DE10065056A1

DE10065056A1 - Reizstromgerät

Info

Publication number: DE10065056A1
Application number: DE10065056A
Authority: DE
Inventors: Peter Gibas; Falk Hoehne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-23
Filing date: 2000-12-23
Publication date: 2002-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reizstromgerät, insbesondere ein netzunabhängig betriebenes Reizstromgerät zur transkutanen Stimulation von Nerven und Muskeln mit unipolaren Spannungsimpulsen, die über flächenhafte Elektroden auf die zu behandelnde biologische Gewebestruktur appliziert werden. Es wird die Aufgabe gelöst, ein solches Reizstromgerät zu schaffen, bei dem die Spannungsamplituden, die zur Erreichung der Ansprechschwellen für die transkutane Reizung notwendig sind, mit lediglich geringem gerätetechnischen Aufwand erreichbar sind. Gleichzeitig soll die Sicherheit des Patienten erhöht werden, indem Fehlreaktionen der Schaltung, die zu große Stimulationsenergien bewirken würden, ausgeschlossen werden. Dies wird erreicht, indem die Ausgangsspannung (U¶Bat¶) der Spannungsquelle (1) durch einen DC/DC-Wandler (2) auf eine Versorgungsspannung (U¶X¶) gewandelt und in einem kapazitiven Speicher (3) zwischengespeichert wird, dem eine Hochsetzsteller-Schaltung nachgeordnet ist, die eine Induktivität (4), eine Schalteinheit (5), eine Diode (6), einen Impulsgenerator (7) und vorzugsweise einen, zu den Elektroden (10; 11) parallel geschalteten Glättungs-Speicherkondensator (9) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reizstromgerät, insbesondere ein netzun abhängig betriebenes Reizstromgerät zur transkutanen Stimulation von Nerven und Muskeln mit unipolaren Spannungsimpulsen, die über flächenhafte Elektroden auf die zu behandelnde biologische Gewebe struktur appliziert werden.

Reizstromgeräte sind für verschiedenartige medizinische Anwendungen geeignet, bei denen biologische Gewebestrukturen über flächenhafte Elektroden mit unipolaren Spannungsimpulsen beaufschlagt werden. Diese Geräte arbeiten entweder nach dem Prinzip der Konstantstrom technik oder der Konstantspannungstechnik. Die Reizwirkung auf das zu behandelnde Gewebe soll vorbestimmte Reaktionen der geschwächten Gewebestruktur bewirken. So wird beispielsweise durch Anwendung von DE 23 03 811 C2 die Heilung von Knochenverletzungen stimuliert, während DE 30 06 797 A1 für eine Behandlung von Funktionsstörungen des Nerven-Muskel-Systems im Gesicht vorgesehen ist.

Unabhängig von der jeweils konkreten Konstruktion haben die bisher bekannten Reizstromgeräte zur transkutanen Stimulation von Nerven und Muskeln einen weitgehend ähnlichen Grundaufbau. Für diese Gerä te werden neben den Elektroden eine, die Impulse erzeugende Schal tungsbaugruppe sowie eine Stromversorgungseinheit benötigt. Neben konventionellen Reizstromgeräten mit Netzanschluß werden zunehmend Geräte angeboten, die netzunabhängig betrieben werden. Somit können geringe Baugrößen realisiert werden, mit denen die Bewegungsfrei heit des Patienten nur geringfügig beeinträchtigt wird und die ins besondere für eine ambulante Selbstbehandlung von Patienten geeig net sind.

Allerdings weisen netzunabhängige Reizstromgeräte neben diesen Vor teilen auch Nachteile auf. Problematisch sind insbesondere die Spannungsamplituden. Zur Erreichung der Ansprechschwellen sind für die transkutane Reizung in Abhängigkeit des jeweiligen Übergangswi derstandes - der durch die Einzelwiderstände von Elektroden plus Haut des Patienten bestimmt wird - Spannungsamplituden in Größen ordnungen von 20 Volt bis 400 Volt erforderlich. Um solche Span nungsamplituden zu erreichen, werden bei mobilen batteriebetriebe nen Reizstromgeräten Übertrager eingesetzt. Dabei wird überwiegend von einer Batteriespannung "U_Bat" von 9 Volt ausgegangen bzw. die Spannungsversorgung für die Endstufen wird mit Transvertern reali siert. Die Übertrager benötigen jedoch zusätzlichen Bauraum, verur sachen Verlustleistungen und sind ohnehin sehr kostenintensiv, so dass die mit einem netzunabhängigen Reizstromgerät an sich erreich baren Vorteile beeinträchtigt werden. Weiterhin sind Fehlreaktionen der Schaltung nicht auszuschließen, in deren Folge eine zu große Stimulationsenergie auftritt, die eine Gefährdung des Patienten darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein netzunabhängig betriebenes Reiz stromgerät zu schaffen, bei dem die Spannungsamplituden, die zur Erreichung der Ansprechschwellen für die transkutane Reizung not wendig sind, mit lediglich geringem gerätetechnischen Aufwand er reichbar sind. Gleichzeitig soll die Sicherheit des Patienten er höht werden, indem Fehlreaktionen der Schaltung, die zu große Sti mulationsenergien bewirken würden, ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Ausgangsspannung der Spannungsquelle durch einen DC/DC-Wandler auf eine Versorgungsspan nung gewandelt und in einem kapazitiven Speicher zwischengespei chert wird, dem eine Hochsetzsteller-Schaltung nachgeordnet ist, die eine Induktivität, eine Schalteinheit, eine Diode, einen Im pulsgenerator und vorzugsweise einen, zu den Elektroden parallel geschalteten Glättungs-Speicherkondensator aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 3 bis 9 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Reizstromgerät erfordert im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen einen wesentlich verminderten gerätetech nischen Aufwand, um die Spannungsamplituden, die zur Erreichung der Ansprechschwellen für die transkutane Reizung notwendig sind, zu erreichen. Sowohl der benötigte Bauraum als auch die auftretenden Verlustleistungen sind nunmehr geringer. Weiterhin wird die Sicher heit des Patienten erhöht, weil ein Auftreten zu großer Stimulati onsenergien durch Fehlreaktionen der Schaltung ausgeschlossen ist. Das vorgeschlagene Reizstromgerät kann für verschiedene diagnosti sche und therapeutische Anwendungen genutzt werden, bei denen eine transkutane Stimulation von biologischen Gewebestrukturen notwendig ist. Vorzugsweise ist das Gerät für eine ambulante Selbstbehandlung von Patienten geeignet, z. B. zur Behandlung von Schlafapnoe.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung ist der grundsätzliche Schaltungsaufbau eines er findungsgemäßen Reizstromgerätes dargestellt, das zur transkutanen Stimulation von Nerven und Muskeln verwendet wird. Die Bereitstel lung der Versorgungsspannung "U_X" (vorzugsweise 5 Volt, aber auch bis 12 Volt) für das Reizstromgerät erfolgt von einer Batterie-Ein zelzelle mit einer Ausgangsspannung "U_Bat" von 1,5 oder 3,0 Volt ausgehend mit Hilfe eines DC/DC-(Aufwärts-)Wandlers 2 und einer nachfolgenden Zwischenspeicherung der Versorgungsenergie auf dem Pegel der Versorgungsspannung "U_X" in einem kapazitiven Zwischen speicher 3. Die benötigten Stimulationsimpulse werden nach dem Hochsetzsteller-Prinzip erzeugt unter Verwendung einer Induktivität 4, einer Schalteinheit 5, die von einem Impulsgenerator 7 angesteu ert wird sowie von einer Diode 6 und einem Glättungs-Speicherkondensator 9. Die entstehenden Stimulationsimpulse werden über die flächenhaften Elektroden 10 und 11 auf den Patienten 14 appliziert.

In den Impulspausen, also in Zeiträumen ohne Stimulation, wird durch die Auskopplung der Impulse für die Elektrode 11 vom Eingang und für die Elektrode 10 über die Diode 6 vom Ausgang der Indukti vität 4 eine Gleichstromfreiheit erreicht. Der Impulsgenerator 7 wird in einem Bereich von 50 bis 1000 kHz betrieben und verfügt über Einstellmöglichkeiten für das t_on/t_off-Verhältnis bzw. über die Möglichkeit einer Impulspaketsteuerung.

Zwischen der Masseleitung "GRND" und dem Anschluss der Elektrode 10 wird eine Spannungsmesseinrichtung 8a geschaltet. Somit wird eine Begrenzung der hohen Spannungsspitzen erreicht, die bei Verwendung des Hochsetzsteller-Prinzips insbesondere bei hochohmigen Abschlüs sen zwangsläufig auftreten. Die Spannungsmesseinrichtung kann al ternativ auch direkt über den Glättungs-Speicherkondensator 9 ge schaltet werden. Eine solche Anordnung ist in der Zeichnung mit unterbrochener Linie sowie dem Bezugszeichen 8b dargestellt. Bei Erreichen eines fest eingestellten oder durch den Microcontroller 13 einstellbaren Spannungspegels an der Spannungsmesseinrichtung 8a bzw. 8b wird der Impulsgenerator 7 dahingehend beeinflußt, hin sichtlich der Ansteuerung der Schalteinheit 5 das t_on/t_off-Verhältnis zu verkleinern und/oder bei Verwendung einer Impulspaketsteuerung die Pausen zu vergrößern. Der Spannungspegel wird demzufolge kon stant gehalten oder er oszilliert nur leicht sägezahnförmig. Bei einem Grundtakt des Impulsgenerators von vorzugsweise mehreren hun dert kHz ergeben sich somit über dem Glättungs-Speicherkondensator 9 und somit auch über den Elektroden 10 und 11 als Hüllkurve Impul se in Form von Konstantspannungsimpulsen mit exponentiell anstei gender Anstiegsflanke, die mit einer kleinen sägezahnförmigen Spannung überlagert sind. Über die Breite der Impulse (vorzugsweise zwischen 0 und 1000 Mikrosekunden) und über die Amplitude dieser Impulse (entspricht dem Spannungspegel/vorzugsweise zwischen 20 und 100 Volt) wird der Stimulationsablauf durch einen Microcontrol ler 13 gesteuert, der auch das gesamte zeitliche Regime bestimmt. Die Kommunikation zum Microcontroller 13 erfolgt mit einer Bedien- und Anzeigeeinheit 12.

Das Risiko für ein Auftreten von durch Bauelementefehlern oder an deren Störeinflüssen verursachten Fehlschaltungen, die zu hohen, die Sicherheit des Patienten 14 gefährdenden Stimulationsenergien führen, wird ausgeschlossen, indem der kapazitive Zwischenspeicher 3 nur so groß bemessen wird, dass bei maximal einstellbarer Impuls breite und Spannungsamplitude (entspricht der maximalen Stimulati onsenergie pro Stimulationsimpuls) die Form des Konstantspannungs impulses im wesentlichen erhalten bleibt bzw. nur eine leichte Dachabschrägung eintritt. Außerdem wird die Übertragungsleistung des DC/DC-Wandlers 2 nur so groß bemessen, dass er in den Pausen zwischen den Stimulationsimpulsen den kapazitiven Zwischenspeicher 3 wieder auf die Versorgungsspannung "U_X" aufladen kann.

Aufstellung der Bezugszeichen

1

Spannungsquelle/Batterie

2

DC/DC-Wandler

3

kapazitiver Zwischenspeicher

4

Induktivität

5

Schalteinheit

6

Diode

7

Impulsgenerator

8

a Spannungsmesseinrichtung

8

b Spannungsmesseinrichtung

9

Glättungs-Speicherkondensator

10

Elektrode

11

Elektrode

12

Bedien- und Anzeigeeinheit

13

Microcontroller

14

Patient
GRND Masseleitung
U_bat

Ausgangsspannung
U_X

Versorgungsspannung

Claims

1. Reizstromgerät, insbesondere netzunabhängig betriebenes Reiz stromgerät zur transkutanen Stimulation von Nerven und Muskeln mit unipolaren Spannungsimpulsen, die über flächenhafte Elektroden auf die zu behandelnde biologische Gewebestruktur appliziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_Bat) der Spannungsquelle (1) durch einen DC/DC-Wandler (2) auf eine Versorgungsspannung (U_X) gewandelt und in einem kapazitiven Speicher (3) zwischengespeichert wird, dem ei ne Hochsetzsteller-Schaltung nachgeordnet ist, die eine Induktivi tät (4), eine Schalteinheit (5), eine Diode (6) und einen Impulsge nerator (7) aufweist.

2. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochsetzsteller-Schaltung weiterhin einen, zu den Elektro den (10; 11) parallel geschalteten Glättungs-Speicherkondensator (9) aufweist.

3. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Impulsgenerator (7) eine Spannungsmesseinrichtung (8a; 8b) derart zugeordnet ist, dass der Impulsgenerator (7) bezüglich der Ansteuerung der Schalteinheit (5) bei Erreichen eines definierten Spannungspegels das t_on/t_off-Verhältnis verkleinert und/oder bei ei ner Impulspaketansteuerung die Pausen vergrößert.

4. Reizstromgerät nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (7) und die Spannungsmesseinrichtung (8a; 8b) mit einem Microcontroller (13) in Wirkverbindung stehen, mit dem die Stimulationsimpulse bezüglich zeitlichem Regime und Stärke gesteuert werden.

5. Reizstromgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Microcontroller (13) eine Bedien- und Anzeigeneinheit (12) zugeordnet ist.

6. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleistung des DC/DC-Wandlers (2) nur so groß bemessen ist, dass er in den Pausen zwischen den Stimulationsimpul sen den kapazitiven Zwischenspeicher (3) wieder auf die Versor gungsspannung (U_X) aufladen kann.

7. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Speicher (3) nur so groß bemessen ist, dass bei maximal einstellbarer Impulsbreite die Form des Konstantspannungs impulses weitgehend erhalten bleibt.

8. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_Bat) der Spannungsquelle (1) 1,5 Volt bis 3,0 Volt beträgt.

9. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom DC/DC-Wandler (2) erzeugte Versorgungsspannung (U_X) 5,0 Volt bis 12,0 Volt beträgt.