CZ33663U1 - Aplikátor s cívkou pro vysokoindukční magnetickou stimulaci - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká aplikátoru s cívkou pro vysokoindukční magnetickou stimulaci, která je chlazena chladicí kapalinou.

Dosavadní stav techniky

Vysokoindukční magnetická stimulace probíhá na principech Faradayova zákona. Pokud cívkou protéká časově proměnný elektrický proud, vytváří se v okolí cívky časově proměnné magnetické pole. Nachází-li se v časově proměnném magnetickém poli smyčka obsahující elektrické náboje, indukuje se v této smyčce elektrické napětí a v uzavřeném obvodu prochází indukovaný proud. V živé tkáni, zahrnující množství více či méně volných částic nesoucích elektrické náboje, tj. vodič 2. řádu, si můžeme představit celou řadu takových smyček. Zvyšováním magnetické indukce na hodnoty alespoň 0,5 T, případně až jednotky T, a při dostatečné rychlosti časových změn, obvykle odpovídajících základní harmonické frekvenci do 10 kHz (časové změny magnetického toku z nuly do maxima, resp. naopak, v řádech stovek mikrosekund) lze v lidských tkáních vytvářet elektrické pole dosahující, respektive překračující hodnotu 100 V/m (1 V/cm). Při těchto velikostech intenzity elektrického pole lze již v dobře vodivých živých tkáních směrnou vodivostí 0,33 až 1 S.m¹ dosahovat proudových hustot vyšších než 33 A/m². Tato hodnota je považována za práh neuronální aktivace (depolarizace, hyperpolarizace), viz publikace Dengh, Zhi-De, Lisanby, S.H., Peterchev, A. V. Coil design Considerations for Deep Transcranial Magnetic Stimulation. Clin. Neurophysiol. 2014 June; 125(6): 1202-1212. Pri těchto hodnotách proudových hustot indukovaných elektrických proudů v dráždivých tkáních nervů a svalů nastávají již plnohodnotné aferentace a postupně lze rovněž bezkontaktně dosáhnout motorických efektů v podobě svalových kontrakcí s vlnitým i hladkým tetanem.

První pokusy s magnetickou stimulací lidských tkání s cílem dosažení percepce i motorických pohybů končetin byly provedeny známými fýziky Jacquesem dArsonvalem (1896) a Silvanusem P. Thompsonem (1910) již před více než 100 lety.

Tito badatelé, běžně dosahovali projevů fosfénů. Teprve technickým řešením Bickforda aFremminga z roku 1965, využívajícím tlumených kmitů na frekvenci 500 Hz, bylo poprvé dosaženo depolarizace kortikálních neuronů, ovšem s potížemi znemožňujícími praktické uplatnění v medicíně. V roce 1980 Merton a Morton úspěšně použili transkraniální elektrickou stimulaci (TES) ke stimulaci motorické kůry. Tento proces byl však pro pacienty velmi nepříjemný. Znovu tudíž až Barker ajeho spolupracovníci (1985) vyvinuli zařízení, které bylo schopno generovat magnetické pole o dostatečné intenzitě, která by dokázala skutečně účinně depolarizovat kortikální neurony. Barkerův přístroj se skládal ze stimulační cívky zapojené do rezonančního obvodu s kondenzátorem, umožňujícího vytvořit dostatečně silný elektrický proud ve velmi krátkém časovém intervalu, což je princip, na němž jsou v zásadě založeny i přístroje používané v současnosti.

Vybití kondenzátoru vede k průchodu značného elektrického proudu stimulační cívkou, což podle Biot-Savartova zákona způsobí vznik proměnného magnetického pole o délce trvání zhruba 100 až 500 mikrosekund a intenzitě 0,5 až 3 T, čili intenzitě, která je srovnatelná s magnetickou indukcí stacionárního magnetického pole přístrojů pro magnetickou rezonanci. Toto magnetické pole pak prochází bez odporu skrze tkáně a indukuje vznik sekundárního indukovaného elektrického proudu, vedoucího přes elektrickou aktivaci nervových axonů k depolarizaci nebo hyperpolarizaci neuronů. Tato magnetická stimulace se na rozdíl od magnetoterapie, obvykle pulsní, využívané ve fýzioterapii a léčebné rehabilitaci, kde se uplatňují magnetické indukce řádově jednotek až desítek mT, označuje jako vysokoindukční. Využití této

- 1 CZ 33663 U1 progresivní medicínské technologie bylo dlouho spatřováno především pro bezkontaktní a šetrnější stimulaci mozku, tedy jako náhrada elektrokonvulze, zvláště při závažných a farmakorezistentních psychiatrických nebo neurologických onemocněních. Pro metodu se vžilo označení transkraniální magnetická stimulace (TMS), respektive - při opakování většího počtu impulsů v jednom paketu, tj. burstu, prokládaného pauzami - repetitivní transkraniální magnetická stimulace (rTMS). Vysokoindukční magnetická stimulace se rovněž úspěšně využívá diagnosticky, a to především v neurologii, zvláště při diagnostice demyelinizačních onemocnění. Ukázalo se též, že rTMS i TMS je vynikající neurofýziologický nástroj vhodný k diagnostice i výzkumu integrity rychlých vodivých kortikomotorických drah v širokém okruhu nemocí spojených s motorickými dysfunkcemi: například roztroušená skleróza, amyotrofická laterální skleróza, následky iktu, pohybové poruchy, poškození míchy, léze obličejových, případně dalších mozkových nervů.

Společně s uplatněním vysokoindukční transkraniální magnetické stimulace se začala uplatňovat i vysokoindukční magnetická stimulace aplikovaná na jiné části těla než hlavu, zejména na podpůrně pohybový aparát, zejména s cílem ovlivnění příznaků degenerativních onemocnění pohybového aparátu. Další oblastí použití je stimulace, respektive neuromodulace periferních nervů postižených neuropatiemi, podpora hojení ran a kožních defektů a bezkontaktní posilování pánevního svalstva odpovědného za urgentní a stresovou inkontineci.

Dosud známá řešení cívek přístrojů pro vysokoindukční magnetickou stimulaci jsou v zásadě založena konstrukci cívek pro TMS (resp. rTMS). Základem je jednovrstvé spirálové vinutí z měděného, případně stříbrného nebo postříbřeného pásku. Pro nejjednodušší aplikátory přístrojů pro vysokoindukční magnetickou stimulaci se obvykle používá jedné cívky. Se zvyšujícím se průměrem cívky roste i hloubka průniku, ale zároveň se stává náročnějším elektrické řešení rezonančního obvodu cívky a kondenzátem, zvyšuje se potřebná intenzita proudu protékajícího cívkou, větší náročnost je kladena na spínací prvky obvodu, dochází k větším ztrátám a nezbytnosti většího výkonu celého zařízení, zvyšuje se indukčnost cívky a neurostimulačně nežádoucím způsobem se prodlužuje doba impulsu. Rovněž nemusí být vždy výhodné, že indukované elektrické pole a indukované elektrické vířivé proudy vznikající v rozsáhlých částech těla, není je možno dostatečně fokusovat.

Snahy vytvořit vícevrstvé spirálové vinutí vedou jak k technickým problémům spojeným s generováním značných Uorenzových sil mezi vinutími, mechanickému namáhání cívky a nárůstu ztrát, tak i ke snížení průniku indukovaného elektrického pole do hloubky tkání. Tyto konotace jsou dány fýzikálními zákonitostmi, neboť pokud jsou cívky vícevrstvé, pak při velkých proudových impulsech protékajících jejich vinutím vznikají mezi jednotlivými vrstvami vinutí velké síly, vrstvy vinutí na sebe periodicky narážejí a odtlačují se, což způsobuje nejen nežádoucí zvukové efekty (rány), ale i zvýšení ztrát a následnou destrukci cívky. Dalším důvodem používání spirálového vinutí, ideálně ve tvaru Archimedovy spirály, je skutečnost, že u tohoto typu vinutí cívky je maximum magnetické indukce nikoliv ve středu vinutí v ploše dané vinutím, ale těsně nad touto plochou. I když je reálný posun maxima magnetické indukce nad plochu vinutí malý, je i tato malá vzdálenost výhodná pro dosažení hloubky průniku magnetického pole do nitra těla, poněvadž s klesající vzdáleností od cívky velikost magnetické indukce rychle klesá. Nežádoucí snížení potřebného průniku indukovaného elektrického pole do hloubky způsobuje rovněž použití feromagnetického jádra, kde jsou navíc značné problémy sjeho materiálem a sycením při vysokých hodnotách magnetických indukcí v hodnotách až několik T.

Při transkraniální magnetické stimulaci se používá též kónického tvaru jednovrstvého vinutí cívky, tzv. „korunových“ („crown“) nebo „šálkových“ („cup“) cívek. Hloubka průniku i objem, ve kterém potřebné indukované elektrické pole vzniká je zde dobré, a tím lepší, čím je průměr cívky větší, ovšem opět za cenu potíží spojených se zvětšováním průměru cívky (viz výše). Tyto cívky jsou však vhodné jen na určité lokality těla (hlava, ohnuté koleno, ruka, ...), kde je možno část těla umístit do jejich konkávní dutiny.

-2 CZ 33663 U1

Pro tzv. hlubokou transkraniální magnetickou stimulaci mozku (kde je úkolem dosáhnout co největší hloubky i objemu nervové tkáně mozku ovlivněné indukovanými vířivými elektrickými proudy) se používá též uspořádání vinutí tzv. Hesed (H-core, také Hl, H1L, H2 a další podtypy). Na rozdíl od ostatních řešení, kde se dosahuje hloubky průniku indukovaného elektrického pole o poloviční intenzitě ve srovnání s dosahovaným maximem di/2 = 2 až 6 cm je zde tato hloubka kolem 12 cm. Tento typ složitého vinutí je ovšem určen pouze k umístění na hlavu pacienta.

S cílem optimalizovat, a případně zároveň fokusovat indukované elektrické pole je rovněž používáno řešení se dvěma cívkami umístěnými vedle sebe, a případně vůči sobě mírně naklopenými tak, aby se magnetické pole obou cívek působící v těle (především v hlavě) pacienta zesilovalo, koncentrovalo a fokusovalo. Pro dobrý průnik do hloubky je zvláště vhodné, aby tvar cívek byl mírně kónický.

Existují však i běžně používaná konstrukční řešení obou cívek planámích, umístěných v jedné rovině (typ „butterfly“). Pokud je směr elektrického proudu v obou cívkách stejného směru, poskytují spíše fokusované elektrické pole, ale mělčího dosahu, pokud jsou směry elektrického proudu v cívkách opačné, vzniká spíše nefokusované indukované elektrické pole, ovšem většího rozsahu a hloubky průniku. Některá technická řešení používají jádra, obvykle složená z výsečí mezikruží, představující pólové nástavce, které by měly usměrňovat magnetický tok cívky do požadované lokality těla. S těmto řešeními se lze setkat u některých transkraniálních aplikátorů, ale především při posilování svalstva pánevního dna (Neuronetics). Fokusace je zde dobrá, ale hloubka průniku se významně snižuje.

Jedním z klíčových problémů přístrojů pro vysokoindukční magnetickou stimulaci je však silné zahřívání cívek aplikátorů, které je způsobeno ztrátami ve vinutí cívek způsobených průtokem elektrických proudů s vysokými amplitudami řádově tisíců A, což i při krátkých impulsech vytváří vysoké tepelné ztráty. Celit těmto ztrátám bylo dosud možné jen omezováním amplitudy elektrického proudu protékajícího cívkou, a tím i snížením intenzity indukovaného elektrického pole a indukovaných vířivých elektrických proudů, což je však v protikladu s požadavkem na biologické účinky vysokoindukční magnetické stimulace. Další možností je snižování frekvence aplikovaných impulsů a/nebo snižování počtu impulsů v paketu (burstu), případně prodlužování doby trvání pauzy mezi jednotlivými pakety impulsů. Všechna tato technická řešení však omezují celkovou energii, která má být během účinné terapeutické procedury podána, a rovněž nerespektují požadavky na potřebné léčebné frekvenční spektrum. Používaným řešením je tudíž rovněž chlazení cívek. Chlazení proudem vzduchu je však málo účinné, chlazení proudící kapalinou vyžaduje složité technické řešení spočívající v hermetickém zapouzdření cívky a zavedení tlakového okruhu s chladicí kapalinou poháněnou čerpadlem. Bezpečnostní aspekty navíc vyžadují uplatnění teplotních a průtokových čidel. Informace z těchto čidel dokládají správnou činnost chladicího systému cívky, která je nutná z hlediska ochrany pacienta. Cívka, respektive celý aplikátor zahřátý na vyšší, než přípustnou teplotu může poškodit pacienta. Zapouzdření cívky přitom musí být vzhledem k cívce co nejtěsnější a sama cívka musí být co nejblíže povrchu těla v místě působení magnetické stimulace, což komplikuje účinnost chlazení.

Ztráty, které v cívce aplikátorů pro vysokoindukční magnetickou stimulaci vznikají a projevují se tepelně vzrůstem teploty cívky, mají svoji příčinu v následujících fýzikálních dějích.

Za prvé, ve vzniku Joulova tepla úměrného integrálu intenzity elektrického proudu za dobu jeho průtoku a ohmickému odporu vinutí cívky. Joulovy tepelné ztráty jsou dány požadavky na amplitudy magnetické indukce, materiálem vinutí a integrálem průtoku proudu. Při pevně daném materiálu (měď, stříbro) elektrotechnické kvality a požadavcích na vysokou magnetickou indukci lze jedině snižovat šíři proudových impulsů a tím zmenšovat integrál časově proměnného průtoku proudu. Bipolámí sinusové impulsy lze prostřednictvím spínacích prvků rozdělit na dva samostatné unipolámí impulsy opačných polarit s časovou prodlevou mezi jejich příchodem, čímž lze se stejnými ztrátami dosáhnout dvojnásobné frekvence. Vzhledem k časově-spínacím parametrům výkonových elektronických prvků (tyristory, IGBT transistory) i s ohledem na

-3 CZ 33663 U1 potřebu dostatečně dlouhých intervalů působení na senzorické nervové dráhy je možnost snižování Joulových ztrát tímto způsobem omezena.

Za druhé, v přeměně mechanické energie dynamických rázů ve vinutí způsobovaných impulsy elektrického proudu s časově strmými průběhy a vysokými amplitudami. Ohřev působený dynamickými rázy mezi závity vinutí cívky lze snížit kvalitním vinutím a technologií výroby cívek.

Za třetí, ve vysokofrekvenčním skin-efektu a ve vysokofrekvenčním vyzařování elektromagnetického pole. Vzhledem ktomu, že přístroje pro vysokoindukční magnetickou stimulaci obvykle používají sinusové nebo půlsinusové impulsy o době trvání alespoň 100 mikrosekund, je většina energie aplikována ještě v nízkofrekvenční oblasti do 10 kHz, kde je význam šíření elektromagnetického vlnění a s ním spojené energie velmi malý. Skin-efekt však již zanedbávat nelze.

Za čtvrté, ve vzniku vířivých (Foucaultových) proudů v samotném vinutí cívky. Vzniku vířivých proudů však nebyla dosud věnována patřičná pozornost. Přitom se konstruktéři cívek pro vysokoindukční magnetickou stimulaci snaží zvyšováním většinou obdélníkového průřezu páskového vinutí snížit Joulovy ztráty, což se sice může podařit, ale za cenu ještě vyšších ztrát vířivými proudy. Vinutá páska velkého průřezu blížící se svým tvarem čtverci z dobře vodivého materiálu je přímo ideálním prostředím pro vznik vířivých proudů. Přitom pásky s vysokou výškou a malou tloušťkou nelze použít, poněvadž by příliš velká výška jedno vršte vného vinutí způsobila zeslabení magnetického pole vznikajícího kolem cívky v požadovaném axiálním směru.

Podstata technického řešení

Cílem technického řešení je snížení tepelných ztrát ve vinutí cívky určené pro zařízení vysokoindukční magnetické stimulace tím, že bude snížen vliv vířivých proudů (Foucaultových), dále dosažení vyšší strmosti napěťového impulsu u buňky ovlivňované tkáně a dosažení impulsu s větším rozsahem spektra frekvencí než u původních řešení.

Výše uvedeného cíle je dosaženo aplikátorem pro vysokoindukční magnetickou stimulaci, zahrnujícím cívku s vinutím tvořeným vodičem v podobě svazku složeného z velkého množství vzájemně izolovaných tenkých vodičů, spojky přívodní a odvodní potrubí chladící kapaliny, a první a druhý přívodní elektrický kabel. Podstata aplikátoru spočívá vtom, že aplikátor zahrnuje jednak tělo, ve kterém je uspořádána cívka a na kterém je upevněna průchodní komora a držák, a jednak horní kryt, na kterém je upevněn jeden konec madla, přičemž druhý konec madla je upevněn na průchodní komoře. Podstatným znakem je opatření vinutí cívky dutinou uzpůsobenou pro průchod chladící kapaliny, kde vinutí cívky je uprostřed duté, přičemž cívka je od chladicí kapaliny izolována. Podstatným znakem je i první přívodní elektrický kabel napojený na spojku na prvním konci cívky, který je společně s přívodním potrubím chladící kapaliny veden z těla přímo do průchodní komory a držáku. Zároveň je druhý přívodní elektrický kabel napojený na spojku na druhém konci cívky společně s odvodním potrubím chladící kapaliny veden z těla do průchodní komory a držáku ve směru kolmém na rovinu cívky přes dutinu madla.

V přívodních elektrických kabelech může protékat elektrický proud v obou směrech, nelze tedy obecně říct, který z kabelů slouží jako přívodní, resp. odvodní. V přívodním a odvodním potrubí je obecně směr proudění chladicí kapaliny v jednom směru, který je dán směrem čerpadla v chladicím okruhu. Otočením směru čerpadla však lze zaměnit přívodní potrubí za odvodní.

Nevýhody popsané ve stavu techniky jsou tedy odstraněny cívkou, respektive cívkou zahrnující umístěnou v kompaktním cívkovém aplikátoru, přičemž takto řešená cívka i aplikátor jsou vhodné zvláště pro použití mimo oblast hlavy.

-4 CZ 33663 U1

Výhodné je to, že vinutí cívky není provedeno z homogenního elektricky vodivého materiálu (např. pásky, drátu), ale je tvořeno z velkého množství vzájemně oddělených izolovaných vodičů, například tenkých vodičů kruhového nebo čtyřúhelníkového průřezu, lineárně uspořádaných ve svazkovém vodiči, kde tyto jednotlivé vodiče jsou mezi sebou navzájem izolovány a izolován je i celý svazkový vodič. Průtok časově proměnného elektrického proudu (elektrických proudových impulzů) takto vytvořeným vodivým svazkem jednotlivých tenkých navzájem izolovaných vodičů významným způsobem snižuje vznik vířivých elektrických proudů ve vodivém svazku, a tím i ztráty působené těmito vířivými proudy. Tento přínos převažuje nad mírným snížením efektivního průřezu vodivé části svazku a tím mírným zvýšením Joulových ztrát teplem.

Výhodu řešení podle technického řešení je tedy možnost zavést do cívky elektrické proudové impulzy vyšších amplitud, a dosáhnout tak vyšších hodnot amplitud magnetické indukce a vzniku indukovaného elektrického pole v dostatečném objemu, zejména dostatečné hloubce léčených tkání. Toho lze dosáhnout i při kompaktním uspořádání vinutí s malým počtem závitů a požadovanou nízkou indukčností cívky, dovolující kratší stimulační impulzy, poněvadž v tomto řešení bude vysokých hodnot magnetické indukce dosahováno zvyšováním amplitudy budících elektrických proudových impulzů, aniž by se neúnosně zvýšily tepelné ztráty.

Výhodu též je, že druhý přívodní elektrický kabel spirálově vinuté cívky je vyveden kolmo na plochu cívky, a poté proveden madlem spojeným s horní krytem na jednom konci a průchodní komorou na druhém konci. Tímto způsobem nenarušuje druhý přívodní elektrický kabel vedený kolmo z prostředku cívky průběh magnetického pole, a tím i indukovaného elektrického pole v léčených tkáních, jak je tomu u jiných konstrukčních řešení.

S výhodou je kromě vnitřního chladicího okruhu zahrnujícího přívodní a odvodní potrubí a průlez vinutí cívky součástí aplikátoru rovněž vnější chladicí okruh. V tomto okruhu je dutina vytvořená mezi tělem a horním krytem vyplněna chladící kapalinou. V dutině vytvořené mezi tělem a horním krytem je těsně nad cívkou uspořádána přepážka pro usměrnění toku chladicí kapaliny. Ve vnějším chladicím okruhu cirkuluje chladicí kapalina pouze minimálně, a obecně se ke chlazení cívky používá pouze stacionární chladicí kapalina, kterou lze pro lepší distribuci tepla přemi chat pohybem aplikátoru při používaní. Do dutiny tělem a horním krytem je chladicí kapalina přivedena přívodem, resp. odvodem chladicí kapaliny, které můžou být volitelně napojeny na vnitřní chladicí okruh s přívodním a odvodním potrubím nebo můžou být napojeny na jiný chladicí okruh.

Objasnění výkresů

Aplikátor s cívkou pro vysokoindukční magnetickou stimulaci podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde

Obr. la představuje cívku, jejíž vinutí je kruhového průřezu,

Obr. 1b představuje svazek lineárně vedených vodičů, kde jednotlivé vodiče spolu s izolací jsou uspořádány do kruhového vodiče, na Obr. 1c je znázorněn řez svazkovým vodičem cívky s kruhovým průřezem a dutinou rovněž kruhového průřezu, na Obr. 2a je znázorněna cívka, jejíž vinutí je čtyřúhelníkového průřezu,

Obr. 2b představuje svazek lineárně vedených vodičů, kde jednotlivé vodiče spolu s izolací jsou uspořádány do svazkového vodiče čtyřúhelníkového průřezu s dutinou, na Obr. 2c je znázorněn řez svazkovým vodičem cívky s čtyřúhelníkovým průřezem a dutinou rovněž čtyřúhelníkového průřezu,

-5 CZ 33663 U1

Obr. 3 představuje provedení cívky vinuté z dutého svazkového vodiče čtyřúhelníkového průřezu s napojeným přívodním a odvodním potrubím pro dopravu chladící kapaliny do dutiny ve vinutí a pro napojení vinutí na první a druhý přívodní elektrický kabel, na Obr. 4 je znázorněno opláštění cívky v aplikátoru s vyvedením potrubí chlazení i elektrických kabelů,

Obr. 5 představuje schematický pohled na aplikátor zahrnující tělo, horní kryt, madlo, průchodní komoru a držák,

Obr. 6 znázorňuje uspořádání potrubí a elektrických kabelů v opláštění cívky a průchodní komoře, a

Obr. 7 znázorňuje zapojení chladicího okruhu zařízení spolu s aplikátorem zahrnujícím cívku.

Příklady uskutečnění technického řešení

Technické řešení bude blíže vysvětleno na příkladech konstrukce aplikátoru a cívky a jejího začlenění do zařízení.

Přiklad konstrukce cívky 1, pomocí které se významně potlačují indukované vířivé proudy a snižují tepelné ztráty ve vinutí 13 cívky 1, aniž by se snížila magnetická indukce produkovaného magnetického pole, je znázorněn na Obr. la. Účinnost cívky 1 roste s rostoucím počtem oddělených a vzájemně izolovaných vodičů 16 ve svazkovém vodiči 25 vinutí 13 a s kvalitou jejich izolace 17. kde se používá smaltování s následným opatřením tenkou vrstvou izolujícího plastu nebo hedvábí, jak je patrné z Obr. 1b a 1c.

Svazkový vodič 25 velkého počtu navzájem izolovaných tenkých vodičů 16 je vytvarován způsobem, že v půdorysném řezu má tvar kruhu (Obr. 1c) nebo čtyřúhelníku, např. obdélníku (Obr. 2c). Svazkový vodič 25 je opařen dutinou 24, čímž je vytvořen dutý svazkový vodič 25. Vzniklá dutina 24 dále přispívá ke snižování vířivých proudů, které v oblasti dutiny nemohou vznikat. Tímto způsobem se zároveň potlačuje nežádoucí vliv skin-efektu, spočívajícího v tom, že proudy vyšších frekvencí protékají převážně povrchem vodiče, a nikoliv jeho celým objemem. Tím se zvyšuje odpor vodiče a Joulovy tepelné ztráty při vyšších frekvencích. V případě, že vinutí 13 cívky 1 je provedeno jako svazkový vodič, jenž je tvořen velkým počtem vzájemně izolovaných tenkých vodičů 17. potlačí se tento jev a s ním i Joulovy tepelné ztráty. I když technické provedení přístrojů pro vysokoindukční magnetickou stimulaci nevyužívá příliš vysokých frekvencí, je zde skin-efekt rovněž přítomen, takže pro další podíl na snížení ztrát má toto řešení význam.

Z takto vytvořeného svazkového vodiče 25 je vytvořena spirálově vinutá cívka 1, na jejíž vodivé konce je prostřednictvím prvního a druhého přívodního elektrického kabelu 3 a 4 napojen elektrický obvod generující proudové impulzy, přičemž na dutinu 24 uvnitř vinutí 13 dutého svazkového vodiče 25 je prostřednictvím vývodek 11 a spojek 2 připojeno flexibilní přívodní a odvodní potrubí 5 a 6 chladicí kapaliny, čímž je vytvořen hlavní chladicí okruh, kde chladící kapalina prochází dutinou 24 vinutí 13. jak je patné z Obr. 3.

Spirálově vinutá cívka 1 může být povrchově izolována a s prvním a druhým přívodním elektrickým kabelem 3 a 4 a přívodním a odvodním potrubím 5 a 6 chladicí kapaliny může být již účinně používána pro vysokoindukční magnetickou stimulaci. Význam tohoto uspořádání tkví v tom, že dojde k zásadnímu snížení tepelných ztrát v cívce 1 vinuté takto vytvořeným svazkovým vodičem 25 opatřeným dutinou 24. což je důsledek potlačení indukovaných vířivých

-6 CZ 33663 U1 proudů ve vinutí 13. Napojení kapalinového chladicího okruhu přímo do dutiny 24 svazkového vodiče 25 snižuje dále tepelné ztráty.

Příklad konstrukce cívky je znázorněn na Obr. 2a, 2b a 2c. V tomto provedení je vinutí 13 cívky 1 vytvořené z elektricky vodivého materiálu, uvnitř kterého je vytvořena dutina 24 čtyřúhelníkového průřezu. Tato dutina 24 omezí vznik vířivých proudů a tím i ztráty, aniž by snížení průřezu mělo zásadní vliv na zvýšení ohmických ztrát Joulovým teplem, poněvadž ztráty vířivými proudy převyšují ztráty Joulovým teplem.

Vinutí 13 cívky ]_ nacházející se mezi dutinou 24 a povrchem 26 cívky 1, která má v půdorysném řezu tvar mezikruží u kruhových průřezů vinutí 13. nebo čtyřúhelníku vymezeného větším a menším čtyřúhelníkem u čtyřúhelníkových průřezů vinutí 13. Vynutí 13 nemusí být řešeno jako plný materiál měděný nebo stříbrný, aleje tvořeno mnoha navzájem izolovanými vodiči 16, které tvoří svazkový vodič snižující ztráty viz předcházející text. Na Obr. 1b a 2b je patrný detail lineárně vedených tenkých vzájemně izolovaných vodičů 17. opatřených izolací 16 uspořádaných do svazkového vodiče 25 kruhového nebo čtyřúhelníkového průřezu.

Na Obr. 3 je patrné provedení cívky 1 vinuté z dutého svazkového vodiče čtyřúhelníkového průřezu (podle Obr. 2c), tvořícího vinutí 13. s kapalinotěsně napojenými spojkami 2 (výustky) pro dopravu chladící kapaliny do dutiny 24 ve vinutí 13, přičemž prostřednictvím těchto spojek 2 je napojeno přívodní potrubí 5 a odvodní potrubí 6 určené pro proudění chladicí kapaliny dutinou 24. přičemž vinutí 13 cívky 1 je elektricky připojeno na první přívodní elektrický kabel 3 a druhý přívodní elektrický kabel 4 elektrického okruhu prostřednictvím elektrických přívodů vodivě napojených na konce cívky 1.

Na Obr. 4 a 5 je znázorněna cívka 1 uspořádaná v aplikátoru 14 zahrnujícího přívodní a odvodní potrubí 5 a 6 chladící kapaliny i první a druhý přívodní elektrický kabel 3 a 4 elektrického napájení. Aplikátor 14 je tvořen tělem 8 a horním krytem 9, kapalinotěsně připevněným k tělu 8 šroubovými spoji. Nad horní kryt 9 vybíhá madlo 10. jehož dutinou je vedeno do průchodní komory 27 odvodní potrubí 6 a druhý přívodní elektrický kabel 4. První a druhý přívodní elektrický kabel 3 a 4 napojený na elektrickou přívodku na jednom z konců cívky 1 je společně s přívodním potrubím 5 i odvodním potrubím 6 proveden průchodní komorou 27 a držákem 12 s vývodkou 28.

S výhodou je uvnitř dutiny aplikátoru 14 těsně nad vinutím 13 cívky 1 umístěna přepážka 7, která usměrňuje proud chladicí kapaliny omývající cívku 1 zvenčí, přičemž tato chladící kapalina tvoři další chladící okruh. Cívka 1 je totiž chlazena jak chladící kapalinou protékající její dutinou 24, tak může být doplňkově chlazena též omýváním chladicí kapalinou uzavřenou v dutině aplikátoru 14. Přepážka 7 účelně usměrňuje tok této chladicí kapaliny při jejím pohybu vlivem pohybu aplikátoru 14 nebo i teplotních změn v okolí cívky L

Uspořádání přívodního a odvodního potrubí 5 a 6 a prvního a druhého přívodního elektrického kabelu 3 a 4 v opláštění cívky j. je znázorněno na Obr. 6. Spojky 2 a vývodky 11 jsou určeny pro montážní napojení přívodního 5 a odvodního potrubí 6 s aktivně proudící chladicí kapalinou; zatěsněným otvorem 15 je přiváděn první přívodní elektrický kabel 3 napojený poté na jeden konec vinutí 13 cívky j_. Přívod 29 a odvod 30 chladicí kapaliny slouží pro přístup chladicí kapaliny do dutiny vymezené tělem 8 a horním krytem 9, tj. pro vnější chladicí okruh.

Uspořádaní zařízení pro vysokoindukční magnetickou stimulaci je znázorněno na Obr. 7. Zařízení v tomto provedení zahrnuje skříň 18 uvnitř které je uspořádán zásobník 19 chladící kapaliny, který je prostřednictvím přívodního potrubí 5 připojen svým výstupem na vstup čerpadla 20. jehož výstup je propojen prostřednictvím přívodního potrubí 5 na čidlo 21 průtoku, které dále napojeno prostřednictvím přívodního potrubí 5 na vývodku 11 a vstupní spojku 2, která je napojena cívku 1 uspořádanou v aplikátoru 14. Výstupní spojka 2, která je spojena s cívkou 1 je dále propojena přes vývodku 11 a výstupní spojku 2 chladící kapaliny 24 a odvodní

-7 CZ 33663 U1 potrubí 6 na čidlo 22 teploty, které je dále propojeno přes odvodní potrubí 6 na vstup chladiče 23, který je odvodním potrubím 6, vývodkou 11 a výstupní spojkou 2 spojen se vstupem zásobníku 19.

Uvnitř dutiny 24 cívky 1 protéká chladicí kapalina, která účinným způsobem zajišťuje chlazení ohřívaného vinutí cívky L Dutina 24 uvnitř vinutí 13 je prostřednictvím spojky 2 a vývodky 11 napojena na přívodní potrubí 5. Do takto vzniklé dutiny 24 vinutí cívky 1 přes spojku 2 prostřednictvím přívodního potrubí 5 vedena chladicí kapalina uváděná do pohybu v přívodním potrubí 5 pomocí pumpy - čerpadla 20. Tato část přívodního potrubí 5 je napojena na tlakovací výstup čerpadla 20. Chladicí kapalina proudí přes čidlo průtoku 21 ze skříně 18 přístroje k cívce 1 uspořádané v aplikátoru 14, který je uspořádán mimo skříň 18. kde je protlačována přímo dutinou 24 vinutí 13 cívky j_. Chladící kapalina tímto způsobem vinutí 13 cívky 1 ochlazuje, vytéká druhou spojkou 2 aje prostřednictvím odvodního potrubí 6 odváděna do skříně 18, kde proudí přes čidlo 22 teploty a chladič 23 do zásobníku 19 chladicí kapaliny. Čidlo 22 teploty se nemůže nacházet na cívce 1, poněvadž ta při vysokoindukční magnetické stimulaci produkuje vysoké impulsy indukovaných elektrických napětí, které by čidlo 22 teploty zničily. Proto se čidlo 22 teploty nachází až za vyústěním odvodního potrubí 6 ve skříni 18 přístroje.

Z důvodů izolace a zároveň pro účely chlazení obtékající chladicí kapalinou může být cívka 1 vložena do aplikátoru 14 a v něm hermeticky utěsněna, jak je patrné z Obr. 4 až 6. Aplikátor 14 zajišťuje elektrickou izolaci (bezpečnost) a zároveň možnost přídavného chlazení chladicí kapalinou, která je umístěna uvnitř dutiny aplikátoru 14. kde obtéká cívku 1 v okruhu s čerpadlem 20, zásobníkem 19, chladičem 23. Cívka 1 s hloubkovým účinkem bude v aplikátoru 14 omývána dalším, samostatným tokem chladicí kapaliny. Tok chladicí kapaliny při vnějším omývání cívky 1 chladicí kapalinou je usměrňován vhodně umístěnou přepážkou 7. Doplněním dalšího chladicího okruhu se opět sníží tepelné zatížení cívky 1 aje možno dále zvyšovat amplitudu budicích proudových impulzů a tím i velikost a hloubkový průnik indukovaného elektrického pole.

Průmyslová využitelnost

Aplikátor s cívkou pro vysokoindukční magnetickou stimulaci lze využít v oblasti medicíny, fýzioterapie a léčebné rehabilitace.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Aplikátor (14) pro vysokoindukční magnetickou stimulaci, zahrnující cívku (1), spojky (2), přívodní a odvodní potrubí (5, 6) chladící kapaliny, a první a druhý přívodní elektrický kabel (3, 4), vyznačující se tím, že aplikátor (14) zahrnuje jednak tělo (8), ve kterém je uspořádána cívka (1) a na kterém je upevněna průchodní komora (27) a držák (12), a jednak horní kryt (9), na kterém je upevněn jeden konec madla (10), přičemž druhý konec madla je upevněn na průchodní komoře (27), přičemž vinutí (13) cívky (1) je uprostřed duté a zahrnuje dutinu (24) uzpůsobenou pro průchod chladicí kapaliny, přičemž cívka (1) je od chladicí kapaliny izolována, přičemž první přívodní elektrický kabel (3) napojený na první konec cívky (1) je společně s přívodním potrubím (5) chladící kapaliny veden z těla (8) přímo do průchodní komory (27) a držáku (12), a zároveň je druhý přívodní elektrický kabel (4) napojený na druhý konec cívky (1) společně s odvodním potrubím (6) chladící kapaliny veden z těla (8) do průchodní komory (27) a držáku (12) ve směru kolmém na rovinu cívky (1) přes dutinu madla (10).

2. Aplikátor pro vysokoindukční magnetickou stimulaci podle nároku 1, vyznačující se tím, že vinutí (13) cívky (1) je tvořeno svazkem tenkých vodičů (17) kruhového průřezu, lineárně

-8 CZ 33663 U1 uspořádaných ve svazkovém vodiči (25), kde tyto jednotlivé vodiče (17) jsou mezi sebou navzájem izolovány, přičemž izolován je i celý svazkový vodič (25).

3. Aplikátor pro vysokoindukční magnetickou stimulaci podle nároku 1 a 2, vyznačující se 5 tím, že vinutí (13) cívky (1) má v půdorysném řezu tvar kruhu.

4. Aplikátor pro vysokoindukční magnetickou stimulaci podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že vinutí (13) cívky (1) má v půdorysném řezu tvar čtyřúhelníku.

ίο

5. Aplikátor pro vysokoindukční magnetickou stimulaci podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že dutina vytvořená mezi tělem (8) a horním krytem (9) je vyplněna chladící kapalinou, přičemž v dutině vytvořené mezi tělem (8) a horním krytem (9) je těsně nad cívkou (1) uspořádána přepážka (7).