DE19918590A1

DE19918590A1 - Stromverbrauchsreduzierung in medizinischen Vorrichtungen unter Verwendung von mehreren Versorgungsspannungen und Taktfrequenzsteuerung

Info

Publication number: DE19918590A1
Application number: DE19918590A
Authority: DE
Inventors: David L Thompson
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: FR2778109A1; FR2778109B1; DE19918590B4

Abstract

Die Leistungsaufnahme von medizinischen Vorrichtungen wird durch den Betrieb von Schaltungen mit Taktgeschwindigkeiten mit niedrigeren Werten reduziert, um gewünschte Funktionen während vorbestimmten Zeitspannen (z. B. Austastintervall, oberes Frequenzintervall usw.) genau rechtzeitig vor anschließenden verlangten funktionalen Prozessen adäquat zu vollenden, durch Bereitstellen von Versorgungsspannungen, die für verschiedene Schaltungen einer integrierten Schaltung maßgeschneidert sind durch Betreiben von zwei oder mehr als zwei Schaltungen einer integrierten Schaltung mit unterschiedlichen Taktfrequenzen, durch "fliegendes" Ändern des Versorgungsspannungswertes, wie es durch spezielle Schaltungszeitsteuerfunktionen verlangt wird, die für verschiedene Schaltungsanordnungen auf der Basis von Taktfrequenzen verlangt werden, welche zum Steuern des Betriebes dieser Schaltungsanordnung verwendet werden, und/oder durch Maßschneidern der Hintergate-Vorspannung oder "fliegendes" Einstellen der Hintergate-Vorspannung für Schaltungen auf der Basis des Wertes der an die Schaltungen angelegten Versorgungsspannung.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Leistungsaufnahme von integrierten Schaltungen wie beispielsweise Schaltungen, die in medizinischen Vorrichtungen, ins besondere in implantierbaren Vorrichtungen verwendet werden. Mehr insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Schaffung einer einstellbaren Taktsteue rung und/oder von mehreren Versorgungsspannungswerten für den Betrieb von sol chen Schaltungen.

Hintergrund der Erfindung

Verschiedene Vorrichtungen verlangen einen Betrieb mit niedriger Leistungsaufnahme. Zum Beispiel verlangen in der Hand getragene Kommunikationsvorrichtungen eine solche niedrige Leistungsaufnahme, und insbesondere sollen implantierbare medizini sche Vorrichtungen zu niedriger Leistungsaufnahme in der Lage sein. Implantierbare medizinische Vorrichtungen, z. B. mikroprozessorbasierte implantierbare kardiale Vor richtungen wie implantierbare Herzschrittmacher und Defibrillatoren müssen mit einer niedrigen Leistungsaufnahme arbeiten können, um die Batterielebensdauer und die Langlebigkeit der Vorrichtung zu steigern.

Im allgemeinen werden solche Niederleistungsvorrichtungen unter Verwendung der komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Technologie entworfen. Die CMOS-Technologie wird allgemein verwendet, weil diese Technologie die Eigen schaft einer "statischen" Leistungsaufnahme von im wesentlichen null hat.

Die Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen besteht im allgemeinen aus zwei Lei stungsaufnahmefaktoren, nämlich der "dynamischen" Leistungsaufnahme und der sta tischen Leistungsaufnahme. Die statische Leistungsaufnahme ist nur auf Stromleckage zurückzuführen, da der Ruhestrom von solchen Schaltungen null ist. Die dynamische Leistungsaufnahme ist der dominierende Faktor der Leistungsaufnahme für die CMOS-Technologie. Die dynamische Leistungsaufnahme rührt grundsätzlich von dem Strom her, der erforderlich ist, um Last- und interne Kapazitäten während des Schal tens aufzuladen, d. h. von dem Aufladen und Entladen von solchen Kapazitäten. Die dynamische Leistung (P) ist gleich: ½ CV_DD ²F, wobei C die Knotenkapazität ist, F die Takt- oder Schaltfrequenz ist und V_DD die Versorgungsspannung für die CMOS-Schaltung ist. Aus der Formel zum Berechnen der dynamischen Leistung (P) ist zu erkennen, daß diese dynamische Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen zu dem Quadrat der Versorgungsspannung (V_DD) proportional ist. Darüber hinaus ist die dy namische Leistung (P) proportional zu der Schalt- oder Taktfrequenz (F).

Gemäß der Formel für die dynamische Leistungsaufnahme ist es bei Entwürfen von integrierten Schaltungen in CMOS-Technologie effektiv herkömmlich gewesen, die Versorgungsspannung für eine gesamte Vorrichtung (z. B. Hybrid-) oder eine inte grierte Schaltung (IS) herabzustufen, d. h. die Schaltung mit niedrigen Versorgungs spannungen zu betreiben, um die Leistungsaufnahme für solche Entwürfe zu reduzie ren. Zum Beispiel wurde die IS-Schaltungsanordnung Spectrax® von Medtronic, ca. 1979, aus einer LiI-Zelle statt aus zwei Zellen mit Strom versorgt. Das reduzierte die Versorgungsspannung von 5,6 Volt auf 2,8 Volt und reduzierte somit den Strom bedarf. Spannungen, die größer sein mußten als 2,8 Volt, wurden durch einen Spannungsver doppler erzeugt oder alternativ durch eine Ladepumpe (z. B. Ausgangsstimulierimpul se). Weiter wurde beispielsweise bei der Medtronic Symbios®, ca. 1983, die logische Schaltungsanordnung durch einen Spannungsregler gespeist, der die IS- Versorgungsspannung auf eine Versorgung als "Summe von Schwellenwerten" steu erte. Dieser Regler lieferte der IS eine Versorgungsspannung (d. h. V_DD) von mehreren hundert Millivolt oberhalb der Summe der n-Kanal- und p-Kanal-Schwellenwerte der CMOS-Transistoren, aus denen die IS aufgebaut war. Dieser Regler war hinsichtlich Fertigungsvariationen der Transistorschwellenwerte selbsteichend.

Andere Vorrichtungen haben die Leistungsaufnahme auf andere variierte Art und Wei se reduziert. Zum Beispiel sind bei verschiedenen Vorrichtungsentwürfen Analog blöcke heruntergeschaltet und/oder Taktgeber von logischen Blöcken, die zu besonderen Zeiten nicht benutzt werden, abgeschaltet worden, um dadurch die Leistung zu redu zieren. Weiter ist beispielsweise bei mikroprozessorbasierten Vorrichtungen historisch ein "Burst Clock"- oder "Stoßbetriebstakt"-Entwurf benutzt worden, um einen Mikropro zessor mit einer sehr hohen Taktfrequenz zu betreiben (z. B. allgemein 500-1000 Kilo hertz (kHz)) für relativ kurze Zeitspannen, um den Vorteil eines "Tastverhältnisses" zu gewinnen und die mittlere Stromaufnahme zu reduzieren. Ein Taktgeber mit viel nied rigerer Frequenz (z. B. allgemein 32 kHz) wird für eine andere Schaltungsanordung und/oder den Prozessor verwendet, wenn sie oder er nicht in der Betriebsart mit hoher Taktfrequenz ist, d. h. in der Betriebsart mit Stoßbetriebstaktfrequenz. Viele bekannte prozessorbasierte implantierte Vorrichtungen arbeiten mit der Stoß-betriebstakttechnik. Zum Beispiel werden bei implantierten Vorrichtungen, die von Medtronic, Vitatron, Bio tronic, ELA, Intermedics, Pacesetters, InControl, Cordis, CPI, usw. erhältlich sind, Stoßbetriebstakttechniken verwendet. Einige wenige illustrative Beispiele, die die Ver wendung eines Stoßbetriebstaktes zeigen, finden sich in dem US-Patent Nr. 4 561 442 von Vollmann et al. mit dem Titel "Implantable Cardiac Pacer With Discontinuous Microprocessor Programmable Anti Tachycardia Mechanisms and Patient Data Tele metry", ausgegeben am 31. Dezember 1985; US-Patent Nr. 5 022 395 von Russie mit dem Titel "Implantable Cardiac Device With Dual Clock Control of Microprocessor", ausgegeben am 11. Juni 1991; US-Patent Nr. 5 388 578 von Yomtov et al. Mit dem Titel "Improved Electrode System For Use With An Implantable Cardiac Patient Moni tor", ausgegeben am 14. Februar 1995; und US-Patent Nr. 5 154 170 von Bennett et al. mit dem Titel "Optimization for Rate Responsive Cardiac Pacemaker", ausgegeben am 13. Oktober 1992.

Fig. 1 zeigt eine grafische Darstellung, in welcher Energie/Verzögerung über der Ver sorgungsspannung aufgetragen ist, für CMOS-Schaltungen wie einen CMOS-Inverter 10, der zu Veranschaulichungszwecken in Fig. 2 gezeigt ist. Dem Inverter 10 wird eine Versorgungsspannung V_DD geliefert, die an den Source-Anschluß eines PMOS- Feldeffekttransistors (FET) 12 angelegt wird. Der Drain-Anschluß des PMOS FET 12 ist mit dem Drain-Anschluß eines NMOS FET 14 verbunden, dessen Source-Anschluß mit Masse verbunden ist. In dieser Konfiguration wird ein Eingangssignal V_i, das an die beiden Gate-Anschlüsse der FETs 12, 14 angelegt wird, invertiert, um ein Ausgangs signal V_o zu liefern. Einfach ausgedrückt, ein Taktzyklus oder eine Logikpegeländerung wird verwendet, um das Eingangssignal V_i in V_o zu invertieren.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 nimmt die Schaltungslogikverzögerung drastisch zu, wenn die Versorgungsspannung auf nahe ein Volt reduziert wird, wie es durch eine Verzögerungskennlinie 16 und eine EnergieNerzögerung-Kennlinie 18 dargestellt ist. Dabei ist ein kontinuierliches Reduzieren der Versorgungsspannung (V_DD), um Pegel zu verringern, unpraktisch, weil höhere Versorgungsspannungen erforderlich sind, wenn ein Betrieb mit höherer Frequenz erforderlich ist. Zum Beispiel müssen im allge meinen CMOS-Logikschaltungen periodisch in der Lage sein, mit einer höheren Fre quenz zu arbeiten, z. B. der Stoßbetriebstaktfrequenz. Wenn die Versorgungsspan nung (V_DD) verringert wird, wird dieser Energieverbrauch mit dem Quadrat der Versor gungsspannung (V_DD) reduziert, wie es durch eine Energieverbrauchskennlinie 20 ge zeigt ist. Geschwindigkeit verlangt deshalb eine höhere Versorgungsspannung (V_DD), was in direktem Konflikt zu einer niedrigen Leistungsaufnahme steht.

Andere Probleme sind außerdem evident, wenn niedrigere Versorgungsspannungen (V_DD) für CMOS-Schaltungsentwürfe verwendet werden. Wenn eine niedrigere Versor gungsspannung gewählt wird, können sich statische Leckstromverluste ergeben, ins besondere bei niedrigeren Frequenzen, aufgrund von erhöhten statischen Leckstrom verlusten.

Verschiedene Techniken zum Reduzieren der Leistungsaufnahme bei Vorrichtungen sind bekannter Stand der Technik, von dem sich einige Beispiele in den Druckschriften finden, die in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet sind.

Tabelle 1

Alle Druckschriften, die in vorstehender Tabelle 1 aufgelistet sind, werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einverleibt. Dem einschlägigen Fachmann dürfte bei dem Lesen der Zusammenfassung der Erfindung, der ausführlichen Be schreibung der Ausführungsformen und der im folgenden angegebenen Ansprüche ohne weiteres klar sein, daß viele der Vorrichtungen und Verfahren, die in den Druck schriften nach Tabelle 1 angegeben sind, und andere, die durch Bezugnahme hier einverleibt werden, mit Vorteil modifiziert werden können, indem die Lehren der vorlie genden Erfindung verwendet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat gewisse Ziele. Das heißt, verschiedene Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung liefern Lösungen für ein oder mehrere Probleme, die im Stand der Technik vorhanden sind in bezug auf einen Schaltungsanordnungs entwurf mit niedriger Leistungsaufnahme, insbesondere in bezug auf implantierbare medizinische Vorrichtungen. Zu diesen Problemen gehören: CMOS-Schaltungen mit zu großer dynamischer Leistungsaufnahme, was die Batterielebensdauer reduziert; die Unmöglichkeit, niedrige Versorgungsspannungspegel effektiv zu verwenden; die feh lende Möglichkeit, adäquate Verarbeitungsmöglichkeiten zu bieten wie hohe Verar beitungsmöglichkeiten einschließlich Aufwärts/Abwärts-Telemetrie, Morphologieerken nung, Initialisierung von Vorrichtungen, während weiterhin niedrige Verarbeitungsmög lichkeiten wie Erfassen von intrinsischen Herzschlägen, Stimulierung, Niederge schwindigkeitstelemetrie mit der gewünschten Leistungsaufnahme geboten werden; und die Unmöglichkeit, Schaltungsentwürfe zu schaffen, die bei niedrigeren Frequen zen und somit mit niedrigerer Leistungsaufnahme arbeiten als bei der Verwendung von Taktbetriebsarten mit höherer Geschwindigkeit wie Stoßbetriebstaktbetriebsarten.

Im Vergleich zu bekannten Techniken zum Reduzieren der Leistungsaufnahme bei Schaltungsentwürfen können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Er findung einen oder mehrere von den folgenden Vorteilen bieten: reduzierte Leistungs aufnahme durch die Verwendung einer niedrigeren Versorgungsspannung (V_DD), eine reduzierte Leistungsaufnahme durch verringerte Taktfrequenz für Schaltungsentwürfe; eine größere Langlebigkeit von Schaltungen, insbesondere der Schaltungsanordnung von implantierbaren Vorrichtungen; das Ermöglichen einer potentiellen Reduzierung der Produktgröße; das Minimieren von statischen Leckstromverlusten, d. h. der stati schen Leistungsaufnahme; das Schaffen von Mehrprozessorentwürfen, DSP-Ent würfen und Hochleistungsverarbeitungsentwürfen mit zusätzlichen Merkma len/Funktionsmöglichkeiten aufgrund der Möglichkeit, die Leistung in bezug auf andere "verlangte" Merkmale und Funktionen zu reduzieren; und die Möglichkeit einer be trächtlichen Reduzierung der Stromaufnahme.

Einige Ausführungsformen der Erfindung beinhalten eines oder mehrere der folgenden Merkmale: den Betrieb von Schaltungen zum Vollenden einer gewünschten Funktion (im allgemeinen vollendet in einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen) bei einer Taktgeschwindigkeit mit einem Nieder- oder Zwischenwert zum adäquaten Vervoll ständigen der Verarbeitung genau rechtzeitig vor dem nächsten verlangten funktiona len Prozeß; die Verwendung von im wesentlichen einer gesamten vorbestimmten Zeit spanne (z. B. einer, die auf physiologischen Ereignissen basiert wie beispielsweise während eines Austastsintervalls, oberen Frequenzintervalls, Escape- oder Fluchtin tervalls, Refraktärintervalls und Impulsgenerator/Programmiergerät-Quit tungsaustauschs, usw.), um eine Funktion mit einer Taktgeschwindigkeit zu erfül len, so daß die Funktion unmittelbar vor irgendeinem anschließenden verlangten funk tionalen Prozeß vollendet wird; Bereitstellung von einer oder mehreren Spannungs quellen oder von einer Spannungsquelle, die so betreibbar ist, daß sie eine oder meh rere Versorgungsspannungen liefert, die für verschiedene Schaltungsfunktionen einer einzelnen integrierten Schaltung maßgeschneidert sind; operatives Verbinden einer Taktquelle mit wenigstens zwei Schaltungen, so daß verschiedene Schaltungen mit verschiedenen Taktfrequenzen betrieben werden; Einstellen von Versorgungsspan nungswerten, die an einer oder mehreren Schaltungen anliegen, auf der Basis der Taktfrequenzen, die zum Steuern des Betriebes der Schaltungen verwendet werden; Einstellen der Vorspannung an dem hinteren Gateanschluß einer Schaltung auf der Basis des Versorgungsspannungswertes, der an der Schaltung anliegt; Bereitstellen von verschiedenen Versorgungsspannungswerten für eine Verarbeitungsschaltungs anordnung in Abhängigkeit von der Funktion, die durch die Verarbeitungsschaltungs anordnung erfüllt wird; Betreiben einer Versorgungsschaltungsanordnung mit ver schiedenen Taktfrequenzen in Abhängigkeit von der Funktion, die durch die Versor gungsschaltungsanordnung erfüllt wird; "fliegendes" Ändern des Versorgungsspan nungswertes nach dem Bedarf von speziellen Schaltungszeitsteuerfunktionen, die für verschiedene Schaltungs- oder Verarbeitungsschaltungsanordnungsfunktionen erfor derlich sind, auf der Basis von Taktfrequenzen, die zum Steuern des Betriebes dieser Schaltungsanordnung verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die Energie/Verzögerung aufgetragen über der Versorgungsspannung für einen CMOS-Schaltungsbetrieb zeigt.

Fig. 2 zeigt einen bekannten CMOS-Inverter, der als ein Baustein in vielen CMOS- Schaltungsentwürfen verwendet wird.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines JIT (just-in-time)-Taktsystems nach der vorliegen den Erfindung.

Die Fig. 4A-4C zeigen Zeitsteuerdarstellungen zur Verwendung bei der Beschreibung des JIT-Taktsystems nach Fig. 3.

Fig. 5 ist eine Blockschaltbilddarstellung eines Mehrversorgungsspannungssystems nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das ein erfindungsgemäßes System mit variabler Vor spannung veranschaulicht.

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer taktgesteuerten Verarbeitungsschaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine implantierbare medizinische Vorrichtung in einem Körper veranschaulicht.

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung eines Herzschrittmachers zur Verwendung bei der Darstellung von einer oder mehreren Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung.

Fig. 10 ist ein schematisches Blockschaltbild von einem implantierbaren Herzschritt macher/Kardioverter/Defibrillator (pacemaker/cardioverter/defibrillator oder PCD) zur Verwendung bei der Veranschaulichung von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 11 ist ein schematisches Blockschaltbild, das ein Digitalsignalverarbeitungssystem mit variabler Taktfrequenz/variabler Versorgungsspannung nach der vorliegenden Er findung veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wird zuerst unter Bezugnahme auf die Fig. 3-7 allgemein beschrieben. Danach wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf illustrative Konfigurationen von implantierbaren medizinischen Vorrichtungen, die in den Fig. 8-11 gezeigt sind, beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild eines JIT-Taktsystems 30. Das JIT- Taktsystem 30 umfaßt eine integrierte Schaltung 32 und eine Taktquelle 34. Die inte grierte Schaltung 32 enthält eine Vielzahl von Schaltungen C1-Cn. Jede Schaltung ist, wenn sie betätigbar ist, in der Lage, eine oder mehrere Schaltungsfunktionen zu erfül len. Eine Funktion ist definiert als das Ausführen von irgendeiner Operation an einem oder mehreren Eingangssignalen in einer Vielzahl von Zyklen, die zu einem Aus gangssignal führt. Im allgemeinen werden die Funktionen, die durch die verschiedenen Schaltungen C1-Cn ausgeführt werden, in einer vorbestimmten Zahl von Taktzyklen ausgeführt. Die Taktquelle 34 ist so betätigbar, daß sie Taktsignale mit einer Vielzahl von Taktfrequenzen liefert, die allgemein als TAKT1-TAKTn gezeigt sind.

Die Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 32 können diskrete Funktions schaltungen umfassen (d. h. Logikschaltungen zum Arbeiten mit einem oder mehreren Eingangssignalen zum Implementieren einer besonderen Funktion, um daraus ein oder mehrere Ausgangssignale zu erzeugen), wie beispielsweise Schaltungen, die mit einem Eingangssignal aus einem Sensor arbeiten, um ein repräsentatives Signal für eine weitere funktionale Schaltungsanordnung, eine Sender-Empfänger- Schaltungsanordnung, eine Wandlerschaltungsanordnung, usw. zu schaffen. Weiter, die Schaltungen C1-Cn können eine Datenverarbeitungsschaltungsanordnung sein, die in der Lage ist, mehrere Funktionen unter Programmsteuerung zu erfüllen, oder die Schaltungen C1-Cn können Firmware (Software)-Funktionen/Routinen erfüllen, die vor irgendeinem nachfolgenden Ereignis oder vor dem Start der nächsten Funktion vollen det sein müssen. Zum Beispiel können, wie weiter hier in bezug auf illustrative Ausfüh rungsformen von implantierbaren medizinischen Vorrichtungen beschrieben, diese Schaltungen Digitalsignalverarbeitungsschaltungen, eine Schaltungsanordnung, die für Aufwärts/Abwärts-Telemetrie verwendet wird, eine Morphologieerkennungsschal tungsanordnung, eine Arrhythmieerkennungsschaltungsanordnung, eine Überwa chungsschaltungsanordnung eine Stimulierschaltungsanordnung, Mikroprozessoren, usw. umfassen.

Die Funktionen, die durch die Schaltungen C1-Cn jeweils erfüllt werden, müssen übli cherweise in einer besonderen Zeitspanne vollendet werden, bevor der nächste funk tionale Prozeß begonnen wird. Zum Beispiel kann eine Logikschaltung eine Funktion in einer vorbestimmten Zeitspanne erfüllen, um ein Ausgangssignal zu liefern, das durch eine andere Schaltung verlangt wird, oder es kann z. B. erforderlich sein, daß eine Funktion durch eine Verarbeitungsschaltungsanordnung während einer besonderen Zeitspanne erfüllt wird, weil es erforderlich ist, daß eine andere Verarbeitung durch diese Verarbeitungsschaltungsanordnung vorgenommen wird. Zum Beispiel kann es bei einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung erforderlich sein, daß eine Verar beitung zum Vollenden einer besonderen Funktion in einem Teil eines besonderen Zeitintervalls wie einem Austastintervall, einem oberen Frequenzintervall, einem Escapeintervall oder einem Refraktärintervall eines Herzzyklus erfüllt wird oder weiter beispielsweise während eines Impulsgenerator/Programmiergerät-Quittungs austausches.

Die Taktquelle 34 kann auf irgendeine Art und Weise konfiguriert sein, um Taktsignale mit einer Vielzahl von Frequenzen zu liefern. Eine solche Taktquelle kann irgendeine Zahl von Taktschaltungen enthalten, von denen jede ein einzelnes Taktsignal mit einer besonderen Frequenz liefert, die Taktquelle 34 kann eine oder mehrere einstellbare Taktschaltungen enthalten zum Liefern von Taktsignalen über einem durchgehenden Bereich von Taktfrequenzen und/oder die Taktquelle 34 kann eine Taktschaltung ent halten, die betätigbar ist, um Taktsignale mit diskreten Taktfrequenzen zu liefern, im Gegensatz zu einem durchgehenden Bereich. Zum Beispiel kann die Taktquelle 34 Oszillatoren aufweisen, Taktteilerschaltungen, Zeitgeber, eine Taktsteuerschaltungs anordnung oder irgendwelche anderen Schaltungselemente, die erforderlich sind, um die Taktsignalgebung gemäß der vorliegenden Erfindung zu bewirken. Vorzugsweise ist die Taktquelle 34 als ein kontinuierlich oszillierender Niederfrequenztaktgeber und als ein steuerbarer Ein/Aus-Taktgeber höherer Frequenz konfiguriert.

Der steuerbare JIT-Taktbetrieb des JIT-Taktsystems 30 nach Fig. 3 wird unter Bezug nahme auf die Fig. 4A-4C beschrieben. Gemäß der Darstellung in Fig. 4A repräsentiert eine Zeitspanne (x) die Zeitspanne, in welcher eine Schaltung, z. B. eine der Schaltun gen C1-Cn, eine oder mehrere Funktionen vollenden muß. Dieselbe Zeitspanne (x) ist in Fig. 4B gezeigt. Die Zeitspanne x kann gleich irgendeiner Zahl von unterschiedlichen Zeitspannen gesetzt werden. Zum Beispiel kann die Zeitspanne das Ausmaß an Zeit sein, in der eine Verarbeitungsschaltung eine besondere Erkennungsfunktion aufgrund der Notwendigkeit für ein Erkennungsausgangssignal in einem gewissen Zeitpunkt zu erfüllen hat, beispielsweise eine Zeitspanne, die erforderlich ist, um eine besondere Funktion durch eine Logikschaltung zu vollenden, um so ein zeitgerechtes Ausgangs signal an eine Digitalsignalverarbeitungsschaltung abzugeben, vielleicht eine Zeit spanne zum Vollenden der Firmware (Software)-Routine, usw. Weiter kann z. B. die Zeitspanne x einem Herzzyklus oder einem Teil desselben entsprechen.

In Fig. 4B ist gezeigt, daß bei herkömmlicher Verarbeitung Schaltungsfunktionen übli cherweise mit einer Stoßbetriebstaktfrequenz ausgeführt werden und daß demgemäß die Funktion, die erfüllt wird, eine Zeitspanne 60 benötigt. Deshalb wurde nur ein klei ner Teil der Zeit (d. h. die Zeitspanne 60) der gesamten Zeitspanne x verwendet, um die eine oder die mehreren Funktionen zu erfüllen, die n Zeitzyklen zur Vollendung benötigen. In einem solchen Fall arbeiteten herkömmlicherweise solche Stoßbe triebstaktgeber mit einer beträchtlich hohen Taktfrequenz von z. B. 500-1000 kHz für solche kurzen Zeitspannen, um den Vorteil eines "Tastverhältnis" zu erzielen und die mittlere Stromaufnahme zu reduzieren. Solche hohen Taktfrequenzen brauchen je doch nicht erforderlich zu sein, um solche Funktionen oder alle Funktionen auszufüh ren.

Mit der JIT-Taktgebung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 4A gezeigt ist, wird im wesentlichen die gesamte Zeitspanne x verwendet, um die eine oder die mehreren Funktionen zu erfüllen, die in n Zyklen vollendet werden. Mit anderen Wor ten, die Taktfrequenz, z. B. eine von TAKT1-TAKTn, für die Schaltung, die die eine oder die mehreren Funktionen während der Zeitspanne x erfüllt, ist so eingestellt, daß die einen oder die mehreren Funktionen in der maximalen Zeit vollendet werden, die zum Erfüllen dieser Funktionen verfügbar ist, d. h. die Taktfrequenz ist auf ihrem nied rigst möglichen Wert. Mit anderen Worten, ein Taktgeber mit niedrigerer Frequenz wird verwendet, so daß die eine oder die mehreren Funktionen JIT erfüllt werden, damit eine andere Schaltung betätigt oder eine andere Routine ausgeführt werden kann. Auf die JIT-Weise wird die Taktfrequenz, die verwendet wird, um das Erfüllen von solchen Funktionen durch eine besondere CMOS-Schaltungsanordnung zu erfüllen, abge senkt, was zu einer reduzierten Leistungsaufnahme durch die CMOS-Schal tungsanordnung führt, z. B. gemäß den Berechnungen der dynamischen Lei stung, führt die niedrigere Frequenz zu einer proportionalen Leistungsreduktion. Mit dem Absenken der Taktfrequenz kann die integrierte Schaltung 32, die die verschie denen Schaltungen C1-Cn enthält, so ausgelegt werden, daß sie bei einer niedrigeren Frequenz arbeitet, z. B. im Gegensatz zu der Stoßbetriebsfrequenz, und auch bei ver schiedenen anderen Frequenzen, je nach Bedarf.

Vorzugsweise kann, wie hier verwendet, die Verwendung von im wesentlichen der ge samten vorbestimmten Zeitspanne zu einer Vollendung der einen oder der mehreren Funktionen führen, die erfüllt werden, vor dem Ende der Zeitspanne x, wie es durch die übrigen Zeitspannen 55 in Fig. 4A dargestellt ist. Diese übrige Zeitspanne 55 liegt vorzugsweise nahe bei 0 Sekunden.

Fig. 4C zeigt ein illustratives Zeitsteuerbeispiel für eine Verarbeitungsschaltungsan ordnung, die mehrere Funktionen erfüllt. Als Beispiel ist der Herzzyklus eines Patien ten in Fig. 4C als eine Zeitspanne x dargestellt. Während einer Zeitspanne 71, d. h. während eines QRS-Komplexes des Herzzyklus, erfolgt die Hochgeschwindigkeitsver arbeitung mit einer hohen Taktfrequenz relativ zu einer niedrigeren Taktfrequenz, die zum Steuern des Betriebes der Verarbeitungsschaltungsanordnung während einer Zeitspanne y verwendet wird. Während der Zeitspanne y, wenn die Verarbeitungs schaltungsanordnung mit einer niedrigeren Taktfrequenz betrieben wird, kann diese niedrigere Taktfrequenz so eingestellt werden, daß die Funktionen, die während z Zy klen erfüllt werden, im wesentlichen in der gesamten maximalen Zeitspanne erfüllt werden, die für diese Verarbeitung verfügbar ist, d. h. die Zeitspanne y. Wiederum kann eine kleine verbleibende Zeitspanne 75 der Herzzykluszeitspanne x existieren. Diese Zeitspanne kann, z. B., in dem Bereich von etwa 1,0 Millisekunden bis etwa 10,0 Milli sekunden liegen, wenn der Herzzyklus in dem Bereich von etwa 400 Millisekunden bis etwa 1200 Millisekunden ist.

Fig. 5 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild eines Mehrversorgungsspannungssystems 100, bei dem eine oder mehrere Versorgungsspannungen verfügbar und zum Anlegen an verschiedene Schaltungen in einer integrierten Schaltung maßgeschneidert sind. Das Mehrversorgungsspannungssystem 100 enthält eine integrierte Schaltung 102 und eine Versorgungsspannungsquelle 106. Die integrierte Schaltung 102 enthält Schaltungen C1-Cn. Die Versorgungsspannungsquelle 106 ist betätigbar, um eine Vielzahl von Versorgungsspannungen V1-Vn zu liefern. Jede Versorgungsspannung aus der Versorgungsspannungsquelle 106 wird maßgeschneidert, um an eine oder mehrere Schaltungen der Schaltungen C1-Cn angelegt zu werden. Die Versorgungs spannung V1 wird, wie dargestellt, an eine Schaltung C1 angelegt, die Versorgungs spannung V2 wird an die Schaltungen C2 und C3 angelegt, usw.

Das Maßschneidern der Versorgungsspannungen V1-Vn für die besonderen Schaltun gen C1-Cn ist von der Frequenz abhängig, mit welcher die Schaltungen C1-Cn betrie ben werden müssen. Zum Beispiel nimmt, wie oben bereits beschrieben, die logische Verzögerung von diesen CMOS-Schaltungen C1-Cn drastisch zu, wenn die Versor gungsspannung auf nahe 1 Volt reduziert wird. Wenn diese Logikverzögerung tolerier bar ist, wird die Versorgungsspannung, die an eine besondere Schaltung angelegt wird, die Leistungsaufnahme für diese besondere Schaltung drastisch reduzieren, wenn die Energie im Verhältnis zu dem Quadrat der Versorgungsspannung (V_DD) re duziert wird. Wenn eine solche Logikverzögerung nicht tolerierbar ist, z. B. wenn die Logikschaltung eine Funktion erfüllt, die innerhalb einer besonderen Zeitspanne erfüllt sein muß, wird die Reduktion der Versorgungsspannung (V_DD), die an eine solche Schaltung angelegt wird, in Abhängigkeit von der akzeptablen Logikverzögerung be grenzt. Jedoch kann die Versorgungsspannung (V_DD) für jede besondere Schaltung so tief wie möglich reduziert werden und doch adäquate Geschwindigkeitsforderungen erfüllen.

Die integrierte Schaltung 102 kann verschiedene unterschiedliche Schaltungen C1-Cn aufweisen wie diejenigen, die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben worden sind. Die Versorgungsspannungsquelle 106 kann implementiert werden, indem eine Vielfalt von Komponenten verwendet wird, und kann irgendeine Anzahl von Spannungsquellen enthalten, von denen jede einen einzelnen Versorgungsspannungswert liefert, kann eine oder mehrere einstellbare Spannungsquellen enthalten zum Liefern von Versor gungsspannungswerten über einem kontinuierlichen Bereich von Werten und/oder kann eine Spannungsquelle enthalten, die so betreibbar ist, daß sie diskrete Versor gungsspannungswerte liefert, im Gegensatz zu Werten über einem kontinuierlichen Bereich. Die Versorgungsspannungsquelle kann einen Spannungsteiler aufweisen, einen Spannungsregler, eine Ladepumpe oder irgendwelche anderen Elemente zum Liefern der Versorgungsspannungen V1-Vn. Vorzugsweise ist die Versorgungsspan nungsquelle 106 als eine Ladepumpe konfiguriert.

Herkömmlicherweise liegt die Versorgungsspannung (V_DD) in dem Bereich von etwa 3 Volt bis etwa 6 Volt. Vorzugsweise liegen gemäß der vorliegenden Erfindung die Ver sorgungsspannungen V1-Vn in dem Bereich von etwa 1 Volt bis etwa 3 Volt, je nach der verwendeten CMOS-Technologie.

Mit der Reduktion der Versorgungsspannung (V_DD) wird auch die Schwellenspannung (V_T) für die Schaltungen reduziert. Zum Beispiel liegt bei Versorgungsspannungen in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 6 Volt die Schwellenspannung für CMOS-Vor richtungen im allgemeinen in dem Bereich von etwa 0,8 Volt bis etwa 1,0 Volt. Vor zugsweise werden in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen Lithium- Verbindungen für implantierbare Batterien verwendet. Solche Lithium-Verbindungen liegen im allgemeinen in dem Bereich von etwa 2,8 Volt bis etwa 3,3 Volt, und allge mein hat die CMOS-Schaltungsanordnung eine zugeordnete Schwellenspannung von etwa 0,75. Durch Reduzieren der Versorgungsspannungen unter 2,8 können die Spannungsschwellenwerte für CMOS-Vorrichtungen bis herunter auf etwa 0,2 Volt bis etwa 0,3 Volt verringert werden. Gegenwärtig gibt es verschiedene Ultraniederlei stungslogikentwürfe, die bei einer Versorgungsspannung arbeiten, welche einen nied rigen Wert von nur etwa 1,1 hat, wie z. B. Logikentwürfe für Mikroprozessoren für einen Laptop und andere tragbare Produktentwürfe. Durch Verwendung der maßgeschnei derten Versorgungsspannungen V1-Vn können Niederleistungs- oder Ultraniederlei stungslogikentwürfe für wenigstens einige der verschiedenen Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 102 verwendet werden. Andere Schaltungen können Versor gungsspannungen höherer Art erfordern. Mit der Verwendung von niedrigen Schwel lenwerten aufgrund von niedrigeren Versorgungsspannungen nehmen statische Lei stungsaufnahmeverluste unerwünschtermaßen um mehrere Größenordnungen zu.

Deshalb kann das Mehrversorgungsspannungssystem 100 weiter optional eine Hinter gate-Vorspannungsquelle 130 aufweisen zum Anlegen von Hintergate-Vorspannungen BV1-BVn an die Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 102. Im allgemeinen sind die Hintergate-Vorspannungen BV1-BVn von der Versorgungsspannung V1-Vn abhängig, die an die Schaltungen C1-Cn angelegt werden, um die Schwellenspannun gen für Vorrichtungen der Schaltungen C1-Cn einzustellen. Zum Beispiel kann die Schwellenspannung (V_T) für die CMOS-Vorrichtungen der Schaltung auf einem niedri geren Wert sein, indem eine Hintergate-Vorspannung an die besonderen Schaltungen angelegt wird, welche mit der niedrigeren Versorgungsspannung versorgt werden. Weiter, wenn beispielsweise die Schaltung C1 mit einer niedrigeren Versorgungsspan nung V1 versorgt wird, dann kann eine Hintergate-Vorspannung BV1 optional an die Schaltung C1 angelegt werden, um die Schwellenspannung (V_T) für die CMOS-Vor richtungen auf einen höheren Wert der Schwellenspannung (V_T) einzustellen. Auf diese Weise können statische Leckstromverluste minimiert werden, weil die Äquiva lente höherer Schwellenspannung wiederhergestellt worden ist. Weiter ist ein weiterer Bereich von Versorgungsspannungen möglich, weil die Hintergate-Einstellung ein Maßschneidern des Schwellenwertes erlaubt, was einen Betrieb mit hoher/niedriger Geschwindigkeit gestattet und die statische Stromaufnahmeleckage eliminiert.

Die Hintergate-Vorspannung kann, beispielsweise, durch eine feste Spannungsquelle (d. h. eine Ladepumpe), die mit dem hinteren Gate über einen Kontakt verbunden ist, geliefert werden. Alternativ kann ein aktives Körpervorspannungsschema, bei dem die Spannungsquelle auswählbar oder über einen geeigneten Bereich einstellbar ist, ver wendet werden.

Hintergate-Spannungen können auf irgendeine bekannte Art und Weise angelegt wer den. Zum Beispiel ist das Anlegen von Hintergate-Vorspannungen in verschiedenen Patentschriften beschrieben, wie z. B. US-Patent Nr. 4 791 318 von Lewis et al., US-Patent Nr. 4 460 835 von Masuoka, US-Patent Nr. 5 610 083 von Chan et al. und US-Patent Nr. 5 185 535 von Farb et al., die alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt werden.

Fig. 6 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild eines Systems 150 nach der Erfindung mit variabler Versorgungsspannung/variabler Taktfrequenz. Das System 150 weist eine integrierte Schaltung 152 auf, eine Taktquelle 156, eine Versorgungsspannungsquelle 154 und eine Takt/Versorgungsspannung-Schnittstelle 155. Die Versorgungsspan nungsquelle 154 ist so betreibbar, daß sie eine Vielzahl von Versorgungsspannungen V1-Vn an eine Vielzahl von Schaltungen C1-Cn der integrierten Schaltung 152 anlegt. Weiter, die Taktquelle 156 des Systems 150 ist so betreibbar, daß sie Taktsignale mit einer Vielzahl von Frequenzen liefert, TAKT1-TAKTn. Die Schaltungen C1-Cn gleichen denjenigen, die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben worden sind, die Taktquelle 156 gleicht der Taktquelle 34, die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben worden ist, und die Versorgungsspannungsquelle 154 gleicht der Versorgungsspannungsquelle 106, die mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben worden ist. In dem System 150 mit variabler Vor spannung/variabler Taktfrequenz wird jedoch eine Takt/Spannung-Schnittstelle 155 verwendet, um die Versorgungsspannungen V1-Vn, die an die Schaltungen C1-Cn angelegt werden, "fliegend" einzustellen, wie es spezielle Zeitsteuerfunktionen verlan gen, die durch die Schaltungen C1-Cn verlangt werden.

Als ein illustratives Beispiel sei angegeben, daß die Schaltung C1 eine besondere Lo gikschaltung zum Erfüllen von einer oder mehreren besonderen Funktionen sein kann. Es kann jedoch erforderlich sein, daß diese Funktionen in einer ersten Zeitspanne mit einer ersten Taktfrequenz und während einer unterschiedlichen, zweiten Zeitspanne mit einer zweiten Taktfrequenz erfüllt werden, um diese Funktion innerhalb der er laubten Zeit der ersten bzw. zweiten Zeitspanne zu erfüllen. Mit anderen Worten, eine Zeitspanne ist kürzer als die andere, und daher müssen die Funktionen, die über einer gewissen Anzahl von Zyklen erfüllt werden müssen, mit einer höheren Taktfrequenz erfüllt werden, wenn sie innerhalb einer Zeitspanne vollendet werden sollen, die kürzer als eine weitere Zeitspanne ist. In diesem Beispiel erfaßt gemäß der vorliegenden Er findung die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 das Taktsignal, das an die Schaltung C1 während der ersten Zeitspanne angelegt wird, in welcher das Taktsignal höherer Fre quenz verwendet wird, und legt demgemäß an die Versorgungsspannungsquelle 154 ein Signal an, um eine gewisse Versorgungsspannung, die der höheren Taktfrequenz entspricht, auszuwählen und anzulegen. Wenn anschließend die niedrigere Taktfre quenz an die Schaltung C1 während der zweiten Zeitspanne angelegt wird, erfaßt die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 die Verwendung der niedrigeren Taktfrequenz und legt ein Signal an die Versorgungsspannungsquelle 154 an, damit eine gewisse Ver sorgungsspannung, die der niedrigeren Taktfrequenz entspricht, an die Schaltung C1 angelegt wird.

Weiter kann beispielsweise die Schaltung C2 ein CMOS-Prozessor sein, der ebenfalls eine Taktfrequenz haben kann und bei dem entsprechende Versorgungsspannungs einstellungen "fliegend" gemacht werden. Ein solches System wird aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 7 ohne weiteres deutlich werden.

Fig. 7 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild eines taktgesteuerten Verarbeitungssy stems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das taktgesteuerte Verarbeitungssy stem 200 enthält einen Prozessor 202 (z. B. einen CMOS-Mikroprozessor oder einen CMOS-Digitalsignalprozessor), eine Taktquelle 204, eine Versorgungsspannungs quelle 206, einen Spannungsregler 212, eine Reglerschnittstelle 210, eine Taktsteue rung 208 und eine optionale Hintergate-Vorspannungsquelle 214. Auf ähnliche Art und Weise, wie es mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben worden ist, wird die Versorgungs spannung 206, die an den Prozessor 202 angelegt wird, "fliegend" geändert, wie es durch spezielle Schaltungstaktsteuererfordernisse verlangt wird.

Allgemein wird der Prozessor 202 unter der Steuerung der Taktquelle 204 betrieben. In Abhängigkeit von der verlangten Verarbeitungsmöglichkeit kann die Taktquelle 204 den Prozessor 202 mit irgendeiner von mehreren Taktfrequenzen betreiben. Diese Taktfrequenzen werden unter der Steuerung der Taktsteuerung 208 ausgewählt. Die Taktsteuerung 208 kann Teil von irgendeiner Zeitsteuer- und Steuerhardware und/oder Zeitsteuer- und Steuersoftware sein, die zum Steuern des Betriebes des Prozessors 202 als Teil eines größeren Systems verwendet wird. Zum Beispiel kann die Takt steuerung in Form einer Digitalsteuereinheit/Zeitsteuerschaltung vorliegen, um die Zeitsteuerung einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung vorzunehmen.

Der Prozessor 202 kann irgendeine Zahl von Funktionen erfüllen, wie es für die Vor richtung geeignet ist, in welcher er verwendet wird. Hochfrequenzverarbeitungsmög lichkeiten (d. h. etwa 250 kHz bis etwa 10 MHz), Niederfrequenzverarbeitungsmöglich keiten (d. h. etwa 1 Hz bis etwa 32 kHz) und Verarbeitungsmöglichkeiten in bezug auf Frequenzen zwischen diesen Grenzen kommen gemäß der vorliegenden Erfindung in Betracht. Zu Vereinfachungszwecken wird der Betrieb des Taktsteuerverarbeitungssy stems 200 unter Bezugnahme auf den Prozessor 202 beschrieben, der nur zwei ver schiedene Funktionen erfüllt, jede während einer vorbestimmten Zeitspanne. Zum Bei spiel kann in bezug auf eine implantierbare medizinische Vorrichtung wie einen Herz schrittmacher während der ersten Zeitspanne eine Hochfrequenzverarbeitungsfunkti on, die eine relativ hohe Taktfrequenz verlangt, eine Funktion beinhalten wie Auf wärts/Abwärts-Telemetrie, Morphologieerkennung, Initialisierung, Arrhythmieerken nung, Fernfeld-R-Zacke-Erkennung, Erkennung von elektromagnetischer Störung, rückläufiges Leiten usw. Andererseits können Niederfrequenzverarbeitungsfunktionen eine Funktion beinhalten wie Erfassung von intrinsischen Herzschlägen, Stimulation, Niedergeschwindigkeitstelemetrie, Datenübertragung über Telefon, Fernüberwachung, Batterieprüfungen, usw.

Wenn der Prozessor 202 während einer vorbestimmten Zeit Hochfrequenzverarbei tungsfunktionen erfüllen soll, kann eine relativ hohe Taktfrequenz von z. B. 250 kHz bis 10 MHz durch die Taktquelle 204 für den Betrieb des Prozessors 202 geliefert werden. Die Reglerschnittstelle 210 wird die höhere Taktfrequenz erkennen, mit der der Pro zessor 202 während der Hochfrequenzverarbeitungsfunktion betrieben wird, und ein Steuersignal an den Spannungsregler 212 zum Einstellen der Versorgungsspan nungsquelle 206 anlegen. Die Versorgungsspannungsquelle 206 ist unter der Steue rung des Spannungsreglers 212 betreibbar, um eine Versorgungsspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu liefern, vorzugsweise zwischen etwa 1,1 Volt und etwa 3 Volt. Wenn eine hohe Taktfrequenz für den Betrieb des Prozessors 202 für Hochfrequenzverarbeitungsfunktionen verwendet wird, legt die Versorgungsspan nungsquelle 206 im allgemeinen eine Versorgungsspannung in dem oberen Bereich der bevorzugten Versorgungsspannungen an die CMOS-Vorrichtungen des Prozes sors 202 an.

Andererseits, wenn der Prozessor 202 Niederfrequenzverarbeitungsfunktionen wäh rend der vorbestimmten Zeitspannen ausführen soll, signalisiert die Taktsteuerung 208 der Taktquelle 204, eine niedrigere Frequenz für den Betrieb des Prozessors 202 be reitzustellen. Dabei erfaßt die Reglerschnittstelle 210 die niedrigere Frequenz, die zum Betreiben des Prozessors 202 verwendet wird, und legt ein Steuersignal an den Span nungsregler 212 an, damit die Versorgungsspannungsquelle 206 so eingestellt wird, daß eine niedrigere Versorgungsspannung an dem unteren Ende des bevorzugten Bereiches von Versorgungsspannungen an die CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 angelegt wird.

Für den einschlägigen Fachmann ist zu erkennen, daß eine mittlere Verarbeitungs möglichkeit zwischen der Betriebsmöglichkeit mit höherer Frequenz und der Betriebs möglichkeit mit niedrigerer Frequenz, die oben beschrieben worden sind, erzielt wer den kann und daß die vorliegende Erfindung sich in keinster Weise auf die Verarbei tung von nur zwei Taktfrequenzen und auf zwei entsprechende Versorgungsspannun gen beschränkt. Vielmehr kann eine Verarbeitungsmöglichkeit mit mehreren Werten gemäß der vorliegenden Erfindung mit zugeordneten Taktfrequenzen und entspre chenden Versorgungsspannungen, die an den Prozessor 202 angelegt werden, erzielt werden.

Fig. 4C veranschaulicht eine Ausführungsform des Taktsteuerverarbeitungssystems 200. Die Darstellung zeigt, daß während des gesamten Taktzyklus mit einer vorbe stimmten Zeitspanne x eine hohe Frequenz zum Steuern des Betriebes des Prozes sors 202 während einer Zeitspanne 71 der Herzzykluszeitspanne x verwendet wird, z. B. während der Verarbeitung des QRS-Komplexes. Anschließend wird eine niedrige re Taktfrequenz während einer Zeitspanne y zum Steuern des Betriebes des Prozes sors 202 verwendet, um irgendeine von mehreren anderen verschiedenen Funktionen zu erfüllen, wie z. B. Herzereignis/elektromagnetische Störung-Un terscheidungsfunktionen. Während des Betriebes des Prozessors 202 mit der höhe ren Taktfrequenz während der Zeitspanne 71 wird eine höhere Versorgungsspannung aus der Versorgungsspannungsquelle 206 an die CMOS-Vorrichtungen des Prozes sors 202 angelegt. Ebenso wird während des Betriebes des Prozessors 202 mit der relativ niedrigeren Taktfrequenz eine niedrigere Versorgungsspannung aus der Ver sorgungsspannungsquelle 206 an die CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 wäh rend der Zeitspanne y über der gesamten Herzzykluszeitspanne x angelegt.

Weiter kann gemäß der Darstellung in Fig. 7 eine optionale Hintergate-Vorspannung 214 verwendet werden, um die Schwellenspannung (V_T) der CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 als eine Funktion der Taktfrequenz, die dem Prozessor 202 durch die Taktquelle 204 geliefert wird, dynamisch einzustellen. Die Reglerschnittstelle 210 er kennt die Taktfrequenz, die zum Steuern des Betriebes des Prozessors 202 verwendet wird, und steuert den Spannungswert der Hintergate-Vorspannung 214, die an die CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 angelegt werden soll. Die dynamische Ein stellung der Schwellenspannung kann als eine einstellbare oder eine wählbare Span nungsquelle realisiert werden, indem beispielsweise eine Ladepumpe und ein Regler verwendet werden. Die Hintergatespannung und die "normale" Gatespannung ergeben eine Gate-Vorspannung oder -Spannung an dem Transistor. Durch Einstellen der Hintergatespannung wird die "scheinbare" Spannung erhöht, was mit einer resultieren den Verringerung des Leckstroms verbunden ist.

Fig. 8 ist ein vereinfachtes Diagramm einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung 260, für welche die vorliegende Erfindung brauchbar ist. Die implantierbare Vorrichtung 260 wird in einem Körper 250 in der Nähe eines menschlichen Herzens 264 implan tiert. Die implantierte medizinische Vorrichtung wird mit dem Herz durch Leitungen 262 verbunden. In dem Fall, in welchem die Vorrichtung 260 ein Herzschrittmacher ist, sind die Leitungen 262 Stimulier- und Erfassungsleitungen zum Erfassen von elektrischen Signalen, welche die Depolarisation und die Repolarisation des Herzens 264 begleiten, und liefern Stimulierimpulse in der Nähe ihrer distalen Enden. Die implantierbare medi zinische Vorrichtung 260 kann irgendein implantierbarer Herzschrittmacher sein, wie beispielsweise diejenigen, die beschrieben sind in dem US-Patent Nr. 5 158 078 von Bennett et al., US-Patent Nr. 5 312 453 von Shelton et al. oder US-Patent Nr. 5 144 949 von Olson, die alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt werden und die alle gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden können.

Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 kann auch ein Herzschrittma cher/Kardioverter/Defibrillator (PCD) sein, der irgendeinem der verschiedenen im Han del erhältlichen implantierbaren PCDs entspricht, von denen einer hier mit Bezug auf Fig. 10 zusammenfassend beschrieben wird und im einzelnen in dem US-Patent Nr. 5 447 519 beschrieben ist. Zusätzlich zu dem PCD, der in dem US-Patent Nr. 5 447 519 beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit PCDs ausgeführt werden, wie sie beschrieben sind in dem US-Patent Nr. 5 545 186 von Olson et al., US-Patent Nr. 5 354 316 von Keimel, US-Patent Nr. 5 314 430 von Bardy, US-Patent Nr. 5 131 388 von Pless oder US-Patent Nr. 4 821 723 von Baker et al., die alle hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einverleibt werden. Diese Vorrichtungen können verwendet werden, indem die vorliegende Erfindung verwendet wird, wobei diese Vor richtungen eine Schaltungsanordnung und/oder Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden oder mit diesen modifiziert werden.

Alternativ kann die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 ein implantierbarer Nervenstimulator oder ein Muskelstimulator sein, wie er in dem US-Patent Nr. 5 199 428 von Obel et al., dem US-Patent Nr. 5 207 218 von Carpentier et al. oder dem US-Patent Nr. 5 330 507 von Schwartz beschrieben worden ist, oder eine implantierbare Überwachungsvorrichtung, wie sie in dem US-Patent Nr. 5 331 966, ausgegeben an Bennett et al., beschrieben ist, die alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt werden. Die vorliegende Erfindung dürfte breite Verwendung bei jeder Form von elektrischer Vorrichtung finden, bei der ein CMOS-Schaltungsentwurf verwendet wird, und dürfte besonders dann vorteilhaft sein, wenn eine niedrige Leistung er wünscht ist, insbesondere bei implantierbaren medizinischen Vorrichtungen.

Im allgemeinen hat die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 ein hermetisch verschlossenes Gehäuse, das eine elektrochemische Zelle, die eine Lithiumbatterie enthält, eine CMOS-Schaltungsanordnung, die den Betrieb der Vorrichtung steuert, und eine Telemetrie-Sender-Empfänger-Antenne und -Schaltung hat, welche Abwärts- Fernmeßbefehle aus einem externen Programmiergerät empfängt und gespeicherte Daten in einer Fernmeßaufwärtsverbindung zu dem externen Programmiergerät sen det. Die Schaltungsanordnung kann in diskreter Logik realisiert werden und/oder kann ein mikroprozessorbasiertes System mit A/D-Umwandlung enthalten.

Es ist klar, daß sich die vorliegende Erfindung in ihrem Schutzbereich nicht auf die besonderen elektronischen Merkmale und Betriebsweisen von besonderen implantier baren medizinischen Vorrichtungen beschränkt und daß die vorliegende Erfindung in Verbindung mit verschiedenen implantierbaren Vorrichtungen verwendbar sein kann. Weiter, die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrem Schutzbereich nicht auf implantierbare medizinische Vorrichtungen, die nur einen einzelnen Prozessor enthal ten, sondern kann bei Mehrprozessorvorrichtungen ebenso gut anwendbar sein.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild, das die Komponenten einer Herzschrittmachervorrich tung 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Herzschrittmachervorrichtung 300 hat eine mikroprozessorbasierte Architektur. Die illustrative Herzschrittmachervorrichtung 300 nach Fig. 9 ist jedoch nur eine exemplari sche Ausführungsform von solchen Vorrichtungen, und es ist klar, daß sie in irgendei ner logikbasierten, kundenspezifischen integrierten Schaltungsarchitektur bei Bedarf realisiert werden könnte wie jedes mikroprozessorbasierte System.

In der illustrativen Ausführungsform, die in Fig. 9 gezeigt ist, ist die Herzschrittmacher vorrichtung 300 am bevorzugtesten mittels einer externen Programmiereinheit (in den Figuren nicht gezeigt) programmierbar. Ein solches Programmiergerät, das für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist das im Handel erhältliche Pro grammiergerät Medtronic Modell 9790. Das Programmiergerät ist eine mikroprozes sorbasierte Vorrichtung, die eine Serie von codierten Signalen an die Schrittmacher vorrichtung 300 mittels eines Programmkopfes liefert, der codierte Hochfrequenz (HF)-Signale zu einer Antenne 334 der Herzschrittmachervorrichtung 300 gemäß einem Telemetriesystem liefert, wie es beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5 127 404 von Wyborny et al. beschrieben ist, dessen Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezug nahme hier einverleibt wird. Es ist jedoch klar, daß irgendeine Programmiermethode verwendet werden kann, solange die gewünschte Information zu und aus dem Herz schrittmacher gesendet wird.

Die Herzschrittmachervorrichtung 300, die in Fig. 9 zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist, ist mit dem Patientenherz 264 durch Leitungen 302 verbunden. Eine Lei tung 302a, die eine Elektrode 306 aufweist, ist mit einem Knotenpunkt 310 in der Schaltungsanordnung der Herzschrittmachervorrichtung 300 über einen Eingangskon densator 308 verbunden. Eine Leitung 302b ist mit einer Druckschaltungsanordnung 354 einer Ein-/Ausgangsschaltung 312 verbunden, um ein Drucksignal aus einem Sensor 309 an die Schaltung 354 anzulegen. Das Drucksignal wird verwendet, um metabolische Forderungen und/oder ein Herzausgangssignal eines Patienten zu er mitteln. Weiter liefert ein Aktivitätssensor 351 wie beispielsweise ein piezokeramischer Beschleunigungsmesser ein Sensorausgangssignal an eine Aktivitätsschaltung 352 der Ein-/Ausgangsschaltung 312. Das Sensorausgangssignal variiert als eine Funktion eines gemessenen Parameters, der sich auf metabolische Forderungen eines Pati enten bezieht. Die Ein-/Ausgangsschaltung 312 enthält Schaltungen zum Anschließen an das Herz 264, an den Aktivitätssensor 351, an die Antenne 334, an den Drucksen sor 309 und Schaltungen zum Anlegen von Stimulierimpulsen an das Herz 264 zum Steuern von dessen Frequenz als eine Funktion derselben unter der Steuerung von mit Software realisierten Algorithmen in der Mikrocomputereinheit 314.

Die Mikrocomputereinheit 314 weist vorzugsweise eine Schaltung 316 auf der Leiter platte auf, die einen Mikroprozessor 320, eine Systemtaktschaltung 322 und einen auf der Leiterplatte vorgesehenen Direktzugriffsspeicher (random access memory oder RAM) 324 sowie einen Festwertspeicher (read only memory oder ROM) 326 aufweist. In dieser illustrativen Ausführungsform weist eine nicht auf der Leiterplatte vorgesehe ne Schaltung 328 eine RAM/ROM-Einheit auf. Die auf der Leiterplatte vorgesehene Schaltung 316 und die nicht auf der Leiterplatte vorgesehene Schaltung 328 sind je weils durch einen Übertragungsbus 330 mit einer digitalen Steuerein heit/Zeitgeberschaltung 332 verbunden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die in Fig. 9 gezeigten Schaltungen durch eine geeignete implantierbare Batterieversorgungsspannungsquelle 301 (z. B. eine Spannungsquelle, die allgemein in den Fig. 1-7 gezeigt ist) mit Strom versorgt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Verbindung der Versorgungsspannungsquelle 301 mit den verschiedenen Schaltungen der Herzschrittmachervorrichtung 300 in den Figuren nicht gezeigt. Weiter, die Schaltungen, die unter der Steuerung eines Taktsignals be treibbar sind und in Fig. 9 gezeigt sind, werden gemäß der vorliegenden Erfindung unter der Steuerung der Taktquelle 338 betrieben. Der Übersichtlichkeit halber ist das Anlegen der Taktsignale aus der Taktquelle 338 (z. B. eine Taktquelle, die allgemein in den Fig. 1-7 gezeigt ist) an die CMOS-Schaltungen der Herzschrittmachervorrichtung 300 in den Figuren nicht gezeigt.

Die Antenne 334 ist mit der Ein-/Ausgangsschaltung 312 verbunden, um eine Auf wärtsverbindung/Abwärtsverbindung-Telemetrie über die HF-Sender-Empfänger- Einheit 336 zu gestatten. Die Einheit 336 kann der Telemetrie- und Programmlogik entsprechen, die in dem US-Patent Nr. 4 556 063, ausgegeben an Thompson et al., beschrieben ist, welche in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt wird, oder derjenigen, die in dem oben erwähnten Patent von Wyborny et al. beschrieben ist.

Eine V_REF- und Vorspannungsschaltung 340 erzeugt eine stabile Referenzspannung und Vorspannungsströme für die Schaltungen der Ein-/Ausgangschaltung 312. Eine Analog/Digital-Wandler (ADC) - und Multiplexereinheit 342 digitalisiert analoge Signale und Spannungen, um "Echtzeit"-Telemetrieintrakardialsignale zu liefern und eine Bat terielebensdauerende (end-of-life oder EOL)-Austausch-Funktion zu erfüllen. Eine Schaltung 341 zum Nullsetzen beim Einschalten der Stromversorgung (power on reset oder POR) dient als eine Einrichtung zum Rücksetzen der Schaltungsanordnung.

Betriebsbefehle zum Steuern der Zeitsteuerung der Herzschrittmachervorrichtung 300 werden durch einen Bus 330 an die digitale Steuereinheit/Zeitgeberschaltung 332 an gelegt, wo digitale Zeitgeber und Zähler das gesamte Escapeintervall der Herzschritt machervorrichtung 300 sowie verschiedene Refraktär-, Austast- und andere Zeitsteu erfenster zum Steuern des Betriebes der peripheren Komponenten, welche in der Ein /Ausgangsschaltung 312 angeordnet sind, festlegen.

Die digitale Steuereinheit/Zeitgeberschaltung 332 ist vorzugsweise mit einer Erfas sungsschaltung 345 und mit einem Elektrogramm (EGM)-Verstärker 348 verbunden, um verstärkte und verarbeitete Signale zu empfangen, die durch die Elektrode 306 erfaßt und über die Leitung 302a übertragen werden. Diese Signale sind für die elektri sche Aktivität des Patientenherzen 264 repräsentativ. Der Erfassungsverstärker 346 der Schaltungsanordnung 345 verstärkt die erfaßten Elektrokardialsignale und legt ein verstärktes Signal an eine Scheitelerfassungs- und Schwellenwertmeßschaltungsan ordnung 347 an. Die Schaltung 347 liefert ihrerseits eine Anzeige der scheitelerfaßten Spannungen und der gemessenen Erfassungsverstärkerschwellenspannungen auf einem Pfad 357 an die digitale Steuereinheit/Zeitgeber-Schaltung 332. Ein verstärktes Erfassungsverstärkersignal wird außerdem an einen Komparator/Schwellenwert- Detektor 40 angelegt. Der Erfassungsverstärker 332 kann demjenigen entsprechen, der in dem US-Patent Nr. 4 379 459 von Stein beschrieben ist, das durch Bezugnah me in seiner Gesamtheit hier einverleibt wird.

Das Elektrogrammsignal, das durch den EGM-Verstärker 348 geliefert wird, wird ver wendet, wenn die implantierte Vorrichtung 300 durch ein externes Programmiergerät (nicht dargestellt) abgefragt wird, um durch eine Aufwärtsverbindung-Telemetrie eine Darstellung eines analogen Elektrogramms der elektrischen Herzaktivität des Patien ten durch eine Aufwärtsverbindung-Telemetrie zu senden. Diese Funktion ist bei spielsweise in dem US-Patent Nr. 4 556 063 von Thompson et al. gezeigt, das oben bereits durch Bezugnahme einverleibt worden ist.

Ein Ausgangsimpulsgenerator und Verstärker 350 liefert Stimulationsimpulse dem Pa tientenherzen 264 über den Kopplungskondensator 305 und die Elektrode 306 auf grund eines Stimulationstriggersignals, das durch die digitale Steuereinheit/Zeitgeber- Schaltung 332 geliefert wird. Der Ausgangsverstärker 350 kann allgemein dem Aus gangsverstärker entsprechen, der in dem US-Patent Nr. 4 476 868 von Thompson beschrieben ist, das ebenfalls in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt wird. Die Schaltungen nach Fig. 9, die eine CMOS-Schaltungsanordnung bilden und gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten können, umfassen den Prozessor 320, die digitale Steuereinheit/Zeitgeber-Schaltung 332, den RAM 324, den ROM 326, die RAM/ROM-Einheit 328 und den ADC/MUX 342.

Fig. 10 ist ein funktionales Schaltbild aus dem US-Patent Nr. 5 447 519 von Peterson, das einen implantierbaren PCD 400 zeigt, in welchem die vorliegende Erfindung nütz lich angewandt werden kann. Dieses Schaltbild ist eine Darstellung, die lediglich als ein exemplarischer Typ von Vorrichtung anzusehen ist, in welchem die Erfindung aus geführt werden kann, und nicht als eine Beschränkung für den Schutzbereich der vor liegenden Erfindung. Andere implantierbare medizinische Vorrichtungen, wie sie oben beschrieben worden sind, mit funktionalen Organisationen, bei denen die vorliegende Erfindung von Nutzen sein kann, können auch gemäß der vorliegenden Erfindung mo difiziert werden. Zum Beispiel dürfte die vorliegende Erfindung in Verbindung mit im plantierbaren PCDs brauchbar sein, wie sie in dem älteren US-Patent Nr. 4 548 209 von Wielders et al.; US-Patent Nr. 4 693 253 von Adams et al.; US-Patent Nr. 4 830 006 von Haluska et al.; und US-Patent Nr. 4 949 730 von Pless et al. beschrieben sind, die alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt werden.

Die illustrative PCD-Vorrichtung 400 ist mit sechs Elektroden 401, 402, 404, 406, 408 und 410 versehen. Zum Beispiel können die Elektroden 401 und 402 ein Paar eng beabstandete Elektroden sein, die in dem Ventrikel des Herzens 264 positioniert sind. Die Elektrode 404 kann einer entfernten, indifferenten Elektrode entsprechen, die an dem Gehäuse des implantierbaren PCD 400 angeordnet ist. Die Elektroden 406, 408 und 410 können Defibrillationselektroden mit großem Oberflächeninhalt entsprechen, welche an Leitungen angebracht sind, die zu dem Herzen 264 führen, oder epikardiale Elektroden.

Die Elektroden 401 und 402 sind als festverdrahtet mit der Nahfeld (d. h. eng beab standete Elektroden)-R-Zacke-Detektorschaltung 419 gezeigt, die einen bandpaßge filterten Verstärker 414, eine Autoschwellenwertschaltung 416 (zum Liefern eines ein stellbaren Erfassungsschwellenwertes als eine Funktion der gemessenen R-Zacke- Amplitude) und einen Komparator 418 aufweist. Ein ROUT-Signal 464 wird immer dann erzeugt, wenn das Signal, das zwischen den Elektroden 401 und 402 erfaßt wird, einen Erfassungsschwellenwert übersteigt, der durch die Autoschwellenwertschaltung 416 festgelegt wird. Weiter, die Verstärkung des Verstärkers 414 wird durch eine Herzschrittmacherzeitgeber- und Steuerschaltungsanordnung 420 eingestellt. Das Erfassungssignal wird z. B. verwendet, um die Zeitsteuerfenster einzustellen und auf einanderfolgende Wellenformdaten für Morphologieerfassungszwecke auszurichten. Zum Beispiel kann das Erfassungsereignissignal 464 durch die Herzschrittma cher/Zeitgeber-Steuerschaltung 420 auf einem Bus 440 zu dem Prozessor 424 geleitet werden und kann als ein Interrupt für den Prozessor 424 dienen, so daß eine besonde re Routine von Operationen, z. B. Morphologieerfassung, Unterscheidungsfunktionen, durch den Prozessor 424 begonnen wird.

Eine Schaltmatrix 412 wird verwendet, um verfügbare Elektroden unter der Steuerung des Prozessors 424 über den Daten-/Adreßbus 440 auszuwählen, so daß die Auswahl zwei Elektroden umfaßt, die als ein Fernfeldelektrodenpaar (d. h. weit beabstandete Elektroden) in Verbindung mit einer Tachykardie/Fibrillation-Unterscheidungsfunktion (z. B. einer Funktion zum Unterscheiden zwischen Tachykardie, d. h. einer abnormalen schnellen Herzfrequenz, und Fibrillation, d. h. unkoordinierten und unregelmäßigen Herzschlägen, um so eine geeignete Therapie zu veranlassen) verwendet wird. Fern feld-EGM-Signale aus den ausgewählten Elektroden werden durch den Bandpaßver stärker 434 hindurch- und in einen Multiplexer 432 geleitet, wo sie durch den Ana log/Digital-Wandler (ADC) 430 in digitale Datensignale zur Speicherung in dem Direkt zugriffsspeicher 426 unter der Steuerung der Direktspeicherzugriffsschaltungsanord nung 428 umgewandelt werden. Zum Beispiel kann eine Serie von EGM-Komplexen für mehrere Sekunden ausgeführt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die in Fig. 10 gezeigten Schaltungen durch eine geeignete implantierbare Batterieversorgungsspannungsquelle 490 (z. B. eine Spannungsquelle, die allgemein in den Fig. 1-7 gezeigt ist) mit Strom versorgt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Verbindung der Versorgungsspannungsquelle 490 mit den verschiedenen Schaltungen der PCD-Vorrichtung 400 in den Figuren nicht ge zeigt. Weiter werden die Schaltungen, die unter der Steuerung eines Taktsignals be treibbar sind und in Fig. 10 gezeigt sind, gemäß der vorliegenden Erfindung unter der Steuerung der Taktquelle 491 betrieben. Der Übersichtlichkeit halber ist das Anlegen der Taktsignale aus der Taktquelle 491 (z. B. eine Taktquelle, die allgemein in den Fig. 1-7 gezeigt ist) an die CMOS-Schaltungen der PCD-Vorrichtung 400 in den Figuren nicht gezeigt.

Das Auftreten eines R-Zacke-Erfassungsereignisses oder Erfassungssignals ROUT 464 wird dem Prozessor 424 gemeldet, um eine Morphologieanalyse der Wellenfor men durch den Prozessor 424 zur Verwendung bei der Auswahl einer Therapie für das Herz 264 einzuleiten. Beispielsweise kann der Prozessor die kumulative Variabilität von Herzschlag zu Herzschlag des Herzens 264, Zeitintervalle, welche R-Zacke- Erfassungsereignisse trennen, und verschiedene andere Funktionen berechnen, wie sie in zahlreichen Druckschriften angegeben sind, zu denen die Druckschriften gehö ren können, die hier bereits aufgelistet worden sind, und verschiedene andere Druck schriften in bezug auf implantierbare PCDs.

Andere Teile der PCD-Vorrichtung 400 nach Fig. 10 sind für Kardialstimulierungs-, Kardioversions- und Defibrillationstherapien vorgesehen. Für die Herzstimulierung ent hält die Herzschrittmacher-Zeitgeber-/Steuerschaltung 420 programmierbare digitale Zähler, welche die grundlegenden Zeitsteuerintervalle steuern, die der Herzstimulie rung zugeordnet sind, einschließlich der Stimulierescapeintervalle, der Refraktärperi oden, während welchen erfaßte R-Zacken nicht in der Lage sind, die Zeitsteuerung von Escapeintervallen erneut zu starten, usw. Die Dauer der Intervalle wird üblicher weise durch den Prozessor 424 bestimmt und zu der Herzschrittmacher-Zeitge ber-/Steuerschaltung 420 über den Adreß-/Datenbus 440 übertragen. Weiter bestimmt unter der Steuerung des Prozessors 424 die Herzschrittmacher-Zeitgeber-/Steu erschaltung auch die Amplitude der Herzstimulierimpulse, und eine SCHRITT-AUS-Schaltung 421 führt diese Impulse dem Herzen zu.

In dem Fall, daß eine Tachyarrhythmie (d. h. eine Tachykardie) erkannt wird und daß eine Antitachyarrhythmie-Stimuliertherapie erwünscht ist, werden geeignete Zeitsteuerintervalle zum Steuern der Erzeugung von Antitachykardie- Stimuliertherapien aus dem Prozessor 424 in die Herzschrittmacher-Zeitgeber- und Steuerschaltungsanordnung 420 geladen. Ebenso verwendet in dem Fall, daß die Er zeugung eines Kardioversions- oder Defibrillationsimpulses erforderlich ist, der Pro zessor 424 die Zähler und die Zeitgeber- und Steuerschaltungsanordnung 420 zum Steuern der Zeitsteuerung dieser Kardioversions- und Defibrillationsimpulse.

Auf das Erfassen von Fibrillation oder einer Tachykardie hin, die einen Kardioversion simpuls verlangt, aktiviert der Prozessor 424 eine Kardioversion/Defibrillation- Steuerschaltungsanordnung 454, welche das Laden von Hochspannungskondensato ren 456, 458, 460 und 462 über eine Aufladeschaltung 450 unter der Steuerung einer Hochspannungsaufladeleitung 452 einleitet. Anschließend wird die Lieferung der Zeitsteuerung des Defibrillations- oder Kardioversionsimpulses durch die Herzschritt macher-Zeitgeber-/Steuerschaltungsanordnung 420 gesteuert. Verschiedene Ausfüh rungsformen eines geeigneten Systems zur Lieferung und Synchronisation von Kar dioversions- und Defibrillationsimpulsen und zum Steuern der Zeitgeberfunktionen, die sich auf sie beziehen, sind ausführlicher in dem US-Patent Nr. 5 188 105 von Keimel beschrieben, das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt wird. Eine weitere derartige Schaltungsanordnung zum Steuern der Zeitsteuerung und der Er zeugung von Kardioversions- und Defibrillationsimpulsen ist in dem US-Patent Nr. 4 384 585 von Zipes, dem US-Patent Nr. 4 949 719 von Pless et al. und in dem US-Patent Nr. 4 375 817 von Engle et al. beschrieben, die alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt werden. Weiter ist eine bekannte Schaltungsanordnung zum Steuern der Zeitsteuerung und der Erzeugung von Antitachykardie- Stimulierimpulsen beschrieben in dem US-Patent Nr. 4 577 633 von Berkovits et al., US-Patent Nr. 4 880 005 von Pless et al., US-Patent Nr. 4 726 380 von Vollmann et al. und US-Patent Nr. 4 587 970 von Holley et al., die alle in ihrer Gesamtheit durch Be zugnahme hier einverleibt werden.

Die Auswahl einer besonderen Elektrodenkonfiguration zum Liefern der Kardiover sions- oder Defibrillationsimpulse wird über eine Ausgangsschaltung 448 unter der Steuerung der Kardioversion/Defibrillation-Steuerschaltung 454 über den Steuerbus 446 gesteuert. Die Ausgangsschaltung 448 legt fest, welche der Hochspannungselek troden 406, 408 und 410 bei dem Liefern des Defibrillations- oder Kardioversionsim pulsbetriebes verwendet wird.

Die Komponenten der PCD-Vorrichtung 400 nach Fig. 10, die eine CMOS-Schal tungsanordnung bilden, welche zu einem Betrieb gemäß der vorliegenden Erfin dung in der Lage ist, umfassen den Prozessor 424, die Steuerschaltungen 420 und 454, den RAM 426, den DMA 428, den ADC 430 und den Multiplexer 432.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können sowohl die Herzschrittmachervorrichtung 300, die in Fig. 9 dargestellt ist, als auch die PCD-Vorrichtung 400, die in Fig. 10 dar gestellt ist, gemäß den generalisierten Ausführungsformen realisiert werden, die oben mit Bezug auf die Fig. 1-7 beschrieben worden sind. Erstens kann, z. B. mit Bezug auf die Herzschrittmachervorrichtung 300 nach Fig. 9, die Spannungsversorgungsquelle 301 der Herzschrittmachervorrichtung 300 auf eine Art und Weise realisiert werden, wie es oben mit Bezug auf die Fig. 1 bis 7 beschrieben worden ist, und ebenso kann die Taktquelle 338 der Herzschrittmachervorrichtung 300 auf eine Art und Weise reali siert werden, wie es oben mit Bezug auf die Fig. 1-7 beschrieben worden ist. Ebenso können die Taktquelle 491 der PCD-Vorrichtung 400 nach Fig. 10 und die Spannungs versorgungsquelle 490 der PCD-Vorrichtung 400 nach Fig. 10 gemäß den generali sierten Ausführungsformen realisiert werden, die oben mit Bezug auf die Fig. 1-7 be schrieben worden sind.

Als ein illustratives Beispiel sei angegeben, daß der ADC/MUX 342, der HF- Sender/Empfänger 336, die digitale Steuereinheit/Zeitgeber-Schaltung 332 und ver schiedene andere CMOS-Schaltungen einzeln mit unterschiedlichen Taktfrequenzen betrieben werden können, die aus der Taktquelle 338 verfügbar sind. Ebenso können diese Schaltungen mit entsprechenden Versorgungsspannungen betrieben werden, die für jede dieser Schaltungen unterschiedlich sein können. Weiter kann z. B. der HF- Sender/Empfänger 336 während einer besonderen Zeitspanne betrieben werden (z. B. bei einer Aufwärtsverbindung) mit einer besonderen Taktfrequenz, die aus der Taktquelle 338 verfügbar ist, und mit einer besonderen Versorgungsspannung, die aus der Spannungsversorgungsquelle 301 verfügbar ist, entsprechend der besonderen Taktfrequenz. Andererseits kann während einer anderen Zeitspanne (z. B. während einer Abwärtsverbindung) die Schaltung 336 mit einer völlig anderen Taktfrequenz und Versorgungsspannung betrieben werden. Die automatische Einstellung von Teleme trieparametern unter gewissen Umständen ist in dem US-Patent Nr. 5 683 432 von Goedeke et al. beschrieben.

Weiter können gemäß Fig. 10 die A/D-Wandlerschaltung 430, die Kardiover ter/Defibrillator-Steuerschaltung 454 und verschiedene andere Schaltungen wie der RAM 426, der DMA 428 und der Multiplexer 432 auch mit anderen Taktfrequenzen betrieben werden, die aus der Taktquelle 491 verfügbar sind, und mit verschiedenen entsprechenden Versorgungsspannungen, die aus der Versorgungsspannungsquelle 490 verfügbar sind. Weiter kann eine Telemetrieschaltung (nicht gezeigt) mit dem PDA nach Fig. 10 verwendet werden und kann auch mit verschiedenen Taktfrequenzen betrieben werden, die aus der Taktquelle 491 verfügbar sind, und mit verschiedenen entsprechenden Versorgungsspannungen, die aus der Versorgungsspannungsquelle 490 verfügbar sind. Darüber hinaus kann der Prozessor 424 mit anderen Taktge schwindigkeiten in Abhängigkeit von der Funktion betrieben werden, die durch den Prozessor 424 erzeugt wird, wie es beispielsweise hier mit Bezug auf Fig. 7 beschrie ben worden ist. Zum Beispiel kann die Morphologieerfassung bei typischen physiologi schen Frequenzen (d. h. 50 bis 150 Herzschlägen pro Minute) mit einer ersten Taktfre quenz und einer entsprechenden Versorgungsspannung erfolgen, während die Arrhythmieerfassung mit einer anderen Taktfrequenz und einer entsprechenden Ver sorgungsspannung erfolgen kann.

Fig. 11 zeigt ein Digitalsignalverarbeitungssystem 500 mit variablem Takt und variabler Versorgungsspannung, das in Verbindung mit und/oder alternativ zu manchen Schal tungen, die in den Fig. 9 und 10 gezeigt sind, verwendet werden kann. Zum Beispiel kann das Digitalsignalverarbeitungssystem 500 nach Fig. 11 anstelle der Aktivitäts schaltung 352, der Druckschaltung 354, der Erfassungsverstärkerschaltung 346 (für P- Zacke-, R-Zacke- und/oder T-Welle-Erfassungsverstärker) verwendet werden und kann weiter mit zusätzlichen Funktionen mit Verwendung eines Pseudo-EKG-Signals 502 ausgestattet sein. Allgemein kann jede Anzahl von Analogsignalen 499 z. B. wie die Pseudo-EKG-Signale 502, das Aktivitätssensorsignal 503 sowie das Druck- und Einsetzsensorsignal 504, über entsprechende Verstärker 505-507 geliefert werden. Die verstärkten Signale werden an den Multiplexer 510 angelegt, der sie an einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 516 zyklisch abgibt. Die Signale 502-504 können mit unterschiedlichen Frequenzen zyklisch geliefert werden, indem die Ausgangssignale der mehreren Verstärker/Vorverstärker 505-507 zyklisch durchlaufen werden, wie es in der anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 08/801 335, Medtronic Akte Nr. P-4521, betitelt "Method for Compressing Digitized Cardiac Signals Combining Lossless Compression and Non-linear Sampling", beschrieben ist, die sich mit variabler Kom pression über ADC-Abtastung befaßt und in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt wird. Der ADC kann auch variable Umwandlungsraten haben, wie es in dem US-Patent Nr. 5 263 486 und in dem US-Patent Nr. 5 312 446 beschrieben ist, die ebenfalls in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einverleibt werden.

Eine Ein-/Ausgangsschnittstelle 514 und Programmregister 512 werden unter der Steuerung einer Zeitsteuerschaltung (nicht gezeigt) verwendet, um das Anlegen der Analogsignale aus dem Multiplexer 510 an den ADC 516 zu steuern, der die umge wandelten Digitalsignale an ein Digitalfilter 518 anlegt, um eine Wellenform zur Analy se einem Wellenformanalysierprozessor 520 zu liefern (d. h. einem digitalen Signalpro zessor (DSP)). Zum Reduzieren der Leistung wird der Wellenformanalysierprozessor 520 mit verschiedenen Geschwindigkeiten getaktet, d. h. gemäß der vorliegenden Er findung in Abhängigkeit von den Verarbeitungsbedürfnissen "fliegend" gesteuert. Zum Beispiel nur während eines QRS-Komplexes wird der Wellenformanalysierprozessor 520 in einer Hochgeschwindigkeitsverarbeitungsbetriebsart mit einer relativ hohen Frequenz sein, wohingegen während des übrigen Teils des Herzzyklus der Prozessor 520 mit einer viel niedrigeren Taktfrequenz "leerlaufen" kann. Ein solcher Verarbei tungszyklus ist oben mit Bezug auf Fig. 4C beschrieben worden. Zusätzlich zu der niedrigeren Taktgeschwindigkeit, die für verschiedene Teile des Herzzyklus verwendet wird, wird der einschlägige Fachmann erkennen, daß gemäß den anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung, wenn die Geschwindigkeit reduziert wird, der Versor gungsspannungswert (V_DD) auch entsprechend reduziert werden kann. Eine reduzierte Leistungsaufnahme wird somit erreicht, wie es oben beschrieben worden ist.

Die vorliegende Erfindung ist mit verschiedenen Fabrikationstechnologien wie Silicium auf Isolator (SOI)-, Silicium auf Saphir (SOS)-CMOS-Technologien sowie mit her kömmlichen Silicium-CMOS-Technologien kompatibel. Die vorliegende Erfindung, wie sie hier beschrieben worden ist, ist eine fortschrittliche Technologie für die Verwen dung von DSPs zum Erfüllen von mehr Funktionen aufgrund der Art und Weise, auf welche die Leistungsaufnahme für diese DSPs reduziert werden kann. Weiter können auf mehreren Prozessoren basierende Entwürfe ebenfalls wegen der reduzierten Lei stungsaufnahme realisiert werden, da Versorgungsspannungen und Taktfrequenzen für verschiedene Funktionen, die durch die Prozessoren erfüllt werden, reduziert wer den.

Darüber hinaus können, wenn die Leistungsaufnahme reduziert wird, weitere Funkti onsmöglichkeiten den Vorrichtungen hinzugefügt werden, um eine Vorrichtung mit zu sätzlichen Funktionen relativ zu den bekannten Vorrichtungen mit höherer Leistungs aufnahme zu schaffen. Zum Beispiel kann der Prozessor verschiedene Morphologie erfassungsfunktionen erfüllen wie Unterscheidung von rückläufigen P-Zacken und vorläufigen P-Zacken einer EGM-Wellenform; Unterscheidung von P-Zacken von Fernfeld-R-Zacken; Unterscheidung von AF-A-Flattern-AT von Sinus- Tachykardie; Unterscheidung von VT-VF-V-Flattern von SVT; Unterscheidung von Herzsignalen von elektromagnetischer Störung; usw. Zum Beispiel kann elektroma gnetische Störung (EMI) scheinbar aus Diebstahldetektoren, Leitfähigkeitssignalen, HF-Rauschen, Myopotentialen, usw. stammen.

Die obigen speziellen Ausführungsformen sind für die Ausführung der Erfindung illu strativ. Es ist deshalb klar, daß andere Maßnahmen, die dem einschlägigen Fachmann bekannt oder hier offenbart sind, verwendet werden können, ohne die Erfindung oder den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel ist die vor liegende Erfindung nicht auf die Verwendung einer Taktquelle beschränkt, welche dis krete Taktfrequenzen liefert, sondern diese Taktfrequenzen können auf eine kontinu ierliche Art und Weise verändert werden. Weiter braucht die Versorgungsspannungs quelle nicht nur diskrete Versorgungsspannungen zu liefern, sondern es kann sich um eine Quelle handeln, die kontinuierlich über einem besonderen Bereich verändert wird, z. B. durch einen Spannungsregler. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich auch nicht auf die Verwendung in Verbindung mit Herzschrittmachern oder PCDs, sondern kann weitere Anwendung finden in anderen relevanten Bereichen wie der Telekommu nikation, wo eine niedrige Leistungsaufnahme erwünscht ist. Die vorliegende Erfindung beinhaltet weiter in ihrem Schutzbereich Verfahren zum Herstellen und Verwenden der JIT-Takt- und/oder Mehrversorgungsspannungskonzepte, die oben beschrieben sind.

In den Ansprüchen sollen Merkmale, die aus Einrichtung plus Funktion bestehen, die hier beschriebenen Gebilde abdecken, welche die genannte Funktion erfüllen, und nicht nur bauliche Äquivalente, sondern auch äquivalente Gebilde. Obgleich ein Nagel und eine Schraube keine baulichen Äquivalente zu sein brauchen, weil ein Nagel eine zylindrische Oberfläche hat, um hölzerne Teile aneinander zu befestigen, wohingegen eine Schraube eine wendelförmige Oberfläche hat, sind in der Umgebung der Befestigung von hölzernen Teilen ein Nagel und eine Schraube äquivalente Gebilde.

Claims

1. Implantierbare medizinische Vorrichtung, mit:
einer oder mehreren Schaltungen, die so betreibbar sind, daß sie wenigstens eine Funktion während einer vorbestimmten Zeitspanne erfüllen, wobei sich die vorbe stimmte Zeitspanne zwischen einer früheren Zeitspanne und einer späteren Zeitspan ne erstreckt und wobei sich weiter wenigstens eine der Schaltungen betreiben läßt, um die wenigstens eine Funktion in einer vorbestimmten Zahl von Taktzyklen zu vollen den; und
einer Taktquelle zum Liefern von Taktsignalen mit einer Vielzahl von Taktfrequenzen, wobei die Taktquelle operativ angeschlossen ist, um die wenigstens eine Schaltung mit einer Taktfrequenz zu steuern, so daß im wesentlichen die gesamte vorbestimmte Zeitspanne verwendet wird, um die wenigstens eine Funktion zu erfüllen, wobei die Funktion unmittelbar vor der nächsten Zeitspanne vollendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Schaltungen we nigstens eine erste Logikschaltung aufweisen zum Erfüllen von einer ersten Funktion und eine zweite Logikschaltung zum Erfüllen von einer zweiten Funktion, wobei die erste Logikschaltung betreibbar ist, um die erste Funktion während einer ersten vorbe stimmten Zeitspanne zu erfüllen, und die zweite Logikschaltung betreibbar ist, um die zweite Funktion während einer zweiten vorbestimmten Zeitspanne zu erfüllen, und weiter wobei die erste und die zweite Logikschaltung jeweils mit einer anderen Takt frequenz betreibbar ist, so daß im wesentlichen die gesamte erste und zweite vorbe stimmte Zeitspanne durch die erste bzw. zweite Logikschaltung verwendet werden, um die erste bzw. zweite Funktion zu erfüllen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste vorbestimmte Zeitspanne und die zweite vorbestimmte Zeitspanne Zeitspannen sind, die auf physiologischen Ereignis sen basieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei wenigstens die erste oder die zweite Zeitspan ne eine Zeitspanne ist, die aus der folgenden Gruppe von Zeitspannen ausgewählt ist, welche Herzereignissen zugeordnet sind, wie Austastintervall, oberes Frequenzinter vall, Escapeintervall, Refraktärintervall und Impulsgenerator/Programmiergerät- Quittungsaustausch.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Schaltungen eine Verarbeitungsvorrichtung umfassen, wobei die Verarbeitungsvorrichtung betreibbar ist, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen, wobei von der Vielzahl von Funktionen jede während einer zugeordneten vorbestimmten Zeitspanne vor einer nächsten Zeit spanne ausgeführt wird, in welcher von der Vielzahl von Funktionen eine weitere aus geführt wird, wobei die Verarbeitungsvorrichtung betreibbar ist, um jede der zwei oder mehr als zwei Funktionen der Vielzahl von Funktionen mit einer anderen Taktfrequenz zu erfüllen, so daß im wesentlichen die gesamte zugeordnete vorbestimmte Zeitspan ne für jede Funktion verwendet wird, um die Funktionen vor der nächsten Zeitspanne zu erfüllen, in welcher von der Vielzahl von Funktionen eine weitere erfüllt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zugeordneten vorbestimmten Zeitspannen Zeitspannen sind, die auf physiologischen Ereignissen basieren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei wenigstens eine der zugeordneten Zeitspannen eine Zeitspanne ist, die aus der folgenden Gruppe von Zeitspannen ausgewählt ist, welche Herzereignissen zugeordnet sind, wie Austastintervall, oberes Frequenzinter vall, Escapeintervall, Refraktärintervall und Impulsgenerator/Program miergerät-Quittungsaustausch.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung weiter eine oder mehrere Ver sorgungsspannungsquellen aufweist, um eine oder mehrere Versorgungsspannungen zu liefern, wobei die eine oder die mehreren Versorgungsspannungsquellen mit der einen oder den mehreren Schaltungen operativ verbunden sind, so daß eine Versor gungsspannung an wenigstens eine Schaltung als eine Funktion der Taktfrequenz an gelegt wird, mit der die wenigstens eine Schaltung betrieben wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die eine oder die mehreren Schaltungen we nigstens eine erste Logikschaltung umfassen zum Erfüllen einer ersten Funktion und eine zweite Logikschaltung zum Erfüllen einer zweiten Funktion, wobei die erste und die zweite Logikschaltung jeweils mit einer anderen Taktfrequenz betrieben werden und wobei weiter an jeder Logikschaltung eine andere Versorgungsspannung auf der Basis der unterschiedlichen Taktfrequenzen, die zum Steuern der ersten und der zweiten Logikschaltung verwendet werden, anliegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die eine oder die mehreren Schaltungen eine Verarbeitungsvorrichtung umfassen, wobei die Verarbeitungsvorrichtung betreibbar ist, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen, wobei jede von wenigstens zwei der Viel zahl von Funktionen mit einer anderen Taktfrequenz erfüllt wird und wobei weiter die Versorgungsspannung, die an der Verarbeitungsvorrichtung anliegt, so eingestellt wird, daß eine erste Versorgungsspannung für die Verarbeitungsvorrichtung während der Erfüllung von einer der wenigstens zwei Funktionen verwendet wird und eine zweite Versorgungsspannung für die Verarbeitungsvorrichtung während der Erfüllung der anderen Funktion verwendet wird und wobei die erste und die zweite Versorgungs spannung auf der Basis der verschiedenen Taktfrequenzen, die zum Steuern der Ver arbeitungsvorrichtung verwendet werden, angelegt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die erste Funktion mit einer Frequenz erfüllt wird, die relativ höher ist als die Frequenz zum Erfüllen der zweiten Funktion, und wo bei weiter der zweite Versorgungsspannungswert, der während der Erfüllung der er sten Funktion verwendet wird, relativ zu dem zweiten Versorgungsspannungswert hoch ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Funktion eine Funktion ist, die aus der Gruppe aus Hochgeschwindigkeitstelemetrie-Aufwärtsverbindung/Abwärtsver bindung, Morphologieerfassung, Vorrichtungsinitialisierung, Arrhythmieerkennung, Fernfeld-R-Zacke-Erkennung, Erkennung von elektromagnetischer Störung und rück läufiges Leiten ausgewählt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zweite Funktion aus der Gruppe aus Er fassung von intrinsischem Herzschlag, Stimulierung, Niedergeschwindigkeitsteleme trie, Datenübertragung über Telefon, Ferndatenüberwachung und Batterieprüfung aus gewählt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung weiter aufweist:
einen Multiplexer zum Empfangen einer Vielzahl von analogen Signalen; und
einen Analog/Digital-Wandler zum Umwandeln von einem oder mehreren der analogen Signale in digitale Signale und zum Anlegen dieser digitalen Signale an die Verarbei tungsschaltungsanordnung, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung mit den digitalen Signalen arbeitet, welche für wenigstens ein erstes analoges Signal der Viel zahl von Signalen repräsentativ sind, um die erste Funktion zu erfüllen, und mit den digitalen Signalen arbeitet, die für wenigstens ein zweites analoges Signal der Vielzahl von Signalen repräsentativ sind, um die zweite Funktion zu erfüllen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die implantierbare medizinische Vorrichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Herzschrittmacher, einem implantierba ren Defibrillator, einem implantierbaren Impulsgenerator (IPG), einem Herzschrittma cher-Kardioverter-Defibrillator (PCD), einem automatischen implantierbaren Defibrilla tor (AID), einem Gehirnstimulator, einem Neurostimulator, einem Schlafapnoestimula tor, einem Inkontinenzstimulator, einem Magenstimulator und einem implantierbaren Herzmonitor besteht.