DE10111678B4

DE10111678B4 - Stimulatoren und Anregungsspulen zur magnetischen Reizung von neuromuskulärem Gewebe

Info

Publication number: DE10111678B4
Application number: DE10111678A
Authority: DE
Inventors: Antony Trevor Barker
Original assignee: Magstim Co Ltd
Current assignee: Magstim Co Ltd
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2021-03-10
Also published as: GB9926621D0; GB0026634D0; US20020128533A1; FR2821753B1; FR2821753A1; GB2360213B; GB2360213A; DE10111678A1; US6663556B2

Abstract

Anregungsspule zur Verwendung in einer Vorrichtung für die magnetische Reizung von neuromuskulärem Gewebe, gekennzeichnet durch einen ferromagnetischen Rücken (13), der benachbart zu einer breiten Seite der Spule (11) angeordnet ist, wobei die Permeabilität des Materials des ferromagnetischen Rückens (13) mindestens 10 beträgt und der spezifische Widerstand des Materials des ferromagnetischen Rückens (13) derart ist, dass für eine Anregungsfrequenz von 50 Hz und ein Impulstastverhältnis von 1:80 der Wirbelstromverlust geringer als 15 W/kg ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Stimulatoren mit Anregungsspulen, die für die magnetische Reizung von neuromuskulärem Gewebe durch Induzieren von elektrischen Strömen in derartigem Gewebe konstruiert und vorgesehen sind.
Eine Anregungsvorrichtung der erwähnten Art umfaßt üblicherweise ein Mittel zum Anlegen mindestens eines Stromimpulses und vorzugsweise einer Reihe von Stromimpulsen an eine Spule, die eine einfache kreisförmige Spule oder eine Spule in Form einer Acht oder eine Spule mit einer Vielzahl von Windungen sein kann, welche die Impulserzeugungsvorrichtung zur Verwendung mit einer solchen Spule bildet, ist gut bekannt und ist beispielsweise im Patent GB 2 298 370 B und im Europäischen Patent EP 0 692 993 B1 beschrieben.
Es ist übliche Praxis, Anregungsspulen als einzelne Schicht auf oder in einen nicht-magnetischen Träger zu wickeln, so daß die gesamte Spule so nah wie möglich an dem Gewebe, das gereizt werden soll, angeordnet werden kann. Die Spule ist im wesentlichen, abgesehen von irgendeiner Isolationsbeschichtung, die normalerweise infolge der hohen Spannungen und Ströme erforderlich ist, in Luft angeordnet, so daß sich das Magnetfeld, das erzeugt wird, wenn Strom durch die Spule fließt, ganz in einem Bereich mit hohem magnetischen Widerstand befindet.
Aus der RU 2 062 626 C1 ist ferner eine Einrichtung zum Durchführen einer thermomagnetischen Therapie bekannt, die eine Induktionsspule aufweist, die aus einem nicht-magnetischen leitenden Streifen besteht, dessen Rückseite mit einer dünnen ferromagnetischen Schicht bedeckt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anregungsspule bereitzustellen, die eine hohe Magnetfeldstärke im Gewebe des Patienten ermöglicht.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 bzw. 3 dargelegt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Bereitstellung eines Körpers aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise einem Material mit hoher Permeabilität und niedrigem magnetischen Widerstand, welcher benachbart zu einer breiten Seite der Spule angeordnet ist. Das Material des Körpers wird vorzugsweise ausgewählt, um einen Block mit hoher Permeabilität und mit niedrigem Wirbelstromverlust vorzusehen, und kann gesintertes Eisenpulver umfassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Zeichnung eines magnetischen Stimulators;
2 eine Darstellung einer Anregungsspule und ihres Magnetfeldes;
3 eine Zeichnung einer erfindungsgemäßen Anregungsspule, die mit einem magnetischen Rücken versehen ist; und
4 eine Zeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anregungsspule, die mit einem magnetischen Rücken versehen ist.
1 stellt der Vollständigkeit halber eine bekannte Form eines magnetischen Stimulators, der durch eine Magnetspule, die als Anregungsspule bekannt ist, einen Impuls oder eine Reihe von Impulsen erzeugt, zur Verwendung bei der Reizung von neuromuskulärem Gewebe dar. Das zeitvariable Magnetfeld mit einem Maximalwert von typischerweise bis zu mehreren Tesla induziert in dem Gewebe elektrische Ströme. Die neuromuskuläre Reizung ist eine etablierte Therapieform.
Der in 1 gezeigte Stimulator entspricht einem Ausführungsbeispiel, das in GB 2 298 370 B beschrieben ist. Er basiert auf der Ansammlung von Ladung durch einen Speicherkondensator, dem Pumpen von Ladung von diesem Speicherkondensator zu einem Übertragungskondensator und einer Ladungspumpe zum Transportieren von Ladung von diesem Übertragungskondensator zu einem ”Entladungs”-Kondensator. Der zu dem Entladungskondensator gehörende Umschaltkreis kann im wesentlichen unabhängig von der Laderate des Speicherkondensators arbeiten.
Insbesondere liefert eine Hochspannungs-Stromversorgung 1 einen Ladestrom zum Speicherkondensator 2. Die Leitung eines gesteuerten Gleichrichters 3 in Schaltung mit einem Induktor 4 transportiert Ladung vom Kondensator zu einem Übertragungskondensator 5. Eine Freilaufdiode 6 ist parallel zum Kondensator 5 angeordnet, um einen Sperrstrom zu leiten, der erzeugt wird, wenn der Gleichrichter 3 gesperrt ist. Die Ladung kann durch eine gesteuerte Gleichrichterschaltung 8, die gesteuerte Gleichrichter 8a bis 8d enthält, vom Übertragungskondensator 5 zu einem Entladungskondensator 9 transportiert werden. Der Kondensator 9 wird durch eine Gleichrichterschaltung 10, die aus gesteuerten Gleichrichtern 10a bis 10d besteht, in eine Anregungsspule 11 steuerbar entladen, welche normalerweise mit einem Erdanschluß versehen ist.
Wie vorher erwähnt, werden die Anregungsspulen normalerweise als einzelne Schicht auf oder in einen nicht-magnetischen Träger gewickelt, so daß alle Leiter so nahe wie möglich an dem Gewebe liegen können, das gereizt werden soll. 2 zeigt einen Querschnitt einer typischen Spule 11 und die zu dieser gehörenden Magnetfeldlinien 12. Die Magnetfeldlinien sind sowohl um die Achse als auch die Ebene der Spulenwicklungen symmetrisch.
Wenn ein Element aus einem ferromagnetischen Material hinter der Spule angeordnet wird, was in 3 gezeigt ist, wird das Magnetfeld verzerrt und ist nun insbesondere um die Ebene der Spule asymmetrisch. Die Wirkung des ferromagnetischen Materials ist vorzugsweise die Bereitstellung eines Weges mit niedrigem magnetischen Widerstand für das Magnetfeld an der Rückseite der Spule. Sehr wenig der vom magnetischen Stimulator gelieferten Energie muß verwendet werden, um das Magnetfeld an der Rückseite der Spule zu erzeugen, so daß der Großteil der zur Spule gelieferten Energie verwendet werden kann, um das Magnetfeld auf der anderen Seite der Spule aufzubauen. Das Endergebnis ist, daß für dieselbe zugeführte Energie die Magnetfeldstärke im Gewebe des Patienten höher ist.
3 stellt eine Spule 11 mit einem magnetischen Rücken 13 dar, der so angeordnet ist, daß im Wesentlichen die gesamte Spule in unmittelbare Nähe eines Patienten gebracht werden kann, aber der Bereich an der Rückseite der Spule von einem ferromagnetischen Material eingenommen wird, das vorzugsweise eine hohe Permeabilität bei geringem Wirbelstromverlust aufweist. Vor der Spule, d. h. wo sich der Patient befindet, befindet sich das Magnetfeld in einem Medium, wie z. B. Luft, mit hohem magnetischen Widerstand und geringer Permeabilität.
4 stellt eine geringfügig andere Anordnung dar, bei der die Spule 11 in Schlitzen in einer breiten Fläche des Körpers 14 aus ferromagnetischem Material angeordnet ist:
das Magnetfeld ist im Wesentlichen dasselbe wie in 3 gezeigt.
Weitere Anordnungen sind möglich. Der ferromagnetische Körper kann verlängert oder abgeschrägt werden, um eine schalenartige Form vorzusehen. Die ganze Patientenseite der Struktur könnte schalenförmig sein und eine geringfügig versenkte Flachspule aufnehmen. Die Spule kann die Form der Figur einer Acht aufweisen, welche eng benachbart zum Körper des ferromagnetischen Materials angeordnet ist.
Die optimale Wahl für das ferromagnetische Material des Korpers ist nicht unbedingt einfach, da viele ferromagnetische Materialien eine ziemlich hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wenn ein homogenes Element aus einem solchen Material verwendet werden würde, bestünde ein Leistungsverlust in den Wirbelströmen, die innerhalb des ferromagnetischen Kerns induziert werden, und diese Wirbelströme können jeglichen Wirkungsgradgewinn, der durch Verringern des magnetischen Widerstandes des Magnetkreises erhalten wird, aufheben. Das übliche Verfahren zum Verringern der Wirbelströme in anderen Zusammenhängen besteht darin, einen Magnetkern aus einer Mehrzahl von Schichten auszubilden. Im vorliegenden Fall müßten die Schichten radial angeordnet werden, was nicht besonders zweckmäßig ist.
Vorzugsweise besteht daher das Material des Körpers 13 oder 14 aus einem gepreßten und gesinterten Pulver. Das Pulver kann im wesentlichen reines Eisen sein, könnte jedoch ein anderes Material sein, das in der bevorzugten Form eine hohe Permeabilität (beispielsweise 500 relativ zu Luft) aufweist. Das bevorzugte Material für den Kern ist ein weichmagnetisches Verbundpulver, wie z. B. jenes, das als ”Somaloy” vertrieben wird, welches von Hoganas erhältlich ist.
Andere Materialien können verwendet werden. Vorzugsweise beträgt die Permeabilität mindestens 10 und der spezifische Materialwiderstand sollte derart sein, daß für eine Anregungsfrequenz von 50 Hz und ein Impulstastverhältnis von 1:80 der Wirbelstromverlust in der Größenordnung von 12,5 Watt pro Kilogramm liegt und vorzugsweise weniger als 15 Watt pro Kilogramm beträgt.
Die erfindungsgemäße Bereitstellung eines magnetischen Rückens für eine Spule erfordert keine signifikante Entwurfskorrektur der Spule. Der Rücken kann benachbart zur Rückseite von derzeit bekannten Spulen angeordnet werden.
Die Querschnittsfläche des ferromagnetischen Rückens ist nicht durch die Größe der Spule eingeschränkt, wie es der Fall wäre, wenn die Spule um den ferromagnetischen Kern gewickelt wäre. Die Dicke des Elements kann nach Bedarf erhöht werden, um das Erreichen der Sättigung zu vermeiden.
Die Anwesenheit des ferromagnetischen Materials erhöht die Selbstinduktivität der Spule. Für eine gegebene Geometrie sieht dies die Gelegenheit vor, weniger Windungen in der Spule mit einer größeren Querschnittsfläche zu verwenden. Dadurch kann der elektrische Widerstand der Spule verringert werden und diese Verringerung verringert den Energieverlust in der Spule.

Claims

Anregungsspule zur Verwendung in einer Vorrichtung für die magnetische Reizung von neuromuskulärem Gewebe, gekennzeichnet durch einen ferromagnetischen Rücken (13), der benachbart zu einer breiten Seite der Spule (11) angeordnet ist, wobei die Permeabilität des Materials des ferromagnetischen Rückens (13) mindestens 10 beträgt und der spezifische Widerstand des Materials des ferromagnetischen Rückens (13) derart ist, dass für eine Anregungsfrequenz von 50 Hz und ein Impulstastverhältnis von 1:80 der Wirbelstromverlust geringer als 15 W/kg ist.
Spule nach Anspruch 1, wobei das Material gesintertes Eisenpulver aufweist.
Magnetischer Stimulator für neuromuskuläres Gewebe mit einer Schaltung (10) zum wiederholten Entladen eines Kondensators (9) in eine Spule (11), die zur Anordnung benachbart zu einem Patienten ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (11) einen ferromagnetischen Rücken (13) aufweist, der benachbart zu einer breiten Seite der Rückens (13) angeordnet ist, so dass er an der Rückseite der Spule (11) liegt, wenn die Spule (11) benachbart zum Patienten angeordnet ist, wobei die Permeabilität des Materials des ferromagnetischen Rückens (13) mindestens 10 beträgt und der spezifische Widerstand des Materials des ferromagnetischen Rückens (13) derart ist, dass für eine Anregungsfrequenz von 50 Hz und ein Impulstastverhältnis von 1:80 der Wirbelstromverlust geringer als 15 W/kg ist.
Stimulator nach Anspruch 3, wobei der Rücken (13) aus gesintertem Eisenpulver besteht.