DE102015112097A1

DE102015112097A1 - Leistungsskalierung

Info

Publication number: DE102015112097A1
Application number: DE102015112097.6A
Authority: DE
Inventors: Vlad BLUVSHTEIN; Lori LUCKE; William Weiss
Original assignee: Minnetronix Inc
Current assignee: Minnetronix Inc
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2016-01-28
Also published as: US20160022891A1; US9855376B2; US20180207338A1; US10376625B2

Abstract

Es sind Systeme und Verfahren zum Messen und Berechnen von Parametern zur Steuerung und Überwachung einer Leistungsübertragung in einem implantierten, medizinischen Gerät offenbart, was das Betreiben des Gerätes in einer Vielzahl skalierbarer Leistungsbetriebsarten und/oder Kopplungsbetriebsarten einschließt. Das System kann auf der Basis einer Eingabe wie etwa Daten, die über Übertragungsleitungen, programmierbare Zeitgeber oder elektrische Ladeinformationen des Systems empfangen werden, zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten. Das System kann außerdem zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser basierend auf berechneten Kopplungsgrößen, Höhen von erfasstem Wärmefluss und/oder Größen von abgeschätzten Temperaturänderungen umschalten.

Description

Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung gemäß einem oder mehreren Innovationsforschungszuschüssen für Kleinbetriebe (SBIR) gemacht, die durch den Gesundheitsdienst (PHS) gewährt werden. Die Regierung hat gewisse Rechte an der Erfindung.
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung erhebt Anspruch nach 35 USC § 119(e) auf den Nutzen der am 25. Juli 2014 eingereichten, vorläufigen US-Patentanmeldung, Nr. 62/029 333, der am 16. Januar 2015 eingereichten, vorläufigen US-Patentanmeldung, Nr. 62/104 430, der am 16. Januar 2015 eingereichten, vorläufigen US-Patentanmeldung, Nr. 62/104 444 und der am 14. April 2015 eingereichten, vorläufigen US-Patentanmeldung, Nr. 62/147 416. Der komplette Inhalt jeder dieser früher eingereichten, vorläufigen Anmeldungen ist durch Verweis, als ob hier vollständig offen gelegt, enthalten.
TECHNISCHES GEBIET
Die hier beschriebene Technik betrifft Systeme und Verfahren zum Messen und Berechnen von Parametern, um eine Leistungsübertragung in einem implantierten, medizinischen Gerät zu steuern und zu überwachen, was das Betreiben des Systems in einer Vielzahl von skalierbaren Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten einschließt.
HINTERGRUND
Gegenwärtig besteht die Notwendigkeit, implantierten, medizinischen Geräten, wie künstlichen Herzen und ventrikulären Herzunterstützungssystemen, elektrische Leistung zuzuführen. Es ist möglich, Leistung nicht invasiv mittels elektromagnetischer Energie zuzuführen, die durch die Haut übertragen wird. Jedoch können Probleme auftreten bezogen auf die implantierte Sekundärwicklung, die von der äußerlichen Primärwicklung Leistung aufnimmt. In einer Hinsicht kann das System über begrenzte Leistungs- und/oder Kopplungsbereiche arbeiten. Hierbei ist das Resonanznetzwerk, das Leistung von der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung überträgt, typischerweise ausgelegt sowohl für Einschaltzustände, die vorübergehend eine hohe Leistung benötigen, als auch für normale Betriebszustände, die weniger Leistung erfordern. Der Betrieb des Systems in beiden dieser Zustände unter Verwendung des gleichen Netzwerks kann die Leistungs- und Kopplungsbereiche, die für das System verfügbar sind, begrenzen. In anderer Hinsicht kann sich die Sekundärwicklung infolge unabsichtlicher, nicht optimaler Kopplung, die möglicherweise eine Überkopplung oder Unterkopplung zwischen der Primärwicklung und Sekundärwicklung einschließt, aufheizen und die Versuchsperson verletzen. Weil die Sekundärwicklung implantiert und somit relativ unzugänglich ist, kann ein Problem auftreten und eine Verletzung verursachen, bevor der Benutzer oder das System das Problem erkennen. Systeme im Stand der Technik bringen es nicht fertig, Mechanismen zur Verfügung zu stellen, um sich diesen und anderen Problemen zuzuwenden, die eine Übertragung von elektromagnetischer Energie an implantierte, medizinische Geräte betreffen. Diesen und anderen Mängeln des Stands der Technik wendet man sich hier zu.
ZUSAMMENFASSUNG
Vorliegende Ausführungsformen sind auf das Messen und Berechnen von Parametern gerichtet, um eine Leistungsübertragung in einem implantierten, medizinischen Gerät zu steuern und zu überwachen, was das Betreiben des Gerätes in einer Vielzahl von skalierbaren Leistungsbetriebsarten und/oder Kopplungsbetriebsarten einschließt. Das medizinische Gerät kann in eine Versuchsperson implantiert werden und kann ein künstliches Herz oder ventrikuläres Herzunterstützungssystem einschließen. In einer Hinsicht schaltet das System um zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser, die auf einem Eingang wie etwa über Datenübertragungsleitungen empfangene Daten, programmierbare Zeitgeber oder elektrische Ladeinformationen basieren. In anderer Hinsicht misst das System die Parameter und nutzt sie, um einen Kopplungsfaktor für Spulen zu berechnen, die zwischen einer äußeren Primärwicklung und einer implantierten Sekundärwicklung Leistung übertragen. Das System kann dann den berechneten Kopplungsfaktor nutzen, um Änderungen von Temperatur oder Wärmefluss, die im System erzeugt werden, abzuschätzen. Anschließend kann das System zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten, die auf der Kopplungsgröße, der Größe des erfassten Wärmeflusses oder der Höhe abgeschätzter Temperaturänderungen basieren.
In einem Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenlegung auf ein Verfahren zum Überwachen und Steuern einer Leistungsübertragung zwischen einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung eines in einem implantierbaren, medizinischen Gerät verwendeten transkutanen Energieübertragungssystems gerichtet, welches das Betreiben des transkutanen Energieübertragungssystems in einem ersten Leistungsmodus einschließt, wobei der erste Leistungsmodus eine von einer Vielzahl skalierbarer Leistungsbetriebsarten ist, der festlegt, ob das transkutane Energieübertragungssystem in einen zweiten Leistungsmodus geschaltet werden soll, wobei der zweite Leistungsmodus eine der Vielzahl von skalierbaren Leistungsbetriebsarten ist, und das Schalten vom ersten Leistungsmodus in den zweiten Leistungsmodus einschließt, indem Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite gesteuert wird.
In einigen Ausführungen umfasst die Primärseite ein Leistungsübertragungssystem mit einer Primärspule.
In einigen Ausführungen umfasst die Sekundärseite ein Leistungsaufnahmesystem mit einer Sekundärspule.
In einigen Ausführungen schließen die skalierbaren Leistungsbetriebsarten eine Gruppe von Leistungszuführbereichen ein, die von einem niedrigen Leistungsbereich bis zu einem hohen Leistungsbereich definiert sind.
In einigen Ausführungen schließt die Gruppe von Leistungszuführbereichen mindestens einen Leistungszuführzwischenbereich zwischen dem niedrigen Leistungsbereich und dem hohen Leistungsbereich ein.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung empfangen wurde, eine anfängliche Einschaltfolge zu beenden.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung empfangen wurde, die richtige Sekundärseite zu bestätigen.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung nach erhöhter oder verringerter Leistung empfangen wurde.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung empfangen wurde, einen Fehlermodus einzugeben.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob seit dem Einschalten eine vorbestimmte Zeit vergangen ist.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem ein Fehlerzustand detektiert wurde.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine vorbestimmte Zeit vergangen ist, da eine Änderung des Kopplungsfaktors aufgetreten ist.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob ein Fehlerzustand detektiert ist.
In einigen Ausführungen schließt der Fehlerzustand ein, dass durch die Sekundärseite Überstrom entnommen wird.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Änderung des Kopplungsfaktors detektiert ist.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob ein Lastwechsel detektiert ist.
In einigen Ausführungen wird der Lastwechsel durch eine Änderung des auf der Primärseite gemessenen Arbeitszyklus angezeigt.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch die Funktion eines Stelltransformators auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen schließt der Stelltransformator eine Vielzahl diskreter Zustände ein, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus, indem die Eingangsleistung mit harmonischen Unterschwingungen der Ansteuerungsfrequenz variiert wird.
In einigen Ausführungen weist die Eingangsleistung eine Vielzahl von Zuständen mit harmonischer Unterschwingung auf, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines Spannungsreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen schließt der Spannungsregler eine Vielzahl diskreter Zustände ein, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines phasenverschobenen Brückenreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen ist der phasenverschobene Brückenregler für eine Vielzahl von Phasenverschiebungen ausgelegt, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenlegung auf einen Transformator für ein transkutanes Energieübertragungsgerät gerichtet, wobei der Transformator einen Kerntransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite umfasst, wobei die Primärseite zum Anschluss an eine Stromversorgung ausgeführt ist, eine Einzelspule des Stelltransformators ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist, und ein eisenloser Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei die Primärseite mit dem zweiten Ende der Einzelspule des Stelltransformators verbunden ist, die Sekundärseite so gestaltet ist, um in einer Versuchsperson implantiert zu werden, so dass die Haut der Versuchsperson zwischen der Primärseite und Sekundärseite des eisenlosen Transformators angeordnet ist.
In einigen Ausführungen umfasst die Einzelspule des Stelltransformators des Weiteren eine Anschlusswicklung, die als Primärentwicklung des eisenlosen Transformators gestaltet ist, einen ersten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist, und einen zweiten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist.
In einigen Ausführungen sind der erste Transformatorschenkel und der zweite Transformatorschenkel parallel angeordnet.
In einigen Ausführungen umfasst der erste Transformatorschenkel einen in Reihe mit der Transformatorwicklung geschalteten Kondensator, der mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist; und der zweite Transformatorschenkel umfasst einen in Reihe mit der Transformatorwicklung geschalteten Kondensator, der mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist.
In einigen Ausführungen enthält der erste Transformatorschenkel einen Schalter, der, wenn er geöffnet ist, den ersten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt; und der zweite Transformatorschenkel enthält einen Schalter, der, wenn er geöffnet ist, den zweiten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt.
In einigen Ausführungen sind die Schalter des ersten und des zweiten Transformatorschenkels mit einem Regler verbunden, der die Schalter öffnet und schließt, um das transkutane Energieübertragungsgerät zwischen mindestens einem hohen Leistungsmodus und einem niedrigen Leistungsmodus zu schalten.
In einer anderen Ausführungsformen ist die vorliegende Offenlegung auf ein Verfahren zur Erweiterung des Kopplungsbereiches während einer Leistungsübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eines transkutanen Energieübertragungssystems für ein implantiertes, medizinisches Gerät gerichtet, welches das Betreiben des transkutanen Energieübertragungssystems in einem ersten Kopplungsmodus einschließt, wobei der erste Kopplungsmodus einer ist von einer Vielzahl von Kopplungsbetriebsarten, der bestimmt, ob das transkutane Energieübertragungssystem in einen zweiten Kopplungsmodus geschaltet werden soll, wobei der zweite Kopplungsmodus einer der Vielzahl von Kopplungsbetriebsarten ist; und von dem ersten Kopplungsmodus in den zweiten Kopplungsmodus geschaltet wird, indem die Leistungsübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite erhöht oder gesenkt wird, wenn sich die Kopplung verändert.
In einigen Ausführungen umfasst die Primärseite ein Leistungsübertragungssystem mit einer Primärspule.
In einigen Ausführungen umfasst die Sekundärseite ein Leistungsaufnahmesystem mit einer Sekundärspule.
In einigen Ausführungen schließen die skalierbaren Kopplungsbetriebsarten eine Gruppe von Kopplungsbereichen ein, die von einem niedrigen Kopplungsbereich bis zu einem hohen Kopplungsbereich definiert sind.
In einigen Ausführungen umfasst die Gruppe von Kopplungsbereichen zumindest einen dazwischen liegenden Kopplungsbereich zwischen dem niedrigen Kopplungsbereich und dem hohen Kopplungsbereich.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Erfassen, auf der Primärseite, der Kopplung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite.
In einigen Ausführungen umfasst das Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern der Größe von zugeführter Leistung durch den Betrieb eines Stelltransformators auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen schließt der Stelltransformator eine Vielzahl diskreter Zustände ein, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern von Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern der Größe von zugeführter Leistung, indem die Eingangsleistung mit harmonischen Unterwellen der Steuerfrequenz variiert wird.
In einigen Ausführungen weist die Eingangsleistung eine Vielzahl von unterharmonischen Zuständen auf, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch die Funktion eines Spannungsreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen schließt der Spannungsregler eine Vielzahl von diskreten Zuständen ein, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch die Funktion eines phasenverschobenen Brückenreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen ist der phasenverschobene Brückenregler für eine Vielzahl von Phasenverschiebungen gestaltet, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen unterstützt das Schalten zwischen einem niedrigen Kopplungsmodus und einem hohen Kopplungsmodus die Anordnungshilfe der Primärspule, so dass ein niedriger Kopplungsmodus verwendet wird, um anzuzeigen, dass die Anordnung des Gerätes nicht optimal ist, und ein hoher Kopplungsmodus verwendet wird, um eine optimalere Anordnung anzuzeigen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenlegung auf ein Verfahren zur Handhabung eines transkutanen Energieübertragungssystems für ein implantiertes, medizinisches Gerät gerichtet, welches das Übertragen von Leistung von einer Primärwicklung in eine implantierte Sekundärwicklung im transkutanen Energieübertragungssystem, das Bestimmen der Anordnung einer Primärspule im Verhältnis zu einer Stelle einer Sekundärspule, die Handhabung des transkutanen Energieübertragungssystems in einem niedrigen Kopplungsmodus, falls die Anordnung der Primärspule nicht optimal ist, und Handhabung des transkutanen Energieübertragungssystems in einem hohen Kopplungsmodus, falls die Anordnung der Primärspule optimaler ist, einschließt.
In einigen Ausführungen umfasst das Verfahren zur Handhabung eines transkutanen Energieübertragungssystems des Weiteren die Bedienung des transkutanen Energieübertragungssystems in einem dazwischen liegenden Kopplungsmodus zwischen dem niedrigen Kopplungsmodus und dem hohen Kopplungsmodus, wenn es durch die Anordnung der Primärspule angezeigt ist.
In einigen Ausführungen umfasst das Verfahren zur Handhabung eines transkutanen Energieübertragungssystems des Weiteren das Schalten zwischen dem ersten Kopplungsmodus und dem zweiten Kopplungsmodus, indem die Leistungsübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite erhöht oder gesenkt wird, wenn sich die Kopplung verändert.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern der Größe von zugeführter Leistung durch den Betrieb eines Stelltransformators auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen schließt der Stelltransformator eine Vielzahl diskreter Zustände ein, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern der Größe von zugeführter Leistung, indem die Eingangsleistung mit harmonischen Unterwellen der Steuerfrequenz variiert wird.
In einigen Ausführungen weist die Eingangsleistung eine Vielzahl unterharmonischer Zustände auf, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines Spannungsreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen weist der Spannungsregler eine Vielzahl diskreter Zustände auf, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines phasenverschobenen Brückenreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen ist der phasenverschobene Brückenregler für eine Vielzahl von Phasenverschiebungen ausgelegt, die jeweils einer der Kopplungsbetriebsarten entsprechen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenlegung auf einen Transformator für ein transkutanes Energieübertragungsgerät gerichtet, wobei der Transformator, der einen Kerntransformator einschließt, eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei die Primärseite zum Anschluss an eine Stromversorgung gestaltet ist, eine Stelltransformatoreinzelspule ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende an die Sekundärseite des Kerntransformators angeschlossen ist, und ein eisenloser Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei die Primärseite an das zweite Ende der Stelltransformatoreinzelspule angeschlossen ist, und die Sekundärseite so gestaltet ist, um in einer Versuchsperson implantiert zu werden, so dass die Haut der Versuchsperson zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung des eisenlosen Transformators angeordnet ist.
In einigen Ausführungen umfasst die Stelltransformatoreinzelspule außerdem eine Anschlusswicklung, die als Primärwicklung des eisenlosen Transformators gestaltet ist, einen ersten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die an der zweiten Seite des Kerntransformators angeschlossen ist, und einen zweiten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die an der zweiten Seite des Kerntransformators angeschlossen ist.
In einigen Ausführungen sind der erste Transformatorschenkel und der zweite Transformatorschenkel parallel angeordnet.
In einigen Ausführungen enthält der erste Transformatorschenkel einen in Reihe mit der Transformatorwicklung geschalteten Kondensator, die mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist; und der zweite Transformatorschenkel enthält einen in Reihe mit der Transformatorsiedlung geschalteten Kondensator, die mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist.
In einigen Ausführungen enthält der erste Transformatorschenkel einen Schalter, der, wenn er geöffnet ist, den ersten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt, und der zweite Transformatorschenkel enthält einen Schalter, der, wenn er geöffnet ist, den zweiten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt.
In einigen Ausführungen sind die Schalter des ersten und zweiten Transformatorschenkels mit einem Regler verbunden, der die Schalter öffnet und schließt, um das transkutane Energieübertragungsgerät zwischen mindestens einem hohen Kopplungsmodus und einem niedrigen Kopplungsmodus zu schalten.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenlegung auf ein tragbares, externes Gerät für ein mechanisches Kreislaufunterstützungssystem (MSC) gerichtet, das ein Gehäuse, eine mit dem Gehäuse entfernbar verbundene Batterie und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Leistungsmodul enthält, das durch die Batterie betrieben wird und so ausgeführt ist, um drahtlos elektrische Leistung über eine Hautgrenze an eine implantierbare Pumpe über ein transkutanes Energieübertragungssystem zu übertragen.
In einigen Ausführungen ist das Leistungsmodul ausgelegt, um das transkutane Energieübertragungssystem in einem ersten Leistungsmodus zu betreiben, wobei der erste Leistungsmodus eine von einer Vielzahl skalierbarer Leistungsbetriebsarten ist, festzulegen, ob das transkutane Energieübertragungssystem in einen zweiten Leistungsmodus geschaltet werden soll, wobei der zweite Leistungsmodus eine von einer Vielzahl skalierbarer Leistungsbetriebsarten ist, und von dem ersten Leistungsmodus in den zweiten Leistungsmodus zu schalten, indem die Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite gesteuert wird.
In einigen Ausführungen weist die Primärseite ein Leistungsübertragungssystem mit einer Primärspule auf.
In einigen Ausführungen weist die Sekundärseite ein Leistungsaufnahmesystem mit einer Sekundärspule auf.
In einigen Ausführungen schließen die skalierbaren Leistungsbetriebsarten eine Gruppe von Leistungszuführbereichen ein, die von einem niedrigen Leistungsbereich bis zu einem hohen Leistungsbereich definiert sind.
In einigen Ausführungen umfasst die Gruppe von Leistungszuführbereichen mindestens einen dazwischen liegenden Leistungszuführbereich zwischen dem niedrigen Leistungsbereich und dem hohen Leistungsbereich.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung zum Beenden einer anfänglichen Einschaltfolge empfangen ist.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung empfangen wurde, die richtige Sekundärseite zu bestätigen.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung nach erhöhter oder verringerter Leistung empfangen wird.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Anforderung zur Eingabe eines Fehlermodus empfangen wird.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob seit dem Einschalten eine vorbestimmte Zeit vergangen ist.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine vorbestimmte Zeit vergangen ist, seitdem ein Fehlerzustand detektiert wurde.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine vorbestimmte Zeit vergangen ist, seitdem eine Änderung des Kopplungsfaktors aufgetreten ist.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob ein Fehlerzustand detektiert wurde.
In einigen Ausführungen schließt der Fehlerzustand ein, dass Überstrom durch die Sekundärseite entnommen wird.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob eine Änderung im Kopplungsfaktor detektiert wird.
In einigen Ausführungen umfasst Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen, ob ein Lastwechsel detektiert wird.
In einigen Ausführungen wird der Lastwechsel durch eine Änderung in dem auf der Primärseite gemessenen Arbeitszyklus angezeigt.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines Stelltransformators auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen schließt der Stelltransformator eine Vielzahl diskreter Zustände ein, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus, indem die Eingangsleistung mit harmonischen Unterwellen der Steuerfrequenz variiert wird.
In einigen Ausführungen weist die Eingangsleistung eine Vielzahl unterharmonischer Zustände auf, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines Spannungsreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen weist der Spannungsregler eine Vielzahl diskreter Zustände auf, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines phasenverschobenen Brückenreglers auf der Primärseite.
In einigen Ausführungen ist der phasenverschobene Brückenregler für eine Vielzahl von Phasenverschiebungen ausgelegt, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
In einigen Ausführungen umfasst das Leistungsmodul des transportablen, äußerlichen Gerätes außerdem einen Kerntransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei die Primärseite zum Anschluss an die Batterie gestaltet ist, eine Stelltransformatoreinzelspule ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist, und ein eisenloser Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei die Primärseite an das zweite Ende der Stelltransformatoreinzelspule angeschlossen wird, die Sekundärseite gestaltet ist, um in einer Versuchsperson implantiert zu werden, so dass die Haut der Versuchsperson zwischen Primärseite und Sekundärseite des eisenlosen Transformators angeordnet ist.
In einigen Ausführungen umfasst die Stelltransformatoreinzelspule des Weiteren eine Anschlusswicklung, die als Primärwicklung des eisenlosen Transformators gestaltet ist, einen ersten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die mit der zweiten Seite des Kerntransformators verbunden ist, und einen zweiten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die mit der zweiten Seite des Kerntransformators verbunden ist.
In einigen Ausführungen sind der erste Transformatorschenkel und der zweite Transformatorschenkel parallel angeordnet.
In einigen Ausführungen enthält der erste Transformatorschenkel einen in Reihe mit der Transformatorwicklung geschalteten Kondensator, die mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist; und der zweite Transformatorschenkel enthält einen in Reihe mit der Transformatorwicklung geschalteten Kondensator, die mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist.
In einigen Ausführungen enthält der erste Transformatorschenkel einen Schalter, der, wenn er geöffnet ist, den ersten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt; und der zweite Transformatorschenkel enthält einen Schalter, der, wenn er geöffnet ist, den zweiten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt.
In einigen Ausführungen sind die Schalter des ersten und zweiten Transformatorschenkels mit einem Regler verbunden, der die Schalter öffnet und schließt, um das transkutane Energieübertragungsgerät zwischen mindestens einem hohen und einem niedrigen Leistungsmodus zu schalten.
In einigen Ausführungen bildet die Batterie, wenn sie mit dem Gehäuse verbunden ist, einen vollständigen Teil des Gehäuses, wobei die Batterie eine leistungsdichte Batterie einschließt.
In einigen Ausführungen schließt die Batterie eine wiederaufladbare Batterie ein, die ausgelegt ist, um ohne Wiederaufladung einen Zeitraum lang in einem Bereich von etwa 4 Stunden bis etwa 12 Stunden zu arbeiten.
In einigen Ausführungen ist die wiederaufladbare Batterie ausgelegt, um ohne Wiederaufladung einen Zeitraum lang zu arbeiten, der ungefähr 8 Stunden entspricht.
In einigen Ausführungen umfasst das Gehäuse eine Breite in einem Bereich von etwa 60 mm bis etwa 90 mm, eine Länge in einem Bereich von etwa 100 mm bis etwa 140 mm sowie eine Tiefe in einem Bereich von etwa 20 mm bis etwa 40 mm.
In einigen Ausführungen umfasst das Gehäuse ein Volumen in einem Bereich von ungefähr 120 cm³ bis ungefähr 504 cm³.
In einigen Ausführungen weist das tragbare, externe Gerät ein Gewicht in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 1,0 kg auf.
In einigen Ausführungen umfasst das tragbare, externe Gerät ferner einen Drücker, der gestaltet ist, um die Batterie zur Entnahme aus dem Gehäuse zu lösen, wobei der Drücker so gestaltet ist, um betätigt zu werden, so dass die Batterie zur Entnahme aus dem Gehäuse durch mindestens zwei unabhängige Bewegungen freigegeben wird.
In einigen Ausführungen enthält der Drücker zwei Druckknöpfe, von denen jeder in eine verriegelte Stellung vorgespannt wird, die eine Entnahme der Batterie aus dem Gehäuse blockiert, und von denen beide gestaltet sind, um gleichzeitig in eine nicht verriegelte Stellung gedrückt zu werden, um die Batterie zur Entnahme aus dem Gehäuse freizugeben.
In einigen Ausführungen sind die zwei Druckknöpfe auf gegenüber liegenden Seiten des Gehäuses angeordnet, so dass die zwei Knöpfe so gestaltet sind, um in etwa entgegen gesetzten Richtungen zueinander gedrückt zu werden.
In einigen Ausführungen enthält der Drücker einen Kanal und einen Stift, der in eine verriegelte Stellung zu einem ersten Ende des Kanals hin vorgespannt wird, der eine Entnahme der Batterie aus dem Gehäuse blockiert, und wobei der Stift so gestaltet ist, um in mindestens zwei Richtungen zu einem zweiten Ende des Kanals hin in eine nicht verriegelte Stellung gedrückt zu werden, um die Batterie zur Entnahme aus dem Gehäuse freizugeben.
In einigen Ausführungen sind Batterie und Leistungsmodul jeweils so gestaltet, um die implantierbare Pumpe zu betreiben.
In einigen Ausführungen schließt die energiedichte Batterie eine wiederaufladbare Lithium-Ionen (Li-Ion), Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Nickel-Cadmium (NiCd) Batterie ein.
In einigen Ausführungen weist die energiedichte Batterie eine Energiedichte in einem Bereich von etwa 455 Wattstunden je Liter bis etwa 600 Wattstunden je Liter auf.
In einigen Ausführungen weist die zweite energiedichte Batterie eine Energiedichte in einem Bereich von etwa 700 Watt je Liter bis etwa 6 Kilowatt je Liter auf.
In einigen Ausführungen enthält das tragbare, externe Gerät des Weiteren mindestens einen durch das Leistungsmodul gesteuerten, piezoelektrischen Lautsprecher, der einen oder mehrere hörbare Klänge aussendet.
In einigen Ausführungen umfasst das tragbare, externe Gerät außerdem ein erstes Telemetriemodul, das gestaltet ist, um Informationen zwischen dem tragbaren, äußeren Gerät und einem oder mehreren anderen Geräten entsprechend einem ersten drahtlosen Nachrichtenübertragungsverfahren zu kommunizieren.
In einigen Ausführungen umfasst das tragbare, externe Gerät des Weiteren ein zweites Telemetriemodul, das so gestaltet ist, um Informationen zwischen dem tragbaren, äußeren Gerät und einem oder mehreren anderen Geräten entsprechend einem zweiten drahtlosen Nachrichtenübertragungsverfahren zu kommunizieren.
In einigen Ausführungen ist das erste drahtlose Nachrichtenübertragungsverfahren anders als das zweite drahtlose Nachrichtenübertragungsverfahren.
In einigen Ausführungen umfasst das tragbare, externe Gerät des Weiteren eine Benutzerschnittstelle mit einem kapazitiven Sensor, der ausgelegt ist, um eine Benutzereingabe zu empfangen.
In einigen Ausführungen umfasst das tragbare, externe Gerät des Weiteren eine Vertiefung, in welcher der kapazitive Sensor angeordnet ist.
In einigen Ausführungen liegt die von dem Leistungsmodul verbrauchte Leistung in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 1,25 Watt.
Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die des Weiteren nachstehend in der Ausführlichen Beschreibung beschrieben sind. Es ist weder beabsichtigt, dass diese Zusammenfassung Eckdaten oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes ausweist, noch ist beabsichtigt, sie zu verwenden, um den Umfang des beanspruchten Gegenstandes einzuschränken. Eine umfassendere Darstellung von Merkmalen, Einzelheiten, Nutzen und Vorteilen der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, ist in der folgenden schriftlichen Darstellung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen und wird in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine konzeptionelle, grafische Darstellung, die ein beispielhaftes linksventrikuläres Herzunterstützungssystem (LVAD) mit einem tragbaren, äußeren Steuer- und Stromquellenmodul veranschaulicht.
2A–E ist eine Anzahl von Drauf- und Seitenansichten, die ein Beispiel des Steuer- und Stromquellenmoduls von 1 darstellen.
3 ist eine auseinander gezogene Darstellung des beispielhaften Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 2A–2E.
4A und 4B sind perspektivische Darstellungen des Batteriefreigabedrückers des beispielhaften Steuer- und Stromquellenmoduls von 2A–3.
4C–4H stellen eine Anzahl alternativer Batteriedrückermechanismen dar, die in Verbindung mit den Steuer- und Stromquellenmoduln gemäß dieser Offenlegung eingesetzt werden können.
5 ist ein funktionelles Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Steuer- und Stromquellenmodul gemäß dieser Offenlegung darstellt.
6 ist ein Zustandsdiagramm, das einen Vorgang darstellt, durch den der Zustand der Stromquellen des Steuer- und Stromquellenmoduls von 5 zu einem Benutzer kommuniziert werden kann.
7A–10B veranschaulichen eine Anzahl von Funktionen, die Elementen einer beispielhaften Benutzerschnittstelle des Steuer- und Stromquellenmoduls von 5 zugeordnet sind.
11A–11J (”11”) sind Schaltpläne, die den Schaltungsaufbau eines Beispiels der Stromverbindung des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 5 darstellen.
12A–12F (”12”) sind Schaltpläne, die den Schaltungsaufbau eines Beispiels des Ladegeräts des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 5 darstellen.
13A und 13B stellen einen weiteren Batteriefreigabedrückermechanismus dar, der in Verbindung mit Steuer- und Stromquellenmoduln gemäß dieser Offenlegung eingesetzt werden kann.
14A–14D stellen zwei andere Batteriefreigabedrückermechanismen dar, die in Verbindung mit Steuer- und Stromquellenmoduln 12 gemäß dieser Offenlegung eingesetzt werden können.
15 ist ein Blockdiagramm eines drahtlosen Leistungsübertragungssystems gemäß hier erörterter Ausführungsformen.
16A ist ein Schaltplan für bestimmte Komponenten des in 15 gezeigten Systems.
16B ist ein Schaltplan für bestimmte Komponenten des in 15 gezeigten Systems, der die Topologie eines Stelltransformators mit zwei Transformatorschenkeln enthält.
16C ist ein Schaltplan für bestimmte Komponenten des in 15 gezeigten Systems, der die Topologie eines Stelltransformators mit einer willkürlichen Anzahl von Transformatorschenkeln enthält.
17A und 17B sind schematische Darstellungen der in 15 gezeigten inneren und äußeren Spulen.
18A ist ein Schaltplan, der eine Ausführung des in 15 gezeigten Wechselrichters darstellt.
18B ist ein Schaltplan, der eine Ausführung des in 15 gezeigten Wechselrichters darstellt, der die Topologie eines Stelltransformators mit zwei Transformatorschenkeln enthält.
18C ist ein Schaltplan, der eine Ausführung des in 15 gezeigten Wechselrichters darstellt, der die Topologie eines Stelltransformators mit einer willkürlichen Anzahl von Transformatorschenkeln enthält.
18D ist die schematische Darstellung einer Ausführung des Systems von 15, in der das externe Resonanznetzwerk von 15 direkt mit dem Wechselrichter verbunden ist.
18E ist die schematische Darstellung einer Ausführung des Systems von 15, in der das externe Resonanznetzwerk mit dem Wechselrichter durch eine Stelltransformatoreinzelspule verbunden ist.
18F ist die schematische Darstellung einer Ausführung des Systems von 15, in der diese einen Spannungsregler umfasst.
19 ist ein Kurvenbild, das unterschiedliche harmonische Unterwellen einer Leistungsübertragungsfrequenz für ein System gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
20 ist ein Kurvenbild, das die Arbeitsweise einer Ausführungsform des Systems darstellt, das zwei Kopplungsbetriebsarten realisiert.
21 ist eine Darstellung wellenförmiger Bildspuren für Signale, die im System von 15 vorhanden sind, wenn Leistung zwischen der äußeren Baugruppe und der inneren Baugruppe übertragen wird.
22 ist eine Sammlung von Datensätzen von Kopplungskoeffizienten für das in 15 gezeigte System.
23 ist eine grafische Darstellung von in einer empirischen Untersuchung erfassten Sicherheitsniveaudaten.
24 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Umschaltung zwischen skalierbaren Leistungsbetriebsarten oder inmitten dieser gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
25 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System auf der Basis eines von Nachrichtenübertragungskanälen empfangenen Eingangs umschalten soll oder nicht.
26 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System Leistungsbetriebsarten basierend auf Zeitgebern des Systems umschalten soll oder nicht.
27 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System basierend auf berechneten Kopplungsgrößen Leistungsbetriebsarten umschalten soll oder nicht.
28 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System basierend darauf, ob ein Fehlerzustand detektiert ist oder nicht, Leistungsbetriebsarten umschalten soll oder nicht.
29 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System basierend auf Ladezuständen, die in der Sekundärwicklung vorhanden sind, Leistungsbetriebsarten umschalten soll oder nicht.
30 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Umschaltung zwischen skalierbaren Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
31 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System basierend auf berechneten Kopplungsgrößen Kopplungsbetriebsarten umschalten soll oder nicht.
32 ist ein Ablaufdiagramm, das Regleroperationen darstellt, die für die Bestimmung dafür sorgen, ob ein System basierend auf der Anordnung der Primärspule im Verhältnis zur Sekundärspule Kopplungsbetriebsarten umschalten soll oder nicht.
33 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Berechnung eines Kopplungsfaktors gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
34 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Abschätzung eines Sekundärspulenwärmeflusses gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
35 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Abschätzung einer Sekundärspulentemperatur gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
36 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Abschätzung eines Primärspulenwärmeflusses gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
37 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Abschätzung einer Primärspulentemperatur gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Vorliegende Ausführungsformen sind auf das Messen und Berechnen von Parametern zum Steuerung und Überwachung einer Leistungsübertragung in einem implantierten, medizinischen Gerät gerichtet, die das Betreiben des Gerätes in einer Vielzahl von skalierbaren Leistungsbetriebsarten und/oder Kopplungsbetriebsarten einschließen. Das medizinische Gerät kann in einer Versuchsperson implantiert werden und kann ein künstliches Herz oder ein ventrikuläres Herzunterstützungsgerät einschließen. In einer Hinsicht schaltet das System um zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser, die auf einem Eingang wie über Nachrichtenübertragungsleitungen des Systems und programmierbare Zeitgeber empfangene Daten oder Informationen der elektrischen Ladung basieren. In einer anderen Hinsicht misst das System die Parameter und nutzt sie, um einen Kopplungsfaktor für Spulen zu berechnen, die Leistung zwischen einer äußeren Primärentwicklung und einer implantierten Sekundärwicklung übertragen. Das System kann anschließend den berechneten Kopplungsfaktor nutzen, um Änderungen von Temperatur oder Wärmefluss, der im System erzeugt wird, abzuschätzen. Das System kann dann zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser, die auf der Kopplungsgröße, der Höhe des erfassten Wärmeflusses oder der Größe von abgeschätzten Temperaturänderungen basieren, umschalten.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann eine Bestimmung vorgenommen werden, um das System zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umzuschalten, die auf einer Anforderung zur Beendigung einer anfänglichen Einschaltfolge, einer Anforderung zum Bestätigen der richtigen Sekundärseite, einer Anforderung nach erhöhter oder verringerter Leistung und/oder einer Anforderung, einen Fehlermodus einzugeben, basieren. In anderen Ausführungsformen kann das System zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten, wenn seit dem Einschalten eine vorgegebene Zeit vergangen ist, eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem ein Fehlerzustand detektiert wurde und/oder eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem eine Änderung des Kopplungsfaktors aufgetreten ist. Das System kann außerdem zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten, falls ein Fehlerzustand detektiert wird, eine Änderung des Kopplungsfaktors detektiert wird und/oder wenn ein Lastwechsel detektiert wird.
1 ist eine konzeptionelle, grafische Darstellung, die ein beispielhaftes linksventrikuläres Herzunterstützungssystem (LVAD) 10 mit einem tragbaren Steuer- und Stromquellenmodul 12 veranschaulicht, das gestaltet ist, um elektrische Leistung einem Implantationspumpenregler 21 und einer implantierten Pumpe 14 durch ein drahtloses Leistungsübertragungssystem 11 zuzuführen. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 umfasst ein Gehäuse 22, eine optionale innere Batterie (siehe 3 und 5) und eine entfernbare Batterie 24, die in 1 gezeigt ist. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 enthält außerdem einen Stecker 26 und eine Benutzerschnittstelle 50. Die Benutzerschnittstelle 50 umfasst sowohl einen Bildschirm 52 und Eingabeknöpfe 54 als auch eine Anzahl anderer Elemente, die nachstehend mit Bezug auf 2B beschrieben werden.
Das drahtlose Leistungsübertragungssystem 11 enthält ein externes Resonanznetzwerk 15, das außerhalb des Patienten 22 angeordnet ist, und ein internes Resonanznetzwerk 17, das im Patienten 22 implantiert wird. Das externe Resonanznetzwerk 15 koppelt mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 durch ein externes Kabel 19. Das interne Resonanznetzwerk 17 koppelt mit einem inneren Reglermodul 21 durch ein internes Kabel 18. Das innere Reglermodul 21 ist allgemein so gestaltet, dass Leistungsübertragung bewerkstelligt wird, die über dem äußeren Resonanznetzwerk 15 und dem inneren Resonanznetzwerk 17 auftritt, um eine Leistungs- und Pumpensteuerung für die implantierte Pumpe 14 bereitzustellen. In einigen Ausführungen weist das Implantationspumpenreglermodul 21 eine Batterie, die der implantierten Pumpe 14 Leistung zuführt, wenn über das externe Resonanznetzwerk 15 und interne Resonanznetzwerk 17 keine Leistung verfügbar ist. In dieser Ausführung kann die dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 zugeordnete, innere Batterie weggelassen werden, wobei eine Unterstützung zum Batterieladen in dem implantierten Pumpenregler enthalten ist. Die Funktion hinsichtlich der TETS-Komponente 11 wird nachstehend in Verbindung mit 15–30 ausführlicher beschrieben.
Wie es in den folgenden Beispielen ausführlicher beschrieben wird, ist das Steuer- und Stromquellenmodul 12 ein tragbares, externes Gerät für ein mechanisches Kreislaufunterstützungssystem, das ein Steuerelement zur Übertragung von Leistung in den implantierten Pumpenregler 21 und die implantierte Pumpe 12, die durch eine mit dem Steuerelement eine Einheit bildende Stromquelle betrieben wird, enthält. Die Stromquelle des beispielhaften Steuer- und Leistungsquellenmoduls 12 umfasst eine austauschbare Batterie 24, die entfernbar mit dem Gehäuse 22 des Steuer- und Leistungsquellenmoduls verbunden ist, und eine interne Reservebatterie (siehe 3 und 5), die in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 ist so bemessen, um vielfältige tragbare Ausführungen für den Patienten 20 unterzubringen, was z. B. an einem Gürtel getragen zu werden, der in 1 um die Hüfte des Patienten 20 herum gelegt wird, einschließt.
Externes Resonanznetzwerk 15 und internes Resonanznetzwerk 17 schalten mit Steuer- und Stromquellenmodul 12 und implantiertem Pumpenregler 21, um Leistung und andere Signale zwischen dem äußeren Modul und dem implantierten Pumpenregler zu übertragen. Im Beispiel von 1 verbindet das Kabel 19 über den Stecker 26 das Steuer- und Stromquellenmodul 12. Das Kabel 19 kann in einer Vielzahl von Längen gefertigt und eingesetzt werden, um die Flexibilität beim Tragen des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 am Körper des Patienten 20 zu verbessern. In einem Beispiel kann das Kabel 19 selbst verlängerbar sein, so dass es eine Anzahl unterschiedlicher Längen annehmen kann. Zum Beispiel kann das Kabel 19 aufgewickelt sein, so dass Dehnen und Abwickeln des gewundenen Kabels bewirken wird, dass es eine Anzahl unterschiedlicher Längen annehmen wird. In einem anderen Beispiel kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 einen Mechanismus enthalten, von dem aus das Kabel 19 aufgewickelt werden kann und auf den die Verlängerung wieder aufgewickelt werden kann, um zu bewirken, dass es eine Anzahl unterschiedlicher Längen annimmt.
Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 umfasst außerdem Steuerelektronik (in 1 nicht gezeigt), die ausgelegt ist, um die Arbeitsweise verschiedener Komponenten des LVAD 10 einschließlich des implantierten Pumpenreglers 21, der entfernbaren Batterie 24, der inneren Batterie (siehe 3 und 5) und der Benutzerschnittstelle 50 zu steuern. Wie es oben angemerkt ist, umfasst die Benutzerschnittstelle 50 den Bildschirm 52 und Eingabeknöpfe 54. Der Bildschirm 52 kann eine Anzahl von unterschiedlichen Typen von Anzeigen einschließlich z. B. Flüssigkristallanzeige (LCD), Punktmatrixanzeige, Leuchtdiodenanzeige (LED), organische Leuchtdiodenanzeige (OLED), Berührungsbildschirm oder kann ein beliebiges anderes Gerät einschließen, das imstande ist, Informationen an einen Benutzer zu liefern und/oder von ihm zu empfangen. Der Bildschirm 52 kann so gestaltet sein, um Text und grafische Informationen in einer oder mehreren Farben darzustellen. Zum Beispiel kann der Bildschirm 52 so gestaltet sein, um den Ladezustand der austauschbaren Batterie 24 und der inneren Batterie des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 anzuzeigen sowie einem Benutzer Alarmsignale einschließlich Anweisungen zum Ergreifen von Maßnahmen als Reaktion auf das Alarmsignal zu geben. In einer Ausführung, bei der die mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbundene innere Batterie weggelassen ist, kann der Bildschirm 52 so gestaltet sein, um den Ladezustand der im implantierten Pumpenregler 21 enthaltenen implantierten Batterie anzuzeigen. In einem Beispiel des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 sind die Eingabeknöpfe 54 kontaktlose, kapazitive Sensoren, ausgeführt, um eine Eingabe von einem Benutzer anzuzeigen, ohne dass dieser die Knöpfe oder einen beliebigen anderen Teil des Steuer- und Stromquellenmoduls wirklich berührt.
Die Pumpe 14 des LVAD 10 kann im Innern des Patienten 20 chirurgisch implantiert werden, einschließlich z. B. im Bauchraum des Patienten, wie es im Beispiel von 1 veranschaulicht ist. In anderen Beispielen kann die Pumpe 14 an anderen Stellen im Innern des Patienten 20 implantiert werden. Die Pumpe 14 wird durch Eingangs- und Ausgangskanülen 32, 34 an das Herz 30 des Patienten 20 angeschlossen. Im beispielhaften LVAD 10 von 1 überträgt die Eingangskanüle 32 Blut aus der linken Herzkammer 36 (LV) des Herzens 30 zur Pumpe 14. Die Ausgangskanüle 34 überträgt Blut von der Pumpe 14 zur Aorta 38 des Patienten 20. Die Pumpe 14 umfasst ein formfestes Gehäuse, das aus oder mit einem bioverträglichen Werkstoff oder Überzug gebildet ist, der Korrosion und Versprödung aus Körperflüssigkeiten heraus standhält. Beispiele geeigneter bioverträglicher Werkstoffe schließen Titan und biologisch reaktionsträge Polymere ein. Die Pumpe 14 kann eine Vielzahl von Typen positiver Verdrängungsmechanismen umfassen, die imstande sind, Blut in die Pumpe anzusaugen und es aus der Pumpe auszustoßen. Zum Beispiel kann die Pumpe 14 ein Zentrifugal-Verdichterrad, einen Peristaltikkolben, einen elektromagnetischen Kolben, eine Axialturbinenpumpe, eine Magnetlager-Kreiselpumpe, eine pneumatische Verdrängerpumpe oder einen anderen Verdrängungsmechanismus enthalten, die zur Verwendung mit implantierbaren Vorrichtungen, wie das RVAD 10, geeignet sind.
Der Implantationspumpenregler 21 ist im Allgemeinen so ausgeführt, um der implantierten Pumpe 14 und/oder anderen Bauelementen des LVAD 10 Leistungs- und Steuerungseingaben zu liefern. In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Implantationspumpenregler 21 einen Hauptstromkreis und einen Gleichrichter, durch den der Regler 21 eine Leistungsübertragung bewerkstelligt, die über das externe Netzwerk 15 und das interne Netzwerk 17 stattfindet. Ein anderes Ausführungsbeispiel enthält Leistungsübertragungskomponenten, durch die der Regler 21 Leistung für die implantierte Pumpe 14 bereitstellt. Die verschiedenen Komponenten des Implantationspumpenreglers 21 einschließlich Leistungsschaltkreis, Gleichrichter und Leistungsübertragungskomponenten werden in Verbindung mit 15 und 16 ausführlicher beschrieben.
Im Beispiel von 1 ist ein ventrikuläres Herzunterstützungssystem 10 dargestellt, das die linke Herzkammer 36 (LV) vom Herz 30 eines Patienten 20 unterstützt. In anderen Beispielen können die offenbarten Verfahren jedoch in anderen Typen mechanischer Kreislaufunterstützungssysteme (MCS) eingesetzt werden, die konfigurierbar sind, um z. B. die rechte Herzkammer 40 bei rechtsventrikulärem Herzunterstützungssystem (RVAD) sowie beide Herzkammern 36, 40 bei biventrikulärem Herzunterstützungssystem (BiVAD) zu unterstützen. Deshalb kann allgemein ausgedrückt die Blutquelle zum Beispiel für ventrikuläre Herzunterstützungssysteme normalerweise als die unterstützte Herzkammer beschrieben werden, während das Arteriengefäß als Bestimmungsort des druckbehafteten Bluts, welches durch das Steuer- und Stromquellenmodul zugeführt wird, bezeichnet werden kann.
Mit Bezug wieder auf 1 kann jede der Eingangs- und Ausgangskanülen 32, 34 aus flexiblem Schlauchmaterial gebildet sein, das sich jeweils zu der linken Herzkammer 36 und der Aorta 38 erstreckt. Die Eingangs- und Ausgangskanülen 32, 34 können jeweils am Gewebe der linken Herzkammer 36 und Aorta 38 befestigt werden, z. B. durch Fäden, um Blutfluss einzuführen und aufrecht zu erhalten, und können eine geeignete Struktur für solche Befestigungsverfahren, einschließlich z. B. Nahtringe 42, 44, einschließen. In jeder der oben erwähnten Ausführungen von LVAD, RVAD oder BiVAD) wird die Eingangskanüle 32 mit der unterstützten Herzkammer (oder Herzkammern) anastomosiert, während die Ausgangskanüle 34 mit dem entsprechenden unterstützten Arteriengefäß anastomosiert wird, was für linke Herzkammerunterstützung typischerweise die Aorta 38 ist und für rechte Herzkammerunterstützung typischerweise die Lungenarterie 46 ist.
2A–E ist eine Anzahl von Drauf- und Seitenansichten, die eine beispielhafte Ausführung des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 1 darstellen. 2A ist die Vorderansicht eines beispielhaften Steuer- und Stromquellenmoduls 12. 2B und 2C sind linke bzw. rechte Seitenansichten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12. 2D und 2E sind jeweils Draufsichten und Ansichten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von unten. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 umfasst ein Gehäuse 22, eine Benutzerschnittstelle 50, einen Kabelanschluss 60, einen Anschluss für externe Stromquelle 62, Batteriefreigabeknöpfe 64 und 66 und einen Fachzugang für die austauschbare Batterie 68. Die Benutzerschnittstelle 50 umfasst den Bildschirm 52, Eingabeknöpfe 54 sowie den Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74, die in 2B dargestellt sind.
Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 enthält eine Steuereinheit zur Steuerung der implantierten Pumpe 12, die durch eine mit der Steuereinheit eine Einheit bildenden Stromquelle betrieben wird und von einer Größe ist, um eine Vielzahl von für den Patienten 20 tragbaren Ausführungen unterzubringen, was einschließt, z. B. an einem um die Hüfte des Patienten geschlungenen Gürtel getragen zu werden, wie es in 1 veranschaulicht ist. In einem Beispiel ist das Steuer- und Stromquellenmodul 12, und insbesondere das Gehäuse 22, für spezielle Größen- und Gewichtsziele angefertigt, um das Modul bei einer Größe zu halten, die Flexibilität und Bequemlichkeit für den Patienten 20 erleichtert. Zum Beispiel kann das Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 mit einer Länge L in einem Bereich von etwa 100 Millimetern bis etwa 140 Millimetern, einer Breite W in einem Bereich von etwa 60 Millimetern bis etwa 90 Millimetern und einer Tiefe D in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 40 Millimetern gefertigt werden. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 kann außerdem von einer Größe sein, die einem Gesamtvolumen des Gerätes zugrunde gelegt ist. Zum Beispiel kann das Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 so gefertigt werden, dass es ein Volumen in einem Bereich von etwa 120 Kubikzentimetern bis etwa 504 Kubikzentimetern umfasst. In einem Beispiel kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 zusätzlich zu oder anstelle von speziellen Größenzielen auch ein Gewichtsziel einschließen. Zum Beispiel kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 einschließlich austauschbarer Batterie 24 und interner Batterie (in 2A bis 2E nicht gezeigt) so gefertigt werden, dass es ein Gewicht im Bereich von etwa 0,4 Kilogramm bis etwa 0,8 Kilogramm aufweist.
Größe und Gewicht des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 können zumindest teilweise von den Bauelementen abhängig sein, aus denen das Gerät besteht, einschließlich z. B. Gehäuse 22, Bildschirm 52, austauschbarer Batterie 24 und interner Batterie sowie der im Gehäuse des Gerätes angeordneten Steuerelektronik. In einem Beispiel kann Elektronik des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 z. B. einen oder mehrere Prozessoren, Speicher, Telemetrie, Ladeschaltkreis, Lautsprecher, Energiesparschaltung und Stromübertragungsschaltung umfassen. In jedem Fall können Größe und Gewicht der inneren Bauelemente des Steuer- und Stromquellenmoduls einschließlich z. B. Bildschirm 52, Zustandsanzeiger 72 und 74 sowie interner Elektronik des Gerätes proportional zu der Energie sein, die zum Betreiben der Bauelemente benötigt wird. So kann Reduzierung von Energieanforderungen der Elektronik des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 nicht nur dazu dienen, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, sondern kann auch Größe und Gewicht des Gerätes verringern.
In einem anderen Beispiel kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 so ausgeführt sein, dass die von der Elektronik des Steuer- und Stromquellenmoduls verbrauchte Leistung einem Zielwert entspricht. Zum Beispiel kann die Elektronik des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 so ausgeführt sein, dass Leistung in einem Bereich von ungefähr 0,25 bis 1,25 Watt verbraucht wird.
Das beispielhafte Steuer- und Stromquellenmodul 12 von 2A bis 2E umfasst eine Benutzerschnittstelle 50 einschließlich Bildschirm 52, Eingabeknöpfe 54, Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74. Der Bildschirm 52 kann eine Anzahl von unterschiedlichen Anzeigen umfassen und so ausgeführt sein, dass Text und grafische Informationen in einer oder mehreren Farben dargestellt werden. In einem Beispiel sind die Eingabeknöpfe 54 kontaktlose, kapazitive Sensoren, die ausgeführt sind, um eine Eingabe von einem Benutzer anzuzeigen, ohne dass dieser die Knöpfe oder einen beliebigen anderen Teil des Steuer- und Stromquellenmoduls wirklich berührt. Obwohl die Eingabeknöpfe in einem Beispiel kontaktlose Sensoren enthalten, können die Knöpfe in Vertiefungen 76 im Gehäuse 22 angeordnet sein, für den Benutzer ein tastbares Feedback bewirken, der nach den Knöpfen sucht oder diese benutzt, um auf dem Bildschirm 52 Informationen anzuzeigen und anderweitig mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 in Wechselwirkung zu treten. In einem Beispiel können die Eingabeknöpfe 54 Softtasten sein, die gestaltet sind, um unterschiedliche Funktionen an dem Steuer- und Stromquellenmodul 12, z. B. auf der Basis von auf dem Bildschirm 52 angezeigten, aktuellen Funktionen und Kontexten, auszuführen. In solchen Beispielen können die den aktuellen Funktionen zugeordneten Knöpfe 54, die als Softtasten funktionieren, als Bezeichnungen auf dem Bildschirm 52 direkt oberhalb jedes der Knöpfe dargestellt werden. In einem Beispiel entsprechen die Eingabeknöpfe 54 zwei Hauptfunktionen zur Wechselwirkung mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12. Zum Beispiel kann einer der Eingabeknöpfe 54 als „Zielknopf funktionieren, der bei Aktivierung durch einen Benutzer zu einem auf dem Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 dargestellten Standardbildschirm navigiert. Außerdem kann in einem solchen Beispiel der andere der Eingabeknöpfe 54 als ein „nächster” Knopf funktionieren, der bei Aktivierung durch den Benutzer zum nächsten Bildschirm in einer Reihe von möglichen Bildschirmen, die auf dem Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 dargestellt werden können, umschaltet.
Wie es in 2E dargestellt ist, umfasst die Benutzerschnittstelle 50 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 außerdem einen Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74. In einem Beispiel kann der Stummschaltknopf 70 so gestaltet sein, um, wenn er gedrückt ist, hörbare Alarmsignale stumm zu schalten, die durch Lautsprecher des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgegeben werden. Der Stummschaltknopf 70 kann in einem Beispiel Alarmsignale nur vorübergehend stumm schalten, um zu ermöglichen, dass ein Patient 20 einen öffentlichen Ort mit einem anderen Menschen verlässt, der durch das von den Lautsprechern des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgegebene Alarmsignal gestört wird. In einem Beispiel können die Zustandsanzeiger 72 und 74 erleuchtet sein, zum Beispiel durch mit LED erleuchteten Fenstern, die den Funktionszustand des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 und/oder der implantierten Pumpe 14 anzeigen. Zum Beispiel kann der Zustandsanzeiger 72 beleuchtet sein, um anzuzeigen, dass das Steuer- und Stromquellenmodul 12 und/oder die implantierte Pumpe 14 fehlerfrei und normal arbeiten. Der Zustandsanzeiger 74 kann andererseits erleuchtet sein, um einen oder mehrere Alarmzustände anzuzeigen, die Fehler oder andere umsetzbare Zustände des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 und/oder der implantierten Pumpe 14 angeben. Zum Beispiel kann der Zustandsanzeiger 74 erleuchtet sein, um den Zustand der austauschbaren Batterie 24 und/oder der inneren Batterie des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 als auf oder unter einem Schwellenwert der Ladungsfähigkeit befindlich anzuzeigen. In einigen Beispielen kann der Zustandsanzeiger 74 in vielfältiger Weise erleuchtet sein, um unterschiedliche Zustände des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 und/oder der implantierten Pumpe 14 anzuzeigen, einschließlich dessen, dass er in unterschiedlichen Farben beleuchtet ist, um Alarmzustände der austauschbaren Batterie 24 und/oder der inneren Batterie und/oder der implantierten Batterie mit unterschiedlichen Niveaus von Genauigkeit anzuzeigen.
Das beispielhafte Steuer- und Stromquellenmodul von 2A bis 2E umfasst außerdem einen Kabelanschluss 60, einen äußeren Stromquellenanschluss 62 und Batteriefreigabeknöpfe 64 und 66. Der Kabelanschluss 60 kann gestaltet sein, um ein Kabel 19 über den Stecker 26, wie in 1 dargestellt, aufzunehmen. Der externe Stromquellenanschluss 62 kann gestaltet sein, um einen oder mehrere Typen externer Stromquellenadapter, z. B. einen AC/DC oder DC/DC Adapter, aufzunehmen, die ausgeführt sind, um die austauschbare Batterie 24 und/oder die innere Batterie des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu laden.
Wie es mit Bezug auf 3 und 4 ausführlicher beschrieben wird, umfasst das Steuer- und Stromquellenmodul 12 einen Drücker, der gestaltet ist, um die austauschbare Batterie 24 aus dem Gehäuse 22 zu lösen. Der Batteriefreigabedrücker des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 kann in einem Beispiel so ausgeführt sein, um zur Freigabe der austauschbaren Batterie 24 aus dem Gehäuse 22 mit mindestens zwei unabhängigen Bewegungen betätigt zu werden. In 2A bis 2E umfasst der Batteriefreigabedrücker des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 Batteriefreigabeknöpfe 64 und 66. In einem Beispiel sind die Batteriefreigabeknöpfe 64 und 66 in eine verriegelte Stellung vorgespannt, die eine Entfernung der austauschbaren Batterie 24 aus dem Gehäuse 22 verhindert, und so gestaltet, um gleichzeitig in eine nicht verriegelte Stellung gedrückt zu werden, um die erste Stromquelle zur Entnahme aus dem Gehäuse zu lösen. In dem beispielhaften Steuer- und Stromquellenmodul 12 von 2A bis 2E ist der Batteriefreigabeknopf 64 auf der rechten Seite (aus der Perspektive der Ansichten von 2A bis 2E) des Gehäuses 22 angeordnet, und der Batteriefreigabeknopf 66 ist an der gegenüberliegenden linken Seite des Gehäuses 22 angeordnet, so dass die zwei Knöpfe so ausgeführt sind, um in ungefähr entgegen gesetzten Richtungen zueinander gedrückt zu werden.
3 ist eine auseinander gezogene Darstellung des beispielhaften Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 2A bis 2E. Das beispielhafte Steuer- und Stromquellenmodul 12 umfasst das Gehäuse 22, die austauschbare Batterie 24, die innere Batterie 80, die Benutzerschnittstelle 50, den Kabelanschluss 60, den äußeren Stromquellenanschluss 62, den Batteriefreigabedrücker 82, die Platinen 84, 86 und 88 sowie die Lautsprecher 90. Das Gehäuse 22 enthält eine Anzahl von Teilen, die die vordere Abschirmung 22a, seitliche und hintere Abschirmung 22b, Abdeckkappe 22c, Hauptplatinenunterlage 22d, Zustandsanzeigenunterlage 22e und Zustandsanzeigeneinfassung 22f umfassen. Wie es in 3 dargestellt ist, bildet die austauschbare Batterie 14 einen Teil der Rückseite des Steuer- und Stromquellenmoduls 12. Das Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 mit einer oder mehreren der vorderen Abschirmung 22a, seitlichen und hinteren Abschirmung 22b, Abdeckkappe 22c, Hauptplatinenunterlage 22d, Zustandsanzeigenunterlage 22e und Zustandsanzeigeneinfassung 22f kann aus vielfältigen Werkstoffen gefertigt sein, z. B. Kunststoff einschließlich Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyvinylsiloxan (PVS), Silikon, Metalle einschließlich rostfreiem Stahl, Aluminium, Titan, Kupfer und Verbundstoffe einschließlich Kohlefaser, Glaswaren und Keramik. In einigen Beispielen können unterschiedliche Teile des Gehäuses 22 einschließlich vorderer Abschirmung 22a, seitlicher und hinterer Abschirmung 22b, Abdeckkappe 22c, Hauptplatinenunterlage 22d, Zustandsanzeigenunterlage 22e und Zustandsanzeigeneinfassung 22f aus den gleichen Werkstoffen gefertigt sein. In einem anderen Beispiel können unterschiedliche Teile des Gehäuses 22, die eins oder mehrere der vorderen Abschirmung 22a, seitlichen und hinteren Abschirmung 22b, Abdeckkappe 22c, Hauptplatinenunterlage 22d, Zustandsanzeigenunterlage 22e und Zustandsanzeigeneinfassung 22f einschließen, aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein.
In einem Beispiel kann die vordere Abschirmung 22a des Gehäuses 22 eine metallische Einfassung enthalten, die den Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 teilweise oder vollständig umgibt. Die metallische Einfassung kann aus einer Vielzahl von wärmeleitfähigen Werkstoffen einschließlich z. B. Aluminium, Kupfer und Legierungen davon hergestellt sein. Die metallische Einfassung der vorderen Abschirmung 22a des Gehäuses 22 kann so gestaltet sein, dass die thermische Leitfähigkeit von Wärme bewirkt wird, die durch eine oder mehrere Platinen 84, 86 und 88 sowie die innere Batterie 80 und/oder austauschbare Batterie 24 erzeugt wird. In einem Beispiel ist eine metallische Einfassung der vorderen Abschirmung 22a ausgeführt, um Wärme zu senken, die durch die mit der Benutzerschnittstelle 50 zugeordneten Platine 86 erzeugt wird. Der metallische Teil der vorderen Abschirmung 22a kann mit der Platine 86 thermisch gekoppelt sein, um die Wärmeleitung zwischen den Bauelementen zu erhöhen, indem z. B. eine thermisch leitfähige Unterlage, Vergießmaterial oder zwischen der Abschirmung und der Platine eingelegtes, thermisches Schmierfett verwendet wird. In ähnlicher Weise zur vorderen Abschirmung 22a kann die metallische Einfassung 22f in einem Beispiel gestaltet sein, um thermische Leitfähigkeit von durch die Platine 88 erzeugter Wärme zu bewirken. In einem solchen Beispiel kann die Anzeigeneinfassung 22f aus einer Vielzahl von thermisch leitfähigen Werkstoffen, einschließlich z. B. Aluminium, Kupfer und Legierungen davon, hergestellt und mit der Platine 88 thermisch gekoppelt werden, um die Wärmeleitung zwischen den zwei Bauelementen zu erhöhen, indem z. B. eine thermisch leitfähige Unterlage, Vergießmaterial oder zwischen der Abschirmung und der Platine eingelegtes, thermisches Schmierfett verwendet wird.
Die Benutzerschnittstelle 50 des Steuer- und Stromquellenmoduls umfasst Bildschirm 52, Eingabeknöpfe 54, Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74. Der Batteriefreigabedrücker 82 enthält das Unterteil 92, jeweils rechte und linke Druckknöpfe 64 und 66 sowie jeweils rechte und linke Rückplatten 94 und 96. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 enthält eine Anzahl von Platinen, einschließlich Hauptplatine 84, Anzeigeplatine 86 und Zustandsanzeigeplatine 88, von denen eins oder mehrere miteinander verbunden sein können. In einem Beispiel umfasst die Hauptplatine 84 die wichtigsten elektronischen Steuerelemente für das Steuer- und Stromquellenmodul 12, einschließlich z. B. Prozessor(en), Speicher, Telemetrie, Ladung und Stromsparschaltungselektronik. Die Anzeigeplatine 86 enthält Eingabeknöpfe 54 und kann andere Elektronik umfassen, die der Funktion des Bildschirms 52 zugeordnet ist. Zusätzlich kann die Zustandsanzeigeplatine 88 eine Anzahl von elektronischen Bauelementen enthalten, die dem Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74 zugeordnet sind.
In 3 ist die rückwärtige Verstärkung der Hauptplatine 22d so gestaltet, um mit der vorderen Abschirmung 22a verbunden zu werden und die Hauptplatine 84 zu sichern sowie das Befestigen von Kabelanschluss 60 und externem Stromquellenanschluss 62 zusammen mit der Abdeckkappe 22c zu unterstützen. Die Hauptplatine 84 ist zwischen der Abdeckkappe 22c und der rückwärtigen Verstärkung der Hauptplatine 22c eingelegt. Der Kabelanschluss 60 und der externe Stromquellenanschluss 62 werden durch Öffnungen in der Abdeckkappe 22c und der rückwärtigen Verstärkung der Hauptplatine 22d aufgenommen. Die rückwärtige Verstärkung der Zustandsanzeigeplatine 22e ist gestaltet, um mit der vorderen Abschirmung 22a verbunden zu werden und die Zustandsanzeigeplatine 88 am Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu befestigen. Die Zustandsanzeigeplatine 88 kann mit der rückwärtigen Verstärkung 22e verbunden werden. Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74 bestehen jeweils aus einer Schnittstellenkomponente, die ausgeführt ist, um durch die Einfassung 22f aufgenommen zu werden, und einem elektronischen Bauelement auf der Zustandsanzeigeplatine 88. In dem Beispiel von 3 umfasst der Stummschaltknopf 70 einen in einer Öffnung der Einfassung 22f aufgenommenen Druckknopf und einen Kontaktsensor oder kontaktlosen Sensor auf der Anzeigeplatine 88. Im Beispiel von 3 enthalten die Zustandsanzeiger 72 und 74 jeweils eine Linse, die gestaltet ist, um in einer entsprechenden Öffnung in der Einfassung 22f aufgenommen zu werden, sowie einen Lichtemitter, zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED) auf der Zustandsanzeigeplatine 88. Die Zustandsanzeigeplatine 88 und der Druckknopf des Stummschaltknopfes sowie die Linsen der Anzeiger 72 und 74 sind zwischen der rückwärtigen Verstärkung der Hauptplatine 22e und der Einfassung 22f eingelegt.
Die Seiten der Abschirmung 22b sind so gestaltet, dass sie zu den Seiten der vorderen Abschirmung 22a des Gehäuses 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 passen und über diesen liegen. Die Seiten und die hintere Abschirmung 22b enthalten Öffnungen 98 und 100. Die Öffnung 98 ist so gestaltet, um die Einfassung 22f aufzunehmen. Die Öffnungen 100 sind gestaltet, um die Knöpfe 64 und 66 des Batteriefreigabedrückers 82 aufzunehmen und fluchten mit entsprechenden Öffnungen 102 in der vorderen Abschirmung 22a, von denen nur eine in Ansicht von 3 ersichtlich ist. Die austauschbare Batterie 24 ist an das Gehäuse 22 angeschlossen und gestaltet, um durch den Batteriefreigabedrücker 82 gelöst zu werden. Insbesondere sind die Streifen 104 an der austauschbaren Batterie 24 so gestaltet, um auf Schienen 106 auf der Innenseite der vorderen Abschirmung 22a aufgenommen zu werden, so dass die Batterie in eine verriegelte Verbindung mit dem Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 über den Batteriefreigabedrücker 82 hinein und heraus gleiten kann. Bildschirm 52, Anzeigeplatine 86 einschließlich Eingabeknöpfe 54, Lautsprecher 90, innere Batterie 80 und Batteriefreigabedrücker 82 sind so gestaltet, um innerhalb des Gehäuses 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls über der austauschbaren Batterie 24 angeordnet zu werden. Die Unterlage 92 des Batteriefreigabedrückers 82 ist so gestaltet, um an der vorderen Abschirmung 22a befestigt zu werden und rechte und linke Druckknöpfe 64 und 66 sowie Rückplatten 94 und 96 verschiebbar aufzunehmen. Der Bildschirm 52 fluchtet im Allgemeinen mit einem Fenster in der vorderen Abschirmung 22a, und die Eingabeknöpfe 54 auf der Anzeigeplatine 86 fluchten im Allgemeinen mit Vertiefungen 76 in der vorderen Abschirmung des Gehäuses 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12.
In einigen Beispielen kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 vielfältige Verfahren zum Wasserdichtmachen und Mechanismen zum Schutz verschiedener Bauelemente des Gerätes vor dem Eintritt oder Austritt eines oder mehrerer Materialien in das Gehäuse 22 oder aus diesem nutzen. In einem Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 mit einer oder mehreren der Platinen 84, 86 und 88 elektrisch gekoppelt sein, zum Beispiel mit einer mehrpoligen Verbindung, die eine Dichtung nutzt, um die lösbare Verbindung zwischen Batterie 24 und den inneren Bauelementen des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 wegen Eintritts von Materialien in das Gehäuse 22 abzudichten. Eine solche Dichtung kann aus vielfältigen Werkstoffen, einschließlich z. B. eines kompressiblen Polymers oder eines Elastomers, zum Beispiel Gummi, hergestellt sein. In einem Beispiel können ein oder mehrere Teile des Gehäuses 22, z. B. eines oder mehrerer von vorderer Abschirmung 22a, seitlicher und hinterer Abschirmung 22b, Abdeckkappe 22c hermetisch abgedichtet sein. Zum Beispiel können vordere Abschirmung 22a, seitliche und hintere Abschirmung 22b und Abdeckkappe 22c durch Dichtung(en), Ultraschallschweißen oder Klebstoffe verbunden sein, um das gekapselte Gehäuse 22 zu bilden.
In einem Beispiel sind die Lautsprecher 90 piezoelektrische Lautsprecher, die gestaltet sind, um z. B. mit einem Klebstoff an einer Innenfläche der vorderen Abschirmung 22a des Gehäuses 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 befestigt zu werden. Die piezoelektrischen Lautsprecher können ein piezoelektrisches Kristall enthalten, das mit einer mechanischen Membran verbunden ist. Ton wird erzeugt, indem ein elektrisches Signal am Kristall angelegt und von diesem weggenommen wird, das durch Anspannen und Lösen der mechanischen Membran im Verhältnis zur Spannung, die über den Kristallflächen angelegt ist, reagiert. Die Wirkung von Anspannen und Lösen der mechanischen Membran bei relativ hohen Frequenzen erzeugt Schwingungen in der Membran, die einen hörbaren Ton, z. B. Töne in einem Frequenzbereich von ungefähr 150 Hz bis ungefähr 4 kHz, ausgeben.
In einigen Beispielen kann ein Teil des Gehäuses 22 so gestaltet sein, dass es in Verbindung mit Lautsprechern 90 wirksam wird, um die Amplitude der durch die Lautsprecher ausgesendeten Töne effektiv zu erhöhen. Zum Beispiel kann die Geometrie eines Teils der vorderen Abschirmung 22a des Gehäuses 22, an dem die Lautsprecher 90 angeschlossen sind, so geformt und bemessen sein, dass die Abschirmung veranlasst wird, als Reaktion auf Schwingungen der Lautsprecher mitzuschwingen. Zum Beispiel kann der Teil der vorderen Abschirmung 22a des Gehäuses 22, an dem die Lautsprecher 90 angeschlossen sind, so geformt und bemessen werden, dass die Eigenfrequenz der Kombination von Gehäuse und Lautsprecher auf eine Zielfrequenz innerhalb des Betriebsbereichs der Lautsprecher moduliert wird. Die Steuerung der Lautsprecher 90, bei einer speziellen Frequenz zu arbeiten, kann dann bewirken, dass die Lautsprecher und ein Teil der vorderen Abschirmung 22a mitschwingt, wodurch die Amplitude der durch die Lautsprecher ausgesendeten Töne wirksam erhöht wird. In einem Beispiel enthalten die Lautsprecher 90 piezoelektrische Lautsprecher, die im Allgemeinen oberhalb von 1000 Hz besser funktionieren. An sich kann die Eigenfrequenz der Kombination des Teils der vorderen Abschirmung 22a, an der die Lautsprecher 90 befestigt sind, und der Lautsprecher auf mehr als 1000 Hz moduliert werden.
Das Abstimmen des Gehäuses eines Steuer- und Stromquellenmoduls auf spezielle Resonanzfrequenzen kann durch eine Anzahl von analytischen, numerischen und experimentellen Methoden durchgeführt werden. In einem Beispiel kann die Resonanzfrequenz des Gehäuses eines Steuer- und Stromquellenmoduls analytisch abgestimmt werden, indem die Theorie der dünnen, elastischen Platten genutzt wird, um einen Ausgangspunkt für Geometrie und Materialeigenschaften des Gehäuses zu bestimmen. In einem anderen Beispiel kann die Resonanzfrequenz des Gehäuses des Steuer- und Stromquellenmoduls numerisch abgestimmt werden, indem eine Modellierung mit Finite-Elemente-Berechnung (FEA) genutzt wird, um die Schwingungseigenschaften verschiedener modellierter Geometrien zu simulieren. Außerdem kann eine Anzahl von Prozessen und Verfahren, wie etwa Chladnische-Klangfiguren, genutzt werden, um die Eigenfrequenz des Gehäuses mit den Lautsprechern experimentell zu verfeinern.
Obwohl das Beispiel von 3 zwei Lautsprecher 90 enthält, können andere Beispiele mehrere oder weniger Lautsprecher enthalten, die ausgeführt sind, um hörbare Töne, z. B. Alarmsignale, an einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 auszugeben. In einem Beispiel umfasst ein Steuer- und Stromquellenmodul gemäß dieser Offenlegung einen Lautsprecher. In einem anderen Beispiel umfasst ein Steuer- und Stromquellenmodul gemäß dieser Offenlegung vier Lautsprecher.
4A und 4B sind perspektivische Ansichten der austauschbaren Batterie 24 und des Batteriefreigabedrückers 82 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12. Die austauschbare Batterie 24 enthält Sperren 106, die gestaltet sind, dass sie in Verschlüsse 108 an dem Batteriefreigabedrücker 82 einrücken, um die Batterie im Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu arretieren. Der Batteriefreigabedrücker 82 enthält das Unterteil 92, rechte und linke Druckknöpfe 64 bzw. 66., rechte bzw. linke Rückplatten 94 bzw. 96, Sperren 108 und Federn 110.
In 4A und 4B stehen von den Druckknöpfen 64 bzw. 66 Ansätze 112 und 114 hervor, die durch Schlitze 116 bzw. 118 in dem Unterteil 92 aufgenommen sind. Rückplatten 94 und 96 sind ebenfalls durch Schlitze 116 und 118 aufgenommen und an den Ansätzen 112 und 114 befestigt, um die Druckknöpfe 64 bzw. 66 verschiebbar mit dem Unterteil 92 des Batteriefreigabedrückers 82 zu verbinden. Federn 110 sind zwischen einer Vorderseite von Schlitzen 116 und 118 des Unterteils 92 eingelegt und mit den Ansätzen 112 und 114 sowie Rückplatten 94 und 96 verbunden. Die Federn 110 können arbeiten, um die Druckknöpfe 64 und 66 in eine verriegelte Stellung vorzuspannen, die eine Entnahme der Batterie 24 aus dem Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 behindert. Im Beispiel von 4A und 4B sind die Federn 110 so gestaltet, um die Druckknöpfe 64 und 66 seitlich nach außen vorzuspannen, in allgemein entgegen gesetzte Richtungen von den äußeren Flächen der austauschbaren Batterie 24 weg, so dass die Verschlüsse 108 in Sperren 106 an der austauschbaren Batterie 24 eingreifen, um zu verhindern, dass die Batterie aus dem Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 entnommen wird. Zum Lösen der Batterie 24 aus dem Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 werden beide Druckknöpfe 64 und 66 seitlich nach innen gedrückt, im Allgemeinen in entgegen gesetzten Richtungen zum inneren Bereich der austauschbaren Batterie 24 hin, so dass die Verschlüsse sich aus dem Eingriff mit den Sperren 106 an der austauschbaren Batterie 24 bewegen. In einem Beispiel kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 mit einem zweiten mechanischen Verriegelungsmechanismus für die Batterie 24 gestaltet sein. Zum Beispiel kann die Batterie 24 im Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 mit Presssitz aufgenommen werden, so dass ein Benutzer eine Schwellenkraft aufbringen muss, z. B. die Kraft von 1 Pfund, um die Batterie aus dem Gehäuse zu entnehmen.
Obwohl das mit Bezug auf 2A bis 4 beschriebene und dargestellte, beispielhafte Steuer- und Stromquellenmodul 12 einen Batteriefreigabedrücker 82 umfasst, der Druckknöpfe 64 und 66 einschließt, kann in einem anderen Beispiel gemäß dieser Offenlegung der Drücker durch einen anderen Mechanismus angesteuert werden, der zwei unabhängige Bewegungen zum Lösen einer austauschbaren Batterie aus einem Steuer- und Stromquellenmodul erfordert. In einem Beispiel gemäß dieser Offenlegung kann ein Batteriefreigabedrücker, der durch mindestens zwei unabhängige Bewegungen betätigt wird und gestaltet ist, um eine austauschbare Stromquelle aus dem Gehäuse eines Steuer- und Stromquellemoduls zu lösen, einen Kanal und einen Stab umfassen, der in eine verriegelte Stellung zu einem ersten Ende des Kanals hin vorgespannt wird, die das Entfernen der Stromquelle aus dem Gehäuse verhindert. In einem solchen Beispiel kann der Stab so gestaltet sein, um in mindestens zwei Richtungen zu einem zweiten Ende des Kanals in eine nicht verriegelte Stellung zum Lösen der austauschbaren Stromquelle aus dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls gedrückt zu werden. 4C–4H veranschaulichen eine Anzahl von speziellen alternativen Verriegelungsmechanismen, die in Verbindung mit Steuer- und Stromquellenmodulen gemäß dieser Offenlegung verwendet werden können. In jedem der Beispiele von 4C–4H umfasst das Steuer- und Stromquellenmodul eine austauschbare Batterie, die aus dem Gehäuse gelöst und mit diesem durch die jeweiligen beispielhaften Verriegelungsmechanismen verriegelt werden kann. Außerdem ist die Richtung, in welche die austauschbare Batterie aus dem Steuer- und Stromquellenmodul in den dargestellten Beispielen gelöst werden kann, durch den Pfeil R in jeder der Figuren angegeben.
4C ist die perspektivische Ansicht eines Steuer- und Stromquellenmoduls 12 einschließlich des Batteriefreigabedrückers 122. Der Batteriefreigabedrücker 122 enthält ein Verschlusselement 122a, zwei Ansätze 122b (von denen in 4C nur einer sichtbar ist), den Stift 122c und Nocken 122d. In 4C sind Verschlusselement 122a und Ansätze 122b drehbar mit dem Steuer- und Stromquellenmodul am Stift 122c gelenkig verbunden. Der Nocken 122d ist ein Vorsprung, der sich von dem Verschlusselement 122b erstreckt. Der Drücker 122 kann betätigt werden, indem das Verschlusselement 122a von dem Steuer- und Stromquellenmodul weg gedreht wird, was die Drehung der Ansätze 122b um den Stift 122c bewirkt. Die Ansätze 122b drehen den Nocken 122d, der in einem Kanal in der austauschbaren Batterie aufgenommen werden kann. Eine Drehung des Nockens 122d drückt gegen die austauschbare Batterie, so dass diese nach unten und aus dem Eingriff mit dem Steuer- und Stromquellenmodul gedrückt wird. Wenn die Batterie oder eine neue Batterie oder austauschbare Ersatzbatterie erneut in das Steuer- und Stromquellenmodul von 4C eingesetzt wird, kann ein Kanal in der Batterie mit dem Nocken 122d in Eingriff kommen und das Verschlusselement 122a drehen, was wiederum die Ansätze 122b dreht, kann bewirken, dass der Nocken die Batterie in das Gehäuse zieht und die Batterie an der Verwendungsstelle verriegelt. In einem Beispiel des Drückers 122 kann das Verschlusselement 122a lösbar an dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 befestigt werden, um eine unbeabsichtigte Betätigung des Drückers zu verhindern. Zum Beispiel kann das Verschlusselement 122a durch einen kleinen Dauermagneten am Gehäuse gehalten werden.
4D ist die perspektivische Darstellung eines Steuer- und Stromquellenmoduls einschließlich eines Batteriefreigabedrückers 124. Der Batteriefreigabedrücker 124 umfasst das Verschlusselement 124a, zwei Ansätze 124b (von denen in 4C nur einer sichtbar ist), Stift 124c und Stab 124d. Die Ansätze 124b enthalten jeweils zwei Absätze 122e, 122f, die gestaltet sind, um in den Stab einzugreifen, wenn die austauschbare Batterie freigegeben ist und in dem Steuer- und Stromquellenmodul von 4D verriegelt ist. In 4D sind Verschlusselement 124a und Ansätze 124b an dem Stift 124c drehbar mit der austauschbaren Batterie des Steuer- und Stromquellenmoduls verbunden. Der Stab 124d steht aus dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls hervor. Der Drücker 124 kann betätigt werden, indem das Verschlusselement 124a vom Steuer- und Stromquellenmodul weg gedreht wird, was bewirkt, dass die Ansätze 124b sich um den Stift 124c drehen. Die Ansätze 124b drehen sich, bis eine Freigabe des Absatzes 124f mit dem Stab 124b in Eingriff kommt. Wenn sich Verschlusselement 124a und Ansätze 124c weiter drehen, drückt der Absatz 124f gegen den Stab 124b, was bewirkt, dass Drücker und austauschbare Batterie aus dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls freigegeben werden. Wenn die Batterie oder eine neue Batterie oder austauschbare Ersatzbatterie erneut in das Steuer- und Stromquellenmodul von 4D eingesetzt wird, können Batterie und Drücker 124 in das Gehäuse gedrückt werden, bis der Absatz 124f mit dem Stab 124d in Eingriff kommt, wonach das Verschlusselement 124a und die Ansätze 124b gedreht werden können, bis der Verriegelungsabsatz 124e mit dem Stab 124d in Eingriff kommt. Wenn Verschlusselement 124a und Ansätze 124c sich weiter drehen, drückt der Absatz 124e gegen den Stab 124b, was bewirkt, dass Drücker und austauschbare Batterie in das Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls gezogen und damit verriegelt werden. In einem Beispiel des Drückers 124 kann das Verschlusselement 124a lösbar am Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls befestigt werden, um eine unbeabsichtigte Betätigung des Drückers zu verhindern. Zum Beispiel kann das Verschlusselement 124a durch einen kleinen Dauermagneten an dem Gehäuse festgehalten werden.
4E ist die perspektivische Ansicht eines Steuer- und Stromquellenmoduls mit einem Batteriefreigabedrücker 126. Das Steuer- und Stromquellenmodul von 4E umfasst eine Muschelform mit zwei Hälften, die drehbar miteinander verbunden sind. Der Batteriefreigabedrücker 126 enthält zwei Knöpfe 126a und zwei Klemmen 126b. In 4E sind Knöpfe 126a und Klemmen 126b mit dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls verbunden. Die Knöpfe 126a sind so gestaltet, um zu bewirken, dass sich die Klemmen 126b in Eingriff mit Arretierungen in der anderen Hälfte des Muschelgehäuses des Steuer und Stromquellenmoduls von 4E und daraus bewegen. Der Drücker 126 kann betätigt werden, indem beide Druckknöpfe 126a gleichzeitig gedrückt werden, um zu bewirken, dass sich beide Klemmen 126b gleichzeitig aus dem Eingriff mit jeweiligen Sperren in der anderen Hälfte des Muschelgehäuses bewegen. In einem Beispiel kann die Innenfläche der Gehäusehälfte gegenüber den Klemmen 126b Schlitze enthalten, die zur Aufnahme der Klemmen gestaltet sind.
4F ist eine perspektivische Ansicht eines Steuer- und Stromquellenmoduls mit einem Batteriefreigabedrücker 128. Der Batteriefreigabedrücker 128 enthält zwei Druckknöpfe 128a und zwei Klemmen 128b. In 4F sind Druckknöpfe 128a und Klemmen 128b mit dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls verbunden. Die Druckknöpfe 128a sind so gestaltet, um zu bewirken, dass sich die Klemmen 128b in einen Eingriff mit den Sperren im Aufsatz 128c des Gehäuses des Steuer- und Stromquellenmoduls von 4E und aus diesem heraus bewegen. Der Drücker 128 kann betätigt werden, indem beide Druckknöpfe 128a gleichzeitig gedrückt werden, um zu bewirken, dass sich beide Klemmen 128b aus dem Eingriff mit jeweiligen Sperren im Aufsatz 128c bewegen. In einem Beispiel kann die Innenfläche des Aufsatzes 128c des Gehäuses Schlitze enthalten, die zum Aufnehmen der Klemmen gestaltet sind.
4G und 4H sind perspektivische Darstellungen eines Steuer- und Stromquellenmoduls mit einem Batteriefreigabedrücker 129. Der Batteriefreigabedrücker 129 enthält den Knopf 129a, Drehzapfen 129b und Kanal 129c. In 4G und 4H ist der Knopf 129a am Drehzapfen 129b mit dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls drehbar verbunden. Die austauschbare Batterie des Steuer- und Stromquellenmoduls von 4G und 4H enthält einen Stab, der von einem Ende der Batterie vorsteht und gestaltet ist, um im Kanal 129c aufgenommen zu werden. Der Drücker 129 kann betätigt werden, um die Batterie durch Drehen des Knopfes 129a um den Drehzapfen 129b zu lösen. In einem Beispiel wird der Knopf 129a um etwa 180° um den Drehzapfen 129b gedreht. Der Kanal 129c ist so gestaltet, um auf den von der Batterie hervorstehenden Stab zu drücken, wenn der Knopf 129a gedreht wird, so dass die Batterie stufenweise nach oben von dem Gehäuse weg freigegeben wird. Nachdem der Knopf 129a vollständig, z. B. 180° gedreht ist, kann der Stab in der Batterie von dem Kanal 129c gelöst werden, um die Batterie aus dem Gehäuse des Steuer- und Stromquellenmoduls freizugeben.
5 ist ein funktionelles Blockdiagramm, das Bauelemente eines beispielhaften Steuer- und Stromquellenmoduls 12 darstellt, welches die austauschbare Batterie 24, die innere Batterie 90, den mit Kabel 19 über den Stecker 26 verbundenen Kabelanschluss 60, den äußeren Stromquellenanschluss 62, Lautsprecher 90 und vielfältige Elektronik umfasst. Die Elektronik des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 enthält einen ersten Prozessor 130, einen zweiten Prozessor 132, den Speicher 134, ein erstes Telemetriemodul 136, ein zweites Telemetriemodul 138, ein Leistungssteuerungsmodul 140, Ladegerät 142 und Ladegerätschalter 144, Stromverbindung 146 und Stromübertragungswechselrichter oder Leistungsbrücke 148. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 umfasst Lautsprecher 90, die durch den Treiber 150 gesteuert werden, um hörbare Töne wie etwa Alarmsignale zu dem Patienten 20 oder Pfleger, wie beispielsweise einen Kliniker, auszusenden. Wie im Beispiel von 5 veranschaulicht, kann das Steuer- und Stromquellenmodul 12 außerdem einen oder mehrere Sensoren 152, einschließlich z. B. Bewegungs- oder Lichtsensoren, enthalten. In einem Beispiel umfassen die Sensoren 152 einen Hintergrundlichtsensor, der gestaltet ist, um Kontrast und/oder Helligkeit des Bildschirms 52 der Benutzerschnittstelle 50 basierend auf den aktuellen Bedingungen des Umgebungslichts einzustellen.
Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 ist so ausgeführt, um Bauelementen eines VAD, z. B. der implantierten Pumpe 14, ununterbrochen Strom zur Verfügung zu stellen, indem eine austauschbare Batterie 24 als primäre Stromquelle und innere Batterie 80 als Reserve für Überbrückungsbetrieb der Bauelemente des Steuer- und Stromquellenmoduls beim Wiederaufladen der austauschbaren Batterie 24 eingesetzt werden. Die innere Batterie 80 kann mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 in dem Sinn nicht entfernbar verbunden sein, dass sie nicht so ausgeführt ist, um durch die Benutzer bei normalem Betrieb des Gerätes entfernt und ersetzt zu werden. In einigen Beispielen kann die innere Batterie 80 natürlich aus dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 entnommen werden, z. B. durch Demontieren des Gerätes und Trennen der inneren Batterie vom inneren Schaltkreis des Gerätes. In einem Beispiel können eine oder beide der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 z. B. wiederaufladbare Batteriezellen aus Lithiumionen (Li-Ion), Lithiumpolymer (Lipoly), Nickelmetallhydrid (NiMH) oder Nickelcadmium (NiCd) umfassen. In einem Beispiel enthält die austauschbare Batterie 24 wiederaufladbare Batteriezellen aus Lithiumionen (Li-Ion), Nickelmetallhydrid (NiMH) oder Nickelcadmium (NiCd), während die innere Batterie 80 Batteriezellen aus Lithiumpolymer (Lipoly) enthält.
Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 nutzt zwei Stromquellen für Redundanz und Dauerbetrieb. Die primäre Stromquelle ist eine austauschbare Batterie 24, die entnommen werden kann, um sie wieder aufzuladen, indem z. B. eine getrennte Ladestation verwendet wird. Die innere Batterie 80 ist im Allgemeinen nicht entfernbar und kann, in einigen Beispielen, entweder durch die austauschbare Batterie 24 oder eine externe Stromquelle geladen werden. Obwohl das Steuer- und Stromquellenmodul 12 beschrieben ist, als dass es eine austauschbare Batterie 24 als primäre Stromquelle enthält, umfasst das Modul außerdem einen Adapter, einen äußeren Stromquellenanschluss 62 für eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle. Eine mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 über den Anschluss 62 verbundene, externe Stromquelle kann nicht nur zum Laden der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80, sondern auch als dritte Stromquelle für das Gerät funktionieren. In einem Beispiel kann eine solche externe Stromquelle durch das Steuer- und Stromquellenmodul 12 sowohl über die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 eingesetzt werden, um Bauelemente des Geräts wie z. B. die implantierte Pumpe 14 zu betreiben.
Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 kann nur die primäre Stromquelle, die austauschbare Batterie 24, enthalten, die entnommen werden kann, um die Batterie wieder aufzuladen, indem z. B. eine getrennte Ladestation genutzt wird. Eine Implantationsbatterie im Implantationsregler 21 kann für Redundanz und Dauerbetrieb eingesetzt werden. In einigen Beispielen kann die Implantationsbatterie entweder durch die austauschbare Batterie 24 oder eine externe Stromquelle durch Stromübertragung zum Batterieladegerät in dem implantierbaren Regler geladen werden. Obwohl das Steuer- und Stromquellenmodul 12 so beschrieben ist, als dass es eine austauschbare Batterie 24 als primäre Stromquelle enthält, umfasst das Modul außerdem einen Adapter, einen äußeren Stromquellenanschluss 62 für eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle. Eine über den Anschluss 62 mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbundene, externe Stromquelle kann funktionieren, um nicht nur die austauschbare Batterie 24 und die Implantationsbatterie zu laden, sondern auch als eine dritte Stromquelle für das Gerät. In einem Beispiel kann eine solche externe Stromquelle durch das Steuer- und Stromquellenmodul 12 sowohl über die austauschbare Batterie 24 als auch die Implantationsbatterie verwendet werden, um die Bauelemente des Gerätes, den Implantationsregler 21 sowie z. B. die implantierte Pumpe 14 zu betreiben.
In Beispielen gemäß dieser Offenlegung kann die austauschbare Batterie 24 zusätzlich zur Verbindung einer äußeren Stromquelle mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 als dritte Stromquelle durch eine externe Stromquelle, einschließlich z. B. einer Wechsel- oder Gleichstromquelle (AC bzw. DC) ersetzt werden. In einem solchen Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 einen Adapter enthalten, an den die externe Stromquelle angeschlossen werden kann. Als andere Möglichkeit zu der im Beispiel von 5 veranschaulichten Ausführung kann in dem Fall, dass der Patient 20 eine längere Laufzeit zwischen Aufladungen wünscht, als die austauschbare Batterie 24 vorsieht, das Steuer- und Stromquellenmodul 12 so gestaltet sein, dass es eine an das Gerät angeschlossene, vergrößerte, austauschbare Batterie aufweist. In einem Beispiel kann die vergrößerte, austauschbare Batterie die zweifache Kapazität der austauschbaren Batterie 24 enthalten, kann aber auch bedeutend größer als die Batterie 24 sein. In jedem Fall kann eine solche vergrößerte, austauschbare Batterie z. B. über Anschluss 62 oder durch einen Anschluss an der austauschbaren Batterie 24 mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden sein.
Mit Bezug wieder auf das Beispiel von 5 können austauschbare Batterie 24 und interne Reservebatterie 80 so ausgeführt sein, dass sie gleiche oder unterschiedliche betriebliche Lebensdauer besitzen. Außerdem können austauschbare Batterie 24 und interne Reservebatterie 80 für die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl Ladungszyklen bemessen sein, bevor ein Austausch erforderlich ist. In einem Beispiel ist die austauschbare Batterie so gestaltet, dass sie ohne Wiederaufladung einen Zeitraum lang in einem Bereich von ungefähr 4 Stunden bis ungefähr 8 Stunden arbeitet. In einem anderen Beispiel ist die austauschbare Batterie 24 so gestaltet, dass sie ohne Wiederaufladung einen Zeitraum lang arbeitet, der ungefähr 6 Stunden entspricht. In einem Beispiel ist die innere Batterie 80 so gestaltet, um ohne Wiederaufladung einen Zeitraum lang von ungefähr 30 Minuten bis ungefähr 2 Stunden zu arbeiten. In einem Beispiel ist die innere Batterie 80 so gestaltet, um ohne Wiederaufladung einen Zeitraum lang zu arbeiten, der ungefähr 1 Stunde entspricht. Der Einsatz einer kleineren, inneren Batterie 80 im Steuer- und Stromquellenmodul 12 kann die Reduzierung von Größe, Komplexität und Kosten des Geräts bewirken, indem die Notwendigkeit zweier externer Batterien voller Größe und eines mechanischen Batterieverriegelungsmechanismus beseitigt wird.
In einem Beispiel ist die austauschbare Batterie 24 eine 4S2P-Batterie mit vier in Reihe und zwei parallel geschalteten Batteriezellen. Die austauschbare Batterie 24 kann eine 14,4 Volt-Batterie mit 3 Amperestunden (Ah) umfassen, die ausgeführt ist, um in einem Bereich von ungefähr 500 bis ungefähr 1000 Wiederaufladungszyklen zu arbeiten, bevor ein Austausch erforderlich ist. Die betriebliche Lebensdauer der austauschbaren Batterie 24 über etwa 500 bis etwa 1000 Wiederaufladungszyklen kann in einem Beispiel ungefähr einem Jahr entsprechen. In einem Beispiel ist die innere Batterie 80 eine 4S1P-Batterie mit vier in Reihe geschalteten Batteriezellen und einer parallel geschalteten Batteriezelle. Die innere Batterie 80 kann eine 14,4 V-Batterie mit 100 Milliamperestunden (mAh) umfassen, die ausgelegt ist, um ungefähr 500 Wiederaufladungszyklen lang zu arbeiten, bis Austausch erforderlich ist. Wie oben angegeben ist, kann in Beispielen gemäß dieser Offenlegung die innere Batterie 80 nicht austauschbar mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 in dem Sinne verbunden sein, dass sie nicht ausgelegt ist, um durch die Benutzer bei Normalbetrieb des Gerätes entfernt und ersetzt zu werden. Jedoch kann die innere Batterie 80 aus dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 entfernt werden, indem z. B. das Gerät auseinander genommen und die innere Batterie vom inneren Schaltkreis des Gerätes getrennt wird, um z. B. die Batterie zu ersetzen, nachdem sie nicht mehr fähig ist, Ladung zu halten.
Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 umfasst ein Leistungssteuerungsmodul 140, das als vielfältige Hardware- und/oder Softwarekomponenten dargestellt werden kann. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 einer oder mehrere Algorithmen sein, die im Speicher 134 gespeichert sind und durch einen des ersten Prozessors 130 und zweiten Prozessors 132 oder beiden des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeführt werden. In jedem Fall kann das Leistungssteuerungsmodul 140 so gestaltet sein, um das Laden der Stromquellen des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu bewerkstelligen, welche der Stromquellen Strom an welche Bauelemente bei unterschiedlichen Betriebsarten des Gerätes liefern, und den Zustand der Stromquellen an die Benutzer z. B. über ein oder mehrere Elemente der Benutzerschnittstelle 50 zu kommunizieren.
In einem Beispiel des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 5 verwaltet das Leistungssteuerungsmodul 140 das Laden der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80. Zum Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die Funktion des Ladegeräts 142 und des Ladegeräteschalters 144 steuern, um eine der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 oder beide selektiv zu laden. Wie es oben angemerkt ist, enthält das Steuer- und Stromquellenmodul 12 einen äußeren Stromquellenanschluss 62 zur Verbindung einer dritten äußeren Stromquelle mit dem Gerät. In Beispielen, bei denen eine dritte Stromquelle eingesetzt wird, um einige oder alle der Bauelemente des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu betreiben, kann das Gerät außerdem flexible Ladeverfahren einsetzen, die Benutzern die Fähigkeit verleihen, die austauschbare Batterie 24 und/oder innere Batterie 80 aufzuladen, während sie mit dem Gerät verbunden sind. Die dritte Stromquelle kann entweder eine zusätzliche externe Batterie oder eine weitere externe Stromquelle, z. B. eine externe Gleichstrom- oder Wechselstromquelle sein.
In einem Beispiel kann der Ladegeräteschalter 144 eine Reihe von Feldeffekttransistoren (FETs) enthalten, oder andere Schalter können einen oder mehrere Algorithmen zulassen, die z. B. im Speicher 134 gespeichert und durch das Leistungssteuerungsmodul 140 des Steuer- und Stromquellenmodul 12 ausgeführt werden, um zu regeln, welche von der austauschbaren Batterie 24 oder der inneren Batterie 80 zu einem gegebenen Zeitpunkt und Betriebszustand des Moduls 12 geladen werden soll. Zusätzlich kann in einem Beispiel das Leistungssteuerungsmodul 140 das Ladegerät 142 und/oder den Ladegerätschalter 144 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 steuern, um entweder die austauschbare Batterie 24 oder vorzugsweise die dritte externe Stromquelle auszuwählen, die über den zum Laden der anderen Stromquellen des Geräts zu verwendenden Anschluss 62 verbunden ist. Die dem Ladegerät 142 und Ladegeräteschalter 144 zugeordneten Bauelemente des Steuer- und Stromquellensteuermoduls 12 werden nachstehend mit Bezug auf die beispielhaften Schaltkreise von 12 ausführlich beschrieben. In einem Beispiel können gleiche oder unterschiedliche Algorithmen, die durch das Leistungssteuerungsmodul 140 ausgeführt werden, um zu steuern, welche Stromquelle des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 geladen wird, auch das Batterieladungsprofil steuern, basierend auf dem Zustand der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 und, bei Verbindung über den Anschluss 62, der dritten äußeren Stromquelle.
Bei Einsatz zur Verwendung mit einem VAD oder anderen MCS wird Strom durch das Steuer- und Stromquellenmodul 12 dem implantierten Pumpenregler in erster Linie von der austauschbaren Batterie 24 zugeführt. Wenn die Batterie 24 aufgebraucht ist und eine Entnahme und Wiederaufladung erforderlich macht, oder wenn die austauschbare Batterie versagt, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 automatisch auf die innere Batterie 80 oder auf eine über den Anschluss 62 mit dem Gerät verbundene, externe Stromquelle umschalten. Das Leistungssteuerungsmodul 140 führt diesen Mehrfachbetrieb von mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 über die Stromverbindung 146 im Beispiel von 5 verbundenen Stromquellen durch.
In einem Beispiel kann die Stromverbindung 146 eine Anzahl von idealen Dioden umfassen, die mit der austauschbaren Batterie 24, inneren Batterie 80 und, bei Verbindung mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 über den Anschluss 62, einer dritten äußeren Stromquelle verbunden sind. Die idealen Dioden dieses Beispiels einer Stromverbindung 146 können so gestaltet sein, dass die Stromquelle automatisch ausgewählt wird, die an das Steuer- und Stromquellenmodul 12 mit der höchsten Spannung angeschlossen ist. In einigen Beispielen des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 können jedoch austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 so gestaltet sein, dass sie bei ungefähr der gleichen Spannung arbeiten. In einem solchen Beispiel kann eine kleine Entladungsmenge der austauschbaren Batterie 24 bewirken, dass die Betriebsspannung der austauschbaren Batterie unter die der inneren Batterie 80 fällt, was ohne Eingriff bewirken würde, dass die idealen Dioden der Stromverbindung 146 die innere Batterie nur nach einer kleinen Verwendungsgröße der austauschbaren Batterie auswählen. An sich kann in einem Beispiel, zusätzlich zu den idealen Dioden, die Stromverbindung 146 einen durch das Leistungssteuerungsmodul 140 gesteuerten Schalter enthalten, der so funktionieren kann, dass die Dioden unter bestimmten Bedingungen unwirksam gemacht werden, um die austauschbare Batterie 24 zum Betreiben von Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls und der implantierten Pumpe 14 über die innere Batterie 80 auszuwählen.
Das Leistungssteuerungsmodul 140 kann den Schalter der Stromverbindung 146 steuern, um die austauschbare Batterie 24 für eine Zuführung von Strom auszuwählen, bis die austauschbare Batterie auf einen Schwellenwert der Ladung aufgebraucht ist, wobei an diesem Punkt das Leistungssteuerungsmodul 140 z. B. den Schalter deaktivieren kann, damit die idealen Dioden 146 die innere Batterie 80 auswählen können. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 zusammen mit der Stromverbindung 146 so ausgeführt sein, dass eine externe Stromquelle ausgewählt wird, um Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 und die implantierte Pumpe 14 über die austauschbare Batterie 24 und die innere Batterie 80 immer dann zu betreiben, wenn eine solche Stromquelle über den Anschluss 62 mit dem Gerät verbunden ist. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 zusammen mit der Stromverbindung 146 so gestaltet sein, dass die externe Stromquelle ohne Rücksicht auf den Ladepegel hinsichtlich der austauschbaren Batterie 24 und der inneren Batterie 80 ausgewählt wird. Zusätzliche Einzelheiten der Stromverbindung 146 werden nachstehend mit Bezug auf die beispielhaften Schaltkreise von 11 ausführlich beschrieben.
Ungeachtet der besonderen Ausführung der Stromverbindung 146 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die an das Steuer- und Stromquellenmodul 12 angeschlossenen Stromquellen überwachen und selektiv eine der Stromquellen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Gerätes aktivieren. Zum Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 überwachen, welche der austauschbaren Batterie 24, der inneren Batterie 80 und einer äußeren Stromquelle mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden sind, um festzulegen, welche der angeschlossenen Stromquellen verwendet werden sollte, um sowohl Komponenten des Moduls 12 als auch die implantierte Pumpe 14 zu betreiben. Zusätzlich kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die austauschbare Batterie 24 und die innere Batterie 80 überwachen, um selektiv eine der Batterien basierend auf dem in den Batterien verbleibenden Ladepegel zu aktivieren. Zum Beispiel kann, während die austauschbare Batterie 24 genutzt wird, die interne Reservebatterie 80 durch das Leistungssteuerungsmodul 140 periodisch getestet werden, um einen verbliebenen Ladepegel in der inneren Batterie zu bestimmen. In dem Fall, dass die austauschbare Batterie 24 unter einen Schwellenwert des Ladepegels abfällt, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die innere Batterie 80 aktivieren, vorausgesetzt, dass die innere Batterie in einigen Beispielen mindestens eine Schwellenwertgröße übrig gebliebener Ladung aufweist.
Das Leistungssteuerungsmodul 140 allein oder zusammen mit der Stromverbindung 146 kann so gestaltet sein, dass eine der Stromquellen des Moduls 12, basierend auf Gründen außer der durch die Stromquelle zugeführten Spannung und des an der Stromquelle übrig bleibenden Ladungsniveaus, selektiv aktiviert wird. Zum Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 so gestaltet sein, um eine der austauschbaren Batterie 24 oder inneren Batterie 80 basierend auf der Stromquelle und Amplitude einer speziellen Leistungsanforderung selektiv zu aktivieren. Wie oben angemerkt ist, kann die austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 wiederaufladbare Batterien mit vielfältiger Chemie einschließlich zum Beispiel Lithiumionen (Li-Ion), Lithiumpolymer (Lipoly), Nickelmetallhydrid (NiMH) oder Nickelcadmium (NiCd) umfassen. Zusätzlich zu der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 einschließlich spezieller Chemie kann jede der Batterien des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 mit speziellen Leistungscharakteristiken ausgeführt sein, basierend darauf, welches Leistungssteuerungsmodul 140, in einigen Beispielen, selektiv eine der Batterien aktivieren kann.
In einem Beispiel gemäß dieser Offenlegung enthält das Steuer- und Stromquellenmodul 12 oder ein anderes solches Gerät gemäß dieser Offenlegung eine energiedichte Stromquelle und eine leistungsdichte Stromquelle. Zum Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine energiedichte Stromquelle und die innere Batterie 80 eine leistungsdichte Stromquelle sein. In einem anderen Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine leistungsdichte Stromquelle und die innere Batterie 80 eine energiedichte Stromquelle sein. Eine energiedichte Stromquelle kann eine Stromquelle sein, die ausgeführt ist, um die Gesamtmenge von Energie je Einheitsvolumen, welche die Quelle liefern kann, zu maximieren. Im Fall einer wiederaufladbaren Batterie kann eine energiedichte Stromquelle eine Batterie sein, die ausgelegt ist, um die Gesamtmenge von Energie je Einheitsvolumen, welche die Quelle zwischen aufeinander folgenden Ladungen liefern kann, zu maximieren. Eine leistungsdichte Stromquelle kann andererseits eine Stromquelle sein, die ausgelegt ist, um die Leistung je Einheitsvolumen, welche die Quelle zu einem beliebigen Zeitpunkt liefern kann, zum Beispiel um Ladungen großer Leistung unterzubringen, zu maximieren.
In einem Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine energiedichte Stromquelle mit einer Energiedichte in einem Bereich von etwa 455 bis etwa 600 Wattstunden pro Liter (W-h/l) sein. In einem Beispiel kann die innere Batterie 80 eine leistungsdichte Stromquelle mit einer Leistungsdichte in einem Bereich von etwa 700 Watt/Liter (W/l) bis ungefähr 6 Kilowatt pro Liter (kW/l) sein. In einem Beispiel, bei dem die austauschbare Batterie 24 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine energiedichte Stromquelle und die innere Batterie 80 eine leistungsdichte Stromquelle ist, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ausgeführt sein, um eine der austauschbaren Batterie 24 oder inneren Batterie 80 basierend auf der Amplitude einer speziellen Leistungsanforderung selektiv zu aktivieren. Zum Beispiel kann die implantierte Pumpe 14 betriebliche Übergangszustände einschließen, die vorübergehend große Spitzen bei der durch die Pumpe entnommenen Leistung verursachen werden. In einem Beispiel kann das Starten der implantierten Pumpe 14 eine bedeutend größere Leistungsmenge entnehmen als beim Lauf der Pumpe in einem gleich bleibenden Zustand, wobei z. B. die Inbetriebnahme etwa 50 Watt entnehmen kann, während der gleich bleibende Zustand etwa 5 Watt entnimmt. In einem weiteren Beispiel können physiologische Übergangszustände des Patienten 20 hohe Entnahmen der Pumpe 14 verursachen. In Beispielen mit großen Leistungsspitzen bei Leistungsanforderungen, z. B. der implantierten Pumpe 14, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die innere Batterie 80 z. B. durch Steuerung der Stromverbindung 146 ohne Rücksicht auf das Leistungsniveau der austauschbaren Batterie 24 selektiv aktivieren, weil die leistungsdichte, innere Batterie zur Handhabung der Leistungsspitze besser angepasst werden kann als die energiedichte, austauschbare Batterie.
Zusätzlich zur Handhabung der Stromquellenaufladung und selektiven Aktivierung von Stromquellen zur Stromzuführung kann, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben, das Leistungssteuerungsmodul 140 außerdem so gestaltet sein, dass die Kommunizierung der Stromquellenzustände an die Benutzer, z. B. über ein oder mehrere Elemente der Benutzerschnittstelle 50, bewerkstelligt wird. Ein beispielhaftes Verfahren, durch welches das Leistungssteuerungsmodul 140 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 die Kommunizierung des Stromquellenzustände des Geräts an die Benutzer bewerkstelligen kann, ist im Zustandsdiagramm von 6 veranschaulicht. Funktionen und Aussehen einer beispielhaften Ausführung der Elemente der Benutzerschnittstelle 50 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 sind in 7A–9C dargestellt, von denen einige mit Bezug auf das Zustandsdiagramm von 6 beschrieben sind, durch welches das Leistungssteuerungsmodul 140 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 die Kommunizierung des Zustands der Stromquellen des Geräts an die Benutzer in einem Beispiel gemäß dieser Offenlegung bewerkstelligt.
6 stellt Zustände 170–194 der mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbundenen Stromquellen dar, z. B. die austauschbare Batterie 24, innere Batterie 80 und in einigen Beispielen eine über den Anschluss 62 verbundene, externe Stromquelle. Das Zustandsdiagramm von 6 ist so organisiert, dass eine Bewegung zwischen den Zuständen von der linken Seite zur rechten Seite des Diagramms Zustände anzeigt, bei denen die austauschbare Batterie 24 von dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 getrennt und erneut verbunden ist. Außerdem ist das Zustandsdiagramm von 6 so organisiert, dass eine Bewegung zwischen den Zuständen von oben nach unten im Diagramm Zustände anzeigt, bei denen eine oder beide der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 fortschreitend auf unterschiedliche Schwellenwerte der Ladung aufgebraucht sind.
Das Zustandsdiagramm von 6 nutzt eine Anzahl von Abkürzungen. In 6 bezieht sich ”Batt” im Allgemeinen auf Batterie. Jeder der Zustände 170–194 enthält eine Zustandsbeschreibung, z. B. ”Normal” für Zustand 170, Zustands- und Benutzerschnittstellenanzeigen, die jeweils auf die austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 bezogen sind, z. B. ”E: OK, GRN, BLK” für die austauschbare Batterie 24 und ”I: OK, GRN, BLK” für die innere Batterie 80 sowie Alarmsignale, die zu den Benutzern über die Benutzerschnittstelle 50 kommuniziert werden. Mit Bezug auf die Zustands- und Benutzerschnittstellenanzeigen, die jeweils auf die austauschbare Batterie 24 und die innere Batterie 80 bezogen sind, haben die in 6 verwendeten Abkürzungen die folgenden Bedeutungen. Der erste Buchstabe, z. B. E oder I, bezieht sich jeweils auf die austauschbare Batterie 24 oder innere Batterie 80, auf die sich die Zustände- und Benutzerschnittstellenanzeigen beziehen. Sowohl der erste Buchstabe E als auch die Abkürzung Ext in der Zustandsbeschreibung beziehen sich auf eine externe Batterie, welche im Beispiel von 6 einer austauschbaren Batterie wie etwa der austauschbaren Batterie 24 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 entspricht. Sowohl für die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 sind Zustände- und Benutzerschnittstellenanzeigen Ladung und Betriebszustand der Batterie, die Farbe der Alarmanzeige auf der Benutzerschnittstelle 50 und die Farbe der grafischen Darstellung der Batterie auf der Benutzerschnittstelle 50. Zum Beispiel bedeutet im Zustand 170 ”E: OK, GRN, BLK”, dass sich die austauschbare Batterie 24 über einem niedrigen Schwellenwert der Ladepegel befindet und genau (OK) funktioniert, die Farbe der Alarmanzeige auf der Benutzerschnittstelle 50 Grün (GRN) ist und die Farbe der grafischen Darstellung der Batterie auf der Benutzerschnittstelle 50 Schwarz (BLK) ist.
Im Zustandsdiagramm von 6 steht die Alarm- und Batteriedarstellungsfarbe ”YLW” für Gelb und ”RED” zeigt die Farbe Rot an. In dem Fall, wo die austauschbare Batterie 24 von dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 getrennt ist, wird der Zustand der Batterie in 6 als ”DC” angegeben, was für getrennt steht. Außerdem schließt sowohl die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 drei Schwellenwerte der Ladepegel ein, die durch ”OK, LOW, und EMPTY” angegeben sind. Der Batteriezustand OK zeigt an, sofern es die Ladepegel betrifft, dass die Batterie, auf die sich der Zustand bezieht, oberhalb eines niedrigen Schwellenwerts der Ladepegel liegt, während LOW anzeigt, dass die Batterie auf einem niedrigen Schwellenwert liegt, welcher ein Bereich von Ladepegeln sein kann, und EMPTY anzeigt, dass die Batterie sich auf einem Schwellenwert leerer Ladepegel befindet, der ebenfalls ein Bereich von Ladepegeln sein kann und größer als eine Ladung von Null sein kann. Die Schwellenwert-Ladepegel für die austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 zeigen an, dass sich die Batterie auf einem Schwellenwert leerer Ladepegel befindet, was ebenfalls in einem Bereich von Ladepegeln liegen kann und größer als eine Ladung von Null sein kann. Die Schwellenwert-Ladepegel für die in Beispielen gemäß dieser Offenlegung eingesetzte, austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 kann sowohl in Anzahl als auch in Größenordnung die gleiche oder unterschiedlich sein.
Beginnend in der oberen rechten Ecke des Zustandsdiagramms von 6 zeigt der Zustand 170 einen normalen Betriebszustand für das Steuer- und Stromquellenmodul 12 an. Im Zustand 170 befinden sich austauschbare Batterie und innere Batterie 80 beide über einem Schwellenwert niedriger Ladepegel, und somit ist der Zustand im Zustand 170 als OK angegeben. Die Anzeige im Zustand 170, dass die austauschbare Batterie 24 und die innere Batterie 80 beide OK sind, weil sich die Batterien über einem Schwellenwert niedriger Ladepegel befinden, bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Batterien voll geladen sind und kann ohne Rücksicht darauf auftreten, ob das Steuer- und Stromquellenmodul 12 mit einer äußeren Stromquelle zum Aufladen einer oder beider der Batterien angeschlossen ist. Zum Beispiel kann Zustand 170 auftreten, wenn die austauschbare Batterie 24 teilweise entladen ist, jedoch der Ladepegel der Batterie noch über einer niedrigen Schwellenwerthöhe liegt, die eine Alarmierung des Benutzers und erneutes Laden erforderlich machen kann. Ebenso kann der Zustand 170 auftreten, wenn die innere Batterie 80 teilweise entladen ist, jedoch der Ladepegel der Batterie noch über einer niedrigen Schwellenwerthöhe liegt, die eine Alarmierung des Benutzers und erneutes Laden erforderlich machen kann. Der Zustand 170 kann auch auftreten, wenn sowohl die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 teilweise entladen sind, jedoch die Ladepegel beider Batterien noch über einem Schwellenwert niedriger Ladepegel liegen und eine Alarmierung des Benutzers und erneutes Laden erforderlich machen. In einem weiteren Beispiel kann der Zustand 170 auftreten, wenn sowohl die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 voll geladen sind und wenn eine externe Stromquelle an das Steuer- und Stromquellenmodul 12 angeschlossen ist, solange sich beide Batterien ebenfalls über einem Schwellenwert niedriger Ladepegel befinden.
7A und 7B stellen Beispiele der Art und Weise dar, wie das Leistungssteuerungsmodul 140 die Benutzerschnittstelle 50 steuern kann, wenn sich das Steuer- und Stromquellenmodul 12 im durch den Zustand 170 in 6 angegebenen Normalbetriebszustand befindet. Wie es oben beschrieben ist, umfasst die Benutzerschnittstelle 50 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 einen Bildschirm 52, Eingabeknöpfe 54 sowie einen Stummschaltknopf 70 und Zustandsanzeiger 72 und 74. In den Beispielen von 7A und 7B enthält der Bildschirm 52 das Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200, das Interne-Batterie-Bildsymbol 202 und den Zustandsanzeiger 204. Ebenfalls in den Beispielen von 7A und 7B sowie 8–10B sind Eingabeknöpfe 54 mit zwei unterschiedlichen Bildsymbolen, einem rechteckigen Bildsymbol und einem anderen dreieckigen Bildsymbol, kodiert. In diesen Beispielen der Benutzerschnittstelle 50 entsprechen die Eingabeknöpfe 54 zwei Hauptfunktionen, die mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 in Wechselwirkung treten. Der mit dem rechteckigen Bildsymbol kodierte Eingabeknopf 54 kann als ein ”Home” Knopf funktionieren, der bei Aktivierung durch einen Benutzer zu einem auf dem Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 dargestellten Standardbildschirm navigiert. Der mit dem dreieckigen Bildsymbol kodierte Eingabeknopf 54 kann als „nächster” Knopf funktionieren, der bei Aktivierung durch einen Benutzer zu dem nächsten Bildschirm in einer Reihe möglicher Bildschirme, die auf dem Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 dargestellt werden können, umschaltet.
7A veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 voll geladen sind, wie es durch die Füllgröße im Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 und Interne-Batterie-Bildsymbol 202, die jeweils der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 zugeordnet sind, angegeben ist. In 7A werden weder die austauschbare Batterie 24 noch die innere Batterie 80 aktuell aufgeladen, z. B. entweder durch eine externe Stromquelle, die über den Anschluss 62 mit dem Steuer- und Stromquellenmodul verbunden ist, oder in dem Fall einer inneren Batterie 80 durch die austauschbare Batterie 24.
Wenn die Zustände sowohl der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 als auch verschiedener anderer Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 in 7A einen dem Zustand 170 von 6 entsprechenden Normalbetriebszustand anzeigen, stellt der Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 ein herzförmiges Bildsymbol dar. Außerdem wird der Zustandsanzeiger 72 durch das Steuer- und Stromquellenmodul 12 aktiviert, um die herzförmige Anzeige zu erleuchten. Schließlich zeigt der Bildschirm 52 keine Alarmbildsymbole an und der Alarmzuständen zugeordnete Zustandsanzeiger 74 ist nicht erleuchtet, weil die Zustände sowohl der austauschbaren Batterie 24 und der inneren Batterie 80 als auch verschiedener anderer Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 einen normalen Betriebszustand anzeigen, der keine Alarmsignale erforderlich macht.
7B veranschaulicht ein Beispiel bei dem die austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 weniger als voll geladen sind, sich jedoch über dem Schwellenwert eines niedrigen Ladepegels befinden, wie es durch die Füllgröße in den grafischen Darstellungen 202 102 angegeben ist, die der austauschbaren bzw. inneren Batterie zugeordnet sind. Außerdem werden in 7B sowohl austauschbare Batterie 24 als auch innere Batterie 80 gegenwärtig geladen, wie es durch das Ladebildsymbol 206, das dem Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 und dem Interne-Batterie-Bildsymbol 202 überlagert ist, angegeben ist. Wie oben beschrieben, kann die austauschbare Batterie 24 geladen werden, während sie verbunden ist mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 durch eine externe Stromquelle, die über den Anschluss 62 mit dem Modul 12 verbunden ist. Zusätzlich kann die innere Batterie 80 durch die externe Stromquelle oder austauschbare Batterie 24 geladen werden. Wenn die Zustände der austauschbaren Batterie 24 und der inneren Batterie 80 sowie verschiedener anderer Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 in 7B einen normalen Betriebszustand anzeigen, der dem Zustand 170 von 6 entspricht, wie beim Zustand des in 7A dargestellten Gerätes, stellt der Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 ein herzförmiges Bildsymbol dar, ist der Zustandsanzeiger 72 erleuchtet und der zugeordnete Zustandsanzeiger 74 nicht erleuchtet.
In beiden 7A und 7B kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 und ein Interne-Batterie-Bildsymbol 202 in Schwarz darstellen, während der Ladepegel von austauschbarer Batterie 24 und interner Batterie 80 durch die Füllung im Batteriebildsymbol 200 und Interne-Batterie-Bildsymbol 202 angegeben wird, und sowohl der Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 als auch der Zustandsanzeiger 72 in Grün dargestellt werden können, wie es durch den Zustand 170 in 6 angegeben ist.
Mit Bezug wieder auf 6 zeigt das Bewegen vom Zustand 170 nach rechts in den Zustand 172 an, dass die austauschbare Batterie 24 vom Steuer- und Stromquellenmodul 12 getrennt ist, während die innere Batterie 80 über einem niedrigen Schwellenwert-Ladepegel liegt. Der Zustand 172 zeigt die Trennung der austauschbaren Batterie 24 als Gleichstrom an. In dem beispielhaften Zustandsdiagramm von 6 wird immer dann, wenn die austauschbare Batterie 24 vom Steuer- und Stromquellenmodul 12 getrennt ist, die Alarmfarbe nicht durch eine Farbe angezeigt, sondern durch ein Symbol, das in den Zuständen von 6 als ”SYM.” abgekürzt ist. Ein Beispiel dieses Trennungssymbols ist im Beispiel der Benutzerschnittstelle 50 in 8 dargestellt. Die austauschbare Batterie 24 kann vom Steuer- und Stromquellenmodul 12 aus vielfältigen Gründen trennen. In einem Beispiel kann ein Benutzer, z. B. der Patient 20, mehr als eine austauschbare Batterie haben, die an das Steuer- und Stromquellenmodul 12 angeschlossen sein können, so dass es möglich ist, immer oder nahezu immer eine vollgeladene, austauschbare Batterie zu haben, die gegen eine entladene Batterie ausgetauscht werden kann. In einem anderen Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 fehlerhaft arbeiten und den vollständigen Austausch notwendig machen. In einem weiteren Beispiel kann die austauschbare Batterie 24 ihre maximale Anzahl von Ladezyklen erreichen, so dass sie eine Ladung nicht mehr halten kann und somit den vollständigen Austausch erfordert.
8 veranschaulicht ein Beispiel der Art und Weise, wie das Leistungssteuerungsmodul 140 die Benutzerschnittstelle 50 steuern kann, wenn sich das Steuer- und Stromquellenmodul 12 im getrennten Zustand der austauschbaren Batterie befindet, der in 6 durch den Zustand 172 angegeben ist. Im Beispiel von 8 enthält der Bildschirm 52 das Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200, das Interne-Batterie-Bildsymbol 202, den Zustandsanzeiger 204 und das Trennungssymbol 206. 8 veranschaulicht ein Beispiel, in dem die austauschbare Batterie 24 vom Steuer- und Stromquellenmodul getrennt ist, wie es durch das dem Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 überlagerte Trennungssymbol 206 angezeigt wird. Die innere Batterie 80 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 befindet sich, wie im Zustand 172 in 6 angegeben, oberhalb eines Niedrig-Ladepegel-Schwellenwerts, und ist, insbesondere in 8, vollständig geladen, wie es durch die Füllgröße im Interne-Batterie-Bildsymbol 202 angezeigt ist. In 8 werden weder die austauschbare Batterie 24 noch die innere Batterie 80 aktuell geladen, z. B. entweder durch eine mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 über den Anschluss 62 verbundene, externe Stromquelle oder, im Fall der inneren Batterie 80, durch die austauschbare Batterie 24.
Wenn die Zustände sowohl der inneren Batterie 80 als auch verschiedener anderer Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 in 8 keine Alarmzustände anzeigen, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 den Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 als ein herzförmiges Bildsymbol darstellen. Außerdem wird der Zustandsanzeiger 72 durch das Leistungssteuerungsmodul 140 aktiviert, um die herzförmige Anzeige zu erleuchten. Schließlich zeigt der Bildschirm 52 keine Alarmbildsymbole an und der Alarmzuständen zugeordnete Zustandsanzeiger 74 ist nicht erleuchtet, weil der Zustand des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 keine Alarmsignale erforderlich macht.
In 8 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 das Batteriebildsymbol 200, das Interne-Batterie-Bildsymbol 202 und das Trennungssymbol 206 in Schwarz darstellen, während der Ladepegel der inneren Batterie 80 durch die Füllung in dem Interne-Batterie-Bildsymbol 202 angezeigt wird, sowie Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 und Zustandsanzeiger 72 in Grün angezeigt werden können, wie es durch den Zustand 172 in 6 angegeben ist.
Mit Bezug wieder auf 6 zeigt das Bewegen vom Zustand 172 nach rechts in den Zustand 174 an, dass eine Zeitabschaltung der Trennung erreicht wurde, die das Leistungssteuerungsmodul 140 veranlasst, ein Alarmsignal auszulösen, das einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 anweist, die austauschbare Batterie 24 oder eine andere solche Stromquelle an das Gerät anzuschließen. Die Zeitabschaltung der Trennung im Beispiel von 6 ist als fünf Minuten angezeigt, so dass Belassen der austauschbaren Batterie 24 länger als fünf Minuten getrennt vom Steuer- und Stromquellenmodul 12 ein Alarmsignal zum Wiederanschluss der Batterie auslösen wird. Jedoch kann in anderen Beispielen gemäß dieser Offenlegung die Zeitabschaltung der Trennung mehr oder weniger Zeit betragen als im Beispiel von 6. Zum Beispiel kann die Zeitabschaltung der Trennung zehn Minuten entsprechen, so dass das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal zum Wiederanschluss der Batterie auslösen wird, nachdem die austauschbare Batterie 24 von dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 länger als zehn Minuten getrennt gelassen ist. In einem Beispiel von Zustand 174 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die Benutzerschnittstelle 50 steuern, um einem Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 Anweisungen auf dem Bildschirm 52 darzustellen, eine neue oder wieder aufgeladene, austauschbare Batterie einzusetzen, nachdem die Zeitabschaltung der Trennung erreicht wurde. In einem anderen Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 außerdem den Lautsprechertreiber 150 und die Lautsprecher 90 steuern, um zu veranlassen, dass die Lautsprecher einen hörbaren Ton ausgeben.
Im Beispiel von 6 erfolgt das Abfallen der Ladepegel von austauschbarer Batterie 24 und interner Batterie 80 vom Normalzustand 170 in den Zustand 188 fortschreitend langsamer. Außerdem nehmen beim Abfallen vom Normalzustand 170 in den Zustand 188 die durch das Leistungssteuerungsmodul 140 ausgegebenen Alarmsignale und die diesen Alarmsignalen zugeordneten Anweisungen an Schärfe zu, indem z. B. grafische Symbole, Farbe und/oder die Amplitude hörbarer Töne, die von den Lautsprechern 90 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgegeben werden, geändert werden. Im Zustand 176 hat die austauschbare Batterie 24 einen Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert erreicht, während die innere Batterie 80 über einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert bleibt. Im Zustand 178 hat die austauschbare Batterie 24 einen Leer-Ladepegel-Schwellenwert erreicht, während die innere Batterie 80 über einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert bleibt. Im Zustand 178 löst das Leistungssteuerungsmodul 140 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ein Niedrig-Batterie-Alarm aus, weil die austauschbare Batterie 24 einen Leer-Ladepegel-Schwellenwert erreicht hat. In einem Beispiel von Zustand 18 kann die Benutzerschnittstelle 50 den Zustandanzeiger 74 erleuchten und einen Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 als ein Alarmbildsymbol anzeigen. Außerdem kann die Benutzerschnittstelle 50 einem Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine Anzeige auf dem Bildschirm 52 des Niedrig-Batterie-Ladepegels darstellen, indem z. B. ein Teil des oder das ganze Austauschbare-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 gelb gefärbt wird. Im Zustand 180 hat die austauschbare Batterie 24 einen Leer-Ladepegel-Schwellenwert erreicht, und die innere Batterie 80 hat einen Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert erreicht. Schließlich haben im Zustand 188 austauschbare Batterie 24 und innere Batterie 80 beide einen Leer-Ladepegel-Schwellenwert erreicht.
Zusätzlich zu den Ladepegeln von austauschbarer Batterie 24 und interner Batterie 80, die das Abfallen vom Zustand 170 in den Zustand 188 fortschreitend verringern, nehmen im Beispiel von 6 die durch das Leistungssteuerungsmodul 140 ausgegebenen Alarmsignale und die diesen Alarmsignalen zugeordneten Anweisungen an Schärfe zu, indem z. B. grafische Symbole und die den Elementen der Benutzerschnittstelle 50 zugeordneten Farben geändert werden und/oder die Amplitude von hörbaren Tönen, die durch Lautsprecher 90 des Steuer- und Stromquellenmodul 12 ausgegeben werden, verändert wird. Während das der leeren austauschbaren Batterie und dem in Ordnung befindlichen Zustand 178 der inneren Batterie zugeordnete Alarmsignal eine Benutzerschnittstelle 50 enthalten kann, die einem Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine Anzeige des Niedrig-Batterie-Ladepegels auf dem Bildschirm 52 darstellt, indem zum Beispiel ein Teil oder das gesamte Austauschbare-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 gelb gefärbt wird, kann zum Beispiel das der leeren austauschbaren Batterie und dem Niedrigzustand 180 der inneren Batterie zugeordnete Alarmsignal umfassen, dem Benutzer auf dem Bildschirm 52 darzustellen, eine neue Batterie einzusetzen. In einem solchen Beispiel kann die Priorität des Alarmsignals, das den Benutzer anweist, eine neue Batterie einzusetzen, wie z. B. durch die Amplitude eines von den Lautsprechern 90 ausgegebenen Tons angezeigt, mittelgroß sein.
Im Zustand 188 der leeren austauschbaren Batterie und leeren inneren Batterie kann im Gegensatz zu beiden Zuständen 178 und 180 das Leistungssteuerungsmodul 140 die Schärfe der dem Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls dargestellten Alarmsignale weiter erhöhen. Wie in 6 angegeben, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 zum Beispiel durch die Benutzerschnittstelle 50 auf dem Bildschirm 52 angezeigte Alarm- und Batteriebildsymbole rot färben und außerdem Anweisungen an den Benutzer ausgeben, eine neue Batterie einzusetzen und/oder das Steuer- und Stromquellenmodul 12, z. B. über den Anschluss 62, an eine externe Stromquelle anzuschließen. In einem solchen Beispiel kann die Priorität des den Benutzer anweisenden Alarmsignals, eine neue Batterie einzusetzen und/oder das Steuer- und Stromquellenmodul 12 an eine externe Stromquelle anzuschließen, wie z. B. durch die Amplitude eines durch die Lautsprecher 90 ausgegebenen Tons angezeigt, hoch sein.
Mit Bezug wieder auf den Zustand 180 im Beispiel von 6 zeigt das Bewegen nach rechts vom Zustand 180 Situationen an, in denen die innere Batterie 80 eine Ladung auf einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert aufrechterhält, sich jedoch der Zustand der austauschbaren Batterie 24 einschließlich Trennen und Wiederanschließen oder Ersetzen der austauschbaren Batterie verändert. Im Zustand 182 ist die austauschbare Batterie 24 von dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 getrennt, und die innere Batterie 80 befindet sich auf einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert. Im Zustand 182 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal an einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeben, das z. B. Steuern der Benutzerschnittstelle 50 einschließt, um ein dem Austauschbare-Batterie-Bildsymbol zugeordnetes Symbol darzustellen, das anzeigt, dass die Batterie 24 getrennt wurde, und um einen Teil oder das ganze Interne-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 gelb zu färben. Das Leistungssteuerungsmodul 140 kann außerdem Anweisungen auf dem Bildschirm 52 darstellen, sowohl eine neue Batterie einzusetzen als auch die Priorität des Alarmsignals, das den Benutzer anweist, eine neue Batterie einzusetzen, als mittelgroß anzuzeigen, indem z. B. die Lautsprecher 90 gesteuert werden, um einen hörbaren Ton mit einer speziellen Amplitude auszugeben.
Im Zustand 184 ist eine austauschbare Batterie bei einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden, und die innere Batterie 80 befindet sich auf einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert. In einem Beispiel von Zustand 184 wurde die austauschbare Batterie 24 auf den Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert wiederaufgeladen und erneut mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden. In einem weiteren Beispiel wurde die austauschbare Batterie 24 jedoch durch eine andere austauschbare Batterie ersetzt, die sich auf Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert befindet und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden ist. In dem Zustand 184 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal an den Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeben, das z. B. Steuern der Benutzerschnittstelle 50 einschließt, um einen Teil oder das ganze Austauschbare-Batterie-Bildsymbol und einen Interne-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 gelb zu färben, sowohl Anweisungen auf dem Bildschirm 52 darzustellen, eine neue Batterie einzusetzen als auch die Priorität des Alarmsignals, das den Benutzer anweist, eine neue Batterie einzusetzen, als mittelgroß anzuzeigen, indem z. B. die Lautsprecher 90 gesteuert werden, um einen hörbaren Ton mit einer speziellen Amplitude auszugeben.
Im Zustand 186 ist eine austauschbare Batterie über einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden, und eine innere Batterie 80 befindet sich auf einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert. In einem Beispiel von Zustand 186 wurde die austauschbare Batterie 24 wiederaufgeladen auf über Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 erneut verbunden. In einem weiteren Beispiel wurde die austauschbare Batterie 24 jedoch durch eine andere, austauschbare Batterie ersetzt, die über den Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert aufgeladen und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden ist. Im Zustand 186 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal an einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeben, das z. B. Steuern der Benutzerschnittstelle 50 einschließt, um einen Teil oder das ganze Austauschbare-Batterie-Bildsymbol grün zu färben, um anzuzeigen, dass die austauschbare Batterie sich oberhalb des Niedrig-Ladepegel-Schwellenwerts befindet, und Steuern der Benutzerschnittstelle 50 einschließt, um einen Teil oder das ganze Interne-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 gelb zu färben, um anzuzeigen, dass sich die innere Batterie 80 noch auf dem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert befindet.
Mit Bezug wieder auf Zustand 188 im Beispiel von 6 zeigt das Bewegen nach rechts vom Zustand 188 Situationen an, in denen die innere Batterie 80 eine Ladung bei einem Leer-Ladepegel-Schwellenwert aufrechterhält, der Zustand der austauschbaren Batterie 24 sich jedoch ändert, was das Trennen und erneue Anschließen oder Ersetzen der austauschbaren Batterie einschließt. Im Zustand 190 ist die austauschbare Batterie 24 vom Steuer- und Stromquellenmodul 12 getrennt, und die innere Batterie 80 befindet sich auf einem Leer-Ladepegel-Schwellenwert. Im Zustand 190 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal an einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeben, das z. B. Steuern der Benutzerschnittstelle 50 einschließt, um ein dem Austauschbare-Batterie-Bildsymbol zugeordnetes Symbol anzuzeigen, das angibt, dass die Batterie 24 getrennt wurde, und um einen Teil oder das ganze Interne-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 rot zu färben. Das Leistungssteuerungsmodul 140 kann außerdem sowohl Anweisungen auf dem Bildschirm 52 anzeigen, eine neue Batterie einzusetzen und/oder das Steuer- und Stromquellenmodul 12 an eine externe Stromquelle anzuschließen als auch die Priorität des Alarmsignals, das den Benutzer anweist, eine neue Batterie einzusetzen, als hoch anzuzeigen, indem z. B. die Lautsprecher 90 gesteuert werden, um einen hörbaren Ton mit einer speziellen Amplitude auszugeben, z. B. eine höhere Amplitude als einen Ton, der für ein Alarmsignal mittelgroßer Priorität ausgegeben wird.
Im Zustand 192 ist eine austauschbare Batterie bei einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden, und die innere Batterie 80 befindet sich auf einem Leer-Ladepegel-Schwellenwert. In einem Beispiel von Zustand 192 wurde die austauschbare Batterie 24 auf den Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert erneut geladen und wieder mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden. In einem weiteren Beispiel wurde die austauschbare Batterie 24 jedoch durch eine andere, austauschbare Batterie ersetzt, die sich auf dem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert befindet und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden ist. Im Zustand 192 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal an einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeben, das z. B. Steuern der Benutzerschnittstelle 50 umfasst, um sowohl einen Teil oder das ganze Austauschbare-Batterie-Bildsymbol gelb und ein Interne-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 rot zu färben, sowie Anweisungen auf dem Bildschirm 52 darzustellen, das Steuer- und Stromquellenmodul 12 an eine externe Stromquelle anzuschließen.
Im Zustand 194 ist eine austauschbare Batterie über einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden, und die innere Batterie 80 befindet sich auf einem Leer-Ladepegel-Schwellenwert. In einem Beispiel von Zustand 19 wurde die austauschbare Batterie 24 über den Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert wiederaufgeladen und erneut mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden. In einem weiteren Beispiel wurde die austauschbare Batterie 24 jedoch durch eine andere austauschbare Batterie ersetzt, die über den Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert geladen und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbunden ist. Im Zustand 194 kann das Leistungssteuerungsmodul 140 ein Alarmsignal an einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ausgeben, was z. B. Steuern der Benutzerschnittstelle 50 einschließt, um einen Teil oder das ganze Interne-Batterie-Bildsymbol auf dem Bildschirm 52 rot zu färben, um anzuzeigen, dass sich die innere Batterie 80 noch auf dem Leer-Ladepegel-Schwellenwert befindet. Wenn sich die innere Batterie 80 noch auf dem Leer-Ladepegel-Schwellenwert befindet, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 außerdem Anweisungen auf dem Bildschirm 52 darstellen, das Steuer- und Stromquellenmodul 12 an eine externe Stromquelle anzuschließen, um die innere Batterie über den leeren Schwellenwert zu laden, ohne die austauschbare Batterie aufzubrauchen.
Das vorhergehende Beispiel des Zustandsdiagramms von 6 wird beschrieben, indem mit dem Zustand 170 in der oberen rechten Ecke des Diagramms begonnen wird und man sich von diesem Zustand in einer Anzahl von Richtungen bewegt. Die Auswahl von Zustand 170 als ein Anfangspunkt sowie die Bewegungen von dort zu den nachstehend beschriebenen Zuständen ist willkürlich und gibt keine notwendige Reihenfolge für die Zustände des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 an. Die Pfeile im Zustandsdiagramm von 6 veranschaulichen, dass die Bewegung zwischen den verschiedenen Zuständen des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 infolge einer Anzahl unterschiedlicher Faktoren auftreten kann, was z. B. das Entnehmen oder Einsetzen einer austauschbaren Batterie, das Verbrauchen oder Erhöhen des Ladepegels von einer oder beiden von austauschbarer Batterie 24 und interner Batterie 80 auf eine Anzahl von unterschiedlichen Schwellenwerten und Laden von einer oder beiden der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 einschließt.
9A–10B veranschaulichen eine Anzahl von zusätzlichen, beispielhaften Funktionen und Erscheinungen einer beispielhaften Ausführung der Elemente der Benutzerschnittstelle 50 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12. 9A–C stellen eine Anzahl Beispiele der Benutzerschnittstelle 50 dar, durch die das Leistungssteuerungsmodul 140 drei Zustände des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 mit der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 bei veränderlichen Ladepegeln anzeigt. In den Beispielen von 9A–C werden weder austauschbare Batterie 24 noch innere Batterie 80 aktuell geladen, z. B. entweder durch eine externe Stromquelle, die mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 über den Anschluss 62 verbunden ist, oder im Fall der inneren Batterie 80 durch die austauschbare Batterie 24.
9A veranschaulicht Beispiele der Art und Weise, wie das Leistungssteuerungsmodul 140 die Benutzerschnittstelle 50 steuern kann, wenn sich die austauschbare Batterie 24 auf einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert befindet und die innere Batterie 80 sich oberhalb eines Ladepegel-Schwellenwertes befindet. In einem Beispiel dieses durch die Benutzerschnittstelle 50 in 9A dargestellten Zustands kann das Leistungssteuerungsmodul 140 den Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 als ein Alarmsignal-Bildsymbol darstellen. Im Beispiel von 9A gibt der Zustandsanzeiger 204 den Alarmzustand auf dem niedrigsten Pegel an, indem das Alarmbildsymbol umrissen wird und keine Hervorhebungssymbole dargestellt werden. Der Zustandsanzeiger 72 wird ebenfalls durch das Leistungssteuerungsmodul 140 deaktiviert, so dass die herzförmige Anzeige nicht erleuchtet ist und der Zustandsanzeiger 74 erleuchtet ist, um Alarmzustand anzuzeigen. Im Beispiel von 9A gibt der Zustandsanzeiger 204 den Alarmzustand niedrigsten Pegels an, indem der dreieckige Teil der Anzeige erleuchtet wird, ohne die als zwei gekrümmte Linien in 9A angegebene Hervorhebungssymbole zu erleuchten. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 das Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 und Interne-Batterie-Bildsymbol 202 in Schwarz darstellen, während der durch die Füllung im Batteriebildsymbol 200 angezeigte Ladepegel der austauschbaren Batterie 24 sowie des Zustandsanzeigers 204 auf Bildschirm 52 und des Zustandsanzeigers 74 in Gelb dargestellt werden können. Das Leistungssteuerungsmodul kann den durch die Füllung im Batteriebildsymbol 202 angezeigten Ladepegel der inneren Batterie 80 als Grün darstellen, um anzuzeigen, dass sich im Gegensatz zur austauschbaren Batterie 24, die innere Batterie oberhalb eines Niedrig-Ladepegel-Schwellenwerts befindet.
9B veranschaulicht Beispiele der Art und Weise, wie das Leistungssteuerungsmodul 140 die Benutzerschnittstelle 50 steuern kann, wenn sich sowohl die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 auf einem Niedrig-Ladepegel-Schwellenwert befinden. In einem Beispiel dieses durch die Benutzerschnittstelle 50 in 9B dargestellten Zustands kann das Leistungssteuerungsmodul 140 den Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 als ein Alarmsignal-Bildsymbol darstellen. Im Beispiel von 9B gibt der Zustandsanzeiger 204 einen Alarmzustand mittleren Pegels an, indem das Alarmbildsymbol gefüllt wird und ein durch eine verdickte, gekrümmte Linie dargestelltes Hervorhebungssymbol ausgeschrieben wird. Der Zustandsanzeiger 72 wird außerdem durch das Leistungssteuerungsmodul 140 deaktiviert, so dass die herzförmige Anzeige nicht erleuchtet ist und der Zustandsanzeiger 74 erleuchtet wird, um Alarmzustand anzuzeigen. Im Beispiel von 9B gibt der Zustandsanzeiger 204 den Alarmzustand mittleren Pegels an, indem der dreieckige Teil der Anzeige erleuchtet wird und eines der zwei in 9B als zwei gekrümmte Linien angezeigte Hervorhebungssymbole erleuchtet wird. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 das Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 und Interne-Batterie-Bildsymbol 202 in Schwarz darstellen, während der Ladepegel der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80, angezeigt durch die Füllung in den Batteriebildsymbolen 200 und 202, sowie der Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 und Zustandsanzeiger 74 in Gelb dargestellt werden.
9C veranschaulicht Beispiele der Art und Weise, wie das Leistungssteuerungsmodul 140 die Benutzerschnittstelle 50 steuern kann, wenn sowohl die austauschbare Batterie 24 als auch die innere Batterie 80 sich auf einem Leer-Ladepegel-Schwellenwert befinden. In einem Beispiel dieses durch die Benutzerschnittstelle 50 in 9C dargestellten Zustands kann das Leistungssteuerungsmodul 140 den Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 als ein Alarmsignal-Bildsymbol ausschreiben. Im Beispiel von 9C gibt der Zustandsanzeiger 204 einen Alarmzustand hohen Pegels an, indem das Alarmbildsymbol gefüllt wird und beide durch zwei verdickte, gekrümmte Linien dargestellte Hervorhebungssymbole ausgeschrieben werden. Der Zustandsanzeiger 72 wird außerdem durch das Leistungssteuerungsmodul 140 deaktiviert, so dass die herzförmige Anzeige nicht erleuchtet ist und der Zustandsanzeiger 74 erleuchtet ist, um den Alarmzustand anzuzeigen. Im Beispiel von 9C gibt der Zustandsanzeiger 204 den Alarmzustand hohen Pegels an, indem der dreieckige Teil der Anzeige erleuchtet wird und beide als zwei gekrümmte Linien in 9C angegebene Hervorhebungssymbole erleuchtet werden. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 das Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 und das Interne-Batterie-Bildsymbol 202 in Schwarz ausschreiben, während der durch die Füllung in den Batteriebildsymbolen 200 und 202 angezeigte Ladepegel der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 sowie der Zustandsanzeiger 204 auf dem Bildschirm 52 und der Zustandsanzeiger 74 in Rot angezeigt werden können.
10A und 10B veranschaulichen Bildschirme, die durch den Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 zusätzlich zu den Bildschirmen dargestellt werden können, die den Batterieladezustand und Alarmzustände anzeigen. 10A veranschaulicht ein Beispiel, in dem das Leistungssteuerungsmodul 140 verschiedene, die implantierte Pumpe 14 betreffende Parameter darstellt. Wie nachstehend beschrieben ist, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 in Verbindung mit der in 5 dargestellten Leistungsbrücke 148 ausgeführt sein, um die Betriebsparameter der motorbetriebenen implantierten Pumpe 14 zu erfassen. In 10A stellt das Leistungssteuerungsmodul 140 die durch die motorbetriebene Pumpe 14 aufgenommene aktuelle Leistung in Watt (W) dar, den aktuellen Durchsatz der Pumpe in Litern je Minute (l/min) und die aktuelle Winkelgeschwindigkeit des Pumpenmotors in Umdrehungen pro Minute (U/min). 10B veranschaulicht ein Beispiel, in dem das Leistungssteuerungsmodul 140 die Beschreibung eines Alarmsignals darstellt, welches das Modul einem Benutzer des Steuer- und Stromquellenmodul 12 ausgibt, sowie Anweisungen für fördernde Maßnahmen, die durch den Benutzer ausgeführt werden können, um das Steuer- und Stromquellenmodul aus dem Alarmzustand zu nehmen.
Mit Bezug auf 7A, 7B und 9A–10B stellt das Leistungssteuerungsmodul 140 den Benutzern des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 nicht nur Abschätzungen der Ladungsmenge, die in der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 verbleibt, sondern auch einen Schätzwert der Zeitgröße bereit, mit der die Batterien weiter arbeiten werden, bevor Austausch oder Wiederaufladung erforderlich sind. Zum Beispiel berechnet in 7A und 7B das Leistungssteuerungsmodul 140 die in den Batterieladungen verbleibende Zeit als 2 Stunden und 45 Minuten, was durch die Benutzerschnittstelle 50 auf dem Bildschirm 52 direkt unter dem Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 dargestellt wird. In 9A und 9B berechnet das Leistungssteuerungsmodul 140 die in den Batterieladungen verbleibende Zeit als 45 Minuten, die durch die Benutzerschnittstelle 50 auf dem Bildschirm 52 direkt unter dem Austauschbare-Batterie-Bildsymbol 200 dargestellt wird. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die in der Ladung der Batterie 24 verbleibende Zeit berechnen, und die Benutzerschnittstelle 50 kann sie darstellen. In einem weiteren Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die in der Ladung der inneren Batterie 80 verbleibende Zeit berechnen, und die Benutzerschnittstelle 50 kann sie darstellen. In einem weiteren Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die in den Ladungen sowohl der austauschbaren Batterie 24 als auch der inneren Batterie 80 verbleibende Gesamtzeit berechnen, wobei die Benutzerschnittstelle 50 sie auf dem Bildschirm 52 getrennt darstellen kann.
Das Leistungssteuerungsmodul 140 kann eine Anzahl unterschiedlicher Typen von Abschätzungen und/oder Annahmen nutzen, um die Zeit zu berechnen, die in den Batterieladungen für das Steuer- und Stromquellenmodul 12 verbleibt. In einem Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 eine vorgegebene Nennleistung annehmen, die von den Komponenten des Steuer- und Stromquellenmodul 12 und der implantierten Pumpe 14 entnommen wird, und die in den Batterieladungen verbleibende Zeit auf der Basis der vorgegebenen Leistungsanforderung und der Ladungsgröße, die in der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 übrig bleibt, berechnen. In einem weiteren Beispiel kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die durch die Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 und der implantierten Pumpe 14 entnommene Leistung verfolgen und speichern und einen Mittelwert der Leistungsanforderungen über die Zeit bilden. Das Leistungssteuerungsmodul 140 kann anschließend die in den Batterieladungen verbleibende Zeit basierend auf der durchschnittlichen Stammleistungsanforderung und der in der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 übrig gebliebenen Ladungsgröße berechnen.
Mit Bezug wieder auf 5 enthält das Steuer- und Stromquellenmodul 12 zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aufbau einer redundanten Stromquelle außerdem Doppelprozessoren 130, 132 und zwei Telemetriemodule 136, 138, wobei beide Elemente des Gerätes von 5 für redundanten und/oder komplementären Betrieb gestaltet sein können. Das Steuer- und Stromquellenmodul 12 kann erste und zweite Prozessoren 130, 132 nutzen, um Fehlerschutz und redundanten Betrieb in dem Fall bereitzustellen, dass ein Prozessor fehlerhaft arbeitet. Außerdem können die ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 gestaltet sein, um unterschiedliche Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu versorgen und des Weiteren eine durch das Gerät erzielte Leistungssteuerung zu verbessern. In diesem Sinne kann die Verwendung der ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 durch das Leistungssteuerungsmodul 140 gesteuert werden, welches, wie oben angegeben, in einigen Beispielen als einer oder beide der Prozessoren 130, 132 und Speicher 134 ausgebildet sein kann.
In einem Beispiel, das Verfahren von Fehlerschutz und Redundanz einsetzt, sind die ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 so ausgelegt, dass sie sich periodisch prüfen, um Funktionsstörungen und/oder Ausfälle zu erfassen. In dem Fall, dass einer der ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 fehlerhaft arbeitet oder ausfällt, kann der andere der Prozessoren den fehlerhaft arbeitenden Prozessor abschalten und Verwaltung/Steuerung von beliebigen der Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 und/oder der implantierten Pumpe 14 übernehmen, die zuvor durch den fehlerhaft arbeitenden Prozessor bedient wurden. Außerdem kann der eine des ersten und zweiten Prozessors 130, 132, der noch genau arbeitet, ein Alarmsignal auslösen, um einen Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 vor dem Fehler/Ausfall des Prozessors zu warnen. Zum Beispiel kann der eine der ersten und zweiten Prozessoren 130, 132, der noch genau arbeitet, den Bildschirm 52 der Benutzerschnittstelle 50 steuern, um dem Benutzer des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 eine Nachricht auszuschreiben, die der Prozessor z. B. von dem Speicher 134 abrufen kann.
Zusätzlich zu Verfahren von Fehlerschutz und Redundanz können die ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 ausgeführt sein, um verschiedene Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu verwalten und zu steuern, wobei einer der beiden ausgeführt sein kann, um die implantierte Pumpe 14 zu verwalten und zu steuern. Im Beispiel von 5 ist der erste Prozessor 130 zur Datenübertragung mit dem Speicher 134, dem ersten Telemetriemodul 136, dem Leistungssteuerungsmodul 140 und dem Lautsprechertreiber 150 verbunden. Das Leistungssteuerungsmodul 140 ist mit dem ersten Prozessor 130 verbunden und diesem zugeordnet sowie mit Ladegerät 142, Stromverbindung 146 und Stromwechselrichter 148 zur Übertragung verbunden. Im Beispiel von 5 ist deshalb der erste Prozessor 130 durch Voreinstellung konfiguriert, um die implantierte Pumpe 14 über das Leistungssteuerungsmodul 140 und den Stromwechselrichter 148 zu steuern und zu handhaben. Der zweite Prozessor 132 ist andererseits mit dem Speicher 134, dem zweiten Telemetriemodul 138, Sensoren 152 und der Benutzerschnittstelle 50 verbunden. So ist die Steuerung und Verwaltung des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zwischen dem ersten Prozessor 130 und zweiten Prozessor 132 geteilt. Mit den zwischen Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 in 5 dargestellten Verbindungslinien ist nicht gemeint, die einzigen Verbindungen im Gerät darzustellen. Zum Beispiel kann der zweite Prozessor 132 in dem Fall, dass der erste Prozessor 130 fehlerhaft arbeitet oder ausfällt, die Steuerung und Verwaltung der implantierten Pumpe 14 über das Leistungssteuerungsmodul 140 und die Strombrücke 148 übernehmen.
Um Redundanzbetrieb des implantierten Pumpenreglers 21 bereitzustellen, ist sowohl der erste Prozessor 130 als auch der zweite Prozessor 132 ausgelegt, um die Leistungsübertragung in dem Fall zu steuern und zu verwalten, dass der andere Prozessor fehlerhaft arbeitet oder ausfällt. Jedoch können die ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 in einigen Beispielen nicht genau die gleichen sein. Zum Beispiel kann einer der ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 geringere Leistungsanforderungen als der andere Prozessor aufweisen, um die Strombelastungen in der austauschbaren Batterie 24 und der inneren Batterie 80 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 weiter zu verringern. In jedem Fall ermöglicht Teilen von Steuerung und Verwaltung des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zwischen dem ersten Prozessor 130 und dem zweiten Prozessor 132, einige nicht in Gebrauch befindliche Komponenten des Gerätes abzuschalten, welche wiederum die Leistungsanforderungen der Elektronik des Gerätes bedeutend senken können. Obwohl das Steuer- und Stromquellenmodul 12 ausgelegt sein kann, um eine Raumausnutzung zu maximieren und die Größe des Gerätes zu minimieren, und obwohl zwei Prozessoren mehr Raum einnehmen können und mehr als einer wiegen, kann der Einsatz der ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 folglich die Leistungsanforderungen wirksam genug reduzieren, so dass Größe und Kapazität der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 ebenfalls verringert sind.
In einem Beispiel ist der erste Prozessor 130 ausgeführt, um an den Pumpenregler 21 über Strombrücke 148, erstes Telemetriemodul 136, Leistungssteuerungsmodul 140 Leistung zu übertragen und auszutauschen und auch, um den Lautsprechertreiber 150 zu steuern. Der zweite Prozessor 132 ist ausgeführt, um die Benutzerschnittstelle 50, das zweite Telemetriemodul 138 und die Sensoren 152 zu steuern. Jedoch muss nur eine begrenzte Anzahl dieser Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 die ganze oder meiste Zeit laufen, welche in erster Linie diejenigen sind, die die Funktion von Leistungsübertragung und Übertragungen zum Pumpenregler 21 beeinflussen oder sich darauf beziehen. Im Grunde genommen, können der erste Prozessor 130 und der zweite Prozessor 132 so gestaltet sein, um eine oder mehrere der Komponenten, die sie steuern, in dem Fall abzuschalten, dass sie nicht in Gebrauch sind. Zum Beispiel kann der zweite Prozessor 132 ausgelegt sein, um Benutzerschnittstelle 50 und zweites Telemetriemodul 138 abzuschalten, wenn diese Komponenten des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 nicht in Gebrauch sind. Außerdem steuert in diesem Beispiel der zweite Prozessor 132 keine Komponenten, die den implantierten Pumpenregler 21 oder irgendeine andere Komponente betreffen, die ununterbrochen arbeiten muss. An sich kann der zweite Prozessor 132 abgeschaltet sein. In solchen Beispielen, wo der zweite Prozessor 132 abgeschaltet ist, in dem Fall, dass eine durch den Prozessor gesteuerte Komponente funktionieren muss, zum Beispiel ruft ein Benutzer ein Element der Benutzerschnittstelle 50 auf, kann der erste Prozessor 130 ausgeführt sein, um diese Aktivität zu erfassen und den zweiten Prozessor 132 reaktivieren. Um die Bereitstellung von Fehlerschutz und Redundanz fortzusetzen, kann der erste Prozessor 130 außerdem so ausgelegt sein, um den zweiten Prozessor 132 periodisch zu reaktivieren, der wiederum anschließend den ersten Prozessor auf irgendwelche Funktionsstörungen oder Ausfälle prüfen kann. In einem weiteren Beispiel kann der zweite Prozessor 132 ausgeführt sein, um sich periodisch selbst zu wecken, so dass der erste Prozessor 130 auf Fehler oder Ausfälle getestet wird.
Entsprechend der vorhergehenden, beispielhaften Steuerungsteilung zwischen den ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 kann der erste Prozessor 130 Daten, die den Betrieb des Pumpenreglers 21 und der Pumpe 14 sowie z. B. der Lautsprecher 90 betreffen, im Speicher 134 speichern und von diesem abrufen. Insbesondere kann der erste Prozessor 130 z. B. im Speicher 134 gespeicherte Informationen, die Parameter zur Steuerung der Pumpe 14 zum Pumpen von Blut durch das Herz 30 des Patienten 20 betreffen, abrufen. In einigen Beispielen kann die Pumpe 14 einen Elektromotor enthalten, der den Betrieb der Pumpe steuert, um Blut aus der linken Herzkammer 36 zu entnehmen und es der Aorta 38 zuzuführen. Zum Beispiel kann die Pumpe 14 eine beliebige Anzahl Typen von Gleichstrom- oder Dreiphasenwechselstrommotoren umfassen, die durch den implantierten Pumpenregler 21 mittels vom ersten Prozessor 130 empfangener Parameter gesteuert werden, die z. B. vom Speicher 134 abgerufene Motordrehzahl (U/min) und Leistungsbereich (normale, hohe, maximale Leistung in Watt) einschließen.
Der erste Prozessor 130 kann außerdem eine Rückmeldung vom Pumpenregler 21 oder anderen Geräten, einschließlich z. B. der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80, empfangen und Daten im Speicher 134 speichern, die den Betrieb der Geräte betreffen. In einem weiteren Beispiel überwacht der erste Prozessor 130, z. B. als Teil des Leistungssteuerungsmoduls 140, den Ladepegel jeweils in der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 und steuert den Zustand der Benutzerschnittstelle 50, um dem Patienten 20 anzuzeigen, z. B. grafisch auf dem Bildschirm 52, wieviel Ladung in jeder Batterie übrig bleibt.
In einem weiteren Beispiel können eine oder mehrere der vorhergehenden Funktionen, die den Betrieb der implantierten Pumpe 14 betreffen, durch den zweiten Prozessor 132 ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der zweite Prozessor 132 in dem Fall, dass der erste Prozessor fehlerhaft arbeitet oder ausfällt, konfiguriert werden, um die Leistungsübertragung an den implantierten Pumpenregler 21 zu übernehmen.
Der Speicher 134 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 ist ein computerlesbares Speichermedium, das zum Speichern von Daten verwendet werden kann, die Anweisungen enthalten zur Ausführung durch die ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 oder einen Prozessor eines anderen Gerätes, wie etwa, jedoch nicht darauf beschränkt, Daten, die den Betrieb der Pumpe 14 zur Unterstützung des Herzens 30 des Patienten 20 betreffen. In einem weiteren Beispiel kann der Speicher 134 Daten speichern, die auf durch das Leistungssteuerungsmodul 140 ausgeführte Leistungssteuerungsfunktionen bezogen sind. In einem weiteren Beispiel kann der Speicher 134 Daten speichern, die auf durch den Stromwechselrichter 148 ausgeführte Leistungsübertragungsfunktionen bezogen sind. Zum Beispiel kann der Speicher 134 die Werte von Schwellenwert-Ladepegeln speichern, die unterschiedlichen Schwellenwert-Ladepegeln für eine oder beide der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 zugeordnet sind. In einem Beispiel speichert der Speicher 134 Niedrig-Ladepegel- und Leer-Ladepegel-Schwellenwerte, die in dem Leistungssteuerungs-Zustandsdiagramm von 6 genutzt werden. Der Speicher 134 kann getrennte Speicher enthalten, um Anweisungen, Patienteninformationen, Pumpen- oder Pumpenmotorparameter (z. B. Motordrehzahl und Leistungsbereich), Vorgeschichte von Patienten und Pumpenbetrieb sowie andere Informationskategorien wie etwa beliebige andere Daten, die aus getrennten physikalischen Speichermodulen Nutzen ziehen können, zu speichern. In einigen Beispielen speichert der Speicher 134 Daten, die wenn sie durch den ersten oder zweiten Prozessor 130, 132 abgearbeitet werden, bewirken, dass Steuer- und Stromquellenmodul 12 und Pumpe 14 die Funktionen ausführen, die ihnen in dieser Offenlegung zugemessen werden.
Komponenten, die in dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 als Prozessoren beschrieben sind, z. B. erste und zweite Prozessoren 130, 132 oder ein beliebiges andere in dieser Offenlegung beschriebene Gerät, können jeweils einen oder mehrere Prozessoren, wie etwa einen oder mehrere Mikroprozessoren, Prozessoren für digitale Signalverarbeitung (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC), kundenprogrammierbare Universalschaltkreise (FPGA), einen programmierbaren logischen Schaltungsaufbau oder dergleichen, entweder allein oder in einer beliebigen geeigneten Kombination enthalten. Zusätzlich können Speicher 62 und andere in dieser Offenlegung beschriebene, computer-lesbare Speichermedien vielfältige Typen leistungsabhängiger und leistungsunabhän-giger Speicher, einschließlich z. B. Direktzugriffsspeicher (RAM), statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM), Nurlesespeicher (ROM), programmierbarer Nurlesespeicher (PROM), löschbarer und wiederprogrammierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektronisch löschbarer und wiederprogrammierbarer Festwertspeicher (EEPROM), Flash-Speicher, Festplatte, magnetische Medien, optische Medien oder andere computerlesbare Medien enthalten.
Zusätzlich zu den ersten und zweiten Prozessoren 130, 132 und dem Speicher 134 enthält das Steuer- und Stromquellenmodul 12 erste und zweite Telemetriemodule 136, 138. Im Allgemeinen erleichtert das erste Telemetriemodul 136 drahtlose Nachrichtenübertragungen von und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 und implantierten Pumpen-regler 21. Allgemein erleichtern die zweiten Telemetriemodule 138 drahtlose Nachrichtenübertragungen von und mit dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 und anderen Geräten, einschließlich z. B. einer getrennten Anzeigevorrichtung, um eine Benutzerschnittstelle einem Patienten 20 oder anderen Benutzer wie einem Kliniker oder ein in dem Patienten implantiertes Gerät, z. B. einen implantierten physiologischen Sensor, darzustellen. Erste und zweite Telemetriemodule 136, 138 in dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 sowie Telemetriemodule in anderen, in dieser Offenlegung beschriebenen Geräten können ausgelegt sein, um eine Vielfalt drahtloser Kommunikationsverfahren, einschließlich z. B. Hochfrequenz-Datenübertragungsverfahren zu nutzen, um Informationen drahtlos an andere Geräte zu senden bzw. von diesen zu empfangen. Die ersten und zweiten Telemetriemodule 136, 138 können z. B. Hochfrequenz-Nachrichtenübertragungen nach einem der Standards 802.11, Medizinischer Implantationskommunikationsservice (MICS), Spezifikationsserien von Bluetooth oder Bluetooth Low Energy, Infrarot-(IR)-Nachrichtenübertragung gemäß der IRDA Spezifikationsserie oder einem anderen Standard oder gesetzlich geschützten Telemetrieprotokoll nutzen. Die ersten und zweiten Telemetriemodule 136, 138 können Informationen an das Steuer- und Stromquellenmodul 12 auf kontinuierlicher Basis, in periodischen Zeiträumen oder auf Anforderung von einem Benutzer, z. B. Patient 20 über ein Benutzerschnittstellengerät, senden und davon empfangen. In einem Beispiel kommunizieren die zweiten Telemetriemodule 138 mit einem getrennten Benutzerschnittstellengerät, das einen Bildschirm, z. B. ein Flüssigkristall-Anzeigegerät (LCD) einschließt, um dem Patienten 20 oder einem anderen Benutzer den Funktionszustand des Steuer- und Stromquellenmoduls 12, des implantierten Pumpenreglers 21 und der Pumpe 14 sowie den spezifischen Zustand der austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 anzuzeigen.
In einem Beispiel des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 kann Leistung ungeregelt von der austauschbaren Batterie 24 oder inneren Batterie 80, z. B. über einen Schalter, dem Treiber 150 und den Lautsprechern 90 zugeführt werden. Im Gegensatz zur Arbeitsweise einer Komponente wie die Lautsprecher 90, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 jedoch Leistung verwalten, die mittels Stromwechselrichter 148 von der austauschbaren Batterie 24 oder inneren Batterie 80 durch Stecker 26 und Kabel 18 dem primären Resonanznetzwerk 15 zugeführt wird. In einem Beispiel kann der erste Prozessor 130 die Strombrücke 148 steuern, die einen Schaltungsaufbau zur zweckmäßigen und sicheren Zuführung von Leistung an den inneren Pumpenregler 21 enthalten kann.
11 ist ein Schaltschema, das den Schaltungsaufbau der Stromverbindung 146 (5) ausführlicher darstellt. Wie in 11 ersichtlich, umfasst die Stromverbindung 146 einen Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau, der allgemein bei 500 dargestellt ist, und einen Ladegerätschalter-Schaltungsaufbau, der allgemein bei 502 dargestellt ist. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, erlaubt der Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau 500, Strom von mehreren Stromquellen, d. h. einem Stromadapter, den austauschbaren Batterie 24 und inneren Batterie 80 zu kombinieren und Strom nur von einer einzelnen Stromquelle dem Leistungswechselrichter 148 zuzuführen.
Gemäß dieser Offenlegung ist der Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau 500 so ausgelegt, dass die höchste Spannung zwischen den Stromquellen, d. h. einem Stromadapter, der austauschbaren Batterie und der inneren Batterie, ausgewählt werden kann, um so den Pumpenmotor zu versorgen. Wie in 11 ersichtlich ist, ist die Adapter-Spannungsschiene 504 mit der Schottky-Diode 506 verbunden, die Spannungsschiene 508 der austauschbaren Batterie mit dem FET 510 verbunden und die Spannungsschiene 512 der inneren Batterie mit dem FET 514 verbunden. Die Kathode der Diode 506 und der Abzug des FET 510 sind mit einem ersten Anschluss des Ladegerät-Abtastwiderstands 516 und der Abzug des FET 514 mit einem zweiten Anschluss des Abtastwiderstandes 516 verbunden. Jeder der FET 510, 514 wird durch einen FET Regler, nämlich jeweils die FET Regler 518, 520 gesteuert, um den Betrieb der FET 510, 514 auf höchstem Wirkungsgrad zu halten. Ein beispielhafter FET Regler, der zum Steuern der FET 518, 520 genutzt werden kann, ist der von National Semiconductor erhältliche LM5050-2.
Jeder der FET 518, 520 verhält sich wie ideale Dioden, wodurch wirksam drei ”ODER”-Verknüpfungsdioden erzeugt werden. Ganz gleich, welche der drei Spannungsschienen, d. h. die Adapter-Spannungsschiene 504, die Spannungsschiene 508 der austauschbaren Batterie und die Spannungsschiene 512 der inneren Batterie, die höchste ist, wird an dem gemeinsamen Knoten zwischen den drei, d. h. dem Abtastwiderstand 516, erscheinen. Zum Beispiel kann die Austauschbare-Batterie-Spannungsschiene 508 und die Interne-Batterie-Spannungsschiene 512 jeweils eine maximale Spannung von 16,8 Volt (V) aufweisen, und die Adapter-Spannungsschiene 504 kann eine maximale Spannung von 18 V aufweisen. Immer wenn ein Adapter mit einem Steuer- und Stromquellenmodul, z. B. dem Steuer- und Stromquellenmodul 12, verbunden ist, wird die Adapterspannung immer als die Spannung zur Versorgung des Pumpenmotors über die Motorstromschiene 522 (eine ungeregelte Hochspannungsschiene zu der Pumpe) ausgewählt. Das heißt, die Adapter-Spannungsschiene 504 wird durch die Schottky-Diode 506 um etwa 0,2–0,3 V auf eine Spannung von etwa 17,7–17,8 V reduziert, und die Austauschbare-Batterie-Spannungsschiene 508 und Interne-Batterie-Spannungsschiene 512 werden infolge des idealen Diodenabfalls (0,6 V–0,7 V) der FETs 510, 514 auf eine Spannung von etwa 16,1–16,2 V reduziert. Es soll angemerkt werden, dass die Adapterspannung (entweder Wechsel- oder Gleichspannung) so ausgelegt ist, dass sie entweder höher als die Spannung der austauschbaren Batterie oder Spannung der inneren Batterie ist, so dass der Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau 500 den Adapter automatisch als die Stromversorgung für die Motorschiene 522 zuordnet.
Noch mit Bezug auf den Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau 500 ist die Interne-Batterie-Spannungsschiene 512 außerdem mit dem FET 524 verbunden. Der FET 524 wirkt wie ein Schalter und ist in dem Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau 500 enthalten, um die innere Batterie anschließen und trennen zu können. Außerdem, wenn nicht für den FET 524, würde sich die innere Batterie und austauschbare Batterie bei der gleichen Spannungshöhe entleeren.
Auf der linken Seite des FET 524 in 11 ist der logische Schaltungsaufbau zur Steuerung des Betriebs des FET 524 enthalten. Im Allgemeinen wird die bei 526 dargestellte Austauschbare-Batterie-Spannungsschiene in den Komparator 528 zugeführt, der eine interne Bezugsspannung von 1,25 V einschließt. Der Ausgang des Komparators 528 wird dem 3-Eingangs-ODER-UND-Gatter 530 zusammen mit den zwei Interne-Batterie-Signalen 532, 534 zugeführt. Insbesondere wird der Ausgang des Komparators 528 zusammen mit dem Interne-Batterie-Signal 532 von einem Pumpenprozessor, z. B. dem ersten Prozessor 130 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 5, dem ODER-Anteil des ODER-UND-Gatters 530 zugeführt; und das Interne-Batterie-Signal 534 von einem UI Prozessor, z. B. dem zweiten Prozessor 132 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 von 5, wird zusammen mit dem Ausgang des ODER-Anteils dem UND-Anteil des ODER-UND-Gatters 530 zugeführt. Auf diese Weise kann der Betrieb des FET 524 und folglich, ob die innere Batterie an das Steuer- und Stromquellenmodul angeschlossen ist, gesteuert werden (über Inverter-Gatter 536 und FET 538). Zum Beispiel müssen, als ein Sicherheitsmerkmal, wenn keine Spannung der austauschbaren Batterie vorhanden ist, dann sowohl der Pumpenprozessor als auch der UI Prozessor übereinstimmen und Steuersignale erzeugen, damit das System den FET 524 abschaltet (und somit die innere Batterie von dem Schaltkreis und dem Steuer- und Stromquellenmodul trennt).
Als ein weiteres Sicherheitsmerkmal wird ein plötzlicher Abfall der Spannung der austauschbaren Batterie den FET 524 einschalten, wodurch die innere Batterie an das Steuer- und Stromquellenmodul angeschlossen wird. Insbesondere vergleicht Komparator 528 die Spannung der austauschbaren Batterie mit seinem inneren Bezugswert und stellt einen Ausgang, z. B. einen logischen Zustand L für den ODER-Anteil des ODER-UND Gatters 530 bereit. Der Ausgang des ODER-Anteils wird zusammen mit dem Interne-Batterie-Signal 534, z. B. einem logischen Zustand L, dem UND-Anteil des ODER-UND-Gatters 530 eingegeben, der anschließend den FET 524 über das Inverter-Gatter 536 und FET 538 einschaltet, wodurch die innere Batterie an das Steuer- und Stromquellenmodul angeschlossen wird.
In anderen Beispielen kann FET 524 auf der Basis von Belastungsanforderungen automatisch gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Pumpenmotor beim Einschalten mehr Strom entnehmen als während eines stabilen Zustands. Mittels oben beschriebener Verfahren kann der Leistungsmehrfachkoppler-Schaltungsaufbau 500 automatisch von der austauschbaren Batterie auf die innere Batterie mit höherer Leistungsdichte umschalten, bis der Pumpenmotor einen stabilen Zustand erreicht. Bei Betrieb, wenn die austauschbare Batterie der Belastung nicht standhalten kann, dann bricht die Austauschbare-Batterie-Spannungsschiene 526 zeitweilig zusammen, was dazu führt, dass sich der Komparator 528 einschaltet, wodurch der FET 524 eingeschaltet und die Interne-Batterie-Spannungsschiene 508 an die Motorstromschiene 522 angeschlossen werden.
In einigen Beispielen kann der Pumpenprozessor den FET 524 beim Einschalten der Pumpe steuern, indem spezielle Steuersignale ausgegeben werden. Es kann wünschenswert sein, dass der erste Prozessor den FET 524 beim Einschalten steuert, weil, wenn zugelassen wird, dass die Spannung der austauschbaren Batterie zeitweilig zusammenbricht, unnötige Wärme erzeugt werden kann. Zusätzlich zum Einschalten können physiologische Zustände bewirken, dass der Pumpenmotor schwerer arbeiten muss und folglich die Belastung erhöht wird. Zum Beispiel können bestimmte medizinische Behandlungen zu einer Verdickung des Bluts führen, und bestimmte Aktivitäten, wie das Heben schwerer Gegenstände, können Gefäßverengung verursachen. In jedem Fall kann die Pumpe schwerer arbeiten müssen und infolgedessen mehr Strom von der Stromquelle entnehmen. Mittels oben beschriebener Verfahren kann eine alternative Stromquelle verwendet werden, um erhöhten Bedarf von der Pumpe aufzunehmen.
Es soll angemerkt werden, dass zur Stromeinsparung der zweite Prozessor so konfiguriert sein kann, dass er abschaltet, wenn keine Dienstleistungen bereitzustellen sind. Der zweite Prozessor kann periodisch wiederanschalten, z. B. einmal jede Sekunde, um zu bestätigen, dass der erste Prozessor genau arbeitet, wodurch eine Funktion der Überprüfung auf Übereinstimmung bereitgestellt wird. In einigen Beispielen kann der erste Prozessor ein Signal an den zweiten Prozessor senden, z. B. über einen seriellen, peripheren Schnittstellenbus (SPI), und empfängt eine voraussagbare Antwort. 12 ist ein Stromlaufplan, der den Schaltungsaufbau des Ladegeräts 142 (5) ausführlicher darstellt. In 12 bewirkt der Ladegerät-Schaltungsaufbau 600 über das Batterieladegerät 602 eine dynamische Leistungssteuerung, die weniger Strom an die Batterie liefert, wenn das System mehr Strom fordert, so dass es dem System nicht an Strom mangelt. Unter Verwendung der Verfahren dieser Offenlegung kann der Ladegerät-Schaltungsaufbau 600 die Leistungsgrenze des Systems basierend auf derjenigen Batterie, von der das System Strom entnimmt, ändern.
Wie oben erwähnt und in 11 ersichtlich ist, sind beide externe Stromquellen, d. h. der Adapter und die austauschbare Batterie mit dem Abtastwiderstand 516 verbunden. Das Batterieladegerät 602 misst, wieviel Strom in das System gelangt, und das Batterieladegerät 602 weiß, wieviel Strom es für die austauschbare Batterie beim Laden bereitstellt. Mittels dynamischer Leistungssteuerung kann der Ladegerät-Schaltungsaufbau 600 die Stromsystemgrenze basierend auf der Batterie, von der das System Strom entnimmt, verändern, um während des Ladens der Batterie weniger Strom zur Verfügung zu stellen, so dass dem System kein Strom entzogen wird. Die Stromsystemgrenze bedeutet, wieviel Strom das System benötigt und gemäß dieser Offenlegung einstellbar ist. Der Ladegerät-Schaltungsaufbau 600 umfasst insbesondere den FET 604 und ein Widerstandsteilernetzwerk, das allgemein bei 606 dargestellt ist. Auf der Basis, ob das System mehr oder weniger Strom braucht, steuert der Pumpenprozessor den FET 604, um ihn ein- oder auszuschalten, wodurch ein Weg des Widerstandteilernetzwerks 606 eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. In einigen beispielhaften Ausführungen kann die Stromsystemgrenze über einen Digital-Analog-Wandler-Ausgang (DAC) gesteuert werden.
Außerdem ist gemäß dieser Offenlegung der Abtastwiderstand 516 (11) an die äußeren Stromquellen, nämlich den Adapter und die austauschbare Batterie, und nicht die innere Batterie angeschlossen. Der Abtastwiderstand 516 muss mit der inneren Batterie verbunden werden, weil das System durch Entwurf nicht von der inneren Batterie auflädt.
Des Weiteren umfasst der Ladegerät-Schaltungsaufbau 600 zur Sicherheit eine rückstellbare Sicherung 606. Es soll angemerkt werden, dass in einigen beispielhaften Ausführungen die rückstellbare Sicherung 606 auf der Ladegerätplatine enthalten sein kann.
Mit Bezug wieder auf 11 stellt der Ladegerätschalter-Schaltungsaufbau 502 ein störungssicheres Mittel zur Verfügung, um zu kontrollieren, ob die innere Batterie oder die austauschbare Batterie Strom von dem Ladegerät aufnimmt, wodurch das System einen einzelnen Ladegerätschaltkreis verwenden kann. Der Ladegerätschalter-Schaltungsaufbau 502 umfasst eine Kombination von FETs und logischem Schaltungsaufbau, die es zulässt, dass der Pumpenprozessor auswählt, welche Batterie lädt. Der logische Schaltungsaufbau schließt die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen der inneren Batterie und der austauschbaren Batterie aus.
Im Ladegeräteschalter-Schaltungsaufbau 502 liefert der Pumpenprozessor zwei Steuersignale, nämlich das Interne-Batterie-Schalter-Signal 608 und das Austauschbare-Batterie-Schalter-Signal 610 an das exklusive ODER-Gatter 612. Der Ausgang des exklusiven ODER-Gatters 612 wird dem Eingang von jedem der UND-Gatter eines positiven Dual-2-Eingangs-UND-Gatters, das bei 614 allgemein dargestellt ist, zugeführt. Die anderen zwei Eingänge des UND-Gatters des Dual 2-Eingangs-UND-Gatters 614 werden durch das Interne-Batterie-Schalter-Signal 608 und Austauschbare-Batterie-Schalter-Signal 610 zugeführt. Insbesondere wird das Interne-Batterie-Schalter-Signal 608 einem Eingang des UND-Gatters 616 zugeführt, und das Austauschbare-Batterie-Schalter-Signal 610 wird einem Eingang des UND-Gatters 618 zugeführt. Der Ausgang des UND-Gatters 616 schaltet den FET 620 ein, was bewirkt, dass die innere Batterie das Laden durch die FET 624 und 626 beginnt. Der Ausgang des UND-Gatters 618 schaltet FET 622 ein, was bewirkt, dass die austauschbare Batterie das Laden durch die FET 628 und 630 beginnt.
In einer beispielhaften Ausführung beginnt die austauschbare Batterie das Laden, wenn das Interne-Batterie-Schalter-Signal 608 ein logischer Pegel L und das Austauschbare-Batterie-Schalter-Signal 610 ein logischer Pegel H ist; und die innere Batterie beginnt das Laden, wenn das Interne-Batterie-Schalter-Signal 608 ein logischer Pegel H und das Austauschbare-Batterie-Schalter-Signal 610 ein logischer Pegel L ist. Wenn das Interne-Batterie-Schalter-Signal 608 und das Austauschbare-Batterie-Schalter-Signal 610 sich auf dem gleichen logischen Pegel befinden (L-Pegel oder H-Pegel), dann lädt die Batterie auch nicht.
13A und 13B sind Drauf- bzw. Seitenansichten von austauschbarer Batterie 24 und Batteriefreigabedrücker 700 zur Verwendung mit einem Steuer- und Stromquellenmodul gemäß dieser Offenlegung, z. B. dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 von 2A–4B. Obwohl nur ein Batteriefreigabedrücker 700 in 13A dargestellt ist, kann ein zweiter, ähnlich ausgeführter Batteriefreigabedrücker auf der gegenüber liegenden Seite des Steuer- und Stromquellenmoduls angebracht sein, so dass beide Drücker eingerückt werden können, um die austauschbare Batterie 24 freizugeben. Im Beispiel von 13A und 13B umfasst der Batteriefreigabedrücker 700 den Druckknopf 702, die Sperre 704, den Stift 706 und die Federrückführung 708. Die austauschbare Batterie 24 enthält einen Anschlag 710, der zum Einrücken in die Sperre 704 auf dem Batteriefreigabedrücker 700 gestaltet ist, um die Batterie im Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 zu befestigen.
In 13A und 13B sind Druckknopf 702 und Sperre 704 des Batteriefreigabedrückers 700 miteinander verbunden und drehen sich um den Stift 706. Die Federrückführung 708 ist so eingerichtet, dass sie an den Druckknopf 702 anstößt und einrückt, um den Batteriefreigabedrücker 700 vorzuspannen, so dass sich die Sperre 704 um den Stift 706 dreht, damit der Anschlag 710 auf der austauschbaren Batterie 24 einrückt. Zum Freigeben der austauschbaren Batterie 24 kann ein Benutzer auf den Druckknopf 702 drücken, was das Drehen des Druckknopfes 702 und der Sperre 704 um den Stift 706 bewirkt, so dass sich die Sperre 704 aus dem Eingriff mit dem Anschlag 710 auf der austauschbaren Batterie 24 bewegt. Die austauschbare Batterie 24 kann durch den Benutzer manuell entfernt werden, nachdem der Batteriefreigabedrücker 700 entriegelt ist; oder das Steuer- und Stromquellenmodul 12 kann einen automatischen Auswerfmechanismus enthalten, der die Batterie zumindest teilweise aus dem Gehäuse 22 auswirft, wenn sich der Drücker nicht mehr mit der Batterie in Eingriff befindet.
14A und 14B sind abgebrochene Drauf- bzw. Seitenansichten der austauschbaren Batterie 24 und eines weiteren Typs von Batteriefreigabedrücker 800 zur Verwendung mit einem Steuer- und Stromquellenmodul gemäß dieser Auslegung, z. B. dem Steuer- und Stromquellenmodul 12 von 2A–4B. Die 14C und 14D sind Darstellungen im Schnitt, der längs der Schnittlinie A-A von 14A geführt ist, die zwei unterschiedliche Beispiele des Batteriefreigabedrückers 800 veranschaulichen. Obwohl nur ein Batteriefreigabedrücker 800 in den 14A–14D dargestellt ist, kann ein zweiter, ähnlich gestalteter Batteriefreigabedrücker auf der gegenüber liegenden Seite des Steuer- und Stromquellenmoduls angeordnet sein, so dass beide Drücker eingerückt werden können, um die austauschbare Batterie 24 freizugeben. In 14A und 14B bildet der Batteriefreigabedrücker 800 eine Einheit mit der austauschbaren Batterie 24 und ist mit Druckknöpfen ausgeführt, die sich um die X-Achse (horizontal in der Ansicht von 14A) oder die Y-Achse (vertikal in der Ansicht von 14A und 14B) drehen können. Die in 14C und 14D dargestellten Beispiele enthalten beide Druckknöpfe, die so gestaltet sind, dass sie sich um die Y-Achse drehen. Jedoch kann in anderen Beispielen ein Batteriefreigabedrücker gemäß den Beispielen von 14C und 14D mit den sich um die X-Achse drehenden Druckknöpfe ausgeführt sein.
Im Beispiel von 14C umfasst der mit der austauschbaren Batterie 24 eine Einheit bildende Batteriefreigabedrücker 800A den Druckknopf 802, die Sperre 804 und den federnden Streifen 806. Das Gehäuse 22 enthält einen Anschlag 808, der zum Eingriff der Sperre 804 auf dem Batteriefreigabedrücker 800A ausgeführt ist, um die Batterie in dem Gehäuse 22 des Steuer- und Stromquellenmodul zu sichern. Druckknopf 802 und Sperre 804 des Batteriefreigabedrückers 800A sind so gestaltet, um sich an dem federnden Streifen 806 zu drehen. Der federnde Streifen 806 kann in einem Beispiel aus einem elastischen Werkstoff gebildet sein, der den Batteriefreigabedrücker 800A vorspannt, so dass sich die Sperre 804 um den federnden Streifen 806 zum Eingriff des Anschlags 808 am Gehäuse 22 dreht. Zur Freigabe der austauschbaren Batterie 24 kann ein Benutzer auf den Druckknopf 80 drücken, was die Biegung des federnden Streifens 806 bewirkt und zulässt, dass sich Druckknopf 802 und Sperre 804 um den federnden Streifen 806 drehen, so dass sich die Sperre 806 aus dem Eingriff mit dem Anschlag 808 auf dem Gehäuse 22 bewegt. Die austauschbare Batterie 24 kann durch den Benutzer manuell entfernt werden, nach dem Entriegeln des Batteriefreigabedrückers 800A, oder das Steuer- und Stromquellenmodul kann einen automatischen Auswurfmechanismus enthalten, der die Batterie zumindest teilweise aus dem Gehäuse 22 auswirft, wenn der Drücker die Batterie nicht mehr ergreift.
Im Beispiel von 14D umfasst der mit der austauschbaren Batterie 24 eine Einheit bildende Batteriefreigabedrücker 800B Druckknopf 802, Sperre 804, Drehgelenk 810 und Federrückführung 812. In diesem Beispiel sind Druckknopf 802 und Sperre 804 des Batteriefreigabedrückers 800A so gestaltet, um sich um das Drehgelenk 810 zu drehen. Die Federrückführung 812 ist zur Anlage und zum Eingriff des Druckknopfes 802 ausgelegt, um den Batteriefreigabedrücker 800A vorzuspannen, so dass die Sperre 804 sich um das Drehgelenk 810 zum Eingriff des Anschlags 808 am Gehäuse 22 dreht. Zur Freigabe der austauschbaren Batterie 24 kann ein Benutzer auf den Druckknopf 80 drücken, was die Federrückführung 812 zusammendrückt und bewirkt, dass sich Druckknopf 802 und Sperre 804 um das Drehgelenk 810 drehen, so das sich die Sperre 804 aus dem Eingriff mit dem Anschlag 808 am Gehäuse 22 bewegt. Die austauschbare Batterie 24 kann durch den Benutzer manuell entfernt werden, nachdem der Batteriefreigabedrücker 800B entriegelt ist, oder das Steuer- und Stromquellenmodul kann einen automatischen Auswerfmechanismus enthalten, der die Batterie zumindest teilweise aus dem Gehäuse 22 auswirft, wenn der Drücker die Batterie nicht mehr ergreift.
DRAHTLOSES LEISTUNGSÜBERTRAGUNGSSYSTEM
15 ist ein Blockdiagramm des in 1 gezeigten drahtlosen Leistungsübertragungssystems 11. Das System 11 kann als ein transkutanes Energieübertragungssystem (TETS) bezeichnet werden, wenn es auf implantierbare elektronische Anwendungen angewandt wird. Das System 11 weist eine externe Baueinheit 1504 auf, die an einer äußeren Stelle außerhalb einer Versuchsperson vorgesehen ist, und eine interne Baueinheit 1508, die in der Versuchsperson implantiert wird. Die interne Baueinheit umfasst ein implantierbares, medizinisches Gerät. Das implantierbare, medizinische Gerät kann ein beliebiges medizinisches Gerät sein, das in einer Versuchsperson implantiert werden kann, wie etwa eine Herzpumpe, ein künstliches Herz, ein rechtsventrikuläres Herzunterstützungssystem, ein linksventrikuläres Herzunterstützungssystem, ein BIVAD, ein minimal invasives Kreislaufunterstützungssystem, ein Herzschrittmacher und so weiter. Während das implantierte Gerät ein beliebiges implantierbares Gerät sein kann, beschreibt diese Offenlegung ein transkutanes Energieübertragungssystem 11 im Zusammenhang mit einer Herzpumpe 14 beispielhaft und ohne Einschränkung.
Wie es in 15 gezeigt ist, kann die externe Baueinheit 1504 das externe Resonanznetzwerk 15 enthalten. Ebenso kann die interne Baueinheit 1508 das interne Resonanznetzwerk 17 enthalten. Die externe Baueinheit 1504 und die interne Baueinheit 1508 sind ebenfalls in 16A gezeigt, die ein Stromlaufplan ist, der bestimmte Komponenten des transkutanen Energieübertragungssystems 11 enthält. Das externe Resonanznetzwerk 15 kann einen äußeren Koppler in Form einer induktiven Spule 1648 und eines in Reihe geschalteten Kondensators 1652 umfassen. Ähnlich kann das interne Resonanznetzwerk 17 einen inneren Koppler in Form einer induktiven Spule 1656 und eines in Reihe geschalteten Kondensators 1660 umfassen. Wie es in 16A gezeigt ist, kann das externe Resonanznetzwerk 15 so gestaltet sein, dass die induktive Spule 1648 durch den Kondensator 1652 direkt mit dem Wechselrichter 148 verbunden ist. Es soll deutlich werden, dass die in 16A veranschaulichte Serien-Serien-Topologie beispielhaft und ohne Einschränkung dargestellt ist. Es können alternative Ausführungsformen verwendet werden, die andere Schaltkreistopologien wie beispielsweise Serien-Parallel, Parallel-Serien, Parallel-Parallel und so weiter einsetzen.
16B–C sind Stromlaufpläne von Ausführungsformen des transkutanen Energieübertragungssystems 11, die ein externes Resonanzwerk 15 mit der Topologie eines Stelltransformators umfassen. Wie die in 16A gezeigte Ausführungsform, umfasst das externe Resonanznetzwerk 15 von 16B–C eine induktive Spule 1648 und einen Kondensator 1652, und ist in Verknüpfung mit einem inneren Resonanznetzwerk 17 vorgesehen, das eine Spule 1656 und einen Kondensator 1660 aufweist. Anders als die in 16A gezeigte Ausführungsform, ist die induktive Spule 1648 in 16B–16C nicht direkt mit dem Wechselrichter 148 verbunden. Vielmehr bildet die induktive Spule 1648 einen Teil der Stelltransformatoreinzelspule 1676. Die Stelltransformatoreinzelspule 1676 ist auf der Sekundärseite eines Transformators 1680 eingerichtet, die wiederum mit dem Wechselrichter 148 verbunden ist. Der Transformator 1680 kann ein Kerntransformator sein, der einen Eisen- oder Ferritkern enthält, der Primär- und Sekundärwicklungen unterstützt. Der Transformator 1680 kann eine Spule 1684 enthalten, die die Primärwicklung des Transformators bildet. Die Spule 1684 kann durch den Kondensator 1652 mit dem Wechselrichter 148 verbunden werden. Der Transformator 1680 kann mit der Stelltransformatoreinzelspule 1676 durch eine Vielzahl von Spulen 1688 koppeln, die eine Vielzahl von Sekundärwicklungen des Transformators bilden.
Die Stelltransformatoreinzelspule 1676 enthält eine Vielzahl von parallel angeordneten Transformatorschenkeln 1692. Beispielhaft und ohne Einschränkung zeigt 16B eine Stelltransformatoreinzelspule 1676 mit zwei Transformatorschenkeln 1692. In anderen Ausführungen kann die Stelltransformatoreinzelspule 1676 eine größere Anzahl Transformatorschenkel 1692 enthalten. So zeigt 16C eine Stelltransformatoreinzelspule 1676, die eine beliebige Anzahl n von Transformatorschenkeln 1692 aufweist. Wie es in 16B–C gezeigt ist, kann jeder Transformatorschenkel 1692 eine der Vielzahl von Spulen 1688 umfassen, die die Vielzahl von Sekundärwicklungen des Kerntransformators 1680 bilden. In jedem der Transformatorschenkel 1680 ist die Spule 1688 mit einem Kondensator 1696 verbunden, damit eine Resonanzkreiskomponente gebildet wird. Zusätzlich ist jeder Transformatorschenkel 1692 durch einen Schalter 1698 mit der induktiven Spule 1648 verbunden. Jeder der Schalter 1698 kann getrennt und unabhängig betätigt werden, um die entsprechenden Transformatorschenkel 1692 der Stelltransformatoreinzelspule 1692 ein- und auszuschalten. Auf diese Weise kann das Verhalten des äußeren Resonanznetzwerks 15, das auf Änderungen bei Leistungs- und/oder Kopplungsbedürfnissen reagiert, die beim Betrieb des transkutanen Energieübertragungssystems 11 auftreten, eingestellt werden.
17A und 17B sind schematische Darstellungen der inneren Spule 1656 und äußeren Spule 1648. In 17A ist die innere Spule 1656 unter der Haut 1664 einer Versuchsperson angeordnet, und die äußere Spule 1648 ist im Allgemeinen der inneren Spule 1656 benachbart angeordnet. In 17B ist die innere Spule 1656 unter der Haut 1664 einer Versuchsperson angeordnet, und die äußere Spule 1648 ist in einigem Abstand von der inneren Spule 1656 angeordnet. Wie es in 17A und 17B gezeigt ist, kann die innere Spule 1656 eine Vielzahl von leitfähigen Wicklungen 1704 aufweisen, die in einem kreisförmigen Isolierelement 1708 angeordnet sind. Ähnlich kann die äußere Spule 1648 eine Vielzahl von leitfähigen Entwicklungen 1712 aufweisen, die in einem Isolierring 1716 angeordnet sind. Die Induktivität jeder der Spulen 1656, 1648 kann durch Anzahl, Durchmesser und Abstand der Wicklungen 1704, 1712 bestimmt werden. Die induktive oder elektromagnetische Kopplung zwischen den Spulen 1648, 1656 ist eine Funktion ihrer physikalischen Nähe, Arbeitsfrequenzen, Spulengrößen und Induktivitäten. Während die in 17A und 17B gezeigten Spulen im Allgemeinen eine Kreisform besitzen, können andere Formen und Strukturen genutzt werden, um die innere Spule 1656 und die äußere Spule 1648 in Abhängigkeit von der Ausführung zu realisieren. Zum Beispiel können die Spulen 1648, 1656 als Dreieck, Quadrat, Rechteck, Fünfeck, Achteck und so weiter geformt sein. Allgemein können die Spulen 1648, 1656 als Vielecke mit einer beliebigen Anzahl von Seiten geformt sein, die von gleicher oder ungleicher Länge sein können. Die Spulen können in bestimmten Abschnitten gerade und/oder in bestimmten Abschnitten gekrümmt sein. Die Spulen 1648, 1656 können in einer ebenen Ausführung angebracht sein. Alternativ dazu können die Spulen 1648, 1656 so angeordnet sein, dass Abschnitte der Spulen in unterschiedlichen Ebenen liegen.
Die Spulen 1648, 1656 bilden zusammen einen wenig dicht gepackten Transformator, wobei die äußere Spule 1648 als eine Primärwicklung und die innere Spule 1656 als eine Sekundärwicklung wirksam ist. Die Spulen 1648, 1656 und die Kondensatoren 1652, 1660, mit denen sie verbunden sein können, können einen Resonanzkreis bilden. Die Spulen 1648, 1656 können auf gleiche oder unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt werden. Zum Beispiel können die Spulen 1648, 1656 der Reihe nach auf eine Leistungsübertragungsfrequenz von etwa 200 kHz abgestimmt werden. Die äußere Spule 1648 kann in der inneren Spule 1656 einen elektrischen Strom aufnehmen, der sich im Allgemeinen entsprechend der folgenden Gleichung verhält:
In Gleichung (1) ist I₁ der in der äußeren Resonanzspule 15 induzierte Strom. I₂ ist der in dem inneren Spulennetzwerk 17 induzierte Strom. V₁ ist die Spannung über dem äußeren Resonanznetzwerk 15. V₂ ist die Spannung über dem inneren Resonanznetzwerk 17. ω ist die Frequenz der Spannung über den Spulen 1648, 1656, wobei die Spulennetzwerke auf die gleiche Frequenz ω abgestimmt sind. L₁ ist die Induktivität der äußeren Spule 1648. L₂ ist die Induktivität der inneren Spule 1656. k ist der Kopplungsfaktor.
Die externe Baueinheit 1504 befindet sich auf der Außenseite der Haut 1664 der Versuchsperson und enthält das äußere Spulennetzwerk 15. Die externe Baueinheit 1504 enthält zusätzlich das Steuer- und Stromquellenmodul 12, welches allgemein in 1 dargestellt ist. Wie es in 5 gezeigt ist, umfasst das Steuer- und Stromquellenmodul 12 verschiedene Bauelemente, die die Batterie 24, den ersten Prozessor 130 und den Stromwechselrichter 148 einschließen. Diese Bauelemente spielen jeweils eine Rolle in dem drahtlosen Leistungsübertragungssystem 11 und sind an sich wiederum in 15, 16 und 18 dargestellt. Andere Bauelemente des Teils des Steuer- und Stromquellenmoduls 12 der äußeren Baueinheit 1504 sind der Deutlichkeit halber in 15, 16 und 18 weggelassen.
Mit Bezug auf 15 und 16A–C enthält die externe Baueinheit 1504 die Stromversorgung 24, die allgemein Strom in Form von Gleichspannung zur Verfügung stellt. In einigen Ausführungsformen ist die Stromversorgung 24 eine tragbare Batterie oder ein Batteriepack, die Gleichspannung von zwischen 10 und 18 Volt bereitstellt. Die externe Baueinheit 1504 enthält außerdem den Stromwechselrichter 148, der an die Stromverbindung 146 über ein Paar Leitungen 1604, 1608 angeschlossen werden kann. Die Strom-verbindung 146 liefert Gleichstrom von einer Vielzahl möglicher Quellen, einschließlich der Batterien 24 oder 80 oder einer äußeren Gleichstromquelle an den Stromwechselrichter 148, der die Gleichspannung in eine Hochfrequenzspannung umwandelt. Die Hochfrequenzspannung wird dem äußeren Resonanznetzwerk 15 über ein Paar von Leitern 1612, 1616 zugeführt. Zum Abtasten des in dem Leiter 1616 fließenden elektrischen Stroms kann ein Stromsensor 1620 verwendet werden. Der Stromsensor 1620 keine ausgeführt sein, um entweder die Größe oder sowohl Größe und Phase des elektrischen Stroms in dem Leiter 1616 abzutasten. Der erste Prozessor 130 kann über einen Leiter 1624 mit dem Stromsensor 1620 verbunden werden und zur Steuerung des Betriebs der Leistungsbrücke 148 basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften des durch den Sensor 1620 abgetasteten Stroms verwendet werden. Der erste Prozessor 130 kann außerdem ausgeführt werden, um die Spannung V_in zu steuern, die durch die Stromverbindung 146 bereitgestellt wird. Das äußere Spulennetzwerk 15, das der Haut 1664 der Versuchsperson benachbart angeordnet ist, überträgt elektrische Leistung durch die Haut 1664 der Versuchsperson an das unter der Haut 1664 der Versuchsperson angeordnete innere Spulennetzwerk 17.
Die interne Baueinheit 1508 ist unter der Haut 1664 der Versuchsperson angeordnet und enthält das innere Spulennetzwerk 17. Die interne Baueinheit 1508 enthält außerdem das innere Reglermodul 21, welches im Allgemeinen in 1 dargestellt ist. Wie erwähnt, ist das innere Reglermodul 21 allgemein so ausgelegt, um Leistungsübertragung, die über dem äußeren Resonanznetzwerk 15 und dem inneren Resonanznetzwerk 17 auftritt, zu bewerkstelligen und der implantierten Pumpe 14 Leistung zuzuführen. Das innere Reglermodul 21 enthält verschiedene Komponenten wie etwa einen Leistungskreis und einen Gleichrichter, die in 15 und 16 ausführlicher dargestellt sind. So ist das innere Spulennetzwerk 17, wie in 15 gezeigt, über ein Paar von Leitern 1628, 1632 an einen Leistungskreis 1532 angeschlossen. Der Leistungskreis 1532 enthält einen Gleichrichter 1652, der eine Doppelweggleichrichtung des in der inneren Spule 1656 durch die äußere Spule 1648 induzierten, sinusförmigen Wechselstroms durchführt.
In einer Ausführungsform enthält der Gleichrichter 1652 vier Schaltelemente, die in Form von Dioden oder Schottky-Dioden vorgesehen sein können. Während einer ersten Hälfte des Wechselstromzyklus bewirkt ein erstes Paar Dioden eine Leiterbahn von Masse nach oben, durch die innere Spule 1656 und heraus zu dem Leiter 1628. Während einer zweiten Hälfte des Wechselstromzyklus bewirkt ein zweites Paar Dioden eine Leiterbahn von Masse nach oben, durch die innere Spule 1665 und heraus zu dem Leiter 1628. Auf diese Weise wandelt der Gleichrichter 1652 die durch das interne Netzwerk 17 bereitgestellte Wechselstromleistung um in Gleichstromleistung, die durch verschiedene Bauelemente der inneren Baueinheit 1508 verwendet werden kann.
Der Leistungskreis 1532 enthält zusätzlich einen Regler 1556, der die durch den Gleichrichter 1652 zugeführte Leistung regelt. Der Regler 1556 führt der Steuereinheit 1536 und anderen Elementen elektrische Leistung über ein Paar von Leitern 1640, 1644 zu. Die Steuereinheit 1536 kann den Betrieb der Herzpumpe 14 steuern. Die Stromleiter 1640, 1644 führen außerdem elektrische Leistung einem Motorwechselrichter zu, der die Herzpumpe 14 durch die Steuereinheit 1536 mit Strom versorgt. Der Regler 1556 kann ein Nebenschlussregler sein, der einen Stromversorgungskondensator wiederholt auflädt und entlädt. In anderen Ausführungen können andere Reglertypen wie etwa Serienregler genutzt werden. In einer Ausführungsform ist der Stromversorgungskondensator ein Bauelement des Ladekreises 1544. Die Spannung über dem Stromversorgungskondensator wird über die Leitungen 1640, 1644 an die Steuereinheit 1536 ausgegeben und kann umgewandelt werden, um dem implantierten, medizinischen Gerät, wie etwa der Herzpumpe 14, Strom zuzuführen.
Bei Betrieb steuert die Motorsteuereinheit 1536 die Herzpumpe 14, um Blut durch die künstliche Herzeinheit zu pumpen, entnimmt aus dem Stromversorgungskondensator, der dem Ladekreis 1544 zugeordnet ist, elektrischen Strom. Wenn von dem Kondensator Strom entnommen wird, nimmt die Spannung über dem Kondensator ab. Um die Spannung an dem Kondensator zu ergänzen, arbeitet der Leistungskreis 1532 periodisch in einem Stromversorgungsmodus, bei dem der durch den Gleichrichter 1652 erzeugte elektrische Strom für den Kondensator über die Leitungen 1640, 1644 bereitgestellt wird. Wenn der Leistungskreis 1532 nicht im Stromversorgungsmodus arbeitet, arbeitet er in einem Leerlaufmodus, bei dem dem Kondensator kein Strom zugeführt wird.
Im Fall eines Nebenschlussreglers 1556 kann das Kurzschließen der resonanten Sekundärseite 17 durch einen oder mehrere Kurzschlussschalter 1672 ausgeführt werden, die arbeiten, um den Leistungskreis 1532 zwischen dem Stromversorgungsmodus und dem Leerlaufmodus umzuschalten. Im Stromversorgungsmodus öffnen die Kurzschlussschalter 1672, damit Strom aus dem inneren Resonanznetzwerk 17 durch den Gleichrichter 1652 und heraus zu dem Leiter 1640/1644 fließen kann. Im Leerlaufmodus schließen die Kurzschlussschalter 1672, um das interne Resonanznetzwerk 17 kurzzuschließen, so dass Strom nur innerhalb des Resonanznetzwerks 228 anstatt heraus zu den Leitungen 1640/1644 fließt.
Die Größe der Ausgangsspannung über dem Stromversorgungskondensator, der dem Reglerkreis 1556 zugeordnet ist, kann steuern, ob Kurzschlussschalter 1672 geöffnet oder geschlossen sind und somit, ob der Leistungskreis 1532 im Stromversorgungsmodus oder im Leerlaufmodus arbeitet. Wenn zum Beispiel die Ausgangsspannung unter einen bestimmten Wert abfällt, öffnen die Kurzschlussschalter 1672, und der Leistungskreis 1532 arbeitet im Stromversorgungsmodus. Wenn die Ausgangsspannung auf einen bestimmten Wert steigt, schließen die Kurzschlussschalter 1672, und der Stromversorgungskreis 1532 arbeitet im Leerlaufmodus. Dadurch, dass dem Stromversorgungskondensator nur während bestimmter Zeiten Strom selektiv zugeführt wird (d. h. im Stromversorgungsmodus), wird die Spannung über dem Kondensator geregelt oder innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereiches, wie zum Beispiel zwischen etwa 13 und etwa 14 Volt, aufrechterhalten.
In einer Ausführungsform sind die Kurzschlussschalter 1672 als ein Paar von Schalttransistoren wie etwa Feldeffekttransistoren, ausgeführt, obwohl jede geeignete Struktur verwendet werden kann. Zum Beispiel können die Kurzschlusstransistoren 1672 ausgeführt werden, indem bipolare Sperrschichttransistoren und so weiter verwendet werden. Die Schalttransistoren können so ausgeführt sein, um mit dem Gleichrichter 1652 zugeordnete Dioden in einem leitenden Zustand kurz zu schließen und dies in einem nicht leitenden Zustand nicht zu tun. Ein Schaltsteuerkreis kann den leitenden Zustand der Schalttransistoren auf der Basis der Ausgangsspannung über dem dem Regelkreis 1556 zugeordneten Stromversorgungskondensator steuern. Wenn sich die Ausgangsspannung über einem bestimmten Wert befindet, schaltet der Steuerkreis die Schalttransistoren ein, um dem Gleichrichter 1652 zugeordnete Dioden kurzzuschließen. Hierbei fließt ein Strom durch das interne Resonanznetzwerk 17 und durch die leitenden Transistoren. Wenn sich die Ausgangsspannung unter einem bestimmten Wert befindet, schaltet der Steuerkreis die Schalttransistoren aus, so dass die dem Gleichrichter 1652 zugeordneten Dioden nicht kurz geschlossen sind. Hierbei kann Strom aus dem inneren Resonanznetzwerk 17 durch den Gleichrichter 1652 und heraus zu dem Leiter 1640/1644 fließen.
Die externe Baueinheit 1504 kann auf das Umschalten der inneren Baueinheit zwischen dem Stromversorgungsmodus und dem Leerlaufmodus ansprechen. Wie oben erwähnt, enthält die externe Baueinheit einen ersten Prozessor 130, der zur Steuerung der Funktion des Stromwechselrichters 148 basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften des durch den Sensor 1620 abgetasteten Stroms verwendet werden kann. In dieser Hinsicht kann der erste Prozessor 130 die Frequenz ändern, bei welcher der Stromwechselrichter 148 arbeitet, um während des Leerlaufmodus elektrische Leistung zu schonen. Während des Leerlaufmodus, wenn dem Kondensator, der dem Ladekreis 1544 zugeordnet ist, kein elektrischer Strom zugeführt wird, wird die der inneren Spule 1656 durch die äußere Spule 1648 übertragene Leistung reduziert, um Leistung zu schonen. Dies wird erreicht, indem die Frequenz, bei der der Stromwechselrichter 148 arbeitet, verändert wird.
Wie oben erwähnt, können die inneren und äußeren Spulen 1648, 1656 auf eine Leistungsübertragungsfrequenz, wie etwa 200 kHz, abgestimmt werden. Folglich wird der Stromwechselrichter 148, wenn gewünscht ist, Leistung an die innere Spule 1656 zu übertragen, mit der Leistungsübertragungsfrequenz betrieben, auf die er abgestimmt ist. Wenn es jedoch notwendig ist, eine bedeutende Strommenge zu übertragen, wie beim oben genannten Leerlaufmodus, wird die Frequenz des Stromwechselrichters 148 verändert. Die Frequenz, bei der der Stromwechselrichter 148 während des Stromversorgungsmodus arbeitet, kann auf eine ungerade harmonische Unterschwingung dieser Frequenz während des Leerlaufmodus verändert werden. Zum Beispiel kann die Leerlaufmodusfrequenz 1/3, 1/5, 1/7, 1/9 der Stromversorgungsfrequenz sein. Die Größe der in die innere Spule 1656 übertragenen Leistung verändert sich mit der Leerlaufmodusfrequenz, wobei mit der siebenten harmonischen Unterschwingung weniger Leistung übertragen wird (d. h. 1/7 der Stromversorgungsmodusfrequenz oder 28,6 kHz, wenn die Leistungsübertragungsfrequenz 200 kHz beträgt) als mit der dritten harmonischen Unterschwingung (d. h. 1/3 der Stromversorgungsmodusfrequenz). Weil ungerade, harmonische Unterschwingungen einer Trägerfrequenz entsprechend der Fourieranalyse noch einige Komponenten der Trägerfrequenz enthalten, wird die Verwendung einer ungeraden, harmonischen Unterschwingung der Frequenz des Stromversorgungsmodus während des Leerlaufmodus noch zu einiger Leistung führen, die in die innere Spule 1656 zu übertragen ist, was im Allgemeinen wünschenswert ist.
18A–C sind Schaltpläne, die eine Ausführung des Wechselrichters 148 zeigen. 18A entspricht dem Schaltplan von 16A, bei dem die induktive Spule 1648 direkt mit dem Wechselrichter 148 durch den Kondensator 1652 verbunden ist. 18B–C entsprechen den Schaltplänen von 16B–C, in denen die induktive Spule 1648 einen Teil der Stelltransformatoreinzelspule 1676 bildet. Wie es in 18A–C gezeigt ist, kann der Stromwechselrichter 148 vier Transistoren 1804, 1808, 1812, 1816 aufweisen, die in einer H-Brückenausführung verbundene Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sein können. Die vier Transistoren 1804, 1808, 1812, 1816 können das äußere Spulennetzwerk 15 durch den Leiter 1612 ansteuern. Jeder der Transistoren 1804, 1808, 1812, 1816 kann durch ein jeweiliges Hochfrequenzansteuerungssignal gesteuert werden, das im Leiter 1668 bereitgestellt wird, wobei zwei der Ansteuerungssignale um 180° phasenverschoben sind, oder bezüglich der anderen zwei über einen Wechselrichter 1820 komplementiert werden. Die Ansteuerungssignale können Rechteckwellen mit einem Arbeitszyklus von 50% sein, die bei einer Frequenz von zum Beispiel etwa 200 kHz bereitgestellt werden. Obwohl oben ein spezieller Typ von Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler beschrieben wurde, kann jeder Typ eines elektronischen Schaltnetzwerks verwendet werden, das eine Hochfrequenzspannung erzeugt. Zum Beispiel kann der Stromwechselrichter 148 als eine Alternative zu der H-Brückenausführung Transistoren aufweisen, die in einer Halbbrückenkonfiguration der Spannungsquelle oder in einer Stromquellenausführung oder in einer Spannungsquellenausführung mit DE-Klassenverstärker angeordnet sind.
Der Stromwechselrichter 148 kann mit dem ersten Prozessor 130 verbunden sein, um den Betrieb des Stromwechselrichters 148 basierend auf einer oder mehreren Charakteristiken des durch den Sensor 1620 abgetasteten Stroms zu steuern. Mit Bezug auf 16A–C kann der Stromwechselrichter 148 mit dem ersten Prozessor 130 durch den Leiter 1668 verbunden sein. Der erste Prozessor 130 kann wiederum mit dem Stromsensor 1620 über die Leitung 1624 verbunden sein. Mit Bezug auf 18A–C kann der erste Prozessor 130 bestimmte Vorverarbeitungsschaltkreise 1824, die auf dem Stromsignal arbeiten, und einen Prozessor 1826 enthalten, der einen durch den Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 erzeugten Eingang basierend auf dem Stromsignal empfängt. Die Vorverarbeitungsschaltkreise 1824 können Schaltkreise einschließen, die solche Funktionen als Strom-Spannungs-Umwandlung, Entkopplungserfassung, Interferenzerfassung und Kurzschließ-/Nichtkurzschließerfassung und so weiter ausführen.
In einer Ausführungsform kann der Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 konfiguriert werden, um eine Spannung zu erzeugen, die die Größe des durch die äußere Spule 1648 fließenden Stroms anzeigt, wobei der durch die äußere Spule 1648 fließende Strom proportional der Spannung über der inneren Spule 1656 ist. Während des Leerlaufmodus sind die Kurzschlussschalter 1672 geschlossen, was bewirkt, dass die Spannung über dem inneren Spulennetzwerk 17 bedeutend abnimmt. Diese Spannungsabnahme bewirkt, dass der Strom in der äußeren Spule 1648 entsprechend Gleichung (1) bedeutend verringert ist. Folglich nimmt die durch den Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 erzeugte Spannung bedeutend ab, wenn sich der Leistungskreis 1532 im Leerlaufmodus befindet.
Der Ausgang des ersten Prozessors 130 kann konfiguriert werden, um den Stromwechselrichter 148 bei unterschiedlichen Frequenzen abhängig von der Spannung anzusteuern, die von dem Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 empfangen wird. In einer Ausführungsform kann der Ausgang des Leistungssteuerungsmoduls 140 durch den Prozessor 1826 bereitgestellt werden, der einen auf den Eingang vom Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 reagierenden Ausgang bewirkt. Wenn der Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 eine Spannung erzeugt, die nicht verringert ist, anzeigt, dass sich der Leistungskreis 1532 im Stromversorgungsmodus befindet, kann der Ausgang des ersten Prozessors 130 den Stromwechselrichter 148 bei einer ersten Frequenz, wie etwa 200 kHz, ansteuern. Wenn der Vorverarbeitungsschaltkreis 1824 eine verringerte Spannung erzeugt, die anzeigt, dass sich der Leistungskreis 1532 im Leerlaufmodus befindet, kann der Ausgang des ersten Prozessors 130 die Leistungsbrücke 148 bei einer zweiten Frequenz ansteuern, die eine ungerade, harmonische Unterschwingung der während des Stromversorgungsmodus erzeugten Frequenz ist.
18D–F sind schematische, grafische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der äußeren Baueinheit 1504. Jede Ausführung umfasst mindestens einen Überstromerfassungsschaltkreis 1832, der das System vor zu hohen Stromgrößen schützt. 18D zeigt eine Ausführung, so wie in 16A, bei der das externe Resonanznetzwerk 15 direkt mit dem Wechselrichter 148 verbunden ist. 18E zeigt eine Ausführung, so wie in 16B–C, bei der das externe Resonanznetzwerk 15 mit dem Wechselrichter 148 durch eine Stelltransformatoreinzelspule 1676 verbunden ist. 18F zeigt eine Ausführung, die einen Spannungsregler 1836 umfasst, der zur Änderung der Spannungshöhe des dem Wechselrichter 148 zugeführten Eingangssignals verwendet werden kann.
Jede der grafischen Darstellungen von 18D–F enthält eine ausführliche Darstellung des ersten Prozessors 130. Wie erwähnt ist, kann der erste Prozessor 130 einen Prozessor 1826 enthalten, der von einem oder mehreren Vorverarbeitungschaltkreisen 1824 einen Eingang empfängt. Wie in 18D–18F gezeigt wird, können die Vorverarbeitungsschaltkreise 1824 einen Stromabtast- und Signalaufbereitungsschaltkreis 1840 umfassen. Der Stromabtast- und Signalaufbereitungsschaltkreis 1836 kann ausgelegt sein, um den Ausgang des Stromsensors 1620 zu empfangen und dieses Stromsignal in ein Spannungssignal zur Verwendung durch den Prozessor 1826 und/oder andere Komponenten des Vorverarbeitungsschaltkreises umzuwandeln. Andere Komponenten des Vorverarbeitungsschaltkreises 1824 können zum Beispiel einen Sekundärschaltkreis zur Kurzschlusserfassung 1844, einen Entkopplungserfassungsschaltkreis 1848 und/oder einen Phasenerfassungsschaltkreis 1852 enthalten.
Der Sekundärschaltkreis zur Kurzschlusserfassung 1844 kann ausgelegt sein, um das durch den Stromabtast- und Signalaufbereitungsschaltkreis 1840 erzeugte Spannungssignal zu empfangen. Basierend auf diesem Eingangssignal kann der Sekundärschaltkreis 1844 ein Signal erzeugen, das anzeigt, wann der sekundäre Resonanzkreis kurz geschlossen oder nicht kurz geschlossen ist. Spezieller kann der Sekundärschaltkreis zur Kurzschlusserfassung 1844 ausgelegt sein, um Spannungshöhen zu detektieren, die anzeigen, ob die Sekundärseite im Stromversorgungsmodus oder im Leerlaufmodus arbeitet. Als Reaktion auf den durch den Kurzschlusserfassungsschaltkreis 1844 gelieferten Ausgang kann der Prozessor 1826 ausgelegt sein, um den Wechselrichter 148 bei einem Leistungspegel anzusteuern, der mit den Leistungsanforderungen der Sekundärseite übereinstimmt.
Der Entkopplungserfassungsschaltkreis 1848 kann so ausgelegt sein, um das durch den Stromabtast- und Signalaufbereitungsschaltkreis 1840 erzeugte Spannungssignal zu empfangen. Basierend auf diesem Eingangssignal kann der Entkopplungserfassungsschaltkreis 1848 ein Signal erzeugen, wenn und in welchem Ausmaß die Primärseite und Sekundärseite entkoppelt sind. Als Reaktion auf den vom Kurzschlusserfassungsschaltkreis 1848 bereitgestellten Ausgang kann der Prozessor 1826 ausgelegt sein, um eine oder mehrere Maßnahmen zur Abschwächung der Entkopplung zu ergreifen. Erfassung und Berechnung der Entkopplung werden nachstehend in Verbindung mit 21 und 22 näher erörtert. Die Maßnahmen des Prozessors 1826, die eine Entkopplung abschwächen, werden in Verbindung mit 24–37 erörtert.
Der Phasenerfassungsschaltkreis 1852 kann so ausgelegt sein, um das durch den Stromabtast- und Signalaufbereitungsschaltkreis 1840 erzeugte Spannungssignal zu empfangen. Der Phasenerfassungsschaltkreis 1852 kann zusätzlich so ausgelegt sein, um Spannung und/oder Strom des Ansteuerungssignals, das dem Wechselrichter 148 durch den Prozessor 1826 geliefert wird, abzutasten. Wenn ein störender Gegenstand zwischen der Sekundärseite und der Primärseite vorhanden ist, kann zwischen diesen beiden, in dem Phasenerfassungsschaltkreis 1852 empfangenen Eingangssignalen, Phasenverschiebung auftreten. Dieser Phasenerfassungsschaltkreis 1852 kann folglich so ausgelegt sein, um diese Phasenverschiebung abzutasten, und indem so verfahren wird, das Vorhandensein des störenden Gegenstands zu detektieren. Dieser Erfassungsvorgang wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
SKALIERBARE LEISTUNGS- UND KOPPLUNGSBETRIEBSARTEN
Das System 11 kann so ausgelegt sein, um zwischen einer Anzahl Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umzuschalten, wenn von der äußeren Primärseite zur implantierten Sekundärseite Leistung übertragen wird. Das System 11 kann Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten durch vom ersten Prozessor 130 oder anderen geeigneten Komponenten auf der Primärseite des Systems 11 gelieferte Steuereingänge ändern. Wie oben beschrieben ist, kann der erste Prozessor 130 ausgelegt sein, um den Leistungsausgang durch die Primärseite des Systems 11 basierend auf dem Eingang, der anzeigt, ob der Leistungsschaltkreis 1532 auf der Sekundärseite im Stromversorgungs- oder Leerlaufmodus arbeitet, umzuschalten. Zusätzlich zu dieser Funktionsfähigkeit kann der erste Prozessor 130 außerdem ausgelegt sein, um das System 11 in andere skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten umzuschalten, die einem Eingang wie etwa Daten aus Übertragungskanälen, programmierten Zeitgebern und/oder Systemüberwachungsparametern und Berechnungen zugrunde liegen.
In einigen Ausführungen kann das System 11 Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten durch die Funktion einer Stelltransformator-Topologie ändern. Hierbei kann das System 11 eine Stelltransformatoreinzelspule 1676 enthalten, wie es in 16B–C und 18B–C veranschaulicht ist. Der erste Prozessor 130 kann ausgelegt sein, um Steuereingänge an die Schalter 1698 zu liefern, von denen jeder einem speziellen Schenkel 1692 der Stelltransformatoreinzelspule 1676 zugeordnet ist. Durch Betätigung der Schalter 1698 kann der erste Prozessor 130 arbeiten, um die verschiedenen Transformatorschenkel 1692 getrennt und unabhängig voneinander in und aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 zu schalten. Indem so verfahren wird, kann der erste Prozessor 130 das System 11 zwischen unterschiedlichen Leistung- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten.
Folglich kann das System 11 für skalierbare Leistungsbetriebsarten ausgelegt werden, wobei der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten kann, um höhere Leistungsgrößen durch Einschalten von zusätzlichen Transformatorschenkeln 1692 zu liefern. Ähnlich kann der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten, um geringere Leistungsgrößen durch Ausschalten zusätzlicher Transformatorschenkel 1692 zu liefern. Alternativ dazu oder in Kombination kann das System 11 für skalierbare Kopplungsbetriebsarten ausgelegt werden, wobei der erste Prozessor 130 das System umschalten kann, um mit höheren Kopplungsgrößen zu arbeiten, indem zusätzliche Transformatorschenkel 1692 eingeschaltet werden. Ebenso kann der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten, um mit kleineren Kopplungsgrößen zu arbeiten, indem Transformatorschenkel 1692 ausgeschaltet werden.
Das System 11 kann außerdem Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten ändern, indem zwischen unterschiedlichen harmonischen Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz oder inmitten dieser geschaltet wird. Wie es oben erwähnt ist, kann der erste Prozessor 130, wenn der Leistungskreis 1532 auf der Sekundärseite im Leerlaufmodus arbeitet, den Wechselrichter 148 mit einer ungeraden, harmonischen Unterschwingung der Leistungsübertragungsfrequenz, auf welche die Spulen 1648, 1656 abgestimmt sind, ansteuern. Zusätzlich zu dieser Funktionsfähigkeit kann der erste Prozessor 130 ausgelegt sein, um den Wechselrichter 148 mit unterschiedlichen harmonischen Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz anzusteuern, um das System 11 zwischen unterschiedlichen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umzuschalten.
19 ist eine Kurve 1900, die andere harmonische Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz für ein beispielhaftes System 11 veranschaulicht. Die Kurve 1900 vergleicht die Leistungsübertragungsfrequenz (auf der x-Achse dargestellt) mit dem Leistungsausgang als einen Bruch des Leistungsausgangs mit der Grundschwingung (auf der y-Achse dargestellt). Die Kurve 1900 schließt die Grundschwingung 1904 der Leistungsübertragungsfrequenz 1904 ein. Wie erwähnt ist, entspricht die Grundschwingung 1904 der Leistungsübertragungsfrequenz, auf welche die Spulen 1648, 1656 abgestimmt sind. Beispielhaft und ohne Einschränkung enthält die Kurve 1900 außerdem zwei harmonische Unterschwingungen 1908, 1912 der Grundschwingung 1904. In Übereinstimmung mit der hier erörterten Ausführungsform entsprechen die harmonischen Unterschwingungen 1908, 1912 unterschiedlichen Leistung- oder Kopplungsbetriebsarten des Systems. Nach anderen Ausführungen kann das System 11 bei mehr als zwei harmonischen Unterschwingungen arbeiten und so eine größere Anzahl skalierbarer Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten besitzen.
Folglich kann das System 11 für skalierbare Leistungsbetriebsarten ausgelegt werden, wobei der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten kann, um höhere Leistungsgrößen zu liefern, indem der Wechselrichter 148 geschaltet wird, um mit einer höheren harmonischen Unterschwingung der Leistungsübertragungsfrequenz zu arbeiten. Ebenso kann der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten, um kleinere Leistungsgrößen zu liefern, indem der Wechselrichter 148 geschaltet wird, um mit einer niedrigeren harmonischen Unterschwingung der Leistungsübertragungsfrequenz zu arbeiten. Alternativ dazu oder in Kombination kann das System 11 für skalierbare Kopplungsbetriebsarten ausgelegt werden, wobei der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten kann, um mit höheren Kopplungsgrößen zu arbeiten, indem der Wechselrichter 148 geschaltet wird, um bei einer höheren harmonischen Unterschwingung der Leistungsübertragungsfrequenz zu arbeiten. Ebenso kann der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten, um mit niedrigeren Kopplungsgrößen zu arbeiten, indem der Wechselrichter 148 geschaltet wird, um mit einer niedrigeren harmonischen Unterschwingung der Leistungsübertragungsfrequenz zu arbeiten.
Das System 11 kann außerdem Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten durch die Funktion eines phasenverschobenen Brückenreglers ändern. Wie es oben beschrieben ist, kann der Wechselrichter 148 als eine Anzahl von Transistoren ausgeführt sein, die in einer H-Brücke oder anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sind. In einem System, das einen phasenverschobenen Brückenregler realisiert, wird die Amplitude der Eingangsspannung in dem Resonanzkreis verändert, indem der Arbeitszyklus der Rechteckspannung aus dem Treiber gewechselt wird. In einer Vollbrückenausführung wird der Arbeitszykluswechsel ausgeführt, indem die zeitliche Steuerung der Verschiebung der linken Halbbrücke relativ zur rechten Halbbrücke verschoben wird, wobei im Normalbetrieb mit 50-prozentigem Arbeitszyklus die linke und die rechte Seite immer komplementär sind. In einer Halbbrückenausführung wird der Arbeitszykluswechsel direkt ausgeführt.
Somit kann das System 11 für skalierbare Leistungsbetriebsarten ausgelegt werden, wobei der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten kann, um höhere Leistungsgrößen zu liefern, indem die durch den Wechselrichter 148 erzeugten Spannungs- und Stromsignale phasengleicher verschoben werden. Ebenso kann der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten, um kleinere Leistungsgrößen zu liefern, indem die durch den Wechselrichter 148 erzeugten Spannungs- und Stromsignale weniger phasengleich verschoben werden. Alternativ dazu oder in Kombination kann das System 11 für skalierbare Kopplungsbetriebsarten ausgelegt werden, wobei der erste Prozessor 130 das System 11 umschalten kann, um mit höheren Kopplungsgrößen zu arbeiten, indem die durch den Wechselrichter 148 erzeugten Spannungs- und Stromsignale phasengleicher verschoben werden. Ebenso kann der erste Prozessor 130 das System umschalten, um mit niedrigeren Kopplungsgrößen zu arbeiten, indem die durch den Wechselrichter 148 erzeugten Spannungs- und Stromsignale weniger phasengleich verschoben werden.
Das System 11 kann für skalierbare Leistungsbetriebsarten ausgelegt werden, so dass es in einer Vielzahl von diskreten Leistungsbetriebsarten arbeiten kann. Das System 11 kann eine beliebige Anzahl von diskreten Leistungsbetriebsarten enthalten, wobei die Anzahl diskreter Leistungsbetriebsarten von der speziellen Ausführung abhängig sein kann. Zum Beispiel kann das System 11 zwei diskrete Leistungsbetriebsarten, drei diskrete Leistungsbetriebsarten, vier diskrete Leistungsbetriebsarten, und so weiter einschließen. Die Anzahl von diskreten Leistungsbetriebsarten in einem speziellen System 11 kann der Anzahl unterschiedlicher diskreter Ausführungen entsprechen, in die das System 11 umgeschaltet werden kann. In einem System 11, das eine Stelltransformator-Topologie realisiert, kann die Anzahl von diskreten Leistungsbetriebsarten der Anzahl unterschiedlicher, möglicher Kombinationen einzelner Transformatorschenkel 1692 entsprechen, die in die oder aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 verschoben werden. Bei einem System 11, das zwischen unterschiedlichen harmonischen Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz oder inmitten dieser schaltet, kann die Anzahl diskreter Leistungsbetriebsarten der Anzahl unterschiedlicher, möglicher harmonischer Unterschwingungen entsprechen, in denen Leistung übertragen werden kann. In einem System 11, das einen phasenverschobenen Brückenregler realisiert, kann die Anzahl von diskreten Leistungsbetriebsarten der Anzahl von unterschiedlichen, möglichen Phasenverschiebungen entsprechen, die durch den phasenverschobenen Brückenregler ausgeführt werden können.
Das System 11 kann für skalierbare Kopplungsbetriebsarten ausgelegt werden, so dass es in einer Vielzahl von diskreten Kopplungsbetriebsarten arbeiten kann. Das System 11 kann eine beliebige Anzahl von diskreten Kopplungsbetriebsarten enthalten, wobei die Anzahl diskreter Kopplungsbetriebsarten von der speziellen Ausführung abhängig sein kann. Zum Beispiel kann das System 11 zwei diskrete Kopplungsbetriebsarten, drei diskrete Kopplungsbetriebsarten, vier diskrete Kopplungsbetriebsarten, und so weiter umfassen. Die Anzahl diskreter Kopplungsbetriebsarten in einem speziellen System 11 kann der Anzahl von unterschiedlichen, diskreten Ausführungen entsprechen, in die das System 11 umgeschaltet werden kann. In einem System 11, das eine Stelltransformator-Topologie realisiert, kann die Anzahl diskreter Kopplungsbetriebsarten der Anzahl unterschiedlicher, möglicher Kombinationen einzelner Transformatorschenkel 1692 entsprechen, die in die oder aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 verschoben werden. In einem System 11, das zwischen unterschiedlichen, harmonischen Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz oder inmitten dieser schaltet, kann die Anzahl von diskreten Kopplungsbetriebsarten der Anzahl unterschiedlicher, möglicher harmonischer Unterschwingungen entsprechen, in denen Leistung übertragen werden kann. In einem System 11, das einen phasenverschobenen Brückenregler realisiert, kann die Anzahl diskreter Kopplungsbetriebsarten der Anzahl unterschiedlicher, möglicher Phasenverschiebungen entsprechen, die durch den phasenverschobenen Brückenregler ausgeführt werden können.
20 ist ein Kurvenbild 2000, das den Betrieb eines Systems 11 darstellt, das beispielhaft zwei Kopplungsbetriebsarten ausführt. Das Kurvenbild 2000 vergleicht die Kopplungsgröße (auf der x-Achse dargestellt) mit der Größe von durch die Sekundärseite abgegebener Wirkleistung (auf der y-Achse dargestellt). Das Kurvenbild 2000 umfasst eine erste Kurve 2004, die die zugeführte Leistung über einen breiten Bereich von Kopplungsgrößen für einen ersten Kopplungsmodus darstellt. Das Kurvenbild 2000 enthält außerdem eine zweite Kurve 2008, die die zugeführte Leistung über einen breiten Bereich von Kopplungsgrößen für einen zweiten Kopplungsmodus darstellt. Die den beiden Kurven 2004, 2008 entsprechenden zwei Kopplungsbetriebsarten können ausgeführt werden, indem ein beliebiger geeigneter Mechanismus einschließlich einer Stelltransformator-Topologie, einer subharmonischen Leistungsübertragung, eines phasenverschobenen Brückenreglers, und so weiter verwendet wird. Wie in 20 gezeigt wird, beginnt die Größe von durch die Sekundärseite abgegebener Wirkleistung schnell zuzunehmen, wenn die Kopplungsgröße auf etwa 0,1 bis 0,05 abfällt. Das ist der Tatsache zuzuschreiben, dass eine schwache Kopplung zu größeren Verlusten von I²R und größerem Verbrauch von Wirkleistung führt. Dieser kann zu einer unerwünschten Erwärmung auf der Sekundärseite führen. Auf einer gegebenen Kurve 2004, 2008 kann sich die Größe einer Kopplung als eine Funktion des Trennungsabstandes zwischen den Spulen 1648, 1656 ändern. Insbesondere ergeben größere Trennungsabstände kleinere Kopplungsgrößen. Folglich bewegt sich der Arbeitspunkt des Systems in 20 weiter nach links, wenn die Trennung zwischen den Spulen 1648, 1656 zunimmt. Hierbei bewegt sich der Arbeitspunkt entweder entlang der ersten Kurve 2004 oder der zweiten Kurve 2008, abhängig davon, ob das System 11 im ersten oder zweiten Kopplungsmodus arbeitet. Unter Verwendung von Informationen wie sie etwa in 20 bereitgestellt werden, kann das System 11 programmiert werden, um einen erweiterten Kopplungsbereich zu realisieren. Um den Kopplungsbereich zu erhöhen, kann das System 11 speziell entlang der ersten Kurve 2004 für einen ersten Bereich von Trennungen der Spule 1648, 256 und entlang einer zweiten Kurve 2008 für einen zweiten Bereich von Trennungen der Spule 1648, 256 arbeiten.
REGLEREINGABEN UND SYSTEMÜBERWACHUNG
Der erste Prozessor 130 kann ausgelegt sein, um das System 11 in verschiedene skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten umzuschalten, basierend auf einer Eingabe wie etwa Daten von Übertragungskanälen, programmierten Zeitgebern und/oder Systemüberwachungsparametern und Berechnungen. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann das System 11 einen oder mehrere Übertragungskanäle enthalten, die zum Übertragen von Daten von der Sekundärseite zurück zu der Primärseite genutzt werden können. Diese Daten können als Eingabe in den ersten Prozessor 130 geliefert werden, der anschließend das System 11 in verschiedene skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten auf der Basis dieser Daten umschalten kann. Das System kann außerdem programmierbare Zeitgeber enthalten, die zur Verfolgung der Größe der Zeit verwendet werden können, die seitdem Auftreten eines speziellen Ereignisses vergangen ist. Daten von diesen Zeitgebern können als Eingabe dem ersten Prozessor 130 geliefert werden, der das System 11 anschließend in verschiedene skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten, auf den Zeitsteuerungsdaten basierend, umschalten kann. In anderen Ausführungsformen kann das System 11 der Leistungsübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite zugeordnete, verschiedene Parameter messen und/oder berechnen. Spezieller kann das System 11 ausgelegt werden, um verschiedene Parameter abzuleiten, die auf der Primärseite vorgenommenen Strom- und/oder Spannungsmessungen zugrunde gelegt sind. Diese Strom- und/oder Spannungsmessungen können genutzt werden, um den Kopplungsfaktor zwischen der Primärseite und der Sekundärseite, den Wärmefluss oder die Temperatur auf der Sekundärseite sowie den Wärmefluss oder die Temperatur auf der Primärseite zu berechnen oder abzuschätzen. Primärseitige Strom- und/oder Spannungsmessungen können außerdem verwendet werden, um zu bestimmen, ob zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eine äußere Interferenz vorhanden ist. Das System 11 kann anschließend diese Berechnungen, Schätzungen und Bestimmungen nutzen, um das Umschalten in unterschiedliche skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten zu unterstützen.
Übertragungskanäle
Das System 11 kann einen oder mehrere Übertragungskanäle enthalten, die zum Übertragen von Daten von der Sekundärseite zurück zu der Primärseite verwendet werden können. Es können alle geeigneten Mechanismen zur Bereitstellung einer Datenübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite verwendet werden. Zum Beispiel kann das System 11 Hochfrequenz-(HF)-Sender-Empfänger auf der Primär- und Sekundärseite einschließen, die zum Austausch von Daten gestaltet sind, wenn sich die Primärspule innerhalb eines bestimmten Abstands der implantierten Sekundärspule befindet. In anderen Ausführungsformen kann die implantierte Sekundärspule das Leistungsübertragungssignal selbst mit einem Datensignal modulieren. Dieses Datensignal kann anschließend auf der Primärseite empfangen und demoduliert werden.
Daten, die über einen Übertragungskanal zwischen der Primärseite und der Sekundärseite empfangen werden, können auf der Primärseite empfangen und als Eingabe an den ersten Prozessor 130 geliefert werden. Zum Beispiel kann das System 11 eine Einschaltfolge ausführen, und die Primärseite kann Daten von der Sekundärseite bezüglich dessen empfangen, ob die Sekundärseite voll eingeschaltet ist oder nicht. In einem weiteren Beispiel kann das System 11 mehr als eine Sekundärseite enthalten, und die Primärseite kann Daten bezüglich dessen empfangen, ob die richtige Sekundärseite Leistung empfängt oder nicht. In anderen Beispielen kann die Primärseite Anforderungen von der Sekundärseite empfangen, um den Leistungsausgang zu erhöhen oder zu senken oder um einen Fehlermodus einzugeben. Sobald die Steuereinheit die von der Sekundärseite übertragenen Daten empfängt, kann der erste Prozessor 130 das System 11 in verschiedene skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten basierend auf den empfangenen Daten umschalten.
Systemzeitgeber
Das System kann außerdem programmierbare Zeitgeber enthalten, die genutzt werden können, um die Größe der Zeit zu verfolgen, die seit Auftreten eines besonderen Ereignisses vergangen ist. Zum Beispiel kann das System 11 die vergangene Zeit verfolgen, seitdem das System eine Einschaltfolge begonnen hat. In anderen Beispielen kann es die vergangene Zeit verfolgen, seitdem ein Fehlerzustand erfasst oder seitdem eine Änderung in einem Kopplungszustand erfasst wurde. Zur Verfolgung des Zeitdurchlaufs können beliebige geeignete Mechanismen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Steuereinheit unterbrochen gesteuerte Zeitgeber oder Zeitgeber enthalten, die durch die CPU zyklisch abgefragt werden. Daten von diesen Zeitgebern können als Eingabe an den ersten Prozessor 130 geliefert werden, der anschließend das System 11 in unterschiedliche skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten basierend auf den Zeitsteuerdaten umschalten kann.
Kopplungsberechnungen
Das System 11 kann ausgelegt werden, um die Kopplungsgröße zu berechnen, die zwischen Primärseite und Sekundärseite vorhanden ist. Der erste Prozessor 130 kann anschließend das System 11 in unterschiedliche skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten basierend auf der Kopplungsgröße umschalten, die zwischen Primärseite und Sekundärseite vorhanden ist. Spezieller kann der erste Prozessor 130 in einen höheren Leistungsmodus oder in eine höhere Kopplung umschalten, wenn festgestellt wird, dass die aktuelle Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite nicht optimal ist. In Ergänzung zur Nutzung von Kopplungsberechnungen, um das Umschalten in verschiedene skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten zu unterstützen, kann das System 11 auch Kopplungsberechnungen im Verlauf der Bestimmung von Fehlerzuständen nutzen, wie etwa zu hohe Temperatur oder Wärmefluss auf der Sekundärseite.
Mit Bezug auf 16A–C kann das System 11 ausgelegt werden, um die Kopplungsgröße zu berechnen, die zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 vorhanden ist. In Gleichung (1) ist die Kopplungsgröße zwischen den Spulen 1648, 1656 durch den Faktor k dargestellt, der sich von 0.0 bis 1.0 erstreckt. Größere Werte für den Kopplungsfaktor k zeigen höhere Kopplungsgrößen zwischen den Spulen 1648, 1656 an.
Der Kopplungsfaktor k ist typischerweise eine Funktion der Trennungsgröße zwischen den Spulen 1648, 1656. Dieser Aspekt des Kopplungsfaktors k kann mit Bezug auf 17A und 17B veranschaulicht werden. In 17A ist die äußere Spule 1648 an der Haut 1664 der Versuchsperson in großer Nähe zu der implantierten inneren Spule 1656 angeordnet. In 17B ist die äußere Spule 1648 um einen bestimmten Abstand von der Haut 1660 der Versuchsperson und so von der implantierten inneren Spule 1656 entfernt. Diese Differenz in der Trennungsgröße zwischen den Spulen 1648, 1656 in 17A und den Spulen 1648, 1656 in 17B wird typischerweise zu diesen zwei Spulenanordnungen mit unterschiedlicher Kopplungsgröße und somit unterschiedlichen Werten für den Faktor k führen.
Über einen bestimmten Bereich von Abständen der Spulentrennung entsprechen kleinere Abstände zwischen den Spulen 1648, 1656 höheren Kopplungsgrößen und folglich k-Werten, die näher an 1,0 liegen. Ebenso entsprechen innerhalb dieses gleichen Bereichs von Abständen der Spulentrennung größere Abstände zwischen den Spulen 1648, 1656 kleineren Kopplungsgrößen und somit k-Werten, die näher an 0 liegen. Angenommen, dass die in 17A und 17B gezeigten Spulenanordnungen in den Bereich dieser Trennungsabstände fallen, besitzt die Spulenanordnung von 17A eine größere Kopplungsgröße und somit einen höheren k-Wert im Vergleich zur Spulenanordnung von 17B.
Das System 11 kann die Größe der Kopplung, die zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 vorhanden ist, auf der Basis von Regelzeitsteuerparametern berechnen, die dem Betrieb des Leistungskreises 1532 zugeordnet sind. Die in Kopplungsberechnungen verwendeten Regelzeitsteuerparameter umfassen den Leistungsmodus-Arbeitszyklus DC_on und die Dauer der Leerlaufmodusperiode T_off. DC_on ist die Dauer des Leistungsmodus T_on gegenüber der Dauer der Regelperiode T_reg, wobei die Regelperiode T_reg Leistungsmodusperiode T_on plus Leerlaufmodusperiode T_off entspricht. Wie es in Verbindung mit 19 ausführlich beschrieben ist, kann einer oder mehrere dieser Regelzeitsteuerparameter durch Messungen, die auf der Primärseite des Systems 11 vorgenommen werden, wahrnehmbar sein. Für einen Schaltkreis mit der in 15 gezeigten Serien-Serien-Topologie, nutzen die hier erörterten Ausführungsformen die folgende Gleichung, wenn die Kopplungsgröße zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 abgeschätzt wird: k = α·Toff·DC_on + β·DCon – γ (2)
Für jeden einmaligen Entwurf von Spulen gibt es eine Gruppe von Werten für α, β, und γ, die die Gleichung (2) erfüllen, wobei k der Kopplungsfaktor zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 ist. Bei Betrieb kann das System 11 die Gleichung (2) nutzen, um die Kopplungsgröße abzuschätzen, die zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt vorhanden ist. Hier kann das System 11 mit Werten für α, β, und γ programmiert werden, die dem speziellen, zu verwendenden Spulenentwurf entsprechen. Die Regelzeitsteuerparameter DC_on und T_off können von einer Strom- oder Spannungsmessung abgeleitet werden, die auf der Primärseite vorgenommen wird, wenn Leistung zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 übertragen wird. In einigen Ausführungen leitet das System 11 die Regelzeitsteuerparameter von einem Stromsignal ab, wie es durch den Stromsensor 1620 erzeugt wird, der den in der äußeren Spule 1648 vorhandenen Strom misst. Das System 11 kann außerdem die Regelzeitsteuerparameter aus Spannungssignalen ableiten, die durch die Spannungssensoren erzeugt werden, die an verschiedenen Stellen auf der Primärseite angeordnet sind. Zum Beispiel kann das System 11 die Regelzeitsteuerparameter aus Spannungssignalen ableiten, die durch Spannungssensoren erzeugt werden, die entweder über der Spule 1648 oder dem Kondensator 1652 des äußeren Netzwerks 15 angeordnet sind.
Mit Bezug auf 21 werden Aspekte des Systems 11 ausführlicher beschrieben, die sich auf die Ableitung von Regelzeitsteuerparametern aus primärseitigen Messungen beziehen. 21 ist eine Darstellung von verschiedenen wellenförmigen Bildspuren, die Signale darstellen, die in dem System 11 vorhanden sind, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. 21 veranschaulicht die Größe der Spannung über dem Stromversorgungskondensator, welcher der Regelschaltung 1544 zugeordnet ist, wenn sich dieses Signal gegenüber der Zeit verändert. Diese Spannung ist als V_OUT gekennzeichnet und mit der Bezugzahl 2104 bezeichnet. Wie in 21 ersichtlich ist, nimmt V_OUT stufenweise ab, wenn Strom von dem Kondensator entnommen wird, welcher der Regelschaltung 1544 zugeordnet ist, und nimmt stufenweise zu, wenn dem Kondensator Strom aus dem Gleichrichter 1652 zugeführt wird. Die stufenweise Abnahme von V_OUT entspricht dem im Leerlaufmodus befindlichen Leistungskreis 1532. Ebenso entspricht die stufenweise Zunahme von V_OUT dem im Stromversorgungsmodus befindlichen Leistungskreis 1532.
21 veranschaulicht zusätzlich ein Stromsignal, das in der äußeren Spule 1648 vorhandenen Strom darstellt, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Dieses Stromsignal ist als I₁ gekennzeichnet und mit der Bezugszahl 2108 bezeichnet. Das Stromsignal I₁ kann durch den Stromsensor 1620 erzeugt werden und ist ein Beispiel des primärseitigen Signals, welches das System 11 verwenden kann, um Regelzeitsteuerparameter abzuleiten. 21 veranschaulicht ein Stromsignal, das in der inneren Spule 1656 vorhandenen Strom darstellt, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Dieses Stromsignal wird als I₂ gekennzeichnet und ist mit der Bezugszahl 2112 bezeichnet. Wie in 21 ersichtlich ist, sind die Amplituden von beiden I₁ und I₂ kleiner, wenn sich der Leistungskreis 1532 im Leerlaufmodus befindet, im Vergleich dazu, wenn sich der Leistungskreis 1532 im Stromversorgungsmodus befindet. I₁ ist kleiner, weil V₂ als Reaktion auf die Kurzschlussschalter 1672, die schließen, um das innere Resonanznetzwerk 17 kurzzuschließen, auf etwa Null abfällt. I₂ ist kleiner, weil V₁ auf einen Bruchteil seines Leistungsmoduswertes als Reaktion auf die bei einer subharmonischen Frequenz arbeitenden Leistungsbrücke 148 abfällt.
T_off ist als Dauer der Kurzschlussperiode definiert und entspricht somit der zeitlichen Länge, die die Kurzschlussschalter 1672 geschlossen sind, um das innere Spulennetzwerk 17 kurzzuschließen. Anders angegeben, entspricht T_off der zeitlichen Länge, die sich der Leistungskreis 1532 im Leerlaufmodus befindet. T_off kann aus Messungen des Stroms abgeleitet werden, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Wie es speziell in 21 ersichtlich ist, kann T_off gemessen werden, indem die Zeit berechnet wird, die dazwischen verstreicht, wenn I₁ zu einer kleinen Amplitude übergeht, und wenn I₁ zurück zu der hohen Amplitude übergeht. Alternativ dazu kann T_off berechnet werden, indem die Leistungsmodusperiode T_on von der Regelperiode T_reg subtrahiert wird. Ein beispielhafter zeitlicher Rahmen für eine Messung von T_off ist in 21 gegeben und wird im Allgemeinen mit der Bezugszahl 2116 bezeichnet.
T_on ist definiert als die Dauer der nicht kurz geschlossenen Periode, die somit der zeitlichen Länge entspricht, in der die Kurzschlussschalter 1672 geöffnet sind, damit Strom vom inneren Resonanznetzwerk 17 durch den Gleichrichter 1652 und aus der Leitung 1640/1644 heraus fließen kann. Anders angegeben entspricht T_on der zeitlichen Länge, in der sich der Leistungskreis 1532 im Stromversorgungsmodus befindet. T_on kann aus Messungen des Stroms abgeleitet werden, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Wie in 21 speziell ersichtlich ist, kann T_on gemessen werden, indem die Zeit berechnet wird, die dazwischen verstreicht, wenn I₁ in eine hohe Amplitude übergeht und wenn I₁ zurück in die geringe Amplitude übergeht. Alternativ dazu kann T_on berechnet werden, indem die Leerlaufmodusperiode T_off von der Regelperiode T_reg subtrahiert wird. Ein beispielhafter zeitlicher Rahmen für eine Messung von T_on ist in 21 gegeben und wird im Allgemeinen mit der Bezugszahl 2120 bezeichnet.
T_reg ist definiert als die Dauer der Regelperiode und entspricht somit der Länge der Zeit, in der die Kurzschlussschalter 1672 geöffnet sind, plus der Länge der Zeit, in der die Kurzschlussschalter 1672 geschlossen sind. Anders angegeben, entspricht T_reg der Länge der Zeit, in der sich der Leistungskreis 1532 im Leerlaufmodus befindet, plus der Länge der Zeit, in der sich der Leistungskreis im Stromversorgungsmodus befindet. T_reg kann aus Messungen des Stroms abgeleitet werden, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Wie es in 21 ersichtlich ist, kann T_reg gemessen werden, indem die Zeit berechnet wird, die dazwischen verstreicht, wenn I₁ erstmalig in eine hohe Amplitude übergeht, und wenn I₁ ein zweites, anschließendes Mal zurück in eine hohe Amplitude übergeht. Alternativ dazu kann T_reg berechnet werden, indem die Leistungsmodusperiode T_on und die Leerlaufmodusperiode T_off zusammen addiert werden. Ein beispielhafter zeitlicher Rahmen für eine Messung von T_reg ist in 21 gegeben und wird allgemein mit der Bezugszahl 2124 bezeichnet.
DC_on ist der Arbeitszyklus des Leistungsmodus. DC_on ist definiert als die Dauer des Leistungsmodus T_on gegenüber der Dauer der Regelperiode T_reg. Typischerweise werden Strom- oder Spannungsmessungen, die DC_on direkt liefern, nicht vorgenommen. Stattdessen wird DC_on von anderen Parametern abgeleitet, die selbst aus Strommessungen abgeleitet sind. Speziell kann DC_on abgeleitet werden, indem die Leistungsmodusperiode T_on durch die Regelperiode T_reg dividiert wird.
Weil es eine Gruppe von Werten für α, β, und γ gibt, die die Gleichung (2) für jeden einmaligen Spulenentwurf erfüllen, kann Gleichung (2) verwendet werden, um den Kopplungsfaktor k abzuschätzen, wenn zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Speziell kann in einer besonderen Ausführung das System 11 mit den Werten für α, β, und γ programmiert werden, die mit dem in dieser speziellen Ausführung verwendeten Spulenentwurf übereinstimmen. Wenn das System zwischen der äußeren Baueinheit 1504 und der inneren Baueinheit 1508 Leistung überträgt, können Arbeitszyklus des Leistungsmodus DC_on und Leerlaufmodusperiode T_off aus primärseitigen Messungen abgeleitet werden. Wie es in 21 dargestellt ist, können DC_on und T_off aus dem Stromsignal I₁ abgeleitet werden, welches in dem Stromsensor 1620 erzeugt wird und den in der äußeren Spule 1648 vorhandenen Strom darstellt. In anderen Beispielen kann das System 11 die Regelzeitsteuerparameter aus Spannungssignalen ableiten, die durch an verschiedenen Stellen auf der Primärseite angeordneten Spannungssensoren erzeugt werden, wie etwa entweder über der Spule 1648 oder dem Kondensator 1652 des äußeren Netzwerks 15. Sobald DC_on und T_off abgeleitet sind, kann Gleichung (2) zum Berechnen eines Wertes für den Kopplungsfaktor k verwendet werden.
Die Vorgehensweise zur Berechnung des Kopplungsfaktors k, der in Gleichung (2) konkrete Form gegeben ist, wurde an gesammelten Daten von funktionsfähigen TETS Systemen 1500 bestätigt. Gleichung (2) wurde angewandt auf gesammelte Kurzschluss- und Arbeitszyklusdaten. Mehrere dieser Datenproben sind in 22 grafisch dargestellt. Es soll deutlich werden, dass Gleichung (2) für die in 15 veranschaulichte Serien-Serien-Topologie gilt. Gemäß anderen Ausführungsformen können andere Gleichungen, die Gleichung (2) sehr ähnlich sind, für alternative Topologien wie beispielsweise Serien-Parallel, Parallel-Serien, Parallel-Parallel, und so weiter, abgeleitet werden.
Das System 11 kann Kopplungsfaktorberechnungen nutzen, um das Umschalten des Systems 11 in unterschiedliche skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten basierend auf der Kopplungsgröße, die zwischen Primärseite und Sekundärseite vorhanden ist, zu unterstützen. Spezieller kann der erste Prozessor 130 in unterschiedliche Leistungs- oder Stromkopplungsbetriebsarten umschalten, wenn die Kopplung nicht optimal ist. Alternativ dazu oder in Kombination kann der erste Prozessor 130 Kopplungsberechnungen als einen Teil der Bestimmung von Fehlerzuständen nutzen. Diese Steueroperationen werden nachstehend in Verbindung mit 24 bis 32 ausführlicher beschrieben.
Berechnungen von Wärmefluss und Temperatur
Das System 11 kann zusätzlich ausgelegt werden, um die Größe von Wärmefluss- und/oder von Temperaturpegeln abzuschätzen, wenn von der äußeren Baueinheit 1504 zu der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Höhere Pegel von Wärmefluss oder Temperatur im System 11 können zur Gewebeschädigung oder anderweitigen Verletzung der Versuchsperson führen, mit der das System 11 genutzt wird. Zu hoher Wärmefluss oder Temperatur können entweder auf der Primärseite oder der Sekundärseite auftreten. Um die Sicherheit der Versuchsperson zu gewährleisten, kann das System 11 somit die Pegel von Wärmefluss und/oder Temperatur entweder in einer von Primärseite oder Sekundärseite oder beiden überwachen. Wenn die Größe von Temperatur oder Wärmefluss entweder auf der Primärseite oder der Sekundärseite einen Fehlerzustand anzeigt, kann der erste Prozessor 130 anschließend das System 11 in unterschiedliche skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten umschalten, um den Fehlerzustand abzuschwächen.
Das System 11 kann Wärmefluss und/oder Temperatur überwachen, indem die Größe des Stroms, der in verschiedenen Teilen des Systems 11 fließt, überwacht wird. Höhere Strompegel erzeugen Verluste von I²R, die Wärme erzeugen. In einer Beziehung kann übermäßiger Wärmefluss erzeugt werden, wenn die Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite nicht optimal ist. Hierbei kann nicht optimale Kopplung zu hohen Strömen führen, die übermäßige Wärme infolge parasitärer Widerstände erzeugen, die in den Induktionsspulen 1648, 1656 oder anderen Komponenten der inneren oder äußeren Netzwerke 15, 17 vorhanden sein können. Wenn im System 11 höhere Strompegel vorhanden sind, neigt der Wärmefluss dazu sich zu erhöhen, und die Temperaturen neigen dazu in berechenbarer Weise anzusteigen. Höhere Strompegel können auf jeder der Primärseite oder der Sekundärseite oder beiden vorhanden sein. Folglich kann das System 11 Wärmefluss und/oder Temperatur überwachen, indem die jeweils auf der Primärseite und/oder Sekundärseite vorhandenen Ströme überwacht werden. In einer Ausführungsform werden die Strompegel im System durch verschiedene Messungen überwacht, die auf der Primärseite des Systems 11 vorgenommen werden.
Für Strompegel auf der Sekundärseite kann das System 11 direkte Messungen vornehmen, indem Messgeräte oder Sonden verwendet werden, die an Komponenten im äußeren Resonanznetzwerk 15 befestigt sind. In einem Beispiel kann das System 11 den primärseitigen Strom messen, indem der Stromsensor 1620 verwendet wird, welcher den in der äußeren Spule 1648 vorhandenen Strom misst. Das System 11 kann außerdem den primärseitigen Strom auf der Basis von Spannungssignalen berechnen, die durch Spannungssensoren erzeugt werden, die an verschiedenen Stellen auf der Primärseite angeordnet sind, wie beispielsweise entweder über der Spule 1648 oder dem Kondensator 1652 des äußeren Netzwerks 15. Zum Beispiel kann das System 11 den primärseitigen Strom mittels eines bekannten Induktivitätswertes für die Spule 1648 und eines gemessenen Wertes für die Spannung über der Spule 1648 berechnen. Alternativ dazu kann das System 11 den primärseitigen Strom berechnen, indem ein bekannter Kapazitätswert für den Kondensator 1652 und ein gemessener Wert für die Spannung über dem Kondensator 1652 verwendet werden.
Für Strompegel auf der Sekundärseite kann das System 11 bestimmte Regelzeitsteuerparameter auf der Primärseite messen und auf diesen primärseitigen Messungen basierende sekundärseitige Strompegel abschätzen. Spezieller kann das System 11 zuerst die Kopplungsgröße zwischen Primärseite und Sekundärseite basierend auf Messungen der Regelzeitsteuerparameter schätzen. Anschließend kann das System 11 die abgeschätzten Kopplungsmessungen verwenden, die auf der Primärseite vorgenommen wurden, um die Strompegel auf der Sekundärseite abzuschätzen. Somit kann in einer Hinsicht das System 11 die Kopplungsgröße, die zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 vorhanden ist, als Teil der Abschätzung von Wärmefluss- oder Temperaturpegeln in der inneren Baueinheit 1508 berechnen. Geringere Kopplungsgrößen erzeugen Wärme, weil schlechte Kopplung zu höheren Strömen führt, die in den Spulen 1648, 1656 erzeugt werden. Für einen Schaltkreis mit der in 15 gezeigten Serien-Serien-Topologie kann die umgekehrte Beziehung zwischen Kopplung und Strom auf der Sekundärseite abgeschätzt werden durch Umschreiben von Gleichung (1) nach I₂:
Der Kopplungsfaktor k erscheint im Nenner von Gleichung (3). So entsprechen Abnahmen im Wert des Kopplungsfaktors k Zunahmen im Wert des Stroms auf der Sekundärseite.
Wie aus Gleichung (3) ersichtlich wird, ist der Kopplungsfaktor k ein Parameter, der benötigt wird, um den Strom I₂ zu berechnen, der auf der Sekundärseite vorhanden ist. Ein weiterer, für diese Berechnung benötigter Parameter ist V₁ (V_P in Gleichung (3)), die Spannung über dem äußeren Resonanznetzwerk 15. V₁ ist proportional zur Gleichspannung V_in der Stromversorgung. Typischerweise ändert sich die Stromversorgungsspannung V_in nicht. Somit ist V₁ statisch mit der Ausnahme, dass V₁ mit der Frequenz skaliert, wenn das System in eine andere harmonische Unterschwingung umschaltet. Folglich kann V₁ von Systemeinstellungen abgeleitet werden und ist typischerweise ohne irgendwelche Messungen bekannt. Für einen Vollbrückenwechselrichter wird die Beziehung zwischen V_in und V₁ durch die folgenden Gleichungen bestimmt: V₁ = 4·V_in/π. (4)
Sobald Werte für k und V₁ bestimmt sind, kann Gleichung (3) zur Berechnung des Stroms I₂, der auf der Sekundärseite vorhanden ist, genutzt werden. Wie es oben beschrieben ist, kann der Strom I₁, der auf der Primärseite vorhanden ist, durch direkte Messungen bestimmt werden, indem der Primärseite zugeordnete Messgeräte oder Sonden verwendet werden. Sobald Werte für I₁ und I₂ bestimmt sind, kann Wärmefluss auf der Primärseite und/oder der Sekundärseite bestimmt werden. Wärmefluss auf der Primärseite basiert auf dem Strom I₁ in der Primärspule, dem bekannten parasitären Widerstand der Primärspule sowie der Oberfläche der Primärspule. Wärmefluss auf der Sekundärseite basiert auf dem Strom I₂ in der Sekundärspule, dem bekannten parasitären Widerstand der Sekundärspule und der Oberfläche der Sekundärspule. Der Wärmefluss entweder auf der Primärseite oder der Sekundärseite kann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: Wärmefluss = (I_rms ²·R)/Spulenoberfläche. (5)
Die Temperatur der Spulen 1648, 1656 kann basierend auf der Größe des Wärmeflusses, der als sowohl auf der Primärseite als auch der Sekundärseite vorhanden bestimmt ist, abgeschätzt werden. Im Allgemeinen ist die Korrelation zwischen Temperatur und Wärmefluss von der Umgebung abhängig, in der entweder die Primärseite oder die Sekundärseite arbeitet. So kann das System 11 programmiert werden mit einer Gleichung, einer Verweistabelle oder anderen Datenstruktur, die Wärmeflussgrößen mit Temperaturänderungen auf der Primärseite und/oder der Sekundärseite korrelieren. Das System 11 kann mit unterschiedlichen Gleichungen, Verweistabellen oder anderen Datenstrukturen für Primärseite und Sekundärseite programmiert werden, weil diese Systemkomponenten jeweils in verschiedenen Umgebungen angeordnet sind.
Die Primärseite befindet sich außerhalb der Versuchsperson, und so kann die Temperatur der Primärseite auf der Basis von Wärmeflussberechnungen und dem berechenbaren Verhalten der Primärseite, wenn sie im Freien arbeitet, geschätzt werden. In einer Beziehung können die Temperaturänderungen auf der Basis von Abschätzungen der Höhe des Wärmeflusses abgeschätzt werden, die über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen werden. Temperaturerhöhungen können mit unterstützten erhöhten Wärmeflusspegeln korreliert werden. Ebenso können Temperaturabnahmen mit niedrigeren Wärmeflusspegeln korreliert werden, die über die Zeit beibehalten werden. Das System 11 kann programmiert werden mit einer Gleichung, einer Verweistabelle oder anderen Datenstruktur, die diese Korrelationen quantifiziert und auf die zugegriffen werden kann, wenn Bestimmungen der Temperatur auf der Primärseite vorgenommen werden.
In Abhängigkeit vom Platz der Spule 1648 im Körper kann es eine spezifische Beziehung zwischen Spulentemperatur und aus der Spule 1648 austretendem Wärmefluss geben. Für verschiedene Strompegel können Tieruntersuchungen genutzt werden, um sekundärseitige Wärmeflussgrößen und Sicherheitsniveaus abzuschätzen. Ergebnisse aus einer solchen Tieruntersuchung sind in 23 gezeigt. Vorhergehende Untersuchungen durch die Pennsylvania State University fanden heraus, dass ein Niveau von 15 mW/cm² sicher ist. Das System 11 kann basierend auf der in 23 gezeigten Wärmeflussbeurteilung oder anderen geeigneten Wärmeflussbeurteilungen programmiert werden. Wie es der Fall für die Primärseite war, können Temperaturzunahmen auf der Sekundärseite mit unterstützten erhöhten Wärmeflusspegeln korreliert werden; und Temperaturabnahmen können mit niedrigeren Wärmeflusspegeln, die über die Zeit aufrecht erhalten werden, korreliert werden. Das System 11 kann mit einer Gleichung, einer Verweistabelle oder anderen Datenstruktur programmiert werden, die diese Korrelierungen und Wärmebewertungen quantifiziert, und auf die zugegriffen werden kann, wenn Bestimmungen der Temperatur auf der Sekundärseite vorgenommen werden. Die Wärmeflussbewertung von 23 ist beispielhaft und ohne Einschränkung dargestellt. Es soll klar erkannt werden, dass die in 23 gezeigte Wärmeflussbewertung basierend auf künftigen Tieruntersuchungen eingestellt werden kann, und dass durch das System 11 genutzte Korrelierungen von Wärmefluss zu Temperatur auf Tieruntersuchungen basieren können, die auf fortlaufender Basis aktualisiert werden können.
Interferenzberechnungen
Das System 11 kann zusätzlich Messungen auf der Primärseite vornehmen, um zu bestimmen, ob es zwischen den Spulen 1648, 1656 Interferenz gibt. Interferenz kann wegen dem Vorhandensein von Metall oder eines metallischen Gegenstands in der Nähe einer oder beider der Spulen 1648, 1656 auftreten. Das Vorhandensein eines Metalls oder eines metallischen Gegenstands kann die Spulen 1648, 1656 durch Verändern von Größe und Eigenschaft der wechselseitigen Induktivität, die zwischen den Spulen 1648, 1656 vorhanden ist, verstimmen. Verstimmen kann auf der Primärseite als Phasenverschiebung zwischen der Spannung V₁ über dem äußeren Resonanznetzwerk 15 und dem Strom I₁ durch das äußere Resonanznetzwerk 15 auftreten. Somit kann das System 11 bestimmen, ob Interferenz zwischen den Spulen 1648, 1656 vorhanden ist, indem dieser Phasenunterschied gemessen wird. Speziell misst das System die Spannung V₁ über dem äußeren Resonanznetzwerk 15 und den Strom I₁ durch das äußere Resonanznetzwerk 15 über einen vorgegebenen Zeitraum unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren. Diese Messungen werden anschließend verglichen, um zu bestimmen, ob Phasenverschiebung vorhanden ist. Wenn das System 11 eine Phasenverschiebung detektiert, kann es feststellen, dass die Spulen 1648, 1656 wegen der unmittelbaren Nähe eines störenden Metalls oder metallischen Gegenstands verstimmt wurden.
Das System 11 kann eine oder mehrere Korrekturmaßnahmen als Reaktion auf die Feststellung, dass die Spulen 1648, 1656 verstimmt wurden, vornehmen. In einigen Fällen kann das System 11 ein Alarmsignal liefern, das dem Benutzer anzeigt, dass ein störendes Metall oder ein metallischer Gegenstand vorhanden ist. Das System 11 kann dann auf der Sekundärseite vorgenommene Abschätzungen des Stroms I₂ verwerfen, bis der Benutzer das Metall oder den metallischen Gegenstand entfernt. Das System 11 kann Abschätzungen, die zum Strom I₂ gemacht werden, verwerfen, weil Gleichung (2) auf der Annahme basiert, dass die Spannung V₁ und der Strom I₁ phasengleich sind. Speziell basiert Gleichung (2) auf der Annahme, dass der Resonanzkreis bei Resonanz arbeitet, und dass es eine spezifische Beziehung gibt zwischen den Parametern des Resonanzkreises, nämlich L1, C1, k, M, L2, C2. Diese Beziehung löst sich auf, wenn Metall eingeführt wird. Wenn die Spannung V₁ und der Strom I₁ phasenverschoben sind, kann diese Gleichung (2) aufhören, das Verhalten des Systems 11 exakt zu charakterisieren. In anderen Fällen kann das System 11 den Phasenunterschied zwischen Spannung V₁ und Strom I₁ kompensieren, anstatt darauf zu warten, dass der Benutzer das störende Metall oder den störenden metallischen Gegenstand entfernt. Speziell kann das System 11 die Art und Weise ändern, wie die Leistungsbrücke 148 arbeitet. In einer Ausführungsform kann das Leistungssteuerungsmodul 140 die Steuerfrequenz der Leistungsbrücke 148 ändern, um eine Verschiebung der Resonanz zu kompensieren, die wegen der Tatsache auftritt, dass Metallgegenstände die wechselseitige Streuinduktivität der Spule ändern und infolgedessen den Resonanzpunkt des Systems verändern.
Belastungsermittlungen
Das System 11 kann ausgelegt werden, um die Größe der Strombelastung zu bestimmen, die auf der Sekundärseite vorhanden ist. Zum Beispiel kann das System 11 den Arbeitszyklus des Leistungsübertragungssignals auf der Primärseite überwachen, um die Lastfälle festzustellen, die auf der Sekundärseite vorhanden sind. In einem weiteren Beispiel kann das System 11 die Daten bezüglich der Lastfälle durch Informationsaustausch, der von der Sekundärseite zur Primärseite gesendet wird, empfangen. Basierend auf den Lastfällen kann der erste Prozessor 130, wenn es angebracht ist, das System 11 in unterschiedliche skalierbare Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten umschalten. Spezieller kann der erste Prozessor 130 in einen höheren Leistungsmodus oder zu einer höheren Kopplung umschalten, wenn festgestellt wird, dass die Lastfälle einen reduzierten Leistungsbedarf anzeigen.
OPERATIONEN DER STEUEREINHEIT
Wenden wir uns jetzt den Operationen des ersten Prozessors 130 zu, die so funktionieren, dass der Leistungsmodus und/oder der Kopplungsmodus des Systems 11 eingestellt werden, wobei auf 24–37 Bezug genommen wird. Wie es in 24–37 dargestellt ist, kann der erste Prozessor 130 den Leistungsmodus und/oder den Kopplungsmodus, in denen das System 11 arbeitet, basierend auf einer Eingabe wie Daten, die von Übertragungskanälen, programmierten Zeitgebern empfangen werden, und/oder Systemüberwachungsparameter und Berechnungen einstellen. Die in den 24–37 dargestellten Verfahren und Operationen können in Verbindung mit jedem geeigneten Mechanismus zur Ausführung skalierbarer Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten, einschließlich einer Stelltransformator-Topologie, subharmonischer Leistungsübertragung, einem phasenverschobenen Brückenregler, und so weiter angewandt werden.
Wenden wir uns zuerst den Operationen des ersten Prozessors 130 zu, die so funktionieren, dass der Leistungsmodus eingestellt wird, in dem das System 11 arbeitet, wobei auf 24 Bezug genommen wird. 24 ist ein Ablaufdiagramm 1000, das ein Verfahren zum Umschalten zwischen skalierbaren Leistungsbetriebsarten oder inmitten dieser gemäß einer der hier erörterten Ausführungsformen veranschaulicht. Das durch das Ablaufdiagramm 1000 dargestellte Verfahren umfasst Operationen, die durch den in 1 gezeigten ersten Prozessor 130 ausgeführt werden. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann so ausgelegt werden, um Eingangsignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie es in dem Ablaufdiagramm 1000 erläutert ist, kann der erste Prozessor 130 zwischen skalierbaren Leistungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten, die den auf der Primärseite des Systems 11 empfangenen Eingängen zugrunde gelegt sind.
Zu Anfang setzt in der Operation 2404 der erste Prozessor 130 einen anfänglichen Leistungsmodus. Die durch den ersten Prozessor 130 ausgegebenen speziellen Signale zum Setzen des Leistungsmodus können abhängig sein von dem Mechanismus, der durch das System 11 zum Umschalten zwischen Leistungsbetriebsarten ausgeführt ist. In einem System 11, das eine Stelltransformator-Topologie realisiert, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, die eine spezifische Kombination einzelner Transformatorschenkel 1692, die in die oder aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 verschoben sind, einstellen. In einem System 11, das zwischen unterschiedlichen harmonischen Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz oder inmitten dieser schaltet, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, die den Wechselrichter 148 auf eine spezifische harmonische Unterschwingung setzen. Bei einem System 11, das einen phasenverschobenen Brückenregler realisiert, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, welche die Spannungs- und Stromsignale des Wechselrichters 148 auf einen spezifischen Phasenunterschied einstellen.
In der Operation 2408 arbeitet das System im aktuell eingestellten Leistungsübertragungsmodus. Speziell wird Leistung von der äußeren Baueinheit 1504 abgegeben, über die Haut 1664 der Versuchsperson übertragen und durch die innere Baueinheit 108 aufgenommen. Leistung, die durch die innere Baueinheit aufgenommen wird, lädt bei Bedarf einen Stromversorgungskondensator oder andere, mit dem Regelkreis 1556 verbundene Komponente auf. Basierend auf der Notwendigkeit zur Ladung des Stromversorgungskondensators kann eine Komponente des Reglers 156 der inneren Baueinheit 108 zwischen einem Leistungsversorgungsmodus und einem Leerlaufmodus umschalten. Die äußere Baueinheit 1504 kann auf diese vom Regler vorgenommenen Umschaltungen reagieren, indem eine von der äußeren Baueinheit 1504 zugeführte Leistungsgröße verändert wird.
In der Operation 2412 legt der erste Prozessor 130 fest, ob das System 11 in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden soll. Der erste Prozessor 130 nimmt diese Bestimmung vor, basierend auf einer Eingabe wie beispielsweise Daten, die von Übertragungskanälen, programmierten Zeitgebern empfangen werden, und/oder Systemüberwachungsparameter und Berechnungen. Spezifische Operationen des ersten Prozessors 130, die diese Bestimmungen durchführen, sind ausführlicher in 25–29 beschrieben. Wenn in der Operation 2412 der erste Prozessor 130 bestimmt, dass das System 11 in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden muss, kann die Operation 2408 nach Operation 2412 erneut ausgeführt werden. Wenn in der Operation 2412 der erste Prozessor 130 feststellt, dass das System 11 in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden muss, kann die Operation 2416 nach Operation 2412 ausgeführt werden.
In der Operation 2416 schaltet das System in einen anderen Leistungsmodus um. Die vom ersten Prozessor 130 ausgegebenen, spezifischen Signale zum Umschalten des Leistungsmodus können von dem Mechanismus abhängig sein, der durch das System 11 zum Umschalten zwischen Leistungsbetriebsarten realisiert wird. Wie erwähnt, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, die eine spezielle Kombination in der oder aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 verschobener, einzelner Transformatorschenkel 1692 einstellen, Steuereingaben liefern, die den Wechselrichter 148 auf eine spezifische subharmonische Frequenz einstellen, Steuereingaben liefern, die die Spannungs- und Stromsignale des Wechselrichters 148 auf einen spezifischen Phasenunterschied setzen, und so weiter. Sobald ein neuer Leistungsmodus eingestellt wurde, kann die Operation 2408 erneut nach Operation 1016 ausgeführt werden.
25 ist ein Ablaufdiagramm 2500, das Operationen des ersten Prozessors 130 darstellt, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System basierend auf einer von Übertragungskanälen empfangenen Eingabe umschalten soll oder nicht. Ablaufdiagramm 2500 veranschaulicht eine spezielle Ausführung einer Operation 2412, die in 24 gezeigt ist. Zu Anfang überwacht in der Operation 2504 der erste Prozessor 130 die Übertragungskanäle zwischen der Primärseite und der Sekundärseite. Wie erwähnt, kann das System 11 einen oder mehrere Übertragungskanäle umfassen, die zur Übertragung von Daten von der Sekundärseite zurück zur Primärseite verwendet werden können. In der Operation 2504 kann der erste Prozessor 130 die Übertragungskanäle überwachen, was das Empfangen als Eingangsdaten, die von der Sekundärseite zur Primärseite übertragen werden, einschließt. In der Operation 2508 bestimmt der erste Prozessor 130, ob irgendwelche Nachrichtenübertragungen auf eine Leistungsverschiebung bezogen sind. Beispiele von Daten, die auf Leistungsverschiebung bezogen sind, enthalten Daten, die das Ende einer Einschaltfolge anzeigen, Daten, die anzeigen, ob die richtige Sekundärseite versorgt wird, Daten, die spezielle Anforderungen zur Erhöhung oder Senkung der Leistungsausgabe betreffen, und Daten, die Anforderungen zur Eingabe eines Fehlermodus liefern. In der Operation 2512 bestimmt der erste Prozessor 130, dass das System in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Leistungsmodus nach anfänglicher Einschaltung umschalten, wenn die falsche Sekundärseite versorgt wird, falls speziell geringere Leistung oder falls ein Fehlermodus angefordert werden. Durch ein weiteres Beispiel kann der erste Prozessor 130 als Reaktion auf eine spezielle Anforderung nach mehr Leistung oder falls ein Fehlermodus angefordert wird, in einen hohen Leistungsmodus umschalten.
26 ist ein Ablaufdiagramm 2600, das Operationen des ersten Prozessors 130 darstellt, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System 11 basierend auf Zeitgebern des Systems umschalten soll. Das Ablaufdiagramm 2600 veranschaulicht eine spezielle Ausführung der Operation 2412, die in 24 gezeigt ist. Zu Anfang überwacht in der Operation 2604 der erste Prozessor 130 die Systemzeitgeber. Wie erwähnt, kann das System 11 außerdem programmierbare Zeitgeber enthalten, die verwendet werden können, um die Größe der Zeit zu verfolgen, die seit Auftreten eines besonderen Ereignisses vergangen ist, wie etwa die Größe der Zeit, die vergangen ist, seitdem das System eine Einschaltfolge begonnen hat, oder der Zeit, die vergangen ist, seitdem ein Fehlerzustand erfasst wurde oder seitdem eine Veränderung in einem Kopplungszustand erfasst wurde. In der Operation 2604 kann der erste Prozessor 130 die programmierbaren Zeitgeber überwachen, was den Empfang von Daten als zeitliche Steuerung einschließt, die als Ausgabe von den Zeitgebern geliefert werden. Im Betrieb 2608 bestimmt das System, ob irgendwelche Systemzeitgeber abgelaufen sind. Im Betrieb 2612 bestimmt das System, ob es in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Leistungsmodus umschalten, wenn ein abgelaufener Zeitgeber anzeigt, dass eine vorbestimmte Zeit seit dem anfänglichen Einschalten vergangen ist, oder wenn ein abgelaufener Zeitgeber anzeigt, dass eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem ein Fehlerzustand erfasst wurde.
27 ist ein Ablaufdiagramm 2700, das Operationen des ersten Prozessors 130 darstellt, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System 11 basierend auf berechneten Kopplungsgrößen umschalten soll oder nicht. Das Ablaufdiagramm 2700 veranschaulicht eine spezielle Ausführung der Operation 2412, die in 24 dargestellt ist. Zu Anfang überwacht in Operation 2704 der erste Prozessor 130 Regelzeitsteuerparameter auf der Primärseite des Systems 11. Wie erwähnt, kann der erste Prozessor 130 Regelzeitsteuerparameter der Sekundärseite durch Messungen von Spannung und/oder Strom, die auf der Primärseite des Systems 11 vorgenommen werden, überwachen. In der Operation 2708 bestimmt das System, ob die Regelzeitsteuerparameter veränderte Kopplungszustände anzeigen. Wie es in Verbindung mit 33 ausführlicher beschrieben ist, kann der erste Prozessor 130 zum Berechnen der Kopplungsgröße zwischen Primärseite und Sekundärseite basierend auf Arbeitszyklusberechnungen und Messungen der Leerlaufmodusdauer ausgelegt werden. In der Operation 2712 bestimmt das System, ob es in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Leistungsmodus umschalten, wenn die Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite nicht optimal ist. Durch ein weiteres Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen höheren Leistungsmodus umschalten, wenn die Kopplung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite stark ist.
28 ist ein Ablaufdiagramm 2800, das Operationen des ersten Prozessors 130 darstellt, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System 11 basierend darauf, ob ein Fehlerzustand erfasst ist oder nicht, umschalten soll oder nicht. Das Ablaufdiagramm 2800 stellt eine spezielle Ausführung der Operation 2412 dar, die in 24 gezeigt ist. Zu Anfang überwacht bei Operation 2804 der erste Prozessor 130 Systemzustandsparameter auf der Primärseite des Systems 11. Wie es in Verbindung mit 33–37 ausführlicher beschrieben ist, kann der erste Prozessor 130 ausgelegt werden, um Systemzustandsparameter wie Kopplung, Wärmefluss und Temperatur zu überwachen. In der Operation 2808 stellt das System fest, ob irgendwelche Systemzustandsparameter einen Fehlerzustand anzeigen. Hierbei kann der erste Prozessor 130 feststellen, wenn die Kopplung genügend unterhalb optimaler Pegel liegt, um das System 11 ungünstig zu beeinflussen. Der erste Prozessor 130 kann außerdem feststellen, ob die Temperatur- und/oder Wärmeflusspegel eingerichtete Sicherheitsgrenzen überschreiten. In der Operation 2812 legt das System fest, ob es in einen anderen Leistungsmodus umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Leistungsmodus umschalten, wenn die Kopplung zwischen der Primärseite, wenn die Kopplung genügend unterhalb optimaler Pegel liegt, um das System 11 ungünstig zu beeinflussen oder wenn die Temperatur- und/oder Wärmeflusspegel eingerichtete Sicherheitsgrenzen überschreiten.
29 ist ein Ablaufdiagramm 2900, das Operationen des ersten Prozessors 130 darstellt, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System 11 basierend auf Ladezuständen, die auf der Sekundärseite vorhanden sind, umschalten soll oder nicht. Das Ablaufdiagramm 2900 veranschaulicht eine spezielle Ausführung der Operation 2412, die in 24 gezeigt ist. Zu Anfang überwacht in der Operation 2904 der erste Prozessor 130 Ladezustände auf der Sekundärseite, basierend auf Signalen, die auf der Primärseite gemessen werden. Wie erwähnt, kann das System 11 ausgelegt werden, um die Größe elektrischer Ladung, die auf der Sekundärseite vorhanden ist, zu bestimmen, indem der Arbeitszyklus des Leistungsübertragungssignals auf der Primärseite überwacht wird, Daten bezüglich der Ladezustände durch Nachrichtenübertragung empfangen werden, die von der Sekundärseite zur Primärseite gesendet wird, oder durch andere geeignete Verfahren. In der Operation 2908 bestimmt das System, ob sich Ladezustände verändert haben. In der Operation 2912 bestimmt das System, ob es in einen anderen Leistungsmodus basierend auf irgendwelchen veränderten Ladezuständen umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Leistungsmodus umschalten, wenn festgestellt wird, dass die Ladezustände einen verringerten Bedarf an Leistung anzeigen.
Wenden wir uns jetzt Operationen des ersten Prozessors 130 zu, die so funktionieren, dass der Kopplungsmodus gesetzt wird, in dem das System 11 arbeitet, wobei auf 30 Bezug genommen wird. 30 ist ein Ablaufdiagramm 3000, das ein Verfahren zum Umschalten zwischen skalierbaren Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser nach hier erörterten Ausführungsformen veranschaulicht. Das durch das Ablaufdiagramm 3000 dargestellte Verfahren umfasst Operationen, die durch den ersten Prozessor 130 ausgeführt werden, der in 1 gezeigt ist. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann so ausgelegt werden, um Eingangssignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie im Ablaufdiagramm 3000 erläutert, kann der erste Prozessor 130 zwischen skalierbaren Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser basierend auf Eingängen, die auf der Primärseite des Systems 11 empfangen werden, umschalten.
Zu Anfang in Operation 3004 stellt der erste Prozessor 130 einen anfänglichen Kopplungsmodus ein. Die durch den ersten Prozessor 130 ausgegebenen, spezifischen Signale zum Einstellen des Kopplungsmodus können abhängig sein von dem durch das System 11 realisierten Mechanismus zum Umschalten zwischen Kopplungsbetriebsarten. Im System 11, das eine Stelltransformator-Topologie realisiert, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, die eine spezielle Kombination einzelner Transformatorschenkel 1692 einstellen, die in oder aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 verschoben werden. In dem System 11, das zwischen unterschiedlichen harmonischen Unterschwingungen der Leistungsübertragungsfrequenz oder inmitten dieser schaltet, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, die den Wechselrichter 148 auf eine spezifische, subharmonische Frequenz einstellen. In dem System 11, das einen phasenverschobenen Brückenregler realisiert, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, welche die Spannungs- und Stromsignale des Wechselrichters 148 auf einen spezifischen Phasenunterschied einstellen.
In der Operation 3008 arbeitet das System im aktuell eingestellten Kopplungsmodus. Speziell wird Leistung von der äußerlichen Baueinheit 1504 abgegeben, über die Haut 1664 der Versuchsperson übertragen und von der inneren Baueinheit 108 aufgenommen. Die von der inneren Baueinheit aufgenommene Leistung lädt bei Bedarf einen Stromversorgungskondensator oder eine andere mit dem Reglerkreis 1556 verbundene Komponente auf. Auf der Basis des Ladungsbedarfs des Stromversorgungskondensators kann die Reglerkomponente 156 der inneren Baueinheit 108 zwischen einem Leistungsversorgungsmodus und einem Leerlaufmodus umschalten. Die äußerliche Baueinheit 1504 kann auf diese von dem Regler 156 vorgenommenen Umschaltungen reagieren, indem eine von der äußeren Baueinheit 1504 zugeführte Leistungsgröße verändert wird.
Bei der Operation 3012 bestimmt der erste Prozessor 130, ob das System 11 in einen anderen Kopplungsmodus umgeschaltet werden soll. Der erste Prozessor 130 nimmt diese Bestimmung basierend auf einer Eingabe wie Daten, die von Übertragungskanälen, programmierten Zeitgebern empfangen werden, und/oder Systemüberwachungsparameter und Berechnungen vor. Spezielle Operationen des ersten Prozessors 130, welche diese Bestimmungen ausführen, sind ausführlicher in 31–32 beschrieben. Wenn in der Operation 3012 der erste Prozessor 130 bestimmt, dass das System 11 nicht in einen anderen Kopplungsmodus umgeschaltet werden muss, kann die Operation 3008 erneut nach Operation 3012 ausgeführt werden. Wenn in der Operation 3012 der erste Prozessor 130 bestimmt, dass das System 11 in einen anderen Kopplungsmodus umgeschaltet werden muss, kann die Operation 3016 nach Operation 3012 ausgeführt werden.
In der Operation 3016 schaltet das System in einen anderen Kopplungsmodus um. Die vom ersten Prozessor 130 ausgegebenen Signale zum Umschalten des Kopplungsmodus können von dem Mechanismus abhängig sein, der durch das System 11 zum Umschalten zwischen Kopplungsbetriebsarten realisiert wird. Wie erwähnt, kann der erste Prozessor 130 Steuereingaben liefern, die eine spezielle Kombination von einzelnen, in die oder aus der Stelltransformatoreinzelspule 1676 verschobenen Transformatorschenkel 1692 liefern, kann Steuereingaben liefern, die den Wechselrichter 148 auf eine spezifische subharmonische Frequenz einstellen, Steuereingaben liefern, welche die Spannungs- und Stromsignale des Wechselrichters 148 auf einen speziellen Phasenunterschied einstellen, und so weiter. Sobald ein neuer Kopplungsmodus gesetzt ist, kann die Operation 3008 erneut nach Operation 3016 ausgeführt werden.
31 ist ein Ablaufdiagramm 3100, das Operationen des ersten Prozessors 130 veranschaulicht, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System 11 basierend auf berechneten Kopplungsgrößen umschalten soll oder nicht. Das Ablaufdiagramm 3100 veranschaulicht eine spezielle Ausführung der Operation 3012, die in 30 gezeigt ist. Zu Anfang in der Operation 3104 überwacht der erste Prozessor 130 Regelzeitsteuerparameter auf der Primärseite des Systems 11. Wie erwähnt, kann der erste Prozessor 130 Regelzeitsteuerparameter überwachen durch Messungen von Spannung und/oder Strom, die auf der Primärseite des Systems 11 vorgenommen werden. In der Operation 3108 bestimmt das System, ob die Regelzeitsteuerparameter veränderte Kopplungszustände anzeigen. Wie es in Verbindung mit 33 ausführlicher beschrieben wird, kann der erste Prozessor 130 ausgelegt werden, um die Kopplungsgröße zwischen Primärseite und Sekundärseite auf der Basis von Berechnungen der Dauer von Arbeitszyklus und Leerlaufmodus zu berechnen. In der Operation 3112 bestimmt das System, ob es in einen anderen Kopplungsmodus umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Kopplungsmodus umschalten, wenn die Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite nicht optimal ist. Durch ein weiteres Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen höheren Kopplungsmodus umschalten, wenn die Kopplung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite stark ist.
32 ist ein Ablaufdiagramm 3200, das Operationen des ersten Prozessors 130 darstellt, die für eine Bestimmung dafür sorgen, ob das System 11 den Kopplungsmodus basierend auf der Anordnung der Primärspule im Verhältnis zu der Sekundärspule umschalten soll. Das Ablaufdiagramm 3200 veranschaulicht eine spezielle Ausführung der in 30 gezeigten Operation 3012. Zu Anfang in der Operation 3204 überwacht der erste Prozessor 130 die Anordnung der Primärspule im Verhältnis zur Lage der Sekundärspule. Hierbei kann der erste Prozessor 130 die Anordnung der Primärspule basierend auf Kopplungsberechnungen approximieren, wie es in 33 erläutert ist. Alternativ dazu kann der erste Prozessor 130 Näherungsschalter oder andere geeignete Mechanismen zur Bestimmung der Anordnung der Primärspule im Verhältnis zu der Sekundärspule nutzen. In der Operation 3208 bestimmt das System, ob die Spulenanordnung veränderte Kopplungszustände anzeigt. In der Operation 3212 bestimmt das System, ob es in einen anderen Kopplungsmodus basierend auf veränderten Kopplungszuständen umgeschaltet werden soll. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen niedrigeren Kopplungsmodus umschalten, wenn die Anordnung der Primärspule relativ zur Sekundärspule eine nicht optimale Kopplung bewirkt. Durch ein weiteres Beispiel kann der erste Prozessor 130 in einen höheren Kopplungsmodus umschalten, wenn die Anordnung der Primärspule relativ zur Sekundärspule eine hohe Kopplungsgröße unterstützen könnte.
Gemäß vorliegenden Ausführungsformen kann der erste Prozessor 130 so funktionieren, dass er verschiedene, der Leistungsübertragung in dem TETS System 11 zugeordnete Parameter misst und berechnet. Der erste Prozessor 130 kann anschließend diese Parameter zum Umschalten zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser verwenden. Zum Beispiel kann der erste Prozessor 130 zwischen Leistungs- und/oder Kopplungsbetriebsarten oder inmitten dieser umschalten, die auf eine potenzielle Entkopplung zwischen den Spulen 1648, 1656, abgeschätzte erhöhte Wärmeflusspegel auf der Primärseite oder Sekundärseite und/oder abgeschätzte, erhöhte Temperaturpegel auf der Primärseite oder Sekundärseite reagieren. Diese Aspekte der vorliegenden Offenlegung sind in Verbindung mit in 33 bis 37 dargestellten Verfahren und Operationen beschrieben.
Wenden wir uns zuerst den Operationen des ersten Prozessors 130 zu, die so funktionieren, um einen Kopplungsfaktor k zu berechnen, wobei auf 33 Bezug genommen wird. 33 ist ein Ablaufdiagramm 3300, das ein Verfahren zum Berechnen eines Kopplungsfaktors k gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt. Das durch das Ablaufdiagramm 3300 veranschaulichte Verfahren umfasst Operationen, die durch den in 1 gezeigten Prozessor 130 ausgeführt werden. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann so ausgelegt werden, um Eingangssignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie es in dem Ablaufdiagramm 3300 erläutert ist, kann das Steuerungsmodul 140 den Kopplungsfaktor k zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 berechnen, indem verschiedene Berechnungen basierend auf den primärseitigen Eingangssignalen durchgeführt werden.
Zu Anfang in der Operation 3300 bestimmt das System 11 die Dauer der Regelperiode T_reg. Die Regelperiode T_reg entspricht der Dauer der Stromversorgungsperiode T_on, plus Dauer der Leerlaufperiode T_off. Eine beispielhafte Regelperiode T_reg 2124 ist in Verbindung mit in 21 gezeigten beispielhaften, wellenförmigen Bildspuren dargestellt. Das System 11 kann die Dauer der Regelperiode T_reg basierend auf Messungen des Stroms im äußeren Resonanznetzwerk 15 bestimmen, die vorgenommen werden, wenn Leistung von der äußeren Baueinheit 1504 zu der inneren Baueinheit 1508 übertragen wird. Speziell kann der Stromsensor 1620 ein Ausgangssignal erzeugen, das der Größe des durch die äußere Spule 1648 fließenden Stroms entspricht, wobei das Signal als Eingang zu dem ersten Prozessor 130 weitergegeben wird. Der erste Prozessor 130 kann anschließend das Stromsignal überwachen, um zu bestimmen, ob der Leistungskreis 1532 zwischen dem Leistungsmodus und dem Leerlaufmodus übergeht, indem festgestellt wird, wann das Stromsignal zwischen einer niedrigen Amplitude und hohen Amplitude übergeht. Der erste Prozessor 130 kann eine Regelperiode T_reg als zwischen der Zeit auftretend registrieren, wenn das Stromsignal erstmalig in eine hohen Amplitude übergeht, und der Zeit, wenn das Stromsignal ein zweites anschließendes Mal zurück in eine hohe Amplitude übergeht.
In der Operation 3308 bestimmt das System 11 die Dauer des Leistungsmodus. Eine beispielhafte Leistungsmodusperiode T_on 2120 ist in Verbindung mit in 21 gezeigten beispielhaften, wellenförmigen Bildspuren dargestellt. Das System 11 kann die Dauer der Leistungsmodusperiode T_on basierend auf Strommessungen im äußeren Resonanznetzwerk 15 bestimmen, die vorgenommen werden, wenn Leistung von der äußeren Baueinheit 1504 zu der inneren Baueinheit 1508 übertragen wird. Speziell kann der Stromsensor 1620 ein Ausgangssignal erzeugen, das der Größe des durch die äußere Spule 1648 fließenden Stroms entspricht, wobei das Signal als Eingang zum Leistungssteuerungsmodul 140 weitergegeben wird. Der erste Prozessor 130 kann anschließend das Stromsignal überwachen, um zu bestimmen, wann der Leistungskreis 1532 zwischen Leistungsmodus und Leerlaufmodus übergeht, indem bestimmt wird, wann das Stromsignal zwischen einer niedrigen Amplitude und hohen Amplitude übergeht. Der erste Prozessor 130 kann eine Leistungsmodusperiode T_on als zwischen der Zeit auftretend registrieren, wenn das Stromsignal in eine hohe Amplitude übergeht und der Zeit, wenn das Stromsignal in eine niedrige Amplitude übergeht.
Beim Betrieb 3312 berechnet das System 11 den Arbeitszyklus des Leistungsmodus DC_on. DC_on ist definiert als die Dauer des Leistungsmodus T_on gegenüber der Dauer der Regelperiode T_reg. Der erste Prozessor 130 kann den Arbeitszyklus des Leistungsmodus DC_on bestimmen, indem die im Betrieb 3308 erhaltene Leistungsmodusperiode T_on durch die im Betrieb 3304 erhaltene Regelperiode T_reg dividiert wird.
In der Operation 3316 bestimmt das System 11 die Dauer des Leerlaufmodus. Eine beispielhafte Leerlaufmodusperiode T_off 2116 ist in Verbindung mit in 21 gezeigten beispielhaften, wellenförmigen Bildspuren dargestellt. Das System 11 kann die Dauer der Leerlaufmodusperiode T_off basierend auf Strommessungen im äußeren Resonanznetzwerk 15 bestimmen, die vorgenommen werden, wenn von der äußeren Baueinheit 1504 zu der inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Speziell kann der Stromsensor 1620 ein Ausgangssignal erzeugen, das der Größe des durch die äußere Spule 1648 fließenden Stroms entspricht, wobei das Signal als Eingang zum ersten Prozessor 130 weitergegeben wird. Der erste Prozessor 130 kann anschließend das Stromsignal überwachen, um festzustellen, wann der Leistungskreis 1532 zwischen dem Leistungsmodus und dem Leerlaufmodus übergeht, indem bestimmt wird, wann das Stromsignal zwischen einer niedrigen Amplitude und hohen Amplitude übergeht. Der erste Prozessor 130 kann eine Leerlaufmodusperiode T_off als zwischen der Zeit auftretend registrieren, wenn das Stromsignal in eine niedrige Amplitude übergeht, und der Zeit, wenn das Stromsignal in eine hohe Amplitude übergeht.
In der Operation 3320 berechnet das System 11 den Kopplungsfaktor k zwischen der äußeren Spule 1648 und inneren Spule 1656. Das System 11 kann den Kopplungsfaktor k unter Verwendung von Gleichung (2) bestimmen. Hierbei kann der erste Prozessor 130 mit Werten für α, β, und γ programmiert werden, die dem zu verwendenden speziellen Spulenentwurf entsprechen. Beim Berechnen des Kopplungsfaktors k kann der erste Prozessor 130 sowohl diese vorprogrammierten Werte als auch den in der Operation 3312 erhaltenen Wert für den Arbeitszyklus-Leistungsmodus DC_on und den in der Operation 3316 erhaltenen Wert für die Leerlaufmodusperiode T_off verwenden. Speziell kann der erste Prozessor 130 diese programmierten und gemessenen Werte in die Gleichung (2) eingeben und, indem so verfahren wird, eine Abschätzung für den Kopplungsfaktor k zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656 erhalten.
34 ist ein Ablaufdiagramm 3400, das ein Verfahren zum Abschätzen eines Sekundärspulenwärmeflusses entsprechend hier erörterter Ausführungsformen darstellt. Das durch das Ablaufdiagramm 3400 veranschaulichte Verfahren umfasst Operationen, die von dem in 5 gezeigten Leistungssteuerungsmodul 140 ausgeführt werden. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann so ausgelegt werden, um Eingangssignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie es im Ablaufdiagramm 3400 erläutert ist, kann der erste Prozessor 130 den Sekundärspulenwärmefluss berechnen, indem verschiedene Berechnungen basierend auf den primärseitigen Eingangssignalen durchgeführt werden.
Zu Anfang in der Operation 3404 bestimmt das System 11 die Spannung V₁ über dem äußeren Resonanznetzwerk 15. Wie erwähnt, ist V₁ proportional der Gleichspannung V_in der Stromversorgung und ändert sich somit typischerweise nicht, ausgenommen zur Skalierung mit der Frequenz, wenn das System in eine andere harmonische Unterschwingung umschaltet. So kann V₁ kann aus Systemeinstellungen abgeleitet werden, und ist typischerweise ohne Messungen bekannt. In einen Vollbrückenwechselrichter nutzenden Ausführungen kann der erste Prozessor 130 V₁ unter Verwendung von V_in und Gleichung (4) berechnen.
In der Operation 3408 berechnet das System 11 den Kopplungsfaktor k zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656. Wie es in Verbindung mit 33 erläutert ist, kann das System 11 die Gleichung (2) nutzen, um den Kopplungsfaktor k basierend auf programmierten Werten für α, β, und γ und gemessenen Werten für den Arbeitszyklus des Leistungsmodus DC_on und die Leerlaufmodusperiode T_off zu berechnen.
In der Operation 3412 schätzt das System 11 den in der inneren Spule 1656 vorhandenen Strom I₂ ab unter Verwendung der Spannung V₁ über dem äußeren Resonanznetzwerk 15 und des Kopplungsfaktors k zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656. Das System 11 kann den in der inneren Spule 1656 vorhandenen Strom I₂ bestimmen unter Verwendung des Wertes für die Spannung V₁, der in Operation 3404 erhalten wird, und des Wertes für den Kopplungsfaktor k, der in Operation 3408 erhalten wird. Speziell kann der erste Prozessor 130 diese gemessenen Werte in die Gleichung (3) eingeben und, indem so verfahren wird, eine Abschätzung für den Strom I₂ erhalten.
In der Operation 3416 schätzt das System 11 den Sekundärspulenwärmefluss unter Verwendung des Stroms I₂ ab. Wie erwähnt, basiert der Wärmefluss auf der Sekundärseite auf dem Strom I₂ in der Sekundärspule, dem bekannten parasitären Widerstand der Sekundärspule und der Oberfläche der Sekundärspule. So kann der Wärmefluss auf der Sekundärseite berechnet oder anderweitig abgeschätzt werden unter Verwendung des in der inneren Spule 1656 vorhandenen Stroms I₂, wie es in der Operation 3412 bestimmt ist. Hierbei kann das Leistungssteuerungsmodul 140 den Wärmefluss auf der Sekundärseite unter Verwendung von Gleichung (5) berechnen.
35 ist ein Ablaufdiagramm 3500, das ein Verfahren zum Abschätzen einer Sekundärspulentemperatur gemäß den oben erörterten Ausführungsformen veranschaulicht. Das durch das Ablaufdiagramm 3500 dargestellte Verfahren umfasst Operationen, die durch den in 15 gezeigten, ersten Prozessor 130 ausgeführt werden. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann ausgelegt werden, um Eingangssignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie es im Ablaufdiagramm 3500 erläutert ist, kann der erste Prozessor 130 die Temperatur der Sekundärspulenwärme berechnen, indem verschiedene Berechnungen basierend auf den primärseitigen Eingangssignalen durchgeführt werden.
Zu Anfang bestimmt in der Operation 3504 das System 11 die Spannung V₁ über dem äußeren Resonanznetzwerk 15. Wie erwähnt, ist V₁ proportional der Gleichspannung V_in der Stromversorgung und ändert sich typischerweise somit nicht, ausgenommen zur Skalierung mit der Frequenz, wenn das System in eine andere harmonische Unterschwingung umschaltet. Folglich kann V₁ aus Systemeinstellungen abgeleitet werden und ist typischerweise ohne Messungen bekannt. In Ausführungen, die einen Vollbrückenwechselrichter verwenden, kann das Leistungssteuerungsmodul 140 V₁ unter Verwendung von V_in und Gleichung (4) berechnen.
In der Operation 3508 berechnet das System 11 den Kopplungsfaktor k zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656. Wie in Verbindung mit 33 erläutert ist, kann das System 11 Gleichung (2) zum Berechnen des Kopplungsfaktors k basierend auf programmierten Werte für α, β, und γ sowie gemessenen Werten für den Arbeitszyklus des Leistungsmodus DC_on und die Leerlaufmodusperiode T_off nutzen.
In der Operation 3512 schätzt das System 11 den in der inneren Spule 1656 vorhandenen Strom I₂ ab unter Verwendung der Spannung V₁ über dem äußeren Resonanznetzwerk 15 und dem Kopplungsfaktor k zwischen der äußeren Spule 1648 und der inneren Spule 1656. Das System 11 kann den in der inneren Spule 1656 vorhandenen Strom I₂ unter Verwendung des in der Operation 3504 erhaltenen Wertes für die Spannung V₁ und des in der Operation 3508 erhaltenen Wertes für den Kopplungsfaktor k bestimmen. Speziell kann der erste Prozessor 130 diese gemessenen Werte in die Gleichung (3) eingeben und, indem so verfahren wird, eine Abschätzung für den Strom I₂ erhalten.
In der Operation 3516 schätzt das System 11 den Sekundärspulenwärmefluss mittels Strom I₂. Wie erwähnt, basiert der Wärmefluss auf der Sekundärseite auf dem Strom I₂ in der Sekundärspule, dem bekannten parasitären Widerstand der Sekundärspule und der Oberfläche der Sekundärspule. Folglich kann der Wärmefluss auf der Sekundärseite berechnet oder anderweitig abgeschätzt werden unter Verwendung des in der inneren Spule 1656 vorhandenen Stroms I₂, wie er in der Operation 2412 bestimmt ist. Hierbei kann der erste Prozessor 130 den Wärmefluss auf der Sekundärseite unter Verwendung von Gleichung (5) berechnen.
In der Operation 3520 schätzt das System 11 die Sekundärspulentemperatur unter Verwendung des sekundärseitigen Wärmeflusses ab. In einer Ausführung kann das System 11 Temperaturänderungen basierend auf Abschätzungen des Wärmeflusspegels, die über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen werden, abschätzen. Folglich kann der erste Prozessor 130 eine Anzahl von Wärmeflussberechnungen messen und aufzeichnen, wie es in der Operation 3516 erläutert ist, und Temperaturschätzungen auf der Basis dieser Wärmeflussberechnungen vornehmen. Das Leistungssteuerungsmodul 140 kann Temperaturerhöhungen mit unterstützten, erhöhten Wärmeflusspegeln korrelieren. Ebenso kann der erste Prozessor 130 Temperaturabnahmen mit niedrigeren Wärmeflusspegeln korrelieren, die über die Zeit beibehalten werden. Korrelierungen von Wärmefluss zu Temperatur können Tieruntersuchungen zugrunde gelegt sein, die fortlaufend aktualisiert werden können.
36 ist ein Ablaufdiagramm 3600, das ein Verfahren zum Abschätzen eines Primärspulenwärmeflusses gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt. Das durch das Ablaufdiagramm 3600 dargestellte Verfahren umfasst Operationen, die durch das in 5 gezeigte Leistungssteuerungsmodul 140 ausgeführt werden. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann so ausgelegt werden, um Eingangssignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie es im Ablaufdiagramm 3600 erläutert ist, kann der erste Prozessor 130 den Primärspulenwärmefluss abschätzen, indem verschiedene Berechnungen basierend auf den primärseitigen Eingangssignalen durchgeführt werden.
Zu Anfang berechnet in der Operation 3604 das System 11 den Strom I₁, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist. Ein beispielhafter Primärstrom I₁ 2104 ist in Verbindung mit in 21 gezeigten beispielhaften, wellenförmigen Bildspuren dargestellt. Das System 11 kann den Strom I₁ basierend auf Messungen bestimmen, die im äußeren Resonanznetzwerk 15 vorgenommen werden, wenn von der äußeren Baueinheit 1504 zur inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Speziell kann der Stromsensor 1620 ein Ausgangssignal erzeugen, das der Größe des durch die äußere Spule 1648 fließenden Stroms entspricht, wobei das Signal als Eingang in den ersten Prozessor 130 weitergegeben wird. Der erste Prozessor 130 kann anschließend dieses Signal abtasten, wenn es zum Bestimmen der Größe des Stroms, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist, benötigt wird.
In der Operation 3612 schätzt das System 11 den Primärspulenwärmefluss unter Verwendung des Stroms I₁. Wie erwähnt ist, basiert der Wärmefluss auf der Primärseite auf dem Strom I₁ in der Primärspule, dem bekannten parasitären Widerstand der Primärspule und der Oberfläche der Primärspule. Folglich kann der Wärmefluss auf der Primärseite berechnet oder anderweitig abgeschätzt werden durch den in der äußeren Spule 1648 vorhandenen Strom I₁, wie er in der Operation 3604 bestimmt ist. Hierbei kann der erste Prozessor 130 den Wärmefluss auf der Primärseite unter Verwendung von Gleichung (5) berechnen.
37 ist ein Ablaufdiagramm 3700, das ein Verfahren zum Abschätzen einer Primärspulentemperatur gemäß hier erörterter Ausführungsformen darstellt. Das durch das Ablaufdiagramm 3700 dargestellte Verfahren umfasst Operationen, die von dem in 5 gezeigten Leistungssteuerungsmodul 140 ausgeführt werden. Der erste Prozessor 130 befindet sich außerhalb der Versuchsperson und kann so ausgelegt werden, um Eingangssignale von verschiedenen Punkten auf der Primärseite des Systems 11 zu empfangen. Wie es im Ablaufdiagramm 3700 erläutert ist, kann der erste Prozessor 130 die Primärspulen-temperatur abschätzen, indem verschiedene Berechnungen basierend auf den primärseitigen Eingangssignalen durchgeführt werden.
Zu Anfang berechnet in der Operation 3704 das System 11 den Strom I₁, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist. Ein beispielhafter Primärstrom I₁ 2104 ist in Verbindung mit in 21 gezeigten beispielhaften, wellenförmigen Bildspuren dargestellt. Das System 11 kann den Strom I₁ basierend auf Messungen bestimmen, die im äußeren Resonanznetzwerk 15 vorgenommen werden, wenn von der äußeren Baueinheit 1504 zur inneren Baueinheit 1508 Leistung übertragen wird. Speziell kann der Stromsensor 1620 ein Ausgangssignal erzeugen, das der Größe des durch die äußere Spule 1648 fließenden Stroms entspricht, wobei das Signal als Eingang in das Leistungssteuerungsmodul 140 weitergegeben wird. Der erste Prozessor 130 kann anschließend bei Bedarf dieses Signal abtasten, um die Größe des Stroms zu bestimmen, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist.
In der Operation 3712 schätzt das System 11 den Primärspulenwärmefluss durch den Strom I₁. Wie erwähnt ist, basiert der Wärmefluss auf der Primärseite auf dem Strom I₁ in der Primärspule, dem bekannten parasitären Widerstand der Primärspule und der Oberfläche der Primärspule. Folglich kann der Wärmefluss auf der Primärseite berechnet oder anderweitig abgeschätzt werden unter Verwendung des Stroms I₁, der in der äußeren Spule 1648 vorhanden ist, wie es in der Operation 3704 bestimmt ist. Hierbei kann der erste Prozessor 130 den Wärmefluss auf der Primärseite unter Verwendung von Gleichung (5) berechnen.
In der Operation 3716 schätzt das System 11 die Primärspulentemperatur unter Verwendung des primären Wärmeflusses. In einer Ausführung kann das System 11 Temperaturänderungen basierend auf Abschätzungen des Wärmeflusspegels, die über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen werden, abschätzen. So kann das Leistungssteuerungsmodul 140 eine Anzahl von Wärmeflussberechnungen messen und aufzeichnen, wie in der Operation 3712 erläutert, und Temperaturabschätzungen basierend auf diesen Wärmeflussberechnungen vornehmen. Der erste Prozessor 130 kann Temperaturzunahmen mit unterstützten, erhöhten Wärmeflusspegeln korrelieren. Entsprechend kann der erste Prozessor 130 Temperaturabnahmen mit niedrigeren Wärmeflusspegeln korrelieren, die über die Zeit beibehalten werden.
Allgemein kann das System, wie es in der Offenlegung durchweg beschrieben ist, eine oder eine beliebige Anzahl von Steueroperationen ausführen. Ebenso kann das System eine oder eine beliebige Anzahl von Alarmsignalpegeln oder Meldungen zur Verfügung stellen. Die Alarmsignale können einzeln oder ständig sein. Ein ständig zunehmendes oder abnehmendes Alarmsignal kann mehrfache Alarmsignalpegel anzeigen. Zum Beispiel kann ein hörbarer Ton oder anderer Klang mehrfache Alarmsignalpegel anzeigen, die an Lautstärke, Frequenz oder dergleichen zunehmen oder abnehmen. In einem weiteren Beispiel kann ein Licht mehrfache Alarmsignalpegel anzeigen, indem die Helligkeit erhöht oder verringert wird, und so weiter.
Die hier beschriebene Technik kann als logische Operationen und/oder Module in einem oder mehreren Systemen implementiert werden. Die logischen Operationen können als Folge prozessorimplementierter Schritte, die in einem oder mehreren Computersystemen ablaufen und als untereinander verbundene Maschinen- oder Schaltkreismodule innerhalb eines oder mehrerer Computersysteme realisiert werden. Ebenso können die Beschreibungen verschiedener Komponentenmodule hinsichtlich Operationen bereitgestellt werden, die durch die Module ausgeführt oder bewirkt werden. Die sich ergebende Ausführung ist eine Sache der Auswahl, abhängig von den Leistungsanforderungen des zugrunde liegenden Systems, das die beschriebene Technik realisiert. Folglich beziehen sich die logischen Operationen, die die Ausführungsformen der hier beschriebenen Technik bilden, verschiedentlich auf Operationen, Schritte, Gegenstände oder Module. Weiterhin soll verständlich werden, dass logische Operationen in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden können, es sei denn, dass sie ausdrücklich anderweitig beansprucht werden oder eine spezifische Reihenfolge durch die Anspruchssprache von Natur aus erforderlich ist.
In einigen Ausführungen sind Herstellungsgegenstände vorgesehen als Computerprogrammprodukte, die zu unmittelbaren Operationen auf einem Computersystem zur Realisierung der Erfindung zwingen. Eine Ausführung des Computerprogrammprodukts sieht ein nicht kurzzeitiges Computerprogrammspeichermedium vor, das von einem Computersystem lesbar ist und ein Computerprogramm kodiert. Es soll ferner verständlich werden, dass die beschriebene Technik in Spezialgeräten unabhängig von einem Bürocomputer eingesetzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standards 802.11 [0261]

Claims

Verfahren zur Überwachung und Steuerung einer Leistungsübertragung zwischen einer Primärseite und einer Sekundärseite eines transkutanen Energieübertragungssystems, das in einem implantierbaren, medizinischen Gerät verwendet wird, umfassend: Betreiben des transkutanen Energieübertragungssystems in einem ersten Leistungsmodus, wobei der erste Leistungsmodus einer von einer Vielzahl skalierbarer Leistungsbetriebsarten ist; Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem in einen zweiten Leistungsmodus geschaltet werden soll, wobei der zweite Leistungsmodus einer von der Vielzahl skalierbarer Leistungsbetriebsarten ist; und Schalten vom ersten Leistungsmodus in den zweiten Leistungsmodus, indem eine Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Primärseite ein Leistungsübertragungssystem mit einer Primärspule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sekundärseite ein Leistungsaufnahmesystem mit einer Sekundärspule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die skalierbaren Leistungsbetriebsarten eine Gruppe von Leistungslieferbereichen umfassen, die von einem niedrigen Leistungsbereich zu einem hohen Leistungsbereich definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gruppe von Leistungslieferbereichen mindestens einen dazwischen liegenden Leistungslieferbereich zwischen dem niedrigen Leistungslieferbereich und dem hohen Leistungslieferbereich enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine Anforderung zum Beenden einer anfänglichen Einschaltfolge empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine Anforderung zum Nachweisen der richtigen Sekundärseite empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine Anforderung nach erhöhter oder verminderter Leistung empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine Anforderung zur Eingabe eines Fehlermodus empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine vorgegebene Zeit seit der Einschaltung vergangen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem geschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem ein Fehlerzustand erfasst wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem umgeschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem eine Änderung in einem Kopplungsfaktor aufgetreten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem umgeschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob ein Fehlerzustand erfasst ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Fehlerzustand zu hohen Strom einschließt, der durch die Sekundärseite entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem umgeschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob eine Änderung beim Kopplungsfaktor erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob das transkutane Energieübertragungssystem umgeschaltet werden soll, das Bestimmen umfasst, ob ein Lastwechsel erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Lastwechsel angezeigt wird durch eine auf der Primärseite gemessene Änderung im Arbeitszyklus.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines Stelltransformators auf der Primärseite umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Stelltransformator eine Vielzahl von diskreten Zuständen einschließt, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus umfasst, indem die Eingangsleistung mit harmonischen Unterschwingungen der Ansteuerfrequenz verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Eingangsleistung eine Vielzahl von subharmonischen Zuständen aufweist, die einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Steuern einer Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines Stellreglers auf der Primärseite umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Stellregler eine Vielzahl diskreter Zustände aufweist, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Steuern der Leistungsübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite das Ändern des Leistungsmodus durch den Betrieb eines phasenverschobenen Brückenreglers auf der Primärseite umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der phasenverschobene Brückenregler für eine Vielzahl von Phasenverschiebungen ausgelegt ist, die jeweils einer der skalierbaren Leistungsbetriebsarten entsprechen.
Transformator für ein transkutanes Energieübertragungsgerät, wobei der Transformator umfasst einen Kerntransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei die Primärseite gestaltet ist, um an eine Stromversorgung angeschlossen zu werden; eine Stelltransformatoreinzelspule mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende mit der Sekundärseite des Kerntransformators verbunden ist; und einen eisenlosen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei die Primärseite mit dem zweiten Ende der Stelltransformatoreinzelspule verbunden ist, die Sekundärseite so gestaltet ist, um in einer Versuchsperson implantiert zu werden, so dass die Haut der Versuchsperson zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des eisenlosen Transformators angeordnet ist.
Transformator nach Anspruch 26, wobei die Stelltransformatoreinzelspule des Weiteren aufweist eine Anschlusswicklung, die als die Primärwicklung des eisenlosen Transformators ausgestaltet ist; einen ersten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die mit der zweiten Seite des Kerntransformators verbunden ist; und einen zweiten Transformatorschenkel mit einer Transformatorwicklung, die mit der zweiten Seite des Kerntransformators verbunden ist.
Transformator nach Anspruch 27, wobei der erste Transformatorschenkel und der zweite Transformatorschenkel parallel angeordnet sind.
Transformator nach Anspruch 27, wobei der erste Transformatorschenkel einen Kondensator einschließt, der in Reihe geschaltet ist mit der an der Sekundärseite des Kerntransformators angeschlossenen Transformatorwicklung; und der zweite Transformatorschenkel einen Kondensator einschließt, der in Reihe geschaltet ist mit der an der Sekundärseite des Kerntransformators angeschlossenen Transformatorwicklung.
Transformator nach Anspruch 27, wobei der erste Transformatorschenkel einen Schalter einschließt, der, wenn er geöffnet ist, den ersten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt; und der zweite Transformatorschenkel einen Schalter einschließt, der, wenn er geöffnet ist, den zweiten Schenkel von der Anschlusswicklung trennt.
Transformator nach Anspruch 30, wobei die Schalter des ersten und des zweiten Transformatorschenkels mit einer Steuereinheit verbunden sind, welche die Schalter öffnet und schließt, um das transkutane Energieübertragungsgerät zwischen mindestens einem hohen Leistungsmodus und einem niedrigen Leistungsmodus zu schalten.