die Signale SC, SC', SC" und SC''', kann ausgeführt werden, um eine bestimmte Änderung des Be triebsmodus oder Parameterwerts zu initiieren. Die Vorsehung einer oder mehrerer Signale SC, SC', SC" und SC''' kann ausgeführt werden, um eine Programmierse quenz unter Verwenden des an den Programmierkopf 150 gekoppelten Program mierers 110 zu ermöglichen, welcher einen Permanentmagneten 116 aufweist, welcher das erforderlich magnetische Feld liefert, um Schließen zu bewirken. Zu anderen Zeiten können separate Magnete 116 auf die Haut des Patienten einwir ken, um ein Schließen von einem oder mehreren MEM-Schaltern zu bewirken, z. B. Schalter 130, 130', 130" und 130''', um die IMD zu veranlassen, den Betriebs modus oder einen Parameterwert zu ändern.

Einmal mehr Kombinationen vom Schließen eines oder mehrerer MEM-Schalter, z. B. Schalter 130, 130', 130" und 130''', können unter Verwenden diskreter Magnete vorgesehen werden, um die IMD allein zu veranlassen, den Betriebsmodus oder einen Parameterwert zu ändern und ein Programmieren und Uplink-Telemetrie in der beschriebenen Weise der oben genannten '188 und '342 Patente zu bewir ken.

Das Einschließen von Mehrfach-MEM-Schaltern, z. B. Schalter 130, 130', 130" und 130''', kann wegen deren einfacher Herstellung in einem Minutenabstand eines CMOS-Substrates entlang der CMOS-Schaltung vorteilhaft gemacht werden.

Andere Herstellungstechniken, z. B. Oberflächenbearbeitung und LIGA (Lithogra phie, Galvanoformung, Abformung) können verwendet werden, um die magnetisch betätigten MEM-Schalter auf einem Siliziumsubstrat für die CMOS-Schaltung des IMD's zu bilden.

Silizium ist nicht nur der einzigste Substratwerkstoff, der bei Mikrobearbeitung eingesetzt worden ist, und es könnten andere im Stand der Technik bekannte Werkstoffe und Mikrobearbeitungstechniken verwendet werden, um den in den IMD's der vorliegenden Erfindung eingesetzten, magnetisch betätigten MEM- Schalter 130 zu bilden. Die Bildung von Massen-mikrobearbeiteten und Oberflä chen-mikrobearbeiteten, freitragenden Stäben, welche piezoelektrische Dünnfil me PZT für MEM-Beschleunigungsmesser und -Relais einsetzen, ist in dem US- Patent 5,914,907 beschrieben. Mikromechanische Eigenschaften gesputterten Molybdän werden in dem Papier von Richard B. Brown, Muh-Ling Ger und Tri Nguyen "Characteristics od Molybdenum Thin Films for Micromechanical Structu res" Proc. IEEE Microelectromechanical Systems, An Investigation of Microstructu res, Sensors, Actuators, Machines und Robots, Napa Valley, Calif., 11-14 Feb. 1990 (IEEE Cat. No. 90CH2832-4) besprochen. Brown et al. schlagen auch die Verwendung gesputtertem Aluminium als Opfermaterial vor, um die Ätzselektivität zu erhöhen und Brüche in freitragenden Molybdänstäben wegen der Druckkräfte, die von einer SiO₂-Opferschicht herrühren, zu vermeiden. Zusätzlich kann der magnetisch betätigte MEM-Schalter 130 unter Einsatz hochdichter Zwischenver bindungstechnologie (HDI) in der in dem US-Patent Nr. 5,454,904 offenbarten Weise hergestellt werden.

Während die vorliegende Erfindung im Besonderen anhand einer bevorzugten Ausgestaltung dargestellt und beschrieben worden ist, sollte es klar sein, daß hierdurch keine Einschränkung des Schutzbereichs beabsichtigt wird. Der Schutz bereich ist nur durch die angehängten Ansprüche definiert. Es sollte auch klar sein, daß Variationen der hierin beschriebenen, besonderen Ausgestaltung, wel che die Prinzipien der vorliegenden Erfindung einschließt, dem Fachmann er scheinen werden und noch im Schutzbereich der angehängten Ansprüche sind.

Claims

1. Implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD), welche eine hermetisch ab gedichtete Ummantelung aufweist und geeignet ist, in einen Körper eines Patienten implantiert zu werden und eine Therapieanwendung und/oder in Übereinstimmung mit einem Betriebsmodus eine Überwachungsfunktion be reitzustellen, wobei die IMD ferner umfaßt:
Steuerungs- und Timing-Schaltungsmittel, das auf einem Substrat für eine integrierte Schaltung zum Einnehmen eines IMD-Betriebsmodus enthalten ist;
einen mikroelektromechanischen Schalter, der ein Aufhängungselement, auf dem eine ferromagnetische Schicht und ein Aufhängungselement- Schalterkontakt gebildet sind, und einen fixen Schalterkontakt aufweist, der Aufhängungselement-Schalterkontakt und der fixe Schalterkontakt normal in einer ersten Stellung sind und geeignet sind, eine zweite Stellung einzuneh men, wenn eine vorgegebene magnetische Feldstärke auf die ferromagneti sche Schicht einwirkt und eine Krümmung des Aufhängungselements verur sacht;
eine Schalter-Verarbeitungsschaltung, die auf die Einnahme der zweiten Stellung durch den Aufhängungselement-Schalterkontakt und dem fixen Schalterkontakt durch Liefern eines Schaltersignals reagiert; und
eine IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung, die auf ein Schaltersignal durch Einnehmen eines IMD-Betriebsmodus reagiert.

2. IMD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung auf ein Schaltersignal durch Einnehmen eines IMD- Telemetrie-Betriebsmodus reagiert.

3. IMD nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der IMD-Telemetrie- Betriebsmodus eine Abfrage von IMD-Informationen umfaßt.

4. IMD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung einen IMD-Betriebsmodus gemäß einem program mierten IMD-Betriebsmodus und Parameterwert-Befehlen einnimmt und die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung auf ein Schaltersignal reagiert, um den Empfang eines programmierten Betriebsmodus oder Parameterwert- Befehls zu ermöglichen.

5. IMD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung IMD-Betriebsmodi gemäß einem programmierten Be triebsmodus und Parameterwert-Befehlen einnimmt und die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung auf ein Schaltersignal reagiert, um einen program mierten Betriebsmodus oder Parameterwert zu beeinflussen.

6. IMD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung, die Schalter-Verarbeitungsschaltung und der mikro elektromechanische Schalter durch Techniken zur Herstellung von integrier ten Schaltungen auf einem gemeinsamen Substrat für eine integrierte Schaltung hergestellt sind.

7. IMD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung periodisch ein Strobe-Signal er zeugt; und
die Schalter-Verarbeitungsschaltung das Schaltersignal liefert, wenn ein Strobe-Signal erzeugt wird, und die vorgegebene magnetische Feldstärke auf die ferromagnetische Schicht einwirkt und eine Krümmung des Aufhän gungselements mit Schalterkontakt verursacht, um den Aufhängungsele ment-Schalterkontakt in der zweiten Stellung hinsichtlich des fixen Schalter kontakts anzuordnen.

8. Implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD), welche eine hermetisch ab gedichtete Ummantelung aufweist und geeignet ist, in einen Körper eines Patienten implantiert zu werden und eine Therapieanwendung und/oder in Übereinstimmung mit einem Betriebsmodus eine Überwachungsfunktion be reitzustellen, wobei die IMD ferner umfaßt:
Steuerungs- und Timing-Schaltungsmittel, das auf einem Substrat für eine integrierte Schaltung zum Einnehmen eines IMD-Betriebsmodus enthalten ist;
einen ersten mikroelektromechanischen Schalter, der ein Aufhängungsele ment, auf dem eine ferromagnetische Schicht und ein Aufhängungselement- Schalterkontakt gebildet sind, und einen fixen Schalterkontakt aufweist, der Aufhängungselement-Schalterkontakt und der fixe Schalterkontakt normal in einer ersten Stellung sind und geeignet sind, eine zweite Stellung einzuneh men, wenn eine vorgegebene Magnetdfeldcharakteristik auf die ferromagne tische Schicht einwirkt und eine Krümmung der Aufhängungselements verur sacht;
eine erste Schalter-Verarbeitungsschaltung, die auf die Einnahme der zwei ten Stellung durch den Aufhängungselement-Schalterkontakt und den fixen Schalterkontakt durch Liefern eines ersten Schaltersignals reagiert;
einen zweiten mikroelektromechanischen Schalter, der ein Aufhängungsele ment aufweist, auf dem eine ferromagnetische Schicht und ein Aufhän gungselement-Schalterkontakt gebildet sind, und einen fixen Schalterkontakt, der Aufhängungselement-Schalterkontakt und der fixe Schalterkontakt nor mal in einer ersten Stellung sind und geeignet sind, eine zweite Stellung ein zunehmen, wenn eine vorgegebene Magnetdfeldcharakteristik auf die ferro magnetische Schicht einwirkt und eine Krümmung des Aufhängungselements verursacht;
eine zweite Schalter-Verarbeitungsschaltung, die auf die Einnahme der zweiten Stellung durch den Aufhängungselement-Schalterkontakt und den fi xen Schalterkontakt durch Liefern eines zweiten Schaltersignals reagiert;
eine IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung, die auf ein erstes Schaltersi gnal durch Einnehmen eines ersten IMD-Betriebsmodus und die auf ein zweites Schaltersignal durch Einnehmen eines zweiten IMD-Betriebsmodus reagiert.

9. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung auf eines oder beide der ersten und zweiten Schaltersi gnale durch Einnehmen eines IMD-Telemetrie-Betriebsmodus reagiert.

10. IMD nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der IMD-Telemetrie- Betriebsmodus eine Abfrage von IMD-Informationen umfaßt.

11. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung IMD-Betriebsmodi gemäß einem programmierten Be triebsmodus und Parameterwert-Befehlen einnimmt und die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung auf eines der ersten und zweiten Schaltersignale rea giert, um den Empfang eines programmierten Betriebsmodus oder Parame terwert-Befehls zu ermöglichen.

12. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung IMD-Betriebsmodi gemäß einem programmierten Be triebsmodus und Parameterwert-Befehlen einnimmt und die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung auf eines der ersten und zweiten Schaltersignale rea giert, um einen programmierten Betriebsmodus oder Parameterwert zu be einflussen.

13. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung, die Schalter-Verarbeitungsschaltung und der erste und zweite mikroelektromechanische Schalter durch Techniken zur Herstel lung von integrierten Schaltungen auf einem gemeinsamen Substrat für eine integrierte Schaltung hergestellt sind.

14. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß:
die IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung periodisch ein Strobe-Signal er zeugt; und
die erste Schalter-Verarbeitungsschaltung das erste Schaltersignal liefert, wenn ein Strobe-Signal erzeugt wird, und die erste vorgegebene Magnetfeld charakteristik auf die ferromagnetische Schicht einwirkt und eine Krümmung des Aufhängungselement-Schalterkontakts verursacht, um den Aufhän gungselement-Schalterkontakt in der zweiten Stellung hinsichtlich des fixen Schalterkontakts anzuordnen; und
die zweite Schalter-Verarbeitungsschaltung das zweite Schaltersignal liefert, wenn ein Strobe-Signal erzeugt wird, und die zweite vorgegebene Magnet feldcharakteristik auf die ferromagnetische Schicht einwirkt und eine Krüm mung des Aufhängungselement-Schalterkontakts verursacht, um den Auf hängungselement-Schalterkontakt in der zweiten Stellung hinsichtlich des fi xen Schalterkontakts anzuordnen.

15. IMD nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine erste vorgegebene Magnetfeldstärke ist, und daß die zweite vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine zweite vorgege bene Magnetfeldstärke ist.

16. IMD nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine erste vorgegebene Magnetfeldpolarität ist, und daß die zweite vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine zweite vorgege bene Magnetfeldpolarität ist.

17. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine erste vorgegebene Magnetfeldstärke ist, und daß die zweite vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine zweite vorgege bene Magnetfeldstärke ist.

18. IMD nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine erste vorgegebene Magnetfeldpolarität ist, und daß die zweite vorgegebene Magnetfeldcharakteristik eine zweite vorgege bene Magnetfeldpolarität ist.

19. Implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD), welche eine hermetisch ab gedichtete Ummantelung aufweist und geeignet ist, in einen Körper eines Patienten implantiert zu werden und eine Therapieanwendung und/oder in Übereinstimmung mit einem Betriebsmodus eine Überwachungsfunktion be reitzustellen, wobei die IMD ferner umfaßt:
Steuerungs- und Timing-Schaltungsmittel, das auf einem Substrat für eine integrierte Schaltung zum Einnehmen eines IMD-Betriebsmodus enthalten ist;
eine Vielzahl mikroelektromechanischer Schalter, wobei jeder ein Aufhän gungselement, auf dem eine ferromagnetische Schicht und ein Aufhän gungselement-Schalterkontakt gebildet sind, und einen fixen Schalterkontakt aufweist, das Aufhängungselement mit einem Schalterkontakt und der fixe Schalterkontakt normal in einer ersten Stellung sind und geeignet sind, eine zweite Stellung einzunehmen, wenn eine vorgegebene magnetische Feld stärke auf die ferromagnetische Schicht einwirkt und eine Krümmung des Aufhängungselements verursacht;
jeder mikroelektromechanischer Schalter mit einer Schalter- Verarbeitungsschaltung gekoppelt ist, die auf die Einnahme der zweiten Stellung durch den Aufhängungselement-Schalterkontakt und den fixen Schalterkontakt durch Liefern eines Schaltersignals reagiert; und
eine IMD-Steuerungs- und Timing-Schaltung, die auf ein Schaltersignal durch Einnehmen eines IMD-Betriebsmodus reagiert.