DE102009023855B4

DE102009023855B4 - Vorrichtung zur Nervenreizung mit Magnetfeldimpulsen

Info

Publication number: DE102009023855B4
Application number: DE102009023855A
Authority: DE
Inventors: Stefan M. Götz; Thomas Weyh
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: WO2010139376A1; DE102009023855A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung kurzer starker Strompulse in einer Spule, wobei die Spule magnetische Feldpulse mit einer Dauer von 20 bis 3000 Mikrosekunden Dauer und einer Stärke von 0,1 bis 5 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion im Körpergewebe elektrische Reizströme zur Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen hervorrufen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Kondensator zur Speicherung und Abgabe der für die Feldpulse benötigten Energie und eine geeignete Ladeschaltung zum Aufladen dieses Kondensators enthält und dass die Spule so ausgeführt ist, und wobei sie nahe genug am zu reizenden Körpergewebe positioniert werden kann, sodass das von der Spule erzeugte Magnetfeld innerhalb des vorgesehenen Zielgebietes höchstens auf ein Zehntel der Stärke an der Spulenoberfläche abfällt, und wobei die vom Magnetfeld der Spule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim Fünffachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen. Die Vorrichtung in der Spule kann einen Strompuls erzeugen, dessen Zeitverlauf so beschaffen ist, dass von der Spule ein elektrisches Feld induziert wird, bei dem sich die mittlere Flankensteilheit ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheit abfallender Flanken unterscheidet.

Description

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 an 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.
DE 695 12 476 T2 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur magnetischen Reizung von Nervenzellen und neuromuskulärem Gewebe. Eine Mehrzahl von Ladungseinheiten ist so angeordnet, dass ein Ausgang parallel zum Ausgang von einer oder mehreren anderen Einheiten bereitgestellt wird. Jede Ladungseinheit enthält einen Speicherkondensator, der mittels eines Serienschalters auf die Spule entladen werden kann. Zusätzlich wird eine Drossel in Reihe zum Serienschalter als Strombegrenzer verwendet. Weiterhin werden noch eine Diode und ein Widerstand so parallel zum Kondensator geschaltet, dass die Spulenspannung bei Spannungsumkehr auf einen niedrigen Wert begrenzt wird.
US 2009/018384 A1 bezieht sich auf eine tragbare, modulare transkranielle magnetische Stimulationsvorrichtung, die eine Spannungsversorgung, eine Energiespeichervorrichtung, eine Ladungsrückgewinnungsvorrichtung, eine Steuervorrichtung und mindestens eine Stimulationsspulenvorrichtung umfasst. Um eine monophasische Stimulation zu erzielen, werden unterschiedliche Steilheiten für die ansteigende und abfallende Flanke des Pulses benötigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung verbesserter magnetischer Pulse zur Nervenreizung bereitzustellen, mit dessen Hilfe die genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung 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 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 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 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 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 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 I_L 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 I_L und der Spulenspannung U_L 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 I_L2 und der Spulenspannung U_L 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 I_L und der Spulenspannung U_L 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 I_Ln und der Spulenspannung U_L 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 I_L und der Spulenspannung U_L 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 I_L und der Spulenspannung U_L, 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 U_L.
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 über eine Vorrichtung zur Reizung von Nerven- und Muskelzellen eingesetzt werden. Insbesondere kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch zu nicht-therapeutischen Zwecken verwendet werden. Beispielsweise kann eine solche Vorrichtung 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 I_L in der Behandlungsspule und der Spulenspannung U_L, 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 I_L2 in der Behandlungsspule und der Spulenspannung U_L, 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 I_L in der Behandlungsspule und der Spulenspannung U_L, 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 I_Ln in der n-ten Spule, der Behandlungsspule und der Spulenspannung U_L, 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 U_C1 = U_C3 = –U_C2 und für die zweite Kapazität eine Limes-Bildung C2 → 0 durchgeführt wird.
20 zeigt beispielhaft einen solchen Zeitverlauf des Stromes I_L in der Behandlungsspule und der Spulenspannung U_L, 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.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Strompulsen in einer Spule (1010; 1210, 1220), wobei die Spule magnetische Feldpulse mit einer Dauer von 20 bis 3000 Mikrosekunden und einer Stärke von 0,1 bis 5 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion im Körpergewebe elektrische Reizströme zur Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen hervorrufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Kondensator (1030, 1050; 1250) zur Speicherung und Abgabe der für die Feldpulse benötigten Energie und eine geeignete Ladeschaltung (210) zum Aufladen dieses Kondensators enthält; und dass die Spule so ausgeführt ist, dass sie nahe genug am zu reizenden Körpergewebe positioniert werden kann, so dass das von der Spule erzeugte Magnetfeld innerhalb des vorgesehenen Zielgebietes höchstens auf ein Zehntel der Stärke an der Spulenoberfläche abfällt; und dass die vom Magnetfeld der Spule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim fünffachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen; und dass die Vorrichtung in der Spule einen Strompuls erzeugt, dessen Zeitverlauf so beschaffen ist, dass von der Spule ein elektrisches Feld mit mehreren ansteigenden und mehreren abfallenden Flanken induziert wird, bei dem sich die mittlere Flankensteilheit ansteigender Flanken von der mittleren Flankensteilheit abfallender Flanken unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektronischen Schaltung zur Erzeugung der magnetischen Feldpulse Bauteile zum Steuern des Spulenstromes verwendet werden, die einerseits den Feldpuls über die Spule (1010; 1210, 1220) auslösen und beenden können und andererseits die unterschiedlichen mittleren Flankensteilheiten von ansteigender zu abfallender Flanke des induzierten elektrischen Feldes erzeugen können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung zur Erzeugung der Pulse einen resonanten Aufbau aufweist, so dass die für den Feldpuls benötigte Energie schnell aus einem oder mehreren Kondensatoren (1030, 1050; 1250) in eine oder mehrere Spulen (1010; 1210, 1220) geleitet und aus dieser einen oder mehreren Spulen wieder zurück in einen oder mehrere Kondensatoren geleitet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der resonante Aufbau so beschaffen ist, dass mindestens zwei elektrische Schwingkreise bestehend aus mindestens einem Kondensator (1030, 1050; 1250) und mindestens einer Spule (1010; 1210, 1220) in der Weise miteinander gekoppelt sind, dass diese abwechselnd oder gemeinsam den Zeitverlauf des Stromes der Spule bestimmen und so magnetische Feldpulse erzeugen, welche sich aus Teilen von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Schwingkreise des resonanten Aufbaus in der Weise gekoppelt sind, dass während des magnetischen Feldpulses eine entsprechende Umschaltung des Spulenstromes zu weiteren Kondensatoren (1430, 1450) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Schwingkreise des resonanten Aufbaus in der Weise gekoppelt sind, dass während des magnetischen Feldpulses eine entsprechende Umschaltung des Spulenstromes zu weiteren Spulen (1610, 1620) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Schwingkreise des resonanten Aufbaus in der Weise gekoppelt sind, dass während des magnetischen Feldpulses eine entsprechende Umschaltung des Spulenstromes zu weiteren Kondensatoren (1850, 1860) und/oder zu weiteren Spulen (1810, 1820) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Erzeugung des magnetischen Feldpulses durch schaltende Bauelemente (1930, 1940, 1950, 1960) die Richtung des Spulenstromes so verändert werden kann, dass sich ein zeitlicher Verlauf des von der Spule (1910) induzierten Feldes ergibt, bei dem sich die mittleren Flankensteilheiten von ansteigender zu abfallender Flanke des induzierten elektrischen Feldes unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der resonante Aufbau aus einem Kondensator (1920), einer Spule (1910) und mindestens drei Schaltern (1930, 1940, 1950, 1960) zur Umpolung des Stromes besteht, so dass ein zeitlicher Verlauf des Stromes in der Spule während des magnetischen Feldpulses erzeugt werden kann, der sich aus mindestens zwei aneinandergereihten halben Sinuswellen gleicher Polarität zusammensetzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern des Spulenstromes so gesteuert werden, dass mindestens bei einem Nulldurchgang des Stromes in der Spule (1010; 1210, 1220; 1910) eine kurze Unterbrechung des Schwingungsvorgangs stattfindet, so dass während dieser Unterbrechungen von der Spule kein magnetisches Feld erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern des Spulenstromes die Ströme der Schwingkreiskomponenten in der Weise schalten, dass die Polarität der Spannung in dem Kondensator (1920) stets gleich bleibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern und Schalten des Spulenstromes elektronische oder mechanische Schalter sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern und Schalten des Spulenstromes elektronische Bauteile mit steuerbarem elektrischen Widerstand sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zum Steuern und Schalten des Spulenstromes auch im ausgeschalteten Zustand den Strom in einer Richtung leiten.