DE102006024467B4 - Magnetischer Neurostimulator - Google Patents

Abstract

Magnetischer Neurostimulator mit den folgenden Merkmalen: – ein Schwingkreis mit einem Pulskondensator (C) und mit einer Stimulationsspule (Lsp) zum Erzeugen eines Magnetfelds; – eine Ladeschaltung (10) zum Aufladen des Pulskondensators (C); – ein steuerbarer Schalter (S) zum Unterbrechen und Schliessen des Schwingkreises; und – eine Steuerungsschaltung (11), durch die der steuerbare Schalter (S) so öffen- und schliessbar ist, dass durch den Schwingkreis ein Stimulationspuls mit einer einstellbaren Anzahl von mehr als 2 Halbwellen innerhalb einer Zeitspanne zwischen 100 und 500 μs erzeugbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulation von Körpergewebe mit einer auf eine Körperoberfläche aufsetzbaren Magnetspulenanordnung und einer zur Erzeugung von Stromimpulsen in der Magnetspulenanordnung betreibbaren Erregereinrichtung. Diese Vorrichtung wird nachfolgend als magnetischer Neurostimulator bezeichnet.
• Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zur induktiven Erregung von menschlichem Nerven- oder Muskelgewebe benutzt. Dabei wird mit der Erregereinrichtung ein Stromimpuls erzeugt, der durch die in der Nähe des zu stimulierenden Gewebes angeordnete Magnetspulenanordnung fließt. Dadurch wird in dem zu stimulierenden Gewebe ein sich zeitlich schnell veränderndes Magnetfeld erzeugt, das wiederum ein sich ebenfalls zeitlich schnell veränderndes elektrisches Feld zur Folge hat. Durch das so im Gewebe induzierte elektrische Feld wird in den zu stimulierenden Gewebezellen ein Aktionspotenzial ausgelöst und so die gewünschte Stimulation bzw. der gewünschte Reizeffekt erreicht.
• Bei bekannten magnetischen Neurostimulatoren ist ein Schwingkreis mit einem Pulskondensator und mit einer Stimulationsspule vorgesehen, mit dem sinusförmige Stimulationspulse erzeugt werden können.
• Bei einem konventionellen Schwingkreis zur Erzeugung monophasischer Stimulationspulse besteht das Dämpfungsglied aus einer Bypassdiode und einem Schutzwiderstand. In Betrieb eines solchen magnetischen Neurostimulators wird zunächst der Pulskondensator aufgeladen und danach der Schwingkreis aktiviert. Bei Umkehr der Spannung an dem Pulskondensator nach einer Viertelwelle tritt das Dämpfungsglied in Aktion und bedämpft den weiteren Spannungs- und Stromverlauf.
• Nachteilig ist dabei der sehr hohe Energieverbrauch, denn pro Stimulationspuls werden ca. 100–400 J an Kondensatorenergie benötigt, um eine Nervendepolarisation im Gewebe auszulösen. Dieser Energieverbrauch bedingt eine große Bauform der Pulsquelle und hat eine sehr schnelle Spulenüberhitzung zur Folge. Dementsprechend kann ein derartiger magnetischer Neurostimulator nicht für eine lange Behandlungsdauer eingesetzt werden, sondern es müssen regelmäßig Pausen eingelegt werden, damit sich die Magnetspule nicht überhitzt.
• Aus der nachveröffentlichten Offenlegungsschrift DE 10 2005 052 152 A1 ist ein Therapiegerät sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben bekannt, das eine elektrische Leistungsversorgung, einen elektrischen Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator und einen Wirkbereich aufweist. Dabei versorgt die Leistungsversorgung den Schwingkreis mit Energie, und in der Spule oder dem Kondensator wird ein sich änderndes Feld erzeugt, das den Wirkbereich durchsetzt. Zunächst wird eine Energiezufuhr von der Leistungsversorgung zu mindestens einem Bauelement des Schwingkreises aktiviert, dann wird die Energiezufuhr von der Leistungsversorgung zu dem mindestens einen Bauelement des Schwingkreises deaktiviert, und dann werden transiente Schwingungen des Schwingkreises ermöglicht. Schließlich werden die transienten Schwingungen des Schwingkreises durch Unterbrechung des Schwingkreises beendet, und die Energie aus dem Schwingkreis wird über ein außerhalb des Schwingkreises und abseits des Wirkbereiches angeordnetes Bauelement abgeleitet.
• Die WO 96/16692 A1 offenbart einen magnetischen Nervenstimulator zum Anregen von peripheralen Nerven, der einen Kern aus hoch saturierendem Material, eine Stimulatorspule, deren Längsachse innerhalb der durch den Kern definierten geometrischen Außengrenzen angeordnet ist und eine elektrische Stromeinheit aufweist, die an die Stimulatorspule angeschlossen ist um einen Stromfluss in der Stimulatorspule zu erzeugen, der bewirkt, dass die Stimulatorspule und der Kern ein magnetisches Feld erzeugen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen magnetischen Neurostimulator mit geringem Gerätegewicht anzugeben, der eine hohe Stimulationspulsfrequenz, eine sehr schnelle Änderungsmöglichkeit der Reizwirkung und gleichzeitig eine lange Behandlungs- und Einsatzdauer ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Der erfindungsgemäße magnetische Neurostimulator umfasst einen Schwingkreis mit einem Pulskondensator und mit einer Stimulationsspule zum Erzeugen eines Magnetfelds, eine Ladeschaltung zum Aufladen des Pulskondensators, einen steuerbaren Schalter zum Unterbrechen und Schließen des Schwingkreises sowie eine Steuerungsschaltung. Die Ladeschaltung ist mit dem Pulskondensator verbunden und lädt diesen zu geeigneter Zeit und in geeigneter Weise wieder auf. Dies wird in dem Fachmann bekannter Weise durchgeführt. Durch die Steuerungsschaltung kann der steuerbare Schalter so geöffnet und geschlossen werden, dass durch den Schwingkreis ein Stimulationspuls mit einer bestimmten Anzahl von Halb- oder Vollwellen erzeugt wird.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass mit einem magnetischen Neurostimulator dann eine optimale Wirkung erreicht werden kann, wenn die Dauer des Stimulationspulses in einem bestimmten Zeitbereich von ca. 100–500 μs liegt. Bei bekannten magnetischen Neurostimulatoren liegen die Resonanzfrequenzen des Schwingkreises aus Pulskondensator und Stimulationsspule im Bereich von 2–5 kHz.
• Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird nicht eine Halbwelle oder eine Vollwelle mit relativ geringer Frequenz, jedoch hoher Kondensatorenergie, sondern vielmehr ein Paket aus mehreren Halbwellen appliziert, um so innerhalb der gleichen Zeitspanne zwischen 100 und 500 μs einen optimalen Behandlungseffekt zu erzielen. Dabei wird ein Stimulationspuls mit einer Anzahl von mehr als 2 Halbwellen erzeugt und abgegeben. Die Obergrenze der abzugebenden Halbwellen wird durch die jeweilige Behandlung bestimmt und liegt vermutlich bei n = 50.
• Durch den erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator wird eine bessere Effizienz erreicht. Ein Vorteil der durch den erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator erzeugbaren neuen Pulsform liegt im reduzierten Stromverbrauch, zumal die höhere Resonanzfrequenz eine höhere Impedanz der Stimulationsspule zur Folge hat. Hierdurch sinken der Energieverbrauch und damit die bisher sehr großen Verluste in der Stimulationsspule. Bei unveränderter Spannung wird aufgrund der erhöhten Frequenz die benötigte Kapazität des Pulskondensators deutlich verringert, und somit kann eine erfolgreiche Stimulation mit weniger Energie im magnetischen Neurostimulator erreicht werden.
• Durch den erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator wird eine bessere Effizienz erreicht. Die physiologische Reizwirkung der magnetischen Neurostimulation wird vorwiegend durch die induzierte elektrische Feldstärke und die Pulsdauer, in geringerem Maße durch die Pulsform erreicht. Die erfindungsgemäße Aneinanderreihung mehrerer Halb- oder Vollwellen höherer Frequenz hat gegenüber bisherigen Stimulationssystemen den Vorteil eines geringeren Energiebedarfs. Wenn beispielsweise die Induktivität der Reizspule gleich bleibt, so kann zum Erreichen dieser höheren Frequenz die Kapazität des Pulskondensators entsprechend reduziert werden, ohne dass die Ladespannung für gleiche Reizwirkung nennenswert verändert werden muss. Durch die Reduktion der Kapazität wird entsprechend der Energieinhalt und die Baugröße des Kondensators verringert; weiterhin sinkt durch die erhöhte Frequenz der Spulenstrom, so dass die Stromwärmeverluste der Spule verkleinert werden.
• Als weiterer Vorteil, der durch den erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator erreicht wird ergibt sich, dass das Klick-Geräusch der Stimulationsspule bei der Pulsauslösung leiser wird, zumal einerseits der erforderliche Strom reduziert wird, und zumal andererseits die Frequenz des Geräusches in einem höherfrequenten Bereich liegt, in welchem die Hörempfindlichkeit des Ohres geringer ist. Das Klick-Geräusch wird von dem Patienten oder dem behandelnden Arzt somit deutlich leiser oder sogar überhaupt nicht wahrgenommen.
• Als weiterer Vorteil der durch den erfindungsgemäßen Neurostimulator reduzierten Kondensatorenergie kann ein Pulskondensator kleinerer Baugröße gewählt und somit die Baugröße des magnetischen Neurostimulators insgesamt verkleinert werden.
• Dasselbe gilt aufgrund des verringerten Spitzenstroms auch für den Hochspannungsschalter S.
• Der erfindungsgemäße magnetische Neurostimulator ist grundsätzlich für sämtliche denkbaren Behandlungen, und insbesondere für die Neurorehabilitation und für mobile Anwendungen geeignet.
• Des weiteren können Stimulationspulse sehr unterschiedlicher Reizintensität in kurzer Folge nacheinander erzeugt werden, indem die Zahl der Wellenzüge von einem Stimulationspuls zum nächsten verändert wird.
• Ferner wird der magnetische Neurostimulator flexibler, zumal die von der Ladeschaltung dem Pulskondensator bereitgestellte Spannung sehr viel schneller verändert werden kann. Wie oben dargelegt, hat der Pulskondensator des erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulators, dessen Ladung zur Intensitätsänderung schnell geändert werden muss, eine viel kleinere Kapazität als ein vergleichbarer Pulskondensator von bekannten magnetischen Neurostimulatoren. So kann zwischen zwei in sehr kurzem Zeitabstand aufeinanderfolgenden Stimulationspulsen die Pulsintensität stark variiert werden, was bisher nicht möglich war, da die Aufladung der bisherigen Pulskondensatoren mit deutlich höherer Kapazität deutlich mehr Zeit in Anspruch genommen hat. Eine derartige kurzfristige und flexible Variation der Pulsintensität aufeinanderfolgender Stimulationspulse ist insbesondere in der Neurodiagnostik und bei der Einbindung des erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulators in einen Regelkreis sehr vorteilhaft.
• Die durch den erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator erzeugbare Pulsform unterscheidet sich von der sog. Cadwell-Pulsform, die bspw. in der US 5 047 005 A beschrieben ist, zum einen dadurch, dass nur durch das Unterbrechen der Schwingung nach n Halb-/Vollwellen eine hohe Energieeffizienz erreicht wird, zumal kleine Amplituden nichts mehr zur Reizauslösung beitragen, und zum anderen dadurch, dass die Frequenz der Sinusschwingung etwa um den Faktor 4 höher liegt als die derzeit gängige Praxis, so dass mehrere Vollwellen in dem physiologisch interessanten Zeitfenster von ca. 500 μs liegen.
• Nachfolgende grobe Beispielrechnung für den Energieverbrauch verdeutlicht die Energieeffizienz des erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulators. Dabei wird ein konventionelles System mit den folgenden Kenngrößen angenommen:

  Spuleninduktivität:	10 μH
  Innenwiderstand Spule:	20 mΩ
  Pulskondensator-Kapazität:	200 μF
  Entladespannung:	2000 V

• Die Kondensatorenergie, die Resonanzfrequenz und die Pulsdauer lassen sich wie folgt berechnen:
  Kondensatorenergie: E = 1 / 2C·U² = 1 / 2200·10^–6·2000² J = 400 J
  Resonanzfrequenz:

  

  
  Pulsdauer:

  
• Der Energieverlust in der Spule ergibt sich somit wie folgt: E_ν = 1 / 2U²·R_i· C / L·τ = 1 / 22000²·0,02· 200 / 10·281·10^–6 J = 225 J
• Für den erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator werden die folgenden Kenngrößen vorausgesetzt.

  Spuleninduktivität:	10 μH
  Innenwiderstand Spule:	20 mΩ
  Pulskondensator-Kapazität:	8 μF
  Entladespannung:	2200 V

• Dabei ist die Pulskondensatorkapazität um den Faktor 25 geringer als die Pulskondensatorkapazität des o. g. konventionellen magnetischen Neurostimulators. Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen magnetischen Neurostimulator wird von einem 5-fach-Stumlationspuls ausgegangen.
• Die Kondensatorenergie, die Resonanzfrequenz und die Pulsdauer lassen sich wie folgt berechnen:
  Kondensatorenergie: E = 1 / 2C·U² = 1 / 28·10^–6·2000² J = 19,4 J
  Resonanzfrequenz:

  

  
  Pulsdauer:

  
• Der Energieverlust in der Spule ergibt sich somit wie folgt: E_ν = 1 / 2U²·R_i· C / L·τ = 1 / 22200²·0,02· 8 / 10·281·10^–6 J = 10,9 J
• Die Resonanzfrequenz ist um den Faktor 5 größer ausgebildet als die Resonanzfrequenz des konventionellen magnetischen Neurostimulators. Sie ergibt sich aus den Kennwerten der Stimulationsspule, des Pulskondensators und ggf. unter Berücksichtigung eines Verlustwiderstandes des Schwingkreises.
• Der Energieverlust in der Stimulationsspule ist um mehr als den Faktor 20 geringer als der Energieverlust in der Stimulationsspule des konventionellen Neurostimulators.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Wellenform des Stimulationspulses durch die Steuerungsschaltung detektiert werden, und der steuerbare Schalter kann bei Übereinstimmung der Wellenform des Stimulationspulses mit einem vorgebbaren Kriterium durch die Steuerungsschaltung geöffnet werden, wodurch der Schwingkreis unterbrochen und die Generierung des Stimulationspulses durch die Stimulationsspule beendet wird. Durch ein derartiges genau vorgebbares Abbruchkriterium für den Stimulationspuls kann ein individuell definierbarer Stimulationspuls vom magnetischen Neurostimulator abgegeben werden. Das Abbruchkriterium orientiert sich dabei direkt an dem tatsächlichen Signalverlauf.
• Für die Detektion der Wellenform des Stimulationspulses kann eine Meßeinheit in der Steuerungsschaltung, insbesondere eine Zeit- oder Spannungsmeßeinheit vorgesehen sein.
• Ein besonders praktikables Abbruchskriterium ist eine vorgegebene Anzahl von Spannungsnulldurchgängen des Stimulationspulses. Dabei werden während der Erzeugung des Stimulationspulses dessen Spannungsnulldurchgänge gezählt und der steuerbare Schalter bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Spannungsnulldurchgängen geöffnet, so dass der Schwingkreis und damit die Erzeugung des Stimulationspulses unterbrochen wird.
• Hierfür kann die Steuerungsschaltung über einen Zähler verfügen, der die erfolgten Spannungsnulldurchgänge inkremental aufsummiert und bei Erreichen eines vorgewählten Zählstandes den steuerbaren Schalter öffnet. Die Unterbrechung des Stromkreises sollte dann zweckmäßigerweise erst zum nächsten Stromnulldurchgang erfolgen. Ebenso können andere denkbare Abbruchskriterien durch einen derartigen Zähler aufsummiert und verfolgt werden.
• In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung summiert der Zähler nicht das Vorkommen bestimmter durch den Stimulationspuls erfüllter Kriterien auf, sondern öffnet den Schalter und unterbricht somit den Schwingkreis und die Erzeugung des Stimulationspulses nach einem vorgegebenen Zeitintervall. Da die Resonanzfrequenz des Schwingkreises durch die bekannten Parameter der Kapazität des Pulskondensators, der Induktivität der Stimulationsspule und ggf. des Verlustwiderstands des Schwingkreises errechnet werden kann, kann über eine derartige absolute Zeitintervallvorgabe ebenfalls eine genau vorwählbare Anzahl von Halb- oder Vollwellen als Stimulationspulspaket erzeugt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuerungsschaltung als digitale Schaltung ausgebildet. Alternativ dazu kann die Steuerungsschaltung auch als analoge Schaltung mit diskret aufgebauten Komponenten ausgebildet sein. Die Wahl des Aufbaus der Steuerungsschaltung richtet sich nach den Einsatzgebieten des magnetischen Neurostimulators.
• Die Steuerungsschaltung kann wie folgt ausgeführt werden:
  Prinzipiell ist zur Ansteuerung für jeden Leistungshalbleiter eine sog. Treiberschaltung erforderlich. Diese richtet sich nach dem verwendeten Bauteil, so werden z. B. Thyristoren mit einem Strompuls, IGBTs dagegen durch Anlegen einer Steuerspannung geschaltet. Der Hochspannungsschalter kann nun wie folgt angesteuert werden:
  Variante 1 – Analoge Schaltung: Über ein RC-Glied und einen nachfolgenden Komparator kann ein Signal mit fester Zeitdauer realisiert werden, das dann mittels Treiberschaltung den Hochspannungsschalter S ansteuert.
• Variante 2 – Digitale Schaltung: Die Nulldurchgänge der Spulenspannung werden mittels Komparator erfasst. Alle Nulldurchgänge werden von einem Zählerbaustein aufsummiert, der dann bei erreichen eines bestimmten Wertes wiederum mittels Treiberschaltung den Hochspannungsschalter S ansteuert.
• Der steuerbare Schalter ist vorteilhafter Weise als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet, insbesondere als Thyristor oder als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
• Wenn der Leistungshalbleiterschalter als IGBT ausgebildet ist, kann er vorteilhafter Weise intern eine Bypass Diode enthalten, so dass er für negative Stromwellen grundsätzlich leitend ist. Mit dieser Schaltungsvariante können nur ganzzahlige Vielfache von Vollwellen appliziert werden.
• Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur magnetischen Neurostimulation, bei dem zunächst ein magnetischer Neurostimulator der oben angegebenen Art bereitgestellt wird, bei dem danach der steuerbare Schalter durch die Steuerungsschaltung geschlossen wird, so dass durch den Schwingkreis ein Stimulationspuls erzeugt wird und bei dem schließlich der steuerbare Schalter durch die Steuerungsschaltung geöffnet und der Stromkreis sowie die Erzeugung des Stimulationspulses dementsprechend unterbrochen wird, wenn die Steuerungsschaltung ein vorgegebenes Abbruchskriterium des Stimulationspulses, bspw. eine vorgegebene Anzahl von Halb- oder Vollwellen oder von Spannungsnulldurchgängen des Stimulationspulses detektiert.
• In einer alternativen Ausführungsform dieses Verfahrens wird der steuerbare Schalter durch die Steuerungsschaltung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls geöffnet und somit der Schwingkreis sowie die Abgabe des Stimulationspulses unterbrochen.
• Neben den gleichfalls für das Verfahren geltenden, bereits oben mit Bezug auf den magnetischen Neurostimulator angegebenen Vorteilen wird besonders die Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit erhöht, zumal die Dauer und die Intensität des Stimulationspulses benutzerdefiniert eingestellt werden kann. Die Verfahrensschritte des Schließens und des Öffnens des steuerbaren Schalters können nacheinander gemäß Bedarf wiederholt werden, wobei die Ladeschaltung den Pulskondensator vor Beginn des Verfahrens sowie zu geeigneter Zeit und in geeigneter Weise zwischen zwei Wiederholungen des Verfahrens auflädt. Dabei erfolgt die Aufladung des Pulskondensators vorzugsweise durch die Ladeschaltung bei geöffneter Stellung des steuerbaren Schalters. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Angabe von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden 1 und 2 näher erläutert.
• 1 zeigt ein Blockschaltbild eines magnetischen Neurostimulators;
• 2 zeigt einen durch den magnetischen Neurostimulator aus 1 erzeugten Spannungs- und Stromverlauf sowie Zählverlauf; und
• 3 zeigt eine vergleichende Darstellung von Stimulationspulsen in einem physiologisch relevanten Zeitfenster.
• 1 zeigt ein Blockschaltbild eines magnetischen Neurostimulators 1.
• Der magnetische Neurostimulator 1 verfügt über einen Schwingkreis mit einem Pulskondensator C und einer Stimulationsspule L_sp, der durch einen steuerbaren Schalter unterbrochen und geschlossen werden kann. Der Pulskondensator C ist ferner mit einer Ladeschaltung 10 verbunden, die in der Lage ist, den Pulskondensator C mit Hochspannung zu versorgen und somit aufzuladen oder zu entladen. Im Betrieb des magnetischen Neurostimulators 1 gibt die Stimulationsspule L_sp den Stimulationspuls ab.
• Über dem Schwingkreis ist in 1 eine Steuerungsschaltung 11 abgebildet, die über eine Meßeinheit 12 und über einen Zähler 13 verfügt. Die Meßeinheit 12 misst die Spannung des Schwingkreises und ist an die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen dem Pulskondensator C und der Ladeschaltung 10 angeschlossen. Der Zähler 13 ist zum einen mit der Meßeinheit 12 verbunden und erhält von dieser Meßwerte, zum anderen ist der Zähler 13 mit dem steuerbaren Schalter S verbunden. Der Zähler 13 ist in der Lage, den steuerbaren Schalter S und somit den Schwingkreis zu schließen und dementsprechend den Stimulationspuls auszulösen, der von der Stimulationsspule L_sp abgegeben wird. Der Zähler 13 ist des weiteren in der Lage, den steuerbaren Schalter S und somit den Schwingkreis zu unterbrechen und dementsprechend die Erzeugung des Stimulationspulses durch die Stimulationsspule L_sp zu stoppen.
• Die Amplitude des Stimulationspulses ist von der in dem Pulskondensator C gespeicherten Ladung abhängig, die Frequenz des Stimulationspulses ergibt sich aus der Kapazität C des Pulskondensators, aus der Induktivität L der Stimulationsspule L_sp und ggf. aus dem in dem Schwingkreis vorhandenen Verlustwiderstand.
• Der steuerbare Schalter S ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 als IGBT-Transistor mit einer internen Freilauf-Diode ausgebildet und ist somit für negative Stromwellen grundsätzlich leitend. Mit diesem steuerbaren Schalter S können ganzzahlige Vielfache von Vollwellen appliziert werden.
• Der steuerbare Schalter erzeugt durch verschieden langes Schließen eine unterschiedliche Anzahl von Wellenzügen des Stimulationspulses für die Neurostimulation. Die Steuerung des steuerbaren Schalters S erfolgt über die Steuerungsschaltung 11.
• Im Gegensatz zu manchen konventionellen magnetischen Neurostimulatoren verfügt der magnetische Neurostimulator 1 nicht über ein Dämpfungsglied.
• 2 zeigt einen im Betrieb des magnetischen Neurostimulators aus 1 erzeugten Spannungs- und Stromverlauf 2 an der Stimulationsspule sowie Zählverlauf 3.
• Bei dem Spannungs- und Stromverlauf 2 ist eine sinusförmige Spannungswellenform U sowie eine zu dieser um eine Viertelwelle verschobene sinusförmige Stromwellenform I zu erkennen. Dabei ist ein Wellenpaket von vier Vollwellen sowohl für die Spannungswellenform U als auch für die Stromwellenform I abgebildet. Von der ersten bis zur vierten Vollwelle ist eine leichte Abnahme der Amplitude zu erkennen, die sich aus der Dämpfung durch den Verlustwiderstand des Schwingkreises ergibt. Unterhalb des Spannungs- und Stromverlaufs 2 ist mit gleicher Ausrichtung bzgl. der horizontalen Zeit-Achse der Zählverlauf 3 des Zählers 13 zu erkennen. Dieser zeigt jeweils einen Balken bei einem Spannungsnulldurchgang der Spannungswellenform U.
• Der Betrieb des magnetischen Neurostimulators 1 wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert.
• Bei beiden Ausführungsbeispielen wird zu Beginn der Pulskondensator C von der Ladeschaltung 10 mit einer definierten Hochspannung gespeist, so dass anschließend in dem Pulskondensator 10 eine gewünschte Ladung Q gespeichert ist.
• Bei beiden Ausführungsbeispielen wird nun der steuerbare Schalter S und somit der Schwingkreis durch die Steuerungsschaltung 11 geschlossen. Der Schwingkreis mit dem Pulskondensator C und der Stimulationsspule L beginnt nun zu schwingen, und die Stimulationsspule L_sp gibt den in 2 dargestellten Stimulationspuls ab.
• Beim ersten Ausführungsbeispiel unterbricht der Zähler 13 nach dem vorgegebenen Zeitintervall von 225 μs den steuerbaren Schalter S und somit den Schwingkreis, wodurch die Abgabe des Stimulationspulses durch die Stimulationsspule L_sp gestoppt wird. Gemäß dem Spannungs- und Stromverlauf 2 wurden innerhalb dieses voreingestellten Zeitintervalls vier Vollwellen als Stimulationspuls abgegeben. Diese Wellenform läßt sich anhand der Kapazität des Pulskondensators C, der Induktivität der Stimulationsspule L_sp und des Verlustwiderstandes des Schwingkreises berechnen.
• Beim zweiten Ausführungsbeispiel werden die Spannungsnulldurchgänge der Spannungswellenform U durch die Meßeinheit 12 detektiert und an den Zähler 13 weitergeleitet, der diese gemäß dem Zählverlauf 3 erfasst und aufsummiert. Nach dem voreingestellten Wert des achten Spannungsnulldurchlaufs wird der steuerbare Schalter S und somit der Schwingkreis unterbrochen und dementsprechend die Abgabe des Stimulationspulses durch die Stimulationsspule L_sp gestoppt. Der bis dahin abgegebene Stimulationspuls ist vorliegend identisch mit dem bzgl. des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Stimulationspuls.
• Dabei kann die Mehrfachwelle unabhängig von der Kapazität des Pulskondensators C bzw. von der Induktivität der Stimulationsspule L_sp auf eine bestimmte Zahl von Wellenzügen festgelegt werden. Für ein Wellenpaket aus vier Vollwellen muss der steuerbare Schalter S, wie aus dem Zählverlauf 3 zu erkennen, nach acht Spannungsumpolungen abgeschaltet werden. Analog ist dies für ein Wellenpaket aus fünf Vollwellen nach zehn Spannungsumpolungen erforderlich.
• Mehrere wie in 2 dargestellte Stimulationspulse können nacheinander erzeugt und abgegeben werden, wobei durch Variation der zeitlichen Länge des Stimulationspulses sowie durch unterschiedliche Ladezustände des Pulskondensators C die Stimulationspulse individuell auf die Behandlung abgestimmt werden können. Auch eine Kombination dieser beider Maßnahmen, nämlich sowie die Variation der zeitlichen Länge des Stimulationspulses sowie das Vorsehen unterschiedliche Ladezustände für den Pulskondensator C, kann die Behandlung verbessern.
• Der magnetische Neurostimulator 1 hat eine gegenüber konventionellen magnetischen Neurostimulatoren eine deutlich erhöhte Effizienz, wobei eine starke Erwärmung der Stimulationsspule L_sp vermieden wird. Für eine erfolgreiche Stimulationsbehandlung ist weniger Energie erforderlich. Aufgrund der geringeren Kapazitätsanforderungen können kleinere Bauteile für den magnetischen Neurostimulator 1 verwendet werden und somit kann auch eine geringere Baugröße des magnetischen Neurostimulators 1 insgesamt realisiert werden. Das Klick-Geräusch der Stimulationsspule L wird aufgrund des geringeren Stromflusses und der höheren Frequenz des Geräusches leiser bzw. für das menschliche Ohr schlechter wahrnehmbar. Schließlich ist der magnetische Neurostimulator 1 auch flexibler und individuell einstellbar, da die Spannung der Ladeschaltung 10 aufgrund der geringeren Kapazität des Pulskondensators C schneller geändert und besser variiert werden kann.
• 3 zeigt eine vergleichende Darstellung von zwei Stimulationspulsen in einem physiologisch relevanten Zeitfenster.
• Der in 3 oben dargestellte erste Stimulationspulsverlauf 41 ist mit einem konventionellen Stimulator erzeugt worden, der unten dargestellte zweite Stimulationspulsverlauf 42 ist mit dem magnetischen Neurostimulator 1 erzeugt worden.
• Das physiologisch relevante Wirkfenster ist grau markiert und erstreckt sich bis zum einem Zeitpunkt von 300 μs nach Stimulationsplusauslösung. Zum Ende des physiologisch relevante Wirkfensters – in 3 nach rechts hin – nimmt dessen Graufärbung ab, wodurch das unscharfe Ende des physiologisch relevanten Wirkfensters, das in der Realität nicht ganz exakt festlegbar ist, dargestellt ist. Ebenso ist die Beschriftung der Zeitachse in 3, nur beispielhaft; zumal der Wirkungsbereich ja nicht ganz exakt festgelegt ist.
• Die Linie der Stimulationspulsverläufe 41 und 42 innerhalb des physiologisch relevanten Wirkfensters ist dicker dargestellt, um deutlich zu machen, dass es auf diesen Bereich der Stimulationspulsverläufe 41 und 42 ankommt, und der danach applizierte Stimulationspuls physiologisch im wesentlichen wirkungslos ist.
• Wie sich aus der vergleichenden Darstellung ergibt, wird durch einen konventionellen Stimulator innerhalb des physiologisch relevanten Wirkfensters nur eine Vollwelle mit relativ geringer Frequenz erzeugt, wohingegen durch den magnetischen Neurostimulator 1 in der gleichen Zeit ein Wellenpaket von drei Vollwellen appliziert wird, um so innerhalb der gleichen Zeitspanne von 300 μs einen optimalen Behandlungseffekt zu erzielen.
• Eine entsprechende Mehrfachwelle des konventionellen Stimulators hätte keine zusätzliche Reizwirkung als eine einzige Vollwelle, da die weiteren Wellenzüge außerhalb des Wirkungsbereiches liegen.
• Zweckmäßigerweise kann bei dem magnetischen Neurostimulator 1 der Stimulationspuls, d. h. der Wellenzug bereits am Ende des Wirkfenster abgebrochen werden, wie dies durch die dicke schwarze Linie des zweiten Stimulationspulsverlaufs 42 innerhalb des physiologisch relevanten Wirkfensters angedeutet ist.
• Bezugszeichenliste

1

magnetischer Neurostimulator

C

Pulskondensator

L_sp

Stimulationsspule

S

steuerbarer Schalter

10

Ladeschaltung

11

Steuerungsschaltung

12

Messeinheit

13

Zähler

2

Spannungs- und Stromverlauf

U

Spannungswellenform

I

Stromwellenform

3

Zählverlauf

41

erster Stimulationspulsverlauf

42

zweiter Stimulationspulsverlauf

Claims (9)

1. Magnetischer Neurostimulator mit den folgenden Merkmalen: – ein Schwingkreis mit einem Pulskondensator (C) und mit einer Stimulationsspule (Lsp) zum Erzeugen eines Magnetfelds; – eine Ladeschaltung (10) zum Aufladen des Pulskondensators (C); – ein steuerbarer Schalter (S) zum Unterbrechen und Schliessen des Schwingkreises; und – eine Steuerungsschaltung (11), durch die der steuerbare Schalter (S) so öffen- und schliessbar ist, dass durch den Schwingkreis ein Stimulationspuls mit einer einstellbaren Anzahl von mehr als 2 Halbwellen innerhalb einer Zeitspanne zwischen 100 und 500 μs erzeugbar ist.
2. Magnetischer Neurostimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform des Stimulationspulses durch die Steuerungsschaltung (11) detektierbar ist und der steuerbare Schalter (S) bei Übereinstimmung der Wellenform des Stimulationspulses mit einem vorgebbaren Kriterium durch die Steuerungsschaltung (11) öffenbar ist.
3. Magnetischer Neurostimulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (11) zur Detektion der Wellenform des Stimulationspulses eine Messeinheit (12), insbesondere eine Zeit-Messeinheit, eine Spannungs-Messeinheit oder eine Strom-Messeinheit aufweist.
4. Magnetischer Neurostimulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgebbare Kriterium eine Anzahl von Spannungsnulldurchgängen des Stimulationspulses ist.
5. Magnetischer Neurostimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (11) über einen Zähler (13) verfügt, durch den der steuerbare Schalter (S) öffen- und schließbar ist.
6. Magnetischer Neurostimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (11) als digitale Schaltung ausgeführt ist.
7. Magnetischer Neurostimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Halbwellen des Stimulationspulses über eine Zeitvorgabe einstellbar ist.
8. Magnetischer Neurostimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Schalter (S) ein Leistungs-Halbleiterschalter, insbesondere ein Thyristor oder ein IGBT ist.
9. Magnetischer Neurostimulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungs-Halbleiterschalter als IGBT mit einer Freilauf-Diode, als IGCT, als MOSFET oder als GTO ausgebildet ist.

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