Simulation nichtlinearer Effekte von Keramikkondensatoren auf die induktive Energieversorgung implantierbarer Mikrosimulatoren

In recent years, the interest in battery-free and leadless microstimulators has increased. The battery-free and leadless microstimulators reported in literature consist of a low number of electronic components. Hence, a high degree of miniaturization can be achieved, but at the expense of functionality. The known issues related to wire breakage, electrode migration, and battery depletion can thus be overcome, making such implantable devices more suitable for long-term use. However, to ensure successful therapy and patient safety, the stimulation current must be adjustable and kept within a safe range to avoid irreversible damage to the electrodes and surrounding tissue. In this paper, the nonlinear effects of ceramic capacitors on power transfer to inductively coupled implantable microstimulators are simulated. A specific nonlinearity arises from a series and/or parallel connection of several nonlinear capacitors. The calculations show that, depending on the electrode impedance, a specific nonlinearity leads to a limitation of the stimulation current over a specific range of the inductively transmitted power. However, a too high nonlinearity makes the inductively coupled microstimulator more prone to instability at higher powers, causing the stimulation current to rise steeply. Further investigations are planned to exploit the nonlinear effects for the realization of an embedded closed-loop control ofthe stimulation current.

In den letzten Jahren hat das Interesse an batterie- und drahtlosen Mikrostimulatoren zugenommen. Diese Mikrostimula-toren bestehen aus einer geringen Anzahl an Bauteilen, wodurch ein hoher Miniaturisierungsgrad erreicht werden kann. Bekannte Probleme batteriebetriebener, hochintegrierter Neurostimulatoren hinsichtlich Drahtbruch, Elektrodenwanderung und Batterieentladung können dadurch vermieden werden. Um die Patientensicherheit zu gewährleiten, muss der Stimulationsstrom in einem sicheren Bereich gehalten werden. Zudem ist ein einstellbarer Stimulationsstrom notwendig, um eine erfolgreiche Therapie zu ermöglichen. In diesem Beitrag werden die nichtlinearen Effekte von Keramikkondensatoren auf die Energieübertragung induktiv gekoppelter, implantierbarer Mikrostimulatoren simuliert. Aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer nichtlinearer Kondensatoren resultiert eine spezifische Nichtlinearität. Die Berechnungen zeigen, dass diese spezifische Nichtlinearität in Abhängigkeit der Elektrodenimpedanz zu einer Begrenzung des Stimulationsstroms über einen bestimmten Bereich der induktiv übertragenen Energie führt. Durch eine zu hohe Nichtlinearität wird diese Begrenzung bei höheren Leistungen allerdings aufgehoben, wodurch ein starker Anstieg des Stimulationsstroms hervorgerufen wird. Weitere Untersuchungen sind geplant, um die auftretenden Effekte für die Realisierung einer eingebetteten Closed-Loop Regelung des Stimulationsstroms nutzbar zu machen.