DE60125817T2

DE60125817T2 - Mems-schaltkreis und verfahren für eine implantierbare medizinische vorrichtung

Info

Publication number: DE60125817T2
Application number: DE60125817T
Authority: DE
Inventors: L. David Andover THOMPSON; L. Daniel Coon Rapids GREENINGER; F. Michael Chandler MATTES
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2000-11-03
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2021-11-03
Also published as: EP1339452B1; EP1339452A1; US6804552B2; US20020095187A1; WO2002068046B1; DE60125817D1; WO2002068046A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein verbessertes System und Verfahren zum Ausführen eines Schaltens in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung und insbesondere die Verwendung der Technologie mikro-elektromechanischer Systeme (MEMs) zum Implementieren eines Schaltnetzes bzw. -Kreises einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele implantierbare medizinische Vorrichtungen (IMD) weisen Schaltungen zum Abgeben einer elektrischen Stimulation an Gewebe auf. Beispielsweise sind implantierbare Stimulations-, Defibrillations- und Kardioversionsvorrichtungen dafür ausgelegt, eine elektrische Stimulation über Elektroden, die in Kontakt mit Herzgewebe stehen, an das Herz abzugeben. Andere Typen implantierbarer Vorrichtungen in der Art von Nervenstimulationssystemen sind zur Abgabe einer elektrischen Stimulation an Muskel-, Nerven- oder andere Gewebetypen innerhalb des Körpers eines Patienten bekannt.
IMD, die eine elektrische Stimulation ausführen, weisen im Allgemeinen Ausgabeschaltnetze auf, um die Stimulationsenergie selektiv von Batterien und/oder Kondensatoren an Herz-, Muskel- oder Nervengewebe abzugeben, wobei dies durch Algorithmen oder Firmware, die in der Vorrichtung vorhanden sind, überwachend gesteuert geschieht. Im Stand der Technik werden diese Schalter im Allgemeinen unter Verwendung von CMOS-Feldeffekttransistoren (FET) in CMOS-Technologie implementiert. Diese Transistoren können leicht unter Verwendung der Drei-fünf-Mikrometer-oder-größer-CMOS-Technologie in Siliciumvorrichtungen implementiert werden. Wenn die Strukturgröße der CMOS-FET jedoch unter drei Mikrometer verringert wird, wird auch die Durchbruchsspannung der FET verringert. Falls die Durchbruchsspannung auf eine Spannung abnimmt, die bei oder in der Nähe der Spannung liegt, die an einen FET angelegt wird, tritt ein parasitäres Lecken bei Stimulationsimpulsen auf, wodurch eine unwirksame Stimulation hervorgerufen wird, der Batterieverluststrom erhöht wird und die integrierte Schaltung möglicherweise beschädigt wird.
Ein vorgeschlagener Mechanismus zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems schließt das Implementieren des gesamten Schaltnetzes in mindestens eine Drei-Mikrometer-Technologie in einer ersten integrierten Schaltung ein, während die gesamte restliche Schaltungsanordnung für die IMD in einer anderen integrierten Schaltung implementiert wird, bei der Gate-Elektroden geringerer Größe eingesetzt werden. Dieser Ansatztyp ist in US-A-5 833 710 von Jacobson beschrieben. Diese vorgeschlagene Lösung fügt zu dem Entwurf eine weitere integrierte Schaltung hinzu, wodurch die Größe und die Kosten des Systems erhöht werden. Weiterhin erfordert dieses Verfahren das Hinzufügen von Hybridschaltungsverbindungen zum Koppeln der mehreren integrierten Schaltungen. Diese Verbindungen sind kostspielig in der Herstellung und fehleranfällig. Weiterhin verbrauchen Verbindungen auf der Hybridschaltungsebene im Allgemeinen mehr Strom als Verbindungen, die innerhalb einer einzigen integrierten Schaltung enthalten sind.
Bei einer anderen Lösung des Problems werden mehrere FET-Transistoren in Reihe an Stelle eines einzigen FETs verwendet, um eine Schaltfunktion zu implementieren. Dies ermöglicht es, dass ein gegebener Spannungsabfall von mehreren Transistoren geteilt erfahren wird, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung und/oder eines Leckens der Schaltung verringert wird. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass sie die Größe der Siliciumfläche, die für das Implementieren jedes Schalters erforderlich ist, stark erhöht. Zusätzlich ist der Entwurf kompliziert, weil die mehreren FETs, die einen einzigen Schalter implementieren, in einer vorgegebenen Reihenfolge aktiviert werden müssen, um zu verhindern, dass der volle Spannungsabfall auch nur für einen sehr kurzen Zeitraum von einem einzigen FET gespürt wird, weil hierdurch die Schaltung beschädigt werden könnte oder große Leckströme hervorgerufen werden könnten. Die Implementation dieses Entwurfsansatzes führt daher im Allgemeinen zur Verwendung einer erheblich vergrößerten Siliciumchipfläche.
Ein weiterer Ansatz ist in US-A-5 097 830 von Eikefjord u.A. erörtert. In diesem Patent ist ein externer Defibrillator beschrieben, der Übertragungs-Relais zum Abgeben des Defibrillationsimpulses an einen Patienten aufweist. Dieser Entwurf verbraucht eine verhältnismäßig große Platzmenge.
Im Dokument GB 1 394 718 ist eine implantierbare medizinische Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Die Dokumente GB 1 082 752 und GB 1 394 412 können als den Oberbegriff des Anspruchs 10 offenbarend angesehen werden.
Wenngleich sich die vorstehende Erörterung auf Schaltnetze konzentriert, die innerhalb einer Ausgabeschaltungsanordnung einer IMD verwendet werden, werden Fachleute verstehen, dass bei anderen Schaltern in einer IMD ähnliche Probleme wie die vorstehend erörterten auftreten. Es ist daher ein verbessertes Schaltsystem und -verfahren zur Verwendung beim Implementieren einer Schaltfunktion innerhalb einer IMD erforderlich, das robust unter Verwendung einer erheblich kleineren Chipfläche implementiert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht vor: eine implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) mit:
einer ersten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine erste Funktion auszuführen,
einer zweiten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine zweite Funktion auszuführen, und
einem Schaltnetz bzw. -Kreis, das bzw. der mit der ersten und der zweiten Schaltung gekoppelt ist, um selektiv die erste Schaltung mit der zweiten Schaltung elektrisch zu koppeln, wobei das Schaltnetz mindestens ein mikro-elektromechanisches System (MEMs) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die IMD unter Verwendung eines einzigen integrierten Schaltungschips mit mehreren Mulden implementiert ist, wobei mindestens eine von der ersten und der zweiten Schaltung in einer der mehreren Mulden implementiert ist und das Schaltnetz unter Verwendung einer anderen der mehreren Mulden implementiert ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen:
eine implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) mit:
einer ersten Schaltung, die in der Lage ist, einem Patienten eine elektrische Stimulation bereitzustellen, und
einem Schaltnetz bzw. -Kreis, das bzw. der mit der ersten Schaltung gekoppelt ist, um selektiv zu ermöglichen, dass die elektrische Stimulation einem Patienten bereitgestellt wird, wobei das Schaltnetz ein mikro-elektromechanisches System (MEMs) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die IMD unter Verwendung eines einzigen integrierten Schaltungschips mit mehreren Mulden implementiert ist, wobei die erste Schaltung in einer der mehreren Mulden implementiert ist und das Schaltnetz unter Verwendung einer anderen der mehreren Mulden implementiert ist.
MEMs-Schalter stellen eine elektrische und mechanische Kopplung zwischen zwei Anschlüssen einer Schaltung bereit. Diese Schalter, die Abmessungen in einem Bereich von weniger als 10 Mikrometer aufweisen, können auf herkömmlichen integrierten Schaltungschips hergestellt werden. Weil diese MEMs-Schalter in der Lage sind, eine viel höhere Spannung über die Schalteranschlüsse als unter Verwendung von Transistornetzen implementierte herkömmliche Schalter auszuhalten, ist die sich ergebende Schaltung zuverlässiger, und das Schaltnetz und die Steuerlogik können vereinfacht werden. Hierdurch wird die Chipfläche minimiert, die erforderlich ist, um das System zu implementieren. Falls gewünscht, kann eine ganze IMD einschließlich eines Schaltnetzes unter Verwendung eines einzigen integrierten Schaltungschips implementiert werden.
Die Herstellung der MEMs-Schalter unter Verwendung von einer oder mehreren getrennten Wannen oder Mulden auf einem Siliciumsubstrat isoliert das Schaltnetz von der restlichen IMD-Schaltungsanordnung. Dabei kann das unter Verwendung der Drei-bis-fünf-Mikrometer-Technologie implementierte Schaltnetz auf demselben Substrat liegen wie Transistoren, die unter Verwendung einer kleineren Technologie implementiert sind. Durch das Isolieren der Schaltungen in dieser Weise werden Probleme in Bezug auf Substratübersprechen, Durchbrüche, Erwärmungen und Schaltungs-Latch-Up minimiert. Dieser Ansatz könnte auch zum Isolieren von RF- oder rauschempfindlichen Schaltungsanordnungen verwendet werden.
Verschiedene Typen von Schaltern, einschließlich Verriegelungs- und Tastschalter, können unter Verwendung der MEMs-Technologie implementiert werden. Die Schalter können unter Verwendung verschiedener Typen von Aktivierungsmechanismen, einschließlich elektrischer, elektrostatischer, elektromagnetischer und thermischer Signale, aktiviert werden. Diese Schalter können unter Verwendung beliebiger der bekannten Herstellungstechniken, einschließlich des Lithographie, Galvanoformung, Abformung-(LIGA)-Verfahrens, hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform sieht die Erfindung eine IMD vor, die in der Lage ist, einem Patienten eine elektrische Stimulation bereitzustellen, wobei die Ausgangsschalter unter Verwendung der MEMs-Schaltertechnologie implementiert sind. Gemäß einer anderen Ausführungsform sieht die Erfindung eine IMD vor, die eine erste Schaltung, welche in der Lage ist, einem Patienten eine elektrische Stimulation bereitzustellen, und ein Schaltnetz mit einem MEMs-Schalter, der selektiv erlaubt, dass die elektrische Stimulation zu dem gewünschten Elektrodenpaar oder der gewünschten Elektrodenkonfiguration an dem Patienten geleitet wird, aufweist. Die erste Schaltung kann eine Schaltung zum Abgeben von Stimulationsimpulsen sein, sie kann eine Hochspannungs-Ausgabeschaltung sein, die in einem Defibrillationssystem enthalten sein kann, und sie kann einen Nervenstimulator oder einen anderen Typ eines Behandlungsmechanismus aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die in der IMD implementierte Ausgabeschaltung einen Rückstromweg aufweisen, der unter Verwendung von Schaltern, die unter Verwendung der MEMs-Technologie implementiert sind, auswählbar ist. Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform kann die IMD eine Überspannungsschutzschaltung aufweisen, die unter Verwendung der MEMs-Technologie implementiert ist, wobei ein oder mehrere Schalter beim Erfassen eines Zustands, der die implantierte Vorrichtung beschädigen kann, öffnen können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Erfindung einen oder mehrere MEMs-Schalter aufweisen, die verwendet werden, um einer oder mehreren Schaltungen in einer IMD selektiv Leistung zuzuführen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen: ein Verfahren zum Betreiben einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung mit den folgenden Schritten:

(a) Bereitstellen einer ersten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine erste Funktion auszuführen,
(b) Bereitstellen einer zweiten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine zweite Funktion auszuführen,
(c) Verwenden mindestens eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMs) zum selektiven elektrischen Koppeln der ersten und der zweiten Schaltung,
(d) Bereitstellen eines einzigen integrierten Schaltungschips mit mehreren Mulden,
(e) Implementieren mindestens einer von der ersten und der zweiten Schaltung in einer der mehreren Mulden und
(f) Implementieren des Schaltnetzes unter Verwendung einer anderen der mehreren Mulden.

Der MEMs-Schalter kann unter Verwendung beliebiger der vorstehend beschriebenen Mechanismen, einschließlich elektrischer, elektromagnetischer und thermischer Steuersysteme, gesteuert werden.
Zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der (nur als Beispiel dienenden) Beschreibung und der sich darauf beziehenden Zeichnung und anhand der Ansprüche verständlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines typischen Schaltnetzes aus dem Stand der Technik, das in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen verwendet wird,
2 ein Blockdiagramm eines alternativen Schaltnetzes aus dem Stand der Technik,
3 ein Blockdiagramm einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung (IMD), die angepasst werden kann, um das Schaltsystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden,
4 ein Blockdiagramm einer elektronischen Schaltungsanordnung, die innerhalb einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung in der Art eines Schrittmachers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
5 ein Funktionsblockdiagramm eines unter Verwendung der Technologie mikro-elektromechanischer Systeme (MEMs), welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, implementierten Schalters,
6a ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer Ausgabeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
6b ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer Schutzschaltungsanordnung, die innerhalb der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
7a eine Seitenansicht einer integrierten Schaltung, bei der eine getrennte Wanne verwendet wird, um die Ausgabeschaltungsanordnung vom Rest der IMD-Schaltungsanordnung zu isolieren,
7b eine Draufsicht der integrierten Schaltung aus 7a und
8 ein als Beispiel dienendes Blockdiagramm, in dem Schalter zum selektiven Zuführen von Leistung zu verschiedenen digitalen Bestandteilen und zum Entfernen von dieser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Blockdiagramm, in dem ein typisches Schaltnetz 100 aus dem Stand der Technik dargestellt ist, das in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen verwendet wird. Schalter S1 102 und S2 104 stellen der atrialen Kammer 106 des Herzens atriale bipolare Stimulationsimpulse bereit. Der Stimulationsimpuls wird über einen Kopplungskondensator 103 von einem atrialen Haltekondensator 107 an das Herz abgegeben. Ähnlich stellen Schalter S7 116 und S8 118 der ventrikulären Kammer 120 des Herzens ventrikuläre bipolare Stimulationsimpulse bereit. Diese ventrikulären Stimulationsimpulse werden über einen Kopplungskondensator 117 von einem ventrikulären Haltekondensator 113 abgegeben.
Eine Steuerschaltung 124 steuert das Schließen aller Schalter sowie die Spannungspegel an den Haltekondensatoren 107 und 113. Schalter 110 und 122 werden geschlossen, nachdem die atrialen bzw. ventrikulären Stimulationsimpulse abgegeben wurden, um das Entladen der auf den Kondensatoren 103 und 117 verbleibenden Restladung sowie einer an der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche angesammelten Ladung zu ermöglichen. Schalter 108 und 112 ermöglichen eine unipolare Stimulation der atrialen und/oder ventrikulären Kammer des Herzens. Ein Schalter 114 ermöglicht das Entladen der Kondensatoren 103 und 117, wenn im unipolaren Modus stimuliert wird.
2 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Schaltnetzes aus dem Stand der Technik. Drei FET 154, 156 und 158 mit zwei Ohm sind in Reihe angeordnet, um einen einzigen FET 152 mit sechs Ohm zu ersetzen. Jeder Spannungsabfall wird über die drei Transistoren verteilt, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung und/oder eines Leckens der Schaltung verringert ist. Wie vorstehend erörtert wurde, erhöht diese Lösung das Ausmaß der für das Implementieren jedes Schalters erforderlichen Siliciumfläche, was unerwünscht ist. Zusätzlich muss die dem Schalter zugeordnete Steuerlogik komplexer sein, weil die FET in einer geeigneten Sequenz aktiviert werden müssen, um eine Beschädigung der Schaltung zu verhindern. Schließlich kann ein Übersprechen oder eine Signalaufnahme von den Stimulationsschaltern in empfindlichere Bereiche eines ICs oder Substrats (d.h. Messverstärker) problematisch sein.
3 ist ein Blockdiagramm einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung (IMD), die eingerichtet werden kann, um das Schaltsystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Eine als Beispiel dienende IMD 10 ist als ein in einen Patienten 12 implantierter Schrittmacher dargestellt. Gemäß einer auf dem Fachgebiet herkömmlichen Praxis ist der Schrittmacher 10 in einem hermetisch gedichteten, biologisch trägen äußeren Gehäuse untergebracht, das selbst leitfähig sein kann, um als eine Blindelektrode in einer Stimulations-/Messschaltung zu dienen. Eine oder mehrere Schrittmacherleitungen 14 sind in herkömmlicher Weise elektrisch mit der IMD 10 gekoppelt und erstrecken sich über eine Vene 18 in das Herz 16 des Patienten. Im Allgemeinen in der Nähe des distalen Endes der Leitungen 14 sind eine oder mehrere freiliegende leitfähige Elektroden zum Empfangen elektrischer Herzsignale und/oder zum Abgeben elektrischer Stimulationsimpulse an das Herz 16 angeordnet. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können die Elektroden der Leitungen 14 im Atrium und/oder im Ventrikel des Herzens 16 positioniert werden. Eine externe Programmiereinrichtung 20 ist über einen Aufwärts- und Abwärtskommunikationskanal 26 für die nichtinvasive Kommunikation mit der IMD 10 bereitgestellt.
4 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Schaltungsanordnung, die innerhalb einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung in der Art eines Schrittmachers gemäß der gegenwärtig offenbarten Erfindung verwendet werden kann. Der Schrittmacher 10 weist eine Stimulationssteuerschaltung 32 zum Steuern von Stimulations- und Messfunktionen auf. Die Stimulationssteuerschaltung 32 kann einen herkömmlichen Entwurf aufweisen, wie im Sivula u.a. erteilten US-Patent US-A-5 052 388 offenbart ist. Beispielsweise kann die Schaltung eine Messverstärker-Schaltungsanordnung 34, eine Stimulationsimpuls-Ausgabeschaltungsanordnung 36, einen Kristalltaktgeber 40, eine Direktzugriffs- und/oder Nurlesespeicher-(RAM/ROM)-Einheit 42, einen E/A-Bus 46 und eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) 38 aufweisen, die alle auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind. Eine Kommunikationsschaltung in der Art eines Telemetriesystems 44 kann bereitgestellt sein, um zu ermöglichen, dass die Vorrichtung über eine Antenne 45 und den Kommunikationskanal 26 mit der externen Programmiereinrichtung 20 kommuniziert.
Der Schrittmacher 10 kann mit einer oder mehreren Leitungen 14 gekoppelt sein, die sich transvenös in das Herz 16 oder ein zugeordnetes Gefäßsystem des Patienten erstrecken. Diese Leitungen können über eine standardmäßige oder nicht standardmäßige Verbinderblockanordnung 11, wie in 3 dargestellt ist, mit der internen Schaltungsanordnung des Schrittmachers 10 verbunden sein. Die Leitungskabel können über eine Leitungsschnittstellenschaltung 30 elektrisch mit den internen elektrischen Bestandteilen des Schrittmachers 10 gekoppelt sein. Diese Schnittstellenschaltung kann so ausgelegt sein, dass sie als ein Schalter wirkt, um selektiv und dynamisch die notwendigen Verbindungen zwischen der Schaltungsanordnung des Schrittmachers 10 und den verschiedenen Leitern der Leitung 14, einschließlich atrialer Spitzen- und Ring-(ATIP und ARING)-Elektrodenleiter und ventrikulärer Spitzen- und Ring-(VTIP und VRING)-Elektrodenleiter, herzustellen. Im Interesse der Klarheit sind die spezifischen Verbindungen zwischen den Leitungen 14 und den verschiedenen Bestandteilen des Schrittmachers 10 in 4 nicht dargestellt. Durchschnittsfachleuten wird es jedoch klar sein, dass die Leitungen 14 notwendigerweise entweder direkt oder indirekt mit der Messverstärker-Schaltungsanordnung 34 und der Stimulationsimpuls-Ausgabeschaltung 36 gekoppelt sind.
Wie zuvor erwähnt wurde, weist die Stimulationssteuerschaltung 32 eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) 38 auf, die ein standardmäßiger programmierbarer Mikro prozessor, eine Mikrosteuereinrichtung oder eine kundenspezifische integrierte Schaltung sein kann. Die CPU 38 führt in der RAM/ROM-Einheit 42 gespeicherte programmierte Anweisungen zum Steuern des zeitlich festgelegten Betriebs der Stimulationsausgabeschaltung 36 und der Messverstärkerschaltung 34 aus. Die Stimulationsausgabeschaltung 36, die Herzstimulationssignale erzeugt, kann von dem Typ sein, der in US-A-4 476 868 von Thompson offenbart ist.
Alternativ kann ein beliebiger anderer Typ einer auf dem Fachgebiet bekannten Stimulationsausgabeschaltung innerhalb des Systems angepasst werden.
Die Messverstärkerschaltung 34 empfängt elektrische Herzsignale von den Leitungen 14. Diese Signale werden verarbeitet, um das Auftreten spezifischer elektrischer Herzereignisse, einschließlich atrialer Kontraktionen (P-Zacken) und ventrikulärer Kontraktionen (R-Zacken) zu erfassen. Die Messverstärkerschaltung 34 führt der CPU 38 dann Ereignisangabesignale zu, um sie beim Steuern der synchronen Stimulationsoperationen des Schrittmachers 10 in Übereinstimmung mit der allgemeinen Praxis auf dem Fachgebiet zu verwenden. Zusätzlich können diese Ereignisangabesignale als diagnostische Daten im RAM/ROM 42 gespeichert werden und anschließend durch Aufwärtsübertragung 26 zu einer externen Programmiereinrichtung 20 übermittelt werden.
Die Steuerschaltung 32 weist weiter eine Quarz- bzw. Kristalloszillatorschaltung 40 auf, um der Steuerschaltung 32 Taktsignale zuzuführen. Andere Bestandteile und Untersysteme können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, welche Aktivitätssensoren und/oder einen anderen Typ eines für die Verwendung innerhalb einer IMD bekannten Untersystems einschließen. Die verschiedenen Bestandteile werden durch eine Leistungsquelle in der Art einer Batterie (nicht dargestellt) mit Leistung versorgt, die innerhalb der hermetisch abgeschlossenen Ummantelung des Schrittmachers 10 enthalten ist, wie es auf dem Fachgebiet allgemein üblich ist.
5 ist ein Funktionsblockdiagramm eines unter Verwendung der Technologie mikro-elektromechanischer Systeme (MEMs), welche von der vorliegenden Erfindung verwendet wird, implementierten Schalters. Diese Technologie ermöglicht das Implementieren mechanisch betätigbarer Schalter unter Verwendung der herkömmlichen CMOS-Technologie. MEMs-Schalter können unter Verwendung einer als Lithographie, Galvanoformung, Abformung (LIGA) bezeichneten Technik hergestellt werden, wie in US-A-5 190 637 von Guckel beschrieben ist. Alternativ oder zusätzlich können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung von Standard-Siliciummikrobearbeitungsprozessen massenproduziert werden. Diese MEMs-Schalter können an den Schalteranschlüssen eine viel höhere Spannung aushalten als unter Verwendung von Transistornetzen implementierte herkömmliche Schalter.
Während des Betriebs wird eine Spannung an den Gate-Anschluss 202 angelegt. Hierdurch wird eine elektrostatische Kraft erzeugt, die ein leitfähiges Element 204 in Kontakt sowohl mit einem Source-Anschluss 206 als auch mit einem Drain-Anschluss 208 zieht. In dieser Position ist der Schalter "geschlossen", wodurch ein Leitungsweg zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss erzeugt ist. Gemäß einer Ausführungsform ist das leitfähige Element 204 mechanisch und elektrisch mit dem Source-Anschluss 206 gekoppelt und weiter elektrisch mit dem Drain-Anschluss 208 gekoppelt, wenn eine Spannung an den Gate-Anschluss 202 angelegt ist. Dieser Schaltertyp kann unter Verwendung eines Entwurfs mit einem Auslegerbalken implementiert werden, wie in US-A-4 674 180 von Zavracky u.a. beschrieben ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das leitfähige Element mechanisch und elektrisch mit dem Drain-Anschluss 208 gekoppelt sein und elektrisch mit dem Source-Anschluss 206 gekoppelt sein, wenn eine Spannung an den Gate-Anschluss 202 angelegt ist.
Wenngleich die Schalter aus 5 durch Anlegen einer Spannung an den Drain-Anschluss betätigt werden, kann das Betätigungsverfahren alternativ elektromagnetisch oder thermisch sein. Beispielsweise sind elektromagnetisch betätigte mikromechanische Mehrkontaktrelais von Taylor u.a. in dem Artikel "Integrated Magnetic Microrelays: Normally Open, Normally Closed, and Multi-Pole Devices" (Proc. IEEE Transducers '97 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, IL, 16.-19. Juni, 1997) offenbart.
Alternativ ist in US-A-5 994 816 von Dhuler ein thermisch aktivierter Schalter beschrieben, der alternativ von der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können MEMs-Schalter in Stimulationsausgabeschaltungen, wie sie vorstehend erörtert wurden, verwendet werden. Insbesondere können einige oder alle in 1 dargestellten Schalter durch MEMs-Schalter ersetzt werden. Beispielsweise können die Schalter 102, 110, 114, 116 und 122 einpolige Umschalt-Tastschalter (SPST-Tastschalter) sein. Die Schalter 104/108 und 112/118 können zweipolige Umschalt-Verriegelungsschalter (DPDT-Verriegelungsschalter) sein, die eine permanent programmierbare unipolare oder bipolare Stimulationskonfiguration ermöglichen. Diese Schalter können auch verwendet werden, um Schutzschaltungen zu implementieren, die an Stelle von Zener-Dioden zum Schützen der Messschaltungsanordnung vor Hochspannungsstößen verwendet werden können.
Durch die Verwendung von MEMs-Schaltern ist das Ausgangssystem zuverlässiger, weniger kostspielig und führt zu einer viel kleineren Fläche des integrierten Schaltungschips, so dass das Gesamtvolumen der IMD verringert werden kann. Die Verwendung von MEMs-Schaltern kann die Verwendung von integrierten Schaltungen mit einer kleineren Geometrie für die restliche IMD-Schaltungsanordnung ermöglichen. Weil die MEMs-Schalter weiterhin in einer kleinen Fläche implementiert werden können, können viele Schalter in eine einzige Vorrichtung aufgenommen werden. Beispielsweise kann ein Dreikammer- und Vierkammer-Schrittmacher für mehrere Stellen leicht auf einem einzigen Chip implementiert werden. Vorrichtungsbeispiele sind in US-A-6 070 101, US-A-6 081 748, US-A-6 122 545 und US-A-6 148 234 beschrieben.
6a ist ein Schaltungsdiagramm, in dem eine Ausführungsform einer Ausgabeschaltung 300 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform weist eine Vorrichtungsschutzschaltung 312 auf. Eine Ladungspumpe 302 und ein Kondensator 304 speichern eine vorprogrammierte Ausgangsladung. Diese Ausgangsladung kann eine Hochspannungsladung sein, wie sie innerhalb eines Kardioversions- oder Defibrillationssystems verwendet wird, oder sie könnte eine Ausgangsladung sein, die bei einer Stimulationsanwendung verwendet wird. Ein Steuerimpuls 324 wird über eine Steuerschaltung 322 und eine Steuerleitung 326 abgegeben, um einen Schalter 306 zu schließen. Wie vorstehend erwähnt wurde, könnte diese Steuerschaltung 322 angepasst werden, um elektromagnetische oder thermische Aktivierungssignale bereitzustellen, falls elektromagnetisch oder thermisch aktivierte MEMs-Schalter an Stelle elektrisch aktivierter MEMs-Schalter verwendet werden. Zusätzlich kann die Steuerschaltung teilweise auf der Grundlage vom Körper erhaltener physiologischer Signalmessungen betrieben werden, welche EGM-, Druck-, Temperatur-, Blutfluss- oder andere physiologische Signalmessungen einschließen, die unter Verwendung auf dem Fachgebiet bekannter Messvorrichtungen erfasst werden.
Nachdem der Schalter geschlossen wurde, wird die auf dem Kondensator 304 gespeicherte Ladung über einen Kopplungskondensator 308 und die Schutzschaltung 312 an das Herz 314 abgegeben. Der Rückstromweg wird auf der Grundlage der Positionierung des Schalters 320, der durch eine Steuerleitung 330 der Steuerschaltung 322 gesteuert werden kann, wählbar durch einen Ring 316 oder eine Dose 318 bereitgestellt. Nach der Abgabe des Stimulationsimpulses kann der Schalter 310, von einer Steuerleitung 328 gesteuert, 5 bis 10 Millisekunden geschlossen werden, um die Polarisierungsspannung an der Grenzfläche zwischen der Leitung und dem Gewebe abzugeben.
6b ist ein Schaltungsdiagramm, in dem eine Ausführungsform der Schutzschaltungsanordnung 312 dargestellt ist. Während des Normalbetriebs ist ein Reihenschalter 332 geschlossen, um zu ermöglichen, dass Stimulationsimpulse das Herz 314 stimulieren. Während großer Signalstörungen auf dem Leitungssystem 14 wird eine Spannung an einen positiven Vergleicher 338 bzw. einen negativen Vergleicher 340 angelegt. Falls eine große Spannung am Widerstand 344 erfasst wird, schaltet einer der Vergleicher abhängig von der Polarität des Eingangssignals. Eine Schutzsteuerschaltung 342 veranlasst wiederum, dass der Schalter 332 geöffnet wird und der Schalter 334 geschlossen wird, wodurch die IMD 10 geschützt wird. Der Stromfluss durch einen Widerstand 346 und den geschlossenen Schalter 334 ermöglicht es, dass der Vergleicher 336 die Schutzsteuerschaltung in diesem Modus verriegelt, bis das Signal entfernt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die MEMs-Fertigungstechnologie unter Verwendung einer getrennten Wanne auf dem Siliciumsubstrat implementiert werden. Hierdurch würde die Ausgabeschaltungsanordnung, einschließlich der MEMs-Bestandteile, von der anderen IMD-Schaltungsanordnung isoliert werden. Dabei kann die Ausgabetechnologie, die unter Verwendung der Drei- bis Fünf-Mikrometer-Technologie implementiert ist, auf demselben Substrat bleiben wie die kleineren Transistoren, die für die andere Schaltungsanordnung verwendet werden. Durch Isolieren der Schaltungen in dieser Weise würden Probleme in Bezug auf ein Übersprechen, Durchbrüche, Erwärmungen und Schaltungs-Latch-Up auf dem Substrat minimiert werden. Zusätzlich könnte dieses Verfahren verwendet werden, um RF-Sende- oder Empfangs-Telemetrieschaltungsanordnungen oder andere rauschempfindliche Schaltungsanordnungen zu isolieren.
7a ist eine Seitenansicht 400 einer integrierten Schaltung (IC) 404, wobei eine getrennte Mulde oder Wanne 414 zum Isolieren der Ausgabeschaltungsanordnung 406 vom Rest der IMD-Schaltungsanordnung verwendet wird. Brücken 416 stellen der isolierten Schaltungsanordnung 406 eine mechanische Verbindung und Unterstützung bereit. Die Brücken sind mit IC-Bondkontaktstellen 408 gekoppelt, die wiederum über Drahtbonds 410 mit Substrat-Bondkontaktstellen 412 gekoppelt sind. Elektrische Leiter 418 stellen Signal- und Leistungsverbindungen von der IC 404 bereit. Verfahren zur Herstellung einer IC, die einen Bestandteil aufweist, welcher in dieser Weise über einer Mulde schwebt, sind in US-A-5 825 092, US-A-5 874 883, US-A-5 396 101 und US-A-5 539 241 und in der Veröffentlichung "Processing Scheme Creates Silicon Voids as an Alternative to SOI", D. Bursky, Electronic Design, 17. Dezember 1999, S. 34, beschrieben.
7b ist eine Draufsicht 402 der integrierten Schaltung aus 7a. Diese Ansicht zeigt klarer Brücken 416 und elektrische Leiter 418 sowie Verbindungsdrahtbonds 410.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung könnte nur die Schutzschaltungsanordnung von einer anderen Schaltungsanordnung in einer getrennten Wanne isoliert werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann jeder einzelne Schalter in einer jeweiligen Wanne isoliert werden. Dieser Ansatz kann für solche Schalter besonders nützlich sein, die möglicherweise größeren Spannungen ausgesetzt sind.
8 ist ein Blockdiagramm, in dem eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
Diese Figur zeigt einen oder mehrere MEMs-Schalter, die zum selektiven Zuführen von Leistung zu einer oder mehreren Schaltungen in einer IMD verwendet werden. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Speisen von Schaltungen in einer IMD unter Verwendung von Standard-CMOS-Schaltern ist in US-A-5 916 237 von Schu beschrieben. Ein Problem, das beim Einfügen eines Schalters in Reihe mit einer Spannungsversorgung auftritt, besteht darin, dass der Spannungsabfall, der durch den Strom durch die R_∞-Impedanz des Schalters erzeugt wird, die gespeiste Schaltung beeinflussen kann. Weil MEMs-Schalter eine direkte mechanische Verbindung herstellen, ist ihre R_∞-Impedanz viel kleiner als diejenige eines typischen für diesen Zweck verwendeten CMOS-Schalters. Der Spannungsabfall über den Schalter wird durch die Verwendung von MEMs-Schaltern erheblich verringert. Zusätzlich können erhebliche Einsparungen an Siliciumfläche verwirklicht werden, indem MEMs-Schalter in abschaltbare Schaltungen integriert werden, die nicht verwendet werden.
In 8 weist eine Digitalschaltung 501 eine Anzahl von MEMs-Leistungsschaltern 504, 506, 508 auf, die von einer Steuereinrichtung 511 gesteuert werden, welche ein Mikroprozessor oder eine andere programmierbare Steuervorrichtung sein kann. Viele der Elemente der in 8 dargestellten Schaltungsanordnung 500 sollen Schaltungsanordnungen darstellen, die typischerweise in einer großen Vielzahl implantierbarer medizinischer Vorrichtungen vorgefunden werden. Eingangssignale werden auf einer Eingangsleitung oder einem Bus 516 bereitgestellt, und Ausgangssignale werden auf einer Ausgangsleitung oder einem Bus 518 bereitgestellt. Die von der Leistungsversorgung 502 bereitgestellte Leistung wird selektiv verschiedenen Schaltungselementen in der Art einer Logikschaltung 510 oder von Registern 512 und 514 der Digitalschaltung 501 in koordinierter Weise zwischen der Steuereinrichtung 511 und den MEMs-Leistungsschaltern 504, 506 und 508 zugeführt und von diesen entfernt. Ein Steuerbus 513 enthält eine Gruppe von Leistungssteuerleitungen 503, 505 und 507, welche die MEMs-Leistungsschalter steuern, sowie eine Gruppe von Aktivierungssteuerleitungen 509, 515 und 517, welche die Logikblöcke als Teil der Abschalt- oder Einschaltprozedur aktivieren und/oder deaktivieren.
Wenngleich die vorstehende Beschreibung eine Stimulationsvorrichtung für Beispielzwecke verwendet, kann die vorliegende Erfindung von einem beliebigen IMD-Typ, einschließlich Defibrillatoren, Kardioverter, Neurostimulatoren und dergleichen, verwendet werden, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Insbesondere können Hochspannungs-MEMs-Schalter verwendet werden, um eine Therapie von einem Kardioverter/Defibrillator auszuführen. Wenngleich die vorliegende Erfindung in Bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erläutert und erörtert wurde, ist weiterhin zu verstehen, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf diese als Beispiel dienenden Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden Durchschnittsfachleuten Variationen der hier beschriebenen bestimmten Ausführungsformen einfallen, die noch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Daher ist der Schutzumfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) mit: einer ersten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine erste Funktion auszuführen, einer zweiten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine zweite Funktion auszuführen, und einem Schaltnetz bzw. -Kreis, das bzw. der mit der ersten und der zweiten Schaltung gekoppelt ist, um selektiv die erste Schaltung mit der zweiten Schaltung elektrisch zu koppeln, wobei das Schaltnetz mindestens ein mikro-elektromechanisches System (MEMs) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die IMD unter Verwendung eines einzigen integrierten Schaltungschips mit mehreren Mulden implementiert ist, wobei mindestens eine von der ersten und der zweiten Schaltung in einer der mehreren Mulden implementiert ist und das Schaltnetz unter Verwendung einer anderen der mehreren Mulden implementiert ist.
IMD nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltung eine Schaltung zum Zuführen elektrischer Ladung aufweist und die zweite Schaltung eine Schaltung zum Abgeben der elektrischen Ladung an einen Körper aufweist.
IMD nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltung eine Quelle elektrischer Leistung aufweist.
IMD nach Anspruch 3, wobei die zweite Schaltung eine Schaltung zum Empfangen der elektrischen Leistung aufweist.
IMD nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Schaltnetz eine Schaltung zum selektiven elektrischen Isolieren der ersten Schaltung von der zweiten Schaltung aufweist, um die zweite Schaltung vor an der ersten Schaltung auftretenden Spannungsstößen zu schützen.
IMD nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zweite Schaltung dafür eingerichtet ist, mindestens einen Rückstromweg für die erste Schaltung bereitzustellen.
IMD nach Anspruch 1, wobei mindestens eine von der ersten und der zweiten Schaltung dafür eingerichtet ist, einem Körper eine elektrische Hochspannungsstimulation bereitzustellen.
IMD nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Schaltung mehrere medizinische elektrische Leitungen aufweist, die zweite Schaltung eine Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals aufweist und das Schaltnetz eine Schaltung zum Vermitteln des elektrischen Signals zu den mehreren medizinischen elektrischen Leitungen aufweist.
IMD nach Anspruch 1, wobei das Schaltnetz über der anderen der mehreren Mulden im Wesentlichen schwebend bzw. hängend angeordnet ist.
Implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) mit: einer ersten Schaltung, die in der Lage ist, einem Patienten eine elektrische Stimulation bereitzustellen, und einem Schaltnetz bzw. -Kreis, das bzw. der mit der ersten Schaltung gekoppelt ist, um selektiv zu ermöglichen, dass die elektrische Stimulation einem Patienten bereitgestellt wird, wobei das Schaltnetz ein mikro-elektromechanisches System (MEMs) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die IMD unter Verwendung eines einzigen integrierten Schaltungschips mit mehreren Mulden implementiert ist, wobei die erste Schaltung in einer der mehreren Mulden implementiert ist und das Schaltnetz unter Verwendung einer anderen der mehreren Mulden implementiert ist.
IMD nach Anspruch 10, welche weiter eine mit dem Schaltnetz gekoppelte Steuerschaltung aufweist, um das Schaltnetz so zu steuern, dass die elektrische Stimulation dem Patienten selektiv bereitgestellt wird.
IMD nach Anspruch 11, welche weiter eine mit der ersten Schaltung gekoppelte Überspannungsschutzschaltung aufweist.
IMD nach Anspruch 12, wobei die Überspannungsschutzschaltung ein mikro-elektromechanisches System (MEMs) aufweist.
IMD nach Anspruch 10, wobei das Schaltnetz über der anderen der mehreren Mulden im Wesentlichen hängend bzw. schwebend angeordnet ist.
IMD nach Anspruch 10, wobei die Steuerschaltung mindestens ein elektrisches Signal zum Steuern des Schaltnetzes bereitstellt.
IMD nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Schaltnetz einen MEMs-Schalter zum Auswählen eines Rückstromwegs aufweist.
IMD nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die erste Schaltung in der Lage ist, eine elektrische Hochspannungsstimulation abzugeben.
IMD nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die Stimulationsschaltung eine Schaltung zum Abgeben einer elektrischen Hochspannungsstimulation aufweist.
IMD nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei das mikro-elektromechanische System ein Verriegelungsschalter ist.
IMD nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei das mikro-elektromechanische System ein Tastschalter ist.
IMD nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das mikro-elektromechanische System einen Aktivierungsmechanismus aufweist, der elektromagnetisch aktiviert wird.
IMD nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das mikro-elektromechanische System einen Aktivierungsmechanismus aufweist, der thermisch aktiviert wird.
IMD nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das mikro-elektromechanische System einen Aktivierungsmechanismus aufweist, der elektrostatisch aktiviert wird.
Verfahren zum Betreiben einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer ersten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine erste Funktion auszuführen, (b) Bereitstellen einer zweiten Schaltung, die dafür eingerichtet ist, eine zweite Funktion auszuführen, (c) Verwenden mindestens eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMs) zum selektiven elektrischen Koppeln der ersten und der zweiten Schaltung, (d) Bereitstellen eines einzigen integrierten Schaltungschips mit mehreren Mulden, (e) Implementieren mindestens einer von der ersten und der zweiten Schaltung in einer der mehreren Mulden und (f) Implementieren des Schaltnetzes bzw. -Kreises unter Verwendung einer anderen der mehreren Mulden.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem weiter die erste Schaltung verwendet wird, um der zweiten Schaltung Leistung zuzuführen, nachdem die erste und die zweite Schaltung selektiv elektrisch gekoppelt wurden.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem weiter ein Abschnitt der zweiten Schaltung als ein Rückstromweg für die erste Schaltung verwendet wird, nachdem die erste und die zweite Schaltung selektiv elektrisch gekoppelt wurden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei in Schritt (c) die erste Schaltung elektrisch von der zweiten Schaltung isoliert wird, wenn in mindestens einer von der ersten und der zweiten Schaltung eine elektrische Störung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei in Schritt (c) ein elektromagnetisches Signal verwendet wird, um die MEMs zu veranlassen, die erste und die zweite Schaltung elektrisch zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei in Schritt (c) ein thermisches Signal verwendet wird, um die MEMs zu veranlassen, die erste und die zweite Schaltung elektrisch zu koppeln.