DE112012002922T5

DE112012002922T5 - Transkutane Leistungsübertragung und Kommunikation für implantierte Herzunterstützungs- und andere Vorrichtungen

Info

Publication number: DE112012002922T5
Application number: DE112012002922.4T
Authority: DE
Inventors: Charles E. Greene; Kurt D. Badstibner; Jonathan R. Speicher; Marlin Stephen Heilman; Richard A. Bates
Original assignee: Vascor Inc
Current assignee: Vascor Inc
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2013009881A2; US20140378742A1; US9308303B2; US8764621B2; US20130289334A1; WO2013009881A3

Abstract

Ein System enthält ein implantierbares Pumpensystem zur Unterstützung des Blutstroms in einem Patienten, das mindestens ein bewegliches Ventil enthält. Das bewegliche Ventil ist in einem normalerweise offenen Zustand, wenn das bewegliche Ventil nicht mit Leistung versorgt wird, und ein Antriebssystem steht in betriebsbereiter Verbindung mit dem beweglichen Ventil, um das bewegliche Ventil bei Leistungsversorgung zu bewegen. Das System enthält ferner ein Energieübertragungssystem, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen. Das Energieübertragungssystem enthält ein externes System, das eine Leistungsquelle und eine externe Spule enthält, und ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird. Das interne System hat mindestens einen ersten Zustand, in dem eine Energieübertragung von der externen Spule erforderlich ist, um dem Antriebssystem Betriebsleistung bereitzustellen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der US Patentanmeldung Seriennr. 61/506,621, eingereicht am 11. Juli 2011, deren Offenbarung hiermit zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
HINTERGRUND
Die folgenden Informationen sollen dem Leser helfen, die in der Folge beschriebene Technologie und gewisse Umgebungen zu versehen, in welchen eine solche Technologie verwendet werden kann. Die hierin verwendeten Begriffe sind nicht als auf eine bestimmte enge Interpretation eingeschränkt zu verstehen, falls nicht ausdrücklich anderes in diesem Dokument angegeben ist. Hierin angeführte Verweise können das Verständnis der Technologie oder ihres Hintergrundes erleichtern. Die Offenbarung aller Verweise wird hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert.
Medizinische Vorrichtungen werden zunehmend in Patienten implantiert, um zum Beispiel verschiedene Zustände zu behandeln und/oder zu diagnostizieren. Implantierte medizinische Vorrichtungen können zur Verbesserung der Lebensqualität wie auch zur Verlängerung oder Rettung von Leben verwendet werden. Anwendungen für implantierte medizinische Vorrichtungen enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Regulierung von Herzfrequenzen, Unterstützung des Blutstroms, Kontrollieren einer Inkontinenz, Hörhilfen, Hilfe bei der Wiederherstellung der Kontrolle paralysierter Organe und Behandlung einer Depression.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff ”mit Leistung versorgt” allgemein auf mit elektrischer Leistung versorgte medizinische Vorrichtungen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff ”implantiert” auf eine medizinische Vorrichtung, die entweder teilweise oder vollständig in den Körper eines Patienten (zum Beispiel eines menschlichen Patienten) eingesetzt ist. Häufig ist die implantierte medizinische Vorrichtung vollständig oder zur Gänze in den Körper eingesetzt. In einer Reihe solcher Vorrichtungen, bei welchen Leistung von einer externen Quelle zugeführt werden muss, wird Leistung an die Vorrichtung abgegeben und/oder Kommunikationen mit der Vorrichtung werden über perkutane Drähte aufrechterhalten, die ein oder mehrere externe Systeme mit der implantierten Vorrichtung verbinden.
Herzunterstützungs- oder Blutstromunterstützungsvorrichtungen werden zur Gänze in Patienten implantiert, um das Herz in der Bereitstellung eines angemessenen Blutstroms für die Bedürfnisse des Körpers zu unterstützen. Typischerweise liefert das normale Herz im Durchschnitt 1,5 Watt an nützlicher Leistung, was gleich 1,5 Joule pro Sekunde nützlicher Blutarbeit ist, um die Stoffwechselbedürfnisse des Körpers zu erfüllen. Ein schwer beeinträchtigtes Herz könnte die Hälfte dieser Leistung liefern, und eine Herzunterstützungsvorrichtung kann den Unterschied ausgleichen, indem sie zum Beispiel 0,75 Watt nützlicher Leistung liefert. Wenn die Unterstützungsvorrichtung 15% effizient ist, benötigt sie ein Minimum von 5 Watt Eingangsleistung. Herzunterstützungsvorrichtungen in klinischer Anwendung verwenden heutzutage Drähte, die die Haut durchbohren, um Leistung für die zur Gänze implantierte Unterstützungsvorrichtung bereitzustellen. Die Verwendung solcher perkutaner Drähte führt jedoch zu einem signifikanten Risiko einer Infektion entlang der Drahtbahn.
In einer Reihe von anderen implantierten medizinischen Vorrichtungen, in welchen Leistung von einer externen Quelle bereitgestellt werden muss, wird ein transkutanes Energieübertragungssysteme (TETS) verwendet, um der implantierten medizinischen Vorrichtung drahtlos Leistung zu bereitzustellen. In einer Reihe solcher Systeme wird eine sekundäre Leistungsspule implantiert und elektrisch an eine implantierte wiederaufladbare Batterie angeschlossen, die die implantierte medizinische Vorrichtung mit Leistung versorgt. Eine Systemsteuerung, die eine primäre Leistungsspule und eine Batterie enthält, wird vom Patienten außerhalb des Körpers getragen. Die primäre Spule überträgt Energie/Leistung durch Magnetkraft/Induktion von der externen Batterie über die Haut des Patienten zur sekundären Spule, ohne die Haut durchbohren zu müssen. Die externe Batterie kann zum Beispiel entfernbar und wiederaufladbar sein. Typischerweise werden transkutane Energieübertragungssysteme zur Energieübertragung in Anwendungen mit relativ geringer Leistung verwendet (zum Beispiel weniger als 1 Watt).
Obwohl es wünschenswert ist, transkutane Energieübertragungssysteme zur Verwendung mit implantierten Herzunterstützungsvorrichtungen zu entwickeln, um zum Beispiel das Risiko zu vermeiden, das mit einer perkutanen Verdrahtung zusammenhängt, bleibt eine Reihe signifikanter Probleme bestehen. Wie oben besprochen, ist der Leistungsbedarf für implantierte Herzunterstützungsvorrichtungen wesentlich höher als bei vielen anderen medizinischen Vorrichtungen, wodurch die Verwendung transkutaner Energieübertragungssysteme kompliziert wird. Ferner trägt bei kontinuierlich strömenden Herzunterstützungsvorrichtungen ein Leistungsverlust ein Todesrisiko von bis zu 40%. Eine Reihe von Vorsichtsmaßnahmen, einschließlich zum Beispiel der Verwendung mehrerer redundanter externer Batteriepackungen, kann aus Sicherheitsgründen erforderlich sein.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt enthält ein System ein implantierbares Pumpensystem zur Unterstützung des Blutstroms in einem Patienten, das mindestens ein bewegliches Ventil enthält. Das bewegliche Ventil ist in einem normalerweise offenen Zustand, wenn das bewegliche Ventil nicht mit Leistung versorgt wird, und ein Antriebssystem steht in betriebsbereiter Verbindung mit dem beweglichen Ventil, um das bewegliche Ventil unter Leistungsversorgung zu bewegen. Das System enthält ferner ein Energieübertragungssystem, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen. Das Energieübertragungssystem enthält ein externes System, das eine Leistungsquelle und eine externe Spule enthält, und ein internes System, das eine interne Spule enthält, die zum Aufnehmen transkutaner Energie ausgebildet ist, die von der externen Spule übertragen wird. Das interne System hat mindestens einen ersten Zustand, in dem eine Energieübertragung von der externen Spule notwendig ist, um dem Antriebssystem Betriebsleistung bereitzustellen. Das interne System kann zum Beispiel betriebsunfähig sein, um das Antriebssystem mit Leistung zu versorgen, um die bewegliche Pumpe durch einen Hub ohne Energieübertragung von der externen Spule zu bewegen, wenn sich das interne System im ersten Zustand befindet.
Das interne System kann zum Beispiel eine erste Energiespeichervorrichtung in elektrischer Verbindung mit der internen Spule und dem Antriebssystem enthalten. Energie wird dem Antriebssystem über das erste Energiespeichersystem bereitgestellt. In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das erste Energiespeichersystem keine Batterie. Das erste Energiespeichersystem kann zum Beispiel ein Kondensatorsystem enthalten (das zum Beispiel einen oder mehrere Kondensator(en) enthält). In einer Reihe von Ausführungsformen ist der erste Energiespeicher imstande, nicht mehr als 260 Joule (J) Energie, nicht mehr als 130 J, 13 J, 6,5 J oder sogar 1 J zu speichern.
Das externe System kann zum Beispiel ein externes Steuersystem in betriebsbereiter Verbindung mit der Leistungsquelle und der externen Spule enthalten. Das interne System kann zum Beispiel ein internes Steuersystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Energiespeichersystem und der internen Spule enthalten. Das externe System kann ferner ein externes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem externen Steuersystem enthalten. Das interne System kann ferner ein internes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem internen Steuersystem enthalten.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist das interne Kommunikationssystem dazu ausgebildet, ein Signal drahtlos zum externen Kommunikationssystem zu übertragen, um Informationen bereitzustellen, die sich auf eine Spannung der ersten Energiespeichersystems beziehen. Das externe System kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, die Leistungsquelle zu veranlassen, die externe Spule beim Empfang von Informationen zu erregen, die vom internen Kommunikationssystem gesendet werden und anzeigen, dass die Spannung mindestens so nieder wie ein unterer Schwellenwert ist, um das erste Energiespeichersystem zu laden und die externe Spule beim Empfang von Informationen abzuschalten, die vom internen Kommunikationssystem gesendet werden und angeben, dass die Spannung mindestens so hoch wie ein oberer Schwellenwert ist.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist das externe Steuersystem dazu ausgebildet, die Leistungsquelle zu veranlassen, die externe Spule nach einer bestimmten maximalen Zeitperiode zu erregen, in der die externe Spule nicht erregt war, unabhängig davon, ob die Spannung mindestens so nieder wie der untere Schwellenwert ist oder nicht. Das externe Steuersystem kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, die Leistungsquelle zu veranlassen, die externe Spule in Erwartung einer notwendigen hohen Energielast in einer Weise zu erregen, dass die Spannung größer als der höhere Schwellenwert ist.
In einer Reihe von Ausführungsformen, wenn die externe Spule erregt ist, wird Energie von der externen Spule über einen Bereich von Frequenzen zur interne Spulen übertragen. Energie kann zum Beispiel von der externen Spule zur internen Spule in einem Frequenzbereich unter der Steuerung eines Spreizspektrumalgorithmus übertragen werden. Die nominale Übertragungsfrequenz kann zum Beispiel zwischen 50 und 500 kHz liegen. In einer Reihe von Ausführungsformen erstreckt sich der Frequenzbereich von ungefähr 120 kHz bis ungefähr 130 kHz. In einer Reihe von Ausführungsformen erstreckt sich der Frequenzbereich von ungefähr 120 kHz bis ungefähr 126 kHz.
Das externe System und das interne System können zum Beispiel so ausgebildet sein, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der externen Spule zur internen Spule übertragen wird, von +/–10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt. Das externe System und das interne System können zum Beispiel dazu ausgebildet sein, als Bandpassfilter zu arbeiten. In einer Reihe von Ausführungsformen bilden Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten Reihenelemente des Bandpassfilters und eine Magnetisierungsinduktivität bildet ein Shunt-Element. Es können zum Beispiel fixierte Abstimmkondensatoren verwendet werden. Die Resonanzfrequenz von mindestens einer der internen Spule oder der externen Spule kann auch abstimmbar sein. In einer Reihe von Ausführungsformen hat das System einen Q-Faktor von weniger als 10.
Der Spreizspektrumalgorithmus kann zum Beispiel ein Frequenzsprung-Spreizspektrumalgorithmus sein. Der Spreizspektrumalgorithmus kann auch ein Direktsequenz-Spreizspektrumalgorithmus sein. In einer Reihe von Ausführungsformen wird Energie von der externen Spule zur internen Spule im Frequenzbereich mit einer eingestellten Resonanzfrequenz der externen Spule und einer eingestellten Resonanzfrequenz der internen Spule übertragen.
In einer Reihe von Ausführungsformen, wobei das externe Systeme ein externes Kommunikationssystem enthält und das interne System ein internes Kommunikationssystem enthält, ist die externe Kommunikation dazu ausgebildet, Informationssignale vom internen Kommunikationssystem über mindestens eines von einem externen Funk oder der externen Spule zu senden oder zu empfangen, und das interne Kommunikationssystem ist dazu ausgebildet, Informationssignale über mindestens eines von einem internen Funk oder der internen Spule zu dem externen Kommunikationssystem zu senden oder von diesem zu empfangen. Informationssignale können zum Beispiel zwischen der externen Spule und der internen Spule innerhalb eines Frequenzbereichs gesendet werden, der sich von einem Frequenzbereich unterscheidet, in dem Energie von der externen Spule zur internen Spule gesendet wird.
In einer Reihe von Ausführungsformen, wobei das externe System ein externes Kommunikationssystem enthält und das interne System ein internes Kommunikationssystem enthält, kann das interne Kommunikationssystem zum Beispiel dazu ausgebildet sein, ein periodisches Statussignal zur Bestätigung der Betriebsfähigkeit mindestens eines Teils des internen Systems zu senden.
Das System kann ferner ein Überwachungssystem zum Messen einer Variable enthalten, die sich auf Strom bezieht, der von der externen Spule abgenommen wird, um dem Patienten Informationen bezüglich der Position der externen Spule relativ zur internen Spule auf Grundlage zumindest teilweise der gemessenen Variable zu liefern, die sich auf Strom bezieht, der an der externen Spule abgenommen wird. Das Überwachungssystem kann zum Beispiel einen Stromsensor in elektrischer Verbindung mit der externen Spule und in kommunikativer Verbindung mit dem externen Steuersystem enthalten.
In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das interne System ferner ein zweites Energiespeichersystem. Das interne System kann einen zweiten Zustand haben, in dem Energie dem zweiten Energiespeichersystem entnommen wird, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen. In einer Reihe von Ausführungsformen speichert das zweite Energiespeichersystem ausreichend Energie, um dem Antriebssystem eine Betriebsleistung ohne Energieübertragung von der externen Spule bereitzustellen. Das zweite Energiespeichersystem kann zum Beispiel eine interne wiederaufladbare Batterie enthalten. In einer Reihe von Ausführungsformen kann das interne System in den zweiten Zustand gebracht werden, sobald Anweisungsinformationen vom externen Steuersystem über das externe Kommunikationssystem zum internen Steuersystem über das interne Kommunikationssystem gesendet werden. Das externe System kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, dem Patienten zu ermöglichen, das interne System manuell in den zweiten Zustand zu stellen. In einer Reihe von Ausführungsformen wird dem zweiten Energiespeichersystem (zum Beispiel einer wiederaufladbaren Batterie) keine Energie entnommen, um das Antriebssystem im ersten Zustand mit Energie zu versorgen. Das zweite Energiespeichersystem (zum Beispiel eine wiederaufladbare Batterie) kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, dem Antriebssystem Leistung (oder Betriebsleistung) für eine Zeitspanne im Bereich von 5 Minuten bis 2 Stunden bereitzustellen.
In einer Reihe von Ausführungsformen besteht die Leistungsquelle des externen Systems aus einem einzigen wiederaufladbaren Batterie-Pack. Der Batterie-Pack kann zum Beispiel mehrere Lithiumionenbatteriezellen enthalten.
In einer Reihe von Ausführungsformen wird die externe Spule bei einer Spannung ausreichender Amplitude erregt, um eine Effizienz von mindestens 75% bereitzustellen.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann das oben beschriebene System zum Beispiel in Verbindung mit implantierten Blutstromunterstützungssystemen verwendet werden, die nicht jene sind, die ein bewegliches Ventilpumpensystem verwenden, und auch mit implantierten Systemen/Vorrichtungen, die keine Blutstrom-(Herz-)Unterstützungssysteme sind. In dieser Hinsicht enthält in einem anderen Aspekt ein System eine implantierbare Vorrichtung und ein Energieübertragungssystem, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen. Das Energieübertragungssystem enthält ein externes System, das eine Leistungsquelle und eine externe Spule enthält. Das Energieübertragungssystem enthält ferner ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird. Das interne System hat mindestens einen ersten Zustand, in dem eine Energieübertragung von der externen Spule erforderlich ist, um der implantierten Vorrichtung (zum Beispiel dem Antriebssystem einer implantierten Blutstromunterstützungsvorrichtung) Betriebsleistung bereitzustellen. Wie oben beschrieben, kann das interne System ferner ein zweites Energiespeichersystem enthalten. Das interne System kann einen zweiten Zustand haben, in dem Energie dem zweiten Energiespeichersystem entnommen wird, um der implantierten Vorrichtung Energie bereitzustellen. In einer Reihe von Ausführungsformen speichert das zweite Energiespeichersystem ausreichend Energie, um der implantierten Vorrichtung Betriebsleistung ohne Energieübertragung von der externen Spule bereitzustellen. Das zweite Energiespeichersystem kann zum Beispiel eine interne wiederaufladbare Batterie enthalten. In einer Reihe von Ausführungsformen kann das interne System in den zweiten Zustand gebracht werden, sobald Anweisungsinformationen vom externen Steuersystem über das externe Kommunikationssystem zum internen Steuersystem über das interne Kommunikationssystem gesendet werden. Das externe System kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, dem Patienten zu ermöglichen, das interne System manuell in den zweiten Zustand zu stellen. In einer Reihe von Ausführungsformen wird dem zweiten Energiespeichersystem (zum Beispiel einer wiederaufladbaren Batterie) im ersten Zustand keine Energie entnommen. Das zweite Energiespeichersystem (zum Beispiel eine wiederaufladbare Batterie) kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, der implantierten Vorrichtung für eine Zeitspanne im Bereich von 5 Minuten bis 2 Stunden Leistung (oder Betriebsleistung) bereitzustellen (ohne Energie von der externen Spule zu empfangen).
In einem anderen Aspekt enthält ein Energieübertragungssystem ein erstes System, das eine Leistungsquelle, ein erstes Steuersystem und eine erste Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Steuersystem enthält. Das System enthält ferner ein zweites System, das eine zweite Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, drahtlos Energie zu empfangen, die von der ersten Spule gesendet wird. Wenn die erste Spule erregt ist, wird Energie drahtlos von der ersten Spule unter der Steuerung eines Spreizspektrumalgorithmus über einen Bereich von Frequenzen zur zweiten Spule gesendet. Der Spreizspektrumalgorithmus kann zum Beispiel ein Frequenzsprung-Spreizspektrumalgorithmus sein. Der Spreizspektrumalgorithmus kann zum Beispiel ein Direktsequenz-Spreizspektrumalgorithmus sein. In einer Reihe von Ausführungsformen hat das System einen Q-Faktor kleiner 10.
In einer Reihe von Ausführungsformen sind das erste System und das zweite Systeme so ausgebildet, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der ersten Spule zur zweiten Spule gesendet wird, von +/–10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt. Das erste System und das zweite System können zum Beispiel dazu ausgebildet sein, als Bandpassfilter zu arbeiten. Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten können zum Beispiel Reihenelemente des Bandpassfilters bilden und eine Magnetisierungsinduktivität kann zum Beispiel ein Shunt-Element bilden.
Das System kann zum Beispiel fixierte Abstimmkondensatoren enthalten. Die Resonanzfrequenz von mindestens einer der internen Spule oder der externen Spule kann zum Beispiel abstimmbar sein. Energie kann zum Beispiel von der externen Spule zur internen Spule im Frequenzbereich mit einer eingestellten Resonanzfrequenz der externen Spule und einer eingestellten Resonanzfrequenz der internen Spule gesendet werden.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist die erste Spule eine externe Spule, die dazu ausgebildet ist, sich außerhalb eines Körpers zu befinden, und die zweite Spule ist eine interne Spule, die dazu ausgebildet ist, in einen Körper implantiert zu werden. Die erste Spule ist dazu ausgebildet, transkutan Energie zur zweiten Spule zu senden.
In einer Reihe von Ausführungsformen wird die externe Spule bei einer Spannung ausreichender Amplitude erregt, um eine Effizienz von mindestens 75% bereitzustellen.
In einem weiteren Aspekt enthält ein Verfahren zur Unterstützung des Blutstroms in einem Patienten: Anordnen eines implantierbaren Pumpensystems in strömungstechnischer Verbindung mit einem Blutgefäß, wobei das implantierbare Pumpensystem mindestens ein bewegliches Ventil, wobei das bewegliche Ventil in einem normalerweise offenen Zustand ist, wenn das bewegliche Ventil nicht betrieben wird, und ein Antriebssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem beweglichen Ventil, um das bewegliche Ventil unter Leistungsversorgung zu bewegen, enthält; Bereitstellen eines externen Systems, das eine Leistungsquelle und eine externe Spule enthält; Bereitstellen eines internen Systems, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird; und Betreiben des internen Systems in einem ersten Zustand, wobei eine Energieübertragung von der externen Spule notwendig ist, um dem Antriebssystem eine Betriebsleistung bereitzustellen. Das Ventil kann auch unter Leistungsversorgung in einem Vorwärtshub des Ventils geschlossen werden.
In einem anderen Aspekt enthält ein Verfahren zur Leistungsversorgung einer Vorrichtung: Bereitstellen eines ersten Systems, das eine Leistungsquelle, ein erstes Steuersystem und eine erste Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Steuersystem enthält; Bereitstellen eines zweiten Systems, das eine zweite Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, drahtlose Energie zu empfangen, die von der ersten Spule gesendet wird, und drahtlos Energie von der ersten Spule zur zweiten Spule über einen Bereich von Frequenzen unter der Steuerung des Spreizspektrumalgorithmus zu senden. In einer Reihe von Ausführungsformen, in welchen die erste Spule eine externe Spule ist, die außerhalb eines Körpers angeordnet ist, und die zweite Spule eine interne Spule ist, die in einem Körper implantiert ist, ist die erste Spule dazu ausgebildet, transkutan Energie zur zweiten Spule zu senden.
In einem anderen Aspekt enthält ein System zur Verwendung in Verbindung mit einer implantierbaren Vorrichtung ein externes Systeme, das eine Leistungsquelle, eine externe Spule und ein externes Steuersystem enthält, das eine erste externe Steuerung und ein erstes externes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten externen Steuerung und mit der externen Spule enthält. Das System enthält ferner ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, ein Energiespeichersystem wie ein Kondensatorsystem, das mindestens einen Kondensator in elektrischer Verbindung mit der internen Spule enthält und dazu ausgebildet ist, in elektrische Verbindung mit der implantierbaren Vorrichtung gebracht zu werden, um der implantierbaren Vorrichtung Energie bereitzustellen, und ein internes Steuersystem, das eine erste interne Steuerung und ein erstes internes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten internen Steuerung und mit der internen Spule enthält. Das erste interne Kommunikationssystem ist dazu ausgebildet, drahtlos ein Signal zum ersten externen Kommunikationssystem zu senden, um Informationen bereitzustellen, die sich auf eine Spannung des Kondensatorsystems beziehen. Die erste externe Steuerung ist dazu ausgebildet, die externe Spule zu erregen, sobald vom ersten internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass die Spannung bei einem unteren Schwellenwert liegt, das Kondensatorsystem aufzuladen, und die externe Spule abzuschalten, sobald vom ersten internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass die Spannung bei einem höheren Schwellenwert ist.
In einer Reihe von Ausführungsformen speichert das Energiespeichersystem/Kondensatorsystem keine ausreichende Energie, um die implantierbare Vorrichtung länger als eine Sekunde mit Leistung zu versorgen, ohne (in Echtzeit) die erste Spule zu erregen. In einer Reihe von Ausführungsformen kann die externe Spule bei einer Spannung ausreichender Amplitude erregt werden, um eine Effizienz von mindestens 75% oder eine Effizienz von mindestens 80% bereitzustellen.
Wenn die externe Spule erregt wird, kann Energie zum Beispiel von der externen Spule zur internen Spule über einen Bereich von Frequenzen gesendet werden. Energie kann zum Beispiel von der externen Spule in einem Frequenzbereich durch ein Spreizspektrumsignal zur internen Spule gesendet werden. In einer Reihe von Ausführungsformen erstreckt sich der Frequenzbereich von ungefähr 120 kHz bis ungefähr 130 kHz oder von ungefähr 120 kHz bis ungefähr 126 kHz.
Das externe System und das interne System können zum Beispiel so ausgebildet sein, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der ersten Spule zur zweiten Spule gesendet wird, von ±10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt. Das externe System und das interne System können zum Beispiel dazu ausgebildet sein, als Bandpassfilter zu arbeiten. Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten bilden Reihenelemente des Bandpassfilters und eine Magnetisierungsinduktivität kann zum Beispiel ein Shunt-Element bilden.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist das erste interne Kommunikationssystem dazu ausgebildet, Informationen, die Informationen bezüglich der Spannung des Kondensatorsystems enthalten, über die interne Spule und die externe Spule bei einer Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs, bei dem die externe Spule Energie zur internen Spule sendet, und unabhängig von der Energieübertragung von der externen Spule zur internen Spule zu senden.
Das erste interne Kommunikationssystem kann auch dazu ausgebildet sein, ein periodisches Überwachungssignal oder Statussignal zu senden, um die Betriebsfähigkeit mindestens eines Teils des internen Steuersystems zu bestätigen. Das erste interne Kommunikationssystem kann zum Beispiel einen Hochfrequenzsender enthalten, um Informationen zu senden, und das erste externe Kommunikationssystem kann zum Beispiel einen Hochfrequenzempfänger enthalten, um Informationen vom Hochfrequenzsender zu empfangen. In einer Reihe von Ausführungsformen sendet der Hochfrequenzsender bei einer Frequenz von ungefähr 13,56 MHz und der Hochfrequenzidentifizierungsempfänger empfängt bei einer Frequenz von ungefähr 13,56 MHz.
In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das System ferner ein System zur Messung einer Variable, die sich auf Strom bezieht, der von der externen Spule abgenommen wird, und ein System, um dem Patienten Informationen bezüglich der Position der externen Spule relativ zur internen Spule zu liefern, die zumindest teilweise auf der gemessenen Variable beruhen, die sich auf Strom bezieht, der an der externen Spule abgenommen wird. Das System zur Messung einer Variable, die sich auf Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird, kann zum Beispiel einen Stromsensor in elektrischer Verbindung mit der externen Spule und in kommunikativer Verbindung mit der ersten externen Steuerung enthalten.
In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das interne Steuersystem ferner ein zweites internes Kommunikationssystem und das externe Steuersystem enthält ferner ein zweites externes Kommunikationssystem. Das zweite interne Kommunikationssystem kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, drahtlos und bidirektional mit dem zweiten externen Kommunikationssystem unabhängig von der internen Spule und der externen Spule zu kommunizieren. Das zweite interne Kommunikationssystem kann zum Beispiel mit dem zweiten externen Kommunikationssystem über Hochfrequenzenergie einer anderen Frequenz kommunizieren, als jener, in der das erste interne Kommunikationssystem mit dem zweiten externen Kommunikationssystem kommuniziert. Die Frequenz, bei der das zweite interne Kommunikationssystem mit dem zweiten externen Kommunikationssystem kommuniziert, kann zum Beispiel im Bereich von ungefähr 402 MHz bis ungefähr 405 MHz liegen.
In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das interne Steuersystem ferner eine zweite interne Steuerung in betriebsbereiter Verbindung mit der implantierten Vorrichtung und in kommunikativer Verbindung mit dem zweiten internen Kommunikationssystem. Mindestens eines von dem zweiten internen Kommunikationssystem und dem zweiten externen Steuersystem kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, bidirektional mit einem anderen externen Kommunikationssystem zu kommunizieren. In einer Reihe von Ausführungsformen ist das andere externe Kommunikationssystem dazu ausgebildet, Informationen an eine Person zu liefern, die nicht der Patient ist, die sich auf mindestens einen Betriebsparameter der implantierten Vorrichtung oder mindestens einen physiologischen Parameter des Patienten beziehen. Das interne Steuersystem kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, von der Person, die nicht der Patient ist, programmiert zu werden, um den Betrieb der implantierten Vorrichtung mittels Kommunikation von dem anderen externen Kommunikationssystem zu ändern.
In einem anderen Aspekt enthält ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, die in einem Patienten implantiert ist: Positionieren eines externen Systems, das eine externe Spule und ein externes Steuersystem enthält, das eine erste externe Steuerung und ein erstes externes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten externen Steuerung umfasst, neben dem Patienten; Implantieren im Patienten eines internen Systems, das eine interne Spule, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, ein internes Energiespeichersystem wie ein Kondensatorsystem, das mindestens einen Kondensator in elektrischer Verbindung mit der internen Spule enthält und dazu ausgebildet ist, in elektrische Verbindung mit der implantierbaren Vorrichtung gebracht zu werden, um der implantierbaren Vorrichtung Energie bereitzustellen, und ein internes Steuersystem enthält, das eine erste interne Steuerung und ein erstes internes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten internen Steuerung und mit der internen Spule enthält; drahtloses Senden eines Signals vom ersten internen Kommunikationssystem zum ersten externen Kommunikationssystem, um Informationen bereitzustellen, die sich auf eine Spannung des Kondensatorsystems beziehen; Erregen der externen primären Spule, sobald vom ersten internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass die Spannung bei einem unteren Schwellenwert ist, um den mindestens einen Kondensator zu laden; und Abschalten der externen primäre Spule sobald vom ersten internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass die Spannung bei einem höheren Schwellenwert ist.
In einem anderen Aspekt enthält ein System zur Verwendung in Verbindung mit einer implantierten Vorrichtung ein externes System, das eine Leistungsquelle, ein externes Steuersystem und eine externe Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem externen Steuersystem enthält; und ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, wobei, wenn die externe Spule erregt ist, Energie transkutan von der externen Spule über einen Bereich von Frequenzen durch ein Spreizspektrumsignal zur internen Spule gesendet wird.
In einem weiteren Aspekt enthält ein Verfahren zur Leistungsversorgung einer implantierten Vorrichtung: Bereitstellen eines externen Systems, das eine Leistungsquelle, ein externes Steuersystem und eine externe Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem externen Steuersystem enthält; Bereitstellen eines internen Systems, das eine interne Spule in Verbindung mit der implantierten Vorrichtung enthält und dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, und Erregen der externen Spule, so dass Energie von der externen Spule transkutan über einen Bereich von Frequenzen durch ein Spreizspektrumsignal zur internen Spule gesendet wird.
In einem anderen Aspekt enthält ein System zur Verwendung in Verbindung mit einer implantierbaren Vorrichtung ein externes System, das eine Leistungsquelle, eine externe Spule und ein externes Steuersystem enthält, das eine erste externe Steuerung und ein erstes externes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten externen Steuerung und mit der externen Spule enthält. Das System enthält ferner ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, ein erstes Energiespeichersystem, wie ein Kondensatorsystem, das mindestens einen Kondensator in elektrischer Verbindung mit der internen Spule enthält und dazu ausgebildet ist, in elektrische Verbindung mit der implantierbaren Vorrichtung gebracht zu werden, um der implantierbaren Vorrichtung Energie bereitzustellen, und ein internes Steuersystem, das eine erste interne Steuerung und ein erstes internes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten internen Steuerung und mit der internen Spule enthält. Das erste interne Kommunikationssystem ist dazu ausgebildet, drahtlos ein Signal zum ersten externen Kommunikationssystem zu senden, um Informationen bereitzustellen, die sich auf eine Spannung des Kondensatorsystems beziehen. Die erste externe Steuerung ist dazu ausgebildet, die externe Spule zu erregen, sobald vom ersten internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass die Spannung bei einem unteren Schwellenwert ist, Energie von der externen Spule zur internen Spule zu übertragen, das Kondensatorsystem zu laden und die externe Spule abzuschalten, sobald vom ersten internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass die Spannung bei einem höheren Schwellenwert ist. Das erste interne Kommunikationssystem ist ferner dazu ausgebildet, ein periodisches Überwachungs- oder Statussignal über zum Beispiel die internen Spulen und die externe Spule zu senden, um die Betriebsfähigkeit des internen Steuersystems zu bestätigen.
Das System kann ferner ein System zur Messung einer Variablen enthalten, die sich auf Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird. Das System zur Messung einer Variablen, die sich auf Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird, kann zum Beispiel einen Stromsensor in elektrischer Verbindung mit der externen Spule und in kommunikativer Verbindung mit der ersten externen Steuerung enthalten.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist während der Einleitung der Leistungsübertragung von der externen Spule zur internen Spule das externe Steuersystem dazu ausgebildet, die externe Spule für eine erste Zeitspanne zu erregen und ein Signal vom internen System für eine zweite Zeitspanne zu überwachen. In einer Reihe von Ausführungsformen ist das Signal vom internen System eines von einem Signal, das Informationen vom ersten internen Kommunikationssystem sendet, dass die Spannung beim unteren Schwellenwert ist, einem Signal, das Informationen vom ersten internen Kommunikationssystem sendet, dass die Spannung beim höheren Schwellenwert ist, oder dem periodischen Überwachungssignal. Das externe Steuersystem kann zum Beispiel dazu ausgebildet sein, die externe Spule, wenn kein Signal innerhalb der zweiten Zeitspanne empfangen wird, für eine definierte Verzögerungsperiode abzuschalten und die externe Spule nach der Verzögerungsperiode zu erregen. In einer Reihe von Ausführungsformen ist die erste externe Steuerung dazu ausgebildet, die externe Spule abzuschalten, wenn die Variable, die sich auf den Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird, einen Schwellenwert erreicht, und die externe Spule zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu erregen, um eine Leistungsübertragung einzuleiten.
In einem anderen Aspekt enthält ein System zur Verwendung in Verbindung mit einer implantierbaren Vorrichtung ein externes System, das eine Leistungsquelle, eine externe Spule und ein externes Steuersystem enthält, das ein System zur Messung einer Variable enthält, die sich auf den Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird. Das System enthält ferner ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird. Das externe Steuersystem ist dazu ausgebildet, die externe Spule abzuschalten, wenn die Variable, die sich auf den Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird, einen Schwellenwert erreicht.
In einem weiteren Aspekt enthält ein System zur Verwendung in Verbindung mit einer implantierbaren Vorrichtung ein externes System, das eine Leistungsquelle, eine externe Spule und ein externes Steuersystem enthält, das eine erste externe Steuerung und ein erstes externes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten externen Steuerung und mit der externen Spule enthält. Das System enthält ferner ein internes System, das eine interne Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, um der implantierbaren Vorrichtung Energie bereitzustellen, und ein internes Steuersystem, das eine erste interne Steuerung und ein erstes internes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten internen Steuerung und mit der internen Spule enthält. Das erste interne Kommunikationssystem ist dazu ausgebildet, Informationen zur ersten externen Kommunikation zu senden, um das Erregen der externen Spule unabhängig von und bei einer anderen Frequenz als einer Frequenz zu steuern, bei der die externe Spule erregt wird, um Energie zur internen Spule zu senden.
In einem weiteren Aspekt enthält ein System oder Energieübertragungssystem ein erstes System, das eine Leistungsquelle, eine erste Spule und ein erstes Steuersystem enthält. Das erste Steuersystem enthält eine erste Steuerung und ein erstes Kommunikationssystem. Das erste Kommunikationssystem ist in betriebsbereiter Verbindung mit der ersten Steuerung. Das Energieübertragungssystem enthält ferner ein zweites System, das dazu ausgebildet ist, in elektrische Verbindung mit einer Last gebracht zu werden, und enthält eine zweite Spule, mindestens eine Energiespeichervorrichtung und ein zweites Steuersystem. Das zweite Steuersystem enthält eine zweite Steuerung und ein zweites Kommunikationssystem. Das zweite Kommunikationssystem ist in betriebsbereiter Verbindung mit der zweiten Steuerung. Das erste System ist dazu ausgebildet, drahtlos Energie über die erste Spule zur zweiten Spule des zweiten Systems zu übertragen, um zum Beispiel Energie für die Last bereitzustellen. Das zweite Kommunikationssystem ist dazu ausgebildet, ein Signal zum ersten Kommunikationssystem über die zweite Spule zur ersten Spule zu senden, um Informationen bereitzustellen, die sich auf einen Spannungspegel der mindestens einen Energiespeichervorrichtung beziehen. Die erste Steuerung ist dazu ausgebildet, die erste Spule zu erregen, sobald vom zweiten Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass der Spannungspegel bei einem unteren Schwellenwert ist, um die mindestens eine Energiespeichervorrichtung zu laden. Die erste Steuerung ist auch dazu ausgebildet, die erste Spule abzuschalten, sobald vom zweiten Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, dass der Spannungspegel bei einem höheren Schwellenwert ist.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist die mindestens eine Energiespeichervorrichtung dazu ausgebildet, Energie für die Last bereitzustellen, während die erste Spule abgeschaltet ist. In einer Reihe von Ausführungsformen enthält die mindestens eine Energiespeichervorrichtung keine ausreichende Energie, um Betriebsleistung für die Last bereitzustellen oder die Last länger als 20 Sekunden (oder sogar eine Sekunde) ohne Energieübertragung vom ersten System mit Leistung zu versorgen.
In einer Reihe von Ausführungsformen wird die externe Spule bei einer Spannung ausreichender Amplitude erregt, um eine Effizienz von mindestens 75% bereitzustellen oder um eine Effizienz von mindestens 80% bereitzustellen.
In einer Reihe von Ausführungsformen sind das erste System und das zweite System so ausgebildet, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der ersten Spule zur zweiten Spule gesendet wird, von ±10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt. Das erste System und das zweite System können zum Beispiel dazu ausgebildet sein, als Bandpassfilter zu arbeiten. In einer Reihe von Ausführungsformen bilden Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten Reihenelemente des Bandpassfilters und eine Magnetisierungsinduktivität bildet ein Shunt-Element. In einer Reihe von Ausführungsformen wird Energie, wenn die erste Spule erregt ist, von der ersten Spule zur zweiten Spule über einen Frequenzbereich durch ein Spreizspektrumsignal gesendet.
Mindestens das zweite System kann intern in einem Körper sein.
Das Erregen und Abschalten oder der Ein/Aus-Zyklus der ersten Spule kann zum Beispiel durch Ein/Ausschalten oder Ein/Ausmodulieren der Energieübertragungsfrequenz, Freigeben-Sperren eines primären Treibers für die erste Spule oder Freigeben-Sperren eines H-Brücken-Treibers für die erste Spule erfolgen.
In einem weiteren Aspekt enthält ein Energieübertragungssystem ein erstes System, das eine Leistungsquelle, ein erstes Steuersystem und eine erste Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Steuersystem enthält; und ein zweites System, das eine zweite Spule enthält, die dazu ausgebildet ist, drahtlos Energie zu empfangen, die von der ersten Spule gesendet wird. Wenn die erste Spule erregt ist, wird Energie drahtlos von der ersten Spule zur zweiten Spule gesendet, die einen Frequenzbereich abdeckt und von einem Spreizspektrumsignal erzeugt wird. Das Spreizspektrumsignal kann zum Beispiel ein Frequenzsprung-Spreizspektrum sein. Das Spreizspektrumsignal kann zum Beispiel ein Direktsequenz-Spreizspektrum sein. In einer Reihe von Ausführungsformen hat das System einen Q-Faktor kleiner 10.
Das erste System und das zweite System können zum Beispiel so ausgebildet sein, dass eine Frequenzänderung der Energie, die von der ersten Spule zur zweiten Spule gesendet wird, von ±10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt. In einer Reihe von Ausführungsformen sind das erste System und das zweite System dazu ausgebildet, als Bandpassfilter zu arbeiten. In einer Reihe von Ausführungsformen bilden Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten Reihenelemente des Bandpassfilters und eine Magnetisierungsinduktivität bildet ein Shunt-Element.
Die Resonanzfrequenz oder die Mittenfrequenz müssen bei der Ausführung des Spreizspektrumsignals nicht geändert werden. Das System kann somit fixierte Abstimmkondensatoren enthalten.
In einer Reihe von Ausführungsformen hierin leitet ein zur Gänze implantiertes Herzunterstützungssystem mit beweglichem Ventil seine Betriebsleistung in Echtzeit während eines ersten Betriebszustandes von einer externen Leistungsquelle (zum Beispiel über TETS) ab. Die externe Leistungsquelle kann zum Beispiel durch eine nicht redundante einzelne Quelle (zum Beispiel einen einzelnen Batterie-Pack) bereitgestellt werden. In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das System auch eine implantierte wiederaufladbare Batterie, die imstande ist, die Herzunterstützungsvorrichtung mit beweglichem Ventil für eine Zeitspanne, in der sich das System in einem zweiten Betriebszustand befindet, mit Betriebsleistung zu versorgen, wodurch mit TETS in Zusammenhang stehende elektromagnetische Emissionen vorübergehend eliminiert werden und/oder der Bedarf an extern zugeführter TETS Leistung vorübergehend eliminiert wird.
Die hierin beschriebene Technologie gemeinsam mit ihren Eigenschaften und damit zusammenhängenden Vorteilen, wird am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen geschätzt und verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine Ausführungsform eines Systems hierin zur transkutanen Übertragung von Energie und Daten.
1B zeigt eine andere Ausführungsform eines Systems hierin zur transkutanen Übertragung von Energie und Daten.
2 zeigt einen tragbaren Artikel (zum Beispiel eine Weste) an einem Patienten, der zum Halten und Positionieren eines externen Systems wie des Systems von 1A oder 1B dient.
3A zeigt ein Energiesteuersystem des Systems von 1A.
3B zeigt eine Ausführungsform eines Systems, in dem Datenkommunikationsspulen innerhalb des Volumens von Energieübertragungsspulen positioniert sind.
4A zeigt ein Beispiel eines typischen Bandpassfilters, das zum Modellieren des induktiven Kopplungssystems verwendet wird.
4B zeigt eine äquivalente Schaltung eines Transformators, wobei der Transformator die Struktur eines Bandpassfilters hat und wobei Kondensatoren in Reihe mit den Streuinduktivitäten X_P und X_S hinzugefügt sind.
4C zeigt eine Simulationsdarstellung für das induktive Kopplungssystem.
4D zeigt eine Grafik der Simulationsergebnisse, die zeigen, dass die Übertragungseffizienz von Vin zu Vout von 100 kHz bis fast 300 kHz gut ist.
4E zeigt ein simuliertes Bandpassmodell des induktiven Kopplungssystems.
4F zeigt eine Grafik, die eine Übereinstimmung zwischen den Bandpassmodellergebnissen und den Transformatorsimulationsergebnissen zeigt.
4G zeigt ein anderes schematisches Modell, wobei zur Sicherstellung einer Resonanz bei 125 kHz die Kondensatoren um einen Faktor von vier erhöht wurden, um dieselbe Resonanzfrequenz wie in 4C beizubehalten.
4H zeigt eine Grafik von Simulationsergebnissen, die eine Resonanz bei 125 kHz zeigen, wobei aber die Bandbreite vergleichsweise schmal ist.
5A zeigt eine Grafik einer Effizienz als Funktion einer Ausgangsleistung für einen Bereich von Ausgangsspannungen.
5B zeigt einen Leistungsbedarf der Last (implantierten Vorrichtung), die externe/primäre AC-Ausgangsspannung und Spannung des internen/sekundären Kondensatorsystems als Funktion der Zeit.
5C zeigt eine Grafik einer Effizienz als Funktion der Änderung von der Mittenfrequenz.
5D zeigt die Effizienz als Funktion eines Tastverhältnisses und die Ausgangsleistung als Funktion des Tastverhältnisses.
5E zeigt den Leistungsbedarf der Last (implantierten Vorrichtung), die externe/primäre AC-Ausgangsspannung und Spannung des internen/sekundären Kondensatorsystems als Funktion der Zeit.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Systems von 1A oder 1B als Teil eines gesamten Patientenversorgungssystems.
7 zeigt die Verwendung des Systems, wie der Systeme von 1A oder 1B in Verbindung mit einem implantierten Blutstromunterstützungssystem, das in entsprechend der aufsteigenden Aorta eines Patienten angeordnet ist, wobei das System schematisch dargestellt ist.
8 zeigt eine Ausführungsform eines implantierbaren, beweglichen Ventilpumpensystems zur Verwendung in Verbindung mit einem System, wie den Systemen von 1A oder 1B.
9 zeigt schematisch einen Teil des Systems wie der Systeme von 1A oder 1B, das ein bewegliches Ventilpumpensystem enthält.
10A zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Ventilanordnung hierin, die ein Verschlusselement-Aktivierungssystem zeigt, um aktiv die Verschlusselemente in eine offene Position oder in eine geschlossene Position zu bewegen.
10B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schnitts der Ventilanordnung von 10A.
10C zeigt eine andere perspektivische Ansicht eines Schnitts der Ventilanordnung von 10A, wobei Dichtungen entfernt wurden.
10D zeigt eine perspektivische Ansicht der Ventilanordnung von 10A mit dem Verschlusselement in einer offenen Position.
11 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Betriebsverfahrens des externen Systems von 1B.
12 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Betriebsverfahrens des internen Systems von 1B.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie hierin und in den beiliegenden Ansprüchen verwendet, enthalten die Singularformen ”einer”, ”eine”, ”eines” und ”der”, ”die”, ”das” Angaben im Plural, falls der Inhalt nicht eindeutig anderes angibt. Somit enthält zum Beispiel die Bezugnahme auf ”einen Kondensator” mehrere solche Kondensatoren und Äquivalente davon, die dem Fachmann bekannt sind, und so weiter, und eine Bezugnahme auf ”den Kondensator” ist eine Bezugnahme auf einen oder mehrere solcher Kondensatoren und Äquivalente davon, die dem Fachmann bekannt sind, und so weiter. Eine Angabe hierin, dass ein Element, ein System oder eine Komponente in Verbindung mit einem anderen Element, System oder einer anderen Komponente steht (zum Beispiel, betriebsbereite Verbindung, elektrische Verbindung, kommunikative Verbindung usw.) enthält entweder eine direkte Verbindung oder indirekte Verbindung (zum Beispiel durch ein oder mehrere Zwischenelemente oder -komponenten), falls der Inhalt nicht eindeutig anderes angibt.
In einer Reihe repräsentativer Ausführungsformen hiervon wird ein Hochleistungsenergie- und Informationsübertragungs- oder Kommunikationssystem verwendet, um eine oder mehrere implantierte medizinische Vorrichtungen mit Leistung zu versorgen und bidirektional Steuer- und Statusinformationen drahtlos zu kommunizieren (zum Beispiel, transkutan oder auf andere Weise durch das Körpervolumen/die Körpermasse). Das System überträgt zum Beispiel Leistung transkutan durch elektromagnetische Induktion von einem extern getragenen Batterie-Pack zur implantierten Vorrichtung, ohne perkutane Leiter zu benötigen. In dieser Hinsicht koppelt eine externe Spule induktiv Leistung an eine interne Spule, die unter der Haut implantiert ist. Das Energie- und Informationsübertragungs- oder Kommunikationssystem hiervon kann auch in Verbindung mit Vorrichtungen oder Systemen verwendet werden, die keine implantierten medizinischen Vorrichtungen sind, um Energie drahtlos zu übertragen.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann ein System 10, wie in 1A dargestellt, zum Beispiel als ein (zumindest teilweise) induktiv gekoppelter DC-DC-Wandler beschrieben werden. In 1A enthält ein primäres oder externes System 100 von System 10 ein externes Steuersystem 105, das mindestens eine erste externe Steuerung 110 (zum Beispiel eine Mikrosteuerung oder einen Mikroprozessor) enthält. Das externe System 100 enthält ferner eine externe Leistungsquelle 120 (zum Beispiel einen einzelnen wiederaufladbaren Batterie-Pack) und eine externe Spule 130 (häufig als primäre Spule bezeichnet). Ein Spulenleistungstreiberschaltkreis in elektrischer Verbindung mit der externen Spule 130 kann zum Beispiel einen H-Brücken-Inverter 140 enthalten, dem von der ersten externen Steuerung 110 Steuer- und Zeitgebersignale bereitgestellt werden (einschließlich zum Beispiel Steuerung des Pulsbreitenmodulations-(PWM)Tastverhältnisses und/oder der Schaltfrequenz). Zweitens enthält das interne oder implantierte System 200 zum Beispiel eine implantierte oder interne Spule 230 (häufig als sekundäre Spule bezeichnet) und ein Steuersystem 205, das eine oder mehrere Steuerungen, einen Gleichrichter 240 und einen Leistungskonditionierungsschaltkreis enthält.
In der dargestellten Ausführungsform enthält das interne Steuersystem 205 eine erste interne Steuerung 210, (zum Beispiel eine Mikrosteuerung oder einen Mikroprozessor), die dazu ausgebildet ist, zum Beispiel gewisse ”Verwaltungs”-Steuerprozesse zu steuern, wie in der Folge näher beschrieben ist. Das interne Steuersystem 205 enthält ferner eine zweite interne Steuerung 220, um zum Beispiel eine implantierte Vorrichtung 300 zu steuern. Die Funktionen der ersten und zweiten Steuerung 210 und 220 können zum Beispiel in einem einzigen Steuersystem kombiniert oder über mehr als zwei Steuerungen verteilt sein.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist die implantierte Vorrichtung 300 eine implantierte Blutstromunterstützungspumpe, die einen Motor 310 enthält, wie zum Beispiel in US Patentanmeldungen Nr. 13/370,113, 13/370,137 und 13/370,155 und der PCT Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/US2012/024572 beschrieben, deren Offenbarungen hiermit zum Zwecke der Bezugnahme zitiert werden. Einem Fachmann ist jedoch klar, dass das System 10 in Verbindung mit jeder implantierbaren Vorrichtung verwendet werden kann, für die Leistung von einem externen System bereitgestellt werden soll.
In einer Reihe von Ausführungsformen gleicht das System 10 Schwankungen in der Spulenanordnung- und -kopplung zwischen der externen Spule 130 und internen Spule 230 aus, indem es Änderungen in der Systemresonanzfrequenz oder Kopplungseffizienz erfasst und einstellt. In einer Reihe von repräsentativen Ausführungsformen, die nicht optimiert wurden, ist das System imstande, eine maximale Ausgangsleistung von ungefähr 35 Watt bei einer Spulentrennung oder parallelverschobenen Fehlausrichtung bis zu 25 mm und drehenden Fehlausrichtung von 30 Grad zu bereitzustellen, und arbeitet bei einer maximalen Effizienz von zum Beispiel 75%, 80% oder höher. Die Komponenten des externen Systems 100 können zum Beispiel von einem tragbaren Artikel 400 wie einer Weste (siehe 2) gehalten oder darin getragen werden, die auch die Ausrichtung der externen Spule 130 mit der internen Spule 230 bewirken kann. Es ist zum Beispiel wünschenswert, die Fehlausrichtung in der Orientierung zu minimieren und einen Trennungsspalt oder Abstand zwischen der externen Spule 130 und der internen Spule 230 zu minimieren. In dieser Hinsicht verringert eine zunehmende Fehlausrichtung und/oder zunehmende Trennung die Spulenkopplungs-/Energieübertragungseffizienz. Viele derzeit erhältliche transkutane Energieübertragungssysteme sind für Spulenkopplungseffekte ziemlich anfällig, die durch Änderungen in der Ausrichtung und/oder Trennung bewirkt werden. Die Ausrichtungs- und/oder Trennungsprobleme können zum Beispiel aus einer normalen Patientenbewegung resultieren und das System muss sich an Variationen von Patient zu Patient anpassen, wie Hautdicke und -spannung.
Im Allgemeinen führen Änderungen in der Spulenkopplung zu Änderungen in der Resonanzfrequenz des transkutanen Energieübertragungssystem-Transformators oder führen zu Systemkopplungsverlusten, die die Leistungsübertragung und Effizienz verringern können. In einer Reihe von Ausführungsformen wurde das System 10 so gestaltet, dass es das Problem von Änderungen in der Spulenkopplung zum Beispiel durch Erfassen einer Variable behandelt, die mit der Stromabnahme an der externen Spule 130 zusammenhängt oder von dieser abhängig ist, die mit einer Fehlausrichtung zunimmt (zum Beispiel über einen Stromsensor 150 in elektrischer Verbindung mit Spule 130). Zum Beispiel kann ein System, das Informationen in Bezug auf den Zustand der Spulenkopplung an den Patient liefert, bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann ein Indikatorsystem 160 an dem Artikel 400 bereitgestellt sein, das den Patient über Ausrichtungs- und/oder Trennungsprobleme benachrichtigt. Das Indikatorsystem 160 kann zum Beispiel dem Patienten Informationen auf eine oder mehrere Weisen liefern, die dazu ausgebildet sind, vom Patienten erfasst zu werden (zum Beispiel akustisch, visuell und/oder taktil). Das Indikatorsystem 160 kann zum Beispiel eine Reihe visueller Indikatoren 162a, 162b, 162c usw. (zum Beispiel rote, gelbe und grüne Anzeigelichter) an dem Artikel 400 enthalten. Ein anderes Indikatorsystem 160' kann zum Beispiel dem Patienten Informationen, die sich auf den Ladestatus des Batterie-Packs 120 beziehen, in einer Weise liefern, die dazu ausgebildet ist, vom Patienten erfasst zu werden (zum Beispiel akustisch, visuell und/oder taktil). Das Indikatorsystem 160' kann zum Beispiel eine Reihe visueller Indikatoren 162a', 162b', 162c' usw. (zum Beispiel rote, gelbe und grüne Anzeigelichter) an dem Artikel 400 enthalten.
Ein anderes Problem, das durch transkutane Energieübertragungssysteme behandelt wird, ist eine Schwankung im Leistungsbedarf der implantierten Vorrichtung 300. In einer Reihe von Ausführungsformen hiervon werden Schwankungen in der elektrischen Last (das heißt, dem Leistungsbedarf der implantierten Vorrichtung 300) durch ein Steuerprotokoll oder eine Methodologie ausgeglichen, das bzw. die zwischen dem externen System 100 und internen System 200 ausgeführt ist, wobei die externe Spule 130 als Funktion des Leistungsbedarfs entweder erregt (eingeschaltet) oder getrennt (ausgeschaltet) ist. Das System 10 ist zur Anpassung an Schwankungen in Last und Leistungsbedarf durch ein Energiesteuersystem, Teilsystem oder einen Schaltkreis gestaltet (siehe zum Beispiel 3A).
In einer Reihe von Ausführungsformen hat das interne System 200 mindestens einen ersten Zustand oder ersten Betriebszustand, in dem die implantierte Vorrichtung 300 nicht in einer typischen, normalen oder klinisch wirksamen Weise betrieben werden kann (das heißt, in einer Weise, um ihren beabsichtigten Zweck zu erfüllen), ohne Echtzeit-Energieübertragung von der externen Spule 130. In dieser Hinsicht ist eine Energieübertragung von der externen Spule 130 in solchen Ausführungsformen notwendig, um der implantierten Vorrichtung Betriebsleistung bereitzustellen. In einer Reihe von Ausführungsformen wird der implantierten Vorrichtung keine Energie von einer internen Batterie (das heißt, einer Vorrichtung, in der chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird) zugeleitet, wenn das interne System 200 im ersten Zustand ist. Im Allgemeinen haben wiederaufladbare Batterien begrenzte Wiederaufladungszyklen (zum Beispiel mehrere hundert bis zu eintausend) und haben somit eine relativ begrenzte Lebensdauer im Vergleich zu anderen Energiespeichersystemen. In einer Reihe von Ausführungsformen kann eine interne Batterie in einem internen System 200 vorhanden sein, aber der implantierten Vorrichtung 300 keine Energie bereitstellen, wenn sich das interne System 200 im ersten Zustand befindet.
In der Ausführungsform, die zum Beispiel in 1A und 3A dargestellt ist, überwacht eine erste interne Steuerung 210 eine Spannung oder eine Variable, die mit der Spannung am Ausgang des implantierten Brückengleichrichters 240 zusammenhängt oder von dieser abhängig ist, die einer Spannung eines ersten internen Energiespeichersystems 250 entspricht, die über den Systemtransformator geladen wird. In einer Reihe von Ausführungsformen enthält das erste interne Energiespeichersystem 250 keine Batterie. Das interne Energiespeichersystem 250 kann zum Beispiel ein Kondensatorsystem enthalten, das einen oder mehrere Kondensator(en) enthält, wie zum Beispiel in 1A dargestellt. Bei einer Besprechung der Ausführungsform von zum Beispiel 1A kann das erste interne Energiespeichersystem 250 manchmal hierin als Kondensatorsystem 250 bezeichnet werden. In einer Reihe von Ausführungsformen ist die Kapazität des Kondensatorsystems 250 unzureichend, um der implantierten Vorrichtung 300 Betriebsleistung bereitzustellen, oder ist ausreichend, um genug Energie zu halten, um die implantierte Vorrichtung für eine begrenzte Zeitspanne (zum Beispiel im Bereich von ungefähr 10 Millisekunden bis 1 Sekunde oder jeden Bereich dazwischen) mit Leistung zu versorgen. Die gespeicherte Energie kann zum Beispiel ausreichend sein, um die implantierte Vorrichtung 300 zwischen Energieschüben von der externen/primären Spule 130 mit Leistung zu versorgen, aber nicht ausreichend sein, um die Vorrichtung 300 normal zu betreiben, ohne Vorhandensein der externen Spule 130, die häufige Energieschübe liefert. In einer Reihe von repräsentativen Ausführungsformen für ein implantiertes linkes Herzkammer- oder Herzunterstützungspumpensystem wie die Vorrichtung 300 enthält der Betriebsleistungs- oder normale Betrieb das Versorgen des Pumpenmotors für eine vollständige Funktionsperiode, z. B. einen Hub, einen Zyklus, eine Umdrehung, usw. mit Leistung. In einer Reihe von Ausführungsformen kann das erste interne Energiespeichersystem 250 zum Beispiel nicht mehr als ungefähr 260 Joule (J), 130 J, 13 J, 6,5 J oder sogar 1 J speichern.
Wie oben beschrieben, liefert ein normales Herz 1,5 Watt nützlicher Leistung, um die Stoffwechselbedürfnisse des Körpers zu erfüllen. Ein schwer beeinträchtigtes Herz könnte die Hälfte dieser Leistung liefern und eine Herzunterstützungsvorrichtung könnte den Unterschied durch Bereitstellen von zum Beispiel 0,75 Watt nützlicher Energie ausgleichen. In einer Reihe von Ausführungsformen ist das System 10 dazu ausgebildet, mindestens 1 Watt Leistung zu liefern. Wenn die implantierte Vorrichtung 300 eine Herzunterstützungspumpe mit beweglichem Ventil ist (manchmal als Ventil-Blutstromunterstützungspumpe bezeichnet) wie zum Beispiel in 8 dargestellt und unten näher besprochen, arbeitet das Pumpensystem 300 zum Beispiel wenn sich das native Herz zusammenzieht oder etwa 40% der Zeit. Angesichts der Einschränkungen bezüglich Effizienz kann eine Pumpe mit beweglichem Ventil 5 bis 35 (oder noch mehr) Watt Leistung benötigen, um dem versagenden Herz zu helfen.
Sobald erfasst wird, dass die externe Spule 130 entfernt wurde, kann die implantierte Vorrichtung 300 anstandslos abgeschaltet werden. Das Kondensatorsystem 250 oder ein anderes erstes Energiespeichersystem 250 kann zum Beispiel in einer Weise ähnlich einem Filterkondensator betrieben werden (das heißt ein gleichgerichtetes Spreizspektrumsignal filtern (unten besprochen) und/oder die häufigen Energieschübe von der externen Spule 130 filtern, um der implantierten Vorrichtung 300 eine DC-Spannung bereitzustellen). In einer Reihe von Ausführungsformen kann das Kondensatorsystem 250 zum Beispiel eine Kapazität haben, um ausreichend Energie zu speichern, um einen Teil des internen Systems 200 mit Leistung zu versorgen, während die externe Spule 130 abgeschaltet oder ausgeschaltet ist, um zum Beispiel den Austausch einer entladenen Batterie 120 durch eine geladene zu ermögliche. Zum Beispiel kann das Kondensatorsystem 250 genug Energie halten, um die implantierte Vorrichtung 300 mehrere Sekunden mit Leistung zu versorgen, während die externe Batterie 120 durch eine geladene Batterie ersetzt wird. In dieser Zeit kann die implantierte Vorrichtung 300 in einen Niederenergiemodus wechseln, um ihren Speicher und Einstellungen beizubehalten, und kann höhere Energiefunktionen sperren, wie, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Kommunikationen und/oder Leistungsversorgung eines Motors oder einer Pumpe der implantierten Vorrichtung 300.
Bei der Rückkehr zur externen Spule 130 beginnt die implantierte Vorrichtung 300, Energieschübe zu empfangen und kann den normalen Betrieb wieder aufnehmen, einschließlich der Freigabe sämtlicher Hochenergiefunktionen, die gesperrt waren. Nach einer vorbestimmten Zeitperiode oder nachdem die Spannung am Kondensatorsystem 250 eine minimale Schwellenspannung erreicht hat und die implantierte Vorrichtung 300 keinen Energieschub empfängt, kann das interne System 200 oder die implantierte Vorrichtung 300 sämtliche notwendigen Informationen wie, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Einstellungen, aktuellen Speicher, Vorrichtungszustand oder sämtliche anderen notwendigen Informationen in einem nicht flüchtigen Speicher für einen Zugriff und eine Rekonfiguration der implantierten Vorrichtung 300 speichern, wenn die Leistungszufuhr vom externen System 100 (über die externe Spule 130) wieder hergestellt ist.
Wenn die gemessene Spannung unter einen unteren Schwellenwert fällt (zum Beispiel nominal 12,5 VDC in einer Reihe von Ausführungsformen), veranlasst die erste interne Steuerung 210, dass ein codiertes Signal dieses niedereren Spannungszustandes über ein internes Kommunikationssystem, das zum Beispiel ein erstes internes Kommunikationssystem oder Teilsystem 270 enthält, zu einem externen Kommunikationssystem gesendet wird, das zum Beispiel ein erstes externes Kommunikationssystem oder Teilsystem 170 enthält. In einer Reihe von Ausführungsformen wird das Signal durch Hochfrequenzenergie zwischen der internen Spule 230 und der externen Spule 130 gesendet. Das Signal kann zum Beispiel bei einer anderen Frequenz als das und unabhängig von dem (zum Beispiel nicht überlagert oder aufgelegt) Energieübertragungssignal zwischen der externen Spule 130 und der internen Spule 230 gesendet werden. Das erste externe Kommunikationssystem 170 kommuniziert mit der ersten externen Steuerung 110, die bewirkt, dass die externe Spule 130 erregt oder eingeschaltet wird, um Leistung vom externen Batterie-Pack 120 zum Kondensatorsystem 250 zu übertragen. Wenn die gemessene Spannung am Ausgang des implantierten Brückengleichrichters 240 auf einen oberen Schwellenwert (zum Beispiel, 16,5 VDC in einer Reihe von Ausführungsformen) steigt, bewirkt die erste interne Steuerung 210, dass ein codiertes Signal dieser höheren Spannung oder des geladenen Zustands über ein erstes internes Kommunikationssystem 270 zum ersten externen Kommunikationssystem 170 gesendet wird. Auch hier kann das Signal durch Hochfrequenzenergie zwischen der internen Spule 230 und der externen Spule 130 gesendet werden. Wie das Niederspannungssignal kann ein solches höheres Spannungs- oder ”geladenes” Signal von dem ersten internen Kommunikationssystem 270 bei einer anderen Frequenz als das und unabhängig von dem Energieübertragungssignal zwischen der externen Spule 130 und der internen Spule 230 gesendet werden. Das erste externe Kommunikationssystem 170 kommuniziert den Empfang des Hochspannungssignals zur ersten externen Steuerung 110, die bewirkt, dass die externe Spule 130 abgeschaltet oder ausgeschaltet wird. Unter typischen Betriebsbedingungen, ist die gemessene interne Spannung am Ausgang eines Brückengleichrichters eine Sägezahnwellenform, die durchschnittlich ungefähr 14,5 VDC hat, wenn die untere Schwellenspannung 12,5 VDC und die obere oder höhere Schwellenspannung 16,5 VDC ist.
In einer Reihe von Ausführungsformen ist das Leistungssteuersystem auch dazu ausgebildet, eine ”Wachhund-”, ”Überwachungs-” oder ”Status-”Funktion auszuführen. Es ist wichtig, dass die externe Steuerelektronik (einschließlich zum Beispiel der ersten externen Steuerung) feststellen kann, dass das interne Leistungssteuersystem funktioniert. Zum Beispiel könnte das Fehlen eines niedereren Spannungssignals oder eines (geladenen) höheren Spannungssignals vom Leistungssteuersystem zur ersten externen Steuerung 110 während einer Periode annehmbarer interner Betriebsspannung irrtümlich als ein Hinweis interpretiert werden, dass der interne oder implantierte Schaltkreis nicht mehr funktionsfähig ist. Zur Bewältigung eines solchen Fehlerrisikos kann ein codiertes ”Wachhund-”, ”Überwachungs-” oder ”Status-” Signal periodisch von der implantierten Elektronik zur externen Elektronik gesendet werden. Das Überwachungssignal kann zum Beispiel durch Hochfrequenzenergie zwischen der internen Spule 230 und der externen Spule 130 gesendet werden. Wie das niederere Spannungssignal und das höhere Spannungssignal kann das Überwachungssignal vom ersten internen Kommunikationssystem 270 bei einer anderen Frequenz als das und unabhängig von dem Energieübertragungssignal zwischen der externen Spule 130 und der internen Spule 230 gesendet werden. Das erste externe Kommunikationssystem 170 kommuniziert den Empfang des Überwachungssignals zur ersten externen Steuerung 110. Das Überwachungssignal kann zum Beispiel von der ersten externen Steuerung 110 decodiert werden und wird verwendet, um eine Überwachungszeitgeber zurückzustellen. Wenn der Zeitgeber abläuft, kann die erste externen Steuerung 110 zum Beispiel den Patienten über einen oder mehrere externe Indikatoren 160'' benachrichtigen (siehe 2), der dazu ausgebildet ist, Informationen an den Patient, dass die Überwachung abgelaufen ist, auf eine oder mehrere Weisen bereitzustellen, die von dem Patienten (zum Beispiel akustisch, visuell und/oder taktil) wahrgenommen werden können. Der Empfang eines niedereren Spannungs- oder eines höheren Spannungssignals kann auch den Wachhund- oder Überwachungszeitgeber zurückstellen. Daher werden in der oben besprochenen Ausführungsform drei verschiedene codierte Signale oder Nachrichten von dem implantierten Leistungssteuersystem zur ersten externen Steuerung 110 kommuniziert: ”niederere Spannung”, ”höhere Spannung” oder ”geladen” und ”Rückstellen-Überwachungszeitgeber”. Das Fehlen des Überwachungssignals kann auch in Verbindung mit der Stromerfassungsfähigkeit der ersten externen Steuerung 110 verwendet werden, um die Zuverlässigkeit der Erfassung einer fehlausgerichteten Spule weiter zu verbessern, wie oben beschrieben ist.
Wenn das Überwachungssignal in einer Reihe von Ausführungsformen in einer vorgegebenen Zeitspanne oder in einem Zeitrahmen (zum Beispiel 200 Millisekunden) nicht empfangen wird oder wenn das Stromerfassungssystem 150 einen hohen Strom an der primären oder externen Seite erfasst, schaltet das Leistungssteuersystem die Leistungsübertragung ab. Das Leistungssteuersystem versucht dann, die Steuerung wiederherzustellen, indem es periodisch Energieschübe über die externe Spule 130 für eine definierte Zeitspanne verursacht (zum Beispiel 50 Millisekunden in jeder Sekunde). Wenn der Energieschub erfolgreich ist und das sekundäre oder interne System 200 eingeschaltet wird, empfängt das primäre oder externe System 100 ein Kommunikationssignal (zum Beispiel entweder ein Hochspannungs-, Niederspannungs- oder Wachhund-/Überwachungssignal, wie oben beschrieben). Wenn der Energieschub erfolglos ist, kann das externe System 100 zum Beispiel eine Zeitspanne (zum Beispiel eine Sekunde) warten und Energie wieder über die externe Spule 130 ausstoßen.
Wenn das externe System 100/die externe Spule 130 absichtlich entfernt wurde, können mehrere Mechanismen oder Methodologien verwendet werden. Zum Beispiel kann das externe Batterie-Pack 120 entfernt werden, wodurch Leistung aus dem externen System 100 entfernt wird. Das Entfernen von Leistung aus dem externen System 100 bedeutet, dass es nicht mehr länger versucht, die Wiederherstellung der Leistungssteuerung durch den Schubmodus für das sekundäre System 200 zu verwenden. Ferner kann das externe System 100 einen Ein/Aus-Schalter oder eine Ein/Aus-Steuerung enthalten. Wenn der Anwender/Träger das externe System 100 ausschaltet oder es in einen Aus-Zustand bringt, versucht das externe System 100 nicht mehr länger, die Leistungssteuerung durch den Schubmodus für das sekundäre System 200 wiederherzustellen. Das externe System 100 kann sich sogar selbst automatisch nach einer Zeitspanne (zum Beispiel 10–15 Minuten) abschalten, um die Batterielebensdauer zu bewahren. In solchen Fällen kann das externe System 100 automatisch versuchen, die Steuerung des sekundären Systems beim Einschalten wiederherzustellen. In einer anderen Ausführungsform kann das externe System 100 eine Zeitabschaltung enthalten, so dass, wenn eine Fernsteuerung durch Schübe nach einer Zeitspanne (zum Beispiel einer Minute) in dem Versuch, die Steuerung wiederherzustellen, nicht wiederhergestellt werden kann, kann das externe System 100 den Versuch stoppen und den Anwender durch ein akustisches, visuelles oder taktiles Signal (zum Beispiel eine LED, eine Textanzeige, gesprochene Phrasen usw.) benachrichtigen. Das externe System 100 würde den Anwender informieren, dass die Steuerung nicht wiederhergestellt werden konnte, und dem Anwender Anweisungen bereitstellen, um Versuch im Bereitschaftsfall erneut zu ermöglichen, indem zum Beispiel ein Knopf gedrückt oder eine andere Maßnahme ergriffen wird. Das Ergreifen der Maßnahme (zum Beispiel das Drücken des Knopfes) würde den Schubmodus für eine weitere Zeitspanne (zum Beispiel 1 Minute) periodischer Versuche (zum Beispiel jede Sekunde) wieder freigeben. Diese Methodologie würde zum Beispiel den Fall abdecken, in dem zum Beispiel der Träger das externe System 100 für eine fünfminütige Dusche abnimmt, ohne das externe System 100 abzuschalten oder das Batterie-Pack 120 zu entfernen, und würde unnötige Übertragungsversuche und eine Entleerung des Batterie-Packs 120 verhindern, während das externe System 100 mit Leistung versorgt wurde, aber die Steuerung des internen Systems 200 nicht wiederhergestellt werden konnte.
In einer Reihe von Ausführungsformen einer Sequenz oder Methodologie während des anfänglichen Einschaltens des implantierten Systems 200 kann die erste externen Steuerung 110 zum Beispiel einen ”Schub” Energie über die externe Spule 130 bereitstellen und eine Reaktion/ein Signal vom implantierten System 200 überwachen (zum Beispiel eine höhere Spannung oder ein geladenes Signal oder ein ”Rückstellen-Überwachungszeit-”Signal). Wenn ein solches Signal empfangen wird, kann die erste externe Steuerung bestimmen, dass das interne System 200 als Reaktion auf den Energieschub vom externen System 100 richtig eingeschaltet und initialisiert wurde. Wenn kein Signal empfangen wird, kann die erste externe Steuerung zum Beispiel die Energie sperren (die externe Spule 130 abschalten), um eine Hochstromsituation zu vermeiden, eine kurze Zeitspanne warten und dann erneut den Energieschub versuchen. Unter Verwendung dieses Protokolls oder dieser Methodologie kann die erste externe Steuerung 110 automatisch die Steuerung des internen Systems 200 wiederherstellen, wenn zum Beispiel die externe Spule 130 und interne Spule 230 für eine kurze Zeitspanne fehlausgerichtet und dann wieder ausgerichtet sind. Diese Methodologie kann dazu beitragen, die Notwendigkeit eines Eingriffs durch den Betreiber zu verringern und/oder das Auftreten falscher Fehlausrichtungssignale für kurze vorübergehende Fehlausrichtungsereignisse zu verringern.
In einer Reihe von Ausführungsformen können Daten, die über das Energiesteuer- oder Rückkopplungssystem gesendet werden, separat von der externen Spule 130 und/oder internen Spule 230 zum Beispiel unter Verwendung von Spulen separat von der externen Spule 130 und internen Spule 230 oder unter Verwendung eines Kommunikationssystems, das nicht aus den induktiven Spulen besteht, gesendet und/oder empfangen werden. Um Raum zu sparen, können separate Spulen in einer Reihe von Ausführungsformen in demselben Volumen wie die externe Spule 130 und interne Spule 230 gewickelt werden. 3B zeigt schematisch eine externe Datenspule 130a, die in demselben Volumen wie die externe Leistungsspule 130 gewickelt ist, und eine interne Datenspule 230a, die in demselben Volumen wie die interne Leistungsspule 230a gewickelt ist. In gewissen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, dass die interne Spule sowohl für Leistung wie auch Kommunikation verwendet wird, und separate Spulen extern für Kommunikation und Leistung verwendet werden. Separate externe Spulen können zum Beispiel den externen Schaltkreis vereinfachen oder Rauschen verringern, das durch das Leistungs- oder Kommunikationssignal zum anderen Signal verursacht wird.
Bezüglich der Größe ist es wünschenswert, dass der Leistungsverbrauch und die Wärmeerzeugung von Komponenten des implantierten Systems 200 minimiert sind. In einer Reihe von Ausführungsformen wurde die Frequenz zum Senden des niedereren Spannungssignals, des höheren Spannungssignals und des Rückstellen-Überwachungszeitgeber- oder Überwachungssignals mit ungefähr 13,56 MHz gewählt. Es können jedoch andere Frequenzen verwendet werden. Eine Frequenz von 13,56 MHz wird nicht häufig in einer medizinischen oder Spitalsumgebung verwendet, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Interferenz verringert ist. Ferner unterscheidet sich eine Frequenz von 13,56 MHz deutlich vom Frequenzbereich, der für eine Leistungsübertragung zwischen der externen Spule 130 und internen Spule 230 verwendet wird, wodurch jedes notwendige Filtern oder Trennen vereinfacht wird. Zusätzlich strahlen 13,56 MHz infolge der kleinen Spulengröße im Vergleich zur Wellenlänge nicht wesentlich von der primären Spule 130 oder der sekundären Spule 230 aus, was bedeutet, dass die primäre Spule 130 oder die sekundäre Spule 230 keine Interferenzquelle darstellen. Daher wird das 13,56 Mhz System durch Wechselseitigkeit nicht signifikant von Interferenzquellen im selben Frequenzband beeinträchtigt. Obwohl zahlreiche Strategien einzelner und integrierter Schaltungen zur Konstruktion von 13,56 MHz Generatoren und Empfänger vorhanden sind, sind solche Schaltungen relativ groß, verbrauchen signifikante Leistung und/oder Erzeugen signifikante Wärme.
In einer Reihe von Ausführungsformen enthielt jedes von dem ersten externen Kommunikationssystem 170 und dem ersten internen Kommunikationssystem 270 von System 10 einen Hochfrequenzempfänger 172, der eine im Handel erhältliche Hochfrequenzidentifikation oder einen RFID-Lesechip enthält, und/oder einen Hochfrequenzgenerator oder Sender 170, der einen im Handel erhältlichen RFID-Lesechip enthält. RFID-Lesechips sind so konstruiert, dass sie klein sind und wenig Leistung verbrauchen. Solche RFID-Lesechips sind nicht zur paarweisen Verwendung bestimmt, wobei die RFID-Lesechips in Sende-Empfangs-Kommunikationsanwendungen miteinander kommunizieren. Im Gegenteil, RFID-Leser sind zur Kommunikation mit RFID-Tags bestimmt, die zum Speichern von Daten konstruiert oder programmiert sind, die von dem Lesegerät gelesen werden können, wenn das RFID-Tag ein elektromagnetisches Energiesignal vom Lesegerät empfängt. Unter Verwendung von Leistung von einer internen Batterie (im Falle eines aktiven oder halbaktiven RFID-Tags) oder Leistung, die vom elektromagnetischen Feld des Lesegeräts gesammelt wurde (im Fall eines passiven RFID-Tags), sendet das RFID-Tag ein Hochfrequenzsignal zum Lesegerät zurück. In einer Reihe von Ausführungsformen wurden im Handel erhältliche RFID-Lesechips 172 und 272 für eine neuartige Sende-Lese-, Chip-zu-Chip Kommunikationskonfiguration programmiert, wobei der interne RFID-Lesechip 272 durch die erste interne Steuerung 210 veranlasst wurde, ein Hochfrequenzsignal über die interne Spule 230 und externe Spule 130 zum externen RFID-Lesechip 172 zu senden, der dieses Signal zur ersten externen Steuerung 110 kommunizierte. In einer Reihe von Ausführungsformen wurden ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter, ein an einen 50 Ohm Scheinwiderstand angepasstes Netz, ein 13,56 MHz L-C Bypass und ein DC-Block in jedem von dem ersten internen Kommunikationssystem 270 und ersten externen Kommunikationssystem 170 verwendet, um die 13,56 MHz Signale durch die interne Spule 230 und externe Spule 130 zu koppeln. Der 13,56 MHz L-C Bypass (nicht dargestellt) verlief über die H-Brücke und den Brückengleichrichter, um diese bei 13,56 MHz kurzzuschließen, so dass sie die Kommunikation nicht beeinträchtigten. In der beschriebenen Ausführungsform ist die sekundäre oder interne Seite nur Sender und die externe oder primäre Seite ist nur Empfänger, es könnten aber beide als Sender/Empfänger für eine bidirektionale Kommunikation ausgeführt sein.
Ein Beispiel für einen RFID-Lesechip, der zweckdienlich zur Verwendung im ersten internen Kommunikationssystem 270 und im ersten externen Kommunikationssystem 170 angepasst werden kann, ist das TRF7960 RFID-Lesegerät, erhältlich von Texas Instruments, Dallas, Texas. Die TRF7960 RFID-Lesegeräte können als 13,56 MHz analoge Allzweck-Sender/Empfänger Frontenden verwendet werden, indem ein Direktmodusmerkmal des Chips freigegeben wird. Das Direktmodusmerkmal des TRF7960 umgeht die ISO RFID Protokollcodierer und -decodierer darin, so dass eine angeschlossene Mikrosteuerung direkt unter Verwendung des chipeigenen HF-Modulators Daten senden und empfangen kann. Der Sender-Chip oder HF-Generator 272 kann zum Beispiel so gestaltet sein, dass er die 13,56 MHz HF-Hüllkurve bei voller Leistung erzeugt, indem er die richtigen Konfigurationsbefehle über seinen seriellen peripheren Schnittstellen-(SPI)Bus zum sendenden RFID-Lesechip 272 sendet. Der sendende RFID-Lesechip 272 ist zur Verwendung eines Ein/Aus-Tastungsschemas bei der Modulierung der HF-Hüllkurve konfiguriert und ist in den Direktmodus konfiguriert. Der empfangende RFID-Lesechip 172 ist konfiguriert, um ein Ein/Aus-Tastungsschema zu erwarten, und ist in den Direktmodus konfiguriert, ist aber nicht konfiguriert, eine 13,56 MHz HF-Hüllkurve zu erzeugen, da diese mit der Hüllkurve in Konflikt stünde, die vom sendenden RFID-Lesechip 272 erzeugt wird. Stattdessen ist der empfangende RFID-Lesechip 172 so konfiguriert, dass sein Empfangsschaltkreis freigegeben ist. Dieser Modus soll typischerweise einem Lesegerät ermöglichen, ein externes HF-Feld zu messen um zu bestimmen, wann ein anderes Lesegerät sendet, so dass eine Antikollisionsmaßnahme ergriffen werden kann. Im vorliegenden Fall jedoch ermöglicht der Maßnahmenmodus dem empfangenden RFID-Lesechip 172, die 13,56 MHz Hüllkurve zu erfassen, die vom sendenden RFID-Lesechip 272 erzeugt wird, und Daten zu empfangen, während der sendende RFID-Lesechip 272 diese Hüllkurve moduliert. In einer Reihe von Ausführungsformen wird das Signal vom sendenden und/oder empfangenden RFID-Lesechip 272 verstärkt.
Die erste interne Steuerung 210 (die sendende Mikrosteuerung) kann zum Beispiel Daten durch Umschalten des MOD-Pins senden, der vom sendenden RFID-Lesechip 272 präsentiert wird. Wenn der MOD-Pin umgeschaltet wird, ist die HF-Hüllkurve moduliert, um Bits (Einser und Nullen) unter Verwendung des Ein/Aus-Tastungsschemas zu erzeugen. Zur Vereinfachung der Datensendung von der ersten internen Steuerung 210 kann der MOD-Pin zum Beispiel mit dem Sende-Pin eines standardmäßigen universellen asynchronen Empfängers/Senders (UART) der ersten internen Steuerung 210 verdrahtet sein. Diese Gestaltung ermöglicht der Software, die auf der ersten externen Steuerung 210 läuft, die Verwendung der UART-Hardware, um die komplexe und kritische Zeitsteuerung zu bewältigen, die für eine binäre Datenübertragung notwendig ist.
Die erste externe Steuerung 110 (die empfangende Mikrosteuerung) kann zum Beispiel Daten über einen Eingang/Ausgang- oder IO-Pin empfangen, der vom empfangenden RFID-Lesechip 172 präsentiert wird (zum Beispiel den IO_6 Pin des TRF7960 Chips). Der IO-Pin stellt den demodulierten Bitwert dar, der von der HF-Hüllkurve beschrieben ist, und ist so konfiguriert, dass er ein Ein/Aus-Tastungsschema erwartet. Zur Vereinfachung des Empfangs von Daten durch die erste externe Steuerung 110 kann der IO-Pin mit dem Empfangs-Pin eines UART der ersten externen Steuerung 110 verdrahtet sein. Diese Gestaltung ermöglicht der Software, die auf der ersten externen Steuerung 110 läuft, die UART-Hardware zur Bewältigung der komplexen und kritischen Zeitsteuerung zu verwenden, die für einen binären Datenempfang notwendig ist. Die Verwendung der UART eliminiert die Notwendigkeit einer Software-Codierung und Übertragungssteuerung.
Die elektromagnetische induktive Leistungsübertragung der hierin beschriebenen Art kann eine signifikante elektromagnetische Interferenz erzeugen, die zum Beispiel dazu führt, dass behördliche Anforderungen nicht erfüllt werden. In einer Reihe von Ausführungsformen mildern das System 10 und andere System hierin Probleme, die mit elektromagnetischer Interferenz zusammenhängen, indem eine Spreizspektrum-Frequenzmodulation für die Leistungsübertragung verwendet wird. Die Spreizspektrummodulation kann ein Frequenzsprung-Spreizspektrum (FHSS) oder Direktsequenz-Spreizspektrum (DSSS) sein, ist aber nicht darauf beschränkt. In dieser Hinsicht wird Leistung vom externen System 100 über die externe (primäre) Spule 130 bei Frequenzen, die innerhalb eines Frequenzbereichs variieren oder gespreizt sind, unter der Steuerung eines Spreizspektrumalgorithmus übertragen. In einer Reihe von Ausführungsformen kann die Frequenz zum Beispiel zwischen ungefähr 120 kHz und ungefähr 130 kHz oder zwischen ungefähr 120 kHz und ungefähr 126 kHz variieren oder gespreizt sein. In mehreren solchen Ausführungsformen wird die Leistungsübertragung zum Beispiel von ungefähr 120 KHz auf ungefähr 126 KHz in 1 Millisekunden (oder ms) Intervallen zyklisch geführt, um eine nominale 123 KHz Übertragungsfrequenz zu erhalten. In einer Reihe von Ausführungsformen liegt die nominale Leistungsübertragungsfrequenz zwischen 50 und 500 kHz. Die Verwendung einer Frequenzsprung-Spreizspektrummodulation ”spreizt” die fundamentale und harmonische Energie über eine Reihe von Frequenzbandkanälen auf einem breiteren elektromagnetischen Spektrum, was zum Beispiel zu einer verringerten Schmalbandinterferenz und geringeren Durchschnittsleistung pro Kanal führt. In einer Reihe von Ausführungsformen sind die durchschnittlichen erzeugten HF-Emissionen kleiner 25 μV/m bei 300 m. Die verringerte Schmalbandinterferenz ermöglicht dem System 10, relativ große Mengen an Leistung (zum Beispiel mehr als 20 Watt, mehr als 30 Watt oder häufig zwischen ungefähr 30 und 60 Watt) zu senden, wie von der implantierten Vorrichtung 300 benötigt, während behördliche Anforderungen für erzeugtes elektromagnetisches Rauschen und Interferenz erfüllt sind. Obwohl die Spreizspektrumtechnologie bekannt ist, verhinderte zuvor der hohe Q- oder Qualitätsfaktor, der mit einer transkutanen Energieübertragung über primäre und sekundäre Spulen verbunden ist, deren Verwendung in transkutanen Energiesystemen. Mit anderen Worten, es wurde zuvor angenommen, dass eine Breitband-Leistungsübertragung für eine transkutane Energieübertragung nicht durchführbar wäre.
Das hierin beschriebene System wurde so gestaltet, dass es einen niederen Q-Wert hat, indem die Spuleninduktivität so gewählt wurde, dass die Verwendung von Spreizspektrumfrequenzen erleichtert wird. Eine einfache Serien RLC-Schaltung hat einen Q-Wert von
und eine Resonanzfrequenz von
Eine Kombination von (1) und (2) ergibt BW_3dB = R / 2πL (3)
In den obenstehenden Gleichungen ist Q der Qualitätsfaktor, BW_3dB ist die halbe Leistungsbandbreite, f₀ ist die Resonanzfrequenz, R ist der Schaltungswiderstand, L ist die Schaltungsinduktivität und C ist die Schaltungskapazität.
Wie aus diesen Gleichungen erkennbar ist, erzeugt eine Maximierung des Widerstandes und Minimierung der Induktivität die größte Bandbreite. Für ein induktiv gekoppeltes System, das Zehner Watt Leistung überträgt, erzeugt eine Maximierung des Widerstands nicht bewältigbare Spannungspegel und eine Minimierung der Induktivität begrenzt die Wirksamkeit der induktiven Kopplung. Zum Beispiel ist bei 30 Watt, die für die Last bei 15 V nominal abgegeben werden, der äquivalente Widerstand, der am Ausgang der sekundären Spule beobachtet wird, nur 7,5 Ohm.
Aus diesem Grund wurde das induktive Kopplungssystem nicht einfach so gestaltet, dass es jede Seite des Kopplungstransformators resoniert, wie dies in früheren Systemen der Fall war. Vielmehr wurde das induktive Kopplungssystem als Bandpassfilter gestaltet und entworfen. Ein Beispiel für ein typisches Bandpassfilter ist in 4A dargestellt. Eine Untersuchung der äquivalenten Schaltung eines Transformators (siehe 4B) zeigt, dass der Transformator die Struktur eines Bandpassfilters hat, wenn Kondensatoren oder Abstimmkondensatoren in Serie den Streuinduktivitäten X_P und X_S hinzugefügt werden. Im Allgemeinen bilden die Abstimmkondensatoren und die Streuinduktivitäten Reihenelemente des Bandpassfilters und die Magnetisierungsinduktivität bildet ein Shunt-Element. Durch die Auswahl der Induktivität des Transformators können die Streuinduktivität und zusätzliche Kondensatoren zur Schaffung einer Bandbreite verwendet werden, die breit genug ist, um ein Spreizspektrumsignal zu unterstützen. Auch für einen Luftkerntransformator, der in mehreren Ausführungsformen des Systems hierin verwendet wird, sind die Kernverluste null, was bedeutet, dass R_C aus dem Modell entfernt werden kann und nur die Magnetisierungsinduktivität X_M verbleibt. In einer Reihe von Ausführungsformen sind das externe oder primäre System 100 und interne oder sekundäre System 200 so ausgebildet, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der externen Spule 130 zur internen Spule 230 gesendet wird, von ±10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als oder kleiner 10% führt.
Da die Systeme hierin ein primäres und sekundäres enthalten, die so gestaltet sind, dass sie einen niederen Q-Wert haben (definiert oben in Gleichung 1 als f₀/BW_3dB), können Spreizspektrumsignale verwendet werden, ohne die Resonanzfrequenz oder die Mittenfrequenz des Systems einstellen zu müssen. Mit anderen Worten, das System erfordert keine Neuabstimmung zur Verwendung der Frequenzsprungsignale. Infolgedessen kann das System in einer Reihe von Ausführungsformen eingestellte oder fixierte Abstimmkondensatoren anstelle eines mühsamen und energieverbrauchenden, rekonfigurierbaren Abstimmnetzwerkes enthalten. Da das System ein Satz fixierter Resonanz haben kann, kann ferner der primäre Treiber die Frequenz (den Frequenzsprung) des Leistungsübertragungssignals einstellen, ohne das sekundäre über die Frequenzänderung zu informieren.
Da das System einen niederen Q-Wert (eine breite Bandbreite) hat, können zusätzlich ausgeklügelte Spreizspektrumsignale mit mehr als einer Frequenzkomponente zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendet werden, wie ein Direktsequenz-Spreizspektrum. In einer Reihe von Ausführungsformen hierin ist der Q-Wert des Systems kleiner 100, kleiner 50, kleiner 10 oder sogar kleiner 5. In einer Reihe solcher Ausführungsformen ist der Q-Wert des Systems kleiner 10 oder kleiner 5.
In einer Reihe von Ausführungsformen hierin kann die Resonanzfrequenz der primären Spule und/oder der sekundären Spule (und somit die Mittenfrequenz des Spreizspektrum-Energieübertragungssignals) als Reaktion auf zum Beispiel die Fehlausrichtung der primären Spule und der sekundären Spule, als Reaktion auf Änderungen in Komponentenwerten, die mit der Zeit driften können, oder als Reaktion auf die Temperatur des externen Systems eingestellt werden. Abstimmkondensatoren können zum Beispiel im Laufe ihrer Lebenszeit infolge von Faktoren wie Feuchtigkeitsabsorption in ihrem Wert driften. Das Abstimmen der primären Spule und/oder der sekundären Spule kann als Reaktion auf zum Beispiel eine Fehlausrichtung der primären Spule und sekundären Spule, als Reaktion auf Änderungen in Komponentenwerten, die im Laufe der Zeit driften können, oder als Reaktion auf die Temperatur des externen Systems eingestellt werden. In solchen Ausführungsformen kann zum Beispiel ein rekonfigurierbares Abstimmnetzwerk verwendet werden. Nach jeder derartigen Einstellung in der Resonanz oder Mittenfrequenz kann der Spreizspektrumalgorithmus um die neue Resonanzfrequenz zentriert werden. Da sich die Frequenz während der Spreizspektrumalgorithmen hierin ändert, besteht jedoch kein Bedarf, entweder die primäre Spule oder die sekundäre Spule auf die verschiedenen Frequenzen abzustimmen, die im Spreizspektrumalgorithmus verwendet werden.
Ein Simulationsschema für das gestaltete induktive Kopplungssystem ist in 4C dargestellt. Zu Simulationszwecken wurde der Kopplungskoeffizient mit 0,8 zur Gestaltung der Streuinduktivitäten angenommen und die Last war 7,5 Ohm (30 Watt bei 15 V). Der äquivalente Serienwiderstand (ESR) jeder Spule war im Transformatormodell enthalten. Die Ergebnisse sind in 4D dargestellt, die zeigt, dass die Übertragungseffizienz von Vin zu Vout von 100 kHz bis fast 300 kHz sehr gut ist. Ein simuliertes Bandpassmodell des induktiven Kopplungssystems ist in 4E dargestellt, wo die Streuinduktivitäten mit 20% der Spuleninduktivitäten und die Magnetisierungsinduktivität mit 10 uH angenommen wurden. Wie in 4F erkennbar ist, zeigen die Ergebnisse des Bandpassmodells eine sehr gute Übereinstimmung mit der Transformatorsimulation.
Um die Bedeutung einer Gestaltung des induktiven Systems unter Verwendung eines Bandpassfiltermodells zu zeigen, wurde das System in 4C durch Abwärtsskalieren der Transformatorinduktivitäten um einen Faktor von vier modifiziert. Gleichung 3 würde nahelegen, obwohl das System nicht einfach ein RLC ist, dass eine Verringerung der Induktivität die Bandbreite erhöhen sollte. Zur Sicherstellung einer Resonanz bei 125 kHz wurden die Kondensatoren um einen Faktor von vier erhöht, um dieselbe Resonanzfrequenz wie 4C beizubehalten, die mit Gleichung 2 berechnet wurde. Das Schema ist in 4G dargestellt. Die Ergebnisse, die in 4H dargestellt sind, zeigen eine Resonanz bei 125 kHz, wie durch Gleichung 2 vorhergesagt, aber die Bandbreite ist vergleichsweise sehr schmal. Diese Analyse zeigt, dass das induktive Kopplungssystem im günstigen Fall so konstruiert wird, dass es resoniert und als Bandpassfilter konstruiert ist, um eine ausreichende Bandbreite zur Unterstützung eines Spreizspektrumsignals zu haben.
5A zeigt, dass die maximale Umwandlungseffizienz erreicht wird, indem die Ausgangsleistung bei 30+ Watt (maximaler Last) gehalten wird. Wenn jedoch eine geringere Leistung bei der Last notwendig ist, verringert eine Verringerung der Ausgangsleistung durch Ändern der primären Antriebsspannung die Umwandlungseffizienz. Daher ist es effizienter, die Leistungsübertragung bei einem Leistungspegel von 30+ Watt zu ermöglichen und dann die Übertragung für eine bestimmte Zeitspanne zu sperren. In einer Reihe von Ausführungsformen ist die Übertragungseffizienz des Systems (wobei die Übertragungseffizienz als P_OUT-DC/P_IN-DC·100 definiert ist) mehr als 75%, mehr als 80% oder mehr als 85%. Während der gesperrten Zeit kann eine Kapazität an der sekundären (internen) Seite der induktiven Übertragung Leistung für die Last (implantierte Vorrichtung) bereitstellen. Wenn zusätzliche Leistung erforderlich ist, kann die primäre (externe) Seite freigegeben werden, um das Kondensatorsystem 250 wieder aufzuladen. Im Allgemeinen ist für Leistungspegel um 30 Watt jede Kapazität, die im sekundären oder internen System mit vernünftiger physischer Größe für die Last (implantierte Vorrichtung 300) gestaltet ist, unzureichend, um die Last über eine nennenswerte Zeitspanne zu betreiben. Daher wird das primäre häufig freigegeben oder erregt und gesperrt, um dem sekundären Leistung bereitzustellen. Zum Beispiel kann in einer Reihe von Ausführungsformen das interne sekundäre System nur weniger als eine Sekunde funktionieren, bevor das Kondensatorsystem 250 durch das primäre wieder geladen wird. Wie oben beschrieben, ist das System 10 so gestaltet, dass es die Spannung am Kondensatorsystem 250 innerhalb eines Spannungsfensters mit einem unteren und einem oberen Schwellenwert hält. Die Systemeffizienz ist so gestaltet, dass die Übertragungseffizienz nicht durch den exakten Spannungspegel beeinflusst wird, der am Kondensatorsystem 250 beobachtet wird. Dies ist in der Grafik von 5A durch Überprüfung der Umwandlungseffizienz bei 30+ Watt für 14, 15, und 16 Volt erkennbar.
5B zeigt Änderungen im Leistungsbedarf der Last (implantierten Vorrichtung 300), der externen/primären Ausgangsspannung und der Spannung des internen/sekundären Kondensatorsystems 250 über eine Zeitspanne für mehrere Ausführungsformen hierin. Wie dargestellt, ist der Leistungsbedarf der implantierten Vorrichtung 300 anfänglich ungefähr 100%. Leistung wird über die primäre oder externe Spule 130 durch Schübe oder einen Ein/Aus-Zyklus der externen Spule 130 (erfolgt zum Beispiel durch Ein/Ausschalten oder Ein/Ausmodulieren der Energieübertragungsfrequenz oder Freigeben-Sperren des primären Treibers oder H-Brücken-Treibers) bei einer vorgegebenen Leistung oder Spannungsamplitude (oder einem Amplitudenbereich) ausreichend hoch übertragen, um die vorgegebene Effizienz (zum Beispiel mindestens 75% oder mindestens 80%) bereitzustellen. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die Effizienz zu maximieren. Nach einer Zeitspanne nimmt der Leistungsbedarf der implantierten Vorrichtung 300 auf 50% in 5B ab. Wie in 5B dargestellt, werden die Amplitude und Frequenz des Spannungsausgangs der externen Spule 130 bei der vorgegebenen Amplitude (oder dem Amplitudenbereich) gehalten, aber die Dauer der Energieschübe nimmt im Vergleich zum Fall eines 100% Leistungsbedarfs ab. Nach einer Zeitspanne nimmt der Leistungsbedarf der implantierten Vorrichtung 300 weiter auf 10% in 5B ab. Einmal mehr werden die Amplitude und Frequenz des Spannungsausgangs der externen Spule 130 bei der vorgegebenen Amplitude (oder dem Amplitudenbereich) gehalten, aber die Dauer der Energieschübe nimmt im Vergleich zu dem Fall eines 50% Leistungsbedarfes ab. Sobald der Leistungsbedarf der implantierten Vorrichtung 300 von 10% auf 100% in 5B steigt, werden die Amplitude und Frequenz des Spannungsausgangs der externen Spule 130 bei der vorgegebenen Amplitude (oder dem Amplitudenbereich) gehalten, aber die Dauer der Energieschübe nimmt zu. Vorzugsweise ist die Dauer der Energieschübe mindestens mehrere Zyklen bei der Mittenfrequenz des Spreizspektrumsignals. Wie oben beschrieben, arbeitet das Kondensatorsystem 250 auf ähnliche Weise wie ein Filterkondensator, um das gleichgerichtete Spreizspektrumsignal zu filtern und die häufigen Energieschübe zu filtern, um der implantierten Vorrichtung 300 eine DC Spannung in einem vorgegebenen Bereich von Spannungen bereitzustellen. Die Amplitude der Leistung oder des Spannungsausgangs des externen Systems 100/der externen Spule 130 kann zum Beispiel innerhalb von 20% der vollen Leistung, innerhalb 10% der vollen Leistung oder bei voller Leistung gehalten werden, wenn die externe Spule 130 erregt ist.
Wie oben beschrieben, ist das System 10 zur Übertragung von Leistung unter Verwendung von Spreizspektrumsignalen gestaltet. 5C zeigt, dass die Bandbreite von System 10 so gestaltet wurde, dass sie eine ausreichend niederen Q-Wert hat, um eine Spreizspektrumübertragung zu ermöglichen. Wie erkennbar ist, verringert eine ±10% Änderung in der Frequenz im Vergleich zur Mittenfrequenz die Übertragungseffizienz um nur ungefähr drei bis fünf Prozentpunkte, was kleiner 10% ist.
Frühere Lösungen haben das Tastverhältnis der H-Brücken-Grundantriebsfrequenz verändert, um die Ausgangsleistung einzustellen. Wie aus 5D erkennbar ist, verringert eine Verringerung des Tastverhältnisses die Leistungsmenge, die für die Last abgegeben wird, verringert aber auch die Übertragungseffizienz des Systems, was unerwünscht ist, da unerwünschte Wärme (Verlust) erzeugt wird und die Laufzeit des Batterie-Packs an der primären Seite verringert wird.
Wie oben beschrieben, kann das interne Steuersystem des internen Systems 200 zum Beispiel eine zweite interne Steuerung 220 enthalten (die zum Beispiel eine Mikrosteuerung oder einen Mikroprozessor enthält), um die implantierte Vorrichtung 300 zu überwachen und zu steuern. Entweder die erste interne Steuerung 210 oder zweite interne Steuerung 220 kann zum Beispiel auch einen oder mehrere Sensoren, Sensorsysteme oder Sensorgruppen 280 und/oder 280' überwachen, die einen oder mehrere Sensoren enthalten können (zum Beispiel Drucksensoren, Strömungssensoren, Kraftsensoren, Temperatursensoren, pH-Sensoren usw.). Damit eine externe Überwachung und/oder Steuerung der implantierten Vorrichtung 300, des Sensorsystems 280 und/oder anderer internen oder implantiertet Komponenten möglich ist, kann das interne System 200 zum Beispiel ein zweites internes Kommunikationssystem 290 enthalten. Eine externe Überwachung und/oder Steuerung von verschiedenen internen Systemkomponenten kann zum Beispiel mit drahtloser (zum Beispiel Hochfrequenz) Kommunikation zwischen dem zweiten internen Kommunikationssystem 290 des internen Systems 200 und einem oder mehreren externen Kommunikationssystemen/externen Steuerungen erfolgen, die zum Beispiel das zweite externe Kommunikationssystem 190 und die erste externe Steuerung 110 des externen Systems 100 enthalten. Die Frequenz, die für eine Kommunikation zwischen dem zweiten internen Kommunikationssystem 290 des internen Systems 200 und einem oder mehreren externen Kommunikationssystemen/externen Steuerungen verwendet wird, kann sich vom Frequenzbereich der Leistungsübertragung unterscheiden und vom Frequenzbereich der Kommunikation zwischen dem ersten internen Kommunikationssystem 270 und dem ersten externen Kommunikationssystem 170 unterscheiden. Ein Frequenzbereich von 402 MHz–405 MHz wurde zum Beispiel für medizinische Implantat-Kommunikationssysteme (MICS) empfohlen und wurde in den USA von der Federal Communications Commission (FCC), Richtlinien 47 CFR 95.601–673, und in Europa im European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Standard EN 301 839-1 festgelegt. Fernkommunikationen mit dem zweiten internen Kommunikationssystem 290 können zum Beispiel den MICS-Richtlinien zur bidirektionalen Übertragung digitaler Daten zwischen dem internem System 20, das die interne(n) Steuerung(en) enthält, und der implantierten Vorrichtung 300, und einem oder mehreren externen Kommunikationssystemen/externen Steuerungen folgen. Solche externen Kommunikationssysteme und/oder externen Steuerungen können zum Beispiel Komponenten eines externen Steuersystems 100, einer Patientenstation 500 (die zum Beispiel ein Ladegerät 510 für eine wiederaufladbare Batterie 120 enthalten kann), einer Pflegestation 600 (die zum Beispiel von einem Arzt und/oder einem Pfleger verwendet wird) und einer Herstellerstation 700 sein (siehe 6). Zur Minimierung des Leistungsverbrauchs kann die digitale Sendeleitung ausgeschaltet werden, wenn sie nicht in Gebrauch ist. Ein energiearmes Wecksignal (zum Beispiel ein 2,4 GHz Wecksignal) kann zum Beispiel zum Einschalten der Übertragungsverbindung verwendet werden. Auf MICS beruhende interne oder implantierbare Kommunikationseinheiten und externe Kommunikationseinheiten oder Basisstationen, die hierin zur Verwendung geeignet sind, sind zum Beispiel, von Zarlink Semiconductor Inc., Ottawa, Kanada, erhältlich.
Die Verwendung von zum Beispiel MICS, einem zweiten internen Kommunikationssystem 290 und/oder zweiten externen Kommunikationssystem 190 kann eine relative drahtlose Hochgeschwindigkeitsverbindung größerer Reichweite (zum Beispiel bis ungefähr 2 Meter) zwischen dem internen System 200 und der Patientenstation 500, Pflegerstation 600 oder Herstellerstation 700 errichten. Die drahtlose Kommunikationsverbindung kann zum Beispiel verwendet werden, um Patientengesundheits- und Vorrichtungsbetriebsdaten zur bettseitigen Patientenstation 500 über ein drahtloses Hochfrequenz-Kommunikationssystem 520 der Patientenstation 500 zu senden. Daten können zum Beispiel von der Patientenstation 500 über ein Netzkommunikationssystem 530 (unter Verwendung zum Beispiel eines Festnetztelefondienstes, des Internets usw.) zum Beispiel über ein Netzkommunikationssystem 620 der Pflegerstation 600 Pflegerstation 600 gesendet oder weitergeleitet werden. Wenn sich der Patient im Büro des Pflegers befindet oder aber in der Nähe der Pflegerstation 600 (die zum Beispiel einen spezifischen oder Allzweck-Computer enthalten kann), kann das drahtlose digitale Kommunikationsprotokoll (mittels Kommunikation zwischen einem drahtlosen Kommunikationssystem 610 der Pflegerstation 600 und dem zweiten internen Kommunikationssystem 290 oder zweiten externen Kommunikationssystem 190) vom Pfleger verwendet werden, um zum Beispiel Betriebsparameter zur zweiten internen Steuerung 220 für die implantierte Vorrichtung 300 herunterzuladen, um zum Beispiel den Betrieb der implantierten Vorrichtung 300 für einen patientenspezifischen Betrieb zu konfigurieren. Als Alternative kann eine verdrahtete Verbindung (zum Beispiel mit einer universellen Serienbus-(USB)Verbindung) zwischen einem Anschluss 632 eines verdrahteten Kommunikationssystems der Pflegerstation 600 und einem Anschluss 194 eines verdrahteten Kommunikationssystems 192 des externen Systems 100 verwendet werden.
Unter Verwendung einer Herstellerstation 700 (die zum Beispiel einen spezifischen oder Allzweck-Computer enthalten kann) kann ein Hersteller zum Beispiel eine Kommunikationsverbindung (über ein drahtloses Kommunikationssystem 710 oder über einen Kommunikationsanschluss eines verdrahteten Kommunikationssystems 630) zum Herunterladen von Betriebs-Firmware von der Herstellerstation 700 zur zweiten internen Steuerung 220 für die implantierte Vorrichtung 300 verwenden. Die Herstellerstation 700 kann als Dienst- und Diagnosestation dienen. Die Herstellerstation 700 kann zur Überwachung von Betriebsinformationen der Vorrichtung und zum Hochladen von Betriebs-”Konfigurationsparametern” verwendet werden. Die Herstellerstation 700 kann auch eine Netzkommunikationsverbindung 720 enthalten, um zum Beispiel mit dem externen System 100, der Patientenstation 500 oder der Pflegerstation 600 zu kommunizieren. Die Herstellerstation 700 kann auch ein verdrahtetes Verbindungssystem 730 (zum Beispiel eine USB-Verbindung) enthalten, das einen Kommunikationsanschluss 732 enthält, um eine verdrahtete kommunikative Verbindung mit dem Anschluss 194 des verdrahteten Kommunikationssystems 192 zu bilden.
Die zweite interne Steuerung 220 kann zum Beispiel verschiedene Parameter des Betriebs der implantierten Vorrichtung 300 im Laufe der Zeit überwachen und aufzeichnen (ähnlich einer ”Flugsteuerung”), um solche Informationen einem Pfleger und/oder einem Hersteller bereitzustellen (zum Beispiel, Betriebsspannungen, Ströme usw.). Die Pflegerstation 600 kann zum Beispiel zum Programmieren des Betriebs der implantierten Vorrichtung 300 auf einer Pro-Patient-Basis verwendet werden. In einer Reihe von Ausführungsformen kann die Pflegerstation 600 periodisch mit der Patientenstation 500 (zum Beispiel in der Nacht) über zum Beispiel das Internet kommunizieren, so dass ein Arzt oder anderer Pfleger den Patienten und Vorrichtungsstatus über längere Zeiträume überwachen kann.
Wie oben besprochen, ist in einer Reihe von Ausführungsformen die implantierte Vorrichtung 300 eine Blutstromunterstützungsvorrichtung wie zum Beispiel in den US Patentanmeldungen Nr. 3/370,113, 13/370,137 und 13/370,155 und in der PCT Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/US2012/024572 beschrieben. Solche Unterstützungsvorrichtungen sind ein Herzunterstützungspumpsystem 300 mit beweglichem Ventil, das zum Beispiel entsprechend einem Blutgefäß wie der aufsteigenden Aorta angeordnet werden kann, wie in 7 dargestellt. In dem Pumpensystem 300 versetzt ein Motor 320 eine Ventilanordnung 330 in eine Hin- und Herbewegung, die Verschlusselemente 332 enthält, die sich bei der Vorwärtsbewegung der Ventilanordnung 300 (relativ zum Blutstrom vom Herz durch das Pumpensystem 300) schließen und bei einer Rückwärtsbewegung der Ventilanordnung 330 öffnen (siehe 8). Die Ventilanordnung 300 kann zum Beispiel in der Nähe des Umkreises an eine flexible Leitung 304 angeschlossen sein, durch die Blut strömt.
Steuerparameter des Pumpensystems 300, die zum Beispiel von einem Pfleger über die Pflegerstation 500 eingestellt werden können, enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Zeitsteuerung und/oder Frequenz der Bewegung der Ventilanordnung 330. Wenn eine Schrittmacherfunktion enthalten ist (zum Beispiel als eine Komponente der zweiten internen Steuerung 220), kann eine Schrittsteuerung des Herzens auch von einem Pfleger eingestellt werden. Es können verschiedene Sensoren in Verbindung mit dem Pumpensystem 300 verwendet werden, wie ein Strömungssensor 282 (zum Beispiel ein Thermistor) und ein Drucksensor 284, von welchen jeder in strömungstechnischer Verbindung mit dem Blutströmungsweg durch das Pumpensystem 300 (siehe 8 und 9) angeordnet werden kann. Verschiedene andere Sensoren 286 können zum Beispiel in betriebsbereiter Verbindung mit dem Pumpensystem 300 angeordnet werden (zum Beispiel ein Stromsensor in betriebsbereiter Verbindung mit dem Motor 320, ein Kraftsensor in betriebsbereiter Verbindung mit der Ventilanordnung 300, usw.), um verschiedene Betriebsparameter des Pumpensystems 300 zu messen. Leiter 288' können in betriebsbereiter Verbindung mit dem Herzen des Patienten angeordnet und zum Erfassen der elektrischen Aktivität und Frequenz des Herzens zur Verwendung in der Zeitsteuerung der Bewegung der Ventilanordnung 330 verwendet werden. Zum Beispiel kann die P-Welle des Herz-Elektrokardiogramms oder ein Teil des QRS-Komplexes für die Zeitsteuerung der Ventilbewegung verwendet werden. Leiter 288' können auch in der Schrittsteuerung des Herzens verwendet werden. Andere Sensoren 280' können zum Beispiel verschiedene physiologische Patientendaten messen (zum Beispiel, atrialen Druck, linken Ventrikeldruck, Temperatur, Atmungsvariable usw.). Wie in 9 dargestellt, können Sensoren wie oben beschrieben in kommunikativer Verbindung mit der ersten internen Steuerung 210 angeordnet werden.
In einer Reihe von Ausführungsformen wurden wie oben beschrieben verschiedene Sensorleiter an die erste interne Steuerung 210 und nicht an die zweite interne Steuerung 220 angeschlossen, die das Pumpensystem 300 steuert. Diese Teilung kann zum Beispiel erfolgen, damit die zweite interne Steuerung 220 ihre Aktivität auf die Steuerung der implantierten Vorrichtung/des Pumpensystems konzentriert. Wie oben beschrieben, können die Steuerung des Pumpensystems (und/oder einer anderen implantierten Vorrichtung), die Sensorüberwachung, die Kommunikationssteuerung usw. mit einer einzigen Steuerung ausgeführt werden oder solche Aufgaben können auf zwei oder mehr Steuerungen verteilt werden. Ferner können verschiedene Signale redundant geleitet oder zwischen zwei oder mehr Mikrosteuerungen geteilt werden.
Ein Pfleger kann zum Beispiel Strömungs- und Druckmessungen (und/oder andere gemessene Eigenschaften des Blutes oder Parameter des Pumpensystems 300) entweder während der Blutstromunterstützung oder ohne Blutstromunterstützung beobachten. Wenn die Ventilanordnung 330 des Pumpensystems 300 in den ”Aus-Modus” gestellt ist, ist die Ventilanordnung stationär und in einem offenen Zustand und der Pfleger kann das nicht unterstützte Blutstromprofil des Patienten beobachten und die Pflegerstation 500 kann zum Beispiel das Strömungssignal zur Berechnung der Herzschlagvolumina wie auch der Herzleistung, angegeben in Liter pro Minute oder LPM-Einheiten, integrieren. Der Pfleger kann dann die bewegliche Ventilunterstützung hinzufügen, indem die Ventilanordnung 330 unter Verwendung von zum Beispiel Testmodi und Zeitsteuerungseinstellungen aktiviert wird um festzustellen, welcher Betriebsmodus des beweglichen Ventils für den Patienten der Beste ist (um zum Beispiel eine bestimmte oder gewünschte unterstützte Herzleistung zu erhalten). Eine oder beide von der ersten externen Steuerung 110 oder zweiten internen Steuerung 220 können dann für einen automatischen Betrieb des beweglichen Ventils programmiert werden, wenn der Patient den Pfleger/Arztbereich verlässt.
Der Ausgang von Sensoren, die eine Messung eines oder mehrerer Parameter des Bluts bereitstellen (einschließlich zum Beispiel Blutstromparameter), wie der Sensoren 282 und 284 und/oder andere Sensoren, kann bei der Einstellung von Parametern für das Pumpensystem 300 wie auch zum Bereitstellen einer geschlossenen Schleifensteuerung des Pumpensystems 300 verwendet werden. Wie in der Computertechnik bekannt ist, können Steueralgorithmen, die künstliche Intelligenz-Programme enthalten können, in die Prozessoren (zum Beispiel Mikroprozessoren) von Systemsteuerungen programmiert werden, einschließlich zum Beispiel Wenn-Dann-Aussagen, wie auch anderer Arten einer automatischen logischen Steuerung.
Zusätzlich zu physiologischen Ausgangssignalen, wie Strömung und Druck, können auch Motorleistungsparameter oder Signale erfasst und periodisch aufgezeichnet werden. Diese Signale können zum Beispiel Motorstrom, Motorkommutierung, Zeitgebung wie auch Motordrehzahl und ihre Ableitungen der Ventildrehzahl, Ventilposition und Ventilbeschleunigung enthalten oder darauf bezogen sein. Diese Signale können zum Beispiel zur zweiten internen Steuerung 220 über implantierte Leiter gesendet werden, die die zweite interne Steuerung 220 mit dem Pumpensystem 300 und dem Herzen des Patienten verbinden. Unter Verwendung des bekannten Verhältnisses von Motorstrom zu Motordrehmoment ist das System imstande, die Kraft zu bestimmen, die dem beweglichen Ventil zugeführt wird. Durch zusätzliches Bestimmen/Messen des Drucks hinter dem Ventil ist das System imstande, zum Beispiel die Druckdifferenz über die Ventilanordnung 330 zu berechnen. Die Druckdifferenz über die Ventilanordnung 330 kann auch direkter mit einem passenden Sensor oder Sensoren gemessen werden. Diese Druckdifferenz, wenn mit der Ventilanordnungsgeschwindigkeit multipliziert und während des Vorwärtshubs der Ventilanordnung 330 integriert, stellt Ventilanordnungsarbeits- und Leistungsinformationen bereit. Bei ausgeschaltetem Pumpensystem 300 stellen eine Strömungs- und Druckerfassung auf ähnliche Weise Informationen zur nicht unterstützten Herzarbeit und Leistung bereit. Bei eingeschaltetem Pumpensystem 300 können die relativen Leistungsbeiträge des Herzens und Pumpensystems 300 berechnet und die Betriebsparameter des Pumpensystems 300 eingestellt werden, um die bestmöglichen Resultate für den Patienten nach Urteil des Pflegers zu erreichen.
Unter Bezugnahme auf zum Beispiel 1B, 5E, 11 und 12 wurden in einer Reihe von repräsentativen Ausführungsformen die Systeme hierin wie in 1B konstruiert und wie in 5E, 11 und 12 dargestellt betrieben. In der Ausführungsform von System 10a von 1B wurde das externe System 100a so gestaltet, dass es von zum Beispiel einem einzigen Batterie-Pack mit Leistung versorgt wurde, der vier in Serie verbundene wiederaufladbare Batteriezellen enthielt, die gemeinsam hierin als die Batterie 120 bezeichnet werden, mit einer zur Gänze geladenen maximalen Spannung von 16,8 V und einer zur Gänze entladenen minimalen Spannung von 12 V. Die Batterie 120a lieferte Leistung zu drei DC/DC-Wandler. Mehr oder weniger als vier externe Batteriezellen können in einer passenden seriellen/parallelen Konfiguration angeordnet werden, wie dem Fachmann auf dem elektrischen Gebiet bekannt ist, um die Betriebszeit des Batterie-Packs zwischen Ladungen und/oder die Betriebsdauer ohne Ändern der festgelegten Betriebsspannungen des Systems hierin zu ändern. Mehrere redundante externe Batterie-Packs sind nicht notwendig.
In System 10a stellte ein erster DC/DC-Wandler 12 V für einen H-Brücken-Treiber (zum Beispiel einen Modell HIP 4081 A Hochfrequenz H-Brücken-Treiber, erhältlich von Intersil Corporation, Milpitas, Kalifornien USA) bereit. Der H-Brücken-Treiber trieb NFETS 140a an, um die Antriebsfrequenz und Leistung bereitzustellen, die der abgestimmten primären Spule 130a zugeleitet wurde, die acht Wicklungen aus 12 AWG Litze enthielten. Die primäre Spule 130a war zum Resonieren mit einer Mittenfrequenz von ungefähr 122,5 kHz mit einer Bandbreite gestaltet, die breit genug war, um 120–130 kHz abzudecken. Die Resonanz wurde mit einem einzigen Abstimmkondensator in Serie mit der primären Spule 130a erreicht. Zwei Abstimmkondensatoren, einer an jeder Seite der primären Spule 130a, können optional verwendet werden, um das System ins Gleichgewicht zu bringen und ein Schaltrauschen auf der primären Spule 130a zu verringern, um die EMI Einhaltung zu garantieren, wie zum Beispiel vom FCC verlangt.
Ein zweiter DC/DC-Wandler stellte die Leistung für die H-Brücken-NFETs 140a bereit, die effektiv die primäre Spule 130a antrieb. Der 10 V Ausgang des zweiten DC/DC ging durch eine Stromsensorschaltung 150a, die zum Beispiel einen Erfassungswiderstand und einen Stromerfassungsverstärker enthielt. In einer Reihe von Ausführungsformen würde die Stromsensorschaltung 150a den H-Brücken-Treiber sperren, wenn der Strom zehn Amp übersteigt.
Ein dritter DC/DC-Wandler stellte die Leistung für eine externe Steuersystem/Steuerung 110a (zum Beispiel eine Mikrosteuerung) und ein externes Kommunikationssystem 190a (das zum Beispiel einen Hochfrequenz-Sender/Empfänger-Schaltkreis enthielt) bei 3,3 V bereit. Die externe Steuerung 110a wurde zur Steuerung des Betriebs der H-Brücke und des Funks 190a verwendet. Die externe Steuerung 110a gab den H-Brücken-Treiber frei oder sperrte ihn und leitete die Antriebsfrequenz zum H-Brücken-Treiber. Zusätzlich wurde die externe Steuerung 110a so programmiert, dass die Antriebsfrequenz zum H-Brücken-Treiber einen Frequenzsprung ausführte, um zum Beispiel dazu beizutragen, die EMI von der primären Spule 130a zu verringern. In einer Reihe von Ausführungsformen sprang die Frequenz in 1 kHz Schritten von 120 kHz auf 126 kHz. Die Verweildauer auf jedem Kanal war zum Beispiel 1 ms, wobei jeder Kanal dieselbe aktive Zeit erhielt. Bei 1 ms war die Anzahl von Zyklen auf einem Kanal gleich 1 ms mal der Kanalfrequenz. Zum Beispiel entspricht eine 120 kHz Antriebsfrequenz 120 Zyklen bei 120 kHz in 1 ms. Daher wäre die Ausgangssequenz von der externen Steuerung 110a wie folgt: 120 Zyklen bei 120 kHz, gefolgt von 121 Zyklen bei 121 kHz, gefolgt von 122 Zyklen bei 122 kHz, gefolgt von 123 Zyklen bei 123 kHz, gefolgt von 124 Zyklen bei 124 kHz, gefolgt von 125 Zyklen bei 125 kHz, gefolgt von 126 Zyklen bei 126 kHz, dann wird die Sequenz kontinuierlich wiederholt. Die erhaltene durchschnittliche EMI von der primären Spule 130a wurde auf ein Siebentel jener eines vergleichbaren Systems verringert, in dem kein Spreizspektrum-Steueralgorithmus verwendet wurde. Zusätzliche Kanäle können hinzugefügt werden und die Bandbreite kann erhöht werden. Das System kann zum Beispiel eine 10 kHz Bandbreite mit elf Kanälen mit 1 kHz Kanalabstand abdecken. Die externe Steuerung 110a wurde auch zum Empfangen von Befehlen vom externen Kommunikationssystem 190a gestaltet. Das externe Kommunikationssystem 190a war zum Beispiel dazu ausgebildet, Informationen/Befehle vom internen System 200a über ein internes Kommunikationssystem 290a zu empfangen (das zum Beispiel einen Hochfrequenz-Sender/Empfänger-Schaltkreis enthielt). In einer Reihe von Ausführungsformen erfolgte die Hochfrequenzkommunikation im 915 MHz Band und verwendete ein robustes Modulationsprotokoll des Direktsequenz-Spreizspektrums (DSSS) um dazu beizutragen, eine mögliche Interferenz von anderen elektronischen und drahtlosen Vorrichtungen zu eliminieren. Zusätzlich kann das DSSS einen Frequenzsprung ausführen, um ein extrem robustes Signal zu erzeugen. Das 915 MHz DSSS schmiert die Energie im HF-Kommunikationssignal über eine Bandbreite von mehr als 500 kHz. Der Frequenzsprung des DSSS Signals bewegt die Mittenfrequenz des verschmierten Signals in dem Band herum. Das erhaltene Frequenzsprung-Direktsequenz-Spreizspektrumsignal wird gegenüber einer Interferenz sehr immun. In einer Reihe von Ausführungsformen von System 10a wurden keine Kommunikationssignale über die externe Spule 130a und interne Spule 230a gesendet.
Das interne System 200a enthielt eine sekundäre Spule 230a und einen seriellen Abstimmkondensator. Der Kondensator wurde zur Einstellung der Resonanzfrequenz auf ungefähr 122,5 kHz verwendet. Zwei Abstimmkondensatoren, einer an jeder Seite der sekundären Spule, können optional verwendet werden, um das System ins Gleichgewicht zu bringen und Schaltrauschen auf der sekundären Spule zu verringern, um eine EMI Einhaltung zu garantieren, wie zum Beispiel vom FCC verlangt. Ein Sicherheits-Shunt 232a wurde über der abgestimmten sekundären Spule 230a angeordnet. In einer Reihe von Ausführungsformen würde der Shunt 232a nur im Falle eines Versagens oder Fehlers des Systems aktiviert werden. Der Shunt 232a schließt den Ausgang der sekundären Spule 230a kurz um sicherzustellen, dass dem internen System 200a keine weitere Energie bereitgestellt wird, die eine übermäßige Hitze und möglicherweise überschüssige Erwärmung von Körpergewebe verursachen könnte. Der Shunt 232a wurde für eine automatische Aktivierung gestaltet, wenn eine 21 V Überspannungsschutzschaltung 262a länger als eine vorgegebene Zeitspanne aktiviert ist. Der Shunt 232a könnte auch durch einen integrierten Temperatursensor aktiviert werden.
Der Ausgang der sekundären abgestimmten Spule 230a wurde einem Vollwellengleichrichter bereitgestellt, der mit verlustarmen Schottky-Dioden konstruiert war. Der Ausgang des Gleichrichters wurde durch ein erstes Energiespeichersystem gefiltert, wie ein Kondensatorsystem 250a, das zum Beispiel fünf 1000 uF 25 V elektrolytische Kondensatoren enthielt. Das Kondensatorsystem 250a hielt auch eine geringe Menge an Energie, so dass eine Reaktionszeit für die Kommunikation von Befehlen vom internen System 200a zum externen System 100a möglich war. Die Befehle waren von der Spannung auf dem Kondensatorsystem 250a abhängig. In einer Reihe von Ausführungsformen würde das interne System 200a das externe System 100a informieren, wenn die Spannung über 17 V ist, unter 15 V ist oder wenn sie zwischen 15 V und 17 V liegt. Die Spannungsüberwachung erfolgte periodisch, aber bei einer Frequenz, die sie im Wesentlichen zu einer kontinuierlichen Überwachung machte. In mehreren Ausführungsformen wurde die Spannung auf dem Kondensatorsystem 250 von zwei Komparatoren überwacht, die digitale Signale zum internen Steuersystem/zur Steuerung 210a (zum Beispiel einen Mikroprozessor) sendeten. Die interne Steuerung 210a bestimmte den Status und verwendete das interne Kommunikationssystem 290a (zum Beispiel ein 915 MHz DSSS System), um drahtlos Informationen/Befehle (über das externe Kommunikationssystem 190a) zum externen System 100a zu senden. Das interne System 200a enthielt einen DC/DC-Wandler zur Umwandlung des 17 V Signals in 3,3 V, um die interne Steuerung 210a und den Funk 290a zu betreiben.
In einer Reihe von Studien war die Effizienz der Leistungsübertragung vom 10 V DC/DC-Wandler zum Ausgang des Gleichrichters (DC in zu DC out) ungefähr 90% mit 35 W Ausgangsleistung.
Die Systeme hierin sind zur Verwendung in Verbindung mit zum Beispiel implantierbaren Systemen gut geeignet, in welchen ein ausfallssicherer Betriebsmodus bereitgestellt ist, sollte eine externe/primäre Leistungsquelle entfernt/deaktiviert werden. Wie oben beschrieben, enthält in einer Reihe von Ausführungsformen das interne System 200a eine implantierte Vorrichtung, wie zum Beispiel das Pumpensystem 300 mit beweglichem Ventil, oder steht in betriebsbereiter Verbindung mit dieser. In einer Reihe von Ausführungsformen war das Pumpensystem 300 in Serie mit dem Herzen verbunden, um das Herz beim Pumpen von Blut zu unterstützen, und ist so gestaltet, dass die Ventilanordnung(en) 330 darin in einem normalerweise offenen Zustand wie oben beschrieben sind. In dieser Hinsicht schließen sich Verschlusselemente 332 (die – zum Beispiel durch Federn oder andere Vorspannmittel – in einen offenen Zustand gespannt sein können) bei der Vorwärtsbewegung der Ventilanordnung 300 (relativ zum Blutstrom vom Herzen durch das Pumpensystem 300) und öffnen sich bei einer Rückwärtsbewegung der Ventilanordnung 330 (siehe 8). Die Ventilanordnung 300 öffnet sich (infolge des Vorspannens und/oder des Schwungs des natürlichen Blutstroms), wenn die sekundäre Spannung infolge zum Beispiel des Fehlens oder der Deaktivierung des externen Systems 100a verloren geht. Die Ventilanordnung 330 des Pumpensystems 300 öffnet sich als Reaktion auf das Pumpen des Herzens und behindert den Blutstrom nicht wesentlich. 8 zeigt Verschlusselemente 332 einer Ventilanordnung 330 in einem offenen Zustand zum Beispiel während eines Rückwärtshubs der Ventilanordnung 330 oder wenn aus irgendeinem Grund das Pumpensystem 300 nicht aktiv ist (zum Beispiel wegen eines Energieverlustes oder Versagens einer oder mehrerer Komponente(n) des Pumpensystems 300).
Der normalerweise offene Zustand der Ventilanordnung 330 des Pumpensystems 300 verringert oder eliminiert die Notwendigkeit für eine interne Energiespeichereinheit, die das Pumpensystem 300 betreiben könnte, wenn das externe System 100a nicht arbeitet. Der interne Energiespeicher verringert (zum Beispiel über eine interne/implantierte wiederaufladbare Batterie) die Lebensdauer einer internen/implantierten Vorrichtung. In dieser Hinsicht erfordern interne Energiespeichersysteme eine periodische Wartung durch einen chirurgischen Eingriff. Die Systeme hierin unterliegen dieser Einschränkung nicht. Die Betriebsleistung für das interne System 200a wird kontinuierlich in Echtzeit vom externen System 100a über längere Zeiträume zugeleitet (zum Beispiel für die Ladungsdauer der Batterie 120a); und das Pumpensystem 300 ist, wie oben beschrieben, so gestaltet, dass es den hindurchgehenden Blutstrom nicht wesentlich behindert, wenn das externe System 300 entfernt ist.
In einer Reihe von Ausführungsformen werden Verschlusselemente von Ventilanordnungen von Pumpensystemen hierin aktiv geöffnet und/oder geschlossen, wie in der US Patentanmeldung Nr. 13/370,155 und der PCT Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/US2012/024572 beschrieben. In dieser Hinsicht zeigte eine Testung, dass ein aktives Bewegen der Verschlusselemente einer Ventilanordnung in eine geschlossene Position zum Schließen der Ventilöffnung zu Beginn des Vorwärtshubs die Pumpeffizienz um ungefähr 50 Prozent erhöhen kann. Ein aktives Bewegen von Verschlusselementen eines Pumpensystems mit beweglichem Ventil in einen geschlossenen Zustand ist somit für den Zweck der Erhöhung der Pumpeffizienz wünschenswert. Wie hierin verwendet, bezieht sich ein Begriff wie ”aktiv” auf eine Steuerung, die eine oder mehrere Vorrichtungen, Mechanismen, Systeme und/oder Methoden zum Bewegen von Verschlusselementen in eine offene oder geschlossene Position oder eine solchen Zustand verwendet, unabhängig von der Kraft, die durch den Blutstrom auf die Verschlusselemente ausgeübt wird. Ein aktives Bewegen der Verschlusselemente einer Ventilanordnung in einem Pumpensystem mit beweglichem Ventil kann zum Beispiel mit einem Mechanismus oder System erfolgen, der bzw. das die Verschlusselementbewegung aufgrund der Position der Ventilanordnung aktiviert.
In einer Reihe von Ausführungsformen werden Verschlusselemente ähnlich Verschlusselementen 332 in Pumpensystemen hierin verwendet, wobei die Achsen, Schäfte oder Stangen, die an den Verschlusselementen befestigt sind, verlängert sind, so dass sie durch mindestens einen Teil der Ventilträgerstruktur der Ventilanordnung gehen und sich zur Außenseite der Fluidleitung des Pumpensystems erstrecken. 10A bis 10D zeigen eine Ausführungsform einer Ventilanordnung 1300a, die eine Ventilträgerstruktur 1310a (siehe 8A), Verschlusselemente 1332a und Schäfte 1332a enthält. Die Schafte 1332a erstrecken sich durch mindestens einen Teil einer Trägerstruktur 1310a, so dass ein Teil des Schaftes 1332a außerhalb des Blutstromweges durch die Strömungsleitung 304 des Pumpensystems 300 (oder eines anderen Pumpensystems mit beweglichem Ventil hierin) liegt und/oder von diesem abgedichtet ist. Eine flexible Dichtung 1340a, die in einem Sitz positioniert sein kann, der in der Trägerstruktur 1310a gebildet ist, ist am Schaft 1332a befestigt, der durch eine Öffnung oder einen Durchlass 1342a der Dichtung 1340a geht.
Zur Unterstützung einer richtigen Ausrichtung und relativ freien Bewegung darin kann jeder Schaft 332a mit einem oder mehreren Lager(n) zusammenwirken (zum Beispiel hindurchgehen). In der Ausführungsform von 10A bis 10D ist jeder Schaft 1332a zum Beispiel innerhalb von zwei Kugelelementlagern 1350a montiert, um jeden Schaft 1332a richtig auszurichten und ein Drehmoment zu minimieren, das zum Drehen der Verschlusselemente erforderlich ist. Da die Lager 1350a einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sein können, können sie zum Beispiel aus einem korrosionsbeständigen Material wie nitriertem martensitischem Edelstahl oder einem keramischen Material gebildet sein. Jeder Schaft 1332a eines Verschlusselements 1330a (zwei in der in 10A bis 10D dargestellten Ausführungsform) kann zum Beispiel zwei Lager 1350a enthalten, die an den Schäften 1332a an gegenüberliegenden Enden der Verschlusselemente 1330a positioniert sind. In der dargestellten Ausführungsform ist jedes Lager 1350a durch Dichtungen 1340a vom Blutstromweg abgedichtet.
Außerhalb (oder radial außerhalb in Bezug auf die Achse A₁ – siehe 10A) der Lagern 1350a, enthält mindestens ein Ende der Schäfte 1332a einen verlängerten Abschnitt 1332a' (der ein Teil des Schaftes 1332a oder mit diesem verbunden sein kann). Eine drehende Aktivierung der verlängerten Abschnitten 1332a' führt zu einer Drehung der Verschlusselemente 1330a, die betriebsbereit damit verbunden sind, in eine Öffnungs- oder Schließrichtung über ein Aktivierungssystem wie das zum Beispiel in 10A bis 10D dargestellte Aktivierungssystem 1500.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Ventilträgerstruktur 1310a in zwei Abschnitten 1312a und 1314a gebildet, die voneinander in einer Ebene trennbar sind, die allgemein senkrecht zur Achse A₁ des Pumpensystems 1300 liegt. Eine solche Konstruktion kann die Montage der Ventilanordnung 1300a erleichtern, einschließlich der Montage der Verschlusselementschäfte 1332a, während sie zum Beispiel in betriebsbereiter Verbindung mit zugehörigen Dichtungen 1340a und zugehörigen Kugelelementlagern 1350a in der Ventilträgerstruktur 1310a stehen. 10B zeigt die Montage dieser Komponenten in Abschnitt 1312a der Ventilträgerstruktur 1310a. In 10C ist der Abschnitt 1312a ohne Dichtungen 1340a in betriebsbereiter Verbindung mit den Schäften 1332a dargestellt, um die Sitze zu zeigen, die für diese in Abschnitt 1314a gebildet sind. Ähnliche Sitze (nicht dargestellt) sind in Abschnitt 1314a gebildet.
In den Ausführungsformen, die in 10A bis 10D dargestellt sind, ist ein Verschlusselementaktivierungssystem 1500 zumindest teilweise in einem Stück mit der Ventilträgerstruktur 1310a der Ventilanordnung 1300 gebildet. Das Aktivierungssystem kann jedoch getrennt von und in betriebsbereiter Verbindung mit der Ventilanordnung 1300 gebildet sein. Zum Beispiel kann das Aktivierungssystem 1500 betriebsbereit mit einem ringförmigen Verbindungsstück 410 (das vom Motor 320 angetrieben wird) im Pumpensystemgehäuse 302 verbunden sein. Das Aktivierungssystem 1500 enthält einen Positionierungsmechanismus wie ein Positionierungszahnrad 1510 in betriebsbereiter Verbindung mit (zum Beispiel verkeilt mit) verlängerten Abschnitten 1332a' der Schäfte 1332a. Eine Stange 1520 mit Zähnen an zwei Seiten, die dazu ausgebildet sind, in die Positionierungszahnräder 1520 einzugreifen, ist betriebsbereit zwischen den Positionierungszahnrädern 1510a eingefügt. Eine Änderung in der Position der Stange 1520 entlang einer Linie, die allgemein parallel zur Achse A₁ verläuft, treibt die Positionierungszahnräder 1510 und dadurch die Schäfte 1332a und Verschlusselemente 1330a an. In dieser Hinsicht versetzt die Drehbewegung der Positionierungszahnräder 1510 die verlängerten Abschnitte 1332a' in eine Drehbewegung.
Ein Auflageelement (in 10A bis 10D nicht dargestellt, aber zum Beispiel an einer feststehenden Position relativ zum (und im) Gehäuse 302 (mit Bezugnahme auf das Pumpensystem 300) positioniert) kann zum Beispiel mit der Stange 1520 in Kontakt gelangen, während sich die Ventilanordnung 1300a rückwärts (dargestellt durch Pfeil R in 10A) in die Nähe der hintersten Position der Ventilanordnung 1300a bewegt, um die Stange 1520 in eine Vorwärtsrichtung anzutreiben. Die Vorwärtsbewegung der Stange 1510 dreht das Positionierungszahnrad 1510 an der rechten Seite (aus der Perspektive des Betrachters von 10A bis 10D) der Stange 1520 gegen den Uhrzeigersinn und dreht das Positionierungszahnrad 1510 an der linken Seite der Stange 1520 um Uhrzeigersinn, um die Verschlusselemente 330a in eine geschlossene Position zu bewegen, wie in 10A bis 10C dargestellt. Wie zum Beispiel in 10D dargestellt, kann die Stange 1510 durch ein lineares Lager 1530 beweglich sein, das die Bewegung der Stange 1520 auf eine Bewegung in eine einzige lineare Richtung beschränkt. Jede Seite des linearen Lagers 1530 kann zum Beispiel in der Art eines linearen Kugelelementlagers arbeiten. Jede Seite des linearen Kugelelementlagers 1530 kann zum Beispiel zwei verzahnte Kugelelemente 1532 enthalten. In der dargestellten Ausführungsform ist das lineare Kugelelementlager 1530 in einem Sitz 360a positioniert, der an dem Abschnitt 312a befestigt oder in einem Stück oder monolithisch mit diesem gebildet ist.
Die Stange 1520 muss zum Beispiel nur eine kurze Strecke zwischen dem Positionierungszahnrad 1510 zurücklegen, um ein Schließen oder Öffnen beider Verschlusselemente 1330a zu aktivieren. In einer Ausführungsform drehen die Positionierungszahnräder 1510 die Verschlusselemente ungefähr 90 Grad aus einer zur Gänze offenen Position, die in 10D dargestellt ist, wobei die Verschlusselemente 1330a allgemein parallel zur Richtung des Massenblutstroms durch die Ventilöffnung 1320a ausgerichtet sind, in eine zur Gänze geschlossene Position, wie in 10A bis 10C dargestellt, wobei die Verschlusselemente 1330a allgemein senkrecht zur Richtung des Massenblutstroms durch die Öffnung 1320a ausgerichtet sind.
Wie oben in Verbindung mit der Ventilanordnung 1300 beschrieben, neigt Druck vom Blutstrom durch die Ventilöffnung 1320a (insbesondere während der Rückwärtsbewegung oder des Rückwärtshubs der Ventilanordnung 1300a) dazu, die Verschlusselemente 1330a in eine offene Position zu drängen. Es kann jedoch ein Mechanismus oder ein System bereitgestellt sein, der bzw. das zum Beispiel mit den Aktivierungssystem 1500 zusammenwirkt, um die Verschlusselemente 1330a in eine offene Position oder einen offenen Zustand vorzuspannen (das heißt, aktiv die Bewegung der Verschlusselemente 1330a in eine offene Position oder einen offenen Zustand zu veranlassen, der ein voreingestellter oder normaler Zustand ist). Das Aktivierungssystem 1500 kann zum Beispiel einen Vorspannmechanismus oder ein Vorspannsystem 1540a enthalten oder in betriebsbereiter Verbindung mit diesem stehen, der bzw. das eine Kraft auf die Stange 1510 ausübt, um die Stange 1510 zu veranlassen, sich (in die Richtung von Pfeil R in 10A) zu bewegen, um die Verschlusselemente 1330a zu öffnen. Der Vorspannmechanismus 1540a kann zum Beispiel die Stange 1510 vorspannen, so dass sie sich ausreichend bewegt, um die Verschlusselemente 1330a (durch das Positionierungszahnrad 510) in den zur Gänze offenen Zustand zu bewegen, wie in 10D dargestellt, wenn die Ventilanordnung 1330a ihren Rückwärtshub ausführt oder wenn aus irgendeinem Grund das Pumpensystem 1300 oder ein anderes Pumpensystem mit beweglichem Ventil, das die Ventilanordnung 1300a enthält, nicht aktiv ist (zum Beispiel aufgrund eines Leistungsverlustes oder Versagens einer oder mehrerer Komponente(n) des Pumpensystem). In der in 10A bis 10D dargestellten Ausführungsform enthält der Vorspannmechanismus 1540 eine Feder, die in einem Sitz 1370a positioniert ist, der an dem Abschnitt 1314a befestigt oder in einem Stück oder monolithisch mit diesem gebildet ist. Der Vorspannmechanismus oder das Vorspannsystem 540 tragen dazu bei, eine längere Blockade des Blutstromwegs unter allen Umständen zu verhindern.
11 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Betriebsverfahrens des externen Systems von 1B. Unter Bezugnahme auf 11 beginnt in einer Reihe von Ausführungsformen das externe System 100a mit einer Inbetriebnahme des Systems 10a durch Starten des Frequenzsprungtakts (dargestellt durch CLK in 1B). Leistung wird übertragen, indem die primäre Spule 130a durch Freigabe des H-Brücken-Treibers mit Leistung versorgt wird. Das externe System 100a wartet dann auf eine Nachricht vom internen System 200a oder eine Überstrombedingung. Eine Überstrombedingung kann zum Beispiel eintreten, wenn das interne System 200a nicht vorhanden ist. In einer Reihe von Ausführungsformen wartet das externe System 100a ungefähr 200 ms. Wenn keine Nachricht vom internen System 200a empfangen wird, wird das System 10a durch Abschalten des H-Brücken-Treibers und Stoppen des Frequenzsprungtakts abgeschaltet. Das externe System 100a wartet dann eine Zeitspanne (zum Beispiel 1 s) und versucht es noch einmal. Wenn das externe System 100a eine Nachricht vom internen System 200a empfängt, wird diese analysiert und die primäre Spule 130a des Systems 10a wird zum Beispiel freigegeben/erregt, wenn die sekundäre/interne Spannung zu nieder ist, oder gesperrt/abgeschaltet, wenn die sekundäre/interne Spannung zu hoch ist, wie oben beschrieben. Zusätzlich aktiviert das System 10a in einer Reihe von Ausführungsformen die Leistungsübertragung automatisch, wenn die primäre Spule 130a länger als eine bestimmte Zeit T ausgeschaltet war, zum Beispiel 5 ms, wie in 5E dargestellt. Diese automatische Aktivierung vermeidet eine unnötige Entladung der sekundären Kondensatoren 250a während Niederlastbedingungen. Zusätzlich hilft diese automatische Aktivierung, die Brummspannung auf dem Kondensatorsystem 250a zu verringern. Die oben und in 11 beschriebene Sequenz wird fortgesetzt solange das externe System 100a von seinem Batterie-Pack mit Leistung versorgt wird.
Unter Bezugnahme auf 12 startet das interne System 200a, wenn das Kondensatorsystem 250a einen Spannungspegel erreicht, der ausreichend ist, um die interne Steuerung 210a mit Leistung zu versorgen. Das interne System 200a sendet mittels des internen Kommunikationssystems 290a und der betriebsbereit angeschlossenen Antenne Nachrichten zum externen System 100a. Wie oben beschrieben, wenn die Spannung auf dem Kondensatorsystem 250a über einem vorgegebenen maximalen Schwellenwert oder unter einem vorgegebenen minimalen Schwellenwert liegt, wird ein Befehl, den Systemstatus zu ändern, vom internen System 200a gesendet. Das interne System 200a sendet auch automatisch alle 5 ms einen Statusbefehl um sicherzustellen, dass das externe System 100a die neuesten Informationen hat und bestätigen kann, dass das interne System 200a noch vorhanden ist. Diese Methodologie ist zum Beispiel in 5E dargestellt, wobei T_MAX die maximale Zeit ist, die die externe/primäre Spule 130a deaktiviert ist, bevor das interne System 200a automatisch einen Befehl sendet, die externe Spule 130a zu aktivieren, selbst wenn V_MIN noch nicht erreicht ist. Ebenso kann in Erwartung schwerer Lasten das interne System 200 das interne Kondensatorsystem 250a auf eine höhere Spannung (V_BURST) über der normalen hohen Schwellenspannung (V_MAX) vorladen, um zusätzliche Energie für eine kurze Dauer eines hohen Stromschubs zu speichern, wie, ohne aber darauf beschränkt zu sein, beim Anlassstrom, den der Motor 310 oder das Pumpensystem 300 braucht. Ein ECG Signal kann zum Beispiel verwendet werden um festzustellen, wann es Zeit ist, die bewegliche Ventilanordnung 1300a über den Motor 310 zu aktivieren. Ein ECG Signal wird dem internen Steuersystem 210a übermittelt. Zu einem vom ECG Signal bestimmten Zeitpunkt lädt die externe Spule 130a das Kondensatorsystem 250a auf V_BURST. Sobald das Kondensatorsystem 250 V_BURST erreicht, leitet das interne Steuersystem 210a das Anlassen des Motors 310 ein. Das Anlassen des Motors 310/die Bewegung der beweglichen Ventilanordnung 1300a kann zeitlich so gesteuert sein, dass es/sie nur erfolgt, wenn V_BURST erreicht ist. Eine solche Synchronisierung des Anlassstroms, der vom Motor 310 oder Pumpensystem 300 benötigt wird, und V_BURST verringert das Risiko des Auslösens des Anlassstroms, der vom Motor 310 oder Pumpensystem 300 benötigt wird, wenn die interne Spannung woanders als bei V_BURST ist.
In einer Reihe von hierin beschriebenen Ausführungsformen wird ein Spreizspektrum-Leistungssignal vorteilhaft wie oben beschrieben verwendet und arbeitet unabhängig vom sekundären oder internen System. Das Leistungssignal kann zum Beispiel werksseitig auf eine Mittenfrequenz mit einer festgesetzten Anzahl von Kanälen und einer festgesetzten Frequenzbandbreite eingestellt sein. Die Leistungssignalfrequenz kann zum Beispiel durch Kanäle springen, ohne den Status des sekundären oder internen Systems zu kennen. Zusätzlich muss die Verwendung eines Spreizspektrum-Leistungssignals keine Daten enthalten. In einer Reihe von Ausführungsformen dient das Signal nur für Leistung und enthält keine Daten. Leistung kann zum Beispiel über ein erstes Spreizspektrumsignal in einem ersten Frequenzband gesendet werden, während Daten über ein zweites Spreizspektrumsignal in einem zweiten Frequenzband gesendet werden können, das sich vom ersten Frequenzband unterscheidet. In einer Reihe von Ausführungsformen wird Leistung über das Frequenzsprung-Spreizspektrum oder FHSS gesendet und Daten werden über das Direktsequenz-Spreizspektrum oder DSSS gesendet.
In einer Reihe von Ausführungsformen wird Leistung über ein Direktsequenz-Spreizspektrum (DSSS) Signal gesendet, das das Taktsignal der externen Steuerung pseudozufällig mit einer kontinuierlichen Abfolge von Pseudorausch-(PN)Codesymbolen phasenmoduliert, die als ”Chips” bezeichnet werden. Chips können eine viel kürzere Dauer als ein Taktpuls haben, was bedeutet, dass jeder Taktpuls durch eine Sequenz viel schnellerer Chips moduliert wird. Daher ist die Chip-Bitrate viel höher als die Takt-Bitrate. DSSS multipliert effektiv den Takt mit einem ”Rauschsignal”. Dieses Rauschsignal ist eine pseudozufällige Sequenz, die eine höhere Frequenz als das Taktsignal hat. Das resultierende Signal ist weißem Rauschen ähnlich. Eine Kurve des übertragenen Frequenzspektrums hat eine annähernd glockenförmige Hüllkurve, die zum Beispiel auf der Trägerfrequenz 122,5 kHz zentriert ist. Ein DSSS Leistungsübertragungssignal kann durch ausschließliche ODER-Verknüpfung oder Multiplikation des Taktsignals von der externen Steuerung 110a mit einem PN-Code generiert werden. Das resultierende DSSS Signal wird dem H-Brücken-Treiber Takt-Pin (CLK) bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen sendet das externe System 100a Leistung ohne Daten über die primäre Spule 130a zum internen System 200a. Typischerweise werden DSSS Signale zur Kommunikation von Daten verwendet. Dies erfordert, dass der PN-Code dem Sender und den Empfängern des Signals gemein ist. Es erfordert auch, dass der PN-Code eine endliche Dauer hat, um Daten auf das Signal zu modulieren und Daten von dem Signal zu demodulieren. Die Entfernung der Daten aus dem Signal ermöglicht, dass das DSSS Signal, das zur Leistungsübertragung verwendet wird, ein wirklich zufälliges Signal mit infiniter Dauer verwendet, d. h., der PN-Code wird niemals wiederholt. Das resultierende DSSS Signal überträgt Leistung über eine Frequenzbandbreite, was bedeutet, dass das EMI Potential des hierin beschriebenen Systems minimiert ist. Anders gesagt, das hierin beschriebene System überträgt gleichzeitig eine Frequenzhüllkurve, die mehrere Frequenzkomponenten enthält.
Eine andere Möglichkeit, das Spreizspektrumsignal zu erzeugen, ist die Verwendung einer Spreizspektrumtaktung. Ein Spreizspektrumtakt kann erzeugt werden, indem der Takt genommen und mit einem Spreizsignal, wie einem Dreieckwellensignal (linear) oder einem Hershey-Kiss Signal (nicht linear) moduliert wird.
In einer Reihe von hierin beschriebenen Ausführungsformen wird eine abgestimmte primäre Spule zur drahtlosen Übertragung magnetischer Energie zu einer abgestimmten sekundären Spule verwendet. Die magnetische Energie kann zum Beispiel Spreizspektrum-magnetische Energie sein. Die magnetische Energie kann zum Beispiel bei einer ersten Frequenz für eine erste Zeitspanne erzeugt werden und gefolgt von magnetischer Energie, die bei einer zweiten Frequenz für eine zweite Zeitspanne erzeugt wird. Die magnetische Energie kann zum Beispiel mit einem Direktsequenz-moduliertem Spreizspektrum mit ((sinx)/x)² Frequenzspektrum, zentriert bei der Trägerfrequenz erzeugt werden.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann das interne System 200a eine zweite Energiespeichervorrichtung oder ein solches System 1250a (siehe 1A) zusätzlich zur ersten Energiespeichervorrichtung oder einem derartigen System 250a (zum Beispiel Kondensatorsystem 250a) enthalten, das zum Beispiel eine wiederaufladbare Batterie sein kann. Die Energiespeichervorrichtung 1250a ist nicht dazu bestimmt, das interne System während der/des typischen Verwendung/Betriebs mit Leistung zu versorgen. Im typischen Betrieb (im ersten Zustand des internen Systems 200a) wird die gesamte Energie, die das interne System 200a benötigt, vom externen System 100a übertragen. Es kann jedoch Fälle geben, in welchen das externe System 100a entfernt oder abgeschaltet werden muss. Zum Beispiel kann der Patient das externe System 100a während einer Dusche oder eines Bades abnehmen. Als weiteres Beispiel kann der Patient gezwungen sein, das externe System 100a während einer Flugreise auszuschalten. Unter diesen Umständen kann das interne System 200 in einen zweiten Zustand gebracht werden, in dem die Energiespeichervorrichtung 1250a die Leistungsversorgung des internen Systems 200a für eine kurze Dauer übernehmen kann. Das interne System 200a kann zum Beispiel bei voller Leistung (Normalbetrieb) arbeiten oder kann bei einem verringerten Leistungspegel (verringerter Funktionsmodus) arbeiten, wenn es von der Energiespeichervorrichtung 1250a mit Leistung versorgt wird. Die Verwendung der Energiespeichervorrichtung 1250a kann auf kurzfristige seltene Ereignisse beschränkt sein, was die Lebensdauer der internen Energiespeichervorrichtung 1250a maximiert. Dieser Betriebsmodus überwindet Mängel derzeit verfügbarer Systeme und vermeidet die Notwendigkeit einer Wartung des internen Systems 200a alle paar Jahre (das heißt, chirurgische Entfernung eines veralteten wiederaufladbaren Batterie-Packs). Bei einer Verwendung wie hierin beschrieben kann die interne sekundäre Energiespeichervorrichtung mit einer Lebensdauer von sieben bis zehn Jahren oder mehr gestaltet sein. Die Energiespeichervorrichtung 1250a kann zum Beispiel eine wiederaufladbare Li-Ionenbatterie sein, die imstande ist, das interne System 200a für eine Zeitspanne im Bereich von 5 Minuten bis zwei Stunden oder in jedem Bereich dazwischen (zum Beispiel, im Bereich von 20 Minuten bis 1 Stunde) mit Leistung zu versorgen. In Systemen, in welchen eine wiederaufladbare Batterie zur kontinuierlichen oder jederzeitigen Leistungsversorgung einer implantierten Vorrichtung oder eines Systems wie eines Blutstromunterstützungspumpensystem verwendet wird, ist eine viel größere Batterie notwendig als wenn eine interne Batterie im vorliegenden System verwendet wird. In dieser Hinsicht, da interne Batterien hierin nur periodisch verwendet werden, können auf Anweisungen von zum Beispiel dem externen System 100a und für eine Zeitspanne im Bereich von zum Beispiel 5 Minuten bis 2 Stunden oder jeden Bereich dazwischen signifikant kleinere Batterie verwendet werden als in einem System notwendig, das eine zweckbestimmte, kontinuierlich verwendete Batterie verwendet. Nach einer Situation, die die Verwendung der Energiespeichervorrichtung 1250 erfordert, wird das externe System 100a ersetzt/reaktiviert, um den normalen Betrieb wieder aufzunehmen. Zusätzlich wird die Energiespeichervorrichtung 1250a vom externen System 100a wieder aufgeladen. In einer Reihe von Ausführungsformen kann die Energiespeichervorrichtung 1250 in einem Ladungszustand gehalten werden, der geringer als die volle Ladung ist, um dazu beizutragen, die Lebensdauer der Energiespeichervorrichtung 1250a zu verlängern. In dieser Hinsicht haben tiefe Entladungen und eine Speicherung oder ein Betrieb bei voller Ladung eine negative Auswirkung auf die Batterielebensdauer und -leistung. Der Patient kann gezwungen sein, die externe Einheit 100a zu benachrichtigen, dass die externe Einheit 100a entfernt oder ausgeschaltet wird. Nach einer solchen Nachricht kann der Patient gezwungen sein, eine vorgegebenen Zeit zu warten, so dass die externe Einheit 100a die interne Energiespeichervorrichtung 1250a auf die volle Ladung aufladen kann. Zum Beispiel kann eine interne Li-Ionenbatterie bei 40–50% Ladungszustand gehalten werden. Der Patient kann über ein Benutzerschnittstelle an der externen Einheit 100a das Steuersystem 110a der externen Einheit 100a benachrichtigen, dass die externe Einheit 100a entfernt oder ausgeschaltet wird. Der Patient kann gezwungen sein, zum Beispiel 20–30 Minuten zu warten, bevor die externe Einheit 100a entfernt oder ausgeschaltet wird, so dass sich die interne Li-Ionenbatterie auf 100% Kapazität laden kann. Zusätzlich kann der Patient der externen Einheit 100a Informationen bereitstellen, die über die Dauer der Entfernung oder Ausschaltung informieren. Für kurzfristige Ereignisse könnte die interne Energiespeichervorrichtung 1250 nicht wieder auf 100% Kapazität laden, wodurch die erforderliche Wartezeit verkürzt wird.
Die vorangehende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen legen eine Reihe von gegenwärtig repräsentativen Ausführungsformen dar. Verschiedene Modifizierungen, Hinzufügungen und alternative Konstruktionen sind natürlich für einen Fachmann auf dem Gebiet angesichts der vorangehenden Lehren offensichtlich, ohne vom vorliegenden Umfang abzuweichen, der vielmehr durch die folgenden Ansprüche und nicht die vorangehende Beschreibung angegeben ist. Alle Änderungen und Variationen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen in ihrem Umfang liegen.

Claims

System, umfassend: ein implantierbares Pumpensystem zur Unterstützung des Blutstroms in einem Patienten umfassend: mindestens ein bewegliches Ventil, wobei das bewegliche Ventil in einem normalerweise offenen Zustand ist, wenn das bewegliche Ventil nicht mit Leistung versorgt wird, ein Antriebssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem beweglichen Ventil, um das bewegliche Ventil unter Leistungsversorgung zu bewegen; und ein Energieübertragungssystem, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen, wobei das Energieübertragungssystem umfasst: ein externes System, umfassend eine Leistungsquelle und eine externe Spule, und an internes System, umfassend eine interne Spule, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird, wobei das interne System mindestens einen ersten Zustand hat, wobei die Energieübertragung von der externen Spule notwendig ist, um dem Antriebssystem Betriebsleistung bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, wobei das interne System nicht imstande ist, ohne Energieübertragung von der externen Spule, wenn das interne System im ersten Zustand ist, das Antriebssystem mit Leistung zu versorgen, um die bewegliche Pumpe durch einen Hub zu bewegen.
System nach Anspruch 2, wobei das interne System eine erste Energiespeichervorrichtung in elektrischer Verbindung mit der internen Spule und dem Antriebssystem umfasst, wobei Energie dem Antriebssystem über das erste Energiespeichersystem bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 3, wobei das erste Energiespeichersystem keine Batterie umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei das erste Energiespeichersystem ein Kondensatorsystem umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei der erste Energiespeicher imstande ist, nicht mehr als 260 Joule Energie zu speichern.
System nach Anspruch 3, wobei das externe System ein externes Steuersystem in betriebsbereiter Verbindung mit der Leistungsquelle und der externen Spule umfasst und das interne System ein internes Steuersystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Energiespeichersystem und der internen Spule umfasst.
System nach Anspruch 7, wobei das externe System ferner ein externes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem externen Steuersystem umfasst und das interne System ferner ein internes Kommunikationssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem internen Steuersystem umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei das interne Kommunikationssystem dazu ausgebildet ist, drahtlos ein Signal zum externen Kommunikationssystem zu übertragen, um Informationen bereitzustellen, die sich auf eine Spannung des ersten Energiespeichersystems beziehen, wobei das externe System dazu ausgebildet ist, die Leistungsquelle zu veranlassen, die externe Spule zu erregen, sobald vom internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, die anzeigen, dass die Spannung mindestens so gering wie ein unterer Schwellenwert ist, um das erste Energiespeichersystem zu laden, und die externe Spule abzuschalten, sobald vom internen Kommunikationssystem gesendete Informationen empfangen werden, die anzeigen, dass die Spannung mindestens so hoch wie ein oberer Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei, wenn die externe Spule erregt ist, Energie von der externen Spule zur internen Spule über einen Bereich von Frequenzen gesendet wird.
System nach Anspruch 10, wobei, wenn die externe Spule erregt ist, Energie von der externen Spule zur internen Spule in einem Frequenzbereich unter der Steuerung eines Spreizspektrumalgorithmus gesendet wird.
System nach Anspruch 11, wobei die nominale Übertragungsfrequenz zwischen 50 und 500 kHz liegt.
System nach Anspruch 11, wobei sich der Frequenzbereich von ungefähr 120 kHz bis ungefähr 130 kHz erstreckt.
System nach Anspruch 13, wobei sich der Frequenzbereich von ungefähr 120 kHz bis ungefähr 126 kHz erstreckt.
System nach Anspruch 11, wobei das externe System und das interne System so ausgebildet sind, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der externen Spule zur internen Spule gesendet wird, von ±10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt.
System nach Anspruch 11, wobei das externe System und das interne System dazu ausgebildet sind, als Bandpassfilter zu arbeiten.
System nach Anspruch 16, wobei Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten Reihenelemente des Bandpassfilters bilden und eine Magnetisierungsinduktivität ein Shunt-Element bildet.
System nach Anspruch 17, ferner umfassend fixierte Abstimmkondensatoren.
System nach Anspruch 12, wobei der Spreizspektrumalgorithmus ein Frequenzsprung-Spreizspektrumalgorithmus ist.
System nach Anspruch 12, wobei der Spreizspektrumalgorithmus ein Direktsequenz-Spreizspektrumalgorithmus ist.
System nach Anspruch 12 mit einem Q-Faktor kleiner 10.
System nach Anspruch 11, wobei Energie von der externen Spule zur internen Spule im Frequenzbereich mit einer eingestellten Resonanzfrequenz der externen Spule und einer eingestellten Resonanzfrequenz der internen Spule gesendet wird.
System nach Anspruch 11, wobei eine Resonanzfrequenz von mindestens einer der internen Spule oder der externen Spule abstimmbar ist.
System nach Anspruch 9, wobei das externe Steuersystem dazu ausgebildet ist, die Leistungsquelle zu veranlassen, die externe Spule nach einer bestimmten maximalen Zeitperiode zu erregen, in der die externe Spule nicht erregt war, unabhängig davon, ob die Spannung mindestens so nieder wie der untere Schwellenwert ist oder nicht.
System nach Anspruch 9 wobei das externe Steuersystem dazu ausgebildet ist, die Leistungsquelle in Erwartung einer notwendigen hohen Energielast zu veranlassen, die externe Spule in einer Weise zu erregen, dass die Spannung größer wird als der obere Schwellenwert.
System nach Anspruch 1, wobei der externe System ein externes Kommunikationssystem umfasst und das interne System ein internes Kommunikationssystem umfasst, wobei die externe Kommunikation dazu ausgebildet ist, Informationssignale zum internen Kommunikationssystem über mindestens eines von einem externen Funk oder der externen Spule zu senden oder von diesem zu empfangen, und das interne Kommunikationssystem dazu ausgebildet ist, Informationssignale zum externen Kommunikationssystem über mindestens eines von einem internen Funk oder der internen Spule zu senden oder Signale von diesem zu empfangen.
System nach Anspruch 9, wobei die externe Kommunikation dazu ausgebildet ist, Informationssignale vom internen Kommunikationssystem über mindestens eines von einem externen Funk oder der externen Spule zu senden oder von diesem zu empfangen, und das interne Kommunikationssystem dazu ausgebildet ist, Informationssignale zum externen Kommunikationssystem über mindestens eines von einem internen Funk oder der internen Spule zu senden oder Signale von diesem zu empfangen.
System nach Anspruch 27 wobei, wenn Informationssignale zwischen der externen Spule und der internen Spule gesendet werden, die Informationssignale in einem Frequenzbereich gesendet werden, der sich von einem Frequenzbereich unterscheidet, bei dem Energie von der externen Spule zur internen Spule gesendet wird.
System nach Anspruch 26, wobei das interne Kommunikationssystem dazu ausgebildet ist, ein periodisches Statussignal zur Bestätigung der Betriebsfähigkeit mindestens eines Teils des internen Systems zu senden.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Überwachungssystem zur Messung einer Variable, die sich auf den Strom bezieht, der von der externen Spule abgenommen wurde, um dem Patienten Informationen bezüglich der Position der externen Spule relativ zur internen Spule bereitzustellen, die zumindest teilweise auf der gemessenen Variable beruhen, die sich auf den Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird.
System nach Anspruch 30, wobei das Überwachungssystem zur Messung einer Variable, die sich auf den Strom bezieht, der auf der externen Spule abgenommen wird, einen Stromsensor in elektrischer Verbindung mit der externen Spule und in kommunikativer Verbindung mit dem externen Steuersystem umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei das interne System ferner ein zweites Energiespeichersystem umfasst und das interne System einen zweiten Zustand hat, in dem Energie vom zweiten Energiespeichersystem abgenommen wird, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen.
System nach Anspruch 32 wobei das zweite Energiespeichersystem ausreichend Energie speichert, um dem Antriebssystem Betriebsleistung ohne Energieübertragung von der externen Spule bereitzustellen.
System nach Anspruch 33, wobei das zweite Energiespeichersystem eine interne wiederaufladbare Batterie umfasst.
System nach Anspruch 34, wobei das interne System in den zweiten Zustand gebracht wird, sobald Anweisungsinformationen vom externen Steuersystem über das externe Kommunikationssystem zum internen Steuersystem über das interne Kommunikationssystem gesendet werden.
System nach Anspruch 35, wobei das externe System dazu ausgebildet ist, dem Patienten zu ermöglichen, das interne System manuell in den zweiten Zustand zu stellen.
System nach Anspruch 34, wobei im ersten Zustand keine Energie von der wiederaufladbaren Batterie abgenommen wird, um das Antriebssystem mit Energie zu versorgen.
System nach Anspruch 37, wobei die wiederaufladbare Batterie dazu ausgebildet ist, das Antriebssystem für eine Zeitspanne im Bereich von 5 Minuten bis 2 Stunden mit Leistung zu versorgen.
System nach Anspruch 1, wobei die Leistungsquelle aus einem einzigen wiederaufladbaren Batterie-Pack besteht.
System nach Anspruch 39, wobei das Batterie-Pack mehrere Lithiumionen-Batteriezellen umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die externe Spule bei einer Spannung ausreichender Amplitude erregt wird, um eine Effizienz von mindestens 75% bereitzustellen.
Energieübertragungssystem, umfassend: ein erstes System, umfassend eine Leistungsquelle, ein erstes Steuersystem und eine erste Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Steuersystem; und ein zweites System, umfassend eine zweite Spule, die dazu ausgebildet ist, drahtlos Energie zu empfangen, die von der ersten Spule gesendet wird, wobei, wenn die erste Spule erregt ist, Energie drahtlos von der ersten Spule über einen Bereich von Frequenzen unter der Steuerung eines Spreizspektrumalgorithmus zur zweiten Spule gesendet wird.
System nach Anspruch 42, wobei der Spreizspektrumalgorithmus ein Frequenzsprung-Spreizspektrumalgorithmus ist.
System nach Anspruch 42, wobei der Spreizspektrumalgorithmus ein Direktsequenz-Spreizspektrumalgorithmus ist.
System nach Anspruch 42 mit einem Q-Faktor kleiner 10.
System nach Anspruch 42, wobei das erste System und das zweite System so ausgebildet sind, dass eine Frequenzänderung von Energie, die von der ersten Spule zur zweiten Spule gesendet wird, von ±10% zu einer Änderung in der Übertragungseffizienz von nicht mehr als 10% führt.
System nach Anspruch 42, wobei das erste System und das zweite System dazu ausgebildet sind, als Bandpassfilter zu arbeiten.
System nach Anspruch 47, wobei Abstimmkondensatoren und Streuinduktivitäten Reihenelemente des Bandpassfilters bilden und eine Magnetisierungsinduktivität ein Shunt-Element bildet.
System nach Anspruch 47, ferner umfassend fixierte Abstimmkondensatoren.
System nach Anspruch 42, wobei Energie von der externen Spule zur internen Spule im Frequenzbereich mit einer eingestellten Resonanzfrequenz der externen Spule und einer eingestellten Resonanzfrequenz der internen Spule gesendet wird.
System nach Anspruch 42, wobei eine Resonanzfrequenz von mindestens einer der internen Spule oder der externen Spule abstimmbar ist.
System nach Anspruch 42, wobei die erste Spule eine externe Spule ist, die dazu ausgebildet ist, außerhalb eines Körpers zu liegen, und die zweite Spule eine interne Spule ist, die dazu ausgebildet ist, in einem Körper implantiert zu werden, wobei die erste Spule ferner dazu ausgebildet ist, transkutan Energie zur zweiten Spule zu senden.
System nach Anspruch 42, wobei die externe Spule bei einer Spannung ausreichender Amplitude erregt wird, um eine Effizienz von mindestens 75% bereitzustellen.
Verfahren zur Unterstützung des Blutstroms in einem Patienten, umfassend: Anordnen eines implantierbaren Pumpensystems in strömungstechnischer Verbindung mit einem Blutgefäß, wobei das implantierbare Pumpensystem mindestens ein bewegliches Ventil umfasst, wobei das bewegliche Ventil in einem normalerweise offenen Zustand ist, wenn das bewegliche Ventil nicht betrieben wird, wobei ein Antriebssystem in betriebsbereiter Verbindung mit dem beweglichen Ventil steht, um das bewegliche Ventil unter Leistungsversorgung zu bewegen; Bereitstellen eines externen Systems, umfassend eine Leistungsquelle und eine externe Spule; Bereitstellen eines internen Systems, umfassend eine interne Spule, die dazu ausgebildet ist, transkutane Energie zu empfangen, die von der externen Spule gesendet wird; und Betreiben des internen Systems in einem ersten Zustand, in dem eine Energieübertragung von der externen Spule erforderlich ist, um dem Antriebssystem Betriebsleistung bereitzustellen.
Verfahren zur Leistungsversorgung einer Vorrichtung, umfassend: Bereitstellen eines ersten Systems, umfassend eine Leistungsquelle, ein erstes Steuersystem, und eine erste Spule in betriebsbereiter Verbindung mit dem ersten Steuersystem; Bereitstellen eines zweiten Systems, umfassend eine zweite Spule, die dazu ausgebildet ist, drahtlos Energie zu empfangen, die von der ersten Spule gesendet wird; und drahtloses Senden von Energie von der ersten Spule zur zweiten Spule über einen Bereich von Frequenzen unter der Steuerung des Spreizspektrumalgorithmus.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei die erste Spule eine externe Spule ist, die außerhalb eines Körpers angeordnet ist, und die zweite Spule eine interne Spule ist, die in einem Körper implantiert ist, wobei die erste Spule dazu ausgebildet ist, transkutan Energie zur zweiten Spule zu senden.