DE3232009C2

DE3232009C2 -

Info

Publication number: DE3232009C2
Application number: DE3232009A
Authority: DE
Inventors: Paul P. Janesville Wis. Us Monroe
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1981-08-28
Filing date: 1982-08-27
Publication date: 1992-07-02
Also published as: AU556304B2; FR2512229B1; AU8778482A; US4432372A; DE3232009A1; NL8203285A; FR2512229A1

Description

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Wandleranordnung mit einem Wandlerkopf, der eine mit elektrischer Energie gespeiste piezoelektrische Widerstandsbrücke aufweist, die ein elektrisches Ausgangssignal liefert, sowie mit einer an die Wider standsbrücke angeschlossenen Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des Aus gangssignals der Widerstandsbrücke.

Bei einer bekannten Wandleranordnung dieser Art (J. M. Borky, K. D. Wise: Integrated Signal Conditioning for Silicon Pressure Sensors in I.E.E.E. Transactions on Electron Divices, Vol. ED-26, No. 12, December 1979, Seiten 1906 bis 1910) erfolgt der An schluß der piezoelektrischen Widerstandsbrücke über insgesamt vier Leiter. Zwei dieser Leiter dienen der Speisung der Brücke; diese Leiter stehen mit einer Stromquelle in ständiger Verbindung. Über die beiden anderen Leiter wird das Brückenausgangssignal abgenommen und dem Eingang der der Widerstandsbrücke nachgeschalteten Bearbei tungseinrichtung ständig zugeführt. Ähnliche Wandleranordnungen, die gleichfalls für die piezoelektrische Widerstandsbrücke vier Zuleitungen benötigen, sind aus US 33 50 944, US 36 14 954, US 40 23 562, EP 00 47 986 A und FR 24 20 210 bekannt.

Es ist ferner ein implantierbarer passiver Druckwandler in Form eines Resonanzkreises bekannt (US 41 14 606), dessen Eigenfrequenz sich in Abhängigkeit von dem an dem Wandler anliegenden Druck ändert. Der implantierte Wandler wird drahtlos abgefragt, indem der Wandler der von einem externen Detektor erzeugten elektromagnetischen Energie ausgesetzt wird und die Frequenz ermittelt wird, bei welcher der Wandler die einfallende elektromagnetische Energie absorbiert.

Es sind auch Druckwandler bekannt, die mit zwei Zuleitungen auskommen (US 30 38 465 und US 27 96 863). Diese Druckwandler arbeiten jedoch nicht mit einer Widerstandsbrücke, sondern sie weisen als Wandlerelement eine variable Induktivität auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit piezoelektrischer Widerstands brücke ausgestattete implantierbare Wandleranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Vermin derung der Anzahl der für die piezoelektrische Widerstandsbrücke benötigten Zuleitun gen gestattet.

Ausgehend von einer implantierbaren Wandleranordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die piezoelektrische Wider standsbrücke mit einem Energiezwischenspeicher versehen ist, dem jeweils während ei ner Ladephase die zur Speisung der Widerstandsbrücke erforderliche Energie über eine Übermittlungseinrichtung zugeführt ist, die während einer anschließenden Meßphase das Brückenausgangssignal der Verarbeitungseinrichtung zuleitet.

Bei der Wandleranordnung nach der Erfindung wird im Zusammenwirken mit dem En ergiezwischenspeicher ein und dieselbe Übermittlungseinrichtung im Zeitmultiplex für die Speisung der piezoelektrischen Widerstandsbrücke und für die Herausleitung des Brückenausgangssignals benutzt. Die Anzahl der Zuleitungen kann sich daher auf die Anzahl der für die Übermittlungseinrichtung vorgesehenen stromleitenden Pfade be schränken.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Übermittlungs einrichtung zwei stromleitende Pfade auf. In einem solchen Fall ist vorzugsweise eine al ternierend umschaltende Schalteinrichtung vorgesehen, die während der Ladephase eine Stromquelle über die beiden stromleitenden Pfade an den Energiezwischenspei cher anschaltet und die während der Meßphase die piezoelektrische Widerstandsbrücke über die beiden stromleitenden Pfade an die Verarbeitungseinrichtung ankoppelt.

Als Energiezwischenspeicher eignet sich insbesondere ein Kondensator. Die beiden stromleitenden Pfade können zweckmäßig von Drahtleitern gebildet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Verarbeitungseinrichtung eine Tast speicherschaltung auf, die ein für das elektrische Ausgangssignal kennzeichnendes si muliertes Ausgangssignal sowohl während der Ladephase als auch während der Meß phase erzeugt. Dadurch kann ein Meßsignal während der gesamten Erfassungsdauer ab gegeben und von anderen Schaltungsstufen ständig genutzt werden.

Der Wandlerkopf kann Dioden aufweisen, über welche dem Energiezwischenspeicher während der Ladephase Energie zugeführt wird, und die Schalteinrichtung kann derart ausgelegt und angesteuert sein, daß sie die Stromquelle während sich wiederholender Ladephasen welchselweise mit unterschiedlicher Polarität an die beiden stromleitenden Pfade anschließt. Dabei ist der Energiezwischenspeicher zweckmäßig über die Dioden während aller Ladephasen in gleicher Richtung aufgeladen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wandleranordnung nach der Erfindung ist nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine implantierbare Leitung mit einer Druck wandleranordnung unter Anwendung einer Zweidraht-Übermittlungs technik,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einem implantierbaren Impulsgenerator, der an die implantierbare Leitung gemäß Fig. 1 angeschlossen wird,

Fig. 3 ein schematisches elektrisches Schaltbild der piezoelektrischen Wider standsbrücke der Wandleranordnung mit Energiezwischenspeicher und Steuerdioden,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Verarbeitungseinrichtung mit Tast speicherschaltung, die am proximalen Ende der implantierbaren Lei tung vorgesehen ist, und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Steuersignale, die der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 zugeführt werden, um die Wandleranordnung während eines ersten Teils des Arbeitszyklus mit Energie zu versorgen und um das resultierende Drucksignal während eines zweiten Erfassungsteils des Zyklus abzutasten.

Die bevorzugte Ausführungsform der implantierten Wandleranordnung ist in Verbindung mit einem auf Dauer implantierten Druckwandler erläutert. Es versteht sich jedoch, daß die Wandleranordnung auch für das Messen anderer Parameter ausgelegt sein kann.

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 ge währleistet, daß das Druckwandlerelement während des Implantationsvorganges nicht beschädigt wird. Eine bevorzugte Art der Kapselung des Druckwandlers ist aus der EP 00 47 986 bekannt. Es können jedoch auch andere Kapselungs- oder Packungsausführungen vorgesehen sein, wie sie beispielsweise aus den weiteren oben genannten Literaturstellen bekannt sind. Nahe dem Druckwandlerkopf befinden sich Borsten 50a, die für eine akute Fixierung sorgen.

Eine Übermittlungseinrichtung in Form eines Leitungskörpers 10 weist zwei Innenleiter und eine körperverträgliche, isolierende Ummantelung auf. Bei den beiden Leitern handelt es sich vorzugsweise um koaxial gewickelte Wendeln oder um gegenseitig iso lierte Mehrleiter-Wendeln, die um die gleiche Achse gewickelt sind und einem ähnlichen Durchmesser haben. Die einzelnen Leiter verlaufen an dem proximalen Ende als ge sonderte isolierte Drahtleiter 12 und 18. Der Leiter 12 endet in einem elektrischen An schlußstück 20 mit einem Anschlußstift 28. In ähnlicher Weise führt der Leiter 18 zu ei nem elektrischen Anschlußstück 26 mit einem elektrisch leitenden Anschlußstift 34. Dichtringe 36 erlauben es, die Anschlußstücke gegenüber Steckbuchsen des implantier baren medizinischen Gerätes abzudichten.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Impulsgenerator, in welchem die Verarbeitungs einrichtung samt Tastspeicherschaltung untergebracht ist. Der Hauptkörper des Impuls generators 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. Die Druckwandleranordnung weist eine piezoelektrische Widerstandsbrücke mit Wider ständen 30, 32, 40 und 42 auf. In üblicher Weise verändern sich bei Druckänderungen die Werte dieser Widerstände mit Bezug aufeinander, was es einer 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 40 23 562). Der Widerstandsbrücke ist als Energiezwischenspeicher ein Kondensator 17 mit einem Wert von etwa 0,01 µF zugeordnet. Es sind ferner Dioden 14, 16, 22 und 24 vorgesehen, bei denen es sich typischerweise um Siliziumdionden vom Typ 1N4148 handelt.

Während der ersten Ladephase des Zyklus gelangt Strom vom Leiter 12 über die Dio de 14 zum Kondensator 17. Die Rückführung erfolgt vom Kondensator 17 über die Diode 16 zum Leiter 18. Bei einer zweiten Ladephase fließt Strom vom Leiter 18 über die wahlweise vorgesehene Diode 24 zum Kondensator 17. Die Rückführung erfolgt vom Kondensator 17 über die wahlweise vorgesehene Diode 22 zum Leiter 12. Dies ge schieht 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.

Die wahlweise zusätzlich vorgesehenen Dioden 22 und 24 führen den Strom um die Wi derstände 30 und 42 während der zweiten Ladephase herum. Diese wahlweise vorgese henen Dioden sind nur notwendig, wenn davon auszugehen ist, daß sich die Wider stände 30 und 42 gegenüber den Widerständen 32 und 40 erheblich aufheizen.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild der Verarbeitungseinrichtung mit Tastspeicher schaltung. Die Verarbeitungseinrichtung nach Fig. 4 nutzt die Leiter 12 und 18, über welche der implantierbare Impulsgenerator 48 an die Wandlerkopfschaltung nach Fig. 3 angekoppelt ist, im Zeitmultiplexbetrieb. Der Multiplexbetrieb erfolgt durch alternie rendes Aufschalten von Energie zum Laden des Kondensators 17 und Abschalten der Energiezufuhr zwecks Erfassung der Entladung des Kondensators 17 über die Wider standsbrücke der Druckwandleranordnung. Wegen der in Fig. 3 dargestellen 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 einer ersten Ladephase des Zyklus wird ein Transistor 104 gesperrt, während ein Transistor 106 stromführend gemacht wird. Dadurch wird Spannung V_cc über einen 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_cc über den Widerstand 100 und den leitenden Transistor 106 zum Leiter 12. Entspre chend Fig. 3 fließt dann über den Leiter 12 ein Ladestrom zur positiven Seite des Kondensator 17. Der Rückführungs kreis verläuft vom Kondensator 17 über die Diode 16 sowie den Leiter 18 über die implantierbare Leitung zurück. Da bei schließt sich gemäß Fig. 4 die Stromrückführung vom Leiter 18 über den stromführenden Transistor 112 nach Masse. Auf diese Weise läuft eine erste Ladephase des Zyklus ab.

Im Anschluß an die erste Ladephase des Zyklus wer den die Transistoren 104, 106 und 112 sowie ein Tran sistor 116 so vorgespannt, daß sie sperren. Dies hat zur Folge, daß die Leiter 12 und 18 einen hochohmigen Eingangskreis für die Verarbeitungseinrichtung bilden.

Während der Meßphase des Zyklus wird dafür gesorgt, daß ein Transistor 124 nach Masse leitet, so daß Operationsverstärker 128 und 130 einer Verarbeitungseinrichtung innerhalb ihres linearen Bereichs arbeiten können. Während der Zeitspan ne, während deren die Operationsverstärker 128 und 130 eingeschaltet sind, werden sie veranlaßt, sich in Rich tung auf ihren Gleichgewichtswert zu verstellen, und zwar aufgrund der 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_R. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 130 lädt einen Kondensator 144 der Verarbeitungs einrichtung auf, während der Transistor 124 stromführend ist. An schließend 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 Kon densator 144 eine Spannung speichert, die proportional dem von der Widerstandsbrücke erzeugten Meßsignal ist. Ein Operationsverstärker 132 gibt daher auf eine Leitung 146 ein Ausgangssignal, das proportional der im Kondensator 144 gespeicherten Ladung ist. Während jede Ladephase des Zyklus ist die Ausgangsspannung auf der Leitung 146 proportional dem zuvor erfaßten, vom Kondensator 144 gespeicherten Wert. Der Operationsver stärker 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.

In der alternativen Ladephase wird über Kondensator 17 von V_cc über den Widerstand 100 und den Leiter 18 aufgeladen, wo bei die Rückführung über den Leiter 12 erfolgt. Dazu kommt es, wenn die Transistoren 104 und 116 in Durch laßrichtung vorgespannt werden. Dies bedeutet, daß V_cc einen positiven Strom über den Widerstand 100 und den leitenden Transistor 104 an den Leiter 18 liefert. Ge mäß 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 vorgese hene Diode 24), um den Kondensator 17 mit der gleichen Polarität wie in der vorherigen Ladephase aufzuladen. Die Rückführung erfolgt vom Kondensator 17 über den Wider stand 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 an gelegt werden, um die Lade- und Meßoperationen 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-Tran sistor handelt. Die Leitung 108 bleibt, mit Ausnahme zwi schen den Zeitpunkten t4 und t5 (Fig. 5) ständig auf ho hem Potential liegen, wodurch der Transistor 104 gesperrt wird. Während der Zeitspanne von t4 bis t5 ist die Lei tung 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 ange schlossen.

Die Ladephase des ersten in Fig. 5 wiedergegebenen Zyklus liegt zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2. Während dieser Zeitspanne 150 ist die Leitung 114 positiv und die Leitung 110 negativ. Während der Zeit spanne 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_cc über den Widerstand 100 auf den Leiter 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 µF). Dies gewährleistet, daß während der Ladephase 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 Zeit spanne 152 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 positiv. Der Transistor 124 (Fig. 4) wird aufgrund des während der Zeitspanne 152 auftretenden positiven Signals strom führend, wodurch die Operationsverstärker 128 und 130 in den stromführenden Zustand vorgespannt werden. Die Zeit spanne 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 t2 und t5 ist die Zeit, während deren der Opera tionsverstärker 132 ein konstantes Ausgangssignal auf grund der Aufladung des Kondensators 144 abgibt, der den Wert während der Zeitspanne von t3 bis t5 hält. Zum Zeit punkt t5 wird der Transistor 124 erneut stromführend ge macht, wodurch der Kondensator 144 bis zum Zeitpunkt t6 auf einen neuen Wert aufgeladen wird. Die erste Lade phase wird dann wiederholt.

Bei der Schaltungsauslegung gemäß Fig. 4 liegt die Span nung +V_cc vorzugsweise in der Größenordnung von 2,8 V. Der Widerstand 100 ist so gewählt, daß ein Gesamtlade widerstand von etwa 5 kΩ erhalten wird. Der Kondensa tor 102 hat eine Kapazität in der Größenordnung von 10 µF, um eine konstante Ladespannung zu gewährleisten. Die La dedauer (d. h. die Zeitspanne 150 von t1 bis t2) liegt in der Größenordnung von 1,5 µs. Die Transistoren 106 und 108 sind typische pnp-Transistoren, während es sich bei den Transistoren 114 und 116 um typische npn-Transisto ren handelt.

Für die vorliegende Anordnung wurde eine Abfragefrequenz 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 t2 bis t5, liegt in der Größenordnung von 4 µs. Die Zeitspanne 152 zwischen t2 und t3 stellt die Abfrageauftastdauer dar, die in der Größenordnung von 0,5 µs liegt. Der Kondensator 144 hat zweckmäßig ei nen Wert von 0,001 µF. Bei dem Operationsverstärker 132 kann es sich um den Baustein LM146 handeln. Die Bezugs spannung V_R hat zweckmäßig einen Wert von 1,4 V. Eingangs- und Rückkopplungswiderstände 120, 122, 134, 136, 138, 140 und 142 sind in herkömmlicher Weise bemessen.

Claims

1. Implantierbare Wandleranordnung mit einem Wandlerkopf, der eine mit elektri scher Energie gespeiste piezoelektrische Widerstandsbrücke aufweist, die ein elek trisches Ausgangssignal liefert, sowie mit einer an die Widerstandsbrücke ange schlossenen Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des Ausgangssignals der Widerstandsbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Wider standsbrücke (30, 32, 40, 42) mit einem Energiezwischenspeicher (17) versehen ist, dem jeweils während einer Ladephase die zur Speisung der Widerstandsbrücke er forderliche Energie über eine Übermittlungseinrichtung (10) zugeführt ist, die während einer anschließenden Meßphase das Brückenausgangssignal der Verarbei tungseinrichtung (128, 130, 132, 144) zuleitet.

2. Implantierbare Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlungseinrichtung (10) zwei stromleitende Pfade (12, 18) aufweist.

3. Implantierbare Wandleranordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine al ternierend umschaltende Schalteinrichtung (104, 106, 112, 116), die während der Ladephase eine Stromquelle (V_cc, 100) über die beiden stromleitenden Pfade (12, 18) an den Energiezwischenspeicher (17) anschaltet und die während der Meßphase die piezoelektrische Widerstandsbrücke (30, 32, 40, 42) über die beiden stromlei tenden Pfade (12, 18) an die Verarbeitungseinrichtung (128, 130, 132, 144) ankop pelt.

4. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Energiezwischenspeicher ein Kondensator (17) vor gesehen ist.

5. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden stromleitenden Pfade (12, 18) von zwei Drahtleitern gebildet sind.

6. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (128, 130, 132, 144) eine Tastspeicherschaltung (128, 130, 144) aufweist, die ein für das elektrische Ausgangs signal kennzeichnendes simuliertes Ausgangssignal sowohl während der Ladephase als auch während der Meßphase erzeugt.

7. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Wandlerkopf Dioden (14, 16) aufweist, über welche dem Energiezwischenspeicher (17) während der Ladephase Energie zugeführt wird.

8. Implantierbare Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (104, 106, 112, 116) derart ausgelegt und angesteuert ist, daß sie die Stromquelle (V_cc, 100) während sich wiederholender Ladephasen wechselweise mit unterschiedlicher Polarität an die beiden stromleiten den Pfade (12, 18) anschließt.

9. Implantierbare Wandleranordnung nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Energiezwischenspeicher (17) über die Dioden (14, 16, 22, 24) während aller Ladephasen in gleicher Richtung aufgeladen ist.