-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Nerven-
und Muskelreizung nach dem Prinzip der induktiven Magnetstimulation durch
pulsförmige Magnetfelder. Weiterhin betrifft die Erfindung
elektrische Leistungskreise zur Erzeugung verbesserter Zeitverläufe
pulsförmiger Magnetfelder zur Nervenreizung.
-
Allgemein
können durch von außen einwirkende elektrische
Felder im Körpergewebe bestimmte Zellen gereizt werden.
Dies geschieht dadurch, dass die elektrischen Felder im Gewebe elektrische Ströme
verursachen, welche wiederum in diesen Zellen, beispielsweise in
Nerven- oder Muskelzellen Aktionspotentiale auslösen. Insbesondere
kann für diese Art der Reizung auch das Prinzip der magnetischen
Induktion eingesetzt werden. Dabei erzeugt ein zeitlich veränderliches
magnetisches Feld ein induziertes elektrisches Feld. Das zeitlich
veränderliche Magnetfeld kann durch eine Spule erzeugt
werden, welche von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflossen
wird. Diese Spule, die Behandlungsspule liegt beispielsweise auf
der Haut über dem zu reizenden Nervengewebe auf, so dass
das erzeugte Magnetfeld das Gewebe durchdringen kann und nach dem
Induktionsprinzip die für die Reizung erforderlichen Ströme
im Gewebe erzeugt. Die Reizung durch diese sogenannte induktive
Magnetstimulation kann dabei berührungslos erfolgen, da
das Magnetfeld Körpergewebe ungehindert durchdringen kann. Die
zeitabhängigen Magnetfelder werden über kurze Strompulse
einer Dauer von üblicherweise 50–400 Mikrosekunden
erzeugt.
-
1 zeigt
eine typische Anordnung des Einsatzes der induktiven Magnetstimulation.
Die Pulsquelle 110 erzeugt einen kurzen starken Strompuls
und leitet diesen an die Behandlungsspule 120. Die Behandlungsspule 120 wird
nahe des zur reizenden Nervengewebes des Körpers positioniert,
so dass das erzeugte Magnetfeld diese Gewebestruktur durchdringen
kann. Das von der Spule erzeugte magnetische Feld induziert im Körpergewebe,
hier am Oberarm 130 ein elektrisches Feld, welches über
die entstehenden Ströme Nerven- und Muskelgewebe reizt.
-
2 zeigt
den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines induktiven Stimulationsgerätes,
wie er in den ersten Geräten insbesondere zur kontaktlosen Reizung
von kortikalen Nervenstrukturen durch den intakten Schädelknochen
verwendet wurde. Die Schaltung nutzt hierzu einen leistungsstarken
gedämpften elektrischen Schwingkreis (Resonator) bestehend
aus einem Kondensator 220, einem Dämpfungswiderstand 230,
einer Diode 240, einem Thyristor 250 und der Behandlungsspule 260.
Die Ladeschaltung 210 lädt den Kondensator 220 auf
eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Energieinhalt des
Kondensators beträgt dabei einige 100 Joule. Der Thyristor 250 dient
als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit
der magnetischen Behandlungsspule 260 verbindet und so
den Stromfluß in der Spule beginnen läßt.
-
3 zeigt
den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Behandlungsspule
entsprechend der Schaltung von 2. Nach
dem Zünden des Thyristors entsteht ein zunächst
sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend
mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Dieses magnetische
Feld induziert wiederum infolge seiner zeitlichen Änderung
Ringströme im Körpergewebe. Bei Erreichen des
Strom-Scheitelwertes hat die phasenversetzte Spulenspannung genau
ihren ersten Nulldurchgang. Da ab diesem Zeitpunkt die Spulenspannung
ihr Vorzeichen umkehrt, wird nun die Dämpfungsschaltung,
bestehend aus dem Widerstand 230 und der Diode 240 aktiv,
welche ein Weiterschwingen des Schwingkreises unterbindet. Daher
sinkt der Spulenstrom nach Erreichen seines Scheitelwertes langsam
wieder auf Null zurück. Die typische Zeitdauer zwischen
der Thyristorzündung und dem Erreichen des Stromscheitelwertes
liegt bei ca. 50 bis 150 Mikrosekunden. Durch diese Dämpfungsschaltung wird
allerdings die gesamte Pulsenergie des Kondensators im Widerstand 230 und
in den Spulenleitern der Behandlungsspule in Wärme umgewandelt.
-
Diese
bei den ersten Geräten eingesetzte Dämpfungsschaltung,
welche die Schwingung ab der ersten abfallenden Stromflanke (nach
einem Viertel der Periodendauer) abdämpft, charakterisiert
die sogenannte monophasische Stimulation, da der Spulenstrom während
des Pulses nur in eine Richtung fließt, also sein Vorzeichen
nicht wechselt.
-
Vorteile
der induktiven Magnetstimulation sind einerseits die Berührungslosigkeit,
da das Magnetfeld der Behandlungsspule Körpergewebe auch
in einem gewissen Abstand zur Spule erreicht. Daher können
Nervenzellen auch steril gereizt werden. Andererseits ist das Verfahren
im Gegensatz zur elektrischen Stimulation über Elektroden
nahezu völlig schmerzfrei, da anders als bei der Elektrostimulation keine
hohen Stromdichten an Einspeiseorten von Elektroden entstehen können.
Aus diesen Gründen eignet sich dieses Verfahren auch besonders
gut zur Reizung tief liegender Gewebestrukturen (z. B. die Gehirnrinde
durch den Schädelknochen hindurch) und zur schmerzfreien
Muskelstimulation z. B. im Bereich der Rehabilitation.
-
Allerdings
hat bei der induktiven Magnetstimulation dieser Umweg über
das Magnetfeld der Behandlungsspule auch wichtige technische Probleme zur
Folge:
Die erforderlichen magnetischen Flussdichten liegen im
Bereich von ca. 1 Tesla, so dass hohe Feldenergien in die Spule
geleitet werden müssen. Daher muss während des
sehr kurzen magnetischen Stimulationspulses eine extrem hohe elektrische
Leistung in die Spule hineingeführt werden; diese Leistung
kann Werte von mehreren Megawatt erreichen. Da weiterhin die Pulsenergie
des magnetischen Feldes bei den ersten Geräten bei jedem
Puls komplett verloren geht, weisen diese Geräte einen
sehr hohen Energieverbrauch auf. Weiterhin überhitzt die
Behandlungsspule bei dieser Gerätetechnik sehr schnell,
wobei hier zusätzlich beachtet werden muss, dass die Spulen
als Behandlungteil, welches den Körper direkt berühren
kann, keinesfalls zu hohe Temperaturen erreichen darf.
-
Ein
weiterer Nachteil liegt darin, dass der zeitliche Verlauf des im
Gewebe induzierten und zur Reizung eingesetzten Stromes im Gegensatz
zur Elektrostimulation nicht mehr frei wählbar ist. Im
Körpergewebe wird entsprechend dem Prinzip der magnetischen
Induktion nur dann ein elektrisches Feld induziert, wenn sich der
Spulenstrom und damit das magnetische Feld zeitlich verändert.
Insbesondere können keine effizienten einfachen monophasischen Rechteckpulse
mit kurzzeitigem Gleichanteil erzeugt werden, wie sie bei der Elektrostimulation
eingesetzt werden. Statt dessen ist man grundsätzlich auf
zeitlich veränderliche Spulenströme und damit
auch auf zeitlich veränderliche induzierte Gewebeströme
festgelegt.
-
Daher
erwiesen sich der hohe Energieverbrauch und die damit verbundene
schnelle Erwärmung von Gerät und Behandlungsspule
bei der induktiven Magnetstimulation als die wichtigsten technischen
Probleme. Insbesondere sind diese ersten Geräte nicht für
die sogenannte repetitive Stimulation geeignet, bei der 10 bis 50
Pulse pro Sekunde erforderlich sind. Diese repetitive Stimulation
wird beispielsweise in der Neurorehabilitation zum Wiedererlernen
von Bewegungsmustern oder zum Muskelaufbau eingesetzt. Weiterhin
erschweren aber auch die Größe der Geräte
und ihr hoher Preis das Erschließen weiterer Einsatzgebiete
in der Neurodiagnostik und der Neurorehabilitation.
-
Daher
besteht das wichtigste Entwicklungsziel bei den Geräten
zur induktiven Magnetstimulation in der Reduktion des Energieverbrauches.
Durch experimentelle Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass
auch ein ungedämpfter sinusförmiger Zeitverlauf
des Spulenstromes und damit auch des magnetischen Feldes bei gleicher
Amplitude etwa eine gleichwertige Wirkung hinsichtlich der Nervenreizung zeigt,
wie der Stromverlauf von 3.
-
4 zeigt
den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines Stimulationsgerätes,
welches sinusförmige Strom- bzw. Feldpulse erzeugt. Auch
hier lädt die Ladeschaltung 210 den Kondensator 220 auf
eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Thyristor 410 dient
wieder als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit
der magnetischen Behandlungsspule 260 verbindet. Im Gegensatz
zur monophasischen Stimulatorschaltung von 2 wird bei dieser
Schaltung jedoch keine Dämpfungsschaltung eingesetzt, so
dass auch nach dem ersten Nulldurchgang der Spulenspannung der Schwingkreis
weiterschwingt.
-
5 zeigt
den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Behandlungsspule
entsprechend der Schaltung von 4. Nach
dem Zünden des Thyristors entsteht ein sinusförmig
ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes
Magnetfeld erzeugt. Nach einer halben Sinusschwingung, zum Zeitpunkt
T/2 wechselt der Strom im Schwingkreis seine Polarität.
Zu diesem Zeitpunkt übernimmt die Diode 420 die
Leitung des Spulenstromes bis eine volle Sinusschwingung zum Zeitpunkt
T erreicht wird. Eine erneute Umkehr der Stromrichtung und damit
ein Weiterschwingen wird unterbunden, da der Thyristor 410 zu
diesem Zeitpunkt T nicht mehr leitet. Wegen der Umkehr der Stromrichtung
während eines Pulses zum Zeitpunkt T/2 wird diese Art der
Stimulation allgemein als biphasische Magnetstimulation bezeichnet.
-
Der
Vorteil dieses Schaltungsprinzips gemäß 4 besteht
darin, dass ein großer Teil der für die Behandlungsspule 260 aufgewendeten
Feldenergie wieder in den Kondensator 220 zurückgeführt
werden kann und so die Verluste sowohl in der Pulsquelle als auch
in der Behandlungsspule 260 reduziert werden. Die Verluste
der Schaltung nach 4 ergeben sich hauptsächlich über
die ohmschen Widerstände der beteiligten Schaltungskomponenten
und ihrer Verbindungskabel.
-
Da
die für eine erfolgreiche Reizung erforderliche Stromamplitude
jedoch gegenüber den Geräten mit monophasischer
Pulsform etwa unverändert ist, bleiben auch die nötige
Spannung und der Energieinhalt des Kondensators 220 nahezu
gleich, wie bei monophasischen Geräten.
-
Die
bevorzugte Verwendung eines elektrischen Schwingkreises zur Erzeugung
der Strompulse für die Behandlungsspule anstelle einer
direkten Steuerung (z. B. über Längsregelung)
des Spulenstromes aus einer Leistungsquelle erklärt sich über die
enorme Leistung, die während eines Magnetpulses benötigt
wird. Diese Leistung liegt im Megawattbereich. D. h. es werden Spulenspannungen
von bis zu drei Kilovolt und Spulenströme von bis zu acht
Kiloampere für die Reizung benötigt. Das Prinzip
zur Erzeugung leistungsstarker Pulse für die Behandlungsspule
beruht somit auf einer kontinuierlichen Ladung des Schwingkreis-Kondensators über
eine Ladevorrichtung bei relativ geringer Leistung und der schnellen
Abgabe des Energieinhalts dieses Kondensators an die Behandlungsspule
zur Erzeugung des kurzen starken Magnetfeld-Pulses.
-
6 stellt
eine weitere Entwicklung der Schaltkreise von induktiven Magnetstimulatoren
dar. Auch hier lädt die Ladeschaltung 210 den
Kondensator 220 auf eine Spannung von mehreren tausend Volt
auf. Der Thyristor 610 dient wieder als Schalter, der beim
Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischen
Behandlungsspule 260 verbindet.
-
7 zeigt
den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Behandlungsspule
entsprechend der Schaltung von 6. Nach
dem Zünden des Thyristors 610 entsteht ein sinusförmig
ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes
Magnetfeld erzeugt. Nach einer halben Sinusschwingung, zum Zeitpunkt
T/2 erreicht der Strom im Schwingkreis seine erste Nullstelle. Falls
zu diesem Zeitpunkt der zweite Thyristor, 620 nicht gezündet
wird, ist eine Umkehr der Stromrichtung nicht möglich,
so dass ein Weiterschwingen bereits nach einer Halbwelle unterbunden
wird. Eine Zündung des Thyristors 620 zu einem
späteren Zeitpunkt erzeugt in der Behandlungsspule einen
weiteren Halbwellenpuls mit umgekehrter Strom- und Magnetfeldrichtung.
Alternativ kann aber auch direkt bei Erreichen der ersten Strom-Nullstelle
der zweite Thyristor, 620 gezündet werden, so
dass eine volle Sinusschwingung, ähnlich wie bei 5 entsteht.
In jedem Fall wird aber auch bei dieser Schaltung die Feldenergie der
Spule zu einem großen Teil wieder in den Kondensator zurückgeführt.
-
Je
nach Wahl des Endzeitpunktes des Pulses unterscheidet man daher
bezüglich der Pulsformen der induktiven Stimulationsgeräte
zwischen einer biphasischen Vollwellen-Stimulation (Dauer des Strompulses
eine volle Sinusperiode) und einer biphasischen Halbwellen-Stimulation.
Nachteilig bei der biphasischen Halbwellen-Stimulation ist allerdings,
dass nach dem Puls die Spannungsrichtung im Kondensator gegenüber
dem Zustand vor der Pulsabgabe invertiert ist, wodurch die entsprechende Ladeschaltung aufwändiger
wird. Weiterhin wechselt bei der biphasischen Halbwellenstimulation
auch die Richtung des magnetischen Feldes, so dass aufeinanderfolgende
Pulse leicht unterschiedliche Wirkungen im Gewebe erzeugen.
-
Die
Energierückgewinnung entsprechend den Schaltungen von 4 und 6 ermöglichen eine
Reduktion der aufgewendeten Leistung und damit auch den Bau von
repetitiven induktiven Stimulationsgeräten, welche bis
zu 100 Pulse pro Sekunde abgeben können. Allerdings ist
speziell für diesen repetitiven Betrieb der Energieverbrauch
und die Spulenerwärmung immer noch erheblich. Insbesondere die
Spulenerwärmung begründet sich durch die sehr hohen
notwendigen Spulenströme im Kiloampere-Bereich und dem
aus Gewichtsgründen nicht beliebig reduzierbaren Widerstand
der Behandlungsspule.
-
Eine
weitere Reduktion des Energieverbrauchs und der Spulenerwärmung
kann daher alleine durch diese Energierückgewinnung kaum
mehr erreicht werden. Im Gegensatz zur Elektrostimulation, bei der
die Zusammenhänge zwischen Pulsform und Reizwirkung bereits
relativ früh experimentell erforscht wurden, fanden fundierte
Untersuchungen zu effektiveren Pulsformen im Bereich der induktiven Magnetstimulation
kaum statt. Dies liegt hauptsächlich darin begründet,
dass infolge der hohen erforderlichen elektrischen Leistungen für
jede Änderung eines Reizparameters eine aufwändige
Modifikation der Pulserzeugungs-Schaltung erforderlich ist. Daher wurden
für solche Untersuchungen und Optimierungen bisher nur
einfach zu veränderte Parameter, wie die Pulsdauer oder
die Stromamplitude variiert.
-
Daher
stellen noch immer diese drei Wellentypen, die gedämpften
monophasischen Pulse, die biphasische Halbwellen-Pulse und die biphasischen Vollwellen-Pulse
die einzigen Pulsformen dar, die bei der kommerziellen induktiven
Magnetstimulationsgeräten in Therapie und Forschung eingesetzt
werden.
-
Zeitweise
Versuche mit anderen Pulsformen, wie in Peterchev et al. 2008 mit
einer Rechteckform (A. V. Peterchev, R. Jalinous, and S.
H. Lisanby: A Transcranial Magnetic Stimulator Inducing Near-Rectangular
Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS), IEEE Transactions on
Biomedical Engineering, vol. 55, no. 1, 2008) sind entweder
energetisch sehr ineffektiv, oder sie führen zu äußerst
aufwändigen technischen Aufbauten und sind somit zu kostspielig
für eine kommerzielle technische Realisierung.
-
Infolge
der beschriebenen Vorteile – insbesondere die Berührungslosigkeit
und die Schmerzfreiheit – konnte sich die induktive Magnetstimulation gegenüber
der Elektrostimulation bereits in einigen Bereichen durchsetzen
oder sogar neue Anwendungsgebiete erschließen.
-
Sehr
verbreitet ist das Verfahren zur neuronalen Diagnostik sowohl im
zentralen als auch dem peripheren Nervensystem.
-
Momentan
handelt es sich um das einzige nicht-invasive Verfahren, mit dem
ohne Schmerzen des Patienten beispielsweise bestimmte Gehirnbereiche
gezielt in der Weise angesprochen werden können, (d. h.
Auslösen von Nervenaktionspotentialen oder unterschwellige
Beeinflussung von Nervenzellen in diesen Bereichen), dass Reaktionen
der Nervenzellen vom Körper genauso oder zumindest sehr ähnlich
wie natürlich entstandene Nervenimpulse verarbeitet werden.
-
In
der Grundlagenforschung wird die induktive Magnetstimulation aus
diesem Grund ebenfalls als Instrument zur gemeinsamen Untersuchung
zusammen mit der funktionellen Magnetresonanztomographie eingesetzt. Über
Pulse ist eine gezielte Anregung (und Hemmung) bestimmter Hirnareale
erzeugbar, deren Auswirkungen wiederum mit diesem Bildgebungsverfahren
untersucht werden kann.
-
Weiterhin
stellen insbesondere Anwendungen in der Neurorehabilitation ein
großes Einsatzgebiet der induktiven Magnetstimulation dar.
Dabei werden vor allem periphere motorische Nerven für
den Muskelaufbau und/oder das Wiedererlernen bestimmter Bewegungsmuster
aktiviert und trainiert. Hierbei ist besonders die repetitive Dauerstimulation mit
schnellen Pulsfolgen (ca. 10 bis 50 Pulse pro Sekunde) von großer
Bedeutung; jedoch treten bei dieser Art der Nervenreizung die beschriebenen
Leistungs- und Energieprobleme bisheriger Geräte noch deutlicher
hervor.
-
Darüber
hinaus werden in der Sportmedizin die Geräte inzwischen
bereits sehr häufig zum Muskelaufbau nach Verletzungen
oder zur Nutzung des gewöhnlichen Trainingseffektes eingesetzt
(insbesondere auch bei vielen Spitzensportlern). Die über die
induktive Magnetstimulation am Muskel erzielbare Kraftwirkung zeigte
sich jedoch bislang aus rein technisch-physikalischen Gründen
noch nicht mit der willentlich erreichbaren Kraft vergleichbar.
-
Bei
allen genannten Anwendungen besteht der Nachteil der induktiven
Magnetstimulation im hohen Energieverbrauch, der sehr schnellen Überhitzung
der Behandlungsspule und dem hohen Gewicht der Lade- und Pulserzeugungselektronik.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung verbesserter
magnetischer Pulse zur Nervenreizung bereitzustellen, mit dessen
Hilfe die genannten Nachteile vermieden werden.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von
Magnetfeldpulsen mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einer verbesserten
Anpassung des Zeitverlaufes der im Gewebe induzierten Ströme
an die dynamischen Ladungstransportphänomene der Nervenfasern
die benötigte Feldstärke und Feldenergie zur induktiven
Reizung reduziert werden kann. Insbesondere ist hierzu von der zugehörigen
Leistungselektronik der zeitliche Verlauf des kurzen Magnetfeldpulses
den die Behandlungsspule erzeugt, gegenüber bisherigen
Systemen in der Weise zu verändern, dass sich die mittlere
Flankensteilheit ansteigender Flanken des induzierten elektrischen
Feldes von der mittleren Flankensteilheit abfallender Flanken unterscheidet.
-
Mit
anderen Worten sollen die von der Leistungselektronik erfindungsgemäß produzierten
magnetischen Stimulationspulse nicht mehr einen sinusförmigen
oder gedämpft sinusförmigen Verlauf aufweisen,
sondern so beschaffen sein, dass das von der Spule induzierte elektrische
Feld entweder deutlich schneller ansteigt, als es abfällt
oder deutlich langsamer ansteigt, als es abfällt. Der Verlauf
des von der Behandlungsspule induzierten elektrischen Feldes folgt
etwa dem zeitlichen Verlauf der Spulenspannung. Entsprechend können
die genannten Zeitabhängigkeiten des Verlaufs des induzierten
elektrischen Feldes über einen entsprechenden Verlauf der Spulenspannung
erzielt werden.
-
Die
von der Behandlungsspule erzeugten Feldpulse können dabei
so ausgelegt sein, dass nur jeweils eine ansteigende und eine abfallende
Flanke der induzierten elektrischen Feldstärke erzeugt
werden oder dass sich innerhalb eines Pulses mehrere ansteigende
und abfallende Flanken der induzierten Feldstärke abwechseln,
wobei auch in diesem Fall sich jeweils die mittleren Flankensteilheiten
der ansteigenden Flanken von den mittleren Flankensteilheiten der
abfallenden Flanken deutlich unterscheiden. Weiterhin kann die zugehörige
Leistungselektronik so ausgelegt sein, dass jeweils beim Nulldurchgang
des Spulenstromes eine kurze Unterbrechung des Schwingungsvorgangs
stattfindet. In diesen Unterbrechungszeiten wird von der Spule kein
magnetisches Feld erzeugt.
-
Vorzugsweise
sollte die Leistungselektronik so ausgeführt werden, dass
die Leistungselektronik zusammen mit der Behandlungsspule ein resonantes System
aus einem oder mehreren Schwingkreisen darstellt. Auf diese Weise
kann die Feldenergie der Spule wieder in einen oder mehrere Kondensatoren zurückgeführt
werden. Durch eine entsprechende Kopplung mehrerer Schwingkreise
können Pulse erzeugt werden, welche sich aus einzelnen
Abschnitten von Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen.
Auf diese Weise können die Pulse so geformt werden, dass
sich die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke von der mittleren
Flankensteilheit der abfallenden Flanke deutlich unterscheidet.
Gleichzeitig kann auch bei solchen Pulsen, die nicht mehr sinusförmig
sind, energieeffizient die magnetische Feldenergie der Behandlungsspule
zu einem großen Teil wieder in einen oder mehrere Kondensatoren
der Leistungselektronik zurückgespeist werden.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung,
welche eine vergleichsweise geringe Feldenergie und Feldstärke
zur Reizung der Nerven benötigen. Mit dieser Reduktion
der Energie kann auch der eine oder mehrere für die Zwischenspeicherung
der Pulsenergie genutzten Kondensatoren hinsichtlich ihrer Baugrößen
reduziert werden.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung, welche
eine vergleichsweise geringere Kondensator- und Spulenspannung für
die Reizung der Nerven benötigt, so dass Isolationsabstände
verkleinert und notwendige Sicherheitsmaßnahmen vereinfacht
werden können.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung, welche
einen vergleichsweise geringen Spulenstrom für die Reizauslösung
benötigt. Auf diese Weise können einerseits die
Stromwärme-Verluste in der Behandlungsspule und im Zuführungskabel
reduziert werden, andererseits können im zur Pulserzeugung verwendeten
Leistungskreis elektronische Leistungsbauteile von vergleichsweise
geringerer Stromtragfähigkeit und entsprechend geringerer
Baugröße eingesetzt werden.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur induktiven Nervenreizung, welche
sich auf Grund ihres vergleichsweise geringen Energieverbrauchs
vor allem für die repetitive Stimulation mit Pulswiederholraten
von 10 bis 1000 Pulsen pro Sekunde eignet. Gleichzeitig können
die Geräte zur erfindungsgemäßen Pulserzeugung
vergleichsweise klein, leicht und damit tragbar gemacht werden.
-
Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur effizienten Erzeugung
von nicht-sinusförmigen Zeitverläufen der Magnetfeldpulse
bei gleichzeitig hoher Leistung und geringen Verlusten. Insbesondere
kann die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke der Spulenspannung gegenüber
der mittleren Flankensteilheit der abfallenden Flanke und damit
auch diese Flanken der im Gewebe induzierten Spannungen und Ströme
im Gewebe unabhängig voneinander gesteuert werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
voranstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung in
Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher,
wobei:
-
1 eine
Pulsquelle, die über ein Kabel angekoppelte Behandlungsspule
und die zu reizende Gewebsstruktur (menschlicher Oberarm) zeigt;
-
2 den
prinzipiellen Aufbau eines monophasischen Leistungskreises zeigt;
-
3 den
Spannungs- und Stromverlauf in der Spule eines monophasischen Stimulators
während eines Pulses zeigt;
-
4 den
prinzipiellen Aufbau eines Leistungskreises zur Erzeugung von Sinus-Vollwellen zeigt;
-
5 den
Spannungs- und Stromverlauf eines Vollwellen-Stimulators in der
Spule während eines Pulses zeigt;
-
6 den
prinzipiellen Aufbau eines Leistungskreises zur Erzeugung von Sinus-Halbwellen zeigt;
-
7 den
Spannungs- und Stromverlauf eines Halbwellen-Stimulators in der
Spule während eines Pulses zeigt;
-
8 beispielhaft
den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und
der Spulenspannung zeigt, der sich aus zwei aneinandergereihte Sinus-Halbwellen
unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt;
-
9 die
Veränderung der Auslöseschwelle für eine
Nervenfaser in Abhängigkeit des Quotienten der Frequenzen
von zwei aneinandergereihten Halbwellen unterschiedlicher Frequenz
gemäß 8 zeigt;
-
10 beispielhaft
einen Leistungskreis gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
11 beispielhaft
den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und
der Spulenspannung UL entsprechend der ersten
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
-
12 beispielhaft
einen Leistungskreis gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
13 beispielhaft
den Zeitverlauf des Spulenstromes IL2 und
der Spulenspannung UL entsprechend der zweiten
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
-
14 beispielhaft
einen Leistungskreis gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
15 beispielhaft
den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und
der Spulenspannung UL entsprechend der dritten
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
-
16 beispielhaft
einen Leistungskreis gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
17 beispielhaft
den Zeitverlauf des Spulenstromes ILn und
der Spulenspannung UL entsprechend der vierten
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
-
18 beispielhaft
einen Leistungskreis gemäß einer fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
19 beispielhaft
einen Leistungskreis gemäß einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
-
20 beispielhaft
den Zeitverlauf des Spulenstromes IL und
der Spulenspannung UL entsprechend der sechsten
Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
In
den Zeichnungen sollen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, Bauteile
und Anordnungen bezeichnen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Stärke
und die Energie des zur Nervenreizung benötigten Magnetfeldpulses
deutlich reduzieren lässt, wenn der zeitliche Stromverlauf
dem dynamischen Verhalten der Ionentransportvorgänge in der
Nervenzellmembran angepasst wird. Insbesondere kann dies erreicht
werden, wenn die zugehörige Leistungselektronik zur Pulserzeugung
den zeitlichen Verlauf des kurzen Magnetfeldpulses, den die Behandlungsspule
erzeugt, gegenüber bisherigen Systemen in der Weise verändert,
dass sich die mittlere Flankensteilheit der ansteigenden Flanke
des induzierten elektrischen Feldes sich deutlich von der mittleren
Flankensteilheit der abfallenden Flanke unterscheidet. Dies wiederum
wird erreicht, wenn der von der Leistungselektronik erzeugte zeitliche
Verlauf der Spulenspannung so beschaffen ist, dass sich die mittlere
Flankensteilheit ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheit
abfallender Flanken deutlich unterscheidet.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik Pulse erzeugen
kann, die während eines einzelnen Pulses mehrere Spannungsnulldurchgänge
und damit auch mehrere ansteigende und abfallende Flanken des zeitlichen
Verlaufs der induzierten elektrischen Feldstärke aufweisen
und dabei sich ebenfalls wieder die jeweiligen mittlere Flankensteilheiten
ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheiten abfallender
Flanken deutlich unterscheiden.
-
Weiterhin
kann die zugehörige Leistungselektronik so ausgelegt sein,
dass während eines Pulses bei mindestens einem Nulldurchgang
des Spulenstromes eine kurze Unterbrechung des Schwingungsvorgangs
stattfindet. In diesen Unterbrechungszeiten wird von der Spule kein
magnetisches Feld erzeugt.
-
Die
Erkenntnis bezüglich der notwendigen zeitlichen Verlaufsformen
des Feldes basiert auf einer mathematischen Modellierung der Nervenzellen, wie
sie erstmalig von Hodgkin und Huxley aufgestellt wurden (A.
L. Hodgkin, A. F. Huxley: A Quantitative Description of Membrane
Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve.
Journal of Physiology. 117, 1952, S. 500–544).
Das Modell basiert auf einem Satz nichtlinearer Differentialgleichungen
und simuliert das Verhalten von Nervenzellen, insbesondere das Verhalten
von Axonen. Mit diesem Modell kann beispielsweise die Reaktion eines Axons
auf von außen einwirkende elektrische Ströme modelliert
werden. Daher können hiermit die erforderlichen Reizströme
bei verschiedenen Pulsformen rechnerisch bestimmt werden, die erforderlich
sind, um ein Aktionspotential in der Nervenzelle auszulösen.
-
Das
Modell bezieht dabei das dynamische, nichtlineare Verhalten beispielsweise
der Natrium- und Kalium-Ionenkanäle der Zellmembran in
die Simulation mit ein. Derartige Modelle beschreiben das zeitliche
Verhalten von Neuronen mit nichtlinearen Termen hoher Ordnung. Eine
direkte Invertierung der Gleichungen ist daher im Allgemeinen nicht
möglich. Optimierungen müssen somit über
geschickte Abschätzungen mit anschließender quantitativer
Bestätigung im Vorwärtsmodell erfolgen. Speziell
in Bezug auf die Natrium-Ionenkanäle kann aus dem Modell gefolgert
werden, dass sowohl ein bahnender Mechanismus existiert, welcher
die Auslösung eines Aktionspotentials begünstigt,
als auch hemmender Mechanismus, welcher eine Auslösung
eher unterdrückt. Diese beiden Mechanismen weisen ein stark unterschiedliches
Zeitverhalten auf, was man sich für die Optimierung von
energetisch besonders effektiven Reizen zunutze machen kann. Insbesondere kann
aus der mathematischen Betrachtung dieser Mechanismen gefolgert
werden, dass sich die Amplitude des für eine Reizung erforderlichen
Strompulses senken lässt, wenn die mittlere Flankensteilheit
der ansteigenden Flanke des zeitlichen Verlaufes des Reizstromes
deutlich höher ist, als die mittlere Flankensteilheit der
abfallenden Flanke, oder allgemeiner, wenn sich die mittlere Flankensteilheit
der ansteigenden Flanke von der mittleren Flankensteilheit der abfallenden
Flanke deutlich unterscheidet. Der Reizstrom im Gewebe folgt dabei
etwa dem Verlauf der von einer Stimulationsspule im Gewebe induzierten
elektrischen Feldstärke. Der Verlauf dieser induzierten
elektrischen Feldstärke wiederum folgt direkt dem Verlauf
der Spannung in der Behandlungsspule. Daher sollte sich für
eine Optimierung des Reizpulses die mittlere Flankensteilheit der
ansteigenden Flanke der Spulenspannung von der mittleren Flankensteilheit
der abfallenden Flanke deutlich unterscheiden. Weiterhin kann aus
dem Modell gefolgert werden, dass Reizpulse auch dann besonders
effizient sind, wenn sich mehrere ansteigende und abfallende Flanken
des zeitlichen Verlaufs der Spulenspannung in schneller Folge abwechseln,
wobei wiederum sich die jeweiligen mittleren Flankensteilheiten
der ansteigenden Flanken der Spulenspannung von den mittleren Flankensteilheiten
der abfallenden Flanken deutlich unterscheiden.
-
Eine
elektronische Schaltung gemäß der Erfindung, welche
Pulse mit den oben beschriebenen Eigenschaften erzeugt, benötigt
für die Behandlungsspule eine geringere magnetische Feldstärke
und damit auch eine geringere Feldenergie zur Reizauslösung
im Vergleich zu bisherigen Systemen für die induktive Magnetstimulation.
Entsprechend können damit auch der erforderliche Spulenstrom
und somit auch die Verluste der Spule, sowie ihre Erwärmung reduziert
werden. Durch die Verringerung der Feldenergie kann weiterhin auch
die zur Reizung benötigte Spulenspannung reduziert werden.
-
Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die Schaltung zur Erzeugung der optimierten
Spulenpulse gemäß der Erfindung Strompulse in
der Behandlungsspule erzeugt, welche sich aus zwei Sinus-Halbwellen
unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen, wobei die erste Halbwelle
mit von Null sinusförmig ansteigendem Strom (und damit
mit maximaler Spulenspannung) beginnt und der Übergang von
der ersten Halbwelle zur zweiten im Stromnulldurchgang erfolgt.
-
Eine
Sinuswelle ist dabei definiert als ein Zeitverlauf der jeweiligen
Größe in Form einer Sinusfunktion. Dabei kann
der Verlauf auch leicht gedämpft sein, d. h. die Amplitude
der Welle nimmt mit zunehmender Zeit leicht ab. Weiterhin ist eine
Sinus-Vollwelle dabei definiert als ein Zeitverlauf der jeweiligen Größe
in Form einer Sinusfunktion über eine volle Periode, also
sin(x) für 0 ≤ x ≤ 2π. Entsprechend
ist eine Sinus-Halbwelle dabei definiert als ein Zeitverlauf der
jeweiligen Größe in Form einer Sinusfunktion über
eine halbe Periode, also sin(x) für 0 ≤ x ≤ π.
-
Alternativ
ist es auch vorteilhaft, wenn die Schaltung Strompulse in der Behandlungsspule
erzeugt, die sich aus mehreren Abschnitten von Sinuswellen mit jeweils
unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen, so dass sich die jeweiligen
mittleren Flankensteilheiten ansteigender Flanken der Spulenspannung
von den mittleren Flankensteilheiten abfallender Flanken deutlich
unterscheiden.
-
Weiterhin
ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Schaltung Strompulse in der
Behandlungsspule erzeugt, die sich aus zwei oder mehreren aneinandergereihten
Sinus-Halbwellen mit gleicher Polarität zusammensetzen,
da sich auch hier mittlere Flankensteilheiten der ansteigenden Flanken
der Spulenspannung ergeben, die sich von den mittleren Flankensteilheiten
der abfallenden Flanken deutlich unterscheiden.
-
8 zeigt
beispielhaft einen Zeitverlauf des Spulenstromes IL und
der Spulenspannung UL, die sich aus zwei
sinusförmigen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen.
Die im Gewebe induzierte elektrische Feldstärke und der
resultierende Strom folgen etwa dem Verlauf der Spulenspannung UL.
-
9 zeigt
das Ergebnis einer rechnerischen Simulation, bei der die für
eine Reizung erforderliche Stromamplitude für verschiedene
Pulsformen untersucht wurde. Für diese Simulation wurde die
Pulsdauer, also die Gesamtzeit für die beiden aneinandergereihten
Sinus-Halbwellen, wie sie in 8 dargestellt
sind, konstant gehalten. In den Berechnungen wurde der Quotient,
bestehend aus der Dauer der ersten Halbwelle durch die Dauer der zweiten
Halbwelle, variiert. Bestimmt wurde dann in Abhängigkeit
dieses Quotienten der relative Schwellenstrom, der gerade für
eine Depolarisation, d. h. für die Auslösung eines
Aktionspotenials in der Nervenfaser (Axon) erforderlich ist. Diese
Stromamplitude bezeichnet man auch als Auslöseschwelle.
Da bei diesen Pulsen der maximale induzierte Gewebestrom direkt
proportional zum maximalen Spulenstrom und zur maximalen Kondensatorspannung
ist, stellt eine Veränderung dieser Auslöseschwelle
einen entscheidenden Wert für die Effektivität
der induktiven Reizgeräte dar. Die Skalierung der Auslöseschwelle
ist in 9 so normiert, dass sie für eine reine
Sinus-Vollwelle – wie sie bisher bei kommerziellen Geräten
verwendet wird – den Wert eins erreicht. Aus 9 ist
ersichtlich, dass gegenüber einer reinen Sinus-Vollwelle,
der erforderliche Gewebestrom (und damit auch der Spulenstrom und
die Kondensatorspannung) mit zunehmendem Quotienten absinkt. Wenn
beispielsweise die Dauer der ersten Halbwelle viermal so groß ist,
wie die zweite Halbwelle (Quotient = 4), sinkt die für
eine Reizung erforderliche Spulenstromstärke auf weniger
als 50% des Wertes, der bei sinusförmiger Anregung benötigt
wird. Durch den quadratischen Zusammenhang zwischen Spulenstrom
und Feldenergie, kann die erforderliche Pulsenergie durch diese
verbesserte Pulsform sogar auf weniger als 25% abgesenkt werden.
Da auch die ohmschen Stromwärme-Verluste des Schwingkreises
quadratisch von der Stromstärke abhängen, können
auch die Verluste und die Spulenerwärmung in diesem Beispiel
auf weniger als 25% reduziert werden. Umgekehrt wird bei einer Verkleinerung
dieses Quotienten die Reizschwelle gegenüber einer Reizung
mit Sinus-Vollwellen erhöht.
-
Durch
Anwendung von Pulsen, die sich aus mehr als zwei aneinandergereihter
Halbwellen mit den in 8 gezeigten Stromverläufen
zusammensetzen, ist eine weitere Effektivitätssteigerung
gegenüber der hier dargestellten Einzelwelle möglich.
-
Diese
Anwendung von Pulsen mit den beschriebenen Verlaufsformen kann als
ein Verfahren zur Reizung von Nerven- und Muskelzellen eingesetzt
werden. Insbesondere kann ein Verfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung auch zu nicht-therapeutischen Zwecken verwendet
werden. Beispielsweise kann ein solches Verfahren für den
gezielten Muskelaufbau oder die Darstellung funktionaler Zusammenhänge
des neuromotorischen Systems bei Menschen und Tieren eingesetzt
werden.
-
Die
Dauer der magnetischen Feldpulse liegen etwa im Bereich von 20 bis
3000 Mikrosekunden; vorzugsweise sollte die Dauer im Bereich von
100 bis 500 Mikrosekunden liegen.
-
Die
Stärke der magnetischen Feldpulse sollte an der Spulenoberfläche
im Bereich einer Flußdichte von 0,1 bis 5 Tesla liegen.
Vorzugsweise sollte die magnetische Flußdichte im Bereich
von 0,3 bis 1 Tesla liegen.
-
Über
den Abstand der Spule zum zu reizenden Körpergewebe, über
die Stromstärke in der Spule und über die mittlere
Flankensteilheit des Spulenstromes kann die induzierte elektrische
Feldstärke und damit der elektrische Reizstrom im Gewebe
gesteuert werden. Dieser elektrische Reizstrom im Gewebe sollte
mindestens bei einem Zehntel und maximal beim fünffachen
der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme
liegen. Vorzugsweise sollte der Reizstrom mindestens bei der Hälfte
und maximal beim Doppelten der für eine Reizung der Zellen benötigten
Reizströme liegen.
-
Um
zusätzlich das energieeffiziente Prinzip resonanter Schwingkreise
mit der Behandlungsspule als Induktivität verwenden zu
können, ist es zur Realisierung solcher Pulsformen vorteilhaft,
mehrere elektrische Schwingkreise in der Weise direkt zu koppeln,
dass diese abwechselnd den Zeitverlauf des Stromes und der Spannung
in der Behandlungsspule bestimmen. Somit können Zeitverläufe
des Spulenstrompulses erzeugt werden, welche sich aus Teilen von
Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen. Gleichzeitig
kann durch Anwendung dieser Schwingkreise oder Schwingkreis-Elemente
auch erreicht werden, dass ein großer Teil der in der Spule
gespeicherten magnetischen Feldenergie wieder zurück in
den Kondensator gewonnen werden kann. In den beispielhaften Ausführungsformen
werden diese Zeitverläufe des Spulenstromes über
umschaltbare Kapazitäten und/oder umschaltbare Spulen realisiert,
wobei die Induktivität der Behandlungsspule unverändert
bleibt.
-
Diese
Schwingkreis-Elemente können daher entweder nacheinander
oder auch gleichzeitig den Stromverlauf im Leistungskreis und insbesondere
in der Behandlungsspule definieren.
-
Der
Einsatz solcher gekoppelter Schwingkreise kann damit durch das Erzeugen
und das direkte Hintereinanderreihen von Halbwellen unterschiedlicher
Dauer, auch im Gewebe einen zeitlichen Spannungsverlauf bzw. Stromverlauf
induzieren, bei dem sich die mittleren Flankensteilheiten der ansteigenden
Flanken von den mittleren Flankensteilheiten der abfallenden Flanken
deutlich unterscheiden Beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nunmehr mit weiteren Einzelheiten
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In der folgenden Beschreibung wird auf eine detaillierte Beschreibung
bekannter Funktionen und Ausbildungen, die hier vorgesehen sind,
verzichtet, um die Klarheit und die Kürze zu verbessern.
-
10 zeigt
eine erste Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung
von Pulsformen gemäß der 8. Diese
Schaltung basiert auf einer direkten Kopplung zweier Schwingkreise,
welche abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig den Zeitverlauf des
Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise
nutzen hierzu eine gemeinsame Spule 1010, nämlich
die Behandlungsspule, und verwenden aber jeweils eigene Kondensatoren 1030 und 1050 mit
unterschiedlicher Kapazität. Jeweils ein Kondensator 1030 bzw. 1050 bildet
mit einem zugehörigen Leistungsschalter 1020 bzw. 1040 eine
Kondensator-Schalter-Einheit. Die beiden Kondensator-Schalter-Einheiten
werden abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig so elektrisch
mit der Spule 1010 verbunden, dass ein Umschalten zwischen
den Kondensatoren vorzugsweise während des Nulldurchganges
des Spulenstromes erfolgt. Auf diese Weise kann ein Stromverlauf
an der Spule erzeugt werden, der sich aus zwei Sinus-Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz (oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz)
zusammensetzt. Alternativ können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle
beide Kondensatoren 1030 und 1050 mit der Spule 1010 verbunden
sind, und während der anderen Halbwelle nur einer der beiden
Kondensatoren 1030 oder 1050 mit der Spule 1010 verbunden
ist. In diesem Fall können auch Kondensatoren gleicher
Kapazität verwendet werden. Weiterhin kann auch zu einem
anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang
umgeschaltet werden. Die beiden Schalter 1020 und 1040 können
dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle
des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz
zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte
Halbwellen erzeugt werden.
-
11 zeigt
beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in
der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL,
wie er mit der Schaltung gemäß 10 erreicht
wird.
-
12 zeigt
eine zweite Ausführungsform, die ebenfalls auf der direkten
Kopplung zweier Schwingkreise basiert, welche abwechselnd oder zeitweise
auch gleichzeitig den Zeitverlauf des Spulenstromes und der Spulenspannung
bestimmen. Die Schwingkreise nutzen hierzu einen gemeinsamen Kondensator 1250,
und verwenden aber eigene Spulen 1210 und 1220 mit
unterschiedlicher Induktivität, wobei eine dieser Spulen
die Behandlungsspule ist. Die beiden Spulen-Schalter-Einheiten werden
abwechselnd so elektrisch mit dem Kondensator 1250 verbunden,
dass ein Umschalten von der ersten Spule zur zweiten Spule vorzugsweise
während des Nulldurchganges des Spulenstromes erfolgt.
Auf diese Weise kann ein Stromverlauf an der Spule erzeugt werden,
der sich aus zwei Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt.
Alternativ können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle
beide Spulen 1210 und 1220 mit der Kapazität
verbunden sind, und während der anderen Halbwelle nur eine
der beiden Spulen mit dem Kondensator verbunden ist. In diesem Fall
können auch Spulen gleicher Induktivität verwendet
werden. Weiterhin kann auch zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes
als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden. Die beiden Schalter 1230 und 1240 können dabei
entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle des Spulenstromes
(die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher Frequenz oder
aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher
Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt
aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden.
-
13 zeigt
beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in
der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL,
wie er mit der Schaltung gemäß 12 erreicht
wird.
-
14 zeigt
eine dritte Ausführungsform, welche auf der direkten Kopplung
mehrerer Schwingkreise basiert, welche abwechselnd den Zeitverlauf des
Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise
nutzen hierzu eine gemeinsame Spule 1410, nämlich
die Behandlungsspule und verwenden aber jeweils mehrere eigene Kondensatoren
(n Kondensatoren, mit n > 1,
von denen nur zwei, die Kondensatoren 1430 und 1450 dargestellt
sind), vorzugsweise mit unterschiedlicher Kapazität. Jeweils
ein Kondensator 1430 bzw. 1450 bildet mit einem
zugehörigen Leistungsschalter 1420 bzw. 1440 eine
von insgesamt n Kondensator-Schalter-Einheiten. Diese Kondensator-Schalter-Einheiten werden
abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig so elektrisch mit der
Spule 1410 verbunden, dass ein Umschalten von einem Kondensator
zu einem nächsten Kondensator vorzugsweise während
des Nulldurchgangs des Spulenstromes erfolgt. Auf diese Weise kann
ein Stromverlauf in der Behandlungsspule erzeugt werden, der sich
aus mehreren Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt.
Weiterhin können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle
eine erste Gruppe von Kondensatoren mit der Spule verbunden ist,
und während einer folgenden Halbwelle einer oder mehrere
Kondensatoren mit der Spule verbunden sind, so dass deren Gesamt-Kapazität
sich von der Gesamt-Kapazität der ersten Gruppe von Kondensatoren
unterscheidet. In diesem Fall können auch Kondensatoren
gleicher Kapazität verwendet werden. Weiterhin kann auch
zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang
umgeschaltet werden. Die Schalter 1420, 1440 können
dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle
des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher
Frequenz zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt
aneinandergereihte Halbwellen erzeugt werden.
-
15 zeigt
beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in
der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL,
wie er mit der Schaltung gemäß 14 erreicht
wird.
-
16 zeigt
eine vierte Ausführungsform, welche ebenfalls auf der direkten
Kopplung mehrerer Schwingkreise basiert, welche abwechselnd den Zeitverlauf
des Spulenstromes und der Spulenspannung bestimmen. Die Schwingkreise
nutzen hierzu einen gemeinsamen Kondensator 1650 und verwenden
aber mehrere Spulen (n Spulen, mit n > 1, von denen nur zwei, die Spulen 1610 und 1620 dargestellt
sind), vorzugsweise mit unterschiedlicher Induktivität,
wobei eine dieser Spulen die Behandlungsspule ist. Jeweils eine
Spule 1610 bzw. 1620 bildet mit einem zugehörigen
Leistungsschalter 1630 bzw. 1640 eine von insgesamt
n Spule-Schalter-Einheiten. Diese Spule-Schalter-Einheiten werden
abwechselnd oder zeitweise auch gleichzeitig so elektrisch mit dem
Kondensator 1650 verbunden, dass ein Umschalten von einer
Spule zur nächsten Spule vorzugsweise während
des Nulldurchganges des jeweiligen Spulenstromes erfolgt. Auf diese
Weise kann ein Stromverlauf in der Behandlungsspule erzeugt werden,
der sich aus mehreren Sinus-Halbwellen unterschiedlicher Frequenz
zusammensetzt. Alternativ können die Sinus-Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz auch so erzeugt werden, dass während einer Halbwelle
eine erste Gruppe von Spulen mit dem Kondensator verbunden ist,
und während einer anderen Halbwelle eine oder mehrere Spulen
mit dem Kondensator verbunden sind, so dass deren Gesamt-Induktivität
sich von der Gesamt-Induktivität der ersten Gruppe von
Spulen unterscheidet. In diesem Fall können auch Spulen
gleicher Induktivität verwendet werden. Weiterhin kann
auch zu einem anderen Zeitpunkt des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang
umgeschaltet werden. Die Schalter 1630, 1640 können
dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle
des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz
zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte
Halbwellen erzeugt werden.
-
17 zeigt
beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes ILn in
der n-ten Spule, der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL, wie er mit der Schaltung gemäß 16 erreicht
wird.
-
18 zeigt
eine fünfte Ausführungsform, welche auf einer
Kombination der dritten und vierten Ausführungsform basiert.
Die Schwingkreise nutzen m Kondensatoren und n Spulen, wobei m und
n ganze Zahlen größer eins sind. Insbesondere
wurden in der dargestellten Ausführungsform gemäß 18 zusätzlich
die Kondensatoren um weitere Schalter erweitert, so dass jeweils
die Strom- und Spannungsrichtung an den Kondensatoren umgeschaltet
werden kann. Alternativ kann diese Umschaltung auch an den Spulen
(von denen nur zwei, die Spulen 1810 und 1820 dargestellt
sind) erfolgen, wenn diese jeweils um entsprechend weitere Schalter
erweitert werden. Hierbei kann durch entsprechendes Zu- und Abschalten
von Kondensatoren (beispielsweise über die Kondensator-Schalter
Einheiten 1850, 1860) und/oder Spulen ein Zeitverlauf
des Stromes in der Behandlungsspule (z. B. Spule 1810)
gebildet werden, der sich aus mehreren Sinus-Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz zusammensetzt. Vorzugsweise erfolgt eine Umschaltung von
einer Spule zur nächsten, bzw. von einem Kondensator zum
nächsten, während des Nulldurchganges des jeweiligen
zu schaltenden Stromes. Alternativ kann auch zu anderen Zeitpunkten
des Stromverlaufes als dem Stromnulldurchgang umgeschaltet werden.
Die Schalter 1830, 1840, 1850 und 1860 können
dabei entweder so gesteuert werden, dass eine einzige Vollwelle
des Spulenstromes (die sich aus zwei einzelnen Halbwellen unterschiedlicher
Frequenz oder aus mehreren Abschnitten von Wellen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz
zusammensetzt) entsteht oder dass mehr als zwei direkt aneinandergereihte
Halbwellen erzeugt werden.
-
19 zeigt
eine sechste Ausführungsform, die einen Kondensator 1920 als
einen ersten Energiespeicher umfasst, der von einer externen Ladeschaltung 210 mit
Energie versorgt werden kann und eine Spule 1910, vorzugsweise
die Behandlungsspule als weiteren Energiespeicher, die über
eine spezielle Auslöseschaltung mit dem ersten Energiespeicher
verbunden ist. Die spezielle Auslöseschaltung besteht aus
vier schaltenden Elementen 1930, 1940, 1950 und 1960,
die einerseits die Entladung des ersten Energiespeichers in den
weiteren Energiespeicher einleiten, als auch wieder eine Rückladung
in den ersten Energiespeicher erlauben. Die Schalter werden vorzugsweise
paarweise geschaltet, so dass jeweils sich gegenüberliegende
Schalter geschlossen und die jeweils verbleibenden Schalter geöffnet sind.
Eine Umschaltung von einem Schalterpaar auf das andere erfolgt vorzugsweise
beim Nulldurchgang des Spulenstromes. Auf diese Weise kann bei zunächst
positiver Polarität der Kondensatorladung durch Schließen
der beiden Schalter 1930 und 1940 (bei geöffneten
Schaltern 1950 und 1960) eine Sinus-Halbwelle
mit positiver Stromrichtung durch die Spule erzeugt werden, bis
die magnetische Feldenergie der Spule wieder in den Kondensator 1920 zurückgespeist
ist, allerdings nun mit negativer Polarität. Anschließend
kann durch Schließen der beiden Schalter 1950 und 1960 (bei
geöffneten Schaltern 1930 und 1940) wiederum
eine Halbwelle mit ebenfalls positiver Stromrichtung durch die Spule
erzeugt werden. Durch abwechselndes Schalten der Schalterpaare 1930, 1940 und 1950, 1960 können
somit Pulse in der Spule erzeugt werden, die sich aus mehreren Stromhalbwellen
gleicher Polarität zusammensetzen. Damit erzeugt auch diese
Ausführungsform zeitliche Stromverläufe in der
Behandlungsspule in der Weise, dass sich ein Zeitverlauf der induzierten elektrischen
Feldstärke ergibt, bei dem sich die mittleren Flankensteilheiten
der ansteigenden Flanken von den mittleren Flankensteilheiten der
abfallenden Flanken deutlich unterscheidet. Von der Schaltung der
dritten Ausführungsform gelangt man zu dieser sechsten
Ausführungsform beispielsweise mit drei Kapazitäten
C1, C2 und C3, wobei für die Anfangsspannungen der Kapazitäten
gilt UC1 = UC3 = –UC2 und für die zweite Kapazität
eine Limes-Bildung C2 → 0 durchgeführt wird.
-
20 zeigt
beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes IL in
der Behandlungsspule und der Spulenspannung UL,
wie er mit der Schaltung gemäß 19 erreicht
wird.
-
Insbesondere
bei der fünften und sechsten Ausführungsform können
die Schalter weiterhin auch so gesteuert werden, dass der eine oder
die mehreren Kondensatoren jeweils nur in einer Polaritätsrichtung
der Spannung betrieben werden. Hierzu ist insbesondere während
der innerhalb der Pulse auftretenden Entladevorgänge des
jeweiligen Kondensators darauf zu achten, dass spätestens
bei völliger Entladung des Kondensators die Stromrichtung über die
Schalter umgekehrt wird, so dass die Kondensatorspannung nicht negative
Werte annimmt, sondern stattdessen wieder weiter auf positive Werte
ansteigt. Durch diese Maßnahme ist es möglich,
Elektrolytkondensatoren mit hoher Energiedichte in den Leistungskreisen
einzusetzen.
-
Bei
allen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, die entsprechenden
Kondensatoren nach jeder erzeugten Sinushalbwelle periodisch nachzuladen.
Dieses periodische Nachladen kann über ein weiteres elektrisch
angekoppeltes Schwingkreissystem bestehend aus mindestens einem
Schalter, mindestens einer weiteren Spule und mindestens einem weiteren
Kondensator erfolgen.
-
Die
Schalter können in allen beschriebenen Fällen
als Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Thyristoren, IGBTs oder
MOSFETs ausgeführt sein. Je nach Ausführungsform
können die Schalter zusätzlich eine gleichrichtende
Charakteristik aufweisen, so dass sie entweder rückwärtsleitend
oder rückwärtssperrend sind. Zusätzlich
können diese Schalter auch selbstaktivierend/-löschend
agieren, indem sie beispielsweise ihre Leitfähigkeit erhöhen, wenn
anliegende Strom- oder Spannungsverläufe bestimmte Eigenschaften
aufweisen. Darunter fällt beispielsweise die Polarität
oder auch ein schnelles Ansteigen der Spannung.
-
Weiterhin
können auch Anstelle der Schalter Leistungshalbleiter mit
steuerbarem elektrischen Widerstand, wie beispielsweise IGBTs oder
MOSFETs so eingesetzt werden, dass der Stromverlauf in der Behandlungsspule
zusätzlich über diesen steuerbaren elektrischen
Widerstand gesteuert werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - A. V. Peterchev,
R. Jalinous, and S. H. Lisanby: A Transcranial Magnetic Stimulator
Inducing Near-Rectangular Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS),
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, no. 1, 2008 [0023]
- - A. L. Hodgkin, A. F. Huxley: A Quantitative Description of
Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation
in Nerve. Journal of Physiology. 117, 1952, S. 500–544 [0067]