CN104941068A - 具有时钟和自定时部件的可植入医疗设备 - Google Patents

具有时钟和自定时部件的可植入医疗设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种具有时钟和自定时部件的可植入医疗设备，该可植入医疗设备具有：时钟生成电路，配置成生成在时钟生成电路频率下并具有时钟周期的时钟信号。自定时中央处理单元被配置成处理计算指令并且在完成处理计算指令中的每一个时生成处理完成信号。自定时存储器被可操作地耦合至中央处理单元并且被配置用于存储可植入医疗设备的信息并且在完成读取操作和存储操作中的至少一个时提供访问完成信号。时钟信号、来自中央处理单元的处理完成信号、来自存储器的访问完成信号被用于同步可植入医疗设备内的数据传输。起搏状态机被配置成独立于自定时中央处理单元而发展定时信号以协调感测电路和输出电路。

Description

具有时钟和自定时部件的可植入医疗设备
技术领域
本发明一般涉及可植入医疗设备，并且尤其涉及具有多个定时设备的可植入医疗设备。
背景技术
大多数可植入医疗设备是通常包含微处理器来控制操作的复杂的电子设备。微处理器通常与至少一个存储器或存储器单元耦合以用于存储和检索与可植入医疗可植入医疗的操作相关以及与附加部件(诸如，感测电路或模块和输出电路或模块)相关的数据和信息。
通常在生成时钟信号的时钟电路的控制下以逐步方式执行植入式医疗设备的各种功能，可植入的部件利用该时钟信号来定时和排序(sequence)它们的活动。这样的时钟在本领域是公知的。通常寻求例如由振荡器所生成的时钟的规律信号是相当规律的，从而确保可植入医疗设备的稳定且可预测的操作特性。通常由创造晶体振荡器的晶体来生成并控制稳定的振荡器。
为了执行可植入医疗设备内的一个一般操作，例如，到存储器的存储或从存储器的读取，通常需要按顺序执行若干不同步骤。为了在期望的时间帧内执行一般操作，具有比期望的时间帧快得多的时钟信号可能是有必要的，因为需要按顺序完成若干或许多单独的步骤。因此，经常期望具有不仅稳定且一致而且与可植入医疗设备的整体性能相比相对较快的时钟信号。
然而，高度准确且相对较快的晶体振荡器不仅相对昂贵，而且更重要地，其消耗相对更大量的功率。更高的功率消耗不仅生成更多热量，而且更重要地，其缩短了电池寿命，因为大多数可植入医疗设备是电池供电的。较短的电池寿命意味着更频繁的再充电或更频繁的移植以用于电池更换。
发明内容
代替定时来自高度稳定、相对快的晶体振荡器的所有或大多数部件，本发明利用单个、相对便宜、低频、低功率振荡器。该单个低功率振荡器计时并同步中央处理单元。可植入医疗设备内的其它单元或模块一般与该低频振荡器同步，但随后通过自定时维持单独的操作。因此，例如，一旦在从低频振荡器定时时发起到存储器模块的存储或从存储器模块的读取，存储器随后就利用自定时来生成并定时完成到操作的存储或从操作的读取所必须的步骤的单独顺序。类似地，可植入医疗设备的输出设备可以是起搏引擎，该起搏引擎可通过多个自定时步骤自主地生成治疗输出信号。作为另一示例，遥测单元可在本地控制下与外部设备通信，而不是由低频振荡器逐步地控制。在实施例中，中央处理单元被设计成在一个或两个低频时钟周期内完成处理单个指令而可植入医疗设备的其它部件通过自主地执行具体任务而协作。
消耗相对少的功率的单个低频振荡器和自定时的可植入医疗设备的一个或多个部件的组合实现了低成本且低功率的可植入医疗设备，且该可植入医疗设备还具有很好的性能和通用性。
在实施例中，可植入医疗设备具有时钟生成电路，配置成生成在时钟生成电路频率下并具有时钟周期的时钟信号。自定时中央处理单元被配置成处理计算指令并且在完成处理计算指令中的每一个时生成处理完成信号。自定时存储器被可操作地耦合至中央处理单元并且被配置用于存储可植入医疗设备的信息并且在完成读取操作和存储操作中的至少一个时提供访问完成信号。时钟信号、来自中央处理单元的处理完成信号、来自存储器的访问完成信号被用于同步在可植入医疗设备内的数据传输。感测电路被配置成为可植入医疗设备的操作感测心脏事件。输出电路被配置成至少部分地取决于计算指令的处理而生成输出信号。起搏状态机被配置成独立于自定时中央处理单元而发展(develop)定时信号以协调可植入医疗设备的感测电路和输出电路。
在实施例中，自定义中央处理单元在时钟生成电路的单个时钟周期内处理计算指令中的每一个。
在实施例中，中央处理单元在不超过时钟生成电路的三个时钟周期内处理计算指令中的每一个。
在实施例中，存储器在存储周期内完成读取操作或存储操作并且其中时钟生成电路的时钟周期大于该存储周期。
在实施例中，起搏状态机由来自中央处理单元的写入的数据(例如，设置信号)所配置。
在实施例中，计算指令中的每一个由中央处理单元所处理，其从来自时钟生成电路的开始信号(例如，时钟过渡信号)开始。
在实施例中，起搏状态机控制输出电路以在没有与中央处理单元交互的情况下提供输出信号。
在实施例中，起搏状态机由中央处理单元进行更新以改变输出信号的配置。
在实施例中，延迟元件被可操作地耦合至时钟生成电路并提供时钟信号的延迟版本，该时钟信号的延迟版本连同时钟信号、来自中央处理单元的经处理的信号、来自存储器的访问完成信号一起被用于同步可植入医疗设备内的数据传输。
在实施例中，时钟生成电路是低频振荡器。
在实施例中，可植入医疗设备是心脏起搏器并且其中输出信号包括心脏起搏信号。
在实施例中，自定时遥测模块被配置成使用遥测信号与可植入医疗设备的外部通信。
在实施例中，中央处理单元和起搏状态机并行地操作。
在实施例中，时钟生成电路被配置成生成具有时钟生成电路频率并具有时钟周期的单个时钟信号。
附图
图1是本发明的可植入医疗设备的一般框图；
图2是示出了时钟分频器和同步电路如何生成主时钟信号的延迟版本的框图；
图3是图1的可植入医疗设备的起搏状态机的详细框图；
图4是图1的可植入医疗设备的中央处理单元的控制块的详细框图；
图5是示出了在用于一般读取/写入和计算指令的主时钟的单个循环内发生的事件的时序图；
图6是在图5中所示的时序图期间发生的信号的详细信号时序图；
图7是示出了在用于从寄存器到RAM指令的存储的主时钟的单个循环内发生的事件的时序图；
图8是示出了在用于从一个RAM位置读取并存储至另一RAM位置的指令的主时钟的两个循环内发生的事件的时序图；
图9是可植入医疗设备的一个实施例的简化视图；以及
图10示出了位于人类或哺乳动物心脏附近的可植入医疗设备的连接器模块和气密地密封的封围。
描述
可植入医疗设备8的体系结构由单个、便宜、低频、低功率振荡器实现，该振荡器同步可植入医疗设备(例如，单或多室起搏器)的所有信号、定时和功能。异步自定时电路和低功率延迟元件的组合在来自低功率振荡器的时钟信号的单个周期内并行和串行地执行许多任务。
图1是由单个主时钟10和时钟分频器和同步电路11(统称为时钟电路10和11)驱动的可植入医疗设备8的框图，时钟电路10和11生成或协调去往可植入医疗设备8的其它部件的定时和同步信号13。中央处理单元14具有由主时钟10的时钟信号12发起的定时步骤，但随后执行多个步骤以完整处理指令并执行其它任务。类似地，通过总线15可操作地耦合至中央处理单元14的存储器16还具有由主时钟10的时钟信号12发起的定时步骤，但随后执行多个步骤以执行存储和读取操作和执行其它任务。时钟电路10和12还启动和同步起搏(pacing)状态机20，自定时状态机，该自定时状态机又向感测模块22和输出模块24提供控制信息。感测模块22接收外部信号(例如，来自心脏的电信号)，可植入医疗设备8可对该外部信号作出响应。输出模块24(例如，治疗起搏信号模块)向患者提供治疗输出，例如，心脏起搏信号。感测模块22和输出模块24通过总线18可操作地耦合至可植入医疗设备8的其它部件。同样可操作地耦合至总线18的遥测模块26提供去往和来自外部设备(诸如，医生或患者编程器)的无线通信。
在实施例中，主时钟10使用晶体来生成单个、低频时钟信号12。还可利用其它公知且单个、低频时钟。中央处理单元14使用自定时电路，该自定时电路使得中央处理单元14能够在主时钟10的一个或两个低频周期内开始并完成指令处理。中央处理单元14内的子部件提供事件完成信号来指示这种子部件正在处理的单独的任务已被完成。时钟分频器和同步电路11被用于生成具有30.5微秒的周期的时钟信号12的延迟版本，并且被用于捕获和同步在可植入医疗设备8内和在中央处理单元14的子部件之间、在中央处理单元14和存储器14之间和在中央处理单元14与感测模块22、输出模块24和遥测模块26之间的数据传输。存储器16提供数据准备(ready)信号17，数据准备信号17指示在读取操作情况下存储器访问完成并且数据可用，或指示存储器存储完成并且存储器16可用于另一操作。起搏状态机20从中央处理单元14接收控制或设置信息并且随后独立地生成定时信号以协调利用感测模块22的感测与利用输出模块24的起搏。起搏状态机20可在没有与中央处理单元14交互的情况下执行基本的治疗输出功能(诸如，起搏)。独立地，起搏状态机20可自主地提供特定起搏和感测配置直到由中央处理单元14利用更新的配置或操作模式进行更新。
图2是示出了时钟分频器和同步电路11如何生成时钟信号12的延迟版本的框图。通过延迟元件4延迟时钟信号12的两个边缘。延迟的时钟信号被用于生成设备8内的时钟同步的附加边缘。时钟分频器模块6分频(divide)时钟信号12以生成较慢频率时钟信号，该较慢频率时钟信号也被用于设备8中。典型的分频的时钟信号具有八倍、十六倍、三十二倍、一百二十八倍、二百五十六倍和五百一十二倍时钟信号12的周期。这些较慢的时钟信号被用于以比时钟信号12慢的速率运行的设备8中。设备8内的一些电路使用除时钟信号12之外的多个慢的时钟。除原始时钟信号12之外，延迟且分频的时钟信号共同表示定时和同步信号13。
为了示出可植入医疗设备8的部件如何可在自定时的基础上操作的同时通过主时钟10进行同步，可参考图3，图3示出了起搏状态机20的框图。起搏状态机20几乎独立于中央处理单元14而操作并且实际上可在中央处理单元14处于掉电或省电模式下进行操作。基本起搏格式被编程到编程逻辑阵列32中，而从中央处理单元14下载特定起搏模式和相关联的参数。可编程逻辑阵列32控制起搏状态机20的内部操作。来自感测模块30、中央处理模块14(如果可用的话)以及可编程逻辑阵列32的输入被用于生成输出起搏信号56和58。从中央处理单元14下载医生编程的模式信息并且模式信息被用于确定由编程逻辑阵列32所执行的操作的顺序。当在定时器解码和时钟多路复用器块34中解码来自可编程逻辑阵列32的输出时生成时序。定时器36、38、40、42、44和46帮助根据状态(from state to state)排序起搏状态机20。定时器/计数器超时信号48向可编程逻辑阵列32提供定时反馈，其中定时器/计数器超时信号48被用于控制状态顺序并产生适当的输出控制信号。利用指示起搏状态机20已完成指定任务并且准备好做附加任务或准备好接收附加输入的事件完成信号完成起搏状态机20的自定时与可植入存储设备8内的其它部件(诸如，中央处理单元14)的同步。存储器50存储起搏状态机32的配置信息。
中断由起搏状态机32生成以用于事件的特定定时和排序并且中断可被中央处理单元14用来监控起搏操作以及与输出模块24交互。输出模块28还生成至遥测模块26的中断请求，该遥测模块26可被用于在特定事件发生时传输遥测信息。
上电复位(power on reset)52在通电条件期间是主动的。标记逻辑块54被用于与遥测模块26通信。心房起搏信号56和心室起搏信号58与输出模块28通信。
图4中示出了中央处理单元14的控制单元块，图4是可植入医疗设备8的其它部件(诸如存储器16和起搏状态机20)的自定时的示例，并且在此被呈现以示出这些其它部件相对于主时钟10如何实现自定时。
可通过执行中央处理单元14的定时和控制管理的功能框图图4示出在主时钟10和可植入医疗设备8的各种自定时部件之间的定时控制。来自存储器16的只读部分的操作码通过总线15是可用的并且被捕获在操作码锁存器60中。锁存的操作码被路由至指令解码阵列62、可编程逻辑阵列，在此操作码被解码。指令解码阵列62被分成两块，AND(与)阵列64和OR(或)阵列66。AND阵列64使用锁存的操作码和来自条件码寄存器68的标记以及来自状态锁存器70的状态信息来确定三件事：(1)对应于该操作码的指令；(2)随机存取存储器寻址或输入/输出寻址的类型；和(3)是否满足分支条件。OR阵列66使用AND阵列64的输出72来生成控制信号74(可在控制锁存器78中被选通)以执行被发送至中央处理单元14的算术和逻辑单元(未示出)的指令并且寻址在其中执行指令的存储器16的驱动电路。OR阵列66确定指令需要主时钟信号12的一个循环、两个循环还是三个循环等并且生成告诉控制逻辑解码任务完成的事件完成信号。
AND阵列64和OR阵列66还将信号80发送至下一状态解码块82以确定下一状态。状态解码块还从中断块84接收信息，该中断块84是中央处理单元14的被控制成一次仅允许中央处理单元14的一个中断的内部中断机制。
图5示出了可在来自主时钟10的主时钟信号12的任何循环期间发生的一般定时。示出了主时钟信号12的一个周期的完整循环。在单个循环期间，实现以下操作：从只读存储器410的读取操作；指令/控制解码412(如上所述)；随机存取存储器地址生成或从寄存器读取数据414；读取随机存取存储器或写入随机存取存储器416；算术逻辑单元操作418；和锁存所得的数据420。因此，可看出在主时钟信号12的单个循环内完成许多单独的操作。主时钟信号12的一个完整周期被认为是单个中央处理单元循环。
图6示出了在由中央处理单元14执行的典型的指令中的定时信号和事件。在主时钟信号12的正边沿(positive edge)处，图4中的控制逻辑块生成RDROM信号510，从而开始只读存储器(ROM)访问并开始AND阵列64中的指令解码PLA预充电循环516。存储器16在一段时间后用指示读取访问完成的事件完成信号(ROMDRDS的上升沿)(即访问完成信号512)来响应。控制逻辑块76以要求存储器16将所访问的数据放在总线18上并使ROMDRDS为低的数据选通(DS)514来响应，从而代表数据是有效的。这完成了图5中所示的读取ROM事件410。
接着，AND阵列64被从预充电516中去除，因为有效数据在操作码锁存器60中的到AND阵列64的输入处是可用的。解码指令的类型、寻址模式和分支决策并生成相应的控制信号。这完成了图5中的INST/控制解码步骤412并且这里在图6中用PLA_输出518走高来表示。在主时钟12的前半循环中的最后事件是随机存取存储器(RAM)或输入输出(I/O)地址生成。这随着来自AND阵列64的控制信号行波传送(ripple through)OR阵列66并寻址驱动块而完成。RAM寻址(RAMADR)520变得有效。在主时钟信号12的负边沿处，控制逻辑块76生成读取RAM(RDRAM)522信号或开始RAM读取访问416(图5)。在实施例中，对于需要读取或写入至RAM的那些循环，RAM读取/写入访问(或一些指令的I/O)是主时钟信号12的后半循环中的第一事件。存储器(RAM)16在一段时间后用访问完成信号(RAMIODR524的上升沿)来响应并且RAM数据则是有效的，这完成了图5中的读取RAM/I/O或写入RAM/I/O 416。
RAMIODR事件完成信号524被控制逻辑76用来开始由ALUON信号526走高指示的OR阵列66操作418。ALUON信号526使算术逻辑单元62能够处理来自存储器16或输入/输出的数据。ALUOUT信号526表示准备好缓存(cache)来自算术逻辑单元62的数据。
随着主时钟信号12开始其下一循环，主时钟信号12的上升沿被用于锁存来自算术逻辑单元62的数据。随着主时钟信号12的下一循环的第一事件开始，锁存数据完成图5中的锁存数据步骤420并且在图6中通过AR信号530走高来表示。随着结果被锁存到目标寄存器(例如，ALU)中，更新并锁存程序计数器。
图7示出了用于将数据从寄存器移动至RAM 16或从寄存器移动至I/O的指令的特定事件。这种类型的指令在主时钟信号12的一个循环内完成。主时钟信号12的前半循环与图5中所示的前半循环相同，即从只读存储器410的读取操作；指令/控制解码412；随机存取存储器地址生成或从寄存器读取数据414。在主时钟10的后半循环中，执行读取随机存取存储器或写入随机存取存储器416。增加程序计数器422并且将数据锁存在RAM或I/O中420。
图8示出了包含主时钟信号12的两个循环的指令，在这种情况下，该指令是将数据从RAM移动至RAM或从I/O移动至I/O的指令。第一循环710类似于在图5中所示的指令中所涉及的步骤，即，从只读存储器410的读取操作；指令/控制解码412；随机存取存储器地址生成(由于不需要从寄存器读取数据)；读取随机存取存储器424(步骤416的读取选项)；算术逻辑单元操作418；将所得的数据420锁存到临时存放寄存器中并增加编程计数器422。为了将数据移回到RAM，使用主时钟信号12的第二循环716。如在第一循环710中，处理指令/控制解码412。由于在循环712中，不从存储器16读取数据，因此从只读存储器的读取操作410和随机存取存储器地址生成414不需要发生。在第二循环712的后半个中，来自临时存放寄存器的数据被写入416至RAM或I/O。在第一循环710结束时增加程序计数器并且在第二循环712结束时不需要增加程序计数器，因为此指令包含主时钟信号12的两个循环。
利用示出了主时钟10如何同步自定时块14、16和20以及定时和同步信号13的生成的图1、图2、图3和图4的硬件框图以及示出了如何使用由主时钟信号12同步的事件完成信号来自定时可植入医疗设备8的每个块的图5、图6、图7和图8的详细时序图，可实现对可植入医疗设备的操作的透彻理解。
图9是其中实现本发明的实施例的可植入医疗设备(“IMD”)10的一个实施例的简化视图。图9中所示的IMD 10是起搏器，其包括附连至气密地密封的封围114并植入在人类或哺乳动物心脏108附近的起搏和感测引线116和118中的至少一个。起搏和感测引线116和118感测伴随心脏108的去极化和复极化的电信号，并且进一步提供用于引起在其远端附近的心脏组织的去极化的起搏脉冲。如本领域众所周知的，引线116和118可具有例如设置在其上的单极或双极电极。IMD 10的示例包括在授予Bennett等人的美国专利No.5,158,078、授予Shelton等人的美国专利No.5,312,453、或授予Olson的美国专利No.5,144,949中所公开的可植入心脏起搏器。
图10示出了位于人类或哺乳动物心脏108附近的IMD 10的连接器模块112和气密地密封的封围114。心房和心室起搏引线116和118从连接器头部模块112分别延伸至心脏108的右心房和心室。设置在心房起搏引线116的远端处的心房电极120和121位于右心房中。设置在心室起搏引线118的远端处的心室电极128和129位于右心室中。
因此，公开了所要求保护的发明的实施例。本领域技术人员将理解本发明可利用除所公开的这些以外的实施例来实践。出于说明而非限制目的给出了所公开的实施例，且本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (14)

1.一种可植入医疗设备，包括：
时钟生成电路，配置成生成在时钟生成电路频率下并具有时钟周期的时钟信号；
自定时中央处理单元，配置成处理计算指令，所述中央处理单元在完成处理所述计算指令中的每一个时生成处理完成信号；
自定时存储器，可操作地耦合至所述中央处理单元并配置用于存储所述可植入医疗设备的信息并利用读取操作和存储操作，所述存储器在完成所述读取操作和所述存储操作中的至少一个时提供访问完成信号；
所述时钟信号、来自所述中央处理单元的所述处理完成信号、来自所述存储器的所述访问完成信号被用于同步所述可植入医疗设备内的数据传输；
感测电路，配置成为所述可植入医疗设备的操作感测心脏事件；
输出电路，配置成至少部分地取决于所述计算指令的所述处理而生成输出信号；
起搏状态机，配置成独立于所述自定时中央处理单元而发展定时信号以协调所述可植入医疗设备的所述感测电路和所述输出电路。
2.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述自定时中央处理单元在所述时钟生成电路的单个所述时钟周期内处理所述计算指令中的每一个。
3.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述中央处理单元在不超过所述时钟生成电路的三个所述时钟周期内处理所述计算指令中的每一个。
4.如权利要求2所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述存储器在存储周期内完成读取操作或存储操作并且其中所述时钟生成电路的所述时钟周期大于所述存储周期。
5.如权利要求4所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述起搏状态机由来自所述中央处理单元的设置信号所配置。
6.如权利要求4所述的可植入医疗设备，其特征在于，由所述中央处理单元所处理的所述计算指令中的每一个从来自所述时钟生成电路的开始信号开始。
7.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述起搏状态机控制所述输出电路以在没有与所述中央处理单元交互的情况下提供所述输出信号。
8.如权利要求7所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述起搏状态机由所述中央处理单元进行更新以改变所述输出信号的配置。
9.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，进一步包括延迟元件，所述延迟元件可操作地耦合至所述时钟生成电路，从而提供所述时钟信号的延迟版本，并且其中所述时钟信号的所述延迟版本连同所述时钟信号、来自所述中央处理单元的所述经处理的信号、来自所述存储器的所述访问完成信号一起被用于同步所述可植入医疗设备内的数据传输。
10.如权利要求9所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述时钟生成电路包括低频振荡器。
11.如权利要求9所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述可植入医疗设备包括心脏起搏器并且其中所述输出信号包括心脏起搏信号。
12.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，进一步包括自定时遥测模块，配置成使用遥测信号与所述可植入医疗设备的外部通信。
13.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述中央处理单元和所述起搏状态机并行地操作。
14.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其特征在于，所述时钟生成电路被配置成生成具有所述时钟生成电路频率并具有所述时钟周期的单个时钟信号。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20150930

Assignee: Xianjian Scientific (Shenzhen) Co., Ltd.

Assignor: Medtronic Inc.

Contract record no.: 2016990000112

Denomination of invention: Implantable medical device with clock and self-timing component

License type: Common License

Record date: 20160321

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