DD200308A1

DD200308A1 - Impulsgenerator mit veraenderbarem impulsprogramm

Info

Publication number: DD200308A1
Application number: DD81231464A
Authority: DD
Inventors: Gerald Igel; Bruno Wenig
Original assignee: Gerald Igel; Bruno Wenig
Priority date: 1981-07-06
Filing date: 1981-07-06
Publication date: 1983-04-13
Also published as: DE3213978C2; DE3213978A1; DD200308B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsgenerator fuer die Stimulation des menschlichen Koerpers. Das Ziel besteht darin, mit Hilfe einer elektronischen Schaltung die Erzeugung von Einzelimpulsen und Impulsgruppen zu gewaehrleisten, wobei die Aufgabe geloest werden soll, alle interessierenden Kennwerte in weiten Grenzen variabel zu gestalten, ohne dass sich auch sinnwidrige und damit gefaehrliche Ausgangsimpulse ergeben. Die Loesung wird durch spezielle Multivibratoren, die ueber eine mit logischen Gliedern arbeitende Steuerelektronik entsprechend dem gewuenschten Impulsprogramm verknuepft werden, erreicht. Das Anwendungsgebiet ist vorzugsweise die Elektromedizin. Fig. 1

Description

Igel', Gerald Dresden, den 25. 6. 198I

Wenig, Bruno · TNP/Sff/Tr

VI5B Transformatoren- uhd Röntgenwerk "Hermann Matern"

TuR-Akte 1778 '

IPK: A 61 N 1/00

Impulsgenerator mit veränderbarem Impulsprogramm

Anwendungsgebiet der Erfindung"

Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung von in weiten Grenzen variierbaren Impulskennwerten und Impulsprogrammen, der vorzugsweise für die externe elektrische Stimulation von Organen und Geweben des menschlichen Körpers Anwendung finden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die an den Anfängen der Reizstromtherapie gebräuchlichen Impulsformen mit vorgegebenen Zeitwerten (Sonderdruck "Elektromedizin" Bd. 5, i960, Nr* 2) sind entsprechend dem medizinischen Erkenntnisstand der Zusammenhänge zwischen Nerv- und Muskelsystem zu komplizierten elektrischen Stimulationsprozessen der komplexen physiologischen Funktionen entwickelt worden« Es ist bekannt (DD-PS 2^ 825), bei einem Reizstromgerät für Therapie und/oder Diagnostik die Impulsströme in ihrer Dauer, der Anstiegs— und Abfallzeit, ihrem Scheitelwert, der Frequenz und damit dem Tastverhältnis variabel zu gestalten. Dabei soll die Einschaltung so vorgenommen werden, daß die zu wählenden Werte unabhängig voneinander eingestellt werden können. Das trifft gleichermaßen bei der Anwendung der Elektrostimulation für die Prophylaxe und Therapie von Erkrangungen der Skelettmuskulatur, zB. die gezielte Steuerung von Bewegungsabläufen sowie des Bewegungsapparates, z.B. die elektrische Steuerung der unterschiedlichen Organ-

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'funktionen und auch für diagnostische Untersuchungen der Funktion des Nerv-Muskelsystems mittels elektrischer Ströme zu, also z.B. zur Messung der Reobase, Chronaxie und Refraktärzeit und bei der Aufnahme von Reizzeitinten-. sitätskurven.

Aus der Breite des genannten Anwendungsgebietes resultiert die Forderung, daß mit modernen Universalstimulatoren eine Vielzahl von verschiedenen Impulsprogrammen mit in "weiten Grenzen einstellbaren Zeitparametern realisierbar sein muß« Das Spektrum der Impulsprogramme reicht dabei von der zeitlich definierten Applikation von Einzelimpulsen bis zur Erzeugung von mehreren, in der zeitlichen Reihenfolge definiert gestaffelten Impulsgruppen mit unterschiedlichen Impulskennwerten bei der Anwendung der mehrkanaligen Elektrostimulation. Diese Forderung kann durch die bekannten Geräte nicht in vollem Umfang gelöst werden. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von Impulsabläufen für die Elektrostimulation ist in der Regel ein Zeitgenerator zur fortlaufenden Erzeugung der Impulsperiodendauer vorhanden. Durch die von dieser Stufe erzeugten Triggerimpulse "wird eine monostabile Kippstufe zur Erzeugung der Impulsdauer angesteuert· Zur Erzeugung von definierten Anstiegs- und Abfallzeiten wird diese gewonnene Rechteckirapulsfolge mit ein gestellter Impulsdauer und Impulsperiodendauer den Integrationsstufen mit einstellbarer Integrationsdauer zur Verformung der Impulsflanken zugeführt«

Für die Erzeugung der Gruppenperioden- vuad Gruppendauer wird meist ein zweiter, unabhängiger, nach dem gleichen Prinzip arbeitender Zeitgenerator eingesetzt« Die Verknüpfung dieser beiden Impulserzeuger muß zur Erzeugung von Impulsgruppen mit entsprechendem Impulsinhalt über eine geeignete Torstufe erfolgen, die der Reizausgangsstufe des Gerätes vorgeschaltet.ist. Bei derartigen Geräten müssen entsprechende Blockierungseinrichtungen vor-

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gesehen werden, damit die Einstellung physikalisch sinnwidriger Werte, z,B« die Einstellung einer kleinereren Impulsperiodendauer als die Impulsdauer,· verhindert wird* In solchen Fällen tritt nämlich eine Gefährdung des Patienten ein, da der Generator Undefinierte Impulse erzeugt. Die bei diesen Geräten verwendeten Blockierungseinrichtungen sind um so mechanisch komplizierter, je mehr einstellbare Zeitparameter damit überwacht werden. Auch die Masse der Geräte nimmt unerwünscht zu« Für Forschungsaufgaben auf dem Gebiet der Elektro-Physiologie ist auch bereits eine Anordnung zur Erzeugung von Reizstromimpulsen bekannt, bei der mehrere Impulse mit veränderbaren Pausenzeiten und Intensitäten durch verschiedene Generatoren,die nacheinanderfolgend Triggerimpulse erhalten, auf einen Arbeitswiderstand gegeben werden können (DD-PS Zk 660), Dazu sind außer kompletten Reizstromgenera tor en _} deren Anzahl sich nach der Zahl der Impulse richtet, auch ein Steuergenerator notwendig. Die Nachteile liegen durch den technischen Aufwand auf der Hand,

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, mit Hilfe einer elektronischen Schaltung zur Erzeugung von Impulsprogrammen die geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und gleichzeitig den Anforderungen an die Variationsbreite der Impulsprogramme und der dazugehörenden Zeitbereiche durch die modernen Verfahren der Elektrostimulation gerecht zu werden, . ' .

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen Impulsgenerator anzugeben, der vorzugsweise für die Elektrotherapie und Diagnostik des Reizleitungssys.tems des menschlichen Organismus An-

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Wendung finden soll« Dabei soll mit einem Gerät oder Gerätesystem eine allen Sicherheitsanforderungen entsprechende Realisierung moderner Elektrostimulationsverfahren möglich sein» Die einzelnen Zeitkemrwerte für die erforderlichen Impulse oder Impulsprogramme, die zwischen den Grenzen 100>£fs und einigen 1000 s liegen, müssen leicht einstellbar sein und sich in geringen Toleranzgrenzen von "wenigen $ bewegen* Dabei ist es weiterhin Aufgabe, unter Vermeidung der o,g, Nachteile die Einstellbarkeit der Impulskennwerte bzw« Impulsprogrammkennwerte, wie Impulsdauer, Iraptilsperiodendauer bzw« Impulspause, Impulsanstiegszeit und -abfallzeit, Verzögerungszeit von Einzelimpulsen oder Impulsgruppen, Impulsgruppendauer, Impulsgruppenperiodendauer in den o«g» Grenzen zu gewährleisten»

Die. Aufgabe wird bei einem Impulsgenerator mit veränderbarem Impulsprogramm, wobei die Kennwerte mit Hilfe eines Impulsprograramwählers einstellbar sind, erfindungsgemäß nach den im Erfindungsanspruch dargestellten Merkmalen gelöst«,

Ausführungsbeispiel '

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausf ührungs-· beispieles und einer Zeichnung näher erläutert werden« In der Zeichnung zeigen:

Fig« 1 ein Blockschaltbild des Impulsgenerators Fig« 2 e"in Prinzipschaltbild eines monostabilen Multivibrators der Fig« 1 Fig, 3 Kurvenverläufe«

Zunächst soll die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung bei der E_rzeugung einer unverzögerten Rechteckimpulsfolge dargelegt werden.

Durch einen extern oder von Hand ausgelösten Startimpuls, der am Starteingang 1 anliegt und der die Form eines kurzen

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Rechteckimpulses hat, "wird über eine Steuerelektronik 2 ein monostabiler Multivibrator 3. angesteuert» Innerhalb der Steuerelektronik 2 durchläuft der Startimpuls zunächst zwei logische ODER-Schaltungen h und 5» danach eine logische UND-Schaltung 6. Diese- UND-Schaltung 6 stellt eine Torschaltung dar, die ihrerseits mit einem Impulsprogrammwähler in Verbindung steht. Entsprechend des im Impulsprogrammv/ähler 7 gewählten Programmes für Rechteckimpulse, der dafür einen Ausgang R besitzt, ist die Torschaltung geöffnet« Nach dem Passieren der UND-Schaltung 6 gelangt der Startimpuls an eine logische ODER-Schaltung 8, die mit dem Multivibrator 3 verbunden ist« Der Multivibrator 3 springt nunmehr in seinen instabilen Zustand, wodurch an allen seinen'Steuerausgängen 9 ζ« Β« ein logischer Η-Pegel anliegt, welcher Stromquellen 10 steuert« Am Ausgang der Stromquellen 10 kann damit entsprechend der D_auer des anliegenden Η-Pegels ein Rechteckimpuls abgenommen werden, dessen Ausgangssignalverlauf ohne Zwischenschaltung eines Verstärkers dem gewünschten Impulsverlauf zur Stimulation entsprechen kann. Zur Einstellung der Intensität der Ausgangsspannung ist. den Stromquellen 10 ein in der Figur nicht gezeigter Ausgangssignalverstärker nachgeschaltet« Die Dauer des instabilen Zustandes des Multivibrators 3 ist damit maßgebend für die Länge der Impulsdauer und ist entsprechend den medizinischen Forderungen im Bereich von 0,1 ras ««« 10 s einstellbar. Nach Ablauf der aktiven Phase des Multivibrators 3 liegt am Triggerausgang 11 ein kurzer Rechteckimpuls an, der über die Steuerelektronik 2 zu einem monostabilen Multivibrator 12 geführt wird« Innerhalb der Steuerelektronik 2 passiert dieser Rechreckimpuls eine logische UND-Schaltung 13, sowie eine logische ODER-Schaltung 1^ und eine logische UND-Schaltung 15« Der am Multivibrator 12 anliegende Rechteckimpuls bringt diesen in seine instabile Lage, deren einstellbare Dauer im Be-

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reich von ebenfalls 0,1 ras ... 10 s liegt und die Impulspause charakterisiert. Während dieser Zeit liegt an seinen Steuerungsausgängen 16 ein.logischer L-Pegel, in deren Zeitspanne-auch die Stromquellen 10 abgeschaltet sind» Nach Ablauf der gewählten Impulspausenzeit kippt der Multivibrator 12 in seine Ausgangsläge zurück, am Triggerausgang liegt ein kurzer Rechteckimpuls, der über die ODER-Schaltung 5, die UND-Schaltung 6 und die ODER-Schaltung -8, den Multivibrator 3 ansteuert* Damit ist die erste Impulsperiode abgeschlossen und die weitere gegenseitige Ansteuerung erfolgt wie bereits beschrieben. Dieser Vorgang geht solange bis ein STOP-Impuls über den STOP-Eingang 18 von außen zugeführt wird und damit die Multivibratoren 3 und gleichzeitig rücksetzt, ohne daß an den Triggerausgängen 11 und 17 ein Rechteckimpuls entsteht. Dazu ist eine besondere Rücksetzleitung I9 vorhanden.

Bei der Stellung des Impulsprogrammwählers 7 auf Einzelimpuls nimmt der Ausgang IF (impulsfolge) L-Pegel an und verhindert damit durch Sperrung der UND-Schaltung 15 ein Ansteuern des Multivibrators 12. Damit wird die Impulsabgabe abgeschlossen.

Im folgenden soll die Wirkungsweise bei der Erzeugung einer verzögerten Impulsgruppe aus Trapezimpulsen beschrieben werden.

Dazu liegt am Starteingang 20 ein Rechteckimpuls aus einer in der Figur nicht dargestellten Start-Stop-Schaltung, der übeot" eine logische ODER-Schaltung 21, die Bestandteil der Steuerelektronik 2 ist, an den Triggereingang eines monostabilen Multivibrators 22 geführt ist. Dieser repräsentiert mit der Zeitdauer seiner instabilen Lage, die im Bereich von 1 ms bis 1000 s liegt, die Verzögerungszeit, während der noch kein Ausgangssignal erzeugt wird bzw» während der Zeit die Impulserzeugung unterbrochen ist. Nach Ablauf dieser Zeit wird an seinem Triggerausgang ein kurzer Recht-

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eckirapuls zur ODER-Schaltung h abgegeben, der einerseits über eine logische UND-Schaltung 23 an. einem monostabilen Multivibrator Zk und andererseits über die ODER-Schaltung 5} eine logische UND-Schaltung 25 an einen monostabilen Multivibrator 26 weitergeleitet wird. Die UND-Schaltung is-t gleichfalls mit dem Ausgang G (impulsgruppe) des Impulsprogrammwählers 7 verbunden. Der Ausgangsimpuls der logischen UND-Schaltung 23 bewirkt, daß der monostabile Multivibrator 2.h in seine instabile Lage kippt. Die UND-Schaltung 25 ist mit dem Ausgang T (Trapezimpuls) des Impulsprogrammwählers 7 verbunden. Der Multivibrator 26 bewirkt während seiner Arbeitsphase in Verbindung mit den Stromquellen 10 ein Ansteigen des Ausgangesignalverlaufes von einem Minimal- bis zu einem Maximalwert, Das Blockschaltbild des monostabuen Multivibrators 26 ist in der Figur 2 gezeigt. Ein am Triggereingang 100 anliegender negativer Rechteckimpuls bewirkt ein Umkippen einer bistabilen Kippstufe 101, Des weiteren beinhaltet der Multivibrator 26 einen veränderbaren Frequenzgenerator 102, dessen Ausgang und der Ausgang der Kippstufe 101 an zwei Eingänge einer UND-Schaltung 103 geführt ist. Diese ist mit.einem 8bit-Binärzähler 10^ verbunden. Die entsprechend der gewählten Frequenz anliegende; Impulsfolge wird gezählt. Die Ausgänge des Binärzählers 10^ sind einerseits mit den Stromquellen 10 (in Fig, 1) und -einer logischen UND-Schaltung IO5 verbunden« Sobald alle Ausgänge des Binärzählers· 10^ den logischen Pegel H haben, entsteht am. Ausgang der UND-Schaltung 105 ein L-H-Sprung, der einem Impulsverkürzer IO6 zugeführt wird. Der nunmehr von dort abgegebene kurze negative Rechteckimpuls setzt die bistabile Kippstufe 101 in ihre Ausgangslage zurück und wird über die logische ODiiR-Schaltung 8 (Fig, 1), die zur Steuerelektronik 2 gehört, an den Triggereingang des Multivibrators 3 gelegt. Nach Ablauf der eingestellten Im-

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pulsdauerj die durch den Multivibrator 3 repräsentiert wird, startet der Rechteckimpuls am Triggerausgang 11 über eine logische UND-Schaltung 27 einen monostabilen Multivibrator 28, der den Impulsabfall in umgekehrter ¥irkungsweise wie der Multivibrator 26 bewerkstelligt» Der Ausgangsimpuls des Multivibrators 28 wird über die ODER-Schaltung lh, die UND-Schaltung 15 an den Triggereingang des Multivibrators 12 geführt» In diesem wird in bereits dargelegter ¥eise die Impulspause realisiert« Nach Ablauf der Paus en"* zeit ist die erste Impulsperiode beendet. Der Rechteckimpuls am Triggerausgang 17 startet über die ODER-Schaltung 5 und die UND-Schaltung 25 wiederum den Multivibrator 26, Der Vorgang wiederholt sich solange, bis entweder am Eingang 18 ein STOP-Impuls anliegt oder die Arbeitsphase des monostabilen Multivibrators 2Ί· abgeschlossen ist. Sein Impuls am Triggerausgang 29 bewirkt einerseits ein Zurücksetzen der MuI-tivibratoren 3> 12, 26 und 28 in ihre Ausgangslagen,atme daß Triggerausgangsimpulse abgegeben werden und wird andererseits an die logische UMD-Schaltung 30 geführt. Aufgrund der Einstellung "Einzelgruppe" am Impulsprogrammwähler 7 liegt am Ausgang GF (Gruppenfolge) ein L-Pegel und der Trigger·* ausgangsimpuls wird nicht an die ODER-Schaltung 21 weitergeleitet» Damit ist die Impulsabgabe abgeschlossen» In der Figur 3 ist der Impulsverlauf an den mit den Buchstaben a ,«» η gekennzeichneten Punkten des Blockschaltbildes zur Verdeutlichung der Wirkungsweise dargestellt. Die Impulsverläufe i »«· m sind als D/A-gewandelte Signale dargestellt« Die Impulsverlaufe beim Impulsanstieg und -abfall sind an sich treppenförmig, der Vereinfachung halber in der Figur jedoch linear dargestellt«

Claims

4 Ö . c . . · ·

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Erfindungsanspruch

1# Impulsgenerator mit veränderbarem Impulsprograinm, vorzugsweise für elektromedizinische Reizstromgeräte, bei dem die Kennwerte der Impulse oder Impulsprogramme mit Hilfe eines Impulsprogrammwählers einstellbar sind, gekennzeichnet dadurch, daß

a) in Abhängigkeit von der Anzahl der zu verändernden Kennwerte diesen entsprechend viele monostabile Multivibratoren (26; 3; 28; 12; 22; 2k) zugeordnet sind, die Steuerausgänge (9» 16) besitzen zur Ansteuerung von Stromquellen (1O), deren Ausgangssignalverlauf dem Impulsverlauf proportional ist,

b) jeder Multivibrator (26; 3; 28; 12; 22; 2k) über einen Triggerausgang (11; 17» 29) verfügt, der mit dem Triggereingang des ihm jeweils zugeordneten Multivibrators (22; 26; 3; 28; 12; 2^) über eine Steuerelektronik (2) verbunden ist, und der Triggereingang des ersten Multivibrators (22 bzw. 26) über die Steuerelektronik (2) zusätzlich mit einem Starteingang (20 bzw. 1) zum Anlegen eines verzögerten bzw, unverzögerten Startsignals verbindbar ist,

c) die Steuerelektronik (2) entsprechend der Stellung des Impulsprogrammwählers (7) die Multivibratoren (26; 3> 28; 12;), welche die Impulsperiode charakterisieren durch Ansteuerung von logischen UND- und ODER-Schaltungen (k; 5; 6 bzw, 25; 8; 13 bzw. 27; 1^; 15) miteinander derart verbindet, daß entsprechend den Kennwerten des jeweiligen Impulsverlaufes die diesem zugeordneten Multivibratoren (26; 3 J 28; 17) hintereinander liegen.

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Z₀ Impulsgenerator nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerelektrohik (2.) entsprechend der Stellung des Impulsprogramnrwählers (7) zu den hintereinander liegenden, die Impulsperiode charakterisierenden Multivibratoren (26; 3} 28; 12.)» den die Impulsgruppendauer charakterisierenden Multivibrator {Zk) parallel zuordnet, indem an dessen Triggereingang durch Ansteuerung einer logischen UND-Schaltung (.23) der Steuerelektronik (2) gleichzeitig das Startsignal anlegbar ist und dessen Triggerausgang mit jedem der in Reihe geschalteten Multivibratoren (26; 3; 28; 12) über eine Rücksetzleitung (I9) derart verbunden ist, daß die Multivibratoren (26; 3; 28; 12) nach Beendigung der Arbeitsphase des Multivibrators in ihre Ausgangslage zurücksetzbar sind.

3· Impulsgenerator nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerelektronik (2) entsprechend der Stellung des Impulsprogramnrwählers (7) vor die hintereinander geschalteten Multivibratoren (26; 3 j 28; 12) den zur Verzögerung von Einzelimpulsen, Impulsgruppen oder zur Verzögerung zwischen den Impulsgruppen dienenden Multivibrator (22) legt und dieser ebenfalls mit der Rücksetzleitung (I9) verbunden ist«

k₀ Impulsgenerator nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß jede'r Multivibrator mit einem Rücksetzeingang versehen ist, an den ein STOP-Impuls parallel anschaltbar ist·

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen