-
Die Erfindung betrifft eine Stimulationsvorrichtung zur Aufbringung eines transkutanen elektrischen Stimulationsreizes auf die Oberfläche eines Abschnittes des menschlichen Ohrs.
-
Stimulationsvorrichtungen dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Beispielhaft sei auf die
DE 10 2006 023 815 B4 hingewiesen. Ähnliche Lösungen offenbaren die
DE 10 2005 003 735 A1 und die
DE 10 2010 054 165 B3 . Diese Vorrichtungen erlauben in vorteilhafter Weise, dass mit einem kleinen und leichten Gerät eine transkutane Stimulation des Vagusnervs im Bereich des Ohrs erfolgen kann. Die letztgenannte Druckschrift sieht vor, dass die transkutane Stimulation des Vagusnervs erfolgt, indem ein Elektrodenkopf mit zwei Elektroden im Bereich der Cymba conchae angeordnet wird; eine solche Positionierung der Elektroden hat sich als vorteilhaft erwiesen. Der Bereich der Cymba conchae ist dabei der Bereich der Concha des Ohres, der oberhalb des Crus helicis liegt; er wird auch als Hemiconcha superior bezeichnet. Unterhalb des Crus helicis nach unten erstreckt sich dann der Bereich des Cavum conchae. Eine weitere Lösung zeigt die
DE 10 2006 033 623 A1 .
-
Um eine effektive und bequeme Stimulation des Nervs sicherzustellen, ist es erforderlich, die Stimulationsvorrichtung mit einer Stromversorgung auszustatten, die es erlaubt, den benötigten Stimulationsstrom über eine hinreichend lange Betriebsdauer zur Verfügung zu stellen, bevor die Batterie des Geräts wieder aufgeladen oder ersetzt werden muss. Um für alle relevanten Anwendung- und Betriebsbedingungen zuverlässig den benötigten Stimulationseffekt zu garantieren, wird – ausgehend von einer Batterie mit einer vorgegebenen Spannung – ein Spannungspotenzial bereitgestellt, das für alle Stimulationsbedingungen ausreichend ist. Letztlich ist für die Qualität der Stimulation allerdings der durch das Gewebe fließende Stimulationsstrom maßgeblich, so dass nach dem Ohmschen Gesetz der Kontaktwiderstand zwischen Elektroden und Haut bzw. der Gewebewiderstand zwischen den Elektroden für die Stimulation maßgeblich ist.
-
Es ergibt sich dabei das Problem, dass die Größe des Lastwiderstands (d. h. des genannten Kontaktwiderstands zwischen den Elektroden und der Haut bzw. des Gewebes zwischen den Elektroden, also die Verhältnisse am Ohr des Patienten) zunächst unbekannt ist, dennoch aber ein gepulster Strom mit einer definierten und geregelten Amplitude abgeben werden soll. Angestrebt wird dabei das Verhalten einer idealen Stromquelle, so dass ein definierter Strom fließt, unabhängig davon, wie hoch dazu die Spannung sein muss, also unabhängig davon, welcher Widerstand bzw. welche Impedanz die Last hat.
-
Die technische Realisierung einer idealen Stromquelle ist in der Regel dadurch begrenzt, dass man bei entsprechen hohen Impedanzen sehr hohe Spannungen braucht, um den gewünschten Strom zu erzwingen. Diese Spannung wird normalerweise so festgelegt, dass man bei den zu erwartenden (oder oft bekannten) Impedanzen den gewünschten Strom erzeugen kann. Außerdem ist die maximale Spannung durch notwendige Isolationsstrecken begrenzt, da sich sonst die Spannungen über Funkenentladung oder Oberflächen-Corona entladen würden.
-
In vorliegenden konkreten Anwendungsfall der transkutanen Stimulation des Ohrs mit kleiner Kontaktfläche rechnet man üblicherweise mit Impedanzen im Bereich zwischen 1 Kiloohm und 1 Megaohm. Daher wird für einen zumeist angestrebten geregelten Strom von 100 Mikroampere eine Spannung von 100 V erzeugt. Damit kann zumeist bei allen zu erwartenden Lastwiderständen (die sich im übrigen auch sehr dynamisch ändern können) der geforderte Strom bereitgestellt werden. Konkret bedeutet das, dass abhängig von der aktuellen Impedanz der Last und dem geforderten Strom die Stromquelle ein Spannungspotential so einregeln muss, dass der gewünschte Strompuls ausgegeben wird.
-
Das Erzeugen einer Spannung von beispielsweise 100 V aus einer Batterie mit bestimmten Sicherheitsmechanismen ist aber nicht ohne erhebliche Verluste realisierbar. Das heißt, das Bereitstellen der benötigten Spannung beeinträchtigt erheblich die Batterielaufzeit, selbst dann, wenn gar kein Strompuls abgegeben wird. Da aber nun der Lastwiderstand (d. h. das Ohr) zumeist im konkreten Anwendungsfall der transkutanen Stimulation zwischen 1 Kiloohm und 1 Megaohm variiert, bedeutet das, dass sich das Verhältnis von Stromabgabe an die Last zur Stromaufnahme der Schaltung mit der Impedanz der Last ganz wesentlich ändert.
-
So wird beispielsweise bei 10 kOhm und 100 μA über der Last eine Spannung von 1 V geregelt, die restlichen 99 V liegen über der Stromquelle. Das resultiert in einer abgegebenen Leistung von 10 Milliwatt, wobei gerade einmal 100 Mikrowatt für die Stimulation wirken.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt im Lichte der vorstehend dargelegten Problematik daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vorgegebenen elektrischen Stroms zwischen den beiden Elektroden der Stimulationsvorrichtung bereitzustellen, mit der eine möglichst energiesparende Betriebsweise ermöglicht werden kann, so dass die Batterielaufzeit entsprechend verlängert werden kann.
-
Ein mögliches Verfahren zum Betrieb einer gattungsgemäßen Stimulationsvorrichtung weist die Schritte auf:
- a) Erzeugen einer ersten Spannung mittels der Batterie und Anlegen derselben an den Stromkreis, so dass ein Strom durch den Stromkreis und den Abschnitt des Ohrs fließt;
- b) Regelung eines definierten Stroms über eine Stromquelle, die in den Stromkreis eingebracht ist;
- c) Messen der benötigten Spannung zwischen den beiden Elektroden und Ermittlung der notwendigen Versorgungsspannung für die Stromquelle;
- e) Vergleich der gemäß Schritt c) ermittelten benötigten Spannung mit der ersten Spannung;
- f) für den Fall, dass die benötigte Spannung unterhalb der ersten Spannung liegt: Reduzierung der ersten Spannung auf einen geringeren zweiten Wert, ansonsten: Beibehaltung der ersten Spannung.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass im Anschluss an den genannten Schritt f) im Falle dessen, dass der definierte Strom mit der ersten Spannung nicht erreicht werden kann, der Schritt erfolgt: Erhöhen der ersten Spannung um einen vorgegebenen Wert.
-
Die obigen Schritte a) bis f) und gegebenenfalls auch der sich an Schritt f) anschließende Schritt werden vorzugsweise periodisch wiederholt, wobei jeweils die erste Spannung gemäß Schritt a) durch die zweite Spannung gemäß Schritt f) ersetzt wird und statt der zweiten Spannung gemäß Schritt f) jeweils eine weitere Spannung bestimmt wird.
-
Die erste Spannung aus der Batteriespannung wird insbesondere mittels eines Boost-Konverters (Hochsetzsteller) erzeugt, wobei die erste Spannung höher ist als die Batteriespannung. Die erste Spannung hat dabei bevorzugt zunächst einen Wert zwischen 30 V und 60 V, vorzugsweise zwischen 45 V und 55 V.
-
Die Lösung der genannten Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationsvorrichtung aufweist:
- – Mittel zur Erzeugen einer ersten Spannung mittels der Batterie und zum Anlegen der ersten Spannung an den Stromkreis, so dass ein Strom durch den Stromkreis und den Abschnitt des Ohrs fließt;
- – eine an den Stromkreis anschließbare Stromquelle zum Einbringen eines definierten Stroms in den Stromkreis;
- – Messmittel zum Messen der für eine gewünschte Stimulation eines Nervs benötigten Spannung zwischen den beiden Elektroden und Mittel zur Ermittlung der notwendigen Versorgungsspannung für die Stromquelle;
- – einen Vergleicher zum Vergleichen der ermittelten benötigten Spannung mit der ersten Spannung;
- – Mittel zum Verändern der ersten Spannung auf eine geringere zweite Spannung für den Fall, dass die benötigte Versorgungsspannung unterhalb der ersten Spannung liegt, und/oder zum Verändern der ersten Spannung auf eine höhere zweite Spannung für den Fall, dass der definierte Strom nicht erreicht werden kann.
-
Vorzugsweise ist ein Boost-Konverter (Hochsetzsteller) vorhanden, mit dem die Batteriespannung auf einen höheren Wert gebracht werden kann.
-
Der Vergleicher und/oder die Mittel zum Verändern der ersten Spannung auf eine zweite Spannung können als reine Software-Elemente ausgeführt sein. Möglich ist es aber auch, dass der Vergleicher und/oder die Mittel zum Verändern der ersten Spannung auf eine zweite Spannung als Hardware-Elemente ausgeführt sind. Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass die genannten Elemente teils als Software-Elemente und teils als Hardware-Elemente ausgeführt sind.
-
Der Stromkreis weist vorzugsweise eine H-Brücke zur Erzeugung eines biphasischen Stromverlaufs auf. Eine H-Brücke ist eine Schaltungstopologie, die als solche bekannt ist und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird, insbesondere um Symmetrieeffekte zur Erhöhung der Genauigkeit einer Messschaltung zu nutzen, eine Vereinfachung der Stromversorgung von Verbrauchern mit Wechselgrößen (z. B. Motoren) oder eine Regelung der Leistungsaufnahme von Verbrauchern zu realisieren. Letzteres erfolgt in der Regel über eine Pulsbreiten- oder Pulspaketsteuerung.
-
Die Stimulationsvorrichtung kann weiterhin mindestens einen Sensor zur Erfassung einer elektrischen oder physiologischen Größe aufweisen, insbesondere einen Sensor zur Messung des Widerstands zwischen den Elektroden und/oder einen Sensor zur Messung des Pulses, einen Sensor zur Messung der Herzratenvariabilität, sowie Mittel zum Speichern der vom Sensor gemessenen Werte.
-
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe setzt demgemäß die Erfindung über die Regelung des Ausgangsstromes eine zweite Regelung der Eingangsspannung (insbesondere der H-Brücke). Das heißt, die Brücke selber verschiebt ihren Arbeitspunkt dynamisch mit jeder Änderung der Last.
-
Der Effekt ist dann bei einem Strom von 100 Mikroampere, dass beispielsweise anstatt 100 V bei 10 kOhm Last nur noch z. B. 2 V an die Brücke angelegt werden, damit die Leistungsaufnahme von 10 Milliwatt auf 0,2 Milliwatt sinkt und der Wirkungsgrad von rund 1% auf 50% steigt.
-
Das führt vorteilhaft zu einer erheblichen Verlängerung der Batterielaufzeit.
-
Mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise bzw. Ausgestaltung wird auch erreicht, dass man zum einen schnell den gewünschten optimalen Arbeitspunkt erreicht und es zum anderen auch möglich wird, zum Lastausgleich die Spannung wieder zu erhöhen.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
-
Die einzige Figur zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten eines Schaltplans einer Stimulationsvorrichtung, mit der auf ein Ohr eines Menschen ein transkutaner Stimulationsstrom aufgebracht werden kann.
-
Die Figur zeigt schematisch eine Stimulationsvorrichtung 1, die eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 umfasst. Die beiden Elektroden werden in Kontakt mit der Haut eines Ohres 4 gebracht, auf das ein transkutaner Stimulationsreiz aufgebracht werden soll. Die dafür benötigte Elektrizität stellt eine Batterie 5 zur Verfügung.
-
Die Batterie 5 hat zumeist nur eine geringe Ausgangsspannung, beispielsweise 3 V. Der Stromkreis, mit dem die Stimulation erfolgt, hat indes eine wesentlich höhere erste Spannung U1 nötig, so dass die Batteriespannung UB mittels eines Boost-Konverters 7 (Hochsetzsteller) auf einen Ausgangswert von vorliegend 100 V gebracht wird.
-
Ziel ist es, einen vorgegebenen Strom I zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 wirksam werden zu lassen. Allerdings hängt es sehr wesentlich vom Widerstand zwischen den Elektroden 2 und 3 ab, welche Spannung (in Form der nachfolgend genannten ersten Spannung U1) an den Stromkreis angelegt werden muss, um dann den entsprechenden Strom I zu erreichen.
-
Dieser Widerstand kann in weiten Bereichen schwanken. Hierbei ist zum Beispiel entscheidend, welche Kontaktverhältnisse zwischen Elektroden und Hautoberfläche vorliegen. Dies wird zum Beispiel wesentlich durch den Grad der Fettigkeit der Hautoberfläche, die Fläche der Elektroden und den Anpressdruck der Elektroden bestimmt.
-
Um diesbezüglich energieoptimal zu arbeiten, wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird über den Boost-Konverter 7 ausgehend von der Batteriespannung UB die erste Spannung U1 erzeugt und diese an den Stromkreis angelegt. Ausgehend von zunächst 3 V Batteriespannung kann dann die erste Spannung U1 bei beispielsweise 45 V liegen.
-
Die in den Stromkreis eingebrachte Stromquelle 6 ist in der Figur nur sehr schematisch dargestellt. Die Stromquelle 6 sorgt dafür, dass ein definierter Strom I0 fließt. Dieser Strom entspricht dem gewünschten Wert für die transkutane Stimulation. Der Stromkreis, in dem die Stromquelle 6 wirkt und in der der definierte Strom I0 fließt, ist in der Figur gestrichelt eingetragen, d. h. er fließt von der Stromquelle 6 auf kurzem Wege über die beiden Elektroden 2 und 3 und über die stimulierte Region des Ohrs 4.
-
Nunmehr wird die benötigte Spannung zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 gemessen und hieraus die notwendigen Versorgungsspannung UQ für die Stromquelle 6 ermittelt, die im Stromkreis aufzubringen ist, um die gewünschten Verhältnisse zu erzeugen, d. h. den Sollstrom zu erzeugen.
-
Jetzt erfolgt ein Vergleich dieser ermittelten benötigten Versorgungsspannung UQ mit der ersten Spannung U1:
Für den Fall, dass die benötigte Versorgungsspannung UQ unterhalb der ersten Spannung U1 liegt, wird die erste Spannung U1 auf einen geringeren zweiten Wert U2 reduziert. Beispielsweise kann die erste Spannung U1 von ursprünglich 45 V auf 40 V zurückgenommen werden.
-
Liegt der besagte Fall nicht vor, wird die erste Spannung U1 beibehalten.
-
Im Falle, dass der gewünschte Strom nicht erreicht werden kann, kann die Spannung auch erhöht werden, beispielsweise auf 50 V.
-
Diese Vorgehensweise wird im Sinne eines Regelkreises periodisch wiederholt, so dass als erste Spannung U1 im Ergebnis nur derjenige Wert eingeregelt wird, der tatsächlich bei den gegebenen Widerstandsverhältnissen für die Erzeugung des gewünschten Stimulationsstroms benötigt wird.
-
Man kann also sagen, dass einem (Haupt)Regelkreis der Regelung des Stimulationsstroms ein (Unter)Regelkreis überlagert ist, der durch die erläuterte Vorgehensweise die erste Spannung U1 auf einen optimalen Wert einregelt.
-
In der Figur ist zu sehen, dass die Schaltungsanordnung als H-Brücke ausgebildet ist. Dies erlaubt es, einen biphasischen Stromverlauf (also einen solchen mit positiven und negativen Anteilen) zu realisieren. Der Strom kann demgemäß in zwei verschiedenen Pfaden, nämlich in einem ersten Pfad 8 und in einem zweiten Pfad 9 fließen; bewerkstelligt wird dies durch einen ersten Schalter 10 bzw. einen zweiten Schalter 11.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stimulationsvorrichtung
- 2
- Elektrode
- 3
- Elektrode
- 4
- Ohr
- 5
- Batterie
- 6
- Stromquelle
- 7
- Boost-Konverter
- 8
- erster Strompfad
- 9
- zweiter Strompfad
- 10
- erster Schalter
- 11
- zweiter Schalter
- U1
- erste Spannung
- U2
- verminderte zweite Spannung
- I
- Strom
- I0
- definierter Strom
- UQ
- Versorgungsspannung
- UB
- Batteriespannung
