AT407343B - Vorrichtung zur minimierung des energieverbrauchs eines stimulators für stromkonstante nerv- oder muskelstimulation - Google Patents

Description

AT 407 343 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung ström konstanter Stimulationsimpulse für die Nerv- und/oder Muskelerregung mit möglichst geringem Eigenverbrauch und Anpassung der Dynamik an die momentanen Erfordernisse mit einer gesteuerten Stromquelle, die aus einem Regelverstärker und einem Transistor und einem Meßwiderstand besteht. In der Funktionellen Elektrostimulation werden derartige Stimulatoren eingesetzt, um eine Wiederherstellung verlorengegangener oder beeinträchtigter Funktionen des menschlichen Körpers zu erreichen. Hierfür werden Oberflächenstimulatoren oder implantierbare Stimulatoren eingesetzt, welche für die meisten Anwendungen rechteckförmige Impulse über Elektroden an das Gewebe abgeben. Für einige Anwendungen werden dreieckförmige, trapezförmige oder exponentiell ansteigende oder abfallende Impulsformen verwendet. Die Amplitude des Stimulationsimpulses, die Impulsdauer und die Impulsfrequenz muß in mehreren Stufen justiert werden können, um die Wirkung zu kontrollieren - am Beispiel der Stimulation von motorischen Nerven entspräche dies einer Justierung der Kontraktionskraft.

Eine Minimierung des Energieverbrauchs ist insbesondere für batteriebetriebene implantierbare Stimulatoren von Bedeutung, um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen. Implantierbare Stimulatoren die rechteckförmige stromkonstante Impulse abgeben, werden derzeit im klinischen Einsatz vonwiegend für die Erregung peripherer Nerven und Muskeln (Atemschrittmacher, Stimulation der Extremitäten, Blasen und Beckenboden Stimulation, etc.) eingesetzt.

Grundsätzlich besteht jeder Stimulator zur stromkonstanten Stimulation aus einer Steuerung, welche den Momentanwert des Stimulationsstroms als Sollwert vorgibt und einer gesteuerten Stromquelle, welche den Stimulationsstrom über die Last treibt. Die Impedanz der Last besitzt einen kapazitiven und ohmschen Anteil. Die Last bildet sich aus einem Koppelglied zur gleichstromfreien Ankopplung der Elektroden, um Korrosionen der Elektroden zu vermeiden, den Elektroden und dem Gewebe. Der gesamte Stimulator wird über eine elektrische Quelle versorgt, wobei Verlustleistungen vor allem in der Ausgangsstufe auftreten. Im Stimulator muß eine Betriebsspannung erzeugt werden, die ausreichend ist, um den Spannungsabfall an der Last und die Arbeitsspannung der steuerbaren Stromquelle zu decken. Ist die Ausgangsspannung der Quelle zu gering, muß ein Spannungswandler eingesetzt werden, um die Quellenspannung auf die erforderliche Betriebsspannung anzuheben.

Bisher entwickelte stromkonstante Stimulatoren besitzen den Nachteil, daß die Dynamik der steuerbaren Stromquelle nicht an die momentanen Erfordernisse angepaßt wird, wodurch erhebliche Verlustleistungen entstehen. Die steuerbare Stromquelle wird für die maximal erforderliche Anstiegsgeschwindigkeit des Stimulationsstroms dimensioniert, welcher bei maximaler Impedanz der Last, maximalen Stimulationsstrom und maximalem Anstieg des Sollwerts des Stimulationsstroms vorliegt. Im Fall eines rechteckförmigen Stimulationsimpulses ist eine hohe Dynamik jedoch nur bei den Flanken des Impulses erforderlich, während der gleichbleibenden Impulsamplitude und zwischen den Impulsen ist die erforderliche Dynamik gering. Da die Dynamik einer steuerbaren Stromquelle in direktem Zusammenhang zu den Versorgungsströmen der einzelnen Transistorstufen der Stromquelle steht, führt dies zu Energieverlusten.

Weitere Verlustleistungen entstehen bei bisher entwickelten stromkonstanten Stimulatoren am Ausgang der steuerbaren Stromquelle. Die Ausgangsspannung der Quelle oder des Spannungswandlers wird derart dimensioniert, daß die Betriebsspannung groß genug ist, um den Spannungsabfall an der Last und die Arbeitsspannung der steuerbaren Stromquelle bei dem maximalem Stimulationsstrom und bei der maximalen Impedanz der Last zu decken. Für Stimulationsströme und Impedanzen der Last die unter den Maximalwerten liegen reduziert sich der Spannungsabfall an der Last, die Arbeitsspannung an der Stromquelle steigt dementsprechend an und erhöht die Verlustleistung an der Stromquelle.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung stromkonstanter Stimulationsimpulse für die Nerv- oder Muskel- Erregung anzugeben, welche zeitliche Änderungen der Anstiegsgeschwindigkeit und der Amplitude des Stimulationsstroms, sowie Veränderungen der Impedanz der Last berücksichtigt, um den Energieverbrauch des Stimulators zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß zur Steuerung des Versorgungsstromes des Regelverstärkers ein Differentiator mit anschließendem Gleichrichter vorgesehen ist, um den Absolutbetrag der Anstiegsgeschwindigkeit des Sollwertes des Stimulationsstromes zu bilden, wodurch die Dynamik der steuerbaren Stromquelle zur Erzeugung des Stimulationsstroms an die 2

AT 407 343 B momentanen dynamischen Erfordernisse angepaßt wird und der Energieverlust im Regelverstärker minimiert wird.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Dynamik und die Verlustleistung eines Regelverstärkers zueinander proportional ist. Der Versorgungsstrom des Regelverstärkers ist durch die Summe der Ruheströme der einzelnen Transistorstufen gegeben. Ein hoher Ruhestrom steigert die Dynamik der einzelnen Transistorstufe, ein niedriger Ruhestrom verringert die Dynamik. Bei bisherigen Aufbauten wurde der Ruhestrom zeitlich konstant gewählt. Es wurde jener Ruhestrom gewählt, der für die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Sollwerts nötig ist und die maximale Dynamik der Stromquelle festlegt, wodurch sich ein gleichbleibender hoher Energieverlust im Regelverstärker ergab. Beim erfindungsgemäßen Aufbau wird der Versorgungsstrom des Regelverstärkers zeitlich in Abhängigkeit der Anstiegsgeschwindigkeit des Sollwertes des Stimulationsstroms gesteuert. Durch diese Maßnahme ist bei zeitlich langsamen Änderungen des Sollwerts die Verlustleistung im Regelverstärker gering, da die Ruheströme der einzelnen Transistorstufen verringert werden. Bei zeitlich raschen Änderungen des Sollwerts werden die Ruheströme der einzelnen Transistorstufen im Regelverstärker erhöht, um die Dynamik der Stromquelle zu steigern und einen raschen Anstieg des Stimulationsstroms über die Last zu bewirken.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die steuerbare Stromquelle durch einen Operationsverstärker gebildet, dessen Versorgungsstrom steuerbar ist. Über den Ausgang des Operationsverstärkers wird ein Transistor gesteuert und der erzeugte Stimulationsstrom über den Spannungsabfall an einen Meßwiderstand zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers rückgeführt. Bevorzugter Weise wird der Transistor als MOS-Feldeffekttransistor ausgeführt und der Widerstand des Meßwiderstands möglichst gering gehalten, um die minimal erforderliche Arbeitsspannung der Stromquelle zu reduzieren. Wobei die minimal erforderliche Arbeitsspannung jenem Spannungsabfall am Ausgang der Stromquelle entspricht der noch eine ungehinderter Funktion der Stromquelle sicherstellt. Die Steuerung des Versorgungsstroms erfolgt durch einen Differentiator mit anschließendem Gleichrichter, um den Absolutbetrag der Anstiegsgeschwindigkeit des Sollwertes zu bilden. Weiters wird über einen anschließenden Tiefpaß die Ausregelgeschwindigkeit sowie der Versorgungsstrom des Operationsverstärker auf endliche Werte reduziert.

Bei stromkonstanten Stimulatoren, die den Einsatz eines Spannungswandlers erfordern, um die Quellenspannung auf die erforderliche Betriebsspannung anzuheben, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Spannungswandler derart gesteuert werden, daß die Betriebsspannung nur zum Zeitpunkt des Stimulationsimpulses gebildet wird, um während der Impulspausen Energieverluste im Spannungswandler zu vermeiden.

Werden stromkonstante Stimulatoren bei Anwendungen eingesetzt, bei denen sich die Impedanz der Last und die Amplitude des Stimulationsstroms zeitlich verändert, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Spannungswandler derart gesteuert werden, daß der Spannungsabfall am Ausgang der Stromquelle gemessen wird und über einen Regler mit der minimal erforderliche Arbeitsspannung, vorgegeben durch eine Referenzspannungsquelie, verglichen wird. Übersteigt der Momentanwert des Spannungsabfalls am Ausgang der Stromquelle die minimal erforderliche Arbeitsspannung, so bewirkt der Regler über den Spannungswandler eine Reduktion der Betriebsspannung, wodurch der Energieverluste an der Stromquelle vermindert wird.

Die Erfindung wird nun an Hand der in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen nähere beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Stimulators zur stromkonstanten Stimulation

Fig. 2 den erfmdungsgemäßen Aufbau des stromkonstanten Stimulators

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Stimulators zur stromkonstanten Stimulation, bestehend aus einer Steuerung (16), welche den Momentanwert des Stimulationsstroms als Sollwert (17) vorgibt und einer gesteuerten Stromquelle (24), welche den Stimulationsstrom (5) über die Last (6) treibt. Der gesamte Stimulator wird über die elektrische Quelle (2) versorgt, wobei Verlustleistungen vor allem in und am Ausgang der Stromquelle (24) auftreten. Im Stimulator muß eine Betriebsspannung (4) erzeugt werden, die ausreichend ist, um den Spannungsabfall (7) an der Last (6) und die Arbeitsspannung (8) der steuerbaren Stromquelle (24) zu decken, ist die Quellenspannung (1) der Quelle (2) zu gering, muß ein Spannungswandler (3) eingesetzt werden, um die Quellenspannung (1) auf die erforderliche Betriebsspannung (4) anzuheben. 3

Claims (6)

1. AT 407 343 B Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des stromkonstanten Stimulators, gekennzeichnet durch die zeitliche Steuerung des Versorgungsstromes (21) des Regelverstärkers (9) der steuerbaren Stromquelle (24) über das Steuersignal (12). Der Sollwert (17) des Stimulationsstroms wird über die Steuerung (16) des Stimulators vorgegeben. Die Versorgung des Stimulators erfolgt über die Quelle (2) mit der Quellenspannung (1). Der Spannungswandler (3) wandelt Quellenspannung (1) auf die Betriebsspannung (4), welche groß genug ist, um den Spannungsabfall (7) an der Last (6) und die Arbeitsspannung (8) der Stromquelle (24) zu decken. Die steuerbare Stromquelle (24) wird bevorzugter weise durch einen Regelverstärker (9), einen MOS-Feldeffekttransistor (10) und einen Meßwiderstand (11) gebildet und treibt den Stimulationsstrom (5) über die Last (6). Als Regelverstärker (9) wird bevorzugter weise ein Operationsverstärker eingesetzt dessen Versorgungsstrom steuerbar ist. Der Versorgungsstom (21) wird in Abhängigkeit des Absolutbetrags der ersten zeitlichen Ableitung des Sollwerts (17), gebildet durch den Differentiator (18) und den Gleichrichter (19) über das Steuersignal (12) gesteuert. Durch den Tiefpaß (20) wird der Versorgungsstrom (21) und die Ausregelgeschwindigkeit des Regelverstärkers (9) limitiert. Über eine Steuerleitung (22) wird durch die Steuerung (16) der Spannungswandler (3) nur zum Zeitpunkt des Stimulationsimpulses aktiviert, um während der impulspausen Energieverluste im Spannungswandler (3) zu vermeiden. Die Betriebsspannung (4) am Ausgang des Spannungswandlers (3) wird in Abhängigkeit der Arbeitsspannung (8) an der Stromquelle (24) gesteuert. Der Regler (13) vergleicht die Arbeitsspannung (8) an der Stromquelle (24) mit der Referenzspannung (15) der Referenzquelle (14), welche der minimalen Arbeitsspannung der steuerbaren Stromquelle (24) entspricht. Erhöht sich der Arbeitsspannung (8) der Stromquelle (24) infolge eines geringeren Spannungsabfalls (7) an der Last (6), so wird über den Regler (13) mittels der Steuerleitung (23) und den Spannungswandler (3) eine Reduktion der Betriebsspannung (4) vorgenommen. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Erzeugung stromkonstanter Stimulationsimpulse für die Nerv- und/oder Muskelerregung mit möglichst geringem Eigenverbrauch und Anpassung der Dynamik an die momentanen Erfordernisse mit einer gesteuerten Stromquelle (24), die aus einem Regelverstärker (9) und einem Transistor (10) und einem Meßwiderstand (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Versorgungsstromes (21) des Regelverstärkers (9) ein Differentiator (18) mit anschließendem Gleichrichter (19) vorgesehen ist, um den Absolutbetrag der Anstiegsgeschwindigkeit des Sollwertes (17) des Stimulationsstromes zu bilden, wodurch die Dynamik der steuerbaren Stromquelle (24) zur Erzeugung des Stimulationsstroms (5) an die momentanen dynamischen Erfordernisse angepaßt wird und der Energieverlust im Regelverstärker (9) minimiert wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaß (20) vorgesehen ist, um die Ausregelgeschwindigkeit sowie den Versorgungsstrom (21) des Regelverstärkers (9) auf endliche Werte zu reduzieren.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) in der steuerbaren Stromquelle ein MOS-FET ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungswandler (3) vorgesehen ist, um die Quellenspannung (1) auf die erforderliche Betriebsspannung (4) anzuheben.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungsstufe (16) vorgesehen ist, welche die Betriebsspannung (4) über den Spannungswandler (3) nur zum Zeitpunkt des Stimulationsimpulses bildet.
6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (13) und eine Referenzspannungsquelle (14) vorgesehen sind, um die Arbeitsspannung (8) der Stromquelle (24) über den Spannungswandler (3) auf die minimal erforderliche Arbeitsspannung der Stromquelle (24), gebildet durch den Regelverstärkers (9), Transistor (10) und dem Meßwiderstand (11) zu reduzieren. 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 407 343 B HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5 55