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Keramiken
und Gläser
werden bei implantierbaren medizinischen Vorrichtungen für eine Vielzahl
von Zwecken verwendet. In manchen Fällen werden optische Fenster,
die Keramiken oder Gläser
aufweisen, zum Übertragen
optischer Energie in vivo entweder in die Vorrichtung oder aus der
Vorrichtung heraus verwendet, um eine Vielzahl von Bedingungen oder
Parametern zu erfassen. In anderen Fällen werden optische Fenster, die
Keramiken oder Gläser
aufweisen, verwendet, um einen elektrisch isolierten Eintrittspunkt
in die Vorrichtung, beispielsweise für einen Durchführungsstift,
der zum Übertragen
elektrischer Signale oder von Energie zwischen dem Inneren und dem Äußeren der
Vorrichtung verwendet wird, verwendet.
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Wenn
sie zum Übertragen
optischer Energie verwendet wird, ist es wichtig, daß die optische
Fensteranordnung in der Lage ist, Licht der gewünschten Wellenlängen zu
transmittieren bzw. zu übertragen.
Ein Beispiel einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, bei
der optische Energie verwendet wird, ist ein Blutsauerstoffsensor.
In manchen Fällen
sind die Sensoren entlang der Leitung beispielsweise eines Schrittmachers
angeordnet. Durch Aufnehmen eines Blutsauerstoffsensors in einen
implantierbaren Herzschrittmacher kann das Blutsauerstoff-Sättigungsniveau des Patienten überwacht
werden und als ein Faktor beim Festlegen der Schrittmacherfrequenz
verwendet werden.
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Wie
jede zur Implantation vorgesehene Vorrichtung müssen implantierbare medizinische
Vorrichtungen, die optische Fenster aufweisen, aus biokompatiblen
und biostabilen Materialien hergestellt sein. Zusätzlich müssen Vorrichtungen
auch hermetisch gedichtet sein, um die Komponenten innerhalb der
implantierbaren Vorrichtung vor einer Kontamination zu schützen. Im
Fall eines Blutsauerstoffsensors, der für eine Langzeitanordnung in
einer Blutumgebung vorgesehen ist, sieht die Konstruktion vorzugsweise
auch glatte Außenflächen vor,
um die Bildung von Klumpen und andere unerwünschte Ereignisse zu minimieren.
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Bei
Versuchen zum Bereitstellen einer optischen Übertragung in implantierbare
medizinische Vorrichtungen, wie Blutsauerstoffsensoren, die sich
in Leitungen befinden, oder aus diesen heraus wurden die optischen
Sensoren oder Quellen in Glas- oder Saphirrohre und andere Strukturen
eingeschlossen. Beim Einschließen
der Vorrichtungen in ein Rohr treten bei der Herstellung solcher
Vorrichtungen eine Anzahl von Problemen auf. Es ist zusätzlich häufig schwierig,
eine langfristige hermetische Dichtung zum Verhindern einer Kontamination
der Vorrichtungen durch Körperflüssigkeiten
bereitzustellen.
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Wenn
optische Fenster, die Keramiken oder Gläser aufweisen, zum elektrischen
Isolieren beispielsweise eines Durchführungsstifts verwendet werden,
ist es vorteilhaft, ein Fenster zu verwenden, das aus einem Material
besteht, das elektrisch nichtleitend ist und das auch optisch durchlässig sein
kann. Das Merkmal der optischen Durchlässigkeit kann nützlich sein,
weil es eine verhältnismäßig einfache Sichtinspektion
der Durchführungsanordnung
ermöglicht,
um festzustellen, ob im Linsenmaterial (d. h. im Isoliermaterial)
Risse vorhanden sind, die die Dichtheit der Vorrichtung beeinträchtigen
könnten.
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Wenngleich
sie nicht als Stand der Technik anerkannt werden, können Beispiele
implantierbarer medizinischer Vorrichtungen, die optisch durchlässige Abschnitte,
wie Fenster usw., aufweisen, den in der nachstehenden Tabelle 1
angeführten
veröffentlichten
Dokumenten entnommen werden.
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Wie
Fachleute beim Lesen der Zusammenfassung der Erfindung, der detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der Ansprüche, die
nachstehend ausgeführt
werden, leicht verstehen werden, können viele der Vorrichtungen
und Verfahren, die in den Patenten aus Tabelle 1 offenbart sind,
unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung vorteilhaft
modifiziert werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat bestimmte Aufgaben, so daß verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Lösungen
für ein
oder mehrere Probleme bieten, die im Stand der Technik in bezug
auf optisch durchlässige
Abschnitte bei implantierbaren medizinischen Vorrichtungen auftreten.
Zu den Problemen, die im Stand der Technik auftreten, gehört das Fehlen
einer optischen Fensteranordnung, die zur Verwendung mit implantierbaren
medizinischen Vorrichtungen ausgelegt ist, welche (a) in der Lage
ist, restliche Zugspannungen zu verringern, die durch Anschweißen einer
Zwinge an ein Vorrichtungsgehäuse
hervorgerufen werden, und (b) eine optische Fensteranordnung mit
einem niedrigen Profil bereitstellt.
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Demgemäß besteht
eine Aufgabe der Erfindung darin, eine optische Fensteranordnung
für eine
chronisch bzw. dauerhaft implantierbare medizinische Vorrichtung
bereitzustellen, wodurch Schweißspannungen verringert
werden, die durch das Anschweißen
einer Zwinge bzw. einer Klemme an ein Vorrichtungsgehäuse hervorgerufen
werden.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Fensteranordnung
bereitzustellen, die eine Linse und eine Zwinge aufweist, wodurch
ein optisches Fenster mit einem niedrigen Profil bereitgestellt wird,
das in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen verwendbar ist.
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Im
Vergleich zu bekannten optischen Fensteranordnungen für implantierbare
medizinische Vorrichtungen können
verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere der folgenden Vorteile
bereitstellen: (a) eine Verringerung oder Beseitigung restlicher
Zugspannungen, die auf eine Linse wirken, welche sich in einer Zwinge
in einer optischen Fensteranordnung für eine implantierbare medizinische Vorrichtung
befindet, (b) eine hermetisch gedichtete optische Fensteranordnung
mit einem niedrigen Profil, die in einer implantierbaren medizini schen
Vorrichtung verwendbar ist, (c) eine leichte Herstellung unter Verwendung
bekannter Verfahren und Techniken, wie Hartlöten und Schweißen, und
(d) die Verwendung bekannter biostabiler und biokompatibler Materialien.
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Demgemäß sieht
die Erfindung eine optische Fensteranordnung für eine implantierbare medizinische Vorrichtung
vor, welche aufweist:
ein Gehäuse mit einer sich darin befindenden
Fensteröffnung,
eine
Zwinge bzw. Klemme, die in der Fensteröffnung montiert ist, wobei
die Zwinge einen Zwingenkörper
aufweist, der eine Linsenöffnung
bildet, und
eine Linse, die in der Linsenöffnung der Zwinge montiert
ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Zwingenkörper einen
im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt mit einem inneren Bein, einem äußeren Bein und einer Spannungsentlastungsrinne
in dem Zwingenkörper
zwischen dem inneren Bein und dem äußeren Bein aufweist, wobei
sich das äußere Bein
des Zwingenkörpers
in der Nähe
der Fensteröffnung
des Gehäuses
befindet und wobei sich die Linse in der Nähe des inneren Beins des Zwingenkörpers befindet.
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Optische
Fensteranordnungen gemäß Ausführungsformen
der Erfindung können
eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: (a) einen Linsenflansch
am inneren Bein des Zwingenkörpers,
(b) einen Tragflansch am äußeren Bein
des Zwingenkörpers,
(c) einen an die Fensteröffnung
angeschweißten
Tragflansch, (d) eine mit Hartlot in der Linsenöffnung montierte Linse, (e)
einen Hartlotstopp zum Steuern des Flusses des Hartlots, (f) einen
Zwingenkörper
aus Titan, (g) ein Gehäuse
aus Titan, (h) ein Blutsauerstoffsensor-Gehäuse, (i) eine im wesentlichen
kreisförmige
Fensteröffnung,
(j) ein inneres Bein und ein äußeres Bein, die
konzentrisch um die Linsenöffnung
angeordnet sind, (k) eine Spannungsentlastungsrinne, die mit dem
inneren und dem äußeren Bein
konzentrisch ist, und (l) eine Linse aus einkristallinem Aluminiumoxid.
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Gemäß einem
anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer optischen
Fensteranordnung für eine
implantierbare medizinische Vorrichtung vorgesehen, welches die
folgenden Schritte aufweist: (a) Bereitstellen einer Zwinge mit
einem Zwingenkörper,
der eine Linsenöffnung
bildet, wobei der Zwingenkörper
einen im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt mit einem inneren Bein, einem äußeren Bein und einer Spannungsentlastungsrinne
in dem Zwingenkörper
zwischen dem inneren Bein und dem äußeren Bein aufweist, wobei sich
das äußere Bein
des Zwingenkörpers
in der Nähe
der Fensteröffnung
des Gehäuses
befindet, (b) Bereitstellen eines Linsenflansches am inneren Bein
des Zwingenkörpers,
(c) Bereitstellen eines Tragflansches am äußeren Bein des Zwingenkörpers, (d)
Montieren einer Linse in der Linsenöffnung der Zwinge und (e) Montieren
der Zwinge und der Linse in einer Fensteröffnung in einem Gehäuse einer
implantierbaren medizinischen Vorrichtung.
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Bevorzugte
Verfahren zum Herstellen optischer Fensteranordnungen für chronisch
implantierbare medizinische Vor richtungen können einen oder mehrere der
folgenden Schritte aufweisen: (a) Bereitstellen einer Zwinge mit
einem Zwingenkörper,
der eine Linsenöffnung
bildet, wobei der Zwingenkörper
einen im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt mit einem inneren Bein, einem äußeren Bein und einer Spannungsentlastungsrinne
in dem Zwingenkörper
zwischen dem inneren Bein und dem äußeren Bein aufweist, wobei
sich das äußere Bein
des Zwingenkörpers
in der Nähe
der Fensteröffnung
des Gehäuses
befindet, (b) Bereitstellen eines Linsenflansches am inneren Bein
des Zwingenkörpers,
(c) Bereitstellen eines Tragflansches am äußeren Bein des Zwingenkörpers, (d)
Montieren einer Linse in der Linsenöffnung der Zwinge, (e) Montieren
der Zwinge und der Linse in einer Fensteröffnung in einem Gehäuse einer
implantierbaren medizinischen Vorrichtung, (f) Montieren der Linse
in der Zwinge durch Hartlöten,
(g) Montieren der Zwinge in der Fensteröffnung in dem Gehäuse durch
Schweißen,
(h) Montieren der Linse in der Zwinge zum Montieren der Zwinge in
der Fensteröffnung
im Vorrichtungsgehäuse
und (i) Montieren der Zwinge in einer Fensteröffnung eines Blutsauerstoffsensor-Gehäuses.
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Implantierbare
medizinische Vorrichtungen, die eine optische Fensteranordnung gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung aufweisen, können eines oder mehrere der
folgenden Merkmale aufweisen: (a) ein Gehäuse mit einer Fensteröffnung,
(b) eine in einer Fensteröffnung
montierte Zwinge, wobei die Zwinge einen eine Linsenöffnung bildenden
Zwingenkörper
aufweist und der Zwingenkörper
einen im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt mit einem inneren Bein, einem äußeren Bein und einer Spannungsentlastungsrinne
im Zwingenkörper
zwischen dem inneren Bein und dem äußeren Bein aufweist, wobei
sich das äußere Bein
des Zwingen körpers
in der Nähe
der Fensteröffnung
des Gehäuses
befindet, (c) eine in der Linsenöffnung der
Zwinge montierte Linse, (d) einen Linsenflansch am inneren Bein
des Zwingenkörpers,
(e) einen Tragflansch am äußeren Bein
des Zwingenkörpers,
(f) einen an die Fensteröffnung
angeschweißten
Tragflansch, (g) eine mit Hartlot in der Linsenöffnung montierte Linse, (h)
einen Hartlotstopp zum Steuern des Flusses des Hartlots, (i) einen
Zwingenkörper
aus Titan, (j) ein Gehäuse
aus Titan, (k) ein Blutsauerstoffsensor-Gehäuse, (l) eine im wesentlichen
kreisförmige
Fensteröffnung,
(m) ein inneres Bein und ein äußeres Bein,
die konzentrisch um die Linsenöffnung
angeordnet sind, (n) eine Spannungsentlastungsrinne, die mit dem
inneren und dem äußeren Bein
konzentrisch ist, und (o) eine Linse aus einkristallinem Aluminiumoxid.
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Diese
und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden
beim Lesen der nur als Beispiel dienenden detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
zusammen mit der anliegenden Zeichnung und den anliegenden Ansprüchen verständlich werden.
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1 ist eine perspektivische
Ansicht eines Abschnitts eines Vorrichtungsgehäuses mit einem optischen Fenster.
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2 ist eine Draufsicht einer
optischen Fensteranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist ein Querschnitt der
optischen Fensteranordnung aus 2 entlang
einer Linie 3–3
in 2.
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4 ist ein vergrößerter Querschnitt
einer Zwinge, die in einer optischen Fensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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5 ist ein vergrößerter Querschnitt
einer alternativen Zwinge für
eine optische Fensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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6 ist eine vereinfachte
schematische Ansicht einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung
mit einer optischen Fensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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7 ist eine schematische
Ansicht der Vorrichtung aus 6 in
ihrer Beziehung zum Herzen eines Patienten.
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8 ist ein Blockdiagramm,
in dem einige Bestandteile eines Schrittmachers gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine optische Fensteranordnung zur Verwendung
in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen vor, die eine im
wesentlichen U-förmige
Zwinge mit einer Spannungsentlastungsrinne aufweist, um restlichen
mechanischen Spannungen Rechnung zu tragen, die nach dem Anschmelzen der
Zwinge an das Gehäuse
einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung in der Zwinge verbleiben.
Durch Kontrollieren der restlichen mechanischen Spannungen kann
die Luftdichtheit der optischen Fensteranordnung aufrechterhalten
werden, indem Risse verringert oder beseitigt werden, die durch
restliche mechanische Spannungen in der Linse hervorgerufen werden.
Ein zusätzlicher
Vorteil der U-förmigen
Zwinge besteht darin, daß sie
ein verhältnismäßig niedriges
Profil bereitstellt, wodurch die Konstruktion kleinerer implantierbarer
medizinischer Vorrichtungen erleichtert wird.
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1 ist eine perspektivische
Ansicht eines Abschnitts eines Gehäuses mit zwei optischen Fensteranordnungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das dargestellte Gehäuse 10 weist
zwei Fensteröffnungen 12 auf,
die dafür
ausgelegt sind, eine optische Fensteranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung aufzunehmen, welche eine Zwinge 20 und eine sich
innerhalb der Zwinge 20 befindende Linse 30 aufweist.
Eine optische Fensteranordnung befindet sich in einer der Fensteröffnungen,
während
die andere optische Fensteranordnung außerhalb der anderen Fensteröffnung 12 dargestellt
ist.
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Es
sei bemerkt, daß optische
Fensteranordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung in dem Gehäuse
aufgenommen werden können,
das zur Verwendung in einer beliebigen implantierbaren medizinischen
Vorrichtung vorgesehen ist. Sie werden daher vorzugsweise unter
Verwendung biokompatibler und biostabiler Materialien hergestellt.
Optische Fensteranordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung können
insbesondere Verwendung in Verbindung mit Blutsauerstoffsensoren
finden, die zur Langzeitüberwachung
von Blutsauerstoffniveaus in einen Patienten implantiert sind. Daher
werden die optischen Fensteranordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise aus biokompatiblen und biostabilen Materialien hergestellt,
die zur Langzeitanordnung innerhalb des Bluts eines Patienten geeignet
sind. Eine andere Anwendung könnte
eine Durchführung
für elektrische
Komponenten in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung einschließen.
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Ein
bevorzugtes Material für
das Gehäuse 10 und
die Zwingen 20 ist Titan (mit der kommerziellen Qualität 1 oder
2), wenngleich andere Materialien Titan ersetzen könnten. Beispiele
anderer geeigneter Materialien sind ohne Einschränkung Edelstahl, Platin, Niob
usw.
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Die
Anbringung der Zwinge 20 und der Linse 30 innerhalb
der Fensteröffnungen 12 im
Gehäuse 10 der
Vorrichtung wird typischerweise dadurch erreicht, daß die Zwinge 20 an
ihrem Ort angeschweißt
wird. Das Schweißen
wird typischerweise unter Verwendung eines auf die Fläche 25 der
Zwingen 20 und die benachbarte Fläche 14 des Vorrichtungsgehäuses 10 gerichteten
Lasers ausgeführt,
um eine hermetische Dichtung zwischen der Zwinge 20 und
dem Gehäuse 10 zu
bilden. Es können
auch andere Schweißprozesse
einschließlich
des Elektronenstrahlschweißens,
wobei in dieser Hinsicht keine Einschränkung gegeben ist, verwendet
werden, um die Zwinge 20 an ihrem Ort anzuschweißen.
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2 ist eine Draufsicht einer
Zwinge 20 und einer Linse 30 für eine optische Fensteranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. 3 ist eine
Schnittansicht der Zwinge 20 und der Linse 30 entlang
einer Linie 3–3
in 2, und 4 ist eine vergrößerte Teil-Schnittansicht
der Zwinge 20 allein. Es kann während der folgenden Erörterung
einer bevorzugten Ausführungsform
einer optischen Fensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die in näheren
Einzelheiten beschrieben wird, auf die 2–4 Bezug genommen werden.
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Die
dargestellte Zwinge 20 weist vorzugsweise einen Körper mit
einer Linsenöffnung 21 auf,
in der sich die Linse 30 befindet. Die Linsenöffnung 21 ist
von einem Linsenflansch 26 umgeben, der die Linse 30 in
ihrer richtigen Position in bezug auf die Zwinge 20 hält. Nachdem
sich die Linse 30 an ihrer Position innerhalb der Zwinge 20 befindet,
wird sie vorzugsweise durch Hartlöten innerhalb der Zwinge 20 festgehalten.
Das Hartlotmaterial 32 bildet eine Kehlnaht um die Linse 30,
wie am besten in 3 dargestellt
ist. Das Hartlotmaterial 32 kann auch zwischen die Linse 30 und
die Zwinge 20 laufen, wie auch in 3 dargestellt ist.
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Das
Hartlotmaterial bildet vorzugsweise eine hermetische Dichtung zwischen
der Linse 30 und der Zwinge 20. Dadurch bildet
die optische Fensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
infolge der hermetischen Dichtung zwischen dem Gehäuse 10 und
der Zwinge 20 und der hermetischen Dichtung zwischen der
Zwinge 20 und der Linse 30 ein hermetisch gedichtetes
optisches Fenster für
implantierbare medizinische Vorrichtungen.
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Die
Zwinge 20 weist vorzugsweise auch einen Hartlotstopp 28 auf,
der dafür
ausgelegt ist zu verhindern, daß das
Hartlotmaterial 32 über
die ganze Zwinge 20 fließt. Typischerweise ist der
Hartlotstopp 28 eine Ecke, wie dargestellt ist, oder eine
andere scharfe Unstetigkeit in der Fläche der Zwinge 20,
auf der das Hartlötmaterial 32 ruht.
Diese Unstetigkeit 28 verhindert durch die Oberflächenspannung,
die im fließfähigen Hartlötmaterial 32 während des
Hartlötens
stets vorhanden ist, daß das
Hartlötmaterial
fließt.
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Die
Zwinge 20 weist vorzugsweise auch einen Tragflansch 24 auf,
der um den äußeren Umfang
der Zwinge 20 angeordnet ist. Der Tragflansch 24 ist
dafür ausgelegt,
gegen die Fensteröffnung
12 im Gehäuse 10 anzuliegen,
um die Fläche 25 für den vorstehend
beschriebenen Schweißprozeß genau
in bezug auf die Fläche 14 zu
lokalisieren.
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Die
Zwinge 20 weist auch eine Spannungsentlastungsrinne 22 auf,
die sich zwischen dem Tragflansch 24 und der Linsenöffnung 21 in
der Zwinge 20 befindet. Der Körper der Zwinge 20 weist
vorzugsweise einen im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt auf, der, wie in 4 dargestellt
ist, ein inneres Bein 20a und ein äußeres Bein 20b aufweist,
wobei sich eine Spannungsentlastungsrinne 22 zwischen den
Beinen befindet. Durch Bereitstellen eines U-förmigen
Profils durch die Spannungsentlastungsrinne 22 werden die
restlichen mechanischen Spannungen (vorzugsweise Zugspannungen),
die in einer massiven Zwinge vorhanden wären (d. h. einer Zwinge ohne
eine Spannungsentlastungsrinne), durch Umwandeln in eine Biegedehnung,
die von dem U-förmigen
Zwingenkörper
aufgenommen wird, verringert oder beseitigt.
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Wenngleich
die Zwinge 20 wie dargestellt mit im allgemeinen scharfen
Ecken versehen ist, ist zu verstehen, daß die Zwinge 20 auch
mit glatteren, stärker
abgerundeten Strukturmerkmalen gebildet werden kann. Typischerweise
weisen durch Stanzen gebildete Zwingen glattere Konturen auf als
jene, die beispielsweise durch maschinelles Bearbeiten gebildet
werden. Ein Beispiel einer solchen Zwinge 120 ist in 5 in einer vergrößerten Teilschnittansicht
dargestellt. Die Zwinge 120 weist ein inneres Bein 120a und
ein äußeres Bein 120b sowie
eine sich zwischen den Beinen 120a und 120b befindende
Spannungsentlastungsrinne 122 auf.
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Diese
restlichen mechanischen Spannungen in einer massiven Zwinge, typischerweise
in Form von Zugspannungen, würden
normalerweise auf die Linse 30 übertragen werden und könnten bewirken,
daß die Linse 30 reißt. Ein
Riß in
der Linse 30 kann die Luftdichtheit der optischen Fensteranordnung
zerstören
und auch die optischen Eigenschaften der Linse 30 beeinträchtigen.
Durch Bereitstellen einer Zwinge 20 mit einer Spannungsentlastungsrinne 22 werden
die restlichen mechanischen Spannungen vom Schweißen jedoch
in Biegespannungen umgewandelt, die zumindest teilweise und vorzugsweise
in hohem Maße
durch Biegen des Zwingenbeins 20a in bezug auf das Bein 20b kompensiert
werden. Dadurch werden die auf die Linse 30 ausgeübten Spannungen
nach dem Anschweißen
der Zwinge 20 an das Gehäuse 10 verringert,
um die restlichen Schweißspannungen
als eine der Ursachen des Reißens
der Linse 30 zu verringern oder zu beseitigen.
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Die
Linse 30 besteht vorzugsweise aus Saphir, also mit einer
einkristallinen Gitterstruktur gewachsenem Aluminiumoxid. Saphir
kann leicht geschnitten und zu optischer Klarheit poliert werden,
ohne daß Defekte oder
Risse erzeugt werden. Falls Risse oder Defekte vorhanden sind, können sie
leicht bei geringer Vergrößerung gesehen
werden. Saphir ist auch, selbst dann, wenn es lange Zeit einer Blutumgebung
ausgesetzt wird, biokompatibel und biostabil. Wenngleich Saphir
das bevorzugte Material für
die Linse 30 ist, ist zu verstehen, daß die Linse 30 auch
aus jedem beliebigen geeigneten Material gebildet werden könnte, das
die erforderlichen biokompatiblen und biostabilen Eigenschaften
für eine
Langzeitimplantation bereitstellt. Falls die optische Fensteranordnung
zum Übertragen
optischer Energie zu verwenden ist, sollte das Material optische
Energie der gewünschten
Wellenlängen
(für das
menschliche Auge sichtbar oder unsichtbar) übertragen. Wenn die optische
Fensteranordnung zum Isolieren eines Durchführungsstifts zu verwenden ist,
sollte das Linsenmaterial im wesentlichen elektrisch nichtleitend
sein.
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Das
zum Halten der Linse 30 innerhalb der Zwinge 20 verwendete
Hartlötmaterial 32 kann
aus einem beliebigen geeigneten Material oder aus beliebigen geeigneten
Materialien zusammengesetzt sein. Beispiele geeigneter Hartlötmaterialien
sind Gold, Goldlegierungen usw., sie sind jedoch nicht auf diese
beschränkt.
Ein als Beispiel dienendes Hartlötmaterial 32 ist
im Handel erhältliches
reines Gold (99,9% rein).
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Wenn
das Hartlötmaterial
aus reinem Gold verwendet wird, muß die Saphirlinse 30 typischerweise
zuerst mit einer Beschichtung aus Niob, Titan oder einer Niob/Titan-Legierung und einer
Beschichtung aus Gold über
dem Niob oder Titan in den Bereichen, wo die Hartlötverbindung
zu bilden ist, versehen werden. Verschiedene Anteile von Niob und
Titan können
gemeinsam gesputtert werden, um die gewünschte Schicht aus einer Niob/Titan-Legierung
zu bilden. Diese und andere Überlegungen
hinsichtlich des Hartlötens
der Saphirlinse 30 sind in der internationalen Anmeldung
WO-A-80/01620 erörtert.
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Die
Verfahren zum Herstellen einer optischen Fensteranordnung für eine implantierbare
medizinische Vorrichtung werden nun mit Bezug auf die 2–4 beschrieben.
Es ist bevorzugt, daß der
erste Schritt die Bildung der Zwinge 20 beinhaltet. Wenn
die Zwinge 20 aus Titan besteht, umfaßt ein Verfahren zum Bilden
der Zwinge 20 eine Schraubbearbeitung, wenngleich Fachleute
verstehen werden, daß viele
andere Techniken, wie Elektronenentladungsbearbeiten (EDM), Stanzen
usw., auch bei der Herstellung der Zwingen 20 eingesetzt
werden können.
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Nach
der Bildung der Zwinge 20 wird die Linse 30 vorzugsweise
in die Linsenöffnung 21 in
der Zwinge 20 eingeführt,
wie am besten aus 3 ersichtlich
ist. Nach dem richtigen Einsetzen der Linse 30 in die Zwinge 20 wird
Hartlötmaterial 32 zwischen
oder am Übergang
zwischen der Zwinge 20 und der Linse 30 aufgebracht. Wie
in der Hartlöttechnik
wohlbekannt ist, können
Ringe des Hartlötmaterials
um den hartzulötenden
Punkt und die ganze Anordnung einschließlich der Linse 30 und
der Zwinge 20 angeordnet werden und auf die geeignete Schmelztemperatur
des Hartlötmaterials 32 erwärmt werden.
Es ist natürlich
bevorzugt, daß ein
beliebiges Material für
das Hartlöten
gewählt
wird, dessen Schmelzpunkt erheblich unterhalb desjenigen des Materials
der Zwinge 20 oder der Linse 30 liegt. Weiterhin
sollte während
des Hartlötens
sorgfältig
darauf geachtet werden, ein lokalisiertes Erwärmen der Linse 30 zu
vermeiden, das zu Rissen oder anderen Defekten führen könnte.
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Nachdem
die Linse 30 richtig in der Linsenöffnung 21 der Zwinge 20 montiert
wurde, kann die ganze Anordnung aus der Zwinge 20 und der
Linse 30 in eine Fensteröffnung 12 in einem
Vorrichtungsgehäuse 10 eingeführt werden,
wie in 1 dargestellt
ist. Sobald sie richtig innerhalb des Vorrichtungsgehäuses 10 angeordnet
wurde, kann die Zwinge 20 unter Verwendung eines Lasers
oder einer anderen geeigneten Schweißtechnik an ihrem Ort innerhalb
der Fensteröffnung 12 eingeschweißt werden,
wie vorstehend erörtert
wurde. Es ist bevorzugt, jedoch nicht wesentlich, daß die Zwinge 20 innerhalb
des Vorrichtungsgehäuses 10 geschweißt wird,
weil das Schweißen
eine Verbindung mit der gewünschten
Dichtheit für
die implantierbare medizinische Vorrichtung bereitstellt, die einer
Langzeitimplantation in Umgebungen, wie einer Blutumgebung, unterzogen
wird.
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Die
optischen Fensteranordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung können
in einer Vielzahl implantierbarer medizinischer Vorrichtungen verwendet
werden, in denen optische Energie in ein Vorrichtungsgehäuse, das
sich innerhalb eines Patienten befindet, oder aus diesem heraus übertragen
werden muß.
Die optischen Fensteranordnungen können auch Anwendungen bei isolierenden
Durchführungsstiften
finden, die sich vom Inneren einer implantierbaren medizinischen
Vorrichtung zu ihrem Äußeren oder
vom Inneren einer Leistungsquelle in der Art einer elektrochemischen
Zelle zum Äußeren der
Leistungsquelle erstrecken.
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6 ist eine vereinfachte
schematische Ansicht einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei wenigstens eine verbesserte Stimulations- und Meßleitung 216 oder 218 an
einer hermetisch gedichteten Einschließung 214 angebracht
und in der Nähe
des menschlichen Herzens 316 implantiert ist. In dem Fall,
in dem die implantierte medizinische Vorrichtung 200 ein
Schrittmacher ist, weist sie wenigstens eine oder beide von den
Stimulations- und Meßleitungen 216 und 218 auf.
Die Stimulations- und Meßleitungen 216 und 218 messen
elektrische Signale, die mit der Depolarisation und Repolarisation
des Herzens 316 einhergehen, und sie liefern Stimulationsimpulse
zum Hervorrufen einer Depolarisation von Herzgewebe in der Nähe ihrer
distalen Enden. Wenigstens eine der Leitungen 216 und 218 weist
vorzugsweise auch entlang ihrer Länge ein Sauerstoffsensormodul
auf, das ein oder mehrere optische Fenster gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist.
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Die
implantierbare medizinische Vorrichtung 200 kann ein implantierbarer
Herzschrittmacher in der Art desjenigen sein, der in US-A-5 158
078 von Bennett u. a., US-A-5 312 453 von Shelton u. a. oder US-A-5
144 949 von Olson offenbart ist. Die implantierbare medizinische
Vorrichtung 200 kann auch ein PCD (Schrittmacher-Kardioverter-Defibrillator)
sein, der beliebigen der verschiedenen im Handel erhältlichen
implantierbaren PCDs entspricht, wobei das Stimulations- oder Meßleitungs-Verbindermodul 212 gemäß der vorliegenden
Erfindung die ansonsten vorhandene Verbinderblockanordnung ersetzt.
Die vorliegende Erfindung kann auch in Zusammenhang mit PCDs in
der Art derjenigen verwirklicht werden, die in US-A-5 545 186 von
Olson u. a., US-A-5 354 316 von Keimel, US-A-5 314 430 von Bardy,
US-A-5 131 388 von Pless oder US-A-4 821 723 von Baker u. a. offenbart
sind. Diese Vorrichtungen können
direkt in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, und sie werden am bevorzugtesten so verwirklicht, daß die Durchführungen,
die die darin befindliche Schaltungsanordnung mit ihren Verbinderblöcken verbinden,
so angeordnet sind, daß sie
einen leichten Zugang zwischen den Durchführungen und den elektrischen
Verbindern ermöglichen,
die sich innerhalb der Verbinderbohrungen des Verbinder- oder Kopfmoduls 212 befinden.
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Alternativ
kann die implantierbare medizinische Vorrichtung 200 ein
implantierbarer Nervenstimulator oder Muskelstimulator sein, wie
derjenige, der in US-A-5 199 428 von Obel u. a., in US-A-5 207 218
von Carpentier u. a. oder in US-A-5 330 507 von Schwartz offenbart
ist, oder sie kann eine implantierbare medizinische Vorrichtung
in der Art derjenigen sein, die im Bennett u. a. erteilten US-Patent
US-A-5 331 966 offenbart ist. Es wird angenommen, daß die vorliegende
Erfindung weite Anwendung auf eine beliebige Form einer implantierbaren
elektrischen Vorrichtung findet, die in Zusammenhang mit elektrischen
Leitungen verwendbar ist, und es wird angenommen, daß sie besonders
vorteilhaft in solchen Zusammenhängen
ist, bei denen mehrere medizinische elektrische Leitungen eingesetzt
werden und erwünscht
sind.
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Im
allgemeinen weist die hermetisch gedichtete Einschließung 214 eine
elektrochemische Zelle in der Art einer Lithiumbatterie, eine Schaltungsanordnung,
die Vorrichtungsoperationen steuert und arrhythmische EGM-Episoden
aufzeichnet, und eine Telemetrietransceiverantenne und eine Schaltung
auf, die Abwärtsverbindungstelemetriebefehle
von der externen Programmiereinrichtung empfängt und gespeicherte Daten
in einer Telemetrieaufwärtsverbindung
zur externen Programmiereinrichtung überträgt. Die Schaltungsanordnung und
der Speicher können
in diskreter Logik oder einem mikrocomputerbasierten System mit
einer A/D-Wandlung der abgetasteten EGM-Amplitudenwerte implementiert
werden. Es wird angenommen, daß die
jeweiligen elektronischen Merkmale und Operationen der implantierbaren
medizinischen Vorrichtung in bezug auf die Verwirklichung der vorliegenden
Erfindung eine überwältigende
Bedeutung haben. Ein als Beispiel angegebenes Betriebssystem ist
in der auf den Erwerber der vorliegenden Anmeldung übertragenen
anhängigen
US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 08/678 219 "Minimally Invasive
Implantable Device for Monitoring Physiologic Events", die am 11. Juli
1996 eingereicht wurde, beschrieben.
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Es
sei bemerkt, daß die
vorliegende Erfindung in ihrem Schutzumfang nicht auf Einzelsensor-
oder Doppelsensor- Schrittmacher
beschränkt
ist und daß auch
andere Sensoren abgesehen von Blutsauerstoff-, Aktivitäts- und
Drucksensoren bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung
verwendet werden könnten. Auch
ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf Einzelkammer-Schrittmacher
beschränkt.
Die vorliegende Erfindung kann auch in Zusammenhang mit Mehrkammerschrittmachern
(beispielsweise Doppelkammer-Schrittmachern) verwirklicht werden.
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7 zeigt das Verbindermodul 212 und
die hermetisch gedichtete Einschließung 214 der implantierbaren
medizinischen Vorrichtung oder des Doppelkammer-Schrittmacher-IPGs 200 in
ihrer Beziehung zum Herzen 316 des Patienten. Atrielle
und ventrikuläre
Stimulationsleitungen 216 und 218 erstrecken sich
vom Verbinderkopfmodul 212 zum rechten Atrium bzw. zum
rechten Ventrikel. Atrielle Elektroden 220 und 221,
die am distalen Ende der atriellen Stimulationsleitung 216 angeordnet
sind, befinden sich im rechten Atrium. Ventrikuläre Elektroden 228 und 229 am
distalen Ende der ventrikulären
Stimulationsleitung 218 befinden sich im rechten Ventrikel.
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8 zeigt ein Blockdiagramm,
in dem die Bestandteile eines Schrittmachers 310 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt sind, wobei der Schrittmacher 310 eine
mikroprozessorbasierte Architektur aufweist. Die vorliegende Erfindung
kann jedoch auch in Zusammenhang mit anderen implantierbaren medizinischen
Vorrichtungen, wie Kardiovertern, Defibrillatoren, Herzunterstützungssystemen und
dergleichen oder in Zusammenhang mit anderen Entwurfsarchitekturen
verwendet werden.
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In
der in 8 dargestellten
veranschaulichenden Ausführungsform
weist der Schrittmacher 310 einen Aktivitätssensor 312 auf,
der vorzugsweise ein mit der Hybridschaltung innerhalb des Schrittmachergehäuses verbundener
piezokeramischer Beschleunigungsmesser ist. Der piezokeramische
Beschleunigungsmessersensor 312 liefert eine Sensorausgabe,
die sich als Funktion eines gemessenen Parameters ändert, welcher
den Stoffwechselbedarf des Patienten betrifft.
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Der
Schrittmacher 310 aus 8 ist
am bevorzugtesten durch eine externe Programmiereinheit (in den
Figuren nicht dargestellt) programmierbar. Eine solche Programmiereinrichtung,
die für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist die im Handel
erhältliche
Programmiereinrichtung vom Modell 9790 von Medtronic. Die Programmiereinrichtung
ist eine Mikroprozessorvorrichtung, die entsprechend einem Telemetriesystem
in der Art desjenigen, das in US-A-5 312 453 von Wyborny u. a. beschrieben
ist, dem Schrittmacher 310 durch einen Programmierkopf,
der Funkfrequenz-(RF)-codierte Signale zum Schrittmacher 310 überträgt, eine
Reihe codierter Signale zuführt.
Es ist jedoch zu verstehen, daß das
im Patent von Wyborny u. a. offenbarte Programmierverfahren hier
nur zu Erläuterungszwecken
angegeben ist und daß jedes
beliebige Programmierverfahren eingesetzt werden kann, solange die
gewünschten
Informationen zum Schrittmacher und von diesem übertragen werden. Ein Fachmann
kann aus beliebigen einer Anzahl verfügbarer Programmiertechniken
zum Erreichen dieser Aufgabe auswählen.
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Der
Schrittmacher 310 ist, wie in 8 schematisch dargestellt ist, elektrisch
mit einer Stimulationsleitung 318 gekoppelt, die sich im
Herzen 316 des Patienten befindet.
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Die
Leitung 318 weist vorzugsweise eine intrakardiale Elektrode
auf, die sich an oder in der Nähe
ihres distalen Endes befindet und innerhalb der rechten ventrikulären Kammer
(RV-Kammer) oder der rechten atriellen Kammer (RA-Kammer) des Herzens 316 positioniert
ist. Die Leitung 318 kann unipolare oder bipolare Elektroden
aufweisen, die daran angeordnet sind, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt
ist. Wenngleich eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang
mit einem Einzelkammer-Schrittmacher hier nur zu Erläuterungszwecken
offenbart ist, ist zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung
gleich gut in Zusammenhang mit einem Doppelkammer-Schrittmacher
oder einer anderen implantierbaren Vorrichtung angewendet werden
kann.
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Die
Leitung 318 ist durch den Eingangskondensator 252 mit
einem Knoten 250 in der Schaltungsanordnung des Schrittmachers 310 gekoppelt.
Gemäß der gegenwärtig offenbarten
Ausführungsform
ist der Beschleunigungsmesser 312 an der Hybridschaltung
innerhalb der Schrittmachers 310 angebracht und in 8 nicht explizit dargestellt.
Der Ausgang des Beschleunigungsmessers 312 ist mit der
Ein-/Ausgangsschaltung 254 gekoppelt. Die Ein-/Ausgangsschaltung 254 enthält Analogschaltungen
zur Verbindung mit dem Herzen 316, den Beschleunigungsmesser 312,
die Antenne 256 und Schaltungen für das Anlegen von Stimulationsimpulsen
an das Herz 316, um seine Frequenz durch softwareimplementierte
Algorithmen in der Mikrocomputerschaltung 258 zu steuern.
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Die
Mikrocomputerschaltung 258 weist vorzugsweise eine auf
der Platine vorhandene Schaltung 260 und eine außerhalb
der Platine vorhandene Schaltung 262 auf. Die Schaltung 258 kann
der in US-A-5 312 453 von Shelton u. a. offenbarten Mikrocomputerschaltung
entsprechen. Die auf der Platine vorhandene Schaltung 260 weist
einen Mikroprozessor 264, eine Systemtaktschaltung 266 und
einen auf der Platine vorhandenen RAM 268 sowie einen auf
der Platine vorhandenen ROM 270 auf. Gemäß der gegenwärtig offenbarten
Ausführungsform
der Erfindung weist die außerhalb
der Platine vorhandene Schaltung 262 eine RAM/ROM-Einheit
auf. Die auf der Platine vorhandene Schaltung 260 und die
außerhalb
der Platine vorhandene Schaltung 262 sind jeweils durch
einen Datenkommunikationsbus 272 mit einer digitalen Steuer-/Zeitgeberschaltung 274 gekoppelt.
Die Mikrocomputerschaltung 258 kann eine kundenspezifische
integrierte Schaltungsvorrichtung bilden, die durch Standard-RAM/ROM-Komponenten erweitert
ist.
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Die
in 8 dargestellten elektrischen
Komponenten werden durch eine geeignete implantierbare Batterieleistungsquelle 276 mit
Energie versorgt, wie es auf dem Fachgebiet üblich ist. Aus Klarheitsgründen ist
die Kopplung der Batterieleistung mit den verschiedenen Komponenten
des Schrittmachers 310 in den Figuren nicht dargestellt.
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Die
Antenne 256 ist mit der Ein-/Ausgangsschaltung 254 verbunden,
um eine Aufwärts-/Abwärtstelemetrie über die
HF-Sender- und Empfängereinheit 278 zu
ermöglichen.
Die Einheit 278 kann der Telemetrie- und Programmlogik,
die im Thompson u. a. erteilten US-Patent US-A-4 566 063 offenbart
ist, oder derjenigen, die im vorstehend erwähnten Patent von Wyborny u.
a. offenbart ist, entsprechen. Es wird angenommen, daß das jeweils
gewählte
Programmier- und Telemetrieschema für die Zwecke der Verwirklichung
der vorliegenden Erfindung nicht kritisch ist, solange die Eingabe
und das Speichern von Werten frequenzadaptierender Parameter gestattet
sind.
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Die
VREF- und Vorspannungsschaltung 282 erzeugt
eine stabile Spannungsreferenz und Vorspannungsströme für die Analogschaltungen
der Ein-/Ausgangsschaltung 254. Eine Analog-Digital-Wandler-(ADC)-
und Multiplexereinheit 284 digitalisiert analoge Signale
und Spannungen, um "Echtzeit"-Telemetrie-Intrakardialsignale
und eine Batterielebensdauerende-(EOL)-Austauschfunktion bereitzustellen.
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Betriebsbefehle
zum Steuern des Zeitablaufs des Schrittmachers 310 werden
durch den Datenbus 272 mit der digitalen Steuer-/Zeitgeberschaltung 274 gekoppelt,
in der digitale Zeitgeber und Zähler
das Gesamt-Escapeintervall des Schrittmachers sowie verschiedene
Refraktär-,
Austast- und andere Zeitfenster zum Steuern des Betriebs der Peripheriekomponenten,
die sich innerhalb der Ein-/Ausgangsschaltung 254 befinden,
bilden.
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Die
digitale Steuer-/Zeitgeberschaltung 274 ist vorzugsweise
mit einer Meßschaltungsanordnung
unter Einschluß eines
Meßverstärkers 288,
einer Spitzenwerterfassungs- und Schwellenwertmeßeinheit 290 und eines
Vergleichers und Schwellenwertdetektors 292 gekoppelt.
Die Schaltung 274 ist vorzugsweise weiter mit dem Elektrogrammverstärker (EGM-Verstärker) 294 gekoppelt,
um von einer an der Leitung 318 angeordneten Elektrode
erfaßte
verstärkte
und verarbeitete Signale zu empfangen. Der Meßverstärker 288 verstärkt erfaßte elektrische
Herzsignale und liefert ein verstärktes Signal zur Spitzenwerterfassungs-
und Schwellenwertmeß-Schaltungsanordnung 290,
die wiederum eine Angabe erfaßter
Spitzenspannungen und gemessener Schwellenspannungen des Meßverstärkers auf
dem mehrere Leiter aufweisenden Signal weg 367 der digitalen Steuer-/Zeitgeberschaltung 274 zuführt. Ein
verstärktes
Meßverstärkersignal
wird dann dem Vergleicher und Schwellenwertdetektor 292 zugeführt. Der
Meßverstärker 288 kann
demjenigen entsprechen, der in US-A-4 379 459 von Stein offenbart ist, worauf
hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen sei.
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Das
vom EGM-Verstärker 294 bereitgestellte
Elektrogrammsignal wird verwendet, wenn die implantierte Vorrichtung
durch eine externe Programmiereinrichtung (nicht dargestellt) abgefragt
wird, um durch Aufwärtstelemetrie
eine Darstellung eines analogen Elektrogramms der elektrischen Herzaktivität des Patienten zu übertragen.
Es sei beispielsweise auf US-A-4 556 063 von Thompson u. a. verwiesen.
Der Ausgangsimpulsgenerator 296 liefert über einen
Kopplungskondensator 298 ansprechend auf ein Stimulationsauslösesignal,
das jedesmal dann der digitalen Steuer-/Zeitgeberschaltung 274 zugeführt wird,
wenn das Escapeintervall endet, ein von außen übertragener Stimulationsbefehl
empfangen wird oder ansprechend auf andere gespeicherte Befehle
Stimulationsimpulse zum Herzen 316 des Patienten, wie auf
dem Fachgebiet der Schrittmacher wohlbekannt ist. Der Ausgangsverstärker 296 kann
im allgemeinen dem Ausgangsverstärker
entsprechen, der im Thompson erteilten US-Patent US-A-4 476 868
offenbart ist.
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Wenngleich
hier spezifische Ausführungsformen
des Eingangsverstärkers 288,
des Ausgangsverstärkers 296 und
des EGM-Verstärkers 294 identifiziert
wurden, dient dies nur der Erläuterung.
Die spezifischen Ausführungsformen
dieser Schaltungen sind für
die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung nicht kritisch, solange
die Schaltungen Mittel zum Erzeugen eines Stimulationsimpulses bereitstellen
und in der Lage sind, der digitalen Steuer-/Zeitgeberschaltung 274 Signale
zuzuführen,
die natürliche
oder stimulierte Kontraktionen des Herzens angeben.
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Ein
Beispiel einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung 50 und
einer zugeordneten Leitung 60 schließt einen Schrittmacher und
eine zugeordnete Leitung oder zugeordnete Leitungen ein, ist jedoch
nicht darauf beschränkt.
Ein möglicher
Ort für
das distale Ende der Leitung 60 ist das Herz des Patienten,
wenngleich auch andere Orte vorstellbar sind. Die implantierbare
medizinische Vorrichtung 50 könnte eine Sauerstoff-Meßschaltungsanordnung
sowie Leistungsquellen und andere Komponenten enthalten, die erforderlich sind,
damit die Vorrichtung ihre gewünschten
Funktionen ausführt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf implantierbare Sauerstoffsensoren
beschränkt,
sondern sie könnte
auch in jeder beliebigen implantierbaren medizinischen Vorrichtung
eingesetzt werden, bei der ein optisches Fenster zur Übertragung
optischer Energie oder eine Durchführung erforderlich ist.