WO2010139376A1 - Device and method for stimulating nerves by way of magnetic field pulses - Google Patents

Device and method for stimulating nerves by way of magnetic field pulses Download PDF

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WO2010139376A1
WO2010139376A1 PCT/EP2010/001622 EP2010001622W WO2010139376A1 WO 2010139376 A1 WO2010139376 A1 WO 2010139376A1 EP 2010001622 W EP2010001622 W EP 2010001622W WO 2010139376 A1 WO2010139376 A1 WO 2010139376A1
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coil
current
magnetic field
pulse
pulses
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PCT/EP2010/001622
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Inventor
Stefan M. Götz
Thomas Weyh
Original Assignee
Technische Universität München
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Filing date
Publication date
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N2/00Magnetotherapy
    • A61N2/02Magnetotherapy using magnetic fields produced by coils, including single turn loops or electromagnets
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/13Modifications for switching at zero crossing
    • H03K17/136Modifications for switching at zero crossing in thyristor switches

Definitions

  • the present invention relates generally to a device for nerve and muscle stimulation according to the principle of inductive magnetic stimulation by pulsed magnetic fields. Furthermore, the invention relates to electrical power circuits for generating improved timing of pulse-shaped magnetic fields for nerve irritation.
  • certain cells can be irritated by externally applied electric fields in the body tissue. This happens because the electrical fields in the tissue cause electrical currents, which in turn trigger action potentials in these cells, for example in nerve or muscle cells.
  • the principle of magnetic induction can also be used for this type of irritation.
  • a time-varying magnetic field generates an induced electric field.
  • the time-varying magnetic field can be generated by a coil, which is traversed by a time-varying current.
  • This coil, the treatment coil for example, rests on the skin above the nerve tissue to be stimulated, so that the magnetic field generated can penetrate the tissue and generates the currents required for the stimulation in the tissue according to the induction principle.
  • the stimulation by this so-called inductive magnetic stimulation can be done without contact, since the magnetic field can penetrate body tissue unhindered.
  • the time-dependent magnetic fields are generated via short current pulses of a duration of usually 50-400 microseconds.
  • Figure 1 shows a typical arrangement of the use of inductive magnetic stimulation.
  • the pulse source 110 generates a short strong current pulse and conducts it to the treatment coil 120.
  • the treatment coil 120 is positioned close to the irritant nerve tissue of the body so that the generated magnetic field can penetrate this tissue structure.
  • the magnetic field generated by the coil induces an electrical field in the body tissue, here on the upper arm 130, which excites nervous and muscular tissue via the resulting currents.
  • FIG. 2 shows the basic circuit structure of an inductive stimulation device, as it was used in the first devices in particular for contactless irritation of cortical nerve structures through the intact skull bone.
  • the circuit uses a powerful damped electrical resonant circuit (resonator) consisting of a capacitor 220, a damping resistor 230, a diode 240, a thyristor 250 and the treatment coil 260.
  • the charging circuit 210 charges the capacitor 220 to a voltage of several thousand volts.
  • the energy content of the capacitor is several hundred joules.
  • the thyristor 250 serves as a switch that ignites the capacitor 220 with the magnetic! Beha ⁇ dlungsspuie 260 connects and so start the flow of current in the coil.
  • Figure 3 shows the time course of current and voltage in the treatment coil according to the circuit of Figure 2.
  • the typical time between the thyristor ignition and the achievement of the current peak value is about 50 to 150 microseconds.
  • This damping circuit used in the first devices which attenuates the oscillation from the first falling current edge (after one quarter of the period), characterizes the so-called monophasic stimulation, since the coil current only flows in one direction during the pulse, ie does not change its sign.
  • inductive magnetic stimulation the contactlessness, since the magnetic field of the treatment coil body tissue also reaches a certain distance from the coil. Therefore, nerve cells can also be irritated sterile.
  • the method in contrast to electrical stimulation via electrodes, the method is almost completely free of pain since, unlike electrostimulation, high current densities can not occur at feed locations of electrodes. For these reasons, this method is also particularly well suited to irritate deep tissue structures (eg the cerebral cortex through the skull bone) and for painless muscle stimulation eg in the field of rehabilitation.
  • this detour via the magnetic field of the treatment coil also has important technical problems:
  • the required magnetic flux densities are in the range of approximately 1 Tesla, so that high field energies must be conducted into the coil. Therefore, during the very short magnetic stimulation pulse, extremely high electrical power must be introduced into the coil; this power can reach values of several megawatts. Furthermore, since the pulse energy of the magnetic field is completely lost with the first devices at every pulse, these devices consume very high energy. Furthermore, the treatment coil overheats in this device technology very quickly, in which case it must also be noted that the coils may not reach too high temperatures as a treatment part, which can touch the body directly.
  • a further disadvantage is that the time course of the current induced in the tissue and used for the stimulation, in contrast to electrostimulation, can no longer be freely selected.
  • an electric field is induced according to the principle of magnetic induction only when the coil current and thus the magnetic field changes over time.
  • these first devices are not suitable for the so-called repetitive stimulation, in which 10 to 50 pulses per second are required.
  • This repetitive stimulation is used, for example, in neuro-rehabilitation for relearning movement patterns or for building muscle.
  • the size of the devices and their high price make it difficult to open up further fields of application in neurodiagnosis and neurorehabilitation.
  • FIG. 4 shows the basic circuit structure of a stimulation device which generates sinusoidal current or field pulses. Again, the charging circuit 210 charges the
  • Capacitor 220 to a voltage of several thousand volts.
  • the thyristor 410 serves again as a switch, the capacitor 220 with the magnetic when ignited
  • Treatment coil 260 connects. Unlike the monophasic
  • Coil voltage of the resonant circuit continues to oscillate.
  • FIG. 5 shows the time course of current and voltage in the treatment coil according to the circuit of Figure 4.
  • the advantage of this circuit principle according to FIG. 4 is that a large part of the field energy used for the treatment coil 260 can be returned to the capacitor 220, thus reducing the losses both in the pulse source and in the treatment coil 260.
  • the losses of the circuit of Figure 4 are mainly due to the ohmic resistances of the circuit components involved and their connection cable.
  • capacitor 220 since the current amplitude required for successful stimulation is approximately unchanged from monophasic pulse form devices, the necessary voltage and energy content of capacitor 220 also remain nearly the same, as in monophasic devices.
  • FIG. 6 illustrates a further development of the circuits of inductive magnetic stimulators.
  • the charging circuit 210 charges the capacitor 220 to a voltage of several thousand volts.
  • the thyristor 610 again serves as a switch which connects the capacitor 220 to the magnetic treatment coil 260 during ignition.
  • Figure 7 shows the time course of current and voltage in the treatment coil according to the circuit of Figure 6.
  • the second thyristor 620 can also be ignited directly upon reaching the first current zero point, so that a full sinusoidal oscillation arises, similar to FIG. 5. In any case, however, the field energy of the coil is also returned to a large extent back into the capacitor in this circuit.
  • biphasic full-wave stimulation duration of the current pulse a full sine period
  • biphasic half-wave stimulation A disadvantage of the biphasic half-wave stimulation, however, is that after the pulse, the voltage direction in the capacitor is inverted compared to the state before the pulse output, whereby the corresponding charging circuit becomes more complex. Furthermore, in the case of biphasic half-wave stimulation, the direction of the magnetic field also changes, so that successive pulses easily produce different effects in the tissue.
  • Coil heating is due to the very high required coil currents in the kiloampere range and the weight reasons, not arbitrarily reducible
  • the inductive magnetic stimulation could be compared to the Electrical stimulation already enforce in some areas or even open up new application areas.
  • inductive magnetic stimulation is also used in basic research as a tool for joint examination together with functional magnetic resonance tomography.
  • Pulse can be used to generate specific stimulation (and inhibition) of certain areas of the brain, the effects of which can in turn be investigated with this imaging method.
  • peripheral motor nerves are activated and trained for muscle building and / or the re-learning of specific movement patterns.
  • repetitive continuous stimulation with fast pulse sequences about 10 to 50 pulses per second
  • the described power and energy problems of previous devices become even clearer.
  • the devices are already very often used to build muscle after injury or to use the usual training effect (especially in many top athletes).
  • the force effect achievable on the muscle via the inductive magnetic stimulation has so far not been comparable with the willfully achievable force for purely technical-physical reasons.
  • the invention is based on the finding that with an improved adaptation of the time-course of the currents induced in the tissue to the dynamic charge-transport phenomena of the nerve fibers, the required field strength and field energy for inductive irritation can be reduced.
  • the time course of the short magnetic field pulse generates the treatment coil to change over previous systems in such a way that the mean edge steepness rising edges of the induced electric field differs from the mean edge steepness sloping edges.
  • the magnetic stimulation pulses produced by the power electronics according to the invention should no longer have a sinusoidal or attenuated sinusoidal profile, but be such that the electric field induced by the coil either increases significantly faster than it drops or increases significantly more slowly than it does drops.
  • the course of the induced from the treatment coil electric field follows approximately the time course of the coil voltage. Accordingly, the mentioned time dependencies of the course of the induced electric field can be achieved via a corresponding course of the coil voltage.
  • the field pulses generated by the treatment coil can be designed so that only one rising and one falling edge of the induced electric field strength are generated or alternating within a pulse a plurality of rising and falling edges of the induced field strength, in each case in this case clearly distinguish the average edge steepnesses of the rising flanks from the mean edge steepnesses of the falling flanks.
  • the associated power electronics can be designed so that in each case takes place at the zero crossing of the coil current, a brief interruption of the oscillation process. During these interruption times, no magnetic field is generated by the coil.
  • the power electronics should be designed so that the power electronics together with the treatment coil represents a resonant system of one or more resonant circuits.
  • the field energy of the coil can be returned to one or more capacitors.
  • pulses can be generated which are composed of individual sections of sinusoids of different frequencies.
  • the pulses can be shaped so that the mean edge steepness of the rising edge clearly differs from the mean edge steepness of the falling edge.
  • the magnetic Feide ⁇ ergie the treatment coil can be energy-efficiently fed back into one or more capacitors of the power electronics to a large extent.
  • An advantage of the present invention is the provision of an apparatus and method for inductive nerve stimulation which require relatively low field energy and field strength to irritate the nerves. With this reduction of energy and the one or more capacitors used for the intermediate storage of the pulse energy can be reduced in terms of their sizes.
  • Another advantage of the present invention is the provision of an inductive nerve stimulation device and method which requires a comparatively lower capacitor and coil voltage for the irritation of the nerves so that isolation distances can be reduced and necessary safety measures can be simplified.
  • Another advantage of the present invention is the provision of an inductive nerve stimulation apparatus and method which requires a relatively low coil current for stimulus initiation.
  • the current heat losses in the treatment coil and in the supply cable can be reduced, on the other hand can be used in the power circuit used for pulse power electronic Leist ⁇ ngsbaumaschine of comparatively lower current carrying capacity and correspondingly smaller size.
  • Another advantage of the present invention is to provide a device and a method for inductive nerve stimulation, which is due to their relatively low energy consumption, especially for repetitive stimulation with pulse repetition rates of 10 to 1000 pulses per second.
  • the devices for pulse generation according to the invention can be made comparatively small, lightweight and thus portable.
  • Another advantage of the present invention is the provision of an apparatus and method for efficiently generating non-sinusoidal time courses of the magnetic field pulses with simultaneously high power and low power Losses.
  • the mean edge steepness of the rising edge of the coil voltage can be controlled independently of the mean edge steepness of the falling edge and thus also of these edges of the tissue induced voltages and currents in the tissue.
  • FIG. 1 shows a pulse source, the treatment coil coupled via a cable and the tissue structure to be stimulated (human upper arm);
  • Fig. 2 shows the basic structure of a monophasic power circuit
  • Fig. 3 shows the voltage and current waveform in the coil of a monophasic stimulator during a pulse
  • Fig. 4 shows the basic structure of a power circuit for generating full sine waves
  • Fig. 5 shows the voltage and current waveform of a full-wave stimulator in the coil during a pulse
  • Fig. 6 shows the basic structure of a power circuit for generating sinusoidal half-waves
  • Fig. 7 shows the voltage and current waveform of a half-wave stimulator in the coil during a pulse
  • Fig. 8 shows by way of example the time course of the coil current I L and the coil voltage, which is composed of two juxtaposed sine half-waves of different frequency;
  • Fig. 9 shows the change of the triggering threshold for a nerve fiber as a function of the quotient of the frequencies of two juxtaposed half-waves of different frequency according to Fig. 8;
  • Fig. 10 shows by way of example a power circuit according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 11 shows by way of example the time course of the coil current I L and the coil voltage U 1 according to the first embodiment of the invention
  • Fig. 12 shows by way of example a power circuit according to a second embodiment of the present invention.
  • Fig. 13 shows by way of example the time course of the coil current IL2 and the coil voltage U L according to the second embodiment of the invention
  • Fig. 14 shows by way of example a power circuit according to a third embodiment of the present invention.
  • Fig. 15 shows by way of example the timing of the coil current IL and the coil voltage UL according to the third embodiment of the invention.
  • Fig. 16 shows by way of example a power circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Fig. 17 shows by way of example the time characteristic of the coil current I Ln and the coil voltage U L according to the fourth embodiment of the invention.
  • Fig. 18 shows by way of example a power circuit according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Fig. 19 exemplifies a power circuit according to a sixth embodiment of the present invention.
  • Fig. 20 shows by way of example the time course of the coil current I L and the coil voltage U L according to the sixth embodiment of the invention.
  • the invention is based on the finding that the strength and energy of the magnetic field pulse required for nerve stimulation can be significantly reduced if the temporal current profile is adapted to the dynamic behavior of the ion transport processes in the nerve cell membrane.
  • this can be achieved if the associated power electronics for pulse generation the time course of the short Magnetic field pulse, which generates the treatment coil, compared to previous systems changed in such a way that the mean edge steepness of the rising edge of the induced electric field differs significantly from the mean edge steepness of the falling edge.
  • This in turn is achieved when the time course of the coil voltage generated by the power electronics is such that the mean edge steepness of rising edges clearly differs from the mean edge steepness of falling edges.
  • the power electronics can generate pulses which have a plurality of voltage zero crossings and thus also a plurality of rising and falling edges of the time profile of the induced electric field strength during a single pulse and thereby also the respective mean edge steepnesses of rising edges from the mean edge steepnesses clearly distinguish between sloping flanks.
  • the associated power electronics can be designed so that during a pulse at least one zero crossing of the coil current takes place a short interruption of the oscillation process. During these interruption times, no magnetic field is generated by the coil.
  • the knowledge of the necessary temporal course of the field is based on a mathematical modeling of the nerve cells, as first established by Hodgkin and Huxley (AL Hodgkin, AF Huxley: Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve Journal of Physiology 117, 1952, pp. 500-544).
  • the model is based on a set of nonlinear differential equations and simulates the behavior of nerve cells, especially the behavior of axons. For example, this model models the response of an axon to external electrical currents. Therefore, the required stimulus currents can be computationally determined with different pulse shapes, which are necessary in order to trigger an action potential in the nerve cell.
  • the model incorporates the dynamic, nonlinear behavior of, for example, the sodium and potassium ion channels of the cell membrane into the simulation.
  • Such models describe the temporal behavior of neurons with nonlinear terms of high order. Direct inversion of the equations is therefore generally not possible. Optimizations must therefore be made via skillful estimates with subsequent quantitative confirmation in the forward model.
  • it can be deduced from the model that there exists both an underlying mechanism that favors the induction of an action potential and an inhibitory mechanism that tends to suppress triggering. These two mechanisms have a very different time behavior, which can be exploited for the optimization of particularly energetic stimuli.
  • the amplitude of the current required for an irritation current pulse can be reduced if the mean slope of the rising edge of the time course of the stimulus current is significantly higher than the mean edge steepness of the falling edge, or more generally when the mean edge steepness of the rising edge significantly different from the mean edge steepness of the falling edge.
  • the stimulation current in the tissue follows approximately the course of the induced by a stimulation coil in the tissue electric field strength.
  • the course of this induced electric field strength in turn directly follows the course of the voltage in the treatment coil. Therefore, for an optimization of the stimulus pulse, the average slope of the rising edge of the coil voltage should be significantly different from the mean slope of the falling edge.
  • stimulus pulses are also particularly efficient if several rising and falling edges of the time course of the coil voltage alternate in rapid succession, whereby in turn the respective mean edge steepnesses of the rising edges of the coil voltage are dependent on the mean edge steepnesses of the coil voltage clearly distinguish between sloping flanks.
  • An electronic circuit according to the invention which generates pulses with the properties described above, requires a lower magnetic field strength for the treatment coil and thus also a lower field energy for stimulus triggering in comparison to previous systems for inductive magnetic stimulation. Accordingly, it also allows the required coil current and thus the losses of the coil, and their heating can be reduced. By reducing the field energy, the coil voltage required for the stimulation can furthermore be reduced.
  • the circuit for generating the optimized coil pulses according to the invention generates current pulses in the treatment coil, which are composed of two sine half-waves of different frequency, wherein the first half wave sinusoidally rising current (and thus with maximum Coil voltage) begins and the transition from the first half-wave to the second takes place in the current zero crossing.
  • a sine wave is defined as a time course of the respective variable in the form of a sine function.
  • the course may also be slightly damped, i. the amplitude of the wave decreases slightly with increasing time.
  • a full sine wave is defined as a time characteristic of the respective quantity in the form of a sine function over a full period, ie sin (x) for 0 ⁇ x ⁇ 2 ⁇ .
  • a sine half-wave is defined as a time characteristic of the respective quantity in the form of a sine function over half a period, ie sin (x) for 0 ⁇ x ⁇ ⁇ .
  • the circuit generates current pulses in the treatment coil, which are composed of several sections of sine waves, each having a different frequency, so that the respective mean edge slopes of rising edges of the coil voltage clearly differ from the mean edge slopes sloping edges.
  • the circuit generates current pulses in the treatment coil, which are composed of two or more juxtaposed sinusoidal half waves with the same polarity, since here too mean edge slopes of the rising edges of the coil voltage resulting from the mean edge slopes of the clearly distinguish between sloping flanks.
  • FIG. 8 shows, by way of example, a time profile of the spin current I L and of the coil voltage U L , which are composed of two sinusoidal half-waves of different frequencies. The induced in the tissue electric field strength and the resulting current follow approximately the course of the coil voltage U L.
  • FIG. 9 shows the result of a computational simulation in which the current amplitude required for an irritation was investigated for different pulse shapes.
  • the pulse duration ie the total time for the two sinusoidal half-waves juxtaposed, as shown in FIG. 8, was kept constant.
  • the quotient consisting of the duration of the first half-wave through the duration of the second half-wave, was varied.
  • the relative threshold current that is currently required for a depolarization ie for the triggering of an action potential in the nerve fiber (axon) was determined. This current amplitude is also called the triggering threshold.
  • the maximum induced tissue flow is directly proportional to the maximum coil current and to the maximum capacitor voltage, a change in this triggering threshold is a crucial value for the effectiveness of the inductive stimulus devices.
  • the required pulse energy can even be reduced to less than 25% due to this improved pulse shape. Since the ohmic current heat losses of the resonant circuit also depend on the square of the current, the losses and the coil heating in this example can be reduced to less than 25%. Conversely, if this quotient is reduced, the stimulus threshold is increased in comparison with an irritation with full-wave sine waves.
  • pulses which are composed of more than two juxtaposed half-waves with the current curves shown in Figure 8
  • a further increase in efficiency over the single wave shown here is possible.
  • This application of pulses with the described courses of events can be used as a method of irritating nerve and muscle cells.
  • a method according to the present invention may also be used for non-therapeutic purposes.
  • such a method can be used for targeted muscle building or the representation of functional relationships of the neuromotor system in humans and animals.
  • the duration of the magnetic field pulses are approximately in the range of 20 to 3000 microseconds; preferably, the duration should be in the range of 100 to 500 microseconds.
  • the strength of the magnetic field pulses should be at the coil surface in the range of a flux density of 0.1 to 5 Tesla.
  • the magnetic flux density should be in the range of 0.3 to 1 Tesla.
  • This electrical stimulation current in the tissue should be at least one-tenth and a maximum of five times the stimulus currents required for irritation of the cells.
  • the stimulation current should be at least half and at most twice the stimulation currents needed to stimulate the cells.
  • time courses of the coil current pulse can be generated, which are composed of parts of sine waves of different frequency.
  • time courses of the coil current are realized by means of switchable capacitors and / or switchable coils, the inductance of the treatment coil remaining unchanged.
  • These resonant circuit elements can therefore define either successively or simultaneously the current flow in the power circuit and in particular in the treatment coil.
  • FIG. 10 shows a first embodiment of the invention for generating pulse shapes according to FIG. 8.
  • This circuit is based on a direct coupling of two oscillating circuits, which alternately or at times simultaneously determine the time characteristic of the coil current and the coil voltage.
  • the resonant circuits use a common coil 1010, namely the treatment coil, but each use their own capacitors 1030 and 1050 with different capacitance.
  • a capacitor 1030 or 1050 forms with an associated circuit breaker 1020 and 1040, a capacitor-switch unit.
  • the two capacitor switch units are alternately or temporarily also electrically connected to the coil 1010 so that a switching between the capacitors is preferably carried out during the zero crossing of the coil current.
  • a current waveform can be generated on the coil, which consists of two sine half-waves of different frequency (or of several sections of waves with different frequencies).
  • the sinusoidal half-waves of different frequency can also be generated so that during a half cycle both capacitors 1030 and 1050 are connected to the coil 1010, and during the other half wave only one of the two capacitors 1030 or 1050 is connected to the coil 1010.
  • capacitors of the same capacity can be used.
  • the two switches 1020 and 1040 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that produces more than two directly juxtaposed half-waves become.
  • FIG. 11 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG.
  • FIG. 12 shows a second embodiment, which is likewise based on the direct coupling of two oscillating circuits, which alternately or at times also simultaneously
  • the resonant circuits use a common capacitor 1250, but use their own
  • Coils 1210 and 1220 with different inductance wherein one of these coils the
  • Treatment coil is.
  • the two coil-switch units are alternately electrically connected to the capacitor 1250 so that switching from the first Coil to the second coil is preferably carried out during the zero crossing of the coil current.
  • a current waveform can be generated on the coil, which is composed of two sine half-waves of different frequency.
  • the sinusoidal half-waves of different frequency can also be generated so that during a half-wave both coils 1210 and 1220 are connected to the capacitor, and during the other half-wave only one of the two coils is connected to the capacitor.
  • coils of the same inductance can also be used.
  • the two switches 1230 and 1240 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that produces more than two directly juxtaposed half-waves become.
  • FIG. 13 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG.
  • FIG 14 shows a third embodiment, which is based on the direct coupling of several resonant circuits, which alternately determine the time course of the coil current and the coil voltage.
  • the resonant circuits use a common coil 1410, namely the treatment coil, but each use a plurality of own capacitors (n capacitors, where n> 1, of which only two, the capacitors 1430 and 1450 are shown), preferably with different capacitance.
  • a respective capacitor 1430 or 1450 forms one of a total of n capacitor-switch units with an associated power switch 1420 or 1440.
  • These capacitor switch units are alternately or temporarily also electrically connected to the coil 1410 so that switching from a capacitor to a next capacitor is preferably carried out during the zero crossing of the coil current.
  • a current waveform can be generated in the treatment coil, which is composed of several sine half-waves of different frequency.
  • the sine half-waves of different frequency can also be generated so that during a half-wave, a first group of capacitors is connected to the coil, and during a following half cycle one or more capacitors are connected to the coil, so that their total capacity different from the total capacity of the first group of capacitors. In this Case, capacitors of the same capacity can be used.
  • the switches 1420, 1440 can either be controlled so that a single case of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that more than two directly juxtaposed half-waves are generated ,
  • FIG. 15 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG.
  • Figure 16 shows a fourth embodiment, which is also based on the direct coupling of several resonant circuits, which alternately determine the time course of the coil current and the coil voltage.
  • the resonant circuits use a common capacitor 1650 for this purpose, but use several coils (n coils, with n> 1, of which only two, the coils 1610 and 1620 are shown), preferably with different inductance, one of these coils being the treatment coil.
  • a coil 1610 or 1620 forms with an associated circuit breaker 1630 or 1640 one of a total of n coil-switch units.
  • coil-switch units are alternately or temporarily also so electrically connected to the capacitor 1650 that a switch from one coil to the next coil is preferably carried out during the zero crossing of the respective coil current.
  • a current waveform can be generated in the treatment coil, which is composed of several sine half-waves of different frequency.
  • the sine half-waves of different frequency can also be generated so that during a half-wave, a first group of coils is connected to the capacitor, and during another half-wave, one or more coils are connected to the capacitor, so that their total inductance different from the total inductance of the first group of coils.
  • coils of the same inductance can also be used.
  • FIG. 17 shows by way of example such a time characteristic of the current I Ln in the nth coil, the treatment coil and the coil voltage UL, as achieved with the circuit according to FIG.
  • Figure 18 shows a fifth embodiment based on a combination of the third and fourth embodiments.
  • the resonant circuits use m capacitors and n coils, where m and n are integers greater than one.
  • the capacitors have been extended by further switches, so that in each case the current and voltage direction can be switched at the capacitors.
  • this switching can also take place on the coils (of which only two, the coils 1810 and 1820 are shown), if they are each extended by correspondingly more switches.
  • a changeover takes place from one coil to the next, or from one capacitor to the next, during the zero crossing of the respective current to be switched.
  • the switches 1830, 1840, 1850 and 1860 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that more than two directly strung half waves are generated.
  • FIG. 19 shows a sixth embodiment which comprises a capacitor 1920 as a first energy store, which can be supplied with energy by an external charging circuit 210, and a coil 1910, preferably the treatment coil as a further energy store, which is connected to the first energy store via a special triggering circuit is.
  • the special trigger circuit consists of four switching elements 1930, 1940, 1950 and 1960, which on the one hand initiate the discharge of the first energy storage in the further energy storage, as well as again allow a recharge in the first energy storage.
  • the switches are preferably switched in pairs, so that each opposite switch closed and the remaining switches are open. A switch from one pair of switches to the other is preferably carried out at the zero crossing of Spuienstromes.
  • this Ausmolu ⁇ gsform generates temporal current curves in the treatment coil in such a way that a time course of the induced electric field strength results, in which the mean edge steepnesses of the rising edges of the mean edge steepnesses of the falling edges significantly different.
  • FIG. 20 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG. 19.
  • the switches can be further controlled so that the one or more capacitors are each operated only in a polarity direction of the voltage.
  • care must be taken in particular during the discharging processes of the respective capacitor occurring within the pulses that the current direction across the switches is reversed at the latest when the capacitor is completely discharged, so that the capacitor voltage does not assume negative values, but instead instead continues to increase to positive values.
  • This periodic recharge can be via another electrically coupled Oscillating circuit system consisting of at least one switch, at least one further coil and at least one further capacitor.
  • the switches can be designed as power semiconductors, such as, for example, thyristors, IGBTs or MOSFETs.
  • the switches can additionally have a rectifying characteristic, so that they are either reverse-conducting or reverse-blocking.
  • these switches can also act as self-activating erasers, for example by increasing their conductivity when applied current or voltage characteristics have certain properties. This includes, for example, the polarity or a rapid increase in voltage.
  • switch power semiconductors with controllable electrical resistance such as IGBTs or MOSFETs can be used so that the current profile in the treatment coil can be controlled in addition to this controllable electrical resistance.

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Abstract

The invention relates to a device for generating brief, strong current pulses in a coil, wherein the coil generates magnetic field pulses with a duration of 20 to 3000 microseconds and a strength of 0.1 to 5 tesla, which cause electric stimulation currents in the body tissue according to the principle of electromagnetic induction for stimulating nerve and/or muscle cells, wherein the device comprises at least one capacitor for storing and dispensing the energy required for the field pulses and a suitable charge circuit for charging said capacitor, and the coil is designed such, and it can be positioned close enough to the body tissue to be stimulated such, that within the intended target region the magnetic field generated by the coil drops at maximum to one tenth of the strength at the coil surface, and wherein the electric stimulation currents generated by the magnetic field of the coil are at least one tenth and at maximum one fifth of the stimulation currents required for stimulating the cells. The device in the coil can generate a current pulse, the time curve of which is shaped such that the coil induces an electric field, wherein the mean edge steepness of rising edges differs from the mean edge steepness of falling edges.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR NERVENREIZUNG MIT MAGNETFELDIMPULSEN DEVICE AND METHOD FOR NERVE ENERGY WITH MAGNETIC FIELD PULSE
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Nerven- und Muskelreizung nach dem Prinzip der induktiven Magnetstimulation durch pulsförmige Magnetfelder. Weiterhin betrifft die Erfindung elektrische Leistungskreise zur Erzeugung verbesserter Zeitverläufe pulsförmiger Magnetfelder zur Nervenreizung.The present invention relates generally to a device for nerve and muscle stimulation according to the principle of inductive magnetic stimulation by pulsed magnetic fields. Furthermore, the invention relates to electrical power circuits for generating improved timing of pulse-shaped magnetic fields for nerve irritation.
Allgemein können durch von außen einwirkende elektrische Felder im Körpergewebe bestimmte Zellen gereizt werden. Dies geschieht dadurch, dass die elektrischen Felder im Gewebe elektrische Ströme verursachen, welche wiederum in diesen Zellen, beispielsweise in Nerven- oder Muskelzellen Aktionspotentiale auslösen. Insbesondere kann für diese Art der Reizung auch das Prinzip der magnetischen Induktion eingesetzt werden. Dabei erzeugt ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld ein induziertes elektrisches Feld. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld kann durch eine Spule erzeugt werden, welche von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflössen wird. Diese Spule, die Behandlungsspule liegt beispielsweise auf der Haut über dem zu reizenden Nervengewebe auf, so dass das erzeugte Magnetfeld das Gewebe durchdringen kann und nach dem Induktionsprinzip die für die Reizung erforderlichen Ströme im Gewebe erzeugt. Die Reizung durch diese sogenannte induktive Magnetstimulation kann dabei berührungslos erfolgen, da das Magnetfeld Körpergewebe ungehindert durchdringen kann. Die zeitabhängigen Magnetfelder werden über kurze Strompulse einer Dauer von üblicherweise 50 - 400 Mikrosekunden erzeugt.In general, certain cells can be irritated by externally applied electric fields in the body tissue. This happens because the electrical fields in the tissue cause electrical currents, which in turn trigger action potentials in these cells, for example in nerve or muscle cells. In particular, the principle of magnetic induction can also be used for this type of irritation. In this case, a time-varying magnetic field generates an induced electric field. The time-varying magnetic field can be generated by a coil, which is traversed by a time-varying current. This coil, the treatment coil, for example, rests on the skin above the nerve tissue to be stimulated, so that the magnetic field generated can penetrate the tissue and generates the currents required for the stimulation in the tissue according to the induction principle. The stimulation by this so-called inductive magnetic stimulation can be done without contact, since the magnetic field can penetrate body tissue unhindered. The time-dependent magnetic fields are generated via short current pulses of a duration of usually 50-400 microseconds.
Figur 1 zeigt eine typische Anordnung des Einsatzes der induktiven Magnetstimulation. Die Pulsquelle 110 erzeugt einen kurzen starken Strompuls und leitet diesen an die Behandlungsspule 120. Die Behandlungsspule 120 wird nahe des zur reizenden Nervengewebes des Körpers positioniert, so dass das erzeugte Magnetfeld diese Gewebestruktur durchdringen kann. Das von der Spule erzeugte magnetische Feld induziert im Körpergewebe, hier am Oberarm 130 ein elektrisches Feld, welches über die entstehenden Ströme Nerven- und Muskelgewebe reizt.Figure 1 shows a typical arrangement of the use of inductive magnetic stimulation. The pulse source 110 generates a short strong current pulse and conducts it to the treatment coil 120. The treatment coil 120 is positioned close to the irritant nerve tissue of the body so that the generated magnetic field can penetrate this tissue structure. The magnetic field generated by the coil induces an electrical field in the body tissue, here on the upper arm 130, which excites nervous and muscular tissue via the resulting currents.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines induktiven Stimulationsgerätes, wie er in den ersten Geräten insbesondere zur kontaktlosen Reizung von kortikalen Nervenstrukturen durch den intakten Schädelknochen verwendet wurde. Die Schaltung nutzt hierzu einen leistungsstarken gedämpften elektrischen Schwingkreis (Resonator) bestehend aus einem Kondensator 220, einem Dämpfungswiderstand 230, einer Diode 240, einem Thyristor 250 und der Behandlungsspule 260. Die Ladeschaltung 210 lädt den Kondensator 220 auf eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Energieinhalt des Kondensators beträgt dabei einige 100 Joule. Der Thyristor 250 dient als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischer! Behaπdlungsspuie 260 verbindet und so den Stromfluß in der Spule beginnen läßt.Figure 2 shows the basic circuit structure of an inductive stimulation device, as it was used in the first devices in particular for contactless irritation of cortical nerve structures through the intact skull bone. The circuit uses a powerful damped electrical resonant circuit (resonator) consisting of a capacitor 220, a damping resistor 230, a diode 240, a thyristor 250 and the treatment coil 260. The charging circuit 210 charges the capacitor 220 to a voltage of several thousand volts. The energy content of the capacitor is several hundred joules. The thyristor 250 serves as a switch that ignites the capacitor 220 with the magnetic! Behaπdlungsspuie 260 connects and so start the flow of current in the coil.
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Behandlungsspule entsprechend der Schaltung von Figur 2. Nach dem Zünden des Thyristors entsteht ein zunächst sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Dieses magnetische Feld induziert wiederum infolge seiner zeitlichen Änderung Ringströme im Körpergewebe. Bei Erreichen des Strom- Scheitelwertes hat die phasenversetzte Spulenspannung genau ihren ersten Nulldurchgang. Da ab diesem Zeitpunkt die Spulenspannung ihr Vorzeichen umkehrt, wird nun die Dämpfungsschaltung, bestehend aus dem Widerstand 230 und der Diode 240 aktiv, welche ein Weiterschwingen des Schwingkreises unterbindet. Daher sinkt der Spulenstrom nach Erreichen seines Scheitelwertes langsam wieder auf Null zurück. Die typische Zeitdauer zwischen der Thyristorzündung und dem Erreichen des Stromscheitelwertes liegt bei ca. 50 bis 150 Mikrosekunden. Durch diese Dämpfungsschaltung wird allerdings die gesamte Pulsenergie des Kondensators im Widerstand 230 und in den Spulenleitern der Behandlungsspule in Wärme umgewandelt.Figure 3 shows the time course of current and voltage in the treatment coil according to the circuit of Figure 2. After the ignition of the thyristor creates a first sinusoidally increasing current flow, which generates a correspondingly increasing with time magnetic field. This magnetic field in turn induces ring currents in the body tissue as a result of its temporal change. When the current peak value is reached, the phase-shifted coil voltage has exactly its first zero crossing. Since from this point on the coil voltage reverses its sign, now the damping circuit consisting of the resistor 230 and the diode 240 is active, which prevents further oscillation of the resonant circuit. Therefore, the coil current slowly returns to zero after reaching its peak value. The typical time between the thyristor ignition and the achievement of the current peak value is about 50 to 150 microseconds. By this damping circuit, however, the entire pulse energy of the capacitor is converted into heat in the resistor 230 and in the coil conductors of the treatment coil.
Diese bei den ersten Geräten eingesetzte Dämpfungsschaltung, welche die Schwingung ab der ersten abfallenden Stromflanke (nach einem Viertel der Periodendauer) abdämpft, charakterisiert die sogenannte monophasische Stimulation, da der Spulenstrom während des Pulses nur in eine Richtung fließt, also sein Vorzeichen nicht wechselt.This damping circuit used in the first devices, which attenuates the oscillation from the first falling current edge (after one quarter of the period), characterizes the so-called monophasic stimulation, since the coil current only flows in one direction during the pulse, ie does not change its sign.
Vorteile der induktiven Magnetstimulation sind einerseits die Berührungslosigkeit, da das Magnetfeld der Behandlungsspule Körpergewebe auch in einem gewissen Abstand zur Spule erreicht. Daher können Nervenzellen auch steril gereizt werden. Andererseits ist das Verfahren im Gegensatz zur elektrischen Stimulation über Elektroden nahezu völlig schmerzfrei, da anders als bei der Elektrostimulation keine hohen Stromdichten an Einspeiseorten von Elektroden entstehen können. Aus diesen Gründen eignet sich dieses Verfahren auch besonders gut zur Reizung tief liegender Gewebestrukturen (z.B. die Gehirnrinde durch den Schädelknochen hindurch) und zur schmerzfreien Muskelstimulation z.B. im Bereich der Rehabilitation. Allerdings hat bei der induktiven Magnetstimulation dieser Umweg über das Magnetfeld der Behandlungsspule auch wichtige technische Probleme zur Folge:Advantages of inductive magnetic stimulation on the one hand, the contactlessness, since the magnetic field of the treatment coil body tissue also reaches a certain distance from the coil. Therefore, nerve cells can also be irritated sterile. On the other hand, in contrast to electrical stimulation via electrodes, the method is almost completely free of pain since, unlike electrostimulation, high current densities can not occur at feed locations of electrodes. For these reasons, this method is also particularly well suited to irritate deep tissue structures (eg the cerebral cortex through the skull bone) and for painless muscle stimulation eg in the field of rehabilitation. However, in inductive magnetic stimulation, this detour via the magnetic field of the treatment coil also has important technical problems:
Die erforderlichen magnetischen Flussdichten liegen im Bereich von ca. 1 Tesla, so dass hohe Feldenergien in die Spule geleitet werden müssen. Daher muss während des sehr kurzen magnetischen Stimulationspulses eine extrem hohe elektrische Leistung in die Spule hineingeführt werden; diese Leistung kann Werte von mehreren Megawatt erreichen. Da weiterhin die Pulsenergie des magnetischen Feldes bei den ersten Geräten bei jedem Puls komplett verloren geht, weisen diese Geräte einen sehr hohen Energieverbrauch auf. Weiterhin überhitzt die Behandlungsspule bei dieser Gerätetechnik sehr schnell, wobei hier zusätzlich beachtet werden muss, dass die Spulen als Behandlungteil, welches den Körper direkt berühren kann, keinesfalls zu hohe Temperaturen erreichen darf.The required magnetic flux densities are in the range of approximately 1 Tesla, so that high field energies must be conducted into the coil. Therefore, during the very short magnetic stimulation pulse, extremely high electrical power must be introduced into the coil; this power can reach values of several megawatts. Furthermore, since the pulse energy of the magnetic field is completely lost with the first devices at every pulse, these devices consume very high energy. Furthermore, the treatment coil overheats in this device technology very quickly, in which case it must also be noted that the coils may not reach too high temperatures as a treatment part, which can touch the body directly.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass der zeitliche Verlauf des im Gewebe induzierten und zur Reizung eingesetzten Stromes im Gegensatz zur Elektrostimulation nicht mehr frei wählbar ist. Im Körpergewebe wird entsprechend dem Prinzip der magnetischen Induktion nur dann ein elektrisches Feld induziert, wenn sich der Spulenstrom und damit das magnetische Feld zeitlich verändert. Insbesondere können keine effizienten einfachen monophasischen Rechteckpulse mit kurzzeitigem Gleichanteil erzeugt werden, wie sie bei der Elektrostimulation eingesetzt werden. Statt dessen ist man grundsätzlich auf zeitlich veränderliche Spulenströme und damit auch auf zeitlich veränderliche induzierte Gewebeströme festgelegt.A further disadvantage is that the time course of the current induced in the tissue and used for the stimulation, in contrast to electrostimulation, can no longer be freely selected. In the body tissue, an electric field is induced according to the principle of magnetic induction only when the coil current and thus the magnetic field changes over time. In particular, it is not possible to generate efficient simple monophasic rectangular pulses with a short-term direct component, as used in electrostimulation. Instead, one is basically fixed on time-variable coil currents and thus also on temporally variable induced tissue currents.
Daher erwiesen sich der hohe Energieverbrauch und die damit verbundene schnelle Erwärmung von Gerät und Behandlungsspule bei der induktiven Magnetstimulation als die wichtigsten technischen Probleme. Insbesondere sind diese ersten Geräte nicht für die sogenannte repetitive Stimulation geeignet, bei der 10 bis 50 Pulse pro Sekunde erforderlich sind. Diese repetitive Stimulation wird beispielsweise in der Neυrorehabilitation zum Wiedererlernen von Bewegungsmustern oder zum Muskelaufbau eingesetzt. Weiterhin erschweren aber auch die Größe der Geräte und ihr hoher Preis das Erschließen weiterer Einsatzgebiete in der Neurodiagnostik und der Neurorehabilitation.Therefore, the high energy consumption and the associated rapid heating of the device and treatment coil in inductive magnetic stimulation proved to be the most important technical problems. In particular, these first devices are not suitable for the so-called repetitive stimulation, in which 10 to 50 pulses per second are required. This repetitive stimulation is used, for example, in neuro-rehabilitation for relearning movement patterns or for building muscle. Furthermore, the size of the devices and their high price make it difficult to open up further fields of application in neurodiagnosis and neurorehabilitation.
Daher besteht das wichtigste Entwicklungsziel bei den Geräten zur induktiven Magnetstimulation in der Reduktion des Energieverbrauches. Durch experimentelle Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass auch ein ungedämpfter sinusförmiger Zeitverlauf des Spulenstromes und damit auch des magnetischen Feldes bei gleicher Amplitude etwa eine gleichwertige Wirkung hinsichtlich der Nervenreizung zeigt, wie der Stromverlauf von Figur 3.Therefore, the most important development goal of the devices for inductive magnetic stimulation in the reduction of energy consumption. By experimental investigations it could be shown that also an undamped sinusoidal Time course of the coil current and thus also the magnetic field at the same amplitude about an equivalent effect in terms of nerve irritation shows how the current waveform of Figure 3.
Figur 4 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines Stimulationsgerätes, welches sinusförmige Strom- bzw. Feldpulse erzeugt Auch hier lädt die Ladeschaltung 210 denFIG. 4 shows the basic circuit structure of a stimulation device which generates sinusoidal current or field pulses. Again, the charging circuit 210 charges the
Kondensator 220 auf eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Thyristor 410 dient wieder als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischenCapacitor 220 to a voltage of several thousand volts. The thyristor 410 serves again as a switch, the capacitor 220 with the magnetic when ignited
Behandlungsspule 260 verbindet. Im Gegensatz zur monophasischenTreatment coil 260 connects. Unlike the monophasic
Stimulatorschaltung von Figur 2 wird bei dieser Schaltung jedoch keine Dämpfungsschaltung eingesetzt, so dass auch nach dem ersten Nulldurchgang derStimulator circuit of Figure 2, however, no damping circuit is used in this circuit, so that even after the first zero crossing of the
Spulenspannung der Schwingkreis weiterschwingt.Coil voltage of the resonant circuit continues to oscillate.
Figur 5 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Behandlungsspule entsprechend der Schaltung von Figur 4. Nach dem Zünden des Thyristors entsteht ein sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Nach einer halben Sinusschwingung, zum Zeitpunkt T/2 wechselt der Strom im Schwingkreis seine Polarität. Zu diesem Zeitpunkt übernimmt die Diode 420 die Leitung des Spulenstromes bis eine volle Sinusschwingung zum Zeitpunkt T erreicht wird. Eine erneute Umkehr der Stromrichtung und damit ein Weiterschwingen wird unterbunden, da der Thyristor 410 zu diesem Zeitpunkt T nicht mehr leitet. Wegen der Umkehr der Stromrichtung während eines Pulses zum Zeitpunkt T/2 wird diese Art der Stimulation allgemein als biphasische Magnetstimulation bezeichnet.Figure 5 shows the time course of current and voltage in the treatment coil according to the circuit of Figure 4. After the ignition of the thyristor creates a sinusoidal rising current flow, which generates a correspondingly increasing with time magnetic field. After half a sine wave, at time T / 2, the current in the resonant circuit changes its polarity. At this time, the diode 420 takes over the conduction of the coil current until a full sinusoidal oscillation at time T is reached. A renewed reversal of the current direction and thus further oscillation is prevented because the thyristor 410 no longer conducts at this time T. Because of the reversal of the current direction during a pulse at time T / 2, this type of stimulation is commonly referred to as biphasic magnetic stimulation.
Der Vorteil dieses Schaltungsprinzips gemäß Figur 4 besteht darin, dass ein großer Teil der für die Behandlungsspule 260 aufgewendeten Feldenergie wieder in den Kondensator 220 zurückgeführt werden kann und so die Verluste sowohl in der Pulsquelle als auch in der Behandlungsspule 260 reduziert werden. Die Verluste der Schaltung nach Figur 4 ergeben sich hauptsächlich über die ohmschen Widerstände der beteiligten Schaltungskomponenten und ihrer Verbindungskabel.The advantage of this circuit principle according to FIG. 4 is that a large part of the field energy used for the treatment coil 260 can be returned to the capacitor 220, thus reducing the losses both in the pulse source and in the treatment coil 260. The losses of the circuit of Figure 4 are mainly due to the ohmic resistances of the circuit components involved and their connection cable.
Da die für eine erfolgreiche Reizung erforderliche Stromamplitude jedoch gegenüber den Geräten mit monophasischer Pulsform etwa unverändert ist, bleiben auch die nötige Spannung und der Energieinhalt des Kondensators 220 nahezu gleich, wie bei monophasischen Geräten.However, since the current amplitude required for successful stimulation is approximately unchanged from monophasic pulse form devices, the necessary voltage and energy content of capacitor 220 also remain nearly the same, as in monophasic devices.
Die bevorzugte Verwendung eines elektrischen Schwingkreises zur Erzeugung der Strompulse für die Behandlungsspule anstelle einer direkten Steuerung (z.B. über Längsregelung) des Spulenstromes aus einer Leistungsquelle erklärt sich über die enorme Leistung, die während eines Magnetpulses benötigt wird. Diese Leistung liegt im Megawattbereich. D.h. es werden Spulenspannungen von bis zu drei Kilovolt und Spulenströme von bis zu acht Kiloampere für die Reizung benötigt. Das Prinzip zur Erzeugung leistungsstarker Pulse für die Behandlungsspule beruht somit auf einer kontinuierlichen Ladung des Schwingkreis-Kondensators über eine Ladevorrichtung bei relativ geringer Leistung und der schnellen Abgabe des Energieinhalts dieses Kondensators an die Behandlungsspule zur Erzeugung des kurzen starken Magnetfeld- Pulses.The preferred use of an electrical resonant circuit for generating the current pulses for the treatment coil instead of a direct control (eg over Longitudinal control) of the coil current from a power source is explained by the enormous power required during a magnetic pulse. This power is in the megawatt range. This means that coil voltages of up to three kilovolts and coil currents of up to eight kiloamps are required for the stimulation. The principle for generating powerful pulses for the treatment coil is thus based on a continuous charge of the resonant circuit capacitor via a charging device at relatively low power and the rapid release of the energy content of this capacitor to the treatment coil for generating the short strong magnetic field pulse.
Figur 6 stellt eine weitere Entwicklung der Schaltkreise von induktiven Magnetstimulatoren dar. Auch hier lädt die Ladeschaltung 210 den Kondensator 220 auf eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Thyristor 610 dient wieder als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischen Behandlungsspule 260 verbindet.Figure 6 illustrates a further development of the circuits of inductive magnetic stimulators. Again, the charging circuit 210 charges the capacitor 220 to a voltage of several thousand volts. The thyristor 610 again serves as a switch which connects the capacitor 220 to the magnetic treatment coil 260 during ignition.
Figur 7 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Behandlungsspule entsprechend der Schaltung von Figur 6. Nach dem Zünden des Thyristors 610 entsteht ein sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Nach einer halben Sinusschwingung, zum Zeitpunkt T/2 erreicht der Strom im Schwingkreis seine erste Nullstelle. Falls zu diesem Zeitpunkt der zweite Thyristor, 620 nicht gezündet wird, ist eine Umkehr der Stromrichtung nicht möglich, so dass ein Weiterschwingen bereits nach einer Halbwelle unterbunden wird. Eine Zündung des Thyristors 620 zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt in der Behandlungsspule einen weiteren Halbwellenpuls mit umgekehrter Strom- und Magnetfeldrichtung. Alternativ kann aber auch direkt bei Erreichen der ersten Strom- Nullstelle der zweite Thyristor, 620 gezündet werden, so dass eine volle Sinusschwingung, ähnlich wie bei Figur 5 entsteht. In jedem Fall wird aber auch bei dieser Schaltung die Feldenergie der Spule zu einem großen Teil wieder in den Kondensator zurückgeführt.Figure 7 shows the time course of current and voltage in the treatment coil according to the circuit of Figure 6. After the ignition of the thyristor 610 creates a sinusoidal rising current flow, which generates a correspondingly increasing with time magnetic field. After half a sinusoidal oscillation, at time T / 2, the current in the resonant circuit reaches its first zero point. If at this time the second thyristor, 620 is not ignited, a reversal of the current direction is not possible, so that further oscillation is prevented already after a half-wave. Ignition of the thyristor 620 at a later time generates in the treatment coil a further half-wave pulse with reverse current and magnetic field direction. Alternatively, however, the second thyristor 620 can also be ignited directly upon reaching the first current zero point, so that a full sinusoidal oscillation arises, similar to FIG. 5. In any case, however, the field energy of the coil is also returned to a large extent back into the capacitor in this circuit.
Je nach Wahl des Endzeitpunktes des Pulses unterscheidet man daher bezüglich der Pulsformen der induktiven Stimulationsgeräte zwischen einer biphasischen Vollwellen- Stimulation (Dauer des Strompulses eine volle Sinusperiode) und einer biphasischen Halbwellen-Stimulation. Nachteilig bei der biphasischen Halbwellen-Stimulation ist allerdings, dass nach dem Puls die Spannungsrichtung im Kondensator gegenüber dem Zustand vor der Pulsabgabe invertiert ist, wodurch die entsprechende Ladeschaltung aufwändiger wird. Weiterhin wechselt bei der biphasischen Halbwellenstimulation auch die Richtung des magnetischen Feldes, so dass aufeinanderfolgende Pulse leicht unterschiedliche Wirkungen im Gewebe erzeugen.Depending on the choice of the end time of the pulse, a distinction is therefore made with respect to the pulse shapes of the inductive stimulation devices between a biphasic full-wave stimulation (duration of the current pulse a full sine period) and a biphasic half-wave stimulation. A disadvantage of the biphasic half-wave stimulation, however, is that after the pulse, the voltage direction in the capacitor is inverted compared to the state before the pulse output, whereby the corresponding charging circuit becomes more complex. Furthermore, in the case of biphasic half-wave stimulation, the direction of the magnetic field also changes, so that successive pulses easily produce different effects in the tissue.
Die Energierückgewinnung entsprechend den Schaltungen von Figur 4 und Figur 6 ermöglichen eine Reduktion der aufgewendeten Leistung und damit auch den Bau von repetitiven induktiven Stimulationsgeräten, welche bis zu 100 Pulse pro Sekunde abgeben können. Allerdings ist speziell für diesen repetitiven Betrieb derThe energy recovery according to the circuits of Figure 4 and Figure 6 allow a reduction in the power used and thus the construction of repetitive inductive stimulation devices, which can deliver up to 100 pulses per second. However, especially for this repetitive operation of the
Energieverbrauch und die Spulenerwärmung immer noch erheblich. Insbesondere dieEnergy consumption and coil heating still significant. especially the
Spulenerwärmung begründet sich durch die sehr hohen notwendigen Spulenströme im Kiloampere-Bereich und dem aus Gewichtsgründen nicht beliebig reduzierbarenCoil heating is due to the very high required coil currents in the kiloampere range and the weight reasons, not arbitrarily reducible
Widerstand der Behandlungsspule.Resistance of the treatment coil.
Eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs und der Spulenerwärmung kann daher alleine durch diese Energierückgewinnung kaum mehr erreicht werden. Im Gegensatz zur Elektrostimulation, bei der die Zusammenhänge zwischen Pulsform und Reizwirkung bereits relativ früh experimentell erforscht wurden, fanden fundierte Untersuchungen zu effektiveren Pulsformen im Bereich der induktiven Magnetstimulation kaum statt. Dies liegt hauptsächlich darin begründet, dass infolge der hohen erforderlichen elektrischen Leistungen für jede Änderung eines Reizparameters eine aufwändige Modifikation der Pulserzeugungs-Schaltung erforderlich ist. Daher wurden für solche Untersuchungen und Optimierungen bisher nur einfach zu veränderte Parameter, wie die Pulsdauer oder die Stromamplitude variiert.A further reduction of energy consumption and coil heating can therefore hardly be achieved by this energy recovery alone. In contrast to electrostimulation, in which the connections between pulse shape and irritation were already experimentally researched relatively early, sound investigations into more effective pulse shapes in the field of inductive magnetic stimulation hardly took place. This is mainly due to the fact that due to the high electrical power required for each change of a stimulus parameter, a complex modification of the pulse generation circuit is required. Therefore, only such parameters as the pulse duration or the current amplitude have been varied so far for such examinations and optimizations.
Daher stellen noch immer diese drei Wellentypen, die gedämpften monophasischen Pulse, die biphasische Halbwellen-Pulse und die biphasischen Vollwellen-Pulse die einzigen Pulsformen dar, die bei der kommerziellen induktiven Magnetstimulationsgeräten in Therapie und Forschung eingesetzt werden.Therefore, these three modes, the attenuated monophasic pulses, the biphasic half-wave pulses and the biphasic full-wave pulses still represent the only pulse shapes used in the commercial inductive magnetic stimulation devices in therapy and research.
Zeitweise Versuche mit anderen Pulsformen, wie in Peterchev et al. 2008 mit einer Rechteckform (A. V. Peterchev, R. Jalinous, and S. H. Lisanby: A Transcranial Magnetic Stimulator Inducing Near-Rectangular Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS), IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, no. 1 , 2008) sind entweder energetisch sehr ineffektiv, oder sie führen zu äußerst aufwändigen technischen Aufbauten und sind somit zu kostspielig für eine kommerzielle technische Realisierung.Temporary experiments with other pulse forms, as in Peterchev et al. 2008, with a rectangular shape (AV Peterchev, R. Jalinous, and SH Lisanby: A Transcranial Magnetic Stimulator Inducing Near-Rectangular Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS), IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, no. 1, 2008) either energetically very ineffective, or they lead to extremely complex technical structures and are therefore too expensive for a commercial technical realization.
Infolge der beschriebenen Vorteile - insbesondere die Berührungslosigkeit und die Schmerzfreiheit - konnte sich die induktive Magnetstimulation gegenüber der Elektrostimulation bereits in einigen Bereichen durchsetzen oder sogar neue Anwendungsgebiete erschließen.As a result of the described advantages - in particular the non-contact and the absence of pain - the inductive magnetic stimulation could be compared to the Electrical stimulation already enforce in some areas or even open up new application areas.
Sehr verbreitet ist das Verfahren zur neuronalen Diagnostik sowohl im zentralen als auch dem peripheren Nervensystem.The procedure for neuronal diagnosis in both the central and the peripheral nervous system is very common.
Momentan handelt es sich um das einzige nicht-invasive Verfahren, mit dem ohne Schmerzen des Patienten beispielsweise bestimmte Gehirnbereiche gezielt in der Weise angesprochen werden können, (d.h. Auslösen von Nervenaktionspotentialen oder unterschwellige Beeinflussung von Nervenzellen in diesen Bereichen), dass Reaktionen der Nervenzellen vom Körper genauso oder zumindest sehr ähnlich wie natürlich entstandene Nervenimpulse verarbeitet werden.Currently, it is the only non-invasive procedure that allows specific areas of the brain to be addressed in a targeted manner (ie triggering nerve action potentials or subliminally influencing nerve cells in these areas) without the pain of the patient, the reactions of the nerve cells to the body just as or at least very much as naturally occurring nerve impulses are processed.
In der Grundlagenforschung wird die induktive Magnetstimulation aus diesem Grund ebenfalls als Instrument zur gemeinsamen Untersuchung zusammen mit der funktionellen Magnetresonanztomographie eingesetzt. Über Pulse ist eine gezielte Anregung (und Hemmung) bestimmter Hirnareale erzeugbar, deren Auswirkungen wiederum mit diesem Bildgebungsverfahren untersucht werden kann.For this reason, inductive magnetic stimulation is also used in basic research as a tool for joint examination together with functional magnetic resonance tomography. Pulse can be used to generate specific stimulation (and inhibition) of certain areas of the brain, the effects of which can in turn be investigated with this imaging method.
Weiterhin stellen insbesondere Anwendungen in der Neurorehabilitation ein großes Einsatzgebiet der induktiven Magnetstimulation dar. Dabei werden vor allem periphere motorische Nerven für den Muskelaufbau und/oder das Wiedererlernen bestimmter Bewegungsmuster aktiviert und trainiert. Hierbei ist besonders die repetitive Dauerstimulation mit schnellen Pulsfolgen (ca. 10 bis 50 Pulse pro Sekunde) von großer Bedeutung; jedoch treten bei dieser Art der Nervenreizung die beschriebenen Leistungsund Energieprobleme bisheriger Geräte noch deutlicher hervor.Furthermore, applications in neurorehabilitation in particular represent a large field of application of inductive magnetic stimulation. Primarily, peripheral motor nerves are activated and trained for muscle building and / or the re-learning of specific movement patterns. Especially the repetitive continuous stimulation with fast pulse sequences (about 10 to 50 pulses per second) is of great importance; However, in this type of nerve irritation, the described power and energy problems of previous devices become even clearer.
Darüber hinaus werden in der Sportmedizin die Geräte inzwischen bereits sehr häufig zum Muskelaufbau nach Verletzungen oder zur Nutzung des gewöhnlichen Trainingseffektes eingesetzt (insbesondere auch bei vielen Spitzensportlern). Die über die induktive Magnetstimulation am Muskel erzielbare Kraftwirkung zeigte sich jedoch bislang aus rein technisch-physikalischen Gründen noch nicht mit der willentlich erreichbaren Kraft vergleichbar.In addition, in sports medicine, the devices are already very often used to build muscle after injury or to use the usual training effect (especially in many top athletes). However, the force effect achievable on the muscle via the inductive magnetic stimulation has so far not been comparable with the willfully achievable force for purely technical-physical reasons.
Bei allen genannten Anwendungen besteht der Nachteil der induktiven Magnetstimulation im hohen Energieverbrauch, der sehr schnellen Überhitzung der Behandlungsspule und dem hohen Gewicht der Lade- und Pulserzeugungselektronik. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung verbesserter magnetischer Pulse zur Nervenreizung bereitzustellen, mit dessen Hilfe die genannten Nachteile vermieden werden.In all these applications, the disadvantage of inductive magnetic stimulation in high energy consumption, the very fast overheating of the treatment coil and the high weight of the charging and pulse generating electronics. It is an object of the invention to provide a method for generating improved magnetic pulses for nerve irritation, by means of which the mentioned disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Magnetfeldpulsen mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by a method for generating magnetic field pulses with the features mentioned in claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einer verbesserten Anpassung des Zeitvertaufes der im Gewebe induzierten Ströme an die dynamischen Ladungstransportphänomene der Nervenfasern die benötigte Feldstärke und Feldenergie zur induktiven Reizung reduziert werden kann. Insbesondere ist hierzu von der zugehörigen Leistungselektronik der zeitliche Verlauf des kurzen Magnetfeldpulses den die Behandlungsspule erzeugt, gegenüber bisherigen Systemen in der Weise zu verändern, dass sich die mittlere Flankensteilheit ansteigender Flanken des induzierten elektrischen Feldes von der mittleren Flankensteilheit abfallender Flanken unterscheidet.The invention is based on the finding that with an improved adaptation of the time-course of the currents induced in the tissue to the dynamic charge-transport phenomena of the nerve fibers, the required field strength and field energy for inductive irritation can be reduced. In particular, for this purpose of the associated power electronics, the time course of the short magnetic field pulse generates the treatment coil to change over previous systems in such a way that the mean edge steepness rising edges of the induced electric field differs from the mean edge steepness sloping edges.
Mit anderen Worten sollen die von der Leistungselektronik erfindungsgemäß produzierten magnetischen Stimulationspulse nicht mehr einen sinusförmigen oder gedämpft sinusförmigen Verlauf aufweisen, sondern so beschaffen sein, dass das von der Spule induzierte elektrische Feld entweder deutlich schneller ansteigt, als es abfällt oder deutlich langsamer ansteigt, als es abfällt. Der Verlauf des von der Behandlungsspule induzierten elektrischen Feldes folgt etwa dem zeitlichen Verlauf der Spulenspannung. Entsprechend können die genannten Zeitabhängigkeiten des Verlaufs des induzierten elektrischen Feldes über einen entsprechenden Verlauf der Spulenspannung erzielt werden.In other words, the magnetic stimulation pulses produced by the power electronics according to the invention should no longer have a sinusoidal or attenuated sinusoidal profile, but be such that the electric field induced by the coil either increases significantly faster than it drops or increases significantly more slowly than it does drops. The course of the induced from the treatment coil electric field follows approximately the time course of the coil voltage. Accordingly, the mentioned time dependencies of the course of the induced electric field can be achieved via a corresponding course of the coil voltage.
Die von der Behandlungsspule erzeugten Feldpulse können dabei so ausgelegt sein, dass nur jeweils eine ansteigende und eine abfallende Flanke der induzierten elektrischen Feldstärke erzeugt werden oder dass sich innerhalb eines Pulses mehrere ansteigende und abfallende Flanken der induzierten Feldstärke abwechseln, wobei auch in diesem Fall sich jeweils die mittleren Flankensteilheiten der ansteigenden Flanken von den mittleren Flankensteilheiten der abfallenden Flanken deutlich unterscheiden. Weiterhin kann die zugehörige Leistungselektronik so ausgelegt sein, dass jeweils beim Nulldurchgang des Spulenstromes eine kurze Unterbrechung des Schwingungsvorgangs stattfindet. In diesen Unterbrechungszeiten wird von der Spule kein magnetisches Feld erzeugt.The field pulses generated by the treatment coil can be designed so that only one rising and one falling edge of the induced electric field strength are generated or alternating within a pulse a plurality of rising and falling edges of the induced field strength, in each case in this case clearly distinguish the average edge steepnesses of the rising flanks from the mean edge steepnesses of the falling flanks. Furthermore, the associated power electronics can be designed so that in each case takes place at the zero crossing of the coil current, a brief interruption of the oscillation process. During these interruption times, no magnetic field is generated by the coil.
Vorzugsweise sollte die Leistungselektronik so ausgeführt werden, dass die Leistungselektronik zusammen mit der Behandlungsspule ein resonantes System aus einem oder mehreren Schwingkreisen darstellt. Auf diese Weise kann die Feldenergie der Spule wieder in einen oder mehrere Kondensatoren zurückgeführt werden. Durch eine entsprechende Kopplung mehrerer Schwingkreise können Pulse erzeugt werden, welche sich aus einzelnen Abschnitten von Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen. Auf diese Weise können die Pulse so geformt werden, dass sich die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke von der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanke deutlich unterscheidet. Gleichzeitig kann auch bei solchen Pulsen, die nicht mehr sinusförmig sind, energieeffizient die magnetische Feideπergie der Behandlungsspule zu einem großen Teil wieder in einen oder mehrere Kondensatoren der Leistungselektronik zurückgespeist werden.Preferably, the power electronics should be designed so that the power electronics together with the treatment coil represents a resonant system of one or more resonant circuits. In this way, the field energy of the coil can be returned to one or more capacitors. Through a corresponding coupling of several resonant circuits pulses can be generated which are composed of individual sections of sinusoids of different frequencies. In this way, the pulses can be shaped so that the mean edge steepness of the rising edge clearly differs from the mean edge steepness of the falling edge. At the same time, even with such pulses, which are no longer sinusoidal, the magnetic Feideπergie the treatment coil can be energy-efficiently fed back into one or more capacitors of the power electronics to a large extent.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung, welche eine vergleichsweise geringe Feldenergie und Feldstärke zur Reizung der Nerven benötigen. Mit dieser Reduktion der Energie kann auch der eine oder mehrere für die Zwischenspeicherung der Pulsenergie genutzten Kondensatoren hinsichtlich ihrer Baugrößen reduziert werden.An advantage of the present invention is the provision of an apparatus and method for inductive nerve stimulation which require relatively low field energy and field strength to irritate the nerves. With this reduction of energy and the one or more capacitors used for the intermediate storage of the pulse energy can be reduced in terms of their sizes.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung, welche eine vergleichsweise geringere Kondensator- und Spulenspannung für die Reizung der Nerven benötigt, so dass Isolationsabstände verkleinert und notwendige Sicherheitsmaßnahmen vereinfacht werden können.Another advantage of the present invention is the provision of an inductive nerve stimulation device and method which requires a comparatively lower capacitor and coil voltage for the irritation of the nerves so that isolation distances can be reduced and necessary safety measures can be simplified.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung, welche einen vergleichsweise geringen Spulenstrom für die Reizauslösung benötigt. Auf diese Weise können einerseits die Stromwärme-Verluste in der Behandlungsspule und im Zuführungskabel reduziert werden, andererseits können im zur Pulserzeugung verwendeten Leistungskreis elektronische Leistυngsbauteile von vergleichsweise geringerer Stromtragfähigkeit und entsprechend geringerer Baugröße eingesetzt werden.Another advantage of the present invention is the provision of an inductive nerve stimulation apparatus and method which requires a relatively low coil current for stimulus initiation. In this way, on the one hand, the current heat losses in the treatment coil and in the supply cable can be reduced, on the other hand can be used in the power circuit used for pulse power electronic Leistυngsbauteile of comparatively lower current carrying capacity and correspondingly smaller size.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nerven reizung, welche sich auf Grund ihres vergleichsweise geringen Energieverbrauchs vor allem für die repetitive Stimulation mit Pulswiederholraten von 10 bis 1000 Pulsen pro Sekunde eignet. Gleichzeitig können die Geräte zur erfindungsgemäßen Pulserzeugung vergleichsweise klein, leicht und damit tragbar gemacht werden.Another advantage of the present invention is to provide a device and a method for inductive nerve stimulation, which is due to their relatively low energy consumption, especially for repetitive stimulation with pulse repetition rates of 10 to 1000 pulses per second. At the same time, the devices for pulse generation according to the invention can be made comparatively small, lightweight and thus portable.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur effizienten Erzeugung von nicht-sinusförmigen Zeitverläufen der Magnetfeldpulse bei gleichzeitig hoher Leistung und geringen Verlusten. Insbesondere kann die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke der Spulenspannung gegenüber der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanke und damit auch diese Flanken der im Gewebe induzierten Spannungen und Ströme im Gewebe unabhängig voneinander gesteuert werden.Another advantage of the present invention is the provision of an apparatus and method for efficiently generating non-sinusoidal time courses of the magnetic field pulses with simultaneously high power and low power Losses. In particular, the mean edge steepness of the rising edge of the coil voltage can be controlled independently of the mean edge steepness of the falling edge and thus also of these edges of the tissue induced voltages and currents in the tissue.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die voranstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher, wobei:The foregoing and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine Pulsquelle, die über ein Kabel angekoppelte Behandlungsspule und die zu reizende Gewebsstruktur (menschlicher Oberarm) zeigt;1 shows a pulse source, the treatment coil coupled via a cable and the tissue structure to be stimulated (human upper arm);
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines monophasischen Leistungskreises zeigt;Fig. 2 shows the basic structure of a monophasic power circuit;
Fig. 3 den Spannungs- und Stromverlauf in der Spule eines monophasischen Stimulators während eines Pulses zeigt;Fig. 3 shows the voltage and current waveform in the coil of a monophasic stimulator during a pulse;
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Leistungskreises zur Erzeugung von Sinus- Vollwellen zeigt;Fig. 4 shows the basic structure of a power circuit for generating full sine waves;
Fig. 5 den Spannungs- und Stromverlauf eines Vollwellen-Stimulators in der Spule während eines Pulses zeigt;Fig. 5 shows the voltage and current waveform of a full-wave stimulator in the coil during a pulse;
Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau eines Leistungskreises zur Erzeugung von Sinus- Halbwellen zeigt;Fig. 6 shows the basic structure of a power circuit for generating sinusoidal half-waves;
Fig. 7 den Spannungs- und Stromverlauf eines Halbwellen-Stimulators in der Spule während eines Pulses zeigt;Fig. 7 shows the voltage and current waveform of a half-wave stimulator in the coil during a pulse;
Fig. 8 beispielhaft den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und der Spulenspannung zeigt, der sich aus zwei aneinandergereihte Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt;Fig. 8 shows by way of example the time course of the coil current I L and the coil voltage, which is composed of two juxtaposed sine half-waves of different frequency;
Fig. 9 die Veränderung der Auslöseschwelle für eine Nervenfaser in Abhängigkeit des Quotienten der Frequenzen von zwei aneinandergereihten Halbwellen unterschiedlicher Frequenz gemäß Figur 8 zeigt;Fig. 9 shows the change of the triggering threshold for a nerve fiber as a function of the quotient of the frequencies of two juxtaposed half-waves of different frequency according to Fig. 8;
Fig. 10 beispielhaft einen Leistungskreis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 11 beispielhaft den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und der Spulenspannung U1 entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;Fig. 10 shows by way of example a power circuit according to a first embodiment of the present invention; Fig. 11 shows by way of example the time course of the coil current I L and the coil voltage U 1 according to the first embodiment of the invention;
Fig. 12 beispielhaft einen Leistungskreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 12 shows by way of example a power circuit according to a second embodiment of the present invention;
Fig. 13 beispielhaft den Zeitverlauf des Spulenstromes IL2 und der Spulenspannung UL entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;Fig. 13 shows by way of example the time course of the coil current IL2 and the coil voltage U L according to the second embodiment of the invention;
Fig. 14 beispielhaft einen Leistungskreis gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 14 shows by way of example a power circuit according to a third embodiment of the present invention;
Fig. 15 beispielhaft den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und der Spulenspannung UL entsprechend der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;Fig. 15 shows by way of example the timing of the coil current IL and the coil voltage UL according to the third embodiment of the invention;
Fig. 16 beispielhaft einen Leistungskreis gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 16 shows by way of example a power circuit according to a fourth embodiment of the present invention;
Fig. 17 beispielhaft den Zeitverlauf des Spulenstromes lLn und der Spulenspannung UL entsprechend der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;Fig. 17 shows by way of example the time characteristic of the coil current I Ln and the coil voltage U L according to the fourth embodiment of the invention;
Fig. 18 beispielhaft einen Leistungskreis gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 18 shows by way of example a power circuit according to a fifth embodiment of the present invention;
Fig. 19 beispielhaft einen Leistungskreis gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; undFig. 19 exemplifies a power circuit according to a sixth embodiment of the present invention; and
Fig. 20 beispielhaft den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und der Spulenspannung UL entsprechend der sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt.Fig. 20 shows by way of example the time course of the coil current I L and the coil voltage U L according to the sixth embodiment of the invention.
In den Zeichnungen sollen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, Bauteile und Anordnungen bezeichnen.In the drawings, like reference numerals shall designate like parts, components and arrangements.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Stärke und die Energie des zur Nervenreizung benötigten Magnetfeldpulses deutlich reduzieren lässt, wenn der zeitliche Stromverlauf dem dynamischen Verhalten der lonentransportvorgänge in der Nervenzellmembran angepasst wird. Insbesondere kann dies erreicht werden, wenn die zugehörige Leistungselektronik zur Pulserzeugung den zeitlichen Verlauf des kurzen Magnetfeldpulses, den die Behandlungsspule erzeugt, gegenüber bisherigen Systemen in der Weise verändert, dass sich die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke des induzierten elektrischen Feldes sich deutlich von der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanke unterscheidet. Dies wiederum wird erreicht, wenn der von der Leistungselektronik erzeugte zeitliche Verlauf der Spulenspannung so beschaffen ist, dass sich die mittlere Flankensteilheit ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheit abfallender Flanken deutlich unterscheidet.The invention is based on the finding that the strength and energy of the magnetic field pulse required for nerve stimulation can be significantly reduced if the temporal current profile is adapted to the dynamic behavior of the ion transport processes in the nerve cell membrane. In particular, this can be achieved if the associated power electronics for pulse generation the time course of the short Magnetic field pulse, which generates the treatment coil, compared to previous systems changed in such a way that the mean edge steepness of the rising edge of the induced electric field differs significantly from the mean edge steepness of the falling edge. This in turn is achieved when the time course of the coil voltage generated by the power electronics is such that the mean edge steepness of rising edges clearly differs from the mean edge steepness of falling edges.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik Pulse erzeugen kann, die während eines einzelnen Pulses mehrere Spannungsnulldurchgänge und damit auch mehrere ansteigende und abfallende Flanken des zeitlichen Verlaufs der induzierten elektrischen Feldstärke aufweisen und dabei sich ebenfalls wieder die jeweiligen mittlere Flankensteilheiten ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheiten abfallender Flanken deutlich unterscheiden.Furthermore, it is advantageous if the power electronics can generate pulses which have a plurality of voltage zero crossings and thus also a plurality of rising and falling edges of the time profile of the induced electric field strength during a single pulse and thereby also the respective mean edge steepnesses of rising edges from the mean edge steepnesses clearly distinguish between sloping flanks.
Weiterhin kann die zugehörige Leistungselektronik so ausgelegt sein, dass während eines Pulses bei mindestens einem Nulldurchgang des Spulenstromes eine kurze Unterbrechung des Schwingungsvorgangs stattfindet. In diesen Unterbrechungszeiten wird von der Spule kein magnetisches Feld erzeugt.Furthermore, the associated power electronics can be designed so that during a pulse at least one zero crossing of the coil current takes place a short interruption of the oscillation process. During these interruption times, no magnetic field is generated by the coil.
Die Erkenntnis bezüglich der notwendigen zeitlichen Verlaufsformen des Feldes basiert auf einer mathematischen Modellierung der Nervenzellen, wie sie erstmalig von Hodgkin und Huxley aufgestellt wurden (A. L. Hodgkin, A. F. Huxley: A Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve. Journal of Physiology. 117, 1952, S. 500-544). Das Modell basiert auf einem Satz nichtlinearer Differentialgleichungen und simuliert das Verhalten von Nervenzellen, insbesondere das Verhalten von Axonen. Mit diesem Modell kann beispielsweise die Reaktion eines Axons auf von außen einwirkende elektrische Ströme modelliert werden. Daher können hiermit die erforderlichen Reizströme bei verschiedenen Pulsformen rechnerisch bestimmt werden, die erforderlich sind, um ein Aktionspotential in der Nervenzelle auszulösen.The knowledge of the necessary temporal course of the field is based on a mathematical modeling of the nerve cells, as first established by Hodgkin and Huxley (AL Hodgkin, AF Huxley: Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve Journal of Physiology 117, 1952, pp. 500-544). The model is based on a set of nonlinear differential equations and simulates the behavior of nerve cells, especially the behavior of axons. For example, this model models the response of an axon to external electrical currents. Therefore, the required stimulus currents can be computationally determined with different pulse shapes, which are necessary in order to trigger an action potential in the nerve cell.
Das Modell bezieht dabei das dynamische, nichtlineare Verhalten beispielsweise der Natrium- und Kalium-Ionenkanäle der Zellmembran in die Simulation mit ein. Derartige Modelle beschreiben das zeitliche Verhalten von Neuronen mit nichtlinearen Termen hoher Ordnung. Eine direkte Invertierung der Gleichungen ist daher im Allgemeinen nicht möglich. Optimierungen müssen somit über geschickte Abschätzungen mit anschließender quantitativer Bestätigung im Vorwärtsmodell erfolgen. Speziell in Bezug auf die Natrium-Ionenkanäle kann aus dem Modell gefolgert werden, dass sowohl ein bahnender Mechanismus existiert, welcher die Auslösung eines Aktionspotentials begünstigt, als auch hemmender Mechanismus, welcher eine Auslösung eher unterdrückt. Diese beiden Mechanismen weisen ein stark unterschiedliches Zeitverhalten auf, was man sich für die Optimierung von energetisch besonders effektiven Reizen zunutze machen kann. Insbesondere kann aus der mathematischen Betrachtung dieser Mechanismen gefolgert werden, dass sich die Amplitude des für eine Reizung erforderlichen Strompulses senken lässt, wenn die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke des zeitlichen Verlaufes des Reizstromes deutlich höher ist, als die mittlere Flankensteilheit der abfallenden Flanke, oder allgemeiner, wenn sich die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke von der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanke deutlich unterscheidet. Der Reizstrom im Gewebe folgt dabei etwa dem Verlauf der von einer Stimulationsspule im Gewebe induzierten elektrischen Feldstärke. Der Verlauf dieser induzierten elektrischen Feldstärke wiederum folgt direkt dem Verlauf der Spannung in der Behandlungsspule. Daher sollte sich für eine Optimierung des Reizpulses die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke der Spulenspannung von der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanke deutlich unterscheiden. Weiterhin kann aus dem Modell gefolgert werden, dass Reizpulse auch dann besonders effizient sind, wenn sich mehrere ansteigende und abfallende Flanken des zeitlichen Verlaufs der Spulenspannung in schneller Folge abwechseln, wobei wiederum sich die jeweiligen mittleren Flankensteilheiten der ansteigenden Flanken der Spulenspannung von den mittleren Flankensteilheiten der abfallenden Flanken deutlich unterscheiden.The model incorporates the dynamic, nonlinear behavior of, for example, the sodium and potassium ion channels of the cell membrane into the simulation. Such models describe the temporal behavior of neurons with nonlinear terms of high order. Direct inversion of the equations is therefore generally not possible. Optimizations must therefore be made via skillful estimates with subsequent quantitative confirmation in the forward model. Especially in relation On the sodium ion channels, it can be deduced from the model that there exists both an underlying mechanism that favors the induction of an action potential and an inhibitory mechanism that tends to suppress triggering. These two mechanisms have a very different time behavior, which can be exploited for the optimization of particularly energetic stimuli. In particular, it can be inferred from the mathematical consideration of these mechanisms that the amplitude of the current required for an irritation current pulse can be reduced if the mean slope of the rising edge of the time course of the stimulus current is significantly higher than the mean edge steepness of the falling edge, or more generally when the mean edge steepness of the rising edge significantly different from the mean edge steepness of the falling edge. The stimulation current in the tissue follows approximately the course of the induced by a stimulation coil in the tissue electric field strength. The course of this induced electric field strength in turn directly follows the course of the voltage in the treatment coil. Therefore, for an optimization of the stimulus pulse, the average slope of the rising edge of the coil voltage should be significantly different from the mean slope of the falling edge. Furthermore, it can be inferred from the model that stimulus pulses are also particularly efficient if several rising and falling edges of the time course of the coil voltage alternate in rapid succession, whereby in turn the respective mean edge steepnesses of the rising edges of the coil voltage are dependent on the mean edge steepnesses of the coil voltage clearly distinguish between sloping flanks.
Eine elektronische Schaltung gemäß der Erfindung, welche Pulse mit den oben beschriebenen Eigenschaften erzeugt, benötigt für die Behandlungsspule eine geringere magnetische Feldstärke und damit auch eine geringere Feldenergie zur Reizauslösung im Vergleich zu bisherigen Systemen für die induktive Magnetstimulation. Entsprechend können damit auch der erforderliche Spulenstrom und somit auch die Verluste der Spule, sowie ihre Erwärmung reduziert werden. Durch die Verringerung der Feldenergie kann weiterhin auch die zur Reizung benötigte Spulenspannung reduziert werden.An electronic circuit according to the invention, which generates pulses with the properties described above, requires a lower magnetic field strength for the treatment coil and thus also a lower field energy for stimulus triggering in comparison to previous systems for inductive magnetic stimulation. Accordingly, it also allows the required coil current and thus the losses of the coil, and their heating can be reduced. By reducing the field energy, the coil voltage required for the stimulation can furthermore be reduced.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Schaltung zur Erzeugung der optimierten Spulenpulse gemäß der Erfindung Strompulse in der Behandlungsspule erzeugt, welche sich aus zwei Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen, wobei die erste Halbwelle mit von Null sinusförmig ansteigendem Strom (und damit mit maximaler Spulenspannung) beginnt und der Übergang von der ersten Halbwelle zur zweiten im Stromnulldurchgang erfolgt.In particular, it is advantageous if the circuit for generating the optimized coil pulses according to the invention generates current pulses in the treatment coil, which are composed of two sine half-waves of different frequency, wherein the first half wave sinusoidally rising current (and thus with maximum Coil voltage) begins and the transition from the first half-wave to the second takes place in the current zero crossing.
Eine Sinuswelle ist dabei definiert als ein Zeitverlauf der jeweiligen Größe in Form einer Sinusfunktion. Dabei kann der Verlauf auch leicht gedämpft sein, d.h. die Amplitude der Welle nimmt mit zunehmender Zeit leicht ab. Weiterhin ist eine Sinus-Vollwelle dabei definiert als ein Zeitverlauf der jeweiligen Größe in Form einer Sinusfunktion über eine volle Periode, also sin (x) für 0 ≤ x ≤ 2π. Entsprechend ist eine Sinus-Halbwelle dabei definiert als ein Zeitverlauf der jeweiligen Größe in Form einer Sinusfunktion über eine halbe Periode, also sin (x) für 0 < x ≤ π.A sine wave is defined as a time course of the respective variable in the form of a sine function. The course may also be slightly damped, i. the amplitude of the wave decreases slightly with increasing time. Furthermore, a full sine wave is defined as a time characteristic of the respective quantity in the form of a sine function over a full period, ie sin (x) for 0 ≦ x ≦ 2π. Correspondingly, a sine half-wave is defined as a time characteristic of the respective quantity in the form of a sine function over half a period, ie sin (x) for 0 <x ≦ π.
Alternativ ist es auch vorteilhaft, wenn die Schaltung Strompulse in der Behandlungsspule erzeugt, die sich aus mehreren Abschnitten von Sinuswellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen, so dass sich die jeweiligen mittleren Flankensteilheiten ansteigender Flanken der Spulenspannung von den mittleren Flankensteilheiten abfallender Flanken deutlich unterscheiden.Alternatively, it is also advantageous if the circuit generates current pulses in the treatment coil, which are composed of several sections of sine waves, each having a different frequency, so that the respective mean edge slopes of rising edges of the coil voltage clearly differ from the mean edge slopes sloping edges.
Weiterhin ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Schaltung Strompulse in der Behandlungsspule erzeugt, die sich aus zwei oder mehreren aneinandergereihten Sinus- Halbwellen mit gleicher Polarität zusammensetzen, da sich auch hier mittlere Flankensteilheiten der ansteigenden Flanken der Spulenspannung ergeben, die sich von den mittleren Flankensteilheiten der abfallenden Flanken deutlich unterscheiden.Furthermore, it is also advantageous if the circuit generates current pulses in the treatment coil, which are composed of two or more juxtaposed sinusoidal half waves with the same polarity, since here too mean edge slopes of the rising edges of the coil voltage resulting from the mean edge slopes of the clearly distinguish between sloping flanks.
Figur 8 zeigt beispielhaft einen Zeitverlauf des Spυlenstromes IL und der Spulenspannung UL, die sich aus zwei sinusförmigen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen. Die im Gewebe induzierte elektrische Feldstärke und der resultierende Strom folgen etwa dem Verlauf der Spulenspannung UL.FIG. 8 shows, by way of example, a time profile of the spin current I L and of the coil voltage U L , which are composed of two sinusoidal half-waves of different frequencies. The induced in the tissue electric field strength and the resulting current follow approximately the course of the coil voltage U L.
Figur 9 zeigt das Ergebnis einer rechnerischen Simulation, bei der die für eine Reizung erforderliche Stromamplitude für verschiedene Pulsformen untersucht wurde. Für diese Simulation wurde die Pulsdauer, also die Gesamtzeit für die beiden aneinandergereihten Sinus-Halbwellen, wie sie in Figur 8 dargestellt sind, konstant gehalten. In den Berechnungen wurde der Quotient, bestehend aus der Dauer der ersten Halbwelle durch die Dauer der zweiten Halbwelle, variiert. Bestimmt wurde dann in Abhängigkeit dieses Quotienten der relative Schwellenstrom, der gerade für eine Depolarisation, d.h. für die Auslösung eines Aktionspotenials in der Nervenfaser (Axon) erforderlich ist. Diese Stromamplitude bezeichnet man auch als Auslöseschwelle. Da bei diesen Pulsen der maximale induzierte Gewebestrom direkt proportional zum maximalen Spulenstrom und zur maximalen Kondensatorspannung ist, stellt eine Veränderung dieser Auslöseschwelle einen entscheidenden Wert für die Effektivität der induktiven Reizgeräte dar. Die Skalierung der Auslöseschwelle ist in Figur 9 so normiert, dass sie für eine reine Sinus-Vollwelle - wie sie bisher bei kommerziellen Geräten verwendet wird - den Wert eins erreicht. Aus Figur 9 ist ersichtlich, dass gegenüber einer reinen Sinus-Vc.'lweüe, der erforderliche Gewebestrom (und damit auch der Spulenstrom und die Kondensatorspannung) mit zunehmendem Quotienten absinkt. Wenn beispielsweise die Dauer der ersten Halbwelle viermal so groß ist, wie die zweite Halbwelle (Quotient = 4), sinkt die für eine Reizung erforderliche Spulenstromstärke auf weniger als 50% des Wertes, der bei sinusförmiger Anregung benötigt wird. Durch den quadratischen Zusammenhang zwischen Spulenstrom und Feldenergie, kann die erforderliche Pulsenergie durch diese verbesserte Pulsform sogar auf weniger als 25% abgesenkt werden. Da auch die ohmschen Stromwärme-Verluste des Schwingkreises quadratisch von der Stromstärke abhängen, können auch die Verluste und die Spulenerwärmung in diesem Beispiel auf weniger als 25% reduziert werden. Umgekehrt wird bei einer Verkleinerung dieses Quotienten die Reizschwelle gegenüber einer Reizung mit Sinus- Vollwellen erhöht.FIG. 9 shows the result of a computational simulation in which the current amplitude required for an irritation was investigated for different pulse shapes. For this simulation, the pulse duration, ie the total time for the two sinusoidal half-waves juxtaposed, as shown in FIG. 8, was kept constant. In the calculations, the quotient, consisting of the duration of the first half-wave through the duration of the second half-wave, was varied. Depending on this ratio, the relative threshold current that is currently required for a depolarization, ie for the triggering of an action potential in the nerve fiber (axon), was determined. This current amplitude is also called the triggering threshold. Since in these pulses the maximum induced tissue flow is directly proportional to the maximum coil current and to the maximum capacitor voltage, a change in this triggering threshold is a crucial value for the effectiveness of the inductive stimulus devices. The scaling of the triggering threshold is normalized in Figure 9 so that they are for a pure sine wave - as it is currently used in commercial devices - reaches the value one. It can be seen from FIG. 9 that, compared to a pure sine wave, the required tissue current (and thus also the coil current and the capacitor voltage) decreases with increasing quotient. For example, if the duration of the first half-wave is four times greater than the second half-wave (quotient = 4), the coil current required for an excitation decreases to less than 50% of the value needed for sinusoidal excitation. Due to the quadratic relationship between coil current and field energy, the required pulse energy can even be reduced to less than 25% due to this improved pulse shape. Since the ohmic current heat losses of the resonant circuit also depend on the square of the current, the losses and the coil heating in this example can be reduced to less than 25%. Conversely, if this quotient is reduced, the stimulus threshold is increased in comparison with an irritation with full-wave sine waves.
Durch Anwendung von Pulsen, die sich aus mehr als zwei aneinandergereihter Halbwellen mit den in Figur 8 gezeigten Stromverläufen zusammensetzen, ist eine weitere Effektivitätssteigerung gegenüber der hier dargestellten Einzelwelle möglich.By using pulses, which are composed of more than two juxtaposed half-waves with the current curves shown in Figure 8, a further increase in efficiency over the single wave shown here is possible.
Diese Anwendung von Pulsen mit den beschriebenen Verlaufsformen kann als ein Verfahren zur Reizung von Nerven- und Muskelzellen eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch zu nicht-therapeutischen Zwecken verwendet werden. Beispielsweise kann ein solches Verfahren für den gezielten Muskelaufbau oder die Darstellung funktionaler Zusammenhänge des neuromotorischen Systems bei Menschen und Tieren eingesetzt werden.This application of pulses with the described courses of events can be used as a method of irritating nerve and muscle cells. In particular, a method according to the present invention may also be used for non-therapeutic purposes. For example, such a method can be used for targeted muscle building or the representation of functional relationships of the neuromotor system in humans and animals.
Die Dauer der magnetischen Feldpulse liegen etwa im Bereich von 20 bis 3000 Mikrosekunden; vorzugsweise sollte die Dauer im Bereich von 100 bis 500 Mikrosekunden liegen.The duration of the magnetic field pulses are approximately in the range of 20 to 3000 microseconds; preferably, the duration should be in the range of 100 to 500 microseconds.
Die Stärke der magnetischen Feldpulse sollte an der Spulenoberfläche im Bereich einer Flußdichte von 0,1 bis 5 Tesla liegen. Vorzugsweise sollte die magnetische Flußdichte im Bereich von 0,3 bis 1 Tesla liegen. Über den Abstand der Spule zum zu reizenden Körpergewebe, über die Stromstärke in der Spule und über die mittlere Flankensteilheit des Spulenstromes kann die induzierte elektrische Feldstärke und damit der elektrische Reizstrom im Gewebe gesteuert werden. Dieser elektrische Reizstrom im Gewebe sollte mindestens bei einem Zehntel und maximal beim fünffachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströrne liegen. Vorzugsweise sollte der Reizstrom mindestens bei der Hälfte und maximal beim Doppelten der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen.The strength of the magnetic field pulses should be at the coil surface in the range of a flux density of 0.1 to 5 Tesla. Preferably, the magnetic flux density should be in the range of 0.3 to 1 Tesla. About the distance of the coil to be stimulated body tissue, the current in the coil and the mean edge steepness of the coil current, the induced electric field strength and thus the electrical stimulation current in the tissue can be controlled. This electrical stimulation current in the tissue should be at least one-tenth and a maximum of five times the stimulus currents required for irritation of the cells. Preferably, the stimulation current should be at least half and at most twice the stimulation currents needed to stimulate the cells.
Um zusätzlich das energieeffiziente Prinzip resonanter Schwingkreise mit der Behandlungsspule als Induktivität verwenden zu können, ist es zur Realisierung solcher Pulsformen vorteilhaft, mehrere elektrische Schwingkreise in der Weise direkt zu koppeln, dass diese abwechselnd den Zeitverlauf des Stromes und der Spannung in der Behandlungsspule bestimmen. Somit können Zeitverläufe des Spulenstrompulses erzeugt werden, welche sich aus Teilen von Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen. Gleichzeitig kann durch Anwendung dieser Schwingkreise oder Schwingkreis-Elemente auch erreicht werden, dass ein großer Teil der in der Spule gespeicherten magnetischen Feldenergie wieder zurück in den Kondensator gewonnen werden kann. In den beispielhaften Ausführungsformen werden diese Zeitverläufe des Spulenstromes über umschaltbare Kapazitäten und/oder umschaltbare Spulen realisiert, wobei die Induktivität der Behandlungsspule unverändert bleibt.In order to be able to additionally use the energy-efficient principle of resonant oscillating circuits with the treatment coil as inductance, it is advantageous for implementing such pulse shapes to directly couple a plurality of electrical resonant circuits in such a way that they alternately determine the time characteristic of the current and the voltage in the treatment coil. Thus, time courses of the coil current pulse can be generated, which are composed of parts of sine waves of different frequency. At the same time, by using these resonant circuits or resonant circuit elements, it can also be achieved that a large part of the magnetic field energy stored in the coil can be recovered back into the capacitor. In the exemplary embodiments, these time courses of the coil current are realized by means of switchable capacitors and / or switchable coils, the inductance of the treatment coil remaining unchanged.
Diese Schwingkreis-Elemente können daher entweder nacheinander oder auch gleichzeitig den Stromverlauf im Leistungskreis und insbesondere in der Behandlungsspule definieren.These resonant circuit elements can therefore define either successively or simultaneously the current flow in the power circuit and in particular in the treatment coil.
Der Einsatz solcher gekoppelter Schwingkreise kann damit durch das Erzeugen und das direkte Hintereinanderreihen von Halbwellen unterschiedlicher Dauer, auch im Gewebe einen zeitlichen Spannungsverlauf bzw. Stromverlauf induzieren, bei dem sich die mittleren Flankensteilheiten der ansteigenden Flanken von den mittleren Flankensteilheiten der abfallenden Flanken deutlich unterscheidenThe use of such coupled resonant circuits can thus induce by the generation and the direct succession of half-waves of different duration, even in the tissue a temporal voltage curve or current profile, in which the mean edge steepnesses of the rising edges of the mean edge steepnesses of the falling edges clearly differ
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird auf eine detaillierte Beschreibung bekannter Funktionen und Ausbildungen, die hier vorgesehen sind, verzichtet, um die Klarheit und die Kürze zu verbessern. Figur 10 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung von Pulsformen gemäß der Figur 8. Diese Schaltung basiert auf einer direkten Kopplung zweier Schwingkreise, welche abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig den Zeitverlauf des Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise nutzen hierzu eine gemeinsame Spule 1010, nämlich die Behandlungsspule, und verwenden aber jeweils eigene Kondensatoren 1030 und 1050 mit unterschiedlicher Kapazität. Jeweils ein Kondensator 1030 bzw. 1050 bildet mit einem zugehörigen Leistungsschalter 1020 bzw. 1040 eine Kondensator-Schalter-Einheit. Die beiden Kondensator-Schalter- Einheiten werden abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig so elektrisch mit der Spule 1010 verbunden, dass ein Umschalten zwischen den Kondensatoren vorzugsweise während des Nulldurchganges des Spulenstromes erfolgt. Auf diese Weise kann ein Stromverlauf an der Spule erzeugt werden, der sich aus zwei Sinus- Halbwellen unterschiedlicher Frequenz (oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz) zusammensetzt. Alternativ können die Sinus- Halbwellen unterschiedlicher Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle beide Kondensatoren 1030 und 1050 mit der Spule 1010 verbunden sind, und während der anderen Halbwelle nur einer der beiden Kondensatoren 1030 oder 1050 mit der Spule 1010 verbunden ist. In diesem Fall können auch Kondensatoren gleicher Kapazität verwendet werden. Weiterhin kann auch zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden. Die beiden Schalter 1020 und 1040 können dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden.Exemplary embodiments of the present invention will now be described in further detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, a detailed description of known functions and configurations provided herein will be omitted to improve the clarity and brevity. FIG. 10 shows a first embodiment of the invention for generating pulse shapes according to FIG. 8. This circuit is based on a direct coupling of two oscillating circuits, which alternately or at times simultaneously determine the time characteristic of the coil current and the coil voltage. For this purpose, the resonant circuits use a common coil 1010, namely the treatment coil, but each use their own capacitors 1030 and 1050 with different capacitance. In each case a capacitor 1030 or 1050 forms with an associated circuit breaker 1020 and 1040, a capacitor-switch unit. The two capacitor switch units are alternately or temporarily also electrically connected to the coil 1010 so that a switching between the capacitors is preferably carried out during the zero crossing of the coil current. In this way, a current waveform can be generated on the coil, which consists of two sine half-waves of different frequency (or of several sections of waves with different frequencies). Alternatively, the sinusoidal half-waves of different frequency can also be generated so that during a half cycle both capacitors 1030 and 1050 are connected to the coil 1010, and during the other half wave only one of the two capacitors 1030 or 1050 is connected to the coil 1010. In this case also capacitors of the same capacity can be used. Furthermore, it is also possible to switch over to a different point in time of the current profile than to the current zero crossing. The two switches 1020 and 1040 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that produces more than two directly juxtaposed half-waves become.
Figur 11 zeigt beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL, wie er mit der Schaltung gemäß Figur 10 erreicht wird.FIG. 11 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG.
Figur 12 zeigt eine zweite Ausführungsform, die ebenfalls auf der direkten Kopplung zweier Schwingkreise basiert, welche abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig denFIG. 12 shows a second embodiment, which is likewise based on the direct coupling of two oscillating circuits, which alternately or at times also simultaneously
Zeitverlauf des Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise nutzen hierzu einen gemeinsamen Kondensator 1250, und verwenden aber eigeneDetermining the time course of the coil current and the coil voltage. The resonant circuits use a common capacitor 1250, but use their own
Spulen 1210 und 1220 mit unterschiedlicher Induktivität, wobei eine dieser Spulen dieCoils 1210 and 1220 with different inductance, wherein one of these coils the
Behandlungsspule ist. Die beiden Spulen-Schalter-Einheiten werden abwechselnd so elektrisch mit dem Kondensator 1250 verbunden, dass ein Umschalten von der ersten Spule zur zweiten Spule vorzugsweise während des Nulldurchganges des Spulenstromes erfolgt. Auf diese Weise kann ein Stromverlauf an der Spule erzeugt werden, der sich aus zwei Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt. Alternativ können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle beide Spulen 1210 und 1220 mit der Kapazität verbunden sind, und während der anderen Halbwelle nur eine der beiden Spulen mit dem Kondensator verbunden ist. In diesem Fall können auch Spulen gleicher Induktivität verwendet werden. Weiterhin kann auch zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden. Die beiden Schalter 1230 und 1240 können dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden.Treatment coil is. The two coil-switch units are alternately electrically connected to the capacitor 1250 so that switching from the first Coil to the second coil is preferably carried out during the zero crossing of the coil current. In this way, a current waveform can be generated on the coil, which is composed of two sine half-waves of different frequency. Alternatively, the sinusoidal half-waves of different frequency can also be generated so that during a half-wave both coils 1210 and 1220 are connected to the capacitor, and during the other half-wave only one of the two coils is connected to the capacitor. In this case, coils of the same inductance can also be used. Furthermore, it is also possible to switch over to a different point in time of the current profile than to the current zero crossing. The two switches 1230 and 1240 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that produces more than two directly juxtaposed half-waves become.
Figur 13 zeigt beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL, wie er mit der Schaltung gemäß Figur 12 erreicht wird.FIG. 13 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG.
Figur 14 zeigt eine dritte Ausführungsform, welche auf der direkten Kopplung mehrerer Schwingkreise basiert, welche abwechselnd den Zeitverlauf des Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise nutzen hierzu eine gemeinsame Spule 1410, nämlich die Behandlungsspule und verwenden aber jeweils mehrere eigene Kondensatoren (n Kondensatoren, mit n > 1 , von denen nur zwei, die Kondensatoren 1430 und 1450 dargestellt sind), vorzugsweise mit unterschiedlicher Kapazität. Jeweils ein Kondensator 1430 bzw. 1450 bildet mit einem zugehörigen Leistungsschalter 1420 bzw. 1440 eine von insgesamt n Kondensator-Schalter-Einheiten. Diese Kondensator- Schalter-Einheiten werden abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig so elektrisch mit der Spule 1410 verbunden, dass ein Umschalten von einem Kondensator zu einem nächsten Kondensator vorzugsweise während des Nulldurchgangs des Spulenstromes erfolgt. Auf diese Weise kann ein Stromverlauf in der Behandlungsspule erzeugt werden, der sich aus mehreren Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt. Weiterhin können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle eine erste Gruppe von Kondensatoren mit der Spule verbunden ist, und während einer folgenden Halbwelle einer oder mehrere Kondensatoren mit der Spule verbunden sind, so dass deren Gesamt-Kapazität sich von der Gesamt-Kapazität der ersten Gruppe von Kondensatoren unterscheidet. In diesem Fall können auch Kondensatoren gleicher Kapazität verwendet werden. Weiterhin kann auch zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden. Die Schalter 1420, 1440 können dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollweile des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden.Figure 14 shows a third embodiment, which is based on the direct coupling of several resonant circuits, which alternately determine the time course of the coil current and the coil voltage. For this purpose, the resonant circuits use a common coil 1410, namely the treatment coil, but each use a plurality of own capacitors (n capacitors, where n> 1, of which only two, the capacitors 1430 and 1450 are shown), preferably with different capacitance. A respective capacitor 1430 or 1450 forms one of a total of n capacitor-switch units with an associated power switch 1420 or 1440. These capacitor switch units are alternately or temporarily also electrically connected to the coil 1410 so that switching from a capacitor to a next capacitor is preferably carried out during the zero crossing of the coil current. In this way, a current waveform can be generated in the treatment coil, which is composed of several sine half-waves of different frequency. Furthermore, the sine half-waves of different frequency can also be generated so that during a half-wave, a first group of capacitors is connected to the coil, and during a following half cycle one or more capacitors are connected to the coil, so that their total capacity different from the total capacity of the first group of capacitors. In this Case, capacitors of the same capacity can be used. Furthermore, it is also possible to switch over to a different point in time of the current profile than to the current zero crossing. The switches 1420, 1440 can either be controlled so that a single case of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that more than two directly juxtaposed half-waves are generated ,
Figur 15 zeigt beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL, wie er mit der Schaltung gemäß Figur 14 erreicht wird.FIG. 15 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG.
Figur 16 zeigt eine vierte Ausführungsform, welche ebenfalls auf der direkten Kopplung mehrerer Schwingkreise basiert, welche abwechselnd den Zeitverlauf des Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise nutzen hierzu einen gemeinsamen Kondensator 1650 und verwenden aber mehrere Spulen (n Spulen, mit n > 1 , von denen nur zwei, die Spulen 1610 und 1620 dargestellt sind), vorzugsweise mit unterschiedlicher Induktivität, wobei eine dieser Spulen die Behandlungsspule ist. Jeweils eine Spule 1610 bzw. 1620 bildet mit einem zugehörigen Leistungsschalter 1630 bzw. 1640 eine von insgesamt n Spule-Schalter-Einheiten. Diese Spule-Schalter- Einheiten werden abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig so elektrisch mit dem Kondensator 1650 verbunden, dass ein Umschalten von einer Spule zur nächsten Spule vorzugsweise während des Nulldurchganges des jeweiligen Spulenstromes erfolgt. Auf diese Weise kann ein Stromverlauf in der Behandlungsspule erzeugt werden, der sich aus mehreren Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt. Alternativ können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle eine erste Gruppe von Spulen mit dem Kondensator verbunden ist, und während einer anderen Halbwelle eine oder mehrere Spulen mit dem Kondensator verbunden sind, so dass deren Gesamt-Induktivität sich von der Gesamtinduktivität der ersten Gruppe von Spulen unterscheidet. In diesem Fall können auch Spulen gleicher Induktivität verwendet werden. Weiterhin kann auch zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden. Die Schalter 1630, 1640 können dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden. Figur 17 zeigt beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes lLn in der n-ten Spule, der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL, wie er mit der Schaltung gemäß Figur 16 erreicht wird.Figure 16 shows a fourth embodiment, which is also based on the direct coupling of several resonant circuits, which alternately determine the time course of the coil current and the coil voltage. The resonant circuits use a common capacitor 1650 for this purpose, but use several coils (n coils, with n> 1, of which only two, the coils 1610 and 1620 are shown), preferably with different inductance, one of these coils being the treatment coil. In each case a coil 1610 or 1620 forms with an associated circuit breaker 1630 or 1640 one of a total of n coil-switch units. These coil-switch units are alternately or temporarily also so electrically connected to the capacitor 1650 that a switch from one coil to the next coil is preferably carried out during the zero crossing of the respective coil current. In this way, a current waveform can be generated in the treatment coil, which is composed of several sine half-waves of different frequency. Alternatively, the sine half-waves of different frequency can also be generated so that during a half-wave, a first group of coils is connected to the capacitor, and during another half-wave, one or more coils are connected to the capacitor, so that their total inductance different from the total inductance of the first group of coils. In this case, coils of the same inductance can also be used. Furthermore, it is also possible to switch over to a different point in time of the current profile than to the current zero crossing. The switches 1630, 1640 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that more than two directly juxtaposed half-waves are generated , FIG. 17 shows by way of example such a time characteristic of the current I Ln in the nth coil, the treatment coil and the coil voltage UL, as achieved with the circuit according to FIG.
Figur 18 zeigt eine fünfte Ausführungsform, welche auf einer Kombination der dritten und vierten Ausführungsfcrrn basiert. Die Schwingkreise nutzen m Kondensatoren und n Spulen, wobei m und n ganze Zahlen größer eins sind. Insbesondere wurden in der dargestellten Ausführungsform gemäß Figur 18 zusätzlich die Kondensatoren um weitere Schalter erweitert, so dass jeweils die Strom- und Spannungsrichtung an den Kondensatoren umgeschaltet werden kann. Alternativ kann diese Umschaltung auch an den Spulen (von denen nur zwei, die Spulen 1810 und 1820 dargestellt sind) erfolgen, wenn diese jeweils um entsprechend weitere Schalter erweitert werden. Hierbei kann durch entsprechendes Zu- und Abschalten von Kondensatoren (beispielsweise über die Kondensator-Schalter Einheiten 1850, 1860) und/oder Spulen ein Zeitverlauf des Stromes in der Behandlungsspule (z.B. Spule 1810) gebildet werden, der sich aus mehreren Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt. Vorzugsweise erfolgt eine Umschaltung von einer Spule zur nächsten, bzw. von einem Kondensator zum nächsten, während des Nulldurchganges des jeweiligen zu schaltenden Stromes. Alternativ kann auch zu anderen Zeitpunkten des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden. Die Schalter 1830, 1840, 1850 und 1860 können dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden.Figure 18 shows a fifth embodiment based on a combination of the third and fourth embodiments. The resonant circuits use m capacitors and n coils, where m and n are integers greater than one. In particular, in the illustrated embodiment according to Figure 18, in addition, the capacitors have been extended by further switches, so that in each case the current and voltage direction can be switched at the capacitors. Alternatively, this switching can also take place on the coils (of which only two, the coils 1810 and 1820 are shown), if they are each extended by correspondingly more switches. This can be formed by appropriate switching on and off of capacitors (for example via the capacitor switch units 1850, 1860) and / or coils a time course of the current in the treatment coil (eg coil 1810), which consists of several sine half-waves of different frequency composed. Preferably, a changeover takes place from one coil to the next, or from one capacitor to the next, during the zero crossing of the respective current to be switched. Alternatively, it is also possible to switch over to other times of the current profile as the current zero crossing. The switches 1830, 1840, 1850 and 1860 can either be controlled so that a single full wave of the coil current (which is composed of two individual half-waves of different frequencies or multiple sections of waves with different frequencies) arises or that more than two directly strung half waves are generated.
Figur 19 zeigt eine sechste Ausführungsform, die einen Kondensator 1920 als einen ersten Energiespeicher umfasst, der von einer externen Ladeschaltung 210 mit Energie versorgt werden kann und eine Spule 1910, vorzugsweise die Behandlungsspule als weiteren Energiespeicher, die über eine spezielle Auslöseschaltung mit dem ersten Energiespeicher verbunden ist. Die spezielle Auslöseschaltung besteht aus vier schaltenden Elementen 1930, 1940, 1950 und 1960, die einerseits die Entladung des ersten Energiespeichers in den weiteren Energiespeicher einleiten, als auch wieder eine Rückladung in den ersten Energiespeicher erlauben. Die Schalter werden vorzugsweise paarweise geschaltet, so dass jeweils sich gegenüberliegende Schalter geschlossen und die jeweils verbleibenden Schalter geöffnet sind. Eine Umschaltung von einem Schalterpaar auf das andere erfolgt vorzugsweise beim Nulldurchgang des Spuienstromes. Auf diese Weise kann bei zunächst positiver Polarität der Kondensatorladung durch Schließen der beiden Schalter 1930 und 1940 (bei geöffneten Schaltern 1950 und 1960) eine Sinus-Halbwelle mit positiver Stromrichtung durch die Spule erzeugt werden, bis die magnetische Feldenergie der Spule wieder in den Kondensator 1920 zurückgespeist ist, allerdings nun mit negativer Polarität. Anschließend kann durch Schließen der beiden Schalter 1950 und 1960 (bei geöffneten Schaltern 1930 und 1940) wiederum eine Halbwelle mit ebenfalls positiver Stromrichtung durch die Spule erzeugt werden. Durch abwechselndes Schalten der Schalterpaare 1930, 1940 und 1950, 1960 können somit Pulse in der Spule erzeugt werden, die sich aus mehreren Stromhalbwellen gleicher Polarität zusammensetzen. Damit erzeugt auch diese Ausführuπgsform zeitliche Stromverläufe in der Behandlungsspule in der Weise, dass sich ein Zeitverlauf der induzierten elektrischen Feldstärke ergibt, bei dem sich die mittleren Flankensteilheiten der ansteigenden Flanken von den mittleren Flankensteilheiten der abfallenden Flanken deutlich unterscheidet. Von der Schaltung der dritten Ausführungsform gelangt man zu dieser sechsten Ausführungsform beispielsweise mit drei Kapazitäten C1, C2 und C3, wobei für die Anfangsspannungen der Kapazitäten gilt UCi = UC3 = -Uc2 und für die zweite Kapazität eine Limes-Bildung C2 → 0 durchgeführt wird.FIG. 19 shows a sixth embodiment which comprises a capacitor 1920 as a first energy store, which can be supplied with energy by an external charging circuit 210, and a coil 1910, preferably the treatment coil as a further energy store, which is connected to the first energy store via a special triggering circuit is. The special trigger circuit consists of four switching elements 1930, 1940, 1950 and 1960, which on the one hand initiate the discharge of the first energy storage in the further energy storage, as well as again allow a recharge in the first energy storage. The switches are preferably switched in pairs, so that each opposite switch closed and the remaining switches are open. A switch from one pair of switches to the other is preferably carried out at the zero crossing of Spuienstromes. In this way, at first positive polarity of the capacitor charge by closing the two switches 1930 and 1940 (with switches open 1950 and 1960) a sine half wave with positive current direction can be generated by the coil until the magnetic field energy of the coil back into the capacitor 1920th fed back, but now with negative polarity. Subsequently, by closing the two switches 1950 and 1960 (with switches 1930 and 1940 open) in turn a half-wave can be generated with also positive current direction through the coil. By alternately switching the pairs of switches 1930, 1940 and 1950, 1960 thus pulses can be generated in the coil, which consist of several current half waves of the same polarity. Thus, this Ausführuπgsform generates temporal current curves in the treatment coil in such a way that a time course of the induced electric field strength results, in which the mean edge steepnesses of the rising edges of the mean edge steepnesses of the falling edges significantly different. From the circuit of the third embodiment, one arrives at this sixth embodiment, for example, with three capacitances C1, C2 and C3, wherein for the initial voltages of the capacitances U C i = U C 3 = -Uc2 and for the second capacitance a Limes formation C2 → 0 is performed.
Figur 20 zeigt beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL, wie er mit der Schaltung gemäß Figur 19 erreicht wird.FIG. 20 shows, by way of example, such a time characteristic of the current I L in the treatment coil and the coil voltage U L , as achieved with the circuit according to FIG. 19.
Insbesondere bei der fünften und sechsten Ausführungsform können die Schalter weiterhin auch so gesteuert werden, dass der eine oder die mehreren Kondensatoren jeweils nur in einer Polaritätsrichtung der Spannung betrieben werden. Hierzu ist insbesondere während der innerhalb der Pulse auftretenden Entladevorgänge des jeweiligen Kondensators darauf zu achten, dass spätestens bei völliger Entladung des Kondensators die Stromrichtung über die Schalter umgekehrt wird, so dass die Kondensatorspannung nicht negative Werte annimmt, sondern stattdessen wieder weiter auf positive Werte ansteigt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, Elektrolytkondensatoren mit hoher Energiedichte in den Leistungskreisen einzusetzen.In particular, in the fifth and sixth embodiments, the switches can be further controlled so that the one or more capacitors are each operated only in a polarity direction of the voltage. For this purpose, care must be taken in particular during the discharging processes of the respective capacitor occurring within the pulses that the current direction across the switches is reversed at the latest when the capacitor is completely discharged, so that the capacitor voltage does not assume negative values, but instead instead continues to increase to positive values. By this measure, it is possible to use electrolytic capacitors with high energy density in the power circuits.
Bei allen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, die entsprechenden Kondensatoren nach jeder erzeugten Sinushalbwelle periodisch nachzuladen. Dieses periodische Nachladen kann über ein weiteres elektrisch angekoppeltes Schwingkreissystem bestehend aus mindestens einem Schalter, mindestens einer weiteren Spule und mindestens einem weiteren Kondensator erfolgen.In all embodiments it may be advantageous to periodically recharge the respective capacitors after each generated half-sine wave. This periodic recharge can be via another electrically coupled Oscillating circuit system consisting of at least one switch, at least one further coil and at least one further capacitor.
Die Schalter können in allen beschriebenen Fällen als Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Thyristoren, IGBTs oder MOSFETs ausgeführt sein. Je nach Ausführungsform können die Schalter zusätzlich eine gleichrichtende Charakteristik aufweisen, so dass sie entweder rückwärtsleitend oder rückwärtssperrend sind. Zusätzlich können diese Schalter auch selbstaktiviereπdAlöschend agieren, indem sie beispielsweise ihre Leitfähigkeit erhöhen, wenn anliegende Strom- oder Spannungsverläufe bestimmte Eigenschaften aufweisen. Darunter fällt beispielsweise die Polarität oder auch ein schnelles Ansteigen der Spannung.In all the cases described, the switches can be designed as power semiconductors, such as, for example, thyristors, IGBTs or MOSFETs. Depending on the embodiment, the switches can additionally have a rectifying characteristic, so that they are either reverse-conducting or reverse-blocking. In addition, these switches can also act as self-activating erasers, for example by increasing their conductivity when applied current or voltage characteristics have certain properties. This includes, for example, the polarity or a rapid increase in voltage.
Weiterhin können auch Anstelle der Schalter Leistungshalbleiter mit steuerbarem elektrischen Widerstand, wie beispielsweise IGBTs oder MOSFETs so eingesetzt werden, dass der Stromverlauf in der Behandlungsspule zusätzlich über diesen steuerbaren elektrischen Widerstand gesteuert werden kann. Furthermore, instead of the switch power semiconductors with controllable electrical resistance, such as IGBTs or MOSFETs can be used so that the current profile in the treatment coil can be controlled in addition to this controllable electrical resistance.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer starker Strompulse in einer Spule, wobei die Spule magnetische Feldpulse mit einer Dauer von 20 bis 3000 MikroSekunden Dauer und einer Stärke von 0,1 bis 5 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der s elektromagnetischen Induktion im Körpergewebe elektrische Reizströme zur1. A device for generating short strong current pulses in a coil, the coil generates magnetic field pulses with a duration of 20 to 3000 microseconds duration and a thickness of 0.1 to 5 Tesla, according to the principle of s electromagnetic induction in the body tissue electrical stimulation currents to
Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen hervorrufen, dadurch gekennzeichnet,Cause irritation of nerve and / or muscle cells, characterized
dass die Vorrichtung mindestens einen Kondensator zur Speicherung und Abgabe der für die Feldpulse benötigten Energie und eine geeignete 0 Ladeschaltung zum Aufladen dieses Kondensators enthält; undthat the device comprises at least one capacitor for storing and delivering the energy required for the field pulses and a suitable charging circuit for charging this capacitor; and
dass die Spule so ausgeführt ist, dass sie nahe genug am zu reizenden Körpergewebe positioniert werden kann, so dass das von der Spule erzeugte Magnetfeld innerhalb des vorgesehenen Zielgebietes höchstens auf ein Zehntel der Stärke an der Spulenoberfläche abfällt; undthat the coil is made to be positioned close enough to the body tissue to be stimulated so that the magnetic field generated by the coil falls within the intended target area at most to one tenth of the thickness at the coil surface; and
dass die vom Magnetfeld der Spule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim fünffachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen; undthat the electrical stimulation currents caused by the magnetic field of the coil are at least one-tenth and at most five times the stimulation currents required for stimulation of the cells; and
dass die Vorrichtung in der Spule einen Strompuls erzeugt, dessen Zeitverlauf so beschaffen ist, dass von der Spule ein elektrisches Feld induziert wird, bei dem sich die mittlere Flankensteilheit ansteigender Flanken von der mittlerenin that the device generates in the coil a current pulse whose time characteristic is such as to induce from the coil an electric field in which the mean edge steepness of rising edges of the middle one
Flankensteilheit abfallender Flanken unterscheidet.Slope slope of falling edges is different.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der elektronischen Schaltung zur Erzeugung der magnetischen Feldpulse Bauteile zum Steuern des Spulenstromes verwendet werden, die einerseits den Feldpuls über die Spule auslösen und beenden können und andererseits die unterschiedlichen mittleren Flankensteilheiten von ansteigender zu abfallender Flanke des induzierten elektrischen Feldes erzeugen können.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the electronic circuit for generating the magnetic field pulses components are used for controlling the coil current, on the one hand trigger the field pulse on the coil and can terminate and on the other hand, the different mean edge slopes from increasing to falling edge of the induced electric field.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung zur Erzeugung der Pulse einen resonanten Aufbau aufweist, so dass die für den Feldpuls benötigte Energie schnell aus einem oder mehreren Kondensatoren in eine oder mehrere Spulen geleitet und aus dieser einen oder mehreren Spulen wieder zurück in einen oder mehrere Kondensatoren geleitet werden kann.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the electronic circuit for generating the pulses has a resonant structure, so that the energy required for the field pulse quickly passed from one or more capacitors in one or more coils and from this one or more coils can be routed back into one or more capacitors.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der resonante Aufbau so beschaffen ist, dass mindestens zwei elektrische Schwingkreise s bestehend aus mindestens einem Kondensator und mindestens einer Spule in der4. The device according to claim 3, characterized in that the resonant structure is such that at least two electrical resonant circuits s consisting of at least one capacitor and at least one coil in the
Weise miteinander gekoppelt sind, dass diese abwechselnd oder gemeinsam den Zeitverlauf des Stromes der Spule bestimmen und so magnetische Feldpulse erzeugen, welche sich aus Teilen von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen.Are coupled together that they determine alternately or together the time course of the current of the coil, thus generating magnetic field pulses, which are composed of parts of sine waves of different frequency.
iθ 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Schwingkreise des resonanten Aufbaus in der Weise gekoppelt sind, dass während des magnetischen Feldpulses eine entsprechende Umschaltung des Spulenstromes zu weiteren Kondensatoren erfolgt.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that a plurality of electrical resonant circuits of the resonant structure are coupled in such a way that during the magnetic field pulse, a corresponding switching of the coil current to other capacitors takes place.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische ls Schwingkreise des resonanten Aufbaus in der Weise gekoppelt sind, dass während des magnetischen Feldpulses eine entsprechende Umschaltung des Spulenstromes zu weiteren Spulen erfolgt.6. The device according to claim 4, characterized in that a plurality of electrical ls resonant circuits of the resonant structure are coupled in such a way that takes place during the magnetic field pulse, a corresponding switching of the coil current to other coils.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Schwingkreise des resonanten Aufbaus in der Weise gekoppelt sind, dass 0 während des magnetischen Feldpulses eine entsprechende Umschaltung des7. The device according to claim 4, characterized in that a plurality of electrical resonant circuits of the resonant structure are coupled in such a way that 0 during the magnetic field pulse, a corresponding switching of
Spulenstromes zu weiteren Kondensatoren und/oder zu weiteren Spulen erfolgt.Coil current to other capacitors and / or to other coils is done.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Erzeugung des magnetischen Feldpulses durch schaltende Bauelemente die Richtung des Spulenstromes so verändert werden kann, dass sich ein zeitlicher5 Verlauf des von der Spule induzierten Feldes ergibt, bei dem sich die mittleren8. The device according to claim 3, characterized in that during the generation of the magnetic field pulse by switching components, the direction of the coil current can be changed so that a temporal5 course of the field induced by the coil results, in which the middle
Flankensteilheiten von ansteigender zu abfallender Flanke des induzierten elektrischen Feldes unterscheiden.Slope slopes of rising to falling edge of the induced electric field differ.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der resonante Aufbau aus einem Kondensator, einer Spule und mindestens drei Schaltern zur0 Umpolung des Stromes besteht, so dass ein zeitlicher Verlauf des Stromes in der9. The device according to claim 8, characterized in that the resonant structure of a capacitor, a coil and at least three switches um0 polarity of the current consists, so that a time course of the current in the
Spule während des magnetischen Feldpulses erzeugt werden kann, der sich aus mindestens zwei aneinandergereihten halben Sinuswellen gleicher Polarität zusammensetzt.Coil can be generated during the magnetic field pulse, resulting from at least two juxtaposed half sine waves of the same polarity composed.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern des Spulenstromes so gesteuert werden, dass mindestens bei einem Nulldurchgang des Stromes in der Spule eine kurze Unterbrechung des10. Device according to one of claims 2 to 9, characterized in that the components for controlling the coil current are controlled so that at least at a zero crossing of the current in the coil a short interruption of
Schwingungsvorgangs stattfindet, so dass während dieser Unterbrechungen von der Spule kein magnetisches Feld erzeugt wird.Vibration occurs, so that during these interruptions from the coil no magnetic field is generated.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern des Spulenstromes die Ströme der Schwingkreiskomponenten in der Weise schalten, dass die Polarität der Spannung in dem Kondensator stets gleich bleibt.11. The device according to claim 3, characterized in that the components for controlling the coil current switch the currents of the resonant circuit components in such a way that the polarity of the voltage in the capacitor always remains the same.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern und Schalten des Spulenstromes elektronische oder mechanische Schalter sind.12. Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that the components for controlling and switching the coil current are electronic or mechanical switches.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern und Schalten des Spulenstromes elektronische Bauteile mit steuerbarem elektrischen Widerstand sind.13. Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that the components for controlling and switching the coil current are electronic components with controllable electrical resistance.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern und Schalten des Spulenstromes auch im ausgeschalteten Zustand den Strom in einer Richtung leiten.14. The apparatus of claim 12 or 13, characterized in that the components for controlling and switching the coil current even in the off state conduct the current in one direction.
15. Verfahren zur Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen, bei welchem magnetische Feldpulse mit einer Dauer von 20 bis 3000 Mikrosekunden Dauer und einer Stärke von 0,1 bis 5 Tesla erzeugt werden, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion im Körpergewebe elektrische Reizströme hervorrufen, dadurch gekennzeichnet,15. A method for irritating nerve and / or muscle cells, in which magnetic field pulses are generated with a duration of 20 to 3000 microseconds duration and a thickness of 0.1 to 5 Tesla, according to the principle of electromagnetic induction in the body tissue electrical stimulation currents cause, characterized
dass die magnetischen Feldpulse von einer Spule erzeugt werden, die sich so nahe an dem zu reizenden Körpergewebe befindet, dass das von der Spule erzeugte Feld innerhalb des vorgesehenen Zielgebietes höchstens auf ein Zehntel der Stärke an der Spulenoberfläche abfällt; und dass die hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim fünffachen der für eine Reizung der Zeilen benötigten Reizströme liegen; undthat the magnetic field pulses are generated by a coil that is so close to the body tissue to be stimulated that the field generated by the coil within the intended target area drops at most to one tenth of the strength at the coil surface; and that the induced electrical stimulation currents are at least one-tenth and at most five times the stimulation currents required for stimulation of the lines; and
dass der Zeitverlauf des von der Spule während des Feldpulses induzierten elektrischen Feldes so beschaffen ist, dass sich die mittlere Flankensteilheit ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheit abfallender Flanken unterscheidet.in that the time characteristic of the electric field induced by the coil during the field pulse is such that the average edge steepness of rising edges differs from the mean edge steepness of falling edges.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des magnetischen Feldpulses nach dem Prinzip eines resonanten Schwingkreises erzeugt wird, wobei durch gezielte Änderung der16. The method according to claim 15, characterized in that the time profile of the magnetic field pulse is generated according to the principle of a resonant resonant circuit, wherein by selectively changing the
Schwingkreisparameter während des Pulses der zeitliche Verlauf des magnetischen Feldpulses in der Weise verändert wird, dass sich die Feldpulse aus Teilen von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen.Oscillating circuit parameter is changed during the pulse of the time course of the magnetic field pulse in such a way that the field pulses are composed of parts of sine waves of different frequency.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des magnetischen Feldpulses nach dem Prinzip mehrerer gekoppelter resonanter17. The method according to claim 15, characterized in that the time course of the magnetic field pulse according to the principle of a plurality of coupled resonant
Schwingkreise erzeugt wird, wobei durch gezielte Änderung der Schwingkreisparameter während des Pulses der zeitliche Verlauf des magnetischen Feldpulses in der Weise verändert wird, dass sich die Feldpulse aus Teilen von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen.Oscillation circuits is generated, which is changed by targeted change of the resonant circuit parameters during the pulse of the time course of the magnetic field pulse in such a way that the field pulses composed of parts of sine waves of different frequency.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zeitliche Verlauf des Stromes in der Spule während des magnetischen Feldpulses aus zwei aneinandergereihten halben Sinuswellen unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlicher Polarität zusammensetzt.18. The method according to claim 16 or 17, characterized in that the time profile of the current in the coil during the magnetic field pulse of two juxtaposed half sine waves of different frequency and different polarity composed.
19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zeitliche Verlauf des Stromes in der Spule während des magnetischen Feldpulses aus mehr als zwei aneinandergereihten halben Sinuswellen zusammensetzt, wobei sich jeweils die Frequenzen und die Polaritäten von aufeinanderfolgenden halben Sinuswellen unterscheiden.19. The method of claim 16 or 17, characterized in that the time profile of the current in the coil during the magnetic field pulse from more than two juxtaposed half sine waves composed, each differing in the frequencies and the polarities of successive half sine waves.
20. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zeitliche Verlauf des Stromes in der Spule während des magnetischen Feldpulses aus mindestens zwei aneinandergereihten halben Sinuswellen gleicher Polarität zusammensetzt. 20. The method of claim 16 or 17, characterized in that the time profile of the current in the coil during the magnetic field pulse from at least two juxtaposed half sine waves of the same polarity composed.
21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des magnetischen Feldpulses so beschaffen ist, dass innerhalb des Feldpulses aufeinanderfolgend mehrere ansteigende und abfallende Flanken der induzierten elektrischen Feldstärke entstehen, wobei sich die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanken von der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanken unterscheidet.21. The method according to claim 15, characterized in that the temporal course of the magnetic field pulse is such that within the field pulse successively a plurality of rising and falling edges of the induced electric field strength arise, wherein the mean edge steepness of the rising edges of the mean edge steepness of falling down flanks.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bei einem Nulldurchgang des Stromes in der Spule eine kurze Unterbrechung des Schwingungsvorgangs stattfindet, so dass während dieser Unterbrechungen von der Spule kein magnetisches Feld erzeugt wird.22. The method according to any one of claims 16 to 21, characterized in that at least at a zero crossing of the current in the coil, a brief interruption of the oscillation process takes place, so that no magnetic field is generated during these interruptions from the coil.
23. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ströme der Schwingkreiskomponenten in der Weise gesteuert werden, dass in einem oder mehreren zur Energiespeicherung verwendeten Kondensatoren nur Spannungen einer Polarität auftreten.23. The method according to claim 16 or 17, characterized in that the currents of the resonant circuit components are controlled in such a way that occur in one or more capacitors used for energy storage only voltages of one polarity.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme im Schwingkreis in der Weise beeinflusst werden, dass in mindestens einer zur Energiespeicherung verwendeten Induktivität nur Stromflüsse einer Richtung auftreten.24. The method according to any one of claims 16 to 22, characterized in that the currents are influenced in the resonant circuit in such a way that occur in at least one inductance used for energy storage only current flows of one direction.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung der Ströme durch eine Wahl aus mehreren Strompfaden erfolgt.25. The method according to claim 24, characterized in that the influencing of the currents is effected by a choice of a plurality of current paths.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung der Ströme durch Schalter oder Gleichrichter erfolgt.26. The method according to claim 24, characterized in that the influencing of the currents is effected by switches or rectifiers.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einer der genannten Spulen um Behandlungsspulen des Verfahrens handelt. 27. The method according to any one of claims 24 to 26, characterized in that it is at least one of said coils to treatment coils of the method.
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