DE102013010893A1

DE102013010893A1 - Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von Strömen und deren Anwendung

Info

Publication number: DE102013010893A1
Application number: DE201310010893
Authority: DE
Inventors: Matthias Baag
Original assignee: Inomed Medizintechnik GmbH
Current assignee: Inomed Medizintechnik GmbH
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: US8755904B2; DE102013010893B4; US20140012121A1

Abstract

Elektronische Schaltungsanordnungen (insbesondere geeignet oder insbesondere eingerichtet für die Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Stimulationsströmen in der Medizin) zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Konstantströmen an einem Lastwiderstand, umfassend eine Brückenschaltung (insbesondere H-Brücke = H-Brückenschaltung) mit mindestens (im Falle einer H-Brücke genau) vier Schenkeln, und Schaltelemente sowie einen Brückenzweig zwischen den Schenkeln, in dem der Lastwiderstand eingebracht werden kann, und eine Stromquelle, welche derart mit den Schenkeln der Brückenschaltung verbunden ist, dass sie einen Strom über einen der Schenkel durch den Brückenzweig durch einen am anderen Ende des Brückenzweigs angeschlossenen Schenkel bei entsprechender Schalterstellung ermöglicht welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie (anstelle einer zentralen Stromquelle) mindestens zwei (gewünschtenfalls einstellbare) Stromquellen aufweist, wie im Detail in der Beschreibung dargelegt; sowie die Verwendung der Schaltungsanordnung zur Erzeugung solcher Stimulationsströme und entsprechende Verfahren und Methoden

Description

Die Erfindung betrifft eine (insbesondere mehrphasige, insbesondere zweiphasige (biphasige)) elektronische Schaltungsanordnung (insbesondere geeignet oder insbesondere eingerichtet für die Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Stimulationsströmen in der Medizin) zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Konstantströmen, insbesondere unterschiedlicher (gegenphasiger) Polarität, an einem Lastwiderstand, umfassend eine Brückenschaltung (insbesondere H-Brücke = H-Brückenschaltung) mit mindestens (im Falle einer H-Brücke genau) vier Schenkeln, und Schaltelemente sowie einen Brückenzweig zwischen den Schenkeln, in dem der Lastwiderstand eingebracht werden kann, und eine Stromquelle, welche derart mit den Schenkeln der Brückenschaltung verbunden ist, dass sie einen Strom über einen der Schenkel durch den Brückenzweig durch einen am anderen Ende des Brückenzweigs angeschlossenen Schenkel bei entsprechender Schalterstellung ermöglicht; die Verwendung der Schaltungsanordnung zur Erzeugung solcher Stimulationsströme und entsprechende Verfahren und Methoden.
Für die Erzeugung von Konstantströmen wurden üblicherweise rückgekoppelte Operationsverstärkerschaltungen als Stromquelle eingesetzt, die aufgrund ihres Arbeitsprinzips zur Stabilisierung ihres Arbeitspunktes stets einen gewissen Ruhestrom benötigten. Dies führte prinzipbedingt zu einer erhöhten Leistungsaufnahme, insbesondere bei hohen Leerlaufspannungen, auch zu solchen Zeiten, in denen der Ausgangsstrom Null ist. Außerdem begrenzte der Einsatz von Operationsverstärkern (OPV) in hohem Maße die Möglichkeit einer kleinen Leerlaufspannung, da der OPV prinzipbedingt eine minimale Betriebsspannung benötigt. 1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel einer solchen bipolaren Stromquelle mit OPV. „Load” bezeichnet dabei den Lastwiderstand, beispielsweise im Falle einer Patientenstimulation Gewebe, Organe oder Körperteile (wie den Kopf) eines Patienten, die durch Stromfluss stimuliert werden sollen.
Einen solchen Nachteil besitzen unipolare Stromquellen, die einen FET (wie MOS-FET) oder Transistor als Schaltelement im Ausgangszweig besitzen, nicht mehr.
2 zeigt vereinfacht eine derartige unipolare Stromquelle, bei der „Load” wieder den Lastwiderstand, beispielsweise wie oben definiert, bedeutet. Nachteilig ist hier unter anderem, dass aufgrund der Unipolarität definierte Ströme schwierig zu realisieren sind.
Als eine Lösung der genannten Probleme wird in der Offenlegungsschrift US 2010/0324618 ein Schaltungsprinzip für Konstantstromquellen zur Stimulation im medizinischen Bereich, in erster Linie zur Stromversorgung für Schrittmacher, gezeigt. Dies beinhaltet eine H-Brücke (beispielsweise in der dortigen 5 mit dem Bezugszeichen 330 gekennzeichnet, oder in der dortigen 2 mit dem Bezugszeichen 160).
Eine vereinfachte Darstellung der für diese Stromquelle gezeigten Schaltung zeigt 3.
1 Ist dabei eine Spannungsquelle, 2 eine einstellbare zentrale Konstantstromquelle (die auch am unteren Ende der Schaltung angeordnet sein könnte nach der Zusammenführung der Schenkel mit S2 und S4). Beim Schließen der Schaltelemente S1 und S4 kann ein (beispielsweise positiver) Strom i1 (in 3 durch Pfeile angedeutet) durch Anlegen der Spannung über den im Brückenzweig zwischengeschalteten Lastwiderstand R (z. B. wie oben definiert) fließen, während S2 und S3 geöffnet sind. Ein alternativerer (beispielsweise negativer, gegenphasiger) Strom i2 (in 3 durch Pfeile angedeutet) kann durch Einschalten von S2 und S3 unter Anlegen einer entgegengesetzten Spannung über den Lastwiderstand R fließen. Diese H-Brücke erlaubt also den Vorteil einer biphasigen Konstantstromquelle (z. B. zur Stimulation) bei Verwendung einer nichtsymmetrischen Versorgungsspannung, da die beiden Anschlüsse (Polung) der Last durch das Schalten der Schaltelemente einfach vertauscht werden können.
Prinzipbedingt stellt diese Schaltung jedoch hohe Anforderungen an die zeitliche Präzision der Schalter und der Stromquelle bei einer Richtungsänderung des Stroms, insbesondere, wenn sich die positive und die negative Stromrichtung unterscheiden. Bei ungenauer Umschaltung kann zeitweise ein falscher Stromwert fließen, weil z. B. der neue Stromwert (3 Stromquelle 2) eingestellt ist, aber noch in falscher Richtung über die Last fließt, weil die Umschaltung der Schalter noch nicht erfolgt ist. Auch sind die Schaltungen in der US 2010/0324618 aufgrund ihrer Ausrichtung auf Stimulation von Schrittmachern, die eher geringe Spannungen benötigen, eher für niedrigere Leerlaufspannungen ausgelegt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist vor diesem Hintergrund das Bereitstellen einer eingangs genannten Schaltungsanordnung, bei der die Stromstärken einstellbar sind, und die einen sehr geringen Ruhestrombedarf und einen weiten Leerspannungsbereich zulassen.
Dieses Ziel wird erreicht, indem anstelle einer Stromquelle, wie oder analog der in 3 dargelegten Stromquelle, H-Brücke mindestens zwei übliche uniphasige Stromquellen mit geringem Ruhestromverbrauch (geringer Ruheleistung) mittels einer H-Brücke (die im Falle von mehr als zwei Stromquellen auch entsprechend mehr Arme und Schaltelemente aufweisen kann) derart gekoppelt werden, dass jeweils eine dieser Stromquellen einen der Konstantströme (insbesondere eine Polarität) übernimmt, so dass zu einem Zeitpunkt über die Last (Lastwiderstand) immer nur eine der Stromquellen aktiv ist. Mit anderen Worten: Gegenüber dem in 3 gezeigten Stand der Technik werden zwei der Schaltelemente einer H-Brücke um jeweils eine Stromquellenfunktion erweitert und die zentrale Stromquelle 2 an der Spitze oder dem Fuß der Schaltungsanordnung in 3 ist entfernt. Im Falle einer Nullstromphase können eine oder mehrere Stromquellen inaktiv gesetzt werden, um Strom zu sparen. Beispielsweise in einer Umschaltphase (z. B. Umpolung am Lastwiderstand R) kann neben der bereits aktiven ersten Stromquelle eine andere bereits kurz vor dem Umschalten aktiviert werden, danach die Umschaltung der Schalter vorgenommen und die erste Stromquelle dann deaktiviert werden. Bei Verwendung üblicher Bauelemente kann die Umschaltphase eine Dauer im Bereich von wenigen Mikrosekunden, beispielsweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 20 μsec, haben, was steile Pulsflanken ermöglichen hilft. Durch Aktivieren und Inaktivieren der Stromquellen kann somit der Leistungsbedarf minimiert werden. Alternativ können alle Stromquellen permanent aktiv gesetzt werden. Es ist möglich, den Stromkreis ohne die Stromquellen durch entsprechende Einstellung der Schaltelemente kurzzuschließen. So kann eine optional vorgesehene kapazitive Ladung einer – optional – auf dem Brückenzweig mit dem Lastwiderstand z. B. in Reihe geschalteten Kapazität (z. B. eines Kondensators), die während des Stromflusses (z. B. unter Laden des Kondensators) aufgebaut wurde, abgebaut werden. In der Nullstromphase ist der Energieverbrauch minimiert. Das Vorhandensein von mindestens zwei Stromquellen ermöglicht, mit sehr steilem Phasenanstieg (also sehr rasch) auch große Spannungsunterschiede (beispielsweise von bis zu +500 auf bis zu –500 V, z. B. im Bereich von bis zu +/–400 Volt) aufzubauen, ohne dass es zu Schaltproblemen oder zu unerwünschten Überlagerungen kommt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind somit unter anderem das Ermöglichen eines großen Leerlaufspannungsbereichs (beispielsweise im Bereich von bis zu +/–400 bis 500 V), ein geringer Leistungsbedarf (kaum Ruheströme), kurze mögliche Umschaltzeiten zwischen den unterschiedlichen Strömen, steile mögliche Anstiege (steile Pulsflanken, rasche Einstellung des konstanten Stroms) der Spannungen und möglichen Ströme beim Umschalten, sowie einfache und genaue Steuer- und Kontrollierbarkeit. Dadurch wird es möglich, Spannungen zu erzeugen, die ausreichen, um beispielsweise bei Operationen im kranialen Bereich bei Patienten von außen Gehirnareale, wie solche aus dem Motorcortex, zu stimulieren (insbesondere transkranielle Stimulierung) und so an den Erfolgsmuskeln zu prüfen, ob eine Reizweiterleitung noch stattfindet, beispielsweise bei Operationen am Gehirn oder Rückenmark oder in Bereichen, in denen entsprechende motorische Nerven geschädigt werden können.
Die Erfindung betrifft daher in einer ersten Ausführungsform insbesondere eine wie eingangs genannte elektronische Schaltungsanordnung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie (anstelle einer zentralen Stromquelle) mindestens (und vorzugsweise nur) zwei (gewünschtenfalls einstellbare) Stromquellen, optional mit jeweils mindestens einem zugeordneten oder integrierten Schaltelement, aufweist,
wobei insbesondere
deren eine, eine erste Stromquelle, jeweils einen ersten Strom (z. B. I1) über einen ersten Schenkel, der an einem Ende des Brückenzweiges angeschlossen ist, durch den Brückenzweig und durch einen am dem Schenkel 3 entgegengesetzten Ende des Brückenzweigs angeschlossenen zweiten Schenkel bei entsprechender Einschaltung eines ersten Schaltelements im ersten Schenkel und eines optionalen zweiten Schaltelements (vorteilhaft zur Leistungsersparnis und somit vorzugsweise vorhanden), das separat vorgesehen oder vorzugsweise in die erste Stromquelle integriert sein kann, im zweiten Schenkel ermöglicht,
während die andere, eine zweite Stromquelle, jeweils einen anderen Strom (z. B. I2) über einen dritten Schenkel, der an dem Ende des Brückenzweigs angeschlossen ist, das dem Ende des Brückenzweiges entgegengesetzt ist, an dem der erste Schenkel angeschlossen ist, durch den Brückenzweig und durch einen am anderen Ende des Brückenzweiges angeschlossenen vierten Schenkel bei entsprechender Einschaltung eines dritten Schaltelements im dritten Schenkel und eines optionalen vierten Schaltelements (vorteilhaft zur Leistungsersparnis und somit vorzugsweise vorhanden), das separat vorgesehen oder vorzugsweise in die zweite Stromquelle integriert sein kann, im vierten Schenkel ermöglicht,
sofern jeweils ein Lastwiderstand R den Brückenzweig stromdurchgängig macht. Vorteilhaft sind die Stromquellen dabei als Konstantstromquellen (vorgesehen für im Vergleich zueinander gleich oder nicht gleich starke Ströme) derart gekoppelt, dass jeweils nur eine der Stromquellen eine Polarität des Konstantstroms durch den Lastwiderstand R übernimmt, so dass zu jedem Zeitpunkt nur eine Stromquelle über den Lastwiderstand R wirksam ist. Für die Nullstromphase sind beide Stromquellen nicht Bestandteil eines geschlossenen Stromkreislaufes und der Lastkreis ist vorteilhaft kurzschließbar ausgelegt. Vorteilhaft kann dabei nur eine regelbare Spannungsquelle vorgesehen sein, oder jede Stromquelle kann eine eigene Spannungsversorgung aufweisen.
Die ersten und dritten Schenkel befinden sich dabei in der in H-Form gedachten Schaltung oberhalb, die zweiten und vierten Schenkel unterhalb des Brückenzweigs.
Vorzugsweise sind die Stromquellen jeweils innerhalb der Schenkel positioniert.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft dabei eine derartige elektronische Schaltanordnung mit zwei Stromquellen, die über jeweils an entgegengesetzten Enden des Brückenzweigs angeschlossene Schenkel einer H-Brückenschaltung (mit vier Schenkeln) angeschlossen sind. Vorteilhaft sind dabei die Stromquellen mit den zweiten und vierten Schaltelementen kombiniert.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung nach einem der beiden unmittelbar vorstehenden Absätze, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter Elektroden (insbesondere flächige oder zylinderförmige (zum Greifen) Elektroden oder Nadelelektroden (zum Einstechen)) an Enden des somit unterbrochenen Brückenzweiges der Brückenschaltung aufweist, die ein Anlegen oder Einstechen an (als Lastwiderstand) einen Patienten, ein Gewebe oder ein Organ oder ein Körperteil eines Patienten ermöglichen.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft auch eine elektronische Schaltungsanordnung nach einem der drei unmittelbar vorstehenden Absätze, welche (insbesondere im Brückenzweig) eine Kapazität, insbesondere einen Kondensator, aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere nach einem der vier unmittelbar vorstehenden Absätze, zusätzlich mindestens eine Steuerungseinrichtung, insbesondere zum Ein- und Ausschalten der Schaltelemente und/oder zur Einstellung der von den Stromquellen bereitgestellten Stromwerte, auf. In dem Fall, dass die Stromquellen eigene Spannungsquellen aufweisen, können auch diese auch hinsichtlich der Spannungen regelbar ausgeführt sein.
In weiteren möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsformen beinhaltet die vor- und nachstehend genannte elektronische Schaltungsanordnung als Stromquellen Kombinationen von Operationsverstärkern und Schaltelementen, insbesondere in Form von Transistoren oder Feldeffekttransistoren, wie MOS-FETs (z. B. „Power-MOS-FETs”).
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Methode zur insbesondere intraoperativen Stimulation, bei der eine wie oben oder nachstehend definierte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Herstellen von Stimulationsströmen verwendet wird und eine Reaktion an einem Erfolgsorgan, z. B. eine Muskelzuckung und/oder ein Druck- oder elektromyographisches Signal, gemessen wird, um prüfen zu können, ob eine Nervenverbindung oder ein Gehirnareal, das für die Reizleitung zum Erfolgsorgan oder die Bildung des hierfür erforderlichen Reizes erforderlich sind, intakt oder ganz oder teilweise geschädigt ist.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur insbesondere intraoperativen Ermittlung einer Schädigung einer Nervenverbindung oder eines Gehirnareals, bei dem die vorstehende Methode verwendet wird.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen, vor- oder nachstehend beschriebenen Schaltungsanordnung, bei der diese zum Herstellen von Stimulationsströmen, die auf einen Patienten einwirken, verwendet wird und vorzugsweise eine Reaktion an einem Erfolgsorgan, z. B. eine Muskelzuckung und/oder ein Druck- oder elektromyographisches Signal, gemessen wird, um prüfen zu können, ob eine Nervenverbindung oder ein Gehirnareal, das für die Reizleitung zum Erfolgsorgan oder die Bildung des hierfür erforderlichen Reizes erforderlich sind, intakt oder ganz oder teilweise geschädigt ist.
Auch die zur Durchführung der genannten Methoden und Verwendungen eingerichteten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Konstantströmen bilden eine Ausführungsform der Erfindung.
Weitere besondere Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Ansprüchen und insbesondere den abhängigen Ansprüchen, und in den Beispielen. Die Ansprüche werden hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Soweit nicht für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, haben die vor- und nachstehend verwendeten Ausdrücke vorzugsweise folgende Bedeutungen, soweit nicht anders angegeben, wobei jeweils unabhängig voneinander ein oder mehrere oder alle der allgemeinen Ausdrücke durch die nachstehenden Definitionen ersetzt werden können, was spezielle Ausführungsformen der Erfindung ergibt:
Einstellbar bedeutet, dass die Spannungen und damit die möglichen Ströme der Stromquellen regulierbar sein können. Es können jedoch auch konstante Stromquellen eingesetzt werden, die lediglich ein- und ausgeschaltet werden können.
Mehrphasig bedeutet, dass Spannungen unterschiedlicher Stärke, beispielsweise und insbesondere entgegengesetzter Polarität, an dem Lastwiderstand angelegt werden können. Biphasig bedeutet dabei insbesondere, dass zwei Spannungen entgegengesetzter Polarität (die zu Strömen in negativer oder positiver Richtung führen können), vorzugsweise Spannungen gleicher Größe, an den Lastwiderstand angelegt werden können. Uniphasig bedeutet insbesondere gleiche Stromrichtung (Polarität).
Bei den Strömen durch den Brückenzweig handelt es sich in erster Linie um Gleichströme innerhalb eines bestimmten Zeitraums (z. B. dem Zeitraum zwischen dem Umschalten).
Als „Lastwiderstand” können wie erwähnt ein oder mehrere Körperteile (z. B. Arm, Bein oder insbesondere Kopf), ein Gewebe oder ein Organ von Patienten während einer Operation in einen Patienten mit Elektroden den sonst offenen Brückenzweig überbrücken.
„Patient” bedeutet ein zu untersuchendes Tier (z. B. Säugetier) oder insbesondere einen zu untersuchenden Menschen, der gesund oder krank sein kann.
Unter Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Stimulationsströmen (mehrphasige Stimulation) in der Medizin ist insbesondere zu verstehen, dass zwei oder mehr, insbesondere zwei, unteschiedliche, insbesondere gegenphasige Ströme (Ströme entgegengesetzter Richtung) zur Stimulation verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt die Stimulation während einer Operation (intraoperativ), was bedingt, dass die erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsanordnungen entsprechend eingerichtet sind, insbesondere Spannungen im Bereich von bis zu +/–500 Volt, z. B. von bis zu +/–400 Volt ermöglichen, die auch eine Stimulation von außen zulassen, Elektroden aufweisen, die reversibel (beispielsweise durch Anlegen oder Einstechen) bei Patienten angebracht werden können (also beispielsweise keine Elemente zur dauerhaften Fixierung in oder an Patienten, wie bei Schrittmachern erforderlich beinhalten) und die klar definierte Ströme ermöglichen. So kann beispielswiese die Unversehrtheit von Nerven während einer Operation durch das Vorhandensein bzw. die Einschränkung oder das Fehlen von Reaktionen der Muskulatur bei Unversehrtheit bzw. Verletzung von Nervenbahnen oder Gehirnarealen geprüft werden und erforderlichenfalls können Maßnahmen ergriffen werden, um drohende Schäden zu vermeiden oder unbeabsichtigt intraoperativ gesetzten Schäden bereits während der Operation zu begegnen.
Ein Schaltelement, das einer Stromquelle zugeordnet oder darin integriert ist, kann im ersten Fall ein separates Schaltelement sein, wie ein elektronischer oder mechanischer Schalter, oder es kann im zweiten Fall integrierter Bestandteil der Stromquelle sein und oder diese mit ausbilden, beispielsweise im Falls von Strom-Spannungswandlern als Stromquelle, wobei eine Eingangsspannung von null (0) Volt bedeutet, dass kein Strom fließt (siehe auch die Erläuterungen zu 8 unten) und somit die Schaltfunktion direkt in der Stromquelle implementiert ist.
Unter „Stromwert” ist die Stromstärke zu verstehen, unter Leerlaufspannung die Spannung ohne Verbraucher (offene Last, d. h. unendlich hoher Lastwiderstand R).
Figurenbeschreibung: Es zeigt:
1 schematisch ein vereinfachtes Beispiel einer bipolaren Stromquelle mit OPV aus dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch eine unipolare Stromquelle aus dem Stand der Technik.
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Schaltung für Konstantstromquellen gemäß der Lehre aus der veröffentlichten Patentanmeldung US 2010/0324618 (Stand der Technik).
4 zeigt schematisch eine vereinfachte Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsanordnung im stromlosen Zustand.
5 zeigt schematisch eine vereinfachte Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung bei fließendem Strom durch das Schaltelement S1 und die Stromquelle mit Schaltelement IS2.
6 zeigt die gegenüber der in 5 gezeigten umgekehrte Situation in Form einer schematischen vereinfachten Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei fließendem Strom durch das Schaltelement S2 und die Stromquelle mit Schaltelement IS1.
7 zeigt schematisch eine vereinfachte Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung, bei der nach Schließen beider Schaltelemente in den Stromquellen mit Schaltelementen kein Strom über den Lastwiderstand R fließt, während die Schaltelemente S1 und S2 geöffnet sein können.
8 zeigt als vereinfachtes Schaltbild eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung.
9 zeigt vereinfacht ein Beispiel für einen Strompulsverlauf.
Die Figurenbeschreibung wie auch die Figuren selbst stellen spezielle Ausführungsformen der Erfindung dar.
Das nachfolgende Beispiel wie auch die Figuren dienen der Illustration der Erfindung, ohne ihren Umfang einzuschränken. Die einzelnen Beispielsmerkmale können auch anstelle vor- und nachstehend genannte allgemeiner definierter Merkmale, einzeln, zu mehreren oder alle, in den außerhalb des Beispiels genannten Ausführungsformen der Erfindung anstelle dort verwendeter allgemeiner Merkmale eingesetzt werden.
Die Lage der Spannungsquellen 1 in den nachfolgenden Figuren ist nur als beispielhafte Anordnung zu sehen – stattdessen kann die Spannungsquelle auch unten (unterhalb des Knotenpunktes der Schenkel 4 und 6 oder daran), als Bestandteil von IS1 und IS2 oder als Bestandteil von S1 und S2 implementiert sein.
4 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der eine vorteilhaft hinsichtlich der abgreifbaren Spannung regelbar ausgestaltete Spannungsquelle 1 (die beispielsweise eine aus einer geeigneten (d. h. eine ausreichende Grundspannung ermöglichenden) Schnittstelle wie einem USB-Anschluss, z. B. eines Computers oder eines Netzgerätes, was besonders einfache Handhabung ermöglicht, resultierende Spannung (in der Regel ca. 4.75 bis ca. 5,25 V) hochtransformiert) über eine Verzweigung mit dem ersten Schenkel 3 und dem dritten Schenkel 5 einer H-Brücke verbunden ist. Im Schenkel 3 befindet sich ein erstes Schaltelement S1, im Schenkel 5 ein drittes Schaltelement S2. Die Schaltelemente können mechanische oder insbesondere elektronische Schalter sein. Die Schenkel 3 und 5 sind an ihren unteren Enden mit einem Brückenzweig 7, hier mit eingefügtem Lastwiderstand R (z. B. Patient, z. B. Kopf eines Patienten) gezeigt, verbunden. Ebenfalls mit dem unteren Ende der Schenkel 3 bzw. 5 und den Enden des Brückenzweiges 7 sind ein zweiter Schenkel 4 bzw. ein vierter Schenkel 6 verbunden, die an ihren entgegengesetzten Enden verbunden sind mit einem Gegenpol zur Spannungsquelle 1, exemplarisch durch die gezeigte Erdung/Masse symbolisiert.
Der vierte Schenkel 6 beinhaltet – hier als Kombination gezeigt, aber auch getrennt ausführbar – eine Kombination IS1 aus einem zweiten Schaltelement und einer ersten Stromquelle, der zweite Schenkel 4 – hier als Kombination gezeigt, aber auch getrennt ausführbar – eine Kombination IS2 aus einem vierten Schaltelement und einer zweiten Stromquelle. IS1 und IS2 müssen nicht zwingend schaltbar sein, im Sinne einer Vereinfachung der Stromumschaltung können die Schaltelemente fehlen, oder die Stromquellen haben selbst gleichzeitig Schaltfunktion (eine der Varianten, in denen das Schaltelement in die Stromquellen IS1 und/oder IS2 integriert ist). Andererseits sind sie vorteilhaft (insbesondere zur Leistungsersparnis) schaltbar oder als Schaltelemente aktiv, beispielsweise wie weiter unten nach 8 beschrieben (eine andere Variante, in der das Schaltelement in die Stromquellen IS1 und/oder IS2 integriert ist).
Der Lastwiderstand (beispielsweise ein Körperteil eines Patienten, wie dessen Kopf) ist zwischen zwei durch kleine Kreise symbolisierte Elektroden, die beispielsweise als flächige Elektroden oder als Eistechelektroden ausgeführt sein können, in den Brückenzweig 7 geschaltet. Zusätzlich kann der Brückenzweig 7 eine – in 4 nicht gezeigte – Kapazität, wie einen Kondensator, beinhalten.
Die Stromquellen können, beispielsweise unter Verwendung geeigneter Widerstände und/oder durch gegensätzliche Polung, gegenüber der jeweils anderen Stromquelle zur Abgabe unterschiedliche Stromstärken oder vorzugsweise zur Abgabe gleicher Stromstärken und/oder (insbesondere und) Ströme durch gleiche Polung eingerichtet sein. An Stelle einer Spannungsquelle (1) wie gezeigt können die Stromquellen auch jeweils eine separate Spannungsquelle aufweisen.
Die Stromquellen können vorteilhaft als Spannungs-Stromwandler ausgeführt sein. Dann ist kein zusätzliches Schaltelement vonnöten – bei einer Eingangsspannung von null Volt fließt dann kein Strom, das heißt, hier ist kein separater „Schalter” nötig. Die Stromquellen können beispielsweise als Operationsverstärker (ggf. auch nach dem Howland-Prinzip, das hier jedoch nicht erforderlich ist) ausgeführt sein.
Die Schaltelemente in Form elektronischer Schalter können Feldeffekttransistoren, wie insbesondere MOS-FETS, oder andere geeignete (z. B. mechanische oder Relais-)Schalter beinhalten.
Nicht gezeigt sind weitere mögliche Bestandteile einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die dem Fachmann geläufig sind, wie Steuerungseinrichtungen (über Leitungen oder Funk oder Lichtsignale verbindbar) für die Schaltelemente und weitere Leitungen oder übliche Bestandteile.
Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird exemplarisch durch die 5 bis 7 sowie 9 gezeigt (wobei gleiche Bezugszeichen dieselben Bedeutungen haben wie in 4).
Ist (5) das erste Schaltelement S1 geschlossen und das dritte Schaltelement S2 offen, fließt ein Strom 12' über den Lastwiderstand R, angetrieben von der Stromquelle IS2. Der Strom i1' der Stromquelle IS2 kann ebenfalls über S1 fließen und daher nicht über die Last R.
Ist (6) das erste Schaltelement S1 offen und das dritte Schaltelement S2 geschlossen, fließt ein Strom i1'' über den Lastwiderstand R, angetrieben von der Stromquelle IS1. Der Strom i2' der Stromquelle IS1 kann ebenfalls über S2 fließen und daher nicht über die Last R.
Sind in einer möglichen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beispielsweise IS1 und IS2 gleicher Polarität und erzeugen sie gleichstarke Ströme, so fließt aus IS1 und IS2 jeweils ein gleichstarker, aber entgegengesetzter Strom (gegenphasiger Strom oder Strom entgegengesetzter Polarität) durch den Brückenzweig 7 mit dem Lastwiderstand R. Dies wird durch 9 veranschaulicht:
Bei Einschalten der Situation gemäß 5 kommt es über eine steile Pulsflanke 7 zu einem konstanten Strom 8, bei Öffnen beider Schalter S1 und S2 kann optional eine Ruhephase 10 ohne Strom dazwischengeschaltet sein, oder diese kann fehlen (dann kann sehr rasch von der einen auf die entgegengesetzte Polarität umgeschaltet werden), während bei Einschalten der Situation gemäß 6 in beiden Fällen über eine steile Pulsflanke 7' ein konstanter Strom 9 entgegengesetzter Richtung zu 8 fließt.
Doch sind auch erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen denkbar, bei denen die Ströme aus IS1 und IS2 unterschiedlich stark sind oder die Stromquellen in IS1 und IS2 nicht gleiche Polarität haben, so dass beim Umschalten zwischen den Situationen in 5 und 6 zwei unterschiedliche, nicht zwingend entgegengesetzte Ströme resultieren können. Dies ermöglicht beispielsweise spezielle Stimulationsmuster oder andere Anwendungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen.
7 zeigt eine Situation, bei der beide Schaltelemente S1 und S2 geschlossen sind. Hier fließt kein Strom über die Last R. Außerdem wird die Last R über die Schalter kurzgeschlossen. Damit besteht die Möglichkeit, eine beispielsweise in einer optionalen Kapazität, wie einem Kondensator in dem Brückenzweig 7, gespeicherte Ladung wieder oder eine Ladung auf der Last R wieder abzubauen.
In den 5, 6 und 7 sind Steuerungseinrichtungen zum Ein- und Ausschalten der Schaltelemente S1 und S2 sowie der schaltbaren Stromquellen IS1 und IS2 nicht gezeigt, doch sind diese in bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen umfasst. Entsprechende Steuerungseinrichtungen können beispielsweise als Schaltboxen oder als Computergesteuerte Einheiten vorliegen. Die Situation, bei der gleichzeitig beide Ströme i1''' und i2''' aktiv sind, bezieht sich vorzugsweise nur auf den Zeitbereich des Stromwert- oder insbesondere Stromrichtungswechsels (Umschaltphase) über den Lastwiderstand R. Um Leistungseinsparungen zu erzielen, wird vorzugsweise nach der Umschaltphase die nicht über den Leistungswiderstand R wirksame Stromquelle abgeschaltet (Stromwert auf Null gesetzt).
Sind für beide Richtungen feste Stromwerte vorgesehen, reicht bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine einfache Möglichkeit der Deaktivierung der Stromquelle. Für die medizinische Anwendung dagegen ist die Verwendung unterschiedlicher (regelbarer) Stromwerte vorherrschend und vorzuziehen. Daher werden hier in der Regel Stromquellen nach dem Prinzip des Strom-Spannungswandlers vorgesehen. Dabei wird der Stromwert durch eine äquivalente Eingangsspannung (zuführbar z. B. mittels einer Steuereinrichtung) bestimmt.
1 und 2 stellen solche Strom-Spannungswandler dar. Am Plus (+)-Eingang des Operationsverstärkers (OPV) wird eine Steuerspannung angelegt, deren Höhe aufgrund der Schaltung zu einem Konstantstrom über die Last (Load) führt. Ist die Steuerspannung Null (= Volt), ist auch, unter Berücksichtigung einer richtigen Dimensionierung, der Laststrom Null (null Ampère). Insoweit können die angeführten Schaltungen auch die „Aus-” Funktion eines Schalters erfüllen. Für 8 sind die Punkte „b” und „d” die Eingänge der jeweiligen Steuerspannung, die beispielsweise mittels eines D/A-Wandlers bereitgestellt werden kann.
Weitere Einheiten können vorgesehen sein, beispielsweise zum Regeln der Spannung in der Spannungsquelle, zur Regelung der Stromstärke und -richtung in den Stromquellen wie IS1 und IS2, zum Messen der Ströme und Spannungen, zur Feedbackkontrolle der Stromstärke, zum Messen von Reaktionen des Patienten (beispielsweise Druckaufbau in Muskeln oder Elektromyogramme) und dergleichen mehr. Diese können über Leitungen oder Funk oder (beispielsweise IR-)Licht verbunden sein.
In 8 ist eine speziellere Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur beispielhaften Veranschaulichung möglicher Schaltungen gezeigt. Die Operationsverstärker (OPV) sind ohne Versorgungsanschlüsse gezeigt. Die Bezugszeichen 3 bis 7, S1, S2, IS1 und IS2 sowie R entsprechen den oben für 5 bis 7 genannten Bedeutungen, während a, b, c und d symbolisch für Anschlüsse beispielsweise zu einer Steuerungseinrichtung stehen.
Beispielhafte konkrete Ausführungsformen der in 8 dargestellten Schaltungsanordnungselemente können folgenderweise charakterisiert sein:
Mit einer Spannung von 0 bis 2,5 V an IS1 via zur Ansteuerung von IS1 via (b) kann eine Stromstärke von 0 bis 250 mA eingestellt werden. Dasselbe gilt für IS2 via (d).
Die Spannungsquelle (ausgehend von Pol e) kann beispielsweise für eine regelbare Spannung im Bereich von 0 bis 400 Volt vorgesehen sein.
Die MOS-FETs S1 und S2 können solche üblicher Art sein, wie beispielsweise des Typs IRFU3910 (International Rectifier, El Segundo, Kalifornien, USA).
Die MOS-FETs als Bestandteil von IS1 und IS2 können beispielsweise solche des Typs STD3NK60 sein (STMicroelectronics, Genf, Schweiz).
Die Operationsverstärker als Bestandteil von IS1 und IS2 können solche des Typs LTC 2050 sein (Linear Technology Corp., Kalifornien, USA).
Die zur Masse führenden Widerstände (die beiden unteren in 8) werden durch die Dimensionierung des Spannungs-Stromwandlers bestimmt und können z. B. für den oben genannten Bereich 10 Ω sein.
Die Schaltspannung für die Schalter S1 und S2 ist von der Höhe der Leerlaufspannung am Punkt (e) abhängig und beträgt z. B. bei einer Leerlaufspannung von 400 V: z. B. 390 V für „ein” und 400 V für „aus”.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0324618 [0005, 0008]

Claims

Elektronische Schaltungsanordnung zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Konstantströmen an einem Lastwiderstand R, umfassend eine Brückenschaltung mit mindestens vier Schenkeln (3, 4, 5, 6), und Schaltelemente S1 und S2 sowie einen Brückenzweig (7) zwischen den Schenkeln, in dem der Lastwiderstand R eingebracht werden kann, und eine Stromquelle, welche derart mit den Schenkeln der Brückenschaltung verbunden ist, dass sie einen Strom über einen der Schenkel durch den Brückenzweig (7) durch einen am anderen Ende des Brückenzweigs (7) angeschlossenen Schenkel (bei entsprechender Schalterstellung ermöglicht, und die mindestens zwei Stromquellen (IS1, IS2) aufweist, deren eine, erste Stromquelle (IS2), jeweils einen ersten Strom I1 (i2') über einen ersten Schenkel ((3) oder (4)), der an einem Ende des Brückenzweiges (7) angeschlossen ist, durch den Brückenzweig (7) und durch einen am dem ersten Schenkel ((3 oder 4)) entgegengesetzten Ende des Brückenzweigs (7) angeschlossenen zweiten Schenkel ((4) oder (3)) bei entsprechender Einschaltung eines ersten Schaltelements (S1) im ersten Schenkel ((3) oder (4)) und eines optionalen zweiten Schaltelements, das separat vorgesehen oder in die erste Stromquelle (IS2) integriert sein kann, im zweiten Schenkel ((4) oder (3)) ermöglicht, während die andere, zweite Stromquelle (IS1), jeweils einen anderen Strom I2 über einen dritten Schenkel ((5) oder (6)), der an dem Ende des Brückenzweigs (7) angeschlossen ist, das dem Ende des Brückenzweiges (7) entgegengesetzt ist, an dem der erste Schenkel ((3) oder (4)) angeschlossen ist, durch den Brückenzweig (7) und durch einen am anderen Ende des Brückenzweiges (7) angeschlossenen vierten Schenkel ((6) oder (5)) bei entsprechender Einschaltung eines dritten Schaltelements (S2) im dritten Schenkel ((5) oder (6)) und eines optionalen vierten Schaltelements, das separat vorgesehen oder in die zweite Stromquelle (IS1) integriert sein kann, im vierten Schenkel ((6) oder (5)) ermöglicht, sofern jeweils ein Lastwiderstand R den Brückenzweig (7) stromdurchgängig macht.
Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromquelle (IS2), jeweils einen ersten Strom I1 (i2') über einen ersten Schenkel (3), der an einem Ende des Brückenzweiges (7) angeschlossen ist, durch den Brückenzweig (7) und durch einen am dem ersten Schenkel (3) entgegengesetzten Ende des Brückenzweigs (7) angeschlossenen zweiten Schenkel (4) bei entsprechender Einschaltung eines ersten Schaltelements (S1) im ersten Schenkel (3) und eines optionalen zweiten Schaltelements, das separat vorgesehen oder in die erste Stromquelle (IS2) integriert sein kann, im zweiten Schenkel (4) ermöglicht, während die andere, zweite Stromquelle (IS1), jeweils einen anderen Strom I2 über einen dritten Schenkel (5), der an dem Ende des Brückenzweigs (7) angeschlossen ist, das dem Ende des Brückenzweiges (7) entgegengesetzt ist, an dem der erste Schenkel (3) angeschlossen ist, durch den Brückenzweig (7) und durch einen am anderen Ende des Brückenzweiges (7) angeschlossenen vierten Schenkel (6) bei entsprechender Einschaltung eines dritten Schaltelements (S2) im dritten Schenkel (5) und eines optionalen vierten Schaltelements, das separat vorgesehen oder in die zweite Stromquelle (IS1) integriert sein kann, im vierten Schenkel (6) ermöglicht, sofern jeweils ein Lastwiderstand R den Brückenzweig (7) stromdurchgängig macht.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie genau zwei Stromquellen (IS1, IS2) aufweist, die über an jeweils entgegengesetzten Enden des Brückenzweigs (7) angeschlossene Schenkel einer H-Brückenschaltung mit vier Schenkeln angeschlossen sind.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (IS1) bzw. (IS2) das zweite bzw. das vierte Schaltelement beinhalten und vorzugsweise die Schaltelemente S1 im ersten Schenkel (3) und S2 im dritten Schenkel (5) und die Stromquellen IS1 im zweiten Schenkel (4) und IS2 im vierten Schenkel (6) vorgesehen sind.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter zwei Elektroden an den Enden des somit unterbrochenen Brückenzweiges (7) der Brückenschaltung aufweist, die ein Anlegen oder Einstechen an einen Patienten, ein Gewebe oder ein Organ oder ein Körperteil eines Patienten ermöglichen, welche den Lastwiderstand R bedeuten.
Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als flächige, zylinderförmige oder Nadelelektroden ausgebildet sind.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Brückenzweig (7) zusätzlich eine Kapazität aufweist.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Steuerungseinrichtung aufweist.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (IS1, IS2) als Strom-Spannungswandler ausgeführt sind, insbesondere Kombinationen von Operationsverstärkern und den zweiten und vierten Schaltelementen (4, 6) in Form von Feldeffekttransistoren beinhalten.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (IS1, IS2) gleiche Polarität aufweisen und gleichstarke, aber entgegengesetzt durch den Brückenzweig (7) fließende Ströme ermöglichen.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (IS1, IS2) gleiche oder unterschiedliche Polarität und unterschiedlich starke durch den Brückenzweig (7) fließende Ströme ermöglchen.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie biphasige Ströme ermöglicht, deren Polarität direkt oder über eine Ruhestromphase abwechselt.
Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (IS1, IS2) Konstantstromquellen sind und durch die ihnen zugeordneten oder darin integrierten Schaltelemente und das erste und das dritte Schaltelement (S1, S2) derart geschaltet bzw. gekoppelt werden, dass jeweils nur eine der Stromquellen eine Polarität des Konstantstroms durch den Lastwiderstand R übernimmt, so dass zu jedem Zeitpunkt nur eine Stromquelle aktiv ist und der erste und dritte Schenkel (3, 5) unter Schließen der Schaltelemente (S1, S2) kurzgeschlossen werden kann, während die Schaltelemente in den Stromquellen (IS1, IS2) geöffnet sind, so dass beispielsweise eine Ladung auf einer in den Brückenzweig (7) eingefügten Kapazität abfließen kann.
Methode oder Verfahren zur insbesondere intraoperativen Stimulation, bei der eine nach einem der Ansprüche 1 bis 13 definierte elektronische Schaltungsanordnung zum Herstellen von Stimulationsströmen verwendet wird und eine Reaktion an einem Erfolgsorgan gemessen wird, um prüfen zu können, ob eine Nervenverbindung oder ein Gehirnareal, das für die Reizleitung zum Erfolgsorgan oder die Bildung des hierfür erforderlichen Reizes erforderlich sind, intakt oder ganz oder teilweise geschädigt ist.
Verwendung einer elektronischen Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Herstellen von Stimulationsströmen, die auf einen Patienten einwirken.