DE2649474A1

DE2649474A1 - Electrical stimulation of nerves or muscles - uses generator with cyclic discharge of coupling capacitor in intervals between pulses

Info

Publication number: DE2649474A1
Application number: DE19762649474
Authority: DE
Inventors: Herwig Dipl Ing Dr Thoma
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-05-19
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-12-08
Also published as: ATA365676A; AT344307B

Abstract

The generator gives a constant current output without d.c. voltage, for electrical stimulation of e.g. nerves or muscles. It comprises a constant current pulse generator (1), and output sockets (2) which can be connected by electrode wires to electrodes (E). Between the generator and sockets there is a coupling capacitor (3). The pulses operate a delay member (4) which operates a second delay member (5) which operates a switch (6) for cyclic discharge of the capacitor during the intervals between pulses. The switch is pref. electronic, and between it and the capacitor is a variable resistor (7) for controlling the discharge rate.

Description

Reizstromgenerator Stimulation current generator

Die Erfindung betrifft einen Reizetromgenerator mit gleichspannungsfreiem und stromkonstantem Ausgang zur elektrischen Stimulation eines Reizobjektes, wie Nerven oder Muskeln, bestehend aus einem stromkonstanten Reizimpuisgenerator sowie Ausgangsbuchsen, welche über Elektrodenleitungen mit Elektroden zur Applikation am Reizobåekt verbindbar sind.The invention relates to a stimulus generator with a DC voltage-free and a constant current output for electrical stimulation of a stimulus object, such as Nerves or muscles, consisting of a constant current stimulus generator as well Output sockets, which via electrode lines with electrodes for application are connectable at the Reizobåekt.

Reizstromgeneratoren werden auf mannigfache Weise zur Reizung von Nerven und Muskeln für diagnostische und therapeutische Zwecke in der physikalischen Medizin eingesetzt. Zur tetanischen Reizung von Muskeln werden heute fast durchweg möglichst kurze Impulse mit einer Frequenz von etwa 15 bis 50 Hz verwendet. Die Dauer der Impulse wird dabei so gewählt, daß es gerade zur einer sicheren Depolarisation der Nerven-oder Nuskelzellen kommt; sie beträgt etwa 0,2 bis 1 ms. Ein besonderes Problem, das bisher nur unbefriedigend gelöst ist, stellt die Kopplung des Ausgangs des Reisstromgenerators mit den Elektroden dar. In der Patentliteratur sind verschiedene Möglichkeiten angegeben. So zeigt die DI-OS 1 940 803 beispielsweise eine Kopplung von spannungskonstanten Impulsen über einen Auskoppelkondensator. Demgegenüber ist in der US-PS 3 454 012 eine induktive Kopplung angegeben, die jedoch in der dort beschriebenen Ausführungsform nicht gleichspannungsfrei ist. Die Induktivität dient dabei offenbar nur zur Spannungsüberhöhung. Eine ähnliche Spannungsüberhöhung, jedoch wiederum nicht gleichspannungsfrei, zeigt die D-OS 2 049 498. Dort wird die Spannungsüberhöhung mit Hilfe eines Schwingkreises realisiert.Stimulation current generators are used in a variety of ways to stimulate Nerves and muscles for diagnostic and therapeutic purposes in the physical Medicine used. For tetanic stimulation of muscles are almost always used today The shortest possible pulses with a frequency of around 15 to 50 Hz are used. the The duration of the impulses is chosen so that it just leads to a safe depolarization the nerve or muscle cells come from; it is about 0.2 to 1 ms. A special The problem that has not yet been solved satisfactorily is the coupling of the output of the rice current generator with the electrodes. In the patent literature there are various Possibilities indicated. For example, DI-OS 1 940 803 shows a coupling of constant voltage pulses via a decoupling capacitor. In contrast is In US Pat. No. 3,454,012, an inductive coupling is indicated, but this is not disclosed in the US Pat described embodiment is not free of DC voltage. The inductance is used apparently only to increase the voltage. A similar voltage spike, however Again not free of DC voltage, shows D-OS 2 049 498. There the voltage increase realized with the help of an oscillating circuit.

Aus biologischer Sicht besteht, insbesondere bei längerer Anwendungsdauer, die Forderung, daß die Reizimpulse zumindest gleichspannungsfrei eingekoppelt werden. Ein Reizimpulsgerät, das betriebsmäßig nicht dauernd kontrolliert werden kann, muß ferner über einen stromkonstanten Ausgang verfügen. Der Grund für diese Forderung liegt in der zeitlichen Änderung des Widerstandes des das Reizobjett umgebenden Gewebes (vgl. "Über die Anwendung elektrischer mulationsströme bei Operationen" von H. Thoma und Mitarbeitern inner Anästhesist1, Mai 1976). Eine Kombination der beiden Forderungen nach einem einerseits stromkonstanten und andererseits gleichspannungsfreien Reizstromgenerator stößt technisch auf beträchtliche Schwierigkeiten, so daß die bisherigen Reizstromgeneratoren entweder nur stromkonstant oder nur gleichspannungsfrei arbeiten. Die einfachste und beste Lösung, nämlich die kapazitive Kopplung von Reizstromgenerator und Elektroden, ist deshalb nicht brauchbar, weil der Stromgenerator definitionsgemäß einen unendlich hohen Generatorwiderstand besitzt, so daß die Ladung am Kondensator nicht abgeleitet wird und die Spannung an diesem sich dauernd erhöht.From a biological point of view, especially when used for a longer period of time, the requirement that the stimulus pulses are coupled in at least without direct voltage. A stimulation pulse device that cannot be continuously monitored during operation must be used also have a constant current output. The reason for this requirement lies in the change in the resistance of the object surrounding the stimulus over time Tissue (see "About the use of electrical simulation currents in operations" by H. Thoma and colleagues internal anesthesiologist1, May 1976). A combination of the both demands for a constant current on the one hand and non-DC voltage on the other hand Current stimulator encounters considerable technical difficulties, so that the previous stimulation current generators either only with constant current or only without direct voltage work. The simplest and best solution, namely the capacitive coupling of the stimulation current generator and electrodes, is therefore unusable because the current generator by definition has an infinitely high generator resistance, so that the charge on the capacitor is not diverted and the voltage across it increases continuously.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine stromkonstante und gleichspannungsfreie Einkopplung der Stimulationsimpulse an das Reizobjekt zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen zwischen dem stromkonstanten Reizimpulsgenerator und den Ausgangsbuchsen liegenden Koppelkondensator, ein von den Impulsen des Reizimpulsgenerators betriebenes Verzögerungsglied, ein weiteres vom Verzögerungsglied betriebenes Verzögerungsglied, sowie einen vom letztgenannten Verzögerungsglied betriebenen Schalter zur zyklischen Entladung des Koppelkondensators während der Impulspause des Reizimpulsgenerators. Der vom Verzögerungsglied betriebene Schalter ist vorteilhaft ein elektronischer Schalter.The object of the invention is to provide a current constant and DC voltage-free To enable coupling of the stimulation pulses to the stimulus object. This task is solved by a between the constant current stimulus pulse generator and the Output sockets lying coupling capacitor, one of the impulses of the stimulus pulse generator operated delay element, another delay element operated by the delay element, as well as a switch operated by the last-mentioned delay element for the cyclic Discharge of the coupling capacitor during the pulse pause of the stimulus pulse generator. The switch operated by the delay element is advantageously an electronic one Counter.

Durch die Kombination von stromkonstanter und gleichspannungsfreier Kopplung wird ein ausgezeichnetes Langzeitverhalten erreicht. Bei einer 40 lage dauernden klinischen Arlwendutlg eiflei solchen Vorrichtung wurde die Reizschwelle mit einer Genauigkeit von etwa 20% eingehalten. Ferrier ergibt sich folgender Vorteil: Bekanntlich entstehen an den mit dem biologischen Reizobjekt verbundenen Elektroden je nach Elektrodenwerkstoff auf Grund der elektrolytischen Wirkung gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe Potentiale. Ein durch ein solches Potential hervorgerufener Gleichstrom würde dieselbe schädliche elektrolytische Wirkung auf das Reizobjekt ausüben wie ein nicht gleichspannungsfreier Reizimpuls. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein solcher Ausgleichsstrom jedoch verhindert, da der Koppelkondensator auch für externe Gleichströme nicht durchlässig ist.Through the combination of constant current and non-DC voltage Coupling, an excellent long-term behavior is achieved. at a 40-day clinical work was carried out using such a device the stimulus threshold is adhered to with an accuracy of about 20%. Ferrier yields The following advantage: As is well known, arise with the biological stimulus object connected electrodes depending on the electrode material due to the electrolytic Effect according to the electrochemical series of potentials. One by one Potential induced direct current would be the same harmful electrolytic Have an effect on the stimulus object like a stimulus impulse that is not free of DC voltage. However, the arrangement according to the invention prevents such a compensating current, because the coupling capacitor is not permeable to external direct currents either.

Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren beispielsweise beschrieben Fig. 1 zeigt das Blockschema der Anordnung, Fig. 2 das genaue Schaltbild einer Ausführungsform. Die Ziffern von Fig. 1 und Fig. 2 korrespondieren, d.h. alle in der Fig. 2 dargestellten Bauteile, deren Ziffern beispielsweise eine 1 enthalten, gehören zu dem Block 1 der Fig. 1. Das gleiche gilt für die Ziffern 2 bis 7.The invention is described by way of example with reference to two figures Fig. 1 shows the block diagram of the arrangement, Fig. 2 shows the exact circuit diagram of an embodiment. The numerals of Fig. 1 and Fig. 2 correspond, i.e. all shown in Fig. 2 Components whose numbers contain a 1, for example, belong to block 1 of Fig. 1. The same applies to numbers 2 to 7.

Der stromkonstante Impulsgenerator 1 liefert über den Koppelkondensator 3 Stimulationsimpulse an die Ausgangsbuchsen 2. Diese Impulse werden über Elektrodenleitungen zu Elektroden E geführt, welche nahe an dem Reiobjekt 0 angeordnet sind.The current-constant pulse generator 1 delivers via the coupling capacitor 3 stimulation impulses to the output sockets 2. These impulses are transmitted via electrode leads led to electrodes E, which are arranged close to the rubbing object 0.

Die Ladung am Koppelkondensator 3 wird erfindungsgemäß, wie folgt, zyklisch gelöscht: Die Impulse des Stromgenerators 1 betreiben ein Verzögerungsglied 4, dessen Verzögerungsdauer größer oder gleich der Impulsdauer des Impulsgenerators ist.According to the invention, the charge on the coupling capacitor 3 is as follows: cyclically deleted: The pulses from the current generator 1 operate a delay element 4, whose delay duration is greater than or equal to the pulse duration of the pulse generator is.

Das Verzögerungsglied 4 betreibt ein weiteres Verzögerungsglied 5. Die Dauer dieser Verzögerung ist kleiner oder gleich der Impulsfolgefrequenz des Impulsgenerators. Das zweite Verzögerungsglied 5 betreibt einen Schalter 6 zur zyklischen Entladung des Koppelkondensators 3. Die Entladedauer ist von der Einstellung des regelbaren Entladewiderstands 7 abhängig. Bei positiven Stimulationsimpulsen entsteht, je nachdem, ob der Widerstand 7 klein oder groß ist, eine hohe oder geringe negative Ausgleichsamplitude. Dabei ist das positive Flächenintegral des Stromverlaufs immer gleich dem negativen Flächenintegral.The delay element 4 operates a further delay element 5. The duration of this delay is less than or equal to the pulse repetition frequency of the Pulse generator. The second delay element 5 operates a switch 6 for cyclical discharge of the coupling capacitor 3. The discharge time is of the Setting of the adjustable discharge resistance 7 dependent. With positive stimulation pulses arises, depending on whether the resistor 7 is small or large, a high or low negative compensation amplitude. Here is the positive area integral of the course of the current always equal to the negative area integral.

Das Schaltbild nach Fig. 2 ist für eine mehrkanalige Ausführung brauchbar. Zur hochisolierten Trennung der einzelnen Kanäle voneinander wird die Schaltung über einen Isolierübertrager 8 mit Energie versorgt. Diese Wechselstromenergie wird über eine Einweggleichrichtung D 10 mit einem Kondensator C 10 in Gleichspannung umgesetzt. Ebenfalls aus Gründen der Isolation werden von einem zentralen Impulsgenerator aus Impulse über den Optokoppler 9 in die Schaltung eingekoppelt. Die Impulse erscheinen am Kollektorwiderstand R 10 des Optokopplers. Die maximale Amplitude dieser Impulse wird durch eine Zenerdiode D 11 über den Widerstand R 11 stabilisiert. Über den Impedanzwandler T 10 gelangen die Impulse auf das regelbare Potentiometer R 1. Mit Hilfe dieses Potentiometers wird der Strom des Augangsimpulses eingestellt. Die Umsetzung von Spannungs- zu Stromimpulsen erfolgt über den Transistor T 1. Je nach Einstellung des Potentiometers R 1 wird über den hochohmigen Vorwiderstand R 12 der gewünschte Basisstrom erzeugt. Dieser Basisstrom entspricht, multipliziert mit der Stromverstärkung des lransistors T 1, dem Kollektorstrom. Die am Kollektor auftretenden Stromimpulse werden über den Koppelkondensator a 3 an die Ausgangsbuchsen 2 geführt. Die nach Fig. 1 in den Blökken 4 und 5 schematisch dargestellten Verzögerungsglieder werden durch die Serienschaltung G 4, R 4 bzw. R 5, o 5 realisiert. An der Basis des Transistors T 6 entsteht ein gegenüber dem Stimulationsimpuls verzögerter Impuls zur Löschung der Ladung an o 3. Transistor T 6 übernimmt demgemäß die Funktion des elektronischen Schalters. Die Entladegeschwindigkeit wird am regelbaren Widerstand R 7 eingestellt. Je nach Polarität können positive oder negative stromkonstante Impulse an den Ausgangsbuchsen erzeugt werden. Biphasische Impulse werden durch Kopplung von komplementären Schaltungen gewonnen.The circuit diagram according to FIG. 2 can be used for a multi-channel design. The circuit is used for the highly isolated separation of the individual channels from one another Supplied with energy via an isolating transformer 8. This alternating current energy will Via a half-wave rectifier D 10 with a capacitor C 10 in direct voltage implemented. Also for reasons of isolation, a central pulse generator Coupled from pulses via the optocoupler 9 into the circuit. The impulses appear at the collector resistor R 10 of the optocoupler. The maximum amplitude of these pulses is stabilized by a Zener diode D 11 via the resistor R 11. On the Impedance converter T 10, the impulses reach the controllable potentiometer R 1. With This potentiometer is used to set the current of the output pulse. the Conversion of voltage to current pulses takes place via the transistor T 1. Depending on The potentiometer R 1 is set via the high-resistance series resistor R 12 the desired base current is generated. This base current corresponds to, multiplied by the current gain of the transistor T 1, the collector current. Those occurring on the collector Current pulses are fed to the output sockets 2 via the coupling capacitor a 3. The delay elements shown schematically in blocks 4 and 5 according to FIG are implemented by the series connection G 4, R 4 or R 5, o 5. At the base of the transistor T 6, a delayed pulse is produced with respect to the stimulation pulse to delete the charge on o 3. Transistor T 6 takes over accordingly the Function of the electronic switch. The unloading speed is adjustable Resistance R 7 set. Depending on the polarity, there can be positive or negative current constants Pulses are generated at the output sockets. Biphasic pulses are through Coupling of complementary circuits gained.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Patent claims 4. Stimulation current generator with DC voltage control and current constant output for electrical stimulation of a stimulus object such as nerves or muscles, consisting of a constant current stimulus generator and output sockets, which can be connected to electrodes for application to the stimulus object via electrode lines are characterized by a between the constant current stimulus pulse generator (1) and the output sockets (2) lying coupling capacitor (3), one of the pulses the stimulus pulse generator operated delay element (4), another from the delay element (4) operated delay element (5), as well as one operated by the delay element (5) Switch (6) for cyclic discharge of the coupling capacitor (3) during the pulse pause of the pulse generator (1).

2. stimulation current generator according to claim 1, d a d u r c h g e lc e n n z e i c h n e t that the switch (6) is an electronic switch.

3. stimulation current generator according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that for regulating the discharge speed of the coupling capacitor between the switch (6) and the coupling capacitor (3) an adjustable one Resistance (7) is provided.

4. stimulation current generator according to claim 1 to 3, characterized in that that for the isolation of individual channels in a multi-channel version, the energy supplying isolating transformer (8) and one supplying the stimulation pulses Optocouplers (9) are provided.

5. stimulation current generator according to claim 2 to 4, characterized that a switching transistor (1 6) via an RO delay element (R 4, C 4) for discharge of the coupling capacitor (C 3) is opened chronologically after the stimulation pulse will.