DE102015103446B3

DE102015103446B3 - Implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung

Info

Publication number: DE102015103446B3
Application number: DE102015103446.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Volk; Adnan Yousaf; Sebastian Stöcklin; Leonhard Reindl; Thomas Stieglitz; Juan Ordonez; Christian Bentler
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2035-03-11

Abstract

Beschrieben wird eine implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung zwischen wenigstens zwei implantierten, induktiv miteinander koppelnden, elektrischen Resonatorspulenanordnungen, kurz RSA, denen jeweils eine Spulenfläche mit einer Flächennormalen zugeordnet ist und die zueinander mit einem Abstand derart angeordnet sind, dass sich die Spulenflächen in Projektion längs ihrer Flächennormalen zumindest teilweise überlappen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine aus elastischem Material gefertigte Tragstruktur vorgesehen ist mit einer Längserstreckung, längs der die wenigstens zwei RSA angebracht sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung zwischen wenigstens zwei implantierten, induktiv miteinander koppelnden, elektrischen Resonatorspulenanordnungen, im Weiteren kurz RSA, denen jeweils eine Spulenfläche mit einer Flächennormalen zugeordnet ist und die zueinander mit einem Abstand angeordnet sind, so dass sich die Spulenflächen in Projektion längs ihrer Flächennormalen zumindest teilweise überlappen.
Ferner wird eine medizinische Anordnung mit wenigstens einem implantierbaren und zumindest mit elektrischer Energie versorgbaren ersten medizinischen Gerät sowie wenigstens einem als Energiequelle dienenden zweiten Gerät erläutert, die beide über eine vorstehend erläuterte Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung miteinander verbunden sind.
Stand der Technik
Zur permanenten Aufrechterhaltung der therapeutischen Funktionen medizinischer, elektrischer Implantate sind vor allem Batterien bzw. Akkumulatoren erforderlich, die entweder gemeinsam mit der therapiespezifischen Elektronikeinheit als einheitliches, autonom arbeitendes Implantat intrakorporal verortet oder als eine separate intrakorporal oder extrakorporale Geräteeinheit ausgebildet sind, die die gespeicherte Energie dem Implantat mittels einer galvanischen oder induktiven Energieübertragung zur Verfügung stellt. Die Menge der in den Batterien bzw. Akkumulatoren gespeicherten Energie ist dabei von deren Volumen abhängig. Eine größere Batterie verspricht somit eine längere Laufzeit des Implantats.
In den meisten Fällen, bspw. bei Herz- und Hirnschrittmachern, ist das Batterievolumen zumeist um ein Vielfaches größer als das Volumen für die den therapeutischen Effekt bewirkenden Elektronikkomponenten. Als Konsequenz werden derartige Schrittmacher, die einen eingehausten, batteriebetriebenen Impulsgeber aufweisen, in großem Abstand zu dem zu stimulierenden Gewebe verpflanzt, meist im Bereich des operativ leicht zugänglichen Schlüsselbeinbereiches. Die elektrische Verbindung zwischen dem Schrittmacher und den in dem zu stimulierenden Gewebebereichen zu platzierenden Elektrodensonden erfolgt zumeist galvanisch über Kabel.
Die für die Signalübertragung zum Einsatz kommenden Kabel leiten sowohl elektrische Impulse zum Herzen bzw. zu den jeweiligen Hirnarealen als auch Signale des Herzens bzw. der Hirnareale wieder zum Impulsgeber zurück. Dadurch werden die Impulse des Schrittmachers entsprechend geregelt. Mit den Kabeln ist jedoch auch eine Vielzahl von Problemen verknüpft. Im Falle einer Fehlfunktion kann nicht ausgeschlossen werden, dass elektrischer Gleichstrom unkontrolliert durch intrakorporale Gewebebereiche fließt und dort elektrochemische und neurologische Prozesse auslösen kann. Zudem können starre Kabel brechen, was zum Ausfall des Geräts führt. Durch entsprechend große mechanische Belastungen ist es zudem möglich, dass sich die angeschlossenen implantierten Elektroden verlagern können. Die Folgen können lebensbedrohlich sein.
Seit Jahren wird versucht die Fortschritte im Bereich der Mikroelektronik zu nutzen, um hochminiaturisierte implantierbare Stimulatoren samt deren Stimulationselektroden in unmittelbare Nähe von zu stimulierenden Nerven- oder Gewebebereichen zu platzieren. Da sich diese Areale meist an operativ schwer zugänglichen Bereichen und/oder in ständiger Bewegung befinden, sehen derartig kleine Implantate keine galvanische Verbindungen oder Batterien vor. Vielmehr werden Energieversorgung und Signalaustausch induktiv vorgenommen, meist zwischen einer extrakorporal angebrachten Energie- und Steuereinheit und dem Implantat. Die Größe und Lage der zur induktiven elektrischen Kopplung erforderlichen Spulenanordnungen werden zumeist durch das umliegende Gewebe vorgegeben. So weisen die Spulen häufig Spulendurchmesser im Millimeterbereich auf, deren Lage meist in einem ungünstigen Winkel zur Körperoberfläche orientiert ist, weswegen die elektrische Energie- und Signalversorgung signifikant beeinträchtigt oder zumindest erschwert durchführbar ist.
Zur Verbesserung der lagebeeinträchtigten induktiven Energieübertragung zwischen einer implantierten Spulenanordnung und einer extrakorporalen, Spulen-gestützten Energiequelle beschreibt die Druckschrift WO 2014/031878 A1 ein aus wenigstens drei Spulen bestehendes induktives Energieübertragungssystem, bei dem eine dritte in Resonanz betriebene Spule vorgesehen ist, um das Magnetfeld seitens des extrakorporal platzierten Spulensystems auf das implantierte Spulensystem zu fokussieren bzw. räumlich auszurichten. In dem beschriebenen Retinaimplantat befindet sich die dritte Spule in der Hornhaut, während das implantierte Spulensystem im Inneren des Augenkörpers platziert ist.
Anstelle der vorstehend erläuterten Fokussierung des magnetischen Feldes mit Hilfe einer (dritten) Justierspulenanordnung, verfolgt ein anderer Ansatz die positive Wirkung von schon wenigen, meist vier, in Reihe angeordneten Spulen auf die energetische Übertragungsreichweite. So zeigte 2007 André Kurs im Artikel „Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances“ im Journal „Science“, dass die Übertragungsdistanz eines Vierspulensystems um das Achtfache größer ist, als bei einem vergleichbaren Zweispulensystem. Diese Erkenntnis führte u.a. zu einem kabellosen Energieübertragungssystem, das in der Druckschrift US 2010/0327660 beschrieben ist und wenigstens eine sogenannten Repeater-Spule zwischen einer Sende- und einer Empfangsspulenanordnung vorsieht, um bspw. kabellos Beleuchtungseinrichtungen mit Energie zu versorgen. Die Druckschrift US 2012/0235502 offenbart ein entsprechendes Energieübertragungssystem für medizinische Implantate.
Bei den bisher bekannten Anordnungen zur elektrischen Signal- und Energieübertragung ausschließlich auf Basis der Übertragung eines magnetischen Flusses zwischen wenigstens einem medizinischen Implantat und einer Energie- und/oder Signalquelle treten jedoch beträchtliche Verluste auf, die u.a. von Abweichungen bezüglich relativer Abstände sowie auch Lage-Ausrichtungen von miteinander induktiv koppelnden RSA untereinander herrühren. So sind die Ausbreitung des magnetischen Flusses sowie die daraus abgeleitete elektromagnetische Kopplung zwischen den einzelnen induktiv koppelnden RSA nur schlecht definiert. Dieser Umstand wird durch metallische Objekte, bspw. Knochennägel, Gelenkprothesen oder hermetische Kapselungen, noch weiter verstärkt. Ferner lässt sich das elektrische Verhalten derartiger Anordnungen nur schwer vorhersagen.
Auch aus praktischen Gründen kann die Übertragungsstrecke nicht optimal auf den jeweiligen Patienten bzw. die entsprechende Gerätekonfiguration abgestimmt werden. Die ausgesendete magnetische Leistung kann allein aufgrund der räumlich sich nicht exakt aufeinander ausgerichteten RSA nicht optimal genutzt werden, und es kommt zur Erwärmung einzelner Komponenten durch auftretende Wirbelströme. Vorsorge muss darüber hinaus getroffen werden, um die Resonatoren sowie die angeschlossene elektrischen Komponenten gegen Einstreuung und gegebenenfalls Überspannung zu schützen.
Neben den elektrischen Problemen ist die Implantation mehrerer einzelner RSA zur magnetischen Fluss-Übertragung, die zudem über verhältnismäßig große Spulendurchmesser verfügen, auch aus medizinischer Sicht schwierig. So müssen geeignete Gewebebereiche gefunden werden, welche ausreichend Platz bieten, um eine möglichst ortsfeste Verankerung zu gewährleisten. Zur Platzierung jeder einzelnen RSA ist jeweils ein separater, lokaler, medizinischer Eingriff erforderlich. Die Gesamtoperation ist im Gegensatz zu einem Kabel, welches im Optimalfall lediglich einen einzigen Eingriff an den jeweiligen Enden erfordert um ein Vielfaches länger. Aus diesem Grunde hat sich die Energie- und Signalversorgung von medizinischen Implantaten auf Basis induktiver Kopplung mittels RSA bis dato nicht nennenswert durchgesetzt, weswegen die meisten medizinischen Implantate, auch wenn diese extrakorporal induktiv versorgt werden, zur intrakorporalen Energie- und Signalübertragung konventionelle Kabelverbindungen nutzen.
Die Druckschriften US 2009/0157145 A1 und US 2002/0177884 A1 offenbaren jeweils eine implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung zwischen wenigstens zwei induktiv miteinander koppelnden, elektrischen Resonatorspulenanordnungen, doch vermögen diese Anordnungen Daten und Energie nur über sehr kurze Stecken zur übertragen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Daten- bzw. Signal- und Energieübertragung zwischen wenigstens zwei implantierten, induktiv miteinander koppelnden, elektrischen Resonatorspulenanordnungen, kurz RSA, denen jeweils eine Spulenfläche mit einer Flächennormalen zugeordnet ist und die zueinander mit einem Abstand derart angeordnet sind, dass sich die Spulenflächen in Projektion längs ihrer Flächennormalen zumindest teilweise überlappen, derart weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile behoben werden sollen. Insbesondere soll die Belastung für den Patienten durch den operativen Eingriff deutlich reduziert werden. Ferner gilt es, die Verluste bei der Energieübertragung längs der Übertragungsstrecke auf ein Minimum zu reduzieren, um die Voraussetzung für eine elektronische Bestimmtheit der implantierbaren Vorrichtung zur elektrischen Signal- und Energieübertragung zu schaffen. Mögliche Gefährdungen für den Patienten selbst im Falle technischer Defekte längs der Energieübertragungsstrecke sollen gleichfalls minimiert bzw. vollständig ausgeschlossen werden können. So gilt es, eine medizinische Anordnung mit wenigstens einem implantierbaren und mit elektrischer Energie versorgbaren ersten Gerät anzugeben, deren elektrische Eigenschaft individuell auf den Patienten einstellbar ist..
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine lösungsgemäße medizinische Anordnung ist Gegenstand des Anspruches 12. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele, zu entnehmen.
Ungeachtet der Problematik aller bisher bekannten Anordnungen und Ansätze zur elektrischen Daten- und Energieübertragung an wenigstens ein medizinisches Implantat im Wege induktiver Kopplung knüpft die lösungsgemäße Idee zur Realisierung einer derartigen Energieübertragungsvorrichtung an eben diesem Konzept der elektrischen Daten- und Energieübertragung ausschließlich auf Basis der Leitung eines magnetischen Flusses unter Verzicht auf jegliche galvanische, auch intrakorporaler Verbindungen und Kontakte an.
So zeichnet sich die lösungsgemäße implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Signal- im Sinne von Datensignal- und Energieübertragung zwischen wenigstens zwei implantierten, induktiv miteinander koppelnden, elektrischen RSA, denen jeweils eine Spulenfläche mit einer Flächennormalen zugeordnet ist und die zueinander mit einem Abstand derart angeordnet sind, dass sich die Spulenflächen in Projektion längs ihrer Flächennormalen zumindest teilweise überlappen, derart aus, dass eine aus einem elastischen Material gefertigte Tragstruktur vorgesehen ist, die über eine Längserstreckung verfügt, längs der die wenigstens zwei RSA angebracht sind, d.h. die RSA sind mit der Tragstruktur separat zueinander an einer der Tragstruktur zuordenbaren Oberfläche fest verbunden oder innerhalb der Tragstruktur integriert.
Die aus einem elastischen Material gefertigte Tragstruktur ist in einer bevorzugten Ausführungsform schlauchförmig oder in Form eines aus Vollmaterial gefertigten Materialstrangs ausgebildet, deren Längserstreckung sehr viel größer dimensioniert ist als eine der Tragstruktur zuordenbare maximale Dicken- bzw. Durchmesserdimension.
Zu Zwecken einer möglichst verlustfreien bzw. verlustarmen, induktiven Kopplung wenigstens zweier längs der Tragstruktur benachbart angeordneter RSA sind die wenigstens zwei RSA längs der Tragstruktur derart angeordnet, dass sich ihre Spulenflächen maximal überlappen. Hierbei sind die den Spulenflächen beider RSA zuordenbaren Flächennormalen parallel zueinander orientiert mit einer in Projektion der Flächennormalen maximalen Überlappung beider Spulenflächen. Im Falle von jeweils identisch ausgebildeten RSA bspw. mit kreisrunden Spulenwicklungen sind die einzelnen RSA koaxial längs der Tragstruktur angebracht. Selbstverständlich sind auch Spulenwicklungen mit einer von der Kreisform abweichenden Spulengeometrie denkbar, bspw. mit einem ovalen oder n-eckigen Spulenquerschnitt. Auch in diesem Fall sind die RSA mit möglichst maximaler Spulenflächenüberlappung längs der Tragstruktur anzuordnen.
Zur elektrischen Energieübertragung über Entfernungen von mehreren Zentimetern oder mehreren Dezimetern ist längs der Tragstruktur eine Vielzahl von jeweils voneinander beabstandeten RSA angebracht, wobei jede einzelne RSA wenigstens eine Spulenwicklung mit jeweils einem größten Spulenwicklungs-Durchmesser aufweist, wobei der gegenseitige Abstand von jeweils benachbarten RSA in Längserstreckung der Tragstruktur kleiner oder gleich dem größten Spulenwicklungs-Durchmesser ist, vorzugsweise kleiner oder gleich dem halben größten Spulenwicklungs-Durchmesser entspricht. Durch die längs der Tragstruktur in dichtem Abstand zueinander angeordneten RSA wird eine verlustminimierte induktive Kopplung zwischen den einzelnen RSA gewährleistet, wodurch der magnetische Fluss, ähnlich der elektrischen Stromführung innerhalb eines geschirmten Kabels, geführt wird.
Selbst im Falle einer aufgrund der Eigenelastizität des Tragstrukturmaterials möglichen Deformation der Tragstruktur und der damit verbundenen relativen räumlichen Auslenkung der RSA untereinander werden die energetischen Übertragungseigenschaften aufgrund der in Längserstreckung sehr dicht aneinander angeordneten RSA nicht oder zumindest nicht signifikant beeinträchtigt, so dass der Energiefluss im Wege der induktiv magnetischen Kopplung zwischen den einzelnen RSA untereinander keine nennenswerten Verluste erleidet.
Neben der geometrischen, vorzugsweise deckungsgleich überlappenden Anordnung der wenigstens zwei RSA längs der Tragstruktur gilt es die Resonanzfrequenz der einzelnen RSA aufeinander abzustimmen bzw. zu vereinheitlichen. Dies ist einerseits dadurch möglich, indem die einzelnen RSA jeweils identisch zueinander ausgebildet sind und/oder durch geeignete elektrische Zusatz-Komponenten eine aufeinander abgestimmte Resonanzfrequenz erhalten. Derartige, die Resonanzfrequenz einer Spulenanordnung beeinflussende elektrische Abstimmkomponenten bzw. Glieder sind dem Fachmann bekannt und werden überdies im Weiteren unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele erläutert.
Um das umliegende Patientengewebe um die implantierte Tragstruktur mit den daran angebrachten RSA zu Zwecken der elektrischen Energieübertragung ausschließlich auf Basis eines magnetischen Flusses so wenig wie möglich zu irritieren oder gar zu schädigen, verfügt die Tragstruktur über eine Elastizität, die vergleichbar ist mit der Elastizität des umliegenden biologischen Gewebes selbst. Vorzugsweise verfügt das elastische Material der Tragstruktur über eine Elastizität mit einem E-Modul von 0,5 MPa bis 50 MPa, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 MPa. Besonders geeignet als Material für die Tragstruktur ist hochelastisches Silikon, das als biokompatibles Material besonders geeignet ist für die Verwendung in intrakorporalen Bereichen.
Sollte es trotz der hohen Biege- und Zugfestigkeiten, die dem Silikonmaterial innewohnen, zu einem Defekt längs der Tragstruktur kommen, bspw. in Form eines Bruches oder Abrisses, so würde ein derartiger Defekt nicht notwendigerweise zur Unterbrechung der Energieübertragung führen, wie dies im Falle einer konventionellen galvanischen Kabelverbindung der Fall wäre, vielmehr behielten die einzelnen RSA längs der Tragstruktur ihre räumliche Zuordnung bei, lediglich am Ort des Defektes könnte eine räumliche Lageänderung der betreffenden, sich längs der Tragstruktur benachbart gegenüberliegenden RSA zu einer verminderten induktiven Kopplung führen, wodurch die magnetische Flussübertragung marginal beeinträchtigt sein könnte. Insbesondere im Falle einer bereits über einen längeren Zeitraum implantierten Vorrichtung zur Daten- und Energieübertragung vermag das die Tragstruktur umgebende Gewebe eine zusätzliche Stützfunktion auszuüben, so dass die räumliche Anordnung der längs der Tragstruktur verteilt angeordneten RSA selbst im Falle des vorstehend bezeichneten Defektes erhalten bliebe.
Das Ein- bzw. Umwachsen der implantierten Vorrichtung zur Signaldaten- und Energieübertragung in bzw. von dem umliegenden Gewebe, das auf die längs der Tragstruktur verteilt angeordneten RSA eine zusätzliche Stütz- und Haltefunktion ausübt, erlaubt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wahl des Tragstrukturmaterials aus einem bioresorbierbaren Material, das nach einer bestimmten intrakorporalen Verweildauer eine vollständige Auflösung im Wege der Resorption erfährt. Die einzelnen RSA verbleiben auch nach Auflösung der Tragstruktur weitgehend an ihren Stellen und werden von dem umliegenden Gewebe in Art einer Haltematrix fixiert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht die Anreicherung des elastischen Materials der Tragstruktur mit wenigstens einer magnetisch leitfähigen Substanz vor, die bevorzugt in jenen Bereichen der Tragstruktur eingebracht ist, die zumindest von den RSA umfasst sind. Im Falle einer Tragstruktur, die strangförmig, bspw. schlauchförmig oder aus einem Vollmaterial gefertigt ist und um dessen Außenumfang in jeweils vorzugsweise äquidistanten Abständen die RSA aufgebracht sind, bietet es sich an, das Material der Tragstruktur vollständig mit einer die magnetische Leitfähigkeit erhöhenden Substanz anzureichern. Ähnlich einem Ferritkern kann auf diese Weise der magnetische Fluss durch die reihenhaft angeordneten RSA gebündelt und besser geführt werden. Als magnetisch leitfähige Substanzen bieten sich vorzugsweise ferritische Metallpulver an. Durch diese Maßnahme können die Abstände in Längserstreckung der Tragstruktur zwischen den einzelnen RSA erhöht und deren Anzahl verringert werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der lösungsgemäß ausgebildeten implantierbaren Vorrichtung sieht eine Tragstruktur mit einem schlauchförmigen oder aus Vollmaterial gefertigten Trägerkern vor, um dessen Kernmanteloberfläche jeweils in Umfangsrichtung eine Vielzahl vorzugsweise äquidistant zueinander beabstandete RSA angeordnet sind. Nicht notwendigerweise, jedoch in vorteilhafter Weise bestehen sowohl der Trägerkern als auch die RSA aus biokompatiblem Material. Zusätzlich ist eine den Trägerkern samt der darauf angebrachten RSA umschließende Zusatzschicht aus biokompatiblem Material vorgesehen, die den Trägerkern samt der RSA hermetisch umschließt. Je nach Einsatzzweck und Ort der implantierbaren Vorrichtung können bei Vorsehen einer nicht resorbierbaren aber biokompatiblen Zusatzschicht der Trägerkern sowie auch die von der Zusatzschicht umfassten RSA aus nahezu beliebigen Materialien gefertigt sein.
Ferner richtet sich die Dimensionierung der implantierbaren Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung nach den intrakorporalen Gegebenheiten, der jeweiligen Therapiebestimmung sowie nach dem Zweck des jeweils implantierten Gerätes, zu dessen Daten- und Energieversorgung die implantierte Vorrichtung dient. Durch die verhältnismäßig enge Aneinanderreihung einer Vielzahl von RSA längs der Tragstruktur lassen sich Vorrichtungslängen von bis zu 50 cm, vorzugsweise bis zu 30 cm sowie Vorrichtungsdicken-Dimensionen von bis zu 10 mm, vorzugsweise 5 mm, mit vergleichsweise geringen Energieübertragungsverluste realisieren.
Die implantierbare Vorrichtung dient der Daten- und elektrischen Energieübertragung zu wenigstens einem implantierbaren Gerät, das über eine induktive Koppeleinrichtung verfügt, die zu Zwecken der elektrischen Daten- und Energieübertragung an eine endseitig längs der Tragstruktur angebrachte RSA induktiv koppelt. Hierzu weist die Tragstruktur längs ihres ersten Endes eine geeignet gewählte Verbindungsstruktur auf, über die die Tragstruktur mit dem implantierbaren Gerät verbunden oder verbindbar ist. An dem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende der Tragstruktur ist gleichfalls eine geeignet gewählte Verbindungsstruktur vorgesehen, zum lösbar oder dauerhaften Verbinden an ein zweites, wenigstens als Energiequelle dienendes Gerät, das ebenfalls über eine induktive Koppeleinrichtung verfügt, die an die am zweiten Ende endseitig vorgesehene RSA induktiv koppelt. Nicht notwendigerweise muss das zweite Gerät ebenfalls implantierbar ausgeführt sein. Im Falle einer extrakorporalen Energiequelle dient die lösungsgemäß ausgebildete implantierbare Vorrichtung zur Daten- und Energieübertragung als extra-/intrakorporale Schnittstelle. Gleichwohl kann auch das wenigstens als Energiequelle dienende zweite Gerät an einer geeigneten, operativ leicht zugänglichen Stelle intrakorporal verortet werden, bspw. subkutan im Bereich des Schlüsselbeins.
Zur Daten- und Energieübertragung zwischen jeweils dem als Energiequelle sowie gegebenenfalls zusätzlich auch als Steuergerät dienenden zweiten Gerät und dem therapeutisch wirksamen, Energie verbrauchenden, implantierten ersten Gerät bedarf es der Erzeugung einer Wechselspannung zumindest am Ort des als Gleichspannungsenergiequelle ausgebildeten zweiten Gerätes, um einen elektrischen Wechselstromfluss innerhalb der zur elektromagnetischen Energieübertragung dienenden RSA hervorzurufen. Hierzu weist zumindest das zweite Gerät eine elektrische Wechselrichter-Anordnung auf, zur Umwandlung von seitens der Energiequelle, zumeist in Form eines Akkus oder einer Batterie, zur Verfügung gestellten Gleichspannung in Wechselspannung, die der weiteren Erzeugung eines Wechselstromes innerhalb der induktiv gekoppelten RSA sowie einer damit verbundenen magnetischen Wechselfeldgenerierung dient. Der sich dadurch ausbildende magnetische Fluss längs der induktiv gekoppelten RSA dient der elektrischen Energieübertragung von der Energiequelle hin zum Energie verbrauchenden ersten Gerät. Innerhalb der einzelnen miteinander induktiv koppelnden RSA fließen induktiv erzeugte elektrische Wechselströme, die hauptsächlich Blindströme darstellen, bei denen keine Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird. Da jede einzelne RSA galvanisch von allen übrigen RSA getrennt ist, können elektrische Gleichströme und darauf aufbauende unkontrollierte elektrochemische Prozesse im umliegenden Gewebe systembedingt ausgeschlossen werden.
Nicht notwendigerweise, jedoch in vorteilhafter Form sieht auch das erste implantierbare Gerät eine Gleichrichter-Anordnung vor, zur Umwandlung des über die implantierbare Vorrichtung übertragenen, magnetischen Wechselfeldes in ein Gleichspannungspotenzial zur weiteren elektrischen Energieversorgung der im implantierbaren Gerät vorhandenen therapeutisch wirksamen elektrischen Komponenten. Für den Fall einer Signalrückübertragung von Seiten des implantierten Gerätes über die implantierte Vorrichtung zum zweiten Gerät, kann der am Ort des ersten implantierten Gerätes vorgesehene Gleichrichter zu Zwecken einer AM- und/oder FM-Modulation von Gleich- in Wechselspannungspotenziale genutzt werden. Alternativ oder in Kombination zur bzw. mit der vorstehenden Modulation können zu Zwecken eines Informationsaustausches auch die Impedanzen der miteinander koppelnden Induktivitäten variiert werden.
Für den Fall, dass die Daten- und Energieübertragung längs eines durch die serielle Anordnung einer Vielzahl von auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abgestimmten RSA vorgegebenen Übertragungskanals nicht ausreicht, sieht eine weitere Ausführungsvariante der lösungsgemäßen Vorrichtung längs der aus elastischem Material gefertigten Tragstruktur wenigstens einen zweiten Übertragungskanal für die Daten- und Energieübertragung vor. Zur Realisierung des wenigstens zweiten Übertragungskanals ist eine Vielzahl der längs der Tragstruktur verteilt angeordneten RSA in wenigstens zwei Gruppen unterteilbar, von denen die jeweils einer Gruppe zugeordneten RSA identisch ausgebildet und/oder auf eine einheitliche Resonanzfrequenz abgestimmt sind, aber sich die Resonanzfrequenzen der RSA unterschiedlicher Gruppen unterscheiden. Bspw. weisen die einer ersten Gruppe zugeordneten RSA allesamt eine Resonanzfrequenz von 13,56 MHz und die einer zweiten Gruppe zugeordneten RSA allesamt eine Resonanzfrequenz von 27,1 MHz auf. Auf diese Weise lassen sich zwei- oder, je nach Anzahl der unterschiedlichen Gruppen, mehr-kanalige Daten- und Energieübertragungskanäle längs einer einheitlich ausgebildeten implantierbaren Vorrichtung schaffen.
Die RSA, die jeweils unterschiedlichen Gruppen zugeordnet sind, können entweder allesamt in serieller Abfolge längs der gemeinsamen Tragstruktur, bei der die Übertragungskanäle räumlich zusammenfallen oder in Art einer Parallelanordnung mit zwei räumlich getrennten Übertragungskanälen angeordnet sein. Im letztgenannten Fall sind die RSA jeweils gruppenweise in serieller Anordnung und die einzelnen Gruppen aus den seriell angeordneten RSA räumlich getrennt und parallel zueinander längs der Tragstruktur angeordnet. Detailliertere Informationen sind den illustrierten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Insbesondere im Falle der Versorgung von zwei oder mehreren implantierbaren und mit elektrischer Energie zu versorgenden, ersten Geräten, die es gilt mit einer einzigen Energie- und/oder Steuereinheit zu verbinden, sieht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der lösungsgemäßen Vorrichtung eine Aufteilung der einheitlich in Längserstreckung ausgebildeten Tragstruktur in wenigstens zwei getrennte, weiterführende Tragstrukturstränge vor, längs der gleichfalls zwei oder eine Vielzahl von RSA angebracht sind. Hierzu weist die Tragstruktur wenigstens ein Tragstrukturende auf, an dem wenigstens ein induktives Koppelelement angebracht ist. Dieses induktive Koppelelement kann lediglich in Form einer endseitig angebrachten RSA oder in Form einer modifizierten RSA im Sinne einer zumindest vergrößert ausgebildeten RSA ausgebildet sein. Zudem ist das Tragstrukturende unmittelbar oder mittelbar mit den Tragstrukturenden wenigstens zweier weiterer Tragstrukturen dauerhaft verbunden, längs der gleichfalls jeweils wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl RSA angebracht sind. Das induktive Koppelelement sowie jeweils eine endseitig längs der wenigstens zwei weiteren Tragstrukturen angeordneten RSA sind derart raumnah angeordnet, so dass das wenigstens eine induktive Koppelelement und die endseitig angebrachten RSA induktiv miteinander koppeln und dies möglichst verlustfrei, d.h. die den einzelnen RSA zugeordneten Spulenflächen überlappen möglichst maximal.
Neben der Übertragung von elektrischer Energie sowie von entsprechenden Datensignalen längs der implantierbaren Vorrichtung ermöglicht eine weitere Ausführungsform die Übertragung von optischen Signalen. Hierzu gilt es die Tragstruktur aus lichttransparentem Material zu wählen, das zumindest für eine verlustreduzierte Lichtleitung geeignet ist. Zudem gilt es dafür Sorge zu tragen wenigstens eine der Tragstruktur zuordenbare Mantelfläche optisch derart zu vergüten, so dass eine innerhalb des Tragstrukturmaterials in Längserstreckung der Tragstruktur geführte Lichtleitung möglich ist. Bspw. im Falle einer schlauchförmig ausgebildeten Tragstruktur sind hierzu die radial innere und äußere Schlauchmantelfläche entsprechend zu beschichten, bspw. mittels einer totalreflektierenden Schicht. Selbstredend bedarf es für die optische Signalübertragung sowohl am Ort des ersten als auch am Ort des zweiten Gerätes eines entsprechenden Optokopplers, zur Lichtein- und/oder -auskopplung.
Die Verwendung einer schlauchförmigen Tragstruktur eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, flüssige Substanzen zwischen beiden Tragstrukturenden und den daran angeschlossenen ersten und zweiten Geräten auszutauschen. Hierzu bedarf es zudem einer Flüssigkeitspumpe, die für eine gerichtete Flüssigkeitsströmung durch den von der schlauchförmigen Tragstruktur umschlossenen Strömungskanal sorgt. In geeigneten Reservoirs lassen sich bspw. chemische oder biologische Wirkstoffe bevorraten, die von Seiten des zweiten Gerätes, das es hierzu entsprechend zu modifizieren gilt, durch die Tragstruktur am Ort des ersten implantierten Gerät appliziert werden können.
Neben der rein medizinischen Anwendung der lösungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Implantats, ist die Vorrichtung zur elektromagnetischen Daten- und Energieübertragung ebenso für extrakorporale Verwendungen geeignet, bspw. für eine extrakorporale Anbringung auf der Hautoberfläche eines Lebewesens oder im Bereich der Prothetik oder Robotik.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Illustration der medizinischen Anordnung am Beispiel eines Hirnschrittmachers,
2 Ersatzschaltbild eines als Daten- und Energiequelle dienenden zweiten Gerätes,
3 Ersatzschaltbild der Leistungselektronik eines implantierbaren ersten Gerätes,
4 Ersatzschaltbild einer medizinischen Anordnung bestehend aus einem ersten implantierbaren Gerät und einem zweiten Gerät, die mit einer lösungsgemäß ausgebildeten implantierbaren Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung verbunden sind,
5 schematische Darstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten implantierbaren Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Signalübertragung,
6 schematisierte Darstellung einer Resonatorspulenanordnung, RSA,
7a, b schematische Darstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten implantierbaren Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Signalübertragung mit zwei Übertragungskanälen a) in serieller und b) in paralleler Anordnung,
8a, b schematisierte Darstellung einer Resonatorspulenanordnung, RSA, mit zwei Spulenanordnungen unterschiedlicher Resonanzfrequenz,
9 implantierbare Vorrichtung mit Verzweigung in zwei getrennte Übertragungsäste, sowie
10a, b implantierbare Vorrichtung mit Verzweigung in drei getrennte Übertragungsäste.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt eine medizinische Konfiguration zur elektrischen Versorgung eines kortikal platzierten Hirnschrittmachers 13 – in der vorstehenden Nomenklatur entspricht der Hirnschrittmacher dem ersten Gerät –, der seine Energie sowie auch Steuersignale von einem separaten Medizingerät 11 mit integriertem Lithiumakkumulator, welches in der Nähe des Schlüsselbeins intrakorporal platziert ist – in der vorstehenden Nomenklatur entspricht dies dem zweiten Gerät. Als Verbindung zwischen beiden Geräten dient eine Ausführung der lösungsgemäßen implantierbaren Vorrichtung zur Daten- und Energieübertragung 12.
Zur Übertragung elektrischer Energie generiert das Medizingerät 11 ein Magnetfeld hinreichender Stärke mit einer Resonanzfrequenz, die auf die untereinander abgestimmte Resonanzfrequenz der einzelnen in der Vorrichtung 12 enthaltenen Resonatorspulenanordnungen RSA 52, siehe 5, abgestimmt ist. Die RSA werden von Seiten des Medizingerätes 11 geeignet induktiv resonant angeregt und generieren jeweils miteinander in Wechselwirkung tretende magnetische Felder und ermöglichen schließlich eine elektromagnetische Verbindung zwischen dem Hirnschrittmacher 13 und dem Medizingerät 11 ausschließlich auf Basis der Übertragung eines magnetischen Flusses. Es entsteht folglich ein magnetisches Wechselfeld in der Nähe des Hirnschrittmachers 13, welches zur Versorgung der Elektronik des Hirnschrittmachers 13 genutzt wird.
Die Frequenz des Magnetfelds bzw. die Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatoren RSA kann grundsätzlich frei gewählt werden, solange diese ungleich null ist und sämtliche beteiligten RSA sich innerhalb des elektromagnetischen Nahfelds befinden. Jedoch hat die Festlegung der Resonanzfrequenz Einfluss auf die Dimensionierung der RSA sowie die Beschaltung der angeschlossenen Geräte 11, 13.
Ferner sind gesetzliche Regularien zu beachten, welche die praktisch sinnvoll nutzbaren Frequenzbänder einschränken, um naheliegende Funkempfänger nicht zu stören und um eine übermäßige Beeinflussung des umliegenden Körpergewebes zu vermeiden. Im beschriebenen Beispiel oszilliert daher das Magnetfeld mit einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz und befindet sich somit innerhalb eines Frequenzbands, welches für industrielle, medizinische und wissenschaftliche Zwecke freigegeben ist.
Erzeugt wird das Magnetfeld vom Medizingerät 11 mit einer in 2 dargestellten elektrischen Schaltung. Die vom Akkumulator 21 bereitgestellte Gleichspannung wird mittels eines Wechselrichters 22 in eine Wechselspannung umgesetzt, welche über ein Anpassungsnetzwerk 23 auf eine Spule 24 bzw. eine Leiterschleife übertragen wird.
Als Wechselrichter 22 dient vorzugsweise ein Leistungsverstärker der Klasse D. Dieser weist im Vergleich zu alternativen Verstärkern der Klasse E eine geringe Lastabhängigkeit auf. Im dargestellten Fall sind vorzugsweise vier Transistoren zusammen mit entsprechenden Vorverstärkern 221 als H-Brücke 222 verschaltet. Bei der gegebenen Dimensionierung der Transistoren kann eine maximale elektrische Leistung von circa 2 W erzeugt werden.
Abzüglich von Übertragungsverlusten, welche systembedingt von der Ausführung der RSA, deren Konfiguration sowie der zu überbrückenden Distanz abhängig sind, wird die abgegebene Leistung mit Hilfe der in 3 dargestellten Schaltung dem Hirnschrittmacher 13, wieder in Form einer geregelten Gleichspannung, zugeführt. Diese ist in der gegebenen Anwendung für eine Leistung von circa 500 mW ausgelegt.
Hierzu wird die aufgenommene elektrische Leistung über eine Leiterschleife bzw. Spule 31 abgegriffen. Der Abgriff erfolgt durch induktive Kopplung an einer endseitig an der Übertragungsleitung 12 angebrachten RSA. Folglich wird eine Wechselspannung mit der Frequenz des Magnetfelds induziert. Ein Anpassungsnetzwerk 32, im gegebenen Fall lediglich ein Kondensator, reduziert die Phase zwischen Strom und Spannung und optimiert die Amplitude der Wechselspannung bei gegebener Last. Über einen Leistungsgleichrichter 33, vorzugsweise entsprechend einer Greinacher-Schaltung, erfolgt die Gleichrichtung. Ein Keramikkondensator 34 sorgt für die notwendige Glättung.
Dem Hirnschrittmacher 13 wird bereits an dieser Stelle eine Gleichspannung zur Verfügung gestellt, welche jedoch von Last- und Quellbedingungen abhängig ist. Zur Versorgung der Schrittmacherelektronik 35 wird diese zusätzlich über einen Spannungsregler 36 auf eine stabile Ausgangsspannung von 3.3 V geregelt.
Für eine bloße elektrische Versorgung des Hirnschrittmachers 13 wären die Schaltungen der 2 und 3 bereits ausreichend. Um zusätzlich Daten bidirektional mit einer Datenrate von bis zu 100 kbps zu übermitteln, wird vorzugsweise ein Verfahren verwendet, ähnlich wie in ISO/IEC 14443 und ISO/IEC 15963 beschrieben. Hierbei werden Daten vom Medizingerät 11 zum Hirnschrittmacher 13 durch eine Variation der abgegebenen Leistung, in Form einer Amplitudenmodulation, übermittelt. Der Rückkanal ist über eine Variation der aufgenommenen Leistung realisierbar, welche durch die transformatorische Kopplung auch am Ort des Medizingerätes 11 messbar ist, in Form einer sogenannten Lastmodulation.
Eine technische Realisierung der Kommunikation ist in 4 dargestellt. Um einen Übertragungskanal vom Medizingerät 11 zum Hirnschrittmacher 13 zu realisieren wird das Taktsignal 41 des Wechselrichters bzw. Leistungsverstärkers 42 beeinflusst. Im beschriebenen Beispiel wird dieses mit den entsprechenden Daten 43 durch ein UND-Gatter 44 maskiert, wodurch ein Modulationsindex von eins erreicht wird. Das resultierende Signal ist nun mit der Leistungsübertragung verknüpft und folgt dem Übertragungspfad 45 vom Ausgang des Verstärkers bis zum Eingang des Gleichrichters. Hier wird dieses wieder mit Hilfe eines Hüllkurvendetektors 46 von der Energieübertragung getrennt. Das zunächst analoge Ausgangssignal wird gefiltert 47, insbesondere wird der Gleichanteil entfernt. Eine Schmitttriggerschaltung 48 erzeugt ein digitales Ausgangssignal 49.
In die entgegengesetzte Richtung vom Hirnschrittmacher 13 über einen Schalttransistor 410 wird ein zusätzlicher Verbraucher 411 abhängig vom Datensignal 412 hinzugeschaltet. Dieser führt auf dem Medizingerät 11 zu einer Änderung der dort wirksamen, reflektierten Last, was sich in einer geringfügigen Spannungsänderung sowohl am Ausgang des Leistungsverstärkers 42 als auch an der Anpassungsschaltung 413 bemerkbar macht. Letzterer ist für eine Rückgewinnung des Datensignals geeigneter, da die Oberwellen der rechteckförmigen Ausgangsspannung des Verstärkers besser gefiltert werden und das Signal durch die Spannungsüberhöhung eine größere Amplitude aufweist. An diesem Punkt wird das Signal mittels eines weiteren Hüllkurvendetektors 414 abgegriffen. Das Signal wird gefiltert 415 und anschließend verstärkt 416. Wie zuvor in der Gegenrichtung erzeugt ein Schmitttrigger 417 erneut ein digitales Signal 418, wodurch die Kommunikationsverbindung in beide Richtungen geschlossen wird.
Lösungsgemäß können auf diese Weise Daten- und Energie über den galvanisch getrennten Kanal übertragen werden. Dieser besteht aus einer in 5 schematisch dargestellten Vorrichtung 12. Über einen aus elastischem Material gefertigten Trägerkern 51 mit einem Außendurchmesser von 5 mm sind mehrere ringförmige Resonatorspulenanordnungen (RSA) 52 geschoben bzw. angebracht. Die RSA 52 sind in Längserstreckung des Trägerkerns 51 mit einem jeweils paarweise gegenseitigen Abstand von 2,5 mm platziert. Die Festlegung des Abstands orientiert sich u.a. an der gewünschten Steifigkeit der Tragstruktur, der mechanischen Ausführung sowie der Güte der Resonatoren und hängt von den akzeptablen Übertragungsverlusten ab. Bei einem geringeren Abstand wird ein kleineres magnetisches Feld zwischen den jeweiligen RSA 52 benötigt und folglich ist ein kleinerer Blindstrom innerhalb der RSA 52 nötig. Übertragen auf die Parameter eines elektrischen Ersatzschaltbilds wird, bei einem größeren Kopplungsfaktor eine kleinere Güte des Resonators benötigt, woraus sich ableiten lässt, dass der Gütefaktor stets sehr viel größer sein muss als der Kehrwert des Kopplungsfaktors.
Die Positionen der RSA 52 längs des Trägerkerns 51 werden mittels einer umhüllenden Silikondispersion 53 fixiert. Diese sorgt zudem für die nötige elektrische Isolation sowie Biokompatibilität und dient darüber hinaus als Diffusionssperre. Als Trägerkern 51 dient ein Silikonschlauch, der bspw. einen Außendurchmesser von 5 mm, einen Innendurchmesser von 2 mm und eine maximale Reißdehnung von etwa 480 % besitz. Auch kann alternativ ein Trägerkern 51 aus entsprechendem Vollmaterial verwendet werden.
In einer alternativen Ausführung ist es ebenfalls angedacht, die Kapselung bzw. Umhüllung 53 sowie den Trägerkern 51 aus Polyhydroxyessig, PGA, oder einem ähnlichen Material herzustellen, wodurch die Tragstruktur, bestehend aus Trägerkern 51 und Umhüllung 53, in etwa zwei bis drei Monaten vom umliegenden Gewebe resorbiert werden kann.
In einer weiteren Alternative ist in das Material, aus dem der Trägerkern 51 besteht, bspw. Silikon, ein weichmagnetisches Metall- oder Ferritpulver eingebracht, wodurch die magnetische Leitfähigkeit des Trägerkerns erhöht ist und somit der magnetische Fluss eine bessere Bündelung innerhalb der Spulenflächen der RSA erfährt, wodurch wiederum die magnetischen Verluste weiter minimiert werden können. Hierbei wird jedoch die Verwendbarkeit in einem Magnetresonanztomographen eingeschränkt. Für die Resonatoren der beschriebenen Ausführung werden daher lediglich Luftspulen verwendet.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer RSA 52. Die linke Ansicht zeigt eine RSA in axialer Seitenansicht, die rechte Darstellung zeigt eine Teilschnittdarstellung.
Eine Luftspule 61 wird durch einen mit Polyurethan lackierten Draht mit einem Durchmesser von 100 µm hergestellt. Als Drahtmaterial eignet sich vor allem Gold. Die Verwendung von Kupfer und Silber ist prinzipiell ebenfalls möglich, jedoch unterliegt deren Einsatz gesetzlichen Restriktionen bei Lebewesen. Weiter ist die Eignung von medizinischen Edelstählen durchaus denkbar.
Die Anzahl der Windungen der Spule 61 hängt von der gewünschten Güte sowie Induktivität ab. Für die Spulengüte ausschlaggebend ist neben dem Material, der Außendurchmesse des Trägers, die Dicke des Drahtes und vor allem die gewünschte Resonanzfrequenz. Für den Resonator wird im gegebenen Anwendungsbeispiel eine Güte von größer 150 angestrebt. Hieraus folgt eine Spule mit mehr als sechs Windungen, welche über mehrere Kondensatoren 62 abgeglichen wird.
Verwendet werden hierfür Keramikkondensatoren 62, deren Dielektrikum die Toleranzklasse NPO bzw. C0G aufweist. Durch Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren, im gegebenen Beispiel durch Parallelschaltung dreier Kondensatoren, ergibt sich ein größerer Wertebereich. Die Resonanzfrequenz kann folglich besser angenähert werden.
Kontaktiert werden die Komponenten der RSA durch einen Lötprozess unter Verwendung von bleifreiem Lot. Zur Vereinfachung der Montage wird hierfür zusätzlich ein Komponententräger 63 aus Polyimid verwendet. Durch einen Silikonkleber wird diese auf der Spule fixiert. Zusätzliche Klebepunkte stabilisieren zudem die Formgebung der Spule bevor diese in Position gebracht wird und die abschließende Dispersionsschicht diese ummantelt.
In weiteren Ausführungen der RSA kann auf die Verwendung eines Kondensators verzichtet werden. Die Anordnung der Wicklung wird dabei so gestaltet, dass die Eigenresonanz der Spule ausgenutzt wird.
Weiter kann die RSA auch mittels eines Dickschichtprozesses auf ein weiteres Trägersubstrat gedruckt werden, wodurch sowohl Induktivität als auch Kapazität höhst reproduzierbar gestaltet werden. Ein manueller Abgleich kann dabei entfallen. Eine Vielzahl von RSA und die lösungsgemäße Vorrichtung können somit kostengünstig hergestellt werden.
In den 7a und b sind Ausführungsbeispiele für die lösungsgemäße Vorrichtung 12 illustriert, längs deren aus elastischem Material gefertigten Tragstruktur zwei Übertragungskanäle für die Daten- und Energieübertragung vorgesehen sind. Zur Realisierung von zwei Übertragungskanälen ist im Falle der 7a um den Trägerkern 51 eine Vielzahl von sogenannten KOMBI-RSA 52* angeordnet, die jeweils eine erste RSA 52.1 und eine zweite RSA 52.2 umfassen, die jeweils zwei Gruppen zuordenbar sind, von denen die jeweils einer Gruppe zugeordneten RSA identisch ausgebildet und/oder auf eine einheitliche Resonanzfrequenz abgestimmt sind, wobei sich die Resonanzfrequenzen der RSA unterschiedlicher Gruppen unterscheiden. Bspw. weisen die der ersten Gruppe zugeordneten RSA 52.1 allesamt eine Resonanzfrequenz von 13,56 MHz und die der zweiten Gruppe zugeordneten RSA 52.2 allesamt eine Resonanzfrequenz von 27,1 MHz auf. Auf diese Weise lassen sich zwei-kanalige Daten- und Energieübertragungskanäle längs einer einheitlich ausgebildeten implantierbaren Vorrichtung schaffen.
Gleichsam wie im Fall der 5 sind die KOMBI-RSA 52* allesamt mit einer biokompatiblen Umhüllung 53 umgeben.
Zur Realisierung der KOMBI-RSA 52* sind in den 8a, b bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt. In den 8a, b zeigt jeweils die linke Ansicht eine RSA in axialer Seitenansicht und die rechte Darstellung eine Teilschnittdarstellung. Im Unterschied zu 5 umfasst die KOMBI-RSA 52* zwei unterschiedliche Spulen SP1, SP2, die zusammen mit den Kondensatoren 62 auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt sind. Die jeweils als Luftspulen ausgebildeten Spulen SP1 und SP2 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 8a in axialer Abfolge unmittelbar neben- bzw. hintereinander auf einem gemeinsamen Komponententräger 63 aufgebracht. Im Falle der 8b sind die in ihren Resonanzverhalten unterschiedlichen Spulen SP1 und SP2 axial deckungsgleich in radialer Abfolge auf dem Komponententräger 63 aufgebracht. Beide illustrierten Ausführungsbeispiele ermöglichen die Realisierung der in 7a schematisch dargestellten Daten- und Energieübertragungseinrichtung längs zweier Übertragungskanäle, die sich in ihren Übertragungsfrequenzen voneinander unterscheiden.
Demgegenüber stellt 7b eine parallel gestaltete zwei-kanalige Daten- und Energieübertragung dar. Hierzu sind auf einem ersten Trägerkern 51.1 ausschließlich RSA 52.1 der ersten Gruppe und auf einem zweiten Trägerkern 52.2 ausschließlich RSA 52.2 der zweiten Gruppe angeordnet. Beide Trägerkerne 51.1 und 51.2 sind über eine gemeinsame Umhüllungsschicht 53 miteinander verbunden. Die Trägerkerne 51.1 und 51.2 sowie die Umhüllungsschicht 53 bilden eine gemeinsame Tragestruktur. Diese Ausführungsform benötigt nicht die Bereitstellung der vorstehend erläuterten KOMBI-RSA 52*, vielmehr sind die längs der beiden Trägerkerne 51.1 und 51.2 angeordneten RSA 52.1 und 52.2 nach Art der in 6 dargestellten Ausführung ausgebildet und lediglich auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt.
9 zeigt eine Weiterbildung der lösungsgemäßen Vorrichtung 12 mit einer Aufteilung A in zwei getrennt, weiterführende Vorrichtungsstränge 12a, 12b, längs der jeweils gleichfalls eine Vielzahl von RSA 52 angebracht ist. Sämtliche RSA 52 weisen eine einheitliche Resonanzfrequenz auf. Am Ort der Aufteilung A weist die Tragstruktur wenigstens ein Tragstrukturende 12E auf, an dem wenigstens ein induktives Koppelelement IK angebracht ist. Dieses induktive Koppelelement IK kann lediglich in Form einer endseitig angebrachten RSA 52 oder in Form einer modifizierten RSA im Sinne einer zumindest vergrößert ausgebildeten RSA ausgebildet sein. Zudem ist das Tragstrukturende 12E unmittelbar oder mittelbar mit den Tragstrukturenden der wenigstens zweie weiteren Tragstrukturen 12a, 12b dauerhaft verbunden, längs der gleichfalls jeweils wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl RSA 52 angebracht sind. Das induktive Koppelelement IK sowie jeweils eine endseitig längs der zwei weiteren Tragstrukturen 12a, 12b angeordneten RSA 52 sind derart räumlich naheliegend angeordnet, so dass das wenigstens eine induktive Koppelelement IK und die endseitig angebrachten RSA 52 induktiv miteinander koppeln und dies möglichst verlustfrei, d.h. die den einzelnen RSA zugeordneten Spulenflächen überlappen möglichst maximal.
Das ebenfalls in 9 dargestellte Szenario verdeutlicht den Einsatzzweck dieser Ausführungsvariante, die die Versorgung zweier separat, intrakorporal platzierter Implantate 13a und 13b über die Zuleitungen 12a, 12b sowie der einzigen mit einer Energie- und Steuereinheit (nicht dargestellt) verbundenen Versorgungsleitung 12 sicherstellt.
Weiterführende Ausführungsformen, die den vorstehenden Gedanken der räumlichen Auffächerung bzw. Separierung einer Daten- und Energieübertragungsleitung 12 in mehrere, vereinzelte, weiterführende Übertragungsleitungen 12a, 12b, 12c verfolgen, sind in den 10a und b illustriert. 10a sieht am Tragstrukturende 12E der „Hauptzuführungsleitung“ 12 ein groß dimensioniertes induktives Koppelelement IK vor, das induktiv mit den einzelnen RSA 52 koppelt, die jeweils endseitig, dem induktiven Koppelelement IK zugewandt, an den Enden der weiterführenden Tragstrukturen 12a, 12b, 12c angebracht sind. Das Ausführungsbeispiel gemäß 10b sieht demgegenüber ein sich stufenweises erweiterndes induktives Koppelelement IK* vor, das die Koppelverluste reduziert. Ansonsten ist der Aufbau identisch mit dem in 10a illustrierten Ausführungsbeispiel. Selbstverständlich ist es möglich durch entsprechende Ausgestaltung des Koppelelementes IK mehr als drei weiterführende Tragstrukturen vorzusehen.
Bezugszeichenliste

11: Medizingerät, zweites Gerät
12: Implantierbare Vorrichtung zur Daten- und Energieübertragung
12a: Weiterführende Daten- und Energieübertragungsleitung
12b: Weiterführende Daten- und Energieübertragungsleitung
12c: Weiterführende Daten- und Energieübertragungsleitung
13: Hirnschrittmacher, erstes Gerät
21: Akkumulator, Batterie
22: Wechselrichter
22.1: Vorverstärker
22.2: H-Brücke
23: Anpassungsnetzwerk
24: Spule
31: Spule
32: Anpassungsnetzwerk
33: Leistungsgleichrichter
34: Keramik-Kondensator
35: Schrittmacher-Elektronik
36: Spannungsregler
41: Taktsignal
42: Leistungsverstärker
43: Daten
44: Und-Gatter
45: Übertragungspfad
46: Hüllkurvendetektor
47: Gefiltertes Ausgangssignal
48: Schmitt-Triggerschaltung
49: Digitales Ausgangssignal
410: Schalttransistor
411: Zusätzlicher Verbraucher
412: Datensignal
413: Anpassungsschaltung
414: Hüllkurvendetektor
415: Gefiltertes Signal
416: Verstärktes Signal
417: Schmitt-Trigger
418: Digitales Signal
51: Trägerkern
52: RSA
52.1: RSA der Gruppe 1
52.2: RSA der Gruppe 2
52*: KOMBI-RSA
53: Umhüllung, Silikondispersion
61: Spule
62: Keramik-Kondensatoren
63: Komponententräger
SP1: Spule
SP2: Spule
IK, IK*: Induktives Koppelelement
A: Aufteilung

Claims

Implantierbare Vorrichtung zur elektrischen Daten- und Energieübertragung zwischen wenigstens zwei implantierten, induktiv miteinander koppelnden, elektrischen Resonatorspulenanordnungen, kurz RSA, denen jeweils eine Spulenfläche mit einer Flächennormalen zugeordnet ist und die zueinander mit einem Abstand derart angeordnet sind, dass sich die Spulenflächen in Projektion längs ihrer Flächennormalen zumindest teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus elastischem Material gefertigte Tragstruktur vorgesehen ist mit einer Längserstreckung, längs der die wenigstens zwei RSA angebracht sind.
Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei RSA längs der Tragstruktur derart angeordnet sind, dass sich ihre Spulenflächen maximal überlappen.
Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die RSA jeweils wenigstens eine Spulenwicklung mit jeweils einem größten Spulenwicklungs-Durchmesser aufweisen, und dass der gegenseitige Abstand der wenigstens zwei RSA in Längserstreckung der Tragstruktur kleiner gleich dem größten Spulenwicklungs-Durchmesser, vorzugsweise kleiner gleich dem halben größten Spulenwicklungs-Durchmesser entspricht.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die RSA identisch ausgebildet und/oder auf eine einheitliche Resonanzfrequenz abgestimmt sind.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von RSA längs der Tragstruktur angeordnet ist, die in wenigstens zwei Gruppen unterteilbar ist, von denen die jeweils einer Gruppe zugeordneten RSA identisch ausgebildet und/oder auf eine einheitliche Resonanzfrequenz abgestimmt sind und sich die Resonanzfrequenzen der RSA unterschiedlicher Gruppen unterscheiden.
Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der RSA aller Gruppen in serieller Anordnung längs der Tragstruktur angeordnet ist, oder dass die RSA jeweils gruppenweise in serieller Anordnung und die Gruppen aus RSA parallel zueinander längs der Tragstruktur angeordnet sind.
Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die RSA im Falle der seriellen Anordnung der Vielzahl der RSA aller Gruppen längs der Tragstruktur eine der folgenden Ausbildungen besitzen und in der angegebenen Weise längs der Tragstruktur angeordnet sind: – die RSA aller Gruppen sind jeweils als separate RSA ausgebildet und jeweils bezüglich ihrer Gruppenzugehörigkeit in alternierend serieller Abfolge längs der Tragstruktur angeordnet, – die RSA aller Gruppen sind jeweils zu einer Vielzahl sogenannter Kombi-RSA zusammengefasst, die jeweils als einheitliche Baueinheit jeweils eine RSA aus allen Gruppen umfassen und die in serieller Abfolge längs der Tragstruktur angeordnet sind.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Tragstruktur ein hochelastisches Silikon ist, das über eine Elastizität verfügt, die mit der Elastizität von intrakorporalen Gewebe vergleichbar ist.
Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aus elastischem Material gefertigte Tragstruktur eine Elastizität besitzt, die ein E-Modul von 0,5 MPa bis 50 MPa, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 MPa aufweist.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenflächen der wenigstens zwei RSA zumindest teilweise mit elastischem Material der Tragstruktur gefüllt sind.
Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das die Spulenfläche der wenigstens zwei RSA zumindest teilweise füllende, elastische Material mit wenigstens einer magnetisch leitfähigen Substanz angereichert ist.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material der Tragstruktur aus biokompatiblen, vorzugsweise aus bioresorbierbaren Material besteht.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur einen schlauchförmigen oder aus Vollmaterial gefertigten Trägerkern aufweist, dass die wenigstens zwei RSA in Umfangsrichtung um den Trägerkern anliegend und in dessen Längserstreckung voneinander beabstandet angeordnet sind, und dass eine den Trägerkern samt RSA umschließende Zusatzschicht aus biokompatiblen Material vorgesehen ist.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von RSA längs der Tragstruktur mit jeweils äquidistanten Abständen untereinander angebracht ist, so dass die Tragstruktur eine maximale Längserstreckung von 50 cm, vorzugweise von 30 cm, und eine quer zur Längserstreckung maximale größte Dimension von 10 mm, vorzugsweise 5 mm, aufweist.
Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur wenigstens ein Tragstrukturende aufweist, an dem wenigstens ein induktives Koppelelement angebracht ist, dass das Tragstrukturende unmittelbar oder mittelbar mit den Tragstrukturenden wenigstens zweier weiterer Tragstrukturen dauerhaft verbunden ist, längs der gleichfalls jeweils wenigstens zwei RSA angebracht sind, und dass das induktive Koppelelement sowie jeweils eine endseitig längs der wenigstens zwei weiteren Tragstrukturen angeordneten RSA derart raumnah angeordnet sind, so dass das wenigstens eine induktive Koppelelement und die endseitig angebrachten RSA induktiv miteinander koppeln.
Medizinische Anordnung mit wenigstens einem implantierbaren und mit elektrischer Energie versorgbaren ersten Gerät unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gerät eine induktive Koppeleinrichtung enthält, dass die Tragstruktur ein erstes Ende aufweist, das mit dem ersten Gerät derart verbunden oder verbindbar ist, dass eine am ersten Ende der Tragstruktur endseitig angeordnete RSA induktiv mit der induktiven Koppeleinrichtung koppelt, dass die Tragstruktur ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweist, das mit einem, wenigstens als Energiequelle dienenden, zweiten Gerät derart verbunden oder verbindbar ist, dass eine am zweiten Ende der Tragstruktur endseitig angeordnete RSA induktiv mit einer am zweiten Gerät vorgesehenen induktiven Koppeleinrichtung koppelt.
Medizinische Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zweite Gerät über eine elektrische Wechselrichter-Anordnung verfügt zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung.
Verwendung der medizinischen Anordnung nach den Ansprüchen 16 oder 17 wenigstens zur elektrischen Energieübertragung zwischen dem als Energiequelle dienenden zweiten Gerät und dem ersten Gerät ausschließlich auf Basis eines magnetischen Energieflusses längs der implantierbaren Vorrichtung.