DE19617102A1 - Verfahren zur elektronischen Energieeinspeisung - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Nachfolgend soll ein vorteilhaftes Ausführungsbei­ spiel eines rechnergestützten Energieversorgers näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Energieversor­ gung einer implantierten Funktionseinheit.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (32)

1. Verfahren zur elektronischen Energieeinspeisung in von außen nicht ohne weiteres zugängliche elektronische Funktionseinheiten (FI), wie Schalt-, Steuer- oder Sensoreinheit, beispiels­ weise in den menschlichen Organismus implantier­ te medizinisch-technische Apparate wie Herz­ schrittmacher, elektrische Dosimeter oder der­ gleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (FI) von einem mit der Funktionseinheit elektrisch verbundenen Energie­ versorger (ESI) mit Energie versorgt wird, der eine Empfangseinrichtung (S_ESI) für elektromagne­ tische Wellen mit Frequenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz umfaßt, wobei von der Empfangs­ einrichtung von außen einlaufende elektromagne­ tische Wellen mit Frequenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz empfangen und von dem Energie­ versorger elektronisch in elektrische Energie umgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mittels eines zugänglich angeordneten externen Senders (S_EXT) für elektromagnetische Wellen eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz in Richtung des mit der Funktionseinheit verbunde­ nen Energieversorgers (ESI) abgestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem zugänglichen Sender (S_EXT) und der Empfangseinrichtung (S_ESI) mittels elek­ tromagnetischer Wellen Informationen übermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Übermittlung von Informationen zwi­ schen der Empfangseinrichtung und dem zugängli­ chen Sender elektromagnetische Wellen mit Fre­ quenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz ver­ wendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übermittlung von Informationen zwischen der Empfangseinrichtung und dem zugänglichen Sender Digitalfunk inner­ halb als auch in herkömmlichen Frequenzbändern außerhalb des für die Energieübertragung verwen­ deten Frequenzbereichs verwendet wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Empfangseinrichtung empfangenen elektro­ magnetischen Wellen unterschieden werden bezüg­ lich des Informations- bzw. des Energiegehaltes.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Empfangseinrichtung zur Verfügung ge­ stellte Energie von einem zum Energieversorger gehörigen Wandler (W_ESI) gewandelt und dann der Funktionseinheit und den Elementen des Energie­ versorgers zur Verfügung gestellt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Empfangseinrichtung zur Verfügung ge­ stellte Energie zumindest teilweise und/oder zeitweise direkt oder über den Wandler (W_ESI) ei­ nem Energiepuffer (P_ESI) zugeleitet und in dem Energiepuffer gespeichert wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der einzelnen Elemente des Energie­ versorgers und/oder der Funktionseinheit durch eine zu dem Energieversorger gehörige, mikropro­ zessorgesteuerte und/oder programmierbare Schal­ tung (C_ESI) gesteuert, geregelt und/oder über­ wacht wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Energieversorger (ESI), der Funktionseinheit (FI) und/oder dem externen Sender (S_EXT) hetero­ strukturierte Halbleiterbauelemente verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroprozessor­ gesteuerte Schaltung (C_ESI) entsprechend den An­ forderungen der Funktionseinheit (FI) über den zugänglichen Sender (S_EXT) und die Empfangsein­ richtung (S_ESI) programmiert wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Funk­ tionseinheit (FI) von dem Wandler (W_ESI) und/oder von dem Energiepuffer mit Energie versorgt wird.

13. verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (FI) die Funktion des Wandlers beeinflußt und/oder die mikroprozessorgesteuerte Schaltung beeinflußt bzw. umprogrammiert.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zugängliche Sender elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenz aussendet.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Emp­ fangseinrichtung (S_ESI) sich automatisch auf den von dem zugänglichen Sender verwendeten Fre­ quenzbereich für die elektromagnetische Welle einstellt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einstellung auf den Frequenzbereich mikroprozessorgestützt erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß Empfang und/oder Umsetzung der von außen einlaufenden elektroma­ gnetischen Energie getrennt und/oder adaptiv auf den von dem zugänglichen Sender verwendeten Fre­ quenzbereich für die elektromagnetische Welle eingestellt wird.

18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (S_ESI) bedarfsgesteuert den Energieempfang unterbricht.

19. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinspeisung kontinuierlich erfolgt.

20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinspeisung periodisch erfolgt.

21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinspeisung bedarfsgesteuert aperiodisch erfolgt.

22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinspeisung von dem zugänglichen Sender (S_EXT) zu der Empfangseinrichtung (S_ESI) auf An­ forderung der Funktionseinheit (FI) erfolgt.

23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Empfangseinrichtung Licht im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Bereich emp­ fangen wird.

24. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche im medizinisch­ technischen Bereich zur Ergänzung anderer kör­ pereigener oder nichtnachladbarer künstlicher Energiequellen zur Versorgung von Funktionsein­ heiten (FI) mit Energie.

25. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Energieübertra­ gung, Informationsverarbeitung, Datenübermitt­ lung, Prozeßsteuerung, biochemischen Analytik, Steuerung, Stützung oder Verbesserung biologi­ scher Funktionen und Therapeutik.

26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, gekenn­ zeichnet durch einen Energieversorger (ESI), der mindestens eine Empfängereinrichtung (S_ESI) für den Empfang von elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz umfaßt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen externen, zugänglich angeordneten Sender für elektromagnetische Wellen mit Fre­ quenzen zwischen 5×10¹⁰ Hz und 10×10¹⁶ Hz.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieversorger (ESI) einen Energiepuffer (P_ESI) und/oder einen Wandler (W_ESI) für elektrische Energie und/oder eine mikroprozessorgesteuerte und/oder program­ mierbare Schaltung (C_ESI) umfaßt.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Energiepuffer (P_ESI) aus mehre­ ren Pufferelementen besteht.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pufferelemente räumlich ge­ trennt voneinander angeordnet sind.

31. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Ener­ giepuffer (P_ESI) und die Empfangseinrichtung (S_ESI) miteinander verbunden, jedoch räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.

32. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der ex­ terne Sender (S_EXT) die Empfangseinrichtung (S_ESI) und/oder die Funktionseinheit (FI) in heterostruk­ turierter Halbleitertechnik ausgeführt sind.