DE2049498A1

DE2049498A1 - Elektromedizinisches Reizstromgerät

Info

Publication number: DE2049498A1
Application number: DE19702049498
Authority: DE
Inventors: Norman Rodney. Minneapolis. Minn. Hagfors (V.St.A.)
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1969-10-29
Filing date: 1970-10-08
Publication date: 1971-05-13
Also published as: NL7014756A; FR2066555A5; US3645267A

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. QERHARD SCHWAN I MÜNCHEN ·· QOERZER STRASSE 15 ^g nii tnjn

Ger. P-110

Ifledtronic, Inc. 3055 Old Highway Eight, Minneapolis, IKlinn. 55418/V .St, A.

Elektromedizinisches Reizstromgerät

Die Erfindung betrifft ein elektromedizinisches Reizstromgerät, das an eine Stromquelle anschaltbar ist, um an einen vorbestimmten Körperteil elektronische Reizsignale zu liefern.

Geräte zum elektrischen Stimulieren von Nerven» Muskeln oder anderem Geuiebe haben in der Medizin in jüngster Zeit u/aite Verbreitung gefunden. Beispiele für derartige Geräte sind Herzschrittmacher und Karotis-Sinus-Nervstimulatoren. Das elektrische Stimulieren von Nerven, Ifluskeln oder anderem Gbuiebe ist oft von unerwünschten Nebeneffekten begleitet» die unter anderem darauf zurückzuführen sind, dafl benachbarte Nervenfasern gereizt werden. Ee wurde festgestellt, daß diese Nebeneffekte in zahlreichen Fällen von vorübergehender Art sind und nur für eine kurze Zeitspanne andauern, nachdem die Reizung durch elektrische SignalB erstmals erfolgt ist. Ea wird angenommen, daß die Reizeignale, wenn sie mit voller Reizamplitude eingeschaltet werden, ein Ansprechen dar afferenten Nervenfasern bewirken, was eine elektroschockartige

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Empfindung auslöst. Offenbart gewöhnen sich diese afferenten Nervenfasern dann an das Reizsignal und sprechen nicht länger darauf an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, das die oben geschilderten unerwünschten Nebeneffekte beim Einschalten des Gerätes vermeidet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem elektromedizinischen Reizstromgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäQ dadurch gelöst, daß zwischen die Stromquelle und eine Ankoppelstelle des Reizstromgerätes ein Übertragungsglied geschaltet ist, das beim Einschalten des Reizstromgerätes die Amplitude der anfänglich abgegebenen Reizsignale nur allmählich auf den vorbestimmten Enduiert ansteigen läßt. Es wurde gefunden, daß dann, wenn der Reiz beim Einschalten allmählich verstärkt wird, sich die afferenten Nervenfasern an das Reizsignal anpassen, ohne daß es zu einer Depolarisierung kommt. Das Empfinden eines Elektroschockes bleibt aus oder macht sich allenfalls sehr viel weniger stark bemerkbar. Danach können die Reizsignale auf dem vorbestimmten Endwert gehalten werden, ohne daß eine unerwünschte Reaktion eintritt. Wit der Erfindung werden bei implantablen, transkutanen und externen Reizstromgeräten die Impuls- oder Reizsignaleinschaltkennlinien derart gestaltet, daß eine Akkomodation durch die afferenten Nervenfasern erfolgt und übergangareaktionen ausgeschlossen werden.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Übertragungsglied eine zwischen der Stromquelle und der Ankoppelstelle liegende Verstärkerstufe und ein parallel zu der Stromquelle geschaltetes elektrisches Zeitglied auf) das mit dem Steuereingang der Verstärkerstufe verbunden ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Zeitglied aus einem RC-Serienglied, d. h. der Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators. Wenn ein zwischen der Stromquelle und dem Zeitglied liegender Schalter geschlossen wird, lädt sich der Kondensator des Zeitgliedes entsprechend der Zeitkonstanten des Zeitgliedes allmählich auf. Rlit Hilfe der Kondensatorladung wird das anfängliche Ausgangssignal der Verstärkerstufe gesteuert, das seinerseits den Strom vorgibt, der zu der die Reizsignale, beispielsweise eine Impulsfolge, abgebenden Schaltungsstufe gelangt. Bei allmählicher Steigerung des anfänglichen Ausgangseignais der Uerstärkeretufβ nimmt auch die Anfangsamplitude des Reizsignala, also z. B. der Impulse der Impulsfolge, allmählich auf den vorbestimmten Endwert zu. Dieser allmähliche Anstieg der Anfangsamplitude der Raizsignala verringert oder beseitigt die Ubergangsreaktion, die das für den Patienten unangenehme Empfinden auslöst.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeiapielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Figur 1 ein schematischee Schaltbild einer Aueführungsform des Gerätes nach der Erfindung,

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Figur 2 ein scheinet laches Schaltbild eines elektronischen Reizatromgerätee gemäS einer lueiteren Auaführungsform der Erfindung,

Figur 3 eine graphische Darstellung einer typischen

Einhüllenden für eine Folge von mittels eines bekannten Reizstromgerätes gelieferten Reiz-Impulsen, und

Figur 4 eins graphische Darstellung der Einhüllenden

einer Folge von Reizimpulsen, wie sie mit Hilfe eines erfindungsgemäß ausgebildeten Reizstromgerätes erhalten wird.

Figur 1 zeigt in Blockform ein elektronisches Reizstromgerät 10. Das Reizstromgerät 10 besitzt zwei Eingangsklemmen 11 und 12, die an eine Stromquelle angeschlossen «erden können, sowie zwei Auegangeklemmen 13 und 14, an denen dee Reizstromgerät eine Folge von Ausgangeimpulsen abgibt. Eine im vorliegenden Aueführungtbeiepiel aus Batterien bestehende Stromquelle 15 ist zwischen die Elngangsklemme 11 und die eine Seite eines Schalters 16 geschaltet. Das erfindungegemäQ vorgesehene Übertragungsglied 20, das die anfängliche Ausgangsamplitude der Reizsignale allmählich ansteigen läßt, ist innerhalb eines gestrichelten Blockes veranschaulicht. Das Übertragungsglied 20 weist einen Kondensator 17 und einen Widerstand 18 auf, deren Reihenschaltung parallel zu der Stromquelle 15 und dem

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Schalter 16 liegt. Zu dem übertragungsglied 20 gehört ferner ein Transistor 19, dessen Emitter mit der Eingangsklemme 12, dessen Kollektor mit der anderen Seite des Schal-firs 16 und dessen Basis mit der Verbindungsstelle zwischen Kondensator 17 und Widerstand 18 verbunden ist.

Um die Ulirkungsuieise der Anordnung nach Figur 1 klarzumachen, sei zunächst angenommen, daß der Schalter 16 offen ist. Infolgedessen ist der Kondensator 17 nicht geladen und liefert das Reizstromgerät 10 keine Ausgangssignale. Wenn Ausgangssignale gewünscht merden, tuird der Schalter 16 geschlossen. Dadurch uiird das Zeitglied in Farm der Serien-RC-Schaltung aus Kondensator 17 und Widerstand 18 parallel zur Stromquelle 15 gelegt. Da sich der Kondensator 17 nicht plötzlich laden kann, fließt zunächst kein Strom über die von dem Transistor 19 gebildete Verstärkerstufe und uiird dementsprechend dem Reizstromgerät zunächst noch keine Energie zugeführt.

Wenn das Zeitglied an die Stromquelle 15 angeschaltet bleibt, baut sich am Kondensator 17 eine Ladung auf. Die dadurch belüirktB Spannungsänderung an der Verbindungsstelle zuiischen Kondensator 17 und Widerstand 18 macht sich an der Basis des Transistors 19 der Verstärkerstufe bemerkbar. Der Transistor uiird leitend, so daß Über die Eingangsklemmen 11, 12 ein Strom zum Reizstromgerät 10 fließen kann. Auf Grund dieses Stromes beginnt das Reizstromgerät 10 zu arbeiten und die gewünschte Folge von Ausgangaeignalen zu liefern. U/eil die Ladung am

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Kondensator 17 allmählich zunimmt, steigt auch der Über den Transistor 19 flieGende Strom nur nach und nach an, bis der maximale Stromfluß von der Stromquelle 15 zum Reizstromgerät 10 erreicht ist. !!Jährend dieser Zeitspanne bewirkt der allmähliche Anstieg des zum Reizstromgerät 10 gelangenden Stromes einen entsprechenden allmählichen Anstieg der Ausgangsamplitude der Anfangssignale. Dieser allmähliche Anstieg der Amplitude nur der anfänglichen Ausgangssignale auf den vorbestimmten Endwert beseitigt oder verringert die unangenehmen Empfindungen, die in dem an das Reizstromgerät angeschlossenen Patienten ausgelöst werden, nenn die Impulsfolge beim Einschalten mit voller Amplitude anliegt, und die offenbar auf das Reizen von benachbarten Nervenfasern zurückzuführen sind.

Figur 2 zeigt eine weitere Aueführungsform der Anordnung nach der Erfindung. In Figur 2 ist schematisch das Schaltbild eines Hachfrequenz-Impulssenders veranschaulicht, der auf drahtlosem li/ege eine Folge von Reizstromimpulsen an einen implantierten Empfänger übermittelt, der mit dem zu stimulierenden Gewebe verbunden ist.

In Figur 2 sind die Ausgangsklemmen 13 und 14, die Stromquelle 15 und der Schalter 16 ebenso wie in Figur 1 bezeichnet. Das erfindungegemäS vorgesehene Übertragungsglied 20 ist wiederum innerhalb eines gestrichelten Blockes dargestellt. Die eine Klemme der Stromquelle 15 ist an eine positive Sammelleitung 21, die andere Klemme über den Schalter 16 an eins

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negative Sammelleitung 22 angeschlossen. Ein der Spannungsstabilisierung dienender Kondensator 23 liegt zwischen den Sammelleitungen 21 und 22. Der Emitter eines Transistors 24 ist mit der Sammelleitung 21 verbunden. Die Basis des Transistors 24 ist über ztiei Dioden 25 und 26 an die Sammelleitung 21 sowie Über einen Widerstand 27 und einen Stellwiderstand 28 an die Sammelleitung 22 angeschlossen. Der Emitter eines Transistors 30 ist mit der Sammelleitung 22 verbunden. Die Basis des Transistors 30 ist über einen Widerstand 33 mit dem Kollektor des Transistors 24 und über einen Widerstand 34 mit der Sammelleitung 22 verbunden. Der Kollektor des Transistors 30 ist über einen Widerstand 32 und einen Kondensator 31 mit der Basis des Transistors 24 verbunden. Der Emitter eines Transistors 35 ist an die Sammelleitung 21 angeschlossen. Die Basis des Transistors 35 steht über einen Widerstand 36 mit dem Kollektor des Transistors 30 und einen Widerstand 37 mit der Sammelleitung 21 in Verbindung. Der Kollektor des Transistors 35 ist über die Reihenschaltung eines Widerstandes 38 und einer Zenerdlode 39 mit der Sammelleitung 22 verbunden. Parallel zu der Zenerdiode 39 liegt eine Reihenschaltung aus einem Potentiometer 40 und einem Widerstand 41. Die Basis eines Transistors 42 ist mit dem Schleifer des Potentiometers 40 verbunden, während der Emitter des Transistors 42 über einen Widerstand 43 an sine

Verbindungsstelle 44 angeschlossen ist. Die Verbindungsstelle 44 ist unmittelbar an die Ausgangsklemme 13 sowie über einen Kondensator 45 an die Sammelleitung 22 angsschlcssan. Zwei in ^eihe liegende Widerstände 46 und 47 liegen zwischen der Uer-

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bindungssteile 44 und der Sammelleitung 22. Die Basis eines Transistors 50 ist an die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 46 und 47 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 50 ist unmittelbar mit der Ausgangsklemme 14 verbunden. Zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 50 liegt ein Kondensator 51. Der Emitter des Transistors 50 ist über einen Hf-Schuiingkreis 53 an die Sammelleitung 22 angeschlossen. Der Schwingkreis 53 besteht aus der Parallelschaltung einer einstellbaren Induktivität 54, eines Kondensators 55 und eines Kondensators 56.

Das übertragungsglied 20 weist einen Transistor 60 auf, dessen Emitter mit dem Kollektor des Transistors 42 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 60 ist an die Sammelleitung 21 angeschlossen. Die Basis des Transistors 60 steht über einen Widerstand 61 mit der Sammelleitung 21 und über einen Kondensator 62 mit der Sammelleitung 22 in Verbindung. Ein Kondensator 63 liegt zwischen dem Emitter des Tranaistors 60 und der Semmelleitung 22 und sorgt in bekannter U/eise für eins niedrigere Schaltungsimpedanz.

Die Transistoren 24 und 30 bilden zusammen mit den zugehörigen Schaltungskomponenten einen Impulsgenerator, der Ausgangsimpulse liefert, solange der Schalter 16 geschlossen ist. U/enn der Schalter 16 geschlossen wird, liegt die von der Stromquelle 15 abgegebene Spannung zwischen den Sammelleitungen 21 und 22. Über die Dioden 25 und 26, den Widerstand 27 und den

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Stellwiderstand 28 fließt ein Strom. Der Kondensator 31 ist nicht geladen. Durch den Spannungsabfall an den Diarien 25 und 26 wird der Emitter-Basie-Übergang des Transisicra 24 in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß der Transistor 24 stromführend luird. Das bewirkt einen Stromfluß über die ÜJidsratände 33 und 34, wodurch der Emitter-Basis-Übergang des Transistors 30 in Durchlaßrichtung vorgespannt und der Transistor 30 stromführend gemacht uiird. Wenn der Transistor 3D leitet, wird ein Ladetueg für den Kondensator 31 gebildet. Sobald die Ladung des Kondensators 31 einen ausreichenden Uiert erreicht hat, wird der Transistor 24 gesperrt, modurch auch der Transistor 30 gesperrt uiird. Der Kondensator 31 entlädt sich über eine Strecke, die den Widerstand 37, den Widerstand 36, den * Widerstand 32, den Kondensator 31, den Widerstand 27 und den Widerstand 28 einschließt. Wenn die Ladung des Kondensators 31 ausreichend abgesenkt ist, uiird der Transistor 24 erneut stromführend und wiederholt sich das Arbeitsspiel. Infolgedessen wird eine Folge von Auegangsimpulsen erzeugt, solange der Schalter 16 geschlossen ist.

Der Transistor 35 und die Zenerdicde 39 bilden zusammen mit den zugehörigen Schaltungskomponenten einen Spannungsregler. Der Ausgangsimpuls des Impulsgeneratore läßt Strom Über die Widerstände 36 und 37 fließen, wodurch der Emitter-Baaisübergang des Transistors 35 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so daß über den Widerstand 38, das Potentiometer 40 und den Widerstand 41 Strom fließt. Die Zenerdiode 39 regelt die

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Spannung in dieeem Teil der Schaltungeanordnung.

Der Transistor 42 und das Potentiometer 40 bilden eine Ausgangeamplitudeneteuerstufe, die es erlaubt, die Amplitude das Ausgangseignais durch die Stellung des Schleifers des Potentiometers 40 vorzugeben. Nimmt man zunächst an, daß das Übertragungsglied 20 nicht vorhanden ist und der Kollektor des Transistors 42, wie dies bei bekannten Geräten der Fall ist, unmittelbar an die Sammelleitung 21 angeschlossen ist, so bewirkt der über den Transistor 40 fließende Strom, daß der Emitter-Baais-Ubergang das Transistors 42 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird und über den li/iderstand 43 ein Strom zur Verbindungsstelle 44 fließt. Dadurch wird der Kondensator 45 aufgeladen; die sich aufbauende Spannung erscheint an der Reihenschaltung der Widerstände 46 und 47. Der Transistor 50 wird stromführend und liefert Energie an den Schwingkreis 53. Da der Transistor 50 zusammen mit dem Schwingkreis 53 einen Hf-Oezillator bildet, erscheint an den Ausgangsklemmen 13 und 14 eine Folge von Hf-Ausgangslmpulsen, deren Amplitude durch Einstellung des Potentiometers 40 vorgegeben wird.

Dadurch, daß Jedoch gemäß Figur 2 das übertragungsglied 20 vorhanden ist, geht das Ausgangssignal des Transistors 42 erst zu dem Hf-Oszillator, wenn die den Transistor 60 aufweisende Veretärkaratufe eingeschaltet worden ist. Das Zeitglied, das aus dar parallel zur Stromquelle liegenden Reihenschaltung das Ulideratandea 61 und daa Kondensators 62 baataht,

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steuert das Einschalten des Transistors 60. UJe η η der Schalter 16 geschlossen wird, ist der Kondensator 62 zunächst noch ungeladen, so daß der Emitter-Basis-Übergang des Transistors 60 nicht sofort in Durchlaßrichtung vorgespannt tuird. Uienn sich der Kondensator 62 über den Widerstand 61 allmählich auflädt, steigt die in Durchlaßrichtung wirkende Vorspannung des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 60 allmählich an und nimmt dementsprechend der über den Transistor 60 zum Kollektor des Transistors 42 fließende Strom nach und nach zu. Uienn der Kondensator 62 v/oll geladen ist, fließt über den Transistor 60 und den Transistor 42 der maximale Strom,

Aus der vorstehenden Erläuterung folgt, daß die Amplitude der Anfangsimpulse, die über den Transistor 42 zu dem Hf-Oezillator gelangen, allmählich gesteigert wird und daß nur die Anfangsimpulse der erzeugten Hf-Impulsfolge entsprechend allmählich ansteigen. Der mit dem Gewebe des Patienten verbundene Hf-Empfanger nimmt auf diese Weise eine Impulsfolge auf, deren Anfangsimpulse amplitudenmäßig nach und nach auf den vorbestimmten Endwert ansteigen. Ein unangenehmes Empfinden infolge von UbergangsnebBneffekten, die darauf zurückzuführen sind, daß die Impulsfolge sofort mit voller Amplitude einsetzt, ist vermieden oder weitgehend verringert.

Bei der Prüfung der Geräte nach den Figuren 1 und 2 ergab sich, daß es bei dem Hf-Impulseender nach Figur 2 aus GrUn-

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den der Energieersparnis günstiger ist, das übertragungsglied 20 an der in Figur 2 gezeigten Stelle und nicht gemäß Figur 1 anzuordnen. Dagegen ist die Schaltungsvariante nach Figur 1, »ο das übertragungsglied 20 zwischen der Stromquelle 15 und dem gesamten Reizstromgerät 10 liegt, im Hinblick auf die Stabilität der Anordnung günstiger. Es wurden auch andere als die veranschaulichten Aueführungsformen getestet; beispielsweise wurde das Übertragungsglied 20 so gelegt, daß sowohl die dem Spannungsregler als auch die der Ausgangsamplitudensteuerstufe nach Figur 2 zugeführte Speisespannung allmählich ansteigt. Grundsätzlich kann in Rahmen der Erfindung das Übertragungsglied 20 an beliebiger Stelle liegen, solange es nur dafür sorgt, daß die abgegebenen Reizeignale nach dem Einschalten dee Gerätes allmählich ansteigen.

Die Figuren 3 und 4 zeigen die Abhängigkeit der Amplitude der Impulsfolge von dar Zelt und laeeen dan Unterschied zwischen ... -dar AuagangalRpulafalg· «in·· bekannten Gerätes und dar Im- ^ pulsfolg· erkennen, die bei einem erfindungegemVS ausgelegten¹*

Gerlt erhalten wird. Figur 3 veranechaulicht die bekannte IsKfp pulsfolge, bsi der die Impulse praktisch augenblicklich ihre volle Amplitude erreichen. Dieser plötzliche Anstieg auf die volle Amplitude dürfte die unerwünschten Nebeneffekte und unangenehmen Empfindungen auslösen, vermutlich weil Gewebe stimuliert wird, das neben dem zu reizenden Gewebe liegt. Figur zeigt in gleichem maßstab wie Figur 3 den allmählichen Anstieg^ der Anfangsimpulse der Impulsfolge eines Reizstromgera'tes nach

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der Erfindung auf die volle Amplitude. Durch diesen allmählichen Anstieg der anfänglichen Reizsignale kommt es offenbar zu einer Gewöhnung der benachbarten Fasern an die Reizsignale, ohne daß eine Oepolarisierung eintritt. Die für bekannte Geräte typischen unangenehmen Empfindungen treten dabei nicht oder praktisch nicht auf.

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Claims

- 14 -Ansprüche

/ 1.JElektromedlzinischee Reizstromgerät, das an eine Stromquelle anschaltbar ist, um an einen vorbestimmten Körperteil elektronische Reizeignale zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß zutschen die Stromquelle (15) und eine Ankoppelstelle des Reizstromgerätee ein übertragungsglied (20) geschaltet ist, das beim Einschalten des Reizstromgerätee die Amplitude der anfänglich abgegebenen Reizsignale nur allmählich auf den vorbestimmten Endtuert ansteigen läßt.
2. Reizstromgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das übertragungsglied (20) eine zwischen der Stromquelle (15) und der Ankoppelstelle liegende Verstärkerstufa (19, 60) und ein parallel zu der Stromquelle geschaltetes elektrisches Zeitglied (17, 1Θ; 61, 62) aufweist, das mit dem Steuereingang der Verstärkerstufe verbunden ist.
3. Reizstromgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied eine Reihenschaltung aus UJiderstand (18, 61) und Kapazität (17, 62) aufweist und dia Kapazität derart mit der l/erstärkerstufe (19, 60) gekoppelt ist, daß das Ausgangssignal der V/erstärkerstufe von der elektrischen Ladung der Kapazität abhängig ist.

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4. Reizstromgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der understand (18, 61) zutschen dem einen Ausgang der Stromquelle (15) und dem Steuereingang der Veratärkerstufe (19, 60) sowie die Kapazität (17, 62) zwischen dem anderen Ausgang der Stromquelle und dem Steuereingang der Verstärkerstufe liegt.
5. Reizstromgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe einen als Emitter-Folger geschalteten Transistor (19, 60) aufweist.
6. Reizstromgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das übertragungsglied (20) zwischen die Stromquelle (15) und den Speieeetromeingang (11, 12) des Reizstromgerätes geschaltet let.
7. Reizstromgerät nach tintm der Ansprüche 1 bi· S mit einer AuagangnapUtUdiniteutritufe, dadurch gekennzeichnet, daß dta übertragungsglied (20) zwischen dt· Stromquelle (15) und die Auegangaamplitudeneteueratufβ (40, 42) geschaltet ist.

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