DE19918590B4

DE19918590B4 - Implantierbare medizinische Vorrichtung

Info

Publication number: DE19918590B4
Application number: DE19918590A
Authority: DE
Inventors: David L. Fridley Thompson
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: DE19918590A1; FR2778109A1; FR2778109B1

Abstract

Implantierbare medizinische Vorrichtung,
mit einer oder mehreren Schaltungen (C1–Cn), die so betreibbar sind, dass sie wenigstens eine Funktion während einer vorbestimmten Zeitspanne (x) erfüllen, wobei sich die vorbestimmte Zeitspanne (x) zwischen einer früheren Zeitspanne und einer späteren Zeitspanne erstreckt und
wobei sich weiter wenigstens eine der Schaltungen (C1–Cn) betreiben lässt, um die wenigstens eine Funktion in einer vorbestimmten Zahl (n) von Taktzyklen zu vollenden, und
mit einer Taktquelle (34) zum Liefern von Taktsignalen mit einer Vielzahl von Taktfrequenzen (TAKT1–TAKTn),
dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Taktquelle (34) die wenigstens eine der Schaltungen (C1–Cn) mit einer der Taktfrequenzen (TAKT1–TAKTn) dynamisch steuerbar ist, die so niedrig wie möglich ist, damit im wesentlichen die gesamte vorbestimmte Zeitspanne (x) eingesetzt wird, um die wenigstens eine Funktion zu erfüllen und unmittelbar vor der nächsten Zeitspanne zu vollenden.

Description

Die Erfindung betrifft eine implantierbare medizinische Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US 4 404 972 bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Verschiedene Vorrichtungen verlangen einen Betrieb mit niedriger Leistungsaufnahme. Zum Beispiel verlangen in der Hand getragene Kommunikationsvorrichtungen eine solche niedrige Leistungsaufnahme, und insbesondere sollen implantierbare medizinische Vorrichtungen zu niedriger Leistungsaufnahme in der Lage sein. Implantierbare medizinische Vorrichtungen, z.B. mikroprozessorbasierte implantierbare kardiale Vorrichtungen 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 Eigenschaft einer „statischen" Leistungsaufnahme von im Wesentlichen null hat.

Die Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen besteht im Allgemeinen aus zwei Leistungsaufnahmefaktoren, nämlich der „dynamischen" Leistungsaufnahme und der statischen Leistungsaufnahme. Die statische Leistungsaufnahme ist nur auf Stromleckage zurückzuführen, da der Ruhestrom von solchen Schaltungen null ist. Die dyna mische 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 Schaltens 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 dynamische 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 herkömmlich, die Versorgungsspannung für eine gesamte Vorrichtung (z.B. Hybrid-) oder eine integrierte Schaltung (IS) herabzustufen, d.h. die Schaltung mit niedrigen Versorgungsspannungen zu betreiben, um die Leistungsaufnahme für solche Entwürfe zu reduzieren. Zum Beispiel wurde eine IS-Schaltungsanordnung, ca. 1979, aus einer Lil-Zelle statt aus zwei Zellen mit Strom versorgt. Das reduzierte die Versorgungsspannung von 5,6 Volt auf 2,8 Volt und reduzierte somit den Strombedarf. Spannungen, die größer sein mussten als 2,8 Volt, wurden durch einen Spannungsverdoppler erzeugt oder alternativ durch eine Ladepumpe (z.B. Ausgangsstimulierimpulse). Weiter wurde beispielsweise, ca. 1983, die logische Schaltungsanordnung durch einen Spannungsregler gespeist, der die IS-Versorgungsspannung auf eine Versorgung als „Summe von Schwellenwerten" steuerte. 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 Weise reduziert. Zum Beispiel sind bei verschiedenen Vorrichtungsentwürfen Analogblöcke heruntergeschaltet und/oder Taktgeber von logischen Blöcken, die zu besonderen Zeiten nicht benutzt werden, abgeschaltet worden, um dadurch die Leistung zu reduzieren. Weiter ist beispielsweise bei mikroprozessorbasierten Vorrichtungen historisch „Burst Clock" oder „Stoßbetriebstakt"-Entwurf benutzt worden, um einen Mikroprozessor mit einer sehr hohen Taktfrequenz zu betreiben (z.B. allgemein 500–1000 Kilohertz (kHz)) für relativ kurze Zeitspannen, um den Vorteil eines „Tastverhältnisses" zu gewinnen und die mittlere Stromaufnahme zu reduzieren. Ein Taktgeber mit viel niedrigerer 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 Stoßbetriebstakttechnik. Zum Beispiel werden bei implantierten Vorrichtungen, die von Medtronic, Vitatron, Biotronic, ELA, Intermedics, Pacesetters, InControl, Cordis, CPI, usw. erhältlich sind, Stoßbetriebstakttechniken verwendet. Einige wenige illustrative Beispiele, die die Verwendung eines Stoßbetriebstaktes zeigen, finden sich in der US 4 561 442 , US 5 022 395 , US 5 388 578 und US 5 154 170 .

Aus der eingangs bereits erwähnten US 4 404 972 ist eine implantierbare medizinische Steuervorrichtung mit einer oder mehreren Schaltungen bekannt, die so betrieben werden können, dass sie wenigstens eine Funktion während einer vorbestimmten Zeitspanne ausführen, welche sich zwischen einer früheren Zeitspanne und einer späteren Zeitspanne erstreckt. Wenigstens eine der Schaltungen lässt sich dabei derart betreiben, dass die wenigstens eine Funktion in einer vorbestimmten Zahl von Taktzyklen vollendet wird. Dabei ist eine Taktquelle zum Liefern von Taktsignalen mit einer Vielzahl von Taktfrequenzen vorgesehen. Für unterschiedliche Funktionen werden unterschiedliche Taktfrequenzen statisch vorgegeben.

Aus der US 5 350 407 ist eine implantierbare medizinische Steuervorrichtung mit einer oder mehreren Schaltungen bekannt, bei der mehrere Versorgungsspannungen in Verbindung mit verschiedenen Taktfrequenzen verwendet werden.

1 zeigt eine grafische Darstellung, in welcher Energie/Verzögerung über der Versorgungsspannung aufgetragen ist, für CMOS-Schaltungen wie einen CMOS-Inverter 10, der zu Veranschaulichungszwecken in 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 Gates-Anschlüsse der FETs 12, 14 angelegt wird, invertiert, um ein Ausgangssignal 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 1 nimmt die Schaltungslogikverzögerung drastisch zu, wenn die Versorgungsspannung auf nahe ein Volt reduziert wird, wie es durch eine Verzögerungskennlinie 16 und eine Energie/Verzögerung-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 Allgemeinen CMOS-Logikschaltungen periodisch in der Lage sein, mit einer höheren Frequenz zu arbeiten, z.B. der Stoßbetriebstaktfrequenz. Wenn die Versorgungsspannung (V_DD) verringert wird, wird dieser Energieverbrauch mit dem Quadrat der Versorgungsspannung (V_DD) reduziert, wie es durch eine Energieverbrauchskennlinie 20 gezeigt 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 Versorgungsspannung gewählt wird, können sich statische Leckstromverluste ergeben, insbesondere bei niedrigeren Frequenzen, aufgrund von erhöhten statischen Leckstromverlusten.

Verschiedene Techniken zum Reduzieren der Leistungsaufnahme bei Vorrichtungen sind bekannter Stand der Technik, von dem sich einige Beispiele in den oben bereits erwähnten Druckschriften US 5 022 395 , US 4 561 442 , US 5 388 578 und US 5 154 170 finden.

Aufgabe der Erfindung ist es, im Stand der Technik vorhandene Probleme in Bezug auf einen Schaltungsanordnungsentwurt mit niedriger Leistungsaufnahme bei einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung der eingangs genannten Art zu lösen. Zu diesen Problemen gehören: CMOS-Schaltungen mit zu großer dynamischer Leistungsaufnahme, was die Batterielebensdauer reduziert; die Unmöglichkeit, niedrige Versorgungsspannungspegel effektiv zu verwenden; die fehlende Möglichkeit, adäquate Verarbeitungsmöglichkeiten zu bieten wie hohe Verarbeitungsmöglichkeiten einschließlich Aufwärts/Abwärts-Telemetrie, Morphologieerkennung, Initialisierung von Vorrichtungen, während weiterhin niedrige Verarbeitungsmöglichkeiten wie Erfassen von intrinsischen Herzschlägen, Stimulierung, Niedergeschwindigkeitstelemetrie mit der gewünschten Leistungsaufnahme geboten werden; und die Unmöglichkeit, Schal tungsentwürfe zu schaffen, die bei niedrigeren Frequenzen und somit mit niedrigerer Leistungsaufnahme arbeiten als bei der Verwendung von Taktbetriebsarten mit höherer Geschwindigkeit wie Stoßbetriebstaktbetriebsarten.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine implantierbare medizinische Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der implantierbaren medizinischen Vorrichtung nach der Erfindung erfolgt eine variable, d.h. dynamische Verringerung der Taktfrequenz zur Anpassung an die Zeitdauer der auszuführenden Funktion. Dabei wird die Taktfrequenz so angepasst oder der passende Taktgeber so gewählt, dass die eine Funktion oder die mehreren Funktionen in der zur Verfügung gestellten Zeit genau in der vorbestimmten Zeitspanne ausgeführt und vollendet werden. Das heißt die Taktfrequenz wird auf den niedrigst möglichen Wert eingestellt, um die Funktion(en) unmittelbar vor dem Beginn der nächsten Zeitspanne zu vollenden. Dies führt zum Beispiel zu einer signifikanten Reduzierung des Energieverbrauchs, weil Unterbrechungs-Totzeiten zu null gemacht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Im Vergleich zu bekannten Techniken zum Reduzieren der Leistungsaufnahme bei Schaltungsentwürfen können verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung einen oder mehrere von den folgenden Vorteilen bieten: reduzierte Leistungsaufnahme durch die Verwendung einer niedrigeren Versorgungsspannung (V_DD), eine reduzierte Leistungsaufnahme durch verringerte Taktfrequenz; eine größere Langlebigkeit der Schaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung; das Ermöglichen einer potentiellen Reduzierung der Produktgröße; das Minimieren von statischen Leckstromverlusten, d.h. der statischen Leistungsaufnahme; das Schaffen von Mehrprozessorentwürfen, DSP-Entwürfen und Hochleistungsverarbeitungsentwürfen mit zusätzlichen Merkmalen/Funktionsmöglichkeiten aufgrund der Möglichkeit, die Leistung in Bezug auf andere „verlangte" Merkmale und Funktionen zu reduzieren; und die Möglichkeit einer beträchtlichen Reduzierung der Stromaufnahme.

Einige Ausführungsformen der Vorrichtung nach 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 Vervollständigen der Verarbeitung genau rechtzeitig vor dem nächsten verlangten funktionalen Prozess; die Verwendung von im Wesentlichen einer gesamten vorbestimmten Zeitspanne (z.B. einer, die auf physiologischen Ereignissen basiert wie beispielsweise während eines Austastintervalls, oberen Frequenzintervalls, Escape- oder Fluchtintervalls, Refraktärintervalls und Impulsgenerator/Programmiergerät-Quittungsaustausch, usw.), um eine Funktion mit einer Taktgeschwindigkeit zu erfüllen, so dass die Funktion unmittelbar vor irgendeinem anschließenden verlangten funktionalen Prozess vollendet wird; Bereitstellung von einer oder mehreren Spannungsquellen oder von einer Spannungsquelle, die so betreibbar ist, dass sie eine oder mehrere 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 Versorgungsspannungswerten, 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 Verarbeitungsschaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Funktion, die durch die Verarbeitungsschaltungsanordnung erfüllt wird; Betreiben einer Versorgungsschaltungsanordnung mit verschiedenen Taktfrequenzen in Abhängigkeit von der Funktion, die durch die Versorgungsschaltungsanordnung erfüllt wird; „fliegendes" Ändern des Versorgungsspannungswertes nach dem Bedarf von speziellen Schaltungszeitsteuerfunktionen, die für verschiedene Schaltungs- oder Verarbeitungsschaltungsanordnungsfunktionen erforderlich sind, auf der Basis von Taktfrequenzen, die zum Steuern des Betriebes dieser Schaltungsanordnung verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
1 eine grafische Darstellung, die Energie/Verzögerung aufgetragen über der Versorgungsspannung für einen CMOS-Schaltungsbetrieb zeigt,
2 einen bekannten CMOS-Inverter, der als ein Baustein in vielen CMOS-Schaltungsentwürfen verwendet wird,
3 ein Blockschaltbild eines JIT(just-in-time)-Taktsystems der Vorrichtung nach der Erfindung,
die 4A–4C Zeitsteuerdarstellungen zur Verwendung bei der Beschreibung des JIT-Taktsystems nach 3,
5 eine Blockschaltbilddarstellung eines Mehrversorgungsspannungssystems der Vorrichtung nach der Erfindung,
6 ein Blockschaltbild, das ein System mit variabler Vorspannung der Vorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht,
7 ein Blockschaltbild einer taktgesteuerten Verarbeitungsschaltungsanordnung der Vorrichtung nach der Erfindung,
8 ein Diagramm, das eine implantierbare medizinische Vorrichtung in einem Körper veranschaulicht,
9 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung eines Herzschrittmachers zur Verwendung bei der Darstellung von einer oder mehreren Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung,
10 ein schematisches Blockschaltbild von einem implantierbaren Herzschrittmacher/Kardioverter/Defibrillator (pacemaker/cardioverter/defibrillator oder PCD) zur Verwendung bei der Veranschaulichung von einer oder mehreren Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung und
11 ein schematisches Blockschaltbild, das ein Digitalsignalverarbeitungssystem mit variabler Taktfrequenz/variabler Versorgungsspannung der Vorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht.
Die Erfindung wird zuerst unter Bezugnahme auf die 3–7 allgemein beschrieben. Danach wird die Erfindung unter Bezugnahme auf illustrative Konfigurationen von im plantierbaren medizinischen Vorrichtungen, die in den 8–11 gezeigt sind, beschrieben.
3 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild eines JIT-Taktsystems 30. Das JIT-Taktsystem 30 umfasst eine integrierte Schaltung 32 und eine Taktquelle 34. Die integrierte Schaltung 32 enthält eine Vielzahl von Schaltungen C1–Cn. Jede Schaltung ist so betreibbar, dass sie eine oder mehrere Schaltungsfunktionen erfüllt. Eine Funktion ist definiert als das Ausführen von irgendeiner Operation an einem oder mehreren Eingangssignalen in einer Vielzahl von Zyklen, die zu einem Ausgangssignal 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-TAKT n gezeigt sind.
Die Schaltungen C1–Cn der integrierten Schaltung 32 können diskrete Funktionsschaltungen 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 können die Schaltungen C1–Cn 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 vollendet sein müssen. Zum Beispiel können, wie weiter hier in Bezug auf illustrative Ausführungsformen von implantierbaren medizinischen Vorrichtungen beschrieben, diese Schaltungen Digitalsignalverarbeitungsschaltungen, eine Schaltungsanordnung, die für Aufwärts/Abwärts-Telemetrie verwendet wird, eine Morphologieerkennungsschaltungsanordnung, eine Arrhythmieerkennungsschaltungsanordnung, eine Überwachungsschaltungsanordnung, eine Stimulierschaltungsanordnung, Mikroprozessoren, usw. umfassen.
Die Funktionen, die durch die Schaltungen C1–Cn jeweils erfüllt werden, müssen üblicherweise in einer besonderen Zeitspanne vollendet werden, bevor der nächste funktionale 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 Verarbeitung 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-Quittungsaustausches.
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 enthalten, 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 Taktsteuerschaltungsanordnung oder irgendwelche anderen Schaltungselemente, die erforderlich sind, um die Taktsignalgebung gemäß der 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 3 wird unter Bezugnahme auf die 4A–4C beschrieben. Gemäß der Darstellung in 4A repräsentiert eine Zeitspanne (x) die Zeitspanne, in welcher eine Schaltung, z.B. eine der Schaltungen C1–Cn eine oder mehrere Funktionen vollenden muss. Dieselbe Zeitspanne (x) ist in 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 einen gewissen Zeitpunkt zu erfüllen hat, beispielsweise eine Zeitspanne, die erforderlich ist, um eine besondere Funktion durch eine Logikschaltung zu vollenden, um so ein zeitgerechtes Ausgangssignal an eine Digitalsignalverarbeitungsschaltung abzugeben, z.B. eine Zeitspanne zum Vollenden der Firmware (Software)-Routine, usw. Weiter kann z.B. die Zeitspanne x einem Herzzyklus oder einem Teil desselben entsprechen.
In 4B ist gezeigt, dass bei herkömmlicher Verarbeitung Schaltungsfunktionen üblicherweise mit einer Stoßbetriebstaktfrequenz ausgeführt werden und dass demgemäß die Funktion, die erfüllt wird, eine Zeitspanne 60 benötigt. Deshalb wurde nur ein kleiner Teil der Zeit (d.h. der 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 Stoßbetriebstaktgeber 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 jedoch nicht erforderlich zu sein, um solche Funktionen oder alle Funktionen auszuführen.
Mit der JIT-Taktgebung gemäß der Erfindung, wie sie in 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 Worten, die Taktfrequenz, z.B. eine von TAKT 1-TAKT n 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 niedrigst 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, abgesenkt, was zu einer reduzierten Leistungsaufnahme durch die CMOS-Schaltungsanordnung führt, z.B. gemäß den Berechnungen der dynamischen Leistung, führt die niedrigere Frequenz zu einer proportionalen Leistungsreduktion. Mit dem Absenken der Taktfrequenz kann die integrierte Schaltung 32, die die verschiedenen Schaltungen C1–Cn enthält, so ausgelegt werden, dass sie bei einer niedrigeren Frequenz arbeitet, z.B. im Gegensatz zu der Stoßbetriebsfrequenz, und auch bei verschiedenen anderen Frequenzen, je nach Bedarf.
Vorzugsweise kann, wie hier verwendet, die Verwendung von im Wesentlichen der gesamten 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 4A dargestellt ist. Diese übrige Zeitspanne 55 liegt vorzugsweise nahe bei 0 Sekunden.
4C zeigt ein illustratives Zeitsteuerbeispiel für eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die mehrere Funktionen erfüllt. Als Beispiel ist der Herzzyklus eines Patienten in 4C als eine Zeitspanne x dargestellt. Während einer Zeitspanne 71, d.h. während eines QRS-Komplexes des Herzzyklus, erfolgt die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung 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 Verarbeitungsschaltungsanordnung mit einer niedrigeren Taktfrequenz betrieben wird, kann diese niedrigere Taktfrequenz so eingestellt werden, dass die Funktionen, die während z Zyklen 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 Millisekunden liegen, wenn der Herzzyklus in dem Bereich von etwa 400 Millisekunden bis etwa 1200 Millisekunden ist.
5 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild einer Verarbeitungsschaltungsanordnung 100, bei der eine oder mehrere Versorgungsspannungen verfügbar und zum Anlegen an verschiedene Schaltungen in einer integrierten Schaltung maßgeschneidert sind. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 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 Versorgungsspannung V1 wird, wie dargestellt, an eine Schaltung C1 angelegt, die Versorgungsspannung V2 wird an die Schaltungen C2 und C3 angelegt, usw.
Das Maßschneidern der Versorgungsspannungen V1–Vn für die besonderen Schaltungen 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 Versorgungsspannung auf nahe 1 Volt reduziert wird. Wenn diese Logikverzögerung tolerierbar 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) reduziert 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 begrenzt. 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 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 Versorgungsspannungswerten über einem kontinuierlichen Bereich von Werten und/oder kann eine Spannungsquelle enthalten, die so betreibbar ist, dass sie diskrete Versorgungsspannungswerte 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 Versorgungsspannungsquelle 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 Versorgungsspannungen 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-Vorrich tungen im Allgemeinen in dem Bereich von etwa 0,8 Volt bis etwa 1,0 Volt. Vorzugsweise 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 allgemein 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 Ultraniederleistungslogikentwürfe, die bei einer Versorgungsspannung arbeiten, welche einen niedrigen Wert von nur etwa 1,1 hat, wie z.B. Logikentwürfe für Mikroprozessoren für einen Laptop und andere tragbare Produktentwürfe. Durch Verwendung der maßgeschneiderten Versorgungsspannungen V1–Vn können Niederleistungs- oder Ultraniederleistungslogikentwürfe für wenigstens einige der verschiedenen Schaltungen C1–Cn der integrierten Schaltung 102 verwendet werden. Andere Schaltungen können Versorgungsspannungen höherer Art erfordern. Mit der Verwendung von niedrigen Schwellenwerten aufgrund von niedrigeren Versorgungsspannungen nehmen statische Leistungsaufnahmeverluste unerwünschtermaßen um mehrere Größenordnungen zu.
Deshalb kann die mit mehreren Versorgungsspannungen arbeitende Verarbeitungsschaltungsanordnung 100 weiter optional eine Hintergate-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 Schwellenspannungen für Vorrichtungen der Schaltungen C1–Cn einzustellen. Zum Beispiel kann die Schwellenspannung (V_T) für die CMOS-Vorrichtungen der Schaltung auf einem niedrigeren 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 Versorgungsspannung V1 versorgt wird, dann kann eine Hintergate-Vorspannung BV1 optional an die Schaltung C1 angelegt werden, um die Schwellenspannung (V_T) für die CMOS-Vorrichtungen auf einen höheren Wert der Schwellenspannung (V_T) einzustellen. Auf diese Weise können statische Leckstromverluste minimiert werden, weil die Äquivalente höherer Schwellenspannung wiederhergestellt worden ist. Weiter ist ein weiterer Bereich von Versorgungsspannungen möglich, weil die Hintergate-Einstellung ein Maßschneidern des Schwellenwertes er laubt, 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, verwendet werden.
Hintergate-Spannungen können auf irgendeine bekannte Art und Weise angelegt werden. Zum Beispiel ist das Anlegen von Hintergate-Vorspannungen in verschiedenen Patentschriften beschrieben wie z.B. US 4 791 318 , US 4 460 835 , US 5 610 083 und US 5 185 535 .
6 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild einer Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 mit variabler Versorgungsspannung/variabler Taktfrequenz. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 weist eine integrierte Schaltung 152 auf, eine Taktquelle 156, eine Versorgungsspannungsquelle 154 und eine Takt/Versorgungsspannung-Schnittstelle 155. Die Versorgungsspannungsquelle 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 ist die Taktquelle 156 der Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 so betreibbar, dass sie Taktsignale mit einer Vielzahl von Frequenzen liefert, TAKT1–TAKTn. Die Schaltungen C1–Cn gleichen denjenigen, die mit Bezug auf 3 beschrieben worden sind, die Taktquelle 156 gleicht der Taktquelle 34, die mit Bezug auf 3 beschrieben worden ist, und die Versorgungsspannungsquelle 154 gleicht der Versorgungsspannungsquelle 106, die mit Bezug auf 5 beschrieben worden ist. In der Verarbeitungsschaltungsanordnung 150 mit variabler Versorgungsspannung/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 verlangen, die durch die Schaltungen C1–Cn verlangt werden.
Als ein illustratives Beispiel sei angegeben, dass die Schaltung C1 eine besondere Logikschaltung 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 erlaubten 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 Erfindung die Takt/Spannung-Schnittstelle 155 das Taktsignal, das an die Schaltung C1 während der ersten Zeitspanne angelegt wird, in welcher das Taktsignal höherer Frequenz 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 Taktfrequenz 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 Versorgungsspannung, 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 Versorgungsspannungseinstellungen „fliegend" gemacht werden. Eine solche Verarbeitungsschaltungsanordnung wird aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf 7 ohne weiteres deutlich werden.
7 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild einer taktgesteuerten Verarbeitungsschaltungsanordnung 200 der implantierbaren Vorrichtung nach der Erfindung. Die taktgesteuerte Verarbeitungsschaltungsanordnung 200 enthält einen Prozessor 202 (z.B. einen CMOS-Mikroprozessor oder einen CMOS-Digitalsignalprozessor), eine Taktquelle 204, eine Versorgungsspannungsquelle 206, einen Spannungsregler 212, eine Reglerschnittstelle 210, eine Taktsteuerung 208 und eine optionale Hintergate-Vorspannungsquelle 214. Auf ähnliche Art und Weise, wie es mit Bezug auf 6 beschrieben worden ist, wird die Spannung der Versorgungsspannungsquelle 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 Taktsteuerung 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 Vorrichtung geeignet ist, in welcher er verwendet wird. Hochfrequenzverarbeitungsmöglichkeiten (d.h. etwa 250 kHz bis etwa 10 MHz), Niederfrequenzverarbeitungsmöglichkeiten (d.h. etwa 1 Hz bis etwa 32 kHz) und Verarbeitungsmöglichkeiten in Bezug auf Frequenzen zwischen diesen Grenzen kommen bei der Vorrichtung nach der Erfindung in Betracht. Zu Vereinfachungszwecken wird der Betrieb der taktgesteuerten Verarbeitungsschaltungsanordnung 200 unter Bezugnahme auf den Prozessor 202 beschrieben, der nur zwei verschiedene Funktionen erfüllt, jede während einer vorbestimmten Zeitspanne. Zum Beispiel kann in bezug auf eine implantierbare medizinische Vorrichtung wie einen Herzschrittmacher während der ersten Zeitspanne eine Hochfrequenzverarbeitungsfunktion, die eine relativ hohe Taktfrequenz verlangt, eine Funktion beinhalten wie Aufwärts/Abwärts-Telemetrie, Morphologieerkennung, Initialisierung, Arrhythmieerkennung, 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 Hochfrequenzverarbeitungsfunktionen 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 Prozessor 202 während der Hochfrequenzverarbeitungsfunktion betrieben wird, und ein Steuersignal an den Spannungsregler 212 zum Einstellen der Versorgungsspannungsquelle 206 anlegen. Die Versorgungsspannungsquelle 206 ist unter der Steuerung 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 Versorgungsspannungsquelle 206 im Allgemeinen eine Versorgungsspannung in dem oberen Bereich der bevorzugten Versorgungsspannungen an die CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 an.
Andererseits, wenn der Prozessor 202 Niederfrequenzverarbeitungsfunktionen während der vorbestimmten Zeitspannen ausführen soll, signalisiert die Taktsteuerung 208 der Taktquelle 204, eine niedrigere Frequenz für den Betrieb des Prozessors 202 bereitzustellen. Dabei erfaßt die Reglerschnittstelle 210 die niedrigere Frequenz, die zum Betreiben des Prozessors 202 verwendet wird, und legt ein Steuersignal an den Spannungsregler 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 Verarbeitungsmöglichkeit zwischen der Betriebsmöglichkeit mit höherer Frequenz und der Betriebsmöglichkeit mit niedrigerer Frequenz, die oben beschrieben worden sind, erzielt werden kann und dass die Erfindung sich in keinster Weise auf die Verarbeitung von nur zwei Taktfrequenzen und auf zwei entsprechende Versorgungsspannungen beschränkt. Vielmehr kann eine Verarbeitungsmöglichkeit mit mehreren Werten bei der Erfindung mit zugeordneten Taktfrequenzen und entsprechenden Versorgungsspannungen, die an den Prozessor 202 angelegt werden, erzielt werden.
4C veranschaulicht eine Ausführungsform der taktgesteuerten Verarbeitungsschaltungsanordnung 200. Die Darstellung zeigt, dass während des gesamten Taktzyklus mit einer vorbestimmten Zeitspanne x eine hohe Frequenz zum Steuern des Betriebes des Prozessors 202 während einer Zeitspanne 71 der Herzzykluszeitspanne x verwendet wird, z.B. während der Verarbeitung des QRS-Komplexes. Anschließend wird eine niedrigere Taktfrequenz während einer Zeitspanne y zum Steuern des Betriebes des Prozessors 202 verwendet, um irgendeine von mehreren anderen verschiedenen Funktionen zu erfüllen, wie z.B. Herzereignis/elektromagnetische Störung-Unterscheidungsfunktionen. Während des Betriebes des Prozessors 202 mit der höheren Taktfrequenz während der Zeitspanne 71 wird eine höhere Versorgungsspannung aus der Versorgungsspannungsquelle 206 an die CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 angelegt. Ebenso wird während des Betriebes des Prozessors 202 mit der relativ niedrigeren Taktfrequenz eine niedrigere Versorgungsspannung aus der Versorgungsspannungsquelle 206 an die CMOS-Vorrichtungen des Prozessors 202 während der Zeitspanne y über der gesamten Herzzykluszeitspanne x angelegt.
Weiter kann gemäß der Darstellung in 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 erkennt 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 Einstellung der Schwellenspannung kann als eine einstellbare oder eine wählbare Spannungsquelle 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 resultierenden Verringerung des Leckstroms verbunden ist.
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 implantiert. Die implantierte medizinische Vorrichtung 260 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 medizinische Vorrichtung 260 kann irgendein implantierbarer Herzschrittmacher sein, wie beispielsweise diejenigen, die beschrieben sind in der US 5 158 078 , US 5 312 453 oder US 5 144 949 .
Die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 kann auch ein Herzschrittmacher/Kardioverter/Defibrillator (PCD) sein, der irgendeinem der verschiedenen im Handel erhältlichen implantierbaren PCDs entspricht, von denen einer hier mit Bezug auf 10 zusammenfassend beschrieben wird und im Einzelnen in der US 5 447 519 beschrieben ist. Zusätzlich zu dem PCD, der in der US 5 447 519 beschrieben ist, kann die Erfindung in Verbindung mit PCDs ausgeführt werden, wie sie beschrieben sind in der US 5 545 186 , US 5 354 316 , US 5 314 430 , US 5 131 388 oder US 4 821 723 . Diese Vorrichtungen können verwendet werden, indem die Erfindung verwendet wird, wobei diese Vorrichtungen eine Verarbeitungsschaltungsanordnung wie die Vorrichtung nach der Erfindung verwenden oder mit dieser modifiziert werden.
Alternativ kann die implantierbare medizinische Vorrichtung 260 ein implantierbarer Nervenstimulator oder ein Muskelstimulator sein, wie er in der US 5 199 428 , US 5 207 218 oder US 5 330 507 beschrieben ist, oder eine implantierbare Überwachungsvorrichtung, wie sie in der US 5 331 966 beschrieben ist. Die implantierbare medizinische Vorrichtung nach der Erfindung kann jede Art von implantierbarer elektrischer Vorrichtung sein, bei der ein CMOS-Schaltungsentwurf verwendet wird, und dürfte besonders dann vorteilhaft sein, wenn eine niedrige Leistung erwünscht ist.
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 sendet. 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 Erfindung nicht auf die besonderen elektronischen Merkmale und Betriebsweisen der hier beschriebenen besonderen implantierbaren medizinischen Vorrichtungen beschränkt und auch nicht auf implantierbare medizinische Vorrichtungen, die nur einen einzelnen Prozessor enthalten. Sie ist bei Mehrprozessorvorrichtungen ebenso gut anwendbar.
9 zeigt ein Blockschaltbild, das die Komponenten einer Herzschrittmachervorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Herzschrittmachervorrichtung 300 hat eine mikroprozessorbasierte Architektur. Die illustrative Herzschrittmachervorrichtung 300 nach 9 ist jedoch nur eine exemplarische Ausführungsform von solchen Vorrichtungen, und es ist klar, dass sie in irgendeiner logikbasierten, kundenspezifischen integrierten Schaltungsarchitektur bei Bedarf realisiert werden könnte wie jedes mikroprozessorbasierte System.
In der illustrativen Ausführungsform, die in 9 gezeigt ist, ist die Herzschrittmachervorrichtung 300 am bevorzugtesten mittels einer externen Programmiereinheit (in den Figuren nicht gezeigt) programmierbar. Ein solches Programmiergerät, das für die Zwecke der Erfindung geeignet ist, ist das im Handel erhältliche Programmiergerät Medtronic Modell 9790. Das Programmiergerät ist eine mikroprozessorbasierte Vorrichtung, die eine Serie von codierten Signalen an die Herzschrittmachervorrichtung 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 der US 5 127 404 beschrieben ist. Es ist jedoch klar, dass irgendeine Programmiermethode verwendet werden kann, solange die gewünschte Information zu und aus dem Herzschrittmacher gesendet wird.
Die Herzschrittmachervorrichtung 300, die in 9 zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist, ist mit dem Herz 264 eines Patienten durch Leitungen 302 verbunden. Eine Leitung 302a, die eine Elektrode 306 aufweist, ist mit einem Knotenpunkt 310 in der Schaltungsanordnung der Herzschrittmachervorrichtung 300 über einen Eingangskondensator 308 verbunden. Eine Leitung 302b ist mit einer Druckschaltung 354 einer Ein-/Ausgangsschaltung 312 verbunden, um ein Drucksignal aus einem Sensor 309 an die Druckschaltung 354 anzulegen. Das Drucksignal wird verwendet, um metabolische Forderungen und/oder ein Herzausgangssignal eines Patienten zu ermitteln. 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 Patienten bezieht. Die Ein-/Ausgangsschaltung 312 enthält Schaltungen zum Anschließen an das Herz 264, an den Aktivitätssensor 351, an die Antenne 334, an den Drucksensor 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 einer Mikrocomputereinheit 314.
Die Mikrocomputereinheit 314 weist vorzugsweise eine Schaltung 316 auf der Leiterplatte 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 vorgesehene Schaltung 328 eine RAM/ROM-Einheit auf. Die auf der Leiterplatte vorgesehene Schaltung 316 und die nicht auf der Leiterplatte vorgesehene Schaltung 328 sind jeweils durch einen Übertragungsbus 330 mit einer digitalen Steuereinheit/Zeitgeberschaltung 332 verbunden.
Gemäß der Erfindung werden die in 9 gezeigten Schaltungen durch eine implantierbare Batterieversorgungsspannungsquelle 301 (z.B. eine Spannungsquelle, die allgemein in den 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. Die Schaltungen, die unter der Steuerung eines Taktsignals betreibbar und in 9 gezeigt sind, werden gemäß der Erfindung unter der Steuerung einer Taktquelle 338 betrieben. Der Übersichtlichkeit halber ist das Anlegen der Taktsignale aus der Taktquelle 338 (z.B. eine Taktquelle, die allgemein in den 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 Aufwärtsverbindung/Abwärtsverbindung-Telemetrie über die HF-Sender-Empfänger-Einheit 336 zu gestatten. Die Einheit 336 kann der Telemetrie- und Programmlogik entsprechen, die in der US 4 556 063 beschrieben ist, oder derjenigen, die in der oben erwähnten US 5 127 404 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 Batterielebensdauerende (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 angelegt, wo digitale Zeitgeber und Zähler das gesamte Escapeintervall der Herzschrittmachervorrichtung 300 sowie verschiedene Refraktär-, Austast- und andere Zeitsteuerfenster 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 Erfassungsschaltung 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 elektrische Aktivität des Herzens 264 repräsentativ. Der Erfassungsverstärker 346 der Schaltungsanordnung 345 verstärkt die erfaßten Elektrokardialsignale und legt ein verstärktes Signal an eine Scheitelerfassungs- und Schwellenwertmessschaltungsanordnung 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 der US 4 379 459 beschrieben ist.
Das Elektrogrammsignal, das durch den EGM-Verstärker 348 geliefert wird, wird verwendet, wenn die implantierte Herzschrittmachervorrichtung 300 durch ein externes Programmiergerät (nicht dargestellt) abgefragt wird, um durch eine Aufwärtsverbindung-Telemetrie eine Darstellung eines analogen Elektrogramms der elektrischen Herzaktivität des Patienten durch eine Aufwärtsverbindung-Telemetrie zu senden. Diese Funktion ist beispielsweise in der US 4 556 063 gezeigt, die oben bereits erwähnt worden ist.
Ein Ausgangsimpulsgenerator und Verstärker 350 liefert dem Herzen 264 Stimulationsimpulse über den Kopplungskondensator 305 und die Elektrode 306 aufgrund eines Stimulationstriggersignals, das durch die digitale Steuereinheit/Zeitgeber-Schaltung 332 geliefert wird. Der Ausgangsverstärker 350 kann allgemein dem Ausgangsverstärker entsprechen, der in der US 4 476 868 beschrieben ist. Die Schaltungen nach 9, die eine CMOS-Schaltungsanordnung bilden und gemäß der 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.
10 ist ein funktionales Schaltbild aus der US 5 447 519 , das einen implantierbaren PCD 400 zeigt, in welchem die Erfindung nützlich angewandt werden kann. Dieses Schaltbild ist eine Darstellung, die lediglich als ein exemplarischer Typ von Vorrichtung anzusehen ist, in welchem die Erfindung ausgeführt werden kann. Andere implantier bare medizinische Vorrichtungen, wie sie oben beschrieben worden sind, mit funktionalen Organisationen, bei denen die vorliegende Erfindung von Nutzen sein kann, können auch gemäß der Erfindung modifiziert werden. Zum Beispiel dürfte die Erfindung in Verbindung mit implantierbaren PCDs brauchbar sein, wie sie in den älteren US 4 548 209 , US 4 693 253 , US 4 830 006 und US 4 949 730 beschrieben sind.
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 beabstandete Elektroden)-R-Zacke-Detektorschaltung 419 gezeigt, die einen bandpassgefilterten Verstärker 414, eine Autoschwellenwertschaltung 416 (zum Liefern eines einstellbaren 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. Die Verstärkung des Verstärkers 414 wird durch eine Herzschrittmacherzeitgeber- und Steuerschaltungsanordnung 420 eingestellt. Das Erfassungssignal wird z.B. verwendet, um die Zeitsteuerfenster einzustellen und aufeinanderfolgende Wellenformdaten für Morphologieerfassungszwecke auszurichten. Zum Beispiel kann das Erfassungsereignissignal 464 durch die Herzschrittmacher/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 besondere 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-Unterscheidungs funktion (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. Fernfeld-EGM-Signale aus den ausgewählten Elektroden werden durch den Bandpassverstärker 434 hindurch und in einen Multiplexer 432 geleitet, wo sie durch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 430 in digitale Datensignale zur Speicherung in einem Direktzugriffsspeicher 426 unter der Steuerung einer Direktspeicherzugriffsschaltungsanordnung 428 umgewandelt werden. Zum Beispiel kann eine Serie von EGM-Komplexen für mehrere Sekunden ausgeführt werden.
Gemäß der Erfindung werden die in 10 gezeigten Schaltungen durch eine implantierbare Batterieversorgungsspannungsquelle 490 (z.B. eine Spannungsquelle, die allgemein in den 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 gezeigt. Weiter werden die Schaltungen, die unter der Steuerung eines Taktsignals betreibbar sind und in 10 gezeigt sind, gemäß der 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 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 Wellenformen 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 gehören können, die hier bereits aufgelistet worden sind, und verschiedene andere Druckschriften in bezug auf implantierbare PCDs.
Andere Teile der PCD-Vorrichtung 400 nach 10 sind für Kardialstimulierungs-, Kardioversions- und Defibrillationstherapien vorgesehen. Für die Herzstimulierung enthält die Herzschrittmacher-Zeitgeber-/Steuerschaltung 420 programmierbare digitale Zähler, welche die grundlegenden Zeitsteuerintervalle steuern, die der Herzstimulierung zugeordnet sind, einschließlich der Stimulierescapeintervalle, der Refraktärperio den, während welchen erfaßte R-Zacken nicht in der Lage sind, die Zeitsteuerung von Escapeintervallen erneut zu starten, usw. Die Dauer der Intervalle wird üblicherweise durch den Prozessor 424 bestimmt und zu der Herzschrittmacher-Zeitgeber-/Steuerschaltung 420 über den Adress-/Datenbus 440 übertragen. Weiter bestimmt unter der Steuerung des Prozessors 424 die Herzschrittmacher-Zeitgeber-/Steuerschaltung 420 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 Erzeugung eines Kardioversions- oder Defibrillationsimpulses erforderlich ist, der Prozessor 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 Kardioversionsimpuls verlangt, aktiviert der Prozessor 424 eine Kardioversion/Defibrillation-Steuerschaltungsanordnung 454, welche das Laden von Hochspannungskondensatoren 456, 458, 460 und 462 über eine Ladeschaltung 450 unter der Steuerung einer Hochspannungsladeleitung 452 einleitet. Anschließend wird die Lieferung und Zeitsteuerung des Defibrillations- oder Kardioversionsimpulses durch die Herzschrittmacher-Zeitgeber-/Steuerschaltungsanordnung 420 gesteuert. Verschiedene Ausführungsformen eines geeigneten Systems zur Lieferung und Synchronisation von Kardioversions- und Defibrillationsimpulsen und zum Steuern der Zeitgeberfunktionen, die sich auf sie beziehen, sind ausführlicher in der US 5 188 105 beschrieben. Eine weitere derartige Schaltungsanordnung zum Steuern der Zeitsteuerung und der Erzeugung von Kardioversions- und Defibrillationsimpulsen ist in der US 4 384 585 , US 4 949 719 und US 4 375 817 beschrieben. Weiter ist eine bekannte Schaltungsanordnung zum Steuern der Zeitsteuerung und der Erzeugung von Antitachykardie-Stimulierimpulsen beschrieben in der US 4 577 633 , US 4 880 005 , US 4 726 380 und US 4 587 970 .
Die Auswahl einer besonderen Elektrodenkonfiguration zum Liefern der Kardioversions- 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 Hochspannungselektroden 406, 408 und 410 bei dem Liefern des Defibrillations- oder Kardioversionsimpulsbetriebes verwendet wird.
Die Komponenten der PCD-Vorrichtung 400 nach 10, die eine CMOS-Schaltungsanordnung bilden, welche zu einem Betrieb gemäß der Erfindung 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 Erfindung können sowohl die Herzschrittmachervorrichtung 300, die in 9 dargestellt ist, als auch die PCD-Vorrichtung 400, die in 10 dargestellt ist, gemäß den generalisierten Ausführungsformen realisiert werden, die oben mit Bezug auf die 1–7 beschrieben worden sind. Erstens kann, z.B. mit Bezug auf die Herzschrittmachervorrichtung 300 nach 9, die Spannungsversorgungsquelle 301 der Herzschrittmachervorrichtung 300 auf eine Art und Weise realisiert werden, wie es oben mit Bezug auf die 1 bis 7 beschrieben worden ist, und ebenso kann die Taktquelle 338 der Herzschrittmachervorrichtung 300 auf eine Art und Weise realisiert werden, wie es oben mit Bezug auf die 1–7 beschrieben worden ist. Ebenso können die Taktquelle 491 der PCD-Vorrichtung 400 nach 10 und die Spannungsversorgungsquelle 490 der PCD-Vorrichtung 400 nach 10 gemäß den generalisierten Ausführungsformen realisiert werden, die oben mit Bezug auf die 1–7 beschrieben 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 verschiedene 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 Ver sorgungsspannung betrieben werden. Die automatische Einstellung von Telemetrieparametern unter gewissen Umständen ist in der US 5 683 432 beschrieben.
Weiter können gemäß 10 die A/D-Wandlerschaltung 430, die Kardioverter/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 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 Taktgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Funktion betrieben werden, die durch den Prozessor 424 erzeugt wird, wie es beispielsweise hier mit Bezug auf 7 beschrieben worden ist. Zum Beispiel kann die Morphologieerfassung bei typischen physiologischen Frequenzen (d.h. 50 bis 150 Herzschlägen pro Minute) mit einer ersten Taktfrequenz und einer entsprechenden Versorgungsspannung erfolgen, während die Arrhythmieerfassung mit einer anderen Taktfrequenz und einer entsprechenden Versorgungsspannung erfolgen kann.
11 zeigt eine Digitalsignalverarbeitungsschaltungsanordnung 500 mit variablem Takt und variabler Versorgungsspannung, die in Verbindung mit und/oder alternativ zu manchen Schaltungen, die in den 9 und 10 gezeigt sind, verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die Digitalsignalverarbeitungsschaltungsanordnung 500 nach 11 anstelle der Aktivitätsschaltung 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 bei variabler Kompression über ADC-Abtastung bereits erfolgt ist. Der A/D-Wandler (ADC) kann auch variable Umwandlungsraten haben, wie es in der US 5 263 486 und in der US 5 312 446 beschrieben ist.
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 umgewandelten Digitalsignale an ein Digitalfilter 518 anlegt, um eine Wellenform zur Analyse einem Wellenformanalysierprozessor 520 zu liefern (d.h. einem digitalen Signalprozessor (DSP)). Zum Reduzieren der Leistung wird der Wellenformanalysierprozessor 520 mit verschiedenen Geschwindigkeiten getaktet, d.h. gemäß der Erfindung 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 im „Leerlauf" sein kann. Ein solcher Verarbeitungszyklus ist oben mit Bezug auf 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 Erfindung, wenn die Geschwindigkeit reduziert wird, der Versorgungsspannungswert (V_DD) auch entsprechend reduziert werden kann. Eine reduzierte Leistungsaufnahme wird somit erreicht, wie es oben beschrieben worden ist.
Die Erfindung ist mit verschiedenen Fabrikationstechnologien wie Silicium auf Isolator (SOI)-, Silicium auf Saphir (SOS)-CMOS-Technologien sowie mit herkömmlichen Silicium-CMOS-Technologien kompatibel. Die Erfindung, wie sie hier beschrieben worden ist, ist eine fortschrittliche Technologie für die Verwendung 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 Leistungsaufnahme realisiert werden, da Versorgungsspannungen und Taktfrequenzen für verschiedene Funktionen, die durch die Prozessoren erfüllt werden, reduziert werden.
Darüber hinaus können, wenn die Leistungsaufnahme reduziert wird, weitere Funktionsmöglichkeiten den Vorrichtungen hinzugefügt werden, um eine Vorrichtung mit zusätzlichen Funktionen relativ zu den bekannten Vorrichtungen mit höherer Leistungsaufnahme zu schaffen. Zum Beispiel kann der Prozessor verschiedene Morpho logieerfassungsfunktionen 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 elektromagnetische Störung (EMI) scheinbar aus Diebstahldetektoren, Leitfähigkeitssignalen, HF-Rauschen, Myopotentialen, usw. stammen.
Die obigen speziellen Ausführungsformen sind für die Ausführung der Erfindung illustrativ. Es ist deshalb klar, dass andere Maßnahmen, die dem einschlägigen Fachmann bekannt oder hier offenbart sind, verwendet werden können. Zum Beispiel ist die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Taktquelle beschränkt, welche diskrete Taktfrequenzen liefert, sondern diese Taktfrequenzen können auf eine kontinuierliche Art und Weise verändert werden. Weiter braucht die Versorgungsspannungsquelle 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 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 Telekommunikation, wo eine niedrige Leistungsaufnahme erwünscht ist. Die Erfindung benutzt Verfahren zum Herstellen und Verwenden der JIT-Takt- und/oder Mehrversorgungsspannungskonzepte, die oben beschrieben sind.

Claims

Implantierbare medizinische Vorrichtung, mit einer oder mehreren Schaltungen (C1–Cn), die so betreibbar sind, dass sie wenigstens eine Funktion während einer vorbestimmten Zeitspanne (x) erfüllen, wobei sich die vorbestimmte Zeitspanne (x) zwischen einer früheren Zeitspanne und einer späteren Zeitspanne erstreckt und wobei sich weiter wenigstens eine der Schaltungen (C1–Cn) betreiben lässt, um die wenigstens eine Funktion in einer vorbestimmten Zahl (n) von Taktzyklen zu vollenden, und mit einer Taktquelle (34) zum Liefern von Taktsignalen mit einer Vielzahl von Taktfrequenzen (TAKT1–TAKTn), dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Taktquelle (34) die wenigstens eine der Schaltungen (C1–Cn) mit einer der Taktfrequenzen (TAKT1–TAKTn) dynamisch steuerbar ist, die so niedrig wie möglich ist, damit im wesentlichen die gesamte vorbestimmte Zeitspanne (x) eingesetzt wird, um die wenigstens eine Funktion zu erfüllen und unmittelbar vor der nächsten Zeitspanne zu vollenden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Schaltungen (C1–Cn) wenigstens 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 vorbestimmten Zeitspanne zu erfüllen, und die zweite Logikschaltung betreibbar ist, um die zweite Funktion während einer zweiten vorbestimmten Zeitspanne zu erfüllen, und wobei die erste und die zweite Logikschaltung jeweils mit einer anderen Taktfrequenz betreibbar sind, so dass im wesentlichen die gesamte erste und zweite vorbestimmte Zeitspanne durch die erste bzw. zweite Logikschaltung verwendet werden, um die erste bzw. zweite Funktion zu erfüllen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorbestimmte Zeitspanne und die zweite vorbestimmte Zeitspanne Zeitspannen sind, die auf physiologischen Ereignissen basieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste oder die zweite Zeitspanne eine Zeitspanne ist, die aus einer Gruppe von Zeitspannen ausgewählt ist, welche Herzereignissen zugeordnet sind wie Austastintervall, oberes Frequenzintervall, Escapeintervall, Refraktärintervall und Impulsgenerator/Programmiergerät-Quittungsaustausch.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Schaltungen (C1–Cn) eine Verarbeitungsschaltungsanordnung (100, 150, 200) umfassen, die betreibbar ist, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen, wobei von der Vielzahl von Funktionen jede während einer zugeordneten vorbestimmten Zeitspanne vor einer nächsten Zeitspanne ausgeführt wird, in welcher von der Vielzahl von Funktionen eine weitere ausgeführt wird, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung (100, 150, 200) 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 Zeitspanne 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.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten vorbestimmten Zeitspannen Zeitspannen sind, die auf physiologischen Ereignissen basieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der zugeordneten Zeitspannen eine Zeitspanne ist, die aus einer Gruppe von Zeitspannen ausgewählt ist, welche Herzereignissen zugeordnet sind wie Austastintervall, oberes Frequenzintervall, Escapeintervall, Refraktärintervall und Impulsgenerator/Programmiergerät-Quittungsaustausch.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Versorgungsspannungsquellen (106, 154), um eine oder mehrere Versorgungsspannungen (V1–Vn) zu liefern, wobei die eine oder die mehreren Versorgungsspannungsquellen (106, 154) mit der einen oder den mehreren Schaltungen (C1–Cn) operativ verbunden sind, so dass eine Versorgungsspannung an wenigstens eine Schaltung als eine Funktion der Taktfrequenz angelegt wird, mit der die wenigstens eine Schaltung betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Schaltungen (C1–Cn) wenigstens 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.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Schaltungen eine Verarbeitungsschaltungsanordnung (200) umfassen, die betreibbar ist, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen, wobei jede von wenigstens zwei der Vielzahl von Funktionen mit einer anderen Taktfrequenz erfüllt wird und wobei weiter die Versorgungsspannung, die an der Verarbeitungsschaltungsanordnung (200) anliegt, so eingestellt wird, dass eine erste Versorgungsspannung für die Verarbeitungsschaltungsanordnung (200) während der Erfüllung von einer der wenigstens zwei Funktionen verwendet wird und eine zweite Versorgungsspannung für die Verarbeitungsschaltungsanordnung (200) während der Erfüllung der anderen Funktion verwendet wird, wobei die erste und die zweite Versorgungsspannung auf der Basis der verschiedenen Taktfrequenzen, die zum Steuern der Verarbeitungsschaltungsanordnung (200) verwendet werden, angelegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktion mit einer Frequenz erfüllt wird, die relativ höher ist als die Frequenz zum Erfüllen der zweiten Funktion, wobei der erste Versorgungsspannungswert, der während der Erfüllung der ersten Funktion verwendet wird, relativ zu dem zweiten Versorgungsspannungswert hoch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktion eine Funktion ist, die aus einer Gruppe aus Hochgeschwindigkeitstelemetrie-Aufwärtsverbindung/Abwärtsverbindung, Morphologieerfassung, Vorrichtungsinitialisierung, Arrhythmieerkennung, Fernfeld-R-Zacke-Erkennung, Erkennung von elektromagnetischer Störung und rückläufiges Leiten ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktion aus einer Gruppe aus Erfassung von intrinsischem Herzschlag, Stimulierung, Niedergeschwindigkeitstelemetrie, Datenübertragung über Telefon, Ferndatenüberwachung und Batterieprüfung ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Multiplexer und Analog/Digital-Wandler (342) zum Empfangen einer Vielzahl von analogen Signalen zum Umwandeln von einem oder mehreren der analogen Signale in digitale Signale und zum Anlegen dieser digitalen Signale an die Verarbeitungsschaltungsanordnung, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung mit den digitalen Signalen arbeitet, welche für wenigstens ein erstes analoges Signal der Vielzahl 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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Herzschrittmacher, einem implantierbaren Defibrillator, einem implantierbaren Impulsgenerator (IPG), einem Herzschrittmacher-Kardioverter-Defibrillator (PCD), einem automatischen implantierbaren Defibrillator (AID), einem Gehirnstimulator, einem Neurostimulator, einem Schlafapnoestimulator, einem Inkontinenzstimulator, einem Magenstimulator und einem implantierbaren Herzmonitor besteht.