DE69712464T2

DE69712464T2 - Ausgangsstufe mit schaltbarer konstantspannungs- oder konstantstrombetriebsart

Info

Publication number: DE69712464T2
Application number: DE69712464T
Authority: DE
Inventors: J. Weijand
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: DE69712464D1; EP0873591A1; AU1532897A; WO1997025778A1; US5836983A; JP2001509037A; EP0873591B1

Description

Diese Erfindung betrifft implantierbare medizinische Einrichtungen mit steuerbaren Ausgangsstufen zum Abgeben von Konstantspannungs- oder Konstantstromausgaben und insbesondere eine Ausgangsstufe, die für eine Verwendung beim Abgeben einer Stimulierausgabe bei einem. Herzschrittmacher oder einer ähnlichen medizinischen Einrichtung geeignet ist und die so programmiert werden kann, daß sie die Ausgabe in einer gewählten Konstantstrom- oder Konstantspannungsbetriebsart abgibt, und die auch amplitudenmoduliert werden kann, um codierte Daten zu übertragen.
Bei einer medizinischen Einrichtung in der Art eines Schrittmachers oder eines Nervenstimulators, die in der Lage sein muß, zyklische Stimulierimpulse zu erzeugen und abzugeben, besteht ein Bedarf an einer wirksamen und steuerbaren Ausgangsstufe zum Formen und Abgeben der Impulse mit der erforderlichen Leistung und der erforderlichen Form. Es ist insbesondere bei programmierbaren implantierten Einrichtungen, wie den meisten Schrittmachern, nicht ausreichend, eine Ausgangsstufe zu haben, die einfach auf einen Auslöser reagiert. Es ist die Fähigkeit erwünscht, den Ausgangsimpuls steuern zu können, wenn das zeitliche Auslösen auftritt, und dies entsprechend programmierten Anweisungen auszuführen, so daß eine Vielzahl verschiedener Impulsformen wirksam und genau wie programmiert abgegeben werden kann.
Auf dem Fachgebiet der Schrittmacher ist das im wesentlichen universelle Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangsstimulierimpulses um das zentrale Merkmal des Ladens eines Kondensators und des dann zur richtigen Zeit und mit vorgegebenen Entladeeigenschaften erfolgenden Entladens des Kondensators herum entwickelt. Es gibt auf dem Fachgebiet der Schrittmacher zahlreiche Beispiele verschiedener Ausgangsschaltkreise zum Steuern des Entladens und Wiederaufladens von Kondensatoren, um Stimulierimpulse verschiedener Formen, beispielsweise zweiphasige und dreiphasige Impulse, abzugeben. Diese Schaltkreise weisen jedoch eine erhebliche Komplexität auf, und tatsächlich müssen die Schaltungsanordnungen umso komplizierter sein, je mehr Kontrolle über den Impuls erzielt werden soll. Die Fähigkeit zum Steuern des Zeitablaufs und der Wellenform des Impulses ist dadurch beschränkt, daß es erforderlich ist, die Kondensatorladung wiedereinzustellen. Weiterhin ist es bei Schrittmacher- und anderen Anwendungen häufig wünschenswert, die Möglichkeit zu haben, Konstantspannungs- oder Konstantstromausgaben bereitzustellen, was ebenso erreicht werden kann, jedoch auf Kosten einer komplizierteren Steuerschaltungsanordnung. Hinsichtlich Beispielen von zum Bereitstellen einer Konstantspannungsbetriebsart, einer Konstantstrombetriebsart oder beider Betriebsarten ausgelegten Schaltungen sei auf US-A-4 340 062 und US-A-4 416 282 und "Measurement of Pacing Threshold", Ector u. a., PACE 8, S. 66-72, Jan. - Feb. 1985, verwiesen.
In US-A-5 179 946 ist eine implantierbare medizinische Einrichtung offenbart, die einen steuerbaren Ausgangsschaltkreis aufweist, der entweder in einer Konstantstrom- oder einer Konstantspannungsbetriebsart betrieben werden kann.
In EP-A-0 326 968 ist ein Treiberschaltkreis (wenngleich nicht im Zusammenhang mit einer implantierbaren Einrichtung) für einen Betrieb in einer Konstantstrombetriebsart, wenn der Lastwiderstand gering ist, oder einer Konstantspannungsbetriebsart, wenn der Lastwiderstand hoch ist, offenbart.
Es bleibt auf dem Fachgebiet jedoch ein Bedarf an einem Ausgangsschaltungsentwurf, der hinsichtlich der Ausgangsbetriebsart und auch hinsichtlich des schnellen Schaltens und der Impulsform wirksamer steuerbar ist, bestehen. Es ist insbesondere für implantierbare Einrichtungen oder batteriegespeiste Einrichtungen wichtig, daß die Ausgangsstufe beim Umwandeln der Batterieleistung in die gewünschte Ausgangsform wirksam ist und daß sie schnell schaltbar ist, um die programmierte Wellenform genau bereitzustellen.
Eine primäre Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Verbesserung des Stands der Technik zu erreichen, wobei eine Ausgangsstufe oder ein Ausgangsschaltkreis bereitgestellt wird, der eine minimale Anzahl von Komponenten verwendet und so programmierbar ist, daß er Ausgaben entweder in einer Konstantstrom- oder einer Konstantspannungsbetriebsart bereitstellt, der eine maximale Fähigkeit zur genauen und hochfrequenten Impulsformsteuerung hat und der hinsichtlich der Leistung sehr wirksam ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Ausgangsstufe für eine implantierte Einrichtung in der Art eines Schrittmachers bereitzustellen, die so steuerbar ist, daß Daten auf die Ausgangsstimulierimpulse codiert werden, die durch einfache Oberflächenelektroden auf dem Patienten extern empfangen und decodiert werden können, wodurch die Datenübertragung vom Patienten ohne eine hochentwickelte Telemetrieeinrichtung ermöglicht wird.
Die Erfindung sieht dementsprechend eine implantierbare medizinische Einrichtung vor, die im vorliegenden Anspruch 1 definiert ist.
Der Schaltkreis gemäß dieser Erfindung erfüllt die oben angegebenen Anforderungen mit einem Minimum an Komponenten, die leicht auf einem Chip hergestellt werden können.
Weiterhin ermöglicht die bereitgestellte schnelle Steuerung die Amplitudenmodulation des Ausgangsimpulses für eine Verwendung bei der Datenübertragung zu einer einfachen externen Aufnahme in der Art von Oberflächenelektroden. Der Schaltkreis gemäß dieser Erfindung ermöglicht die Steuerung der Impulseigenschaften während der Abgabe des Impulses, und er ist bei Anwendungen besonders nützlich, bei denen die Abgabe mehrphasiger Stimulierimpulse mit verschiedenen Amplituden gefordert wird, wie es beispielsweise bei Schrittmachern oder Nervenstimulatoren der Fall ist.
Gemäß den oben angegebenen Aufgaben ist eine Einrichtung mit einer schnell schaltbaren Ausgangsstufe vorgesehen, die aus nur einem Operationsverstärker und zwei Transistoren aufgebaut ist, wobei die Transistoren vorzugsweise ein Flächenverhältnis aufweisen, das die jeweiligen Ströme durch die zwei Transistoren so steuert, daß sie das gleiche Verhältnis aufweisen. Bei der Stufe wird eine neuartige Architektur verwendet, die die Ausgabe beider Betriebsarten am selben Knoten ermöglicht. Eine programmierbare niederwertige Stromquelle wird abhängig davon, ob der Ausgang in der Konstantspannungsbetriebsart oder der Konstantstrombetriebsart arbeiten soll, alternativ zu dem einen oder dem anderen Operationsverstärkereingang geschaltet, wobei der andere Eingang an Masse gelegt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist an die Eingänge der zwei Transistoren angeschlossen, wobei es sich geeigneterweise um "Gridmos"- oder GMOS-Transistoren handelt, deren Ausgang jeweils an den Stufenausgang angeschlossen ist und die in ihrem linearen Bereich betrieben werden, so daß sie jeweilige Ströme mit einem festen Verhältnis übertragen, wobei der erste beispielsweise etwa 200 mal so groß ist wie der zweite. In der Konstantspannungsbetriebsart ist die Konstantstromquelle an den negativen Operationsverstärkereingang angeschlossen und auch direkt über einen Widerstand an den. Ausgang angeschlossen, wodurch der Ausgang bei einer Konstantspannung von der virtuellen Masse des Operationsverstärkers gehalten wird. In der Konstantstrombetriebsart ist die Stromquelle an den positiven Operationsverstärkereingang und auch an den Niederstromtransistor angeschlossen, wodurch die Stromausgabe beider Transistoren und damit der Laststrom gesteuert wird. In beiden Betriebsarten wirkt der Schaltkreis als ein linear veränderliches Element, das in Reihe mit der Spannungsquelle der Einrichtung und der Ausgangslast geschaltet ist. Der Schaltkreis ist sehr einfach, jedoch sehr wirksam, und er zieht keinen Strom, wenn er inaktiv ist. Bei einer Ausführungsform einer medizinischen Einrichtung kann der Ausgangsschaltkreis zum Abgeben von Mehrkanal- oder Mehrphasenimpulsen verschiedener Amplitude verwendet werden, wobei dies erfolgen kann, weil keine Zeit zum Wiederaufladen eines Kondensators erforderlich ist.
Die Erfindung sieht bei einer einzigartigen Anwendung der Ausgangsstufe auch ein System und ein Verfahren zum Amplitudenmodulations-Codieren von Bits auf die Ausgangsimpulse vor. Weil die Ausgabe innerhalb eines Intervalls von 2-10 Mikrosekunden geändert werden kann, kann ein 16-Bit-Wort auf einen 200-Mikrosekunden-Impuls codiert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen werden nun nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Diagramm, in dem die einfache Architektur eines Ausgangsschaltkreises einer Einrichtung gemäß der Erfindung und die Art der Steuerung veranschaulicht sind.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Systems, bei dem die Hauptkomponenten einer implantierbaren Einrichtung mit einer Ausgangsstufe gemäß dieser Erfindung aufgenommen sind, und es sind darin auch externe Komponenten zum Programmieren der implantierten Einrichtung und zum externen Aufnehmen von Daten, die auf von der Ausgangsstufe abgegebene Stimulierimpulse codiert sind, dargestellt.
Fig. 3A ist ein Schaltungsdiagramm einer Ausgangsstufe einer Einrichtung gemäß dieser Erfindung, Fig. 3B ist ein Ersatzschaltungsdiagramm der Ausgangsstufe, wenn die Konstantspannungsbetriebsart vorliegt, und Fig. 3C ist ein Ersatzschaltungsdiagramm der Ausgangsstufe, wenn die Konstantstrombetriebsart vorliegt.
Fig. 4A ist ein Flußdiagramm der beim Steuern des Pulsgenerators gemäß dieser Erfindung sowie beim Codieren von Daten auf einen abgegebenen Impuls und beim Messen und Decodieren der Daten ausgeführten Schritte, und Fig. 4B ist eine Darstellung einer gemäß dieser Erfindung zum Übertragen codierter Daten modulierten Wellenform.
In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand spezifischer Komponenten und Kombinationen von Elementen dargestellt. Es sei bemerkt, daß bestimmte Erscheinungsformen der Erfindung sehr gut auf andere Gebiete der Technik anwendbar sind und gleichwertige Komponenten innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung verwendet werden können, wenngleich die bevorzugte Ausführungsform auf dem Gebiet der Schrittmacher liegt.
Insbesondere ist in Fig. 1 schematisch dargestellt, daß die Verwendung eines linearen Regelungselements oder eines linearen Schaltkreises 40 das zentrale Element der bei dieser Erfindung verwendeten Reglerarchitektur ist. Ein Regelungselement oder Regelungselemente sind in Reihe mit der als R1 bezeichneten Last und dem Spannungsgenerator, der geeigneterweise eine Batterie ist, angeordnet. Der Schaltkreis 40 ist mit einem bei 44 dargestellten Programmierstrom Iprog gekoppelt, der wiederum durch eine programmierbare Feinsteuerung 43 eingestellt wird. Weiterhin wird der Schaltkreis 40 durch Betätigen einer Betriebsartsteuerung 41, die ein bei S angegebenes Schaltnetzwerk steuert, in eine Konstantspannungs- oder Konstantstrombetriebsart versetzt. Ein Spannungsgenerator oder eine Batterie, der oder die mit VGEN bezeichnet ist, wird durch eine programmierbare Grobsteuerung 42 gesteuert. Diese Steuerung kann beispielsweise durch Anschließen von Kondensatoren an die Batterie, wenn kein Impuls erzeugt wird, und durch in Reihe oder parallel erfolgendes Anschließen der Kondensatoren, wenn ein Impuls erforderlich ist, in bekannter Weise erfolgen. Hierdurch wird eine Grobprogrammierung des Ausgangspegels für die Konstantspannungsbetriebsart bereitgestellt. Der Programmierstrom kann in vorgegebenen Inkrementen durch bekannte Verfahren zum Steuern von Stromquellen zum "Feinabstimmen" oder durch Steuern der Konstantspannungs- oder Konstantstromausgaben gesteuert werden.
In Fig. 2 ist ein einfaches Blockdiagramm eines implantierbaren Schrittmachers dargestellt, das die Klasse medizinischer Einrichtungen veranschaulicht, die innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung gemäß den Ansprüchen liegen. Der Pulsgenerator 21 ist die Ausgangsstufe, die tatsächlich Stimulierimpulse erzeugt. Er wird hinsichtlich des Zeitablaufs und der Amplitude vom Steuerschaltkreis 22 gesteuert. Der Schaltkreis 22 empfängt wiederum Zeit- und Amplitudendaten vom Mikroprozessorblock 23. Wie bei implantierbaren Schrittmachern weitverbreitet ist, kann dieser Block nicht nur einen Mikroprozessor sondern auch einen zugeordneten Speicher, Analogschaltkreise zur Zeitsteuerung und dergleichen und bei dieser Ausführungsform auch eine Codierschaltungsanordnung zum Codieren von Daten auf die mit der Steuerung 22 gekoppelten Steuersignale aufweisen. Weiterhin kann der Schrittmacher zum Empfangen von Programmsteuerdaten in Verbindung mit einer bei 30 dargestellten externen Programmiereinrichtung eines bekannten Typs stehen.
Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt ist, kann das System gemäß dieser Erfindung Meßelektroden 32, vorzugsweise Oberflächenelektroden, zum Messen der Wellenform abgegebener Stimulierimpulse, die über eine Leitung 25 zum Herz des Patienten übertragen werden, aufweisen. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten erklärt wird, werden die Impulse amplitudenmoduliert, und diese Modulation kann unter Verwendung einfacher Oberflächenelektroden decodiert werden, um Daten bereitzustellen, die im Schrittmacher 22 gesammelt und gespeichert wurden. Die gemessenen Signale werden an einem Block 34 verarbeitet und an einem Block 35 ausgegeben.
Das Schaltungsdiagramm der Ausgangsstufe wird nun mit Bezug auf Fig. 3A erklärt. Die Schalter sind jeweils entweder mit (1) markiert, wobei dies der Konstantspannungsbetriebsart entspricht, oder sie sind mit (2) markiert, wobei dies der Konstantstrombetriebsart entspricht. Die Schalter werden durch den Steuerschaltkreis 22, der auf die vom Block 23 gesendeten Informationen einwirkt, in eine der zwei Betriebsarten versetzt. In der Konstantspannungsbetriebsart ist die Stromquelle Iprog an den negativen Eingang eines Operationsverstärkers 50 angeschlossen, während der positive Eingang an Masse gelegt ist. Die Stromquelle 44 ist auch über einen Widerstand 56 an den Ausgangsknoten 59 angeschlossen, der wiederum mit dem Herz oder einer anderen Last verbunden ist, die als Rload bezeichnet ist.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 50 ist an die Eingänge von Transistoren 52 und 53 angeschlossen, deren Ausgangsanschlüsse jeweils mit dem Ausgangsknoten 59 verbunden sind. Die Drain-Elektrode des Transistors 52 ist an Masse gelegt, und die Drain-Elektrode des Transistors 53 ist in der Konstantspannungsbetriebsart über einen Operationsverstärker 57 und einen Widerstand 58 an Masse gelegt. Die Elemente 57 und 58 wirken als ein Stromsensor, wobei an 58 eine Spannung bereitgestellt wird, die den durch die Last fließenden Strom angibt. Die Transistoren 52, 53 sind so ausgewählt, daß sie in ihren linearen Bereichen arbeiten, und sie sind so bereitgestellt, daß der durch 52 fließende Strom ein festes Vielfaches des durch 53 fließenden ist, wobei der durch 52 fließende Strom beispielsweise etwa 200 mal so groß ist wie der durch 53 fließende, wobei dies vom Ausgangsstrom unabhängig ist. Dies kann durch Festlegen der Verhältnisse der zwei Transistoren, beispielsweise unter Verwendung von GMOS- Transistoren und Zusammenschalten der Source- und Drain- Elektroden zum Bereitstellen zweier GMOS-Transistoren, die relative Stromflüsse von etwa 200 : 1 aufweisen, erreicht werden. Wenngleich die GMOS-Konfiguration bevorzugt ist, ist zu verstehen, daß innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung auch andere Transistortypen mit festen Flächenverhältnissen verwendet werden können, wobei das wichtige Merkmal darin besteht, daß sie das gewünschte Stromverhältnis bereitstellen, wenn sie linear betrieben werden. Um die Betrachtung der Elemente in der Schaltung aus Fig. 3A abzuschließen, sei bemerkt, daß ein Widerstand 56 in der Spannungsbetriebsart schaltbar zwischen den Minuseingang des Operationsverstärkers 50 und den Knoten 59 geschaltet ist und daß der I-Eingang des Operationsverstärkers 50 in der Strombetriebsart schaltbar an die Drain-Elektrode des Transistors 53 angeschlossen ist.
In Fig. 3B ist die Konfiguration der Ausgangsstufe dargestellt, wenn sich die Schalter in der Position (1) befinden. Hierbei ist die Schaltung derart, daß der Strom Iprog direkt über den Widerstand 56 fließt und daß der Ausgangsknoten 59 unabhängig davon, welches der durch die Last fließende Strom ist, bei einer festen Spannung gehalten wird, weil der negative Eingang des Operationsverstärkers 50 auf der virtuellen Masse gehalten wird. Der Sensorschaltkreis mißt den durch den Transistor 53 fließenden Strom, der ein fester Prozentsatz des Laststroms ist, wodurch während der Abgabe eines Impulses ein Hinweis auf den Strom gegeben wird. Eine Strommessung gibt die Lastimpedanz an und kann beim Bestimmen der geeigneten Einstellung von VGEN in der Konstantstrombetriebsart helfen, um eine optimale Wirksamkeit zu erzielen, wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 4A erörtert wird.
Wie in Fig. 3C, dem Effektivschaltkreis für die Konstantstrombetriebsart, dargestellt ist, ist IProg an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 50 gelegt, und er ist auch so angelegt, daß er der Strom ist, der durch den Transistor 53 fließt. Weil der durch den Transistor 52 fließende Strom ein festes Vielfaches dieses Stroms ist, ist der durch Rl fließende Gesamtstrom fest. In beiden Fällen kann Iprog genau bestimmt werden, wodurch die gewünschte Steuerung ermöglicht wird. Tatsächlich ist der Schaltkreis einfach genug, damit eine Verstärkungsbandbreite von 50 MHz erreicht werden kann. Hierdurch wird eine ausgezeichnete Steuerung für die Dauer eines ausgegebenen Stimulierimpulses, wie er bei Herzschrittmachern verwendet wird, ermöglicht. Jede Betriebsart kann mit dieser einfachen, jedoch eleganten Architektur versehen werden, die nicht von engen Toleranzen, übereinstimmenden Widerständen usw. abhängt. Statt dessen hängt der Schaltkreis nur von der Übereinstimmung der zwei Transistoren ab, wobei diese Übereinstimmung unabhängig von der Temperatur und der Zeit sein sollte. Durch auf dem Fachgebiet übliche Layout- und Entwurfstechniken kann die Übereinstimmung im wesentlichen unabhängig vom Laststrom und von der Lastspannung sein.
Das Flußdiagramm aus Fig. 4A veranschaulicht, wie der Ausgangsschaltkreis gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann, nämlich beispielsweise in einem Herzschrittmacher, zur genauen Steuerung der Betriebsart und der Amplitude und zum Codieren von Daten auf dem erzeugten und abgegebenen Impuls. Bei 70 wird bestimmt, ob ein Stimulierimpuls abzugeben ist. Bei der Schrittmacher-Ausführungsform kann dies geschehen, wenn bestimmt wurde, ob ein Zeitgeber abgelaufen ist, oder wenn ein natürliches Signal gemessen wurde. Danach bestimmt die Einrichtung bei 72, ob der abgegebene Stimulierimpuls eine konstante Spannung oder einen konstanten Strom aufweisen soll. Falls er eine konstante Spannung aufweisen soll, wird der Schaltkreis bei 73 zu der in Fig. 3B dargestellten Konfiguration geschaltet, und falls eine Konstantstrombetriebsart programmiert wird, wird der Schaltkreis bei 74 zu der in Fig. 3C dargestellten Konfiguration geschaltet. Als nächstes wird bei 76 bestimmt, ob Daten durch Amplitudenmodulation auf die Impulsform codiert werden sollen. Bei der Schrittmacher-Ausführungsform können diese Daten Schrittmacherbedingungen, wie die erwartete Batterielebensdauer oder andere Daten, die an diese Form einer einfachen Übertragung angepaßt werden können, darstellen. Falls der Impuls moduliert werden soll, geht die Einrichtung zu einem Block 77 und erhält zum Amplitudenmodulieren von einem oder mehreren Stimulierimpulsen verwendete Datenbits. Bei 78 gewinnt die Einrichtung unabhängig davon, ob eine Modulation stattfinden soll, Amplitudendaten zum Festlegen von Iprog, um die Stimulieramplitude des Ausgangsimpulses zu steuern. Daraufhin wird Iprog bei 80 mit der Amplitude und den Modulationsdaten in herkömmlicher Weise gesteuert, und der Impuls wird wie angegeben bei 90 abgegeben. Falls der Impuls zu einer externen Quelle zu übertragende Daten aufweist, werden diese Daten wie bei 92 angegeben extern erfaßt und decodiert und ausgegeben. Die Impulswellenform kann in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch auf dem Patient angeordnete Oberflächenelektroden, extern abgegriffen werden.
Weiterhin sei mit Bezug auf Fig. 4A bemerkt, daß während der Abgabe eines Impulses oder eines Impulsabschnitts der Strom (für einen Konstantspannungsimpuls) oder eine Spannung (für einen Konstantstromimpuls) gemessen wird, wie bei 95 dargestellt ist. Demgemäß wird das Bestimmen des durch die Last fließenden Stroms für einen Konstantspannungsimpuls verwendet, um den Wert von VGEN für eine optimale Wirksamkeit beim Abgeben eines Konstantstromimpulses festzulegen. Anders ausgedrückt wird ein Maß für die Lastimpedanz erhalten, was beim optimalen Einstellen von VGEN sehr wichtig ist. In ähnlicher Weise kann während eines Konstantstromimpulses oder eines Impulsabschnitts eine Messung von VOUT am Knoten 59 ausgeführt werden, um VGEN für den Konstantspannungsbetrieb wirksam festzulegen. Das Einstellen von VGEN wird durch eine Steuerung in der Art der in Fig. 1 bei 42 dargestellten vorgenommen.
Es sei bemerkt, daß andere Abänderungen dieser Technik innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Beispielsweise bietet dieser Schaltkreis die Möglichkeit, einen Impuls bereitzustellen, der beispielsweise mehrere Abschnitte mit verschiedenen Amplituden oder einen ersten Abschnitt oder eine erste Komponente, die eine Konstantspannung ist, und einen zweiten Abschnitt oder eine zweite Komponente, die ein Konstantstrom ist, aufweist. Der in dieser Beschreibung verwendete Begriff Impuls ist hinsichtlich der Wellenform nicht beschränkt, und er kann tatsächlich verschiedene Formen und auch eine Reihe von Impulsen einschließen. Falls die den Ausgangsschaltkreis gemäß dieser Erfindung verwendende Einrichtung zum Abgeben eines Hybridimpulses mit mindestens einem Konstantspannungsabschnitt und mindestens einem Konstantstromabschnitt programmiert ist, wird die Folge bei 72, 73, 74 zum Steuern des Schaltens zwischen der Konstantspannung und dem Konstantstrom während des vom Ausgangsimpuls eingenommenen Intervalls modifiziert.
Fig. 4B zeigt eine Darstellung eines gemäß diesem System und diesem Verfahren erzeugten Impulses, wobei wie dargestellt 16 Bits auf einen Konstantspannungsimpuls mit einem Zeitintervall von etwa 200 Mikrosekunden codiert sind. Es sei bemerkt, daß hierdurch eine zusätzliche Welle bereitgestellt wird, die, wenngleich die Bitübertragungsrate verhältnismäßig gering ist, eine begrenzte Menge an Daten überträgt, wenn die erforderliche Programmiereinrichtung nicht verfügbar ist, beispielsweise wenn sich der Patient an einem fernen Ort befindet, wo kein Zugang zu der Programmiereinrichtung gegeben ist.
Es wurde demgemäß eine einfache, jedoch sehr wirksame Ausgangsstufe zum Abgeben von Impulsen mit fein steuerbaren Wellenformen bei einer medizinischen Einrichtung in der Art eines Schrittmachers oder eines anderen Stimulators bereitgestellt. Der geringe Leistungsverbrauch und die ausgezeichneten Steuereigenschaften machen sie für Anwendungen bei implantierbaren Einrichtungen nützlich, und es wird dadurch eine Datenübertragung zusammen mit der Abgabe von zu therapeutischen Zwecken verwendeten Ausgaben ermöglicht. Es sei bemerkt, daß innerhalb des Stands der Technik vorhandene Entwicklungstechniken, beispielsweise das Gleichhalten von Spannungen und das Abstimmen des Layouts zum Erreichen einer maximalen Schaltkreisgenauigkeit und damit für eine erfolgreiche Anwendung des Schaltkreises und der Techniken gemäß dieser Erfindung wichtig sind.

Claims

1. Implantierbare medizinische Einrichtung mit einem Ausgangsschaltkreis zur Abgabe eines steuerbaren Ausgangsimpulses, wobei der Ausgangsschaltkreis Folgendes umfasst:

einen Pulsgeneratorschaltkreis (21) zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses,

eine Betriebsartsteuereinheit (41) zur Steuerung des Pulsgeneratorschaltkreises, um in einer ausgewählten Konstantspannungs- oder Konstantstrombetriebsart zu arbeiten, und

eine Amplitudensteuereinheit (42, 43) zur Steuerung der Amplitude des abgegebenen Ausgangsimpulses, wobei der Pulsgeneratorschaltkreis einen Operationsverstärker (50) und zwei Transistoren (52, 53) enthält, die für eine lineare Betriebsart verschaltet sind und bei Betrieb in ihren linearen Arbeitsbereichen Ströme in vorbestimmtem Verhältnis übertragen,

wobei der Operationsverstärker (50) einen an den Eingang eines jeden Transistors (52, 53) angeschlossenen Ausgang besitzt, und wobei die Betriebsartsteuereinheit (41) eine Schalteinheit (S) enthält, die ausgelegt ist, um zwischen einer Konstantspannungseinstellung und einer Konstantstromeinstellung zu schalten, wobei bei der Konstantspannungseinstellung eine Stromquelle an den einen Eingang des Operationsverstärkers (50) angeschlossen ist, der dann durch den Operationsverstärker auf virtueller Masse gehalten wird, und wobei bei der Konstantstromeinstellung die Stromquelle mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (50) und mit dem gemeinsamen Ausgangsknoten (59) verbunden ist und der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom durch einen der Transistoren (53) fließt,

und wobei der Schaltkreis weiterhin einen Strommesskreis (57, 58) aufweist, der den während des Konstantspannungsbetriebs vom Pulsgenerator gelieferten Strom misst.

2. Implantierbare Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Amplitudensteuereinheit eine Modulationseinheit aufweist, die die Amplitudenhöhe des Ausgangsimpulses moduliert, wodurch Daten auf diesem Impuls kodiert werden.

3. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Amplitudensteuereinheit eine niederwertige Konstantstromquelle umfasst.

4. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Amplitudensteuereinheit eine Konstantstromquelle umfasst, die an den Eingang des Operationsverstärkers (50) angeschlossen ist.

5. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pulsgeneratorschaltkreis einen gemeinsamen Ausgangsanschluss sowohl für die Konstantspannungs- als auch die Konstantstrombetriebsart aufweist.

6. Implantierbare Einrichtung nach Anspruch 5, bei der die Schalteinheit ein Schaltnetzwerk (S) umfasst.

7. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schalteinheit programmierbar ist.

8. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pulsgeneratorschaltkreis einen zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers

TEXT FEHLT

15. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Betriebsartsteuereinheit eine Programmiereinheit (30) aufweist, um die Abgabe eines Stimulierimpulses bestehend aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Amplituden zu programmieren.

16. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur zyklischen Erzeugung von Stimulierimpulsen zur Abgabe an einen Patienten, bei der

die Betriebsartsteuereinheit (41) während eines jeden Zyklus derart arbeitet, dass der Ausgangsschaltkreis gesteuert wird, um zumindest während eines Abschnittes des erzeugten Ausgangsimpulses entweder in der Konstantspannungs- oder in der Konstantstrombetriebsart zu arbeiten.

17. Implantierbare Einrichtung nach Anspruch 16, bei der die Amplitudensteuereinheit (42, 43) während eines jeden Zyklus derart arbeitet, dass die Amplitude des erzeugten Stimulierimpulses während seiner Abgabe gesteuert wird.

18. Implantierbare Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Spannungserzeugungseinheit zur Leistungsversorgung des Impulsausgangsschaltkreises und mit einer Anpasseinheit, um den Ausgang des Spannungsgenerators als Funktion des gemessenen Stroms anzupassen.