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Die Erfindung betrifft eine Anordnung, eingerichtet zum elektrischen Ladungsausgleich bei der Erzeugung von ein oder mehreren Stimulationsstrompulsen, vorzugsweise während einer Operation oder ferner zu sonstigen diagnostischen Zwecken, beinhaltend eine Brückenschaltung, Schaltelemente, einen Brückenzweig zwischen zwei Schenkeln der Brückenschaltung, in dem ein Lastwiderstand eingebracht werden kann, sowie mindestens eine Stromquelle zum Erzeugen mindestens eines Stimulationsstrompulses, welche derart mit den Schenkeln der Brückenschaltung verbunden ist, dass sie einen elektrischen Strom über einen Schenkel durch den Brückenzweig und weiter durch einen am anderen Ende des Brückenzweiges angeschlossenen Schenkel bei entsprechender Schalterstellung ermöglicht.
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Die
DE 10 2013 010 893 A1 beschreibt eine eingangs genannte Anordnung zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Stimulationsströmen vorzugsweise gegenphasiger Polung mit vier Schenkeln, in die bei der Anwendung als Lastwiderstand ein Patient, ein Körperteil eines Patienten, Patientengewebe oder ein Patientenorgan zwischengeschaltet ist, zur Herstellung von Stimulationsströmen für intraoperative Stimulation. Die dortige
zeigt einen Lastwiderstand R (beispielsweise ein Körperteil eines Patienten, wie dessen Kopf). Dieser befindet sich im Brückenzweig
7. Die Schaltelemente
S1 und
S2 sowie die Stromquellen mit Schaltelement
IS1 und
IS2 können beliebig geöffnet und geschlossen werden. Die H-Brücke erlaubt also den Vorteil einer biphasigen Konstantstromquelle (z. B. zur Stimulation) bei Verwendung einer nichtsymmetrischen Versorgungsspannung, da die beiden Anschlüsse (Polung) der Last durch das Schalten der Schaltelemente einfach und sehr schnell vertauscht werden können.
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Beiläufig wird in
DE 10 2013 010 893 A1 eine derartige Schaltung erwähnt, in die ein Kondensator im Brückenzweig mit dem Lastwiderstand in Reihe geschaltet sein kann, welcher während eines Stromflusses durch diesen Zweig aufgeladen wird. Die Ladung, die während des Stromflusses aufgebaut wurde, könnte auf solcher Basis - wie in
1 der nun vorliegenden Erfindungsoffenbarung als Stand der Technik gezeigt - direkt anschließend wieder abgebaut werden.
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1 zeigt (als denkbare, jedoch nicht beschriebene Variante gemäß
DE 10 2013 010 893 A1 ) eine idealisierte schematische Abbildung des resultierenden Stromverlaufs bei einer Stimulation mit einem Stimulationsstrompuls mit anschließender direkter passiver Kapazitäts-Entladungskurve.
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Die
US 2016 / 0 310 741 A1 beschreibt einen implantierbaren Pulsgenerator, der in
14 im Brückenzweig ein kapazitives Element beinhaltet, das geeignet sein könnte, eine passive ladungsausgleichende Phase bei Einführung von Stromimpulsen zu verzögern, wofür jedoch ein Analogschalter 1403 und ein strombegrenzender Widerstand 1404 aus
14 ausdrücklich beschrieben werden.
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Bei elektrischen Schaltungen zur Stimulation in einer medizinischen Vorrichtung, insbesondere bei der unipolaren elektrischen Stimulation, besteht u.a. die Gefahr der Elektrolyse. Die Elektrolyse wird verhindert, indem unmittelbar im Anschluss an die Stimulation ein DC (Direct Current - Gleichstrom) Polarisierungsausgleich erfolgt. In
US 4 373 531 A wird versucht den negativen Effekt zu reduzieren, indem bei einer aktiven Entladung ein Teil der Entladung bereits vor den eigentlichen Stimulus erfolgt. Andere gängige Verfahren nutzen eine Unterdrückung der Messartefakte durch Subtraktion eines Artefakt -Templates vom Antwortsignal (
WO 2016/ 057 244 A1 ), spezielle Wellenformen zur Minimierung von Artefakten (
US 9 107 585 B1 ), sogenanntes „Blanking“ (keine Messung z.B. während der Entladeperiode, z.B. bei der therapeutischen Anwendung in Schrittmachern o.ä., z.B.
US 2015 / 0 223 710 A1 oder
US 2017 / 0 147 064 A1 ).
US 2014 / 0 134 075 A1 erwähnt zwar Verzögerungen zwischen Pulsen zur Ladungsbalancierung bei Implantaten, doch nicht zur Artefaktverminderung beim gemessenen Signal.
WO 02/082982 A1 nutzt ein Pulsschema zur Verminderung elektrischer Artefakte bei der Messung neuronaler Reaktionen bei Cochlea-Implantaten, bei dem nach einem in eine erste Phase mit einem Stimulus einer ersten Polung und in eine zweite Phase mit einem Stimulus entgegengesetzter Polung aufgeteilten Stimulus ein weiterer kompensatorischer Stimulus zur Beseitigung residualer Ladung mit Wirkung gegen ein Stimulus-Artefakt, das auf der Aufladung des Gewebes während der Stimulation basiert, verabreicht wird.
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D.R. Merril et al., J. Neurosci. Meth. 141, 2015, 171-198, beschreibt generell schädigende Wirkungen wie Elektrodenkorrosion etc. und deren mögliche Aufhebung durch Gegenladungen, ggf. mit Verzögerung zwischen Stimulationsphase und Gegenstrom zur Vermeidung der Unterdrückung von Aktionspotentialen.
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Es konnte festgestellt werden, dass sich unter physiologischen Bedingungen ein Ladungsausgleich negativ auf die Erkennung von durch die Stimulation bewirkten evozierten Potentialen auswirkt. Wird mithilfe von einer Messmodalität die elektrophysiologische Antwort auf eine Neurostimulation signaltechnisch erfasst, dann werden die elektrophysiologischen Reaktionen (das evozierte Potential), insbesondere sich unmittelbar nach der Stimulation ereignende Antworten, durch den Ladungsausgleich (die Entladungskurve eines Koppelkondensators) überlagert, es entstehen Messartefakte.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, neue Vorrichtungen und (soweit therapeutische oder diagnostische Behandlung betreffend nur für Referenzzwecke zu offenbarende) Methoden zur elektrischen Stimulation während Operationen oder zu anderen diagnostischen Zwecken an Patienten bereitzustellen, die es ermöglichen, Gegenströme zum Stimulationsstrom (verabreicht als Stimluationsstrompuls(e)) zur Verminderung oder Vermeidung elektrolytischer Effekte bereitzustellen und andererseits ein Messen vom Stimulationsstrom hervorgerufener physiologischer elektrischer Signale ohne Messartefakte zu ermöglichen.
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Dies wird erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise erreicht, indem eine eingangs erwähnte Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie (in Reihe geschaltet) im Brückenzweig mit dem Lastwiderstand ein kapazitives Element zum Erzeugen eines Stroms zum elektrischen Ladungsausgleich für durch ein oder mehrere Stimulationsstrompulse eingeleiteten Strom beinhaltet und derart eingerichtet ist, dass zwischen einem oder mehreren Stimulationsstrompulsen und einer Entladung des kapazitiven Elementes über ein oder mehrere Stimulationselektroden ein Verzögerungszeitraum eingehalten wird. Der Verzögerungszeitraum steht für die störungsfreie Messung von als Reaktion auf den oder die Stimulationsstrompulse hervorgerufenen elektrischen physiologischen Signalen (neurophysiologische Antwort) zur Verfügung und wird hierfür genutzt. Das heißt, eine Messung erfolgt insbesondere im nicht durch den oder die Stimulationsstromimpulse und die Entladung der Kapazität direkt beeinflussten Zeitraum.
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Die Erfindung ist insbesondere überall dort von Vorteil, wo der Ort der elektrischen Stimulation und der Ort der Ableitung nah beieinander liegen. Besonders in diesen Fällen ist die neurophysiologische Antwort kurz nach Auslösung des Reizes zu erwarten und wird daher häufig von einem oder mehreren Stimulationsartefakten überlagert. Das Artefakt kann hierbei in seiner Amplitude häufig wesentlich größer als die zu erwartende Antwort sein. Durch die Verzögerung während wenigstens einem Teil des Stimulationsartefaktes mittels der Erfindung wird das Antwortpotential in unbeeinflusster oder kaum beeinflusster Form messbar und kann somit sichtbar gemacht und analysiert werden.
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Die vor- und nachstehenden allgemeinen Begriffe sind insbesondere durch die nachstehend beschriebenen spezielleren Bedeutungen definiert, wobei einer, mehrere oder alle allgemeinere Begriffe durch speziellere Bedeutungen ersetzt werden können, was zu bevorzugten Varianten (Ausführungsformen) der Erfindung führt.
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„Anordnungen“ bedeuten Vorrichtungssysteme oder Vorrichtungen, welche für die vor- und nachstehend genannten Zwecke eingerichtet sind, also für die Zwecke benötigte Mittel beinhalten, was durch entsprechende Hardware (insbesondere wie hier im Einzelnen dargelegt) und entsprechende (vor allem computerimplementierte) Software gewährleistet ist.
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Unter elektrischem Ladungsausgleich nach der Erzeugung von ein oder mehreren Stimulationsströmen ist insbesondere zu verstehen, dass die Summe der bei den Stimulationsströmen verabreichten Ladungen an der oder den Stimulationselektroden durch die Entladung des kapazitiven Elementes (mindestens im Wesentlichen) wieder ausgeglichen wird.
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Die erfindungsgemäßen Anordnungen können beispielsweise während einer Operation (intraoperativ, wobei beispielsweise eine Kontrolle der Integrität von Nervenbahnen möglich ist, die während einer Operation geschädigt werden könnten) oder ferner zu sonstigen diagnostischen Zwecken genutzt werden, generell zum „Neuromonitoring“.
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Beispiele (die nicht den Rahmen der Erfindung einschränken sollen und lediglich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen) für entsprechende Anwendungen sind die D-Welle, somatosensorisch evozierte Potentiale (SEP) z.B. des Trigeminus und kortikobulbuläre motorisch evozierte Potentiale.
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Die D-Welle repräsentiert die direkte Antwort des Rückenmarks auf eine elektrische Stimulation. In der klinischen Routine entspricht dieser Reiz der transkraniellen (durch die Schädeldecke hindurch erfolgend) elektrischen Stimulation des motorischen Kortex zur Auslösung einer entsprechenden motorischen Antwort in der Peripherie. Die D-Welle kann dann mit speziellen Elektroden (D-Wellen Katheter) direkt am Rückenmark abgeleitet werden. Durch die zusätzliche Ableitung der D-Welle zu den motorisch evozierten Potentialen direkt von den Muskeln kann intraoperativ eine detaillierte Aussage zu dem zu erwartenden postoperativen Motorstatus des Patienten gemacht werden. Durch die Ableitung der D-Welle kann bei einem Ausfall der von den Muskeln abgeleiteten evozierten Potentiale intraoperativ beurteilt werden, ob der Patient ein temporäres oder langfristiges motorisches Defizit haben wird. Diese Methode findet ihre Anwendung hauptsächlich bei Operationen direkt am Rückenmark, z.B. von Rückenmarkstumoren. Hierbei können auch zwei D-Wellen-Katheter platziert werden: Einer kaudal (unterhalb des Tumors), um die Weiterleitung der Potentiale über den Situs hinaus in die Peripherie zu überwachen, und einer kranial (oberhalb des Tumors) zur technischen Überwachung von Stimulation und System und weiteren Einflussfaktoren.
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Besonders bei sehr weit kranial liegenden Tumoren liegen die D-Wellen Katheter dann relativ nah an der Stimulationsstelle und die Antwort wird innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach dem Reiz erwartet (unter 10 ms). Besonders weil in diesem Fall transkraniell mit hohen Strömen stimuliert wird, überlagern Stimulationsartefakte häufig die D-Welle in der Ableitung. Die D-Welle ist dann nicht eindeutig zu identifizieren und charakterisieren.
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Mithilfe der Erfindung wird die D-Welle in allen Fällen, vor allem aber bei einem weit kranial liegenden Ableitkatheter eindeutig identifizierbar.
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Unter somatosensorisch evozierten Potentialen (SEP) wird die Stimulation eines sensorischen Nervs in der Peripherie und die kortikale Ableitung der evozierten Antwort (am Kopf) verstanden. Ein besonderer Fall von SEP sind hierbei die SEP nach Reizung des N. trigeminus. Der N. trigeminus ist der fünfte Hirnnerv, der Teile des Gesichts vor allem sensibel versorgt. Nach Reizung des N. trigeminus zum Beispiel mittels elektrischer Stimulation am Mundwinkel lassen sich evozierte Potentiale über dem primär sensorischen Kortex ableiten. Da die hierdurch entstehenden Wellen in der Ableitung sehr klein sind, müssen mehrere Antworten gemittelt werden. So verringert sich der Einfluss des Rauschens im Signal und das den Anwender interessierende Signal tritt klarer hervor. Je nach Amplitude des ursprünglichen Signals ist eine unterschiedliche Anzahl von Mittelungen notwendig. Üblich ist bei Trigeminus-SEP eine Mittelungsanzahl von 50 bis 200. Bei einer Wiederholrate der Stimulation von zum Beispiel 2,1 Hz dauert die Aufnahme und Auswertung bis zu 95 Sekunden. Zugleich ist auch in diesem Fall der Ort der Ableitung sehr nah zum dem Ort der Stimulation, sodass das elektrische Artefakt, welches durch die Stimulation entsteht, im abgeleiteten Signal sehr stark hervortritt und die eigentliche sensorische Antwort überlagert. Diese Methode findet ihre Anwendung hauptsächlich bei neurochirurgischen Eingriffen im Bereich des Hirnstamms und kann hierbei Aussagen über die Intaktheit des sensorischen Anteils des N. trigeminus liefern. Mithilfe der Erfindung wird das Stimulationsartefakt in der Messung wesentlich kleiner und schmaler, was die sensorische Antwort (eine elektrische physiologische Antwort) mehr aus dem Signal hervortreten lässt. Dies resultiert zum einen in einer einfacheren Identifizierung der Antwort im abgeleiteten Signal. Zum anderen kann die Erfindung dazu beitragen, dass die Anzahl der Mittelungen bei der Signalaufnahme reduziert werden und die Akquisitionszeit für Messsignale somit verringert werden kann.
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Motorisch evozierte Potentiale (MEP) können durch elektrische Stimulation des motorischen Kortex hervorgerufen werden. Diese Stimulation kann beispielsweise transkraniell erfolgen. Die motorische Antwort kann dann mittels Nadel- oder Oberflächenelektrode(n) von entsprechenden Muskeln abgeleitet werden. Ein besonderer Fall von MEPs sind die kortikobulbären MEPs. Hierbei läuft das Signal nach Stimulation des motorischen Kortex über die kortikobulbäre Bahn und die motorischen Hirnnerven zu den entsprechenden Zielmuskeln. Abgeleitet werden in diesem Fall vor allem elektrische physiologische Signale von Muskeln im Bereich des Gesichts, den Mundes, des Rachens, des Halses und des Nackens. Aufgrund der Nähe von Stimulations- und Ableitungsort und aufgrund der für diese Methode notwendigen Stimulationsparameter ist die motorische Antwort sehr kurz nach dem Stimulationsimpuls zu erwarten und das Stimulationsartefakt ist in der Ableitung sehr präsent. Aus diesem Grund sind vor allem kleine motorische Antworten häufig durch ausgeprägte Stimulationsartefakte verdeckt. Kortikobulbäre MEPs werden vor allem bei neurochirurgischen Eingriffen im Bereich des Hirnstamms eingesetzt und können hierbei Aussagen zur Intaktheit der motorischen Hirnnerven liefern. Durch die Erfindung werden die Stimulationsartefakte wesentlich reduziert. Somit ist auch eine Identifikation kleiner und schneller motorischer Antworten problemlos möglich.
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Die vorstehenden Ausführungen zeigen exemplarisch und als bevorzugte Varianten die Nutzung einer erfindungsgemäßen Anordnung im diagnostischen, insbesondere intraoperativen, Bereich.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist vorzugsweise eine H-Brückenschaltung (die ferner im Falle von mehr als zwei Stromquellen auch entsprechend mehr Arme und Schaltelemente aufweisen kann) und weist eine oder vorzugsweise zwei (oder mehr) Stromquellen auf, die im Falle einer Nullstromphase inaktiv gesetzt werden, um Strom zu sparen. Eine derartige Schaltung findet sich in der
DE 10 2013 010893 A1 , auf die hier diesbezüglich Bezug genommen wird. Gemäß der nun vorliegenden neuen Erfindung enthält die Brückenschaltung eine mit dem Lastwiderstand in Reihe geschaltete Kapazität, insbesondere in Form eines Kondensators, und ist nun derart eingerichtet, dass die während eines Strompulses oder einer Folge von Strompulsen zugeführte Ladung erst nach einer zeitlichen Verzögerung nach dem Stimulationspuls ohne Stimulations- und Entladungsstrom über die Kapazität durch einen Gegenstrom kompensiert wird.
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Schaltelemente ermöglichen es, Ströme (insbesondere Stimulationsströme) gerichtet über die Zweige der Brückenschaltung und im Falle einer Stimulation oder der Entladung des Kondensators durch den Lastwidertand zu leiten. Die Ansteuerung der Schaltelemente und der Stromquellen erfolgt hierbei vorzugsweise computergesteuert, d.h. mittels computerimplementierter Programmierung derart, dass nach einem oder mehreren Stimulationsstrompulsen die vollständige Entladung (umgekehrter Stromfluss aufgrund der Entladung der Kapazität) erst mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber dem Endzeitpunkt eines jeweils letzten Stimulationstrompulses ermöglicht wird.
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Als „Lastwiderstand“ können wie angedeutet ein Patient oder ein oder mehrere Körperteile (z.B. Hals, Arm, Bein oder Kopf), ein Gewebe oder ein Gewebe oder Organ eines Patienten während einer diagnostischen Untersuchung, insbesondere während einer Operation in einem Patienten mit Elektroden den sonst offenen Brückenzweig überbrücken.
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„Patient‟ bedeutet ein zu untersuchendes Tier (z.B. Säugetier) oder insbesondere einen zu untersuchenden Menschen, der gesund oder krank sein kann.
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Die mindestens eine Stromquelle zum Erzeugen eines Stimulationsstrompulses ist derart mit den Schenkeln der Brückenschaltung verbunden, dass sie einen elektrischen Strom über einen Schenkel durch den Brückenzweig und weiter durch einen am anderen Ende des Brückenzweiges angeschlossenen Schenkel bei entsprechender Schalterstellung ermöglicht.
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Das im Brückenzweig mit dem einbringbaren (in Funktion eingebrachten) Lastwiderstand vorhandene kapazitive Element zum Erzeugen eines Stroms zum elektrischen Ladungsausgleich ist vorzugsweise mindestens ein in Reihe mit dem Lastwiderstand geschalteter Kondensator, beispielsweise als Keramikkondensator, Kunststoff-Folienkondensator, Elektrolytkondensator, variabler Kondensator oder ferner Superkondensator. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist der Kondensator eine Kapazität von 100 nF bis 100 µF auf.
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Ein- oder mehrere Stimulationsstrompulse kann insbesondere einen oder bis zu zwanzig, z.B. 1 bis 5, Stimulationsstrompulse (im Fall von mehreren Pulsen als Stimulationsstrompulssequenz) bedeuten, die auch unterschiedliche Phasen (Polungen) aufweisen können, mit der Maßgabe, dass sie nicht bereits von sich aus einen vollständigen Ladungsausgleich an der oder den Stimulationselektroden (und deren Gegenelektroden) bewirken können. Vor oder nach einem Stimulationsstrompuls oder einer Pulssequenz können weitere Stimulationsstrompulse oder Pulssequenzen eingeleitet werden, die ebenfalls verzögert ausgeglichen werden können, das heißt, Stimulation, verzögerter Stromausgleich und Messung können mehrfach nacheinander durchgeführt werden.
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Vorzugsweise beträgt in bevorzugten Varianten der Erfindung die (vorzugsweise durch Programmierung vorgegebene) Pulsweite eines Stimulationsstrompulses 0,01 bis 150 ms, vorzugsweise bei 50 bis 2000 µs, insbesondere 200 bis 1200 µs. Der Verzögerungszeitraum, in dem kein Ausgleichsstrom fließen kann, erstreckt sich vorzugsweise bei allen Varianten der Erfindung über 1 bis 1000 ms, insbesondere über einen Bereich von 1 bis 100 ms. Vorzugsweise liegen in bevorzugten Varianten der Erfindung zwischen einzelnen Stimulationsstrompulsen (vorzugsweise durch Programmierung vorgegebene) Interstimulus-Intervalle (ISI, Zeit zwischen den Stimulationspulsen) Pausen von 2 bis 4 ms vor. Bei Pulssequenzen beträgt die (vorzugsweise durch Programmierung vorgegebene) Gesamtdauer in bevorzugten Varianten der Erfindung 50 µs bis 116 ms (z.B. bei bis zu Pulsweite 2000 µs, ISI 4 ms und 20 Pulsen), insbesondere 200 µs (1 Puls mit PW 200 ps) bis 27,2 ms (z.B. bei bis zu Pulsweite 1200 µs, 6 Pulse, ISI 4 ms), insbesondere 2 ms bis 50 ms.
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Dass die Anordnung derart eingerichtet ist, dass zwischen einem oder mehreren Stimulationsstrompulsen und einer Entladung des kapazitiven Elementes über ein oder mehrere Stimulationselektroden ein Verzögerungszeitraum eingehalten wird, bedeutet eine Programmierung (vorzugsweise mittels Software und einem integrierten Computer) einer Kontrolleinheit, die die Schaltelemente, die Stromquellen und das Fließen von elektrischen Strömen in der Anordnung kontrolliert und die ebenfalls Bestandteil der Anordnung ist, die entweder
- a) einen sehr schwachen Erhaltungsstrom (in bevorzugten Ausführungsformen mit einer Stromstärke von 1 µA bis 100 pA) durch den Brückenzweig mit dem einbringbaren Lastwiderstand leitet, der um ein Vielfaches, beispielsweise das 10.000- bis 200.000-fache, kleiner ist als der Stimulationsstrom oder die Summe der Stimulationsströme, auf die ein Verzögerungszeitraum erfolgt, und der den Kondensator während des Verzögerungszeitraums geladen hält (beispielsweise kann der Stimulationsstrom bei 100 mA liegen, der Erhaltungsstrom bei 4 µA), oder
- b) mittels der (soweit erforderlich dann geschlossenen) beteiligten Schaltelemente durch die Kontrolleinheit jeglichen Stromfluss durch den Brückenzweig mit dem einbringbaren Lastwiderstand während des Verzögerungszeitraums vollständig unterbindet und erst nach dessen Ablauf einen Entladungsstrom aus dem Kondensator durch Schließen beteiligter Schaltelemente ermöglicht.
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Ein einbringbarer Lastwiderstand (bzw. synonym ein solcher, der eingebracht werden kann) in dem zugehörigen Brückenzweig ist im Anwendungsfall am Patienten (Fall der Messung und der Stimulierung mittels Stimulationsstrompulsen) im Brückenzweig als vorhanden anzusehen (als mit diesem in Reihe geschalteter Bestandteil).
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Elektrodentypen, wie sie für die Zuführung des oder der Stimulationsstrompulse verwendet werden, können auch für die Messung der physiologischen Signale genutzt werden - dann werden die physiologisch entstehenden Ströme nicht über den Brückenzweig mit dem einbringbaren oder im Anwendungsfall eingebrachten Lastwiderstand abgeleitet, sondern mittels der Kontrolleinheit über eine (in diese integrierte oder separate) Messeinheit geleitet mittels ein oder mehrerer separater (ebenfalls vorzugsweise ein- und abschaltbarer) Leitungen - es kann sich um invasive oder nichtinvasive Elektroden handeln.
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Als Elektroden werden insbesondere Nadelelektroden in verschiedenen Formen (gerade, abgewinkelt, korkenzieherförmig) oder Oberflächen- oder Klebeelektroden eingesetzt. Gemessen werden damit Spannungsunterschiede (beispielsweise in der Größenordnung von 1 nV bis 1000 mV), die durch physiologische Aktivität oder Muskelbewegung entstehen. Diese Spannungsunterschiede können von der Oberfläche des Körpers oder invasiv, z.B. direkt aus einem Muskel, abgeleitet werden.
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Auf diese Weise können die physiologischen Messsignale (bzw. die entsprechenden elektrophysiologischen Signale (Ströme), wie EMG-Signale, Aktionspotentiale von Nerven oder dergleichen) weitgehend störungsfrei erhalten und abgeleitet werden. Mittels einer Darstellungs- und ggf. Speichereinheit können sie dann dem Untersuchenden oder Chirurgen visualisiert werden (z.B. als Zahlenwerte, graphische Darstellungen oder mittels eines Farbcodes (z.B. Ampel mit Grün für gesundes Signal, gelb für fragwürdiges Signal oder rot für pathologisches Signal), und/oder auf andere Weise, ggf. erst nach Speicherung und Auswertung nach den Messungen, zugänglich gemacht werden, so dass die erforderlichen Informationen, beispielsweise über Nerven- oder Organintegrität oder -funktion, dem Untersuchenden oder Chirurgen für diagnostische oder intraoperative Maßnahmen zur Verfügung stehen. Mittels der optionalen Speichereinheit (die Bestandteil der Anordnung sein kann) können Sie auch zur späteren Auswertung aufgehoben werden.
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Sofern von ein oder mehreren Stimulationsstrompulsen die Rede ist, bezieht sich das auf einen einzelnen (mono- oder biphasischen) Puls oder eine Sequenz solcher Stimulationsstrompulse.
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Die Zeitdauer eines Stimulationspulses oder einer Stimulationspulssequenz liegt vorzugsweise bei allen Varianten der Erfindung im Bereich von 0,01 bis 150 ms, insbesondere im Bereich von 0,2 bis 30 ms.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt für Referenzzwecke auch eine Methode zur insbesondere intraoperativen Stimulation, bei der eine wie oben oder nachstehend definierte erfindungsgemäße Anordnung zum Herstellen von Stimulationsstrompulsen verwendet wird und eine Reaktion an einem Erfolgsorgan, z.B. eine Muskelzuckung und/oder ein Druck- oder insbesondere ein elektrophysiologisches, wie elektromyographisches (EMG-), Signal oder evoziertes Potential (EP), gemessen wird, um prüfen zu können, ob eine Nervenverbindung oder ein Gehirnareal, das für die Reizleitung zum Erfolgskörperteil, -gewebe oder -organ oder die Bildung des hierfür erforderlichen Reizes Voraussetzung sind, intakt oder ganz oder teilweise geschädigt ist.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt für Referenzzwecke auch ein Verfahren zur insbesondere intraoperativen Ermittlung einer Schädigung einer Nervenverbindung oder eines Gehirnareals, bei dem die vorstehende Methode verwendet wird.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft für Referenzzwecke auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen, vor- oder nachstehend beschriebenen Anordnung, bei der diese zum Herstellen von Stimulationsströmen, die auf einen Patienten einwirken, verwendet wird und vorzugsweise eine Reaktion an einem Erfolgsorgan, z.B. eine Muskelzuckung und/oder ein Druck- oder insbesondere ein elektrophysiologisches, wie elektromyographisches (EMG-), Signal oder evoziertes Potential (EP), gemessen wird, um prüfen zu können, ob z.B. eine Nervenverbindung oder ein Gehirnareal, das für die Reizleitung zum Erfolgsorgan oder die Bildung des hierfür erforderlichen Reizes Voraussetzung sind, intakt oder ganz oder teilweise geschädigt ist.
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Vorzugsweise (in einer besonderen erfindungsgemäßen Variante) weist eine erfindungsgemäße Anordnung als Brückenschaltung eine H-Brückenschaltung mit vier Schenkeln auf.
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In einer weiteren bevorzugten Variante weist eine vor- oder nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung als Lastwiderstand ein Gewebe, Organ und/oder Körperteil eines Patienten auf, das über ein oder mehrere Stimulationselektroden mit dem Brückenzweig in Serie geschaltet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung derart eingerichtet, dass vor und/oder nach einem oder mehreren Stimulationsstrompulsen durch den Brückenzweig mit dem Lastwiderstand das kapazitive Element in Serie mit dem Lastwiderstand liegt und nach dem Verzögerungszeitraum derart entladen wird, dass mindestens ein dem Stimulationsstrompuls oder der Summe der Stimulationsstrompulse entgegengesetzt polarisierter Ausgleichsstrom zum elektrischen Ladungsausgleich im Bereich des Lastwiderstands, insbesondere von Gewebe oder einem Organ eines Patienten, freigegeben wird.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist das kapazitive Element einer vor- und nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung ein Kondensator, insbesondere wie oben dargelegt.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung derart eingerichtet, dass zwischen dem oder den Stimulationsstrompulsen und dem oder den Ausgleichsströmen der Stromfluss durch den Lastwiderstand unterbrochen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung derart eingerichtet, dass eine Messung von durch den oder die Stimulationsstrompulse hervorgerufenen (insbesondere elektro)physiologischen Signalen aus dem Lastwiderstand über mindestens eine Signalableitungselektrode zu einem Zeitpunkt während des Verzögerungszeitraums vorgenommen wird, zu dem kein Stimulationsstrom und kein Ausgleichsstrom durch den Lastwiderstand geleitet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung derart eingerichtet, dass zur Haltung der Ladung im kapazitiven Element während des Verzögerungszeitraums vor oder insbesondere nach dem oder den Stimulationsstrompulsen ein schwacher Erhaltungsstrom durch den Brückenzweig und den Lastwiderstand geleitet wird, der kleiner ist als der (bezogen auf dessen maximale Stromstärke) Stimulationsstrompuls (geringere Stromstärke), aber gleich gerichtet ist (gleiche Polung), und der verhindert, dass der oder die Ausgleichsströme aus dem kapazitiven Element abfließen können, solange der Erhaltungsstrom fließt.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung derart eingerichtet (insbesondere programmiert), dass der Erhaltungsstrom abgeschaltet wird, sobald der Ausgleichsstrom fließen soll.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente derart betätigt werden, dass durch (passende) Einstellung der Schaltelemente in dem stimulationstrompulsfreien Verzögerungszeitraum vor oder insbesondere nach einem oder mehreren Stimulationsstrompulsen kein Ausgleichsstrom durch den Brückenzweig mit dem Lastwiderstand fließen kann und in dem strompulsfreien Verzögerungszeitraum zwischen Ausgleichsstrom oder -strömen und Stimulationsstrompuls oder -pulsen durch den einen oder die mehreren Stimulationsstromimpulse evozierte elektrische Signale (insbesondere elektrophysiologische Signale) des Lastwiderstands abgeleitet und gemessen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Schaltelemente durch ein in der Anordnung (insbesondere in einer Kontrolleinheit) implementiertes Computerprogramm gesteuert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung derart eingerichtet, dass die Zeitdauer eines Stimulationsstrompulses oder einer Stimulationsstrompulssequenz im Bereich von 0,01 bis 150 ms liegt, insbesondere im Bereich von 0,2 bis 30 ms, und der Verzögerungszeitraum, in dem kein Ausgleichsstrom fließen kann, sich über 1 bis 1000 ms erstreckt, insbesondere über den Bereich von 1 bis 100 ms.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass als Stromquelle mindestens eine uniphasige Stromquelle mit geringem Ruhestromverbrauch mittels einer (erfindungsgemäßen) H-Brücke derart gekoppelt ist, dass sie nur für die Zeitspanne eines Stimulationsstrompulses oder einer Stimulationsstrompulssequenz aktiv ist und zum Stromsparen erst direkt vor dem Stimulationsstrompuls aktiviert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Variante beinhaltet eine vor- und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung zwei uniphasige Stromquellen mit geringem Stromverbrauch, die derart gekoppelt werden, dass zu einer Stimulationszeitspanne über den Lastwiderstand jeweils nur eine der Stromquellen einen Stimulationsstrompuls oder eine Stimulationspulssequenz senden kann.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft für Referenzzwecke eine Methode oder ein Verfahren zur diagnostischen, insbesondere intraoperativen, elektrischen Stimulation und Messung von resultierenden elektrischen Reaktionen (elektrophysiologische Reaktionen) in einem Lastwiderstand in Form eines Körpers oder Körperteils eines Patienten, bei der eine vor - oder nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung zum Herstellen von mindestens einem Simulationsstrompuls und mindestens einem aus diesem resultierenden, in einem kapazitiven Element in Reihenschaltung mit dem Lastwiderstand gespeicherten Ladungsausgleichstrom verwendet wird und in einem Verzögerungszeitraum ohne Stimulationsstrom und ohne Ladungsausgleichstrom eine elektrische Reaktion des Lastwiderstands abgeleitet und gemessen wird.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft für Referenzzwecke auch die Verwendung einer vor - oder nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung zum Herstellen von mindestens einem Stimulationsstrompuls und mindestens einem aus diesem resultierenden, in einem kapazitiven Element in Reihenschaltung mit dem Lastwiderstand gespeicherten Ladungsausgleichstrom, wobei in einem Verzögerungszeitraum ohne Stimulationsstrom und ohne Ladungsausgleichstrom eine elektrische Reaktion des Lastwiderstands abgeleitet und gemessen wird.
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Schließlich betrifft die vorliegende Offenbarung für Referenzzwecke in einer weiteren Variante die Verwendung einer vor - oder nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung von Stimulationsströmen, die auf einen Patienten einwirken und elektrische Reaktionen in dem Patienten hervorrufen, die abgeleitet und gemessen werden können und im Anwendungsfall werden.
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Weitere besondere Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Ansprüchen und insbesondere den abhängigen Ansprüchen, und in den Beispielen, die besondere Varianten (Ausführungsformen) der Erfindung beschreiben. Die Ansprüche werden hier durch Bezugnahme aufgenommen.
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Es zeigt:
- 1 den Stromverlauf eines monopolaren Stimulationsstrompulses mit direktem Ladungsausgleich ohne Verzögerung (wieaus dem denkbaren Stand der Technik gemäß DE 10 2013 010 893 A1 oder analog 15. Bezugszeichen 1504 aus US 2016 /0 310 741 A1 zu erwarten).
- 2 in schematischer Weise eine exemplarische erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von Stimulationsstrompulsen, die mittels eingebauter Kapazität einen verzögerten Ladungsausgleich ermöglicht.
- 3 eine detailliertere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Stimulationsstrompulsen, die mittels eingebauter Kapazität und Programmierung einen verzögerten Ladungsausgleich ermöglicht, mit Details zu Schaltelementen und Stromquellen.
- 4 graphisch den idealisierten Stromverlauf eines monopolaren Stimulationsstrompulses mit erfindungsgemäß verzögertem Ladungsausgleich (ohne die elektrophysiologische Reaktion).
- 5 graphisch den idealisierten Stromverlauf einer beispielhaften Stromimpulssequenz mit (weitgehend) verzögertem Ladungsausgleich.
- 6 graphisch in idealisierter Form einen direkten Vergleich des Stromverlaufs einer Stimulationspulsfolge mit (feste Linie) und ohne (gestrichelte Linie) erfindungsgemäß verzögerten Ladungsausgleich.
- 7 zeigt graphisch oben die durch eine Stimulationsstrompulsfolge tatsächlich erhalten elektrophysiologischen Signale (Messsignalströme) nach einem CoMEP ohne verzögerten Ladungsausgleich, unten die tatsächlich erhaltenen elektrophysiologischen Signale (Messsignalströme) mit erfindungsgemäß verzögertem Ladungsausgleich.
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Das nachfolgende Beispiel wie auch die Figuren dienen der Illustration der Erfindung, ohne ihren Umfang einzuschränken. Die einzelnen Beispielsmerkmale können auch anstelle vor- und nachstehend genannte allgemeiner definierter Merkmale, einzeln, zu mehreren oder alle, in den außerhalb des Beispiels genannten Ausführungsformen der Erfindung anstelle dort verwendeter allgemeiner Merkmale eingesetzt werden.
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Identische Bezugszeichen haben in allen Figuren die gleiche Bedeutung.
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Die Lage der Spannungsquelle 100 in der nachfolgenden 2 ist nur als beispielhafte Anordnung zu sehen - stattdessen kann die Spannungsquelle 100 beispielsweise auch unten (unterhalb des Knotenpunktes der Schenkel 104 und 106 oder daran), als Bestandteil von IS1 und IS2 (wie in 3 gezeigt, worin a, b, c und d jeweils für Anschlüsse stehen) oder als Bestandteil von S1 und S2 implementiert sein. Die Spannungsquelle kann beispielsweise eine aus einer geeigneten (d.h. eine ausreichende Grundspan¬nung ermöglichenden) Schnittstelle wie einem USB-Anschluss, z.B. eines Computers oder eines Netzgerätes, was besonders einfache Handhabung ermöglicht, resultierende Spannung (in der Regel ca. 4.75 bis ca. 5,25 V umtransformiert) bestehen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, hier ausgeführt in Form einer H-Brückenschaltung 101. 1 zeigt den Stromverlauf, wenn man in einer erfindungsgemäße H-Brückenschaltung mit Kondensator 6 (C) wie in 2 oder 3 gezeigt einen über die Schenkel 103 und 104 (oder die Schenkel 105 und 106) verlaufenden Stimulationsstrompuls 1 durch den Brückenzweig 102 leitet. Lässt man die jeweils zugehörigen Schaltelemente S1 4 und IS2 9 (oder im alternativen Fall S2 5 und IS1 8) nach Verabreichung eines Stimulationsstrompulses 1 offen, so entlädt sich der Kondensator 6 (C) über den Lastwiderstand 7 (R) (beispielsweise einen Patienten, ein Körperteil Organ oder Gewebe eines Patienten) mit zum Stimulationsstrompuls 1 entgegengesetzter Stromflussrichtung mit einem idealisiert dargestellten Stromverlauf bei Ladungsausgleich 2.
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7 zeigt am Beispiel der Messung des Signals eines CoMEP (dieser Begriff wird oben erläutert), was dies für negative Folgen hat für Form und Intensität des zu messenden Signals: Die Kurve 14 zeigt ein CoMEP ohne verzögerten Ladungsausgleich - hier folgt auf die Stimulationsstrompulse 18 (in der Mitte der Figur nur abgeschnitten gezeigt) direkt der Entladungsstrom und es kommt zu einer starken Verzerrung der zu messenden Signale. Das wesentlich kleinere Antwortsignal wird hiervon überlagert.
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Ganz anders stellt sich in einer ersten Variante die Situation dar, wenn erfindungsgemäß die Schaltelemente, die Schenkel 103 und 104 (oder im alternativen Fall die Schenkel 105 und 106) nach dem Stimulationspuls 1 keinen Stromfluss über den Brückenzweig 102 mehr ermöglichen, etwa durch Schließung der jeweils zugehörigen Schaltelemente S1 4 und IS2 9 (oder im alternativen Fall von S2 5 und IS1 8).
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Alternativ kann in einer zweiten Variante zur Aufrechterhaltung der Ladung des Kondensators ein schwacher Strom (beispielsweise von 4 µA) durch den Kondensator geleitet werden, so dass dieser sich nicht entladen kann.
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Die Steuerung beider Varianten erfolgt durch eine (entsprechend) programmierte Kontrolleinheit (nicht gezeigt), die in der ersten Variante das Öffnen und Schließen der Schaltelemente bzw. in der zweiten Variante das Aufrechterhalten des schwachen Stroms verwirklicht.
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Würde man jedoch zu lange warten, wären Prozesse an der oder den Stimulationselektroden am Patienten als Lastwiderstand R nach einem Stimulationstrompuls 1 zu wenig reversibel. Daher wird nach einem kurzen (beispielsweise von 100 ms Dauer) Verzögerungszeitraum, während dessen das zu messende elektrische physiologische Signal gemessen werden kann, der Fluss des Entladungsstromes aus dem Kondensator 6 ermöglicht.
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4 zeigt den somit (ohne physiologisches Signal) bei einer erfindungsgemäßen Anordnung resultierenden Stromverlauf: Nach dem Stimulationsstrompuls 1 wird während einer Verzögerungsdauer (Verzögerungszeitraum) 10 in der ersten Variante durch Schließung von Schaltern, in der zweiten Variante durch den (in der Zeichnung nicht dargestellten) schwachen Strom zur Aufrechterhaltung der Ladung des Kondensators 6 die Entladung des Kondensators 6 verhindert. Erst mit Ablauf der Verzögerungsdauer 10 wird in der ersten Variante durch Öffnen der jeweils benötigten Schaltelemente oder in der zweiten Variante durch Abschalten des schwachen Stroms zur Ladungserhaltung die Entladung des Kondensators 6 über den Lastwiderstand 7 im Brückenzweig 102 ermöglicht, so dass ein Strom fließt, der dem Stimulationsstrompuls entgegengesetzt ist. Den idealisierten Stromverlauf bei verzögertem Ladungsausgleich zeigt 4 (siehe Stromverlauf bei Entladung des Kondensators 11).
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5 zeigt eine Situation, bei der nicht nur ein Stimulationsstrompuls 1 zugeführt, sondern anschließend noch eine Sequenz von (hier exemplarisch drei) Stimulationsstrompulsen als Stimulationstrompulssequenz 12 verabreicht wird. Nach dem Stimulationstrompuls 1 wird eine erste Verzögerungsdauer 10 für die Entladung des Kondensators 6 bis zum Beginn der Stimulationsstrompulssequenz 12 eingelegt, während der keine Entladung stattfindet. Während der Stimulationsstrompulssequenz 12 wird nach jedem diese konstituierende einzelnen Stimulationsstrompuls der Kondensator teilweise entladen (nach unten gerichtete Stromanzeige in 5 mit entgegengesetzter Polung), doch am Ende der Stimulationsstromsequenz 12 wird während einer weiteren Verzögerungsdauer 10 die Entladung des Kondensators (mittels einer der beiden vorstehend beschriebenen Varianten) unterbunden. Erst nach Ablauf der Verzögerungsdauer 10 kann so die Entladung des Kondensators 6 stattfinden, die zu dem als 11 idealisiert gezeigten Stromverlauf bei Entladung des Kondensators führt.
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In 6 sind die Ströme dargestellt, wie sie nach einem Stimulationsstrompuls 1 (hier mit umgekehrter Polarität gegenüber den bisherigen Stimulationsstrompulsen) und einer Stimulationsstrompulssequenz 13 einmal ohne die erfindungsgemäß durchgeführte Verzögerung der Entladung (gestrichelte Linien und der Teil der durchgezogenen Linie, der nicht durch die gestrichelte Linie ersetzt ist) und mit implementierter Verzögerung der Entladung (ganze durchgezogene Linie). 2 ist der Stromverlauf bei links teilweisem, ganz rechts vollständigem) Ladungsausgleich.
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7 schließlich zeigt oben im Bereich 14 gemessene Ergebnisse bei einem CoMEP-Versuch an, die ohne Verzögerung des Ladungsausgleiches gemessen wird (Kurve 16, wo sich Ladungsausgleich und gemessene Antwort überlagern) und unten im Bereich 15 die entsprechende Situation mit Verzögerung des Ladungsausgleiches nach einem z.B. in der Mitte von 7 gezeigten Stimulationsstrompuls, wo die Kurvenabschnitte 17 die schwachen kaum noch beeinträchtigten Messsignale anzeigen. Der Ladungsausgleich findet hier im nicht sichtbar dargestellten Bereich statt.
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Somit ermöglicht eine erfindungsgemäß mit Mitteln zur Verzögerung einer Entladung des Kondensators 6 ausgestattete Anordnung viel genauere Messungen der physiologischen elektrischen Reaktionen auf Stimulationsstrompulse als dies bei direkter Entladung möglich wäre, und es wird so überhaupt erst sinnvoll ermöglicht, einen Kondensator im Brückenzweig 102 zur Verringerung von durch Stimulationsströme hervorgerufenen Artefakten wegen elektrolytischer und anderer Vorgänge während Stimulation und Messung am Patienten durch Ladungsausgleich zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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| Bezugszeichen |
Bedeutung |
| 1 |
Stimulationsstrompuls |
| 2 |
Stromverlauf bei Ladungsausgleich |
| 3 |
(nicht vergeben) |
| 4 |
Schaltelement S1 |
| 5 |
Schaltelement S2 |
| 6 |
Kondensator |
| 7 |
Lastwiderstand |
| 8 |
Schaltelement IS1 |
| 9 |
Schaltelement IS2 |
| 10 |
Verzögerungsdauer oder Verzögerungszeitraum |
| 11 |
Stromverlauf bei Entladung des Kondensators |
| 12 |
Stimulationsstrompulssequenz |
| 13 |
Stimulationsstrompulssequenz |
| 14 |
CoMEP ohne verzögerten Ladungsausgleich |
| 15 |
CoMEP mit Verzögerung des Ladungsausgleichs |
| 16 |
Ladungsausgleich ohne Verzögerung |
| 17 |
Messignale |
| |
|
| 100 |
Spannungsquelle (Stromquelle) |
| 101 |
H-Brückenschaltung |
| 102 |
Brückenzweig |
| 103 |
Schenkel |
| 104 |
Schenkel |
| 105 |
Schenkel |
| 106 |
Schenkel |
