DE102015114517B3

DE102015114517B3 - Implantierbare Sensoreinheit und Transpondereinheit aufweisende Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102015114517B3
Application number: DE102015114517.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hammerschmidt; Peter Bogner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: US10456048B2; EP3136605A1; US20170055850A1

Abstract

Eine Sensorvorrichtung (10) weist eine implantierbare Sensoreinheit (100), eine Transpondereinheit (200) und eine drahtgebundene Verbindung (300) auf, die die implantierbare Sensoreinheit (100) und die Transpondereinheit (200) flexibel und elektrisch verbindet. Die implantierbare Sensoreinheit (100) ist dafür angepasst, in einen Körper implantiert zu werden. Die implantierbare Sensoreinheit (100) weist einen Komparator (120) und einen Sensor auf, der dafür angepasst ist, eine Eigenschaft des Körpers in vivo zu erfassen. Der Sensor ist dafür geeignet, ein analoges Signal an einen ersten Eingang (120a) des Komparators (120) bereitzustellen. Die Transpondereinheit (200) ist dafür geeignet, ein Steuersignal an die implantierbare Sensoreinheit (100) bereitzustellen und ein Ausgangssignal des Komparators (120) zu empfangen. Die implantierbare Sensoreinheit (100) ist dafür geeignet, ein analoges Approximationssignal als Antwort auf das Steuersignal an einen zweiten Eingang (120b) des Komparators (120) bereitzustellen. Die drahtgebundene Verbindung (300) ist dafür geeignet, das Steuersignal und das Ausgangssignal des Komparators (120) zu übertragen.

Description

HINTERGRUND
Sensorvorrichtungen können zur Blutdruckmessung an Nagetieren wie etwa Labormäusen in medizinischen Studien verwendet werden. Gegenwärtig wird eine Blutdruckmessung mit einem Katheter durchgeführt, der mit einem externen Messgerät verbunden ist. Der Katheter ist fluidgefüllt und überträgt den Druck mechanisch. Der Blutdruck ist jedoch ziemlich ungenau, da das System des Katheters dem Druck eine Fluidsäule hinzufügt und vom Mauskörper sowie der Umgebungstemperatur abhängt. Ferner bildet er einen mechanischen Tiefpass, der die Dynamik der Signale begrenzt. Außerdem ist die Maus an das externe Katheterrohr gebunden, was einen massiven Stress für die Maus bewirkt und somit den Wert der gemessenen Daten reduziert. Schließlich stirbt die Maus oft, wenn der Katheter entfernt wird.
Es gibt bestehende Transponder, die das Kathetermessprinzip mit einer drahtlosen Datenverbindung kombinieren, um das externe Rohr zu vermeiden, das die Maus an einer normalen Aktivität hindert. Jene Transponder stellen noch eine große Behinderung für die Maus dar, da das Volumen des Transponders etwa 1 cm³ beträgt und somit ein Volumen in dem kleinen Tier einnimmt, das dessen normale Anatomie beeinträchtigt. Die Messung leidet an den gleichen Problemen wie der Katheter, da sie ebenfalls das fluidgefüllte Rohr nutzt, um den Druck von dem Blutgefäß zum Drucksensor im Innern der Transponderkapsel zu übertragen; der Effekt sollte aber aufgrund der kürzeren Katheterlänge begrenzt sein. Überdies hat der batteriebetriebene RF-Transponder eine begrenzte Lebensdauer, welche erheblich kürzer als die Lebensdauer des Tieres ist, und er muss wegen seines hohen Preises explantiert werden, um ihn einer Generalüberholung zu unterziehen.
Aus den Druckschriften

– ZOU, Xiaodan [et al.]: A 100-channel 1-mW implantable neural recording IC. In: IEEE Transactions an circuits and systems I: Regular papers, Vol. 60, Nr. 10, Oktober 2013, S. 2584–2596, und
– CONG, Peng [et al.]: Wireless batteryless implantable blood pressure monitoring microsystem for small laboratory animals. In: IEEE Sensors journal, Vol. 10, Nr. 2, Februar 2010, S. 243–254 sind implantierbare Blutdruckmesssysteme für Labormäuse bekannt.

Die Druckschrift van der BOOM, Thomas [et al.]: Remote cmos pressure sensor chip with wireless power and data transmission. In: Solid state circuits conference, 2000, Digest of technical papers, S. 186–188 beschreibt einen CMOS Drucksensor mit drahtloser Leistungs- und Datenübertragungseigenschaft.
Eine Aufgabe ist, eine Sensorvorrichtung mit einer implantierbaren Sensoreinheit zu schaffen, die dafür geeignet ist, in einen Körper einfach implantiert zu werden, und eine geringe Größe und einen geringen Energieverbrauch aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.
Gemäß einer Ausführungsform einer Sensorvorrichtung weist eine Sensorvorrichtung eine implantierbare Sensoreinheit, eine Transpondereinheit und eine drahtgebundene Verbindung auf, die die implantierbare Sensoreinheit und die Transpondereinheit flexibel und elektrisch verbindet. Die implantierbare Sensoreinheit ist dafür geeignet bzw. angepasst, in einen Körper implantiert zu werden. Die implantierbare Sensoreinheit weist einen Komparator und einen Sensor auf, der dafür geeignet ist, eine Charakteristik bzw. Eigenschaft des Körpers in vivo zu erfassen bzw. messen. Der Sensor ist angepasst, um ein analoges Signal an einen ersten Eingang des Komparators bereitzustellen. Die Transpondereinheit ist angepasst, um ein Steuersignal an die implantierbare Sensoreinheit bereitzustellen und ein Ausgangssignal des Komparators zu empfangen. Die implantierbare Sensoreinheit ist angepasst, um als Antwort auf das Steuersignal ein analoges Approximationssignal an einen zweiten Eingang des Komparators bereitzustellen. Die drahtgebundene Verbindung ist angepasst, um das Steuersignal und das Ausgangssignals des Komparators zu übertragen.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung bereitzustellen, und sie sind in die Offenbarung dieser Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung und eines externen Lesegeräts gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein digitales Zeitdiagramm, das eine Umwandlungssequenz eines analogen Signals eines Sensors in digitale Sensordaten veranschaulicht.
4A und 4B sind schematische perspektivische Ansichten einer implantierbaren Sensoreinheit der Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform vor und nach einem Einsatz in ein Gefäßende.
5 bis 10 sind schematische Blockdiagramme von Sensorvorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für eine Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um zu noch einer weiteren Ausführungsform zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Der Begriff ”elektrisch verbunden” beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung gestaltet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Widerstände, Widerstandselemente oder Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie man aus 1 ersehen kann, weist die Sensorvorrichtung 10 eine implantierbare Sensoreinheit 100, eine Transpondereinheit 200 und eine drahtgebundene Verbindung 300 auf, die die implantierte Sensoreinheit 100 und die Transpondereinheit 200 flexibel und elektrisch verbindet. Die implantierbare Sensoreinheit 100 ist dafür geeignet bzw. angepasst, in einen Körper implantiert zu werden. Die implantierbare Sensoreinheit 100 weist einen Komparator 120 und einen Sensor 110 auf, der angepasst ist, um eine Eigenschaft des Körpers in vivo zu erfassen bzw. zu messen. Der Sensor 110 ist dafür angepasst, ein analoges Signal sens an einen ersten Eingang 120a des Komparators 120 bereitzustellen. Die Transpondereinheit 200 ist angepasst, um ein Steuersignal ctrl an die implantierbare Sensoreinheit 100 bereitzustellen und ein Ausgangssignal comp des Komparators 120 zu empfangen. Die implantierbare Sensoreinheit 100 ist angepasst, um als Antwort auf das Steuersignal ctrl ein analoges Approximationssignal approx an einen zweiten Eingang 120b des Komparators 120 bereitzustellen. Die drahtgebundene Verbindung 300 ist dafür angepasst, das Steuersignal ctrl und das Ausgangssignal comp des Komparators 120 zu übertragen.
Da das Steuersignal ctrl und das Ausgangssignal comp des Komparators 120 digitale Signale sind, wird die Übertragungszuverlässigkeit bzw. -sicherheit der drahtgebundenen Verbindung 300 zwischen der implantierbaren Sensoreinheit 100 und der Transpondereinheit 200 verbessert, während zur gleichen Zeit die Schaltungsgröße der implantierbaren Sensoreinheit 100 reduziert wird.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 10 und eines externen Lesegeräts 400 gemäß einer Ausführungsform. Wie man aus 2 ersehen kann, weist die Sensorvorrichtung 10 ein Analog-Digital-Umwandlungssystem auf, welches in zwei Einheiten getrennt ist, die implantierbare Sensoreinheit 100 und die Transpondereinheit 200. Im Einzelnen weist die implantierbare Sensoreinheit 100 den Sensor 110 auf, der das analoge Signal sens an den ersten Eingang 120a des Komparators 120 bereitstellt. Die implantierbare Sensoreinheit 100 weist ferner einen Digital-Analog-Umsetzer bzw. -Wandler 140 auf, der dafür angepasst ist, basierend auf einem digitalen Approximationssignal das das analoge Approximationssignal approx an den zweiten Eingang 120b des Komparators 120 bereitzustellen. Außerdem weist die implantierbare Sensoreinheit 100 eine Zustandsmaschine 130 auf, die eine Approximationsregisterschaltung 135 enthält. Die Approximationsregisterschaltung 135 ist dafür angepasst, das digitale Approximationssignal das als Antwort auf das Steuersignal ctrl der Transpondereinheit 200 an den Digital-Analog-Wandler 140 bereitzustellen. Die Operation bzw. der Betrieb der Zustandsmaschine 130 wird durch eine Sensor-Steuerschaltung 150 gesteuert, welche das Steuersignal ctrl von der Transpondereinheit 200 empfängt.
Die Transpondereinheit 200 weist eine Transponder-Steuerschaltung 210 auf, welche dafür angepasst ist, das Steuersignal ctrl an die implantierbare Sensoreinheit 100 und die Sensor-Steuerschaltung 150 bereitzustellen. Die Transpondereinheit 200 weist ferner eine Shadow- bzw. Schatten-Zustandsmaschine (engl.: shadow state machine) 230 auf, die eine Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 enthält. Die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 ist dafür angepasst, ein zum digitalen Approximationssignal dsas identisches digitales Schatten-Approximationssignal dsas auf der Basis des Steuersignals ctrl und des Ausgangssignals comp des Komparators 120 zu erzeugen. Die Transpondereinheit 200 weist ferner eine Zeit- bzw. Taktgeberschaltung 220 auf, die dafür angepasst ist, ein Taktsignal clk an die implantierbare Sensoreinheit 100 und die Transpondereinheit 200 bereitzustellen, wobei das Taktsignal clk geeignet ist, um die Approximationsregisterschaltung 135 der implantierbaren Sensoreinheit 100 und die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 der Transpondereinheit 200 zu synchronisieren. Die Transpondereinheit 200 weist ferner eine Verarbeitungsschaltung 240 auf, die dafür angepasst ist, digitale Sensordaten aus dem digitalen Schatten-Approximationssignal dsas zu bestimmen. Die Verarbeitungsschaltung 240 ist mit einem Transponder 250 verbunden, der dafür angepasst ist, die digitalen Sensordaten zu einem externen Lesegerät 400 zu übertragen.
Die drahtgebundene Verbindung 300 umfasst zumindest zwei elektrische Leitungen, welche voneinander elektrisch isoliert sind, um eine Betriebsspannung von der Transpondereinheit 200 an die implantierbare Sensoreinheit 100 bereitzustellen. Gemäß der Ausführungsform von 2 ist das Steuersignal ctrl eine Betriebsspannung der implantierbaren Sensoreinheit 100, welche an die implantierbare Sensoreinheit 100 über eine erste elektrische Leitung (ctrl) und eine zweite elektrische Leitung (GND) angelegt wird, welche auf Massepotential GND gehalten wird. Gemäß der Ausführungsform von 2 weist folglich die drahtgebundene Verbindung 300 vier elektrische Leitungen auf, wobei die dritte elektrische Leitung (clk) zum Übertragen des Taktsignals clk von der Taktgeberschaltung 220 der Transpondereinheit 200 zu der Zustandsmaschine 130 der implantierbaren Sensoreinheit 100 genutzt wird und die vierte elektrische Leitung (comp) zum Übertragen des Ausgangssignals comp des Komparators 120 zu der Schatten-Zustandsmaschine 230, die die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 enthält, genutzt wird.
Im Folgenden wird der Betrieb der Sensorvorrichtung 10, wie sie in 2 gezeigt ist, beschrieben. Wenn die Transpondereinheit 200 die Betriebsspannung einschaltet, beginnt die Sensoreinheit 100, einen Analog-Digital-Umwandlungsprozess des vom Sensor 110 abgegebenen analogen Signals durchzuführen. Die Analog-Digital-Umwandlung kann über eine Analog-Digital-Umwandlung mittels sukzessiver Approximation, Analog-Digital-Umwandlung mittels Tracking oder über eine prädiktive bzw. vorhersagende Analog-Digital-Umwandlung durchgeführt werden.
Beispielshalber wird im Folgenden eine Zustandsmaschine 130 beschrieben, die eine Analog-Digital-Umwandlung mittels sukzessiver Approximation durchführt. Falls das Steuersignal ctrl, das die Betriebsspannung darstellt bzw. bildet, in einen AN-Zustand geschaltet wird, werden zur gleichen Zeit die Approximationsregisterschaltung 135 der Zustandsmaschine 130 und die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 der Schatten-Zustandsmaschine 230 beide initialisiert. Die Zustandsmaschine 130, die die Approximationsregisterschaltung 135 enthält, und die die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 enthaltende Schatten-Zustandsmaschine 230 werden ferner durch das von der Taktgeberschaltung 220 erzeugte Taktsignal clk synchronisiert. Das Register für sukzessive Approximation wird initialisiert, so dass das Bit mit höchstem Stellenwert bzw. höchstwertige Bit gleich einer digitalen 1 ist. Dieser Code wird in den Digital-Analog-Wandler 140 eingespeist, welcher dann das analoge Äquivalent dieses digitalen Codes, das analoge Approximationssignal approx, in den zweiten Eingang 120b des Komparators 120 für einen Vergleich mit dem an den ersten Eingang 120a des Komparators 120 bereitgestellten analogen Signal des Sensors 110 bereitstellt. Falls das analoge Signal des Sensors 110 das analoge Approximationssignal approx übertrifft, veranlasst der Komparator 120 die Zustandsmaschine 130 und die Approximationsregisterschaltung 135, dieses Bit zurückzusetzen. Andernfalls wird das Bit bei 1 gelassen. Das nächste Bit wird dann auf 1 gesetzt, und der gleiche Test wird durchgeführt, wobei diese binäre Suche andauert, bis jedes Bit in der Approximationsregisterschaltung 135 getestet worden ist. Der resultierende Code ist das digitale Approximationssignal dsas des analogen Signals des Sensors 110.
Gemäß einer Ausführungsform werden, falls der Sensor 110 ein kapazitiver Sensor ist und der Digital-Analog-Wandler 140 ein programmierbares Kondensatorarray ist, das analoge Signal sens des Sensors 110 und das analoge Approximationssignal approx des Digital-Analog-Wandlers 140 durch jeweilige Ladungen auf den jeweiligen Kondensatoren repräsentiert. In diesem Fall können die Ladungen auf dem Sensorkondensator des Sensors 110 und diejenigen auf dem programmierbaren Kondensatorarray des Digital-Analog-Wandlers 140 auch subtrahiert und dann durch den Komparator 120 mit Null verglichen werden. Somit kann der Komparator 120 ferner einen Subtrahierer aufweisen, der angepasst ist, um das Signal an dem zweiten Eingang 120b von dem Signal an dem ersten Eingang 120a zu subtrahieren, wobei das Ausgangssignal des Subtrahierers mit einem Nullsignal (Ladung) innerhalb des Komparators 120 verglichen wird. Das analoge Signal sens des Sensors 110 und das analoge Approximationssignal approx des Digital-Analog-Wandlers 140 können auch einfach addiert werden, wenn Ladungen verschiedener Vorzeichen bereitgestellt werden. In diesem Fall kann ein Nullsignal an den zweiten Anschluss 120b angelegt werden, wobei sowohl das analoge Signal sens des Sensors 110 als auch das analoge Approximationssignal approx des Digital-Analog-Wandlers 140 am ersten Anschluss 120a des Komparators 120 angelegt (und addiert) werden.
Wie man aus 2 ersehen kann, wird das Ausgangssignal comp des Komparators 120 nicht nur an die Zustandsmaschine 130 und die Approximationsregisterschaltung 135 bereitgestellt, sondern wird auch über die drahtgebundene Verbindung 300 zu der Schatten-Zustandsmaschine 230 und der Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 der Transpondereinheit 200 übertragen. Da die Zustandsmaschine 130 und die Schatten-Zustandsmaschine 230 zur gleichen Zeit initialisiert und durch das gleiche Taktsignal clk weiter synchronisiert werden und da sowohl die Zustandsmaschine 130 als auch die Schatten-Zustandsmaschine 230 den gleichen Approximationsprozess wie etwa einen Prozess einer sukzessiven Approximation durchführen, ist die Schatten-Zustandsmaschine 230 dafür angepasst, den Zustand der Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 auf solch eine Weise einzustellen, dass die Approximationsregisterschaltung 135 und die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 im gleichen Zustand sind, indem das an sowohl die Zustandsmaschine 130 als auch die Schatten-Zustandsmaschine 230 bereitgestellte Ausgangssignal comp des Komparators 120 genutzt wird.
Somit macht die Sensorvorrichtung 10 Gebrauch von einem Prozess einer Analog-Digital-Umwandlung, der ein analoges Signal sens von einem Sensor 110 durch ein analoges Approximationssignal approx, das von dem Digital-Analog-Wandler 140 erzeugt wird, approximiert. Das analoge Approximationssignal approx des Digital-Analog-Wandlers 140 wird durch die Zustandsmaschine 130 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal comp des Komparators 120 eingestellt, der dafür angepasst ist, das analoge Signal sens des Sensors 110 mit dem analogen Approximationssignal approx des Digital-Analog-Wandlers 140 zu vergleichen. In Abhängigkeit von der Zustandsmaschine 130 ist der Prozess einer Analog-Digital-Umwandlung eine Analog-Digital-Umwandlung mittels Tracking, eine Analog-Digital-Umwandlung mittels sukzessiver Approximation oder eine prädiktive bzw. vorhersagende Analog-Digital-Umwandlung. Außerdem kann eine Analog-Digital-Umwandlung mittels sukzessiver Approximation mit einer Analog-Digital-Umwandlung mittels Tracking kombiniert werden. Da eine Schatten-Zustandsmaschine 230 in der Transpondereinheit 200 vorgesehen ist, welche dafür angepasst ist, dem Zustand der Approximationsregisterschaltung 135 mittels des Ausgangssignals comp des Komparators 120 zu folgen, kann eine komplexe Schnittstelle vermieden werden, die es ermöglicht, Konfigurationen zu ändern und Daten gemäß einem vordefinierten Protokoll bereitzustellen. Die Transponder-Steuerschaltung 210 stellt die Versorgungsspannung für die Sensoreinheit 100 bereit, stellt das Taktsignal clk an die Sensoreinheit 100 bereit und empfängt die Entscheidung des Komparators 120 zurück, welche durch das Ausgangssignal comp des Komparators 120 übertragen wird. Basierend auf der Rückmeldung des Komparators 120 führt die Schatten-Zustandsmaschine 230 die gleiche Operation wie die Zustandsmaschine 130 der Sensoreinheit 100 durch und erzeugt folglich verglichen mit der Approximationsregisterschaltung 135 einen identischen Wert in dem Schatten-Approximationsregister 235. Der Inhalt der Schatten-Approximationsregisterschaltung 235, der mit demjenigen der Approximationsregisterschaltung 135 identisch ist, wird von der Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 als das digitale Schatten-Approximationssignal dsas an die Verarbeitungsschaltung 240 ausgegeben. Die Verarbeitungsschaltung 240 kann dafür angepasst bzw. geeignet sein, das digitale Schatten-Approximationssignal dsas direkt an den Transponder 250 bereitzustellen, um zum externen Lesegerät 400 übertragen zu werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltung 240 dafür angepasst sein, eine Sensorwertcharakteristik des Sensors 110 zu bestimmen und derartige digitale Sensordaten an den Transponder 250 bereitzustellen, um zum externen Lesegerät übertragen zu werden. Um die Zustandsmaschine 130 und die Schatten-Zustandsmaschine 230 zu synchronisieren, setzt die Schatten-Zustandsmaschine 230 ihre internen Zustände zurück, wenn sie die Versorgung der Sensoreinheit 100 einschaltet, wobei die Sensoreinheit 100 das gleiche mit ihrer Approximationsregisterschaltung 135 unter Ausnutzung eines Power-on-Reset bzw. Einschalt-Reset vornimmt.
3 ist ein digitales Zeitdiagramm, das eine Sequenz einer Analog-Digital-Umwandlung des vom Sensor 110 abgegebenen analogen Signals sens in das von der Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 abgegebene digitale Schatten-Approximationssignal dsas veranschaulicht. Gemäß der Ausführungsform wie in 3 dargestellt beginnt innerhalb einer Initialisierungsphase A die Umwandlungssequenz mit einer durch den ersten Takt eingeleiteten Abtastung, gefolgt von einer sukzessiven Approximation eines 8-Bit-Wertes (16 Takte, was jedoch von der Hardwareausführung abhängt). Danach wird innerhalb einer schnellen Tracking-Phase B der 8-Bit-Wert, der durch die sukzessive Approximation gefunden wurde, als ein Startwert für eine Tracking-Sequenz mit einer neuen Abtastung vom Sensor 110 genommen, gefolgt von drei Tracking-Schritten, um den Approximationswert zu aktualisieren. Die Anzahl von Tracking-Schritten pro Sensorabtastung kann jedoch geändert werden. Die erste Tracking-Sequenz wird viermal wiederholt, und die Ausgabe bei jedem oder jedem zweiten oder jedem vierten Takt wird an die Transpondereinheit 200 beispielsweise zur weiteren Verarbeitung wie etwa ein Tiefpassfiltern bereitgestellt. Nach dieser anfänglichen schnellen Tracking-Phase B wechselt die Zustandsmaschine 130 in einen verschiedenen Modus innerhalb einer langsamen Tracking-Phase C und nimmt eine neue Sensorabtastung, gefolgt wieder von drei Tracking-Schritten und einer längeren Lücke, bis die nächste Abtastung erfasst wird. In solch einem langsamen Tracking-Modus ist die Schatten-Zustandsmaschine 230 dafür angepasst, zu entscheiden, wann Abtastungen genommen werden, indem das Taktsignal clk gesteuert wird. Somit kann sie die Abtastfrequenz bzw. -häufigkeit ohne Neukonfiguration der Zustandsmaschine 130 der Sensoreinheit 100 ändern. Natürlich könnte die erste schnelle Tracking-Sequenz innerhalb Phase B auch weggelassen werden oder könnte die Zustandsmaschine 130 in dem schnellen Tracking-Modus für eine längere Zeitspanne fortfahren, um Daten mit maximaler Auflösung zu erfassen. Natürlich kann die Anzahl von Tracking-Schritten nach jeder Sensorabtastung geändert und an Anwendungsanforderungen angepasst werden. Folglich kann die implantierbare Sensoreinheit 100 angepasst werden, um eine neue Abtastung des Sensorsignals sens am Beginn jedes sukzessiven Umwandlungszyklus und nach einer definierten Anzahl von Tracking-Schritten vorzunehmen.
Um Metastabilitätsprobleme des Komparators 120 zu vermeiden, ist ein einziger Speicher der Approximationsregisterschaltung 135 vorgesehen, falls die Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 keinen verschiedenen Eintrag aufgrund metastabiler Entscheidungen des Komparators 120 aufweisen wird. Dies kann sichergestellt werden durch verschiedene geringfügige Modifikationen wie etwa Vorsehen eines Flipflop am Ausgang der integrierten Schaltung, die in der Schleife der sukzessiven Approximationsregisterumwandlung ist, oder alternativ kann ein serieller Datenstrom des Approximationsregistereintrags ohne eine Wartezeit von zumindest einer Taktperiode ausgesendet werden und das Bit aussenden, das in der Umwandlungssequenz zuletzt aktualisiert wurde. Wie man in der Phase C von 3 ersehen kann, kann somit die Transpondereinheit 200 angepasst sein, um die Operation der Approximationsregisterschaltung 135 und der Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 durch Unterbrechen des Taktsignals clk zu unterbrechen.
Die Sensorvorrichtung 10 ist folglich dafür geeignet, einen abgetasteten Wert des Sensors 110 unter Verwendung einer Zustandsmaschine 130, eines Digital-Analog-Wandlers 140 und eines Komparators 120 digital zu approximieren (ähnlich der Hardware eines Registers für sukzessive Approximation, Tracking- oder prädiktiven bzw. vorhersagenden Analog-Digital-Wandlers). Die Sensoreinheit 100 ist eine Remote-Vorrichtung, und die Zustandsmaschine 130 ist vollständig oder teilweise auf der Transpondereinheit 200 kopiert, um den approximierten Wert basierend auf der Komparator-Rückmeldung des Komparators 120 (des Signals comp) zu reproduzieren, die aus der Komparatorentscheidung abgeleitet wird, wie sie von der Sensoreinheit 100 bereitgestellt wird. Sie schaltet ferner von einem anfänglichen Modus einer sukzessiven Approximation in einen Tracking-Modus, um einem langsamen Signal mit einer minimalen Anzahl von Taktzyklen folgen zu können, um Energie zu sparen. Die implantierbare Sensoreinheit 100 kann somit dafür eingerichtet sein, von einem Modus einer sukzessiven Approximation nach einer vordefinierten Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals clk in einen Tracking-Modus zu schalten. Überdies kann das Ausgangssignal comp des Komparators 120 in einem Zwischenspeicher der Zustandsmaschine 130 gespeichert werden, um zur Schatten-Zustandsmaschine 230 übertragen zu werden, statt das Ausgangssignal comp des Komparators 120 direkt vom Komparator 120 zur Schatten-Approximationsregisterschaltung 235 zu übertragen.
Der Transponder 250 kann zumindest eine einer Radiofrequenz-Identifikations-(RFID-)/Nahfeldkommunikations-(NFC-)Antenne und einer Radiofrequenz-Identifikations-(RFID-)/Ultrahochfrequenz-(UHF-)Antenne aufweisen, um die von der Verarbeitungsschaltung 240 bereitgestellten digitalen Sensordaten zum externen Lesegerät 400 zu übertragen.
RFID-Vorrichtungen arbeiten bei verschiedenen Radiofrequenzbereichen, zum Beispiel Niederfrequenz (LF) bei etwa 28 bis 135 kHz, Hochfrequenz (HF) bei etwa 13,56 MHz und Ultrahochfrequenz (UHF) bei 860 bis 960 MHz. Jeder Frequenzbereich hat eine einzigartige Eigenschaft hinsichtlich einer RFID-Leistung.
NFC ist eine Technologie für kurze Reichweiten, die es zwei Vorrichtungen ermöglicht, zu kommunizieren, wenn sie in eine tatsächliche unmittelbare Distanz gebracht werden. NFC ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Energie und Daten unter Ausnutzung einer Magnetfeldinduktion bei einem 13,56-MHz-(HF-)Band bei kurzer Reichweite, wobei unterschiedliche Datenraten von 106 kbps, 212 kbps bis 424 kbps unterstützt werden. Ein Hauptmerkmal von NFC besteht darin, dass sie ermöglicht, zwei Vorrichtungen miteinander zu verbinden. Im Lesegerät/Schreibgerät-Modus ist ein NFC-Tag eine passive Vorrichtung, die Daten speichert, die von einer NFC-Freigabevorrichtung gelesen werden können. In einem Peer-to-Peer-Modus können zwei NFC-Vorrichtungen Daten austauschen. Setup-Parameter für eine Bluetooth- oder WiFi-Verknüpfung können unter Verwendung von NFC gemeinsam genutzt werden, und Daten wie etwa virtuelle Visitenkarten oder digitale Fotos können ausgetauscht werden. In einem Kartenemulationsmodus dient die NFC-Vorrichtung selbst als NFC-Tag, wobei es einem externen Abfragesystem als eine herkömmliche kontaktfreie Smartcard erscheint. Diese NFC-Standards sind durch bedeutende Normierungsgremien bestätigt und basieren auf ISO/IEC 18092.
Passive UHF-Systeme nutzen eine Ausbreitungskopplung, wo eine Antenne eines Abfragesystems Radiofrequenzwellen mit elektromagnetischer Energie emittiert und das RFID-Tag die Energie von der Antenne des Abfragesystems empfängt, und die integrierte Schaltung nutzt die Energie, um die Last an der Antenne zu ändern und ein geändertes Signal, das dann demoduliert wird, zurück zu reflektieren. Für die LF- und HF-RFID-Systeme, die eine interaktive Kopplung nutzen, ist die Reichweite des Abfragesystemfeldes gering (0,2 bis 80 cm) und kann verhältnismäßig einfach gesteuert werden. UHF-Systeme, die eine Ausbreitungskopplung nutzen, sind schwerer zu steuern, da Energie über lange Distanzen gesendet wird. Die Funk- bzw. Radiowellen können an harten Oberflächen reflektieren und Tags erreichen, die nicht im normalen Bereich liegen. LF- und HF-Systeme arbeiten besser als UHF-Systeme in der Nähe von Metall und Wasser. Die Radiowellen reflektieren von Metall und verursachen falsche Ablesungen, und sie sind besser imstande, Wasser zu durchdringen. UHF-Radiowellen werden durch Wasser gedämpft. Außerdem kann eine Kommunikation über irgendeines eines industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Bandes, welches in einem Frequenzbereich zwischen 6,765 MHz bis 246 GHz arbeitet und Bandbreiten von bis zu 2 GHz aufweist, durchgeführt werden. Der Transponder 250 kann ferner eine Energiegewinnungseinheit aufweisen, um elektromagnetische Energie zu gewinnen, die beispielsweise von der Radiofrequenz-Identifikations-(RFID-)/Nahfeldkommunikations-(NFC-)Antenne empfangen wird, welche von dem externen Lesegerät 400 übertragen wird.
4A und 4B sind schematische Querschnittsansichten einer Sensoreinheit 100 gemäß einer Ausführungsform vor und nach einem Einsatz in ein Gefäßende eines Gefäßes 600. Wie man aus 4A und 4B ersehen kann, kann die Sensoreinheit 100 eine integrierte Halbleiterschaltung sein, welche einen proximalen Teil 101 aufweist, der an einem Endabschnitt 510 eines rohrförmigen Körpers 500 steckt und eine Verbindungsseite 102 aufweist, und einen distalen Teil 103, der von dem Endabschnitt 510 des rohrförmigen Körpers 500 aus vorsteht und eine Sensorseite 104 aufweist.
Der rohrförmige Körper 500 kann ein starres oder steifes Material (mit einem elastischen Modul höher als 1 kN/mm²) oder ein flexibles Material (mit einem elastischen Modul niedriger als 1 kN/mm²) aufweisen. Der Endabschnitt 510 kann ein anderes Material als der restliche rohrförmige Körper 500 aufweisen. Der Endabschnitt 510 kann zum Beispiel ein starres Material wie etwa Glas, Metall (z. B. Titan), Silizium oder ein biokompatibles Material aufweisen, wobei der restliche rohrförmige Körper 500 ein biegsames Material wie etwa ein synthetisches Material aufweisen kann. Das synthetische Material kann PET, PI oder Silikon umfassen. Eine Dichtungsverbindung zwischen dem offenen Gefäßende 610 und dem Endabschnitt 510 des rohrförmigen Körpers 500 kann durch Klemmen, durch eine Naht oder durch Zusammenbinden geschaffen werden. Die Dichtungsverbindung kann ausgebildet werden, indem das Gewebe des Gefäßes 600 durch ein Band oder durch eine Klemmvorrichtung gegen die Außenwand des rohrförmigen Körpers 500 gepresst wird. Alle Verfahren zum Verbinden eines offenen Gefäßendes 610 mit einem rohrförmigen Körper 500, welche auf dem chirurgischen Gebiet bekannt sind, sollen hierin einbezogen sein, um die Dichtungsverbindung zwischen dem Endabschnitt 510 und dem offenen Gefäß 610 auszubilden.
Die Sensoreinheit 100 kann eine Halbleitervorrichtung sein, in der der Sensor 110 integriert ist. Der Sensor 110 kann zum Beispiel ein Halbleiterdrucksensor sein. Ein Beispiel eines Halbleiterdrucksensors kann ein MEMS-basierter Drucksensor sein, der in einem Halbleiterchip integriert ist. In einem MEMS-basierten Drucksensor bedeckt eine Polysiliziummembran eine Vakuum- bzw. Unterdruckkammer in einem Halbleiterkörper, wobei die Durchbiegung bzw. Auslenkung der Polysiliziummembran relativ zum Halbleiterkörper durch einen piezoelektrischen Effekt sicher gemessen werden kann. Der Sensor 110 kann somit einen Drucksensor aufweisen, der angepasst ist, um einen Blutdruck innerhalb des Gefäßes 600 zu erfassen bzw. zu messen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Gefäß 600 eine Halsschlagader eines Nagetiers sein. Das Nagetier kann eine Maus sein. Die implantierbare Sensoreinheit 100 ermöglicht folglich eine genaue Überwachung eines Blutdrucks einer Labormaus mit einer Abtastrate, die es ermöglicht, den über einen Herzschlagzyklus transienten Blutdruck zu überwachen, statt nur einen Durchschnitt zu messen. Daher steht der mikrobearbeitete Halbleiterdrucksensor des Sensors 110 direkt in Kontakt mit dem Blut im Gefäß 600, statt Drucksensoren zu nutzen, die über ein fluidgefülltes Rohr mit zumindest einigen Zentimeter Länge mit dem Gefäß 600 verbunden sind.
Wie man aus 4A und 4B ferner ersehen kann, kann die Sensoreinheit 100 in das offene Gefäßende 610 eingesetzt werden, wobei das Gefäßende 610 durch die implantierbare Sensoreinheit 100, die im Gefäß 600 steckt, ohne weiteres Klemmen oder Zusammenbinden abgedichtet wird. Nötigenfalls kann das Gefäß 600 durch zusätzliche chirurgische Maßnahmen wie durch Klemmen oder Zusammenbinden abgedichtet werden. Die implantierbare Sensoreinheit 100 kann in einer Geometrie geformt sein, welche die Implantation in das Gefäß 600 wie auch das Ausbilden einer Dichtungsverbindung vereinfacht. Um den Implantationsprozess zu vereinfachen, kann die implantierbare Sensoreinheit 100 mit dem Halbleiterchip eine kreisförmige Form entlang einer Querschnittsfläche an dem Distalteil 103 oder an dem Endabschnitt 510 des rohrförmigen Körpers 500 aufweisen. Überdies kann die implantierbare Sensoreinheit 100 am Distalteil 103 gerundete Ecken aufweisen. Die gerundeten Ecken können hergestellt werden, indem ein Fotoresist auf der Sensorseite 104 des Halbleiterkörpers der implantierbaren Sensoreinheit 100 (außer der Fläche, auf der der Sensor 110 vorgesehen ist, mit einer aktiven Druckabfühlfläche) abgeschieden wird und das Material am Rand, zum Beispiel durch Variation des Entwicklungsprozesses, teilweise entfernt wird. Danach wird Material vom Rand des Halbleiterkörpers der implantierbaren Sensoreinheit 100 unter Verwendung geeigneter Plasmabehandlungen zum Beispiel mit variierenden Maskendurchmessern teilweise entfernt.
Die implantierbare Sensoreinheit 100, die eine integrierte Halbleiterschaltung ist, kann ein Volumen in einem Bereich zwischen 0,1 mm³ bis 20 mm³ aufweisen. Der Sensor 110 kann ferner zumindest einen eines Temperatursensors, eines Elektrokardiogrammsensors, eine Elektroenzephalogrammsensors, eines chemischen Sensors, eines Blutstromsensors und eines biochemischen Sensors umfassen.
Die drahtgebundene Verbindung 300 kann einen maximalen Durchmesser von 5 mm und eine Länge in einem Bereich 1 mm bis 50 mm aufweisen. Überdies verbindet die drahtgebundene Verbindung 300 die Sensoreinheit 100 und die Transpondereinheit 200 flexibel. Wie in 4B gezeigt ist, kann die drahtgebundene Verbindung 300 eine Koaxialkabelstruktur aufweisen. Eine benachbarte bzw. zusammenhängende Verdrahtungsschicht 320 kann hierin an der Innenseite des rohrförmigen Körpers 500 vorgesehen sein, wobei eine innere Verdrahtungsstruktur 310 mit zumindest einer elektrischen Leitung durch den rohrförmigen Körper 500 geführt sein kann, um die implantierbare Sensoreinheit 100 und die Transpondereinheit 200 miteinander zu verbinden. Die innere Verdrahtungsstruktur 310 und die benachbarte Verdrahtungsschicht 320 bilden eine Koaxialkabelstruktur innerhalb des rohrförmigen Körpers 500. In diesem Fall kann das Massesignal GND, wie in 2 gezeigt ist, über die benachbarte Verdrahtungsschicht 320 übertragen werden, um die innere Verdrahtungsstruktur 310 gegen externe Interferenzen abzuschirmen. Die drahtgebundene Verbindung 300 kann jedoch auch als ein Kabel mit einer Vielzahl von Drähten oder als eine Mikrodrahtstruktur ohne Verwendung des rohrförmigen Körpers 500 vorgesehen sein, um ein Signal zwischen der Transpondereinheit 200 und der Sensoreinheit 100 zu übertragen. Zum Beispiel kann der rohrförmige Körper 500 nur zum Einsetzen der Sensoreinheit 100 in das offene Gefäßende 610 des Gefäßes 600 genutzt werden, wobei die drahtgebundene Verbindung 300 über das Proximalende des rohrförmigen Körpers 500 hinaus verlängert ist, um mit der Transpondereinheit 200 verbunden zu werden. Die Sensoreinheit 100 und die Transpondereinheit 200 sind folglich als separate Einheiten vorgesehen, welche mittels der drahtgebundenen Verbindung 300 durch eine Kabelverbindung verbunden sind.
5 ist ein schematisches Blockschaltungsdiagramm einer Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie aus 5 ersehen werden kann, enthält die Sensoreinheit 100 eine Multiplexerschaltung 160, um zumindest zwei Sensoren 110a, 110b selektiv mit dem ersten Eingang 120a des Komparators 120 zu verbinden. Der Sensor 110a kann ein Drucksensor sein, wobei der Sensor 110b ein Temperatursensor sein kann. Folglich ist die Sensoreinheit 100 dafür angepasst, zwischen den Ausgangssignalen der Sensoren 110a, 110b zu multiplexieren bzw. diese zeitlich zu verschachteln und das gemultiplexte bzw. verschachtelte analoge Signal von einem der Sensoren 110a, 110b an den ersten Eingang 120a des Komparators 120 bereitzustellen. Die Multiplexerschaltung 160 kann durch die Sensor-Steuerschaltung 150 über ein Multiplexersteuersignal mux gesteuert werden. Die Messsequenz kann mit der Temperaturabtastung und einer sukzessiven Approximation beginnen, um die Temperaturabtastung des Sensors 110b, der ein Temperatursensor ist, auszuwerten. Danach nimmt die Sensorvorrichtung 10 die erste Druckabtastung vor und führt eine zweite sukzessive Approximation durch und schaltet dann in einen Tracking-Modus für den Sensor 110a, der ein Drucksensor ist. Die nächste Temperaturabtastung würde in diesem Fall nach einem Abschaltvorgang genommen werden, welcher unter der Steuerung der Schatten-Zustandsmaschine 230 erfolgt. Alternativ dazu könnte jede, zum Beispiel eine nächste Temperaturabtastung nach einer vordefinierten Anzahl von Tracking-Schritten, welche der Zustandsmaschine 130 wie auch der Schatten-Zustandsmaschine 230 bekannt ist, eingefügt werden.
Die charakteristische Frequenz einer Druckvariation, die durch den Sensor 110a, der ein Drucksensor, zum Beispiel ein Blutdrucksensor ist, gemessen werden soll, kann in einem Bereich zwischen 10 bis 20 Hz liegen. Die Taktrate des Taktsignals clk kann in einem Bereich zwischen 500 kHz bis 2 MHz liegen. Somit ist das Verhältnis der Taktrate eines Taktsignals clk und der charakteristischen Frequenz einer Druckvariation, zum Beispiel innerhalb eines Gefäßes, sehr hoch. Die charakteristische Zeit einer Temperaturvariation liegt in einem Bereich von 100 Sekunden. Das analoge Signal des Sensors 110b, der ein Temperatursensor ist, muss folglich in eine digitale Schatten-Approximation mit einer Wiederholungsrate im Bereich zwischen alle 10 Sekunden bis alle 100 Sekunden umgewandelt werden. Das Ausgangssignal des Sensors 110a, der ein Drucksensor ist, kann in das digitale Schatten-Approximationssignal dsas mit einer Wiederholungsrate zwischen 50 Hz bis 2000 Hz umgewandelt werden. Im Hinblick auf die Taktrate des Taktsignals clk von etwa 1 MHz kann eine Vielzahl von Sensoren 110 gemultiplext und ausgelesen werden, wobei die jeweiligen Sensordaten vom Transponder 250 sequentiell zum externen Lesegerät 400 übertragen werden.
6 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie aus 6 ersehen werden kann, weist die Transpondereinheit 200 eine Taktgeberschaltung 220 auf, wobei die Transpondereinheit 200 dafür angepasst ist, das Taktsignal clk an die implantierbare Sensoreinheit 100 über eine modulierte Betriebsspannung (welche ferner das Steuersignal ctrl bildet) bereitzustellen. Durch Übertragen des Taktsignals clk und des Steuersignals ctrl als eine modulierte Betriebsspannung über die selbe elektrische Leitung (ctrl/clk) kann die Anzahl elektrischer Leitungen der verkabelten Verbindung 300 um Eins reduziert werden. Das Taktsignal clk kann durch eine zum Beispiel zwischen 1,5 V und 2 V geschaltete Modulation der Versorgungsspannung übertragen werden. Auf der Seite der Sensoreinheit 100 wird das Taktsignal clk beispielsweise durch Verwenden eines Komparators in dem Sensorsteuersignal 150 extrahiert.
7 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 10, in der eine Multiplexerschaltung 160 wie schon bezüglich der Ausführungsform von 5 dargestellt und beschrieben vorgesehen ist, wobei die Transpondereinheit 200 angepasst ist, um das Taktsignal clk über eine modulierte Betriebsspannung wie bezüglich der Ausführungsform von 6 dargestellt und beschrieben an die implantierbare Sensoreinheit 100 bereitzustellen.
8 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie in 8 gezeigt ist, ist die elektrische Leitung zum Übertragen des Ausgangssignals comp des Komparators 120 der drahtgebundenen Verbindung 300 weggelassen, wobei das Ausgangssignal comp des Komparators 120 auf den Versorgungsstrom moduliert ist. Dieser könnte für die nächste Taktphase statisch sein, zum Beispiel niedrig ist der Leerlaufstrom des Sensorchips (welcher unterhalb 1 μA liegen kann, wenn der Vergleich des Sensorwertes und der approximierten DAC-Ausgabe beendet ist), und hoch ist der Leerlaufstrom plus ein Offset bzw. Versatz von z. B. 2 μA. Natürlich könnte die statische Erhöhung des Versorgungsstroms durch einen Stromimpuls in einer bestimmten Distanz von der Taktflanke ersetzt sein, wobei zum Beispiel niedrig ein 200 ns Impuls nach 100 ns ist und hoch ein 100 ns Impuls nach 200 ns ist. Die implantierbare Sensoreinheit 100 ist folglich dafür angepasst, das Ausgangssignal comp des Komparators 120 über einen modulierten Betriebsstrom an die Transpondereinheit 200 bereitzustellen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann ein Takt für den Analog-Digital-Wandler 140 der Sensoreinheit 100 genutzt werden, der von einem höheren Takt heruntergeteilt wird, der durch die Transpondereinheit 200 bereitgestellt wird, und die Antwort kann mit einer Verzögerung einer definierten Anzahl der schnelleren Haupttaktzyklen ausgesendet werden oder eine andere Information, die zwischen den Sensordaten verschränkt ist, kann übertragen werden oder die Sensordatenbits können mehrere Male wiederholt werden, um die Zuverlässigkeit der Kommunikation zu verbessern.
9 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie aus 9 ersehen werden kann, weist die implantierbare Sensoreinheit 100 die Taktgeberschaltung 170 auf, wobei die implantierte Sensoreinheit 100 dafür angepasst ist, das Taktsignal clk an die Transpondereinheit 200 bereitzustellen. Folglich kann die Sensoreinheit 100 einen lokalen Oszillator in der Taktgeberschaltung 170 enthalten, der die Taktfrequenz für die Zustandsmaschine 130 erzeugt und diesen Takt clk an die Schatten-Zustandsmaschine 230 bereitstellt. Für den Fall, dass dieser Oszillator temperaturabhängig ist, kann die bereitgestellte Taktfrequenz auch als ein Temperatursensorsignal genutzt werden, ohne zwischen Druck- und Temperatursensor multiplexieren zu müssen.
10 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Wie man aus 10 ersehen kann, ist die implantierbare Sensoreinheit 100 dafür angepasst, das Taktsignal clk über ein moduliertes Ausgangssignal comp des Komparators 120 an die Transpondereinheit 200 bereitzustellen. Hierin können das Ausgangssignal comp des Komparators 120 und das Taktsignal clk über nur eine gemeinsame elektrische Leitung (comp/clk) der drahtgebundenen Verbindung 300 übertragen werden, wodurch die Anzahl an Drähten der drahtgebundenen Verbindung 300 reduziert wird. Als Folge könnte die Daten- und Taktleitung alternativ kombiniert werden, falls die bereitgestellten Signale, die von den Komparatorentscheidungen abgeleitet sind, in einer Form codiert bereitgestellt werden, die es ermöglicht, die Taktfrequenz aus der Nachricht zu extrahieren. Gemäß einer Ausführungsform kann das modulierte Ausgangssignal comp des Komparators 120 ein Manchester-Codesignal sein. Mit anderen Worten werden das Ausgangssignal comp des Komparators 120 und das Taktsignal clk durch einen Manchester-Codierprozess zu einem Signal kombiniert. Manchester-Codierung, auch bekannt als Phasencodierung, ist ein Leitungscode, in welchem das Codieren jedes Datenbit zumindest einen Übergang aufweist und die gleiche Zeit in Anspruch nimmt. Es hat daher keine Gleichstromkomponente und ist selbsttaktend, was bedeutet, das es induktiv oder kapazitiv gekoppelt sein kann und dass ein Taktsignal aus den codierten Daten wiederhergestellt werden kann.
Obwohl spezifische Ausführungsformen hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen herangezogen werden kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims

Sensorvorrichtung (10), aufweisend: – eine implantierbare Sensoreinheit (100), die dafür geeignet ist, in einen Körper implantiert zu werden, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) einen Komparator (120) und einen Sensor (110) aufweist, der dafür angepasst ist, eine Eigenschaft des Körpers in vivo zu erfassen, wobei der Sensor (110) dafür angepasst ist, ein analoges Signal an einen ersten Eingang (120a) des Komparators (120) bereitzustellen; – eine Transpondereinheit (200), die dafür angepasst ist, ein Steuersignal an die implantierbare Sensoreinheit (100) bereitzustellen und ein Ausgangssignal des Komparators (120) zu empfangen, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) dafür angepasst ist, als Antwort auf das Steuersignal ein analoges Approximationssignal an einen zweiten Eingang (120b) des Komparators (120) bereitzustellen; und – eine drahtgebundene Verbindung (300), die die implantierbare Sensoreinheit (100) und die Transpondereinheit (200) flexibel und elektrisch verbindet, wobei die drahtgebundene Verbindung (300) dafür angepasst ist, das Steuersignal und das Ausgangssignal des Komparators (120) zu übertragen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die drahtgebundene Verbindung (300) zumindest zwei elektrische Leitungen (310, 320) aufweist, die voneinander elektrisch isoliert sind, um eine Betriebsspannung von der Transpondereinheit (200) an die implantierbare Sensoreinheit (100) bereitzustellen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei das Steuersignal die Betriebsspannung ist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drahtgebundene Verbindung (300) einen maximalen Durchmesser von 5 mm und eine Länge in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm aufweist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (110) einen Drucksensor aufweist, der dafür angepasst ist, einen Blutdruck innerhalb eines Gefäßes (600) zu erfassen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei das Gefäß (600) eine Halsschlagader eines Nagetiers ist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem Volumen in einem Bereich zwischen 0,1 mm³ bis 20 mm³ ist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (110) ferner zumindest einen eines Temperatursensors, eines Elektrokardiogrammsensors, eine Elektroenzephalogrammsensors, eines Blutstromsensors, eines chemischen Sensors und eines biochemischen Sensors aufweist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) eine Multiplexerschaltung (160) aufweist, um zumindest zwei Sensoren (110a, 110b) mit dem ersten Eingang (120a) des Komparators (120) selektiv zu verbinden.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) dafür angepasst ist, das Ausgangssignal des Komparators (120) über einen modulierten Betriebsstrom an die Transpondereinheit (200) bereitzustellen.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) ferner aufweist: – einen Digital-Analog-Wandler (140), der dafür angepasst ist, das analoge Approximationssignal an den zweiten Eingang (120b) des Komparators (120) basierend auf einem digitalen Approximationssignal bereitzustellen; und – eine Approximationsregisterschaltung (135), die dafür angepasst ist, das digitale Approximationssignal als Antwort auf das Steuersignal der Transpondereinheit (200) an den Digital-Analog-Wandler (140) bereitzustellen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei die Transpondereinheit (200) aufweist: – eine Transponder-Steuerschaltung (210), die dafür angepasst ist, das Steuersignal an die implantierbare Sensoreinheit (100) bereitzustellen; – eine Schatten-Approximationsregisterschaltung (235), die dafür angepasst ist, ein zum digitalen Approximationssignal identisches digitales Schatten-Approximationssignal auf der Basis des Steuersignals und des Ausgangssignals des Komparators (120) zu erzeugen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei das Steuersignal dafür angepasst ist, die Approximationsregisterschaltung (135) und die Schatten-Approximationsregisterschaltung (235) zu initialisieren.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Transpondereinheit (200) ferner aufweist: – eine Verarbeitungsschaltung (240), die dafür angepasst ist, digitale Sensordaten aus dem digitalen Schatten-Approximationssignal zu bestimmen; und – einen Transponder (250), der dafür angepasst ist, die digitalen Sensordaten zu einem externen Lesegerät (400) zu übertragen.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner aufweisend eine Taktgeberschaltung (170, 220), die dafür angepasst ist, ein Taktsignal an die implantierbare Sensoreinheit (100) und die Transpondereinheit (200) bereitzustellen, wobei das Taktsignal dafür angepasst ist, die Approximationsregisterschaltung (135) und die Schatten-Approximationsregisterschaltung (235) zu synchronisieren.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 15, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) dafür eingerichtet ist, von einem Modus einer sukzessiven Approximation nach einer vordefinierten Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals in einen Tracking-Modus zu schalten.
Sensorvorrichtung (10) nach Ansprüchen 15 oder 16, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) dafür angepasst, eine neue Abtastung des Sensorsignals am Beginn jedes sukzessiven Umwandlungszyklus und nach einer definierten Anzahl von Tracking-Schritten vorzunehmen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 15, wobei die Transpondereinheit (200) die Taktgeberschaltung (220) aufweist, wobei die Transpondereinheit (200) dafür angepasst ist, die Operation der Approximationsregisterschaltung (135) und der Schatten-Approximationsregisterschaltung (235) durch Unterbrechen des Taktsignals zu unterbrechen.
Sensorvorrichtung (10) nach Ansprüchen 15 oder 16, wobei die Transpondereinheit (200) die Taktgeberschaltung (220) aufweist, wobei die Transpondereinheit (200) dafür angepasst ist, das Taktsignal über eine modulierte Betriebsspannung an die implantierbare Sensoreinheit (100) bereitzustellen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 15, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) die Taktgeberschaltung (170) aufweist, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) dafür angepasst ist, das Taktsignal an die Transpondereinheit (200) bereitzustellen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 20, wobei die implantierbare Sensoreinheit (100) dafür angepasst ist, das Taktsignal über ein moduliertes Ausgangssignal des Komparators (120) an die Transpondereinheit (200) bereitzustellen.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 21, wobei das modulierte Ausgangssignal des Komparators (120) ein Manchester-Codesignal ist.