DE19617102A1

DE19617102A1 - Electronic energy supply method e.g. for pacemaker

Info

Publication number: DE19617102A1
Application number: DE19617102A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Klausing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1997-10-23

Abstract

The method involves using an energy supplier (ESI) for supplying function units (FI), such as control or sensor units, with electrical power. The energy supplier includes a receiver unit (S ESI) for electromagnetic waves with frequencies between 5 x 10 power 10 Hz and 10 x 10 power 16 Hz. The receiver receives incoming electromagnetic high frequency waves. The waves are converted to electric power by the energy supplier. Preferably, an accessibly arranged transmitter (S EXT) is arranged to transmit electromagnetic waves with a frequency between 5 x 10 power 10 Hz and 10 x 10 power 16 Hz, in the direction of the energy supplier. Information are transmitted between the accessible transmitter and the receiver unit using electromagnetic waves.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen Energieeinspeisung in von außen nicht ohne weiteres zugängliche energieverbrauchende Funk tionseinheiten, wie in den menschlichen Organismus implantierte elektronische Apparate, beispielsweise Herzschrittmacher, elektrische Dosimeter oder der gleichen.The invention relates to a method for electronic energy feed in from the outside not easily accessible energy-consuming radio units like in the human organism implanted electronic devices, for example Pacemakers, electrical dosimeters or the same.

Die moderne Medizin zeichnet sich durch eine Vielzahl von Vorschlägen und Realisierungsversuchen aus, auch Erkenntnisse der modernen Elektronik zur Anwendung zu bringen. Funktionen oder wenigstens Teilfunktionen bestimmter Organe, wie beispielsweise des Herzens, des Bewegungsapparates, der Drüsen oder auch des Ner vensystems und dergleichen mehr könnten bzw. können mit Hilfe modernster Elektronik und Medizintechnik dort aufrechterhalten oder verbessert werden, wo zum Beispiel traditionelle medikamentöse Behandlung für eine sichere Funktionsfähigkeit der betreffenden Or gane nicht mehr ausreicht. Ein seit längerer Zeit bewährtes Paradebeispiel hierfür sind implantierte Herzschrittmacher, die bei Herzryhthmusstörungen Mög lichkeiten zur Stabilisierung der Herzfrequenz bie ten. Bei den in den menschlichen implantierten Vor richtungen handelt es sich in den meisten Fällen um einfache Impulsgeber, deren Impulsfrequenz einstell bar und in engen Grenzen adaptiv ist und deren Ener gieversorgung über eine mit implantierte Langzeitbat terie erfolgt. Diese Einmal-Batterien haben eine ent sprechend begrenzte Lebensdauer, so daß der Körper in Abständen geöffnet und das Implantant neu bestückt werden muß. Aufgrund der großen Abmessungen der Ener gieversorgungssysteme ist oftmals auch keine organ spezifische Plazierung der unterstützenden Funktions implantate möglich.Modern medicine is characterized by a variety from suggestions and attempts at implementation, too Insights of modern electronics to use bring. Functions or at least partial functions certain organs, such as the heart, the musculoskeletal system, the glands or the ner vensystems and the like more or can with the help of the latest electronics and medical technology maintained or improved where the Example of traditional drug treatment for the safe functioning of the Or gane is no longer sufficient. A for a long time proven prime examples of this are implanted Cardiac pacemakers, which Mög possibilities to stabilize the heart rate bie Ten. In the implanted in the human directions are in most cases simple pulse generators whose pulse frequency adjusts bar and within narrow limits is adaptive and their energy Energy supply via a long-term battery implanted with terie takes place. These disposable batteries have an ent speaking limited life, so that the body in Intervals open and the implant reloaded must become. Due to the large dimensions of the Ener Often, the supply system is not an organ specific placement of the supporting function implants possible.

Um den Zeitraum zwischen einzelnen chirurgischen Ein griffen zum Austausch der Einmal-Batterie zu verlän gern, werden für derartige Funktionsimplantate ge wöhnlich großvolumige Batterien oder Akkumulatoren mit hoher Speicherkapazität eingesetzt. Derartige Funktionsimplantate können daher nicht in Bereichen verwendet werden, bei denen der für das Implantat zur Verfügung stehende Raum begrenzt ist, wie beispiels weise neurologische Funktionsimplantate im Gehirn. Unter anderem durch die Größe der Langzeit-Batterie ist daher der Verwendung von elektronischen Funk tionsimplantaten eine durch die Entwicklung der Spei chertechnik für elektrische Energie vorgegebene Gren ze gesetzt. To the period between each surgical one reached to replace the disposable battery gladly, are ge for such functional implants usually large-volume batteries or accumulators used with high storage capacity. Such Functional implants cannot therefore be used in areas be used in which the for the implant for Available space is limited, such as wise neurological functional implants in the brain. Among other things, the size of the long-term battery is therefore the use of electronic radio tion implants one through the development of the Spei Certain limits for electrical energy ze set.

Es sind Versuche bekannt, die Einmal-Batterie eines Funktionsimplantates durch wiederaufladbare Akkumula toren zu ersetzen, wobei die Aufladung des in den Körper implantierten Akkumulators drahtlos, und zwar induktiv, von außen erfolgt, wie beispielsweise von Gaichen et al. (Biomed. Technik 39 (1994), S. 251-258) beschrieben. Die bisher mit der induktiven Akku mulatoraufladung erzielten Ergebnis sind jedoch für die Alltagsroutine des Trägers (Patienten) noch nicht voll zufriedenstellend, so daß die derzeit gängige Praxis noch immer in einem notwendig werdenden Batte riewechsel und damit einem chirurgischen Eingriffin den Körper besteht. Daraus folgt auch, daß Implantate auch deswegen nicht an beliebigen Orten eingesetzt werden können, weil der chirurgische Batteriewechsel nicht immer so einfach möglich ist, wie beim Herz schrittmacher.Attempts are known to use a single-use battery Functional implants thanks to rechargeable batteries gates to replace, charging the in the Body implanted battery wirelessly, namely inductively, from the outside, such as from Gaichen et al. (Biomed. Technik 39 (1994), pp. 251-258) described. The previously with the inductive battery However, the result achieved by charging is for not yet the everyday routine of the wearer (patient) fully satisfactory, so that the current standard Practice still in a needy batte change of course and thus a surgical intervention the body is made up. It also follows that implants therefore not used anywhere can be because of surgical battery replacement is not always as easy as with the heart pacemaker.

Unabhängig von diesem bisher keineswegs zufrieden stellend gelösten Problem der Energieversorgung einer wie auch immer gearteten elektronischen Funktionshil fe für ein bestimmtes Humanorgan besteht die Notwen digkeit der programmierbaren Anpassung der Funktions unterstützung dieses betreffenden Organs an Wechsel wirkungen mit anderen Organen bzw. an das Verhalten des Gesamtorganismus, etwa eine bessere Anpassung der Impulsvorgabe des Herzschrittmachers an den momenta nen Leistungsbedarf des Implantatträgers. So ist die Soll-Herzfrequenz gegeben durch die Atemfrequenz in Abhängigkeit von Ruhephasen oder durch körperliche Aktivität und dergleichen mehr. Erschwerend für die Vorgabe solcher bedarfs- und leistungsgesteuerter Implantate, wie zum Beispiel Herzschrittmacher, ist hierbei, daß generell leistungsadaptive Funktionshil fen einen je höheren Energiebedarf besitzen, desto multipler und komplizierter die Adaptionsregelung ist, so daß die Lebenslauer der implantierten zugehö rigen Batterien weiter herabgesetzt wird.Regardless of this, so far not satisfied posed solved energy supply problem whatever electronic function There is a need for a certain human organ programmability of the function support of this relevant organ in exchange effects with other organs or on behavior of the whole organism, such as better adaptation of the Impulse input from the pacemaker to the momenta power requirement of the implant wearer. That's how it is Target heart rate given by the respiratory rate in Dependence on periods of rest or through physical Activity and the like. Difficult for those Specification of such demand and performance-based Implants, such as pacemakers here that generally performance-adaptive function help the higher the energy requirement, the more the adaptation regulation is more and more complicated is, so that the lifeblood of the implanted belong batteries is further reduced.

Wünschenswert und anzustreben ist jedoch, Implantate ohne Rücksicht auf ihren Energiebedarf so auszustat ten, daß sie die betreffenden Körperfunktionen, für die sie eingesetzt werden, so natürlich wie möglich nachbilden. Darüber hinaus sollten sie auch zusätzli che Funktionen wahrnehmen, wie beispielsweise Selbst überwachung und Kommunikation nach außen. Daraus folgt, daß insbesondere im neurologischen Bereich, das Implantat die komplexe Aufgabe der Erkennung und Verarbeitung von Signalen, der Beurteilung und Ent scheidung über die Situation bzw. über die zu erwar tende Entwicklung der Körperfunktionen erfüllen kön nen muß. Daraus ergibt sich naturgemäß, daß sich der Leistungsbedarf, d. h. bei Anwendung der bisherigen Technik die Kapazität und damit das Volumen der zu gehörigen Energieversorgung im Batteriebetrieb sich stark erhöht.However, implants are desirable and desirable to do so regardless of their energy needs that the relevant bodily functions, for they are used as naturally as possible replicate. In addition, you should also add perform functions such as self external surveillance and communication. Out of it follows that especially in the neurological area, the implant the complex task of detection and Processing of signals, assessment and ent divorce about the situation or what to expect continuous development of bodily functions must. This naturally means that the Power requirement, d. H. when applying the previous Technology the capacity and thus the volume of the proper energy supply in battery operation itself greatly increased.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, chirurgische Eingriffe aus Gründen aufgebrauchter Batterien zu vermeiden bzw. den Zeitraum zwischen chirurgischen Eingriffen zum Austausch aufgebrauchter Batterien zu verlängern bzw. den Einsatz eines Energiespeichers vollständig zu vermeiden oder auf die Funktion einer Not-Batterie zu reduzieren. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, die Wartung bzw. Reparatur von Funktions implantaten zu vereinfachen bzw. ohne chirurgischen Eingriff zu ermöglichen, so daß unter anderem Kosten einsparungen im medizinischen Sektor realisiert wer den können. Weiterhin soll der für Funktionsimplanta te zugängliche medizinische Bereich, beispielsweise in der Neurologie, erweitert werden.This is where the present invention comes in Task is based on surgical intervention To avoid used batteries or the period between surgical interventions at To extend or replace used batteries the use of an energy store completely avoid or towards the function of an emergency battery to reduce. The object of the present invention is further, the maintenance or repair of functional to simplify implants or without surgical To enable intervention, so that, among other things, costs who realizes savings in the medical sector that can. Furthermore, the for functional implant te accessible medical area, for example in neurology.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen kennzeichnenden Merkmalen sowie durch die entsprechende Vorrichtung gemäß An spruch 21 erreicht. Die grundlegende erfindungsgemäße Idee besteht darin, daß bei Vorhandensein von elek tromagnetischer Feldenergie im Bereich zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz diese über einen geeigne ten Empfänger erfaßt und zur berührungslosen Energie versorgung einer mit der Empfangseinrichtung des Energieversorgers verbundenen Funktionseinheit ge nutzt wird. Die empfangenen elektromagnetischen Wel len mit Frequenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz können dabei elektromagnetische Wellen aus dem auch natürlich vorliegenden Bereich, wie beispiels weise sichtbares Licht bzw. UV-Strahlung oder auch aus extra erzeugter, natürlich nicht vorkommender Strahlung oberhalb bzw. unterhalb dieses Bereichs umfassen. Besonders vorteilhaft ist, daß zur Detek tion dieser elektromagnetischen Wellen Antennen mit Ausmaßen zwischen 3 nm und 6 mm benötigt werden. Da durch ist die Baugröße des erfindungsgemäßen Energie versorgers gegenüber herkömmlichen Systemen, die mit induktiven Verfahren arbeiten, stark verringert. Auch durch die mögliche Trennung des Energieversorgers von der energieverbrauchenden Funktionseinheit ergibt sich zusätzlicher räumlicher Spielraum für die Reali sierung zusätzlicher Schaltungen für adaptive Rege lungen, zur Erzeugung höherer Spannungen/Ladungen zum Beispiel im Bereich der Neurologie oder auch zum Ein satz von Funktionseinheiten in Bereichen, die bisher wegen der Baugröße der Funktionseinheiten herkömmli cher Art nicht dem Einsatz von Funktionsimplantaten zugänglich waren. Die Erfindung ermöglicht folglich die kontinuierliche bzw. aperiodische Energieversor gung einer Funktionseinheit über den mit ihr elek trisch verbundenen Energieversorger, wodurch der Ein satz einer Batterie vermieden bzw. die Größe der als Not-Batterie bzw. als Puffer zu verwendenden Batterie stark verringert werden kann. Dies ermöglicht eine starke Volumenreduzierung der Funktionseinheit bzw. der Energieversorgung selbst unter Annahme, daß aus Sicherheitsgründen noch eine gegenüber dem Stand der Technik verkleinerte Einmal-Batterie vorhanden ist, die für etwa ein Jahr reicht. Eine derartige Platz- und Gewichtsersparnis ist nicht nur für Funktionsein heiten an anatomisch "engen" Körperstellen, sondern auch bei Herzschrittmachern oder Defibrillatoren er wünscht, bei denen die Batterie ca. 2/3 des Gesamtvo lumens einnimmt. Denkbar ist weiterhin, daß die ge samte Energieaufnahme durch den Energieversorger auf eine be-stimmte Lebensdauer, das heißt, einen kumu lierten Energiebedarf der Funktionseinheit ausgelegt ist. Dann könnte das System und die Implantatbatterie so ausgelegt sein, daß einerseits wegen der geringen Abmessungen neue Einsatzgebiete möglich sind und an dererseits die Energiereserven erst zu einem unkriti schen Zeitpunkt aufgezehrt sind, weil die das System gewollt nur lebensverlängernd unterstützende Batterie wie geplant entladen ist.The object of the invention is achieved by the method according to the preamble of claim 1 in connection with its distinctive features as well as by the corresponding device according to An pronoun 21 reached. The basic invention The idea is that in the presence of elek tromagnetic field energy in the range between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz this over a suitable ten receiver detected and for contactless energy supplying one with the receiving device of the Energy supplier connected functional unit ge is used. The received electromagnetic world len with frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz can electromagnetic waves from the also of course present area, such as wise visible light or UV radiation or from specially produced, of course not occurring Radiation above or below this range include. It is particularly advantageous that the detec tion of these electromagnetic waves antennas Dimensions between 3 nm and 6 mm are required. There is the size of the energy according to the invention supplier compared to conventional systems with work inductive processes, greatly reduced. Also through the possible separation of the energy supplier from the energy-consuming functional unit results there is additional room for the Reali additional circuits for adaptive control lung, to generate higher voltages / charges for Example in the field of neurology or also on set of functional units in areas previously because of the size of the functional units not the use of functional implants were accessible. The invention thus enables the continuous or aperiodic energy supply a functional unit via the elec tric connected energy supplier, which makes the one set a battery avoided or the size of the as Emergency battery or battery to be used as a buffer can be greatly reduced. This enables one strong volume reduction of the functional unit or the energy supply itself, assuming that from Security reasons one more compared to the state of the Technology reduced disposable battery is available which lasts for about a year. Such a place and weight saving is not just for functionality in anatomically "narrow" parts of the body, but also with pacemakers or defibrillators wishes, where the battery approx. 2/3 of the total vo occupies lumens. It is also conceivable that the ge total energy consumption by the energy supplier a certain lifespan, that is, a kumu gated energy requirement of the functional unit is. Then the system and the implant battery could be designed so that on the one hand because of the low Dimensions new areas of application are possible and on the other hand, the energy reserves become uncritical time because the system only wanted battery that prolongs life unloaded as planned.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen er geben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments he give themselves from the subclaims.

Die Verwendung eines zugänglich angeordneten externen Senders ermöglicht es, die zur Energieversorgung der Funktionseinheit benötigten elektromagnetischen Wel len mit Frequenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz auch dann zur Verfügung zu stellen, wenn diese natürlicherweise in der Umwelt des Funktionsimplan tats nicht vorkommen. Mit anderen Worten, mit Hilfe eines externen Senders läßt sich eine künstliche Um welt bedarfsgerecht herstellen, sofern die natürliche Umwelt nicht zur Versorgung der Funktionseinheit ge nügt. Insbesondere lassen sich dadurch adaptiv hohe Energiedichten bereitstellen, wenn die Funktionsein heit kurzfristig einen höheren Energiebedarf besitzt.The use of an accessible external The transmitter makes it possible to power the Functional unit needed electromagnetic wel len with frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ To make Hz available even if this naturally in the environment of the functional implant did not happen. In other words, with help an external transmitter can be an artificial order create the world as needed, provided that the natural Environment not ge to supply the functional unit is enough. In particular, this allows adaptively high levels Provide energy densities when the functions are has a higher energy requirement in the short term.

Die Verwendung eines externen, zugänglichen Senders ermöglicht es außerdem, mittels der gesendeten elek tromagnetischen Wellen Informationen zu übermitteln bzw., wenn der Empfänger des Energieversorgers auch als Sender, d. h. als Sendeempfänger, ausgelegt ist, Informationen zu empfangen. Dadurch ist es möglich, den Energieversorger und das Funktionsimplantat drahtlos von außen zu programmieren bzw. zu steuern und andererseits fortwährend drahtlos Meßwerte, bei spielsweise über physiologische Zustände des Implant atträgers und Rückmeldungen der Funktionseinheit über ihren Funktionszustand nach außen zu übertragen (Bio monitoring). Die von dem Sendeempfänger ausgesandten elektromagnetischen Wellen können auch zur Ortung des Sendeempfängers, beispielsweise durch ein satelliten gestütztes System wie GPS, verwendet werden. Der Sen deempfänger kann auch für ein solches System spezifi sche Signale aussenden. Weiterhin kann die Empfangs einheit zur Energieversorgung auf den Empfang be stimmter Frequenzen durch die externe Steuer- und Kontrolleinheit variabel eingestellt werden oder auch so gebaut sein, daß die Empfangseinheit sich automa tisch auf die energiereichste Frequenz einstellt. The use of an external, accessible transmitter also makes it possible to use the sent electronics to transmit tromagnetic waves information or, if the recipient of the energy supplier too as a transmitter, d. H. is designed as a transceiver, Receive information. This makes it possible the energy supplier and the functional implant Can be programmed or controlled wirelessly from the outside and on the other hand continuously wireless measurements, at for example about physiological conditions of the implant attractors and feedback from the functional unit to transfer their functional state to the outside (bio monitoring). The broadcast by the transceiver Electromagnetic waves can also be used to locate the Transceiver, for example by a satellite supported system such as GPS. The sen deempfänger can also speci for such a system send out signals. Furthermore, the reception Unit for energy supply on receipt tuned frequencies by the external control and Control unit can be set variably or also be built so that the receiving unit automa table to the most energetic frequency.

Besondere Vorteile in Bezug auf die erfindungsgemäße Aufgabe zeigt die Verwendung von Heterohalbleitern für den Sendeempfänger und das Funktionselement. He terohalbleiter ermöglichen die Miniaturisierung der Schaltung und eine Verringerung des Eigenenergiever brauchs des Implantats, da mit Hilfe dieser modernen Technik elektronische Schaltungen bezüglich ihrer Bauart, ihres Energieverbrauchs und ihrer Eigenschaf ten in den Bereich der Quantenelektronik vorstoßen. Insbesondere lassen sich mit Hilfe der Heterohalblei tertechnik kleinste Empfänger (Rezeptoren, Antennen) für elektromagnetische Wellen im GHz- und THz-Bereich herstellen, die sich zudem durch eine hohe Bandbreite auszeichnen.Particular advantages with regard to the invention Task shows the use of hetero semiconductors for the transceiver and the functional element. Hey Tero semiconductors enable miniaturization of the Circuit and a reduction in Eigenergiever need of the implant because with the help of this modern Technology electronic circuits regarding their Design, their energy consumption and their properties advance into the field of quantum electronics. In particular, using the hetero lead smallest receivers (receptors, antennas) for electromagnetic waves in the GHz and THz range manufacture, which is also characterized by a high bandwidth award.

Diese Technik erlaubt es weiterhin, nicht nur die Empfängerschaltung und Verarbeitungslogik sondern auch den Rezeptor bzw. die Antenne selbst auf die zu empfangende Frequenz abzustimmen.This technique still allows, not just that Receiver circuit and processing logic but also the receptor or the antenna itself towards the tune receiving frequency.

Die Verwendung heterostrukturierter Halbleiterbauele mente erlaubt weiterhin bei Verwendung von Laserlicht zur Energieübertragung eine Anreichung der Energie aufgrund des Tunneleffektes, beispielsweise für neu rologische Funktionsimplantate.The use of heterostructured semiconductor devices mente still allowed when using laser light an accumulation of energy for energy transmission due to the tunnel effect, for example for new ones rological functional implants.

Der Energieversorger kann optional einen Wandler zur Umwandlung verschiedener Energieformen, einen Puffer, beispielsweise eine Batterie oder einen Akkumulator und eine mikroprozessorgesteuerte Schaltung zur Steuerung des gesamten Energieversorgers und zur pro grammierbaren Anpassung der Funktionen des Energie versorgers an die Bedürfnisse der Funktionseinheit beinhalten. Die Energieeinspeisung durch den exter nen, zugänglichen Sender kann kontinuierlich oder auch aperiodisch erfolgen. Sie kann bei kontinuierli cher Einspeisung den gesamten Energiebedarf der Funk tionseinheit befriedigen oder auch lediglich andere, beispielsweise körpereigene Energiequellen, wie bei spielsweise mechanische, chemische oder elektrische Energie des Organismus, ergänzen. Durch aperiodische Energieeinspeisung kann beispielsweise ein erhöhter, zusätzlicher Energiebedarf gedeckt werden, der in be stimmten Funktionszuständen der Funktionseinheit auf tritt.The energy supplier can optionally use a converter Conversion of different forms of energy, a buffer, for example a battery or an accumulator and a microprocessor controlled circuit for Control of the entire energy supplier and pro programmable adjustment of the functions of energy supplier to the needs of the functional unit include. The energy feed by the external Accessible channels can be continuous or also take place aperiodically. You can at continuously supply the entire energy requirement of the radio satisfy unit or just others, For example, the body's own energy sources, such as for example mechanical, chemical or electrical Energy of the organism, supplement. By aperiodic For example, an increased, additional energy requirements are met, which in be matched functional states of the functional unit occurs.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere un ter Verwendung entsprechender Funktionseinheiten als Kontroll- und/oder Steuerverfahren zur Energieüber tragung, Informationsverarbeitung, Datenübermittlung, Prozeßsteuerung oder biochemischen Analytik, bei spielsweise im tierischen oder menschlichen Organis mus verwendet werden.The method according to the invention can in particular un ter use of appropriate functional units as Control and / or control procedures for energy transfer transmission, information processing, data transmission, Process control or biochemical analysis, at for example in the animal or human organ must be used.

Nachfolgend soll ein vorteilhaftes Ausführungsbei spiel eines rechnergestützten Energieversorgers näher beschrieben werden.Below is an advantageous embodiment game of a computer-based energy supplier closer to be discribed.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Energieversor gung einer implantierten Funktionseinheit. Fig. 1 shows an energy supply according to the invention of an implanted functional unit.

Fig. 1 zeigt einen rechnergestützten Energieversorger ESI für eine Funktionseinheit FI. Dieser besteht aus einem Sendeempfänger S_ESI, einem Wandler W_ESI, einem Puffer P_ESI und einer mikroprozessorkontrollierten Steuerschaltung C_ESI. Sämtliche vier Elemente des rechnergestützten Energieversorgers ESI sind in hete rostrukturierter Halbleitertechnik ausgeführt und besitzen daher eine minimale Baugröße. Fig. 1 shows a computer-aided energy supplier ESI for a functional unit FI. This consists of a transceiver S _ESI , a converter W _ESI , a buffer P _ESI and a microprocessor-controlled control circuit C _ESI . All four elements of the computer-assisted energy supplier ESI are designed in hete rust-structured semiconductor technology and therefore have a minimal size.

In Fig. 1 bedeuten durchgezogene Linien den Fluß von Energie E zwischen zwei Komponenten in Richtung der eingezeichneten Pfeile und gestrichelte Linien den Fluß bzw. die Übermittlung von Informationen I zwi schen zwei Bauelementen in Richtung der mit der ge strichelten Linie verbundenen Pfeile.In Fig. 1, solid lines mean the flow of energy E between two components in the direction of the arrows and dashed lines the flow or the transmission of information I between two components in the direction of the arrows connected with the dashed line ge.

Der Sendeempfänger S_ESI empfängt elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz, das heißt mit Wellenlängen zwischen 1,5 mm und 3 nm. Detektoren für derartig kurze Wellenlängen können besonders gut und einfach in hetero strukturierter Halbleitertechnik hergestellt werden. Der Sendeempfänger S_ESI identifiziert die empfangenen Wellenlängen und unterscheidet zwischen dem Energie anteil und der mit dieser elektromagnetischen Welle vermittelten Information. Weiterhin identifiziert er diese Signale und gibt sie als Steuersignale an sämt liche anderen Komponenten des rechnergestützten Ener gieversorgers bzw. der mit dem Energieversorger ver bundenen Funktionseinheit FI weiter. Neben Program mierungs- und Steuersignalen nimmt der Sendeempfänger Energie sowohl für sich selbst als auch für sämtliche anderen Komponenten des Energieversorgers als auch für die Funktionseinheit auf.The transceiver S _ESI receives electromagnetic waves with frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz, that is, with wavelengths between 1.5 mm and 3 nm. Detectors for such short wavelengths can be produced particularly well and simply in hetero-structured semiconductor technology. The transceiver S _ESI identifies the received wavelengths and distinguishes between the energy component and the information transmitted with this electromagnetic wave. Furthermore, he identifies these signals and passes them on as control signals to all other components of the computer-based energy supplier or the functional unit FI connected to the energy supplier. In addition to programming and control signals, the transceiver absorbs energy both for itself and for all other components of the energy supplier as well as for the functional unit.

Außer von der Umwelt empfängt der Sendeempfänger In formationen auch von sämtlichen anderen Komponenten des rechnergesteuerten Energieversorgers und von der Funktionseinheit und leitet diese Information durch die Abgabe von elektromagnetischen Wellen an einen zugänglich angeordneten, externen Sendeempfänger S_EXT weiter. Diese Informationen können Daten über die Funktion bzw. den Zustand des Wandlers W_ESI, Meßdaten bzw. Informationen über den Programmierungszustand des Computers C_ESI oder auch Informationen über den Ladezustand etc. des Puffers P_ESI beinhalten.In addition to the environment, the transceiver also receives information from all other components of the computer-controlled energy supplier and from the functional unit and forwards this information by emitting electromagnetic waves to an accessible external transceiver S _EXT . This information can include data about the function or state of the converter W _ESI , measurement data or information about the programming state of the computer C _ESI or information about the state of charge etc. of the buffer P _ESI .

Der Sendeempfänger kann vorteilhafterweise Speicher funktionen für diese Daten besitzen, beispielsweise im Computer C_ESI, so daß diese bei Bedarf oder auf Anforderung abgerufen werden können.The transceiver can advantageously have memory functions for this data, for example in the computer C _ESI , so that it can be called up as required or on request.

Damit stellt der Sendeempfänger S_ESI das Verbindungs glied des Energieversorgers ESI mit der Umwelt, ins besondere mit einer externen Steuer- und Kontrollein heit EXT dar, die den externen Sendeempfänger S_EXT um faßt.The transceiver S _ESI thus represents the link between the energy supplier ESI and the environment, in particular with an external control and monitoring unit EXT, which comprises the external transceiver S _EXT .

Die empfangene Energie wird von dem Sendeempfänger in eine für den Energieversorger ESI und die Funktions einheit FI verwertbare Energieform umgewandelt und diesem direkt zur Verfügung gestellt oder in dem Puf fer P_ESI zwischengespeichert. Dabei besteht eine di rekte Verbindung zwischen dem Sendeempfänger S_ESI und dem Puffer P_ESI, so daß der Sendeempfänger S_ESI durch den Puffer P_ESI beim Ausfall des Wandlers W_ESI direkt versorgt werden kann bzw. damit der Sendeempfänger S_ESI den Puffer P_ESI direkt laden kann.The received energy is converted by the transceiver into a form of energy that can be used by the energy supplier ESI and the functional unit FI and made available to the latter directly or temporarily stored in the buffer P _ESI . There is a direct connection between the transceiver S _ESI and the buffer P _ESI , so that the transceiver S _ESI can be supplied directly by the buffer P _ESI in the event of failure of the converter W _ESI or thus the transceiver S _{ESI can} buffer the P _ESI directly can load.

Der Wandler W_ESI verarbeitet die ihm von dem Sendeemp fänger S_ESI zur Verfügung gestellte elektromagnetische oder elektrische Energie und wandelt sie in die von der Funktionseinheit FI, dem Sendeempfänger S_ESI, dem Computer C_ESI und dem Puffer P_ESI benötigte Form um. Da bei hängt die Form der erzeugten Energie selbstver ständlich von dem jeweiligen Baustein und von ihrer Funktion, beispielsweise Betrieb oder Speicherung ab. Der Wandler W_ESI wird dabei in seiner Funktion mit dem Bedarf durch die anderen Bauelemente synchronisiert, gesteuert und, wenn nötig, auch neu programmiert. Aufgrund seiner vielfältigen Programmierbarkeit über nimmt der Wandler W_ESI bei Bedarf auch teilweise Funk tionen des Sendeempfängers S_ESI. Dabei ist insbesonde re an Funktionen wie Wechselrichten, Gleichrichten, DD-Wandeln, Vervielfachen, Stabilisieren und Umwan deln von Energieformen, beispielsweise von elektri scher in optischer Energie, zu denken. Je nach Lade zustand des Puffers P_ESI und Betriebszustand des Ener gieversorgers gibt der Wandler W_ESI Energie an den Puffer P_ESI zur Speicherung ab oder bezieht Energie von dem Puffer P_ESI zur Umwandlung und Weitergabe an die Verbraucher. Der Wandler W_ESI versorgt ebenfalls den Computer C_ESI mit Energie und stellt ihm Informa tionen über seinen Betriebszustand zur Verfügung, die von dem Computer C_ESI genutzt werden, um den Sendeemp fänger S_ESI, den Puffer P_ESI, den Wandler W_ESI sowie die Funktionseinheit FI zu steuern.The converter W _ESI processes the electromagnetic or electrical energy made available to it by the transceiver S _ESI and converts it into the form required by the functional unit FI, the transceiver S _ESI , the computer C _ESI and the buffer P _ESI . Since the shape of the energy generated depends, of course, on the respective component and its function, for example operation or storage. The function of the converter W _ESI is synchronized, controlled and, if necessary, reprogrammed with the other components. Due to its versatile programmability, the W _ESI converter also takes over some of the functions of the S _ESI transceiver when required. Functions such as inverters, rectifications, DD conversion, multiplication, stabilization and conversion of forms of energy, for example electrical to optical energy, are particularly important. Depending on the state of charge of the buffer P _ESI and the operating state of the energy supplier, the converter W _ESI delivers energy to the buffer P _ESI for storage or draws energy from the buffer P _ESI for conversion and transmission to the consumer. The converter W _{ESI also} supplies the computer C _ESI with energy and provides it with information about its operating state, which is used by the computer C _ESI to receive the transmitter S _ESI , the buffer P _ESI , the converter W _ESI and Control functional unit FI.

Der Puffer P_ESI besteht aus einem Speichersystem mit einer oder mehreren auch unterschiedlichen Batterien oder einem oder mehreren Akkumulatoren als Pufferele menten und dient der Speicherung von Energie. Die einzelnen Pufferelemente können nach Bedarf beliebig, beispielsweise in Reihe oder parallel, zusammenge schaltet werden. Diese kann zur Überbrückung derje nigen Zeiten verwendet werden, in denen der Sendeemp fänger S_ESI keine elektromagnetischen Wellen empfängt. Außerdem kann durch den Puffer P_ESI eine Notversorgung der Funktionseinheit aufrechterhalten werden, wenn der Sendeempfänger S_ESI ausfällt. Umgekehrt kann bei einem Totalausfall der Funktionseinheit FI der Puffer P_ESI die Energieversorgung des Sendeempfängers S_ESI so lange aufrechterhalten, daß Informationen über den Ausfall der Funktionseinheit FI und über den Zustand des Energieversorgers ESI und der Funktionseinheit FI an den externen Sendeempfänger S_EXT übermittelt werden können. Besondere Bedeutung besitzt der Puffer P_ESI bei kurzfristigen Lastspitzen, die bei besonderem Einsatz der Funktionseinheit FI auftreten können. In diesem Falle kann der Puffer P_ESI Energie in vermehr ter Weise an den Wandler W_ESI oder direkt an die Bau elemente der Funktionseinheit FI abgeben.The buffer P _ESI consists of a storage system with one or more different batteries or one or more accumulators as buffer elements and is used to store energy. The individual buffer elements can be switched together as required, for example in series or in parallel. This can be used to bridge those times when the S _ESI receiver does not receive any electromagnetic waves. In addition, an emergency supply of the functional unit can be maintained by the buffer P _ESI if the transceiver S _ESI fails. Conversely, in the event of a total failure of the functional unit FI, the buffer P _{ESI can maintain} the energy supply to the transceiver S _{ESI for} such a long time that information about the failure of the functional unit FI and the state of the energy provider ESI and the functional unit FI can be transmitted to the external transceiver S _EXT . The P _ESI buffer is particularly important for short-term load peaks that can occur when the FI functional unit is used in particular. In this case, the buffer P _ESI can deliver energy in an increased manner to the converter W _ESI or directly to the construction elements of the functional unit FI.

Die mikroprozessorkontrollierte Steuerschaltung C_ESI ist die Gesamtheit aller mikroprozessorkontrollierten Steuerungen des Energieversorgers. Ihre Aufgabe be steht in der zentralen Verarbeitung aller in dem Energieversorger ESI entstehenden bzw. von dem exter nen Sendeempfänger S_EXT oder der Funktionseinheit FI eintreffenden Daten. Die mikroprozessorkontrollierte Steuerschaltung C_ESI ist automatisch programmierbar, kann jedoch auch manuell über den externen Sendeemp fänger S_EXT und den Sendeempfänger S_ESI programmiert werden. Mit Hilfe der automatischen Programmierung kann eine ständige Anpassung des Gesamtimplantats an beispielsweise physiologische Bedingungen des Im plantatträgers erfolgen, während durch die manuelle Programmierung größere Änderungen, die beispielsweise auf Grund einer neuen medizinischen Maßnahme nötig werden, durchgeführt werden können. Auch die mikro prozessorkontrollierte Steuerschaltung C_ESI wird mit heterostrukturierten Halbleiterbauelementen herge stellt, wodurch sich eine extrem kompakte Bauweise bei geringstem Energieverbrauch und dennoch großer Rechenleistung ergibt. Auf diese Weise sind komplexe, adaptive Prozeßsteuerungen auch bei geringem Energie verbrauch möglich.The microprocessor-controlled control circuit C _ESI is the entirety of all microprocessor-controlled controls of the energy supplier. Its task is the central processing of all data arising in the energy supplier ESI or arriving from the external transceiver S _EXT or the functional unit FI. The microprocessor-controlled control circuit C _ESI can be programmed automatically, but can also be programmed manually via the external transceiver S _EXT and the transceiver S _ESI . With the aid of the automatic programming, the entire implant can be continuously adapted to, for example, the physiological conditions of the implant carrier, while the manual programming can be used to carry out major changes that are necessary, for example, due to a new medical measure. The microprocessor-controlled control circuit C _ESI is also manufactured with heterostructured semiconductor components, which results in an extremely compact design with the lowest energy consumption and yet high computing power. In this way, complex, adaptive process controls are possible even with low energy consumption.

Die Energieversorgung der mikroprozessorkontrollier ten Steuerschaltung C_ESI erfolgt überlicherweise durch den Puffer P_ESI bzw. bei Bedarf auch durch direkte Energieübertragung von dem Wandler P_ESI. Er sendet seinerseits Steuerinformationen bzw. Programmierungs informationen an die anderen Komponenten des Energie versorgers ESI und erhält Informationen über den Funktionszustand dieser Komponenten. Er ist ebenfalls mit der Funktionseinheit FI verbunden und empfängt von dieser Meßdaten und Informationen über den Be triebszustand der Funktionseinheit. Auf Grund ihrer großen Rechenleistung kann die mikroprozessorkontrol lierte Steuerschaltung C_ESI auch mehrere Funktionsein heiten gleichzeitig steuern, so daß auch eine nach trägliche Ausrüstung bzw. ein Auswechseln einer Funk tionseinheit möglich ist, ohne zugleich den Energie versorger ESI auszuwechseln. Es ist dann lediglich eine Neuprogrammierung der mikroprozessorkontrollier ten Steuerschaltung C_ESI von außen über den externen Sendeempfänger S_EXT und den Sendeempfänger S_ESI nötig. Auf die gleiche Art und Weise können Sollwertkorrek turen oder Programmänderungen in der mikroprozessor kontrollierten Steuereinheit C_ESI oder in der Funk tionseinheit FI durchgeführt werden.The power supply to the microprocessor-controlled control circuit C _ESI is usually provided by the buffer P _ESI or, if necessary, also by direct energy transfer from the converter P _ESI . For its part, it sends control information or programming information to the other components of the energy supplier ESI and receives information about the functional state of these components. It is also connected to the functional unit FI and receives measurement data and information about the operating state of the functional unit from it. Due to their large computing power, the microprocessor-controlled control circuit C _{ESI can} also control several functional units at the same time, so that even after subsequent equipment or a replacement of a functional unit is possible without at the same time replacing the energy supplier ESI. It is then only necessary to reprogram the microprocessor-controlled control circuit C _ESI from the outside via the external transceiver S _EXT and the transceiver S _ESI . In the same way, setpoint corrections or program changes can be carried out in the microprocessor-controlled control unit C _ESI or in the function unit FI.

Die Funktionseinheit FI besteht aus einem Puffer P_FI, einem Computer C_FI, einem Wandler W_FI und einem die Funktion der Funktionseinheit FI realisierenden Ver braucher L_FI. Dieser Verbraucher L_FI kann auch räumlich von sämtlichen anderen Komponenten des Energieversor gers ESI und/oder der Funktionseinheit FI getrennt werden. Der Puffer P_FI dient der Energieversorgung der Funktionseinheit FI im Falle eines Versagens des Energieversorgers ESI. Er kann zugleich auch Funktio nen des Puffers P_ESI bzw. des Energieversorgers ESI übernehmen. Hierdurch und durch eine adaptive Ener giewandlung durch den Wandler W_FI wird jederzeit eine bedarfsadaptive Energieversorgung des Verbrauchers L_FI gewährleistet. Der Computer C_FI dient der Steuerung der Funktionseinheit FI und wird im Regelfalle von dem Puffer P_FI mit Energie versorgt. Sollte der Puffer P_FI ausfallen, so besteht eine Notversorgung des Com puters C_FI direkt durch den Wandler W_ESI.The functional unit FI consists of a buffer P _FI , a computer C _FI , a converter W _FI and a consumer L _FI realizing the function of the functional unit _FI . This consumer L _FI can also be spatially separated from all other components of the energy supplier ESI and / or the functional unit FI. The buffer P _FI serves to supply energy to the functional unit FI in the event of a failure of the energy supplier ESI. It can also take over functions of the buffer P _ESI or the energy supplier ESI. In this way and through an adaptive energy conversion by the converter W _FI , a demand-adaptive energy supply of the consumer L _{FI is} guaranteed at all times. The computer C _FI is used to control the functional unit FI and is usually supplied with energy by the buffer P _FI . Should the buffer P _FI fail, there is an emergency supply for the computer C _FI directly through the converter W _ESI .

Die externe Einheit EXT, die aus dem Sendeempfänger S_EXT, einem Computer C_EXT, einem Wandler W_EXT und einem Puffer P_EXT besteht, wird nur temporär benötigt, um dem Energieversorger bzw. Informationen zu übermit teln bzw. von dem Energieversorger Informationen ab zufragen. Die externe Einheit unterliegt bezüglich der Baugröße nicht den Einschränkungen des implan tierten Energieversorgers ESI oder der implantierten Funktionseinheit FI und kann daher in komfortabler Weise zur Visualisierung der übermittelten Informa tionen mit Bedienelementen und einem Bildschirm aus gestattet sein. Ihren Energiebedarf deckt die externe Einheit EXT dabei aus dem Puffer P_EXT, dessen Energie von dem Wandler W_EXT in die von den anderen Komponen ten der externen Einheit EXT benötigte Form umgewan delt wird. Dabei wird die externe Einheit von dem Computer C_EXT gesteuert. Alternativ zu der Energiever sorgung durch den Puffer P_EXT kann die Energieversor gung der externen Einheit EXT auch durch Anschluß beispielsweise an das öffentliche Niedervolt-Stromnetz erfolgen.The external unit EXT, which consists of the transceiver S _EXT , a computer C _EXT , a converter W _EXT and a buffer P _EXT , is only required temporarily in order to transmit information to the energy supplier or to request information from the energy supplier . The size of the external unit is not subject to the restrictions of the implanted energy supplier ESI or the implanted functional unit FI and can therefore be conveniently equipped with control elements and a screen for visualizing the transmitted information. The external unit EXT covers its energy requirements from the buffer P _EXT , the energy of which is converted by the converter W _EXT into the form required by the other components of the external unit EXT. The external unit is controlled by the computer C _EXT . As an alternative to the energy supply through the buffer P _EXT , the energy supply of the external unit EXT can also be carried out by connection, for example, to the public low-voltage power grid.

Claims

1. Method for electronic energy supply in electronic functional units (FI) which are not readily accessible from the outside, such as switching, control or sensor units, for example medical-technical devices such as cardiac pacemakers, electrical dosimeters or the like implanted in the human organism, characterized in that the functional unit (FI) is supplied with energy by an electrically connected to the functional unit energy supplier (ESI), which comprises a receiving device (S _ESI ) for electromagnetic waves with frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz , receiving from the receiving device from the outside incoming electromagnetic waves with frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz and are implemented electronically by the energy supplier in electrical energy.

2. The method according to claim 1, characterized in that by means of an accessible external transmitter (S _EXT ) for electromagnetic waves, an electromagnetic wave with a frequency between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz in the direction of the connected with the functional unit NEN energy supplier (ESI) is emitted.

3. The method according to claim 2, characterized in that information is transmitted between the accessible transmitter (S _EXT ) and the receiving device (S _ESI ) by means of electromagnetic waves.

4. The method according to claim 3, characterized in net that between the transmission of information the receiving device and the accessible Chen transmitter electromagnetic waves with Fre frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz ver be applied.

5. The method according to any one of claims 3 or 4, characterized in that for the transmission of Information between the receiving device and the accessible transmitter digital radio inside half as well as in conventional frequency bands outside of the use for energy transmission frequency range is used.

6. Proceed according to at least one of the preceding the claims, characterized in that the received electro by the receiving device magnetic waves are differentiated Lich the information or the energy content.

7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy made available by the receiving device is converted by a converter belonging to the energy supplier (W _ESI ) and then made available to the functional unit and the elements of the energy supplier.

8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy provided by the receiving device ge at least partially and / or temporarily directly or via the converter (W _ESI ) egg nem energy buffer (P _ESI ) and in which Energy buffer is stored.

9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the functions of the individual elements of the energy supplier and / or the functional unit controlled by a device belonging to the energy supplier, microprocessor-controlled and / or programmable circuit (C _ESI ) controlled and / or is monitored.

10. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that hetero structured semiconductor components are used in the energy supplier (ESI), the functional unit (FI) and / or the external transmitter (S _EXT ).

11. The method according to any one of claims 9 or 10, characterized in that the microprocessor-controlled circuit (C _ESI ) is programmed according to the requirements of the functional unit (FI) via the accessible transmitter (S _EXT ) and the receiving device (S _ESI ) .

12. The method according to at least one of claims 7 to 11, characterized in that the func tion unit (FI) is supplied with energy by the converter (W _ESI ) and / or by the energy buffer.

13. proceed according to at least one of the previous steps the claims, characterized in that the Functional unit (FI) the function of the converter influenced and / or the microprocessor-controlled Circuit affected or reprogrammed.

14. Proceed according to at least one of the preceding the claims, characterized in that the accessible transmitter electromagnetic waves different frequencies.

15. The method according to at least one of claims 2 to 14, characterized in that the Emp receiving device (S _ESI ) automatically adjusts to the frequency range used by the accessible transmitter for the electromagnetic wave.

16. The method according to claim 15, characterized in net that the setting on the frequency range microprocessor-based.

17. The method according to any one of claims 15 and 16, characterized in that reception and / or Implementation of the electroma coming in from outside genetic energy separately and / or adaptively the Fre used by the accessible transmitter frequency range for the electromagnetic wave is set.

18. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the receiving device (S _ESI ) interrupts the reception of energy as required.

19. Proceed according to at least one of the preceding the claims, characterized in that the Energy is fed in continuously.

20. Proceed according to at least one of the preceding the claims, characterized in that the Energy is fed in periodically.

21. Proceed according to at least one of the preceding the claims, characterized in that the Aperiodically controlled energy feed he follows.

22. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy is fed from the accessible transmitter (S _EXT ) to the receiving device (S _ESI ) on request of the functional unit (FI).

23. Proceed according to at least one of the preceding the claims, characterized in that of the receiving device light in the infrared, visible and / or ultraviolet range emp will catch.

24. Use of the method after at least one of the preceding claims in medical technical area to complement other lic own or non-rechargeable artificial Energy sources for the supply of functions units (FI) with energy.

25. Use of the method according to at least one of the preceding claims for energy transfer supply, information processing, data transmission development, process control, biochemical analysis, Control, support or improvement of biological functions and therapeutics.

26. An apparatus for performing the method according to at least one of claims 1 to 23, characterized by an energy supplier (ESI), the at least one receiver device (S _ESI ) for receiving electromagnetic waves with frequencies between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz includes.

27. The apparatus according to claim 26, characterized by an external, accessible arranged Transmitter for electromagnetic waves with Fre sequences between 5 × 10¹⁰ Hz and 10 × 10¹⁶ Hz.

28. Device according to one of claims 26 or 27, characterized in that the energy supplier (ESI) an energy buffer (P _ESI ) and / or a converter (W _ESI ) for electrical energy and / or a microprocessor-controlled and / or programmable circuit ( C _ESI ).

29. The device according to claim 28, characterized in that the energy buffer (P _ESI ) consists of several ren buffer elements.

30. The device according to claim 29, characterized records that the buffer elements ge ge are arranged separately.

31. The device according to at least one of claims 28 to 30, characterized in that the energy buffer (P _ESI ) and the receiving device (S _ESI ) are connected to one another, but are arranged spatially separated from one another.

32. Device according to at least one of claims 26 to 31, characterized in that the external transmitter (S _EXT ), the receiving device (S _ESI ) and / or the functional unit (FI) are implemented in heterostructured semiconductor technology.