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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Telemetriesystem der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus der US-PS 4 223 679 ist ein derartiges Telemetriesystem bekannt,
bei dem auf der implantierten, sekundären (Sender-)seite das zu übertragende Signal
zunächst mit Hilfe eines spannungsabhängigen Oszillators (VCO) in ein frequenzinoduliertes
Signal konstanter Amplitude umgesetzt wird. Dieses frequenzmodulierte Signal ändert
mittels eines im Senderkreis angeordneten Feldeffekttransistors (FET) die Impedanz
des Sekundärkreises und wird damit in Form einer Amplituden- oder Frequenzmodulation
des vom externen, primären Empfänger ausgesandten Signals zu diesem zurück übertragen.
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Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist ihr verhältnismäßig geringer
Wirkungsgrad, d.h. die übertragenen Signaländerungen sind relativ schwach und nur
mit relativ großem empfängerseitigem Aufwand feststellbar.
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Der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Telemetriesystem der vorgenannten Gattung anzugeben,
bei dem bei möglichst kleinem Aufwand und kleinen Bauteileabmessungen, insbesondere
auf der Senderseite, eine sichere Übertragung gewährleistet ist.
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Insbesondere soll durch die verwendete Schaltung eine möglichst große
Änderung des resistiven Anteils der
Eingangsimpedanz des induktiven
Übertragers erreicht werden. Der Feldeffekttransistor im Sekundärkreis bildet dabei
einen variablen ohmschen Widerstand.
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Der Erfindung liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde:
Die Eingangsimpedanz Z1 des induktiven Übertragers, bestehend aus der Primärinduktivität
L1, der Sekundärinduktivität L2 und einem beliebigen komplexen Lastwiderstand Z2
ist gegeben durch den Ausdruck
Die zur Realisierung der bei AM gewünschten maximalen Änderungen des resistiven
Anteils der Eingangsimpedanz Z1 lassen sich nicht erreichen, wenn lediglich ein
(oder mehrere) ohmsche Widerstände zur Sekundärinduktivität L2 geschaltet werden.
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Setzt man Z2 allgemein an zu Z2 = R2 + 3X2 mit einem beliebigen reaktiven
Element X2 und spaltet dann die Beziehung für die Eingangsimpedanz Z1 in Real- und
Imaginärteil auf, erhält man die Gleichung
Hieraus wird ersichtlich, daß die gewünschte maximale Änderung des resistiven Anteils
der Eingangsimpedanz Z1 nur erreicht wird, wenn der Ausdruck (wL2 + X2) = 0 gesetzt
wird. Dies verlangt aber die Realisierung eines sekundären Schwingkreises, der bei
der Frequenz w des externen Oszillators in Resonanz betrieben wird. Wird die sekundäre
Induktivität L2 nicht durch eine Kapazität C2 der Größe
zu einem Resonanzkreis ergänzt, lassen sich Änderungen von R2, hervorgerufen durch
den FET als variabler ohmscher Widerstand, in der praktischen Realisierung nicht
gegenüber (wL2)2 auf der externen Seite registrieren, da der Ausdruck (wL2)2 auch
bei niedrigen Frequenzen w Werte bis zu mehreren 100 kOhm annimmt. Erst durch einen
sekundären Resonanzkreis lassen sich Änderungen von R2 auf optimale
Weise
zur externen, primären Seite übertragen und registrieren.
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Zwei sekundäre Resonanzkreise zur Erzeugung der AM sind möglich: ein
Reihenschwingkreis oder ein Parallelschwingkreis, wobei jeweils die sekundäre Induktivität
L2 und die sekundäre Kapazität C2 bestimmt sind durch
zu einem Resonanzkreis ergänzt, lassen sich Änderungen von R2, hervorgerufen durch
den FET als variabler ohmscher Widerstand, in der praktischen Realisierung nicht
gegenüber (wL2)2 auf der externen Seite registrieren, da der Ausdruck (wL2)2 auch
bei niedrigen Frequenzen w Werte bis zu mehreren 100 kOhm annimmt. Erst durch einen
sekundären Resonanzkreis lassen sich Änderungen von R2 auf optimale Weise zur externen,
primären Seite übertragen und feststellen.
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Zwei Arten sekundärer Resonankreise zur Erzeugung der AM sind möglich:
ein Reihenschwingkreis und ein Parallelschwingkreis, wobei jeweils die sekundäre
Induktivität L2 und die sekundäre Kapazität C2 bestimmt sind durch
mit der Frequenz w des externen Oszillators.
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Die passive Signalübertragung ist prinzipiell sowohl möglich mit AM
als auch mit FM. Für die Realisierung weist die bevorzugte Verwendung von AM aber
wesentliche Vorteile gegenüber FM auf: So ist für einen Einsatz der FM eine große
implantierte Sekundärinduktivität L2 im Vergleich zur externen Primärinduktivität
L1 zwingend notwendig. Durch die oben beschriebene Bildung eines sekundären Resonanzkreises
wird bei AM auch bei einer kleinen implantierten Sekundärinduktivität (im Vergleich
zur externen Primärinduktivität) eine große Effektivität erzielt - ein für die medizinische
Anwendung wesentlicher Vorteil.
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Eine FM, bei der der sekundäre Schwingkreis nicht auf die Frequenz
w des externen Oszillators ausgelegt sein darf, ruft zudem eine dann nicht erwünschte
Änderung des resistiven Anteils der Eingangsimpedanz Z1 hervor. Bei der AM hingegen
bleibt der reaktive Anteil der Eingangs impedanz Z1 bei Resonanz unberührt gegenüber
Änderungen von RL.
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Es sei bemerkt, daß die FM bei der vorliegenden Anwendung nicht den
- in der Nachrichtentechnik üblicherweise zu erwartenden - typischen Vorteil geringerer
Störanfälligkeit gegenüber additiven Störsignalen aufweist. Beim passiven induktiven
Telemetriesystem liegt nämliche keine Übertragungsstrecke im üblichen nachrichtentechnischen
Sinne vor. Störungen der Übertragung beruhen auf Verdreh-
ungen,
Verschiebungen und Verkantungen beider Spulen zueinander, d.h. in einer Änderung
des Kopplungsfaktors K.
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Diese können in gleicher Weise sowohl bei AM als auch bei FM auftreten.
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Bezüglich anderer vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung wird
auf die Unteransprüche verwiesen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der
einzigen Figur im Prinzip dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt in
Bezug auf die Anwendung in der Medizin bei einem implantierbaren Organersatz.
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Beim passiven Telemetriesystem wird die Übertragungsenergie vom extrakorporalen
Datenempfänger geliefert. Die implantierte Batterie wird demnach nur mit der bei
geeigneter Realisierung zu vernachlässigenden Modulationsenergie belastet.
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Hinsichtlich ihrer Bedeutung als Engergielieferanten sind beim passiven
Telemetriesystem Datensender und Datenempfänger vertauscht, während ihrer eigentliche
Funktion als Übertragungselemente von Daten und Signalen erhalten bleibt. Die extrakorporale
Sende-Empfangs-Einheit besteht aus einem Oszillator, der das Trägersignal für die
Datenübertragung liefert, und dem eigentlichen Datenempfänger.
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Diese Einheit wird mit einer externen Energiequelle betrieben, z.B.
mit auswechselbaren Batterien.
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Der implantierte Datensender wird von der ebenfalls implantierten
Batterie mit Energie versorgt und moduliert den Träger signalabhängig. Diese Modulationsenergie
kann
bei geeigneter Realisierung vernachlässigbar klein gehalten
werden, so daß die Lebensdauer des Implantats praktisch nicht eingeschränkt wird.
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Die eigentliche Übertragung erfolgt induktiv kurch die elektromagnetische
Kopplung zweier Ubertragerspulen. Die über das Implantat befestigte Sende-Empfangseinheit
regt über ihre eigene primäre und eine im Implantat befindliche sekundäre Spule
einen Schwingkreis im Implantat an. Die elektromagnetische Kopplung dieser beiden
Übertragerspulen wird derart ausgenutzt, daß daten- bzw. signalabhängige Impedanzänderungen
des implantierten Schwingkreises sich auf die extrakorporale, primäre Spule transformieren
und dort, je nach Realisierung, als amplituden- bzw. frequenzmodulierte Signale
registriert werden können.
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Der externe Oszillator betreibt den implantierten Schwingkreis über
die elektromagnetische Kopplung der zwei Spulen L1 und L2. Das zu übertragende Signal
s(t) verändert den Lastwiderstand R2 signalabhängig und damit die Impedanz über
die Gegeninduktivität M auf der primären Seite eine Stromänderung in der Spule L1
hervor. Diese Stromänderung wiederum bewirkt einen dem Signal s(t) proportionalen
Spannungsabfall am Meßwiderstand RM und kann dort nach entsprechender Amplitudendemodulaton
als Signal S' (t) abgenommen werden.
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Beim passiven frequenzmodulierten Telemetriesystem ist die Betriebsfrequenz
des externen Oszillators teilweise bestimmt durch die Impedanz des primären Schwingkreises.
Eine signalabhängige Impedanzänderung des
implantierten Schwingkreises
verändert also die Impedanz des externen Schwingkreises und ruft damit einen Frequenzhub
im Oszillator hervor. Nach geeigneter Frequenzdemodulation gewinnt man auf der externen
Seite wiederum das zu übertragende Signal.
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Um einen hohen Wirkungsgrad beim passiven, amplitudenmodulierten Telemetriesystem
zu erzielen, muß die signalabhängige Änderung des resistiven Anteils der Eingansimpedanz
Z1 möglichst groß sein, d.h. eine Änderung der Lastimpedanz Z2 muß eine möglichst
große Änderung des Realteils von Z1 bewirken. Dagegen besitzt die passive frequenzmodulierte
Signalübertragung einen hohen Wirkungsgrad bei großen signalabhängigen Änderungen
des reaktiven Anteils der Eingangsimpedanz Z1, d.h. eine Änderung der Lastimpedanz
Z2 muß eine möglichst große Änderung des Imaginärteils von Z1 bewirken.
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Die Gegeninduktivität läßt sich mit Hilfe des dimensionslosen Kopplungsfaktors
K durch die Selbsinduktivitäten L1 und L2 der beiden Ubertragerspulen entsprechend
M = K L1 x L2 ausdrücken. Große Gegeninduktivitäten lassen sich durch die Verwendung
von Spulen hoher Selbstinduktivität und durch die Optimierung des Kopplungsfaktors
K erzielen. Das hier beschriebene System erfüllt aufgrund der genannten Bedingungen
in besonderer Weise die an implantierbare Systeme gestellten Anforderungen, bei
der gerade die implantierte (senderseitige) Spule besonders kleine Abmessungen aufweisen
muß.
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Einen wesentlichen Unterschied zwischen AM und FM zeigt eine weitere
Bedingung. Bei AM werden hohe Wirkungsgrade erzielt, indem der Sekundärkreis als
LC-Schwingkreis ausgelegt und bei der Trägerfrequenz des externen Oszillators in
Resonanz betrieben wird. Die Verwendung von FM hingegen ist nur dann möglich, wenn
der Sekundärschwingkreis nicht auf die Trägerfrequenz w als Resonanzfrequenz abgestimmt
ist. Zusätzlich muß der Ausdruck (wL1) sehr klein gehalten werden, um Änderungen
des Imaginärteils auf der Primärseite noch registrieren zu könne. Dies erfordert
jedoch eine hohe Sekundärinduktivität im Vergleich zur Primärinduktivität der extrakorporalen
Spule.
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Die weitere Forderung widerspricht daher der zweiten, wonach (wM)
sehr groß zu halten ist. Dieser - für die praktische Realisierung wesentliche Nachteil
läßt sich durch die Verwendung von AM umgehen. FM würde zudem über den ohmschen
Widerstand R2 eine unerwünschte Änderung des Realteils von Z1 bewirken, während
bei der AM im Resonanzfall der Imaginärteil von Z1 unbeeinflußt gegenüber Änderungen
von R2 bleiben würde.
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Prinzipiell ist eine Modulation der Sekundärimpedanz auch über den
reaktiven Anteil X2 möglich, z.B. durch den Einsatz einer Rapazitätsdiode. Der Stromverbrauch
der heute handelsüblichen Kapazitätsdioden liegt aber um Größenordnungen höher als
der von FETs, so daß ihr Einsatz wegen des zu hohen Energiebedarfs auszuschließen
ist.
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Damit ist dem amplitudenmodulierten, passiven Telemetriesystem eindeutig
der Vorzug zu geben gegenüber einem Tele-
metriesystem, das auf
einer Signalübertragung durch FM beruht.
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In Verbindung mit einem primären Schwingkreis ergeben sich vier mögliche
Resonanzschaltungen zur Realisierung der AM, deren Ubertragungseigenschaften im
folgenden weiter untersucht werden.
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Die für die Realisierung der FM zwingende Forderung nach großerSekundärinduktivität
im Implantat im Vergleich zu einer kleinen externen Primärinduktivität entfällt
bei. der AM, indem die Übertragungsspulen sekundär- und primärseitig zu Schwingkreisen
ergänzt und bei gleicher Resonanzrequenz betrieben werden.
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Von den vier möglichen Resonanzschaltungen besitzt der Fall sekundärer
Serien- und primärer Parallelresonanz einen für die Realisierung des Telemetriesystems
äußerst günstigen Übertragungsfaktor (L1/M)2. Er ist für die Übertragung der signalabhängigen
Widerstandsänderungen von R2 auf die Primärseite verantwortlich und damit für den
Wirkungsgrad des passiven amplitudenmodulierten Telemetriesystems. In dem Übertragungsfaktor
(L1/M)2 steckt primär die Forderung nach möglichst hoher externer Primärinduktivität
L1, ein für die Realisierung sicherlich wenig problematischer Fall. Die Gegeninduktivität
M taucht hier im Nenner auf, sie darf aber nicht beliebig klein gemacht werden,
um dadurch einen hohen Übertragungsfaktor zu erzielen. Bei kleiner werdender Gegeninduktivität
nimmt auch die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule ab. Eine hohe elektromagnetische
Kopplung zwischen den Übertragerspulen
ist aber nach wie vor Voraussetzung,
um den Sekundärschwingkreis von der externen Seite aus anregen und darüberhinaus
auf der Primärseite registrierbare Impedanzmodulation durchführen zu können.
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Für den Wirkungsgrad der passiven Signalübertragung ist die Wahl einer
optimalen Trägerfrequenz des externen Oszillators und in der Wahl der Windungszahlen
von implantierter und externer Spule wesentlich. Die Werte der Gegeninduktivität
M und damit der Wirkungsgrad der Signalübertragung durch eine Erhöhung der Windungszahlen
sowohl von implantierter als auch externer Spule verbessern.
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Grenzen sind hier gesetzt im wesentlichen bei der implantierten Spule,
die aus medizinisch praktischen Gründen natürlich klein sein und eine geringe Windungszahl
besitzen sollte. Aber auch bei der externen Spule läßt sich die Windungszahl zur
Erreichung höherer Selbst- und Gegen in duktivität nicht beliebig steigern, da sowohl
die ohmschen Verluste als auch die unerwünschten Eigenkapazitäten mit der Anzahl
der Windungen steigen. Die Verwendung geeigeter Ferritkerne für die externe Spule
kann hier ausreichend hohe Induktivitäten liefern auch bei geringerer Baugröße und
Windungszahl.
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Für die Wahl der Trägerfrequenz des externen Oszillators ist entscheidend,
ob die implantierte Spule metallisch oder in Kunststoff eingekapselt ist. Eine nichtmetallische
Einkapselung der Sekundärspule macht die Verwendung von Trägerfrequenzen bis zu
mehreren 100 KHz möglich. Bei Implantaten wie dem Herzschrittmacher, die hermetisch
mit einem Metallgehäuse umgeben sind, ergab die experimentelle
Bestimmung
der optimalen Trägerfrequenz einen Wert um etwa 10 KHz. Ist die Verwendung eines
metallischen Implantatgehäuses unumgänglich, sollte dessen elektrische Leitfähigkeit
sehr klein sein. So liefert das bei Herzschrittmachern oft verwendete Titan wegen
der höheren Leitfähigkeit einen um etwa 50% schlechteren Effekt als eine CoNiCrMo-Legierung.
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Bei den bisherigen Betrachtungen wurde von idealen Spulen ohne ohmsche
Verluste ausgegangen. Um ihren Einfluß auf das Übertragungsverhalten zu untersuchen,
seien sie als zu den idealen Induktivitäten L1 und RV2 betrachtet. Widerstandsänderungen
im Sekundärkreis, hervorgerufen durch eine signalabhängige Modulation von R2, werden
am größten, wenn die Verluste der sekundären Spule möglichst klein sind, das stellt
aber an die Sekundärspule die Forderung nach möglichst hoher Güte Q2. Auch die primäre
Spule sollte eine möglichst große Güte Q1 besitzen, um den optimalen Wirkungsgrad
der passiven, amplitudenmodulierten Signalübertragung zu erzielen.
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Beim induktiven Telemetriesystem ändert sich der Wirkungsgrad der
passiven Signalübertragung mit Lageänderungen der beiden Übertragerspulen zueinander.
Diese bestehen aus Abstandsänderungen, Verschiebungen und Verkantungen aus ihrer
idealen Position heraus. Eine Abhängigkeit der Übertragung bei Verdrehung der beiden
Spulen zueinander tritt zusätzlich bei Verwendung zweier Rechteckspulen auf. Damit
ist es auch nicht möglich, eine Aussage über die absolute Amplitude des übertragenen
Signals zu gewinnen. Abhilfe schafft hier die Übertragung eines Referenzsignals
be-
kannter Amplitude, mit dem das eigentliche Signal verglichen
und so dessen absolute Amplitude bestimmt werden kann.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht in der Verwendung eines VCOs
im Sekundärkreis wie es in der Figur dargestellt ist und damit in einer Signalübertragung
durch eine FM-AM-Kombination. Der VCO setzt das zu übertragende Signal s(t) in ein
frequenzmoduliertes Signal Sl(t) konstanter Amplitude um, das über den Fet die Sekundärimpedanz
in bekannter Weise ändert. Die eigentliche Übertragung erfolgt durch AM, so daß
am Meßwiderstand RM das vom Signal sl(t) eingehüllte Trägersignal des externen Oszillators
vorliegt. Eine AM-Demodulation liefert zunächst die Einhüllende sl(t), nach einer
anschließenden FM-Demodulation gewinnt man das gewünschte Signal s'(t), dessen Amplitude
nun unabhängig vom Grad der Kopplung zwischen den Übertragerspulen ist.
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Damit sind Störungen des Übertragungssystems ausgeschlossen, die auf
Änderungen des Kopplungsfaktors K und damit der Gegeninduktivität M beruhen. Voraussetzung
für eine passive Signalgewinnung ist lediglich eine minimale Kopplung zwischen den
Spulen, mit der die Einhüllende des Trägersignals registriert und demoduliert werden
kann. Die eigentliche Information steckt dann in der Frequenz des amplituden-demodulierten
Signals.
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Die Umsetzung des zu übertragenden Signals in ein frequenzmoduliertes
Signal mit Hilfe eines VCOs ist keine zwingende Voraussetzung für die passive Signalübertragung,
sondern nur eine von mehreren Möglichkeiten:
a) direkte Übertragung:
Das zu übertragende Signal wirs direkt auf das Gate des FET gegeben und erzeugt
so eine signalabhängige sekundäre Impedanzmodulation.
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b) Pulsmodulation (PM): Eine passive Signalgewinnung, die gegenüber
Lageänderungen der beiden Übertragerspulen störungsfrei ist, wird möglich, wenn
das zu übertragende Signal abgetastet und so eine Übertragung durch PM-AM oder PM-FM
durchgeführt wird. Der FET Im Sekundärkreis dient dabei als Schalter und moduliert
in bekannter Weise die Impedanz des Sekundärkreises entsprechend dem pulsmodulierten
Signal. Die eigentliche Übertragung zwischen Implantat und externer Empfangseinheit
erfolgt dann wieder durch AM oder FM.
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Neben einr möglichen Multiplexübertragung von mehreren Signalen läßt
sich das passive Telemetriesystem auch zur Datenübertragung in das Implantat verwenden.
Beim Einsatz im Herzschrittmacher kann das Übertragungssystem zur üblichen Programmierung
der Schrittmacherfunktion dienen als auch zur rückwärtigen Übertragung etwa des
intrakardialen Elektrokardiogramms.
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Andere Einsatzmöglichkeiten findet das passive Telemetriesystem in
Nervenstimulationssystemen oder in implantierten Medikamenteninfusionssystemen,
wie z.B. dem künstlichen Pankreas.
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Mit der Entwicklung der passiven, induktiven Signalübertragung konnte
in der für die medizinische Diagnostik und
Therapie wichtigen Langzeitüberwachung
von Patienten wesentliche Fortschritte erzielt werden. Während bei üblichen Telemetriesystemen
eine Langzeitüberwachung wegen des hohen Energiebedarfs für eine aktive Signalübertragung
nicht realisierbar war, ermöglicht das passive Telemetriesystem einen kontinuierlichen
Datenfluß aus Implantaten ohne wesentliche Einschränkung ihrer Lebensdauer.
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Für viele Anwendungen, bei denen mechanische Daten übertragen werden
sollen, werden bevorzugt Aufnehmer für Druck etc. verwendet, bei denen die zu übertragende
Meßgröße direkt die elektrischen Eigenschaften (Induktivität, Kapazität oder Widerstand)
des in den Senderresonanzkreis eingeschalteten Aufnehmers bewirkt. Bevorzugt ist
hier der Dehnungmeßstreifen zu nennen. Entsprechend lassen sich aber auch Piezoelemente
und Quarze verwenden. Das Piezoelement bildet bei einer günstigen Ausführung gleichzeitig
die Spannungsquelle für einen nachgeschalten FET-Verstärker.
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Zur optimalen Einstellung des Empfängerkreises für unterschiedliche
Sender ist bevorzugt eine Frequenznachstimmvorrichtung im Empfänger vorgesehen,
welche denjenigen entsprechen kann, wie sie in Rundfunkempfängern verwendet werden,
so daß hier auf eine eingehende Beschreibung verzichtet werden kann.
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Leerseite