DE3232009A1

DE3232009A1 - Implantierbare wandleranordnung

Info

Publication number: DE3232009A1
Application number: DE19823232009
Authority: DE
Inventors: Paul P. 53545 Janesville Wis. Monroe
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1981-08-28
Filing date: 1982-08-27
Publication date: 1983-03-10
Also published as: NL8203285A; AU556304B2; FR2512229A1; US4432372A; FR2512229B1; AU8778482A; DE3232009C2

Description

- 3 Ger. P-554

Medtronic, Inc.

3055 Old Highway Eight

Minneapolis, Minn. 55440, V.St.A,

Implantierbare Wandleranordnung

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Wandleranordnung und insbesondere eine Wandleranordnung mit einer Widerstandsbrücke, die von der Verarbeitungselektronik entfernt angeordnet ist.

Die frühesten und heute vorherrschenden Druckmeßeinrichtungen zur Verwendung im menschlichen Körper sehen einen Druckübermittlungskatheter vor, welcher den zu messenden Druck zwischen einer im Körper befindlichen, entfernten Stelle und dem außerhalb des Körpers angeordneten Druckwandler selbst überträgt (US-PS 3,473,386). Der Hauptnachteil einer solchen Einrichtung besteht in der mangelnden Genauigkeit, die mit dem Druckübermittlungskatheter zu erreichen ist. Ein weiterer, jetzt wichtig werdender Nachteil ist darin zu sehen, daß Geräte dieser Art nicht implantierbar und infolgedessen für Langzeitanwendungen ungeeignet sind.

Ein frühes Beispiel eines auf Dauer implantierbaren Druckwandlers ist aus der US-PS 3,614,954 bekannt. Bei diesem Druckwandler handelt es sich um eine piezoelektrische Widerstandsbrücke mit den üblichen vier Brückenzweigen und

zwei Anschlüssen zur Zufuhr von elektrischer Energie sowie zwei Signalanschlüssen, die mit einer Verstärkerschaltung verbunden sind. Diese Art des Anschlusses eines implantier baren Druckwandlers an die zugehörige Elektronik wird auch heute noch am häufigsten angewendet.

Ein wesentlich später liegender Wandler ist in der US-PS 4,023,562 beschrieben. Es handelt sich dabei um einen implantierbaren, mit piezoelektrischen Widerständen ausgerüsteten Siliziumdruckwandler, der gleichfalls vier Anschlüsse benötigt, die an vier metallisierte Kontaktplättchen herausgeführt sind. Die Verbindung zu dem Druckwandler erfolgt über vier getrennte Leiter.

In der europäischen Offenlegungsschrift O 047 986 ist ein praktischer, auf Dauer implantierbarer Druckwandler in Form einer hermetisch abgedichteten Baueinheit beschrieben. Auch dieser Druckwandler benutzt eine Vierdrahtanordnung. Zwei der Leiterdrähte dienen der Zufuhr von elektrischer Energie zu der Widerstandsbrücke, während die beiden anderen Leiter für Meßzwecke herangezogen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine implantierbare Wandleranordnung zu schaffen, die eine Verminderung der Anzahl der benötigten Zuleitungen gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein hermetisch abgedichteter Siliziumdruckwandler mit piezoelektrischen Niderständen vorgesehen, der über eine implantierbare Leitung mit einer Erfassungsschaltung gekoppelt ist. Durch den Einsatz einer nahe der Erfassungselektronik angeordneten Schaltstufe in Verbindung mit einem Zwischenspeicher, insbesondere Kondensator, und wahlweise zusätzlich vorgesehenen Steuerdioden in der Widerstandsbrücke lassen sich zwei Leiter im Zeitmultiplex oder Simultanbetrieb für die beiden Funktionen nutzen, der Widerstandsbrücke Energie zuzuführen und die resultierenden Widerstandsänderungen zu erfassen.

Die Schaltstufe führt über die beiden Leiter Energie während eines Teils jedes Erfassungszyklus zu. Die Energie wird dem Kondensator zugeleitet, wodurch dieser für spätere Verwendung aufgeladen wird. Während des Ladeabschnitts des Zyklus wird die Erfassungsschaltung von den beiden im Multiplexbetrieb arbeitenden Leitern abgetrennt. Während des zweiten Teils des Zyklus erfolgt eine Abtrennung der Stromquelle von den beiden Leitern, und die beiden Leiter werden an den Eingang der Erfassungsschaltung angeschlossen. Jetzt entlädt sich der in der Widerstandsbrücke liegende Kondensator über die Widerstandsbrücke, und Widerstandsänderungen lassen sich mittels der Erfassungsschaltung messen.

Die Erfassungselektronik kann mit einer Tastspeicher schaltung ausgerüstet sein. Eine solche Schaltung versetzt die Erfassungselektronik in die Lage, einen für den vom Druckwandler erfaßten Druck kennzeichnenden konstanten Wert als Integralwert über den gesamten Erfassungszyklus abzugeben. Aufgrund der Tastspeicherschaltung können infolgedessen andere Schaltungsstufen das Druckwandler-Ausgangssignal so nutzen, wie wenn es von dem bisher üblichen, normalen Vierdrahtsystem kommen würde.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine implan

tierbare Leitung mit einem Druckwandler unter Anwendung einer Zweidraht-Übermittlungstechnik,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen implan

tierbaren Impulsgenerator, der an die implantierbare Leitung gemäß Fig. 1 angeschlossen wird,

Fig. 3 ein schematisches elektrisches

Schaltbild der aus piezoelektrischen Widerständen aufgebauten Brückenschaltung mit Multiplex-Kondensator und Steuerdioden,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der

Schaltstufe und der Tastspeicherschaltung, die am proximalen Ende der implantierharen Leitung vorgesehen werden, und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Steuersignale,

die der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 zugeführt werden, um den Wandler während eines ersten Teils des Arbeitszyklus der Anordnung mit Energie zu versorgen und um das resultierende Drucksignal während eines zweiten Erfassungsteils des Zyklus abzutasten.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Verbindung mit einem auf Dauer implantierbaren Druckwandler erläutert. Bei diesem Druckwandler handelt es sich um eine piezoelektrische Widerstände bildende Silikonanordnung, die elektrisch als Widerstandsbrückenschaltung angesprochen werden kann. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung auch bei anderen Arten von implantierbaren Sensoren verwendet werden kann, die andere Parameter messen.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer auf Dauer implantierbaren Leitung, an deren distalem Ende ein Druckwandlerkopf sitzt. Dieser ist mit einer Schutzkappe 50 abgedeckt, die gewährleistet, daß das Druckwandlerelement während des Implantationsvorganges nicht beschädigt wird. Die bevorzugte

Art der Kapselung des Druckwandlers ergibt sich aus der oben genannten EU-OS O 047 986. Es kann jedoch auch mit anderen Kapselungs- oder Packungsausführungen gearbeitet werden, wie sie beispielsweise in den weiter angegebenen Literaturstellen offenbart sind. Nahe dem Druckwandlerkopf befinden sich Borsten 50a, die für eine akute Fixierung sorgen.

Der Leitungskörper 10 ist mit einer korperverträglichen, isolierenden Ummantelung ausgestattet, welche die beiden Innenleiter schützt. Bei den beiden Leitern handelt es sich vorzugsweise um koaxial gewickelte Wendeln oder um gegenseitig isolierte Mehrleiter-Wendeln, die um die gleiche Achse gewickelt sind und einen ähnlichen Durchmesser haben. Die einzelnen Leiter verlaufen an dem proximalen Ende als gesonderte isolierte Leiter 12 und 18. Der Leiter 12 endet in einem elektrischen Anschlußstück 20 mit einem Anschlußstift 28. In ähnlicher Weise führt der Leiter 18 zu einem elektrischen Anschlußstück 26 mit einem elektrisch leitenden Anschlußstift 34. Dichtringe 36 erlauben es, die Anschlußstücke gegenüber Steckbuchsen des implantierbaren medizinischen Gerätes abzudichten .

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Impulsgenerator, in welchem die Schaltstufe und die Tastspeicherschaltung untergebracht sind. Der Hauptkörper des Impulsgenerators 48 weist Anschlußöffnungen 44 und 46 auf, in welche die Anschlußstücke 20 und 26 (Fig. 1) eingeführt werden.

In Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild des Druckwandlerkopfs veranschaulicht. Der Druckwandler bildet eine Widerstandsbrücke mit Widerständen 30, 32, 40 und 42. In üblicher Weise verändern sich bei Druckänderungen die Werte dieser Widerstände mit Bezug aufeinander, was es der Erfassungsschaltung ermöglicht, Druckänderungen am Wandler festzustellen.

Die Brückenschaltung gemäß Fig. 3 mit den Widerständen 30, 32, 40 und 42 kann als monolithischer Baustein auf einem Siliziumsubstrat bezogen werden (US-PS 4,023,562). Der Brücke ist ein Kondensator 17 mit einem Wert von etwa 0,01 ixF zugeordnet. Es sind ferner Dioden 14, 16, 22 und 24 vorgesehen, bei denen es sich typischerweise um Siliziumdioden vom Typ 1N4148 handelt.

Während des Ladeteils des Arbeitszyklus der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 fließt Strom von der Schaltstufe über die Leiter 12 und 18, um den Kondensator 17 aufzuladen .

Während des ersten Ladeabschnitts des Zyklus gelangt Strom vom Leiter 12 über die Diode 14 zum Kondensator 17. Die Rückführung erfolgt vom Kondensator 17 über die Diode 16 zum Leiter 18. Beim Zweitladezyklus fließt Strom vom Leiter 18 über die wahlweise vorgesehene Diode 24 zum Kondensator 17. Die Rückführung erfolgt vom Kundensator 17 über die wahlweise vorgesehene Diode 22 zum Leiter 12. Dies geschieht zum Ausgleich von Aufheizeffekten der Widerstände 30, 32, 40 und 42. Der Kondensator 17 wird jedoch immer mit der gleichen Polarität geladen, wie dies durch das "+"-Zeichen am Leiter 12 und das "-"-Zeichen am Leiter 18 dargestellt ist.

- ίο -

Die wahlweise zusätzlich vorgesehenen Dioden 22 und 24

führen den Strom um die Widerstände 30 und 42 während des Zweitladezyklus herum. Diese wahlweise vorgesehenen Dioden sind nur notwendig, wenn davon auszugehen ist, daß sich die Widerstände 30 und 42 gegenüber den Widerständen 32 und 40 erheblich aufheizen.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild der Schaltstufe und der Tastspeicherschaltung. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 wird vorgesehen, um die Leiter 12 und 18, über welche der implantierbare Impulsgenerator 48 an die Wandlerkopf schaltung nach Fig. 3 angekoppelt ist, im Zeitmultiplexbetrieb zu nutzen. Der Multiplexbetrieb erfolgt durch alternierendes Aufschal ten von Energie zum Laden des Kondensators 17 und Abschalten der Energiezufuhr zwecks Erfassung der Entladung des Kondensators 17 über die Widerstandsbrücke des Druckwandlers. Wegen der in Fig. 3 dargestellten Dioden wird der Kondensator 17 immer mit der gleichen Polarität aufgeladen, obwohl die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 an die Leiter 12 und 18 alternierend Spannungen mit entgegengesetzter Polarität anlegt.

Während eines ersten Ladeabschnitts des Zyklus wird ein Transistor 104 gesperrt, während ein Transistor 106 stromführend gemacht wird. Dadurch wird Spannung V über einen

C- C

Widerstand 100 auf den Leiter 12 gegeben, wodurch eine Stromquelle gebildet wird, welche den Kondensator 17 lädt (vergleiche auch Fig. 3). Gleichzeitig wird auch ein Transistor 112 stromführend gemacht, wodurch der Leiter 18 an Masse gelegt und der Stromkreis geschlossen wird. Der Ladekreis verläuft von +V über den Widerstand 100

cc

und den leitenden Transistor 106 zum Leiter 12. Entsprechend Fig. 3 fließt dann über den Leiter 12 ein Ladestrom zur positiven Seite des Kondensators 17. Der Rückführungskreis verläuft vom Kondensator 17 über die Diode 16 sowie den Leiter 18 über die implantierbare Leitung zurück. Dabei schließt sich gemäß Fig. 4 die Stromrückführung vom Leiter 18 über den stromführenden Transistor 112 nach Masse. Auf diese Weise läuft ein erster Ladeabschnitt des Zyklus ab.

Im Anschluß an den ersten Ladeabschnitt des Zyklus werden die Transistoren 104, 106 und 112 sowie ein Transistor 116 so vorgespannt, daß sie sperren. Dies hat zur Folge, daß die Leiter 12 und 18 einen hochohmigen Eingangskreis für die Erfassungsschaltung bilden.

Während des Erfassungsabschnitts des Zyklus wird dafür gesorgt, daß ein Transistor 124 nach Masse leitet, so daß Operationsverstärker 128 und 130 innerhalb ihres linearen Bereichs arbeiten können. Während der Zeitspanne, während deren die Operationsverstärker 128 und eingeschaltet sind, werden sie veranlaßt, sich in Richtung auf ihren Gleichgewichtswert zu verstellen, und zwar aufgrund des über die Leiter 12 und 18 laufenden Signals, das auf die Entladung des Kondensators 17 über die Widerstandsbrücke zurückgeht, sowie aufgrund des Bezugsverschiebewerts von V . Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 130 lädt einen Kondensator 144 auf, während der Transistor 124 stromführend ist. Anschließend wird der Transistor 124 gesperrt, wodurch die Vorspannung von den Operationsverstärkern 128 und 130 abgetrennt wird. Dadurch verbleiben die Operations-

verstärker in einem hochohmigen Zustand, so daß der Kondensator 144 eine Spannung speichert, die proportional dem von der Widerstandsbrücke erzeugten, erfaßten Signal ist. Ein Operationsverstärker 132 gibt daher auf eine Leitung 146 ein Ausgangssignal, das proportional der im Kondensator 144 gespeicherten Ladung ist. Während jedes Ladeabschnitts des Zyklus ist die Ausgangsspannung auf der Leitung 146 proportional dem zuvor erfaßten, vom Kondensator 144 gespeicherten Wert. Der Operationsverstärker 132 gibt infolgedessen über die Leitung 146 ein konstantes Ausgangssignal ab, obwohl das Erfassen des Wertes der Widerstandsbrücke nur während eines Teils des Gesamtzyklus erfolgt.

Der alternative Ladezyklus lädt den Kondensator 17 von

V über den Widerstand 100 und den Leiter 18 auf, wocc

bei die Rückführung über den Leiter 12 erfolgt. Dazu kommt es, wenn die Transistoren 104 und 116 in Durchlaßrichtung vorgespannt werden. Dies bedeutet, daß V einen positiven Strom über den Widerstand 100 und den leitenden Transistor 104 an den Leiter 18 liefert. Gemäß Fig. 3 wird durch die positive Spannung am Leiter 18 die Diode 16 in Sperrichtung vorgespannt, so daß sie keinen Strom führt. Strom fließt vielmehr über den Widerstand 30 (oder die wahlweise zusätzlich vorgesehene Diode 24), um den Kondensator 17 mit der gleichen Polarität wie im vorherigen Ladezyklus aufzuladen. Die Rückführung erfolgt vom Kondensator 17 über den Widerstand 42 (oder die wahlweise zusätzlich vorgesehene Diode 22) zum Leiter 12. Der Leiter 12 wird über den stromführenden Transistor 116 an Masse gelegt (Fig. 4).

Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm der Signale, die notwendig sind, um die erläuterte Schaltungsanordnung während zweier aufeinanderfolgender Zyklen zu steuern. Bei 108, 114, 110, 118 bzw. 126 sind die Signale dargestellt, die an die mit gleichen Bezugszeichen versehenen Leitungen in Fig. 4 angelegt werden, um die Lade- und Erfassungsoperationen der Multiplexschaltung während jedes Zyklus zu steuern. Die Leitung 108 bildet den Steuereingang, der zur Basis des Transistors 104 führt, bei dem es sich um einen pnp-Transistor handelt. Die Leitung 108 bleibt, mit Ausnahme zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 (Fig. 5) ständig auf hohem Potential liegen, wodurch der Transistor 104 gesperrt wird. Während der Zeitspanne von t4 bis t5 ist die Leitung 118 positiv. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird dadurch der npn-Transistor 116 stromführend gemacht. Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 sind infolgedessen die Leiter 12 und 18 in der alternierenden Ladekonfiguration angeschlossen .

Der Ladeabschnitt des ersten in Fig. 5 wiedergegebenen Zyklus liegt zwischen dem Zeitpunkt ti und dem Zeitpunkt t2. Während dieser Zeitspanne 150 ist die Leitung 114 positiv und die Leitung 110 negativ. Während der Zeitspanne 150 bewirkt das Signal auf der Leitung 114, daß der npn-Transistor 112 den Leiter 18 auf Masse legt, und das Signal an der Leitung 110 läßt den pnp-Transistor 106 Strom von +V über den Widerstand 100 auf den Leiter

cc

12 geben. Zwischen der Verbindungsstelle der Emitter der Transistoren 104, 106 und Masse liegt ein Kondensator 102 mit großer Kapazität (in der Größenordnung von 10 uF). Dies

gewährleistet, daß während des Ladeabschnitts des Zyklus an den Leitern 12 und 18 eine relativ konstante Spannung anliegt und der Kondensator 17 auf einen konstanten und bekannten Wert aufgeladen wird.

Das Signal auf der Steuerleitung 126 wird für eine Zeitspanne 152 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 positiv. Der Transistor 124 (Fig. 4) wird aufgrund des während der Zeitspanne 152 auftretenden positiven Signals stromführend, wodurch die Operationsverstärker 128 und 130 in den stromführenden Zustand vorgespannt werden. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist die Zeit, innerhalb deren die Abfragung erfolgt und die Entladung des Kondensators 17 über die Widerstandsbrücke am besten linear verläuft. Die Zeitspanne 154 zwischen den Zeit punkten fc2 und t5 ist die Zeit, während deren der Operationsverstärker 132 ein konstantes Ausgangssignal aufgrund der Aufladung des Kondensators 144 abgibt, der den Wert während der Zeitspanne von t3 bis t5 hält. Zum Zeitpunkt t5 wird der Transistor 124 erneut stromführend ge macht, wodurch der Kondensator 144 bis zum Zeitpunkt to auf einen neuen Wert aufgeladen wird. Der erste Ladezyklus wird dann wiederholt.

Bei der Schaltungsauslegung gemäß Fig. 4 liegt die Spannung +V vorzugsweise in der Größenordnung von 2,8 V. Der Widerstand 100 ist so gewählt, daß ein Gesamtladewiderstand von etwa 5 kJX erhalten wird. Der Kondensator 102 hat eine Kapazität in der Größenordnung von 10 uF, um eine konstante Ladespannung zu gewährleisten. Die La dedauer (d.h. die Zeitspanne 150 von ti bis t2^ liegt in

der Größenordnung von 1,5 us. Die Transistoren 106 und 108 sind typische pnp-Transistoren, während es sich bei den Transistoren 114 und 116 um typische npn-Transistoren handelt.

Für die vorliegende Anwendung wurde eine Ab frage frequenz von 1 kHz vorgesehen. Bei den Operationsverstärkern 128 und 130 kann es sich um die Bausteine LM146 handeln. Die gesamte Abfrage-plus-Verstelldauer, d.h. die Zeitspanne 154 in Fig. 5 von ti bis t5, liegt in der Größenordnung von 4 ßs. Die Zeitspanne 152 zwischen ti und t3 stellt die Abfrageauf'tastdauer dar, die in der Größenordnung von 0,5 με liegt. Der Kondensator 144 hat zweckmäßig einen Wert von 0,001 ßF. Bei dem Operationsverstärker 132 kann es sich um den Baustein LM146 handeln. Die Bezugsspannung V_n hat zweckmäßig einen Wert von 1,4 V. Eingangs- und Rückkopplungswiderstände 110, 121, 134, 136, 138, und 141 sind in herkömmlicher Weise bemessen.

Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 · D-8OOO MÜNCHEN 83

Ger. P-554

Medtronic, Inc.

3055 Old Highway Eight

Minneapolis, Minn. 55440, V.St.A,

Ansprüche

Implantierbare Wandleranordnung mit einem Wandlerkopf, der einer elektrischen Energiezufuhr bedarf und ein elektrisches Ausgangssignal anliefert, einer Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des elektrischen Ausgangssignals und einer Übermittlungseinrichtung, die mit dem Wandlerkopf und der Verarbeitungseinrichtung in Wirkverbindung steht und das elektrische Ausgangssignal zwischen dem Wandlerkopf und der Verarbeitungseinrichtung überträgt, gekennzeichnet durch eine mit der Übermittlungseinrichtung (10) in Wirkverbindung stehende Speiseeinrichtung (V_cc, 100), die dem Wandlerkopf die elektrische Energie über die Übermittlungseinrichtung zuführt.
2. Implantierbare Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkopf eine piezoelektrische Widerstandsbrücke (30, 32, 40, 42) mit einem Zwischenspeicher (17) aufweist und das elektrische Ausgangssignal erzeugt wird, indem die zugeführte, in dem Zwischenspeicher gespeicherte elektrische Energie über die piezoelektrische Widerstandsbrücke geleitet wird.

FERNSPRECHER: 089/6012039 · TELEX; 522589 elpa d ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN
3. Implantierbare Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlungseinrichtung (10) zwei stromleitende Pfade (12, 18) aufweist .
4. Implantierbare Wandleranordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (V_cc, 100) und eine mit den beiden stromleitenden Pfaden (12, 18) in Wirkverbindung stehende, alternierend umschaltende Schalteinrichtung (104, 106, 112, 116), die während einer ersten Zeitspanne die Stromquelle an den Zwischenspeicher (17) und während einer zweiten Zeitspanne die piezoelektrische Widerstandsbrücke (30, 32, 40, 42) an die Verarbeitungseinrichtung (128, 130, 132, 144) ankoppelt.
5. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher einen Kondensator (17) aufweist.
6. Implantierbare Wandleranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (128, 130, 132, 144) eine Tastspeicherschaltung (128, 130, 144) aufweist, die ein für das elektrische Ausgangssignal kennzeichnendes simuliertes Ausgangssignal während der ersten Zeitspanne und während der zweiten Zeitspanne erzeugt.
7. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden stromleitenden Pfade (12, 18) zwei Drahtleiter aufweisen .