DE102017113581A1

DE102017113581A1 - Elektronische Schaltung zur magnetischen Neurostimulation und zugehörige Steuerung

Info

Publication number: DE102017113581A1
Application number: DE102017113581.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Forbencap De GmbH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20
Also published as: US20180361168A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung kurzer Strompulse mittels einer elektronischen Schaltung mit mindestens zwei elektrischen Schaltern und mindestens einem elektrischen Energiespeicher, wobei mindestens eine elektronische Steuerungseinheit (1001) zur Ansteuerung der mindestens zwei elektrischen Schalter elektrische Signale aussendet, die auf Basis eines vorgegebenen Musters für einzustellende Schalterzustände der mindestens zwei elektrischen Schalter codiert werden, als codierte elektrische Signale über eine elektrische Signalübertragungsleitung (1004, 1006) zu mindestens einem Decoder (1005) geleitet und von dem mindestens einen Decoder in jeweilige einen jeweiligen einzustellenden Schalterzustand eines einzelnen der mindestens zwei Schalter beschreibende Schaltersteuersignale decodiert werden, wobei die jeweiligen Schaltersteuersignale an die jeweiligen mindestens zwei Schalter geleitet und dort entsprechend umgesetzt werden, wobei an einem Ausgang der elektrischen Schaltung zur Anregung mindestens einer Stimulationsspule Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als fünf Millisekunden bereitgestellt werden, so dass die mindestens eine Stimulationsspule magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die mindestens eine Stimulationsspule so ausgeführt wird, dass ein von ihr erzeugtes Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Stimulationspulsen zur induktiven Neuronreizung, insbesondere auf Schaltungen zur Erzeugung von Magnetstimulationspulsen und deren Steuerung, unter anderem für die periphere sowie die transkranielle Magnetstimulation (TMS).
Stand der Technik
Die Magnetstimulation, bei welcher durch von außen einwirkende elektromagnetische Felder im Körpergewebe bestimmte Zellen gereizt werden, darunter in erster Linie Neuronen, beispielsweise in Nerven, und Muskelzellen, gilt als die derzeit einzige schmerzfreie nicht-invasive Methode zur Reizung von Neuronen im Gehirn eines Patienten. Daneben findet sie in den letzten Jahren auch vermehrt Anwendungen in der Peripherie des Nervensystems, beispielsweise für die medizinische Rehabilitation, der Diagnose, der Erforschung des Nervensystems sowie der oft transsynaptischen Wechselwirkung von peripheren und zentralnervösen Signalen.
Die Magnetstimulation beruht üblicherweise auf dem Prinzip der magnetischen Induktion. Eine bewegliche oder fest installierte Leiterspule, die sogenannte Stimulationsspule, wird in der Nähe eines Probanden, Patienten oder zu stimulierenden Tieres platziert und von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflossen, so dass sich ein entsprechend zeitlich verändertes Magnetfeld einstellt, welches das zu stimulierende Gewebe durchdringt und darin elektrische Felder induziert. Diese Felder sowie von diesen verursachte Ströme wiederum stimulieren Neuronen, Muskelzellen und andere reizbare Strukturen. Stand der Technik sind Stimulationsspulen, die bestimmten Stimulationseigenschaften besonders gut nachkommen, darunter beispielsweise die Eindringtiefe, eine besonders hohe Fokalität der Reizung durch räumliche Konzentration der induzierten Felder oder gezielte Reizung mehrerer Ziele oder Areale [Z.-D. Deng, S. H. Lisanby, A. V. Peterchev (2013). Electric field depth-focality tradeoff in transcranial magnetic stimulation: Simulation comparison of 50 coil designs. Brain Stimulation, 6(1):1-13.]. Ein Vorteil der induktiven Magnetstimulation liegt in der Berührungslosigkeit, da Felder auch über eine gewisse räumliche Distanz in das Zielgewebe induziert werden können. Zudem ist das Verfahren im Gegensatz zur elektrischen Stimulation über Elektroden nahezu völlig schmerzfrei, da hohe Stromdichten in Gebieten mit hoher Nociceptordichte, beispielsweise der Haut, vermieden werden. Das Verfahren eignet sich aus diesen Gründen auch gut zur Reizung tiefliegender Gewebestrukturen, z. B. der Gehirnrinde durch den Schädelknochen hindurch, sowie zur schmerzfreien Muskelstimulation.
Neben der Einbringung von einzelnen Signalen in Neuronen, Muskelzellen oder anderen reizbaren Strukturen im Körper ermöglicht die Magnetstimulation ferner sogenannte Neuromodulation. Mithilfe bestimmter sogenannter Protokolle, in der Regel besonderer Pulsrhythmen, kann beispielsweise die Reizbarkeit von neuronalen Netzwerken gezielt verändert werden. Die Neuromodulation ist momentan eine der wichtigsten Anwendungen der Magnetstimulation im medizinischen Bereich sowie in der Wissenschaft. Allerdings sind die mit konventionellen Geräten erreichbaren neuromodulatorischen Effektstärken sehr schwach. Die bislang geringe erreichbare Effektstärke der Neuromodulation mit Magnetpulsen ist ein zentrales Problem des medizinischen Einsatzes von Magnetstimulation.
Obwohl die zur Stimulation erforderlichen Potentialschwankungen an der Neuronmembran im Bereich von nur einigen wenigen Millivolt liegen, erfordern gegenwärtig verfügbare Stimulationsgeräte dennoch Pulsleistungen im Megawatt-Bereich mit einer Abwärme von teilweise mehreren Kilowatt. Die Stimulationsspule erwärmt sich im Pulsbetrieb in der Regel so stark, dass die Anwendungsdauer oft auf nur wenige Minuten begrenzt ist.
Ein sehr effektiver Weg zur Steigerung der energetischen Effizienz und zur Verringerung der Wärmeentwicklung ist in der wissenschaftlichen Literatur besprochen [S. M. Goetz, N. C. Truong, M. G. Gerhofer, A. V. Peterchev, H.-G. Herzog, T. Weyh (2012). Optimization of magnetic neurostimulation waveforms for minimum power loss. Proc. IEEE EMBC 2012:4652-4656; S. M. Goetz, C. N. Truong, M. Gerhofer, A. V. Peterchev, H.-G. Herzog, T. Weyh (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS ONE 8(3):e55771.]. Im Gegensatz zu sinusförmigen Stromverläufen des Pulses in der Stimulationsspule, sogenannten Pulsformen, werden neuartige entsprechend optimierte Stromverläufe zur Induzierung der reizenden Felder vorgeschlagen.
Ebenso wurden deutlich stärker neuromodulierende Pulsformen ermittelt und experimentell bestätigt [S. M. Goetz, B. Luber, S. H. Lisanby, C. I. Kozyrkov, W. M. Grill, and A. V. Peterchev (2013). Enhancement of rTMS neuromodulatory effects with novel waveforms demonstrated via controllable pulse parameter TMS (cTMS). 52nd Meeting of the American College of Neuropsychopharmacology, Hollywood, FL; J. Taylor, C. K. Loo (2007). Stimulus waveform influences the efficacy of repetitive transcranial magnetic stimulation. Journal of Affective Disorders, 97(1-3):271-276. S. M. Goetz, B. Luber, S. H. Lisanby, D. L. K. Murphy, I. C. Kozyrkov, W. M. Grill, A. V. Peterchev (2016). Enhancement of Neuromodulation with Novel Pulse Shapes Generated by Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation. Brain Stimulation, 9(1):39-47].
Während die Pulsform als Schlüsselparameter für diverse Anwendungen der Magnetstimulation identifiziert wurde, sind erhältliche Geräte aus dem Stand der Technik aus prinzipiellen Gründen nicht in der Lage, die Pulsform zu ändern. Hauptgrund der starken Limitierung der Pulsform, in der Regel auf sinusförmige Verläufe, sind die hohen Ströme sowie die hohen spektralen Anteile von reizfähigen Pulsen. Eine konventionelle Schaltungstopologie zur Erzeugung von kontrollierten magnetischen Pulsen hoher Intensität für die transkranielle Magnetstimulation ist in 1 gezeigt. Sie umfasst einen Schwingkreis aus einem Hochspannungskondensator C, beispielsweise einem Folienkondensator, und einer Stimulationsspule L, welche über einen Schalter Q, beispielsweise einen Transistor, verbunden sind. Eine Ladeschaltung lädt den Kondensator C auf eine Spannung von mehreren 1000 V auf. Der Energieinhalt des Kondensators kann dabei einige 100 J betragen. Ein Schließen des Schalters Q initiiert dann den Stromfluss durch die Spule L und erzeugt dort das Stimulationsfeld. Der größte Teil der Energie geht jedoch als Abwärme über den Widerstand R verloren.
Eine Weiterentwicklung, welche hohe Flexibilität ermöglicht, ist die in 2 schematisch gezeigte Schaltungstopologie [A. V. Peterchev, D. L. K. Murphy, S. H. Lisanby (2011). Repetitive Transcranial Magnetic Stimulator with Controllable Pulse Parameters. Journal of Neural Engineering, 8(3):036016]. In dieser Halbbrückenkonfiguration wird die Stimulationsspule L über Schalter Q₁ bzw. Q₂ alternierend mit den Hochspannungskondensatoren C_p bzw. C_m verbunden. Die dem ersten Kondensator C_p beim Schließen des Schalters Q₁ entzogene Energie, welche nicht in der Spule L in den magnetischen Puls umgesetzt wird, kann zumindest teilweise an den zweiten Kondensator C_m zurückgespeist werden. Beim darauffolgenden Schließen des Schalters Q₂ speist der Kondensator C_m dann umgekehrt den Kondensator C_p, so dass die Abwärmeverluste im Vergleich zur Schaltkonfiguration der 1 geringer sind. Zusätzlich erhöht die Verwendung zweier unabhängiger Kondensatoren C_p und C_m mit jeweils getrennten Ladeschaltungen die Flexibilität bei der Erzeugung der Pulsformen.
Weiterentwicklungen dieser Technologie sind in der wissenschaftlichen Literatur [A.V. Peterchev (2011). Circuit Topology Comparison and Design Analysis for Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulators. Proc IEEE NES, 5:646-649; A. V. Peterchev, K. D'Ostilio, J. C. Rothwell, D. L. K.Murphy (2014). Controllable pulse parameter transcranial magnetic stimulator with enhanced circuit topology and pulse shaping. Journal of Neural Engineering, 11(5):056023.] und der Patentliteratur [ US 7,753,836 ; US 7,946,973 ] erläutert. Diese Technologien verwenden gekoppelte umschaltbare Oszillatoren, um die hohe elektrische Leistung für einen Puls bereitzustellen, und erhöhen die Flexibilität auf abschnittweise rechteckige Pulse mit mehr als zwei Phasen, sind jedoch nicht in der Lage, beliebige Pulsverläufe ähnlich einem Digital-Analog-Wandler zu erzeugen. Derartige Flexibilität zeigt sich jedoch als unumgänglich, um die als besonders vorteilhaft erkannten Pulsformen beispielsweise für erhöhte Effizienz und verminderte Spulenerwärmung, erhöhte Neuromodulationsstärke oder geringere akustische Emissionen zu ermöglichen.
Aus diesem Grund können entsprechende Technologien, die beliebige Pulsformen erzeugen können, auf rege Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten verweisen. In EP 0 958 844 beschreiben Schweighofer et al. eine Technologie, die mithilfe einer Halbleiterschaltung und Pulsweitenmodulation beliebige Pulsformen zur Stimulation von Neuronen erzeugen soll. Als Halbleiter können Insulated-Gate-Bipolar-Transistors (IGBT) eingesetzt werden. Diese Halbleiterschalter sind zwar entgegen den meisten anderen etablierten Hochspannungsschaltern auch abschaltbar, haben jedoch das Problem einer sehr geringen Schaltgeschwindigkeit. Die mögliche Schaltgeschwindigkeit für die Pulsweitenmodulation liegt damit etwa im selben Frequenzbereich wie die Grundfrequenz typischer TMS-Pulse zwischen 3 kHz und 8 kHz. Für eine halbwegs genaue Generierung eines Pulses sollte jedoch die Schaltrate der Halbleiter mindesten eine Größenordnung über dem höchsten Frequenzanteil der Pulsform liegen. Wie sich in der Folgezeit dagegen herausstellte, werden bei derart hohen Schaltraten IGBT weit außerhalb ihrer Spezifikation belastet, die Schaltverluste steigen überproportional an und der IGBTs verschleißt rapide oder nimmt in der Regel bereits nach wenigen Pulsen dauerhaften Schaden. Aus diesem Grund ist noch immer kein einziges über längere Zeit funktionierendes Gerät dieser Technologie bekannt.
3 stellt eine alternative Technologie dar, die zur Erzeugung der hohen Pulsspannung von mehreren Tausend Volt und der hohen nötigen Schaltrate von mindestens mehreren Hundert Kilohertz die Pulsspannung als Summe der Ausgangsspannung einer Vielzahl von Brückenmodulen (4) darstellt [S. M. Goetz et al. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proc. EMBS. 4700-4703; US 13/030,239 ]. Jedes Brückenmodul oder kurz Modul besteht aus mehreren Halbleiterschaltern, im Folgenden kurz Schalter, und mindestens einem elektrischen Energiespeicherelement, kurz Energiespeicher, beispielsweise einem Kondensator. Die Schalter erlauben, eine bestimmte Anzahl an elektrischen Speichern gegenüber dem Ausgang, an dem die Stimulationsspule elektrisch leitend verbunden wird, elektrisch in Serie zu verbinden und die übrigen elektrischen Speicher zumindest mit einem ihrer jeweiligen Anschlüsse elektrisch abzukoppeln, so dass diese gegenüber der Stimulationsspule weder Ladung aufnehmen noch abgeben. Auf diese Weise können die Spannung an der Stimulationsspule sehr exakt in Stufen verändert und durch Schaltmodulation auch Zwischenwerte der Spannung mit der Genauigkeit unter einer Stufenhöhe erzeugt werden. Jedes Modul kann daher mehrere Zustände einnehmen, die durch die Zustände der einzelnen Schalter des Moduls (beispielsweise leitend oder nicht leitend) festgelegt werden. Die Zustände der Schalter aller Module definieren den Gesamtzustand des Systems.
Da diese Technologie die Ausgangsspannung in sehr kleinen Stufen erhöhen oder verringern und zudem die individuellen Halbleiterschalter der Module abwechselnd schalten kann, sodass die Schaltlast über alle Halbleiter hinweg verteilt wird, kann sie prinzipiell selbst Pulse mit sehr hohen Frequenzanteilen mit geringer Verzerrung erzeugen und umgeht die entscheidenden Probleme von Hochspannungsschaltungen, wie beispielsweise aus Schweighofer et al. Ferner ist aufgrund der höheren Verfügbarkeit der Einsatz einer Vielzahl von kostengünstigen Niederspannungshalbleitern deutlich günstiger als wenige Hochspannungshalbleiter.
Die oben genannte Technologie erlaubt lediglich eine Serienschaltung von Modulen, weshalb jedes Modul auf den maximal zu erwarteten Strom auszulegen ist. Da ferner der größte Strom jedoch aufgrund der nahezu ausschließlich induktiven Last in Form der Stimulationsspule in der Regel vor allem bei geringen Spannungen fließt, wird in dieser Zeit der Strom lediglich von einer kleinen Zahl von Modulen und deren Modulkondensatoren bereitgestellt. Der Innenwiderstand und die verfügbare Kapazität sind daher sehr ungünstig. Eine Weiterentwicklung der obigen Technologie ermöglicht einen dynamischen Wechsel zwischen Seriell- und Parallelschaltung der Module, so dass bei geringen Spannungen ein Großteil der Module parallel verschaltet werden kann, während bei höheren Spannungen mehr und mehr Module in eine Serienschaltung überwechseln [ US 13/990,463 ].
Als Schaltzustand eines Moduls, kurz Zustand, wird die Art bezeichnet, in der oder die Schalter des Moduls aktiviert oder deaktiviert werden, um mindestens einen elektrischen Energiespeicher des Moduls elektrisch leitend mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher mindestens eines anderen Moduls in unterschiedlicher Art, der sogenannten Konnektivität, zu verbinden oder explizit nicht zu verbinden (d. h. offener Stromkreis bzw. getrennte Verbindung), so dass mehrere Module zusammen eine elektrische Spannung erzeugen. Beispiele für mögliche Konnektivitäten von elektrischen Energiespeichern sind Parallelschaltung und Seriellschaltung, Kombinationen von elektrischen Energiespeichern, sowie unverbundene oder nur mit einem Kontakt verbundene Energiespeicher. Module sind in der Regel in der Lage, mindestens zwei der folgenden Zustände oder Konnektivitätsformen durch elektrische Schalter der Module darstellen zu können:

(a) Der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe von elektrischen Schaltern mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls in Serie geschaltet;
(b) der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe von elektrischen Schaltern mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls parallel geschaltet;
(c) der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe von elektrischen Schaltern gebypasst, was bedeutet, dass der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls nur mit maximal einem seiner mindestens zwei elektrischen Kontakte mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls elektrisch leitend verbunden ist und somit kein geschlossener Stromkreis mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls vorliegt.

Obwohl diese Technologien grundsätzlich die Erzeugung beliebiger Pulsformen ermöglichen und im Gegensatz zu alternativen Ansätzen keine Leistungshalbleiter über Gebühr belasten oder geringe Pulsqualität liefern, verfügen sie über entscheidende Nachteile. Für die Erzeugung typischer Magnetstimulationspulse mit einer Spannung von mehreren Tausend Volt und Strömen von mehreren Tausend Ampere wird eine Vielzahl an Brückenmodulen benötigt. Jedes dieser Module setzt mehrere individuelle Schalter ein, zumeist zwischen vier und acht Schalter, die unabhängig voneinander ansteuerbar sein sollten, um freie Pulsformen zu erzeugen. Die hohe Zahl an unabhängig anzusteuernden Schaltern führt zu einer Vielzahl an bereitzustellenden Steuersignalen. Typische Microprozessoren, Microcontroller, Signalprozessoren und ähnliche Bausteine stellen in der Regel etwa 30 bis 80 Ein- und Ausgänge bereit. Höhere Anzahlen von Signalen werden in wenigen anderen technischen Anwendungen benötigt. Ferner limitieren heutige Gehäusetypen die Anzahl an Ein- und Ausgängen, die aus einem Halbleiterchip nach außen geführt werden können.
Für einen Aufbau von beispielsweise lediglich vierzig Modulen mit jeweils 75 V Spannung, die eine Ausgangsspannung von 3000 V erzeugen können, summiert sich die Anzahl der nötigen Steuerleitungen von der in einem oder mehreren Microprozessoren implementierten Steuerungseinheit auf 160 bis 320, die ferner mit hoher zeitlicher Genauigkeit und hoher Datenrate benötigt werden. Typische Updateraten der Steuerleitungen liegen dabei bei weniger als 1 ms, vorzugsweise unter 1 µs, um geringe Verzerrungen der Pulsform zu gewährleisten. Wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit der in der Regel eingesetzten Feldeffekttransistoren von gewöhnlich unter 100 ns ist darüber hinaus eine zeitliche Genauigkeit der Signale deutlich unter der genannten Schaltgeschwindigkeit nötig. Folglich ist eine sehr akkurate Signalgenerierung einer großen Anzahl von parallelen Kanälen mit hoher Signalrate in Echtzeit nötig. Technisch ist dies nur mit sehr teuren und seltenen Bauteilen darstellbar. Die in anderen technischen Bereichen übliche Synchronisierung mehrerer Prozessoren zur Erzeugung der Vielzahl von parallelen Kanälen ist aufgrund der nötigen hohen zeitlichen Genauigkeit, die Jitter von typischerweise über 100 ns verbietet, nur sehr schwer möglich.
Ein zweites zentrales Problem dieser flexiblen Technologie aus dem Stand der Technik ist die hohe Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen. Die von den Halbleiterschaltern gesteuerten Stromstärken überschreiten in der Regel mehrere Tausend Ampere und werden in unmittelbarer Nähe zu den Steuersignalen zu- und abgeführt. Aus diesem Grund verfügt die oben genannte flexible TMS-Technologie über das untolerierbare Problem, dass der zu steuernde Strom auf die Steuerleitung rückwirkt und die von ihm in den Steuerleitungen erzeugten Signale sogar um Größenordnungen höher sind als die gewollten Steuersignale der Steuerungseinheit des Gerätes. Ein nicht mehr vollumfänglich von der Steuerungseinheit gemäß den Vorgaben kontrollierter sondern sich selbst beeinflussender Stimulator ist jedoch nicht nur für viele Einsatzgebiete unpraktikabel, sondern wegen der hohen Energien und der Arbeit am Nervensystem, beispielsweise dem Gehirn, sicherheitskritisch.
Vergleichbare Halbleiterschaltungen aus der Energietechnik kontrollieren zwar ebenso hohe Leistungen im Megawattbereich sowie darüber, jedoch besitzen die Halbleiterschalter aus der oben genannten flexiblen TMS-Technologie im Gegensatz zu solchen ähnlichen Technologien aus der Energietechnik, die fast ausnahmslos äußerst langsame Hochvoltbauelemente wie Insulated-Gate-Bipolar-Transistors (IGBT) und Thyristoren einsetzen, sehr kurze Ansprechzeiten und kleine Gate-Kapazitäten. Die Hochvoltbauelemente in der Energietechnik benötigen selbst am Steuereingang, dem Gate, Ströme von mehreren Ampere zum Wechsel zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand, wodurch das Verhältnis von gesteuertem Strom und zu steuerndem Strom während der Umschaltung vergleichsweise gering ist. Da folglich elektromagnetische Störungen ebenfalls bereits im Amperebereich liegen müssen, um merklichen Einfluss zu haben, ist das Gate der Halbleiter von ähnlichen energietechnischen Schaltungen deutlich unempfindlicher gegenüber selbst erzeugten elektromagnetischen Störungen. Neben dieser Unempfindlichkeit aufgrund der hohen nötigen Steuerströme sind die entsprechenden Halbleiter um mehrere Größenordnungen langsamer. Folglich haben hochfrequente oder kurze elektromagnetische Einstreuungen (oft als Salt-and-Pepper-Noise oder Interferenzspitzen bezeichnet) vernachlässigbare Wirkung, da die Trägheit der Bauelemente diesen nicht folgen könnte.
Die Verwendung lediglich eines Signalkanals je Halbbrücke aus zwei elektrisch in Serie verschalteten Schaltern, wie in der Energietechnik üblich, würde zwar die Anzahl der nötigen Leitungen verringern, ist jedoch für die oben angesprochenen flexiblen TMS-Technologien in der Regel nicht anwendbar, da mit diesem einen binären Signalkanal die beiden Schalter der Brücke abwechselnd aktiviert werden und somit stets ein Schalter der Brücke leitend wäre. Allerdings ist für viele Pulse in der Magnetstimulation bei unbekannten oder nicht exakt bekannten elektrischen Eigenschaften der Stimulationsspule auch der Zustand vonnöten, in dem keiner der beiden Schalter von der Steuerungseinheit aktiviert wird, sondern lediglich Dioden (Freilaufdioden, siehe US 13/990,463 ; US 13/030,239 ; S. M. Goetz et al. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proc. EMBS. 4700-4703.) als Gleichrichterelemente den Strom gemäß seiner Fließrichtung leiten. Dieser Zustand wird in der Regel als passiv bezeichnet, da kein gezieltes Aktivieren von Schaltern durch die Steuerungseinheit vonnöten ist und die Steuerungseinheit nicht den Strom an der Stimulationsspule zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes kennen muss. Stattdessen kann der passiv-Zustand zur Entladung der Energie der Induktivität der Stimulationsspule durch gezieltes Deaktivieren von Schaltern verwendet werden.
Da die Halbleiter der oben genannten flexiblen TMS-Technologien dazu im Gegensatz in der Regel über sehr sensitive Niederspannungshalbleiter, insbesondere Feldeffekttransistoren (FET), implementiert werden, die Reaktionszeiten im Nanosekundenbereich und sehr geringe Steuerströme benötigen, sind typische Lösungen aus der Energietechnik nur sehr begrenzt anwendbar.
Optische Steuerleitungen anstatt elektrischer, wie sie in der Energietechnik verbreitet ist, würden die Kosten des Stimulationsgerätes deutlich erhöhen und diese für gewöhnliche medizinische Praxen oder wissenschaftliche Labore unbezahlbar werden lassen. Ferner sind, im Gegensatz zur Energietechnik, für den Kleinspannungsbereich direkt optisch gesteuerte Halbleiter nicht verbreitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, wenigstens einige der Nachteile des Stands der Technik zu adressieren. Zumindest soll zu bekannten Lösungen wenigstens eine Alternative vorgeschlagen werden.
Offenbarung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche. Weitere jeweilige Ausgestaltungen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Es wird ein Verfahren zur Erzeugung kurzer Strompulse mittels einer elektronischen Schaltung mit mindestens zwei elektrischen Schaltern und mindestens einem elektrischen Energiespeicher vorgeschlagen, wobei mindestens eine elektronische Steuerungseinheit zur Ansteuerung der mindestens zwei elektrischen Schalter elektrische Signale aussendet, die auf Basis eines vorgegebenen Musters für einzustellende Schalterzustände der mindestens zwei elektrischen Schalter codiert werden, als codierte elektrische Signale über eine elektrische Signalübertragungsleitung zu mindestens einem Decoder geleitet und von dem mindestens einen Decoder in jeweilige einen jeweiligen einzustellenden Schalterzustand eines einzelnen der mindestens zwei Schalter beschreibende Schaltersteuersignale decodiert werden, wobei die jeweiligen Schaltersteuersignale an die jeweiligen mindestens zwei Schalter geleitet und dort entsprechend umgesetzt werden, wobei an einem Ausgang der elektrischen Schaltung zur Anregung mindestens einer Stimulationsspule Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als fünf Millisekunden bereitgestellt werden, so dass die mindestens eine Stimulationsspule magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die mindestens eine Stimulationsspule so ausgeführt wird, dass ein von ihr erzeugtes Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzen kann.
Der mindestens eine elektrische Energiespeicher ist dazu ausgelegt, einen Teil oder die gesamte für die magnetischen Feldpulse benötigte Energie zu speichern.
Dabei liegen die vom Magnetfeld der Simulationsspule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim Zehnfachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme.
In bevorzugter Ausgestaltung ist dabei eine durchschnittliche Datenrate oder eine durchschnittliche Redundanz der codierten elektrischen Signale niedriger als entsprechend eine durchschnittliche Datenrate oder eine durchschnittliche Redundanz der durch den mindestens einen Decoder zu Schaltersteuersignalen decodierten Signale.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Strompulse mittels einer elektronischen Schaltung mit mindestens zwei elektrischen Schaltern und mit mindestens einer elektrischen Energieversorgung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung mindestens umfasst: eine elektronische Steuerungseinheit, die dazu konfiguriert ist, zur Ansteuerung der mindestens zwei elektrischen Schalter elektrische Signale auszusenden, die als codierte elektrische Signale über eine elektrische Signalübertragungsleitung zu mindestens einem Decoder zu leiten sind, den mindestens einen Decoder, der dazu konfiguriert ist, die codierten elektrischen Signale in jeweilige einen jeweiligen einzustellenden Schalterzustand eines einzelnen der mindestens zwei Schalter beschreibende Schaltersteuersignale zu decodieren, wobei die jeweiligen Schaltersteuersignale bei Umsetzung an den jeweiligen mindestens zwei Schaltern dergestalt sind, dass an einem Ausgang der elektronischen Schaltung zur Anregung mindestens einer Stimulationsspule Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als fünf Millisekunden bereitgestellt werden, so dass die mindestens eine Stimulationsspule bei Anregung mit diesen Strompulsen magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen.
In möglicher Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Codierungseinheit, die dazu konfiguriert ist, auf Basis eines vorgegebenen Musters für einzustellende Schalterzustände der mindestens zwei elektrischen Schalter von der elektronischen Steuerungseinheit auszusendende bzw. ausgesendete elektrische Signale zu codieren und als codierte elektrische Signale über eine elektrische Signalübertragungsleitung zu mindestens einem Decoder zu leiten.
In möglicher Ausgestaltung ist die mindestens eine Codierungseinheit in die Steuerungseinheit integriert bzw. ist die mindestens eine Codierungseinheit Teil der Steuerungseinheit. In weiterer Ausgestaltung ist die mindestens eine Codierungseinheit in mindestens eine der mindestens einen elektronischen Steuerungseinheit untergeordnete elektronische Schaltung integriert. Alternativ dazu kann die Codierungseinheit auch als separate Einheit, beispielsweise in Form eines Encoders vorgesehen sein bzw. einen Encoder umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die durchschnittliche Datenrate oder die durchschnittliche Redundanz der elektrischen Signale niedriger als entsprechend die durchschnittliche Datenrate oder die durchschnittliche Redundanz der durch den mindestens einen Decoder zu Schaltersteuersignalen decodierten Signale.
Die vorliegende Erfindung stellt eine neuartige Lösung zur Behebung der Probleme im Stand der Technik vor. In erster Linie ermöglicht die Erfindung eine Verringerung der Steuerleitungen, sodass die Steuerung des Systems in der Form mindestens einer Steuerungseinheit mit gewöhnlichen Microprozessoren aus dem Stand der Technik erfolgen kann. Ferner verringert sie die Anfälligkeit für elektromagnetische Einstreuungen und Interferenzen, sowohl aus externen Quellen als auch im Besonderen durch den eigenen, vom Magnetstimulator erzeugten Pulsstrom und dessen Schaltübergängen und Schaltspitzen.
Obwohl zur Erzeugung beliebiger Pulsformen jeder Halbleiterschalter individuell angesteuert werden muss, ist die Gesamtheit der Steuerleitungen hochgradig musterbehaftet. Ferner sind nicht alle Kombinationen an Schaltzuständen für das Ziel der Erzeugung beliebiger Pulsformen notwendig. Während diese Eigenschaften in der vorliegenden Erfindung gezielt genutzt werden, war der bisherige Konsens in der technischen Gemeinde der Magnetstimulation, dass die hohe Zahl an Steuerleitungen der notwendige Preis für den Erhalt der bisher ungekannten Flexibilität darstellt. Nutzbare Muster in den Schaltzuständen wurden nicht als naheliegend betrachtet, da die hohe Zahl von Schaltern und die Abhängigkeit der Schaltzustände der Schalter untereinander zu einer hohen Komplexität führen, die den Blick auf einfache Strukturen verdeckt. Aus diesem Grund werden die Steuersignale in existierenden Systemen ausschließlich computergestützt generiert und nicht manuell, sodass selbst nach einer gezielten numerischen Entropieanalyse lediglich die Shannon'sche Redundanz bekannt wäre, jedoch keine natürliche Kompressionsmöglichkeiten deutlich würden. Die Komplexität aufgrund der hohen Zahl an Signalen wird ferner durch Schaltmodulation erhöht, die sehr schnelle Wechsel zwischen unterschiedlichen und in der Regel nicht wiederkehrenden Schaltzuständen verursacht.
Zur Verringerung verwendet die Erfindung an mindestens einer Stelle der Übertragung der Steuersignale eine Codierung, sodass nicht mehr ein Signal je unabhängig zu steuernden Schalter verwendet wird, sondern das Steuersignal Zustände und Teilzustände darstellt. Dabei kann im Sinne der Erfindung eine rein parallele Codierung, eine rein serielle Codierung und eine Mischung von paralleler und serieller Codierung zur Verringerung der Redundanz verwendet werden.
In einer rein parallelen Codierung definiert die Gesamtheit aller codierten Signale zu einem bestimmten Zeitpunkt den vollständigen Zustand aller Schalter eindeutig. In einer rein seriellen Codierung liegt lediglich ein Signalkanal vor, dessen Signal als serielles Signal nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern durch die Summe nacheinander übermittelter Signale den Zustand aller Schalter definiert. Die den Zustand aller Schalter bestimmenden nacheinander übermittelten Signale müssen dabei zu dem Zeitpunkt vollständig übermittelt sein, wenn die Schalter den entsprechenden Zustand einnehmen müssen. Die den Zustand aller Schalter bestimmenden nacheinander übermittelten Signale müssen allerdings nicht lückenlos aufeinanderfolgen, sondern können unterbrochen oder ineinander verschränkt (sogenanntes Interleaving) sein, wie dies beispielsweise in der Compact Disc (CD), z. B. gemäß dem Red-Book-Standard, zum Einsatz kommt. Bei einer Mischung von paralleler und serieller Codierung wird der Zustand jedes einzelnen Schalters in mehr als einem Signalkanal und zu mehr als einem Zeitpunkt definiert. Folglich definieren s nacheinander übermittelte Signale auf k parallelen Kanälen den Zustand eines jeden Schalters.
Ferner kann eine Folgencodierung verwendet werden, die ebenso als rein parallele, rein serielle oder gemischt parallel serielle Codierung vorliegen kann. Bei der Folgencodierung werden für die eindeutige Definition des Zustands eines jeden Schalters zudem der Zustand eines jeden Schalters zu einem oder mehreren Zeitpunkten der Vergangenheit benötigt. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Folgencodierung um eine differentielle Codierung, bei dem ein Signal als Differenz zu einem vorhergehenden Signal dargestellt wird. Ferner sind auch kompliziertere Folgencodierungen möglich, die beispielsweise mit Schieberegistern implementiert werden können. Ein Beispiel für eine kompliziertere Folgencodierung sind Reed-Solomon- oder Faltungscodes.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Codierungseinheit durch die mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine ihr untergeordnete elektronische Schaltung realisiert, d. h. die mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine ihr untergeordnete elektronische Schaltung erzeugt eine Codierung, die weniger Signalleitungen und/oder einer geringeren Datenrate bedarf als die Ansteuerung jedes Schalters mit je einer Leitung aus dem Stand der Technik. Durch die geringere Zahl können die Steuersignale in ihrer Gesamtheit für das vollständige System in einer Steuerungseinheit erzeugt und von dieser trotz deren in der Regel geringen Anzahl von Ein- und Ausgängen elektronisch ausgegeben werden.
Eine oder mehrere elektronische Schaltungen gelten als einer oder mehreren Steuerungseinheiten untergeordnet, wenn diese eine oder mehreren elektronischen Schaltungen elektrische Steuersignale von der einen oder den mehreren Steuerungseinheiten empfangen und verarbeiten.
Ferner können optional ein oder mehrere separate Encoder implementiert werden, die die Codierung auf der Basis von Steuerungssignalen der mindestens einen Steuerungseinheit oder mindestens einer ihr untergeordneten elektronischen Schaltung in der Form vornimmt, dass dessen mindestens eine Ausgangssignal einer geringeren Datenrate bedarf als eine Ansteuerung jedes Schalters mit je einer Leitung nach dem Stand der Technik.
Mindestens ein Decoder ermittelt aus dem mindestens einen codierten Signal den erforderlichen Zustand mindestens eines elektrischen Schalters. Ein Decoder im Sinne der Erfindung kann nur einen Teil des mindestens einen Signals empfangen, im Falle über parallele Kanäle übertragener Signale beispielsweise lediglich einige Kanäle, im Falle seriell übertragener Signale beispielsweise durch Auswertung nur weniger Sendesymbole oder Bits aus dem gesamten Datenstrom des mindestens einen Kanals, im Falle von beispielsweise Kanalmultiplexing gemäß dem Code-Division-Multiplex-Access-Verfahren (CDMA) können nur ein oder wenige der Kanäle aus dem mindestens einen Signal extrahiert werden. Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist ferner, wenn sich der mindestens eine Decoder räumlich nah bei dem mindestens einen Schalter befindet, dessen Zustand der entsprechende Decoder ermittelt. Diese räumliche Nähe kann ferner durch geeignetes Schaltungslayout zur Verminderung von elektromagnetischer Interferenz ergänzt werden.
In Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Decoder je Modul, wobei ein jeweiliger Decoder eines Moduls dazu ausgelegt ist, jeweils lediglich eine Teilmenge einer Gesamtheit der von den Decodern empfangenen codierten elektrischen Signale zu empfangen, und/oder mindestens einen Decoder je Intermodulverbindung, wobei ein jeweiliger Decoder einer Intermodulverbindung dazu ausgelegt ist, jeweils lediglich eine Teilmenge der Gesamtheit der von Decodern empfangenen codierten elektrischen Signale zu empfangen, und/oder mindestens einen Decoder je Intermodulverbindungseinheit, wobei ein jeweiliger Decoder einer Intermodulverbindungseinheit dazu ausgelegt ist, jeweils lediglich eine Teilmenge der Gesamtheit der von Decodern empfangenen codierten elektrischen Signale zu empfangen.
In möglicher Ausgestaltung sind die Teilmengen der Gesamtheit der von Decodern empfangenen Signale nicht identisch.
In weiterer Ausgestaltung sind die Teilmengen der Gesamtheit der von Decodern empfangenen Signale paarweise disjunkt.
In weiterer Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner mindestens einen Kanalcodierer.
Dabei ist der mindestens eine Kanalcodierer dazu ausgelegt, elektronische Signale von dem mindestens einen Encoder zu erhalten.
Der mindestens eine Kanalcodierer kann dabei mit der mindestens einen elektronischen Steuerungseinheit oder mindestens einer der mindestens einen elektronischen Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung integriert sein.
In möglicher Ausgestaltung weist die elektronische Schaltung mindestens zwei Module auf, die jeweils mindestens einen elektrischen Energiespeicher und mindestens einen elektrischen Schalter umfassen, wobei die mindestens zwei Module zumindest zwei der folgenden Schaltzustände einnehmen können:

der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe der elektrischen Schalter mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls in Serie geschaltet;
der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe der elektrischen Schalter mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls parallel geschaltet;
der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe der elektrischen Schalter in Form eines Bypasses umgangen, was bedeutet, dass der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls nur mit höchstens der Hälfte seiner mindestens zwei elektrischen Kontakte mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls elektrisch leitend verbunden ist und somit kein geschlossener Stromkreis mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls vorliegt.

Vorteilhafterweise verwendet die Erfindung ein sogenanntes Code-Buch, das jedem benötigten Zustand des Systems oder Teilen des Systems, beispielsweise Modulen, Intermodulverbindungen (umfassend die Schalter eines Moduls und dessen unmittelbaren Nachbarn, d. h. eines Moduls, das elektrisch unmittelbar mit ersterem verschaltet ist, die die direkte elektrische Verbindungen zwischen den elektrischen Energiespeichern der beiden Module herstellen können) eine Codierung bzw. einen Eintrag zuordnet. Der Erfinder hat erkannt, dass ferner in bestimmten Systemen Zustände vorliegen, die nicht nur lediglich selten oder nicht benutzt werden, sondern deren Verwendung aus diversen Gründen, beispielsweise einem unvorteilhaften Energieausgleich oder der Gefahr eines Kurzschlusses eines oder mehrerer Energiespeicher aufgrund gleichzeitiger Aktivierung zweier oder mehrerer Schalter, die einen direkten geschlossenen Stromkreis zwischen den Anschlüssen des oder der genannten Energiespeicher verursachen, oder im Falle der Verwendung in einer Sequenz durch Erzeugung problematischer Übergangszustände, sogar abträglich ist. Gemäß diesem vorteilhaften Aspekt der Erfindung enthält das Code-Buch bevorzugter Weise lediglich die Zustände, die zwingend benötigt werden, um die gewünschte Flexibilität der Pulsform bereitzustellen. So genannte unerlaubte Zustände, beispielsweise solche Zustände, bei welchen zwei oder mehrere Schalter bei gleichzeitiger oder überlappender Aktivierung einen Energiespeicher kurzschlössen, werden nicht ins Code-Buch aufgenommen und sind somit prinzipiell nicht darstellbar. Gegebenenfalls können unerlaubte Zustände gezielt ermittelt und aus dem Code-Buch entfernt werden. Aus der Anzahl der Einträge im Code-Buch ergibt sich die Mindestdatenrate der Signale, die die mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine dieser Steuerungseinheit untergeordnete elektronische Schaltung an die Module übermitteln muss. Diese Signalübermittlung kann entweder rein parallel, rein seriell oder gemischt parallel seriell gemäß obigen Ausführungen erfolgen. Das Code-Buch kann minimal ausgeführt sein, das heißt, dass die minimale in der Regel binäre Wortlänge ermittelt wird, die nötig ist, um alle Einträge des Code-Buchs, somit alle benötigten Zustände, eindeutig darzustellen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann ein Wort rein parallel, rein seriell oder gemischt parallel seriell gemäß obigen Ausführungen elektronisch übertragen werden. Alternativ kann zusätzliche Redundanz hinzugefügt werden, um eine einfache Fehlererkennung oder Fehlerkorrektur zu ermöglichen. Um eine einfach Implementierung zu ermöglichen, werden im Sinne der Erfindung Paritätscodes und Faltungscodes bevorzugt.
Wenn beispielsweise im Falle einer binären Übertragung die Anzahl der Einträge im Code-Buch, folglich die Anzahl aller benötigten Zustände, nicht einer Zweierpotenz entspricht, entsteht derartige Redundanz automatisch.
Die Verwendung eines Code-Buchs mit einer fest definierten maximalen Zahl an Einträgen hat den Vorteil, dass die maximal zu erwartende Datenrate des oder der codierten Signale bekannt und im Sinne der Erfindung niedriger als die maximale Datenrate der decodierten Schaltersteuersignale ist. Schaltersteuersignale beschreiben dabei die Zustände zugehöriger Schalter. Beispielhaft können sie für jeden zugehörigen Schalter ein an/aus-Zustandsbit umfassen.
Im Sinne der Erfindung können auch andere Quellencodierungsverfahren zur Verminderung der durchschnittlichen Datenrate und/oder der durchschnittlichen Redundanz der codierten Signale zum Einsatz kommen [siehe J. Proakis (2001). Digital Communications. 4th edition, McGraw Hill, Boston.]. Besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindung sind dabei insbesondere solche Quellencodierungsverfahren, die eine maximale Datenrate zusichern können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt eine Magnetstimulationstechnologie aus dem Stand der Technik, die erstmalig geringe Flexibilität der Pulsform ermöglicht.
2 zeigt eine Weiterentwicklung der Magnetstimulationstechnologie aus 1, bei der zwischen zwei Hochspannungsoszillatoren kommutiert werden kann, jedoch keine beliebigen Pulse erzeugt werden können.
3 zeigt eine Magnetstimulationstechnologie aus dem Stand der Technik, die prinzipiell beliebige Pulsformen erzeugen kann. Hierzu werden N Module 301 - 304 so mit einer Stimulationsspule 305 verbunden, dass die Module durch dynamische Veränderung der Verschaltung ihrer Energiespeicher untereinander, unter anderem elektrisch in Serie und/oder elektrisch parallel, einen beliebigen Spannungs- und/oder Stromverlauf an den Anschlüssen der Stimulationsspule 305 erzeugen können. Die in den Modulen vorhandenen Schalter werden von mindestens einer Steuerungseinheit über mindestens einen elektrischen Steuerungsbus 306 angesteuert.
4 stellt zwei beispielhafte Modulschaltungen 401, 402 der Technologie aus 3 dar. Die Module enthalten mindestens einen Energiespeicher 403, 404 und mindestens zwei Halbleiterschalter, kurz Schalter 405 - 416, die mit jedem typischen Schaltelement implementiert werden können, vorzugsweise werden Feldeffekttransistoren eingesetzt. In der Regel werden die Schalter durch Freilaufdioden und ferner mit Schutzbeschaltungen (sogenannte Snubber) ergänzt. Die Schalter 405, 406, 409 - 412 links des Energiespeichers 403, 404 sowie deren Freilaufdioden und Schutzbeschaltung werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Seite A bezeichnet. Die Schalter 407, 408, 413-416 rechts des Energiespeichers 403, 404 sowie deren Freilaufdioden und Schutzbeschaltung werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Seite B bezeichnet.
5 zeigt zwei beispielhafte benachbarte Module gemäß der Erfindung. Die Schalter, die die elektrischen Energiespeicher 502, 503 der beiden Module unmittelbar elektrisch miteinander verbinden können, bilden zusammen mit ihrer optionalen Schutzbeschaltung 504 die Intermodulverbindung 501. Anstatt der Halbbrückenanordnung von zwei Schaltern, die jedes Modul zur Intermodulverbindung beiträgt, können gemäß US 13/990,463 auch je Modul vier Schalter in zwei Halbbrücken den Anteil des Moduls an der Intermodulverbindung bilden, um eine Parallelschaltung von Energiespeichern unterschiedlicher Module zu ermöglichen. Eine Intermodulverbindung 501 besteht wiederum aus mindestens zwei Intermodulverbindungsuntereinheiten, wobei die Intermodulverbindungsuntereinheiten jeweils die Schnittmenge der Intermodulverbindung jeweils mit den beteiligten Modulen darstellen. Folglich ist die Intermodulverbindungsuntereinheit hinsichtlich eines Moduls jeweils der Anteil des entsprechenden Moduls an der Intermodulverbindung 501.
6 zeigt fünf vorteilhafte Zustände einer besonderen Ausführungsform, in der die Zustände je Intermodulverbindung codiert werden. Dargestellt sind in der linken Spalte die Schalter der Intermodulverbindung zweier benachbarter Module und deren je mindestens ein Energiespeicher, in der rechten Spalte die von den Schaltern in den entsprechenden Zuständen der Intermodulverbindung erzeugten äquivalenten elektrischen Verbindungen. Im Besonderen handelt es sich bei den dargestellten Zuständen um seriell-positiv 601, seriell-negativ 602, bypass 603, passiv 604, parallel 605 sowie einen hier als unerlaubt definierten Zustand 606, bei dem durch entsprechende Aktivierung von Schaltern mindestens ein Energiespeicher über zwei oder mehrere Schalter kurzgeschlossen wird. Der Zustand beschreibt vor allem, in welcher Form die elektrischen Energiespeicher des Systems untereinander elektrisch verschaltet werden. Diese Form der Verschaltung ist im Sinne der Erfindung dynamisch veränderbar.
7 zeigt vier typische Zustände einer besonderen Ausführungsform, in der die Zustände je Intermodulverbindungsuntereinheit codiert werden. Dargestellt sind in der linken Spalte die Schalter der Intermodulverbindungsuntereinheit eines Moduls und dessen je mindestens ein Energiespeicher, in der rechten Spalte die von den Schaltern in den entsprechenden Zuständen der Intermodulverbindungseinheit erzeugten äquivalenten elektrischen Verbindungen. Im Besonderen handelt es sich bei den dargestellten Zuständen um positiv 701, negativ 702, passiv 703, parallel 704 sowie einen in der Regel unerlaubten Zustand 705, bei dem durch entsprechende Aktivierung von Schaltern mindestens ein Energiespeicher über zwei oder mehrere Schalter kurzgeschlossen wird.
8 zeigt zwei beispielhafte Codierungen besonderer Ausführungsformen der Erfindung, bei der die Zustände je Intermodulverbindung codiert werden. Mithilfe einer geeigneten teilunabhängigen Codierung 801 lassen drei Bit, die für den Zustand einer Intermodulverbindung mit fünf verschiedenen Zuständen ausreichend sind, so aufteilen, dass zwei der drei Bits, beispielsweise das erste und das zweite Bit, den Zustand der einen an der Intermodulverbindung beteiligten Intermodulverbindungsuntereinheit codieren (siehe „zu Modul 1“), während das dritte Bit und eines der zwei genannten Bits, beispielsweise das zweite und das dritte Bit, zusammen den Zustand der anderen an der Intermodulverbindung beteiligten Intermodulverbindungsuntereinheit (siehe „zu Modul 2“) codieren. Somit handelt es sich bei der teilunabhängigen Codierung 801 um eine geschickte Mischlösung zwischen einer Codierung je Intermodulverbindung und einer Codierung je Intermodulverbindungsuntereinheit im Sinne der Erfindung, bei der jede Intermodulverbindungsuntereinheit lediglich zwei Bits anstatt von drei Bits, die für die eindeutige Definition der Intermodulverbindung mit fünf unterschiedlichen Zuständen im Code-Buch nötig wären, empfangen und decodieren muss. Hierzu können Bits a und c symmetrisch wie in der 8 mit dem Bezugszeichen 801 angeordnet sein, so dass alle Intermodulverbindungsuntereinheiten je einen Decoder desselben Typs verwenden können. Da die Signale in der Regel potentialgetrennt (beispielsweise mit Optokopplern, kapazitiven, induktiven oder anderen galvanisch trennenden Signalübertragern) an die Module übertragen werden müssen, ist eine derartige Verringerung der Datenmenge, die zu einer Verringerung der Anzahl an parallelen Leitungen und/oder einer Verringerung der Bitrate je Leitung führt, äußerst vorteilhaft. Alternativ kann das jeweils dritte Bit auch vom jeweiligen Decoder ausgewertet werden, um als Prüfbit zur Erkennung von Übertragungsfehlern zu dienen.

Wird dagegen auf den Zustand „bypass“ für die Intermodulverbindung verzichtet, wie im Beispiel 801, liegen im Code-Buch je Intermodulverbindung vier Zustände vor, die binär zwei Bits zur eindeutigen Darstellung benötigen. Während die Code-Wörter für die eindeutige Beschreibung des Zustands der Intermodulverbindung kürzer sind als in der teilunabhängigen Codierung 801, benötigt jede der mindestens zwei Intermodulverbindungsuntereinheiten der Intermodulverbindung - falls die Decodierung durch mindestens zwei unabhängige Decoder, mindestens je einen für jede Intermodulverbindungsuntereinheit, erfolgt - beide Bits zur eindeutigen Decodierung und Ermittlung, welche Schalter der jeweiligen Intermodulverbindungsuntereinheit zu aktivieren sind. Somit ergibt sich dieselbe Anzahl an Bits je Intermodulverbindungsuntereinheit wie in der von Tabelle 801 dargestellten Ausführungsform. Eine solche Decodierung mit mindestens zwei Decodern kann sehr vorteilhaft sein, da die Decodierung vor der Potentialtrennung durch galvanische Übertrager vor der Decodierung vorgenommen werden kann und somit eine geringere Datenmenge galvanisch getrennt übertragen werden muss.
Die Reihenfolge der Bits kann ohne Einschränkung der Allgemeinheit beliebig vertauscht werden. Ebenso kann der Code invertiert werden, was bedeutet, dass 0 und 1 vertauscht werden.
9 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, die mindestens eine Steuerungseinheit 901, mindestens einen galvanisch trennenden Signalübertrager 905, mindestens einen Decoder 907 und mindestens zwei Module 910, die jeweils mindestens einen elektronischen Schalter und mindestens einen Energiespeicher umfasst. Die Module sind dabei gemäß beispielsweise US 7,269,037 , DE 101 03 031 , WO 2012/072197 , DE 10 2010 052 934 , WO 2012/072168 , EP 2011/0179321 , WO 2013/017186 , DE 10 2011 108 920 , DE 10 2016 112 250 und DE 10 2015 112 512 so ausgeführt, dass mithilfe des mindestens einen Schalters je Modul der genannten mindestens zwei Module die elektrische Verschaltung zwischen mindestens zwei Energiespeichern dynamisch mindestens zwischen zwei der folgenden Zuständen umschalten kann: (a) elektrische Verbindung der Energiespeicher in Serie; (b) elektrische Verbindung der Energiespeicher parallel zueinander; (c) Überbrückung mindestens eines Energiespeichers so, dass keine Ladung in oder aus dem entsprechenden Energiespeicher fließen kann.
Diese Steuerungseinheit sendet elektrische Signale 902 beispielsweise über einen elektrischen Bus an mindestens einen optionalen Encoder 903, der die Signale so codiert, dass die durchschnittliche Datenmenge und/oder die durchschnittliche Redundanz der codierten Signale 904 geringer ist als die entsprechende durchschnittliche Datenmenge und/oder die durchschnittliche Redundanz der uncodierten bzw. decodierten Schaltersteuersignale 909 und/oder die durchschnittliche Entropie der codierten Signale 904 der uncodierten bzw. decodierten 909 höher ist als die der uncodierten bzw. decodierten Schaltersteuersignale 909. Unter besonderen Bedingungen ist ebenfalls die maximale Datenmenge der codierten Signale 904 geringer als die entsprechende maximale Datenmenge der uncodierten bzw. decodierten Schaltersteuersignale 909. Die Schaltersteuersignale 909 können beispielsweise so ausgestaltet sein, dass für jeden Schalter einer, beispielsweise dem Decoder 907 zugeordneten Gruppe von Schaltern mindestens ein separates Bit vorgesehen ist, das den Zustand (elektrisch leitend geschlossen vs. elektrisch nicht leitend offen) des entsprechenden Schalters beschreibt. Die Schaltersteuersignale 909 beschreiben somit Schalterzustände der einzelnen Schalter.
Wie in allen Ausführungsformen der Erfindung können die elektrischen Signalverbindungen und Busse 902, 904, 906, 908, 909 ohne Einschränkung seriell, parallel oder gemischt seriell/parallel Daten übertragen.
Mindestens ein galvanisch trennender Signalübertrager 905 isoliert das elektrische Spannungsniveau der Signale vom Spannungsniveau der elektrischen Steuerungseinheit und/oder anderen elektronischen Komponenten.
Optional kann zwischen der mindestens einen Steuerungseinheit 901 und dem optionalen mindestens einen Encoder bzw. Codierer 903 eine der mindestens einen Steuerungseinheit untergeordnete elektronische Schaltung enthalten sein, die von der mindestens einen Steuerungseinheit 901 oder mindestens einer letzterer untergeordneten elektronischen Schaltung elektrische Signale erhält und selbst wiederum Signale 902 an den mindestens einen Encoder bzw. Codierer 903 sendet.
Die Reihenfolge des optionalen mindestens einen Encoders 903, des mindestens einen galvanisch trennenden Signalübertragers 905 und des Decoders 907 können vertauscht und/oder teilweise in die Module integriert und/oder in mehrere parallele Einheiten, die jeweils entweder alle oder nur eine Untermenge aller Signale verarbeiten, beispielsweise lediglich für je ein Modul, aufgeteilt werden. Vorzugsweise findet die Decodierung durch den mindestens einen Decoder 907 stets nach der optionalen Codierung durch den optionalen mindestens einen Encoder 903 statt.
Die elektrische Leistungsverbindung 911 zwischen zwei Modulen 910 dient der elektrischen Energieübertragung und der elektrischen Verschaltung zwischen den Energiespeicherelementen der zugehörigen Module und ist in ihrer Ausführung in der Regel an den Modultyp (beispielsweise M2C-Vierquadrantenmodule, siehe beispielsweise US 7,269,037 ; M2C-Zweiquadrantenmodule siehe beispielsweise DE 101 03 031 , M2SPC-Vierquadrantenmodule siehe beispielsweise WO 2012/072197 , DE 10 2010 052 934 , DE 10 2011 108 920 , WO 2013/017186 ; oder M2SPC-Zweiquadrantenmodule siehe beispielsweise WO 2012/072168 , US 2014/049230 ) angepasst und ermöglicht mithilfe des mindestens einen Schalters je Modul, die je mindestens einen Energiespeicher mindestens zweier Module 910 dynamisch in ihrer elektrischen Verschaltung untereinander zu verändern. Beispielsweise ist die elektrische Leistungsverbindung 911 für M2SPC-Module in der Regel mindestens durch zwei elektrische Verbindungen ausgeführt, um eine Parallelverschaltung von Modulen 910 bzw. elektrischen Energiespeichern zu ermöglichen. Zwei durch eine elektrische Leistungsverbindung 911 unmittelbar elektrisch miteinander verbundene Module 910 werden in der Regel als Nachbarn bezeichnet.
10 stellt eine besondere Ausführungsform der Erfindung dar, in der die codierten Steuersignale 1004 zuerst von mindestens einem Decoder 1007 decodiert, bevor die decodierten Signale 1006 von mindestens einem galvanisch trennenden Übertrager 1007 von dem Spannungsniveau mindestens der mindestens einen Steuerungseinheit 1001 isoliert werden.
11 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, in der mindestens ein Decoder 1108 in mindestens ein Modul 1109 integriert ist.
12 zeigt eine besondere Ausführungsform, die ferner mindestens einen Kanalcodierer 1212 und mindestens einen Kanaldecodierer 1215 umfasst. Der mindestens eine Kanalcodierer 1212 fügt dem Signal gezielt Redundanz mit einer bestimmten Coderate zur Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur hinzu [siehe J. Proakis (2001). Digital Communications. 4th edition, McGraw Hill, Boston.]. Der mindestens eine Kanaldecodierer 1215 führt eine Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur durch und extrahiert das Signal. Während die Codierung durch mindestens einen optionalen Encoder 1203 die Redundanz verringert und unerlaubte Zustände, beispielsweise in der Regel Kurzschlüsse eines Energiespeichers, verhindert, reduziert die Kanaldecodierung die gezielt hinzugefügte Redundanz.
13 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform, die auf den mindestens einen optionalen Encoder verzichtet.
14 zeigt eine besondere Ausführungsform, bei der mindestens ein galvanisch trennender Übertrager 1405 je Modul, je Intermodulverbindung oder je Intermodulverbindungsuntereinheit vorliegt, beispielsweise auch in das jeweilige Modul integriert ist.
Detailbeschreibung und besondere Ausführungsformen
Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Stimulationspulsen zur induktiven Neuronreizung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens eine Stimulationsspule und wenigstens drei gleichartige Module, deren Anschlüsse mit der Stimulationsspule elektrisch verbunden sind und die jeweils mehrere Schaltzustände einnehmen können.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Passiv-Zustand im Code so dargestellt, dass er dem Zustand entspricht, der von dem oder den Decodern ermittelt würde, wenn die mindestens eine Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung nicht funktionsbereit ist. Die mindestens eine Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung ist insbesondere nicht funktionsbereit, wenn diese nicht mit der spezifizierten Spannung versorgt werden, wenn sie sich im Reset-Modus befinden oder einen Fehler detektiert und eine Notabschaltung veranlasst haben.
Im Falle eines Steuerungsbusses mit sogenanntem Pull-down-Widerstand, wäre dies beispielsweise ein dauerhaftes Low-Signal auf allen vorhandenen Kanälen. Im Falle eines Steuerungsbusses mit sogenanntem Pull-up-Widerstand, wäre dies beispielsweise ein dauerhaftes High-Signal auf allen vorhandenen Kanälen. Der Erfinder hat erkannt, dass dies besonders vorteilhaft ist. Wenn eine Fehlerabschaltung während eines Pulses erfolgt, stellt der Bypass-Zustand aller oder mehrerer Module die schnellste Art dar, die magnetische Feldenergie aus der Spule zu entladen, da die in der Regel implementierten Gleichrichterdioden in den Modulen den Strom mit der maximal möglichen Spannung abbauen und die Energie in die Energiespeicher überführen. Gleichzeitig wird bei der Initialisierung des Systems, sollten die Module vor der mindestens einen Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung erst nach den Modulen oder deren Decoder oder Decodern einsatzbereit sein, vom System keine Energie abgegeben.
Alternativ wird in einer besonderen Ausführungsform der Bypass-Zustand, in dem die Spannung von 0 V an den Anschlüssen der Stimulationsspule erzwungen wird, im Code so dargestellt, dass er dem Zustand entspricht, der von dem oder den Decodern ermittelt würde, wenn die mindestens eine Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung nicht funktionsbereit ist. Im Falle eines Fehlers wird jeglicher noch fließender Strom aufgrund von in der Stimulationsspule gespeicherter magnetischer Energie am Innenwiderstand der Spule und der übrigen Schaltung abgebaut. Der Erfinder hat erkannt, dass dieser Zustand den Vorteil besitzt, dass hierdurch die Spannung an den Anschlüssen der Spule, die im Fehlerfall möglicherweise an der Isolierung beschädigt und deshalb von einem Benutzer berührt werden könnten, minimiert werden kann. Darüber hinaus wird die Spulenenergie in Wärme umgewandelt und liegt damit nicht mehr in elektrischer Form vor. Aus Gründen der Sicherheit kann dies gegenüber einer Speicherung in elektrischen Speichern in potentiell defekten oder von einer defekten Steuerungseinheit kontrollierten Modulen vorteilhaft sein.
In einer besonderen Ausführungsform werden zumindest einige Signale nicht binär, also mit zwei unterschiedlichen elektrischen Symbolen, beispielsweise <high> und <low> oder <positiv> und <negativ> oder <niederohmig> und <hochohmig>, abgebildet, sondern es werden höherstufige Modulierverfahren mit mehr als zwei Symbolen, beispielsweise mehrere unterschiedliche Spannungsniveaus oder andere bekannte Übertragungsverfahren wie Phase-Shift-Keying, Quadratur-Amplitude-Modulation oder dergleichen verwendet.
In einer besonderen Ausführungsform sind Encoder und Decoder in der mindestens einen Steuerungseinheit oder in mindestens einer jener untergeordneten elektronischen Schaltung implementiert.
In einer besonderen Ausführungsform werden die jeweiligen Funktionen des mindestens eines Ecoders und/oder mindestens eines Decoders in der mindestens einen Steuerungseinheit oder in mindestens einer jener Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung dargestellt, wobei es sich bei der mindestens einen Steuerungseinheit oder der mindestens einen jener Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung um eine programmierbare Steuerung, folglich beispielsweise einen Microprozessor, eine speicherprogrammierbare Steuerung, einen Signalprozessor, ein Field-Programmable Gate-Array (FPGA), ein Complex Programmable Logic-Device (CPLD), einen Programmable-Array-Logic-Baustein (PGA) oder eine vergleichbare Schaltung handelt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden im Vergleich zu der vorgenannten besonderen Ausführungsform die jeweiligen Funktionen sowohl mindestens eines Encoders als auch mindestens eines Decoders in der mindestens einen Steuerungseinheit oder in mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung dargestellt, wobei es sich bei der mindestens einen Steuerungseinheit oder der mindestens einen letzterer untergeordneten elektronischen Schaltung um eine programmierbare Steuerung handelt.
In einer besonderen Ausführungsform verfügt die Erfindung über keinen Encoder, obwohl codierte Signale zur Steuerung verwendet werden, folglich Signale, die beispielsweise geringere Redundanz oder eine geringere Datenlänge als die Zustandssignale der Menge der Schalter, beispielsweise der Gatesignale bei Transisoren, aufweisen. In dieser besonderen Ausführungsform erzeugt mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine letzterer untergeordnete elektronische Schaltung unmittelbar codierte Signale, die von mindestens einem Decoder in Steuersignale für mindestens einen Schalter der Module umgewandelt werden.
Der Erfinder hat erkannt, dass eine Steuerung auf der Basis der codierten Zustände erfolgen kann. Es kann eine Algebra mit den Zuständen von Modulen, Intermodulverbindungen, Intermodulverbindungsuntereinheiten und anderen Gruppierungen mehrerer Schalter entwickelt werden, die es beispielsweise Pulsweitenmodulatoren und andere Schaltmodulatoren ohne Umweg erlaubt, über einen dezidierten Encoder direkt codierte Signale zu erzeugen. Die direkte Erzeugung von codierten Signalen im Sinne der Erfindung, ohne die Nutzung separater Encoder, schränkt nicht die Erfindung ein. Ein wichtiges Merkmal dieses Aspekts der Erfindung ist nicht die Codierung sondern die Verwendung mindestens eines codierten Signals zur Steuerung mindestens eines Schalters mindestens eines Moduls.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Schalter mindestens eines Moduls nicht durch ein codiertes Signal von mindestens einer Steuerungseinheit oder mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung, sondern durch ein den Zustand des Schalters direkt widerspiegelndes elektronisches Signal - beispielsweise ein binäres Signal mit einem den sperrenden Zustand und einem den leitenden Zustand repräsentierenden Symbol - von mindestens einer Steuerungseinheit oder mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung gesteuert, während mindestens ein anderer Schalter mindestens eines Moduls durch ein im Sinne der Erfindung codiertes Signal von mindestens einer Steuerungseinheit oder mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung angesteuert ist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Redundanz der codierten Steuersignale 904, 1004, 1104, 1204 genauso hoch oder höher als die Redundanz der Gesamtheit der uncodierten bzw. decodierten Schaltersteuersignale 1209, 909, beispielsweise in der Form des jeweiligen Gate-Signals oder einer jeweiligen binären Schalterzustandsbeschreibung der Form an vs. aus, aller individuellen Schalter der Module zusammen. Dies ist insbesondere dann im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn die durchschnittliche Redundanz der codierten Steuersignale einzig aufgrund einer Kanalcodierung oder eines Fehlererkennungs-/Fehlerkorrekturcodes, beispielsweise Paritätsbits oder Faltungscodes, genauso hoch oder höher als die besagte durchschnittliche Redundanz der Gesamtheit der uncodierten bzw. decodierten Schaltersteuersignale, beispielsweise der Gatesignale der Feldeffekttransistoren, IGBTs oder dergleichen, und die durchschnittliche Redundanz der codierten Steuersignale abzüglich der Kanalcode-Rate der codierten Steuersignale [siehe J. Proakis (2001). Digital Communications. 4th edition, McGraw Hill, Boston.] niedriger als die durchschnittliche Redundanz der uncodierten bzw. decodierten Schaltersteuersignale 1209, 909 ist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besitzen die codierten Signale eine bekannte endliche maximale Datenrate, die ferner geringer ist als die maximale Datenrate der uncodierten oder decodierten Schaltersteuersignale.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der mindestens eine Decoder mindestens einen programmierbaren Logikbaustein, beispielsweise einen Programmable-Array-Logic-Baustein (PGA), ein Complex-Programmable-Logic-Device (CPLD), ein Field-Programmable Gate-Array (FPGA) oder eine vergleichbare Schaltung, die in der Lage ist, mindestens einkanalige elektronische Logikfunktionen zu implementieren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst mindestens ein Encoder mindestens einen programmierbaren Logikbaustein.
In einer besonderen Ausführungsform ist der genannte mindestens eine programmierbare Logikbaustein so ausgestaltet, dass der Zustand mindestens eines elektronischen Eingangssignals des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Regel alle elektronischen Ausgangssignale des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins vollständig definiert.
In einer besonderen Ausführungsform ist der genannte mindestens eine programmierbare Logikbaustein so ausgestaltet, dass der Zustand mindestens eines elektronischen Ausgangssignals des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins durch dessen elektronische Eingangssignale zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht vollständig definiert, aber durch dessen elektronische Eingangssignale zu mindestens zwei bestimmten Zeitpunkten vollständig definiert ist.
In einer besonderen Ausführungsform ist der genannte mindestens eine programmierbare Logikbaustein so ausgestaltet, dass der Zustand mindestens eines elektronischen Ausgangssignals des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins neben dem Zustand mindestens eines Eingangssignals zu mindestens einem Zeitpunkt ferner von mindestens einem Zustand mindestens eines elektronischen Ausgangssignals der Vergangenheit beeinflusst wird.
In einer besonderen Ausführungsform ist mindestens einer der genannten ggf. mehreren programmierbaren Logikbausteine genau einmal programmierbar, d. h. so veränderbar, dass er die für seinen Betrieb notwendige oder vorteilhafte Logikfunktion, die den Zusammenhang des mindestens einen Ausgangssignals und des mindestens einen Eingangssignals beschreibt, dauerhaft annimmt.
In einer besonderen Ausführungsform ist mindestens einer der genannten ggf. mehreren programmierbaren Logikbausteine mehrmals programmierbar. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da die Codierung und Kommunikation mit mindestens einer Steuerungseinheit von Geräten im Feld geändert werden können, um sie beispielsweise mit einer vorteilhafteren Encodierung oder Decodierung zu versehen, in ihrer Flexibilität zu erweitern, in ihrem Steuerverhalten zu verändern oder das Code-Buch zu verändern. Ferner können die Bauteile auf diese Weise durch eine Programmierung sehr einfach für einen zweiten Zweck (sog. second life) in einem anderen Produkt oder einem anderen Produkttyp, beispielsweise einer energietechnischen, einer medizintechnischen oder einer automobilen Anwendung, angepasst und eingesetzt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform verfügen mindestens zwei der Module neben einem Seriellzustand, in welchem sich die elektrischen Energiespeicher zweier oder mehrerer Module zeitweise elektrisch in Serie verschalten lassen, notwendigerweise einen Parallelzustand, in welchem sich die elektrischen Energiespeicher zweier oder mehrerer Module zeitweise elektrisch parallel miteinander verschalten lassen.
Modulweise Codierung
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Signale mindestens dreier Module unabhängig voneinander codiert. Dies bedeutet, dass die Decodierung der codierten Steuersignale, folglich die Ermittlung, welche Schalter des Moduls zu aktivieren sind, keiner Information über den Zustand anderer Module bedarf. Folglich können die Signale physikalisch von anderen Modulen getrennt, beispielsweise durch eigenständige parallele den jeweiligen Modulen zugeordnete Datenleitungen übertragen werden.
Bevorzugterweise besitzt jedes Modul mindestens eine dezidierte, ihm zugeordnete Datenleitung ausgehend von der mindestens einen Steuerungseinheit oder von der mindestens einen die Codierung durchführenden ihr untergeordneten elektrischen Schaltung, über die die das Modul steuernden codierten Signale zu besagtem Modul übertragen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform maximal vier Zustände {bypass, seriell positiv, seriell negativ, passiv};
wobei im Bypass-Zustand mindestens ein Energiespeicher des Moduls nicht elektrisch mit einem der Nachbarmodule verbunden wird;
wobei im seriell-positiv-Zustand mindestens ein Energiespeicher des Moduls mit einer vorher festgelegten Polarität so mit den beiden Nachbarmodulen elektrisch verbunden wird, dass der eine Kontakt des Energiespeichers mit einem Nachbarmodul und der andere Kontakt des Energiespeichers mit dem anderen Nachbarmodul elektrisch verbunden wird;
wobei im seriell-negativ-Zustand der Energiespeicher des Moduls mit gegenüber dem seriell-positiv-Zustand umgekehrter Polarität so mit den beiden Nachbarmodulen elektrisch verbunden wird, dass der eine Kontakt des Energiespeichers mit einem Nachbarmodul und der andere Kontakt des Energiespeichers mit dem anderen Nachbarmodul elektrisch verbunden wird;
wobei im passiv-Zustand die Schalter des Moduls entweder deaktiviert sind und lediglich Freilaufdioden Strom leiten oder alternativ die Schalter als Gleichrichter betrieben werden (sogenannter synchronous rectifier).
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform zusätzlich folgende Zustände {parallel Seite A und seriell positiv Seite B, parallel Seite A und seriell negativ Seite B, parallel Seite A und parallel Seite B, seriell positiv Seite A und parallel Seite B, seriell negativ Seite A und parallel Seite B};
wobei im Zustand <parallel Seite X und seriell positiv Seite Y> die Schalter der Seite X des Moduls so aktiviert werden, dass mindestens ein Energiespeicher des Moduls parallel mit dem Energiespeicher des unmittelbar an der Seite X benachbarten Moduls elektrisch verbunden ist und ein vorab definierter Kontakt des genannten Energiespeichers, beispielsweise der positive, mit dem unmittelbar an der Seite Y benachbarten Modul elektrisch verbunden ist;
wobei im Zustand <parallel Seite X und seriell negativ Seite Y> die Schalter der Seite X des Moduls so aktiviert werden, dass mindestens ein Energiespeicher des Moduls parallel mit dem Energiespeicher des unmittelbar an der Seite X benachbarten Moduls elektrisch verbunden ist und der andere Kontakt des genannten Energiespeichers, beispielsweise der negative, mit dem unmittelbar an der Seite Y benachbarten Modul elektrisch verbunden ist;
wobei im Zustand <parallel Seite X und parallel Seite Y> die Schalter des Moduls so aktiviert werden, dass mindestens ein Energiespeicher des Moduls parallel mit mindestens je einem Energiespeicher beider benachbarter Module elektrisch verbunden ist, und wobei X und Y jeweils entweder A oder B sein können.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der unmittelbar voranstehend genannten darin, dass das Code-Buch notwendigerweise keinen Bypass-Zustand enthält. Dadurch entspricht die Anzahl der Zustände einer Zweierpotenz und kann sehr datenarm auf binären Kanälen oder Datenbussen übertragen werden. Der Erfinder hat erkannt, dass der Bypass-Zustand zur Herstellung der Flexibilität hinsichtlich der Pulsform nicht notwendig ist und dessen Funktion durch andere Modulzustände abgebildet werden kann.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform verwendet mindestens zwei Bypass-Zustände, wobei sich ein zweiter Bypass-Zustand, der hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit als bypassinvers-Zustand bezeichnet wird, von einem ersten Bypass-Zustand durch Invertierung mindestens zweier elektronischer Schalter unterscheidet, wodurch in diesem zweiten Bypass-Zustand ebenfalls mindestens ein Energiespeicher des Moduls nicht elektrisch mit einem der Nachbarmodule verbunden wird, obwohl der Strom andere elektronische Schalter durchfließt.
Intermodulverbindungsweise Codierung
Die oben beschriebene Codierung je Modul zeigt sich insbesondere gut geeignet, wenn bei der Ansteuerung lediglich seriell-, bypass- und passiv-Zustände aber keine parallel-Zustände verwendet werden. Dies kann zur Ursache haben, dass sie für die Anwendung nicht benötigt werden oder sie vom verwendeten Modultyp nicht implementiert werden (siehe beispielsweise der Modultyp mit dem Bezugszeichen 401 in 4). Der Erfinder hat erkannt, dass bei einer Verwendung von parallel-Zuständen abweichende Codierungen überaus vorteilhaft sind. Bei der Codierung der Zustände je Modul sind leicht Modulzustandskombinationen abbildbar, bei welchen ein Modul den Energiespeicher eines anderen kurzschließen kann. Derartige Kombinationen weisen einerseits auf Potentiale für Datenkompression, andererseits darauf hin, dass derartige Kombinationen nicht im Codevorrat des Code-Buchs enthalten sein dürfen. Eine anfangs abwegig erscheinende, weil Modulschaltungsstrukturen unnatürlich zuwiderlaufende Möglichkeit ist die unabhängige Codierung von Intermodulverbindungen, d. h. jeweils derjenigen Schalter zweier unmittelbar benachbarter Modulen, die die unmittelbare elektrische Verbindung der Energiespeicher der beiden Module durch geeignete Aktivierung ermöglichen. Während auf Modulebene für den flexiblen Betrieb bis zu neun wichtige Zustände im Code-Buch berücksichtigt werden sollten, ergeben Analysen, dass die Zahl der Zustände auf der Ebene der Intermodulverbindungen auf fünf und weniger verringert werden, ohne die Flexibilität des Gesamtsystems einzuschränken.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Signale jeder Intermodulverbindung unabhängig voneinander codiert. Dies bedeutet, dass die Decodierung der codierten Steuersignale, folglich die Ermittlung, welche Schalter des Moduls zu aktivieren sind, keiner Information über den Zustand anderer Intermodulverbindungen bedarf. Eine Intermodulverbindung umfasst nur diejenigen Schalter der zwei durch die Intermodulverbindung miteinander verbundenen Module, die für die Darstellung aller elektrischen Verbindungszustände der Energiespeicher der beiden besagten Module notwendig sind. Aufgrund der Unabhängigkeit von anderen Intermodulverbindungen können die Steuersignale der individuellen Intermodulverbindungen physikalisch getrennt, beispielsweise durch eigenständige parallele den jeweiligen Intermodulverbindungen zugeordneten Datenleitungen übertragen werden.
Bevorzugterweise erhält jede Intermodulverbindung mindestens eine dezidierte, ihm zugeordnete Datenleitung von der mindestens einen Steuerungseinheit oder von der mindestens einen die Codierung durchführenden ihr untergeordneten elektrischen Schaltung, über die die das Modul steuernden codierten Signale zu besagtem Modul übertragen werden. Besonders bevorzugt erhält jede Intermodulverbindung mindestens zwei dezidierte, ihm zugehörige Datenleitungen, von welchen mindestens eine Datenleitung lediglich den zu einem der beiden Module gehörigen Teil der Intermodulverbindung (sogenannte Intermodulverbindungsuntereinheit) mit Signalen versorgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform für eine Intermodulverbindung maximal vier Zustände {bypass, seriell positiv, seriell negativ, passiv};
wobei im Bypass-Zustand lediglich einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers mindestens eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit dem äquivalenten elektrischen Anschluss des mindestens einen Energiespeichers mindestens eines anderen von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch leitend verbunden wird, beispielsweise werden lediglich die negativen Anschlüsse der Energiespeicher elektrisch verbunden, während die positiven elektrisch unverbunden bleiben;
wobei im Seriell-Positiv-Zustand ein vorher festgelegter elektrischer Anschluss (beispielsweise der positive) mindestens eines Energiespeichers eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit dem nichtäquivalenten (in obigem Beispiel folglich nun der negative) elektrischen Anschluss mindestens eines anderen der von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch leitend verbunden wird;
wobei der Seriell-Negativ-Zustand das Inverse zum Seriell-Positiv-Zustand bildet und folglich ein vorher festgelegter elektrischer Anschluss (beispielsweise der negative) mindestens eines Energiespeichers eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit dem nichtäquivalenten (in obigem Beispiel folglich nun der positive) elektrischen Anschluss mindestens eines anderen der von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch leitend verbunden wird und die elektrisch verbundenen elektrischen Anschlüsse der verbundenen Energiespeicher nicht denen des Seriell-Positiv-Zustands entsprechen;
wobei im Passiv-Zustand die Schalter der Intermodulverbindung entweder deaktiviert sind und lediglich Freilaufdioden Strom leiten oder alternativ die Schalter als Gleichrichter betrieben werden (sogenannter synchronous rectifier).
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform zusätzlich mindestens einen Parallel-Zustand für die Intermodulverbindung;
wobei der Parallel-Zustand die Schalter der Intermodulverbindung so aktiviert, dass mindestens ein Energiespeicher eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen der von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch parallel verbunden ist.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorgenannten Ausführungsform dadurch, dass das Code-Buch keinen Bypass-Zustand enthält. Der Erfinder hat erkannt, dass dieser ohne wesentliche Einbüßung an Flexibilität des Gesamtsystems durch andere Zustände, insbesondere den Parallel-Zustand, ersetzt werden kann. Damit lässt sich die Anzahl der Zustände sehr einfach auf eine Zweierpotenz bringen, so dass die Zustände mit minimaler Redundanz in binäre Signale codiert werden können.
Intermodulverbindungsuntereinheitsweise Codierung
In einer besonderen Ausführungsform wird jeweils der Zustand jeder Intermodulverbindungsuntereinheit getrennt codiert. Das Code-Buch dieser besonderen Ausführungsform enthält mindestens drei Zustände (positiv, siehe 7 701, negativ 702, passiv 703);
wobei im Positiv-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit elektrisch verbunden wird;
wobei im Negativ-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit verbunden wird;
wobei im Passiv-Zustand die Schalter der Intermodulverbindung entweder deaktiviert sind und lediglich Freilaufdioden Strom leiten oder alternativ die Schalter als Gleichrichter betrieben werden (sogenannter synchronous rectifier).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch gegenüber der vorgenannten besonderen Ausführungsform zusätzlich einen Parallel-Zustand (704);
wobei im Parallel-Zustand jeder der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zugehörigen Moduls durch entsprechende Aktivierung der Schalter der Intermodulverbindungsuntereinheit mit einem anderen Modulanschluss der Intermodulationsverbindungseinheit elektrisch verbunden wird.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorgenannten Ausführungsform dadurch, dass das Code-Buch keinen Bypass-Zustand enthält. Wie bereits dargestellt kann der Bypass-Zustand ohne wesentliche Einbuße an Flexibilität des Gesamtsystems durch andere Zustände, insbesondere den Parallel-Zustand, ersetzt werden. Damit lässt sich die Anzahl der Zustände deutlich verringern, so dass die die Bitweite der Signale vermindert werden kann.
Verschränkung mehrerer getrennter Codierungseinheiten zu einer teilunabhängigen Codierung
In einer Ausführungsform der Erfindung lassen sich die Zustände mindestens zweier unterschiedlicher, disjunkter Teileinheiten des Systems, beispielsweise Module, Modulgruppen, Intermodulverbindungen und Intermodulverbindungsuntereinheiten so codieren, dass die Codierung jeder dieser Teileinheiten des Systems teilunabhängig wird, das heißt, dass mindestens ein Teil des gemeinsamen Signals von für jede der mindestens zwei unterschiedlichen disjunkten Teileinheiten zur eindeutigen Festlegung des jeweiligen Zustands vonnöten ist. Wie 8 darstellt, können beispielsweise Codes verwendet werden, die die Zustände der mindestens zwei unterschiedlichen, disjunkten Teileinheiten, beispielsweise einer Intermodulverbindung, gemeinsam so codieren, dass für die eindeutige Bestimmung des jeweiligen Zustands jeder dieser mindestens zwei unterschiedlichen, disjunkten Teileinheiten nicht das gesamte Code-Wort, sondern nur ein Teil dessen benötigt wird. In der Regel wird jedoch ein Teil des Code-Wortes von mehreren dieser mindestens zwei unterschiedlichen, disjunkten Teileinheiten zur eindeutigen Decodierung deren Zustands benötigt.
Diese Ausführungsform hat gegenüber einer für jede Intermodulverbindungsuntereinheit getrennten Codierung den Vorteil, dass nur eine geringe Anzahl an Signalkanälen galvanisch getrennt werden muss. Signale können dabei über galvanisch trennende Signalübertrager, auch als isolierende Signalübertrager bezeichnet, galvanisch getrennt werden, beispielsweise Optokoppler, kapazitive Signalübertrager oder vergleichbare elektrische Bauteile.
Ferner kann jede Teileinheit das Signal der mindestens einen Teileinheit, mit welcher ihre Signale teilunabhängig sind, zur Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur verwenden.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Codierung derartig ausgeführt, dass mindestens zwei Decoder mindestens ein für die mindestens zwei Decoder gleiches Signal, als mindestens ein sogenanntes gemeinsames Bit, als Eingangssignal erhalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dieses mindestens eine gemeinsame Bit auf einer gesonderten elektronischen Signalleitung von der mindestens einen Steuerungseinheit oder mindestens einer dieser Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung aus übertragen. Vorteilhafterweise kann das Signal dieser einen gesonderten elektronischen Signalleitung mit lediglich einem Ausgangspin der mindestens einen Steuerungseinheit oder mindestens einer dieser Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung erzeugt und ferner auch in lediglich einer einzelnen Signalleitung übertragen und erst räumlich nah an den mindestens zwei Decodern verzweigt oder in Form eines Busses durchgeschleift werden. Somit lassen sich technische Ressourcen einsparen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform determiniert dieses mindestens eine gemeinsame Bit das Vorzeichen der Spannung, folglich die Polarität jeder einzelnen ansonsten unabhängig codierten Einheit. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, dass in vielen Anwendungen die Module, Intermodulverbindungen und dergleichen ohne nennenswerte Einbußen der Flexibilität der erzeugten Strom und Spannungsverläufe zu jedem Zeitpunkt dieselbe Polarität verwenden können.
In einer besonderen Ausführungsform wird jeweils der Zustand jeder Halbbrücke, die jeweils aus mindestens zwei in Serie verbundenen elektrischen Schaltern besteht, getrennt codiert. Das Code-Buch dieser besonderen Ausführungsform enthält mindestens drei Zustände (positiv, negativ, passiv);
wobei im Positiv-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit elektrisch verbunden wird;
wobei im Negativ-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit verbunden wird;
wobei im Passiv-Zustand die Schalter der Intermodulverbindung entweder deaktiviert sind und lediglich Freilaufdioden Strom leiten oder alternativ die Schalter als Gleichrichter betrieben werden (sogenannter synchronous rectifier).
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die Figuren dienen lediglich einer beispielhaften Erläuterung und Veranschaulichung der Erfindung und der mit ihr erreichten Vorteile, sollen aber die Erfindung nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zur Erzeugung kurzer Strompulse mittels einer elektronischen Schaltung mit mindestens zwei elektrischen Schaltern und mindestens einem elektrischen Energiespeicher, wobei mindestens eine elektronische Steuerungseinheit (901, 1001, 1101, 1201, 1301, 1401) zur Ansteuerung der mindestens zwei elektrischen Schalter elektrische Signale aussendet, die auf Basis eines vorgegebenen Musters für einzustellende Schalterzustände der mindestens zwei elektrischen Schalter codiert werden, als codierte elektrische Signale über eine elektrische Signalübertragungsleitung (904, 906, 1004, 1006, 1104, 1106, 1107, 1204, 1213, 1214, 1206, 1302, 1306, 1404) zu mindestens einem Decoder (907, 1005, 1108, 1207, 1307, 1407) geleitet und von dem mindestens einen Decoder in jeweilige einen jeweiligen einzustellenden Schalterzustand eines einzelnen der mindestens zwei Schalter beschreibende Schaltersteuersignale decodiert werden, wobei die jeweiligen Schaltersteuersignale an die jeweiligen mindestens zwei Schalter geleitet und dort entsprechend umgesetzt werden, wobei an einem Ausgang der elektrischen Schaltung zur Anregung mindestens einer Stimulationsspule (101, 201, 305) Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als fünf Millisekunden bereitgestellt werden, so dass die mindestens eine Stimulationsspule magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die mindestens eine Stimulationsspule so ausgeführt wird, dass ein von ihr erzeugtes Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine durchschnittliche Datenrate oder eine durchschnittliche Redundanz der codierten elektrischen Signale niedriger ist als entsprechend eine durchschnittliche Datenrate oder eine durchschnittliche Redundanz der durch den mindestens einen Decoder zu Schaltersteuersignalen decodierten Signale.
Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Strompulse mittels einer elektronischen Schaltung mit mindestens zwei elektrischen Schaltern und mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher, wobei die Vorrichtung mindestens umfasst: eine elektronische Steuerungseinheit (901, 1001, 1101, 1201, 1301, 1401), die dazu konfiguriert ist, zur Ansteuerung der mindestens zwei elektrischen Schalter elektrische Signale auszusenden, die als codierte elektrische Signale über eine elektrische Signalübertragungsleitung (904, 906, 1004, 1006, 1104, 1106, 1107, 1204, 1213, 1214, 1206, 1302, 1306, 1404) zu mindestens einem Decoder (907, 1005, 1108, 1207, 1307, 1407) zu leiten sind, den mindestens einen Decoder (907, 1005, 1108, 1207, 1307, 1407), der dazu konfiguriert ist, die codierten elektrischen Signale in jeweilige einen jeweiligen einzustellenden Schalterzustand eines einzelnen der mindestens zwei Schalter beschreibende Schaltersteuersignale zu decodieren, wobei die jeweiligen Schaltersteuersignale bei Umsetzung an den jeweiligen mindestens zwei Schaltern dergestalt sind, dass an einem Ausgang der elektronischen Schaltung zur Anregung mindestens einer Stimulationsspule (101, 201, 305) Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als fünf Millisekunden bereitgestellt werden, so dass die mindestens eine Stimulationsspule bei Anregung mit diesen Strompulsen magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die durchschnittliche Datenrate oder die durchschnittliche Redundanz der codierten elektrischen Signale niedriger ist als entsprechend die durchschnittliche Datenrate oder die durchschnittliche Redundanz der durch den mindestens einen Decoder zu Schaltersteuersignalen decodierten Signale.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, die mindestens eine Codierungseinheit umfasst, die dazu konfiguriert ist, auf Basis eines vorgegebenen Musters für einzustellende Schalterzustände der mindestens zwei elektrischen Schalter von der elektronischen Steuerungseinheit auszusendende bzw. ausgesendete elektrische Signale zu codieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Codierungseinheit in die Steuerungseinheit (901, 1001, 1101, 1201, 1301, 1401) oder in mindestens eine der mindestens einen elektronischen Steuerungseinheit untergeordnete elektronische Schaltung integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Codierungseinheit eine von der Steuerungseinheit separate Einheit ist und mindestens einen Encoder (903, 1003, 1103, 1203, 1403) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die elektronische Schaltung mindestens zwei Module umfasst, die jeweils mindestens einen elektrischen Energiespeicher und mindestens zwei elektrische Schalter umfassen, wobei die mindestens zwei Module zumindest zwei der folgenden Schaltzustände einnehmen können: - der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe der elektrischen Schalter mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls in Serie geschaltet; - der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe der elektrischen Schalter mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls parallel geschaltet; - der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe der elektrischen Schalter in Form eines Bypasses umgangen, was bedeutet, dass der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls nur mit höchstens der Hälfte seiner mindestens zwei elektrischen Kontakte mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls elektrisch leitend verbunden ist und somit kein geschlossener Stromkreis mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung ferner mindestens eine galvanisch trennende Signalübertragungseinheit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanisch trennende Signalübertragungseinheit dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil der codierten elektrischen Signale zu übertragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Vorrichtung mindestens einen Decoder je Modul umfasst, wobei ein jeweiliger Decoder eines Moduls dazu ausgelegt ist, jeweils lediglich eine Teilmenge einer Gesamtheit der von den Decodern empfangenen codierten elektrischen Signale zu empfangen, und/oder wobei die Vorrichtung mindestens einen Decoder je Intermodulverbindung umfasst, wobei ein jeweiliger Decoder einer Intermodulverbindung dazu ausgelegt ist, jeweils lediglich eine Teilmenge der Gesamtheit der von Decodern empfangenen codierten elektrischen Signale zu empfangen, und/oder wobei die Vorrichtung mindestens einen Decoder je Intermodulverbindungseinheit umfasst, wobei ein jeweiliger Decoder einer Intermodulverbindungseinheit dazu ausgelegt ist, jeweils lediglich eine Teilmenge der Gesamtheit der von Decodern empfangenen codierten elektrischen Signale zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die jeweiligen von unterschiedlichen Decodern empfangenen Teilmengen von codierten elektrischen Signalen nicht identisch, insbesondere paarweise disjunkt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei die Vorrichtung ferner mindestens einen Kanalcodierer (1212) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Kanalcodierer in die mindestens eine elektronische Steuerungseinheit oder in mindestens eine der mindestens einen elektronischen Steuerungseinheit untergeordnete elektronische Schaltung integriert ist.