DE7026670U - Implantable magnetische stelleinrichtung. - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. QERHARD SCHWAN

t MÖNCHEN I · COERZER STRASSE 15

1 ^. Juli 1970

Ger. P-107

(Iledtronic, Inc. 3055 Old Highuiay Eight, Minneapolis , (Hinn. 5541 θ/υ . St. A.

Implantable magnetische Stelleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine magnetische Stelleinrichtung zur Implantation im menschlichen oder tierischen Körper, die mittels eines entfernt liegenden rotierenden Rlagnetfeldes betätigbar ist. Stell- oder Servoeinrichtungen sind in verschiedenartigster Form bekannt. Probleme ergeben sich bei solchen Stelleinrichtungen dann, wenn es darum geht, ein Bauteil von einem Stellglied aus fernzusteuern, das mit dem zu verstellenden Bauteil keine mechanische Verbindung, sei es über mechanische Antriebsglieder oder über elektrische, hydraulische oder pneumatische Leitungen, hat. Zur Vermeidung derartiger Verbindungen arbeitet die Einrichtung nach oer Erfindung mit einer magnetischen Kopplung ziaiechen Stellglied und zu verstellendem Bauteil. Ähnliche Kopplungen u/ie die vorliegend vorgesehene sind in einem Aufsatz "A New miniature Pump for the Treatment of Hydrocephalus" von George D. Summers und Ernest S. Iflatheuis in 3ΑΑΙΪ11, ITlai/Duni 1967, Seiten 9 bis 16 und einem Aufsatz "Magnetics for Power and Contrul of Body Implants" von George D. Summers in Biomedical Sciences Instrumentation, Band 4, Seiten 293 bis 302 beschrieben.

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ierrien solche Stelleii'.richtungen für Implantate benutzt, kommt es auf eine hohe Nachführgenauigkeit zwischen dem Fernstellglied und der Stelleinrichtung selbst an, um das zu steuernde Bauteil eine genau bestimmbare Bewegung ausführen lassen zu könr-mn. AüRprde» nüssen Stnrunqan durch Streufelder soweit wie irgend möglich vermieden werden.

Eine magnetische Stelleinrichtung zur Implantation im menschlichen oder tierischen Körper, die mittels eines entfernt liegenden rotierenden Magnetfeldes betätigbar ist, ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen ist, mit dessen Antriebswelle ein Magnet verbunden ist, der mittels des entfernt liegenden rotierenden Bagnetfeldas drehbar ist, daß die Abtriebswelle des Getriebes über eine elektrisch isolierende Kupplung mit einem an elektrische Zuleitungen angeschlossenen, mechanisch einstellbaren elektrischen Bauteil zwecks wahlweiser Einstellung desselben verbunden ist und daß das Getriebe, das elektrisch ι Bauteil, die Kupplung und ein Teil dor Zuleitungen in einem nichtmagnetischen Gehäuse hermetisch abgedichtet sind.

Das Untersetzungsgetriebe hat vorzugsweise ein hohes Untersetzungsverhältnis, wodurch die Abtriebswelle des Getriebes mit hoher Genauigkeit eingestellt »erden kann. Weil das Getriebe und andere Teile der Einrichtung von dem mechanisch einstellbaren elektrischen Bauteil elektrisch isoliert sind, können das Catriebe und die anderen Einrichtungsteile nicht als Antenne

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■irken, sas zur Folra haben könnte, daß eine den elektrischen Bauteil zugeordnete elektronische Schaltung gegenüber magnetischen Streufeldern hochempfindlich «äre. Die hermetische Abdichtung der Einrichtung verhindert das Eindringen won Kör perflüssigkeiten und Geaehe. Bei dem mechanisch einstellbaren elektrischen Bauteil kann es sich insbesondere um ein Potentiometer handeln.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zaei aahlveise betätigbare elektrische Bauteile vorgesehen sein und kann auf der Abtriebsvelle des Getriebes ein von dieser Welle angetriebener Mitnehmer in Axialrichtung verschiebbar gelagert sein, der in Abhängigkeit von seiner Lage auf der Abtriebseeila ■ahleeise mit einer elektrisch isolierenden Kupplung eines der beiden Bauteile in Eingriff gebracht «erden kann.

Weitere merkmale, Vorteils und A^eandungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen zeigt;

Figur 1 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht

einer ersten Auefuhrungsform der Einrichtung nach der Erfindung,

Figur 2 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht

einer zweiten Ausfuhrungsfor« der Einrichtung nach

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der Erfindung,

Figur 3 einen Schnitt eir^e Teils der Einrichtung

nach Figur 2, und

Figur 4 in schematischer Darstellung eine Seitenan

sicht einer Abuiendlung der Ausführungsform nach Figur 2.

Die Darstellungen der Figuren 1 bis 4 sind nicht maßstabsgerecht, sondern zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung schematisch. Beispielsweise ist in der Praxis der magnet des unten beschriebenen Fernstellgliedes im allgemeinen wesentlich größer als der davon mitgenommene magnet des Implantats, obwohl zur Erleichterung des Verständnisses die beiden magnete in den Zeichnungen ungefähr gleich groß veranschaulicht sind.

In Figur 1 ist gestrichelt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Fernstellglied dargestellt. Das Fernstallglied 10 weist einen lilotor 11 mit einer drehbaren Welle 12 auf, die mit einem magneten 13 verbunden ist, der vorliegend als Stabmagnet mit einem Nord- und einem Südpol veranschaulicht ist. Im Gegensatz zu der schematischen Darstellung nach Figur 1 handelt es sich in der Praxis bei dem motor 11 vorzugsweise um pinen in der Drehrichtung umsteuerbaren motor und ist ein Schalter vorgesehen, der die Auswahl der Jeweils gewünschten Drehrichtung ariaubt. Ferner ist mit dem motor 11 oder der UJeI Ie 12 zweckmäßigerweise

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ein Zähler oder dergleichen ub^.jnrieii, der es erlaubt, die An-Ziahl der Umdrehungen des Magneten 13 in der ainen oder der anderen Drehrichtung zu zählen.

Figur 1 zeigt einen eeiteren ISIagneten 1 < _r dt»r vcr' - -gcf.-ri sbanfi9ll8 als Stabmagnet mit Nord- und Südpol ..--.--,-isc^auiioht ist. Dar magnet 14 ist über eine Kupplung 15 mit einer drehbaren Antriebswelle 16 verbunden. Die Antriebswelle 16 steht ihrerseits mit einem Getriebe 21 in Verbindung, das mehrere miteinander kämmende Zahnräder und eine Abtriebewelle 23 aufseist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Getriebe 21 um ein Untersetzungsgetriebe, das heißt um ein Getriebe, bei dem mehrere Umdrehungen der Antriebswelle 16 zu einer geringeren Anzahl von Umdrehungen der Abtriebswelle 23 führen.

Die Abtriebswelle 23 ist an eine Kupplung 24 anschließbar, die ihrerseits mit einem bewegbaren Teil 25 eines zu steuernden Bauteiles 28 verbunden ist. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 kann es sich bei dem Bauteil 2B beispielsweise um ein Potentiometer mit einem verstellbaren Schleifer 25 handeln. Das Potentiometer 28 besitzt mehrere Zuleitungen 27c Das Potentiometer 28 ist über Stützen 29 mit dem Getriebe 21 verbunden. Die Kupplung 24 zwischen Abtriebswelle 23 und Schleifer 25 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, um für eine elektrische Isolation zwischen dam Getriebe 21 und dein Potentiometer 28 zu sorgen.

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Εΐτ Gthp.u,-»" 20 aus nichtmagnetischem Merkstoff ist mit Ausnahme Es;ier Unterseite ringsum geschlossen und kann das Getriebe 7' £.7:L Magnet 14 und Potentiometer 28 zwecks hermetischer Abdir-i, ;ng aufnehmen. Ein in dem Gehäuse 20 untergebrachter Abstandshalter 22 sorgt für einen vorbestimmten Abstand zwischen dem drehbaren Magneten 14 und den U) and er. des Gehäuses 20. Der Abstandshalter 22 besteht vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen, elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Polyäthylen, Nylon, Polytetrafluoräthylen oder Polyoxymethylene mittels eines Deckels 18 kann die Unterseite des Gehäuses 20 verschlossen »erden. Ein weiterer Abstandshalter 17 hält den Dekkel 18 in passendem Abstand vom Potentiometer 28. Der Deckel 18 besitzt mit Flanschen versehene Öffnungen 19, durch die die Zuleitungen 27 hindurchgeführt sind, um eine elektrische Anschlußmöglichkeit für das hermetisch abgedichtete Potentiometer 28 zu schaffen. Die Öffnungen 19 sind gegenüber den Seiten des Deckels 18 elektrisch isoliert» UJenn der Deckel 18 auf die Unterseite des Gehäuses 20 aufgesetzt ist, wird er mit dem Gehäuse 20 verlötet oder verschweißt, um für eine hermetische Abdichtung r.u sorgen. Die Öffnungen 19 werden ebenfalls abgedichtet, z. 8. zugelötet. Falls erwünscht, kann der Deckel 18 mit einer weiteren verschließbaren Öffnung versehen sein, über die im Gehäuse 20 befindliche Luft herausgesaugt und durch ein inertes Gas, beispielsweise Helium, ersetzt werden kann.

UJird der motor 11 eingeschaltet, «erden die Welle 12 und der magnet 13 gedreht. Der magnet 13 wird hinreichend dicht an den

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rrf I r t

Magneten 14 herangebracht, um für eine magnetische Kopplung zu sorgen. Die sich bewegenden FluQlinien des Magneten 13 bewirken dann, daß eich auch der Magnet 14 dreht. Infolge der Drehung des magneten 14 wird über die Kupplung 15 ein Drehmoment auf d^e Antrieb, seile 16 ausgeübt. Die Drehung dsr Antriebswelle 16 führt über das Getriebe 21 zu einar Drehung der Abtriebswelle 23 mit einer Drehzahl, die wesentlich niedriger als die Drehzahl der Antriebswelle 16 ist. mittels des von der Abtriebswelle 23 ausgeübten Drehmoments wird über die Kupplung 24 der bewegbare Teil 25 des Bauteils 28, beispielsweise der Schleifer eines Potentiometers, betätigt.

"ine Anwendung, für die sich die Einrlr-."*»jr\n. nach Figur 1 hervorragend eignet, ist die Beeinflussung von elektrischen Signalen eines implantablen Gerätes zur elektrischen Stimulation verschiedener Teile des einschlichen Körpers» In einem solchen Falle befindet sich das Fernstellglied 10 nach Figur 1 außerhalb des Körpers, während das hermetisch abgedichtete Gehäuse 20 nach Figur 1 in eine gegenüber Körperflüseigkeiten und Gewebe im wesentlichen inerte Substanz eingekapselt und in den Körper als Bestandteil einer elektrischen Stimulationseinrichtung implantiert sein kann. Bei dem Bauteil 28 kann es sich beispielsweise um ein Potentiometer handeln; die elektrischen Ausga gseigenechaften des implantierten Gerätes lassen sich dann unter Verwendung des Fernstellgliedee 10 verändern, das eine Verateilung des Schleifers 25 des Potentiometers 28 bewirkt. Bei -erwendung eines Getriebes 21 mit hohem übersetzungsverhältnis

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kann für eine hohe Genauigkeit gesorgt werden. Eine Einrichtung der beschriebenen Art, deren Getriebe 21 ein übersetzungsverhältnis von 1500 : 1 hatte, wurde praktisch gebaut und geprüft; eic* erlaubte eine sehr genaue Bewegung des Schleifers 25 des Potentiometers 28. Das hohe Untersetzungsverhältnis führt zu giner Einrichtung, bei der für eine Bewegung des Schleifers 25 ein sich ständig in vorbestimmter Weise drehendes magnetfeld erforderlich ist. Dies führt zu einem Schutz gegen eine unbeabsichtigte Verstellung des Potentiometers 28 ourch magnetische Stnrfelder.

Figur 2 zeigt eine Abhandlung der bevorzugten Ausführungsform nach Figur 1. bei der mittels der Einrichtung nach der Erfindung zwei gesonderte Bauteile einzeln betätigt werden können. Es ist wiederum ein Fernstellglied 10 mit Motor 11, Welle 12 und (tlagnet 13 veranschaulicht. Ein Magnet 14 ist ebenso wie bei der ersten Ausführungsform über eine Kupplung 15 mit der drehbaren Antriebswelle 16 verbunden, die ihrerseits mit einem Getriebe 21 in Verbindung steht, das vorliegend gesondert gekapselt dargestellt ist. Das Getriebe 21 besitzt eine Abtriebswelle 23, die durch zwei zu verstellende Bauteile 28 und 30 hindurchreicht, mit diesen jedoch nicht unmittelbar verbunden ist. Die Bauteile 28 und 30, bei denen es sich beispielsweise wiederum um Potentiometer handeln kann, sind über Stützen 29 mit dem Getriebe 21 verbunden. Mindestens ein Teil der Abtriebswelle 23 trägt eine Keilverzahnung und ist mit einem Mitnehmer 31 verbunden, der eine mit der Keilverzahnung der Abtriebswel-

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le 23 zusammenpassende Kei^verzahnung besitzt. Der Mitnehmer 31 ist derart auf der Abtriebswelle 23 montiert, daß ein Drehmoment von dar Abtriebswelle 23 auf den Mitnehmer 31 übertragen wird, der mitnehmer 31 jedoch in Längerichtung der Abtriebsuielle 23 frei gleiten kann. Der Mitnehmer 31 sitzt zwischen den Bauteilen 28 und 30. Das Bauteil 28 «eist Zähne 33 auf, die mit seinem bewegbaren Teil verbunder sind und in Richtung auf den Mitnehmer 31 vorstehen. Der bewegbare Teil des Bauteils 30 besitzt Zähne 35, die in Richtung des Mitnehmers 31 weisen. Der Mitnehmer 31 ist mit Schlitzen 34 versehen, die mit den Zähnen 33 oder den Zähnen 35 in Eingriff gebracht werden können. Die in Figur 2 veranschaulichte Einrichtung kann in der in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen U/eise in einem Gehäuse untergebracht werden.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt der keilverzahnten Abtriabsu/elle 23 und des mit dieser in Eingriff stehenden keilverzahntsn Mitnehmers 31. Die Schlitze 34 sind ebenfalls zu erkennen.

Die Arbeitsweise der Einrichtung nach Figur 2 ist ähnlich der oben beschriebenen Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Figur 1. Hinzu kommt, daß durch wahlweises Kippen der Einrichtung nach Figur 2 der Mitnehmer 31 auf der Abtriebsmeile 23 gleitet, so daß er mit den Zähnen 33 des Bauteils 28 oder den Zähnen 35 des Bauteils 30 in Eingriff kommt und den bewegbaren Teil des einen oder des anderen Bauteils mitnimmt. Auf diese Weise kann ■nittels des Fernstellgliedes 10 wahlweise das Bauteil 28 oder

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- 10 das Bauteil 30 v/erstellt werden.

Figur 4 zeigt ^ine weitere Abwandlung der Einrichtung nach Figur 2, die sämtliche Bauteile umfaßt, die oben in Verbindung mit Figur 2 beschrieben wurden, und zwar einschließlich eines keilverzahnten Mitnehmers 31, der auf einer keilverzahnten Abtriebsuielle 23 verschiebbar gelagert ist. Bei der Ausführungsform nach Figur 4 ist jedoch der Magnet 13 durch zwei magnete 13a und 13b ersetzt, die jeweils einen Nordpol und einen Südpol aufweisen. Das Fernstellglied 10 ist derart aufgebaut, daß entweder beide Nordpole oder beide Südpole der Magnete 13a und 13b in Arbeitsstellung mit Bezur auf den Magnet 14 gebracht werden können. Der mitnehmer 31 weist einen magnetisieren Teil auf; es kann sich dabei, wie veranschaulicht, um zwei 'tabmagnete 36 und 37 oder um einen kreisförmigen Rand aus magnetischem Werkstoff handeln. Ulie aus Figur 4 hervorgeht, bilden die oberen Teile der Stabmagnete 36 und 37 jeweils einen Nordpol; es könnte sich bei beiden auch um einen Südpol handeln. Wesentlich ist nur eine gleichsinnige Polung.

Im Betrieb treibt der Mitnehmer 31 durch Eingriff mit den Zähnen 33 oder 35 entweder das Sauteil 2B oder das Bauteil 30 an. Dies hännt davon ab_r ob der Mitnehmer 31 durch die Magnete 13a und 13b auf der Abtriebswella 23 nach oben gezogen oder von den Magneten 13a, 13b abgestoßen und auf der Abtriebsaiel-Ie 23 nach unten gedrückt wird. Bei der in Figur 4 veranschaulichten Lage der Pole der Magnete 13a und 13b stoßen die Nord-

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j pole der magnete 13a und 13b die Nordpole der Stabmagnete 36

■' und 37 ab, wodurch der mitnehmer 31 nach unten geschoben und

i mit den Zähnen 35 in Eingriff gebracht wird. Werden die ITIaone-

■ te 13a und 13b umgedreht, so daß sich ihre Südpoia in Arbeits-' stellung befinden, «erden die Nordpole der magnete 36 und 37

I angezogen; der ItIitnehmer 31 wird auf der Abtriebswelle 23

j nach oben geschoben und kommt mit den Zähnen 33 in Eingriff.

• Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann also das anzutreibende Bauteil durch eine einfache Verstellung am Fernstell-

■ glied IQ vorgewählt werden, wobei diese Verstellung vorgibt,

! welche Pole der magnete 13a und 13b in Arbeitsstellung mit Be-

i zug auf den !Tlagneten 14 sind. Es versteht sich, daß auch ein

! einzelner magnet 13 verwendet werden kann, wenn dafür gesorgt

■ ist, daß entweder nur der Nordpol oder nur der Südpol dieses

• magneten in Arbeitsstellung gegenüber dem magneten 14 liegt.

\ Die vorstehende Beschreibung läßt erkennen, daß im Rahmen der

'■ Erfindung zahlreiche Abwandlungen möglich sind. Beispielsweise

j könnte bei allen Ausführungsbeispielen die Abtriebswelle 23

■ verlängert sein, um mit weiteren Bauteilen entsprechend dem ; Bauteil 28 gekoppelt zu werden. Dabei könnten über die Ab-

triebsuielle 23 mehr als zuei Bauteile entsprechend dem Bauteil

i 2B verstellt werden. Falls es mehr auf hohe l/erstellgeschwin-

; digkeit als auf Genauigkeit ankommt, kann das Getriebe 21

auch als Übersetzungsgetriebe ausgelegt sein, bei den die

j Abtriebsuielle 23 eine grööere Anzahl von Umdrehungen ausführt

' als die Antriebsmelle 16. Das Getriebe 21 kann auch eine Über-

• setzunovors 1:1 besitzen.

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Claims (9)

1. - 12 Ansprüche

   ^Λ. Sagnatische Stelleinrichtung zur Implantation im menschlichen oder tierischen Körper, die mittels eines entfernt liegenden rotierenden ITlagnetfeldes betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Untersetzungsgetriebe (21) vorgesehen ist, mit dcjssen Antriebsmelle (16) ein Iflagnet (14) verbunden ist, der mittels des entfernt liegenden rotierenden ITlagnetf aides drehbar ist, daß die Abtriabsuielle (23) des Getriebes über eine elektrisch isolierende Kupplung (24) mit einem an elektrische Zuleitungen (2?) angeschlossenen, mechanisch einstellbaren elektrischen Bauteil (28) zxecks uiahluieis&r Einstellung desselben verbunden ist und daß das Getriebe, das elektriuche Bauteil,, die Kupplung und ein Teil der Zuleitungen in einem nichtmagnetischen Gehäuse (2G) hermetisch abgedichtet sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet von mindestens einem Stabmagneten (14) gebildet ist, an dessen gegenüberliegenden Enden magnetische Nord- und Südpole liegen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mechanisch einstellbare elektrische Bauteile (28, 30) vorgesehen sind und auf der Abtriebswelle (225) ein von dieser Welle angetriebener mitnehmer (31) in Axiiil-

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   richtung verschiebbar gelagert ist, der in Abhängigkeit von seiner Lage auf der Abtriebswelle wahlweise mit einer elektrisch isolierenden Kupplung (33, 35) eines der beiden elektrischen Bauteile in Eingriff gebracht werden kann.
4. 4. Einrichtung n&ch Anspruch % dadurch gekennzeichnet, daß der mitnehmer (31) durch Kippen der Abtriebseeile (23) entlang der Abtriebsuielle verschiebbar ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mitnehmer (31) mit zusätzlichen magneten (36, 37) versehen ist, die zwecks Längseinstellung des Iflitnehmers auf der Abtriebsaelle (23) von dem entfernt liegenden magnetfeld selektiv angezogen oder ab:..toJen «erden.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mitnehmer (31) und mindestens ein Teil der Abtriebsaelle (23) über ineinandergreifende Keilverzahnungen miteinander verbunden sind, die nr.r eine Längsbewegung des mitnehmere zulassen.
7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (20) nichtmagnetische Abstandshalter (22) untergebracht sind, die den magneten (14) in einem für eine freie Drehbewegung desselben ausreichenden Abstand vom Gehäuse halten.

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   -U-
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) mittels einss Deckels (18) abgeschlossen ist, der abdichtbare Öffnungen (19) zum Durchführen der Zuleitungen (27) aufweist, und daß weitere Abstandshalter (17) vorgesehen sind, die den Deckel in Abstand von dem elektrischen Bauteil (28) und/oder dem Getriebe (21) halten.
9. 9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) mit einem inerten Gas gefüllt ist, das unter einem Druck steht, der im wesentlichen gleich dem außerhalb des Gehäuses herrschenden Druck 5 st.

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