EP4669411A1 - Elektrische schaltungsanordnung für eine biomedizinische schnittstelle - Google Patents

Elektrische schaltungsanordnung für eine biomedizinische schnittstelle

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EP4669411A1
EP4669411A1 EP24701794.0A EP24701794A EP4669411A1 EP 4669411 A1 EP4669411 A1 EP 4669411A1 EP 24701794 A EP24701794 A EP 24701794A EP 4669411 A1 EP4669411 A1 EP 4669411A1
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EP
European Patent Office
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electrical
circuit arrangement
arrangement according
electrical circuit
organic structure
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701794.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Natalie Butz
Armin Taschwer
Max EICKENSCHEIDT
Oscar Cota
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Neuroloop GmbH
Original Assignee
Neuroloop GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • A61N1/36135—Control systems using physiological parameters

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit arrangement for a biomedical interface, with electrical contacts, of which a number n of electrical contacts serve to contact at least one implantable electrode arrangement attachable to an organic structure, and with at least one electrical functional block which is electrically connected to at least one of the n electrical contacts.
  • Functional electrical stimulation or neural stimulation is a technique for treating various types of neurological dysfunctions by stimulating nerves with electrical charge.
  • the range of applications extends from pacemakers and retinal implants to peripheral nerve stimulators.
  • FB functional blocks
  • a related circuit concept for the design and operation of a neurostimulator is described in the article by A. Tahis et al., “A Charge Balanced Neural Stimulator with 3.3V to 49V Supply Compliance and Arbitrary Programmable Current Pulse Shapes”, 2018 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), Cleveland, OH, USA, 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/BIOCAS.2018.8584755.
  • the functional block which serves to detect neuronal signals and to stimulate them, is directly electrically connected to at least one organic structure via at least one electrode or electrode arrangement that is individually adapted to an organic structure.
  • a known implantable electrode arrangement in this regard which serves for the location-selective detection of neuronal electrical signals that propagate along at least one nerve fiber, and for the selective electrical stimulation of the at least one nerve fiber, is disclosed in the publication EP 3204 105 B1.
  • the publication DE 19951491 A1 discloses a medical device comprising a first digital signal processing system that receives at least a first analog input, the first digital signal processing system having a first digital signal processor that processes data representing at least the first analog input at a first clock frequency to perform at least a first function during a predetermined period of time. Furthermore, a second digital signal processing system is provided that receives at least a second analog input, the second digital signal processing system having a second digital signal processor that processes data representing at least the second analog input at a second clock frequency. input to perform at least a second function during the predetermined period of time.
  • the respective first and second digital processing systems are constructed from circuits of a type selected from groups consisting of CMOS circuits, CML circuits, SOS circuits, SOI circuits, BICMOS circuits, PMOS circuits and NMOS circuits.
  • the publication US 2014/0200626 A1 discloses an implantable transient nerve stimulation device for stimulating a target tissue in a patient's body, the device comprising a substrate with a circuit configured to wirelessly communicate with a controller arranged outside the patient's body and configured to stimulate the target tissue.
  • the substrate and the circuit are surrounded by a material configured to degrade in the patient's body.
  • the publication EP 2 446 921 B1 describes a circuit for selecting a number of electrodes of an implantable electrode arrangement, wherein the circuit comprises a signal interface with a number of electrode and signal connections and has switching electronics with programmable switches, wherein the switches are designed as MOS transistors with charge storage.
  • the invention is based on the object of developing an electrical circuit arrangement for a biomedical interface with electrical contacts, of which a number n of electrical contacts serves to contact at least one implantable electrode arrangement that can be attached to an organic structure, and with at least one electrical function block that is electrically connected to at least one of the n electrical contacts, in such a way that the patient risk in the event of possible malfunctions in the operation of a medically active implant, which comprises the electrical circuit arrangement should be avoided or at least significantly reduced.
  • an electrical circuit arrangement for a biomedical interface with the features of the preamble of claim 1 is characterized in that the at least one electrical functional block has functional elements realized by means of SOI technology, i.e. "silicon-on-insulator” or in German “silicon on insulator”, and that the at least one electrical functional block can be operated with a supply voltage to which an electrical center potential can be assigned, which corresponds to an electrical potential assignable to the organic structure.
  • Each of the n electrical contacts that is directly or indirectly electrically connected to an organic structure for the purposes of stimulating and/or detecting neuronal signals or similar is simultaneously connected to at least one electrical functional block of the electrical circuit arrangement that is part of an implantable medical device, for example in the form of a neurostimulator.
  • Each individual electrical functional block for example responsible for measuring and detecting neuronal signals or for generating stimulation signals or for controlling and monitoring individual or all functional blocks, etc., is individually designed for different supply voltages, which in circuit arrangements of conventional design, i.e. using bulk CMOS semiconductor manufacturing technology, represent exclusively positive voltage potentials. Combining or connecting these individual supply voltages to common circuit outputs or circuit inputs can lead to overvoltages and destructive effects, particularly in error situations.
  • the electrical circuit arrangement according to the solution uses the advantages of SOI technology, in which the circuit elements are dielectrically insulated, which reduces excess capacitance and enables circuit operation at high speeds, but with lower power at the same switching speed as in the case of circuit arrangements of conventional design.
  • SOI technology allows the use of positive and negative supply voltages, so that the individual electrical function blocks can no longer be operated with only positive electrical voltages, including zero volts, as was previously the case, but with supply voltages whose voltage ranges are each limited by a lowest negative and a highest positive voltage value.
  • the center potentials of all electrical function blocks of the electrical circuit arrangement are preferably selected to be the same.
  • the electrical circuit arrangement is part of a medical and/or functional implant, preferably an active medical implant, and its electrical contacts are connected to the body's own organic structures via suitably prepared electrodes, the center potential of the supply voltages of all electrical function blocks is selected according to the body's own organic potential. In this way, it is impossible for any electrical stress or irritation to occur on the organic structure in the event of errors or required switching processes within the electrical circuit arrangement.
  • a voltage source designed as a floating voltage source is used to provide the supply voltage for all electrical function blocks of the electrical circuit arrangement, which is preferably designed as an ASIC circuit.
  • the floating voltage source is either an integral component and thus part of the circuit arrangement or a separate Component designed for the circuit arrangement and connected to the circuit arrangement via at least one of the electrical contacts. Regardless of the arrangement and design of the voltage source relative to the circuit arrangement, the voltage source must be arranged galvanically separated from all organic structures.
  • the electrical circuit arrangement must be assembled accordingly and equipped with the required electrical function blocks, the respective assignable functions of which can correspond to one of the following functional options:
  • the structure and arrangement of the individual functional blocks are carried out using only components realized using SOI technology, preferably in the form of CMOS transistors or optical components.
  • Circuit arrangement for controlling neuronal stimulation electrodes
  • Fig. 2 Representation of supply voltages for different electrical function blocks.
  • Figure 1 shows a schematic block diagram of an electrical circuit arrangement 2 designed for an active medical implant 1, which is used, for example, for the neurostimulation of the vagus nerve.
  • the electrical circuit arrangement 2 which is implemented in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC) on a chip 3, i.e. as an ASIC chip, has a large number of different electrical function blocks F1, F2, F3, ... Fn, which exclusively comprise functional elements implemented using SOI technology, preferably in the form of CMOS transistors or optical components.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the selection and arrangement of the different electrical function blocks F1, ..., Fn as well as their mutual interconnection on the chip 3 must be suitably coordinated with one another.
  • the electrical circuit arrangement 2 has electrical contacts 4, of which a number n of electrical contacts 4 serve to contact at least one implantable electrode arrangement 6 that can be attached to an organic structure 5.
  • the electrode arrangement 6 is designed as a wound sleeve or cuff electrode arrangement and is placed around a vagus nerve as an organic structure 5.
  • Such an electrode arrangement 6 designed as a wound sleeve is disclosed, for example, in the publication EP 3204 105 B1.
  • the n electrical contacts 4 are connected to the electrode arrangement 6 via the conductor arrangement 7.
  • the number n of electrical contacts 4 of the electrical circuit arrangement 2 are, on the other hand, connected to at least one of the electrical functional blocks F1, F2, ... Fn, which in turn are connected to one another on the basis of a predetermined circuit plan.
  • the n electrical contacts 4 connected to at least one electrical functional block F1, ... Fn as well as to at least one electrode 6' of the electrode arrangement 6 are each designed for the maximum supply voltage of the electrical functional blocks F1, ..., Fn mounted on the chip 2.
  • Each of the n electrical contacts 4 can be contacted with one electrical functional block or with several electrical functional blocks in the chip 3.
  • an electrical energy source which is preferably designed as a floating voltage source, and a function block configured for voltage monitoring, for example F1 can be connected to one and the same electrical contact or contact pair 4, from which a maximum supply voltage of +-18 volts can be tapped or is present.
  • An electrical function block for example F2, which serves as a precise measuring circuit and is operated with a supply voltage of +- 0.9 volts, can be connected to a further electrical contact 4 or contact pair. Accordingly, further different supply voltages, each tailored to the function of an electrical function block Fn, can be applied to corresponding further contacts 4. What all the different supply voltages have in common is their common reference or center potential M, which was chosen to be 0V in the example given above.
  • the voltage diagram illustrated in Figure 2 shows the supply voltages for the electrical function blocks F1, F2 and F3. This shows that the supply voltages of all electrical function blocks, such as No matter how different they may be in size, they all have the same mean potential M, which preferably corresponds to the organic resting potential.

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Abstract

NL0034PPCT 14 Zusammenfassung Beschrieben wird eine elektrische Schaltungsanordnung für eine biomedizinische Schnittstelle, mit elektrischen Kontakten, von denen eine Anzahl n elektrischer Kontakte zur Kontaktierung wenigstens einer implantierbaren, an eine organische Struktur anbringbaren Elektrodenanordnung dient, sowie mit wenigstens einem elektrischen Funktionsblock, der mit wenigstens einem der n elektrischen Kontakte elektrisch verbunden ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine elektrische Funktionsblock mittels SOI-Technik realisierte Funktionselemente besitzt, und dass der wenigstens eine elektrische Funktionsblock mit einer Versorgungsspannung betreibbar ist, der ein elektrisches Mittenpotenzial zuordenbar ist, die einem der organischen Struktur zuordenbaren elektrischen Potenzial entspricht.

Description

Elektrische Schaltungsanordnung für eine biomedizinische Schnittstelle
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltungsanordnung für eine biomedizinische Schnittstelle, mit elektrischen Kontakten, von denen eine Anzahl n elektrischer Kontakte zur Kontaktierung wenigstens einer implantierbaren, an eine organische Struktur anbringbaren Elektrodenanordnung dient, sowie mit wenigstens einem elektrischen Funktionsblock, der mit wenigstens einem der n elektrischen Kontakte elektrisch verbunden ist.
Stand der Technik
Die funktionelle elektrische Stimulation oder neuronale Stimulation (FES/FNS) ist eine Technik zur Behandlung verschiedener Arten von neurologischen Funktionsstörungen durch Stimulation der Nerven mit elektrischer Ladung. Der Anwendungsbereich reicht von Herzschrittmachern und Netzhaut-Implantaten bis hin zu peripheren Nervenstimulatoren.
Implantierbare elektronische Geräte, die für die FES/FNS konzipiert und intrakorporal zum Einsatz kommen, enthalten typischerweise unterschiedliche funktionale Schaltungsbereiche, sogenannte funktionale Blöcke (FB), die bspw. dem Energiemanagement, der Überwachung und/oder Steuerung, der Datenspeicherung, dem Ladungsausgleich (charge balancing), der elektrischen Spannungstransformation (level shifter), sowie der Detektion neuronaler Signale und aktiven Stimulation dienen, um nur einige FB zu nennen.
Ein diesbezügliches Schaltungskonzept für die Ausgestaltung und den Betrieb eines Neurostimulators ist in dem Artikel von A. Taschwer et al., „A Charge Balanced Neural Stimulator with 3.3V to 49V Supply Compliance and Arbitrary Programmable Current Pulse Shapes“, 2018 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), Cleveland, OH, USA, 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/BIOCAS.2018.8584755, erläutert.
Über wenigstens einer individuell an eine organische Struktur angepassten Elektrode bzw. Elektrodenanordnung ist der funktionale Block, der der Detektion neuronaler Signale sowie der Stimulation dient, mit wenigstens einer organischen Struktur unmittelbar elektrisch verbunden. Eine bekannte diesbezügliche implantierbare Elektrodenanordnung, die zur ortsselektiven Erfassung neuronaler elektrischer Signale, die sich längs wenigstens einer Nervenfaser ausbreiten, sowie zur selektiven elektrischen Stimulation der wenigstens einen Nervenfaser, dient, ist in der Druckschrift EP 3204 105 B1 offenbart.
Die wichtigste Anforderung an alle Nervenstimulatoren ist die Sicherheit des Patienten, d.h. die an die wenigstens eine organische Struktur applizierten elektrischen Stimulationspegel müssen organisch verträglich sein, selbst bei Auftreten von Funktionsstörungen innerhalb der dem implantierbaren elektronischen Gerät innewohnenden elektrischen Schaltungsanordnung müssen Vorkehrungen getroffen sein, die den Patienten sicher schützen.
Die Druckschrift DE 19951491 A1 offenbart ein medizinische Vorrichtung, die ein erstes digitales Signalverarbeitungssystem umfasst, das mindestens eine erste analoge Eingabe empfängt, wobei das erste digitale Signalverarbeitungssystem einen ersten digitalen Signalprozessor aufweist, der bei einer ersten Taktfrequenz Daten verarbeitet, die mindestens die erste analoge Eingabe repräsentieren, um während eines vorgegebenen Zeitraums mindestens eine erste Funktion auszuführen. Ferner ist ein zweites digitales Signalverarbeitungssystem vorgesehen, das mindestens eine zweite analoge Eingabe empfängt, wobei das zweite digitale Signalverarbeitungssystem einen zweiten digitalen Signalprozessor aufweist, der bei einer zweiten Taktfrequenz Daten verarbeitet, die mindestens die zweite analoge Eingabe repräsentieren, um während des vorgegebenen Zeitraums mindestens eine zweite Funktion auszuführen. Das jeweils erste und zweite digitale Verarbeitungssystem ist aus Schaltungen eines Typs aufgebaut, das aus CMOS- Schaltungen, CML-Schaltungen, SOS- Schaltungen, SOI-Schaltungen, BICMOS- Schaltungen, PMOS- Schaltungen und NMOS-Schaltungen bestehenden Gruppen ausgewählt ist.
Die Druckschrift US 2014/0200626 A1 offenbart eine Implantierbare transiente Nervenstimulationsvorrichtung zur Stimulierung eines Zielgewebes in einem Körper eines Patienten, wobei die Vorrichtung ein Substrat mit einen Schaltkreis umfasst, der so konfiguriert ist, dass er drahtlos mit einer außerhalb des Körpers des Patienten angeordneten Steuerung kommuniziert und konfiguriert ist, um das Zielgewebe zu stimulieren. Das Substrat und der Schaltkreis ist von einem Material umgeben, das so konfiguriert ist, dass es sich im Körper des Patienten abbaut.
Die Druckschrift EP 2 446 921 B1 beschreibt eine Schaltung zur Auswahl einer Anzahl von Elektroden einer implantierbaren Elektrodenanordnung, wobei die Schaltung eine Signalschnittstelle mit einer Anzahl von Elektroden- und Signalanschlüssen umfasst sowie eine Schaltelektronik mit programmierbaren Schaltern aufweist, wobei die Schalter als MOS-Transistoren mit Ladungsspeicherung ausgestaltet sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine elektrische Schaltungsanordnung für eine biomedizinische Schnittstelle mit elektrischen Kontakten, von denen eine Anzahl n elektrischer Kontakte zur Kontaktierung wenigstens einer implantierbaren, an eine organische Struktur anbringbaren Elektrodenanordnung dient, sowie mit wenigstens einem elektrischen Funktionsblock, der mit wenigstens einem der n elektrischen Kontakte elektrisch verbunden ist, derart weiterzubilden, so dass das Patientenrisiko bei Auftreten möglicher Störungen im Betrieb eines medizinisch aktiven Implantats, das die elektrische Schaltungsanordnung umfasst, vermieden oder zumindest signifikant reduziert werden soll.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren zu entnehmen.
Lösungsgemäß zeichnet sich eine elektrische Schaltungsanordnung für eine biomedizinische Schnittstelle mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass der wenigstens eine elektrische Funktionsblock mittels SOI- Technik, d.h. „Silicon-On-Insulator“ oder auf Deutsch „Silizium auf Isolator“, realisierte Funktionselemente besitzt, und dass der wenigstens eine elektrische Funktionsblock mit einer Versorgungsspannung betreibbar ist, der ein elektrisches Mittenpotenzial zuordenbar ist, die einem der organischen Struktur zuordenbaren elektrischen Potenzial entspricht.
Jeder der n elektrischen Kontakte, der zu Zwecken einer Stimulation und/oder Detektion neuronaler Signale o.ä. mittel- oder unmittelbar mit einer organischer Struktur elektrisch verbunden ist, ist zugleich mit wenigstens einem elektrischen Funktionsblock der elektrischen Schaltungsanordnung verbunden, die Teil eines implantierbaren medizinischen Gerätes, beispielsweise in Form eines Neurostimulators, ist. Jeder einzelne elektrische Funktionsblock, beispielsweise zuständig zur Messung und Detektion neuronaler Signale oder zur Erzeugung von Stimulationssignalen oder zur Steuerung und Kontrolle einzelner oder aller funktionaler Blöcke etc., wird ist individuell für unterschiedliche Versorgungsspannungen ausgelegt, die bei Schaltungsanordnungen konventioneller Bauart, d.h. mittels Bulk-CMOS-Halbleiterfertigungstechnologie, ausschließlich positive Spannungspotenziale darstellen. Ein Zusammenführen oder Verschalten dieser einzelnen Versorgungsspannungen auf gemeinsame Schaltungsausgänge oder Schaltungseingänge können insbesondere in Fehlersituationen zu Überspannungen und zerstörerischen Effekten führen. Die lösungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung nutzt die Vorteile der SOI- Technologie, bei der die Schaltungselemente dielektrisch isoliert sind, wodurch Überkapazitäten reduziert und ein Schaltungsbetrieb mit hohen Geschwindigkeiten, jedoch geringerer Leistung bei gleicher Schaltgeschwindigkeit als im Falle Schaltungsanordnung konventioneller Bauart ermöglicht wird. Insbesondere erlaubt die SOI-Technologie die Nutzung positiver und negativer Versorgungsspannungen, so dass die einzelnen elektrischen Funktionsblöcke nicht wie bisher mit nur mit positiven elektrischen Spannungen, einschließlich Null Volt betreibbar sind, sondern mit Versorgungsspannungen, deren Spannungsbereiche jeweils durch einen geringsten negativen und einen größten positiven Spannungswert begrenzt sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, ein elektrisches Mittenpotential für jeden einzelnen elektrischen Funktionsblock zu wählen, das durch einen möglichst kleinen, d.h. geringfügig von Null Volt abweichenden Spannungswert, oder durch Null Volt gekennzeichnet ist. Vorzugsweise sind die Mittenpotentiale sämtlicher elektrischer Funktionsblöcke der elektrischen Schaltungsanordnung gleich gewählt.
Da die elektrische Schaltungsanordnung Teil eines medizinischen und/oder funktionellen Implantats ist, vorzugsweise ein aktives medizinisches Implantat darstellt, und deren elektrische Kontakte über geeignet konfektionierte Elektroden mit körpereigenen organischen Strukturen verbunden sind, ist das Mittenpotential der Versorgungsspannungen sämtlicher elektrischer Funktionsblöcke entsprechend dem körpereigenen, organischen Potential gewählt. Auf diese Weise ist ausgeschlossen, dass im Falle auftretender Fehler oder erforderlicher Schaltvorgänge innerhalb der elektrischen Schaltungsanordnung keinerlei auf die organische Struktur einwirkende elektrische Belastungen oder Irritationen auftreten können.
Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung sämtlicher elektrischer Funktionsblöcke der vorzugsweise als ASIC-Schaltung ausgebildeten elektrischen Schaltungsanordnung dient eine Spannungsquelle, die in Art einer floatenden Spannungsquelle ausgebildet ist. Die floatende Spannungsquelle ist entweder als integrale Komponente und somit Teil der Schaltungsanordnung oder als separate Komponente zur Schaltungsanordnung ausgebildet und über wenigstens einen der elektrischen Kontakte mit der Schaltungsanordnung verbunden. Unabhängig von der Anordnung und Ausbildung der Spannungsquelle relativ zur Schaltungsanordnung gilt es die Spannungsquelle galvanisch gegenüber sämtlichen organischen Strukturen getrennt anzuordnen.
Je nach Art und Funktion des medizinisch aktiven Implantats ist die elektrische Schaltungsanordnung entsprechend zu konfektionieren und mit jeweils erforderlichen elektrischen Funktionsblöcken zu bestücken, deren jeweils zuordenbare Funktionen, eine der nachfolgenden Funktionsmöglichkeiten entsprechen können:
Erzeugung von spannungs- oder stromgesteuerten Simulationssignalen, Detektion von Biomarkern, insbesondere elektrischen Biosignalen, Voltametrie, Amperemetrie,
Steuerung elektromechanischer Baugruppen,
Energy-Harvesting mittels piezoelektrischer, thermoelektrischer und/oder elektrochemischer Wandlerelemente,
Messung und Kontrolle der oder einer elektrischen Versorgungsspannung, elektrische Kopplung wenigstens zweier Funktionsblöcke,
Signalausgabe für eine externe Signalverwertung.
Der Aufbau und die Anordnung der einzelnen Funktionsblöcke erfolgen unter ausschließlicher Nutzung von mittels SOI-Technik realisierten Komponenten, vorzugsweise in Form von CMOS-Transistoren oder optischen Komponenten.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Blockbilddarstellung einer implantierbaren elektrischen
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung neuronaler Stimulationselektroden sowie
Fig. 2 Darstellung von Versorgungsspannungen für unterschiedliche elektrische Funktionsblöcke.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt ein schematisiertes Blockschaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung 2, die für ein aktives medizinisches Implantat 1 konzipiert ist, das bspw. für die Neurostimulation des Vagus-Nervs dient.
Die elektrische Schaltungsanordnung 2, die in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) auf einem Chip 3, d.h. als ASIC-Chip realisiert ist, verfügt über eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Funktionsblöcke F1 , F2, F3, ... Fn, die ausschließlich mittels SOI-Technik realisierte Funktionselemente umfasst, vorzugsweise in Form von CMOS-Transistoren oder optischer Komponenten. Je nach Art und Funktion des medizinischen Implantats sind die Auswahl und Anordnung der unterschiedlichen elektrischen Funktionsblöcke F1 , ... , Fn sowie auch deren gegenseitige Verschaltung auf dem Chip 3 geeignet aufeinander abgestimmt zu wählen.
Die elektrische Schaltungsanordnung 2 verfügt über elektrische Kontakte 4, von denen eine Anzahl n elektrische Kontakte 4 zur Kontaktierung wenigstens einer implantierbaren, an eine organische Struktur 5 anbringbaren Elektrodenanordnung 6 dient. In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel sein angenommen, dass die Elektrodenanordnung 6 als Wickelmanschette bzw. Cuff-Elektrodenanordnung ausgebildet ist und um einen Vagus-Nerv als organische Struktur 5 angelegt ist. Eine derartige als Wickelmanschette ausgebildete Elektrodenanordnung 6 ist beispielsweise in der Druckschrift EP 3204 105 B1 offenbart. Über eine Leiteranordnung 7 sind die n elektrischen Kontakte 4 mit der Elektrodenanordnung 6 verbunden.
Die Anzahl n elektrischer Kontakte 4 der elektrischen Schaltungsanordnung 2 sind andererseits mit wenigstens einem der elektrischen Funktionsblöcke F1 , F2, ... Fn verbunden, die ihrerseits auf der Grundlage eines vorgegebenen Schaltungsplans miteinander verbunden sind.
Die sowohl mit wenigstens einem elektrischen Funktionsblock F1 , ... Fn als auch mit wenigstens einer Elektrode 6‘ der Elektrodenanordnung 6 verbundenen n elektrischen Kontakte 4 sind jeweils auf die maximale Versorgungsspannung der auf dem Chip 2 angebrachten elektrischen Funktionsblöcken F1 , ... , Fn ausgelegt. Jeder der n elektrischen Kontakte 4 kann mit jeweils einem elektrischen Funktionsblock oder mit mehreren elektrischen Funktionsblöcken im Chip 3 kontaktiert sein.
Zum Beispiel kann beispielsweise eine elektrische Energiequelle, die vorzugsweise als floatende Spannungsquelle ausgebildet ist, sowie ein für die Spannungs- Überwachung konfektionierter Funktionsblock, beispielsweise F1 , an ein und dem gleichen elektrischen Kontakt bzw. Kontakt-Paar 4 geschaltet sein, an dem eine maximale Versorgungsspannung von +-18 Volt abgreifbar ist bzw. anliegt. An einem weiteren elektrischen Kontakt 4 bzw. Kontakt-Paar kann eine als präzise Messschaltung dienender elektrischer Funktionsblock, beispielsweise F2, geschaltet werden, der mit einer Versorgungsspannung von +- 0,9 Volt betrieben wird. Entsprechend weitere jeweils unterschiedliche Versorgungsspannungen, die jeweils auf die Funktion eines elektrischen Funktionsblockes Fn abgestimmt sind, können an entsprechend weiteren Kontakten 4 anliegen. Allen unterschiedlichen Versorgungsspannung gemeinsam ist ihr gemeinsames Bezugs- oder Mittenpotenzial M, das in dem oben genannten Beispiel mit 0V gewählt wurde.
In dem in Figur 2 illustrierten Spannungsdiagramm sind die Versorgungsspannungen für die elektrischen Funktionsblöcke F1 , F2 und F3 illustriert. Daraus geht hervor, dass die Versorgungsspannungen sämtlicher elektrischer Funktionsblöcke, wie unterschiedlich sie auch dimensioniert sein mögen, allesamt das gleiche Mittenpotenzial M besitzen, das vorzugsweise dem organischen Ruhepotential entspricht.
Hierdurch ist es möglich, verschiedene gleichzeitige Kombinationen und Neuverschaltungen zwischen einzelnen elektrischen Funktionsblöcken F1 , F2, Fn und den elektrischen Kontakten 4 zu ermöglichen, zumal im Ruhezustand im Chip 3 an den elektrischen Kontakten 4 und damit auch an den mit der organischen Struktur 5 in Kontakt stehenden elektrischen Elektroden 6‘ stets dasselbe Bezugs- bzw. Mittenpotential M, im vorliegenden Fall 0 Volt anliegt. Selbstverständlich ist es möglich, das Mittenpotential M abweichend von 0 Volt festzulegen, je nach den organischen Elektropotentialen, an die die Elektroden 6‘ koppeln.
Auf diese Weise können unterschiedliche elektrische Potentiale an den elektrischen Kontakten 4, die zu Gleichströmen zwischen den einzelnen Kontakten 4 führen würden, verhindert werden.
Da zwischen den elektrischen Kontakten keine verschiedenen Ruhepotentiale auftreten können werden konstante Gleichströme vermieden. Ferner treten keine schnellen Potentialänderungen an einem Elektrodenkontakt selbst bei einer Neuverschaltung der Funktionalitäten auf. Zudem können zerstörerische Effekte an den Knotenpunkten der verschiedenen elektrischen Funktionsblöcken reduziert werden und sogenannte Latch-up Effekte vollkommen ausgeschlossen werden.
Bezugszeichenliste medizinisches Implantat elektrische Schaltungsanordnung Chip elektrischer Kontakt organische Struktur Elektrodenanordnung, Cuff-Elektrode‘ Elektrode Leiteranordnung

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Schaltungsanordnung für eine biomedizinische Schnittstelle, mit elektrischen Kontakten, von denen eine Anzahl n elektrischer Kontakte zur Kontaktierung wenigstens einer implantierbaren, an eine organische Struktur anbringbaren Elektrodenanordnung dient, sowie mit wenigstens einem elektrischen Funktionsblock, der mit wenigstens einem der n elektrischen Kontakte elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Funktionsblock mittels SOI-Technik realisierte Funktionselemente besitzt, und dass der wenigstens eine elektrische Funktionsblock mit einer Versorgungsspannung betreibbar ist, der ein elektrisches Mittenpotenzial zuordenbar ist, die einem der organischen Struktur zuordenbaren elektrischen Potenzial entspricht.
2. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung in Form einer integrierten Schaltung, insbesondere in Form einer als ASIC-Schaltung ausgebildet ist.
3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Teil eines medizinischen und/oder funktionellen Implantats ist.
4. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Implantat ein aktives medizinisches Implantat ist.
5. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive medizinische Implantat einer Neurostimulation oder Neuromodulation dient.
6. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung von einer Spannungsquelle herrührt, die in Art einer floatenden Spannungsquelle ausgebildet ist, die galvanisch getrennt gegenüber der organischen Struktur angeordnet und ausgebildet ist.
7. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als integrale Komponente der Schaltungsanordnung ausgebildet und angeordnet ist.
8. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle als separate Komponente zur Schaltungsanordnung ausgebildet und über wenigstens einen der elektrischen Kontakte mit der Schaltungsanordnung verbunden ist.
9. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen elektrischen Funktionsblock eine der folgenden Funktionen zuordenbar ist:
Erzeugung von spannungs- oder stromgesteuerten Stimulationssignalen, Detektion von Biomarkern, insbesondere elektrische Biosignalen, Voltammetrie, Amperemetrie, Steuerungen elektromechanischer Baugruppen
Energy Harvesting mittels piezoelektrischer, thermoelektrischer und/oder elektrochemischer Elemente)
Messung und Kontrolle der oder einer elektrischen Versorgungsspannung, elektrische Koppelung wenigstens zweier Funktionsblöcke Signalausgabe für eine externe Signalverwertung
10. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels SOI-Technik realisierte Funktionselemente wenigstens eine der folgenden Komponenten darstellen: Transistoren, optische Komponenten.
11. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die an die organische Struktur anbringbaren Elektroden Teil einer Cuff-Elektrodenanordnung sind, und dass die organische Struktur der Vagus-Nerv eines Lebewesens ist.
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