DE1541416C - Implantierbar elektrische Einheit - Google Patents

Description

Die Verwendung von myo-elektrischen Potentialen zur Servosteuerung von Prothesen ist bekannt. Eine solche Steuerung kann einfach dadurch bewerkstelligt werden, daß man Elektroden an die Haut legen und die verstärkten Signale davon der Steuerung zuordnet. Wird ein weniger von Geräuschen gestörtes und damit zuverlässigeres Steuersignal gewünscht, so muß man jedoch einen elektrischen Verstärker unter die Haut einbauen. Ein solcher Verstärker wird mit Elektroden versehen, welche die myo-elektrischen Signale direkt von dem einzelnen Muskel aufnehmen. Man vermeidet somit störende Signale von benachbarten Muskeln. Das betreffende Signal vom Muskel wird des weiteren zur Modulation eines hochfrequenten Schwingungskreises in dem Verstärker der Einheit ausgenutzt, und die modulierte Schwingung wird in der Form von entsprechenden elektromagnetischen Wellen ausgesandt, die außerhalb des Körpers aufgefangen werden. Das empfangene Signal wird verstärkt und zur Verwendung für die erwähnte Steuerung der Prothesen moduliert. Als Kraftquelle hat der Verstärker bisher eingebaute Quecksilberbatterien gehabt, die eine lange Standzeit aufweisen. Die Batterien mußten in gewissen Zeitabständen ausgewechselt werden, was einen kleineren operativen Eingriff erforderte. Diese Batterien wiesen ferner die Gefahr auf, daß sie platzen konnten. Bei einer solchen Explosion dringen äußerst giftige Stoffe in den Organismus. Die Implantation von Einheiten mit Batterien wird deshalb nur im Falle von lebensnotwendigen Maßnahmen vorgenommen. ■

Es sind Sparschaltungen in einem Signalverstärker mit Transistoren bekanntgeworden, bei welchen über den Antenneneingangskreis durch Empfang von Impulsen einzelne Verstärkerstufen ein- und umgeschaltet werden, so daß im Ruhezustand ein möglichst geringer Energieverbrauch auftritt. Die Energieversorgung dieses Signalverstärkers erfolgt jedoch nach wie vor durch interne Energiequellen (österreichische Patentschrift 238 600).

Mit der fortgeschrittenen Technik auf dem Gebiet der Halbleiter lag es allmählich im Bereich der Möglichkeiten, eine Kraftquelle aufzubauen, die ihre Energie von außen durch eine Speicherung von elektromagnetischer Energie von einem zugesandten elektromagnetischen hochfrequenten Wellenfeld empfing. So sind auch mit Erfolg verschiedene Schaltungen mit Halbleiterelementen für ähnliche Zwecke verwendet worden, z. B. zur Analyse des Säuregrades in den Verdau ungswegen.

Die Verwendung solcher Schaltungen für implantierte Einheiten zu dem Zweck, die Einheiten in Verbindung mit der Steuerung von Prothesen zu benutzen, hat man jedoch unterlassen, weil den bisher bekannten Schaltungen große Nachteile für diesen Zweck anhaften. So mußte die notwendige elektronische Sendeausrüstung wegen des großen Energieverbrauches und der geringen Nutzwirkung der Schaltungen übermäßige Dimensionen annehmen. Stellt man sich z. B. vor, daß eine Umformeinheit mit einem einfachen, an eine Antenne angeschlossenen Schwingkreis und mit einer zur Gleichrichtung der induzierten Spannung verwendeten Diode aufgebaut wird, so geht wegen des unvermeidlichen Spannungsabfalles Über der Diode eine bedeutende Menge Energie verloren. Die gleichgerichtete Spannung würde außerdem von den Schwankungen in der elektromagnetischen Feldstärke abhängig sein. Dies letztere würde unter anderem mit sich bringen, daß ei Verzerrung des von dem inneren angeschlossen FM-Sender ausgesandten Signals entstehen würc was zu einer Mißdeutung des Signals führ könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eii implantierbare elektrische Einheit zu schaffen, b welcher eine Batterie od. dgl. als interne Energi quelle überflüssig ist, wobei die elektrische Einhe ίο mit einem Sender und einer elektrischen Kraftquell die ihre Energie von einem zugesandten elektn magnetischen Wellenfeld durch eine mit mindestei zwei Anschlüssen versehene, in den elektrische Stromkreis der Kraftquelle eingeschaltete Übertn gungsspule mit Parallelkondensatoren erhält, welch ihrerseits einem Transistor zugeschaltet ist, der a Gleichrichter dient und Gleichstromenergie zu de Ausgangsklemmen der Kraftquelle abgibt, ausge rüstet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 an gegebene Erfindung gelöst. '

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sin in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Basis Emitter-Kreis des Transistors außer der Verwendung für Steuerung der Gleichrichterwirkung des Tran sistors für Stabilisierung der für die Ausgangs klemmen der Kraftquelle abgegebene Gleichspannung ausgenutzt wird, so daß diese Gleichspannung wenn der Transistor aktiv ist, einen in der Hauptsache konstanten Wert, unabhängig von der Feldstärke, annimmt.

Bei der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 gibt der aktive Zweipol im wesentlichen eine Gleichspannung zum Betrieb der Einheit ab, wenn die Spule sich in einem elektromagnetischen Wechselfeld von einer gewissen Mindeststärke befindet.

Es sei angeführt, daß die Verwendung eines Transistors als gleichrichtende Komponente nichts Neues darstellt, aber durch die Art der Schaltung des Transistors in den Stromkreis werden die speziellen Eigenschaften, welche die Basis-Emitter-Strecke des Transistors hat, ausgenutzt.

Weiterhin erreicht man, daß der dem normalen Diodenspannungsabfall entsprechende, jetzt über den Emitter-Kollektor-Elektroden liegenden Spannungsabfall auf einen Wert, der kleiner . als 0,06 V ist, reduziert worden ist und daß die für sämtliche Halbleiter erforderliche Durchgangsspannung zwischen den Basis- und Kollektorelektroden auftritt.

Bei sehr geringen elektromagnetischen Feldstärken wird keine genügende Spannung induziert, um die Durchgangsspannung des Halbleiters zu erreichen, weshalb eine Gleichrichtung nicht stattfinden wird. Bei geringen Feldstärken geht der größte Teil des Stromes durch die Kollektor- und Emitterelektroden, etwa 20 μΑ, und nur ein Bruchteil geht durch die Basiselektrode. Wird der mittlere Anschluß so angeordnet, daß die Spannungen von hier zu den beiden äußeren Anschlüssen der Spule ungefähr gleich groß sind, so ergibt sich, daß der Kreis bei diesen Feldstärken fast verlustfrei arbeitet. ·

Sobald die Durchgangsspannung über den Basis-Emitterelektroden erreicht ist, wird die Spannung wegen der Diodenwirkung mit ansteigendem Strom durch die Basiselektrode nur langsam erhöht werden, was bewirkt, daß die Spannung über der Spule trotz zunehmender elektromagnetischer Feldstärke von

Polarisationsrichtung aufweisen. Dies bringt mit sich, daß die gesamte Kapazität gegenüber der Wechselspannung sich ändert, sobald ein Steuersignal auftritt. Hierdurch entsteht eine Frequenzmodulation der Oszillatorfrequenz. Die zweite Steuerelektrode 14 ist zusammen mit der zweiten Elektrode von der Speisespannung, und zwar der Kollektorelektrode 11, an die Mittelanzapfung der Oszillatorspule 25 gelegt. Durch Einführung der Elektrode 14 an dieser Stelle wird es vermieden, daß Wechselspannungen von dem Oszillator an den Signaleingangselektroden auftreten. Die Stromspeisung des Transistors erfolgt somit durch die Halbzweige der Oszillatorspule 25 zu der Emitterelektrode 20. Er ist übrigens in C-Betrieb betrieben. Der gesamte Stromverbrauch beträgt etwa 20 μΑ. Die Oszillatorspannung erreicht bei diesem Verbrauch eine Amplitude von 0,25 V. Die Oszillatorspule ist, wie die Kraftquellenspule, mit einem Ferritkern 26 versehen.

In F i g. 2 sind die Basiselektrode 102 und die Emitterelektrode 103 von einem n-p-n-SiliziumtransistorlOl galvanisch mit dem einen —105— bzw. dem anderen äußeren Anschlag 106 einer mit einem Ferritkern 111 versehenen Induktanzspule 112 verbunden. An die Spule ist zugleich ein Kondensator 107 angeschlossen, der zusammen mit der Spule einen Schwingkreis bildet, der auf die Frequenz des empfangenen elektromagnetischen Feldes abgestimmt ist. .

Ein Glättungskoiidensator 108 wird an die Basiselektrode 102 "und die Kollektorelektrode 104 des Transistors gelegt zur Glättung der von der Kraftquelle gelieferten Gleichspannung, die an dem KJemmenpaar 109 und 110 abgegeben wird.

Diese Kraftquelle liefert eine Gleichspannung von ungefähr 0.5 V, was zum Betrieb eines kleineren Stromkreises. z.B. des in Verbindung mit Fig. 1 erwähnten FM-Senders. ausreicht.

In F i g. 3 ist eine Anordnung der Ferritkerne mit Konzentratoren 27 und 28 für den Kraftquellenkern dargestellt. Zusammen mit dem Kern 4' wirken die Ferrite 27, 28 und 29 als Konzentratoren für den Oszillatorkern 26, durch weichen das frequenzmodulierte Signal ausgesandt wird.

In F i g. 4 ist eine zweite Konzentratorenanordnung dargestellt, wo der Kern 27 als Konzentrator für beide Kerne 4 und 26 wirkt. Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung ist besonders für Einheiten, bei denen man eine schlanke Bauart wünscht, gut geeignet. Diese Konzentratoren sind geeignet, sowohl die Kraftquellen als auch die Senderleistung um etwa das Zweifache zu erhöhen.

Sowohl die Kraftquelle als auch der Sender können durch Zusammenstellung aller Komponenten zu einer gedruckten Schaltung hergestellt werden, wonach das Ganze in einem Kunstharz, dem gegenüber das biologische Gewebe indifferent ist, eingegossen werden kann.

Mit der erwähnten Vergoldung der Elektroden wird ebenso erreicht, daß das Gewebe nicht gereizt oder beschädigt wird. Diese Effektivisierung des Stromkreises und die Verwendung von Mikrokomponenten haben bewirkt, daß · die ganze Einheit nicht mehr als 0,5 cm³ Raum einzunehmen braucht.

Implantierte Einheiten der beschriebenen Art können auch für andere Funktionen, z. B. Beeinflussung von Muskeln, benutzt werden. In diesem Zusammenhang seien Geräte wie Reizstromgeräte und Stirn latoren. z. B. zum Harnablaß, erwähnt.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Implantierbare elektrische Einheit mit eine.

Sender und einer elektrischen Kraftquelle, d ihre Energie von einem zugesandten elektn magnetischen Wellenfeld durch eine mit mir destens zwei Anschlüssen versehene, in den elek

ίο frischen Stromkreis der Kraftquelle eingescha tete Übertragungsspule mit Parallelkondensatc erhält, welche ihrerseits einem Transistor züge schaltet ist, der als Gleichrichter dient und Gleich Stromenergie zu den Ausgangsklemmen der Kraft quelle abgibt, dadurch gekennzeichnet daß in der Kraftquelle die Basis- (2,102) unc die Emitterelektrode (7,103) des genannten Tran sistors (1,101) jeweils direkt mit einem An Schluß (8, 9; 105, 106) der ÜbertragungsspuL ' (5-6, 112) verbunden sind und daß die Ausgangs klemmen der Kraftquelle von der Kollektorelek trode (11,104) des Transistors (1,101) und einerr äußeren Anschluß (10,105) der Übertragungsspule (5-6,112) gebildet werden.

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2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (7) des Transistors an einen mittleren Anschluß (8) und die Basiselektrode (2) an den einen äußeren Anschluß (9) der Spule gelegt sind und daß die Kollektorelektrode (11) zusammen mit dem äußeren Anschluß (10) der Spule den aktiven Zweipol der Kraftquelle bildet (Fig. 1).

3. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (103) des Transistors an den einen äußeren Anschluß (106) und die Basiselektrode (102) an den anderen äußeren Anschluß (105) der Spule gelegt sind und daß der aktive Zweipol (109-110) der Kraftquelle über der Basiselektrode (102) und der Kollektorelektrode (104) gebildet ist (F i g. 2).

4. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelkondensator (18, 107) im Zusammenwirken mit der Spule für eine frequenzselektive Energiespeicherung ausgelegt ist.

5. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung durch einen Tiefpaß (15-16-17) geglättet ist.

6. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (5-6,112) einen Ferritkern (4,111) enthält.

7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (4,111) an den Enden angebrachte Konzentratoren (27, 28) hat.

8. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem HF-Transistorsender, dessen Oszillator von dem Hartleyschen Typ und emittergeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-(21) und die Kollektorelektrode (22) des Transistors

(19) je direkt an einen äußeren Anschluß der Spule (25) des Oszillatorkreises gelegt sind und daß eine Mittelanzapfung der Spule (25) und die Emitterelektrode (20) des Transistors (19) mit der Kraftquelle verbunden sind.

9. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Teil des Oszillatorkreises durch zwei in Reihe geschaltete Kapazitätsdioden (24) mit entgegengesetzt gerichteter

dem Transistor festgehalten werden wird. Man hat somit den weiteren Vorteil erreicht, daß die Spannung über den Elektroden, durch welche der Gleichstrom geht, konstant bleibt, wenn das elektromagnetische Feld eine gewisse Stärke erreicht hat.

Eine zweite zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einheit, die ebenfalls die Eigenschaften an der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors ausnutzt, ist im Anspruch 3 beschrieben. Diese Einheit weist hauptsächlich dieselben Eigenschaften auf wie die oben zuerst angegebene Einheit. -

Der Basis-Emitter-Stromkreis wirkt hier gegenüber der Spule als eine Diode, d. h., daß solange die Spannung unter oder gerade bei der Durchgangsspannung liegt, fast kein Strom durch die Basiselektrode geht, während dieser Strom, wenn man die Spannung über der Spule zu erhöhen sucht, zunehmen wird und damit ein weiteres Ansteigen der Basis-Emitter-Spannung hindern wird.

Man erreicht zugleich die Vorteile, daß die Spule nicht mit einem mittleren Anschluß versehen zu sein braucht und daß sich die Brummspannung der Kraftquelle leichter beseitigen läßt. So braucht nur ein einfacher Glättungskondensator an die Ausgangsklemmen der Kraftquelle angeschlossen zu werden, wenn diese Kraftquelle in Verbindung mit dem später erwähnten Sender verwendet wird.

Zweckmäßig kann die Gleichspannung durch einen Tiefpaß geglättet werden, da ein solches Filter auch mit genügend kleinen Dimensionen, um in einer Einheit der hier erwähnten Art Platz zu finden, ausgeführt werden kann.

Durch die Ausbildung der Spule nach Anspruch 6 erreicht man eine Konzentration des elektromagnetischen Feldes um die Spule, wodurch ein größerer Teil der von dem externen Sender ausgesandten Energie ausgenutzt wird. Mit Rücksicht auf den Träger muß dieser möglichst klein ausgeführt werden.

Die Ausführung eines Ferritkerns nach Anspruch 7 dient zur weiteren Verstärkung der in der Spule entstandenen Wechselspannungen.

Der interne Sender ist von einer ganz besonderen Art, da er bei der von der Kraftquelle gelieferten, sehr niedrigen Speisespannung, unter 0,5 V, beschrieben wird.

Bei der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8 ergibt es sich, daß an der Basis- bzw. der Kollektorelektrode ein gleiches Gleichstrompotential erreicht wird, oder mit anderen Worten, der Basiselektrode ein ungewöhnlch hohes Potential im Verhältnis zur Kollektorelektrode erteilt wird. Dies letztere bewirkt, daß der Oszillator mit einer sehr niedrigen Betriebsspannung in Schwingung gerät.

Der Sender hat den weiteren Vorteil, daß er nicht mehr Strom braucht, als die Kraftquelle liefern kann, etwa 20 μΑ. Er arbeitet somit sehr vorteilhaft und wirtschaftlich und mit einer Amplitudenspannung von etwa 0,25 V. Die Aussendung des Signals erfolgt über einen in der Oszillatorspule angebrachten Ferritkern. '■', ■ ... : i_:i :

In Anspruch 9 ist ein zweckmäßiger Aufbau zur Modulierung des Senders beschrieben. Außer daß man dadurch den üblichen Oszillatorkondensator vermeidet, erhält man zugleich eine von den verhältnismäßig kleinen Verlusten in den Kapazitätsdioden bedingte hohe Eingangsimpedanz gegenüber den Myo-Signalen.

Die Senderleitung wird durch Anbringung von

Konzentratoren an den Enden des Ferritkerns des Oszillators verstärkt. Einer der Konzentratoren kann von einem oder mehreren der Ferritkerne der Kraftquelle gebildet werden.

Ferner kann der eine Konzentrator den Ferritkernen der Kraftquelle und der Oszillatorspule gemeinsam sein, was eine besonders längliche Bauform der Einheit ermöglicht.

ίο Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der F i g. 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Stromkreisschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Kraftquelle und eines Senders,

F i g. 2 ein Sromkreisschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kraftquelle und

F i g. 3 und 4 einige Beispiele der Ausbildung von Konzentratoren für Spulen, die in den Stromkreisen enthalten sind. .

In Fig. 1 der Zeichnung ist 1 ein n-p-n-Sperrschicht-Silizium-Transistor, dessen Basiselektrode 2 durch eine Leitung 3 mit einem äußeren Anschluß 9 einer um einen Ferritkern 4 gelegten Spule verbunden ist, welche durch eine an die Emitterelektrode 7 des Transistors gelegte Leitung 8 in zwei Teile 5 und 6 aufgeteilt ist. Über die äußeren Anschlüsse der Spule ist ein Kondensator 18 von 20 bis 30 pF gelegt. Wenn auf der Haut der Person an der Stelle, wo die Einheit implantiert ist, ein FM-Sender von 3 MHz angebracht wird, der ein Signal von 20 mW gibt, wird der andere äußere Anschluß 10 der Spule zusammen mit der Kollektorelektrode 11 des Transistors 1 einen Zweipol zur Speisung eines in der Einheit eingebauten Miniatursenders bilden, dessen Teile links von der punktierten Linie 12 in F i g. 1 gezeigt sind, und der vergoldete Signaleingangselektroden 13 und 14 oder solche aus reinem Gold hat, die an den betreffenden Muskeln einoperiert sjnd.

Der Ferritkern 4 kann zur Verbesserung der Energieaufnahme an den Enden nicht dargestellte Konzentratoren haben.

Bei Betrieb liegt etwa 0,55 V über der einen Hälfte 5 der Spule, während über der anderen Hälfte 6 etwa 0,67 V liegt. Der Kollektorstrom beträgt etwa 20 μΑ, während der Basisstrom von etwa 1 bis 100 μΑ variiert, abhängig von der elektromagnetischen Feldstärke. ·

Zwischen dem Zweipol und dem Sender ist ein aus einem Widerstand 15 von 10 kOhm und zwei Kondensatoren 16 und 17 von 2 bzw. 1 nF bestehender Tiefpaß eingeschaltet, wodurch die Speisespannung für den Sender geglättet wird. -. ■·■ ·.···.-.

Das Signal des Senders von 430 kHz wird von einem externen, nicht dargestellten FM-Empfänger empfangen, der mit dem vorhin erwähnten, ebenfalls nicht dargestellten Sender zu einer Einheit zusammen-'' gebaut sein kann. ■ ·*'

Der Transistor 19 des Senders ist ebenfalls ein n-p-n-Siliziumtransistor, dessen Mittelelektrode 20 an den Ausgang des Tiefpasses zwischen den Kondensator 17 und den: Widerstand 15 gelegt ist, während die Basis- und Kollektorelektroden21-und 22\je an* an einen äußeren Anschluß der Oszillatorspule 25 in dem Oszillatorkreis 23 gelegt sind, dessen kapazitiver Teil von den zwei Kapazitätsdioden 24 gebildet wird: Diese sind so geschaltet, daß sie den Wechselspannungen gegenüber entgegengesetzt polarisiert sind, während sie der Signalspannung gegenüber die gleiche

Polarität gebildet ist und daß der Verbindungspunkt der Kapazitätsdioden (24) und die Mittelanzapfung der Spule (25) den Ausgang (13,14) des Oszillators bilden.

10. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorspule

(25) einen Ferritkern (26) enthält, der an den Enden Konzentratoren (29) aufweist (F i g. 3).

11. Einheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (26) des Senders neben und parallel zu einem Konzentrator (27) für die Kraftquelle angebracht ist (Fig. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 628/196