DK156324B - Apparat til brug ved transkutan signaloverfoering - Google Patents

Description

DK 156324B

ι

Opfindelsen angâr et apparat til brug ved transkutan signal-overforing omfattende en sender indeholdende en baeresignal-generator, en modulationssignalgenerator, organer til modulation af et bæresignal med et modulationssignal, en udgangs-forstærker og et forste af s teint kredslob indeholdende en far-ste induktor for modtagelse af et forstærket moduleret basre-signal fra udgangsforstærkeren og en implanterbar modtager omfattende et andet afstemt kredslob indeholdende en anden induktor og en demodulator, idet det forste afstemte kreds-10 lob og det andet afstemte kredslob er dimensioneret til at kunne tilvejebringe en kritisk kobling.

Transkutane signaltransmissionssystemer anvendes i vid ud- strækning til nerve- og muskelstimulaton. Sâdanne systemer 15 foretrækkes frem for andre transmissionssystemer, sâsom direkte perkutan trâdforbindelse. En sender transmitterer typisk et moduleret signal til den implanterede modtager via to induk-tivt koblede spoler. Spolerne er dele af afstemte kredslob, som tilsammen danner et bândpasfilter.

20 U.S. patentskrift nr. 4.284.856 beskriver et auditivt stimu- lationsapparat, i hvilket induktivt koblede spoler anvendes til transkutan signaltransmission, idet spolerne er kritisk koblet.

25

Hidtil er induktive transmissionssystemer blevet dimensioneret til optimal virkningsgrad med en heraf falgende afhængig-hed af induceret spænding i den implanterede spole ved nejag- tig anbringelse af senderspolen. Ved f.eks. auditiv stimula-30 tion, hvor et præcist udgangssignal er nodvendigt, har det induktive transmissionssystem begrænsninger i henseende til virkningsgrad.

International patentansogning nr. 82/00760 anviser, hvorledes 35 der muliggores en betydelig tolérance ved anbringelse af sender-og modtagerspolerne ved tilvejebringelse af en kritisk kobling 2

DK 156324 B

mellem de afstemte kredslob indeholdende de nævnte spoler.

Det er sâledes kendt at tilvejebringe et apparat til brug ved transkutan signaloverforing omfattende en sender indeholdende en bæresignalgenerator, en modulationssignalgenerator, 5 organer til modulation af et bæresignal med et modulations- signal, en udgangsforstærker og et forste afstemt kredslob indeholdende en forste induktor for modtagelse af et forstær-ket moduleret bæresignal fra udgangsforstærkeren og en implan-terbar modtager omfattende et andet afstemt kredslob indehol-10 dende en anden induktor og en demodulator, idet det forste afstemte kredslob og det andet afstemte kredslob er dimen-sioneret til at kunne tilvejebringe en kritisk kobling.

Ifolge opfindelsen er der anvist midler til at fastslâ, om 15 den kritiske kobling er blevet opnâet, og dette formai er ifolge opfindelsen opnâet ved, at det forste afstemte kreds-lob har en kvalitetsparameter, der med tilnærmelse er tre gange kvalitetsparameteren af det andet afstemte kredslob.

2 0

Opfindelsen skal nærmere forklares i det folgende under hen-visning til tegningen, hvor fig. 1 viser et transkutant signaltransmissionssystem, 2 5 fig. 2 en afbildning af spolekoblingen (normaliseret) som funktion af kredslobssymmetrien ved forskellige kvalitets-faktorer Q af de afstemte kredslob, fig. 3 et blokdiagram over et auditivt stimulationssystem 3 0 ifolge opfindelsen og fig. 4 og 5 diagrammer over to udformninger af det i fig.

3 viste System. 1 5

Det i fig. 1 viste transkutane signaltransmissionssystem om-fatter et afstemt senderkredslob, der er vist ved 10, og et afstemt modtagerkredslæb, der er vist ved 12. Senderkredslobet 10 drives af en RP-forstærkertransistor 14 og omfatter en 3

DK 156324 B

modstand RI, en kondensator Cl og en induktans Ll, der aile er koblet i parallel. Det afstemte modtagerkredslob omfatter en induktans L2, en kondensator C2 og en belastningsmodstand R2, der aile er koblet i parallel. De to induktanser i form 5 · * af spoler Ll og L2 har en gensidig induktans M.

Koblingen af de to spoler kan udtrykkes ved den gensidige induktans M og induktanserne Ll og L2 ved: 10 k = (M/L1*L2)1//2 I tilfælde af, at to spoler indgâr i afstemte kredslob af kvalitetsværdierne Q1 og Q2, dannes der et bândpasfilter som vist i fig. 1, idet koblingen kan normaliseres pâ folgende 15 mâde: K = k(Ql*Q2)1//2= (Q1*Q2)1//2 -M/(L1’L2)1//2

Kritisk kobling refererer til et bândpasfilter bestâende af 20 to afstemte kredslob, der drives ved hjælp af en stromkilde, og ved kritisk kobling, nâr udgangsspændingen et maksimum. Udgangsspændingen er lavere for bâde foroget kobling eller overkritisk kobling og for reduceret kobling eller underkritisk kobling. Kritisk kobling opstâr ved K = 1 uafhængigt af de 25 respektive kvalitetsfaktorer (Q) af de afstemte kredslob.

Den fornævnte kritiske afstand er den afstand mellem en sender-spole og en modtagerspole, ved hvilken der opstâr kritisk kobling.

30 Overgangskobling er den kobling, der er nodvendig til at op- nâ en overgang af overgangsimpedansen af de to spoler fra en form med et maksimum til en anden form méd to maksima.

Som det fremgâr af fig. 2, afhænger koblingskoefficienten K for en overgangskobling af forholdet mellem kvalitetsværdierne 35 af de to spoler, eller μ = Q1/Q2.

Fig. 2 viser en normaliseret spolekoblingsfaktor K som funk-tion af kredslobssymmetrien udtrykt ved de afstemte kredslobs-

DK 156324B

4 . kvalitetsfaktorer Ql og Q2. Af denne graf ses, at kritisk kobling opstâr ved K= 1 uafhængigt af de respektive Q-vær-dier af de afstemte kredslob som vist ved hjælp af den rette linie 16. Kurve 18 er en afbildning af den overgangskobling, 5 der er nodvendig til opnâelse af en overgang af den absolutte værdi af overgangsimpedansen fra en form med et maksimum til en anden form med to maksima. Som vist ved hjælp af kurve 18 er overgangskoblingen afhængig af kvalitetsfaktorerne. Indgangs-overgangskoblingen eller den kobling, der er nodven-10 dig til opnâelse af en overgang af den absolutte værdi af den frekvensafhængige indgangsimpedans, er illustreret ved hjælp af kurve 20. Indgangs-overgangskoblingen er ogsâ afhængig af kvaliteten af de koblede spoler. Af fig. 2 fremgâr det, at den frekvensafhængige overgangsimpedans for q = 3, 15 eller Ql = 3Q2 gâr fra et maksimum til to maksima, hvilket ogsâ indikerer kritisk kobling.

Ved at dimensionere det transkutane signaltransmissionssy-stem med kritisk kobling af de afstemte kredslob udviser af- 2 0 hængigheden af den mducerede spændmg ι den implanterede spole eller spoleseparationen et fladt maksimum. I nærheden af den kritiske afstand kan koblingen ændres ved at variere afstanden eller sideforskydningen i nogen grad med kun mindre ændringer i udgangsspændingen. Overgangssystemet er sâledes 25 optimeret med hensyn til indstillingstolerance.

Fig. "3 viser et blokdiagram af et autitivt stimulationsapparat ifolge opfindelsen, medens fig. 4 og 5 viser nogle mere spe- cifikke udformninger af systemet i fig. 3.

30

Udgangen af en mikrofon 52 - se fig. 3 - tilfores til en tale- signalbehandlingselektronik, der er vist ved hjælp af kassen 54. I talesignalbehandlingskanalen er der en forstærknings- styret forstærker 56, som ved sin indgang modtager udgangs-35 signalet fra mikrofonen 52, idet udgangssignalet fra den forstærkningsstyrede forstærker 56 fores gennem et bândpasfil- 5

DK 156324B

ter 58 til et sâkaldt isoloudness-frekvensjusteringskreds-lob 60 til opnâelse af samxne styrke. Talesignalbehandlings-selektronikken 54 indeholder desuden et kompressionskredslob 62, som er anbragt foran eller bag ved det nævnte frekvens-5 justeringskredslob.

üdgangen af talesignalbehandlingselektronikken 54 er indret-tet til at modulere üdgangen af en RF-oscillator i et AM-sen-demodul 64. Den modulerede udgang af senderen pâtrykkes over 10 en senderspole 66 og en kondensator 68, idet de sidstnævnte to komponenter er indrettet til at samarbejde som et afstemt kredsl0b 70.

Implanteringsenheden 36 er vist til h0jre for hudskillefla-15 den 72 og indeholder modtagerspolen 22 med en kondensator 74 koblet i parallel. Parallelkombinationen af modtagerspolen 22 og kondensatoren 74 danner et afstemt modtagerkreds-10b 76. üdgangen af det afstemte modtagerkredsl0b er koblet som en indgang til et diode-demodulatornetværk 78, der vir- 20 ker pâ konventionel mâde til fjernelse af modulationsind-hylningen fra RF-bærerb01gen. üdgangen af diode-demodula-toren tilf0res via ledere 24 til de aktive og indifferente elektrodeoverflader.

25

Konstruktionen og virkemâden af talesignalbehandlingselektro- nikken 54 er beskrevet i U.S. patentans0gning nr. 267.405 indleveret den 26. maj 1981. Konstruktionen af AM-sender- modulet 64 vil imidlertid blive beskrevet mere detaljeret under henvisning til det elektriske diagram i fig. 4. I 30 denne figur er mikrofon-pick-up1 en 52 og det dertil forbund-ne talesignalbehandlingsmodul 54 koblet via en modstand 80 til en f0rste terminal 82 af den anden vikling 84 af en transformer 86. Primærviklingen 88 af transformeren er koblet over üdgangen af en RF -osscillator 90.

3 5

Mellem terminalen 82 og jord er der indskudt en afkoblings-kondensator 92. Denne kondensator giver en RF-afkobling pâ 6

DK 156324 B

konventionel mâde. Den ancien terminal af sekundærviklingen 84 er koblet direkte til basen af en NPN-transistor 94. Emitteren af transistoren er forbundet til jord, medens kol-lektoren er forbundet til en mellemliggende terminal 96 af 5 en senderspole 66. En kondensator 68 er forbundet direkte i parallel med hele senderspolen 66, og den n0dvendige DC-forspænding til senderen 94 et tilf0rt ved terminal 100.

En yderligere RF-afkoblingskondensator 102 er indskudt mel-lem jord og fællespunktet af spolen 66 og kondensatoren 68.

10

Det implanterede modtagermodul 36 omfatter en modtagerspole 22 og en afstemningskondensator 74. Démodulatordelen af mod-tageren omfatter en halvleder-diode 104, hvis anode er forbundet til en mellemliggende terminal 106 af modtagerspolen 15 22, og hvis katode er forbundet til et fællespunkt 108. En modstand 110 og en kondensator 112 er forbundet i parallel med hinanden mellem forbindelsespunktet 108 og den anden terminal 114 af spolen 22.

20

En blokeringskondensator 116 er anbragt i sérié mellem forbindelsespunktet 108 og den aktive elektrode. Den anden elektrode er forbundet direkte til det f0rnævnte forbindel-sespûnkt 114.

25 ünder drift fremkpmmer modulations s ignalet, soin er en tale-udledt tidsvariende b01ge ved udgangen af tale-signalbehand-lingsmodulet 54 og tilf0res til transistormodulatoren via modstanden 80, ligesom RF-bæreb01gen fra oscillatoren 90 30 via transistoren er koblet til basen af transistoren 94.

Sâvel kondensatoren 92 som kondensatoren 102 tjener til at afkoble RF-signalet fra DC-forsyningen. Kollektoren af modu-lationstransistoren 94 er forbundet til udtaget af det af-stemte senderkredsl0b, som indeholder spolen 66 og konden-35 satoren 68. Senderspolen 66 kobler induktivt det modulerede bærebplgesignal til den implanterede modtagerspole 22, som sammen med kondensatoren 74 ogsâ omfatter et afstemt modta- 7

DK 156324 B

gerkredsl0b. Det modtagne signal demoduleres af halvleder-dioden 104 pâ konventionel mâde, idet kondensatoren 112 gi-ver RF-afkobling, og modstanden 110 giver den n0dvendige 5 DC-vej til jord. Kondensatoren 116 tjener til at hindre jævn- str0mme i at nâ elektroderne.

Kombinationen af det afstemte senderkredsl0b og det afstem-te kredsl0b omfatter et bândpasfilter . Det har vist 1Q sig, at den stimulerende spænding bliver meget uafhængig af den relative position mellem senderspolen 66 og modtager-spolen 22, nâr senderspolen er anbragt i den kritiske afstand i forhold til modtagerspolen. Som f0r nævnt refererer den kritiske afstand til den afstand mellem sender- og modtager-ig spolen, ved hvilken der er kritisk kobling. Hvis afstanden reduceres fra den kritiske afstand, opstâr der overkobling, og hvis afstanden mellem de to spoler overstiger den kritiske afstand, opstâr der pâ tilsvarende mâde underkobling. For et afstemt bândpasfilter giver den effektive kritiske kobling 2Q en forholdsvis stabil udgangsspænding i et omrâde af spole- afstanden, som ligger i nærheden af den kritiske afstand.

Overgangsimpedansen rm, som er forholdet mellem spændingen over modtagerspolen og den str0m, der lober i senderspolen 25 V2/i^ bestemmer imidlertid kun spændingen induceret i mod tagerspolen, hvis senderviklingen drives af en str0mkilde.

I tilfælde af mætning af udgangstransistoren 94 holdes ind-gangsspændingen konstant, og den inducerede spænding over sekundærspolen (modtagerspolen) er ikke længere bestemt af 3Q overgangsimpedansen r^k men derimod af spændingsforstærkningen, som har vist sig at vokse lineært med koblingskoefficienten K, og sâledes ikke udviser et relativt maksimum. Under disse omstændigheder opstâr der sâledes hverken kritisk kobling el-ler en kritisk afstand. Mætning af udgangstransistoren 94 35 skal sâledes undgâs over et omrâde af koblingskoefficienter pâ hver side af den kritiske koblingsværdi. I tilfælde af, at der skulle opstâ mætning, er det brugbare omrâde af koblingskoefficienter mærkbart reduceret, ligesom den heraf f0lgende Λ·νΐ5^Λ«Λ a «P nonrlv— /-\/t mA^4*arfûrenrt1 ûrtiû

DK 156324 B

. 8 -

Soin f0lge af, at modtageren er kirurgisk implanteret, er det i praksis umuligt at opnâ direkte mâlinger ved knudepunkter i modtagerelektronikken, nâr implanteringen en gang har fundet sted. Positionen af modtagerspolen til opnâelse af kritisk kob-5 ling mâ derfor udledes af mâlinger i senderkredsl0bet.

Ved kritisk kobling kan det ogsâ pâvises, at indgangsmod-standen set ved terminalerne af senderspolen aftager til det halve uden nogen kobling. Med dette i erindring er det 10 muligt at udlede den optimale forskydning af senderspolen ved den kritiske afstand. Specielt ved at tilf0re et tilstrækkeligt lavt RF bæreb0lgeniveau til basen af transistoren 94 for med sikkerhed at udelukke mætning af denne transistor kan RF-kol-lektorspændingen af transistoren 94 mâles, medens senderspolen 1 5 nærmer sig den implanterede modtagerspole. Den n0dvendige afstand for en 50 % reduktion af RF-kollektorspændingen i forhold til denne spændings^værdi uden kobling indikerer, at senderspolen er anbragt i den kritiske afstand.

20

En tilnærmelse, som er en smule forskellig fra den teknik, hvor senderspolens spænding overvâges til konstatering af en reduktion pâ 50 %, involverer en observation af den be- str0gne indgangsimpedans svarende til, at variationen af forholdet mellem indgangsspændingen og indgangsstr0mmen, nâr 25 senderspolen nærmer sig modtagerspolen, undergâr en let ob-serverbar overgang fra ët maksimum til to maksima ved kritisk kobling. Denne metode har den fordel, at den kan foretages ved det aktuelle bæreb0lgeniveau, der anvendes under transmissionen af talemodulerede signaler til modtageren. En 30 anden metode involverer brugen af et reduceret bæreb0lge- niveau og kan som sâdan lede til un0jagtige résultater, hvis udgangsimpedansen af RF-forstærkeren, der er anvendt i sen- deren, er spændingsafhængig. For at fâ sidste metode til at virke er det imidlertid n0dvendigt at Q-værdien af senderens 3 5 tankkredsl0b omtrent er tre gange sâ stor som Q-værdien af modtagerens tankkredsl0b.

9

DK 156324 B

I fig. 4 er modulationssignalet fra tale-signalbehandlings-enheden 54 tilf0rt til basen af udgangstransistoren 94 via traBformerens sekundære vikling 84. Ved at tilf0re modula-5 tionssignalet til basiskontakten af udgangstransistoren (fasemodulation) unagâs mætning. I tilfælde af, at der anven-des kollektormodulation, kan denne u0nskede mætning opstâ.

Det er imidlertid muligt at introducere modulationssignalet ved emitterelektroden.

10

Et alternativt arrangement af en ydre tale-signalbehand-lingsenhed og en sender og en implanterbar modtager er vist i fig. 5. Her er et enkelt tale-signalbehandlingsnetværk 54 og et sæt af stimulerende elektroder 24 interfacet med en 15 dobbelt transmissionskanal for transcutan stimulering. Mikro- fon-pick-up'en 52 f0rer sit indgangssignal til tale-signal-behandlingsenheden 54, som igen kan være udformet som angi-vet i den f0r nævnte ans0gning nr. 267.405. Modulationssignalet fra tale-signalbehandlingsnetværket 54 tilf0res til 20 en fasedeler indikeret ved 118 og derfra til AM-sendere 120 og 122. Den viste fasedeler indeholder NPN transistor 124, hvis kollektorelektrode via en modstand 126 er koblet til en potentialkilde Vc· Emitterelektroden af transistoren 124 er via en modstand 128 koblet til jord. Signalet udledt fra 25 kollektorelektroden af transistoren 124 er tilf0rt til sen- deren 120, medens signalet ved emitterelektroden af transistoren 124 er tilf0rt til senderen 122.

Senderen 120 afgiver sit udgangssignal til et afstemt kredslob 131 30 bestâende af senderspolen 133 og den parailelkoblede kondensator 135, medens senderen 122 afgiver sit udgangssignal til et til-svarende afstemt kredslob 130 bestâende af en senderspole 132 og en afstemt kondensator 134. Under tindingsmusklen bag patientens oremusling er der et modtagermodul indeholdende 35 afstemte kredslob 136 og 138, som er induktivt koblet til de transmitterende afstemte kredslob 130 og 131. Det afstemte kredslob 136 indeholder en modtagerspole 140 og en dertil ho- ι

DK 156324B

ίο rende afstemningskondensator 142, medens det afstemte kreds- 10b 138 indeholder en modtagerspole 144 og en dertil h0rende afstemt kondensator 146. Modtagerspolen 140 har en mellemlig- gende terminal, og til denne terminal er anoden af en halv-5 lederdiode 148 tilsluttet. Katoden af denne diode er sluttet til et forbindelsespunkt 150. En modsat polet diode 152 er indskudt mellem forbindelsespunktet 150 og en terminal af modtagerspolen 144. Den nederste terminal af modtagerspoler-ne 140 og 144 er forbundet til hinanden ved et forbindelses- 10 punkt 151. Mellem forbindelsespunkterne 150 og 151 er der en parallel kombination af en RF shunt kondensator 153 og en be- lastningsmodstand 154. Forbindelsespunktet 150 er ogsâ via en DC-blokeringskondensator 155. koblet til den aktive elek- trode, medens forbindelsespunktet 151 er sluttet til jord el-15 1er en anden elektrode.

Arrangementet i fig. 5 er anvendt til at stimulere kun den ene side (promontoriet eller den runde vinduesmembran) un-2o der anvendelse af to elektroder af en enkelt kanal. Det an- vender imidlertid to transmissionskanaler, der er indrettet til at operere i push-pull-konfiguration. Fordelen ved at anvende dette push-pull-arrangement er, at modstanden 154 kan g0res meget stor (eller endog udelades), sâledes at i 25 hovedsagen al den effekt, der transmitteres til implanterin- gen, nâr elektroden, idet man selvf0lgelig negligerer diode-tab. Det er sâledes muligt at reducere indgangseffekten med omkring en faktor pâ 4 sammenlignet med enkelttransmissions-kanalanordningen i fig. 4.

30

Udf0relsesformen i fig. 5 kan anskues som omfattende to transmissionskanaler, idet hver kanal essentielt er ækvivalent med transmissionskanalen i fig. 4. Med en modstand 154 af en stor værdi i forhold til elektrodeimpedansen vil den absorbere en-35 hver différentiel DC-str0m hidr0rende fra en eventuel asymme- tri i transmissionskarakteristikkerne af de to kanaler. Den har desuden den fordel, at den kan virke pâ samme mâde som

Claims (3)

1. Apparat til brug ved transkutan signaloverforing omfat-tende en sender (64) indeholdende en bæresignalgenerator (90), 3g en modulationssignalgenerator (54), organer til modulation af et bæresignal med et modulationssignal, en udgangsforstær-ker (94) og et forste afstemt kredslob (70) indeholdende en forste induktor (66) for modtagelse af et forstærket module- DK 156324 B ret baeresignal fra udgangsforstærkeren og en implanterbar modtager omfattende et andet afstemt kredslob (76) indeholdende en anden induktor (22) og en demodulator (78), idet det forste afstemte kredslob og det andet afstemte kredslob er dimen- g sioneret til at kunne tilvejebringe en kritisk kobling, k e n -detegnet ved, at det forste afstemte kredslob har en kvalitetsparameter, der med tilnærmelse er tre gange kvalitets-parameteren af det andet afstemte kredslob.

2. Apparat ifolge krav 1, kendetegnet ved, at sen- deren omfatter to transmissionskanaler, der ender i afstemte kredslob, de'r hver især svarer til det forste afstemte kreds- lob, og at fasedeleorganer (118) er indrettet til at koble modulationssignalet til kanalerne i modfase. 15

3. Apparat ifolge krav 2, kendetegnet ved, at mod-tageren omfatter to afstemte kredslob (136,138) for positions-association med de to afstemte kredslob af senderen, modsat polede diodeensrettere (148,152) forbundet mellem modtagerens 20 afstemte kredslob og et forbindelsespunkt (150) og et paral-lelt RC-led (153,154) forbundet til forbindelsespunktet. 25 30 35