DE102021109685A1

DE102021109685A1 - Ladegerät

Info

Publication number: DE102021109685A1
Application number: DE102021109685.5A
Authority: DE
Inventors: Walter Mehnert; Thomas Theil
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät (100, 200, 300) zur kontaktlosen Aufladung eines Energiespeichers eines Implantates (I), das in einen Körper eines Lebewesen implantiert ist, aufweisend:
mindestens eine Spule (110, 210), die sich entlang einer Spulenachse erstreckt und eingerichtet ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen; wobei
der Körper bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes (100, 200, 300) derart relativ zu der Spule (110, 210) angeordnet ist, dass das magnetische Wechselfeld, das sich im Bereich innerhalb der Spule entlang der Spulenachse erstreckt, in den Körper zur Aufladung des Energiespeichers eindringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladegerät zur kontaktlosen Aufladung eines Energiespeichers eines Implantates.
Aus dem Patentdokument DE 10 2018 205 940 A1 ist ein elektronischer Schrittmacher, der vollständig in einen Körper eines Lebewesens zu implantieren ist, bekannt. Dieser Schrittmacher beinhaltet einen Energiespeicher, der eine Elektronik des Schrittmachers mit elektrischer Energie versorgt und der nach Entladung kontaktlos wieder aufgeladen werden kann.
Das kontaktlose Wiederaufladen des Energiespeichers erfolgt über „indirekte“ Induktion unter Zuhilfenahme eines Magnetisierungsabschnittes, der auf ein magnetisches Wechselfeld derart anspricht, dass in ihm ab Erreichen einer bestimmten magnetischen Feldstärke eine Welle umklappender Domänen (weiß'sche Bezirke) auftritt. Diese Welle führt aufgrund der schnellen Änderung des magnetischen Flusses dazu, dass eine in räumlicher Nähe angeordnete Spule einen zur Aufladung des Energiespeichers führenden Spannungsimpuls abgibt.
Ein in dem Patentdokument gezeigtes Ladegerät erzeugt das magnetische Wechselfeld, wobei das Ladegerät während des Ladevorgangs auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Körpers des Lebewesens angeordnet ist und das magnetische Wechselfeld den Magnetisierungsabschnitt des Schrittmachers in der erläuterten Weise triggern soll.
Das Ladegerät beinhaltet für die Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes eine Vielzahl von Spulen. Der Bereich des magnetischen Wechselfeldes, der in die Oberfläche des Körpers eindringt und den Magnetisierungsabschnitt erreicht, ist Teil des schwachen Streufelds der Spulen.
Dieses Streufeld der Spulen ist zugleich äußerst inhomogen und nimmt mit zunehmender Entfernung von der Spule stark ab.
Aus diesem Grund erfordert das Wiederaufladen des Energiespeichers in Abhängigkeit von der Implantationstiefe des Schrittmachers eine minutiöse Einstellung der elektrischen Betriebsparameter der genannten Spulen und ein starkes Streufeld mit der entsprechenden Richtung des Feldvektors, damit die Welle umklappender Domänen im Magnetisierungsabschnitt zuverlässig und periodisch entsteht.
Weicht das Magnetfeld in dem Bereich des Magnetisierungsabschnitts zu stark von einem bestimmten optimalen Wert der Feldstärke bzw. Flussdichte ab, weil zu schwach oder zu inhomogen, unterbleibt die Auslösung der für die Aufladung notwendigen Welle.
Damit man die notwendige Feldstärke bzw. Flussdichte im Streufeld erreicht, muss das bekannte Ladegerät eine sehr hohe strom-/spannungsfeste Ausgestaltung haben.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ladegerät zur kontaktlosen Aufladung eines Energiespeichers eines Implantates zu schaffen, das eine leichtere und zuverlässigere Erzeugung eines für die Aufladung notwendigen magnetischen Wechselfeldes zulässt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein zum Stand der Technik, insbesondere in Bezug auf Strom- und Spannungswerte, einfaches Ladegerät zu schaffen.
Diese Aufgabe(n) werden mit einem Ladegerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ladegerätes sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet das Ladegerät zur kontaktlosen Aufladung eines Energiespeichers eines Implantates, das in einen Körper eines Lebewesen implantiert ist, folgende Merkmale:

mindestens eine Spule, die sich entlang einer Spulenachse erstreckt und eingerichtet ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen; wobei
der Körper bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes derart relativ zu der Spule angeordnet ist, dass das magnetische Wechselfeld, das sich im Bereich innerhalb der Spule entlang der Spulenachse erstreckt, in den Körper zur Aufladung des Energiespeichers eindringt.

Streng genommen erzeugt die Spule des Ladegerätes ein elektromagnetisches Wechselfeld. Für die Erfindung ist allerdings lediglich der magnetische Anteil des elektromagnetischen Wechselfelds von Belang. Deshalb spricht die vorliegende Beschreibung lediglich von einem magnetischen Wechselfeld.
Das Implantat, dessen Energiespeicher das erfindungsgemäße Ladegerät bestimmungsgemäß auflädt, ist beispielsweise ein Herzschrittmacher, ein Hirnschrittmacher, ein Organschrittmacher oder eine Analyseeinheit. Letztere Analyseeinheit ist beispielsweise so aufgebaut, dass sie kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen Parameter, wie beispielsweise Blutdruck und/oder Blutwerte ermittelt. Besonders bevorzugt ist das Implantat ein Herzschrittmacher oder Herzschrittmachernetzwerk, der/das im menschlichen Herz oder am menschlichen Herz sitzt bzw. an diese Positionen implantiert ist.
Um unabhängig vom Wert der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes zu werden, ist ein wesentliches Element des Implantats ein Magnetisierungsabschnitt mit ausgerichteten magnetischen Domänen, über den eine Ummagnetisierungswelle in Form der sich fortlaufend umpolenden magnetischen Domänen läuft, wenn die Amplitude (B-Feld) des von dem Ladegerät erzeugten magnetischen Wechselfeldes im Bereich des Magnetisierungsabschnittes einen bestimmten Wert erreicht. Der Magnetisierungsabschnitt ist beispielsweise ein Impulsdraht oder Wieganddraht.
Eine sich in räumlicher Nähe zu dem Magnetisierungsabschnitt befindende Spule erzeugt aufgrund der Ummagnetisierungswelle und der damit einhergehenden schnellen Änderung des magnetischen Flusses einen Spannungsimpuls, der beispielsweise eine Ladeelektronik mit Energie versorgt und zu einem Ladeimpuls führt. Mit dem Ladeimpuls kann der Energiespeicher geladen werden. Das von dem Ladegerät erzeugte magnetische Wechselfeld löst pro Umpolung die Ummagnetisierungswelle aus, wobei Ladeimpulse in der gleichen Anzahl auftreten und den Energiespeicher aufladen.
Das erfindungsgemäße Ladegerät dient folglich bestimmungsgemäß nicht für ein Aufladen unter Ausnutzung „gewöhnlicher“ Induktion, sondem durch „indirekte“ Induktion. Ein Herzschrittmacher oder ein Herzschrittmachernetzwerk, die - die „indirekte“ Induktion zur Aufladung nutzend - den im Vorhergehenden erläuterten Magnetisierungsabschnitt besitzen und deren Energiespeicher durch Erzeugung der Ummagnetisierungswelle aufgeladen werden, sind aus den Patentdokumenten DE 10 2019 124 435 und EP 3 756 726 A2 bekannt.
Die in diesen Patentdokumenten enthaltenen Ausführungen hinsichtlich der jeweiligen Ladeimpulserzeugungsabschnitte, insbesondere der Magnetisierungsabschnitte inklusive der um diese gewickelten und den jeweiligen Spannungsimpuls abgebenden Spulen, sowie hinsichtlich der jeweiligen Ladeelektronik werden durch Bezug aufgenommen.
Eine Frequenz f des von dem erfindungsgemäßen Ladegerät erzeugten magnetischen Wechselfeldes liegt insbesondere zwischen 0,1kHz ≤ f ≤ 10kHz, insbesondere bei f= 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, oder 5 kHz. Die Frequenz f ist bevorzugt an die räumlichen Abmessungen und Materialdaten des Magnetisierungsabschnitts und eine damit in Zusammenhang stehende Laufzeit der über den Magnetisierungsabschnitt laufenden Ummagnetisierungswelle angepasst.
Die Form der Spule des erfindungsgemäßen Ladegeräts kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Spule kreisförmig, rechteckförmig oder quadratisch ausgebildet sein.
Die Spule des erfindungsgemäßen Ladegeräts erzeugt in dem Bereich, der sich innerhalb der Spule entlang der Spulenachse erstreckt, ein nahezu homogenes magnetisches Wechselfeld, wobei eine Amplitude der entsprechenden magnetischen Flussdichte in einem gesamten in Bezug auf die Spulenachse radialen Innenbereich der Spule solche Werte besitzt, dass es - unter der Annahme gleicher Ausrichtung zwischen dem magnetischen Feld (Richtung des B-Vektors) und bestimmungsgemäßer Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle - pro Umpolung des magnetischen Wechselfeldes zur Auslösung der Ummagnetisierungswelle und damit zu dem Ladeimpuls kommt.
Aufgrund dieses Feldverlaufs kommt es auf die genaue Positionierung des Implantates in dem Bereich innerhalb der Spule nicht an, was eine minutiöse Einstellung des Wechselfeldes an die Gegebenheiten der Aufladung, wie beispielsweise Tiefe des Implantates, entbehrlich macht.
Bevorzugt ist der Körper bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes relativ zu der Spule derart angeordnet, dass eine Längsachse des Körpers in Richtung der Spulenachse verläuft und sich innerhalb der Spule befindet, wobei das magnetische Wechselfeld den Ort des Implantates erreicht.
Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des Ladegeräts verläuft folglich die Körperlängsachse des Lebewesen, insbesondere des Menschen, in Richtung der Spulenachse, wobei diese Ausgestaltung insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die Ausrichtung der bestimmungsgemäßen Laufrichtung der über den Magnetisierungsabschnitt laufenden Ummagnetisierungswelle mit der Richtung der Körperlängsachse übereinstimmt. Dieser Zustand kann bevorzugt durch den Aufbau des Implantates so erreicht werden, dass die Form oder die Verankerungen des Implantates zu dieser Lage führt.
Bevorzugt beinhaltet das erfindungsgemäße Ladegerät weiterhin:

eine Aufhängung, die die Spule haltert und eingerichtet ist, die Spule relativ zu dem Körper um mindestens eine, vorzugsweise zwei Achsen zu schwenken, wobei das Ladegerät beispielsweise durch eine Steuerungseinheit eingerichtet ist, die Aufhängung anzusteuern, um die Spule zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers in eine bestimmte Ausrichtung relativ zu dem Körper zu schwenken.

Wenn die bestimmungsgemäße Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle mit der Richtung des Vektors des magnetischen Wechselfeldes nicht übereinstimmt, kann es bei zu großen Abweichungen zu einem Absinken des Ladeimpulses kommen, weil der Anteil des Magnetfeldes in Richtung der Achse des Magnetisierungsabschnittes zu klein wird.
Um eine Einstellung oder Anpassung der Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle an die Feldausrichtung bzw. vice versa zu ermöglichen, ist die Aufhängung vorgesehen. Die Aufhängung ist beispielsweise eine kardanische Aufhängung, die es der Steuerungseinheit des Ladegerätes ermöglicht, die Spule des Ladegeräts relativ zu dem Körper des Lebewesens um zwei Achsen zu schwenken, um die Anpassung der Ausrichtung (Vektor des B-Feldes) des von der Spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes an die bestimmungsgemäße Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle zu erreichen.
Das Schwenken der Spule zieht vorteilhafter Weise keine Änderung der Amplitude der magnetischen Flussdichte nach sich, sondern ändert nur seine Ausrichtung.

Weiterhin bevorzugt ist die Aufhängung, die die Spule haltert, relativ zu dem Körper versetzbar und/oder eine Körperhalterung zur Halterung des Körpers ist relativ zu der Spule versetzbar, und wobei
das Ladegerät eingerichtet ist, die Aufhängung und/oder die Körperhalterung zu versetzen, um die Spule zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers in eine bestimmte Position relativ zu dem Körper zu bringen.

Beispielsweise beinhaltet das Ladegerät eine lineare Führung, über die die gesamte Aufhängung der Spule, vorzugsweise in Richtung der Körperlängsachse, versetzbar ist. Das Versetzen der Aufhängung entlang der linearen Führung kann ein Anwender entweder manuell durchführen oder automatisch, indem er an einem Userinterface der Steuerungseinheit entsprechende Instruktionen gibt.
Das Ladegerät ist bevorzugt eingerichtet, zu überprüfen, ob oder inwieweit die Ausrichtung der Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle mit der Ausrichtung des Magnetfeldes übereinstimmt. Beispielsweise ist das Ladegerät in der Lage, den Ladezustand des Energiespeichers in bestimmten zeitlichen Abständen kabellos abzufragen und einen Rückschluss auf den Wirkungsgrad der Aufladung anhand der Änderung des Ladezustandes des Energiespeichers, anhand der Umpolfrequenz und einer bekannten maximalen Höhe der Ladeimpulse zu ziehen.
Bevorzugt ist allerdings, dass das Ladegerät eine Empfangseinheit aufweist, die eingerichtet ist, ein Qualitätssignal, das von dem Implantat ausgesendet wird und den Wirkungsgrad der Aufladung widerspiegelt, zu empfangen, und das Ladegerät ist eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Qualitätssignal die Spule zur Optimierung der Aufladung in die bestimmte Ausrichtung zu schwenken und/oder in die bestimmte Position zu bringen.
Das Qualitätssignal kann beispielsweise ein niederfrequentes Signal sein, das den menschlichen Körper und, wenn keine Antenne hierfür vorgesehen ist, die Hülle bzw. das Gehäuse des Herzschrittmachers durchdringt. Die Qualität des Ladeipulses verhält sich bevorzugt proportional zum Wert des Integrales (∫ i dt). Bei guten Ladeimpulsen, d.h. mit sehr hoher Qualität beträgt der Wert beispielsweise bis zu 1000nC. Das die Qualität angebende Signal kann beispielsweise den Wert des Integrals des Stroms des Ladeimpulses über der Zeit (f i dt), d.h. seinen Ladungsinhalt, angeben. Alternativ kann das Qualitätssignal folgendes Verhältnis angeben:

(Ladungsinhalt des abgegebenen Ladungsimpuls/maximal möglichem Ladungsinhalt).

Weiterhin alternativ kann das Qualitätssignal ein binäres Signal sein, das einen OK-Zustand einnimmt, wenn der Ladeimpuls einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.
Die Steuerungseinheit steuert unter Beobachtung des Qualitätssignals die Aufhängung, beispielsweise die kardanische Aufhängung, und ermittelt aus verschiedenen Stellungen der Spule und den entsprechenden Qualitätssignalen eine optimale Stellung der Spule, in die die Steuerungseinheit die Spule abschließend schwenkt.
Folgend sind bevorzugte Parameter des erfindungsgemäßen Ladegeräts und/oder seiner Spule:

Die magnetische Flussdichte des magnetischen Wechselfeldes entlang der Spulenachse hat bevorzugt einen Wert B in den folgenden Bereichen: 2,0mT < = B < = 20,0mT, insbesondere 2,5mT < = B < = 8,0mT, 3,5mT <= B <= 7,0mT, 4,5mT <= B <= 6,0mT, 4,8mT <= B <= 5,2mT, oder 5,0mT = B.
Ein Durchmesser der Spule hat einen Wert D, der bevorzugt in folgenden Bereichen liegt: 0,6m <= D < = 0,9m, 0,65m < = D < = 0,85m, 0,68m <= D <= 0,8m, oder 0,72m = D; und/oder
eine Länge der Spule besitzt bevorzugt einen Wert I, wobei bevorzugt 0,15m <= I <= 0,5m, 0,2m <= I <= 0,45m, 0,25m <= I <= 0,4m, oder 0,33m = I ist.

Die Spule des Ladegerätes kann eine kontinuierlich gewickelte Spule sein, insbesondere für den Fall, dass die Körperlängsachse des menschlichen Körpers mit der Spulenachse bestimmungsgemäß übereinstimmen soll.
Alternativ kann die Spule auseinandergezogen sein und ein Spulenpaar zweier Teilspulen bilden. Die Abmessungen der Teilspulen und deren Abstand zueinander sind bevorzugt so gewählt, dass die auseinandergezogene Spule wie eine kontinuierlich gewickelte Spule wirkt, zumindest in einem um die Spulenachse herum radialen Bereich. Ein Beispiel für eine auseinandergezogene Spule ist eine Helmholtzspule. Bestimmungsgemäß befindet sich der Körper des Menschen zwischen den Teilspulen, wobei die Körperlängsachse des Körpers senkrecht zur Spulenachse verläuft.
Die auseinandergezogene Spule kann auch durch eine verstellbare Aufhängung gehaltert sein.
Weiterhin alternativ kann das Ladegerät drei auseinandergezogene Spulen beinhalten, deren Spulenachsen bevorzugt in den drei Raumkoordinaten angeordnet sind. Der menschliche Körper und das Implantat befinden sich bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes zwischen den Teilspulen der Spulenpaare, wobei die von den auseinandergezogenen Spulen erzeugten magnetischen Wechselfelder, die sich jeweils in einem Bereich innerhalb der jeweiligen Spule befinden, sich zwischen den Teilspulen überlagern und das in den Körper implantierte Implantat erreichen.
Eine gezielte Ausrichtung des aus den überlagerten Wechselfeldern resultierenden magnetischen Wechselfelds kann durch unterschiedliche Ansteuerung der Phasen und/oder der Amplituden der jeweiligen Spulenpaare erreicht werden, um die Aufladung zu optimieren.
Die Ansteuerung des resultierenden Wechselfelds kann beispielsweise auf dem Qualitätssignal beruhen.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Ladegeräts unter Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.

1A und 1B zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts zum einen in einer perspektivischen Ansicht und zum anderen in einer Ansicht entlang einer in den Figuren gezeigten Z-Achse, wobei das Ladegerät eine Spule beinhaltet, die durch eine kardanische Aufhängung gehaltert wird.
1C zeigt Simulationsergebnisse des magnetischen Wechselfeldes, das die Spule des Ladegerätes der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt.
1D zeigt die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes (B-Feld in mT) im Zentrum der Spule radial zur Spulenachse.
2A und 2B zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts, welche eine Spule aus einem Spulenpaar beinhaltet, das aus zwei Teilspulen aufgebaut ist, wobei eine Aufhängung beide Teilspulen haltert und eingerichtet ist, die Teilspulen zusammen zu schwenken und/oder zu versetzen.
3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts, das drei Spulen beinhaltet, die jeweils aus zwei Teilspulen aufgebaut sind, wobei jeweilige Spulenachsen räumlich senkrecht aufeinander stehen und in einem Überlagerungsbereich, der sich zwischen den jeweiligen Spulen befindet, die Amplitude und der Vektor des magnetischen Wechselfelds durch Ansteuerung der Spulen einstellbar ist.

Die im Folgenden erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegeräts dienen zum Aufladen eines Energiespeichers eines Implantates, das vollständig in einen menschlichen oder tierischen Körper implantiert ist.
Das Implantat ist allgemein eine Entität, die bestimmte Funktionen im implantierten Zustand übernimmt und zu diesem Zweck zumindest eine Elektronik und den genannten, die Elektronik versorgenden Energiespeicher aufweist.
Bevorzugt kann das Implantat noch Elektroden zur Erfassung von Körperdaten (Körperinformationen) und/oder Abgabe von Impulsen an den Körper sowie bevorzugt eine Kommunikationseinheit, die als Schnittstelle zur Außenwelt fungiert, aufweisen.
Das Implantat ist beispielsweise ein Herzschrittmacher, Gehirnschrittmacher, Blasenschrittmacher und/oder eine Analyseeinheit, die Körperdaten, wie Blutdruck und/oder Blutwerte, erfasst.
Für das kontaktlose Wiederaufladen des Energiespeichers besitzt das Implantat einen Ladeimpulserzeugungsabschnitt mit einer Ladeelektronik, wie sie beispielsweise in dem Patentdokumenten DE 10 2019 124 435 beschrieben sind.
Wesentliches Element des Ladeimpulserzeugungsabschnitt ist ein Magnetisierungsabschnitt, beispielsweise ein Wieganddraht, mit ausgerichteten magnetischen Domänen, die durch die magnetische Feldkomponente in seiner Achsrichtung eines von den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegeräts erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes dahingehend beeinflusst werden können, dass eine Ummagnetisierungswelle in Form von dominoartig umklappenden Domänen (weiß'sche Bezirke) über den Magnetisierungsabschnitt läuft.
Die Ummagnetisierungswelle führt zu einer so hohen zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses, dass eine in einer in räumlicher Nähe zu dem Magnetisierungsabschnitt angeordnete Spule einen zu einem Ladeimpuls des Energiespeichers führenden Spannungsimpuls erzeugt.
Diese Art der Wiederaufladung des Energiespeichers ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, als dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes soweit abgesenkt werden kann, dass keine nachteiligen Effekte, wie Skin-Effekte, das magnetische Wechselfeld am Eindringen in den Körper und Erreichen des Magnetisierungsabschnitts hindern.
Beispielsweise kann der Magnetisierungsabschnitt ein Wieganddraht sein, um den eine Spule gewickelt ist.
Die Geschwindigkeit der über den Wieganddraht laufenden Ummagnetisierungswelle beträgt im Leerlauf größenordnungsmäßig 800 m/s, wobei die Länge des in dem Schrittmacher enthaltenen Wieganddrahtes in einem Bereich von 0,7 - 1,2cm liegt. Damit ergibt sich auch wieder im Leerlauf eine Laufdauer der Ummagnetisierungswelle (Welle umklappender Domänen) in der Größenordnung von 10-20 µs.
Unter Berücksichtigung dieser Werte erzeugt das im Folgenden noch erläuterte, erfindungsgemäße Ladegerät das magnetische Wechselfeld mit einer Frequenz in einem Bereich von 0,1 bis 10 kHz. Das magnetische Wechselfeld dringt in diesem Frequenzbereich in sehr tiefliegende Bereiche des Körpers des Lebewesens ein und kann damit problemlos den Magnetisierungsabschnitt des Implantats zur kontaktlosen Aufladung erreichen.
Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegeräts werden im Folgenden unter der Annahme erläutert, dass es sich bei dem Implantat um einen Herzschrittmacher handelt, der vollständig in das/an das menschliche Herz implantiert ist. Beschränkt ist die Erfindung hierauf allerdings nicht.
Der Herzschrittmacher besitzt ein Gehäuse, das den Energiespeicher und die entsprechende Elektronik eingekapselt aufnimmt. Das Gehäuse des Herzschrittmachers besitzt ein Volumen in der Größenordnung von 1 cm³.
Notwendige Elektroden des Herzschrittmachers liegen auf der Oberfläche des Gehäuses frei und berühren Abschnitte des menschlichen Herzen, und/oder sind als Verankerungselektroden ausgebildet, die in dem menschlichen Herzen verankert sind und den Herzschrittmacher ortsfest halten.
Der Herzschrittmacher erhält über die Elektroden Körperdaten, d. h. Informationen über die Aktivität des Herz, und/oder kann hierüber Stimulationsimpulse an das Herz abgeben.
Der Energiespeicher des Herzschrittmachers ist beispielsweise ein elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, mit einer solchen Kapazität, dass er alle elektronischen Komponenten des Herzschrittmachers für einen Zeitraum zwischen beispielsweise 0,75 bis 1,25 Jahren mit elektrischer Energie versorgen kann. Wird er beispielsweise alle 0,5 Jahre wieder aufgeladen, ist damit die Versorgung aller elektronischen Komponenten mit Energie sichergestellt.
Die Aufladung erfolgt kontaktlos durch das im Folgenden noch näher beschriebene Ladegerät.
(erste Ausführungsform)
Unter Bezug auf 1A bis 1D wird im Folgenden eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts erläutert.
Das Ladegerät 100 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform beinhaltet eine Spule 110, die das für die Aufladung notwendige magnetische Wechselfeld erzeugt. Die Spule 110 besitzt solche räumliche Abmessungen, dass eine für einen Patienten P vorgesehene Körperhalterung 120 des Ladegerätes 100 abschnittsweise innerhalb der Spule 110 Platz findet.
Die Körperhalterung 120 ist in der bevorzugten Ausführungsform des Ladegeräts 100 eine Liege, auf der der Patient P bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes 100 liegt bzw. angeordnet ist.
Der Patient P ist Träger eines schematisch angedeuteten Herzschrittmachers I, der vollständig in das Herz des Patienten P implantiert ist.
Die Körperhalterung 120 verläuft in Richtung einer in 1A und 1B gezeigten Z-Achse durch die Spule 110 hindurch. Die Z-Achse entspricht einer Spulenachse der Spule 110. Wenn der Patient P, wie es im Folgenden noch beschrieben wird, auf der Körperhalterung 120 liegt, verläuft eine Körperachse des Patienten in Richtung der Spulenachse der Spule 110, wobei das magnetische Wechselfeld, das sich in dem Bereich innerhalb der Spule 110 befindet, in den Körper des Patienten P eindringt und den Herzschrittmacher I zur Aufladung des Energiespeichers erreicht.
Die Spule 110 ist in der bevorzugten Ausführungsform eine kreisförmige Spule mit einem Durchmesser D, wobei eine entsprechende Spulenebene in der in 1A und 1B gezeigten X-Y-Ebene senkrecht zur Spulenachse (Z-Achse) liegt.
Alternativ kann die Spule 110 auch eine quadratische oder rechteckförmige Rahmenspule sein. Der Durchmesser D beträgt in der ersten bevorzugten Ausführungsform 0,72 m, kann allerdings variieren.
Die Spule 110 besitzt beispielsweise eine einschichtige Wicklung mit einer Vielzahl von Windungen w, die aus einer elektrischen Leitung, beispielsweise einer Kupferleitung, gebildet ist. In der ersten bevorzugten Ausführungsform beträgt die Anzahl der Windungen w=10, wobei dieser Wert lediglich bevorzugt ist und ebenfalls variieren kann.
Die die Wicklung bildende, elektrische Leitung besitzt bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt von 320 mm², der sich aus einer in Richtung der Z-Achse weisenden Seitenlänge von 32 mm und eine hierzu senkrecht verlaufende Seitenlänge von 10 mm ergibt. Hinzu kommt eine elektrische Isolierung, die die Oberfläche der elektrischen Leitung überzieht, mit einer Stärke von 0,5 mm.
Damit resultiert eine Länge I der Spule 110 in Richtung ihrer Spulenachse (Z-Achse) von 0,32 m ohne Berücksichtigung der Isolierung bzw. von 0,33 m mit Berücksichtigung der Isolierung, wobei für die erste bevorzugte Ausführungsform damit die Bedingung D > I Geltung besitzt.
Eine Induktivität L der Spule 110 hat bei diesem Aufbau der Spule 110 einen Wert von 87 µH. Die Erfindung ist nicht auf den erläuterten Aufbau und die genannten Parameter eingeschränkt. Allgemein ist es bevorzugt, dass der Aufbau der Spule 110 so gestaltet ist, dass die Induktivität in dem folgenden Bereich liegt 0,02mH <= L <= 0,3mH.
Die Spule 110 des erfindungsgemäßen Ladegeräts 100 wird bevorzugt während der Aufladung des Energiespeichers des Herzschrittmachers I so betrieben, dass sie in ihrem Innenraum das magnetische Wechselfeld mit einer Amplitude (magnetische Flussdichte B) im Bereich von 2,5mT <= B <= 8,0mT, insbesondere in einem Bereich von 5mT, erzeugt.
Das magnetische Wechselfeld mit diesen Werten der magnetischen Flussdichte B befindet sich in dem Bereich innerhalb der Spule 110 und verläuft entlang der Spulenachse der Spule 110.
Der in dem Herzschrittmacher I enthaltene Magnetisierungsabschnitt, der bevorzugt der bereits genannte Wieganddraht ist, zeigt bei den genannten Werten der magnetischen Flussdichte B und einer Frequenz f (Umpolfrequenz) des magnetischen Wechselfeldes in dem bereits genannten Bereich von 0,1 bis 10 kHz, insbesondere bei 2 kHz, ein dahingehend zuverlässiges Verhalten, dass jede Umpolung des magnetischen Wechselfeldes mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit die Ummagnetisierungswelle ausgelöst und damit zu dem Ladeimpuls des Energiespeichers führt.
Der erläuterte Aufbau des erfindungsgemäßen Ladegeräts 100 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil elektrische Betriebsparameter in Größenordnungen liegen, die den problemlosen Betrieb des Ladegeräts 100 in einer gewöhnlichen Arztpraxis ermöglichen.
Die magnetische Flussdichte B des von der Spule 110 erzeugten magnetischen Wechselfeldes ergibt sich aus folgender Beziehung: $B = (μ_{0} * I * w) / D$
Das erfindungsgemäße Ladegerät 100 erzeugt bevorzugt in der Wicklung der Spule 110 einen elektrischen Wechselstrom mit einer Stärke von I = 300 A. Bei den genannten w=10 Windungen ergibt sich aus der vorstehenden Beziehung (1) eine magnetische Flussdichte B von 5,25mT, die für das zuverlässige Auslösen des Wieganddrahtes bzw. Magnetisierungsabschnitts in den genannten Bereichen liegt.
Unter Berücksichtigung des Wechselstromwiderstands der Spule 110, der aus ω*L, mit ω=2πf, resultiert, folgt eine für die Erzeugung des Wechselstromes I notwendige Wechselspannung aus U=I*ω*L und beträgt damit bei einer Frequenz f von 2 kHz des magnetischen Wechselfeldes 327 V.
Sowohl der Wert des in der Wicklung erzeugten Wechselstromes I als auch der entsprechende Spannungswert U liegen in Größenordnungen, die in normalen Gebäuden/Arztpraxen zur Verfügung gestellt werden können. Das erfindungsgemäße Ladegerät 100 muss deshalb nicht zwingend in einer gesonderten Einrichtung, wie es beispielsweise für den Betrieb eines MRT der Fall ist, installiert werden.
Vorteilhaft wird dies dadurch realisiert, dass die Spule 110 des erfindungsgemäßen Ladegeräts 100 Teil eines Schwingkreises ist, beispielsweise eines Parallelschwingkreises. Auf diese Weise muss nur die Wirkleistung (Kupferverluste) aus dem Netz entnommen werden.
1B zeigt schematisch einen Verstärker 151 und einen Kondensator 152, die zusammen in einer Steuerungseinheit 150 des Ladegerätes 100 enthalten sind. Der Kondensator 152 bildet mit der Spule 110 zusammen den genannten Parallelschwingkreis.
Der Parallelschwingkreis ist so dimensioniert, dass er sich bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Ladegeräts 100 in Resonanz befindet. Unter Berücksichtigung der Induktivität von L=87µH der Spule 110 ergibt sich aus der für den Resonanzfall geltenden Beziehung 1/(ω*C)=ω*L eine Kapazität des Kondensators zu C=72,8 µF.
Der ohmsche Widerstand R der Spule 110 ist im Wesentlichen bedingt durch das Material und die Abmessungen der die Wicklung bildenden elektrischen Leitung. In der vorliegenden ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts 100 beträgt der ohmsche Widerstand R der elektrischen Leitung der Spule 110 ca. 1,24 mΩ.
Daraus resultiert eine Wirkleistungsaufnahme der Spule 110 im Beispiel bei entsprechendem Effektivwert Ieff des durch die Spule 110 fließenden Wechselstromes zu 56 W. Diese Wirkleistungsaufnahme des Parallelschwingkreises kann eine in Gebäuden standardmäßig vorhandene Stromversorgung (bspw. 230 V; 50 Hz) problemlos liefern. D.h. das erfindungsgemäße Ladegerät 100 kann über die Steuerungseinheit 150 an eine Standardsteckdose angeschlossen werden. 1A und 1B zeigen ein solches Anschlusskabel schematisch.
Wenn der Energiespeicher des Herzschrittmachers I im implantierten Zustand wieder aufgeladen werden muss, legt sich der Patient P, wie es aus 1A und 1B ersichtlich ist, auf die Liege 120.
Eine bezüglich der Z-Richtung (positive oder negative Richtung der Z-Achse) räumliche Position des Patienten P bzw. der Liege 120 relativ zu der Spule 110 wird erreicht, indem die Steuerungseinheit 150 des Ladegeräts 100 eine im Folgenden noch erläuterte Aufhängung 140 der Spule 110 relativ zu der Liege 120/dem Patienten P versetzt. Hierfür besitzt das Ladegerät 100 eine lineare Führung 130, die unterhalb der Liege 120 angeordnet ist und die die Aufhängung 140 der Spule 110 in Z-Richtung versetzbar haltert.
Die Steuerung 150 ist eingerichtet die lineare Führung 130 anzusteuern um die Aufhängung 140 an eine bestimmte Position in Z-Richtung zu versetzen. Alternativ/zusätzlich kann die Körperhalterung/Liege 120 versetzbar gehaltert sein, sodass die Steuerungseinheit 150 des Ladegeräts 100 durch Ansteuerung von Verstellungsmechanismen die Körperhalterung/Liege 120 zur Positionierung des Patienten P relativ zur Spule 110 versetzen kann.
Der Patient P und die Spule 110 haben bei bestimmungsgemäßer Aufladung eine solche räumliche Relation zueinander, dass sich der Herzschrittmacher I in dem Bereich entlang der Spulenachse innerhalb der Spule 110 befindet.
Dieser Zustand ist in 1A und 1B dahingehend gegeben, dass sich der Herzschrittmacher I in dem von der Spule 110 definierten Zylindervolumen V, das sich aus (D/2)²*π*I ergibt, befindet. Das in diesem Bereich entlang der Spulenachse verlaufende magnetische Wechselfeld dringt in den Körper des Patienten P ein und erreicht den Herzschrittmacher I.
Die magnetische Flussdichte B besitzt in dem gesamten Zylindervolumen für die Aufladung adäquate Werte, weshalb die konkrete Position des Herzschrittmachers I innerhalb des Zylindervolumens V eine untergeordnete Rolle spielt, solange die Ausrichtung des Magnetisierungsabschnittes stimmt. Dies wird aus den folgenden Erläuterungen zu den 1C bis 1D ersichtlich.
1C und 1D zeigen Stärke und Ausrichtung der magnetischen Flussdichte B des von der Spule 110 erzeugten magnetischen Wechselfeldes, wenn der Wechselstrom von I = 300 A durch die Wicklung der Spule 110 fließt. 1C entspricht einer Schnittansicht der Spule 110, wobei die Schnittebene der in 1A und 1B gezeigten Z-X-Ebene entspricht und den Mittelpunkt der Spule 110 enthält. Der Mittelpunkt der Spule 110 ist gleichzeitig der Ursprung des in 1A und 1B gezeigten Koordinatensystems.
1D zeigt in diesem Zusammenhang die Amplitude der magnetischen Flussdichte B und 1C die entsprechende Vektordarstellung, wobei die Figuren die im Raum entsprechend resultierenden Größen betreffen.
Die 1D macht deutlich, dass die Amplitude der magnetischen Flussdichte B innerhalb der Spule 110, insbesondere im Bereich der mittleren Ebene (X-Y-Ebene, mit Z = 0), über den gesamten Durchmesser D hinweg eine Amplitude aufweist, die über 4,5 mT liegt (siehe Bereiche in 1D). Hinzu kommt, was 1C verdeutlicht, dass die Ausrichtung (Vektor) der magnetischen Flussdichte B im Bereich der mittleren Ebene im Wesentlichen homogen ist, d. h. die die Ausrichtung der magnetischen Flussdichte B angebenden Vektoren verlaufen parallel zur Spulenachse.
1D zeigt im Detail, wie sich die Amplitude der resultierenden magnetischen Flussdichte B in der mittleren Ebene der Spule 110 (Z = 0) ausgehend von der Spulenachse bzw. dem Ursprung des Koordinatensystems in radialer Richtung (X- und/oder Y-Richtung) verändert. Die magnetische Flussdichte B besitzt bei (X, Y, Z) = (0, 0, 0) eine resultierende magnetische Flussdichte von 4,5 mT und steigt in radialer Richtung bis auf ungefähr 8 mT an.
Bestimmungsgemäß wird das Ladegerät 100 der ersten bevorzugten Ausführungsform so betrieben, dass sich der Herzschrittmacher I bei Aufladung des entsprechenden Energiespeichers in dem von der Spule 110 definierten Zylindervolumen V befindet. Es ist allerdings besonders bevorzugt, dass der Patient P bei bestimmungsgemäßem Betrieb des erfindungsgemäßen Ladegeräts 100 relativ zu der Spule 110 so angeordnet ist, dass sich der Herzschrittmacher I an einem Punkt in der mittleren (X-/Y-)-Ebene der Spule 110 befindet.
Der Magnetisierungsabschnitt, insbesondere der Wieganddraht, des Herzschrittmachers I ist bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Ladegerätes 100 so ausgerichtet, dass die bestimmungsgemäße Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle mit der Richtung der Spulenachse/Z-Achse und damit mit der hauptsächlichen Komponente (Z-Komponente) der resultierenden magnetischen Flussdichte B übereinstimmt. Die bestimmungsgemäße Laufrichtung entspricht jener Richtung, in der die Ummagnetisierungswelle zur Erzielung optimaler Spannungsimpulse bzw. Ladeimpulse über den Magnetisierungsabschnitt laufen soll. Für den genannten Wieganddraht entspricht diese Laufrichtung in der Regel seiner Längsachse.
Die Abstimmung des Magnetisierungsabschnitts/Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle an die Richtung der Spulenachse wird dadurch erreicht, dass bei Implantation des Herzschrittmachers I bzw. des darin enthaltenen Magnetisierungsabschnitt auf die Ausrichtung geachtet wird. Beispielsweise besitzt der Herzschrittmacher I so ausgebildete Elektroden und oder Verankerungen, dass sich die Ausrichtung des Magnetisierungsabschnittes in Richtung der Körperachse (und damit in Z-Achse/Spulenachse) bei Implantation zwangsläufig ergibt.
Die Ausrichtung des Magnetisierungsabschnitts, insbesondere die Ausrichtung der Längserstreckung des Wieganddrahtes, in Richtung der Z-Achse/Spulenachse führt dazu, dass jede Umpolung des elektromagnetischen Wechselfeldes die Ummagnetisierungswelle zuverlässig auslöst, und es zu einem gewünschten Spannungsimpuls, der wiederum zu dem Ladeimpuls für den Energiespeicher führt, kommt.
Die Erläuterungen zu dem von der Spule 110 erzeugten magnetischen Wechselfeld lassen erkennen, dass die zuverlässige Auslösung der Ummagnetisierungswelle unabhängig davon ist, wo sich der Herzschrittmacher bzw. der Magnetisierungsabschnitt in dem von der Spule 110 definierten Zylindervolumen V befindet. Dies deshalb, weil innerhalb der Spule 110 eine ausreichend homogene Amplitude der magnetischen Flussdichte B bei gleichzeitiger in Spulenachse weisende Ausrichtung des B-Vektors (ortsunabhängig) vorliegt.
Eine minutiöse Einstellung und Anpassung der Stärke und Ausrichtung des magnetischen Wechselfeldes an die Lage und Ort des Herzschrittmachers ist damit nicht erforderlich.
Auch wenn der Herzschrittmacher I in den Körper des Patienten P so implantiert worden ist, dass die Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle in Richtung der Körperachse des Patienten weist, kann es bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Ladegeräts 100 zu Abweichungen zwischen der Ausrichtung des Magnetisierungsabschnittes und damit der Laufrichtung einerseits und der Spulenachse andererseits kommen.
Grund hierfür können zum einen individuelle physiologische Gegebenheiten des Patienten sein, die zu einer abweichenden Lage des Herzschrittmachers I in dem Körper des Patienten führen. Zum anderen können schlicht einfache körperliche Bewegungen des Patienten während des Ladevorgangs zu Abweichungen führen.
Um die Aufladung des Energiespeichers in einen optimalen Zustand zu bringen und/oder zu halten, ist die Aufhängung 140 verstellbar ausgebildet.
Zum einen kann die Spule 110 durch die lineare Führung 130 in Richtung der Z-Achse bzw. Spulenachse versetzt werden.
Zum anderen ist die Aufhängung 140 als kardanische Aufhängung ausgebildet. Das erlaubt ein Schwenken der Spule 110 um die jeweilige in 1A und 1B gezeigte X-Achse und Y-Achse.
Die Steuerungseinheit 150 ist eingerichtet die genannten Einstellmöglichkeiten zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers zu nutzen.
Die Optimierung der Aufladung erfordert einen Rückschluss, inwieweit es durch Umpolung des magnetischen Wechselfeldes zu gewünschten, ausreichend hohen Ladeimpulsen kommt. Weicht nämlich die Ausrichtung der bestimmungsgemäßen Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle von der Spulenachse zu stark ab, vermindern sich die erzeugten Spannungsimpulse in ihrer Amplitude so weit, dass keine ausreichenden Ladeimpulse für den Energiespeicher mehr erreicht werden.
Der Herzschrittmacher I erzeugt bevorzugt als Rückmeldung ein Qualitätssignal Q, das den Wirkungsgrad der Aufladung widerspiegelt. Dieses Qualitätssignal kann aktiv gesendet oder passiv abgefragt werden.
Das gesendete Qualitätssignal Q kann beispielsweise ein niederfrequentes Signal sein, das den Köper des Pateinten P und, wenn keine externe Antenne hierfür vorgesehen ist, die Hülle bzw. das Gehäuse des Herzschrittmachers durchdringt.
Abgefragt werden kann das Qualitätssignal beispielsweise, indem der Herzschrittmacher definierte Frequenzen dämpft.
Die Qualität des Ladeipulses verhält sich proportional zum Wert des Integrales (∫ i dt). Bei guten Ladeimpulsen, d.h. mit sehr hoher Qualität beträgt der Wert beispielsweise bis zu 1000nC. Das die Qualität angebende Signal Q kann beispielsweise den Wert des Integrals des Stroms des Ladeimpulses über der Zeit (∫ i dt), d.h. seinen Ladungsinhalt, angeben.
Die Elektronik des Herzschrittmachers I kann diesbezüglich derart eingerichtet sein, dass sie das die Qualität angebende Signal Q für jeden Ladeimpuls aussendet oder alternativ nur für solche der Ladeimpulse die in bestimmten Intervallen hintereinander auftreten. Die Intervalle liegen beispielsweise bei 25, 50, 100, 200, 500, 750, oder 1000 Ladeimpulsen. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Wert zu senden, der dem Mittelwert aller in einem Intervall aufgetretenen Ladeimpulse entspricht. Auf diese Weise kann die für eine aktive Übertragung der Daten benötigte Energie reduziert werden.
Die Steuerungseinheit 150 besitzt eine Empfangseinheit und ist hierüber eingerichtet, dass Qualitätssignal Q von dem Herzschrittmacher I auszuwerten. Die Steuerungseinheit 150 führt auf der Basis des Qualitätssignals Q entsprechende Schritte aus um die Aufladung zu optimieren, indem sie die Spule 110 um die X-/Y-Achsen entsprechend schwenkt und/oder in Z-Richtung versetzt, bis das Qualitätssignal eine optimale Ausrichtung angibt.
Vorzugsweise verhält sich das Qualitätssignal Q proportional zum Wirkungsgrades der Aufladung.
Das die Qualität des Ladeimpulses angebende Signal Q kann alternativ beispielsweise ein binäres Signal sein, das einen OK-Zustand einnimmt, wenn der Ladeimpuls, bzw. sein Ladungsinhalt, einen Schwellenwert übersteigt, und einen NG-Zustand einnimmt, wenn der Ladeimpuls den Schwellenwert nicht übersteigt. Der Schwellenwert kann beispielsweise bei 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% oder 90% des durch den Magnetisierungsabschnittes lieferbaren Ladungsinhaltes liegen.
Wenn das Qualitätssignal Q ein binäres Signal ist, liegt der Schwellenwert für den OK-Zustand des Signals vorzugsweise in höheren Bereichen, weil der Schwellenwert insgesamt als Kriterium dafür dient, das Schwenken der Spule 110 um die jeweiligen Achsen zu beenden und die erreichte Stellung der Spule als optimal zu bewerten. Dazu werden beispielsweise die Extrempositionen (Wechsel von Gut auf Schlecht bzw. umgekehrt) ausgewertet.
Im Allgemeinen kann das erfindungsgemäße Ladegerät 100 auch bei Implantaten eingesetzt werden, die kein Qualitätssignal Q aussenden, sondern lediglich die Funktionalität besitzen, dass die Steuerungseinheit 150 den Ladezustand des Energiespeichers abfragen kann. Für den gezeigten Anwendungsfall kann beispielsweise die entsprechende Elektronik des Herzschrittmachers I so ausgestaltet sein, dass der Ladezustand des entsprechenden Energiespeichers über eine Sende- und Empfangsfunktion des Herzschrittmachers I abgefragt werden kann.
Damit kann die Steuerungseinheit 150 als Alternative zu dem die Qualität angebenden Signal Q den Rückschluss auf den Wirkungsgrad der Aufladung aus einer wiederholten Abfrage des Ladezustandes des Energiespeichers während der Aufladung gewinnen. Im Detail kann die Steuerungseinheit 150 durch Informationen über eine Änderung des Ladezustandes, den zeitlichen Abstand der Abfragen, einer bekannten maximalen Höhe der Ladeimpulse, und der Umpolfrequenz den Rückschluss auf die Qualität/den Wirkungsgrad der einzelnen Ladeimpulse ziehen. Der zeitliche Abstand, in dem die Steuerungseinheit 150 den Ladezustand des Energiespeichers abfragt, beträgt bevorzugt 0,5min, 1,0min, 1,5min, 2,0min, 2,5min, 3,0min, 3,5min, 4,0min, 4,5min, 5,0min.
Wenn die Steuerungseinheit 150 Erkenntnis über die Qualität der Ladeimpulse jeweils erlangt hat, steuert sie die kardanische Aufhängung 140 an, um die Spule 110 zur Optimierung der Aufladung um die jeweilige Achsen (X- Achse und/oder Y-Achse) zu schwenken und/oder entlang der Z-Achse zu versetzen.
(zweite Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf 2A und 2B erläutert.
2A zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ladegeräts 200 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Richtung der Z-Achse gesehen und 2B eine perspektivische Ansicht.
Das Ladegerät 200 dient zur Aufladung eines Energiespeichers eines Herzschrittmachers I, der zu dem unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen identisch aufgebaut ist. Insoweit wird hinsichtlich des Aufbaus und Funktionalität des Herzschrittmachers I auf die Ausführungen zur ersten Ausführungsform verwiesen.
Das Ladegerät 200 beinhaltet eine Spule 210, die eingerichtet ist, das für die indirekte Aufladung des Energiespeichers benötigte magnetische Wechselfeld zu erzeugen. Die Spulenachse A der Spule 210 verläuft in 2A in Richtung der Y-Achse des dort gezeigten Koordinatensystems.
Die Wicklung der Spule 210 ist im Unterschied zu der ersten bevorzugten Ausführungsform nicht kontinuierlich sondern bevorzugt in der Mitte der Spule 210, die gleichzeitig dem Ursprung des Koordinatensystems entspricht, derart auseinandergezogen, dass die Spule 210 ein Spulenpaar bildet.
Das Spulenpaar beinhaltet zwei kreisförmige Teilspulen 211 und 212, die axial zueinander angeordnet sind und den gleichen Durchmesser D besitzen. Die Teilspulen 211 und 212 sind in einem Abstand R1 zueinander angeordnet und weisen den gleichen Wicklungssinn auf.
Die Wicklung der Spule 210 verläuft über einen Verbindungsarm 213 und verbindet damit Teile der Wicklung, die die Teilspulen 211 und 212 bilden. Der Verbindungsarm 213 ist in dieser Ausführungsform ein geschlossener Ring, der bevorzugt kreisförmig ist.
Die Wicklung ist, wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform einschichtig, und die die Teilspulen bildenden Abschnitte der Wicklung besitzen zwangsläufig denselben Wicklungssinn.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die elektrische Leitung, die die Teilspulen 211, 212 bildet, bevorzugt dieselben Querschnittsabmessungen wie die in der ersten bevorzugten Ausführungsform; rechteckförmig mit 32 mm Seitenlänge in Richtung der Spulenachse und 10 mm Seitenlänge in zur Spulenachse radialer Richtung. Ein Abschnitt der elektrischen Leitung, der über den Verbindungsarm 213 läuft, kann die genannten Querschnittsabmessungen haben oder anders dimensioniert sein.
Jede der Teilspulen 211 und 212 hat beispielsweise einen Durchmesser von 160 cm und besitzt fünf Windungen (w = 5). Der Abstand R1 zwischen den Teilspulen 211 und 212 entspricht bevorzugt dem Radius der Teilspulen, d. h. in der vorliegenden Ausführungsform 80 cm, oder ist bevorzugt kleiner als der Radius. Der Durchmesser D der Teilspulen 211 und 212 kann größer gestaltet sein, wenn ein größerer Abstand R1 zwischen den Teilspulen benötigt wird.
Eine Aufhängung 240 haltert die Spule 210, indem sie den den Verbindungsarm 213 bildenden Ring 213 verstellbar lagert, wobei die Aufhängung 240 hierfür Verstellungsmechanismen aufweist.
Die Verstellungsmechanismen beinhalten eine Drehlagerung 241, die es erlaubt, den Verbindungsarm 213 und damit die Spule 210 in der in 2A und 2B gezeigten Stellung um die X-Achse des gezeigten Koordinatensystems zu schwenken bzw. zu drehen. Zudem besitzen die Verstellungsmechanismen Kugellager 242, die es ermöglichen, den Verbindungsarm/Ring 213, der über die Drehlagerung 241 mit einem Lagerring 243 verbunden ist, insgesamt um die in 2A und 2B gezeigte Z-Achse zu schwenken bzw. zu drehen. Wie hieraus verständlich wird, kann der Verbindungsarm/Ring 213 durch die den Lagerring 243 lagernden Kugellager 242 so weit gedreht werden, dass die Drehlagerung 241 nicht der in 2A und 2B gezeigten X-Achse, sondern der gezeigten Y-Achse entspricht.
Die Verstellungsmechanismen (Drehlager 241, Kugellager 242) ermöglichen, dass die Spule 210 in eine gewünschte Ausrichtung relativ zu dem implantierten Herzschrittmacher I ausgerichtet werden kann.
Zusätzlich kann das Ladegerät 200 der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die lineare Führung 130, die bereits unter Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform erläutert wurde, beinhalten. Auf die entsprechenden Ausführungen im Rahmen der ersten bevorzugten Ausführungsform wird verwiesen. Wie auch in der ersten bevorzugten Ausführungsform kann die Liege 220 in Z-Richtung bevorzugt versetzbar sein. Wenn dies der Fall ist, ist die lineare Führung 130 bevorzugt nicht vorhanden.
Eine Steuerungseinheit 250, die eingerichtet ist, die unter Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform erläuterten Funktionen auszuführen, ist sowohl mit der Aufhängung 240 als auch der Spule 210 elektrisch verbunden. Die Spule 210 ist, wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform, Teil eines in 2A nicht gezeigten Parallelschwingkreises, wobei die entsprechenden anderen Elemente des Schwingkreises, wie der bereits genannte Verstärker und Kondensator, in der Steuerungseinheit 250 aufgenommen sind.
Eine Körperhalterung 220, die wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform eine Liege ist, verläuft zwischen den Teilspulen 211 und 212 senkrecht zur Zeichenebene der 2A in Richtung der Z-Achse.
Wenn der Energiespeicher des Herzschrittmachers I des Patienten P aufgeladen werden muss, legt sich der Patient P auf die Liege 220 und befindet sich zwischen den Teilspulen 211 und 212. Die Körperachse bzw. Längsachse des Patienten P erstreckt sich wie die Liege 220 in Richtung der gezeigten Z-Achse. Der Patient P ist in 2A schematisch gezeigt.
Die Spule 210 erzeugt ein einheitliches elektromagnetisches Wechselfeld, obwohl die Wicklung nicht kontinuierlich ist, sondern in Form der Teilspulen 211 und 212 auseinandergezogen ist. Andersrum ausgedrückt wirken beide Teilspulen 211, 212 aufgrund der im Vorhergehenden erläuterten Konfigurationen, Abmessungen und räumlicher Relation zueinander wie eine einheitliche Spule mit kontinuierlicher Wicklung. In der vorliegenden zweiten Ausführungsform besitzt die Spule 210 bevorzugt den Aufbau einer sog. Helmholtzspule.
Beide Teilspulen 211 und 212 erzeugen jeweils einen Teil des gesamt entstehenden magnetischen Wechselfeldes, wobei das magnetische Feld, das sich innerhalb der Spule 210 entlang der Spulenachse A erstreckt, Innenräume der Teilspulen 211, 212 und einen Bereich zwischen den Teilspulen 211, 212 durchläuft.
Der Bereich zwischen den Teilspulen ist ein Überlagerungsbereich, in dem sich die von den Teilspulen erzeugten Teile des magnetischen Wechselfeldes so überlagern, dass das resultierende magnetische Wechselfeld sich entlang der Spulenachse A erstreckt.
Die die Ausrichtung angebenden Vektoren des magnetischen Wechselfelds, das die Innenräume der Teilspulen 211, 212 und den sich zwischen den Teilspulen befindenden Überlagerungsbereich durchläuft, zeigen parallele Verläufe. Zudem hat die magnetische Flussdichte B in dem Überlagerungsbereich Werte, die über weite Strecken über 4 mT liegen.
Diese Werte reichen aus, um die erläuterte Ummagnetisierungswelle, die über den Magnetisierungsabschnitt bzw. Wieganddraht des Herzschrittmachers I läuft und zu dem Ladeimpuls des Energiespeichers führt, zu initiieren.
Im Gegensatz zu der ersten bevorzugten Ausführungsform durchdringt das magnetische Wechselfeld, das sich innerhalb der Spule entlang der Spulenachse A befindet, den Körper des Patienten P nicht parallel zu seiner in Z-Richtung verlaufenden Körperachse, sondern senkrecht hierzu.
Das Ladegerät 200 ist deshalb insbesondere für den Fall bestimmungsgemäß vorgesehen, dass der Herzschrittmacher I in dem Körper des Patienten P so ausgerichtet ist, dass die bestimmungsgemäße Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle des Magnetisierungsabschnitts nicht in Richtung der Körperachse (Z-Richtung) weist, sondern maßgeblich hiervon abweicht und im Wesentlichen in Y- und/oder X-Richtung verläuft.
Die Einstellung einer optimalen Position und Ausrichtung der Spule 210 in Bezug auf den Körper des Patienten P verläuft ähnlich wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts dadurch, dass die Steuerungseinheit 250 die Verstellungsmechanismen und/oder die lineare Führung 130 ansteuert und die Spule 210 relativ zu dem Patienten/Herzschrittmacher I solange verstellt und ausrichtet, bis eine optimale Aufladung stattfindet.
(dritte Ausführungsform)
3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegerätes 300. Das Ladegerät 300 dient ebenfalls zur Aufladung eines Energiespeichers eines Implantates I, wie beispielsweise der im Vorhergehenden erläuterte Herzschrittmacher I.
Bezüglich des Aufbaus und der Funktionalitäten des Herzschrittmachers I wird auf die Ausführungen zu der ersten und zweiten Ausführungsformen verwiesen.
Das Ladegerät 300 erzeugt das für die Aufladung des Energiespeichers notwendige magnetische Wechselfeld in einer ähnlichen Art und Weise wie die Spule 210 des Ladegeräts 200 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform, macht allerdings eine Aufhängung zur Änderung der räumlichen Ausrichtung des magnetischen Wechselfeldes entbehrlich.
Hierfür weist das Ladegerät 300 eine erste Spule, eine zweite Spule und eine dritte Spule auf.
Die erste Spule beinhaltet ein erstes Spulenpaar, das aus einer ersten Teilspule 311 und einer zweiten Teilspule 312 aufgebaut ist, wobei die entsprechende Spulenachse A in Richtung der in 3 gezeigten Y-Achse des entsprechenden Koordinatensystems verläuft bzw. dieser entspricht.
Die zweite Spule beinhaltet ein zweites Spulenpaar, das gleichermaßen aus einer ersten Teilspule 221 und einer zweiten Teilspule 222 aufgebaut ist. Die Spulenachse B der zweiten Spule entspricht der in 3 gezeigten X-Achse des entsprechenden Koordinatensystems.
Letztendlich beinhaltet das Ladegerät 300 eine dritte Spule, die wiederum aus einer ersten Teilspule 331 und einer zweiten Teilspule 332 aufgebaut ist. Die Spulenachse C der dritten Spule entspricht der Z-Achse des in 3 gezeigten Koordinatensystems.
Alle Spulenachsen stehen bevorzugt räumlich senkrecht zueinander.
Die Spulen bzw. Teilspulen sind im Unterschied zu der vorangehenden Ausführungsformen nicht kreisförmig, sondern als Rahmenspulen mit rechteckförmigen Spulenebenen ausgebildet.
Alle Teilspulen, die jeweils die Spulenpaare der Spulen bilden, besitzen bevorzugt denselben Aufbau im Hinblick auf die die entsprechende Wicklung bildende elektrische Leitung und Windungsanzahl w und haben den jeweils gleichen Wicklungssinn. Abmessungen der elektrischen Leitung und Windungsanzahl w sind bevorzugt mit denen der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform identisch.
Ein Abstand zwischen den Teilspulen 221, 222 in X-Richtung ist im Verhältnis zu deren Abmessungen senkrecht zur Spulenachse A, d.h. in Ebenen parallel zu der in 3 gezeigten Y-Z Ebene so dimensioniert, dass die Teilspulen 221, 222 wie eine einheitliche Spule (Helmholtzspule) wirken. Diese Bedingung gilt bevorzugt für alle in 3 gezeigten Teilspulen.
Das Ladegerät 300 der dritten bevorzugten Ausführungsform beinhaltet eine Steuerungseinheit 350, die eingerichtet ist, jedes Spulenpaar gesondert anzusteuern und einen Wechselstrom in den jeweiligen Wicklungen zu erzeugen. Jedes Spulenpaar erzeugt damit ein individuelles magnetisches Wechselfeld.
Wie auch in den vorangehenden Ausführungsformen ist hierfür jede der Spulen Teil eines gesonderten Schwingkreises, deren Elemente in der Steuerungseinheit 350 aufgenommen sind. Bezüglich der Stärke des in jeder Spule erzeugten Wechselstroms und des Aufbaus der Schwingkreise wird auf die Ausführungen zu den vorangehenden Ausführungsformen verwiesen.
Wenn die Steuerungseinheit 350 den Wechselstrom in den Spulenpaaren/Teilspulen 311 und 312 erzeugt, verläuft das individuelle magnetische Wechselfeld, das sich innerhalb der Spule entlang der Spulenachse A befindet, durch die Teilspulen 311, 312 hindurch und über den sich zwischen den Teilspulen befindenden Überlagerungsbereich.
Die Teilspulen 311 und 312 erzeugen ergo das magnetische Wechselfeld in derselben Art und Weise wie die Spule 210 in der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Diese Erläuterungen gelten für alle in 3 gezeigten Spulenpaare bzw. Teilspulen der entsprechenden Spulen.
Die individuellen magnetischen Wechselfelder aller Spulen überlagern sich in dem Überlagerungsbereich zu dem magnetischen Wechselfeld, das das Implantat I erreicht.
Das magnetische Wechselfeld, das den Herzschrittmacher I erreicht, besitzt in dem Überlagerungsbereich über weite räumliche Bereiche um den Koordinatenursprung herum ausreichend hohe Werte, um den Magnetisierungsabschnitt (Wieganddraht) des Herzschrittmachers I zur Erzeugung des Ladeimpulses auszulösen.
Die Ausrichtung des resultierenden magnetischen Wechselfeldes kann die Steuerungseinheit 350 dadurch verändern, dass sie die jeweiligen Spulenpaare bzw. die entsprechenden Teilspulen unterschiedlich ansteuert und den in den entsprechenden Wicklungen fließenden Wechselstrom variiert. Sofern die Ausrichtung des resultierenden magnetischen Wechselfeldes nicht im Raum, sondern nur in einer Ebene notwendig sein sollte, ist eine der drei Spulen entbehrlich.
Bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegeräts 300 wird der Patient P bevorzugt in Richtung der Z-Achse soweit durch die Teilspulen 331, 332 geschoben, dass sich der Oberkörper des Patienten P und der Herzschrittmacher I in dem Überlagerungsbereich befindet. Hierbei kann der Patient P wie auch in den anderen Ausführungsformen beispielsweise auf einer Körperhalterung bzw. Liege angeordnet sein.
Allen im Vorhergehenden erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist gemeinsam, dass das magnetische Wechselfeld, dass sich innerhalb der Spule(n) entlang der entsprechenden Spulenachse befindet, zur Aufladung des Energiespeichers benutzt wird. Das magnetische Wechselfeld bzw. dessen magnetische Flussdichte B ist in diesen Bereichen der Spule(n) über weite Strecken so stark und weitgehend homogen, dass eine genaue Kenntnis der Position des Implantats (Herzschrittmacher) von untergeordneter Bedeutung ist, wenn die Richtung der Achse des Magnetisierungsabschnittes mit der Achse des Magnetfeldvektors in erster Näherung übereinstimmt.
Zudem lassen alle Ausführungsformen ein Schwenken/Drehen des Vektors des magnetischen Wechselfeldes zu, ohne dass sich die Amplitude der magnetischen Flussdichte B ändert. Dies erlaubt eine überaus zuverlässige Ausrichtung des Magnetfeldvektors in Richtung der Achse des Magnetisierungsabschnittes und damit in Laufrichtung der Ummagnetisierungswelle.
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 Patentliteratur

DE 102018205940 A1 [0002]
DE 102019124435 [0017, 0047]
EP 3756726 A2 [0017]

Claims

Ladegerät (100, 200, 300) zur kontaktlosen Aufladung eines Energiespeichers eines Implantates (I), das in einen Körper eines Lebewesen implantiert ist, aufweisend: mindestens eine Spule (110, 210), die sich entlang einer Spulenachse erstreckt und eingerichtet ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen; wobei der Körper bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes (100, 200, 300) derart relativ zu der Spule (110, 210) angeordnet ist, dass das magnetische Wechselfeld, das sich im Bereich innerhalb der Spule entlang der Spulenachse erstreckt, in den Körper zur Aufladung des Energiespeichers eindringt.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 1, wobei der Körper bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes relativ zu der Spule derart angeordnet ist, dass eine Längsachse des Körpers in Richtung der Spulenachse verläuft und sich innerhalb der Spule befindet, wobei das magnetische Wechselfeld den Ort des Implantates erreicht.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 2, weiterhin aufweisend: eine Aufhängung, die die Spule haltert und eingerichtet ist, die Spule relativ zu dem Körper um mindestens eine, vorzugsweise zwei Achsen zu schwenken, wobei das Ladegerät eingerichtet ist, die Aufhängung anzusteuern, um die Spule zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers in eine bestimmte Ausrichtung relativ zu dem Körper zu schwenken.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 3, wobei die Aufhängung, die die Spule haltert, relativ zu dem Körper versetzbar ist und/oder eine Körperhalterung zur Halterung des Körpers relativ zu der Spule versetzbar ist, und wobei das Ladegerät eingerichtet ist, die Aufhängung und/oder die Körperhalterung zu versetzen, um die Spule zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers in eine bestimmte Position relativ zu dem Körper zu bringen.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 3 oder 4, wobei das Ladegerät eine Empfangseinheit aufweist, die eingerichtet ist, ein Qualitätssignal, das im Implantat erzeugt wird und den Wirkungsgrad der Aufladung widerspiegelt, entweder zu empfangen oder abzufragen, und das Ladegerät eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Qualitätssignal die Spule zur Optimierung der Aufladung in die bestimmte Ausrichtung zu schwenken und/oder in die bestimmte Position zu bringen.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei eine magnetische Flussdichte des magnetischen Wechselfeldes entlang der Spulenachse einen Wert B aufweist, wobei 2,0mT <= B <= 20,0mT, vorzugsweise 2,5mT <= B <= 8,0mT, 3,5mT <= B <= 7,0mT, 4,5mT <= B <= 6,0mT, 4,8mT <= B <= 5,2mT, oder 5,0mT = B ist.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß einem der Patentansprüche 1 oder 2, wobei die Spule aus einem ersten Spulenpaar zweier in einem Abstand R1 zueinander auf einer gleichen Achse angeordneter Teilspulen aufgebaut ist, die derart zusammenwirken, dass das magnetische Wechselfeld entlang der Spulenachse einen sich zwischen den Teilspulen befindenden Überlagerungsbereich und die Teilspulen jeweils durchläuft; wobei vorzugsweise R1 gleich oder kleiner D/2 ist und der Körper bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Ladegerätes derart relativ zu dem ersten Spulenpaar angeordnet ist, dass das magnetische Wechselfeld, das sich in dem Überlagerungsbereich befindet, in den Körper zur Aufladung des Energiespeichers eindringt.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 7, weiterhin aufweisend: eine Aufhängung, die das erste Spulenpaar haltert und eingerichtet ist, das erste Spulenpaar relativ zu dem Körper um mindestens eine, vorzugsweise zwei Achsen, zu schwenken, und wobei das Ladegerät eingerichtet ist, die Aufhängung anzusteuern, um das erste Spulenpaar zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers in eine bestimmte Ausrichtung relativ zu dem Körper zu schwenken.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 8, wobei das Ladegerät eingerichtet ist, das erste Spulenpaar zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers in Abhängigkeit von einem Qualitätssignal, das von dem Implantat ausgesendet wird und den Wirkungsgrad der Aufladung widerspiegelt, in die bestimmte Ausrichtung relativ zu dem Körper zu schwenken.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 7, weiterhin aufweisend: eine zweite Spule, die sich entlang einer Spulenachse erstreckt und die aus einem zweiten Spulenpaar zweier Teilspulen aufgebaut ist, die in einem Abstand R2 derart zueinander angeordnet sind, dass sich der Überlagerungsbereich zwischen den Teilspulen des zweiten Spulenpaares befindet, wobei die Spulenachsen der ersten und zweiten Spule quer, bevorzugt senkrecht, zueinander verlaufen, und das Ladegerät eingerichtet ist, die erste Spule und die zweite Spule zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers derart anzusteuern, dass sich eine Richtung des magnetischen Wechselfeldes in dem Überlagerungsbereich zweidimensional dreht.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 10, weiterhin aufweisend: eine dritte Spule, die sich entlang einer Spulenachse erstreckt und die aus einem dritten Spulenpaar zweier Teilspulen aufgebaut ist, die in einem Abstand R3 derart zueinander angeordnet sind, dass sich der Überlagerungsbereich zwischen den Teilspulen des dritten Spulenpaares befindet, wobei die Spulenachsen der ersten, zweiten und dritten Spule quer, bevorzugt entlang von Raumkoordinaten X, Y und Z zueinander verlaufen, und das Ladegerät eingerichtet ist, die erste Spule, die zweite Spule und die dritte Spule zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers derart anzusteuern, dass sich die Richtung des magnetischen Wechselfeldes in dem Überlagerungsbereich dreidimensional dreht.
Ladegerät (100, 200, 300) gemäß Patentanspruch 10 oder 11, wobei das Ladegerät eingerichtet ist, ein Qualitätssignal, das im Implantat erzeugt wird und den Wirkungsgrad der Aufladung widerspiegelt, entweder zu empfangen oder abzufragen, und das Ladegerät eingerichtet ist, zur Optimierung der Aufladung des Energiespeichers den Vektor des magnetischen Wechselfeldes in dem Überlagerungsbereich in eine definierte Position zu bringen.