DE102006014458B4

DE102006014458B4 - Implantierbare Hochfrequenz-Telemetrievorrichtung mit Energiesparmodus

Info

Publication number: DE102006014458B4
Application number: DE102006014458A
Authority: DE
Inventors: Ake Sivard
Original assignee: Zarlink Semiconductor AB
Current assignee: Microsemi Semiconductor AB
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: FR2884151B1; GB2428166A; US8538544B2; GB0506925D0; US20060229053A1; FR2884151A1; DE102006014458A1; GB0606749D0; GB2428166B

Abstract

Implantierbare elektronische Vorrichtung, mit: einem ersten Funkempfänger (12) zum Empfangen von Telemetriedaten, wobei der erste Funkempfänger einen Wachmodus und einen Schlafmodus hat und so ausgestt; einem zweiten Funkempfänger (13) mit sehr niedrigem Energieverbrauch im Vergleich zu dem ersten Funkempfänger; wobei sowohl der erste Funkempfänger als auch der zweite Funkempfänger ein Hochfrequenzempfänger ist: einer Steuereinheit (15) zum periodischen Einschalten des zweiten Funkempfängers (13) während einer Aufspür-Dauer, um ein einlaufendes Hochfrequenzsignal zu erfassen; und einer Analyseeinrichtung (11) zum Verifizieren der Eigenschaften eines einlaufenden Hochfrequenzsignals, das von dem zweiten Funkempfänger empfangen wird, wobei die Analyseeinrichtung, in Antwort auf den Erhalt eines Teiles einer gültigen Aufwecknachricht, die Aufspür-Dauer verlängert, wobei der empfangene Teil der Aufwecknachricht gültig bleibt, bis eine vollständige Aufwecknachricht empfangen ist; wobei die Analyseeinrichtung (11) weiterhin so betreibbar ist, dass sie den ersten Funkempfänger (12) in den Wachmodus bringt,...

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung beschreibt eine implantierbare Vorrichtung, z. B. einen Schrittmacher, der eine Hochfrequenz-Telemetriefunktionalität zum Sparen von Energie umfasst.
Beschreibung der verwandten Technik
Seit der Zuteilung eines speziellen Frequenzbandes für implantierbare medizinische Vorrichtungen, die Hochfrequenz-Telemetrie verwenden, des sogenannten MICS(Medical Implantable Communication Service; Kommunikationsdienst für medizinische Implantate)-Bandes, durch die FCC in den späten 90er Jahren, hat sich die Entwicklung von Vorrichtungen, die diese Funktionalität umfassen, merklich beschleunigt. Da jedoch die Batteriekapazität in einer implantierbaren Vorrichtung sehr begrenzt ist, wird das Einführen eines Hochfrequenz-Transceivers, der bei 402 bis 405 MHz arbeitet, zu einer wirklichen Herausforderung. Wenn der Transceiver in dem aktiven Modus bei 5 mA arbeitet, mag dies akzeptabel sein, da in dem Szenario für einen normalen Nutzer die Einschaltzeit nur ein Bruchteil (< 0.01%) der Gesamtlebensdauer der Vorrichtung beträgt. Ein kniffeligeres Problem ist das Thema des Aufwekkens der Hochfrequenz-Komponente aus dem Ausschaltzustand, um die Kommunikation in einer vernünftigen Zeit zu beginnen, ohne daß die Batterie leergesaugt wird.
Das üblichste Verfahren, dieses Problem heutzutage zu lösen, ist es, den sogenannten Aufspürmodus einzuführen. Dies bedeutet, daß der gesamte Hochfrequenz-Empfängerteil der Vorrichtung für eine begrenzte Zeitdauer (z. B. 10 Millisekunden) angeschaltet wird, wobei während dieser Zeit die Vorrichtung nachhört, um zu sehen, ob es irgendwelche Sender gibt, die in der Umgebung aktiv sind und Kontakt herstellen wollen. Indem der Arbeitszyklus der Einschalt-(Aufspür-)Zeit stark zugunsten der Ausschaltzeit begrenzt wird, kann eine beträchtliche Energieeinsparung erreicht werden. Wenn man zum Beispiel die Vorrichtung für 5 ms einschaltet, während sie 5 mA verbraucht, und dann für 995 ms ausschaltet, wobei sie nur den Verluststrom von vielleicht 100 nA verbraucht, wird dies den mittleren Stromverbrauch auf ungefähr 25 μA absenken. Dies ist für viele Anwendungen sehr gut. Bei einer implantierbaren Vorrichtung jedoch, die insgesamt weniger als 10 μA verbraucht, ist dieses nicht akzeptabel. Das weitere Absenken des mittleren Energieverbrauchs durch Verkürzen der Einschaltzeit ist schwierig, da eine bestimmte Zeit notwendig ist, um den Hochfrequenzempfänger anlaufen zu lassen und um eine Nachricht zu empfangen, die der Vorrichtung mitteilt, das Senden einer Antwort zu beginnen. Das Verlängern der Ausschaltzeit ist nicht bevorzugt, da der Arzt, der versucht, mit der Vorrichtung in Kontakt zu treten, eine Antwort innerhalb einer Sekunde oder zwei erwartet.
Ein Beispiel des Standes der Technik ist in der US 4,519,401 gegeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird eine implantierbare elektronische Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, mit einen ersten Funkempfänger zum Empfangen von Telemetriedaten, wobei der erste Funkempfänger einen Wachmodus und einen Schlafmodus hat und so ausgestaltet ist, daß er sich normalerweise in dem Schlafmodus befindet; einem zweiten Funkempfänger mit sehr geringem Energieverbrauch im Vergleich zu dem ersten Funkempfänger; wobei beide Funkempfänger Hochfrequenzempfänger sind; einer Steuereinheit zum periodischen Einschalten des zweiten Funkempfängers während einer Aufspürdauer, um nach einem einlaufenden Hochfrequenzsignal zu lauschen; einer Analyseeinrichtung zum Verifizieren der Eigenschaften eines einlaufenden Hochfrequenzsignals, das von dem zweiten Funkempfänger empfangen wird, wobei die Analyseeinrichtung in Antwort auf den Empfang eines Teiles einer gültigen Aufwecknachricht die Aufspürdauer verlängert, wobei der empfangene Teil der Aufwecknachricht gültig bleibt, bis eine vollständige Aufwecknachricht empfangen ist; und wobei die Analyseeinrichtung weiter so betreibbar ist, daß sie den ersten Funkempfänger in den Wachmodus bringt, um einlaufende Telemetriedaten in Antwort auf das Erfassen einer vollständigen gültigen Aufwecknachricht zu empfangen.
Der zweite Funkempfänger bildet normalerweise einen Teil eines Transceivers zum Austauschen von Telemetriedaten mit einer externen Vorrichtung in beiden Richtungen.
Somit hat gemäß der Erfindung eine implantierbare Vorrichtung mit einem Hochfrequenz-Telemetrietransceiver einen getrennten Niederleistungsempfänger, um die Vorrichtung aufzuwecken, damit Energie gespart wird, wenn eine externe Hochfrequenzeinheit mit der implantierten Vorrichtung kommunizieren möchte. Der normale Hochfrequenz-Telemetrietransceiver ist die meiste Zeit abgeschaltet, mit der Ausnahme, daß es eine aktive Telemetrieverbindung im Betrieb gibt.
Der Niederleistungsempfänger hat eine vereinfachte Architektur, um den Energieverbrauch auf ungefähr 200 μA hinunterzutreiben und arbeitet als eine Aufweckvorrichtung für den vollen Hochfrequenz-Transceiver. Wegen der Einfachheit des Niederleistungsempfängers kann er auch sehr schnell eingeschaltet werden (in weniger als 200 μs).
Für die meiste Zeit ist die gesamte Hochfrequenz-Funktionalität in der implantierbaren Vorrichtung abgeschaltet und verbraucht weniger als 100 nA Leckstrom. In jeder Sekunde wird der Niederleistungsempfänger durch die Anwendungsschaltung für ungefähr 0.5 ms angeschaltet, um zu erfassen, ob es irgendwelche externen Vorrichtungen gibt, die versuchen, in Kontakt zu treten. Wenn ein geeignetes Signal empfangen wird, wird das Erfassungsfenster vergrößert, um den Empfang einer vollen Aufwecknachricht zu ermöglichen und das Einschalten des voll betriebenen MICS-Transceivers einzuleiten, der dann beginnt, zu senden und zu empfangen. Die Vergrößerung des Empfangsfensters des Aufweckempfängers wird nur so lange aufrechterhalten, wie die Eigenschaften der empfangenen Nachricht mit einer korrekten Nachricht übereinstimmen. Ein Beispiel einer solchen Eigenschaft ist es, die sogenannte Manchester-Codierung zu benutzen und den Niederleistungsempfänger auszuschalten, sobald irgendein Signal, das nicht Manchester-codiert ist, erfaßt wird. Dies führt zu zusätzlicher Energieeinsparung, da der Aufweckempfänger sofort abgeschaltet wird, wenn es deutlich wird, daß die Nachricht nicht korrekt ist, anstatt daß eine vollständige Aufwecknachricht empfangen wird, bevor überprüft wird, ob die Nachricht korrekt ist oder nicht.
Bei einem Energieverbrauch von 200 μA vom Niederleistungsempfänger wird dies einen gesamten mittleren Energieverbrauch von 200 nA ergeben (100 nA Leckstrom und 100 nA vom Niederleistungsempfänger).
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
1 ein Blockschaubild einer implantierbaren Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
2 ein genaueres Blockschaubild einer Ausführungsform der Erfindung ist.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf 1 weist der vereinfachte Empfänger eine Antenne 1 auf, die ein Aufwecksignal empfängt (identisch mit der MICS-Bandantenne oder getrennt davon), einen Verstärker 2, welcher das Signal verstärkt, und einen Komparator/Detektor 3, der das verstärkte Signal erfaßt, wenn es oberhalb eines bestimmten Leistungspegels liegt.
Um weiter die Sicherheit des Empfängers dagegen zu erhöhen, daß die Vorrichtung durch Rauschen aufgeweckt wird, weist das Aufwecksignal ein vorbestimmtes codiertes Muster auf, das in einer Analyseeinrichtung 4 analysiert wird, um zu überprüfen, ob es mit dem Aufweckmuster übereinstimmt. Nur wenn das Muster korrekt ist, wird der gesamte Transceiver 5 von der Analyseeinrichtung 4 eingeschaltet werden. Der Verstärker 2, Komparator 3 und die Analyseeinrichtung 4 bilden einen Teil eines einfachen Empfängers mit sehr niedriger Leistung.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Hochfrequenzsignal von einer abgestimmten Antenne 6 empfangen wird, die mit einem Verstärker 7 verbunden ist, einem optionalen Bandpaßfilter 8, der wiederum mit einem Gleichrichter 9 verbunden ist, verbunden mit einem Komparator 10, der mit einer Analyseeinrichtung 11 verbunden ist. Die Analyseeinrichtung 11 ist mit dem Voll-Hochleistungs-Hochfrequenz-Transceiver 12 verbunden. Der Verstärker 7, der Bandpaßfilter 8, der Gleichrichter 9 und der Komparator 10 bilden einen Teil einer einfachen Hochfrequenz-Empfängerschaltung 13 mit niedriger Leistung. Der Steuerblock 15 steuert das Einschalten und das Ausschalten des Niederleistungsempfängers 13.
Der Volltransceiver kann dieselbe Antenne benutzen wie der Niederleistungsempfänger, wie es in 1 gezeigt ist, oder kann eine getrennte Antenne benutzen, wie es in der 2 mit der Antenne 14, die als getrennte Einheit dargestellt ist, gezeigt ist.
Das einlaufende Hochfrequenzsignal, das von der Antenne 6 aufgefangen wird, wird in die einfache Empfängerschaltung 13 eingespeist. Die beschriebene Lösung benutzt ein Manchester-codiertes Ein/Aus-(OOK; On/Off Keying)-Modulationsschema, jedoch können andere Modulationsschemata, so wie das Frequenzumschalten (FSK; Frequency Shift Keying), Phasenumschalten (PSK; Phase Shift Keying) usw. auch von dem Fachmann in Betracht gezogen werden.
Das Signal, das von der Antenne aufgefangen worden ist, wird von dem Verstärker 7 verstärkt und in den Bandpaßfilter 8 mit niedriger Leistung eingespeist, der das Signal um die gewählte Aufweckfrequenz innerhalb oder außerhalb des MICS-Bandes filtert. Das gefilterte Signal wird dann in den Gleichrichter 9 eingespeist und an den Komparator 10 als ein Signal viel niedrigerer Frequenz gegeben. Der Komparator 10 wirkt als ein Decodierer, der das einlaufende Hochfrequenzsignal (wenn es eines gibt) decodiert, und wenn der Wert oberhalb der Schranke des Komparators liegt, die programmierbar eingerichtet werden kann, beginnt, das Signal in logische Einsen '1' und Nullen '0' umzuwandeln. Das digitale Signal von dem Komparator 10 wird in eine Analyseeinrichtung 11 eingespeist, wo es dahingehend überprüft wird, ob es ein Manchester-codiertes Signal ist, und wenn dies der Fall ist, mit einem vorbestimmten Digitalsignalmuster verglichen wird, und wenn das einlaufende Signal mit diesem Muster übereinstimmt, schaltet die Analyseeinrichtung den Voll-Hochfrequenz-Transceiver ein, der die volle Hochfrequenzübertragung beginnt. Wenn kein übereinstimmendes Manchestercodiertes Signal innerhalb des 0.5 ms großen Fensters erfaßt wird, kehr die Vorrichtung einfach zurück in den Schlaf bis zu der nächsten Einschaltzeit von 0,5 ms, die 999.5 ms später ist.
Für die verbesserte Immunität gegenüber Rauschen ist es bevorzugt, das einlaufende Signal zu codieren, wobei ein verfeinerteres Schema verwendet wird als eines, bei dem das Vorliegen des Signals durch eine '1' dargestellt wird und das Fehlen des Signals durch eine '0' dargestellt wird. Beispiele umfassen Pulsbreitenmodulation (PWM; Pulse Width Modulation), bei der das lange Vorliegen eines Signals in einem Zeitschlitz durch eine '1' dargestellt wird und das kurze Vorliegen durch eine '0' dargestellt wird. Als Alternative kann das Signal amplitudenmoduliert werden, wobei Pulspositionsmodulation (PPM; Pulse Position Modulation) oder Pulsamplitudenmodulation (PAM; Pulse Amplitude Modulation) verwendet werden, vorausgesetzt, daß eine geeignete Analyseeinrichtung 14 eingesetzt wird.
Eine zusätzliche Stufe an Sicherheit kann erreicht werden, indem veranlaßt wird, daß die Erfassung des korrekten Signals innerhalb der ersten 5 ms eine Verlängerung des Niederleistungsempfängers einleitet, um zu ermöglichen, daß ein längeres Codiermuster verwendet wird, bevor der gesamte Transceiver eingeschaltet wird. Bei der Erfindung dauert die Verlängerung nur so lange fort, wie das empfangene Muster Manchester-codiert ist und somit mit den erwarteten Eigenschaften übereinstimmt. Die Fachleute jedoch werden verstehen, daß die erwarteten Eigenschaften irgendein Codiermuster, ebenso wie die korrekte Pulsbreite, die korrekte Pulsposition, korrekte Frequenz, korrekte Pulsamplitude usw. bedeuten können. Dies wird sogar durchgeführt, bevor die digitale Aufwecknachricht decodiert wird, wobei die Möglichkeit gegeben ist, unmittelbar in den Schlaf zurückzukehren, sobald die einlaufende Nachricht nicht die korrekten Eigenschaften hat.
Die Einfachheit des Empfängers 13 macht es sehr schwer, sehr gute Empfindlichkeit des Empfängers zu erreichen. Um zu einem zweckmäßigen Aufweckbereich zu gelangen, kann es vorteilhaft sein, ein anderes Frequenzband als das MICS-Band zu benutzen, das bei der erlaubten Ausgangsleistung (maximal 25 μW) sehr begrenzt ist. Beispiele solcher Frequenzbänder, die verwendet werden können, sind das ISM-Band bei 2.45 GHz, das US ISM-Band bei 902–928 MHz, das Band für Vorrichtungen mit kurzer Reichweite bei 868 MHz in Europa. Diese Bänder haben alle eine viel höhere Leistungsgrenze als das MICS-Band.
Die beschriebene Schaltung ist für die Integration in einem einzelnen Chip geeignet, wobei man beispielsweise CMOS-Technologie einsetzen kann.
Es wird von den Fachleuten verstanden werden, daß die obige Beschreibung eine beispielhafte Ausführungsform darstellt und daß viele Abänderungen innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche möglich sind, ohne daß man sich vom Umfang der Erfindung entfernt.

Claims

Implantierbare elektronische Vorrichtung, mit: einem ersten Funkempfänger (12) zum Empfangen von Telemetriedaten, wobei der erste Funkempfänger einen Wachmodus und einen Schlafmodus hat und so ausgestaltet ist, dass er normalerweise im Schlafmodus ist; einem zweiten Funkempfänger (13) mit sehr niedrigem Energieverbrauch im Vergleich zu dem ersten Funkempfänger; wobei sowohl der erste Funkempfänger als auch der zweite Funkempfänger ein Hochfrequenzempfänger ist: einer Steuereinheit (15) zum periodischen Einschalten des zweiten Funkempfängers (13) während einer Aufspür-Dauer, um ein einlaufendes Hochfrequenzsignal zu erfassen; und einer Analyseeinrichtung (11) zum Verifizieren der Eigenschaften eines einlaufenden Hochfrequenzsignals, das von dem zweiten Funkempfänger empfangen wird, wobei die Analyseeinrichtung, in Antwort auf den Erhalt eines Teiles einer gültigen Aufwecknachricht, die Aufspür-Dauer verlängert, wobei der empfangene Teil der Aufwecknachricht gültig bleibt, bis eine vollständige Aufwecknachricht empfangen ist; wobei die Analyseeinrichtung (11) weiterhin so betreibbar ist, dass sie den ersten Funkempfänger (12) in den Wachmodus bringt, um einlaufende Telemetriedaten in Antwort auf die Erfassung einer vollständigen gültigen Aufwecknachricht zu empfangen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Aufwecksignal einen vorbestimmten Identifikationscode umfasst und die Analyseeinheit (11) auf den vorbestimmten Identifikationscode reagiert, um den ersten Funkempfänger (12) in den Wachmodus zu bringen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Funkempfänger (12) einen Teil eines Transceivers zum Empfangen und Senden von Telemetriedaten bildet.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und zweite Funkempfänger (12, 13) eine gemeinsame Antenne (1) nutzen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Funkempfängern (12) eine andere Antenne (14) nutzt als der zweite Funkempfänger (13).
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Identifikationscode eine Adresse der Vorrichtung umfasst.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Funkempfänger (12) bei einer anderen Frequenz arbeitet als der zweite Funkempfänger (13).
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eigenschaften des einlaufenden Signals den Manchester-Code aufweisen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eigenschaften des einlaufenden Signals den Code für die Rückkehr in den neutralen Zustand aufweisen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eigenschaften des einlaufenden Signals die Verzögerung zwischen zwei Symbolen aufweisen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eigenschaften des einlaufenden Signals ein vorbestimmtes Frequenzfenster aufweisen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eigenschaften des einlaufenden Signals ein vorbestimmtes Amplitudenfenster aufweisen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eigenschaften des einlaufenden Signals ein vorbestimmtes Pulspositionsfenster aufweisen.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Analyseeinrichtung (11) auf einen Identifikationscode antwortet, der unter Verwendung von Ein/Aus-Schaltung moduliert wird.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Analyseeinrichtung (11) auf einen Identifikationscode antwortet, der unter Verwendung der Frequenzumschaltung moduliert ist.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Analyseeinrichtung (11) auf einen Identifikationscode antwortet, der unter Verwendung von Amplituden- umschaltung moduliert ist.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Analyseeinrichtung (11) auf einen Identifikationscode reagiert, der unter Verwendung von Phasenumschaltung moduliert ist.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite Empfänger (13) mit geringem Energieverbrauch einen Verstärker (7), einen Bandpaßfilter (8), einen Gleichrichter (9) und einen Komparator (10) aufweist.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Identifikationscode pulsbreitenmoduliert ist und die Analyseeinrichtung (11) so gestaltet ist, dass sie die Pulsbreitenmodulation erfasst.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Identifikationscode pulspositionsmoduliert ist und die Analyseeinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie die Pulspositionsmodulation erfasst.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Identifikationscode pulsamplitudenmoduliert ist und die Analyseeinrichtung (11) so ausgestaltet ist, dass sie die Pulsamplitudenmodulation erfasst.
Implantierbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite Funkempfänger (13) mit niedrigem Energieverbrauch so ausgestaltet ist, dass er normalerweise über den Hauptanteil der Zeit im Schlafmodus ist, um Energie zu sparen, und in den Aufspür-Modus zu vorbestimmten Zeitabschnitten aufgeweckt wird, um das Aufwecksignal zu erfassen.