DE19928216C2 - Telemetrie-Spulenanordnung zum Empfang von Datensignalen insbesondere von kardiologischen Implantaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Telemetrie-Spulenanordnung zum Empfang von Datensignalen insbesondere von kardiologischen Implantaten mit einem Paar von in Empfangsrichtung hintereinander liegenden Wicklungen.

Eine derartige Telemetrie-Empfangsspulenanordnung ist aus der US 5,630,835 A bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine elektronische Vorrichtung zum nicht-invasiven Kommunizieren mit einem implantierten Gerät, wie z. B. einem Herzschrittmacher. Bei dem elektronischen Gerät - im vorliegenden Anwendungsfall einem sogenannten "Programmierkopf" - ist eine Antennenanordnung mit zwei gegensinnig verschalteten Spulen­ wicklungen vorgesehen. Durch diese bekannte Antennenanordnung mit einer seriell gegenphasigen Hintereinanderschaltung der beiden Spulen­ wicklungen können die Effekte sogenannter Fernfeld-Interferenz-Signale auf die empfangenen Nahfeld-Signale vom Implantat unterdrückt werden.

Der dem bekannten Stand der Technik zugrundeliegende Effekt beruht auf der Tatsache, daß die genannten Störfelder in Form von Fernfeld- Interferenz-Signalen im wesentlichen durch homogene elektromagnetische Felder repräsentiert werden, während das Sendefeld des Implantates ein ausgesprochen inhomogenes elektromagnetisches Feld darstellt. Durch die gegenphasige Verschaltung der beiden Spulenwicklungen heben sich die homogenen Signalanteile gegenseitig auf, während die inhomogenen Signalanteile lediglich geringfügig gedämpft werden. Dadurch verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis von 1 : 1 bei Verwendung nur einer ein­ zigen Empfangsspule bis auf eine Größenordnung von z. B. 47 : 1 bei der im Ausführungsbeispiel der eingangs genannten Druckschrift angegebenen Geometrie der beiden Spulen. Theoretisch läßt sich sogar eine vollständige Unterdrückung homogener Felder erreichen.

Aus der US 5,741,315 A ist es ferner bekannt, bei einer telemetrischen Datenübertragungseinrichtung eine Empfangs- und eine Kompensa­ tionsspule unterschiedlichen Durchmessers auf einem becherartigen Träger so anzuordnen, daß inhomogene Signale - nämlich in diesem Falle die Sende-Signale des Implantates - nur in der Empfangsspule wahrgenommen werden, während homogene Signale - nämlich Stör-Signale - dagegen auch in der Kompensationsspule gemessen werden.

Aus der DE 39 36 547 A1 ist eine Anordnung zur telemetrischen Kommu­ nikation zwischen zwei Geräten mittels eines magnetischen Nahfeldes be­ kannt, bei dem für eine störungsfreie Kommunikation in dem Gerät mit der Empfangsspule eine Kompensationsspule derart angeordnet und in Reihen­ schaltung mit der Empfangsspule an der Empfangsschaltung angeschlossen ist, daß sich im Falle eines beide Spulen durchsetzenden Störmagnetfeldes die in den Spulen induzierten Störspannungen an der Empfangsschaltung gegenseitig aufheben. Hier ist also wiederum das sogenannte "Doppelspu­ lenprinzip" realisiert, das für die Kompensation von homogenen Störfel­ dern sorgt.

Da bei kardiologischen Implantaten beispielsweise ein Herzschrittmacher sehr schwache Magnetfelder zur Datenübertragung aussendet, die in einer vergleichsweise gestörten Umgebung empfangen werden müssen, sollten auch inhomogene Störfelder in geeigneter Weise unterdrückt werden. Dies ist durch die in der US 5,630,835 A angegebene Spulenanordnung nicht möglich.

Insoweit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Empfangseigenschaften von Telemetrie-Spulenanordnungen zum Empfang von Datensignalen insbesondere bei kardiologischen Implantaten zu ver­ bessern.

Das Grundkonzept der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist in zwei unterschiedlichen Ausprägungen den Kennzeichnungsteilen der ne­ bengeordneten Ansprüche 1 und 2 entnehmbar. Das aus dem Stand der Technik bekannte Doppelspulenprinzip kann demnach verbessert werden, indem - insbesondere bei geraden Anzahlen von Spulen - die Wicklungen unterschiedlichen Durchmesser und daran angepaßte Bindungszahlen der­ art aufweisen, daß durch ihre Empfangscharakteristik inhomogene Störfel­ der unterdrückbar sind (Anspruch 1). Alternativ dazu kann - insbesondere bei Systemen mit Wicklungen gleichen Durchmessers - eine unsymmetri­ sche Verschaltung der Wicklungen mit entsprechend angepaßten Bin­ dungszahlen vorgesehen sein, daß wiederum durch ihre Empfangscharakte­ ristik inhomogene Störfelder unterdrückbar sind. Für eine unsymmetrische Verschaltung sind mindestens drei Wicklungen notwendig.

Durch die vorstehend erörterten Maßnahmen können bestimmte Richtcharakteristiken erzielt werden, wodurch die Unterdrückung inhomogener Störfelder verbessert werden kann. Die Anzahl der Windungen auf den Wicklungen muß dabei so angepaßt sein, daß trotz die­ ser unterschiedlichen Durchmesser der Spulen oder der unsymmetrischen Verschaltung der Spulen von homogenen Störfeldern induzierte Spannun­ gen bei entsprechender Verschaltung der Wicklungen sich gegenseitig auf­ heben. Näheres hierzu ist der Beschreibung der Ausführungsbeispiele ent­ nehmbar.

Eine weitere Problematik bei Telemetrie-Spulenanordnungen sind die so­ genannten "Nullstellen" bei einem Seitenversatz der Sende- und Em­ pfangsspule. Es kann nämlich beobachtet werden, daß bei bestimmten Grö­ ßen eines Seiten- oder radialen Versatzes zwischen den beiden Spulensy­ stemen die Empfangsspannung unabhängig von der Amplitude des Sende­ feldes zu Null wird. Wie anhand der Ausführungsbeispiele wiederum er­ kennbar wird, zeigen unterschiedliche Wicklungssysteme unterschiedliche Nullstellen. Bei mindestens drei Wicklungen mit zumindest zwei unter­ schiedlichen Durchmessergrößen und einer entsprechenden Verkoppelung dieser Wicklungssysteme können nun bei einer bestimmten Empfangssi­ tuation die Wicklungssysteme individuell zu Spulenkombinationen zusam­ mengeschaltet werden, bei denen optimale Empfangseigenschaften vorlie­ gen. Die Wahl zwischen den verschiedenen Systemkonfigurationen kann beispielsweise durch Auswertung geeigneter Signalparameter, wie der Amplitude oder dem Signal-Rausch-Verhältnis, erfolgen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nach­ folgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele des Er­ findungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild zum Vergleich zwischen den Empfangseigenschaften eines Wicklungssystems nach dem Stand der Technik und eines er­ findungsgemäßen Wicklungssystems,

Fig. 2 ein Schaubild zur Darstellung der Empfangseigenschaften eines weiteren Wicklungssystems in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer kompletten Spulenanordnung in einer weite­ ren Ausführungsform,

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Verschaltung der Spulenan­ ordnung gemäß Fig. 3, und

Fig. 5 ein Wickelschema für die Spulenanordnung gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 werden zwei verschiedene Spulenanordnungen miteinander ver­ glichen, nämlich ein erstes Wicklungssystems WS1 nach dem in der vorlie­ genden Anmeldung vorausgesetzten Stand der Technik und ein zweites Wicklungssystem WS2 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Wicklungssystem WS1 weist zwei Spulen 1, 2 mit gleichem Durchmesser von z. B. 88 mm und einem Abstand der beiden Wicklungen in Empfangs­ richtung E von 0,5 cm auf.

Bei dem zweiten Wicklungssystem WS2 weisen beide Spulen 1', 2' ver­ schiedene Durchmesser auf, nämlich die kleinere Spule 1' einen Durch­ messer von 60 mm und die größere 2' von 88 mm. Der Abstand der beiden Spulen in Empfangsrichtung E beträgt wiederum 0,5 cm.

Links unten im Schaubild gemäß Fig. 1 ist nun höchst schematisch eine Meßanordnung dargestellt, mit der die beiden Wicklungssysteme WS1 und WS2 getestet wurden. Demnach wurde das jeweilige Wicklungssystem WS1 oder WS2 an Meßplatz M positioniert. Von einer Störquelle 3 in Form einer Spule mit einem Durchmesser von 10 cm in einem Abstand r von 30 cm wird in einem Winkel α ein Störsignal eingestrahlt.

Die Abhängigkeit der Amplitude A der Empfangsspannung im jeweiligen Wicklungssystem WS1 bzw. WS2 vom Winkel α ist im Meßdiagramm in Fig. 1 aufgetragen. Der Winkel α ist dabei auf der Ordinate des Diagramms in Bogenmaß-Einheiten aufgetragen, während die Amplitude A der Emp­ fangsspannung auf der Abszisse nicht normiert ist. Mit einer strichlierten Kurvenlinie ist das winkelabhängige Empfangsverhalten des Wicklungssy­ stems WS1 nach dem Stand der Technik dargestellt, während die durchge­ zogene Linie das Empfangssignal am Wicklungssystem WS2 gemäß der Erfindung wiedergibt. Wie aus einem Vergleich der beiden Graphen her­ vorgeht, weist das Wicklungssystem WS2 eine deutliche Vorzugsrichtung bei einem Winkel von α = 0 auf. Alle Seitenbänder der Empfangssignal­ kurve mit Maxima bei ±π/2 und ±π sind deutlich niedriger als beim Wicklungssystem WS1. Letzteres weist gleiche Empfindlichkeiten bei α = 0 und α = ±π auf, d. h. die Empfindlichkeit ist nach vorne wie nach hinten gleich.

Aus dem vorstehenden Vergleich wird deutlich, daß durch eine entspre­ chende Wahl von Durchmessern der einzelnen Spulen 1', 2' und der Posi­ tionen der einzelnen Wicklungen zueinander bestimmte Richtcharakteristi­ ken erzielt werden können, wodurch die Unterdrückung nicht homogener Störfelder verbessert wird.

Anhand des Schaubildes nach Fig. 2 ist eine weitere Problematik bei der induktiven Übertragung von Daten mit Hilfe von Spulenanordnungen zu erläutern, wie sie bereits in der Beschreibungseinleitung angesprochen wurde. Dies kann anhand des Meßaufbaus links unten in Fig. 2 näher er­ läutert werden. Dort ist wiederum ein Meßplatz M angedeutet, an dem ein Empfangsspulensystem zu positionieren ist. In einem Abstand r in Emp­ fangsrichtung E entfernt davon ist eine Sendespule 4 mit einem Durchmes­ ser von 2 cm angeordnet, die beispielsweise die Sendespule eines Herz­ schrittmachers repräsentiert. Die Empfangsleistung, wie sie vom Wick­ lungssystem am Meßplatz M empfangen wird, ist nun abhängig vom seitli­ chen Versatz x der Sendespule 4 gegenüber der Empfangsspulenanordnung am Meßplatz M. Bei bestimmten seitlichen Auslenkungen x zeigt die Emp­ fangsleistung Nullstellen, wie dies im Meßdiagramm in Fig. 2 angedeutet ist. Die Nullstellen sind durch die nach unten gerichteten Spitzen in den einzelnen Graphen erkennbar.

Die Kurvenpaare in dem Meßdiagramm gemäß Fig. 2 geben eine Spulen­ anordnung wieder, wie sie links oben in Fig. 2 angedeutet ist. Diese Spu­ lenanordnung weist zwei Doppelspulensysteme mit einem Wicklungssy­ stem WS1' (dargestellt in durchgezogenen Linien) und einem Wicklungs­ system WS2' (strichliert dargestellt) auf. Das Wicklungssystem WS1' weist zwei Spulen 5, 6 mit einem Durchmesser von 60 mm und einem gegensei­ tigen Abstand von 0,7 cm auf. Beide Sputen 5, 6 liegen koaxial zueinander.

Das Wicklungssystem WS2' weist zwei Spulen 5', 6' auf, die koaxial zur entsprechenden Spule 5, 6 des ersten Wicklungssystems WS1' liegen und einen Durchmesser von jeweils 88 mm aufweisen. Die Spulen 5', 6' liegen auch in der gleichen Ebene wie die Spulen 5, 6, weisen also ebenfalls einen Abstand von 0,7 cm auf.

Wird nun das Empfangsspulensystem mit den zwei Wicklungssystemen WS1', WS2' an den Meßplatz M beispielsweise in einem Abstand von r = 5 cm gesetzt, so ergibt sich für das Wicklungssystem WS1' eine Null­ stelle bei ca. 5,5 cm und für das Wicklungssystem WS2' bei 6,1 cm. Bei anderen Abständen, wie r = 1 cm oder r = 9 cm ergeben sich die Nullstellen an anderen Seitenversatz-Positionen, nämlich beispielsweise x = 3,5 cm und 4,8 cm bzw. x = 8,1 cm und 8,8 cm.

Aus dem Meßdiagramm wird deutlich, daß durch Verwendung zweier Doppelspulensysteme mit den Spulen 5, 5', 6, 6' bei Vorliegen einer be­ stimmten Position der Sende- und Empfangsspulen Systeme zueinander durch Auswahl des geeigneten Wicklungssystems WS1' oder WS2' das Empfangsverhalten optimiert werden kann. Empfangsausfälle durch Tref­ fen einer Nullstelle werden dadurch vermieden. Die Spulen 5, 6 bzw. 5', 6' können dabei entweder hardwaretechnisch fest verdrahtet sein oder aber über Schalter wahlweise kombiniert werden. Als Kriterium für die Ver­ wendung der jeweiligen Spulen-Kombination kann die Empfangssig­ nalamplitude, der Signal-Rausch-Abstand oder sonstige Kriterien herange­ zogen werden, die für die jeweils momentan beste Empfangs-Empfindlich­ keit sprechen. Der Deutlichkeit halber ist in diesem Zusammenhang anzu­ merken, daß bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung zweier Doppelspu­ lensysteme beispielsweise durch eine Verschaltung der kleineren Spule 5 mit der größeren Spule 6' auch die anhand von Fig. 1 erläuterte Verbesse­ rung der Richtungscharakteristik hervorgerufen werden kann.

Ein praktisches Beispiel zur Umsetzung der beiden anhand von Fig. 1 und 2 grundsätzlich erläuterten Spulensysteme und Meßprinzipien ist in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Mehrfach- Spulenkörper 7, der vier koaxial und in Empfangsrichtung E mit Abstand hintereinander angeordnete Spulen 8, 9, 10, 11 aufweist. Diese Spulen 8, 9, 10, 11 sind auf einen jeweils nicht näher dargestellten Spulenkörper mit Flanschen 12, 13, 14, 15, 16 gewickelt. Die Außenlagen der einzelnen Spulen 8 bis 11 sind durch Isolierband 17 abgedeckt.

Die Spule 8 ist eine Sendespule. Die Spulen 9, 10, 11 sind zu einem Em­ pfangsspulen-System variabel verschaltbar.

Die in Fig. 5 erkennbaren Anschlußleitungen 18, 19, 20, 21, 22 der Spulen 8, 9, 10, 11 sind zu einem Leitungsstrang 23 verdrahtet und münden in ei­ nen Stecker 24, mittels dem die Spulenanordnung an eine entsprechende Empfangsschaltung eines Programmierkopfes z. B. für einen Herzschrittma­ cher angeschlossen werden kann.

Wie aus den Fig. 3 bis 5 deutlich wird, sind die beiden innenliegenden Spulen 9, 10 mit einer gleichen Windungsanzahl und Durchmesser verse­ hen sowie über einen breiteren Flansch 14 im Vergleich zu den weiteren Flanschen 12, 13, 15, und 16 voneinander getrennt. Die beiden Spulen 9, 10 weisen eine Windungszahl von 60 auf, die in zwei Lagen zu jeweils 30 gleichsinnig gewickelten Windungen 25 gebildet sind. Zwischen den Lagen ist ein Abstandshalter 26 angebracht, der einen Abstand von 1 mm zwi­ schen den beiden Wicklungslagen hält.

Die unterste Spule 11 weist einen geringeren Durchmesser und eine Win­ dungszahl von 83 auf, die in drei gleichsinnig gewickelten Lagen von auf­ einanderfolgend 30, 23 und wieder 30 Windungen gewickelt ist. Zwischen den Wicklungslagen ist wiederum jeweils ein Abstandshalter 26 angeord­ net, um dazwischen einen Abstand von jeweils 1 mm zu halten.

Wie aus Fig. 4 deutlich wird, sind die Spulen 9, 10, 11 gleichsinnig gewic­ kelt und mit ihren einen Enden in einem Sternpunkt 27 verbunden. Die an­ deren Wicklungsenden der Spulen 9, 10, 11 sind über die Anschlußleitun­ gen 20, 21, 22 angeschlossen. Die Senderspule 8 ist über die Anschlußlei­ tungen 18, 19 separat angeschlossen. Durch eine entsprechende Verschal­ tung der Anschlußleitungen 20 bis 22 über den Stecker 24 können bei­ spielsweise die Spulen 11 und 10 zu einem Wicklungssystem WS2 mit Spulen unterschiedlicher Durchmesser und angepaßter Windungszahl oder die Spulen 9 und 10 zu einem Spulensystem mit gleicher Windungszahl zusammengeschaltet werden. Die drei Spulen 9, 10, 11 sind somit zu zwei verschiedenen Wicklungssystemen verschaltbar.

Claims (7)

1. Telemetrie-Spulenanordnung zum induktiven Empfang von Sende­ signalen insbesondere bei kardiologischen Implantaten mit mindestens zwei von in Empfangsrichtung mit Abstand angeordneten und ver­ schalteten Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklun­ gen (1', 2') unterschiedlichen Durchmesser und daran angepaßte Win­ dungszahlen derart aufweisen, daß durch ihre Empfangscharakteristik inhomogene Störfelder unterdrückbar sind.

2. Telemetrie-Spulenanordnung zum induktiven Empfang von Sende­ signalen insbesondere bei kardiologischen Implantaten mit mindestens drei von in Empfangsrichtung mit Abstand angeordneten und verschal­ teten Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (5, 6, 5', 6', 8, 9, 10, 11) unsymmetrisch verschaltet sind und angepaßte Windungszahlen derart aufweisen, daß durch ihre Empfangscharakteri­ stik inhomogene Störfelder unterdrückbar sind.

3. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Wicklungen (5, 6, 5', 6') mit zumindest zwei un­ terschiedlichen Durchmessergrößen vorgesehen sind.

4. Spulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Wicklungen (5, 6, 5', 6') zwei Wicklungssysteme (WS1', WS2') mit einem Paar von kleineren, gegensinnig verschaltba­ ren Wicklungen (5, 6) und einem Paar von größeren, ebenfalls gegen­ sinnig verschaltbaren Wicklungen, (5', 6') bilden, wobei beide Wick­ lungssysteme (WS1', WS2') getrennt aktivierbar sind.

5. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die verschiedenen Wicklungen (5, 6, 5', 6', 9, 10, 11) abhängig von Empfangsparametern individuell zu Wicklungskom­ binationen zusammenschaltbar sind.

6. Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Basis-Wicklungspaar zwei koaxiale in Empfangsrichtung mit Abstand angeordnete Wicklungen (9, 10) mit gleicher Windungszahl und Durchmesser vorgesehen ist, denen mindestens zwei Hilfswicklungen (8, 11) mit unterschiedlicher Windungszahl und/oder Durchmesser in­ dividuell zuschaltbar sind.

7. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens 3 Spulen gleichen und/oder unter­ schiedlicher Durchmesser zu mindestens zwei verschiedenen Wick­ lungssystemen verschaltbar sind.