DE4435602C2

DE4435602C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Versorgung implantierter Meß-, Steuer- und Regelsysteme mit Energie und zum bidirektionalen Datentransfer

Info

Publication number: DE4435602C2
Application number: DE19944435602
Authority: DE
Inventors: Gunter Preis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1994-10-05
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: AU3561495A; WO1996011036A1; DE4435602A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Versorgung von in menschliches Körpergewebe implantierten elektromedizinischen Meß-, Steuer- und Regelsystemen, insbesondere Herzschrittmachern, mit photovoltaischer Energie und zum bidirektionalen Datentransfer zwischen diesen und einem exogenen Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display, zur Aufrechterhaltung und Unterstützung sowie Messung und Diagnose von Organ- und Körperfunktionen.

Systeme der geschilderten Art werden bei verschiedenen implantierten elektromedizinischen Geräten, wie Gewebestimulatoren, Insulinregelsystemen und anderen, eingesetzt. Derartigen Geräten wird eine immer größere Anzahl komplexer Funktionen zugeordnet, um sie in ihrer therapeutischen und diagnostischen Wirksamkeit sowie einfachen und verträglichen Benutzung effektiver zu gestalten.

In nicht geringem Maße wird von diesen Geräten die Lebensqualität ihrer Träger beeinflußt bzw. deren Lebenszeit verlängert.

Allein schon die Dauer der Funktionsfähigkeit der auf operativem Wege implantierten Systeme ist für die Patienten von erheblicher Bedeutung und, im Ergebnis, im wesentlichen abhängig von der möglichen Energieversorgung der Systeme. Mit einer Lithiumbatterie ist es beispielsweise möglich, die Energielieferung für einen einfachen Herzschrittmacher ohne erweiterten Funktionsbereich für etwa 15 Jahre zu sichern. Ein derartiger Herzschrittmacher paßt über den ermittelten Blutsauerstoffwert korrelativ die Herzschlagfrequenz nach fest vorgegebenem Schema an und entspricht damit nicht mehr neuesten Anforderungen, die beispielsweise bei kreislaufbedingten Belastungsänderungen die Eingabe von Steuerkommandos oder über Datenrückmeldung Diagnosen körperlicher Funktionen ermöglichen. Die stete Erweiterung der Meß-, Steuer- und Regelfunktionen ist aber mit anwachsendem Energiebedarf verbunden. Dadurch wird die Einsatzzeit der implantierten teuren elektronischen Geräte, die an sich lebenslang funktionsfähig wären, auf die Zeit der Funktionsfähigkeit ihrer Energielieferanten, Batterien oder Akkumulatoren, begrenzt. Deren Ersatz ist nur im Zuge eines teuren und für den Patienten mit mancherlei Beschwernissen verbundenen operativen Eingriffs möglich.

Deshalb hat man versucht, die Verwendung implantierter Energieversorger, die nach Verbrauch ihres Energievorrates auf operativem Wege ausgewechselt werden müssen, zu umgehen.

In der DE 36 05 915 A1 ist eine Steuer- und Leistungsversorgungseinheit für implantierte elektromedizinische Meß-, Steuer- und Regelsysteme mit einer Elektronikeinheit beschrieben, deren Energiebedarf photovoltaisch von Solarzellen erzeugt wird. Diese sind nicht implantiert, sondern an bevorzugten Körperpartien so angeordnet, daß zwischen ihnen und der implantierten Elektronikeinheit keine galvanische Verbindung besteht. Vielmehr wird die Solarzellenenergie über ein Übertragungssystem mit einer mobil an Körperpartien anbringbaren Primärwicklung und einer implantierten Sekundärwicklung induktiv übertragen und über in Blutgefäßen eingeführte Leitungen der implantierten Elektronikeinheit zugeführt. Über das Übertragungssystem erfolgt auch ein bidirektionaler Datentransfer zwischen einem von den Solarzellen direkt gespeisten Bedienfeld zur Abgabe von Steuerkommandos und dem implantierten Meß-, Steuer- und Regelsystem mit der Elektronikeinheit.

Diese Lösung ist in verschiedener Hinsicht nachteilig.

Außer der unabdingbaren einmaligen Implantation des Meß-, Steuer- und Regelsystems mit den wiederaufladbaren Akkumulatorzellen selbst sind aufwendige und den Patienten zusätzlich belastende operative Eingriffe zur Einbringung des Übertragungssystems, insbesondere der Sekundärwicklung und der Zuleitungen, erforderlich.

In einer Vielzahl von Anwendungsfällen sind Verträglichkeitsprobleme hinsichtlich der in den Blutgefäßen verlaufenden Zuleitungen sowie der Sekundärwicklung zu erwarten, zumal diese, im Gegensatz zu dem Meß-, Steuer- und Regelsystem, im Arm, d. h. in einem in Dauerbewegung und unter Belastung befindlichen menschlichen Glied positioniert sind. Schmerzbedingte Benutzungseinschränkungen sind zu erwarten. Ein weiterer Nachteil besteht in der Störanfälligkeit des Systems gegenüber elektromagnetischen Wechselfeldern. Das Auftreten energieproportionaler elektromagnetischer Wechselfelder setzt, insbesondere bei Herzschrittmachern, der Übertragung bestimmte Grenzen bzw. es ist eine zusätzliche Abschirmung der Steuerelektronik notwendig. Eine erhöhte Gefährdung der Patienten geht vor allem von äußeren, unberechenbaren elektromagnetischen Feldern aus, weil das System einen mehrfach höheren Eingangsquerschnitt für diese aufweist wie beispielsweise Herzschrittmacher mit herkömmlichen Akkumulatorenzellen oder Batterien.

Zu der begrenzten Übertragungsintensität kommen Wirkungsgradverluste des Systems hinzu. Das sind einmal die Wandlungs- bzw. Gleichrichtungsverluste des primären Solarstromes, zum anderen infolge der induktiven Übertragung über ein sehr offenes Streufeld. Weitere Verluste treten bei der Hinleitung in den Zuleitungen auf.

Aus der US-Patentschrift 4 432 363 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Energie zu einer in einem lebenden Körper implantierten Einrichtung, insbesondere einem Herzschrittmacher bekannt. Danach durchdringt infrarotes Licht einer direkt über der Haut angeordneten Infrarotlampe die wenige mm betragende Hautdicke eines lebenden Körpers. Ein unmittelbar unter der Haut angeordneter, mit dieser verbundener spezieller, mit Linse und Faseroptik versehener, siliconummantelter, zusätzlich implantierter Lichtleitapparat übernimmt die Weiterleitung des infraroten Lichtes, welches am Ende der Faseroptik in Solarzellen in Strom zur Versorgung des erheblich tiefer im Körpergewebe positionierten Herzschrittmachers umgewandelt wird.

Der wesentlichste Nachteil dieser Vorrichtung besteht in der Notwendigkeit des zusätzlich implantierten Lichtleitapparates. Damit entstehen, mit seiner Länge wachsende, mechanische Anpassungsprobleme, die eine körperliche Immunreaktion hervorrufen. Die Verbindung des Siliconringes des Lichtleitapparates mit der Lederhaut stellt dabei eine weitere empfindliche Schwachstelle dar, die zusätzlich noch durch den mit der intensiven Direktbestrahlung mit Infrarotlicht der ganzen Spektralbreite verbundenen Wärmeeintrag belastet wird. Örtliche Entzündungen des Gewebes an der ortsunveränderlichen Eintrittsstelle mit damit verbundenen, wirkungsgradmindernden Eintrübungen sind nicht auszuschließen.

Die Implantation des Lichtleitapparates stellt für den Patienten an sich schon eine Minderung seiner Lebensqualität dar. Die Verbindung des Lichtleitapparates mit der Haut in einer reizbaren, schlagempfindlichen Nahtstelle und seine Ausdehnung im Körpergewebe bedingen zusätzlich eine lebenslange gezielte Immunsystemschwächung durch Behandlung mit Immunsupressiva. Dadurch werden aber Ursachen für mannigfaltige Infektionen gesetzt, die das Wohlbefinden, eventuell sogar die Lebensdauer, des Patienten negativ beeinflussen.

Ein Datentransfer ist auf dem beschriebenen Wege nicht möglich.

Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung besteht deshalb darin, eine Energieübertragung ohne Implantation eines gesonderten Übertragungsapparates und gleichzeitig den Datenaustausch zur besseren Diagnose und anpassenden Steuerung des implantierten Systems zu ermöglichen.

Das Problem, welches durch die Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung implantierter Meß-, Steuer- und Regelsysteme mit photovoltaischer Energie und zum bidirektionalen Datentransfer zwischen diesen und exogenen Auswerte- und Steuermodulen nachzuweisen, die die Beeinträchtigungen der Patienten hinsichtlich der Implantation und während der Benutzung minimieren, den apparativen und operativen Aufwand reduzieren, die Störanfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern sowie die Übertragungsverluste verringern.

Das genannte Problem wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 beschriebene Erfindung gelöst.

Nach dem erfinderischen Verfahren werden die, wie die elektromedizinischen Meß-, Steuer- und Regelsysteme, in das Körpergewebe implantierten Solarzellen mit Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich bestrahlt, welches im Bereich einer Lichtimmissionshautzone auf die Hautoberfläche auftrifft und diese sowie das weitere durchscheinende Körpergewebe auf dem Wege zu den Solarzellen unter Absorptionsverlusten durchdringt und der bidirektionale Datentransfer erfolgt auf gleichem Wege mittels steuermodulierten Lichtes der Wellenlängenbereiche 800 bis 900 nm oder 1250 bis 1350 nm oder 1450 bis 1550 nm zwischen einem exogenen über der Lichtimmissionshautzone flexibel befestigten optoelektronischen Lichtsendeelement und einem implantierten optoelektronischen Lichtempfangselement.

Für die Rückantwort an das Auswerte- und Steuermodul ist die Funktion des Lichtempfangselementes und des Lichtsendeelementes umgekehrt. Die galvanische Verbindung zwischen den Solarzellen und dem Lichtempfangselement zu einer Steuer- und Regeleinheit ist nur wenige mm lang.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens sieht vor, die Solarzellen in einem in definierter, auf die Lichtimmissionshautzone ausgerichteten Lage positionierten Segment zusammenzufassen und über eine elektronische Steuer- und Regeleinheit mit einem Akkumulator galvanisch zu verbinden, flächig in zentraler Position des Segments das optoelektronische Lichtempfangselement, vorzugsweise ein Photodetektor, anzuordnen, welches mit der elektronischen Steuer- und Regeleinheit in galvanischer Verbindung steht, exogenen über der Lichtimmissionshautzone, flexibel befestigt, das auf das Lichtempfangselement ausgerichtete optoelektronische Lichtsendeelement vorzusehen, welches über einen Steuerungslichtleiter mit dem Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfangs-Display verbunden ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile des bisherigen Standes der Technik.

Zusätzliche aufwendige Operationen zur Einbringung des Sekundärkreises eines induktiven Übertragungselements und der Zuleitungen in Blutgefäßen entfallen. Dem Patienten bleiben dadurch physische und psychische Belastungen erspart. Während der Benutzung sind gesundheitliche Beeinträchtigungen nicht mehr zu erwarten, wodurch die Lebensqualität der Patienten verbessert wird.

Die Störanfälligkeit des Meß-, Steuer- und Regelsystems gegen elektromagnetische Wechselfelder und die damit in Zusammenhang stehenden Übertragungsbeschränkungen entfallen annähernd ganz.

Wirkungsgradverluste treten nur in außerordentlich eingeschränktem Umfang auf, da der erzeugte Gleichstrom umwandlungsfrei direkt nach nur wenigen Millimetern Leitungsweg zur Steuer- und Regeleinheit und damit zur Ladespannungsformierung für den Akkumulator gelangt.

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung stellen dar:

Fig. 1: Energieversorgung und Datentransfer für einen Herzschrittmacher, in schematischer Darstellung,

Fig. 2: Herzschrittmacher, in Seitensicht,

Fig. 3: Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display, in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4: Blockschaltbild.

Das in Fig. 1 in schematischer Darstellung gezeigte Prinzip der Energieversorgung und des Datentransfers eines Herzschrittmachers 2 gemäß Fig. 2 geht von der Erkenntnis aus, daß der allverfügbare Energieträger Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, mit gewissen Absorptionsverlusten, grundsätzlich problemlos in der Lage ist das Körpergewebe 16, d. h. Haut-, Muskel-, Bindegewebe usw., zu durchdringen und danach photovoltaische Energie zu erzeugen, wie nachfolgend angeführte Ergebnisse sowohl mit Sonnenlicht als auch mit Kunstlicht durchgeführter Versuche darlegen. Die Versuche wurden mit einer handelsüblichen Dünnfilm-Solarzelle mit einer wirksamen Fläche von 48,5×52,5 mm und einer Dicke von 1,4 mm, wobei davon 95% auf eine Glasabdeckung als transparenter Schutz und mechanischer Träger der lichtempfindlichen energieerzeugenden Schicht entfallen, durchgeführt. Als "Ersatzmedium" wurde statt menschlichen Körpergewebes 16 grobfaseriges, mageres, quer zur Muskelfaser geschnittenes Schweinefleisch in verschiedener Schichtdicke verwendet.

Versuch Nr. 1: Sonnenlicht

Tagesbedingter Einstrahlwinkel zur Erdoberfläche: 40°, wolkenloser Himmel

Versuch Nr. 2: Sonnenlicht

Tagesbedingter Einstrahlwinkel zur Erdoberfläche: 55°, wolkenloser Himmel

Versuch Nr. 3: Sonnenlicht

Tagesbedingter Einstrahlwinkel zur Erdoberfläche: 50°, geschlossene Cirrusstratus-Wolkendecke

Versuch Nr. 4: Sonnenlicht

Tagesbedingter Einstrahlwinkel zur Erdoberfläche: 50°, geschlossene Bewölkung mit kleinen Cumulus congestus

Versuch Nr. 5: Sonnenlicht

Tagesbedingter Einstrahlwinkel zur Erdoberfläche: 45°, Bewölkung: Große Cumulus congestus, eine große Cumulus nimbus (60%) vor der Sonne

Versuch Nr. 6: Kunstlicht

Halogenstrahler 80 Watt, Parabolspiegel mit 167 mm Durchmesser, Gesamtlichtstärke: 750 cd, senkrechter Abstand zur Gewebeschicht im Fokussierpunkt: 1200 mm

Die durchgeführten Versuche haben ergeben, daß die gelben, orangen und hellroten Spektralanteile des sichtbaren Lichtes nach dem Durchtritt durch relativ geringe Gewebedicken in der Lage waren, einen hohen Anteil an der Solarenergie zu erzeugen. Mit wachsender Gewebedicke wird ein steigender Anteil des Lichtes kürzerer Wellenlänge absorbiert und leistet im Gewebe thermische Arbeit. Diese war aber gering und gewebeverträglich.

Bei weiterer Erhöhung der Gewebedicke verlief der Abfall der erzeugten Solarenergie nichtlinear, da die langwelligeren roten und infraroten Spektralanteile in der Lage waren das Gewebe fast ohne Absorption zu durchdringen. In gleicher Weise sind die Versuche Nr. 3 bis 5 mit durch Wolken gedämpftem Sonnenlicht zu bewerten, in deren Ergebnis selbst bei größter Gewebedicke immer noch akzeptable Leistungen der Solarzelle erzielt wurden.

Bei dem Versuch Nr. 6 wurde Kunstlicht mit der Lichtkastentherapie vergleichbaren Helligkeitswerten verwendet. Die Ergebnisse waren gleichfalls völlig befriedigend.

Die hieraus ersichtliche mögliche hohe Ladeleistung für den Akkumulator 15 des Herzschrittmachers 2 war bei diesem Versuch Nr. 6 mit einer vergleichsweise geringen thermischen Belastung des der Solarzelle 5 vorgelagerten Körpergewebes 16 verbunden. Sie war nicht störend, sondern verträglich. Selbst stark pigmentierte Haut stellt für rote und infrarote Lichtstrahlen bei permanenter oder intervallmäßiger Ladung des Akkumulators 15 implantierter, elektromedizinischer Meß-, Steuer- und Regelsysteme keine Barriere dar.

Im einfachsten Falle, nämlich dann, wenn die Lichtimmissionshautzone 18 direkter Bestrahlung durch Sonnenlicht ausgesetzt ist, genügt die durch verfügbare Minisolarzellen mit einem breiten Leistungsspektrum bis in den infraroten Spektralbereich des Lichtes erzielbaren Ergebnisse völlig für den vorgesehenen Zweck aus.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht jedoch außerdem vor, das im Bereich der Lichtimmissionshautzone 18 auftreffende Licht zu verstärken. Zur Verbesserung der Gewebeverträglichkeit wird dieses Licht hinsichtlich der infraroten Wellenlängen teilweise und der ultravioletten gänzlich entkoppelt.

Die Wahl entsprechenden Materials für die Lichtleitfaserenden 10; 11 und den Steuerungslichtleiter 12 gestattet bereits eine determinierte Entkopplung bestimmter Wellenlängenbereiche. Dieses Material setzt den Wellenlängen einen hohen Dämpfungswert entgegen. Auf diese Weise entfallen technisch aufwendige Filtervorsätze.

Der bidirektionale Datentransfer beruht grundsätzlich auf dem gleichen Prinzip wie der Energietransfer. Für die Rückantwort kann auch über die Hochfrequenzsendeantenne 1 abgestrahlte und über die Hochfrequenzempfangsantenne 27 empfangene modulierte Hochfrequenz benutzt werden, für den Fall, daß das Energieniveau einer optischen Rückmeldung zu niedrig ist. Dafür ist die Benutzung störungs- und einstreufreier Frequenzbänder erforderlich.

Die Anwendung von Leuchtdioden und hochempfindlichen Halbleiter-Strahlungsempfängern im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich mit zuverlässig hoher Lebensdauer von mehreren tausend Stunden ermöglichen jedoch eine rein optoelektronische Logikschaltung über den Steuerungslichtleiter 12 und den Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display 13, in diesem Falle den Laser-Sende-Modul 20, für die bidirektionale Steuerung des implantierten Herzschrittmachers 2. Diese weist sehr gute Isolationswerte auf und eine Rückkoppelung ist nahezu ausgeschlossen, wodurch Fehlerfreiheit garantiert ist.

In dem Blockschaltbild nach Fig. 4 ist das Prinzip des Energie- und Datentransfers übersichtlich dargestellt. Aus der Leuchtfläche 7 austretendes Licht ist gegebenenfalls über Lichtleitfaserenden 10; 11 gebündelt und verstärkt worden. Es durchdringt das Körpergewebe 16 unter Absorptionsverlusten und trifft auf die Solarzellen 5, die über die Steuer- und Regeleinheit 17 die Ladeenergie für den Akkumulator 15 kontinuierlich oder zeitweise bereitstellen. Über den Steuerungslichtleiter 12 erfolgt nach dem gleichen Prinzip der bidirektionale Datentransfer zwischen der Steuer- und Regeleinheit 17 des Herzschrittmachers 2 und dem Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display 13 mit der Möglichkeit der Eingabe von Steuerbefehlen und der Ausgabe von Diagnosedaten.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zur Versorgung des implantierten Herzschrittmachers 2 mit Energie sowie zum Datentransfer läßt sich hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer Funktionsweise wie folgt beschreiben.

Das Licht tritt im Bereich der Lichtimmissionshautzone 18 in den Körper ein, durchdringt unter gewissen Absorptionsverlusten das Körpergewebe 16 und trifft auf die Solarzellen 5. Diese sind in einem Segment 19, welches definiert auf die Lichtimmissionshautzone 18 ausgerichtet ist, zusammenfaßt und in dem Körpergewebe 16 befestigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Segment 19 direkt auf der Kapsel 6, vorzugsweise aus Keramik, des Herzschrittmachers 2 unter der hochtransparenten, für Lichtwellen im sichtbaren und infraroten Bereich durchlässigen Hülle 14 angeordnet. Selbst bei einer extremen Dicke des Körpergewebes 16 von ca. 5 cm findet durch die direkt auf der Kapsel 6 angeordneten Solarzellen 5 eine ausreichende Energieerzeugung für die Speisespannungsbereitstellung zur ständigen Ladung des Akkumulators 15 einerseits, zum anderen, mit Steuerdominanz, zur optoelektronischen Aussteuerung des Herzschrittmachers 2 über das Lichtempfangselement 3, einen Photodetektor, welches zentral in dem Segment 19 positioniert ist, statt. Die galvanischen Verbindungen von den Solarzellen 5 und dem Lichtempfangselement 3 zu der gleichfalls innerhalb der Kapsel 6 befindlichen Steuer- und Regeleinheit 17 und von dieser zu dem Akkumulator 15 sind nur wenige Millimeter lang. Auf diesem Wege gelangt der erzeugte Gleichstrom umwandlungsfrei und unter sehr geringen Verlusten zu der Steuer- und Regeleinheit 17. Der Akkumulator 15 hat eine Ladezyklenzahl von über 2000. Bei einer Energiedichte von 700 mWh/g sowie speziellen Ladeverfahren sind als Akkumulatoren 15 Lithium-Sekundärelemente besonders geeignet. Es gibt Zellenspannungen mit 3 Volt bei Festelektrolyten 1,5 bis 1,9 Volt pro Zelle und Energiedichten von 0,6 bis 1,7 Wh pro cm/3. Der fast völlige Wegfall der Selbstentladung im weiten Temperaturbereich macht eine Lebensdauer über Jahrzehnte möglich. Asynchrone Wechselstromladung ermöglicht eine weitere Erhöhung der Ladezyklen. Damit ergibt sich eine Kapazitätserweiterung um ca. 300 pro 1000 Ladezyklen. Außerhalb des Körpers kann die Leuchtfläche 7, in Halterungen, Bandagen oder Kleidungsstücken flexibel befestigt, auf die Lichtimmissionshautzone 18 ausgerichtet sein. Die Leuchtfläche 7 dient der Verstärkung des eintretenden Lichtes. Das kann erfolgen, indem sie aus im geeigneten Wellenbereich strahlenden Leuchtdioden besteht, die ihre Energie von äußeren Akkumulatoren, Batterien oder Solarzellen erhalten.

Fig. 1 zeigt jedoch eine andere Lösung. In der Leuchtfläche 7 sind Glasköpfe 9 von Lichtfaserenden 10; 11 angeordnet. Die in Bündeln zusammengefaßten Lichtfaserenden 10 sind mit einer nicht dargestellten Tagesauflichtebene und die Lichtfaserenden 11 mit einer Kunstauflichtebene durch Lichtleitfasern verbunden, welche in textilen oder anderen geeigneten Teilflächen von Kleidungsstücken in Lichteintrittsflächen zweidimensional angeordnet sind.

Für den bidirektionalen Datentransfer ist vorzugsweise in der Leuchtfläche 7 zentral das auf das Lichtempfangselement 3 justierte Lichtsendeelement 4 angeordnet. Es ist über den Steuerungslichtleiter 12 mit dem Laser-Sende-Modul 20 verbunden, dessen Aufbau in Fig. 3 dargestellt ist. Er umfaßt die Lichtleitsteckverbindung 26, das Laser-Modul 25, das Datenbank-Scanning-Display 24 mit dem Bedienfeld 23 sowie die Energieanschlußbuchse 21 und den Anschlußkontakt 22, welcher als serielle oder parallele Schnittstelle ausgebildet ist, über die Daten des implantierten Herzschrittmachers 2 diagnostiziert werden können. Das Bedienfeld 23 erlaubt die aktive Eingabe von Steuerbefehlen an den Herzschrittmacher 2 in Anpassung an den menschlichen Kreislauf und die augenblicklichen äußeren Bedingungen. Zur Steuerung des Herzschrittmachers 2 wird der Steuerungslichtleiter 12 von steuermoduliertem Licht der Wellenlängenbereiche 1250 bis 1350 nm oder 1450 bis 1550 nm durchflutet und tritt aus in dem Lichtsendeelement 4.

Statt des Laser-Sende-Moduls 20 kann ein Sendemodul eines LED-Senders mit einer Lumineszenzdiode verwendet werden. Je nach Wahl des Materials und seines Mischungsverhältnisses, beispielsweise Indium/Gallium und Arsen/Phosphor, ist die Wellenlänge wählbar, auf welche die Daten aufmoduliert werden können.

Die aus dem Lichtsendeelement 4 austretenden, das Körpergewebe 16 auf dem Wege zu dem Lichtempfangselement 3 durchdringenden Lichtimpulse besitzen Steuerdominanz gegenüber der gleichförmigen, der Energieversorgung der Solarzellen 5 dienenden Lichtemission. Das als Photodetektor ausgebildete Lichtempfangselement 3 empfängt die Lichtimpulse, wandelt diese in elektrische Impulse und gibt diese auf kurzem Leitungswege an die Steuer- und Regeleinheit 17 des Herzschrittmachers 2 weiter. Für die Rückantwort von der Steuer- und Regeleinheit 17 an das Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display 13, im vorliegenden Falle an den Laser-Sender-Modul 20, ist die Funktion des Lichtempfangselementes 3 und des Lichtsendeelementes 4 umgekehrt. Als zusätzliche Sicherungsvorkehrung kann dem Steuerungslichtleiter 12 eine galvanische Rückleitung parallelisiert sein, für den Fall, daß das Energieniveau einer optischen Rückmeldung unter Berücksichtigung der Länge des Steuerungslichtleiters 12 zu niedrig erscheinen sollte. Eine andere Möglichkeit der Rückmeldung besteht in der Anwendung modulierter Hochfrequenz über die Hochfrequenzsendeantenne 1 und die Hochfrequenzempfangsantenne 27.

Bezugszeichenliste

1

Hochfrequenzsendeantenne

2

Herzschrittmacher

3

Lichtempfangselement

4

Lichtsendeelement

5

Solarzelle

6

Kapsel

7

Leuchtfläche

8

Lichtleitfaser

9

Glaskopf

10

Lichtleitfaserende

11

Lichtleitfaserende

12

Steuerungslichtleiter

13

Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display

14

transparente Hülle

15

Akkumulator

16

Körpergewebe

17

Steuer- und Regeleinheit

18

Lichtimmissionshautzone

19

Segment

20

Laser-Sende-Modul

21

Energieanschlußbuchse

22

Anschlußkontakt

23

Bedienfeld

24

Datenbank-Scanning-Display

25

Laser-Modul

26

Lichtleitsteckverbindung

27

Hochfrequenzempfangsantenne

Claims

1. Verfahren zur Versorgung von in menschliches Körpergewebe implantierten elektromedizinischen Meß-, Steuer- und Regelsystemen, insbesondere Herzschrittmachern, mit photovoltaischer Energie und zum bidirektionalen Datentransfer zwischen diesen und einem exogenen Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display, zur Aufrechterhaltung und Unterstützung sowie Messung und Diagnose von Organ- und Körperfunktionen, dadurch gekennzeichnet, daß gleichfalls in das menschliche Körpergewebe (16) implantierte, an sich bekannte, Solarzellen (5) mit Licht im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich bestrahlt werden, welches im Bereich einer Lichtimmissionshautzone (18) auf die Hautoberfläche auftrifft und diese sowie das durchscheinende Körpergewebe (16) auf dem Wege zu den Solarzellen (5) unter Absorptionsverlusten durchdringt und daß der bidirektionale Datentransfer auf gleichem Wege mittels durch Lichtleittechnik zugeführten steuermodulierten Lichtes der Wellenlängenbereiche 800 bis 900 nm oder 1250 bis 1350 nm oder 1450 bis 1550 nm zwischen einem exogenen über der Lichtimmissionshautzone (18) flexibel befestigten optoelektronischen Lichtsendeelement (4) und einem flexibel befestigten optoelektronischen Lichtsendeelement (4) und einem implantierten optoelektronischen Lichtempfangselement (3) erfolgt, wobei für die Rückantwort an das Auswerte- und Steuermodul die Funktion des Lichtempfangselementes (3) und des Lichtsendeelementes (4) umgekehrt ist und daß die galvanische Verbindung zwischen den Solarzellen (5) und dem Lichtempfangselement (3) zu einer Steuer- und Regeleinheit (17) nur wenige mm lang ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Bereich der Lichtimmissionshautzone (18) auftreffende Licht verstärkt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht hinsichtlich seines infraroten Spektralanteiles teilweise gefiltert und von seinem ultravioletten Spektralanteil gänzlich entkoppelt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückantwort des Datentransfers durch das Körpergewebe (16) alternativ durch Senden und Empfangen modulierter Hochfrequenz erfolgen kann.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Solarzellen (5) in einem in definierter, auf die Lichtimmissionshautzone (18) ausgerichteten, Lage positionierten Segment (19) zusammengefaßt und
- über eine elektronische Steuer- und Regeleinheit (17) mit einem Akkumulator (15) galvanisch verbunden sind,
- flächig in zentraler Position des Segmentes (19) das optoelektronische Lichtempfangselement (3), vorzugsweise ein Photodetektor, angeordnet ist, welches mit der elektronischen Steuer- und Regeleinheit (17) in galvanischer Verbindung steht,
- exogen über der Lichtimmissionshautzone (18), flexibel befestigt, das auf das Lichtempfangselement (3) ausgerichtete optoelektronische Lichtsendeelement (4) angeordnet ist, welches
- über einen Steuerungslichtleiter (12) mit dem Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display (13) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (19) mit den Solarzellen (5) und dem Lichtempfangselement (3) auf einer Kapsel (6) des als Herzschrittmacher (2) augebildeten Meß-, Steuer- und Regelsystems, von einer gemeinsamen transparenten Hülle (14) eingeschlossen, angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtsendeelement (4) zentrisch innerhalb einer auf die Lichtimmissionshautzone (18) ausgerichteten, flexibel befestigbaren, Leuchtfläche (7) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtfläche (7) auf in besonderer Weise dem jeweiligen Körperteil angepaßten Halterungen, Bandagen oder Kleidungsstücken befestigt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtfläche (7) aus im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich strahlenden Leuchtdioden, mit Energieversorgung in an sich bekannter Weise durch Akkumulatoren, Batterien oder auf photovoltaischer Basis, besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtfläche (7) aus Glasköpfen (9) besteht, die über in einem Gruppenbündel zusammengefaßte Lichtleitfasern (8) mit Lichtleitfaserenden (10; 11) verbunden sind, die in mindestens einer textilen oder anderen geeigneten Teilfläche von Kleidungsstücken in einer Lichteintrittsfläche enden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaserenden (10) in einer als Tageslichtauflichtebene ausgebildeten Lichteintrittsfläche enden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaserenden (11) in einer als Kunstlichtauflichtebene ausgebildeten Lichteintrittsfläche enden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display (13) als Laser-Sende-Modul (20) mit den Arbeitsbreiten in den Wellenlängenbereichen von 1250 bis 1350 nm oder 1450 bis 1550 nm ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Sende-Modul (20) eine Energieanschlußladebuchse (21), einen als serielle oder parallele Schnittstelle ausgebildeten Anschlußkontakt (22), ein Bedienfeld (23), ein Datenbank-Scanning-Display (24), ein Laser-Modul (25) und eine Lichtleitsteckverbindung (26) umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display (13) als Sendemodul eines LED-Senders mit Lumineszenzdiode mit der Arbeitsbreite in dem Wellenlängenbereich von 800 bis 1550 nm ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtsendeelement (4) mit dem Auswerte- und Steuermodul mit Geber-Empfänger-Display (13) zusätzlich in galvanischer Verbindung steht.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Herzschrittmacher (2) eine mit der elektronischen Steuer- und Regeleinheit (17) galvanisch verbundene Hochfrequenzsendeantenne (1) und an dem Lichtsendeelement (4) eine Hochfrequenzempfangsantenne (27) angeordnet ist.