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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein System zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper.
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Hintergrund der Technik
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Allgemein
besteht eine Notwendigkeit, physiologische Variablen invasiv zu
messen. Beispielsweise gibt es bei der Untersuchung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen
starken Bedarf, lokale Druck- und Durchflußmessungen zu erhalten, um
den Zustand des der Messung unterzogenen Patienten zu bewerten.
Entwickelt wurden daher Verfahren und Vorrichtungen zum Anordnen
eines Miniatursensors an einer Stelle, an der die Messungen durchgeführt werden
sollten, und zum Kommunizieren mit dem Miniatursensor.
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Geläufig ist
ein Beispiel für
einen bekannten intrakraniellen Druckmonitor aus der
US-A-4026276 , in der eine
Vorrichtung beschrieben wird, die einen passiven Schwingkreis mit
einer Eigenfrequenz aufweist, die durch Umgebungsdruck beeinflußt wird. Der
lokale Druck wird durch Beobachtung der Frequenz gemessen, bei der
Energie aus einem einwirkenden elektromagnetischen Feld aufgenommen wird,
das außerhalb
des Schädels
liegt.
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Um
eine gemessene Darstellung der physiologischen Variablen zu übertragen,
wurden Vorrichtungen entwickelt, die auf akustischer wie auch elektromechanischer
Wechselwirkung beruhen. In beiden Fällen weist der Sensor ein Resonanzelement auf,
wobei seine Resonanzfrequenz eine Funktion der zu bestimmenden physiologischen
Variablen ist. Energie wird zum Resonanzelement von einem externen
Sender für
akustische bzw. elektromagnetische Wellen abgestrahlt. Die Frequenz
der Sendeenergie wird in einem vorab ausgewählten Bereich durchlaufen und
durch eine Überwachungseinheit
registriert. Während
jedes Frequenzdurchlaufs detektiert die Registrierungseinheit die
Resonanzfrequenz des Resonanzelements, da bei dieser Frequenz ein Abfall
der überwachten
Sendeenergie auftritt.
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Das
o. g. Beispiel für
eine Vorrichtung für
invasive Messungen physiologischer Variablen ist ein Beispiel für ein passives
System, d. h. der Sensor innerhalb des Körpers erfordert keine solche
Energiequelle wie eine Batterie oder Elektrizität, die über elektrische Leitungen bereitgestellt
wird. Zum Führen eines
Sensors zu einem spezifischen Meßpunkt bei der Untersuchung
von Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist bekannt, einen Miniatursensor
am distalen Ende eines Führungsdrahts
oder eines Katheters anzuordnen. Der Führungsdraht oder Katheter wird
in ein Blutgefäß eingeführt, z.
B. die Oberschenkelarterie, und unter Durchleuchtung zu lokalen
Stellen im Herz-Kreislauf-System geführt, wo Fehlfunktionen vermutet
werden.
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Die
EP-A-1260175 offenbart
ein System, in dem ein Sensor an einem distalen Ende eines Drahts zum
Einführen
in den Körper
eines Patienten angeordnet ist. Der Sensor ist so konfiguriert,
daß er
solche Parameter wie z. B. Temperatur oder Druck mißt. Ferner
weist das System eine Meßeinheit
auf, mit der der Sensor über
elektrische Leitungen gekoppelt ist, die am Draht entlang verlaufen. Über diese
Leitungen überträgt der Sensor
Signale zur Meßeinheit
zur Verarbeitung. Die Meßeinheit
weist eine Computereinrichtung und einen Anzeigebildschirm für eine graphische
Benutzerschnittstelle auf, die Diagramme und Rechenwerte von Sensormessungen
anzeigt.
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Die
Entwicklung von Miniatursensoren oder Mikrosensoren für eine Anzahl
physiologischer Variablen, u. a. Druck, Durchfluß, Temperatur usw., stellt einen
historischen Meilenstein in der Medizintechnik dar. Allerdings ist
die Montage des Sensors und der zugehörigen Kabel und Verbinder auf
kostengünstige Weise
schwierig, was Folge der kleinen körperlichen Abmessungen, der
erforderlichen mechanischen Präzision
und der kompromißlosen
Anforderungen an die Patientensicherheit ist. Insbesondere schätzt man,
daß mindestens
etwa ein Drittel der gesamten Herstellungskosten für solche
Vorrichtungen auf Verbinder und Kabel entfallen. Daher sind diese
Funktionen erfüllende
Vorrichtungen immer noch teuer, und ihr Einsatz ist auf Gebiete
mit höchster
klinischer Priorität
beschränkt.
Zusätzlich
verschärft
wird der Kostenaspekt dadurch, daß die Vorrichtungen für invasive
Verfahren infolge des Übertragungsrisikos
für Infektionskrankheiten
als Einmalartikel betrachtet werden müssen. Könnten die Kosten von Kabeln
und Verbindern minimiert werden oder sogar entfallen, wären große Einsparungen
möglich.
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Ein
weiteres Problem mit passiven Sensoren der in der
US-A-4026276 offenbarten
Art ist die unerwünschte
elektromagnetische Kopplung zwischen dem Sender/Empfänger einerseits
und dem Sensor andererseits. Zurückzuführen ist
diese Kopplung darauf, daß die
Stromversorgung und die Signalübertragung
nicht funktionell getrennt sind. Bei einer Manifestation dieses
Problems wird das Ausgangssignal des Systems durch die Position
des Sensors beeinflußt,
was offenkundig eine unerwünschte
Eigenschaft ist. Überwinden
ließe
sich dieses Problem durch Zufügen
aktiver elektronischer Schaltungen zum Sensor, u. a. eines lokalen
Senders, der mit einer anderen Frequenz als die Frequenz arbeitet,
die zur elektrischen Stromzufuhr zum Sensor und zu den Schaltungen
verwendet wird. Dadurch sollte die Funktion der drahtlosen Stromversorgung
von der der Signalübertragung
getrennt werden, wodurch das Ausgangssignal nicht durch die Position
des Sensors beeinflußt
werden sollte. Beschrieben wurde eine solche Lösung von R. Puers, "Linking sensors with
telemetry: Impact an the system design", Proc. 8. sup. th Int. Conf. Solid
State Sensors and Actuators, Transducers-95, Stockholm, Schweden, 25.–29. Juni
1995, Vol. 1, Seiten 47–50.
Ein Nachteil dieser Lösung
ist aber, daß es
schwierig ist, die zum medizinischen Gebrauch mit einem Führungsdraht gewünschte Größe zu miniaturisieren.
Weiterhin sind Breitbandsysteme dieser Art für elektromagnetische Interferenz
und Störungen
anfällig.
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Somit
besteht Bedarf an einem verbesserten Kommunikationssystem zur Kommunikation
mit einem innerhalb eines Körpers
eines Patienten positionierten Sensors zur invasiven Messung einer
physiologischen Variablen, wobei das Kommunikationssystem verringerte
Empfindlichkeit gegenüber
der Position des Sensors sowie gegenüber elektromagnetischer Interferenz
zeigt.
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Die
US-A-6692446 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem lebenden Körper,
wobei ein Sender außerhalb
des Körpers
angeordnet ist, um Hochfrequenzenergie zu senden, und ein Empfänger außerhalb
des Körpers
angeordnet ist, um Hochfrequenzenergie zu empfangen. Eine Transpondereinheit
mit einem gegenüber
der physischen Variablen empfindlichen Sensor und eine Modulatoreinheit
zum Steuern der Hochfrequenzenergieaufnahme der Transpondereinheit
gemäß einer
die physische Variable darstellenden Zeitfolge ist in den Körper eingeführt. Der
Sender sendet Hochfrequenzenergie zum Transponder, und der Empfänger überwacht
die Hochfrequenzenergieaufnahme der Transpondereinheit, um die Zeitfolge
als Darstellung der physischen Variablen zu bestimmen. Die Zeitfolge
wird decodiert, um sie als Maß der
physischen Variablen zu interpretieren. Dadurch wird eine drahtlose
Stromversorgung bereitgestellt, und die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer
Interferenz ist reduziert.
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Gleichwohl
bestehen nach wie vor Probleme darin, daß die Modulatoreinheit und
damit zusammenhängende
Schaltungen in direkter Nähe
zum Sensor in der im Körper
angeordneten Trans pondereinheit liegen. Da strenge Größenanforderungen
an die Transpondereinheit gestellt werden, müssen elektronische Bauelemente
in der Transpondereinheit eng angeordnet sein. Wegen dieser Größenanforderungen
ist es außerdem
unmöglich,
Standardelektronik in der Transpondereinheit zu verwenden. Dies
hat die unerwünschte
Wirkung, daß die
Herstellung der Elektronik der Transpondereinheit recht kompliziert
und damit ziemlich teuer wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung ist in den beigefügten
Ansprüchen
festgelegt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist, die o. g. Probleme zu lösen und
ein System zur drahtlosen Kommunikation eines Signals, das eine
gemessene physiologische Variable darstellt, mit Hilfe eines Systems bereitzustellen,
bei dem ein Minimum an Elektronik, vorzugsweise nur ein Meßsensor,
innerhalb des Körpers
liegt und die restliche Systemelektronik außerhalb des Körpers angeordnet
ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein System zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
nach Anspruch 1.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung verfügt
das System über
einen Sensor, der so angeordnet ist, daß er im Körper zur Messung der physiologischen
Variablen liegt und ein Signal als Darstellung der gemessenen physiologischen
Variablen bereitstellt, eine Steuereinheit, die so angeordnet ist, daß sie außerhalb
des Körpers
liegt, und eine Drahtverbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinheit,
um eine Speisespannung von der Steuereinheit zum Sensor zu führen und
das Signal vom Sensor zur Steuereinheit zu übertragen. Ferner hat die Steuereinheit
einen Modulator zum Modulieren eines Trägersignals mit dem Empfangssignal
als Darstellung der gemessenen physiologischen Variablen und eine Kommunikations schnittstelle
zur drahtlosen Kommunikation des modulierten Signals.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine physiologische Variable
in einem Körper
mit Hilfe eines Sensors zu messen, der so angeordnet ist, daß er im
Körper
zur Messung der physiologischen Variablen liegt. Vorzugsweise ist
der Sensor am distalen Ende eines Führungsdrahts zum Positionieren
des Sensors im Körper
angeordnet. Aus naheliegenden Gründen
gelten sehr strenge Größenanforderungen
an den Sensor, da der Sensor mit Hilfe des Führungsdrahts in ein Blutgefäß eines
lebenden menschlichen oder tierischen Körpers eingeführt wird.
Der Sensor weist Elemente auf, die gegenüber der zu messenden Variablen
empfindlich sind, z. B. Temperatur, Durchfluß oder Druck usw. Der Sensor selbst
ist in der Technik bekannt. Damit er betriebsfähig ist, muß dem Sensor eine Speisespannung
zugeführt
werden. Daher führt
eine außerhalb
des Körpers angeordnete
Steuereinheit diese Speisespannung dem Sensor zu. Ferner empfängt die
Steuereinheit vom Sensor Signale, die die physiologischen Variablen
darstellen, die gemessen werden. Die Kommunikation zwischen dem
Sensor und der Steuereinheit wird mit Hilfe einer Drahtverbindung
bewirkt, z. B. mit dem Führungsdraht,
an dem der Sensor angeordnet ist.
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Die
Steuereinheit ist mit einer Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen
Kommunikation der gemessenen physiologischen Variablen zwecks Präsentation
angeordnet. Bewirken läßt sich
die Kommunikation über
die drahtlose Kommunikationsschnittstelle z. B. mit Hilfe von Hochfrequenz-(HF-)Signalen
oder Infrarot-(IR-)Signalen oder einer anderen bekannten drahtlosen
Kommunikationstechnologie. Im folgenden wird angenommen, daß HF-Signale
zum Einsatz kommen. Somit kann die Steuereinheit über die
drahtlose Schnittstelle gemessene physiologische Variablen zu einer
Anzeigevorrichtung, einem Computer, einem Überwachungsgerät oder einer
anderen geeigneten Vorrichtung zum Präsentieren, Registrieren, Verarbeiten
usw. der gemessenen Variablen führen.
Ferner ist die Steuereinheit mit einem Modulator zum Modulieren
eines Trägersignals mit
dem Empfangssignal, das einen gemessenen physiologischen Wert darstellt,
zur drahtlosen Kommunikation über
die Hochfrequenzschnittstelle angeordnet.
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Aus
einer Anzahl von Gründen
ist die Erfindung von Vorteil. Beispielsweise kann der Modulator zum
Modulieren des Trägersignals
mit dem Signal als Darstellung der gemessenen physiologischen Variablen
an der Steuereinheit liegen, statt wie bei bekannten Systemen im
Körper
in direkter Nähe
zum Sensor angeordnet zu sein. Plaziert man den Modulator außerhalb
des Körpers,
können
somit Standard-Modulationsschaltungen zum Einsatz kommen, da Größenanforderungen
verglichen mit der Plazierung des Modulators im Körper stark
abgeschwächt sind.
Außerdem
sind Standardschaltungen gewöhnlich
Fertigprodukte, die vergleichsweise billig sind, und die Lieferzeit
dieser Art von Schaltungen ist allgemein kurz. Die gesamte Komplexität des erfindungsgemäßen Meßsystems,
insbesondere unter Berücksichtigung
von Produktions-, Montage- und Installationsaspekten, sinkt erheblich.
Zudem steigt der Wirkungsgrad hinsichtlich der Bereitstellung der Speisespannung,
da die Speisespannung dem Sensor über den Führungsdraht zugeführt wird.
Muß die Speisespannung
in der bekannten Technik durch Gewebe eines Körpers übertragen werden, wird der
Wirkungsgrad allgemein niedriger.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist das System ferner ein Überwachungsgerät auf, das
so angeordnet ist, daß es
das modulierte Signal demoduliert, wobei das modulierte Signal über die
Hochfrequenzschnittstelle empfangen wird, und somit eine Darstellung
der gemessenen physiologischen Variablen liefert. Ferner kann das Überwachungsgerät so angeordnet
sein, daß es
der Steuereinheit eine Speisespannung und Steuerdaten über die
Hochfrequenzschnittstelle zuführt.
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Bei
der Durchführung
dieser Art von physiologischer Messung besteht allgemein Bedarf
an einem Überwachungsgerät, z. B.
einem Computer und einem zugehörigen
Computerbildschirm, zum Überwachen
der gemessenen Variablen nach Demodulation. Normalerweise ist das Überwachungsgerät mit Software
versehen, die ermöglicht,
unterschiedliche Arithmetikoperationen und Signalverarbeitungsalgorithmen
an den gemessenen Variablen durchzuführen sowie eine Oberfläche bereitzustellen,
auf der die Variablen sinnvoll angezeigt werden können, wobei diese
Oberfläche
Diagramme, Koordinatensystemachsen, Tabellen, Kurven usw. aufweisen
kann. Normalerweise liegt dieses Gerät in einem gewissen Abstand
von der Steuereinheit, dem Sensor und dem Objekt selbst, z. B. einem
menschlichen Körper.
Außerdem
ist das Überwachungsgerät normalerweise mit
der Netzversorgung verbunden, von der eine Wechselspannung von 230
Volt bereitgestellt werden kann. Da die Teile des Systems der Erfindung,
die in der Umgebung des Objekts liegen, an dem Messungen durchgeführt werden,
d. h. die Steuereinheit, der Sensor und damit zusammenhängende Schaltungen,
vorzugsweise möglichst
klein sein sollten, um die Handhabung des Meßsystems im Betrieb zu vereinfachen,
ist es vorteilhaft, wenn das Überwachungsgerät dem System
eine ausreichende Speisespannung zuführen kann, da dadurch jede
an der Steuereinheit angeordnete Stromquelle entfallen kann.
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Vom Überwachungsgerät aus kann
es möglich
sein, Steuerdaten zum Meßsystem
zu senden. Beispielsweise möchte
ein Bediener des Überwachungsgeräts eventuell
die Anzahl erfaßter
Signale vom Sensor, die Rate, mit der Daten übertragen werden, Steuersignale
zu einer möglichen
Mikrosteuerung, die an der Steuereinheit angeordnet ist, usw. steuern.
Die Steuerdaten sollten am Überwachungsgerät in einem
Modulationsverfahren eines Trägersignals
des Überwachungsgeräts so verwendet
werden, daß die
Steuerdaten keine Interferenz mit den Speisespannungssignalen verursachen,
die vom Überwachungsgerät zur Steuereinheit über die
drahtlose Schnittstelle gesendet werden. Da die Schnittstelle zwischen
dem Überwachungsgerät und der Steuereinheit
drahtlos ist, entfallen jegliche Kabel und Verbinder, um die Steuereinheit
mit dem Überwachungsgerät zu verbinden,
was im Betrieb des Systems sehr vorteilhaft ist. Somit sollte das Überwachungsgerät mit einer
Modulationsschaltung versehen sein, um Modulationsoperationen an
Signalen durchzuführen,
die über
die Hochfrequenzschnittstelle übertragen
werden. In der Praxis kann das System in einer solchen Umgebung
wie einem Krankenhaus zur Messung einer physiologischen Variablen
innerhalb des Körpers
eines Patienten verwendet werden. Da Personal, das die Messungen
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems
durchführt,
freien Raum zur Bewegung in der Umgebung des Patienten benötigt, ist
der Wegfall von Kabeln überaus
vorteilhaft.
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Möglich ist,
daß das Überwachungsgerät so angeordnet
ist, daß es
eine Anzahl modulierter Signale von einer Anzahl von Steuereinheiten
empfängt und
eine Darstellung der gemessenen physiologischen Variablen bereitstellt,
die den empfangenen modulierten Signalen entsprechen. In diesem
Fall ist jede Steuereinheit so angeordnet, daß die von einer spezifischen
Steuereinheit gesendeten Signale mit einer Kennung versehen sind,
so daß das Überwachungsgerät Signale
identifizieren kann, die von dieser spezifischen Steuereinheit stammen.
Bewirken läßt sich
dies z. B. durch Senden der Signale von der Steuereinheit zum Überwachungsgerät auf einer
eindeutigen Frequenz oder durch Modulieren des Trägersignals
mit einem eindeutigen Signal, das die Steuereinheit identifiziert.
Somit kann ein Überwachungsgerät vorteilhaft
genutzt werden, Darstellungen gemessener physiologischer Variablen
zu liefern, die von einer Anzahl von Steuereinheiten stammen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Steuereinheit so angeordnet, daß sie über eine
Stromversorgungsschnittstelle gespeist werden kann. Normalerweise
ist eine Stromquelle in Form einer Gleichstrombatterie an der Steuereinheit angeordnet,
um der Steuereinheit eine ausreichende Speisespannung über die
Stromversorgungsschnittstelle zuzuführen. Dies hat den Vorteil,
daß sich
das Meßsystem
nicht auf das Überwachungsgerät für eine Speisespannung
zu verlassen braucht. In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit
sowohl mit der Hochfrequenzschnittstelle als auch mit der Stromversorgungsschnittstelle
versehen. Ferner ist ein Schalter so angeordnet, daß er die
Steuereinheit mit einer Speisespannung von der Hochfrequenzschnittstelle
oder der Stromversorgungsschnittstelle selektiv versorgt. Dadurch
kann die Batterie als Reserve oder Ergänzung für den vom Überwachungsgerät abgegebenen
Strom verwendet werden. Strom vom Überwachungsgerät kann auch
zum Laden der Batterie zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Hochfrequenzschnittstelle der Steuereinheit
so angeordnet, daß die Übertragung
der Steuereinheit-Speisespannung mit Hilfe von induktiver Kopplung
zwischen der Steuereinheit und dem Gerät erfolgt, mit dem sie über die
Hochfrequenzschnittstelle kommuniziert. Durch Verwendung einer induktiven
Kopplung in der drahtlosen Schnittstelle lassen sich relativ niedrige
Betriebsfrequenzen im System nutzen, was den Vorteil hat, daß das System unempfindlicher
gegenüber
elektromagnetischen Störungen
wird.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Hochfrequenzschnittstelle der Steuereinheit
so angeordnet, daß die Übertragung
der gemessenen physiologischen Variablen und der Steuerdaten mit
Hilfe von kapazitiver Kopplung zwischen der Steuereinheit und dem
Gerät erfolgt,
mit dem sie über
die Hochfrequenzschnittstelle kommuniziert. Durch Verwendung einer
kapazitiven Kopplung in der drahtlosen Schnittstelle lassen sich Komponenten
mit kleiner Größe ver glichen
mit dem Fall verwenden, in dem Induktoren zum Einsatz kommen.
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Angesichts
der beiden vorstehenden Ausführungsformen
wird klar, daß die
Hochfrequenzschnittstelle induktiv, kapazitiv oder eine Kombination aus
beiden sein kann. Somit können
einige über
die drahtlose Kommunikationsschnittstelle übertragene Signale induktiv übertragen
werden, während
andere kapazitiv übertragen
werden können.
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Die
Erfindung kann vorteilhaft in RFID-(Hochfrequenzidentifizierungs-)Anwendungen implementiert
sein, wobei in diesen Anwendungen elektromagnetische oder elektrostatische
Kopplung zum Einsatz kommt, um Energie zwischen einer Marke (Tag)/Transponder
(d. h. der Steuereinheit) und einem Leser/Transceiver (Sender/Empfänger) (d.
h. dem Überwachungsgerät) zu übertragen.
Der Transceiver sendet HF-Energie, die den Transponder aktiviert.
Ist er aktiviert, sendet der Transponder normalerweise Daten zurück zum Transceiver.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den beigefügten Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung hervor. Dem Fachmann wird klar sein,
daß unterschiedliche
Merkmale der Erfindung kombiniert werden können, um andere als die im
folgenden beschriebenen Ausführungsformen
zu schaffen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines exemplarischen Sensorführungsaufbaus,
der in der Erfindung verwendet werden kann;
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2 ein
System zur Messung einer physiologischen Variablen in einem Körper gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ein
Prinzipblockdiagramm eines Systems zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung eines HF-Leistungssignals, das zum Einsatz
kommt, um einem Sensor eine Speisespannung zuzuführen;
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5 eine
schematische Darstellung einer gleichgerichteten Spannung, die einem
Sensor zugeführt
wird;
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6 eine
schematische Darstellung eines Ausgangssignals von einem Modulator
in einer Steuereinheit gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
schematische Darstellung eines Signals, das durch einen Demodulator
in einem Empfänger
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung empfangen wird;
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8 eine
schematische Darstellung eines demodulierten Signals;
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9 ein
Prinzipblockdiagramm eines Systems zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, wobei das System ein Überwachungsgerät zum Bereitstellen
einer Darstellung der Meßvariablen aufweist;
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10 ein
Prinzipblockdiagramm eines Systems zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, wobei das System eine Stromquelle zur Speisespannungsbereitstellung über eine
Stromversorgungsschnittstelle aufweist;
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11 ein
Prinzipblockdiagramm eines Systems zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, wobei das System einen Schalter aufweist, der so
angeordnet ist, daß er
der Steuereinheit eine Speisespannung von der HF-Schnittstelle oder
der Stromversorgungsschnittstelle selektiv zuführt;
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12 eine
Ausführungsform
der Erfindung, in der induktive Kopplung zum Einsatz kommt; und
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13 eine
Ausführungsform
der Erfindung, in der eine Kombination aus induktiver Kopplung und kapazitiver
Kopplung zum Einsatz kommt.
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Nähere
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung
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Im
Stand der Technik ist bekannt, einen Sensor an einem Führungsdraht
anzuordnen und den Sensor über
den Führungsdraht
in einem Blutgefäß in einem
lebenden Körper
zu positionieren, um einen physischen Parameter zu detektieren,
z. B. Druck oder Temperatur. Der Sensor weist Elemente auf, die gegenüber dem
Parameter direkt oder indirekt empfindlich sind. Zahlreiche Patente,
die unterschiedliche Arten von Sensoren zur Messung physiologischer Parameter
beschreiben, sind im Besitz des Anmelders der vorliegenden Patentanmeldung.
Beispielsweise könnte
die Temperatur durch Beobachten des Widerstands eines Leiters mit
einem temperaturempfindlichen Widerstand gemessen werden, was in
der
US-A-6615067 beschrieben
ist. Ein weiterer exemplarischer Sensor läßt sich in der
US-A-6167763 finden,
bei dem der Blutfluß Druck
auf den Sensor ausübt,
der ein Signal als Darstellung des ausgeübten Drucks abgibt. Diese beiden
US-Patente sind hierin durch Verweis aufgenommen.
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Um
den Sensor zu speisen und Signale als Darstellung der gemessenen
physiologischen Variablen zu einer außerhalb des Körpers angeordneten Steuereinheit
zu übertragen,
sind ein oder mehrere Kabel zum Übertragen
der Signale mit dem Sensor verbunden und am Führungsdraht entlang geleitet, um
aus dem Gefäß zur externen
Steuereinheit über eine
Verbinderanordnung herausgeführt
zu werden. Außerdem
ist der Führungsdraht
normalerweise mit einem zentralen Metalldraht (Kerndraht) versehen, der
als Stütze
für den
Sensor dient.
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1 zeigt
einen exemplarischen Sensor, der an einem Führungsdraht angeordnet ist,
d. h. einen Sensorführungsaufbau 101.
In der Zeichnung wurde der Sensorführungsaufbau zur Veranschaulichung
in fünf
Teilstücke 102 bis 106 aufgeteilt.
Das Teilstück 102 ist
der distalste Abschnitt, d. h. jener Abschnitt, der am weitesten
in das Gefäß eingeführt wird,
und das Teilstück 106 ist
der proximalste Abschnitt, d. h. jener Abschnitt, der einer nicht
gezeigten Steuereinheit am nächsten
liegt. Das Teilstück 102 weist
eine z. B. aus Platin hergestellte röntgendichte Spirale 108 auf,
die mit einer gewölbten
Spitze 107 versehen ist. In der Platinspirale und der Spitze
ist ferner ein rostfreier, massiver Metalldraht 109 befestigt,
der im Teilstück 102 wie
eine dünne
konische Spitze geformt ist und als Sicherheitsfaden für die Platinspirale 108 dient.
Die sukzessive Verjüngung des
Metalldrahts 109 im Teilstück 102 zur gewölbten Spitze 107 führt dazu,
daß der
vordere Abschnitt des Sensorführungsaufbaus
sukzessiv weicher wird.
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Am Übergang
zwischen den Teilstücken 102 und 103 ist
das untere Ende der Spirale 108 am Draht 109 mit
Kleber oder alternativ mit Lot befestigt, um so eine Verbindungsstelle 110 zu
bilden. An der Verbindungsstelle 110 beginnt eine dünne Außenröhre 111,
die aus einem biokompatiblen Material hergestellt ist, z. B. aus
Polyimid, und erstreckt sich weiter über den gesamten Weg bis zum
Teilstück 106.
Die Röhre 111 wurde
so behandelt, daß der
Sensorführungsaufbau
eine glatte Außenfläche mit
geringer Reibung hat. Der Metalldraht 109 ist im Teilstück 103 stark
aufgedehnt und in dieser Aufdehnung mit einem Schlitz 112 versehen,
in dem ein Sensorelement 114 angeordnet ist, z. B. ein
Druckmesser. Für
seinen Betrieb benötigt
der Sensor elektrische Energie. Die Aufdehnung des Metalldrahts 109,
in der das Sensorelement 114 befestigt ist, verringert
die auf das Sensorelement 114 in scharfen Gefäßbiegungen
ausgeübte
Spannung.
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Vom
Sensorelement 114 aus ist ein Signalübertragungskabel 116 angeordnet,
das normalerweise ein oder mehrere elektrische Kabel aufweist. Das Signalübertragungskabel 116 er streckt
sich vom Sensorelement 114 zu einer (nicht gezeigten) Steuereinheit,
die sich unter dem Teilstück 106 und
außerhalb
des Körpers
befindet. Über
das Übertragungskabel 116 (oder
die Kabel) wird dem Sensor eine Speisespannung zugeführt. Die
Signale als Darstellung der gemessenen physiologischen Variablen werden
ebenfalls über
das Übertragungskabel 116 übertragen.
Der Metalldraht 109 ist zu Beginn des Teilstücks 104 wesentlich
dünner,
um gute Flexibilität des
vorderen Abschnitts des Sensorführungsaufbaus zu
erhalten. Am Ende des Teilstücks 104 und
im gesamten Teilstück 105 ist
der Metalldraht 109 dicker, um das Vorschieben des Sensorführungsaufbaus 101 im
Gefäß zu erleichtern.
Im Teilstück 106 ist
der Metalldraht 109 möglichst
dick, um leicht gehandhabt zu werden, und mit einem Schlitz 120 versehen,
in dem das Kabel 116 z. B. mit Kleber befestigt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Übertragungskabel 116 in
den Kerndraht 119 des Führungsdrahts
integriert. Verwendet man den Kerndraht 119 als Übertragungskabel,
reduziert sich die Anzahl von Komponenten, da so das separate Übertragungskabel
gemäß 1 entfallen
kann. Allerdings ist klar, daß das
hierin beschriebene Kommunikationsverfahren mit dem Sensor auch
mit einem separaten Übertragungskabel oder
einer Anzahl von Übertragungskabeln
praktiziert werden könnte,
die entlang dem Führungsdraht oder
auf einem anderen Weg verlaufen, was 1 zeigt.
Bei Verwendung des Kerndrahts 119 als Übertragungskabel bildet der
Kerndraht 119 selbst einen ersten elektrischen Pol, und
die dünne
Außenröhre 111 bildet
einen zweiten elektrischen Pol.
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Den
Gebrauch eines erfindungsgemäßen Führungsdrahts 201,
so wie er in 1 dargestellt ist, zeigt schematisch 2.
Der Führungsdraht 201 wird
in die Oberschenkelarterie eines Patienten 225 eingeführt. Die
Position des Führungsdrahts 201 und des
Sensors 214 innerhalb des Körpers ist mit gestrichelten
Linien veranschaulicht. Der Führungsdraht 201 und insbesondere
sein Kerndraht 211 ist auch mit einer Steuereinheit 222 über einen
Draht 226 gekoppelt, der mit dem Kerndraht 211 mit
Hilfe einer geeigneten Verbindereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden
ist, z. B. mit einem Krokodilklemmenverbinder oder jedem anderen
bekannten Verbinder. Vorzugsweise ist der Draht 226 zur
leichten Handhabung des Führungsdrahts 201 möglichst
kurz. Vorzugsweise entfällt
der Draht 226, so daß die
Steuereinheit 222 über
geeignete Verbinder direkt am Kerndraht 211 befestigt wird.
Die Steuereinheit 222 führt
eine elektrische Spannung zum Kreis, der den Draht 226,
den Kerndraht 211 des Führungsdrahts 201 und
den Sensor 214 aufweist. Außerdem wird das Signal als
Darstellung der gemessenen physiologischen Variablen vom Sensor 214 über den
Kerndraht 211 zur Steuereinheit 222 übertragen.
Dem Fachmann ist das Verfahren zur Einführung des Führungsdrahts 201 bekannt.
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Die
dem Sensor durch die Steuereinheit zugeführte Spannung könnte eine
Wechsel- oder eine Gleichspannung sein. Allgemein ist bei Anlegen
einer Wechselspannung der Sensor normalerweise mit einer Schaltung
verbunden, die einen Gleichrichter aufweist, der die Wechselspannung
in eine Gleichspannung zum Ansteuern des Sensors umwandelt, der
so ausgewählt
ist, daß er
gegenüber
dem zu untersuchenden physischen Parameter empfindlich ist.
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3 zeigt
ein Prinzipblockdiagramm eines Systems zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Das System weist eine Steuereinheit 322,
einen Kerndraht 311 und einen Sensor 314 auf.
Die Steuereinheit weist einen Modulator 301 auf, der normalerweise
aus digitalen Logik- und Folgeschaltungen besteht, die zum niedrigen Stromverbrauch
vorzugsweise in CMOS-(komplementärer
Metalloxid-Halbleiter-)Technologie gestaltet sind. Ferner weist
die Steuereinheit einen Schalter 302 auf, der ein einzelner
Transistor, entweder ein Bipolar- oder
ein Feldeffekttransistor, sein kann, was von der Modula tionsart,
Betriebsfrequenz usw. abhängt.
Die Funktion des Schalters wird später näher beschrieben. Weiterhin
weist die Steuereinheit eine Antenne 303 zum Empfangen
und Senden von HF-Signalen auf. Normalerweise beträgt die HF-Betriebsfrequenz
etwa 125 kHz, wenn induktive Kopplung zum Einsatz kommt, was im
folgenden beschrieben wird. Die schematische Darstellung von 4 veranschaulicht
auf nichtskalare Weise eine HF-Empfangsspannung 401 als
Funktion der Zeit.
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Ferner
verfügt
die Steuereinheit 322 von 3 über eine
Einrichtung zum Umwandeln der über
die Antenne 303 empfangenen Leistung in eine lokale Spannung.
Die HF-Spannung von 4 wird in einen Gleichrichter 306 eingegeben,
z. B. eine Schottky-Diode bei einer sehr hohen Frequenz oder einen
pn-Halbleiter bei
einer gemäßigteren
Frequenz. Die gleichgerichtete Spannung durchläuft ein Tiefpaßfilter 307 und
dient dann als Speisespannung für
den Mikrosensor 314. Obwohl dies in 3 nicht gezeigt
ist, ist zu beachten, daß die
Steuereinheit 322 auch eine Speisespannung aus der HF-Spannung 401 zum
Versorgen der Elektronik der Steuereinheit extrahiert. Das Signal 501 zwischen
dem Tiefpaßfilter 307 und
dem Mikrosensor 314 ist in der Darstellung von 5 schematisch
veranschaulicht, die die gleichgerichtete Konstantspannung 501 als
Funktion der Zeit zeigt.
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Der
Mikrosensor 314 reagiert auf die zu messende physiologische
Variable, z. B. Druck, Durchfluß,
Temperatur usw., und liefert ein der Variablen entsprechendes Ausgangssignal.
Er kann nach einem resistiven, kapazitiven, piezoelektrischen oder optischen
Betriebsprinzip gemäß der etablierten Sensorgestaltungspraxis
arbeiten. Der Modulator 301 wandelt das Ausgangssignal
des Mikrosensors 314 in ein zeitcodiertes Signal gemäß einem
festgelegten Schema oder Algorithmus, z. B. Pulsbreitenmodulation
(PWM), Frequenzmodulation (FM) usw., oder einem anderen etablierten
Modulationsschema um. Die Modulation wird über den Führungsdraht 311 und
den Schalter 302 zurück
zur Antenne 303 geführt.
Das Ausgangssignal 601 des Modulators 301 ist
in 6 schematisch gezeigt. Gemäß 6 ist das
Ausgangssignal bis zur Zeit T1 AUS. Zwischen der Zeit T1 und T2
ist das Ausgangssignal EIN, wonach es wieder AUS-geschaltet wird.
Zur Zeit T3 ist es wieder EIN, und so weiter.
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Somit
wird die durch den Sensor 314 aufgenommene Leistung durch
die Wirkung des Schalters 302 so beeinflußt, daß sich die
Aufnahme unterscheidet, wenn sich der Schalter im EIN-Zustand oder AUS-Zustand
befindet. Die durch einen Empfänger (nicht
gezeigt) detektierte Hochfrequenzspannung 701 zeigt einen
höheren
Pegel HL während
des Zeitintervalls zwischen T1 und T2 und einen niedrigeren Pegel
LL vor der Zeit T1 und während
des Zeitintervalls zwischen T2 und T3 usw., was in 7 veranschaulicht
ist. Dadurch können
Informationen über die
gemessene Variable, die dem übertragenen
elektromagnetischen Feld aufgeprägt
sind, durch einen Demodulator (nicht gezeigt) des Empfängers des
Signals 701 extrahiert werden, wodurch ein Signal 801 gemäß 8 mit
im wesentlichen den gleichen zeitlichen Eigenschaften wie das Ausgangssignal 601 vom
Modulator 301 erzeugt wird, d. h. jede Änderung von "hoch" auf "tief" erfolgt im wesentlichen
zum gleichen Zeitpunkt für
das Signal 601 vom Modulator und das Signal 801 vom
Demodulator. Dadurch lassen sich zeitliche Informationen extrahieren,
die zum Signal gehören.
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Jeder
nützliche
Algorithmus zur Umwandlung eines Maßes für die physische Variable in
einen Kennwert, der mit einem oder mehreren Intervallen hoher oder
niedriger Aufnahme der Hochfrequenzspannung 401 dargestellt
ist, könnte
ausgewählt
werden. Beispielsweise könnte
der Modulator 301 so angepaßt sein, daß er den Schalter 302 für ein Zeitintervall
schließt,
das direkt proportional zur gemessenen Variablen ist. Natürlich könnte die
Variable in ausgewählten
Intervallen wiederholt gemessen werden, wobei jede der Messungen
den Modulator initiiert, um den Schalter für eine geeignete Zeitspanne
zu schließen.
Als Alternative könnte
ein Meßwert
so frequenzcodiert sein, daß der
Modulator 301 den Schalter 302 mit einer ausgewählten Häufigkeit
für ein
vorgegebenes Zeitintervall schließt, was einem vorbestimmten Wert
der gemessenen Variablen entspricht.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist zu beachten, daß das Blockdiagramm
von 3 zur Veranschaulichung dient, um eine exemplarische
Ausführungsform
der Erfindung zu beschreiben. In der Praxis ist geplant, Standardschaltungen
zu verwenden. Zum Beispiel kann als Steuereinheit 322 eine
U3280M-Transponderschnittstelle für eine Mikrosteuerung von Atmel zum
Einsatz kommen. Bei Verwendung dieser Art von Standardschaltung
kommt auch eine Mikrosteuerung normalerweise zur Durchführung der
Kommunikation zur U3280M-Schaltung und von ihr sowie zu ihrer Steuerung
zum Einsatz. Dadurch sind allgemein auch A/D-Wandler, Speicher und
andere Peripherieelektronik erforderlich, was dem Fachmann klar
ist.
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In 9 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung gezeigt, in der das System zur Messung einer physiologischen
Variablen in einem Körper
ferner ein Überwachungsgerät 309 aufweist,
das so angeordnet ist, daß es
das modulierte Signal 701 demoduliert, wobei das modulierte
Signal über
eine HF-Schnittstelle
empfangen wird, und somit eine Darstellung der gemessenen physiologischen
Variablen bereitstellt. Ferner kann das Überwachungsgerät so angeordnet
sein, daß es
der Steuereinheit die Speisespannung 401 und Steuerdaten über die HF-Schnittstelle
zuführt.
Bei der Durchführung
dieser Art von physiologischer Messung besteht allgemein Bedarf
an einem Überwachungsgerät, z. B.
einem Computer und einem zugehörigen
Computerbildschirm, zum überwachen
der Signale, die die gemessenen Variablen nach Demodulation darstellen.
Normalerweise ist das Überwachungsgerät mit der
Netzversorgung verbunden, von der eine Wechselspannung von 230 V
zur Verfügung
ge stellt werden kann. Da die Teile des Systems der Erfindung, die
in der Umgebung des Objekts liegen, an dem Messungen durchgeführt werden,
d. h. die Steuereinheit, der Sensor und damit zusammenhängende Schaltungen,
vorzugsweise möglichst
klein sein sollten, um die Handhabung des Meßsystems im Betrieb zu vereinfachen,
ist es vorteilhaft, wenn das Überwachungsgerät dem System
eine ausreichende Speisespannung zuführen kann, da so jede an der
Steuereinheit angeordnete Stromquelle entfallen kann. Steuerdaten,
die vom Überwachungsgerät 309 zur Steuereinheit 322 übertragen
werden, werden an der Steuereinheit normalerweise durch eine Mikrosteuerung
(nicht gezeigt) verarbeitet.
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Das Überwachungsgerät 309 weist
einen Sendepfad und einen Empfangspfad zum drahtlosen Senden und
Empfangen modulierter/demodulierter Signale über eine Kommunikationsschnittstelle
auf. Der Sendepfad des Überwachungsgeräts 309 weist einen
Schmalbandoszillator 304, einen Verstärker 305 und eine
Antenne 310 auf. HF-Wellen 401 mit im wesentlichen
konstanter Amplitude und Frequenz werden durch die Antenne 310 mit
der Betriebsfrequenz des Oszillators 304 abgestrahlt. Um
die Oszillatorfrequenz auf eine konstante oder steuerbare Frequenz
zu steuern und darauf zu halten, gehört eine geeignete Signalerzeugungseinrichtung
dazu, z. B. ein Schwingquarz 312. Mit einem Schwingquarz ist
es möglich,
eine Frequenzstabilität
von mindestens 10–6 zu gewährleisten.
Von Bedeutung ist dies sowohl für
die Immunität
des System gegenüber elektromagnetischer
Interferenz als auch dafür,
unerwünschte
induzierte Interferenz vom System auf andere elektronische Ausrüstungen
zu vermeiden. Die schematische Darstellung von 4 veranschaulicht auf
nichtskalare Weise die HF-Sendespannung 401 als Funktion
der Zeit.
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Ferner
weist das Überwachungsgerät 309 einen
Demodulator 313 auf. Der Demodulator 313 wandelt
das zeit- oder frequenzcodierte Signal 701 wieder in ein
Sensorsignal gemäß einem Umkehralgorithmus
zu dem des Modulators 301 um. Weiterhin verfügt das Überwachungsgerät 309 über eine
Einrichtung 315 zur Signalverarbeitung und -präsentation.
Der Verstärker 305 ist
vorzugsweise von der in der Literatur als phasenempfindlich, phasennachlaufend
oder synchron bekannten Art. Die Bandbreite eines solchen Verstärkers kann
extrem klein sein. Vorzugsweise arbeitet das erfindungsgemäße System mit
einer extrem kleinen Bandbreite, um den Einfluß elektromagnetischer Störungen zu
minimieren.
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10 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, in der die Steuereinheit 322 und somit der Sensor 314 durch
eine Stromquelle in Form einer Batterie 316 über eine
Stromversorgungsschnittstelle gespeist wird. In diesem Fall ist
die dem Sensor 314 über
den Führungsdraht 311 zugeführte Speisespannung
eine Gleichspannung. Somit brauchen kein Gleichrichter und Tiefpaßfilter
an der Steuereinheit 322 angeordnet zu sein. Auch die Elektronik
der Steuereinheit wird durch die Batterie 316 versorgt. Deutlich
ist, daß die
Stromquelle nicht unbedingt eine Batterie aufweist, sondern z. B.
auch einen Kondensator aufweisen kann, der sich laden und entladen läßt.
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In 11 ist
ein Schalter 318 so vorgesehen, daß die Steuereinheit 322 selektiv
auswählen
kann, den Sensor 314 von der Batterie 316 oder
mit Hilfe des HF-Signals 401 zu speisen. Vorteilhaft ist
dieses Merkmal in der U3280M-Transponderschnittstelle von Atmel
implementiert. In diesem Fall wird die Batterie 316 nicht
unbedingt als Primärstromquelle
für die
Steuereinheit 322 und den Sensor 314 verwendet,
sondern kann als Reserve oder Ergänzung zum HF-Signal 401 betrachtet
werden. Möglich
ist auch, daß die
Batterie 316 durch das HF-Signal 401 geladen werden kann.
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12 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, in der die HF-Schnittstelle der Steuereinheit 322 so
angeordnet ist, daß die Übertragung
der Steuereinheit-Speisespannung 330 so wie der Steuerdaten
und Signale 340 als Darstellung von Meßvariablen mit Hilfe von induktiver
Kopplung zwischen der Steuereinheit und dem Gerät erfolgt, mit dem sie über die
HF-Schnittstelle
kommuniziert, z. B. mit dem Überwachungsgerät 309.
Durch Verwendung einer induktiven Kopplung in der drahtlosen Schnittstelle können relativ
niedrige Betriebsfrequenzen im System zum Einsatz kommen, was den
Vorteil hat, daß das
System gegenüber
elektromagnetischen Störungen
unempfindlicher wird. Außerdem
ermöglicht
induktive Kopplung die Übertragung über größere Entfernungen.
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13 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, in der die HF-Schnittstelle der Steuereinheit 322 so
angeordnet ist, daß die Übertragung
der Steuereinheit-Speisespannung 330 durch induktive Kopplung
erfolgt und die von Steuerdaten und Signalen 340 als Darstellung
gemessener Variablen mit Hilfe von kapazitiver Kopplung zwischen
der Steuereinheit und dem Gerät
erfolgt, mit dem sie über
die HF-Schnittstelle kommuniziert, z. B. mit dem Überwachungsgerät 309.
Durch Verwendung einer kapazitiven Kopplung in der drahtlosen Schnittstelle
lassen sich Komponenten mit kleiner Größe verglichen mit dem Fall
verwenden, in dem Induktoren zum Einsatz kommen.
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Angesichts
der beiden vorstehenden Ausführungsformen
wird klar, daß die
Hochfrequenzschnittstelle induktiv, kapazitiv oder eine Kombination aus
beiden sein kann. Somit können
einige über
die drahtlose Kommunikationsschnittstelle übertragene Signale induktiv übertragen
werden, während
andere kapazitiv übertragen
werden können.
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Obwohl
die Erfindung anhand spezifischer exemplarischer Ausführungsformen
beschrieben wurde, werden dem Fachmann viele unterschiedliche Änderungen,
Abwandlungen u. ä.
deutlich sein. Daher sollen die beschriebenen Ausführungsformen den
Schutzumfang der Erfindung gemäß der Festlegung
in den beigefügten
Ansprüchen
nicht einschränken.