DE602004006088T2

DE602004006088T2 - Implantierbare vorrichtung mit eigener energieversorgung

Info

Publication number: DE602004006088T2
Application number: DE602004006088T
Authority: DE
Inventors: David L. Andover THOMPSON
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: DE602004006088D1; EP1597807A1; WO2004073138A1; US20040158294A1; EP1597807B1; CA2516260A1

Description

Die Erfindung betrifft implantierbare medizinische Vorrichtungen und insbesondere implantierbare medizinische Vorrichtungen, die ein Mikroelektromechanik-System (MEMS) aufweisen.
Eine implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) kann von einem oder mehreren Elementen wie z.B. Sensoren Signale aufnehmen oder auf sie übertragen. Ein Sensor kann auf einen abgetasteten Zustand im Körper ansprechen, z.B. elektrische Aktivität, Blutdruck, Blutzusammensetzung, oder eine mechanische Eigenschaft. Sensoren, die auf abgetastete Zustände ansprechen, können eine klinisch wichtige Größe detektieren oder messen.
Eine IMD kann auch mit einem Element kommunizieren, welches eine oder mehr therapeutische Funktionen bereitstellen kann. Beispielsweise kann eine Elektrode einen therapeutischen Elektroschock an benachbartes Gewebe abgeben. Einige Elemente können sowohl Abtastungs- als auch therapeutische Funktionen ausführen. Viele Elemente erfordern eine Energiequelle, um zu arbeiten oder um Signale an eine IMD zu übertragen. Herkömmliche Sensoren können beispielsweise von einer dafür vorgesehenen Batterie oder von der IMD, die üblicherweise eine Batterie aufweist, Energie aufnehmen. Eine IMD liefert Energie herkömmlicherweise an einen Sensor mittels einer Leitung, welche einen Stromleiter aufweist.
Allgemein ist die Erfindung auf Elemente gerichtet, welche von einer implantierbaren, bewegungsaktivierten Energiequelle Energie aufnehmen. Eine bewegungsaktivierte Energiequelle wandelt mechanische Energie in Form von Bewegung in elektrische Energie um. Wenn sich die bewegungsaktivierte Energiequelle bewegt, erzeugt die bewegungsaktivierte Energiequelle elektrische Energie, welche in einer Energiespeichervorrichtung wie einem Kondensator gespeichert werden kann. Diese elektrische Energie kann das Element speisen.
Ein Mikroelektromechanik-System-(MEMS)Beschleunigungsmesser kann zur Erzeugung elektrischer Energie als Reaktion auf eine Bewegung verwendet werden. Ein MEMS-Beschleunigungsmesser kann ein oder mehr kapazitive Elemente aufweisen, deren Geometrie sich ändert, wenn der MEMS-Beschleunigungsmesser Bewegungsänderungen unterworfen wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der MEMS-Beschleunigungsmesser in Nachbarschaft zum Herzgewebe verwendet werden und kann durch die natürlichen Bewegungen des schlagenden Herzens hüpfen, wackeln, schaukeln oder verdreht werden. Der MEMS-Beschleunigungsmesser wandelt einen Teil dieser Bewegungen in elektrische Energie um, welche gespeichert und zur Speisung eines Elements verwendet werden kann.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit:
einem in einen menschlichen Körper implantierbaren Generator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie;
einer Energiespeichervorrichtung zur Aufnahme der elektrischen Energie von dem Generator und zur Speicherung der elektrischen Energie; und
einem in einen menschlichen Körper implantierbaren Element zur Aufnahme von Energie von der Energiespeichervorrichtung;
dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen Mikroelektromechanik-System-(MEMS)Beschleunigungsmesser mit einem oder mehreren kapazitiven Elementen aufweist, deren Geometrie sich als Reaktion auf Bewegung eines Organs des menschlichen Körpers ändert, in dessen Nähe sich der implantierte Generator befindet, was eine Änderung in der Kapazität des Beschleunigungsmessers bewirkt. Der Generator kann einen oder mehr MEMS-Beschleunigungsmesser in verschiedenen Ausgestaltungen aufweisen.
Die Erfindung kann einen oder mehr erfinderische Ausführungsformen bzw. erfinderische Aspekte bieten. Ein Element, das von einer bewegungsaktivierten Energiequelle gespeist wird, ist nicht auf eine eigens vorgesehene Batterie oder auf Energie von einer IMD angewiesen. Demzufolge kann die Anzahl elektrischer Verbindungen zwischen der IMD und dem Element reduziert werden. In manchen Fällen kann jede physische Verbindung zwischen dem Element und der IMD entfallen. Stattdessen können das Element und die IMD für drahtlose Kommunikation ausgelegt sein. Weniger Verbindungen ermöglichen einen vereinfachten Leitungsaufbau, und die Leitung und das Element können stabiler ausgeführt sein.
Zusätzlich kann die Erfindung Platz einsparen. Das Element braucht keine sperrige Batterie, so dass das Element kleiner und vielseitiger sein kann. Die bewegungsaktivierte Energiequelle ist ebenfalls klein und Platz sparend. Außerdem verbraucht sich eine bewegungsaktivierte Energiequelle nicht wie eine Rattere, sondern kann auf unbestimmte Zeit Energie erzeugen. Die bewegungsaktivierte Energiequelle kann benachbart zu einem sich bewegenden Organ angeordnet werden, z.B. dem Gastrointestinalsystem oder dem Zwerchfell und kann aus den Bewegungen des Organs Energie erzeugen. Bei Anordnung nahe dem Herzen, so dass sich die bewegungsaktivierte Energiequelle mit jedem Herzschlag bewegt, erzeugt die bewegungsaktivierte Energiequelle weiterhin Energie, so lange das Herz schlägt.
Einzelheiten zu einer oder mehr Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und wesentliche Elemente der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen deutlich.
1 ist eine schematische Darstellung eines menschlichen Herzens mit einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung und einer Leitung, die sich von der implantierbaren medizinischen Vorrichtung zum Herzen erstreckt.
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform des distalen Endes der in 1 gezeigten Leitung.
3 ist ein Blockschaltbild und zeigt eine beispielhafte Ausführung einer bewegungsaktivierten Energiequelle, welche Energie an ein Element liefert.
4 ist ein Schaltbild, das eine Ausführung einer bewegungsaktivierten Energiequelle darstellt.
5 ist ein weiteres Schaltbild, das eine weitere Ausführung einer bewegungsaktivierten Energiequelle darstellt.
1 ist eine schematische Darstellung und zeigt ein menschliches Herz 10 eines Patienten, mit einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung (IMD) 12. Die in 1 gezeigte IMD 12 ist ein Schrittmacher, welcher eine Schrittmacher- und Abtastleitung 14 aufweist. Die Leitung 14 weist einen langgestreckten Leitungskörper mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende auf. Das proximale Ende der Leitung 14 ist mit dem Anschlussmodul 16 einer hermetisch abgeschlossenen Umhüllung 18 verbunden. Eine Elektrode 20 am distalen Ende der Leitung 14 ist in der rechten Herzkammer 22 des Herzens 10 angeordnet. Die IMD 12 erfasst elektrische Signale, welche die Depolarisierung und Repolarisierung des Herzens 10 begleiten, über die Elektrode 20 und die Leitung 14. Die IMD 12 erzeugt ferner Schrittmacherimpulse, welche über die Leitung 14 an die Elektrode 20 geliefert werden und die eine Depolarisierung von Herzgewebe in der Nachbarschaft der Elektrode 20 verursachen.
Ein Sensor 24 ist benachbart zum distalen Ende der Leitung 14 angeordnet und ist in der rechten Herzkammer 22 angeordnet. Der Sensor 24 kann ein Element sein, welches eine klinisch wichtige physiologische Größe detektiert oder misst. Beispielsweise kann der Sensor 24 ein Drucksensor sein, der auf den Blutdruck in der rechten Herzkammer 22 anspricht, oder ein Sauerstoffsensor, der auf die Sauerstoffkonzentration im Blut anspricht. Der Sensor 24 kann ein pH-Wertsensor oder ein Glucosesensor oder ein anderer Sensor sein, der auf die Blutzusammensetzung anspricht. Der Sensor 24 kann auch eine Vorrichtung aufweisen, welche auf die Aktivitäten oder mechanischen Eigenschaften des Organs anspricht, beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen, ein Bewegungssensor oder ein Kontraktilitätssensor.
Die Erfindung wird zwar bezüglich eines Sensors beschrieben, jedoch schließt die Erfindung auch Ausführungsformen mit anderen Elementen als Sensoren ein. Die Erfindung schließt Ausführungsformen ein, welche ein Element aufweisen, welches Therapie verabreicht, oder ein Element, welches therapeutische und Abtastfunktionen ausübt. Eine Elektrode, welche elektrische Aktivität detektieren und therapeutische Elektroschocks abgeben kann, ist ein Beispiel für ein Element, welches therapeutische und Abtastfunktionen ausüben kann. Die Erfindung kann auch mit einem Element ausgeführt werden, welches die durch eine andere medizinische Vorrichtung verabreichte Therapie steuert, beispielsweise einem Neurostimulator oder einer Vorrichtung, welche die Abgabe von Medikamenten oder anderen therapeutischen Substanzen aus einem implantierten Reservoir steuert.
Der Sensor 24 kann wie andere Elemente eine Energiequelle erfordern. Der Sensor 24 kann zum Detektieren oder Messen der erfassten Zustände Energie benötigen. Der Sensor 24 kann auch Energie benötigen, um an die IMD 12 ein Signal zu übertragen, welches die Reaktion des Sensors 24 auf den erfassten Zustand anzeigt. Auch andere Funktionen des Sensors 24 können Energie erfordern. Der Sensor 24 nimmt von einer bewegungsaktivierten Energiequelle (nicht gezeigt), welche dem Sensor 24 benachbart ist, Energie auf. Die bewegungsaktivierte Energiequelle wandelt mechanische Energie, d.h. Bewegung, in elektrische Energie um und speichert diese Energie in einer Energiespeichervorrichtung. Der Sensor 24 nimmt von der Energiespeichervorrichtung Energie auf und nützt diese.
Praktisch verhält sich die bewegungsaktivierte Energiequelle wie ein implantierbarer Stromgenerator, welcher den Sensor 24 speist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die bewegungsaktivierte Energiequelle am distalen Ende der Leitung 14 angeordnet sein. Wenn das Herz 10 schlägt, bewegt sich das distale Ende der Leitung 14. Darüber hinaus sind die Bewegungsgröße und -richtung nicht konstant. Beispielsweise kann das distale Ende der Leitung 14 hüpfen, wackeln, schaukeln und sich drehen, wenn sich die rechte Herzkammer 22 zusammenzieht und entspannt. Darüber hinaus kann sich das distale Ende der Leitung 14 aufgrund der Bewegungen des Patienten bewegen. Die bewegungsaktivierte Energiequelle wandelt diese mechanische Energie in elektrische Energie um, mittels welcher der Sensor 24 gespeist wird.
Die in 1 gezeigte IMD 12 ist beispielhaft, und die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Anwendung beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung mit implantierbaren medizinischen Vorrichtungen ausführbar, welche verschiedene Schrittmacher- oder andere Therapien bereitstellen, beispielsweise Kardioversion oder Defibrillation. Die 1 zeigt zwar einen Einkammer-Schrittmacher mit einer einpoligen Leitung, jedoch kann die Erfindung mit Mehrkammer-Vorrichtungen und mit Vorrichtungen mit zweipoligen Leitungen verwirklicht werden. Die Erfindung kann auch mit einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung verwirklicht werden, welche gar keine Therapie verabreicht, wie einem Herzmonitor. Die Erfindung kann ferner mit anderen implantierbaren medizinischen Vorrichtungen verwirklicht werden, beispielsweise mit Endlosaufnahmevorrichtungen, neurologischen Stimulatoren oder implantierbaren Wirkstoffabgabesystemen. Die implantierbaren medizinischen Vorrichtungen müssen zum Herzen 10 nicht benachbart sein.
Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf implantierbare medizinische Vorrichtungen nahe dem Herzen 10 beschränkt, sondern kann mit Vorrichtungen verwirklicht werden, welche zur Überwachung oder Therapieabgabe für andere Organe implantiert sind. Es kann jedoch vorteilhaft sein, die bewegungsaktivierte Energiequelle wegen der wiederholten Bewegungen des Herzens 10 in oder nahe dem Herzen 10 anzuordnen. Die wiederholten Bewegungen 10 versorgen die bewegungsaktivierte Energiequelle im wesentlichen konstant mit mechanischer Energie, welche zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar ist. Auch andere Organe oder Systeme, beispielsweise das Gastrointestinalsystem, das Zwerchfell oder die Speiseröhre, können Quellen für mechanische Energie bereitstellen.
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform des distalen Endes der Leitung 14 Das distale Ende der Leitung 14 weist die Elektrode 20 auf, welche über einen Leiter 30 elektrische Signale oder Schrittmacherstimulanzien auf die IMD 12 (in 2 nicht gezeigt) überträgt oder von ihr aufnimmt. Die Elektrode 20 ist mit einem Isoliermantel 32 verbunden. Zinken 34, die von dem Mantel 32 hervorstehen, bilden einen Fixiermechanismus, welcher das distale Ende der Leitung 14 im Herzgewebe verankert. Eine bewegungsaktivierte Energiequelle 36 ist innerhalb des distalen Endes der Leitung 14 angeordnet. Wie in 1 gezeigt, kann die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 in einer Kapsel 38 untergebracht und über einen oder mehr Leiter 40 elektrisch mit der IMD 12 verbunden sein. Der Leiter 40 kann beispielsweise ein Spannungspotential an die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 liefern oder kann Signale zwischen der IMD 12 und der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 übertragen. Der Sensor 24 ist über den Leiter 42 elektrisch mit der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 verbunden. Die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 wandelt mechanische Energie, einschließlich Energie in Form der Bewegungen des Herzens 10, in elektrische Energie um. Die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 speichert diese Energie in einer Energiespeichervorrichtung. Der Sensor 24 nimmt über den Leiter 42 von der Energiespeichervorrichtung Energie auf. Auf diese Weise speist die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 den Sensor 24.
Der Sensor 24 kann Energie von der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 einsetzen, um abgetastete Zustände zu detektieren oder zu messen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Sensor 24 auch Energie von der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 einsetzen, um einen Elektroschock an benachbartes Gewebe abzugeben. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Sensor 24 Energie von der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 einsetzen, um über den Leiter 44 Signale an die IMD 12 abzugeben.
Die in 2 gezeigte Anordnung ist beispielhaft, und die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Anwendung beschränkt. Die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 muss nicht in einer Kapsel untergebracht sein und muss nicht mittels eines Leiters elektrisch mit der IMD 12 verbunden sein. Zusätzlich kann die Erfindung mit Leitungen in verschiedenen Ausgestaltungen ausgeführt sein, einschließlich Leitungen mit zweipoligen Elektroden, Leitungen mit anderen Fixiervorrichtungen als Zinken, oder Leitungen, die zum Auswaschen von Steroiden ausgelegt sind.
3 ist ein Blockschaltbild und zeigt eine beispielhafte Ausführung einer bewegungsaktivierten Energiequelle 36. Die bewegungsaktivierte Energiequelle 36 weist einen Mikroelektromechanik-System-(MEMS)Beschleunigungsmesser 50 auf. Der MEMS Beschleunigungsmesser 50 weist kapazitive Elemente auf, welche durch Änderung der Geometrie der kapazitiven Elemente auf Bewegungen ansprechen, was zu Änderungen der Kapazität führt. Im Allgemeinen ist die Kapazität eine Funktion des Abstandes zwischen geladenen Strukturen. Beim MEMS-Beschleunigungsmesser 50 führt eine Bewegung der Vorrichtung zu einer Kapazitätsänderung der Vorrichtung. Insbesondere führen Änderungen der Größe oder Richtung der Geschwindigkeit der Vorrichtung zu Änderungen einer oder mehrerer Abstände zwischen Komponenten, wodurch sich die Kapazität ändert.
Im allgemeinen sind auf einer MEMS-Vorrichtung mechanische und elektrische Komponenten mittels Mikroherstellungsverfahren und Mikrobearbeitungsverfahren auf einem Substrat angeordnet. Ein MEMS-Beschleunigungsmesser weist eine auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung suspendierte Substanz auf. Als Reaktion auf Bewegungen kann sich die Substanz bezüglich anderer Strukturen auf dem MEMS-Beschleunigungsmesser bewegen und somit die Geometrie der Vorrichtung insgesamt ändern. Bei vielen MEMS-Beschleunigungsmessern ist die Substanz federgelagert oder auf sonstige Weise vorgespannt, um in eine Gleichgewichtslage zurückzukehren. Demzufolge kann die Substanz als Reaktion auf Bewegungen vibrieren.
Der MEMS-Beschleunigungsmesser 50 kann eine von mehreren Ausgestaltungen aufweisen. Bei einem plangleichen, überlappenden MEMS-Beschleunigungsmesser kann der MEMS-Beschleunigungsmesser üblicherweise eine Vielzahl verzahnter Vorsprünge oder "Finger" aufweisen, teilweise "kammartig" angeordnet, wobei die Überlappungsfläche der Finger als Reaktion auf Bewegungen veränderlich ist. Bei Änderung der Überlappungsfläche ändert sich die Kapazität des plangleichen, überlappenden MEMS-Beschleunigungsmessers. Ein plangleicher MEMS-Beschleunigungsmesser für Lückenschluss weist ebenfalls Finger auf, wobei sich die Kapazität mit Änderung der Lücken zwischen den Fingern ändert. Die Kapazität eines MEMS-Beschleunigungsmessers auf versetzten Ebenen für Lückenschluss ändert sich als Funktion der Größe einer veränderlichen Lücke zwischen zwei Platten.
Die Erfindung ist mit einem plangleichen (engl. in-plane), überlappenden MEMS-Beschleunigungsmesser, oder einem plangleichen MEMS-Beschleunigungsmesser für Lückenschluss, oder einem MEMS-Beschleunigungsmesser auf versetzten Ebenen für Lückenschluss ausführbar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt.
Die Kapazitanz- bzw. Kapazitätsänderungen aufgrund von Bewegungen des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 führen zu Spannungserzeugung. Die Beziehung der Kapazität eines Kondensators (C), der in dem Kondensator gespeicherten Ladung (Q), sowie der Brückenspannung des Kondensators (V) entsprechen der Gleichung Q = CV oder V = Q/C. Bei konstanter Ladung ändert sich die Brückenspannung des Kondensators umgekehrt zur Kapazität. Da sich die Kapazität des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 mit einer Bewegung ändert, ändert sich auch die Brückenspannung des MEMS-Beschleunigungsmessers 50.
In 3 arbeitet ein kleiner Abschnitt des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 als Detektor 52 und detektiert die Kapazitätsänderungen des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 bei Vibrationen. Der übrige MEMS-Beschleunigungsmesser 50 arbeitet als Generator 54, welcher als Reaktion auf Bewegungen eine veränderliche Spannung erzeugt. Als Reaktion auf Signale vom Detektor 52 steuert eine Steuerschaltung 56 die Schalter 58, um Energie von dem Generator 54 zu einer Energiespeichervorrichtung 60 zu übertragen.
Die Steuerschaltung 56 kann eine integrierte Schaltung mit Elementen zur Analog- oder Digitalsignalverarbeitung enthalten. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuerschaltung 56 eigens als Prozessor, z.B. als anwenderprogrammierbares Gate-Array ausgeführt sein. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuerschaltung 56 als Allzweck-Mikroprozessor ausgeführt sein.
Die Schalter 58 können eine von mehreren Halbleiter-Vorrichtungen mit Ein- und Aus-Modus sein. Die Schalter 58 können beispielsweise Feldeffekttransistoren, zweipolige Flächentransistoren, Dioden oder eine beliebige Kombination daraus enthalten.
Als Reaktion auf Bewegungen wechselt die Kapazität des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 zwischen hohen und niedrigen Werten. Dementsprechend wechselt die Brückenspannung des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 zwischen niedrigen und hohen Werten als Funktion der wechselnden Kapazität. Die Steuerschaltung 56 verwendet Signale vom Detektor 52 zur Bestimmung, ob die Brückenspannung des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 niedrig oder hoch ist. Wenn die Brückenspannung des MEMS-Beschleunigungsmessers 50 hoch ist, steuert die Steuerschaltung 56 die Schalter 58 so, dass in der Energiespeichervorrichtung 60 Energie gespeichert wird.
Energie ist in der Energiespeichervorrichtung 60 zunehmend speicherbar. Im Lauf der Zeit kann die Energiespeichervorrichtung 60 eine beträchtliche Energiemenge speichern. Die Energiespeichervorrichtung 60 liefert die gespeicherte Energie an den Sensor 24, den sie somit speist 24. Die Energiespeichervorrichtung 60 kann einen Speicherkondensator aufweisen. Bei einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Energiespeichervorrichtung 60 zusätzliche Komponenten aufweisen, um Energie in den Speicherkondensator zu pumpen, wodurch die in der Energiespeichervorrichtung 60 gespeicherte Energie zunehmend ansteigt.
4 ist ein Schaltbild eines Modells, welches eine Ausführung der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 darstellt. Der MEMS-Beschleunigungsmesser 50 wird durch einen veränderlichen Kondensator Cv mit einer parasitären Kapazität Cpar dargestellt. Ein Anschluss des Kondensators Cv wird durch die Versorgungsspannung Vin auf Festspannung gehalten, so dass die Knotenspannung am gegenüber liegenden Anschluss 70 als Reaktion auf Änderungen in Cv frei ansteigen oder absinken kann.
Wenn die Spannung am Knoten 70 fällt oder steigt, öffnet und schließt die Steuerschaltung 56 die Schalter S1 oder S2, um Energie, die im veränderlichen Kondensator Cv gespeichert ist, teilweise im Speicherkondensator Cs zu speichern. Der Speicherkondensator Cs, der Induktor L und die Schalter S1 und S2 wirken zur Bildung einer mitschwingenden Ladungspumpe zusammen, welche Energie im Speicherkondensator Cs speichert, wodurch die Brückenspannung des Kondensators Cs ansteigt. Die Brückenspannung des Speicherkondensators Cs kann an den Sensor 24 (in 4 nicht gezeigt) geliefert werden, wodurch der Sensor 24 gespeist wird.
5 ist ein Schaltbild eines alternativen Modells, welches eine Ausführung der bewegungsaktivierten Energiequelle 36 darstellt. Der MEMS-Beschleunigungsmesser 50 wird wiederum durch einen veränderlichen Kondensator Cv mit einer parasitären Kapazität Cpar dargestellt. Mit Änderung der Kapazität des veränderlichen Kondensators Cv öffnen und schließen die Schalter S1 und S2, um Energie im Speicherkondensator Cs zu speichern. Die Schalter S1 und S2 sind durch die Steuerschaltung 56 (in 5 nicht gezeigt) steuerbar, oder sie können Dioden sein, die entsprechend der Spannung und dem Strom in der Schaltung an- und abschalten.
Wenn die Kapazität des veränderlichen Kondensators Cv von einer Spitze zurückgeht, sind die Schalter S1 und S2 offen. Während die Kapazität zurückgeht, steigt die Brückenspannung des veränderlichen Kondensators Cv. Wenn die Brückenspannung des veränderlichen Kondensators Cv genügend hoch ist, schließt der Schalter S2 und Ladung fließt vom veränderlichen Kondensator Cv zum Speicherkondensator Cs. In dieser Phase ist die Gesamtladung in der Schaltung konstant, jedoch verursacht die sinkende Kapazität des veränderlichen Kondensators Cv ein Ansteigen der Brückenspannung des veränderlichen Kondensators Cv und der Brückenspannung des Speicherkondensators Cs. In dieser Phase wird daher mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Wenn die Kapazität des veränderlichen Kondensators Cv ein Minimum erreicht und die Brückenspannung des veränderlichen Kondensators Cv einen hohen Wert erreicht, sind die Schalter S1 und S2 offen. Während die Kapazität ansteigt, sinkt die Brückenspannung des veränderlichen Kondensators Cv. Wenn die Brückenspannung des veränderlichen Kondensators Cv genügend niedrig ist, schließt der Schalter S1 und Ladung fließt von einer Spannungsquelle Vin zum veränderlichen Kondensator Cv. Der Zyklus kann sich wiederholen. Durch Wiederholung des Zyklus kann Ladung in den Speicherkondensator Cs gepumpt werden, wodurch die Brückenspannung des Speicherkondensators Cs zunimmt.
Die mittels der obigen Verfahren erzeugte Energiemenge hängt von der Ausgestaltung und der Größe des verwendeten MEMS-Beschleunigungsmessers ab. Es wird angenommen, dass manche Ausführungsformen 50 Mikrowatt pro cm² erzeugen können. Diese Erzeugungskapazität könnte jedes aus einer Reihe implantierbarerer Elemente, einschließlich Sensoren und therapeutischer Vorrichtungen unterstützen. Ein kleiner MEMS-Beschleunigungsmesser kann beispielsweise 5 Mikrowatt erzeugen, was zum Speisen eines einfachen Sensors ausreichen kann.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Element eine integrierte Logikschaltung oder einen Prozessor aufweisen. Schaltungen wie asynchrone Logikschaltungen können so ausgestaltet sein, dass sie mit Niederversorgungsspannung arbeiten, z.B. mit den Spannungen, die durch eine bewegungsaktivierte Energiequelle erzeugt werden, welche einen MEMS-Beschleunigungsmesser verwenden. Auf diese Weise kann ein Element selbstversorgend sein. Eine bewegungsaktivierte Energiequelle kann einen Sensor stützen, welcher einen erfassten Zustand nicht nur detektiert oder misst, sondern als Funktion der Detektion oder Messung die Daten auch verarbeitet. Eine bewegungsaktivierte Energiequelle kann ein therapeutisches Element unterstützen, das nicht nur Therapie verabreicht, sondern auch Berechnungen bezüglich der Art der verabreichten Therapie ausführt.
Die Speisung eines Elements von einer bewegungsaktivierten Energiequelle kann viele Vorteile haben. Zunächst würde das Element nicht so viel Leistung von der IMD abnehmen. Das Element könnte Leistung ganz oder teilweise von der bewegungsaktivierten Energiequelle aufnehmen, was die Lebensdauer der Batterie der IMD verlängert. Bei einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die bewegungsaktivierte Energiequelle vorteilhafterweise als Reserve-Energieversorgung für eine Batterie dienen oder umgekehrt. Im Fall eines Stromausfalls einer Quelle könnte das Element Leistung von der Reserve-Energieversorgung nutzen.
Zusätzlich stellt die Erfindung einen kleinen, unabhängigen, implantierbaren Generator vor, mit welchem sich Platz einsparen lässt. Bei einem Element, das von einer bewegungsaktivierten Energiequelle gespeist wird, kann eine eingelegte Batterie entfallen, wodurch das Element kleiner und vielseitiger sein kann. Eine bewegungsaktivierte Energiequelle, welche kleiner als eine Batterie sein kann, verbraucht sich auch nicht wie eine Batterie. So lange die bewegungsaktivierte Energiequelle auf Bewegungen anspricht, kann die bewegungsaktivierte Energiequelle auf unbestimmte Zeit Energie erzeugen. Wenn sich eine bewegungsaktivierte Energiequelle mit jedem Herzschlag bewegt, erzeugt die bewegungsaktivierte Energiequelle weiterhin Energie, so lange das Herz schlägt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Vorhandensein einer bewegungsaktivierten Energiequelle den Bedarf an elektrischen Verbindungen zwischen der IMD und dem Element reduzieren oder beseitigen kann. Wie oben erwähnt, ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die IMD mit dem Element elektrisch verbunden ist, um Energie an das Element zu liefern. Bei einigen Ausführungsformen kann die Energie, welche durch die bewegungsaktivierte Energiequelle geliefert wird, nicht nur zur Unterstützung von Abtastungs- oder therapeutischen Funktionen, sondern auch zur Unterstützung drahtloser Kommunikation zwischen dem Element und der IMD ausreichen. Bei solchen Ausführungsformen kann das Element einen Sender, Empfänger oder Sender-Empfänger für drahtlose Kommunikation mit der IMD oder einer anderen Vorrichtung aufweisen, und es ist möglich, dass keinerlei elektrische Verbindung zwischen dem Element und der IMD nötig ist. Weniger Verbindungen ermöglichen einen vereinfachten Leitungsaufbau, und die Leitung und das Element können stabiler ausgeführt sein.
Viele Ausführungsformen der Erfindung wurden beschrieben. Verschiedene Abwandlungen sind möglich, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen. Beispielsweise sind die bewegungsaktivierte Energiequelle und das Element zu einer einzigen Einheit kombinierbar und müssen nicht physisch separat voneinander sein. Der Sensor 24 und die bewegungsaktivierte Energiequelle 36, dargestellt in 2, können beispielsweise in einer einzigen integrierten Schaltung kombiniert sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Element eine vollständig selbstversorgende Vorrichtung sein, beispielsweise ein Beschleunigungsmesser mit eigener Energieversorgung.
Das Fixieren einer bewegungsaktivierten Energiequelle am Herzen kann zwar dazu führen, dass die bewegungsaktivierte Energiequelle Leistung erzeugt, so lange das Herz schlägt, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine Implantation in oder nahe dem Herzen beschränkt. Ebenso wenig ist die Erfindung auf Schrittmacher wie die in 1 dargestellte Vorrichtung beschränkt, sondern sie kann auf eine große Vielfalt implantierter Diagnose-, Therapie- oder Überwachungsvorrichtungen angewendet werden. Diese und weitere Ausführungsformen fallen in den Umfang der folgenden Ansprüche.

Claims

Vorrichtung mit: einem in einen menschlichen Körper implantierbaren Generator (50, 54) zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie; einer Energiespeichervorrichtung (60) zur Aufnahme bzw. zum Empfang der elektrischen Energie von dem Generator und zur Speicherung der elektrischen Energie; und einem in einen menschlichen Körper implantierbaren Element (24) zur Aufnahme von Energie von der Energiespeichervorrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen Mikroelektromechanik-System- bzw. MEMS-Beschleunigungsmesser mit einem oder mehreren kapazitiven Elementen aufweist, dessen bzw. deren Geometrie sich in Reaktion auf eine Bewegung eines Organs des menschlichen Körpers, in dessen Nähe sich der implantierte Generator befindet, ändert, was eine Änderung in der Kapazität des Beschleunigungsmessers bewirkt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die MEMS-Vorrichtung wenigstens eine der Komponenten ebener- bzw. plangleicher, überlappender MEMS-Beschleunigungsmesser, plangleicher MEMS-Beschleunigungsmesser für Lückenschluss, MEMS-Beschleunigungsmesser auf versetzten Ebenen für Lückenschluss aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element wenigstens eine der Komponenten Drucksensor, Sauerstoffsensor, pH-Wertsensor, Glukosesensor, Elektrode zur Abgabe eines Schocks an angrenzendes Gewebe, Dehnungsmessstreifen, Bewegungssensor, Kontraktionsfähigkeitssensor, sowie Controller bzw. Schaltelement zum Steuern des Betriebs einer medizinischen Vorrichtung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner einen langgestreckten Leitungskörper aufweist, welcher wenigstens eine der Komponenten Generator, Energiespeichervorrichtung und Element aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, welche ferner wenigstens eine der Komponenten Schrittmacher, Kardioverter, Defibrillator, Endlosaufnahmevorrichtung, neurologischer Stimulator, sowie mit der Leitung verbundenes Wirkstoffabgabesystem aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner wenigstens eine der Komponenten Sender, Empfänger, sowie Sender-Empfänger zur drahtlosen Kommunikation mit einer zweiten Vorrichtung aufweist.