Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Stimulationssystem, insbesondere
einen Herzschrittmacher, eine implantierbare Elektrodeneinrichtung
oder Stimulationseinrichtung für
ein Stimulationssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer implantierbaren
Elektrodeneinrichtung oder Stimulationseinrichtung, insbesondere
eines Herzschrittmachers.The
The present invention relates to a stimulation system, in particular
a pacemaker, an implantable electrode device
or stimulation device for
a stimulation system and a method of operating an implantable one
Electrode device or stimulation device, in particular
a pacemaker.
Bei
der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung wird primär auf einen
Herzschrittmacher abgestellt. Die vorliegende Erfindung ist hierauf
jedoch nicht beschränkt,
sondern umfaßt
generell Stimulationseinrichtungen, die elektrisch arbeiten und
insbesondere elektrische Impulse zur Stimulation abgeben.at
The following description of the invention is primarily to a
Pacemaker turned off. The present invention is hereof
but not limited,
but includes
generally stimulation devices that work electrically and
in particular deliver electrical impulses for stimulation.
Herzschrittmacher
stimulieren den Herzschlag mittels elektrischer Impulse, die in
Muskelgewebe des Herzens eingeleitet werden. Üblicherweise wird hierzu ein
Herzschrittmacher beispielsweise in der Schulternähe des Brustkorbs
implantiert, wobei von dem implantierten Herzschrittmacher zumindest eine
Sonde bzw. elektrische Leitung über
eine Vene in den Vorhof oder die Kammern des Herzens geführt und
dort verankert wird. Problematisch bzw. nachteilig ist die elektrische
Leitung. Sie verläuft
mit einer Länge
von ca. 30 cm im Blutkreislauf und kann dadurch ungewollte oder
sogar fatale Körperreaktionen hervorrufen.
Des weiteren ist das Ausfallrisiko der Sonden bzw. Leitungen aufgrund
der starken mechanischen Beanspruchung bei Körperbewegungen durch Materialermüdung besonders
hoch. Eine weitere Komplikation, die häufig auftritt, ist die Sondendislokation,
die durch Bewegungen des Patienten ausgelöst wird.Pacemaker
stimulate the heartbeat by means of electrical impulses, which in
Muscle tissue of the heart are initiated. Usually this is a
Pacemaker, for example, near the shoulder of the chest
implanted, wherein of the implanted pacemaker at least one
Probe or electrical line over
a vein led into the forecourt or the chambers of the heart and
anchored there. Problematic or disadvantageous is the electrical
Management. It runs
with a length
of about 30 cm in the bloodstream and can thereby unwanted or
even cause fatal body reactions.
Furthermore, the risk of failure of the probes or lines due
the strong mechanical stress during body movements due to material fatigue particularly
high. Another complication that often occurs is the probe dislocation,
which is triggered by movements of the patient.
Zur
Vermeidung der elektrischen Leitung und der Elektrode wurde eine
Stimulation durch magnetische Impulse, beispielsweise in der US 5,170,784 A , vorgeschlagen.
Die rein magnetische Stimulation funktioniert jedoch nicht zufriedenstellend,
so daß sich
magnetisch stimulierende Herzschrittmacher nicht durchgesetzt haben.To avoid the electrical conduction and the electrode was a stimulation by magnetic pulses, for example in the US 5,170,784 A , proposed. However, the purely magnetic stimulation does not work satisfactorily, so that magnetically stimulating pacemakers have not prevailed.
Die US 5,411,535 A offenbart
einen Herzschrittmacher mit einer implantierbaren Steuereinrichtung
und mit einer separaten Elektrodeneinrichtung. Zwischen der Steuereinrichtung
und der Elektrodeneinrichtung werden kabellos – insbesondere elektrische
Signale von 10 MHz bis einigen GHz – zur Steuerung der Elektrodeneinrichtung übertragen.
Die eigentliche Energieversorgung der Elektrodeneinrichtung erfolgt über eine
in die Elektrodeneinrichtung integrierte Batterie. Derartige Herzschrittmacher mit
separater Elektrodeneinrichtung haben sich bisher nicht durchgesetzt.
Dies mag daran liegen, daß die
Elektrodeneinrichtung eine beträchtliche
Größe und beschränkte Betriebszeit
aufgrund der Batterie aufweist.The US 5,411,535 A discloses a pacemaker having an implantable controller and a separate electrode device. Between the control device and the electrode device are wireless - in particular electrical signals from 10 MHz to a few GHz - transmitted to control the electrode device. The actual power supply of the electrode device takes place via a battery integrated into the electrode device. Such pacemakers with separate electrode device have not been successful. This may be because the electrode device has a considerable size and limited operating time due to the battery.
Der
Artikel "A Surgical
Approach to the Management of Heart-Block Using an Inductive Coupled Artificial
Cardiac Pacemaker" von
L.D. Abrams et. al., erschienen in der Zeitschrift "The Lancet", 25 Juni 1960, Seiten
1372 bis 1374, beschreibt ein Verfahren zur Stimulation eines Herzens,
wobei ein externes Steuergerät
mit einer extern am Körper
anzuordnenden Spule induktiv mit zwischen der Haut und den Rippen
implantierten Spule gekoppelt ist. Von der implantierten Spule führen zwei
elektrische Leitungen zu zwei Elektroden im Herzmuskel. Abgesehen
davon, daß ein
externes Steuergerät
generell problematisch und nicht gewünscht ist, führt die
Verkabelung zwischen der implantierten Spule und den davon beabstandeten
Elektroden zu den gleichen Problemen wie bei dem oben beschriebenen, üblichen Herzschrittmacher,
bei dem mindestens eine Elektrode über eine elektrische Leitung
durch eine Vene an den implantierten Herzschrittmacher angeschlossen ist.
Fernerhin erfordert die Implantation dieses Schrittmachersystems
die Eröffnung
des Brustkorbs und stellt eine Operation am offenen Herzen dar.
Des weiteren ist die implantierte Spule für externe elektromagnetische
Felder sehr empfänglich,
so daß unerwünschte Störspannungen
induziert werden und an den Elektroden auftreten können.Of the
Article "A Surgical
Approach to the Management of Heart-Block Using an Inductive Coupled Artificial
Cardiac Pacemaker "by
L. D. Abrams et. al., published in the journal "The Lancet", 25 June 1960, pages
1372-1374, describes a method for stimulating a heart,
being an external control unit
with an external body
Coil to be arranged inductively with between the skin and the ribs
implanted coil is coupled. Two lead from the implanted coil
electrical leads to two electrodes in the heart muscle. apart
from that one
external control unit
Generally problematic and not desired, leads the
Wiring between the implanted coil and the spaced therefrom
Electrodes to the same problems as in the usual pacemaker described above,
at least one electrode via an electrical line
connected to the implanted pacemaker through a vein.
Furthermore, implantation requires this pacing system
the opening
of the chest and represents open heart surgery.
Furthermore, the implanted coil is for external electromagnetic
Fields very receptive,
so that unwanted interference voltages
can be induced and occur at the electrodes.
Die JP 06 079 005 A offenbart
einen implantierbaren Herzschrittmacher, dessen Batterie induktiv über eine
Spule von außen
wieder aufladbar ist.The JP 06 079 005 A discloses an implantable cardiac pacemaker whose battery is inductively rechargeable via a coil from the outside.
Die US 5,405,367 A offenbart
einen implantierbaren Mikrostimulator. Der Mikrostimulator weist eine
Empfangsspule, einen integrierten Schaltkreis und Elektroden auf.
Er ist über
ein äußeres Magnetfeld,
das von einer äußeren Spule
mit einem zugeordneten Ostilator und einer zugeordneten Stimulationssteuereinrichtung
erzeugt wird, mit Energie und mit Steuerinformationen versorgbar.
Ein derartiger Mikrostimulator ist zur Herzstimulation bzw. als
Herzschrittmacher nicht geeignet, da er bei ausreichender Leistungsfähigkeit
verhältnismäßig groß gebaut
ist und eine äußere Energieversorgung
erfordert.The US 5,405,367 A discloses an implantable microstimulator. The microstimulator has a receiving coil, an integrated circuit and electrodes. It is supplied with energy and with control information via an external magnetic field, which is generated by an outer coil with an associated Ostilator and an associated stimulation control device. Such a microstimulator is not suitable for cardiac stimulation or as a pacemaker, since it is built with sufficient capacity relatively large and requires an external power supply.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stimulationssystem,
wie einen Herzschrittmacher, eine implantierbare Elektrodeneinrichtung
oder Stimulationseinrichtung für
ein Stimulationssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer implantierbaren
Elektrodeneinrichtung oder Stimulationseinrichtung anzugeben, wobei
insbesondere eine elektrische Leitung zur Elektrodeneinrichtung
im implantierten Zustand nicht erforderlich ist, wobei ein einfacher
und kompakter Aufbau der Elektrodeneinrichtung ermöglicht wird
und/oder wobei eine gegen äußere Einflüsse unempfindliche
Energieübertragung
und/oder Steuerung ermöglicht
werden.Of the
The present invention is based on the object of providing a stimulation system,
like a pacemaker, an implantable electrode device
or stimulation device for
a stimulation system and a method of operating an implantable one
Specify electrode device or stimulation device, wherein
in particular an electrical line to the electrode device
in the implanted state is not required, with a simple
and compact structure of the electrode device is made possible
and / or wherein one insensitive to external influences
power transmission
and / or control allows
become.
Die
obige Aufgabe wird durch ein Stimulationssystem gemäß Anspruch
1, eine Elektrodeneinrichtung gemäß Anspruch 10 oder 15 oder
21, eine Stimulationseinrichtung gemäß Anspruch 22 oder ein Verfahren
gemäß Anspruch
25, 28 oder 34 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The
The above object is achieved by a stimulation system according to claim
1, an electrode device according to claim 10 or 15 or
21, a stimulation device according to claim 22 or a method
according to claim
25, 28 or 34 solved. advantageous
Further developments are the subject of the dependent claims.
Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, die implantierbare
Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung elektrischer Impulse insbesondere
ausschließlich
kabellos über
ein zeitlich variierendes Magnetfeld mit Energie zu versorgen und/oder
vorzugsweise unmittelbar auch zu steuern. Dies gestattet einen sehr
einfachen und kompakten Aufbau der Elektrodeneinrichtung, wobei
insbesondere keine Verkabelung der Elektrodeneinrichtung erforderlich
ist, so daß sich
das Implantieren vereinfacht und das Risiko des Ausfalls einer elektrischen
Leitung vermieden wird, und insbesondere wobei der Einsatz eines
Energiespeichers, wie eines Akkumulators, einer Batterie o. dgl.,
in der Elektrodeneinrichtung vermieden werden kann. Weiter ergeben
sich wesentlich größere Freiheiten
bei der Plazierung der Elektrodeneinrichtung.One
Aspect of the present invention is the implantable
Electrode device for generating electrical pulses in particular
exclusively
wirelessly over
to supply a time-varying magnetic field with energy and / or
preferably also directly to control. This allows a lot
simple and compact structure of the electrode device, wherein
in particular, no cabling of the electrode device required
is, so that
simplifies implanting and reducing the risk of failure of an electrical
Line is avoided, and in particular whereby the use of a
Energy storage, such as a battery, a battery o. The like.,
can be avoided in the electrode device. Further revealed
much greater freedom
when placing the electrode device.
Das
Magnetfeld wird vorzugsweise von einer implantierbaren Steuereinrichtung
erzeugt, so kann eine externe Steuerung vermieden werden. Dies ist ins besondere
bei Einsatz des Stimulationssystems als Herzschrittmacher wünschenswert
und in der Benutzung wesentlich sicherer als eine Steuerung durch
eine externe – also
nicht implantierte – Steuereinrichtung.The
Magnetic field is preferably from an implantable controller
generated, so an external control can be avoided. This is special
desirable when using the pacing system as a pacemaker
and in use much safer than a control by
an external - so
unimplanted control device.
Besonders
bevorzugt wird die Elektrodeneinrichtung unmittelbar von dem zeitlich
variierenden Magnetfeld gesteuert. Unter "unmittelbarer" Steuerung ist bei der vorliegenden
Patentanmeldung zu verstehen, daß direkt in Abhängigkeit
von dem Magnetfeld – beispielsweise
in Abhängigkeit
von der Höhe
des Magnetfelds, Polarität
des Magnetfelds und/oder Änderungsgeschwindigkeit
des Magnetfelds – die
elektrischen Impulse von der Elektrodeneinrichtung erzeugt werden,
besonders bevorzugt ohne Zwischenschaltung eines aktiven elektronischen
Bauelements in der Elektrodeneinrichtung. Folglich werden elektrische
Impulse bzw. Stimulationen bei der bevorzugten unmittelbaren Steuerung nur
zeitlich korreliert zu dem Magnetfeld erzeugt. Dies gestattet auch
einen sehr einfachen und insbesondere kompakten Aufbau der Elektrodeneinrichtung
und/oder eine sehr sichere, definierte Steuerung.Especially
Preferably, the electrode device is directly from the time
controlled by varying magnetic field. Under "immediate" control is present at the
Patent application to understand that directly in dependence
from the magnetic field - for example
dependent on
from the height
of the magnetic field, polarity
the magnetic field and / or rate of change
of the magnetic field - the
electrical impulses are generated by the electrode device,
particularly preferably without the interposition of an active electronic
Component in the electrode device. Consequently, electric
Impulse or stimulation in the preferred immediate control only
time correlated to the magnetic field generated. This also allows
a very simple and particularly compact construction of the electrode device
and / or a very secure, defined control.
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Elektrodeneinrichtung
derart auszubilden, daß ein
elektrischer Impuls erst bei Überschreiten
einer Mindestfeldstärke
des Magnetfelds erzeugt wird. Dies gestattet auf sehr einfache Weise
eine sichere, insbesondere störungsunempfindliche
Steuerung bei entsprechend hoher Wahl des Mindestfeldstärke, da
starke Magnetfelder äußerst selten
vorkommen, elektromagnetische Wechselfelder mit verschiedensten
Frequenzen jedoch sehr häufig
sind.One
Another aspect of the present invention resides in the electrode device
form such that a
electrical impulse only when exceeded
a minimum field strength
of the magnetic field is generated. This allows in a very simple way
a safe, especially insensitive to interference
Control with a correspondingly high choice of the minimum field strength, since
strong magnetic fields extremely rare
occur, alternating electromagnetic fields with a variety of
Frequencies are very common
are.
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung muß die Elektrodeneinrichtung
jeweils erst aktiviert werden, bevor ein weiterer elektrischer Impuls
erzeugt werden kann. Diese Aktivierung erfolgt insbesondere durch
ein anderes Signal – vorzugsweise
durch entgegengesetzte Feldrichtung des Magnetfelds – kurz vor
Auslösung
und Erzeugung des nächsten
elektrischen Impulses. So ist eine zweistufige Ansteuerung bzw.
Signalerzeugung erforderlich, um mittels der Elektrodeneinrichtung
einen elektrischen Impuls zu erzeugen. Diese Zweistufigkeit führt zu einer
besonders sicheren – also
störunempfindlichen – Ansteuerung.According to one
Another aspect of the present invention is the electrode device
each first to be activated before another electrical impulse
can be generated. This activation takes place in particular by
another signal - preferably
by opposite field direction of the magnetic field - shortly before
release
and generation of the next
electrical impulse. So is a two-stage control or
Signal generation required to by means of the electrode device
to generate an electrical pulse. This two - stage leads to a
especially safe - so
insensitive to interference - control.
Die
vorgenannte Ansteuersicherheit kann weiter dadurch verbessert oder
erhöht
werden, daß die
Aktivierung der Elektrodeneinrichtung immer erst kurz vor der Erzeugung
des nächsten
elektrischen Impulses erfolgt. Dementsprechend ist die Möglichkeit,
daß ein
elektrischer Impuls aufgrund eines Störsignals (äußeres Magnetfeld mit entsprechender Feldorientierung
und Überschreitung
der Mindestfeldstärke)
zu einer unerwünschten
oder vorzeitigen Auslösung
des nächsten
elektrischen Impulses führen
kann, derart minimal, daß für einen
Patienten kein Risiko besteht.The
The aforementioned driving safety can be further improved or
elevated
be that the
Activation of the electrode device always shortly before production
the next
electrical pulse takes place. Accordingly, the possibility
the existence
electrical impulse due to an interfering signal (external magnetic field with corresponding field orientation
and transgression
the minimum field strength)
to an undesirable
or premature release
the next
lead electrical impulse
can be so minimal that for one
Patients no risk.
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spuleneinrichtung
mit einer hohen Windungszahl, also eine Spule mit vielen Windungen,
eingesetzt, um einen elektrischen Impuls hoher Spannung von mindestens
0,5 V, vorzugsweise im wesentlichen 1 V oder mehr, und von verhältnismäßig langer
Zeitdauer von mindestens 0,05 bis zu 2 ms zu erzeugen. In diesem
Fall kann die Spuleneinrichtung insbesondere auch einen weichmagnetischen
oder ultraweichmagnetischen Kern aufweisen. Die hohe Anzahl von
Windungen – insbesondere
von mindestens 1.000 Windungen – eines geeignet
isolierten Drahtes aus beispielsweise Cu, Ag oder auch Al mit insbesondere
etwa 0,01 bis 0,1 mm Durchmesser gestattet die Erzeugung des starken
und langen elektrischen Impulses im genannten Sinne.According to one
Another aspect of the present invention is a coil device
with a high number of turns, so a coil with many turns,
used to generate a high voltage electrical pulse of at least
0.5 V, preferably substantially 1 V or more, and relatively long
To generate time of at least 0.05 to 2 ms. In this
In this case, the coil device can in particular also be a soft-magnetic one
or ultra-soft magnetic core. The high number of
Turns - in particular
of at least 1,000 turns - one suitable
insulated wire of, for example, Cu, Ag or Al with in particular
about 0.01 to 0.1 mm in diameter allows the generation of the strong
and long electrical impulse in the sense mentioned.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird beim Einschalten
des Magnetfeldes kein durchgängiger
bzw. langandauernder, beispielsweise sägezahnförmig ansteigender Magnetfeldimpuls
von der Steuereinrichtung, sondern eine Vielzahl von kurzen Magnetfeldimpulsen
erzeugt, insbesondere so daß der
Spulenkern der Spuleneinrichtung bzw. Elektrodeneinrichtung seine
Magnetisierung immer weit unterhalb des Zustands der Sättigung ändert. So
kann ein minimaler Energieverbrauch erreicht werden, insbesondere
wenn während der
gesamten Dauer des Stimulierungspulses (ggf. auch eine zusammenhängende Folge
von elektrischen Impulsen der Elektrodeneinrichtung; diese Folge
wird bei der vorliegenden Erfindung auch als ein einziger elektrischer
Impuls zur Stimulation betrachtet) eine möglichst große zeitliche Flußänderung
im Kern der Spuleneinrichtung bzw. Elektrodeneinrichtung erfolgt.
Dies ist durch die kurzen Magnetfeldimpulse erreichbar.According to a further aspect of the present invention, no continuous or long-lasting, such as sawtooth rising magnetic field pulse of the control device, but a plurality of short magnetic field pulses is generated when switching the magnetic field, in particular so that the coil core of the coil device or electrode device its Ma gnetization always far below the state of saturation changes. Thus, a minimum energy consumption can be achieved, especially if during the entire duration of the stimulation pulse (possibly also a coherent sequence of electrical impulses of the electrode device, this sequence is considered in the present invention as a single electrical impulse for stimulation) the greatest possible temporal Flow change takes place in the core of the coil device or electrode device. This can be achieved by the short magnetic field pulses.
Die
Magnetfeldimpulse können
bei Benutzung weichmagnetischer Kernmaterialien unipolar oder bipolar
sein. Bei Benutzung bistabiler Materialien (insbesondere von Wiegand-
bzw. Impulsdrähten)
müssen
bipolare Magnetfeldimpulse eingesetzt werden.The
Magnetic field pulses can
when using soft magnetic core materials unipolar or bipolar
be. When using bistable materials (in particular from Wiegand
or pulse wires)
have to
bipolar magnetic field pulses are used.
Gemäß einem
zusätzlichen
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann anstelle einer Elektrodeneinrichtung
auch eine unmittelbare elektrische Stimulation durch ein magnetisierbares
Element erfolgen. Bei dem Element handelt es sich insbesondere um
einen Spulenkern ohne Spule oder dergleichen. Dementsprechend weist
eine implantierbare Stimulationseinrichtung das magnetisierbare,
vorzugsweise ferromagnetische Element auf, wobei die Magnetisierung
des Elements durch ein äußeres bzw.
variierendes Magnetfeld variiert wird, so daß der magnetische Streufluß des Elements
zur gewünschten
elektrischen Stimulation bzw. Erzeugung eines elektrischen Impulses
im umgebenden Gewebe führt.
Dies gestattet einen besonders einfachen Aufbau, wobei elektrische
Kontaktelektroden entfallen und die damit verbundenen Probleme vermieden werden
können.According to one
additional
Another aspect of the present invention may be used instead of an electrode device
also an immediate electrical stimulation by a magnetizable
Element done. The element is in particular
a bobbin without a coil or the like. Accordingly, points
an implantable stimulation device the magnetizable,
preferably ferromagnetic element, wherein the magnetization
of the element by an external or
varying magnetic field is varied so that the magnetic leakage flux of the element
to the desired
electrical stimulation or generation of an electrical pulse
leads in the surrounding tissue.
This allows a particularly simple structure, wherein electrical
Contact electrodes are eliminated and the associated problems are avoided
can.
Die
vorschlagsgemäße Elektrodeneinrichtung
oder eine sonstige Elektrodeneinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch
dazu eingesetzt werden, die Eigenaktion des Herzens, insbesondere eine
Bewegung des Herzens und/oder elektrische Aktivität des Herzens,
in einen magnetischen Impuls oder ein anderes, insbesondere elektrisches
Signal umzuwandeln, das vorzugsweise von dem Stimulationssystem
oder einer sonstigen Empfangungseinheit detektiert werden kann.The
Proposed electrode device
or another electrode device may alternatively or additionally also
to be used, the self action of the heart, in particular one
Movement of the heart and / or electrical activity of the heart,
in a magnetic pulse or another, in particular electrical
Signal, preferably from the stimulation system
or another receiving unit can be detected.
Wie
bereits erläutert,
dient die implantierbare Elektrodeneinrichtung insbesondere der
Erzeugung elektrischer Signale zur Stimulation eines Herzens. Jedoch
ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr
kann die Elektrodeneinrichtung generell jede Art von elektrischen
Impulsen oder elektrischen Signalen im menschlichen oder tierischen
Körper
erzeugen. Die Begriffe "Elektrodeneinrichtung" und "Stimulationssystem" sind dementsprechend
in einem sehr allgemeinen Sinn zu verstehen, so daß auch sonstige
Anwendungen und Verwendungen – wie
beispielsweise zur Beeinflussung des Gehirns – zu verstehen sind.As
already explained,
serves the implantable electrode device in particular the
Generation of electrical signals to stimulate a heart. however
the present invention is not limited thereto. Much more
In general, the electrode device can be any type of electrical
Pulses or electrical signals in human or animal
body
produce. The terms "electrode device" and "stimulation system" are accordingly
in a very general sense, so that others too
Applications and uses - like
for example, to influence the brain - to understand.
Weitere
Vorteile, Eigenschaften, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further
Advantages, characteristics, features and aspects of the present invention
result from the following description of preferred embodiments
based on the drawing. It shows:
1 eine
schematische Darstellung eines vorschlagsgemäßen Stimulationssystems mit
einer Steuereinrichtung und einer Elektrodeneinrichtung im implantierten
Zustand; 1 a schematic representation of a proposed stimulation system with a control device and an electrode device in the implanted state;
2 eine
schematische Darstellung der Steuereinrichtung; 2 a schematic representation of the control device;
3 eine
schematische Darstellung der Elektrodeneinrichtung; 3 a schematic representation of the electrode device;
4 ein
Blockschaltbild der Elektrodeneinrichtung; 4 a block diagram of the electrode device;
5 einen
schematischen, ausschnitsweisen Schnitt eines Kernelements der Elektrodeneinrichtung; 5 a schematic, cut-out section of a core element of the electrode device;
6 ein
schematisches Diagramm einer Magnetisierungskurve einer Spuleneinrichtung
der Elektrodeneinrichtung; 6 a schematic diagram of a magnetization curve of a coil means of the electrode device;
7 ein
schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs eines Magnetfelds
und einer induktizierten Spannung; 7 a schematic diagram of the time course of a magnetic field and an induced voltage;
8 einen
schematischen Schnitt einer weiteren Elektrodeneinrichtung; 8th a schematic section of another electrode device;
9 einen
schematischen Schnitt einer anderen Stimulations- bzw. Elektrodeneinrichtung; 9 a schematic section of another stimulation or electrode device;
10 ein
schematisches Blockschaltbild eines weiteren vorschlagsgemäßen Stimulationssystems
mit Steuereinrichtung und Elektrodeneinrichtung sowie mit einer
Ladeeinrichtung; und 10 a schematic block diagram of another proposed stimulation system with control device and electrode device and with a charging device; and
11 ein
schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Ansteuerimpulsen,
eines erzeugten Magnetfelds und eines erzeugten elektrischen Impulses. 11 a schematic diagram of the time course of driving pulses, a generated magnetic field and a generated electrical pulse.
In
den Figuren werden für
gleiche oder gleichartige Teile, Komponenten und dergleichen die gleichen
Bezugszeichen verwendet, wobei sich entsprechende oder ähnliche
Vorteile und Eigenschaften ergeben, auch wenn eine wiederholte Beschreibung
weggelassen ist.In
the figures are for
the same or similar parts, components and the like are the same
Reference numerals used, wherein corresponding or similar
Benefits and properties result, even if a repeated description
is omitted.
1 zeigt
in einer sehr schematischen Schnittdarstellung ein vorschlagsgemäßes Stimulationssystem 1,
das beim Darstellungsbeispiel insbesondere als Herzschrittmacher
ausgebildet ist bzw. arbeitet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung
darauf nicht beschränkt.
Beispielsweise kann das Stimulationssystem 1 zusätzlich oder
alternativ auch als Defibrilator arbeiten oder für sonstige Zwecke und an sonstigen
Stellen im menschlichen oder tierischen Körper eingesetzt werden. 1 shows in a very schematic Sectional view of a proposed stimulation system 1 , which is designed or works in the illustrated example, in particular as a pacemaker. However, the present invention is not limited thereto. For example, the stimulation system 1 additionally or alternatively work as a defibrillator or be used for other purposes and in other places in the human or animal body.
Das
Stimulationssystem 1 weist eine vorzugsweise implantierbare
Steuereinrichtung 2 und eine davon getrennte, implantierbare
Elektrodeneinrichtung 3 auf. Beim Darstellungsbeispiel
ist die Steuereinrichtung 2 implantiert, insbesondere im
Brustraum zwischen Haut 4 und Rippen 5.The stimulation system 1 has a preferably implantable control device 2 and a separate, implantable electrode device 3 on. In the illustrated example, the controller is 2 implanted, especially in the chest between skin 4 and ribs 5 ,
Die
Steuereinrichtung 2 kann insbesondere wie bei heutigen
Herzschrittmachern üblich
implantiert werden. Jedoch ist eine Implantation der Steuereinrichtung 2 nicht
unbedingt erforderlich. Grundsätzlich
kann die Steuereinrichtung 2 auch im nicht implantierten
Zustand – also
als externes Gerät – zur Steuerung
der Elektrodeneinrichtung 3 eingesetzt werden.The control device 2 can in particular be implanted as usual in today's pacemakers. However, an implantation of the control device 2 not necessarily required. In principle, the control device 2 even in the non-implanted state - ie as an external device - to control the electrode device 3 be used.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 ist je nach Ausgestaltung auch
unabhängig
von der Steuereinrichtung 2 einsetzbar. Beispielsweise
ist es grundsätzlich möglich, daß die Elektrodeneinrichtung 3 durch
eine sonstige Einrichtung – ggf.
sogar durch einen Kernspintomographen o. dgl. – bei entsprechender Abstimmung
mit Energie versorgt und/oder gesteuert wird. So ergeben sich weitere
Einsatzmöglichkeiten, die
wesentlich über
die Einsatzmöglichkeiten
bisheriger Herzschrittmacher oder sonstiger Stimulationssysteme
hinaus gehen.The electrode device 3 is also independent of the control device depending on the configuration 2 used. For example, it is basically possible that the electrode device 3 by other means - possibly even by a magnetic resonance tomograph o. The like. - Provided with appropriate coordination with energy and / or controlled. This results in further application possibilities, which go far beyond the possible applications of previous pacemakers or other stimulation systems.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 ist vorzugsweise in das Herz 6 bzw.
den Herzmuskel des nur sehr schematisch und ausschnittsweise dargestellten
Patienten implantiert. Das Implantieren der Elektrodeneinrichtung 3 kann
beispielsweise derart erfolgen, wie in der US 5,411,535 A beschrieben.The electrode device 3 is preferably in the heart 6 or the heart muscle implanted only very schematically and partially illustrated patient. Implanting the electrode device 3 can be done, for example, as in the US 5,411,535 A described.
2 zeigt
in einer schematischen schnittartigen Darstellung die Steuereinrichtung 2.
Beim Darstellungsbeispiel weist die Steuereinrichtung 2 eine Spule 7 zur
Erzeugung eines Magnetfelds H, eine Steuerung 8 und vorzugsweise
einen Energiespeicher 9, wie einen Akkumulator, auf. Die
Spule 7 kann optional zur Konzentration des magnetischen
Flusses mit einem ferro-, weich- oder
ultraweichmagnetischen Kern oder einer halbseitigen Hülle oder
einem sonstigen Schuh oder Leitelement versehen sein. 2 shows in a schematic sectional representation of the control device 2 , In the illustration example, the control device 2 a coil 7 for generating a magnetic field H, a controller 8th and preferably an energy store 9 like an accumulator. The sink 7 may optionally be provided to concentrate the magnetic flux with a ferromagnetic, soft or ultra-soft magnetic core or a half-sided shell or other shoe or guide element.
Die
Steuereinrichtung 2 bzw. Steuerung 8 kann vorzugsweise über nicht
dargestellte Mittel und/oder die Spule 7 die erforderlichen
Herzinformationen empfangen bzw. aufnehmen, um die Erzeugung elektrischer
Impulse durch die Elektrodeneinrichtung 3 zur Stimulation
des Herzens 6 in erwünschter
Weise steuern zu können.
Beispielhaft wird hierzu ebenfalls auf die US 5, 411,535 A verwiesen.
Beispielsweise können
auch nicht dargestellte Elektroden – insbesondere zur Erfassung
von EKG-Signalen o. dgl. – unmittelbar
an die Steuereinrichtung 2 angeschlossen sein.The control device 2 or control 8th can preferably via means not shown and / or the coil 7 receive the necessary heart information to generate electrical impulses through the electrode device 3 for stimulation of the heart 6 to control in a desired manner. By way of example, this is also on the US 5,411,535 A directed. For example, electrodes which are not illustrated-in particular for the detection of ECG signals or the like-can also be applied directly to the control device 2 be connected.
Bedarfsweise
ist die Steuereinrichtung 2 bzw. deren Energiespeicher 9 im
implantierten Zustand induktiv wieder aufladbar. So kann insbesondere
bei hohem Energieverbrauch eine ansonsten erforderliche Operation
zum Batteriewechsel oder gar Austausch der Steuereinrichtung 2 vermieden werden.
Zum induktiven Aufladen wird vorzugsweise die ohnehin zur Erzeugung
des Magnetfelds H vorgesehene Spule 7 eingesetzt. Jedoch
kann auch eine sonstige nicht dargestellte Induktionseinrichtung
zum Aufladen verwendet werden.If necessary, the control device 2 or their energy storage 9 inductively rechargeable in the implanted state. Thus, especially at high energy consumption, an otherwise required operation for battery replacement or even replacement of the control device 2 be avoided. For inductive charging is preferably provided for the generation of the magnetic field H coil anyway 7 used. However, any other induction device, not shown, can be used for charging.
3 zeigt
in einer sehr schematischen Schnittdarstellung die vorschlagsgemäße Elektrodeneinrichtung 3.
Die Elektrodeneinrichtung 3 ist vorzugsweise nur aus passiven
Bauelementen und/oder ohne Energiespeicher, wie eine Batterie, aufgebaut. Sie
weist beim Darstellungsbeispiel vorzugsweise eine Spuleneinrichtung 10,
eine otionale Pulsformungseinrichtung 11 und vorzugsweise
mindestens eine Elektrode 12 – vorzugsweise mindestens zwei Elektroden 12 – sowie
vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse 13 auf.
Die Komponenten und Elektroden 12 sind vorzugsweise in
das insbesondere elektrisch isolierende Gehäuse 13 integriert
bzw. daran angebracht. 3 shows in a very schematic sectional view of the proposed electrode device 3 , The electrode device 3 is preferably constructed only of passive components and / or without energy storage, such as a battery. It preferably has a coil device in the illustrated example 10 , an otionale pulse shaping device 11 and preferably at least one electrode 12 - Preferably at least two electrodes 12 - And preferably a common housing 13 on. The components and electrodes 12 are preferably in the particular electrically insulating housing 13 integrated or attached.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 ist sehr kompakt und insbesondere
im wesentlichen stabförmig
bzw. zylindrisch ausgebildet. Im Darstellungsbeispiel beträgt die Länge 10 bis
20 mm, insbesondere im wesentlichen 15 mm oder weniger. Der Durchmesser beträgt vorzugsweise
höchstens
5 mm, insbesondere im wesentlichen 4 mm oder weniger. An der Elektrodeneinrichtung 3 kann
eine Halteeinrichtung angebracht sein, vorzugsweise ein Anker oder
eine Schraube, die eine Verankerung der Elektrodeneinrichtung 3 in
der Herzmuskulatur ermöglicht.The electrode device 3 is very compact and in particular substantially rod-shaped or cylindrical. In the illustrated example, the length is 10 to 20 mm, in particular substantially 15 mm or less. The diameter is preferably at most 5 mm, in particular substantially 4 mm or less. At the electrode device 3 a holding device can be attached, preferably an anchor or a screw, which anchors the electrode device 3 in the heart muscle allows.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 ist zur Erzeugung elektrischer
Impulse für
die gewünschte
Stimulation- bzw. Signalerzeugung ausgebildet. Die elektrischen
Impulse werden beispielsweise über
die Elektroden 12 abgegeben. Die Elektroden 12 sind
beim Darstellungsbeispiel auf entgegengesetzten Seiten angeordnet.
Doch können
die Elektroden 12 auch beispielsweise an einem Ende oder
an den entgegengesetzten Enden der Elektrodeneinrichtung 3 bzw.
des Gehäuses 13 konzentrisch
zueinander oder sonstigerweise angeordnet sein.The electrode device 3 is designed to generate electrical impulses for the desired stimulation or signal generation. The electrical impulses are, for example, via the electrodes 12 issued. The electrodes 12 are arranged on opposite sides in the illustration example. But the electrodes can 12 also, for example, at one end or at the opposite ends of the electrode device 3 or of the housing 13 be arranged concentrically with each other or otherwise.
4 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild der Elektrodeneinrichtung 3 gemäß dem beschriebenen
und bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die
Pulsformungseinrichtung 11 weist hier vorzugsweise eine
Kapazität 14,
insbesondere in Form eines Kondensators, und einen Widerstand 15 auf.
Zusätzlich
oder alternativ kann auch eine nicht dargestellte Induktivität, wie eine
Spule, zur Pulsformung eingesetzt werden. 4 shows a schematic block diagram of the electrode device 3 according to the described and preferred embodiment. The pulse shaping device 11 here preferably has a capacity 14 , in particular in the form of a capacitor, and a resistor 15 on. Additionally or alternatively, an inductance, not shown, such as a coil, can be used for pulse shaping.
Die
Pulsformungseinrichtung 11 dient der Formung bzw. Umformung
einer pulsartigen Induktionsspannung, die unter bestimmten Umständen – wie nachfolgend
noch näher
erläutert – von der
Induktions- bzw. Spuleneinrichtung 10 erzeugt bzw. abgegeben
wird. Der umgeformte elektrische Impuls kann dann direkt über die
angeschlossenen Elektroden 12 zur Stimulation ausgegeben
werden.The pulse shaping device 11 is used to form or reshape a pulse-like induction voltage under certain circumstances - as explained in more detail below - from the induction or coil device 10 is generated or delivered. The reshaped electrical pulse can then be directly across the connected electrodes 12 for stimulation.
Weitere
Bauelemente sind grundsätzlich nicht
erforderlich, jedoch möglich.
Des weiteren kann die Elektrodeneinrichtung 3 auch durch
andere Bauelemente mit entsprechender Funktion realisiert werden.Other components are generally not required, but possible. Furthermore, the electrode device 3 be realized by other components with appropriate function.
Die
Induktions- bzw. Spuleneinrichtung 10 ist vorzugsweise
derartig ausgebildet, daß eine
pulsartige Induktionsspannung bei Überschreiten einer Mindestfeldstärke des
auf die Elektrodeneinrichtung 3 bzw. Spuleneinrichtung 10 einwirkenden – also äußeren Magnetfelds – eine pulsartige
Induktionsspannung erzeugt wird. Besonders bevorzugt weist die Spuleneinrichtung 10 hierzu
einen Spulenkern 16 auf, der bei Überschreiten der Mindestfeldstärke eine sprunghafte Änderung
der Magnetisierung – also
bistabile magnetische Eigenschaften – zeigt. Diese sprunghafte Änderung
der Magnetisierung bzw. magnetischen Polarisierung führt in einer
zugeordneten Spule 17 zu der gewünschten pulsartigen Induktionsspannung.The induction or coil device 10 is preferably designed such that a pulse-like induction voltage when a minimum field strength of the electrode device is exceeded 3 or coil device 10 acting - so external magnetic field - a pulse-like induction voltage is generated. Particularly preferably, the coil device 10 this a coil core 16 which, when the minimum field strength is exceeded, exhibits a sudden change in the magnetization, ie bistable magnetic properties. This sudden change in magnetization or magnetic polarization results in an associated coil 17 to the desired pulse-like induction voltage.
Um
das vorgenannte bistabile magnetische Verhalten des Spulenkerns 16 – wie beispielhaft
im Diagramm gemäß 6 dargestellt – zu erreichen, ist
der Spulenkern 16 beim Darstellungsbeispiel vorzugsweise
aus mindestens einem Kernelement 18, insbesondere mehreren
Kernelementen 18 aufgebaut.To the aforementioned bistable magnetic behavior of the spool core 16 - as an example in the diagram according to 6 shown - is to reach the coil core 16 in the illustrated embodiment, preferably of at least one core element 18 , in particular a plurality of core elements 18 built up.
Die
Kernelemente 18 verlaufen vorzugsweise parallel zueinander,
so daß der
Spulenkern 16 bündelartig
aus den Kernelementen 18 aufgebaut ist. Jedoch kann bedarfsweise
auch nur ein einziges Kernelement 18 zur Bildung des Spulenkerns 16 verwendet
werden, insbesondere wenn die Energie des zu erzeugenden elektrischen
Impulses verhältnismäßig gering
ist oder eine andere Anordnung – beispielsweise
mit mehreren Spuleneinrichtungen 10 – verwendet wird.The core elements 18 preferably run parallel to each other, so that the coil core 16 bundle-like from the core elements 18 is constructed. However, if required, only a single core element 18 for forming the spool core 16 be used, in particular when the energy of the electrical pulse to be generated is relatively low or another arrangement - for example, with multiple coil devices 10 - is used.
5 zeigt
in einem ausschnittsweisen, schematischen Schnitt ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
des Kernelements 18. Das Kernelement 18 ist vorzugsweise
drahtförmig
ausgebildet. 5 shows in a sectional, schematic section a preferred embodiment of the core element 18 , The core element 18 is preferably formed wire-shaped.
Vorzugsweise
weist der Spulenkern 16 bzw. das Kernelement 18 eine
Schichtanordnung aus weich- und hartmagnetischem Material auf. Beim Darstellungsbeispiel
bestehen eine innere Schicht, wie ein Kern 19, und eine äußere Schicht,
wie die Hülle 20,
aus zumindest magnetisch unterschiedlichen Materialien, nämlich weichmagnetischem
Material einerseits und hartmagnetischem Material andererseits.
Die Unterschiede liegen also im Koerzitivfeld bzw. in unterschiedlichen
Hysteresiskurven der (magnetisch) unterschiedlichen Materialien.
Die Kopplung aufgrund des Schichtaufbaus führt dann zu dem gewünschten
magnetisch bistabilen Verhalten bzw. der gewünschten sprunghaften Änderung
der Magnetisierung des Kernelements 18 bzw. aller Kernelemente 18 und
damit des Spulenkerns 16.Preferably, the spool core 16 or the core element 18 a layer arrangement of soft and hard magnetic material. In the illustrated example, there is an inner layer, such as a core 19 , and an outer layer, like the shell 20 , Of at least magnetically different materials, namely soft magnetic material on the one hand and hard magnetic material on the other. The differences thus lie in the coercive field or in different hysteresis curves of the (magnetically) different materials. The coupling due to the layer structure then leads to the desired magnetically bistable behavior or the desired abrupt change in the magnetization of the core element 18 or all core elements 18 and thus the spool core 16 ,
Die
einzelnen Kernelemente 18 weisen vorzugsweise einen Durchmesser
von etwa 50 bis 500 μm,
insbesondere im wesentlichen 100 μm,
und/oder eine Länge
von 5 bis 20 min, insbesondere im wesentlichen 15 mm, auf.The individual core elements 18 preferably have a diameter of about 50 to 500 .mu.m, in particular substantially 100 .mu.m, and / or a length of 5 to 20 minutes, in particular substantially 15 mm.
Besonders
bevorzugt sind als Kernelemente 18 sogenannte Wiegand-Drähte, wie
in der US 3,820,090 beschrieben
und/oder von der Firma HID Corp., 333 St. Street, North, Heaven,
CT 06473, USA, unter dem Handelsnamen "Wiegand Effect Sensors" angeboten, oder
sogenannte Impulsdrähte, wie
von der Tyco Electronics AMP GmbH, Siemensstraße 13, 67346 Speyer,
Deutschland, angeboten. Bei den Wiegand-Drähten werden die weich- und hartmagnetische
Schicht aus dem gleichen Material gebildet, wobei die unterschiedlichen
magnetischen Eigenschaften insbesondere durch mechanische Umformung
erreicht werden.Particularly preferred are as core elements 18 so-called Wiegand wires, as in the US 3,820,090 and / or offered by HID Corp., 333 St. Street, North, Heaven, CT 06473, USA, under the trade name "Wiegand Effect Sensors", or so-called impulse wires, such as from Tyco Electronics AMP GmbH, Siemensstrasse 13 67346 Speyer, Germany, offered. In the Wiegand wires, the soft and hard magnetic layer are formed from the same material, wherein the different magnetic properties are achieved in particular by mechanical deformation.
Hinsichtlich
des möglichen
Aufbaus und/oder der verwendbaren Materialien wird ergänzend, zusätzlich oder
alternativ auf den Artikel "Power
Generating Device Using Compound Magnetic Wire" von A. Matsushita et al, erschienen
in der Zeitschrift "Journal
of Applied Physics",
Vol. 87, Nr. 9, 1. Mai 2000, Seite 6307 bis 6309, und auf den Artikel "A Soft Magnetic Wire
For Sensor Applications" von
M. Vàzquez
et al, erschienen in der Zeitschrift J. Phys. D: Appl. Phys.", Vol. 29, 1996,
Seiten 939 und 949, verwiesen, die als ergänzende Offenbarung eingeführt werden.Regarding
of the possible
Construction and / or usable materials will be complementary, additional or
alternatively to the article "Power
Generating Device Using Compound Magnetic Wire "by A. Matsushita et al
in the journal "Journal
of Applied Physics ",
Vol. 87, No. 9, May 1, 2000, pages 6307 to 6309, and to the article "A Soft Magnetic Wire
For Sensor Applications "by
M. Vázquez
et al., published in Journal J. Phys. D: Appl. Phys. ", Vol. 29, 1996,
Pages 939 and 949, which are incorporated by reference.
Nachfolgend
werden verschiedene Eigenschaften, Merkmale und Betriebsweisen des
vorschlagsgemäßen Verfahrens,
der vorschlagsgemäßen Elektrodeneinrichtung 3 und
des vorschlagsgemäßen Stimulationssystems 1 näher erläutert.Hereinafter, various properties, features and operations of the proposed method, the proposed electrode device 3 and the proposed stimulation system 1 explained in more detail.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 zur Erzeugung elektrischer Impulse
ist vorzugsweise ausschließlich kabellos über ein
insbesondere von der Steuereinrichtung 2 erzeugbares Magnetfeld
H mit Energie versorgbar und/oder steuerbar. Insbesondere benötigt die
Elektrodeneinrichtung 3 keinen Energiespeicher, wie eine
Batterie, die die Lebensdauer bzw. Einsetzbarkeit der Elektrodeneinrichtung 3 beschränkt.The electrode device 3 for generating electrical pulses is preferably exclusively wireless over a particular of the control device 2 producible magnetic field H supplied with energy and / or controllable. In particular, the electrode device requires 3 no energy storage, such as a battery, the life or usability of the electrode device 3 limited.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 ist derart ausgebildet, daß erst bei Überschreiten
einer (ersten) Mindestfeldstärke
des Magnetfelds ein elektrischer Impuls erzeugt und abgegeben wird.
Weiter wird diese oder eine sonstige Impulserzeugung bzw. -auslösung vorzugsweise
erst nach jeweiliger vorheriger Aktivierung ermöglicht.The electrode device 3 is designed such that only when a (first) minimum field strength of the magnetic field is exceeded, an electrical pulse is generated and released. Further, this or other pulse generation or triggering is preferably made possible only after respective previous activation.
Die
Impulserzeugung und -auslösung
erfolgen vorzugsweise dadurch, daß das externe, auf die Spuleneinrichtung
wirkende Magnetfeld H zeitlich variiert wird, so daß bei Überschreiten
der ersten Mindestfeldstärke
H1 eine sprunghafte Änderung
der Magnetisierung der Kernelemente 18 bzw. des Spulenkerns 16 erfolgt,
wie in der schematischen Magnetisierungskurve gemäß 6 angedeutet.
Diese sprunghafte Änderung
der Magnetisierung führt
aufgrund des inversen Wiedemann-Effekts zu einer pulsförmigen Induktionsspannung
(Pulse P in 7) in der zugeordneten Spule 11.
Diese erste Mindestfeldstärke
H1 stellt also eine Schaltschwelle dar.The pulse generation and tripping preferably take place in that the external magnetic field H acting on the coil device is varied over time, so that when the first minimum field strength H1 is exceeded a sudden change in the magnetization of the core elements 18 or the coil core 16 takes place, as in the schematic magnetization curve according to 6 indicated. Due to the inverse Wiedemann effect, this sudden change in the magnetization leads to a pulse-shaped induction voltage (pulses P in 7 ) in the associated coil 11 , This first minimum field strength H1 thus represents a switching threshold.
Die
induzierten Spannungsimpulse P können
eine Amplitude von bis ca. 5 V aufweisen und sind etwa 5 bis 100 μs lang. Um
eine vorzugsweise längere
Pulsdauer – wie
für die
Herzstimulation üblich – zu erreichen,
wird vorzugsweise die optionale Pulsformungseinrichtung 11 eingesetzt.
So kann der induzierte Spannungsimpuls P insbesondere zeitlich gestreckt
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann eine längere
Pulsdauer auch durch Bündelung
mehrer Kernelemente 18 in der Spule 17 erreicht,
insbesondere so daß die
Pulsformungseinrichtung 11 ganz entfallen kann.The induced voltage pulses P may have an amplitude of up to about 5 V and are about 5 to 100 μs long. In order to achieve a preferably longer pulse duration, as is usual for cardiac stimulation, the optional pulse shaping device is preferably used 11 used. In particular, the induced voltage pulse P can be extended in time. Alternatively or additionally, a longer pulse duration can also be achieved by bundling a plurality of core elements 18 in the coil 17 achieved, in particular so that the pulse shaping device 11 completely eliminated.
Zur
Erhöhung
der Impulsleistung können
zusätzliche
Kernelemente 18 im Spulenkern 16 vorgesehen werden.
Alternativ oder zusätzlich
können
zur Erhörung
der Impulsleistung auch mehrere Spuleneinrichtungen 10 parallel
oder in Serie geschaltet werden.To increase the pulse power can be additional core elements 18 in the coil core 16 be provided. Alternatively or additionally, a plurality of coil devices can be used to hear the pulse power 10 be switched in parallel or in series.
Zusätzlich oder
alternativ können
im Spulenkern 16 auch sonstige magnetische, insbesondere dauermagnetische
Elemente zur Realisierung der jeweils gewünschten magnetischen Eigenschaften
des Spulenkerns 16 eingesetzt werden.Additionally or alternatively, in the coil core 16 Other magnetic, especially permanent magnetic elements for the realization of the respective desired magnetic properties of the spool core 16 be used.
Die
Größe der Mindestfeldstärke H1 ist
von verschiedenen Faktoren, insbesondere auch den Herstellungsbedingungen
der Kernelemente 18 abhängig.
Die Mindestfeldstärke
H1 liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 20 mT, insbesondere zwischen
1 bis 10 mT, und beträgt
ganz besonders bevorzugt etwa 2 mT. Diese Werte liegen bereits wesentlich über den üblicherweise
in der Öffentlichkeit
zulässigen
Werten für
Magnetfelder, so daß eine
Auslösung eines
elektrischen Impulses durch üblicherweise
zu erwartende Störfelder
ausgeschlossen ist.The size of the minimum field strength H1 depends on various factors, in particular the production conditions of the core elements 18 dependent. The minimum field strength H1 is preferably between 0.5 and 20 mT, in particular between 1 and 10 mT, and is very particularly preferably about 2 mT. These values are already considerably higher than the values, which are usually admissible in the public domain, for magnetic fields, so that triggering of an electrical impulse by normally expected interference fields is ruled out.
Das
einzelne Kernelemente 18 bzw. der Spulenkern 16 mit
den bistabilen magnetischen Eigenschaften – insbesondere bei dem bevorzugten
aber nicht zwangsweise erforderlichen Aufbau aus Schichten mit abwechselnd
weich- und hartmagnetischen
Eigenschaften – kann
auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. Beim Darstellungsbeispiel wird
vorzugsweise ein asymmetrisches Verhalten beim Durchlaufen der Magnetisierungskurve-
bzw. Hysteresis erreicht. Zur Rücksetzung
bzw. Erreichung des Ausgangspunkts – also Aktivierung für die Auslösung des
nächsten
Impulses – wird
der Spulenkern 16 durch das äußere Magnetfeld H mit entgegengesetzter
Feldrichtung bei Überschreiten
der zweiten Mindestfeldstärke
H2 wieder (vollständig) umpolarisiert,
wie der Magnetisierungskurve gemäß 6 zu
entnehmen ist. Es ist anzumerken, daß bei den genannten Vorgängen jeweils
nur die weichmagnetischen Materialschichten umpolarisiert werden, die
Magnetisierung der hartmagnetischen Materialschichten also erhalten
bleiben. Grundsätzlich
können
jedoch auch noch höhere
Magnetfelder H eingesetzt werden, um bedarfsweise auch die hartmagnetischen
Schichten umzupolarisieren.The single core elements 18 or the coil core 16 with the bistable magnetic properties - especially in the preferred but not necessarily required construction of layers with alternating soft and hard magnetic properties - can be used in different ways. In the illustrated example, an asymmetric behavior when passing through the magnetization curve or hysteresis is preferably achieved. To reset or reach the starting point - ie activation for the triggering of the next pulse - is the bobbin 16 by the external magnetic field H with opposite field direction when the second minimum field strength H2 exceeded again (completely) umpolarisiert how the magnetization curve according to 6 can be seen. It should be noted that only the soft magnetic material layers are repolarized in the processes mentioned, the magnetization of the hard magnetic material layers are thus preserved. In principle, however, even higher magnetic fields H can be used in order to re-polarize the hard magnetic layers as required.
Das äußere, insbesondere
von der Steuereinrichtung 2 erzeugte Magnetfeld H dient
beim bevorzugten Darstellungsbeispiel also sowohl der Steuerung
(Auslösung)
der Erzeugung und Abgabe eines elektrischen Impulses durch die Elektrodeneinrichtung 3 als
auch einer Versorgung der Elektrodeneinrichtung 3 mit der
für die
Erzeugung des elektrischen Impulses erforderlichen Energie. Darüber hinaus wird
das Magnetfeld H vorzugsweise auch zur genannten Aktivierung der
Elektrodeneinrichtung 3 für die mögliche Erzeugung des näch sten elektrischen Impulses
verwendet. Jedoch kann dies auch auf sonstige Weise bzw. auch durch
ein sonstiges Signal erfolgen.The outer, in particular of the control device 2 generated magnetic field H thus serves in the preferred illustration example, both the control (triggering) of the generation and delivery of an electrical pulse through the electrode device 3 as well as a supply of the electrode device 3 with the energy required to generate the electrical pulse. In addition, the magnetic field H is preferably also for the mentioned activation of the electrode device 3 used for the possible generation of the nearest electrical pulse. However, this can also be done in any other way or by another signal.
Das äußere Magnetfeld
H verläuft
vorzugsweise zumindest im wesentlichen parallel zur Längsrichtung
des Spulenkerns 16 bzw. der Kernelemente 18.The external magnetic field H preferably runs at least substantially parallel to the longitudinal direction of the coil core 16 or the core elements 18 ,
7 zeigt
in schematischer Weise einen bevorzugten zeitlichen Verlauf V1 des äußeren auf die
Elektrodeneinrichtung 3 einwirkenden Magnetfelds H und
des dazu korrespondierenden zeitlichen Verlaufs V2 der in der Elektrodeneinrichtung 3 bzw. dessen
Spule 17 induzierten Spannung U. 7 shows schematically a preferred time course V1 of the outer to the electrode device 3 acting magnetic field H and the corresponding thereto time course V2 in the electrode device 3 or its coil 17 induced voltage U.
Das
Magnetfeld H wird vorzugsweise intermittierend und/oder als Wechselfeld
erzeugt. Vorzugsweise weist das Magnetfeld H ein Einschaltverhältnis von
weniger als 0,5, insbesondere weniger als 0,25, besonders bevorzugt
im wesentlichen von 0,1 oder weniger auf.The
Magnetic field H is preferably intermittent and / or as an alternating field
generated. Preferably, the magnetic field H has a duty cycle of
less than 0.5, in particular less than 0.25, particularly preferred
essentially of 0.1 or less.
Die
Feldstärke
des Magnetfelds H verläuft – zumindest
während
der Einschaltzeiten – zeitlich
im wesentlichen rampen- bzw. sägezahnförmig, wie
in 7 angedeutet.The field strength of the magnetic field H runs - at least during the switch-on times - essentially ramp-like or sawtooth-shaped, as in 7 indicated.
Das
Magnetfeld H wird abwechselnd mit entgegengesetzter Feldrichtung
zum abwechselnden Erzeugen eines elektrischen Impulses und Aktivieren der
Elektrodeneinrichtung 3 vor Erzeugung des nächsten elektrischen
Impulses erzeugt. Vorzugsweise erfolgt die Aktivierung nur kurz
vor Erzeugung des nächsten
elektrischen Impulses, wie in 7 angedeutet.The magnetic field H alternates with opposite field direction for alternately generating an electrical pulse and activating the electrode means 3 generated before generation of the next electrical pulse. Preferably, the activation occurs only shortly before the generation of the next electrical pulse, as in FIG 7 indicated.
Die
Frequenz des Magnetfelds H beträgt
vorzugsweise nur wenige Hz, insbesondere weniger als 3 Hz, und entspricht
insbesondere der erwünschten Häufigkeit
der zu erzeugenden elektrischen Impulse.The
Frequency of the magnetic field H is
preferably only a few Hz, in particular less than 3 Hz, and corresponds
in particular the desired frequency
the electrical pulses to be generated.
Der
rampenförmige
Anstieg der Feldstärke des
Magnetfelds H erfolgt vorzugsweise jeweils relativ steil, um nur
kurze Einschaltzeiten und ein nur geringes Einschaltverhältnis zu
erreichen. Dies ist im Hinblick auf eine Minimierung der erforderlichen
Energie und auf eine definierte Auslösung mit wenig Störeinflüssen vorteilhaft.Of the
ramp
Increase in field strength of the
Magnetic field H is preferably relatively steep, in order to only
short turn-on and a low duty cycle too
to reach. This is in order to minimize the required
Energy and a defined triggering with little interference beneficial.
Entsprechend
der zu erreichenden Mindestfeldstärken erreicht die Feldstärke des
Magnetfelds H im Bereich der Elektrodeneinrichtung 3 in
Maximum vorzugsweise im wesentlichen 1 bis 20 mT, insbesondere 2
bis 10 mT.In accordance with the minimum field strengths to be achieved, the field strength of the magnetic field H reaches in the region of the electrode device 3 in maximum, preferably substantially 1 to 20 mT, in particular 2 to 10 mT.
Aus 7 ergibt
sich, daß die
negativen Magnetfeldrampen bei Erreichen der zweiten Mindestfeldstärke H2 jeweils
einen nur sehr kleinen elektrischen Impuls induzieren, der im Vergleich
zu den Impulsen P bei der sprunghaften Änderung der Magnetisierung
vernachlässigbar
ist. Die Höhe
dieser kleinen Impulse hängt
im wesentlichen von der Änderungsgeschwindigkeit
der Magnetisierung bei der Rückstellung,
also bei der Aktivierung der Elektrodeneinrichtung 3 für die Erzeugung
des nächsten elektrischen
Impulses ab.Out 7 shows that the negative magnetic field ramps each induce a very small electrical pulse upon reaching the second minimum field strength H2, which is negligible compared to the pulses P in the sudden change in the magnetization. The amount of these small pulses depends essentially on the rate of change of the magnetization during the reset, ie upon activation of the electrode device 3 for the generation of the next electrical pulse.
Gemäß einer
nicht dargestellten Weiterbildung können auch mehrere Elektrodeneinrichtungen 3 eingesetzt
werden, die insbesondere von einer gemeinsamen Steuereinrichtung 2 gesteuert
und mit Energie versorgt werden. Die Elektrodeneinrichtungen 3 können dann
beispielsweise an verschiedenen Stellen implantiert werden. Durch
unterschiedliche erste Mindestfeldstärken H1, unterschiedliche Spuleneinrichtungen 10 und/oder
Pulsformungseinrichtungen 11 o.dgl. können dann auch gewünschte Phasenverschiebungen,
Energieunterschiede o. dgl. bei den von den einzelnen Elektrodeneinrichtungen 3 abgegebenen
elektrischen Impulsen bzw. Signalen erreicht werden.According to a development, not shown, also a plurality of electrode devices 3 are used, in particular by a common control device 2 controlled and energized. The electrode devices 3 can then be implanted at different locations, for example. By different first minimum field strengths H1, different coil devices 10 and / or pulse shaping devices 11 or the like. can then also desired phase shifts, energy differences o. The like. In the case of the individual electrode devices 3 delivered electrical pulses or signals can be achieved.
Es
ist anzumerken, daß die
bevorzugte Synchronisation der Stimulation des Herzens 6 mit
dem Herzschlag beispielsweise auch durch Auswertung der in der Spule 7 der
Steuereinrichtung 2 durch die Bewegung der Elektrodeneinrichtung 3 induzierten elektrischen
Spannung – ggf.
in Verbindung mit der EKG-Spannung, die galvanisch über das
Gehäuse der
Steuereinrichtung 2 oder einer diesbezüglichen Elektrode erfaßt werden
kann – realisiert
werden kann.It should be noted that the preferred synchronization of the stimulation of the heart 6 with the heartbeat, for example, by evaluating the in the coil 7 the control device 2 by the movement of the electrode device 3 induced electrical voltage - possibly in conjunction with the ECG voltage, which is galvanically applied through the housing of the control device 2 or a related electrode can be detected - can be realized.
Besondere
Vorteile der Erfindung liegen in der Möglichkeit, die drahtlose Elektrodeneinrichtung 3 in
zur Stimulation besser geeignete Bereiche, insbesondere des Herzmuskels,
implantieren zu können,
als dies bei leitungsgebundenen Elektroden möglich ist. Ferner können mehrere
Elektrodeneinrichtungen 3 an verschiedenen Stellen implantiert werden,
wodurch eine verbesserte Stimulation und insbesondere bessere Herzdynamik
erzielt werden kann.Particular advantages of the invention lie in the possibility of the wireless electrode device 3 implanted in more suitable areas for stimulation, in particular of the heart muscle, as is possible with lead-based electrodes. Furthermore, a plurality of electrode devices 3 can be implanted in different places, whereby an improved stimulation and especially better heart dynamics can be achieved.
8 zeigt
in einem schematischen Schnitt eine weitere Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Elektrodeneinrichtung 3.
Die Spuleneinrichtung 10 kann hier einen Spulenkern 16 bzw.
Kernelemente 18 aus einem weichmagnetischen oder ultraweichmagnetischen
Material – beispielsweise
in Form von Drähten
oder Streifen – aufweisen.
Derartiges Material hat eine sehr geringe Koerzitivfeldstärke, die
der Mindestfeldstärke
H1 entspricht und insbesondere weniger als 0,1 mT beträgt. Die
Sättigungsfeldstärken des
Materials sind kleiner als etwa 0,01 bis 3 mT. Der Spulkern 16 besteht
aus nichtmagnetischem oder gänzlich
oder teilweise aus dem genannten weichmagnetischen oder ultraweichmagnetischen Material
oder aus einer Kombination verschiedener solcher magnetischen-Materialien. 8th shows in a schematic section a further embodiment of the proposed electrode device 3 , The coil device 10 can have a coil core here 16 or core elements 18 from a soft magnetic or ultra soft magnetic material - for example in the form of wires or strips - have. Such material has a very low coercivity, which corresponds to the minimum field strength H1 and in particular less than 0.1 mT. The saturation field strengths of the material are less than about 0.01 to 3 mT. The winding core 16 consists of nonmagnetic or wholly or partly of said soft magnetic or ultra soft magnetic material or of a combination of different such magnetic materials.
Die
Elektrodeneinrichtung 3 bzw. Spuleneinrichtung 10 weist
hier eine Spule 17 mit einer vorzugsweise hohen Windungszahl,
insbesondere von mindestens 1.000 Windungen, besonders bevorzugt von
2.000 Windungen oder mehr auf. Beim Darstellungsbeispiel weist die
Spule 17 insbesondere im wesentlichen 3.000 Windungen oder
mehr auf.The electrode device 3 or coil device 10 here has a coil 17 with a preferably high number of turns, in particular of at least 1,000 turns, particularly preferably of 2,000 turns or more. The illustration shows the coil 17 in particular substantially 3,000 turns or more.
Beim
Darstellungsbeispiel beträgt
der Spuleninnendurchmesser D1 vorzugsweise 1 bis 3 mm, der Spulenaußendurchmesser
D2 vorzugsweise 2 bis 6 mm und die Spulenlänge L1 vorzugsweise 10 bis
30 mm.At the
Representation example is
the inner coil diameter D1 preferably 1 to 3 mm, the coil outer diameter
D2 preferably 2 to 6 mm and the coil length L1 preferably 10 to
30 mm.
Generell
können
auch Ferrite oder ferromagnetische metallische Pulvermaterialien
als Kernmaterialien bzw. weichmagnetische Materialien eingesetzt werden.
Ein Vorteil liegt darin, daß diese
Materialien wegen der schlechten elektrischen Leitfähigkeit
nur geringe Wirbelstromverluste zeigen.As a general rule
can
also ferrites or ferromagnetic metallic powder materials
be used as core materials or soft magnetic materials.
One advantage is that these
Materials because of poor electrical conductivity
show only slight eddy current losses.
Generell
kann zw. können
die in 8 gezeigte Garnspule bzw. deren Spulenkern 16 bzw.
nur deren Mittelstab bzw. nur ein stabförmiger Kern 16 oder
auch mehrere Kernelemente 18 aus weich- bzw. ultraweichen
Materialien in Form eines Stapels von voneinander elektrisch isolierten
Folien zwecks Reduzierung der Querleitfähigkeit aufgebaut sein, um Wirbelstromverluste
zu verringern. Entsprechendes gilt für den Einsatz von Ferriten
oder sonstigen Materialien mit entsprechenden Eigenschaften.In general, you can use the 8th shown yarn package or its coil core 16 or only the center rod or only a rod-shaped core 16 or several core elements 18 made of soft or ultra-soft materials in the form of a stack of mutually electrically insulated films to reduce the transverse conductivity to reduce eddy current losses. The same applies to the use of ferrites or other materials with corresponding properties.
Die
vorschlagsgemäße Elektrodeneinrichtung 3 bzw.
Spuleneinrichtung 10 gestattet die Erzeugung eines verhältnismäßig starken
elektrischen Impulses, insbesondere eines Impulses mit einer Spannung
von mindestens 1 V und einer zeitlichen Dauer von im wesentlichen
0,1 ms oder mehr. Dies läßt sich insbesondere
durch die dargestellte garnspulenartige Ausbildung und/oder durch
die hohe Windungszahl erreichen. Insbesondere kann dieser verhältnismäßig starke
und verhältnismäßig lang
andauernde elektrische Impuls auch mit dem weichmagnetischen Kernmaterial
erreicht werden. Ein magnetischer Rückstellpuls, wie bei den Wigand-Drähten oder
dergleichen, ist nicht unbedingt erforderlich. Jedoch ist eine Kombination
mit den anderen magnetischen Materialien bzw. Aufbauten möglich.The proposed electrode device 3 or coil device 10 allows the generation of a relatively strong electrical pulse, in particular a pulse with a voltage of at least 1 V and a time duration of substantially 0.1 ms or more. This can be achieved in particular by the illustrated yarn package-like design and / or by the high number of turns. In particular, this relatively strong and relatively long-lasting electrical pulse can also be achieved with the soft magnetic core material. A magnetic reset pulse, as in Wigand wires or the like, is not essential. However, a combination with the other magnetic materials or structures is possible.
Aufgrund
der speziellen RLC-Eigenschaften (Impedanz) der Primärspule 7 kann
das anregende Magnetfeld H nur relativ langsam ansteigen (typischerweise
in 0,1 bis 5 ms von 0 auf einen Maximalwert von beispielsweise 0,1
bis 2 mT). Bei der vorschlagsgemäßen Spuleneinrichtung 10 und
bei Belastung mit einem für
den Herzmuskel charakteristischen Widerstand von beispielsweise
etwa 1 kOhm kann ein verhältnismäßig breiter
bzw. langanhaltender Impuls mit einer Dauer von mindestens 0,1 ms, insbesondere
von im wesentlichen 0,25 bis 2 ms, erzeugt werden. Dies kann möglicherweise
in den Wechselstromeigenschaften der LRC-Anordnung (bzw. der Spuleneinrichtung 10 große Induktivität und hohe
Wicklungskapazität
der Spule) und/oder der Rückwirkung
des Spulenstroms auf den Kern 16 liegen.Due to the special RLC characteristics (impedance) of the primary coil 7 For example, the exciting magnetic field H may increase only relatively slowly (typically in 0.1 to 5 ms from 0 to a maximum value of, for example, 0.1 to 2 mT). In the proposed coil device 10 and when loaded with a cardiac muscle characteristic resistance of, for example, about 1 kOhm, a relatively wide or long lasting pulse having a duration of at least 0.1 ms, in particular substantially 0.25 to 2 ms, can be generated. This may possibly be due to the AC characteristics of the LRC device (or coil device 10 large inductance and high winding capacity of the coil) and / or the reaction of the coil current to the core 16 lie.
Die
voranstehend beschriebene Elektrodeneinrichtung 3 wird
vorzugsweise wiederum mit der bereits beschriebenen Steuereinrichtung 2 oder
einer sonstigen Steuereinrichtung 2 kombiniert bzw. über ein äußeres bzw.
variierendes Magnetfeld H vorzugsweise ausschließlich gesteuert und/oder mit
Energie versorgt, wie bereits beschrieben.The electrode device described above 3 is preferably in turn with the control device already described 2 or other control device 2 combined or preferably exclusively controlled and / or supplied with energy via an external or varying magnetic field H, as already described.
9 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorschlagsgemäßen Elektrodeneinrichtung 3. Genauer
gesagt handelt es sich hier nicht um eine Elektrodeneinrichtung 3,
sondern um eine Stimulationseinrichtung 21, da keine Elektroden 12 wie
bei den voranstehenden Ausführungsformen
erforderlich sind. Die Stimulationseinrichtung 21 kann
jedoch anstelle der Elektrodeneinrichtung 3 eingesetzt
bzw. für das
voranstehend beschriebene Stimulationssystem 1 eingesetzt
werden. Die bisherigen Ausführungen hinsichtlich
der Verwendung und des Einsatzes der Elektrodeneinrichtung 3 gelten
also für
die Stimulationseinrichtung 21 grundsätzlich entsprechend. 9 shows a further embodiment of the proposed electrode device 3 , More specifically, this is not an electrode device 3 but a stimulation device 21 , because no electrodes 12 as required in the previous embodiments. The stimulation device 21 However, instead of the electrode device 3 used or for the above-described stimulation system 1 be used. The previous statements regarding the use and the use of the electrode device 3 So apply to the stimulation device 21 basically according to.
Die
Stimulationseinrichtung 21 weist ein magnetisierbares Element 22 auf,
das vorzugsweise von einer optionalen Hülle 23 umgeben ist.
Elektroden 12 oder dergleichen, wie bei der Elektrodeneinrichtung 3,
sind vorzugsweise nicht erforderlich.The stimulation device 21 has a magnetizable element 22 preferably from an optional wrapper 23 is surrounded. electrodes 12 or the like, as in the electrode device 3 , are preferably not required.
Das
Element 22 ist durch ein äußeres bzw. variierendes Magnetfeld
H magnetisierbar, insbesondere wird das Magnetfeld H durch die Steuereinrichtung 2 oder
auf sonstige geeignete Weise erzeugt.The element 22 is magnetizable by an external or varying magnetic field H, in particular, the magnetic field H by the control device 2 or otherwise produced.
Durch
Variation des Magnetfelds H wird eine Änderung der Magnetisierung
des Elements 22 bewirkt. Entsprechend wird der magnetische
Streufluß des
Elements 22 in dem die Stimulationseinrichtung 21 im
implantierten Zustand umgebenden Gewebe, wie dem Herz 6,
zeitlich variiert, wodurch eine elektrische Feldstärke bzw.
eine elektrische Stimulation erzeugt wird. Folglich wird ohne Elektroden 12 eine elektrische
Stimulation bzw. ein elektrischer Impuls in dem Gewebe, wie dem
Herz 6, erzeugt.By varying the magnetic field H, a change in the magnetization of the element 22 causes. Accordingly, the magnetic leakage flux of the element 22 in which the stimulation device 21 in the implanted state surrounding tissue, such as the heart 6 , varies over time, whereby an electric field strength or an electrical stimulation is generated. Consequently, without electrodes 12 an electrical stimulation or an electrical impulse in the tissue, such as the heart 6 , generated.
Vorzugsweise
ist das Element 22 ferromagnetisch, insbesondere zumindest
im wesentlichen oder ausschließlich
aus ferromagnetischem Material hergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann
das Element 22 auch wie anhand von 5 beschrieben aufgebaut
und/oder als Wigand-Draht oder dergleichen und/oder aus einer Mehrzahl
oder einem Bündel
von Kernelementen 18 aufgebaut sein.Preferably, the element is 22 ferromagnetic, in particular at least substantially or exclusively made of ferromagnetic material. Alternatively or additionally, the element 22 also as based on 5 described and / or constructed as Wigand wire or the like and / or from a plurality or a bundle of core elements 18 be constructed.
Die
Stimulationseinrichtung 21 bewirkt insbesondere eine Verstärkung des äußeren Magnetfelds
H am Ort der Stimulationseinrichtung 21, also an der implantierten
Stelle. Dies ermöglicht
eine gezielte elektrische Stimulation im gewünschten Bereich und/oder in
Abhängigkeit
von dem Magnetfeld H.The stimulation device 21 in particular causes a reinforcement of the external magnetic field H at the location of the stimulation device 21 ie at the implanted site. This allows a targeted electrical stimulation in the desired range and / or in dependence on the magnetic field H.
10 zeigt
eine andere Ausführungsform des
vorschlagsgemäßen Stimulationssystems 1 mit der
Steuereinrichtung 2, der Elektrodeneinrichtung 3 und
einer externen Ladeeinrichtung 24 in einer blockschaltbildartigen,
nur schematischen Darstellung. Bei dieser Ausführungsform werden von der Steuereinrich tung 2 während der
Einschaltdauer des Magnetfelds H – also während der Einschaltphasen – jeweils mehrere
kurze Magnetfeldimpulse als Folge generiert. Insbesondere wird so
erreicht, daß die
Spulenanordnung 10 bzw. deren Spulenkern 16 seine
Magnetisierung immer weit unterhalb des Zustands der Sättigung ändert. So
kann ein minimaler Energieverbrauch erreicht werden, da während der
gesamten Einschaltdauer des Magnetfelds H und damit im wesentlichen
während
der Erzeugung des elektrischen Impulses eine möglichst große Flußänderung im Kern der Spulenanordnung 10 der
Elektrodeneinrichtung 3 vorliegt bzw. erzeugt wird. 10 shows another embodiment of the proposed stimulation system 1 with the control device 2 , the electrode device 3 and an external charging device 24 in a block diagram-like, only schematic representation. In this embodiment, by the Steuereinrich device 2 during the duty cycle of the magnet field H - ie during the switch-on phases - each generates several short magnetic field pulses as a result. In particular, it is achieved that the coil arrangement 10 or their coil core 16 its magnetization always changes far below the state of saturation. Thus, a minimum energy consumption can be achieved because throughout the turn-on of the magnetic field H and thus substantially during the generation of the electrical pulse as large a flux change in the core of the coil assembly 10 the electrode device 3 is present or produced.
Die
Magnetfeldimpulse können
bei Benutzung weichmagnetischer Kernmaterialien unipolar oder bipolar
sein. Bei Benutzung der bistabilen Materialien werden bipolare Magnetfeldimpulse
eingesetzt.The
Magnetic field pulses can
when using soft magnetic core materials unipolar or bipolar
be. When using the bistable materials become bipolar magnetic field pulses
used.
Beim
Darstellungsbeispiel gemäß 10 werden
bipolare Magnetfeldimpulse vorzugsweise mittels einer Brücke aus
Schalttransistoren M1 bis M4 (z.B. MOSFETS, auch in komplementärer Ausführung) oder
anderen schaltenden Halbleiterbauelementen erzeugt. Weiter sind
in 10 die Spule 7, die Steuerung 8 und
der Energiespeicher 9 der Steuereinrichtung 2 angedeutet.
Die Steuerung 8 kann beispielsweise ein oder zwei Signalgeneratoren
V2 und V4 aufweisen: Vorzugsweise ist parallel zum Energiespeicher 9 ein
Glättungskondensator 25 geschaltet.
Zusätzlich
kann eine Abtrennelektronik 26, wie ein Schalter oder dgl.,
vorgesehen sein.In the representation example according to 10 For example, bipolar magnetic field pulses are preferably generated by means of a bridge of switching transistors M1 to M4 (eg MOSFETS, also in complementary design) or other switching semiconductor components. Next are in 10 the sink 7 , the control 8th and the energy storage 9 the control device 2 indicated. The control 8th For example, one or two signal generators V2 and V4 may have: Preferably, it is parallel to the energy store 9 a smoothing capacitor 25 connected. In addition, a separation electronics 26 as a switch or the like. Be provided.
Die
Steuereinrichtung 2 bzw. dessen Spule 7 ist vorzugsweise
derart ausgebildet, daß die
Steuereinrichtung 2 bzw. deren Energiespeicher 9 im
implantierten Zustand induktiv, insbesondere über die Spule 7, aufladbar
ist. Zur Erzeugung des erforderlichen elektromagnetischen Feldes
beim Aufladen ist die Ladeeinrichtung 24 mit einer geeigneten
Spule 27 und einer entsprechenden Stromversorgung, insbesondere
Wechselstromversorgung 28, ausgerüstet.The control device 2 or its coil 7 is preferably designed such that the control device 2 or their energy storage 9 in the implanted state, inductively, in particular via the coil 7 , is rechargeable. To generate the required electromagnetic field during charging is the charging device 24 with a suitable coil 27 and a corresponding power supply, in particular AC power supply 28 , equipped.
11 a)
zeigt in einem schematischen Diagramm eine mögliche Pulsfolge (Spannung über der Zeit
t), die von der Steuerung 8 erzeugt wird und eine optimale
Ansteuerung der Bücke
ermöglicht.
Die Ansteuerpulse – hier
für die
Brücke
aus Schalttransistoren – werden
vorzugsweise nur während
der Einschaltdauer ton bis toff,
also während
der Einschaltung des Magnetfelds H, er zeugt. Beispielsweise dauern die
Ansteuerimpulse jeweils weniger als 50 μs. Nach einem ersten Puls 1 (durchgezogen
dargestellt) und einer gewissen Verzögerungszeit von beispielsweise Δt1 von etwa 1 bis 10 μs erfolgt dann für die Dauer
t2, die insbesondere der ersten Dauer t1 entspricht, ein entgegengesetzter Puls 2,
der über
die Brücke
die Primärspulenspannung
(Spannung der Spule 7) umkehrt. Diese abwechselnde Erzeugung
von Ansteuerimpulsen wiederholt sich n-mal, bis eine genügende Pulszahl
bestehend aus positiven und negativen, gepaarten Einzelpulsen abgegeben
worden ist. 11 a) shows a schematic diagram of a possible pulse sequence (voltage over time t) generated by the controller 8th is generated and allows optimal control of the bridge. The drive pulses - here for the bridge of switching transistors - are preferably only during the on-time t on to t off , ie during the activation of the magnetic field H, he testifies. For example, the drive pulses each last less than 50 μs. After a first pulse 1 (shown in solid lines) and a certain delay time of, for example .DELTA.t 1 of about 1 to 10 microseconds then takes place for the duration t 2 , which corresponds in particular to the first duration t 1 , an opposite pulse 2 connecting the primary coil voltage across the bridge (voltage of the coil 7 ) reverses. This alternating generation of drive pulses repeats n times until a sufficient number of pulses consisting of positive and negative, paired individual pulses has been delivered.
Die
dargestellten Ansteuerpulse bzw. Impulsfolgen führen aufgrund der Induktivität der Spule 7 zu
einer Folge von insbesondere zumindest im wesentlichen sägezahnförmigen,
vorzugsweise bipolaren Magnetfeldimpulsen (dargestellt als Strom
durch die Spule 7 über
die Zeit t in 11 b), die auf die Elektrodeneinrichtung 3 bzw.
deren Spuleneinrichtung 10 (Sekundärspule) als Magnetfeld H im
Sinne der vorliegenden Erfindung wirken und dort die Erzeugung eines
elektrisches Impulses (oder einer Folge von elektrischen Impulsen
für jeweils
eine einzige Stimulation) zur Stimulation bewirken. 11 c)
zeigt schematisch als Spannung über
der Zeit t einen von den Magnetfeldimpulsen bzw. dem pulsartig variierenden
Magnetfeld H erzeugten elektrischen Impuls (insbesondere eine Überlagerung
aus teilgeglätteten Einzelimpulsen).
Insbesondere hängt
die Länge
des elektrischen Impulses von der Länge der Einschaltdauer der
Ansteuerimpulse bzw. der Magnetfeldimpulse ab und entspricht besonders
bevorzugt im wesentlichen der Einschaltdauer.The illustrated drive pulses or pulse trains lead due to the inductance of the coil 7 to a sequence of in particular at least substantially sawtooth, preferably bipolar magnetic field pulses (shown as current through the coil 7 over time t in 11 b) on the electrode device 3 or their coil device 10 (Secondary coil) act as a magnetic field H in the sense of the present invention and there cause the generation of an electrical pulse (or a series of electrical pulses for a single stimulation) for stimulation. 11 c) shows schematically as a voltage over the time t an electric pulse generated by the magnetic field pulses or the pulse-like varying magnetic field H (in particular an overlay of partially smoothed individual pulses). In particular, the length of the electrical pulse depends on the length of the duty cycle of the drive pulses or the magnetic field pulses, and particularly preferably corresponds essentially to the duty cycle.
Ähnliches
kann mit einer unipolaren Magnetfeldimpulsfolge erreicht werden.
In diesem Fall können
beispielsweise der linke Teil der Brücke und der Generator V2 in 10 sowie
die gestrichelte Impulsfolge 2 in 11 c)
entfallen.The same can be achieved with a unipolar magnetic field pulse train. In this case, for example, the left part of the bridge and the generator V2 in 10 as well as the dashed pulse train 2 in 11 c) omitted.
Die
Zeitdauer zwischen zwei Ansteuerpulsen Δt sollte so gewählt werden,
daß der
zweite Impuls dann ausgelöst
wird, wenn der zunächst
quasi linear in Richtung Null abfallende Primärspulenstrom das Nullniveau
erreicht. Diese Zeitspanne hängt
sowohl vom R/L-Wert der Spule 7 als auch vom R/L-Wert des Sekundärkreises,
insbesondere der Spulenanordnung 10, ab. Für den Primärkreis (Steuereinrichtung 2)
bestimmen im wesentlichen der Wicklungswiderstand und die Induktivität der Spuleneinrichtung 10 das
R/L-Verhältnis,
während
der Widerstand der Spulueneinrichtung 10 durch den Wicklungswi derstand
und den Belastungswiderstand (Gewebewiderstand des stimulierten
Teils des Herzmuskels oder dgl., der an den Elektroden 12 anliegt)
und die Induktivität
durch die Wicklungsinduktivität
unter Berücksichtigung
des vorzugsweise ferromagnetischen Kerns 16 bestimmt wird.
R bezeichnet hier generell den elektrischen Widerstand, L die Induktivität.The time duration between two drive pulses .DELTA.t should be selected so that the second pulse is triggered when the primary quasi-initially decreasing quasi-linearly in the direction of zero reaches the zero level. This period of time depends both on the R / L value of the coil 7 as well as the R / L value of the secondary circuit, in particular the coil arrangement 10 , from. For the primary circuit (control device 2 ) determine substantially the winding resistance and the inductance of the coil means 10 the R / L ratio, while the resistance of the Spulueneinrichtung 10 through the Wickungswi resistance and the load resistance (tissue resistance of the stimulated part of the heart muscle or the like., At the electrodes 12 is applied) and the inductance through the winding inductance taking into account the preferably ferromagnetic core 16 is determined. R here generally denotes the electrical resistance, L the inductance.
Wie
ausgeführt
besitzen die in der Spuleneinrichtung 10 induzierten Impulse
in den Zeiten t bzw. t' unterschiedliche
Vorzeichen, d.h. es ergibt sich eine Pulsfolge von bipolaren Impulsen
(sowohl bei unipolarer als auch bei bipolarer Anregung durch Magnetfeldimpulse).
Zur Stimulation werden vorzugsweise unipolare elektrische Impulse
benötigt bzw.
erzeugt. Diese werden durch einen Gleichrichter, insbesondere einen
Brücken-
bzw. Diodengleichrichter, in der Elektrodeneinrichtung 3 gleichgerichtet. Der
Gleichrichter ist vorzugsweise zwischen den Anschlüssen der
Spuleneinrichtung 10 und den Elektroden 12 geschaltet,
wie in 10 angedeutet. Dadurch entsteht
eine unipolare Folge elektrischer Impulse mit Spitzenwerten. Zwischen
den Spitzenwerten können
die Spannungswerte in der Nähe
von Null liegen. Ein parallel zu den Stimulationselektroden geschalteter
kleiner Glättungskondensator
C2 (von beispielsweise 1 bis 100 nF) kann diese pulsierende Spannungsfolge,
falls erforderlich, glätten.
Der Kapazitätswert
kann optimal an die Eigenschaften des Gesamtsystems angepaßt werden.As stated, have in the coil device 10 induced pulses in the times t and t 'different signs, ie, there is a pulse sequence of bipolar pulses (both unipolar and bipolar excitation by magnetic field pulses). For stimulation preferably unipolar electrical impulses are needed or generated. These are by a rectifier, in particular a bridge or diode judge, in the electrode device 3 rectified. The rectifier is preferably between the terminals of the coil means 10 and the electrodes 12 switched as in 10 indicated. This creates a unipolar sequence of electrical pulses with peak values. Between the peak values, the voltage values may be close to zero. A small smoothing capacitor C2 (of, for example, 1 to 100 nF) connected in parallel with the stimulation electrodes can smooth this pulsating voltage sequence, if necessary. The capacity value can be optimally adapted to the properties of the overall system.
Hinsichtlich 10 ist
anzumerken, daß die Elektrodeneinrichtung 3 vorzugsweise
nur aus passiven, insbesondere wenigen Bauelementen, wie einer oder
mehreren Dioden, insbesondere Schottkydioden D2, D5, D8, D9, zur
Bildung des Gleichrichters und/oder dem Kondensator C2, aufgebaut
ist.Regarding 10 It should be noted that the electrode device 3 preferably only from passive, in particular few components, such as one or more diodes, in particular Schottky diodes D2, D5, D8, D9, for forming the rectifier and / or the capacitor C2, is constructed.
Die
von der Elektrodeneinrichtung 3 erzeugte Dauer des jeweiligen
elektrischen Impulses (einer einzigen Stimulation) hängt von
der jeweiligen Einschaltdauer des Magnetfelds H ab, insbesondere
von der Anzahl der Ansteuerimpulse, die in einer Folge erzeugt werden,
und damit auch von der Anzahl der von der Steuereinrichtung 2 erzeugten
Magnetfeldimpulse. Folglich steuert die Steuereinrichtung 2 die Erzeugung
der elektrischen Impulse bzw. die Elektrodeneinrichtung 3 durch
das Magnetfeld H unmittelbar im eingangs genannten Sinne der vorliegenden
Erfindung.The of the electrode device 3 The duration of the respective electrical pulse generated (a single stimulation) depends on the respective switch-on duration of the magnetic field H, in particular on the number of drive pulses which are generated in a sequence, and thus also on the number of times the control device 2 generated magnetic field pulses. Consequently, the controller controls 2 the generation of electrical pulses or the electrode device 3 by the magnetic field H directly in the aforementioned sense of the present invention.
Das
schematische Diagramm gemäß 11 c)
zeigt den Einfluß der
Gleichrichtung und des R/L-Verhältnisses
der Spuleneinrichtung 10 der Elektrodeneinrichtung 3.
Bei einem großen
R/L-Verhältnis (z.B.
sehr kleinem L) folgt die Spulenspannung der Ableitung des Primärspulenstroms
dI/dt, der hier in Folge des kleineren R/L-Verhältnisses der Primärspule (Spule 7)
vorzugsweise quasi linear ansteigt bzw. abfällt, wenn die Primärspulenspannung
umgepolt wird. Bei kleinem R/L-Verhältnis der Spuleneinrichtung 10 (unter
Einbeziehung des an den Elektroden 12 anliegenden Gewebewiderstands),
wie es wegen der bevorzugten großen Windungszahl (insbesondere
etwa 1.000 Windungen oder mehr) und der bevorzugten Anwesenheit
des ferromagnetischen Kerns 16 realistisch ist, steigt
die induzierte Spulenspannung (als Spannung am Lastwiderstand der
Spule 17 – insbesondere
also an dem an den Elektroden 12 anliegenden Gewebewiderstand – gemessen)
nur relativ langsam an.The schematic diagram according to 11 c) shows the influence of the rectification and the R / L ratio of the coil means 10 the electrode device 3 , With a large R / L ratio (eg very low L), the coil voltage follows the derivative of the primary coil current dI / dt, here due to the smaller R / L ratio of the primary coil (coil 7 ) preferably increases or decreases almost linearly when the primary coil voltage is reversed. With a small R / L ratio of the coil device 10 (including at the electrodes 12 adjacent tissue resistance), such as because of the preferred large number of turns (more preferably about 1,000 turns or more) and the preferred presence of the ferromagnetic core 16 is realistic, the induced coil voltage increases (as a voltage at the load resistance of the coil 17 - So especially on the at the electrodes 12 adjacent tissue resistance - measured) only relatively slowly.
Das
vorschlagsgemäße Verfahren,
relativ kurze, dicht aufeinanderfolgende gleichgerichtete elektrische
Impulse aufgrund einer Folge von kurzen Magnetfeldimpulsen bzw.
Ansteuerimpulsen gemäß 11 zur
Stimulierung eines einzelnen Herzschlags oder dgl. einzusetzen,
bietet auch die Möglichkeit,
durch eine Einwirkung von außen
auf die mit mindestens einem geeigneten Sensor ausgestattete Steuerung 8 die
Stimulationspulsdauer (Gesamtlänge
des elektrischen Impulses während
einer Einschaltdauer des Magnetfelds H, im wesentlichen Einschaltdauer
ton bis toff) den
Bedürfnissen
eines jeweiligen Patienten anzupassen, indem die Anzahl n der Pulspaare
der Ansteuerimpulse entsprechend eingestellt wird. Jedoch sind auch
andere konstruktive, elektrische bzw. elektrotechnische Lösungen möglich.The proposed method, relatively short, closely spaced rectified electrical pulses due to a sequence of short magnetic field pulses or drive pulses according to 11 for stimulating a single heartbeat or the like, also offers the possibility of external control of the control equipped with at least one suitable sensor 8th the stimulation pulse duration (total length of the electrical pulse during a duty cycle of the magnetic field H, substantially on time t on to t off ) to adapt to the needs of each patient by the number n of the pulse pairs of the drive pulses is set accordingly. However, other constructive, electrical or electrical engineering solutions are possible.
Die
beschriebene Induktionsschrittmachertechnologie kann auch in Kombination
mit der herkömmlichen
Herzschrittmachertechnologie eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang
ist insbesondere der Einsatz zur linkventrikulären Stimulation im Rahmen der
Resynchronisationstherapie sinnvoll.The
described induction pacemaker technology can also be used in combination
with the conventional
Pacemaker technology are used. In this context
is in particular the use for left ventricular stimulation in the context of
Resynchronization therapy makes sense.
Einzelne
Merkmale, Aspekte und Elemente der einzelnen Ausführungsformen
und -varianten können
auch beliebig miteinander kombiniert oder bei sonstigen Stimulationssystemen
oder Elektroneneinrichtungen eingesetzt werden.Separate
Features, aspects and elements of each embodiment
and variants can
also arbitrarily combined with each other or in other stimulation systems
or electron devices are used.