DE19952191C1 - Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Nervenfasern aufweisend eine Spule und Verwendung von Mitteln zur Kühlung der Spule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Nervenfasern eines Lebewesens (P). Die Vorrichtung weist wenigstens eine zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B) vorgesehene Spule (1) und elektrisch betriebene und/oder wenigstens einen Wärmetauscher umfassende Mittel (8, 9, 16, 18) zur aktiven Kühlung der Spule (1) auf, welche die im Betrieb der Vorrichtung von der Spule (1) erzeugte Wärme durch Wärmetransport von der Spule (1) abführen. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Mittel zur aktiven Kühlung der Spule.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Nervenfasern eines Lebewesens aufwei­ send wenigstens eine zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorge­ sehene Spule. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung von Mitteln zur Kühlung der Spule.

Die Magnetstimulation ist ein Verfahren zur Anregung bzw. Ak­ tivierung von Nervenfasern und Neuronen im Körper eines Lebe­ wesens durch zeitveränderliche magnetische Felder. Die magne­ tischen Felder durchdringen dabei Körpergewebe des Lebewesens und induzieren elektrische Felder in dem Körpergewebe, welche motorische Nervenfasern und periphere Nerven direkt an deren Endaufzweigungen stimulieren.

Bei der transkraniellen Magnetstimulation wird z. B. eine stromdurchflossene, ein Magnetfeld erzeugende Spule in unmit­ telbarer Nähe des Kopfes eines Patienten betrieben, so daß das Magnetfeld Gewebebereiche des Gehirns des Patienten durchdringen kann. Auf diese Weise wird ein elektrisches Feld im Gewebe des Gehirns des Patienten induziert, welches die elektrischen Potentiale, z. B. der Zellmembranen von Neuro­ nen, depolarisiert und somit eine Stimulation bewirkt. Bei entsprechender Plazierung der Spule am Kopf des Patienten können gezielt Neuronen ausgewählter Bereiche des Gehirns stimuliert werden, welche z. B. mit bestimmten Muskelgruppen des Patienten verbunden sind.

In der DE 199 14 762 A1 ist beispielsweise eine Spulenanord­ nung für die transkranielle magnetische Stimulation beschrie­ ben, welche mehrere Einzelspulen umfaßt, die mit einem Trage­ körper verbunden sind.

Eine andere Form der Magnetstimulation ist die periphere Ma­ gnetstimulation, bei der die Spule in der Nähe von Muskeln plaziert wird, um mit den Muskeln verbundene Nervenphasern zu stimulieren.

Typische Magnetfeldstärken für die Magnetstimulation liegen bei ca. 2 Tesla und wirken für eine Zeitdauer von ca. 200 Mi­ krosekunden auf das Gewebe ein. Bei der repetitiven transkra­ niellen oder peripheren Magnetstimulation wird mit Wiederhol­ frequenzen für die Erzeugung des Magnetfeldes von ca. 25 Hertz gearbeitet, wobei es zu einer nicht unerheblichen Er­ wärmung im Betrieb der Spule kommt, welche die Dauer des Ein­ satzes der Spule begrenzt.

Derzeit wird der Erwärmung der Spule bei bekannten Vorrich­ tungen zur Magnetstimulation konstruktiv nicht entgegenge­ wirkt. Vielmehr werden Abkühlphasen für die Spulen in Kauf genommen, welche die Dauer des Einsatzes der Vorrichtungen einschränken.

In der nicht vorveröffentlichten DE 198 19 214 A1 ist aller­ dings eine Vorrichtung zur Behandlung von Gewebe- und/oder Gelenkserkrankungen im Kiefer- oder Nackenbereich eines Pati­ enten mit einem elektromagnetischen Feld beschrieben, welche ein U-förmiges Gehäuse aufweist, in dem mehrere Spulen zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes angeordnet sind, wo­ bei das Gehäuse mit Belüftungsöffnungen versehen ist, so daß die im Betrieb der Spulen erzeugte Wärme aus dem Gehäuse nach außen dringen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, daß im Betrieb der Vorrichtung keine Abkühlphasen für die Spule erforderlich sind. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, Mit­ tel zur aktiven Kühlung der Spule anzugeben.

Nach der Erfindung wird die eine Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Ner­ venfasern eines Lebewesens aufweisend wenigstens eine zur Er­ zeugung eines Magnetfeldes vorgesehene Spule und elektrisch betriebene und/oder wenigstens einen Wärmetauscher umfassende Mittel zur aktiven Kühlung der Spule, welche die im Betrieb der Vorrichtung von der Spule erzeugte Wärme durch Wärme­ transport von der Spule abführen. Erfindungsgemäß wird die Spule der Vorrichtung zur Magnetstimulation also derart aktiv durch Aufnahme und Abtransport der im Betrieb der Spule er­ zeugten Wärme gekühlt, daß die Spule ohne Abkühlphasen im Dauerbetrieb zur Magnetstimulation einsetzbar ist. Der Trans­ port der Wärme erfolgte dabei gezielt von der Spule als Wär­ mequelle zu einer Wärmesenke, an der die Wärme beispielsweise an die Umgebungsluft oder anderweitig abgegeben wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die Spule eine dem Lebewesen zuzuwendende und eine von dem Lebewesen abzu­ wendende Seite auf, wobei die Mittel zur aktiven Kühlung der Spule mit der von dem Lebewesen abzuwendenden Seite zusammen­ wirken. Auf diese Weise wird die Handhabung und Funktion der Spule zur Magnetstimulation durch die Mittel zur aktiven Küh­ lung nicht eingeschränkt und gleichzeitig eine effektive Küh­ lung im Betrieb der Spule bewirkt, wobei auch das zu behan­ delnde Lebewesen in erwünschter Weise nicht von der im Be­ trieb der Spule erzeugten Wärme beaufschlagt wird.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung umfassen die Mittel zur aktiven Kühlung der Spule wenig­ stens ein Peltier-Element. Der Vorteil der Verwendung eines Peltier-Elementes zur Kühlung der Spule beruht darauf, daß durch das Peltier-Element mit keinen parasitären Störeffekten elektrischer Art für den Betrieb der Spule zu rechnen ist, daß der Einsatz derartiger Elemente an bestehenden Vorrich­ tungen zur Magnetstimulation nur eine geringe Designänderung derselben erfordert und daß auf kommerziell erhältliche Pel­ tier-Elemente zurückgegriffen werden kann. Ein weiterer Vor­ teil eines Peltier-Elementes gegenüber alternativen Mitteln zur aktiven Kühlung der Spule besteht in dem exakten und sehr schnellen Temperaturregelvermögen des Peltier-Elementes.

Die Kühlwirkung des Peltier-Elementes beruht im übrigen auf dem Effekt, daß in Abhängigkeit von der Flußrichtung eines Gleichstromes über Verbindungsstellen zweier aus unterschied­ lichen Materialien bestehender Leiter Wärme an den Verbin­ dungsstelle aufgenommen oder frei wird. Ein geeignet aufge­ bautes Peltier-Element ermöglicht es demnach, Wärme an einer Verbindungsstelle aufzunehmen, zu einer anderen Verbindungs­ stelle zu transportieren und dort abzugeben.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist das Peltier-Element zumindest indirekt auf der dem Lebewesen abzuwendenden Seite der Spule angeordnet. Das Peltier-Element kann beispielsweise elektrisch isoliert auf der Spule aufgebracht sein. Vorzugs­ weise ist die Spule in einem wärmeleitend mit der Spule ver­ bundenen Gehäuse und das Peltier-Element auf der von dem Le­ bewesen abzuwendenden Seite des Gehäuses der Spule angeord­ net. Das Peltier-Element ist demnach hinreichend gegenüber der Spule elektrisch isoliert und kann dennoch infolge der wärmeleitenden Verbindung zu der Spule eine effektive Kühlung der Spule bewirken.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß zur aktiven Küh­ lung der Spule ein erster Wärmetauscher zumindest indirekt auf der von dem Lebewesen abzuwendenden Seite der Spule ange­ ordnet ist. Der Wärmetauscher nimmt dabei primärseitig die von der Spule im Betrieb erzeugte Wärme auf und transportiert diese zu seiner Sekundärseite, über die er die Wärme, bei­ spielsweise an die Umgebungsluft, abgibt. Der Wärmetauscher kann zusätzlich mit wenigstens einem Peltier-Element versehen sein, um die Kühlung der Spule noch zu verbessern.

Gemäß einer Variante der Erfindung können die Mittel zur ak­ tiven Kühlung der Spule noch einen zweiten Wärmetauscher auf­ weisen, welcher in einiger Entfernung von dem ersten Wärme­ tauscher angeordnet ist. Der erste und der zweite Wärmetau­ scher sind derart wärmeleitend miteinander verbunden, daß die von dem ersten Wärmetauscher in der Nähe der Spule aufgenom­ mene Wärme zu dem zweiten Wärmetauscher transportiert und dort, beispielsweise an die Umgebungsluft, abgegeben wird. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmelei­ tung zwischen den beiden Wärmetauschern durch ein Kühlmedium bewirkt. Der erste und/oder der zweite Wärmetauscher können zur verbesserten Kühlung der Spule zusätzlich mit wenigstens einem Peltier-Element versehen sein. Die Verwendung von Wär­ metauschern zur Kühlung der Spule erweist sich insbesondere bei kleinen Spulen als vorteilhaft, welche einen nur begrenz­ ten Raum für die Anbringung eines Peltier-Elementes in der Nähe der Spule bieten. Darüber hinaus wird das Peltier-Ele­ ment bei einer Anordnung an dem zweiten Wärmetauscher nicht den zeitveränderlichen magnetischen Feldern der Spule ausge­ setzt.

Die weitere Aufgabe der Erfindung wird durch die Verwendung eines Peltier-Elementes gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Magnetstimula­ tion von Neuronen und/oder Nervenfasern,

Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Peltier-Element und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Magnetstimulation.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Nervenfasern eines Lebewesens gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt im Falle des vorliegenden Ausführungs­ beispiels eine flache Stimulationsspule 1, welche in einem aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildeten Gehäuse 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist an einem Griff 3 befestigt, durch den im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein elektrisches Kabel 4 geführt ist. Das Kabel 4 verbindet die Stimulationsspule 1 mit einer Stromversorgungseinheit 5 der Vorrichtung. In dem Kabel 4 sind in nicht näher dargestellter Weise Leitungen geführt, über die die Stimulationsspule 1 von der Stromversorgungseinheit 5 mit Strom versorgt wird. Die Stromversorgungseinheit 5 verfügt in nicht dargestellter, aber an sich bekannter Weise über Mittel, welche es gestat­ ten, die Höhe sowie die Frequenz und die Einschaltfrequenz des Spulenstroms einzustellen.

Die Stimulationsspule 1 weist eine dem zu behandelnden Lebe­ wesen, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels dem Pa­ tienten P, zuzuwendende Seite 6 und eine von dem Patienten P abzuwendende Seite 7 auf. Auf der zu der vom Patienten P ab­ zuwendenden Seite 7 der Stimulationsspule 1 korrespondieren­ den Seite des Gehäuses 2 ist im Falle des vorliegenden Aus­ führungsbeispiels ein Array 8 von Peltier-Elementen befe­ stigt. Das Array 8 von Peltier-Elementen ist in nicht darge­ stellter Weise über elektrisch von den Leitungen für die Stromversorgung der Stimulationsspule 1 isolierten, ebenfalls in dem Kabel 4 geführten Leitungen mit der Stromversorgungs­ einheit 5 verbunden und wird von dieser mit Gleichstrom ver­ sorgt.

In Fig. 3 ist der Aufbau eines im Falle des vorliegenden Aus­ führungsbeispiels verwendeten Peltier-Elementes 9 des Arrays 8 von Peltier-Elementen 9 exemplarisch dargestellt. Das Pel­ tier-Element 9 weist seinerseits ein Array von positiven 10 und negativen 11 Thermoelementen auf, welche zwischen zwei keramischen Leiterplatten 12, 13 angeordnet sind. Die Leiter­ platte 13 ist in Fig. 3 nur schematisch angedeutet. Die Ther­ moelemente 10, 11 sind über Leiterbahnen 14, 15 miteinander verbunden, wobei sich die Leiterbahnen 14 auf der Leiter­ platte 12 und die Leiterbahnen 15 auf der Leiterplatte 13 be­ finden. Die Thermoelemente 10, 11 sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Im Betrieb des Peltier- Elementes 9 fließt in in Fig. 3 angedeuteter Weise ein Gleich­ strom I durch das Peltier-Element 9, wobei alle Thermoele­ mente 10, 11 Wärme auf seiten der Leiterplatte 12 aufnehmen und auf die Seite der Leiterplatte 13 transportieren, von der die Wärme beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Zur Behandlung des Patienten P wird die Stimulationsspule 1 in der Regel von medizinischem Personal in für therapeutische Zwecke geeigneter Weise relativ zu dem Patienten P, bei­ spielsweise wie in Fig. 2 gezeigt, relativ zum Kopf des Pati­ enten P, plaziert. Während des Stimulation wird mit der Sti­ mulationsspule 1 ein zeitveränderliches magnetisches Feld B, dessen Magnetfeldlinien in Fig. 2 angedeutet sind, erzeugt.

Das Magnetfeld B besitzt typischerweise eine Magnetfeldstärke von ca. 2 Tesla und wirkt mit einer Wiederholfrequenz von ca. 25 Hertz für jeweils eine Zeitdauer von ca. 200 Mikrosekunden auf das Gewebe im Kopf des Patienten P ein. Infolge des Ma­ gnetfeldes B wird ein elektrisches Feld E im Gewebe des Pati­ enten P induziert, welches die elektrischen Potentiale, z. B. der Zellmembranen von Neuronen, motorischer Nervenphasern und peripherer Nerven, depolarisiert und diese somit stimuliert.

Durch die wiederholte Erzeugung des magnetischen Feldes B kommt es im Betrieb der Vorrichtung zu einer deutlichen Er­ wärmung der Stimulationsspule 1. Um eine Überhitzung der Sti­ mulationsspule 1 sowie Abkühlphasen der Stimulationsspule 1 zu vermeiden, wird die von der Stimulationsspule 1 erzeugte Wärme erfindungsgemäß durch das Array 8 von Peltier-Elementen 9 von der der Stimulationsspule 1 zugewandten Primärseite des Arrays 8 der Peltier-Elemente 9 auf die von der Stimulati­ onsspule 1 abgewandte Sekundärseite des Arrays 8 der Peltier- Elemente 9 transportiert und von dort wie mit den Pfeilen a in schematischer Weise angedeutet, an die Umgebungsluft abge­ geben.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Nervenpha­ sern eines Lebewesens gezeigt. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist auf der zu der vom Pa­ tienten P abzuwendenden Seite 7 der Stimulationsspule 1 kor­ respondierenden Seite des Gehäuses 2 kein Array von Peltier- Elementen, sondern ein Wärmetauscher 16 angeordnet. Der Wär­ metauscher 16 ist über eine Leitung 17 mit einem in einiger Entfernung von der Stimulationsspule 1 angeordneten zweiten Wärmetauscher 18 verbunden. Auf dem zweiten Wärmetauscher 18 ist ein Array 8 von Peltier-Elementen 9 angeordnet, dessen elektrischer Anschluß in Fig. 4 nicht näher dargestellt ist.

Im Betrieb der in Fig. 4 ausschnittsweise gezeigten Vorrich­ tung zur Magnetstimulation wird die von der Stimulationsspule 1 erzeugte Wärme von dem Wärmetauscher 16 aufgenommen und im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles durch ein flüs­ siges Kühlmedium über die Leitung 17 zu dem zweiten Wärmetau­ scher 18 transportiert. Das Array 8 von Peltier-Elementen 9 nimmt schließlich primärseitig die Wärme von dem Wärmetau­ scher 18 auf und gibt diese sekundärseitig in Richtung der in Fig. 4 eingetragenen Pfeile a an die Umgebungsluft ab. Zum Transport der von dem Wärmetauscher 16 aufgenommenen Wärme zu dem Wärmetauscher 18 zirkuliert das Kühlmedium im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels in einem geschlossenen Kreislauf, wobei die Zirkulation in nicht dargestellter Weise durch eine in dem Wärmetauscher 16 oder eine in dem Wärmetau­ scher 18 angeordnete Pumpe bewerkstelligt werden kann. Als Kühlmedium kommt beispielsweise Wasser in Frage.

Bei dem Kühlmedium muß es sich jedoch nicht notwendigerweise um ein flüssiges Kühlmedium handeln. Vielmehr kann der Wärme­ transport auch durch ein gasförmiges Kühlmedium erfolgen oder durch Wärmeleitung über einen Festkörper.

In Abänderung des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels kann auch auf dem ersten Wärmetauscher 16 ein Array 8 von Peltier-Elementen 9 angeordnet sein.

Alternativ kann auch auf den zweiten Wärmetauscher 18 ver­ zichtet werden und die Stimulationsspule 1 nur mit dem er­ sten, mit einem Array 8 von Peltier-Elementen 9 versehenen Wärmetauscher 16 gekühlt werden.

Weitere Alternativen bestehen darin auf das Array 9 von Pel­ tier-Elementen 9 zu verzichten und die Kühlung der Stimulati­ onsspule 1 nur mit dem ersten Wärmetauscher 16 oder mit dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 16, 18 zu bewerkstelli­ gen.

Der in Fig. 3 beschriebene Aufbau eines Peltier-Elementes 9 des Arrays 8 von Peltier-Elementen 9 ist im übrigen nur exem­ plarisch zu verstehen und kann auch andersartig ausgeführt sein. Im Rahmen der Erfindung wird dabei unter einem Peltier- Element ganz allgemein ein Aufbau verstanden, welcher den Peltier-Effekt zur Kühlung der Spule ausnutzt.

Darüber hinaus können in Abweichung von der ringförmigen Flachspule auch andersartige Spulen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuronen und/oder Nervenfasern eines Lebewesens (P) aufweisend wenigstens eine zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B) vorgesehene Spule (1) und elektrisch betriebene und/oder wenigstens einen Wärmetau­ scher umfassende Mittel (8, 9, 16, 18) zur aktiven Kühlung der Spule (1), welche die im Betrieb der Vorrichtung von der Spule (1) erzeugte Wärme durch Wärmetransport von der Spule (1) abführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Spule (1) eine dem Lebewesen (P) zuzuwendende (6) und eine von dem Lebewesen (P) abzuwendende Seite (7) aufweist, wobei die Mittel (8, 9, 16, 18) zur aktiven Kühlung der Spule (1) mit der von dem Lebewe­ sen (P) abzuwendenden Seite (7) der Spule zusammenwirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Mittel (8, 1 9, 16, 18) zur aktiven Kühlung der Spule (1) wenigstens ein Peltier-Element (9) umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Peltier-Element (9) zumindest indirekt auf der von dem Lebewesen (P) abzuwen­ denden Seite (7) der Spule (1) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein erster Wärmetauscher (16) zumindest indirekt auf der von dem Lebewesen abzuwendenden Seite (7) der Spule (1) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der erste Wärmetau­ scher (16) wärmeleitend mit einem in einiger Entfernung von der Spule (1) angeordneten zweiten Wärmetauscher (18) verbun­ den ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der für die Wärmeleitung zwischen dem ersten (16) und dem zweiten (18) Wärmetauscher ein Kühlmedium vorgesehen ist.

8. Verwendung wenigstens eines Peltier-Elementes (9) zur Küh­ lung einer zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B) vorgesehenen Spule (1) einer Vorrichtung zur Magnetstimulation von Neuro­ nen und/oder Nervenfasern eines Lebewesens (P).