DE60116520T2

DE60116520T2 - Microchip-reservoir-vorrichtungen mit drahtloser übertragung von energie und daten

Info

Publication number: DE60116520T2
Application number: DE60116520T
Authority: DE
Inventors: Norman Jr. F. Bedford SHEPPARDS; T. John Belmont SANTINI; J. Stephen Andover HERMAN; J. Michael Winchester CIMA; S. Robert Newton LANGER; Dennis Wellsley Hill AUSIELLO
Original assignee: Microchips Inc
Current assignee: Dare MB inc
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: US7226442B2; AU2002211629A1; WO2002030264A3; US20080221555A1; US8403907B2; US20020072784A1; DE60116520D1; ATE314822T1; US20080083041A1; EP1339312B1; WO2002030264A8; WO2002030264A2; EP1339312A2; US20080172043A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft miniaturisierte Geräte zum gesteuerten Exponieren oder Freilassen von Molekülen, wie z.B. Medikamenten und/oder Hilfsgeräten wie z.B. Sensoren.
Mikrochipgeräte zur chemischen und Medikamentenzuführung und zum gesteuerten Exponieren von Behälterinhalten wurden detailliert in US 5,797,898 , US 6,123,861 , WO 01/64344 und WO 01/35928 beschrieben. Eine Gruppe von Ausführungsformen dieser Mikrochipgeräte bietet ein aktives Freilassen oder Exponieren des Inhalts eines Behälters im Substrat des Geräts. „Aktiv" wird verwendet, um solche Ausführungsformen zu bezeichnen, bei denen das Freilassen bzw. Exponieren zu einer bestimmten Zeit durch die Anwendung eines Reizes an das Gerät oder einen Teil des Geräts eingeleitet wird.
Eine wichtige Anwendung dieser aktiven Mikrochipgeräte ist es, als implantierbares Gerät zum Zuführen von Medikamenten im Körper von Menschen und Tieren zu dienen, zur Behandlung oder Diagnose von Krankheiten. Wegen seiner geringen Größe kann das Mikrochipgerät in den Körper an verschiedenen Stellen implantiert werden, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf, solchen unter der Haut und in der Bauchhöhle. Das Gerät kann auch für die Medikamentenzufuhr oder Inhaltsexposition entlang des Gastrointestinaltrakts eingenommen werden. Die Flexibilität der Implantationsstelle und Stellenvariation sind besonders wichtig, beispielsweise wenn lokale Anwendung, anstelle einer systemischen, gewünscht ist. Derzeit erhältliche implantierbare Medikamentenzufuhrgeräte, wie z.B. Pumpen, können für den Gebrauch an vielen Stellen im Körper zu groß sein.
US 5,797,898 (Santini et al.) beschreibt die Energieversorgung aktiver Mikrochipgeräte mittels vor-geladener Energiequellen (z.B. vor-geladenen Mikrobatterien), die in den Mikrochip und dessen zugehörende Elektronik integriert werden kann. Eine solche vorgeladene Mikrobatterie kann eine auf dem Mikrochip-Substrat selbst erzeugte Dünnfilmbatterie sein, oder sie kann als separate Komponente bestehen, die mit dem Mikrochip-Substrat über Durchverbindungen und Verpackung verbunden ist. Solche Energiequellen müssen im Allgemeinen die ganze während der Betriebslebensdauer des Mikrochipgeräts benötigte Energie speichern. Wenn sie nicht die gesamte während der beabsichtigten Nutzlebenszeit des Mikrochipgeräts benötigte Energie speichern kann, dann muss die erschöpfte Batterie mit einer neuen Batterie ersetzt werden. Ein derartiges Ersetzen ist jedoch typischer Weise für ein implantiertes Gerät unpraktisch oder nicht erwünscht. Außerdem können übliche Maßnahmen zur Energieversorgung eines implantierbaren Geräts für eine Vielfalt implantierbarer Geräte ungeeignet sein, besonders für alle möglichen Implantationsstellen.
US 5,797,898 beschreibt auch die Integration eines vorprogrammierten Mikroprozessors in das aktive Mikrochipgerät, um zu steuern, welche Behälter aktiviert werden und wann. Gemäß der Offenbarung ist der Mikroprozessor auf der Rückseite des Mikrochip-Substrats hergestellt. Es wäre vorteilhaft, die Programmierung nach der Implantation ändern zu können, um das Mikrochipgerät flexibler und an verschiedene Anwendungen anpassungsfähiger zu machen, insbesondere Implantatanwendungen.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, Geräte und Verfahren zu bieten, um das Bedürfnis nach vorgeladenen Energiequellen für Mikrochipgeräte zum aktiven Freilassen zu verringern oder auszuschließen.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, Geräte und Verfahren zu bieten, um die Explantation implantierter Mikrochipgeräte zum Zweck des Ersetzens oder Wiederaufladen der Energiequelle des Geräts oder zum Zweck des Umprogrammierens des Geräte-Mikroprozessors zu vermeiden.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, zusätzliche Mittel zur Energieversorgung und Kommunikation mit Medikamentenzufuhr- und Sensor-Mikrochipgeräten zur Verfügung zu stellen.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen ersichtlich.
Abriss der Erfindung
Geräte, Systeme und Verfahren werden zur drahtlosen Energieversorgung und/oder Kommunikation mit Mikrochipgeräten, die für gesteuertes Exponieren und Freilassen von Behälterinhalten, wie z.B. Medikamente, Reagentien und Sensoren, verwendet werden, zur Verfügung gestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das System zum gesteuerten Exponieren oder Freilassen von Behälterinhalten (1) ein Mikrochipgerät, das ein Substrat mit einer Vielzahl von Behältern aufweist, die zu exponierende bzw. freizulassende Behälterinhalte enthalten, und (2) eine aufladbare oder auf Verlangen arbeitende Energiequelle auf, die eine lokale Komponente aufweist, die drahtlos Energie von einem entfernten Sender empfangen kann, wobei die empfangene Energie, direkt oder nach Umformung, zur Aktivierung dieses Exponierens oder Freilassens der Behälterinhalte verwendbar ist. Diese Systeme benötigen vorteilhafter Weise keine Energiespeichereinheit, die physisch mit dem Mikrochipgerät verbunden oder darin integriert wäre. Beispielsweise kann die lokale Komponente dazu eingerichtet sein, Energie von einer elektromagnetischen Energiequelle zu empfangen, wie z.B. Radiofrequenz-Signalen oder einem Laser, und/oder von einer Schall-Energiequelle, wie z.B. einen Ultraschallgenerator. Das System kann optional eine wiederaufladbare Energiespeichereinheit beinhalten, wie z.B. einen Kondensator oder aufladbare Batterie. Es muss jedoch nicht die ganze für die Betriebslebensdauer des Mikrochips benötigte Energie speichern, weil zusätzliche Energie bei Bedarf (d.h. auf Verlangen) drahtlos gesendet und empfangen werden kann. Die wiederaufladbare Energiespeichereinheit kann z.B. eine Spule zum Empfangen elektromagnetischer Energie, eine Photozelle, ein Hydrophon oder eine Kombination davon beinhalten.
Das System kann ferner Antriebselektronik, lokale Steuerungen und ein Telemetriesystem beinhalten. Antriebselektronik, wie z.B. Multiplexer/Demultiplexer, steuert selektiv und leitet die Energie weiter, um die Behälter selektiv zu öffnen. Die lokale Steuerung kann die Antriebselektronik steuern und kann Mikroprozessoren, ROM, RAM, Uhren, analoge Ein/Ausgabegeräte, digitale Ein/Ausgabegeräte, programmierbare Logikbausteine und Kombinationen davon beinhalten. Ein Telemetriesystem überträgt drahtlose Daten (z.B. ein Signal) zwischen dem Mikrochipgerät und einer Fernsteuerung.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das System zum gesteuerten Freilassen oder Exponieren von Behälterinhalten (1) ein Mikrochipgerät, das ein Substrat mit einer Vielzahl von Behältern aufweist, die freizulassende oder zu exponierende Behälterinhalte enthält, und (2) ein Telemetriesystem zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen dem Mikrochipgerät und einer Fernsteuerung auf. Das System kann ferner Antriebselektronik zum selektiven Öffnen der Behälter aufweisen, sowie eine lokale Steuerung (die typischerweise in drahtloser Kommunikationsverbindung mit der Fernsteuerung des Telemetriesystems stünde) zum Steuern der Antriebselektronik.
System, wie z.B. externe/interne Sender oder Fernsteuerungen, die Licht oder veränderliche Wellenlängen verwenden.
Es ist anzumerken, dass die drahtlose Energieübertragung und die drahtlose Datenübertragung an das Mikrochipgerät in demselben Signal gesendet und dann im Mikrochipgerät geeignet getrennt werden kann.
Die Mikrochipgerät-Systeme können in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet werden. Eine bevorzugte Anwendung ist die kontrollierte Zufuhr eines Medikaments, chemischen Reagens oder Biosensors an Stellen im Körper eines Menschen oder Tieres. In einem Beispiel ist das Mikrochipgerät für die Implantation auf oder in das Auge eines Menschen oder Tieres eingerichtet, und die Fernsteuerung und/oder Energiequelle weist einen ophthalmischen Laser auf. In einem anderen Beispiel ist das Mikrochipgerät für die orale Verabreichung geeignet, und die Fernsteuerung weist einen Radiofrequenz-Sender auf.
Das System hat auch vielfältige Verwendungen, die nicht auf Implantation beschränkt sind. Beispielsweise können die Behälterinhalte einen Sensor zum Detektieren eines chemischen oder biologischen Moleküls an der Stelle, wo der Mikrochipgerät platziert ist, beinhalten, und das Telemetriesystem sendet einen Status der Sensordetektion an die Fernsteuerung. Eine derartige Stelle könnte in vivo oder in vitro sein. Das chemische bzw. biologische Molekül könnte sich z.B. auf eine chemische oder biologische Waffe beziehen, und das System in einem Frühwarn/erkennungssystem verwendet werden.
In einer bevorzugten Variante der oben beschriebenen Ausführungsformen kann jeder Behälter einen Behälterdeckel haben, der sich auf dem Behälter über den Behälterinhal ten befindet, wobei Freilassen oder Exponieren der Behälterinhalte durch Diffusion durch den Behälterdeckel oder Desintegration desselben gesteuert wird. Der Behälterdeckel kann eine Anode sein, sodass bei Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen einer Kathode und der Anode der Behälterdeckel oxidiert wird, um seine Desintegration zu erleichtern, wodurch die Behälterinhalte an die umgebende Flüssigkeit exponiert wird.
Der Behälterinhalt ist vorzugsweise ein Medikament, ein Biosensor oder eine Kombination davon.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist ein Schema der Grundkomponenten eines Systems zur drahtlosen Übertragung von Energie oder Daten an ein oder von einem Mikrochipgerät zum Freilassen oder Exponieren von Behälterinhalten.
2(a) stellt eine Ausführungsform einer Konfiguration eines für die Energie- und Datenübertragung mittels Laser ausgerüsteten Mikrochipsystems zur Medikamentenfreigabe ins Auge dar, und 2(b) einen Vorgang der Verwendung eines ophthalmischen Lasers zur Energie- und Datenübertragung an ein Medikamentenzufuhrimplantat im Auge.
3 ist ein Diagramm darstellend, wie ein Mikrochipgerät an einem bestimmten Ort im Gastrointestinaltrakt aufgrund des Ortes eines Medikamentenzufuhr-Mikrochipgeräts relativ zu einem rf-Sender aktiviert werden kann.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Geräte, Systeme und Verfahren wurden für drahtlose Energieversorgung und/oder Kommunikation mit Mikrochipgeräten entwickelt, die für die gesteuerte Exponieren und Freilassen von Behälterinhalten, wie z.B. Medikamente, Reagentien und Sensoren, verwendet werden.
Die Mikrochipgerät-Systeme
Die Systeme beinhalten ein Mikrochipgerät, zusammen mit einem Mittel zur drahtlosen Zufuhr von Energie (Leistung) an das Mikrochipgerät, einem Mittel zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen dem Mikrochipgerät und einer Fernsteuerung, oder beiden.
Das Mikrochipgerät
Das Mikrochipgerät ist in den US-Patenten 5,797,898 und 6,123,861 (Santini et al.), und WO 01/64344, WO 01/41736, WO 01/35928 und WO 01/12157 beschrieben, die hiermit zur Gänze in diese Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen werden. Jedes Mikrochipgerät beinhaltet ein Substrat mit einer Vielzahl von Behältern, die freizulassende oder zu exponierende Behälterinhalte enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform hat jeder Behälter einen sich auf dem Behälter über den Behälterinhalten befindenden Behälterdeckel, wobei Freilassen oder Exponieren der Behälterinhalte durch Diffusion durch den Behälter deckel oder Desintegration desselben gesteuert wird. Der Behälterdeckel kann eine Anode sein, sodass bei Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen einer Kathode und der Anode der Behälterdeckel oxidiert wird, um seine Desintegration zu erleichtern, wodurch die Behälterinhalte an die umgebende Flüssigkeit exponiert wird.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet der Behälterdeckel ein elektro- oder thermo-ansprechendes Polymer, dessen Integrität oder Porosität durch Anwenden elektrischer Energie auf den Behälterdeckel (z.B. bei dem elektro-ansprechenden Polymer) oder eines benachbarten Widerstands (z.B. bei dem thermo-ansprechenden Polymer) moduliert (d.h. erhöht oder erniedrigt) werden kann. Ähnlich kann der Behälterdeckel ein Polymer beinhalten oder aus diesem bestehen, das eine Porosität hat, die durch Anwendung elektrischer Energie, akustischer Energie oder einer bestimmten chemischen Spezies (z.B. für chemischen Antrieb), die von dem Mikrochipgerät oder einer anderen Quelle geliefert wird, moduliert werden kann.
Die Mikrochip-Behälterinhalte können im Wesentlichen jede Chemikalie oder Miniaturvorrichtung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Chemikalie ein therapeutischer, prophylaktischer oder diagnostischer Wirkstoff. (Die Bezeichnung „Medikament" wird hier für jegliche Art eines solchen Wirkstoffs verwendet.) Bevorzugte Medikamentenzufuhr-Anwendungen beinhalten starkwirksame Zusammensetzungen, einschließlich sowohl kleiner und großer (d.h. Makro-) Moleküle, wie z.B. Hormone, Steroide, Chemotherapie-Behandlungen, Impfungen, Gen-Zufuhr-Vektoren und einige starke analgetische Wirkstoffe. Ein Beispiel eines diagnostischen Wirkstoffs ist ein abbildendes Agens wie z.B. ein Kontrastmittel. Andere Moleküle, die freigelassen werden können, beinhalten Duftstoffe und Geschmackstoffe.
Die Behälterinhalte können auch Katalysatoren (z.B. Zeolithe, Enzyme) sein, ein oder mehrere Reagentien, oder eine Kombination davon. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet der Behälterinhalt ein Hilfsgerät wie z.B. einen Sensor oder eine Sensorkomponente, z.B. einen Biosensor. Beispiele für Sensorkomponenten beinhalten Komponenten, die bei der Messung oder Analyse der Anwesenheit, Abwesenheit oder Änderung einer chemischen oder ionischen Spezies, elektromagnetischen oder thermischen Energie (z.B. Licht) oder einer oder mehrerer physikalischen Eigenschaften (z.B. pH, Druck) an einer Stelle verwendbar sind. Die Inhalte können entweder aus dem Behälter freigelassen werden oder darin immobilisiert bleiben, in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung. Einzelne Behälter können mehrere Arten von Chemikalien, mehrere Arten von Geräten oder Kombinationen von Geräten und Chemikalien enthalten.
Die Mikrochipgeräte können mittels aus dem Stand der Technik bekannten Mikrofabrikationsverfahren erzeugt und aufgebaut werden, insbesondere die in US 5,797,898 und US 6,123,861 (Santini et al.), und in WO 01/64344, WO 01/41736 WO 01/35928 und WO 01/12157 beschriebenen und verwiesenen Verfahren.
Drahtlose Energieversorgungsmittel/Energiquellen auf Verlangen
Mittel zur Energieversorgung von Aktivfreilassung-Mikrochipgeräten beinhalten den Gebrauch einer voraufgeladenen Energiequelle (die die ganze für den Betrieb über die Lebenszeit des Mikrochipgeräts benötigte Energie enthält), eine Quelle die periodisch wieder aufgeladen werden kann, und eine auf Verlangen arbeitende Energiequelle. Die beiden letzteren Energiequellen werden bevorzugt.
Das Mikrochipgerät beinhaltet typischerweise einen Umformer zum Empfang drahtlos an das Gerät gesendeter Energie, Schaltkreise zum Zuleiten oder Umwandeln der empfangenen Energie in eine verwendbare oder speicherbare Form und, wenn speicherbar, ein Speichergerät, wie z.B. eine wieder-aufladbare Batterie oder Kondensator. Deshalb beinhaltet das System zum gesteuerten Freilassen oder Exponieren von Behälterinhalten in bevorzugten Ausführungsformen ein Mikrochipgerät und eine wiederaufladbare oder auf Verlangen arbeitende Energiequelle. Die auf Verlangen arbeitende Energiequelle verlangt vorteilhafter Weise nicht, dass eine Energiespeichereinheit physisch mit dem Mikrochipgerät verbunden oder darin integriert wird. Die wiederaufladbare Energiequelle (d.h. die wiederaufladbare Energiespeichereinheit) kann Energie speichern, aber braucht vorteilhafter Weise nicht die ganze für die Betriebslebensdauer des Mikrochips benötigte Energie speichern. Die wiederaufladbare Energiequelle und auf Verlangen arbeitende Energiequellen können beide in einem einzigen Mikrochipgerät beinhaltet sein, da es für ein System üblich ist, dass eine auf Verlangen arbeitende Energiequelle eine Energiespeichereinheit, wie z.B. einen Kondensator oder eine Batterie beinhaltet.
Die hier beschriebenen Systeme sind vorzugsweise mit einem Mittel zum Überwachen des Zustands einer beliebigen Energiespeichereinheit ausgestattet. Während Energie aus dem Energiespeichergerät verbraucht oder entleert wird, kann zusätzliche Energie bei Bedarf drahtlos an die wiederaufladbare Energiespeichereinheit gesendet und von dieser empfangen werden. Wiederaufladbare Energiequellen bieten ein Mittel, die Betriebslebensdauer des Mikrochipgeräts über jene hinaus, die mit im Voraus geladenen Speicherzellen oder nicht-aufladbaren Systemen möglich ist, zu verlängern.
Systeme und Methoden für Energieversorgung auf Verlangen über drahtlose Übertragung, die für den Gebrauch mit den hier beschriebenen Mikrochipgeräten eingerichtet werden können, sind beispielsweise in US 6,047,214 (Mueller et al.), US 5,841,122 (Kirchhoff), US 5,807,397 (Barreras) und US 5,324,316 offenbart. Die Systeme beziehen typischer Weise einen Empfänger und einen Sender einer oder mehrerer Energiearten ein. Die wiederaufladbare oder auf Verlangen arbeitende Energiequelle beinhaltet vorzugsweise eine lokale Komponente, die drahtlos Energie von einem entfernten Sender empfangen kann. In dieser Offenbarung bezeichnet der Ausdruck „lokal" ein lokal-Sein bei dem Mikrochipgerät (anstatt entfernt) und schließt ein, aber ist nicht darauf eingeschränkt, dass die lokale Komponente dem Mikrochipgerät angefügt ist, wie z.B. durch Herstellung auf dem Substrat.
Die lokale Komponente kann zum Energieempfang über eine Vielfalt von Mitteln eingerichtet sein. Beispielsweise kann die lokale Komponente dazu eingerichtet sein, Energie von einer elektromagnetischen (EM) Energiequelle, oder einer akustischen (d.h. Schall-) Energie- oder anderen mechanischen Energiequelle zu empfangen. Elektromagnetische Energie bezieht sich auf den gesamtem Spektralbereich von Röntgen bis Infrarot. Repräsentative Beispiele dienlicher EM-Energiearten beinhalten Radiofrequenz-Signale und Laser-Licht. Ein repräsentatives Beispiel einer dienlichen Art akustischer Energie ist Ultraschall. In verschiedenen Ausführungsformen kann die wiederaufladbare Energiespeichereinheit z.B. eine Spule zum Empfang elektromagnetischer Energie oder ein mittel zum Umformen anderer Energietypen, wie z.B. eine Photozelle, ein Hydrophon oder eine Kombination davon, beinhalten. Zusätzliche Komponenten können ein Mittel zur Energiekonversion, wie z.B. einen Gleichrichter, eine Energiespeichereinheit, wie z.B. eine Batterie oder einen Kondensator, und eine Steuerung eines elektrischen Potentials/Stroms (d.h. Potentiostat/Galvanostat) beinhalten.
Das Mikrochipgerät kann auch eine Komponente zum Umwandeln mechanischer oder chemischer Energie aus dem Körper des Menschen oder Tieres in Energie/Leistung beinhalten, die zur Aktivierung des Freilassen oder Exponieren der Behälterinhalte genutzt werden kann. Beispielsweise können Akzelerometer und Gyroskope aufweisende Komponenten zur Umwandlung von Körperbewegungen in elektrische Energie verwendet werden. Ähnlich kann ein implantierter Umformer Herzschläge in nutzbare Energie konvertieren, wie dies derzeit bei einigen Schrittmacher-Ausgestaltungen geschieht. Vgl. z.B. US 5,713,954 . In einer anderen Ausführungsform wird Energie aus einer chemischen Energiequelle erzeugt/konvertiert. Beispielsweise kann das Mikrochipgerät eine Bio-Brennstoffzelle aufweisen, die die Energie aus der chemischen Reaktion eines im Körper vorliegenden Moleküls erzeugt. Beispiele dieser Brennstoffzellen sind z.B. in Palmore u. Whitesides, "Microbial and Enzymatic Biofuel Cells", Enzymatic Conversion of Biomass for Fuel Production („Mikrobielle und enzymatische Bio-Brennstoffzellen", Enzymatische Konversion von Biomasse zur Brennstofferzeugung), ACS Symposium Serie 566: 271–90 (1994); Kano u. Ikeda, "Fundamentals and practices of mediated bioelectrocatalysis" („Grundlagen und Anwendungen vermittelter Bioelektrokatalyse"), Analytical Sci., 16(10): 1013–21 (2000) und Wilkenson, Autonomous Robots 9(2): 99–111 (2000) beschrieben. In einer typischen Ausführungsform hätte das implantierte Gerät ein immobilisiertes Enzym, das mit einem biologischen Molekül reagierte, um einen Elektronenübertragung und damit den Fluss eines elektrischen Stroms auszulösen. Mögliche nutzbare biologische Moleküle beinhalten Triphosphate, wie z.B. ATP, und Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Zucker wie Glykose.
Viele dieser Komponenten (ausgenommen die externe Energieübertragungsquelle) können auf dem Mikrochip („on-chip"-Komponenten) mittels bekannter MEMS-Herstellungstechniken hergestellt werden, die z.B. in Madou, Fundamental of Microfabrication (Grundlagen der Mikrofabrikation) (CRC Press 1997) beschrieben sind, oder mittels bekannter Mikroelektronik-Prozesstechniken, die z.B. in Wolf u. Tauber, Silicon Processing for the VLSI Era (Silizium-Verarbeitung im VLSI-Zeitalter) (Lattice Press 1986) beschrieben sind. Jede dieser Komponenten (ausgenommen die externe Energieübertragungsquelle) kann auch als diskrete, serienmäßige mikroelektronische Komponenten bestehen, die mit den Mikrochipgeräten unter Verwendung von Hybrid-Elektronikbauteilen oder Multi-Chip-Modulen (MCM) verbunden sind. Ein Aktivfreilassung-Mikrochipgerät mit der Fähigkeit, Energie über Drahtlosmittel zu empfangen, kann auch aus einer Kombination von „on-chip"- und serienmäßigen Komponenten bestehen.
Der Energiebedarf im Einzelnen des Mikrochipgeräts hängt von der Anwendung und spezifischen Ausgestaltung des Mikrochipgeräts ab. Beispiele für Ausgestaltungsfaktoren beinhalten die Größenanforderungen und voraussichtliche Betriebslebensdauer des Geräts. Die besonderen Geräte und Methoden zur Energieübertragung hängen wahrscheinlich von den für das Mikrochipgerät und den Fernsender ausgewählten Orten ab. Beispielsweise beeinflusst bei einem implantierten Mikrochip das Körpergewebe die Energieübertragung von einem außerhalb befindlichen Sender. Beispielsweise durchdringt induktiv gekoppelte elektromagnetische Energie die Körpergewebe typischer Weise in begrenztem Ausmaß; jedoch wird Schallenergie, z.B. Ultraschall, leicht durch Gewebe und Körperflüssigkeiten übertragen. Als noch ein Beispiel, obwohl (sichtbares) Licht im Allgemeinen nicht durch Gewebe übertragen wird, kann es leicht durch den Humor aquosus und Humor vitreus des Auges übertragen werden. Jedoch kann andere elektromagnetische Strahlung, z.B. Röntgenstrahlung, leicht durch Gewebe übertragen werden, abhängig in erster Linie von der Wellenlänge der Strahlung.
In einer Form stellt das System Fernaufladen einer Batterie zur Energieversorgung eines Mikrochipgeräts bereit.
In einer Ausführungsform mit einer in vivo wiederaufladbaren Energiespeichereinheit ist die Energiespeichereinheit von den anderen elektrischen in vivo Komponenten getrennt und kommuniziert mit ihnen über Draht oder in vivo Telemetrier. Vgl. z.B. die in PCT WO 01/37926 und WO 01/28629 beschriebenen implantierbaren Herzapparate und Energieübertragungssysteme.
Das System kann ferner ein Telemetriesystem beinhalten, um drahtlos Daten (z.B. ein Signal) zwischen dem Mikrochipgerät und einer Fernsteuerung oder zwischen Komponenten des Mikrochipgeräts zu übertragen.
Drahtlose Kommunikationsmittel/Telemetriesys
Mittel zum Senden und Empfangen von Daten mittels Drahtlostechnologie sind den für die drahtlose Energieübertragung beschriebenen ähnlich. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das System zum gesteuerten Freilassen oder Exponieren von Behälterinhalten ein Mikrochipgerät und ein Telemetriesystem für die drahtlose Datenübertragung zwischen dem Mikrochipgerät und einer Fernsteuerung. Im Allgemeinen beinhaltet das Telemetriesystem einen Sender und einen Empfänger. Ein Sender kann in der Fernsteuerung, dem Mikrochipgerät oder beiden enthalten sein, wenn Daten in beiden Richtungen (zu/von dem Mikrochipgerät) übertragen werden, wenn der Empfänger im Mikrochipgerät, in der Fernsteuerung bzw. in beiden enthalten ist. In dieser Offenbarung kann die „Fernsteuerung" deshalb einen Sender, Empfänger oder beide beinhalten.
Im Allgemeinen wird die Telemetrie (d.h. das Senden und Empfangen) mittels einer ersten Spule zum induktiven Koppeln elektromagnetischer Energie an eine passende/entsprechende zweite Spule erreicht. Mittel dafür sind wohlbekannt, mit verschiedenen Modulationsschemata wie z.B. Amplituden- oder Frequenzmodulation, um die Daten auf einer Trägerfrequenz zu übertragen. Die Wahl der Trägerfrequenz und des Modulationsschemas hängt von dem Ort des Geräts und der benötigten Bandbreite neben anderen Faktoren ab. Andere Daten-Telemetriemittel sind ebenfalls verwendbar. Beispiele beinhalten optische Kommunikation, wobei der Empfänger als Photozelle, Photodiode und/oder Phototransistor ausgebildet ist, und der Sender als LED oder Laser. Beispielsweise könnte eine LED auf dem Silizium-Mikrochip-Substrat hergestellt werden, entweder innerhalb oder außerhalb der Behälter, unter Verwendung oder Anpassung von Methoden wie jene, die in Barillo et al., "A porous silicon LED based on a standard BCD technology" („Eine poröse Silizium LED basierend auf Standard-BCD-Technik"), Optical Materials 17(1–2): 91–94 (2001) beschrieben sind. Optische Telemetriemethoden sind ferner in z.B. US 6,243,608 beschrieben. Für Telemetrie durch Weichgewebe des Körpers kann akustische (d.h. Schall-) Energie, wie z.B. Ultraschallenergie, als Kommunikationsmittel verwendet werden. Vgl. z.B. US 6,140,740 . Der Fachmann kann diese bekannten Telemetriemittel zum Gebrauch mit einem Mikrochipgerät anpassen, um Energie- und Datenaustausch zu optimieren. Beispielsweise kann man eine Impedanzanpassung mit dem Gewebe und Empfangsfeld und andere Faktoren zur Optimierung von Ultraschall-Übertragungn berücksichtigen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Mikrochipgerät mit einem Empfänger ausgerüstet, der Befehle und Daten von der Fernsteuerung annimmt, und kann verwendet werden, einen Behälter zu betätigen, Zustandsinformation über den Status des Systems oder ein Ereignislog anzufordern oder das Steuerungsbetriebssystem (d.h. die interne Firmware) neuzuprogrammieren. In einer Ausführungsform, bei der das Mikrochipgerät in einem Menschen oder Tier implantiert ist, kann die Fernsteuerung ein Mittel zum Anzeigen und/oder Antreiben beinhalten, das vom Arzt oder Patienten für Betrieb oder Überwachung des Mikrochipgeräts verwendbar ist. Beispielsweise kann das Mikrochipgerät an eine, einen Empfänger aufweisende, Fernsteuerung Information über den Batteriezustand und den Ort und die Zahl der gebrauchten und verbleibenden Behälter drahtlos übertragen. Zusätzliche Hilfsschaltungen können für Schnittstellen zu Biosensoren oder anderen Gerätetypen wie z.B. Schrittmachern oder Defibrillatoren verwendet werden.
Andere Komponenten und Merkmale der Systeme
Es ist anzumerken, dass die drahtlose Energieübertragung und die drahtlose Datenübertragung dem Mikrochipgerät in demselben Signal übermittelt und dann in geeigneter Weise im Mikrochipgerät getrennt werden kann.
Die hier beschriebene Systemen können ferner Antriebselektronik und lokale Steuerungen beinhalten. Antriebselektronik steuert selektiv und leitet Energie den gewünschten Behältern zu. Die Antriebselektronik enthält Schaltungen, um die Energie in eine Form zu bringen, die zum Öffnen der Behälter benötigt wird. Beispielsweise können diese Schaltungen Signalgeneratoren/oszillatoren beinhalten, Spannungs- oder Stromquellen, Verstärker und/oder Schalter. Bei Metallfilm-Behälterdeckeln beinhaltet die Antriebselektronik vorzugsweise einen Potentiostaten. Repräsentative Arten der Antriebselektronik beinhalten Potentiostaten/Spannunsquellen, Galvanostaten/Stromquellen, Multiplexer und Demultiplexer. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Antriebselektronik vorzugsweise einen Demultiplexer, um die Energieversorgung an die gewünschten Behälter zu leiten. Der Demultiplexer kann auf dem Mikrochip integriert sein oder ein getrennter Chip oder elektrischer Bauteil sein.
Die lokale Steuerung kann die Antriebselektronik steuern und ist typischerweise für den Betrieb des Geräts zuständig. Die Komplexität der Steuerung hängt von der jeweiligen Anwendung auf dem Mikrochip ab. Die Steuerung ist im Allgemeinen entweder ein Mikroprozessor-basiertes System oder ein dedizierter Logikbaustein mit einer endlichen Anzahl von Betriebszuständen. Im Falle des Mikroprozessor basiertes Systems gibt es vorzugsweise einen Mikroprozessor, Speicher (ROM und RAM), Uhr, analoge Ein/Ausgabegeräte und digitale Ein/Ausgabegeräte. Der Speicher enthält im Allgemeinen einen Befehlssatz zur Ausführung durch den Mikroprozessor. Diese Befehle können Routinen zum Antrieb der Behälter, zum Empfangen von Befehlen oder Daten von der Fernsteuerung, zum Senden von Information an die Fernsteuerung und zum Messen und Interpretieren von Signalen von Geräten wie z.B. Sensoren beinhalten. Eine auf einem dedizierten Logikbaustein basierende Steuerung kann durch den Empfang von Befehlen oder Daten in der Form eines kodierten (Spannungs)Signals gesteuert werden. Vgl. z.B. US 5,324,316 , das die Verwendung eines dedizierten Logikbausteins als Steuerung eines implantierbaren Mikrostimulators beschreibt. Die Komponenten des Steuerungssystems können als Teil des Mikrochips auf demselben Substrat integriert sein oder getrennte lokale Komponenten sein.
Verwendung der Mikrochipgeräte und -systeme
Die Mikrochipgerätesysteme sind in einer breiten Vielfalt von Anwendungen verwendbar. Die Anwendungen können ex vivo oder in vitro sein, jedoch bevorzugter sind sie für in vivo Anwendungen, insbesondere in Folge nicht- oder minimal-invasiver Implantation.
Bevorzugte Anwendungen für den Gebrauch der Geräte und Systeme beinhalten die gesteuerte Zufuhr eines Medikaments (d.h. eines therapeutischen, prophylaktischen oder diagnostischen Wirkstoffes) an Stellen im Körper eines Menschen oder Tieres, biosensorisches Fühlen oder eine Kombination davon. Die Mikrochipsysteme sind bei Medikamententherapien besonders dienlich, bei denen die Kontrolle der genauen Menge, Rate und/oder Zeit der Medikamentenzufuhr erwünscht ist. Bevorzugte Medikamentenzufuhr-Anwendungen beinhalten die Zufuhr starkwirksamer Zusammensetzungen, einschließlich sowohl kleiner und großer Moleküle, wie z.B. Hormone, Steroide, Chemotherapie-Behandlungen, Impfungen, Gen-Zufuhr-Vektoren und einige starke analgetische Wirkstoffe.
Die Mikrochips können mit einem chirurgischen Verfahren oder einer Injektion implantiert werden, oder verschluckt, und können viele verschiedene Medikamente zuführen, bei veränderlichen Raten und veränderlichen Zeiten. In einem Beispiel ist das Mikrochipgerät für die Implantation auf oder in das Auge eines Menschen oder Tieres eingerichtet und die Fernsteuerung weist einen ophthalmischen Laser auf. In einem anderen Beispiel ist das Mikrochipgerät für die orale Verabreichung eingerichtet und die Fernsteuerung beinhaltet einen Radiofrequenz-Sender.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Mikrochipgerät einen oder mehrere Biosensoren (die in Behältern versiegelt sein können bis sie für die Verwendung gebraucht werden), die zum Detektieren und/oder Messen von Signalen im Körper des Patienten fähig sind. In dieser Offenbarung schließt der Begriff „Biosensor" Sensorgeräte ein, die das chemische Potential eines Analyten des Interesses in ein elektrisches Signal umformen, sowie Elektroden, die elektrische Signale direkt oder indirekt (z.B. durch Konvertieren mechanischer oder thermischer Energie in ein elektrisches Signal) messen, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Beispielsweise kann der Biosensor intrinsische elektrische Signale (EKG, EEG oder andere neuronale Signale), Druck, Temperatur, pH oder Belastungen von Gewebestrukturen an verschiedenen in vivo Orten messen. Das elektrische Signal des Biosensors kann dann gemessen werden, z.B. von einem Mikroprozessor/kontroller, der dann die Information an eine Fernsteuerung, eine andere lokale Steuerung oder beide senden kann. Beispielsweise kann das System verwendet werden, Informationen über die Lebensfunktionen des Patienten oder der Implantat-Umgebung, wie z.B. Blutgase, Medikamentenkonzentration oder Temperatur, weiterzugeben oder aufzuzeichnen.
Das System hat auch eine Vielfalt von Verwendungen, die nicht auf Implantation beschränkt sind. Beispielsweise können die Behälterinhalte einen Sensor zur Detektion eines chemischen oder biologischen Moleküls an der Stelle, wo sich der Mikrochip befindet, beinhalten, und das Telemetriesystem übermittelt einen Zustand der Sensordetektion an die Fernsteuerung. Eine derartige Stelle kann in vivo oder in vitro sein. Das chemische oder biologische Molekül kann z.B. mit einer chemischen oder biologischen Waffe zusammenhängen, und das System wird in einem Frühwarn/detektionssystem verwendet.
Aktive Mikrochipgeräte können von lokalen Mikroprozessoren oder über Fernsteuerung gesteuert werden. Biosensor-Information kann der Steuerung Input zum Bestimmen der Zeit und Art der Aktivierung auf automatischem Wege, durch menschliches Eingreifen oder eine Kombination davon liefern. Die Mikrochipgeräte haben zahlreiche in vivo, in vitro und kommerzielle diagnostische Anwendungen. Die Mikrochips sind in der Lage, genau bemessene Mengen von Molekülen zuzuführen, und sind so für in vitro Anwendungen nützlich, wie z.B, analytische Chemie und medizinische Diagnostik sowie biologische Anwendungen wie die Zufuhr von Faktoren an Zellkulturen.
Die Erfindung kann am besten in Bezugnahme auf die folgenden nichteinschränkenden Beispiele verstanden werden.
Beispiel 1: Mikrochip zum chemischen Freilassen mit elektrochemischem Antrieb und rf-Energieübertragung
Ein elektrochemisch betätigter Mikrochip mit Behältern, die von Gold-Dünnfilm-Behälterdeckeln bedeckt sind, kann mit den in US 6,123,861 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Die Behälter enthalten Medikament oder andere Moleküle zum Freilassen. Anlegen eines elektrischen Potentials von ca. 1,0 V (in Bezug auf eine gesättigte Kalomel-Referenzelektrode) in der Gegenwart von Chlorid-Ionen würde die Behälterdeckel dazu veranlassen, zu oxidieren und zu disintegrieren, und das im Behälter gespeicherte Material freizulassen. Ein Steuersystem mit Energie auf Verlangen würde eine rf-erzeugende und eine Übertragungsquelle in eine externe Steuereinheit beinhalten. Das Mikrochipgerät würde eine Empfängerspule (d.h. einen Induktor), einen optionalen Energieumwandler (Gleichrichte, Regler), eine Energiespeichereinheit (z.B. einen Kondensator, Mikrobatterie), optionale Potentiostaten- oder Galvanostatenschaltung (falls Modulation von elektrischen Potentialen oder Strömen benötigt wird), einen Demultiplexer, einen Zeitgeber und einen Mikroprozessor beinhalten.
Wenn das Freilassen aus einem bestimmten Behälter gewünscht ist, wird ein rf-Signal (drahtlos) an das den Behäter enthaltende Mikrochipgerät gesendet. Das rf-Signal würde einen elektrischen Wechselstrom in der Empfängerspule induzieren. Dieser rf-generierte Wechselstrom kann zu Gleichstrom gleichgerichtet und an eine Einheit zur Energiespeicherung geleitet weiden, oder, wenn das Verhalten des Behälterdeckels hinsichtlich elektrischen Strom/Korrosion gut charakterisiert ist, dann kann der Strom direkt an den Anoden-Behälterdeckel gesendet werden, der den bestimmten Behälter bedeckt, von dem Freisetzung gewünscht ist. In einigen Fällen wird die empfangene Energie durch einen Galvanostaten oder Potentiostaten geleitet, um den Strom zu modulieren oder ein spezifisches elektrisches Potential (in Bezug auf eine Referenzelektrode) am Behälterdeckel zu erzeugen. Der elektrische Strom oder die Spannung werden an den korrekten Behälter durch einen Mikroprozessor-gesteuerten Demultiplexer geleitet. Der Mikroprozessor kann mit (Gedächtnis)Speicher und einem Zeitgeber gekoppelt sein, um zeitliche Dosispläne on-chip speichern zu können.
Der Mikroprozessor kann dann Energie von der Energiespeichereinheit oder direkt von dem Gleichrichter an den korrekten Behälter in einem bestimmten Freigabemuster, das im Speicher programmiert ist, leiten. Das Freigabemuster könnte auch auf drahtlose Weise durch von einer Fernsteuerung über ein Telemetriesystem gesendete Befehle gesteuert werden. Alternativ könnte das Freilassen des Medikaments oder anderer Moleküle durch Feedback von einem Biosensor gesteuert werden, der sich auf oder nahe bei dem Mikrochipgerät befindet und eine Schnittstelle zur Steuerung hat.
Dieses Beispiel kann besser in Bezugnahme auf 1 verstanden werden, die ein Schema ist, das die Hauptkomponenten und den Energie- und Datenfluss in einem drahtlosen Mikrochipsystem darstellt.
Beispiel 2: Mikrochip zum selektiven Exponieren von Behälterinhalten mit thermischer Aktvierung und rf-Energieübertragung
Ein Mikrochipgerät, das dem in Beispiel 1 beschriebenen ähnlich ist, kann mit Behältern gebildet sein, die Katalysatoren für Reaktionen und/oder Sensoren zur Detektion chemischer und biologischer Wirkstoffe enthalten, wobei mit drahtlosen Verfahren übertragene Energie zum Öffnen der Behälter, um die Inhalte selektiv zu exponieren, verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform wird elektromagnetische Energie an eine Empfängerspule gesendet, die sich auf dem Mikrochipgerät befindet oder damit verbunden ist. Der induzierte Wechselstrom kann zu Gleichstrom gleichgerichtet werden, um eine Speicherbatterie oder einen Kondensator zu laden, oder direkt an Widerstände gesendet werden, die sich auf, nahe bei oder in den zu öffnenden Behältern befinden. Durch den Widerstand fließender Strom verursacht einen Temperaturanstieg im Widerstand und Umgebungsbereich. Der Anstieg der Temperatur kann das Behälterdeckelmaterial disintegrieren, schmelzen oder die Phase wechseln lassen und den Sensor oder Katalysator selektiv exponieren. Alternativ kann ein Temperaturanstieg in dem Behälter einen Druckanstieg im Behälter ergeben, der den Behälterdeckel reißen lässt, was den Inhalt des Behälters an die Umgebung exponiert. Wie in Beispiel 1 wird das Zuleiten der Energie an den zutreffenden Behälter durch Verwendung eines von einem vorprogrammierten Mikroprozessor, einer Fernsteuerung oder einem Biosensor gesteuerten Demultiplexers erreicht.
Beispiel 3: Mikrochip zum Freilassen eines Medikaments ins Auge mittels Laser-Antrieb
Laser werden routinemäßig bei Augen-Chirurgie und anderen Verfahren am Auge zur Behandlung von Zuständen wie diabetische Retinopathie, Netzhautablösung und altersbedingte Makuladegeneration verwendet. Einige Zustände, besonders Makuladegeneration, sind durch regelmäßige Medikamentenverabreichung ans Auge behandelbar; gegenwärtig verfügbare Mittel dafür, wie z.B. Injektionen, sind jedoch schwierig. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, kann ein implantierbares Mikrochipgerät bereitgestellt werden, um über eine ausgedehnte Zeitspanne Dosen einer oder mehrerer Medikationsarten auf regelmäßiger Basis dem Auge zuzuführen. Da der Energiebedarf bei elektrochemisch betätigten Silizium-Mikrochipgeräten mit Gold-Dünnfilm-Behälterdeckeln ausreichend klein ist, kann die Energie drahtlos geliefert werden, beispielsweise über einen ophthalmischen Laser. Der ophthalmische Laser kann auch dazu verwendet werden, Befehle drahtlos an das implantierte Mikrochipgerät zu kommunizieren. Sowohl Energie als auch Daten können gesendet werden, z.B. durch Modulieren des die Energie tragenden Signals; die Modulationsinformation [ist] an das implantierte Mikrochipgerät mitzuteilen.
Ein derartiges implantierbares drahtloses Augen-Zufuhrsystem würde typischer Weise (1) den Medikamenten-haltenden Mikrochip mit dessen lokaler Steuerung, externe Schnittstellen, Energieumwandlungselektronik und Antriebselektronik und (2) den ophthalmischen Laser beinhalten. Die externe Schnittstelle und Energieumwandlungselektronik würde typischer Weise eine Photozelle zum Empfangen einfallender Lichtenergie, Schaltkreise zum Erzeugen der benötigten Spannung, Speichermittel wie z.B. einen Kondensator oder eine Batterie und Schaltkreise zum Dekodieren von durch Modulation des Laser-Inputs übertragener Information beinhalten. Die Steuerung wäre typischerweise ein Mikroprozessor mit zugehörenden Hilfsschaltkreisen, wie z.B. einen Gedächtnisspeicher und eine Uhr, obwohl ein dedizierter IC bei gewissen Ausführungsformen arbeiten kann. Elektronik, die zum Antrieb elektrochemischer Mikrochips benötigt wird, würde typischerweise Mittel zur Steuerung des Elektrodenpotentials, wie z.B. einen Potentiostaten oder Galvanostaten, und einen Demultiplexer zum Zuleiten des Potentials an den gewünschten Behälter beinhalten. Falls gewünscht, würde das System ein Feedback liefern, beispielsweise um die erfolgreiche Zufuhr einer Dosis zu bestätigen. Diese Information kann dem Bediener oder einem Computer-Überwachungssystem zurück gesendet werden, entweder optisch mittels einer LED oder auf anderen Wegen drahtloser Übertragung wie z.B. RF. 2A stellt eine mögliche Gestaltung der Mikrochipgerät-Konfiguration dar, wobei das Mikrochipgerät 10 eine Reihe von freizulassendes Medikament enthaltenden Behältern 12, Energieumwandlung, Antriebselektronik und lokalen Steuerungsbereich 14, Photozelle 16, LED oder drahtlosen Telemetrie-Sender 18 beinhaltet.
Ein Ophthalmologe könnte Freilassen des Medikaments und Kommunikation mit Augen-implantierten Mikrochips durch Richten eines ophthalmischen Lasers auf den passenden Bereich des Mikrochips im Auge des Patienten einleiten. Siehe 2B, die ein Auge 20 mit optischem Nerv 21 darstellt, wobei das Mikrochipgerät 28 an der Augeninnenseite hinten implantiert ist. Ein ophthalmischer Laser 30 leitet Energie und Daten über Laserlicht 32 durch Hornhaut 22, Linse 24 und Humor vitreus 26, zur Energieversorgung und Kommunikation mit dem implaniterten Mikrochipgerät 28. Viele Ophthalmologen sind bereits im Gebrauch derartiger Laser erfahren, sodass dieses Verfahren leicht durchzuführen ist.
Beispiel 4: Oral verabreichte Mikrochips zur Medikamentenzufuhr mit Nahbetätigung
Ein möglicher Vorteil oral verabreichter Medikamentenzufuhr-Mikrochips oder Sensoren ist, dass sie zu spezifischer Zeit oder an spezifischer Stelle im Gastrointestinaltrakt aktivierbar sind. Derartige Kontrolle von Zeit und Ort des Freilassens ist mithilfe vorprogrammierter Mikroprozessoren, Fernsteuersystemen (z.B. drahtlosen Systemen) oder Biosensoren erreichbar. Ein Verfahren, um Medikamentenfreisetzen oder Exponieren eines Sensors an einer besonderen Stelle im Gastrointestinaltrakt einzuleiten, würde die Verwendung eines drahtlosen Fernsteuersystems einbeziehen, das hoch ortsabhängig ist. Beispielsweise könnte ein Patient, der gerade einen oral verabreichten Mikrochip verschluckt hat, einen kleinen rf-Sender an seinem Gürtel tragen. Das vom rf-Sender erzeugte Feld wäre dazu ausgelegt, die Energie auf eine bestimmte Stelle im Gastrointestinaltrakt zu lokalisieren. Mehrere Spulen oder Antennen könnten dazu verwendet werden, das Feld örtlich genauer einzurichten, sodass sein Signal nur an der gewünschten Stelle detektierbar ist. Der Mikrochip würde durch den Gastrointestinaltrakt (GI-Trakt) wandern bis er eine Stelle erreicht, wo er das Signal vom Sender detektiert.
Wie in Beispiel 1 würde der Mikrochip Energie von dem rf-Sender empfangen und könnte Medikament freilassen oder interne Sensoren exponieren. Die Position des Freilassen oder Exponieren im Gastrointestinaltrakt würde durch die Natur des vom rf-Sender kommenden Signals (d.h. Signalstärke), die Anordnung des Senders (z.B. seine Position am Gürtel des Patienten) und den Abstand zwischen Mikrochip und Sender (der darauf beruht, wie weit der Mikrochip im Gastrointestinaltrakt gewandert ist) kontrolliert.
Dieser Vorgang ist in 3 dargestellt, die ein Mikrochipgerät 50A an einer ersten Stelle (nämlich dem Mund) im GI-Trakt, das Mikrochipgerät 50B an einer zweiten Stelle (nämlich dem Dickdarm) und den rf-Sender 54 mit einer rf-Signalreichweite gemäß der gestrichelten Linie 56 darstellt. Beim Passieren durch den GI-Trakt bewegt sich das Gerät von Stelle 50A, die außerhalb der rf-Signalreichweite 56 liegt, zur Stelle 50B, die in der rf-Signalreichweite 56 liegt und von dem Signal des rf-Senders 54 energieversorgt werden kann.
Beispiel 5: Zum Minimieren medizinischer Fehler ausgelegte Mikrochips
Das Einbeziehen eines Mikroprozessors, Speichers und Zeitgebers kann auch dazu beitragen, die Möglichkeit einer Medikamenten-Überdosierung oder Verabreichung falscher Medikamente an Patienten zu verringern. Sicherheitsprotokolle können in dem Speicher abgelegt und laufend durch den Mikroprozessor geprüft werden, um (i) das Freilassen von zuviel Medikament an einen Patienten über ein bestimmtes Zeitintervall und/oder (ii) das gleichzeitige Freilassen von zwei oder mehr unverträglichen Medikamenten zu verhindern. Zusätzlich kann der Mikrochip im Gedächtnisspeicher den genauen Betrag des zugeführten Medikaments speichern, dessen Zufuhrzeit und den Betrag des im Mikrochip verbleibenden Medikaments. Diese Informationen können mittels Drahtlostechnik (für Implantate) oder mittels Standard-Computerverbindungen (für externe, inline oder intravenöse Systeme) an den Arzt oder ein zentrales Überwachungssystem auf Echtzeitbasis übertragen werden. Dies gestattet dem Arzt die Fernüberwachung des Zustands des Patienten.
Abänderungen und Varianten der hier beschriebenen Verfahren und Geräte sind dem Fachmann aus der vorstehenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Derartige Abänderungen und Varianten sind als in den Bereich der angefügten Ansprüche fallend beabsichtigt.

Claims

System zum gesteuerten Exponieren oder Freilassen von Behälter-Inhalten, mit – einer Mikrochip-Vorrichtung, die ein Substrat mit einer Vielzahl von Behältern aufweist, die zu exponierende oder freizulassende Behälter-Inhalte enthalten; und – einer aufladbaren oder auf Verlangen arbeitenden Energiequelle, die eine lokale Komponente aufweist, die drahtlose Energie von einem entfernten Sender empfangen kann, wobei die empfangene Energie, direkt oder nach Übertragung, zur Aktivierung des Exponieren oder Freilassen der Behälter-Inhalte verwendbar ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem der entfernte Sender elektromagnetische Energie oder mechanische Energie überträgt.
System nach Anspruch 2, bei welchem die elektromagnetische Energie aus der Radiofrequenz-Signale, Mikrowellensignale, Infrarot-Licht, sichtbares Licht und Ultraviolett-Licht umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
System nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die mechanische Energie akustische Energie enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Energiequelle eine aufladbare Energiespeichereinheit aufweist.
System nach Anspruch 5, bei welchem die aufladbare Energiespeichereinheit eine Kapazität oder eine aufladbare Batterie aufweist.
System nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem die aufladbare Energiespeichereireinheit ferner eine Spule zum Empfang elektromagnetischer Energie, eine Photozelle, ein Hydrophon oder eine Kombination davon aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Energiequelle eine auf Verlangen arbeitende Energieversorgung aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Energiequelle sowohl eine auf Verlangen arbeitende Energieversorgung als auch eine aufladbare Energiespeichereinheit aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner mit einer Antriebselektronik zur selektiven Steuerung und Weiterleitung von Energie zum selektiven Öffnen der Behälter.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit einem Telemetriesystem zur drahtlosen Datenübertragung zwischen der Mikrochipvorrichtung und einer Fernsteuerung.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner mit – einer Antriebselektronik zur selektiven Steuerung und Weiterleitung von Energie zum selektiven Öffnen der Behälter, – einer lokalen Steuerung zum Steuern der Antriebselektronik, und – einem Telemetriesystem zur drahtlosen Datenübertragung zwischen der Mikrochipvorrichtung und einer Fernsteuerung.
System zum gesteuerten Exponieren oder Freilassen von Behälter-Inhalten, mit – einer Mikrochip-Vorrichtung, die ein Substrat mit einer Vielzahl von Behältern aufweist, die zu exponierende oder freizulassende Behälter-Inhalte enthalten; und – einem Telemetriesystem zur drahtlosen Datenübertragung zwischen der Mikrochipvorrichtung und einer Fernsteuerung.
System nach Anspruch 13, ferner mit einer Antriebselektronik zum selektiven Öffnen der Behälter.
System nach Anspruch 10, 12 oder 14, bei welchem die Antriebselektronik Komponenten aus der Multiplexer, Demultiplexer, Signalerzeuger, Signaloszillatoren, Verstärker, Schalter, Potentiostaten und Kombinationen davon umfassenden Gruppe aufweist.
System nach Anspruch 10, 12, 14 oder 15, ferner mit einer lokalen Steuerung zum Steuern der Antriebselektronik.
System nach Anspruch 17, bei welchem die lokale Steuerung Komponenten aus der Mikroprozessoren, ROM-Speicher, RAM-Speicher, Zeitgeber, analoge Ein/Ausgabegeräte, digitale Ein/Ausgabegeräte, programmierbare Logikbausteine und Kombinationen davon umfassenden Gruppe aufweist.
System nach Anspruch 16 oder 17, bei welchem die lokale Steuerung drahtlos mit der Fernsteuerung des Telemetriesystems Informationen austauschen kann.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei welchem die Datenübertragung mittels einer ersten Spule in der Mikrochipvorrichtung erzielt wird, um induktiv elektromagnetische Energie an eine korrespondierende Spule in der Fernsteuerung anzukoppeln.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei welchem die Fernsteuerung eine LED, einen Laser oder einen Ultraschall-Sender aufweist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 20, bei welchem die Mikrochipvorrichtung einen Empfänger mit einer Komponente aus der Photozellen, Photodioden, Phototransistoren und Ultraschall-Empfänger umfassenden Gruppe aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei welchem die Behälter-Inhalte ein Medikament, einen Sensor oder eine Kombination davon aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei welchem jeder Behälter einen auf dem Behälter über dem Behälter-Inhalt angeordneten Behälterdeckel hat, und bei welchem das Exponieren oder Freilassen der Behälter-Inhalte durch Diffusion durch den Behälterdeckel oder dessen Zerfall steuerbar ist.
System nach Anspruch 23, bei welchem die Mikrochipvorrichtung ferner eine Kathode aufweist, zumindest ein Behälterdeckel eine Anode ist und ein elektrisches Potenzial zwischen der Kathode und der Anode zum Oxidieren des Behälterdeckels und Exponieren des Behälter-Inhalts an ein Umgebungsfluid anlegbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei welchem die Mikrochipvorrichtung zur Implantation auf oder in ein menschliches oder tierisches Auge geeignet ist, wobei die Behälter-Inhalte ein Medikament und/oder einen Sensor aufweisen und die Fernsteuerung einen Augen-Laser enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei welchem die Mikrochipvorrichtung zur Verabreichung in vivo geeignet ist, wobei die Behälter-Inhalte ein Medikament und/oder einen Sensor aufweisen und die Fernsteuerung einen Radiofrequenz-Sender enthält.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 26, bei welchem die Behälter-Inhalte einen Sensor zur Detektion eines chemischen oder biologischen Moleküls enthalten, wobei das Telemetriesystem einen Status dieser Detektion von dem Sensor an die Fernsteuerung überträgt.
System nach Anspruch 27, bei welchem das chemische oder biologische Molekül sich auf eine chemische oder biologische Waffe bezieht.
System nach Anspruch 28, bei welchem die Behälterinhalte ferner ein Gegengift für das chemische oder biologische Molekül aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 29, ferner mit einer aufladbaren oder auf Verlangen arbeitenden Energiequelle, die eine lokale Komponente aufweist, die drahtlose Energie von einem entfernten Sender empfangen kann.
Eine Mikrochip-Vorrichtung zum gesteuerten Exponieren oder Freilassen von Behälter-Inhalten in einem Menschen oder Tier, mit – einem Substrat mit einer Vielzahl von Behältern aufweist, die zu exponierende oder freizulassende Behälter-Inhalte enthalten; und – eine Komponente, die mechanische oder chemische Energie aus dem Körper des Menschen oder Tiers in Energie umwandelt, die zur Aktivierung des Exponierens oder Freilassens der Behälter-Inhalte verwendbar ist.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 31, bei welchem die Komponente eine bei Bewegung des Körpers oder eines Körperteils mechanische Kraft in Energie überführt.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, bei welchem die Komponente eine Biobrennstoffzelle aufweist, die die Energie durch die chemische Reaktion eines im Körper vorhandenen Moleküls erzeugt.
Verfahren zum gesteuerten Exponieren oder Freilassen von Behälter-Inhalten einer Mikrochip-Vorrichtung an einer Stelle, mit folgenden Schritten: – Beschaffen des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die Mikrochipvorrichtung an einer ersten Stelle in vitro ist und der entfernte Sender bzw. die Fernsteuerung an einem zweiten, zur ersten Stelle distalen Stelle ist; und – drahtloses Übertragen von Energie von dem entfernten Sender bzw. der Fernsteuerung an die Mikrochipvorrichtung in einer zur Aktivierung des Exponierens oder Freilassens der Behälter-Inhalte hinreichenden Menge.
Verfahren nach Anspruch 34, bei welchem die Behälter-Inhalte einen therapeutischen, prophylaktischen oder diagnostischen Wirkstoff aufweisen.