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Stimulationsvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Stimulieren
von lebendem Gewebe.
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Es ist bekannt, daß die Schmerzen eines Patienten durch zugeführte
elektrische Impulse zum Stimulieren von Nerven im Körper gemildert werden können.
Die Nerven im menschlichen Körper zeigen bei elektrischer Stimulation eine vollständige
oder keine Depolarisationswirkung, d.h., wenn der zugeführte elektrische Reizimpuls
keinw ausreichende Stärke hat, um den Depolarisationsschweinwert für die Zeit, während
der er dem Nerv zugeführt wird, zu erreichen, so wird sich keine Nervendepolarisation
ergeben. Stärke-Dauer- oder S-D-Kurven für Nerven geben die Reizintensität über
der Irnpulsdauer an. Die Kurven haben einen üblichen Hyperbel- oder umgekehrt logarithmischen
Verlauf über einen großen Bereich von Impulsbreiten. Der
einzige
Unterschied in den S-1)-Kurven von einer Klasse Nerven zur anderen ist die Amplitudenskala.
Der kleinere Nerv verlangt die größte Deiola risat ionsaipl itude bei einer bestimmten
Impulsbreite.
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Schmerz ist eine subjektive Erscheinung. Der Grad der Schmerzmilderung
ist eine subjektive Interpretation. Durch das Studium des Nachbehandlungsverhaltens
von Schmerzpatienten kann die Behandlungsqualität beurteilt werden. Es ist beobachtet
worden, daß ein Schmerzpatient, bie dem eine ttranskutane elektrische Ne'rvenstimulationsvorrichtung
benutzt-wird, bei der die Impulsbreite ver'änderbar ist, in größerem Ausmaß eine
Schmerzmilderung erlangen kann als mit einer gleichen Vorrichtung mit fest eingestellter
Impulsbreite. Vom Patienten getragene Geräte sind bereits zur Behandlung von chronischem
Schmerz benutzt worden.
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Diese Geräte stimulieren die Tastfasernerven von der Hautoberfläche
aus. Die Geräte haben Intensitätssteuereinrichtungen, wie beispielsweise eine einzelne
Amplitudensteuereinrichtung. Diese Geräte werden weiter nach der Schwingungsform
klassifiziert: Wechselstromrechteckschwingungen, Spitzenexponentialschwingungen,
symmetrische Rechteckschwingungen und Kombinationsschwingungen aus Rechtekken und
Spitzen. Bei den Rechteckschwingungsgeräten sind Einrichtungen vorgesehen zum Verändern
der Intensität, der Impulsbreiten und der Impulsfolgefrequenz.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Stimulieren von Lebendem
Gewebe, die eine elektrische Schaltung hat, welche mit Steuereinrichtungen versehen
ist zum Koordinieren der elektrischen Impulsbreite mit der Reizintensität auf vorgeschriebene
nichtlineare Weise derart, daß eine vernachlässigbare subjektive Reizintensitätsänderung
wahrgenommen wird, wenn die Impulsbreite verändert wird. Die koordinierte elektrische
Tmt)uisbreite und die Reizintensität
folgen einer ausgewählten
Stärke-Dauer-Kurve für einen Nerv, die einen umgekehrt logerithmischen Verlauf hat.
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Die Vorrichtung enthält einen Impulsgenerator, der pew riodische elektrische
Impulse erzeugt. Die Frequenz der Impulse wird durch eine einstellbare erste Steuereinrichtung
gesteuert, die mit dem Impulsgenerator in Wirkverbindung steht. Eine Einrichtung
zum Steuern der Impulsbreite ist mit dem Ausgang des Impulsgenerators verbunden.
Die Einrichtung zum Steuern der Impulsbreitehat eine einstellbare Steuereinrichtung,
mit der die, Impulsbreite veränderbar ist. Der Impuls aus der Impulsbreitensteuereinrichtung
wird zu einer zweiten Steuereinrichtung geleitet, mittels welcher die Intensität
des Impulses veränderbar ist. Die einstellbare Steuereinrichtung und die zweite
Steuereinrichtung sind mechanisch gekuppelt, so daß sie in gegenseitiger Abhängigkeit
wirken, um die Impulsintensität zu verringern, wenn die Impulsbreite vergrößert
wird, so daß vernachlässigbare subjektive Reizänderungen vom Patienten wahrgenommen
werden. Die Amplitude der Intensität nimmt mit einer Zunahme der Impulsbreite längs
einer Kurve ab,' die insgesamt einer hyperbelförmigen Stärke-Dauer-Kurve fr lebendes
Gewebe folgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein Diagramm
von S.tärke-Dauer-Kurven für verschiedene lassen von Nervenfasern, das die Horizontalbewegung
der Stiumlation bei Veränderungen der ImpuIsbreite zeigt, Fig. 2 ein Blockschaltbild
einer Gewebestimulationsvorrichtung, die zur
Ausführung der Erfindung
benutzt werden kann, und Fig. 3 ein Schaltbild der Geweb,estimulationsvorrichtung.
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Fig. 1 zeigt ein Diagramm 10 von Stär.ke-Dauer- oder S-D-Kurven für
verschiedene Klassen von Nervenfasern. Die Abszissenwerte sind ein Maß für di-e
Reizlmpulsbreite. -Die Ordinatenwerte sind ein Maß für den Reizintensitätsschwellenwert
oder die sogenannte Schwellenstromstärke. Die Kurven haben den üblichen Hyperbel-
oder umgekehrt l,oqarithmischen Verlauf und sind mit den Bezugszahlen 11, 12, 13,
bzw. 14 bezeichnet. Die-Kurven 11, 12, 13 und 14 gelten für die Tast-, Schmerz,-
und Bewegungsnervenfasern innerhalb eines Nervenbündels.
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Die Anfangsstimul'ation ist in einem Punkt 16 auf einer Tastnervenfaser.
Die Impulsbreite wird bis zu dem Punkt 17 vergrößert, ohne die Amplitude des' Reizes
zu verändern.
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Sämtliche Nervenfaserklassen unterhalb des Punktes 17 längs der Linie
18 werden stimuliert, wie durch die Punkte 19, 20 und 21 angegeben. Durch Vergrößern
der Impuls breite ergibt sich nun eine Stimulation von Tast-, Schmerz-und Bewegungsnervenfasern.
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Es hat sich gezeigt, daß die Reizintensität'über dem Nervenbündel
umgekehrt mit der Distanz abnimmt. Es wird daher nur ein Teil der Nerven in einem
Bündel durch schmale Impulsbreiten aktiviert, und zwar wegen deren großen Ansprechschwellenwertes.
Außerdem kann eine Veränderung in der Impulsbreite, wenn diese verdoppelt wird,
zu einer verhältnismäßig größeren Erholung (recruitment) von Nervenfasern aufgrund
der nichtlinearen Beziehung zwischen der Impulsbreite und dem Schwellenwert führen.
Diese Faktoren geben dem Patienten das Gefühl, daß Impulsbreitenveränderungen außerdem
die
Intensität oder die Energie des Reize verändern und zwar aufgrund der Zunahme der
Erholung der Anzahl von Nerven innerhalb des Bündels oder'der Faser.
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Die Näherungsgleichung, die den Schwellenwertvorgang der Nervenfaser
als Funktion der Impulsbreite beschreibt, lautet:
= Reizintensität A = eine Konstante für jede Nervenfaserklasse I@ = Rheobase-Strom
(Mindestschwellenstrom) T = Reizimpulsbreite T0 = Chronaxie (Impulsbreite bei dem
Zweifachen des Rheobasewertes) Die S-D-Kurven, die in' Fig. 1 gezeigt sind, entsprechen
dieser Gleichung.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Körperstimulationsvorrichtung,
die zur Ausführung der Erfindung benutzt wird. Die Körperstimulationsvorrichtung
kann so verpackt werden, daß sie als ein vom Patienten getragenes äußeres Gerät
oder als ein implantierbares Gerät benutzt werden kann. Die Erfindung beschränkt
sich nicht auf die Nervenstimulation. Die Vorrichtung kann zur Herzstimulation,
zur Gehirnstimulation und zur Stimulation von anderen Organen oder Körpergewebe
benutzt werden, die; die Stärke-Dauer-Simuationskennlinien aufweisen. Die Vorrichtung
ist außerdem als ein therapeutischer oder orthotischer Muskelstimulator verwendbar.
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Ein Impulsgenerator 26 erzeugt die Grundleizfreguenz. Der Generator'
26 ist ein freilaufender Multivibrator, der über eine Leitung 27 mit einem Frequenzsteuerpotentiometer
28
verbunden ist. Das PotentiomeLer 28 ist zum Einstellen der Ausgangsfrequenz
des Impulsgenerators 26 verstellbar. Der Ausgang des Impulsgenerators 26 ist über
eine Leitung 29 mit einem monostabilen Multivibrator 30 verbunden. Ein Impulsgenerator
31 dient zum elektrischen Schalten eines Schalters 34 über eine Leitung 112. Eine
Zyklusverbindung 32 verbindet den Generator 31 mit der Leitung 29. Leitungen 37
und 38 verbinden den Schalter 34 mit einem Trimmpotentiometer 35. Eine Leitung 39
verbindet das Potentiometer 35 mit einer ei'nstellbaren Steuereinrichtung 40.
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Eine Steuereinrichtung 41 zum Einstellen der Impulsbreite ist über
eine Leitung 42 mit dem Multivibrator 30 verbunden, um die Impulsbreite des Ausgangssignals
des Multivibrators 30 zu steuern. Die Impulshreitensteuerung 41 ist mit einer Steuereinrichtung
44 über eine mechanische Verbindung 45 gekuppelt. Die Leitung 43 verbindet den Ausgang
des Multivibrators 30 mit der Steuereinrichtung 44. Die Steuereinrichtung 44 wird
gleichzeitig mit dem Einstellen der Impulsbreitensteuereinrichtung 41 verstellt,
um die Impulsbreite des Multivibrators 30 und die Intensität des Ausgangssignals
der Steuereinrichtung 44 zu verändern. Diese Verstellung erfolgt auf vorgeschríébene
nichtlineare Weise derart, daß die Amplitude der.'Stimuläti6nsintensität mit einer
Zunahme der Impulsbreite abnimmt. Diese nichtlineare Beziehung folgt einer hyperbelförmigen
Stärke-Dauer-Kurve eines Nerven oder lebenden Gewebes. Eine Leitung 46 verbindet
die Steuereinrichtung 44 mit der einstellbaren Steuereinrichtung oder dem Potentiometer
40.
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Das Ausgangssignal des Potentiometers 40 wird über eine Leitung 47
an einen Impulsverstärker und Schwingungsformer
48 angelegt. Der
Impulsverstärker und Schwingungsformer 48 erzeugt einen Reizstrom- oder Spannungsquellenimpuls,
der über Leitungen 49 tind 50 zu Reizelektroden (nicht dargestellt) übertragen wird.
Die Elektroden können den in der US-PS 3 817 252 beschriebenen Aufbau haben.
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Fig. 3 zeigt ein Scha'ltbild.einer Vorrichtung nach der Erfindung
entsprechend dem'Blockschaltbild von Fig. 2. Der Impulsgenerator 26 hat e'inen logischen
Inverter 51. Vorzugsweise ist der Inverter 51 einer von sechs auf einem C-MOS-Hex-Inverter-Chip
einer einzelnen integrierten Schaltung. Der Inverter 51 ist mit einem Kondensator
52 verbunden, der an Masse liegt, und mit in Reihe geschalteten Widerständen 53
und 54. Eine Leitung 5G verbindet den Wide'rstand 54 mit einer.Leitung 57, die den
Inverter 51 mit einem Kondensator' 58 verbindet. Der Impulsgenerator 26 ändert seinen
Zustand, wenn sich der Kondensator 52 über den Eingangsschwellenwert auflädt.
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Ein einstellbares Widerstandselement 68 ist über,die Ver-' bindung
45 mit einem beweglichen Kontaktelement 63 mechanisch verbunden, das mit einem Widerstand
64 zusammenwirkt, der in einer Leitung 66 der Steuereinrichtung 41 angeordnet ist.
Daher wird die impulsbreite am Ausgang des Multivibrators 30 gleichzeitig mit der
Au-sgangssignal intensität der Steuereinrichtung 63 eingestellt. Die Breite des
Impulses wird ohne eine wahrgenommene Zunahme in der Stromamplitude gesteuert. Die
Impuisb'reite und die Strom.
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amplitude werden auf vo'rgeschriebene nichtlineare Weise derart gesteuert,
daß die Amplitude der Stimulationsintensität mit einer Zunahme der Impulsbreite
abnimmt. Diese nichtlineare Beziehung folgt einer hyperbelförmigen Stärke-Dauer-Kurvc
eines Nervs oder lebenden Gewebes.
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Der monostabile Multivibrator 30 hat einen logis'chen Inverter
67,
der mit dem Kondensator 58 und außerdem mit,.
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dem Potentiometer 68 über einen Widerstand 69 verbunden ist. Der Widerstand
69 ist in einer Leitung 71 angeordnet, -die mit einer Leitung 72 verbunden ist,
welche den Kondensator 58 elektrisch mit dem Inverter 67 verbindet. Der Inverter
67 ist mit einem weiteren logischen Inverter. 70' über eine Leitung 73 verbunden.
Eine teuchtdiode 70A in einer Leitung 73A verbindet den'Inverter 70 an einer Stelle
125 mit einer Spannung +V.
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Die Impulsgenerstoramplitudenmodulations- und Ein/Aus-Zyklussteuereinrichtung
31 hat einen ersten logischen, Inverter 74, der über eine Leitung 75 mit einem Schalter
76 verbunden ist. Eine mechanische Verbindung 77 verbindet den Schalter 76 mit dem
Potentiometer 59. Eine Leitung 78 verbindet den Schalter, 76 mit einem Widerstand.
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79, der an einer Stelle 81 mit einer Spannung +V verbunden ist. Die
Le-itung 78 ist außerdem mit einem programmierbaren Unijunctiontransistor 82 verbunden.
Der Unijunctiontransistor 82 ist an einer Stelle 83 mit einer Spannung +V,verbunden-und
ist außerdem mit einem Widerstand 84 in einer Leitung 86 verbunden. Die Leitung
86 ist mit dem Inverter 74 verbunden-und enthält einen Widerstand der der mit Masse
verbunden'ist.
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Der logische Inverter 74 ist.mit einer Leitung 88 verbunden, die mit
einer Diode 89 verbunden ist. Eine Leitung.
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91 verbindet die Diode 89.mit einem zweiten logischen Inverter 92.
Ein Kondensator 93 ist mit der Leitung 91 und Masse verbunden. Der Inverter 92 ist
über eine Leitung 94 mit einer Diode 96 verbunden, die-zu einem Schalter 97 führt,
der einen ersten oder Amplitudenmodulationskontakt 98 und einen zweiten oder Zykluskontakt
99 hat; Ein Schaltelement 100 ist wahlweise mit den Kontakten 98 und 99 in Berührung
bringbar. Eine Diode 101 und ein Widerstand 102, die in
einer Leitung
103 in Reihe geschaltet sind, sind mit den Leitungen 91 und 94 parallel zu dem Inverter
92 verbunden.
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Eine zweite Diode 104 und ein Widerstand 106 sind in einer Leitung
107 angeordnet, die mit den Leitungen 94 und 103 parallel zu dem Inverter 92 verbunden
ist.
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Der Kontakt 99 des Schalters 97 ist mit einer Leitung 108 verbunden,
die zu einer Diode 111 führt, Die Diode 111 ist mit der Leitung 72 verbunden. Ein
Kondensator 109 ist mit der Leitung 108 zwischen dem Kontakt 99 und der Diode 111
und mit Masse verbunden.
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Der Kontakt 98 des Schalters 97 ist mit einer Leitung 112 verbunden,
die mit einem Transistor 113 verbunden ist. Ein einstellbares Potentiometer 114
ist plit dem Transistor 113 und Masse verbunden. EineLeitfl,g 66, die einen Widerstand
116 enthält, ist mit dem potentiometer 114 verbunden, wodurch die Steuereinrichtung
36 vervollständigt wird.
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Ein Transistor 117 ist mit dem Potentiometer 6 verbunden.
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Der Transistor 117 hat eine Emitterelektrode 118 und eine Kollektorelektrode
119, die mit einer Basiselektrode 126 verbunden sind. Eine Leitung 121- verbindet
die Emitterelektrode 118 mit dem Potentiometer 68 und mit einem Kondensator 122,
der mit Masse verbunden'ist, nd mit einer Leitung 123, die zu dem Inverter 67 führt,
Die * Kollektorelektrode 119 ist mit der Leitung 124 verbunden, die mit einer positiven
Spannung 125 verladen ist.' Die Basiselektrode 126 ist mit einer Leitung 127 verbunden,
die zwischen einer Diode 128 und einem Widerstand 129 angeordnet ist. Der Widerstand
129 ist mit' einem Schalter 131 verbunden. Der Schalter 131 ist mit zwei Kondensatoren
132 und 133 und mit einer Stromquelle oder Batterie 134 verbunden. Eine Leitung
136 verbindet
die Stromquelle 134 mit einem Transformator 137,
der Ausgangsleitungen 49 und 5 hat. Der Transformator 137 ist Teil des Impulsverstärkers
und Wellenformers 48, der außerdem eine Leitung 138 ilat, die zu einem Feldeffekttransistor
139 führt. Eine Leitung 141 führt um den Feldeffekttransis'tor 139 herum und enthält
einen Kondensator 14'2. Das. Gate-Steuerelement des Feldeffekttransistors 139 ist
mit einer Leitung 47 verbunden, die zu einem Potentiometer 143 der Steuereinrichtung
40 führt. Das Potentiometer 143 ist mit einem Emitter 144 des Transistors 146 verbunden.
Die Basiselektrode 147 des Transistors 146 ist mit einer Leitung 148 verbunden,
die zu dem Potentiometer 64 führt. Die Kollektorelektrode 149 des Transistors 146
ist mit einer positiven Stromquelle verbunden.
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Im Betrieb ändert der Impulsgenerator 26 seinen Zustand, wenn sich
der Kondensator 52 über den Eingangsschwellen-, wert auflädt. Der Ausgang des Inverters
51 ändert dann den, Zustand und entlädt des Kondensator 52 über die in Reihe geschalteten
Widerstände 53 und 54, und der Zyklus wiederholt sich. Der Widerstand 54 steuert
die Folgefrequenz, die sich von 1 Impuls/s bis 100 Impulses oder in irgendeinem
anderen Nennbereich ändern kann, der durch die Zeitkonstante des Kondensators 52
mal den Werten der Widerstände 53 plus 54 festgelegt wird. Der Kondensator 58, der
Inverter 67 und das Potentiometer 68 bilden einen monostabilen Multivibrator. Wenn
das Ausgangssignal des logischen Inverters 51 den Wert L annimmt, lädt sich der
Kondensator 58 über den Widerstand 68 auf, bis der Schaltschwellenwert des logischen
Inverters 67 passiert wird, wobei zu dieser Zeit das Ausgangssignal des logischen
Inverters 67 den Wert L annimmt und auf diesem Signalwert bleijt, bis der nächste
Ubergang
des Ausgangssignals des logischen Inverters 51 von dem Signalwert 11 auf den Signalwert
L erfolgt.
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Das Ergebnis ist ein Stromimpuls, dessen Breite sich zwischen 10 und
400 g.s gemäß den Werten der Komponen ten der Schaltung ändert. Der Impuls am Ausgang
des logischen Inverters 67 geht durch des Stärke-Dauer-Intensität-Steuernetzwerk
aus dem Potentiometer 64 und den Widerständen 116, 114 und 143 hindurch. gas Potentiometer
64 ist über das mechanische Gestänge 15 mit dem Potentiometer 68 mechanisch gekuppelt,
so dalj, wenn die Steuereinrichtung im Uhrzeigersinn gedreht wrd, das Potentiometer
68 im Widerstand zunimmt und'die Impulsbreite größer wird. Gleichzeitig bewegt sich
#«s als Spannungsteiler geschaltete Potentiometer 64 im Uhrzeigersinn, und der
Impuls, der den .Transistqç 146 ansteuert,'nimmt in der Amplitude ab. In der Position,
die der vollständigen Drehung im Uhrzeigersinn entspricht, beträgt die Impulsbreite
ungefähr 400 s, und das Ausgangssignal ist 33% der maximalen Intensität.
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Die Verstellung des Potentiometers 64 verändert die Impulsbreite und
die Amplitude. Eine minimale Impulsbreite und eine maximale Amplitude werden erzielt,
wenn der Schleifer des Potentiometers 41 in seiner oberen Stellung ist. Der Widerstand
116 belastet das Rotentiometer 64 so, daß Kurven erzeugt werden, die dem S-D-Kurven
von Figur 1 folgen.
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Die logischen Inverter 74 und 92 und ihre zugeordnete Schaltung dienen
zum Bilden. einer Impulsgeneratorschaltung, die entweder den Stimulator periodisch
ein- und ausschaltet oder die Intensität des. Signals moduliert.
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Die Modulationen haben eine subjektive Präfer9nqualität und verbessern
daher die Schmerzbeseitigung. Darüber hinaus wird, wenn die Vorrichtung in der Zyklus-
ode periodischen Betriebsart benutzt wird, der Stromverbrauch stark reduziert.
Das
verlängert die Uatteriel.ebensdauer, was bei implantierbaren Vorrichtungen ein wichtiger
Faktor ist.
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Der.Schalter 76 gestattet dem Ausgangssignal des log.ischen Inverters
74, den Signalwert I, anzunehmen, wodurch die Diode 89 in Sperrichtung betrieben
wird, und gestattet dem logischen Inverter.92, als ein Wiederholungsim; pulsgenerator
zu wirken, bei dem die Ein/Aus-Zeiten durch den Widerstand .106, den Kondensator
93 und den Widerstand 102. festgelegt werden. Dieser Vorgang wird durch den unijunctiontransistor
82,verriegelt', der das Eingangssignal des logischen Inverters 74 auf dem. Wert
H hält. Die Dioden 101 und 104 gestatten die Trennung der Zeitkonstanten. Die Diode
96 legt ein Signal mit dem Wert H entweder an den logischen Inverter 67 über die
Diode 111 an, wenn der Schalter 97 den Kontakt 99 berührt, oder legt ein Signal
mit dem Wert H an den Transistor 113 an, Wenn das Kontaktelement 100 den Kontakt
98 berührt. Wenn das Signal den Wert l annimmt, schaltet der Transistor 113 ein
und verringert die Amplitude für die Zeit, während der der H-Impuls eingeschaltet
ist,. Wenn der Schalter den Kontakt 99 berührt, blockiert die Diode 111 das Triggern
des monostabilen logischen Inverters 67, und die Vorrichtung ist für diese Zeitspanne
aus'geschaltet. Der Kondensator 109 hindert den Stimulator am plötzlichen Einschalten,
wenn der logische Inverter 92 in den Zustand L geht, wenn er sich über die Diode
111 entlädt, wodurch der logische Inverter 67 ausgeschaltet gehalten wird. Das ergibt
ein weiches Anfahren, das eine Beunruhigung des Patienten verhindert. Die Zeit für
das weiche Anfahren kann ungefähr 50 ms betragen.
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Der Transistor 139 und der Transformator 136 verstärken und formen
den Impuls, um einen Ausgangsimpuls zu erzeugen,
bei dem es sich
um eine konstante Rechteckspannungsschwingung handelt, gefolgt von einem exponentiellen
über schwingen in negativer Ric]tung, das ein konstanter Strom ist. Der Transistor
117 und seine zugeordnete Schaltung regulieren die Spannung an den Impulszeitsteuer-
und -breitenschaltungen derart, daß minimale Änderungen über' dem normalen Gebrauchsbereich
der Batterieentladungskurve auftreten.
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Es ist zwar eine bevorzugte Ausführungsform der Nervenstimulatiönsschaltung'nach
der Erfindung besqhrieben worden, diese Stimulationsschaltung kann jedoch verändert
und modifiziert und zum Stimulieren von anderem lebenden Gewebe, anderen Körperfunktionen
und anderen Organen benutzt werden.
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Leerseite