DE60225786T2

DE60225786T2 - Implantierbare Streifenleiterantenne

Info

Publication number: DE60225786T2
Application number: DE60225786T
Authority: DE
Inventors: Anders Karlsson; Hans Abrahamson; Magnus Lindberg
Original assignee: St Jude Medical AB
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: EP1362614A1; DE60225786D1; US20030216793A1; EP1362614B1; SE0201490D0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf implantierbare medizinische Vorrichtungen, denen Vorrichtungen für den drahtlosen Datenaustausch mit extrakorporalen Einheiten zugeordnet sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Antennenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine implantierbare Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
Unter dem Gesichtspunkt der Annehmlichkeit für einen Patienten ist es wünschenswert, dass eine implantierbare medizinische Vorrichtung (IMD) solange wie möglich im Körper ohne Explantation verbleiben kann. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die IMD mit den externen Einheiten kommunizieren kann, solange die Vorrichtung noch implantiert ist. Traditionell werden Statusinformationen und Messparameter über eine induktive Telemetrieschnittstelle aus implantierten Vorrichtungen ausgelesen. Diese Art der Schnittstelle ist auch für den Datentransport in entgegengesetzte Richtung einsetzbar, wenn Parameter, die den Betrieb der IMD aufrechterhalten, eingestellt werden, oder wenn der Programmcode der Vorrichtung auf eine neuere Version gebracht wird. Die induktive Schnittstelle erfordert jedoch eine relativ kurze Distanz (in der Größenordnung von Zentimetern) zwischen der implantierten Vorrichtung und der extrakorporalen Einheit, mit der sie kommuniziert. Dies kann wiederum unangenehm für den Patienten wie auch unpraktisch für das Personal sein, welches die Prozedur durchführt. Darüber hinaus ist die maximale Datenrate für eine induktive Schnittstelle relativ gering, was zu praktischen Begrenzungen hinsichtlich der Datenmenge führt, die übertragen werden kann.
Deshalb werden nun Anstrengungen unternommen, um alternative Lösungen zur induktiven Telemetrieschnittstelle für die Kommunikation mit einer IMD zu finden. Beispielsweise haben die amerikanische Federal Communications Commission (FCC) und das Europäische Telekommunikationsnormeninstitut (ETSI) für die Kommunikation mit IMDs einen fest zugeordneten Radiofrequenzbereich im Band 402 bis 405 MHz vorgeschlagen. Außerdem enthält die Patentliteratur Beispiele von Lösungen zum Bewerkstelligen einer Radioverbindung zwischen einer implantierten Vorrichtung und einer externen Einheit.
Das US-Patent Nr. 6,115,636 beschreibt ein Telemetriesystem für implantierbare Vorrichtungen, bei dem der menschliche Körper als Radioantenne für die implantierte Vorrichtung dient. Das Gehäuse der Vorrichtung wird hier benutzt, um eine Kopplung zwischen dem Körper des Patienten und der Vorrichtung zu bewerkstelligen und somit die Übertragung eines modulierten elektromagnetischen Signals zu ermöglichen.
Das US-Patent Nr. 5,626,630 beschreibt eine Telemetrielösung, die einen quasi passiv implantierten Transponder und eine extern vom Patienten zu tragende Verstärkerstation einschließt. Die Verstärkerstation dient hierbei als Relais zwischen einer IMD und einer entfernten Überwachungsstation, um eine Kommunikationsverbindung mit einer hohen Datenrate verfügbar zu machen. Der Transponder enthält ein Paar Mikrostreifenradioantennen, deren Resonanz bei ein Halb der benutzten Signalwellenlänge liegt.
Das US-Patent Nr. 5,861,019 zeigt ein weiteres Beispiel einer IMD, die mit einer Mikrostreifenradiofrequenztelemetrieantenne ausgerüstet ist. Hier ist die Antenne auf oder innerhalb der äußeren Fläche des Gehäuses der Vorrichtung ausgebildet. Vorzugsweise erstreckt sich die Antenne über den gesamten verfügbaren Oberflächenbereich des Gehäuses und ist mit einer Radom-Schicht bedeckt, um zu gewährleisten, dass das Patchelement gegenüber Körperflüssigkeiten und dem Gewebe elektrisch isoliert ist.
Obgleich die erwähnten Lösungen im Allgemeinen im Vergleich zu einer induktiven Verbindung bezüglich der Datenrate und des Kommunikationsbereiches Verbesserungen darstellen, schaffen sie es nicht, eine Telemetrielösung mit zufriedenstellendem Energiewirkungsgrad und ausreichenden kleinen physikalischen Abmessungen der Antenne aufzuzeigen. Die Größe der Antenne ist ein Hauptgesichtspunkt, da die Antenne zusammen mit der IMD in einen menschlichen Körper zu implantieren ist. Im Hinblick auf den besten Komfort des Patienten ist eine kleinstmögliche physikalische Größe der Antenne erwünscht. Jedoch ist ein geringer Energieverbrauch wenigstens genauso wichtig. Ein Austausch von Batterien macht nämlich unvermeidbar eine Explantation der Vorrichtung erforderlich und sollte deshalb solange wie möglich vermieden werden.
Der Artikel C. Furse, „Design of an Antenna for Pacemaker Communication," Microwaves and RF, März 2000, Seiten 73 bis 76 beschreibt eine Mikrostreifenantenne für Radiosignale bei einer Frequenz von 433 MHz. Es wird vorgeschlagen, dass eine L-, U- oder spiralförmige Patchanten ne oben auf einem 6 mm dicken Teflonsubstrat anzuordnen ist. Die physikalischen Dimensionen der Antenne sind somit begrenzt, jedoch wird ihre Geometrie kompliziert. Darüber hinaus neigt der Aufbau dazu, große Ohmsche Verluste zu verursachen und ist demzufolge nicht besonders energiesparend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Probleme anzusprechen und eine verbesserte implantierbare Antennenlösung für eine IMD verfügbar zu machen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird dieses Ziel durch eine Antennenanordnung, wie sie eingangs beschrieben ist, erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Substrat eine verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätskonstante aufweist und dass sich das Substrat um eine eindeutig definierte Distanz über das Volumen zwischen der Patchfläche und der Massefläche bezüglich wenigstens eines zweiten Segmentes des Umfangs hinaus erstreckt. Ein wichtiger Vorteil, der durch eine solche Erstreckung des Substrats erreicht wird, besteht darin, dass hierdurch außerhalb der Patchfläche ein nicht leitender Bereich erhalten wird. Dies wiederum garantiert, dass in diesem Bereich nur relativ kleine elektromagnetische Verluste vorhanden sind. Die zu dem Patch nächstliegenden elektrischen Felder sind quasi statisch und deshalb sehr groß. In einem leitenden Medium (wie dem menschlichen Körper) ist die vergeudete Energiedichte jedoch proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes. Dies heißt, dass eine große Menge der Energie, die den Patch verlässt, dazu benutzt werden würde, den zum Patch nächstliegenden Bereich zu erwärmen, falls der Bereich, der der Patchfläche am nächsten liegt, von einem leitenden Material eingenommen werden würde. Natürlich ist dies im Hinblick auf die Energieeffizienz ein unerwünschter Effekt, der durch die vorgeschlagene Antennenanordnung vermieden wird. Eine hohe relative Dielektrizitätskonstante ist erwünscht, weil die erforderliche Länge der Patchfläche umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der relativen Dielektrizitätskonstante ist. Demzufolge macht es eine hohe relative Dielektrizitätskonstante möglich, eine Antenne mit kleinen physikalischen Dimensionen zu schaffen. Beispielsweise ist ein Substrat aus einem Keramikmaterial vorteilhaft, da diese Materialien mit relativen Dielektrizitätskonstanten bis um 100 verfügbar sind. Alternativ kann das Substrat einen laminierten Dickfilmaufbau mit Schichten aus Aluminiumoxid enthalten. Ein solches Substrat kann mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von etwa 1000 ausgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung überlappt das Substrat einen Abschnitt der Patchfläche längs wenigstens eines Unterabschnittes von dem wenigstens einen zweiten Segment. Ein Vorteil der damit erhalten ist, besteht darin, dass die Verluste in dem verlustbehafteten Medium, das durch das Körpergewebe dargestellt wird, weiter reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung enthält ein Erdungsteil eine leitende Ebene, die eine Verbindung mit der Fläche längs des ersten Segments bildet. Eine leitende Ebene, die längs der gesamten Länge des ersten Segmentes verbunden ist, führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der elektrischen und der magnetischen Felder über dem Antennenabschnitt. Falls sich jedoch die leitende Fläche auf weniger als die Patchfläche erstreckt, nimmt die Resonanzfrequenz für die Antenne um ein entsprechendes Maß ab, was bei einigen Anwendungen erwünscht sein kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung verläuft das Erdungsteil im Wesentlichen senkrecht zur Massefläche. Es ist für die Antennenfunktion nicht notwendig, dass das Erdungsteil gänzlich senkrecht zur Massefläche verläuft. Eine solche Ausrichtung führt aber zu einer gleichförmigeren Verteilung der elektrischen und der magnetischen Felder über dem Antennenabschnitt. Das Einspeisen in die Antenne bzw. das Entnehmen eines empfangenen Signals aus der Antenne wird hierdurch auch erleichtert. Zum Beispiel kann die Antennenanordnung ein Signalteil enthalten, das ausgelegt ist, ein Radiofrequenzsignal zwischen der Patchfläche und einem Radiosende-/-empfangsgerät (Radiotransceiver) zu transportieren. Das Signalteil erstreckt sich durch die Massefläche über eine elektrisch isolierte Durchführung in einem speziellen Abstand von dem Erdungsteil. Das Signalteil enthält ein Element, das im Wesentlichen senkrecht zur Massefläche verläuft und entweder gegenüber der Patchfläche elektrisch isoliert oder mit einer Seite der Patchfläche verbunden ist, die zur Massefläche ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Ziel durch eine implantierbare medizinische Vorrichtung, wie sie eingangs beschrieben ist, erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie die vorgeschlagene Antennenanordnung enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung, ist die Antennenanordnung in einer Vertiefung einer äußeren Seite eines Gehäuses zu der Vorrichtung angeordnet. Dies ist vorteilhaft, weil so ein schlanker Vorrichtungsaufbau ermöglicht wird.
Gemäß einer ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung ist die Antennenanordnung in eine nicht leitende Einkapselung derart eingeformt, dass die Massefläche gegenüber dem Gehäuse der Vorrichtung elektrisch isoliert ist. Dies kann bei Anwendungen erwünscht sein, bei denen eine absolute Steuerung der Eigenschaften der Massefläche gefordert wird.
Gemäß einer zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung, bildet das Gehäuse der Vorrichtung stattdessen die Massefläche. Dies garantiert ebenfalls einen schlanken und unkomplizierten Aufbau der Vorrichtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung, ist die Patchfläche gegenüber der Massefläche so geneigt, dass die Anordnung Hornantenneneigenschaften erlangt. Dies führt wiederum zu einer Antenne mit vergrößerter Bandbreite, da es die Ausbreitung der abgehenden elektromagnetischen Wellen erleichtert. Darüber hinaus wird die Effizienz der Antenne zufolge eines vergrößerten Strahlungswiderstands verbessert. Vorzugsweise ist die Patchfläche so geneigt, dass der Abstand zwischen der Patchfläche und der Massefläche an dem Punkt am kürzesten ist, an dem das Erdungsteil mit der Patchfläche in Verbindung steht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung wird unterstellt, dass das Gehäuse die Massefläche bildet und dass die Massefläche eine Abschrägung enthält. Diese Abschrägung ist so ausgerichtet, dass sich der Abstand zwischen der Patchfläche und der Massefläche allmählich längs der Neigung der Abschrägung vergrößert und die Distanz zwischen der Massefläche und der Patchfläche an der Kantenseite am größten ist, die am weitesten von dem Erdungsteil entfernt ist. Dies führt wiederum zu einer Antennenanordnung mit Eigenschaften ähnlich denen einer Hornantenne.
Ein allgemeiner Vorteil bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine einfache Antennengeometrie vorgesehen wird, die mittels eines weitgehend unkomplizierten Produktionsprozesses hergestellt werden kann. Ferner weist die vorgeschlagene Antennengeometrie relativ geringe Ohmsche Verluste auf.
Obgleich die vorgeschlagene Lösung in erster Linie für kardiale Vorrichtungen, wie Schrittmacher und Defibrillatoren vorgesehen ist, ist die Erfindung in gleicher Weise bei irgendeinem alternativen Typ von implantierbaren medizinischen Vorrichtungen, z. B. bei Arzneimittelpumpen, Neurostimulatoren, Magenstimulatoren, Muskelstimulatoren und hämodynamische Überwachungsgeräten einsetzbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun durch bevorzugte, beispielhafte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen, näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine IMD, die entsprechend der Erfindung mit einer extrakorporalen Einheit über eine drahtlose Schnittstelle kommuniziert,
2 stellt den allgemeinen Aufbau der vorgeschlagenen Antennenanordnung dar,
3a–h zeigen Draufsichten auf alternative Patchflächenformen gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung,
4 zeigt eine Seitenansicht einer Antennenanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
5 zeigt eine Seitenansicht einer Antennenanordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
6 zeigt eine Seitenansicht einer IMD einschließlich einer Antennenanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
7 zeigt eine Seitenansicht einer IMD einschließlich einer Antennenanordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
8 zeigt eine Seitenansicht einer IMD einschließlich einer Antennenanordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
9 stellt eine IMD einschließlich einer Antennenanordnung mit einer geneigten Patchfläche gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar,
10 stellt eine IMD einschließlich einer Antennenanordnung mit einer abgeschrägten Massefläche gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar, und
11 stellt eine IMD einschließlich einer Antennenanordnung mit einer konvexen Patchfläche und einer gekrümmten Massefläche gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine drahtlose Kommunikationsanordnung mit einer IMD 110 und einer extrakorporalen Einheit 120 ist in 1 schematisch dargestellt. Daten D und P_C können hier in beiden Richtungen zwischen der IMD 110 und der extrakorporalen Einheit 120 über eine Radioverbindung C befördert werden. Typischerweise werden Parameter zum Einstellen oder Aktualisieren von Software P_C von der Einheit 120 zu der IMD 110 gesandt, während Messdaten D für verschiedene Überwachungs- und Diagnosezwecke in die entgegengesetzte Richtung gesandt werden.
Gemäß der Erfindung wird in der IMD 110 eine Antennenanordnung 115 benutzt, um modulierte elektromagnetische Energie mit dem umgebenden Übertragungsmedium, d. h. dem relevanten Körpergewebe 130 auszutauschen. Im Speziellen bedeutet dies, dass abgehende Radiosignale D über den Körper 130 und außen über die angrenzende Umgebung, wie Luft, angekoppelt sind. Die Radiosignale D breiten sich dann über die Luft zu der extrakorporalen Einheit 120 aus, wo sie z. B. durch eine konventionelle Radioantenne empfangen werden. Dementsprechend sind eintreffende, durch die IMD 110 empfange Radiosignale P_C ursprünglich durch die Einheit 120 ausgesandt worden, haben sich durch die Luft fortgepflanzt und das Körpergewebe 130 durchdrungen, bis sie die Radioantennenanordnung 115 erreichen.
Die selben Radiosignale durch ein verlustbehaftetes Medium, wie den menschlichen Körper wie auch durch ein viel weniger verlustbehaftetes Medium, wie Luft, zu senden, ist jedoch bei weitem keine triviale Aufgabe. Natürlich müssen die verschiedenen Dielektrizitätskonstanten der Transmissionsmedien berücksichtigt werden. Die Eigenschaften des Körpergewebes können hinsichtlich der Dielektrizitätskonstanten an jene von Wasser angenähert werden. Dies bedeutet, dass die Wellenlänge innerhalb des Körpers grob gesprochen 1/9tel bis 1/8tel der Wellenlänge beträgt, die in freier Luft vorliegt. Falls die Radiofrequenz beispielsweise 403 MHz ist, wird die Wellenlänge in freier Luft 0,74 m und innerhalb des Körpers etwa 9,2 cm.
Es wird vorgeschlagen in der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 115 eine Patchantenne einzusetzen. Derartige Antennen sind deshalb vorteilhaft, weil sie unter Verwendung der Technologie gedruckter Schaltungen leicht zu bauen sind. Ferner führt dieses Design zu einer Antenne mit verhältnismäßig geringem Gewicht, einer Antenne, die kleine Gesamtabmessungen aufweist und relativ billig herzustellen ist. Vorzugsweise ist das Antennen Design eine planare, in vertierte F-Antenne (PIFA), die ihre Eigenfrequenz bei einem Viertel der Wellenlänge hat, d. h. bei dem obigen Beispiel würde eine PIFA erforderlich sein, die 2,3 cm lang ist. Um eine leistungsstarke Antenne zu erhalten, sollte das Substrat eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die zu einer Wellenlänge in dem Substrat führt, welche annähernd gleich der Wellenlänge in dem umgebenden Gewebe, d. h. im menschlichen Körper ist.
Der allgemeine Aufbau der vorgeschlagenen Antennenanordnung 115 ist in 2 dargestellt. Eine Patchfläche 210 ist hier ausgelegt, modulierte elektromagnetische Energie mit einem umgebenden Übertragungsmedium, normalerweise Körpergewebe, auszutauschen. Die gezeigte Patchfläche 210 weist eine im Allgemeinen rechteckige Form mit Dimensionen L₁ und L₂ auf und ist somit durch einen Umfang mit vier einzelnen Rändern a, b, c bzw. d, umschrieben. Theoretisch ist jedoch irgendeine alternative Form der Patchfläche 210 denkbar, vorausgesetzt dass ihre physikalischen Dimensionen für die spezielle Anwendung geeignet sind. Es ist nämlich die Geometrie der Patchfläche 210, die die Impedanz und Bandbreite der Antenne bestimmt. Nachfolgend werden anhand der 3a–h verschiedene Beispiele von alternativen Patchflächenformen diskutiert.
Zurück zu 2, wo eine Massefläche 220 aus einem elektrisch leitenden Material unterhalb der Patchfläche 210 angeordnet ist. Die Massefläche 220 weist einen größeren Flächenbereich als die Patchfläche 210 auf und ist bezüglich der Patchfläche 210 so positioniert, dass eine senkrechte Projektion der Patchfläche 210 auf die Massefläche 220 vollständig in die Massefläche 220 fällt. Ein dielektrisches Substrat 240 mit einer verhältnismäßig hohen Dielektrizitätskonstanten, sagen wir ε_r = 70 oder mehr, fällt in das gesamte Volumen zwischen der Patchfläche 210 und der Massefläche 220. Das Substrat 240 erstreckt sich auch bezüglich wenigstens eines der Ränder a, b und c, vorzugsweise wenigstens des Randes d der Patchfläche, um eine eindeutig definierte Distanz L₃' und/oder L₃'' über das Volumen zwischen der Patchfläche 210 und der Massefläche 220 hinaus.
Es ist wichtig, dass sich das Substrat 240 um L₃', L₃'' über die Patchfläche 210 hinaus erstreckt, weil hierdurch außerhalb der Patchfläche 210 ein nicht leitender Bereich erhalten wird, wo sich sonst elektrisch leitendes Körpergewebe befinden würde. Die Ausdehnung des Substrats 240 garantiert, dass in diesen Bereichen nur ein relativ kleiner Betrag an elektromagnetischen Verlusten vorliegt. Die elektrischen Felder, die sich in der Nähe der Patchfläche 210 befinden, sind quasi statisch und deshalb verhältnismäßig groß. In einem leitenden Medium ist die verbrauchte Energiedichte proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes. Dies bedeutet, dass, falls der zur Patchfläche 210 nächstliegende Bereich von einem leitenden Material, wie Körpergewebe, eingenommen werden würde, dass dann ein großer Betrag der die Antenne verlassenden Energie zum Erwärmen des zur Patchfläche 210 nächstliegenden Bereiches benutzt werden würde. Die Distanz L₃', L₃'' zwischen der Patchfläche 210 und dem nächstliegenden leitenden Bereich der durch das ausgedehnte Substrat 240 gebildet wird, erreicht ein Volumen, über das das elektrische Feld ohne Verluste abnehmen kann. Der vorgeschlagene Aufbau ist somit bezüglich des Energienutzeffektes sehr vorteilhaft. Weitere, die relevanten Dimensionen betreffenden Einzelheiten werden nachfolgend anhand der 4 und 5 diskutiert.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verbindet ein Erdungselement 230 die Patchfläche 210 elektrisch mit der Massefläche 220. Vorzugsweise enthält das Erdungselement 230 eine leitende Fläche, die eine Verbindung d' mit der Patchfläche 210 längs eines wesentlichen Teils von einem Rand d der Patchfläche bildet. Im Allgemeinen ist es am besten, falls sich die leitende Fläche des Erdungsteils 230 über die gesamte Länge des Randes d erstreckt, d. h. über ein eindeutiges Segment des Umfangs der Patchfläche 210. Eine leitende Fläche, deren Breite gleich groß wie der Rand d der Patchfläche 210 ist, hat nämlich eine gleichförmige Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder über den Antennenabschnitt zur Folge. Die leitende Fläche des Erdungsteils 230 braucht sich jedoch nur über ein Untersegment des Randes d erstrecken. Falls sich jedoch die leitende Fläche um weniger als die Patchfläche erstreckt, nimmt die Resonanzfrequenz für die Antenne um ein entsprechendes Ausmaß ab, was in einigen Anwendungsfällen erwünscht sein kann. 2 zeigt mittels gestrichelter Linien ein Erdungsteil 230 mit verkürzter leitender Fläche. Es ist zu beachten, dass die Ränder der leitenden Fläche bezüglich der Massefläche 220 eine willkürliche Orientierung aufweisen können.
Wie bereits erwähnt, weist das dielektrische Substrat 240 vorzugsweise eine hohe relative Dielektrizitätskonstante auf. Die notwendige Länge L₂ der Patchfläche 210 ist nämlich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der relativen Dielektrizitätskonstanten des Substrats 240. Demzufolge reduziert eine hohe relative Dielektrizitätskonstante die körperlichen Dimensionen L, und L₂ der Patchfläche. Um ein Substrat 240 mit einer mäßigen relativen Dielektrizitätskonstanten, in der Größenordnung von 100, auszustatten, kann ein Keramikmaterial benutzt werden. Falls höhere Werte der relativen Dielektrizitätskonstanten erforderlich sind, sollte das Substrat 240 vorzugsweise einen laminierten Dickfilmaufbau enthalten, z. B. mit Schichten aus Aluminiumoxid. Hierdurch können relative Dielektrizitätskonstanten bis 1000 erreicht werden.
Die 3a–h stellen Beispiele von alternativen Formen der Patchfläche 210 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Die ersten vier 3a–d stellen Formen der Patchfläche 210 dar, die zu einer Antenne mit verhältnismäßig schmalem Band führen. Der senkrechte Abstand zwischen dem Umfangssegment d, das am Erdungsteil angebracht ist, und einem gegenüberliegenden, nicht geerdeten Umfangssegment ist hier konstant. Die 3e–h stellen hingegen Formen der Patchfläche 210 dar, die zu Antennen führen, welche über eine größere Bandbreite betrieben werden können, weil hier der senkrechte Abstand zwischen dem Umfangssegment d, das am Erdungsteil angebracht ist, und einem gegenüberliegenden, nicht geerdeten Umfangssegment variiert. Z. B. liefert die in 3f gezeigte Form der Patchfläche 210 eine Antenne, die geeignet ist, über drei verschiedene Frequenzbänder betrieben zu werden, die durch die senkrechten Abstände zwischen dem Umfangssegment d und den Umfangssegmenten b₁, b₃ bzw. b₅ gegeben sind, während die in 3e gezeigte Form der Patchfläche 210 eine Antenne liefert, die geeignet ist, über ein verhältnismäßig weites Frequenzband betrieben zu werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Erdungsteil 230 im Wesentlichen senkrecht zur Massefläche 220 angeordnet. Dies führt nämlich zu einer gleichmäßigen Verteilung der elektrischen und der magnetischen Felder über dem Antennenabschnitt. Darüber hinaus wird durch einen solchen Aufbau das Einspeisen in die Antenne und das Extrahieren eines empfangenen Signals aus der Antenne erleichtert. Dies wird nachfolgend anhand der 4 und 5 mehr im Detail diskutiert.
4 zeigt eine Seitenansicht einer Antennenanordnung 115 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung 115 enthält ein Signalteil 310, das in der Lage ist ein Radiofrequenzsignal zwischen der Patchfläche 210 und einem Radiotransceiver zu transportieren, d. h. das Signalteil 310 kann dazu benutzt werden, entweder ein Radiosignal in die Patchfläche 210 einzuspeisen oder ein empfangenes Radiosignal aus diesem zu extrahieren. Das Signalteil 310 besitzt ein zylindrisches Element, welches im Wesentlichen senkrecht zur Massefläche 220 verläuft und sich über eine elektrisch isolierte Durchführung 320 durch die Massefläche 220 erstreckt. Die Durchführung 320 ist in einem Abstand F von dem Erdungselement 230 positioniert, wobei F im Hinblick auf das Substrat 240 und die Eigenschaften des benutzten Radiosignals so ausgewählt ist, dass die gewünschte Impedanz der Antenne erhalten wird. Bei dieser Ausführungsform endet das Signalteil 310 mit einem abstrahlenden Element, das gegenüber der Patchfläche 210 elektrisch isoliert ist.
Das Substrat 240 weist eine Dicke H₁ auf und erstreckt sich um eine Distanz L₃' über den Rand b der Patchfläche 210 hinaus. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Distanz L₃' so proportional zur Länge L₂ der Patchfläche 210, dass L₃' im Intervall 10–30% von L₂ und vorzugsweise etwa bei 20% von L₂ liegt. Gemäß einer bevorzugten Alternative dieser Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das Substrat 240 auch um eine Distanz L₃'' über die Ränder a und c der Patchfläche 210 (siehe 2) hinaus. Die Distanz L₃'' ist in gleicher Weise proportional zur Länge L₂ derart, dass L₃'' im Intervall 10–20% von L₂, vorzugsweise wenigstens 15% hiervon liegt.
Die speziellen Beziehungen L₃'-zu-L₂ und L₃''-zu-L₂ können wie folgt erklärt werden. Der Wirkungsgrad der Übertragung einer in Luft wirkenden Antenne ist durch das Verhältnis zwischen der zu der Antenne gelieferten Energie und der von der Antenne abgestrahlten Energie definiert. Die Summe der Verluste in dem Substrat und in den leitenden Teilen bestimmt den Antennenwirkungsgrad. Für eine implantierte Sendeantenne ist es jedoch wichtig den Gesamtwirkungsgrad des Systems als Verhältnis zwischen der zu der Antenne gelieferten Energie und der aus dem Körper abgestrahlten Energie zu definieren. Damit wird der Wirkungsgrad nun sowohl durch die Verluste in der Antenne wie auch in dem verlustbehafteten Medium bestimmt, das durch das Körpergewebe repräsentiert wird. Die Ohmsche Energieverlustdichte P_loss (W/m³) in einem leitenden Medium ist gegeben durch den Ausdruck:
wobei σ die Leitfähigkeit des Mediums und E das elektrische Feld bedeuten. Ein aus Muskeln bestehendes Gewebe weist eine relativ hohe Leitfähigkeit (σ ≈ 1,4 bei einer Frequenz von 400 MHz einschließlich der dielektrischen Verluste) auf. Daher wird der Wirkungsgrad des Antennensystems ziemlich klein, falls die Antenne von Muskelgewebe umgeben ist. Wie aus dem obigen Ausdruck ersichtlich ist, ist die Energieverlustdichte P_loss in Bereichen groß, in denen ein hohes elektrisches Feld vorliegt. Das elektrische Feld weist in der Nähe des Bereiches der Patchfläche hohe Werte auf, da in diesem Bereich das Feld durch das nicht abstrahlende Nahfeld beherrscht wird. Im PIFA-Fall liegt die Nahzone in einem Bereich, der sich in der Nähe der Außenseite der nicht mit Masse verbundenen Segmente des Patchflächenumfangs (d. h., z. B. der Ränder a, b und c in 2) befindet.
5 zeigt eine Seitenansicht einer Antennenanordnung 115 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist das Signalteil 310 elektrisch mit der Seite der Patchfläche 210 verbunden, die zur Massefläche 220 hinweist. Das Signalteil 310 verläuft auch hier im Wesentlichen senkrecht zur Massefläche 220 und erstreckt sich über eine elektrisch isolierte Durchführung 320 durch die Massefläche 220. Die Durchführung 320 ist in einem Abstand F vom Erdungsteil 230 positioniert, wobei F im Hinblick auf das Substrat 240 und die Eigenschaften des benutzten Radiosignals so ausgewählt ist, dass die gewünschte Impedanz der Antenne erhalten wird.
Das Substrat 240 besitzt eine Dicke H₁ und erstreckt sich hier nicht nur um eine Distanz L₃' über den Rand b der Patchfläche 210 hinaus, es überlappt auch um L₄' einen Abschnitt der Patchfläche 210 längs wenigstens eines Randes, z. B. des Randes b. Analog zu der oben anhand der 2 und 3 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, ist die Distanz L₃' vorzugsweise proportional zur Länge L₂ der Patchfläche 210. Das gleiche gilt grundsätzlich für die Überlappung L₄'. Es ist jedoch ausreichend, wenn L₄' 10% von L₂ entspricht. Die Dicke H₂ der Überlappung sollte wenigstens 5% der Länge L₂ der Patchfläche 210 entsprechen. In jedem Fall ist die Überlappung für die weitere Reduzierung der Verluste in dem verlustbehafteten Medium, das durch das Körpergewebe repräsentiert wird, hilfreich.
Die Merkmale dass das Signalteil 310 (wie in 5 darstellt) elektrisch mit der Patchfläche 210 verbunden bzw. (wie in 4 dargestellt) gegenüber der Patchfläche 210 isoliert ist, und dass das Substrat 240 einen Abschnitt der Patchfläche 210 (wie in 5 dargestellt) um L₄', H₂, überlappt bzw. (wie in 4 gezeigt) nur um eine eindeutige Distanz L₃' erweitert ist, können willkürlich kombiniert werden. Die in den 4 und 5 gezeigten speziellen Kombinationen dieser Merkmale sind nur für Erläuterungszwecke so ausgewählt worden.
6 zeigt eine Seitenansicht einer IMD mit einer Antennenanordnung 115 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung 115 ist auf der äußeren Oberfläche eines IMD-Gehäuses so angeordnet, dass das Gehäuse 111 die Massefläche 220 bildet. Es wird so ein unkomplizierter Aufbau, der relativ billig herstellbar ist, ermöglicht.
7 zeigt eine Seitenansicht einer IMD einschließlich einer Antennenanordnung 115 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Auch hier bildet das Gehäuse 111 zu der Vorrichtung die Massefläche 220. Die Anordnung 115 ist nun jedoch in einer Vertiefung 710 einer äußeren Seite des Gehäuses 111 angeordnet. Diese Art von Aufbau wird oft bevorzugt, da zufolge der Tatsache, dass das elektrische Feld mit zunehmender Substratdicke abnimmt, eine relativ dicke Antenne ebenfalls verhältnismäßig energieeffizient ist. Durch Montieren der Antennenanordnung 115 in der Vertiefung 710 ist es so möglich, eine ziemlich dicke Antenne mit hoher Effizienz zu haben und gleichzeitig eine schlanke Vorrichtung zu erzielen.
8 zeigt eine Seitenansicht einer IMD mit einer Antennenanordnung 115 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die gesamte Anordnung 115 in eine nicht leitende Einkapselung 820 eingeformt ist. Die Einkapselung 820 isoliert eine Massefläche 220 in der Anordnung 115 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 111 der Vorrichtung. Hierdurch kann eine vollständige Steuerung der Eigenschaften der Massefläche 810 erhalten werden.
9 stellt eine IMD dar, die eine Antennenanordnung 115 mit einer geneigten Patchfläche 210' gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält. Wiederum bildet das Gehäuse 111 zu der Vorrichtung die Massefläche 220. Die Patchfläche 210' ist jedoch gegenüber der Massefläche 220 so geneigt, dass die Patchfläche 210' mit Ausnahme einer Dimension parallel zur Massefläche 220 verläuft. Daher erhält die Anordnung 115 Signaleigenschaften, die an jene einer Hornantenne erinnern. Z. B. vergrößert sich die Bandbreite. Der Strahlungswiderstand erhöht sich ebenfalls, was zu einem verminderten elektrischen Feld und einem vergrößerten Energiewirkungsgrad führt.
Vorzugsweise ist die Patchfläche 210' so geneigt, dass der Abstand zwischen der Patchfläche 210' und der Massefläche 220 an einem Punkt, an dem das Erdungselement 230 mit der Patchfläche 210' verbunden ist, am kleinsten ist.
10 stellt eine IMD dar, die gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Antennenanordnung 115 mit einer abgeschrägten Massefläche 220 enthält. Wiederum bildet das Gehäuse 115 zu der Vorrichtung die Massefläche 220. Obwohl es tatsächlich nicht erforderlich ist, ist bei dieser Ausführungsform die Patchfläche 210'' ebenfalls gegenüber der Massefläche 220 so geneigt ist, dass die Patchfläche 210'' mit Ausnahme einer Dimension parallel zur Massefläche 220 verläuft. Wesentlicher ist jedoch, dass ein Abschnitt des Gehäuses 111, der die Massefläche 220 bildet, hier eine Abschrägung 1010 enthält. Diese Abschrägung 1010 ist so ausgerichtet, dass der Abstand zwischen der Patchfläche 210'' und der Massefläche 220 all mählich längs der Neigung der Abschrägung 1010 zunimmt. Ferner ist die Abschrägung 1010 so angeordnet, dass der Abstand zwischen der Massefläche 220 und der Patchfläche 210'' an der Patchflächenkante (Rand b in 2) am größten ist, die sich am weitesten entfernt vom Erdungselement 230 befindet. Dieser Aufbau betont die Hornantenneneigenschaften und die damit erzielten oben erwähnten Vorteile.
11 stellt eine IMD dar, die eine Antennenanordnung 115 mit einer konvexen Patchebene 210'' sowie eine gekrümmte Massefläche 220 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält. Hier weist die Patchfläche 210'' ein generell gekrümmtes Profil mit einer zur Massefläche 220 weisenden konvexen Fläche auf. Wiederum bildet das Gehäuse 111 zu der Vorrichtung die Massefläche 220. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich das Substrat 240 derart über die gekrümmte Seite 1110 des Gehäuses 111, dass das Substrat 240 in Richtung der gekrümmten Seite 1110 einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, der am weitesten vom Erdungselement 230 entfernt ist. Hierdurch wird ein alternativer Hornantennenaufbau erzielt.
Wenn in dieser Beschreibung der Ausdruck „enthält/enthalten" benutzt wird, so deshalb, um das Vorhandensein von beschriebenen Merkmalen, Zahlen, Schritten oder Komponenten anzugeben. Diese Bezeichnung schließt jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer zusätzlicher Merkmale, Zahlen, Schritte oder Komponenten oder Gruppen hiervon aus.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren beschriebenen Ausführungsformen begrenzt sondern kann innerhalb des Umfangs der Ansprüche frei variiert werden.

Claims

Antennenanordnung (115) zum Übertragen von Radiofrequenzsignalen bei einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, enthaltend: eine Patchfläche (210), ausgelegt, modulierte elektromagnetische Energie mit einem umgebenden Übertragungsmedium auszutauschen, wobei die Patchfläche (210) einen Umfang (a, b, c, d) aufweist, eine Massefläche (220) aus einem elektrisch leitenden Material mit einer Fläche, die größer als die Patchfläche (210) ist, wobei die Massefläche (220) relativ zur Patchfläche (210) so angeordnet ist, dass eine senkrechte Projektion der Patchfläche (210) auf die Massefläche (220) vollständig in die Massefläche (220) fällt, ein dielektrisches Substrat (240), das das Volumen zwischen der Patchfläche (210) und der Massefläche (220) ausfüllt, wobei das Substrat (240) eine verhältnismäßig große relative Dielektrizitätskonstante aufweist und sich bezüglich wenigstens eines ersten Segments (a, b, c) des Umfangs (a, b, c, d) um eine eindeutig definierte Distanz (L₃', L₃'') über das Volumen zwischen der Patchfläche (210) und der Massefläche (220) hinaus erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Erdungselement (230) enthält, das die Patchfläche (210) mit der Massefläche (220) elektrisch verbindet, wobei das Erdungselement an einem zweiten Segment (d) des Umfangs (a, b, c, d) angebracht ist und das Erdungselement (230) eine leitende Fläche enthält, die eine Verbindung (d') mit der Patchfläche (210) längs des zweiten Segmentes (d) bildet.
Antennenanordnung (115) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (240) einen Abschnitt der Patchfläche (210) längs wenigstens eines Untersegments (b) von dem wenigstens einen ersten Segment (a, b, c) überlappt (L₄', H₂).
Antennenanordnung (115) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdungselement (230) im Wesentlichen senkrecht zur Massefläche (220) liegt.
Antennenanordnung (115) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Signalteil (310) enthält, das ausgelegt ist ein Radiofrequenzsignal zwischen der Patchfläche (210) und einem Radiotransceiver zu befördern.
Antennenanordnung (115) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalteil (310) gegenüber der Patchfläche (210) elektrisch isoliert ist.
Antennenanordnung (115) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalteil (310) mit einer Seite der Patchfläche (210), die zur Massefläche (220) weist, elektrisch verbunden ist.
Antennenanordnung (115) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Signalteil (310) durch eine elektrisch isolierte Durchführung (320) in einem Abstand (F) von dem Erdungselement (230) durch die Massefläche (220) erstreckt.
Antennenanordnung (115) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (240) ein keramisches Material umfasst.
Antennenanordnung (115) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (240) einen laminierten Dickfilmaufbau umfasst.
Antennenanordnung (115) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der laminierte Dickfilmaufbau wenigstens eine Schicht aus Aluminiumoxid enthält.
Implantierbare medizinische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Antennenanordnung (115) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanordnung (115) in einer Vertiefung (710) einer Außenseite eines Gehäuses (111) zu der Vorrichtung angeordnet ist.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanordnung (115) in eine nicht leitende Einkapselung (820) so eingeformt ist, dass die Massefläche (220) gegenüber einem Gehäuse (111) zu der Vorrichtung elektrisch isoliert ist.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (111) zu der Vorrichtung die Massefläche (220) darstellt.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Patchfläche (210', 210'') gegenüber der Massefläche (220) so geneigt ist, dass mit Ausnahme in einer Dimension die Patchfläche (210', 210'') parallel zur Massefläche (220) verläuft.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanordnung (115) ein Erdungselement (230) enthält, welches die Patchfläche (210) elektrisch mit der Massefläche (220) verbindet, und der Abstand zwischen der Patchfläche (210', 210'') und der Massefläche (220) an einem Punkt am kürzesten ist, an dem das Erdungselement (230) die Patchfläche (210', 210'') verbindet.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Gehäuses (111), der die Massefläche (220) bildet, eine Abschrägung (1010) enthält, wobei die Abschrägung (1010) so ausgerichtet ist, dass die Distanz zwischen der Patchfläche (210'') und der Massefläche (220) sich allmählich längs einer Neigung der Abschrägung (1010) vergrößert und der Abstand zwischen der Massefläche (220) und der Patchfläche (210'') am größten an einer Kante (b) ist, die sich am weitesten vom Erdungselement (230) entfernt befindet.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Substrat (240) über eine gekrümmte Seite (1110) des Gehäuses (111) so erstreckt, dass das Substrat (240) in Richtung zur gekrümmten Seite (1110) einen sich verjüngenden Abschnitt bildet, wobei die gekrümmte Seite (1110) sich am weitesten vom Erdungselement (230) entfernt befindet.
Implantierbare medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Patchfläche (210'') ein im Allgemeinen gekrümmtes Profil aufweist mit einer zur Massefläche (220) gerichteten konvexen Fläche.