DE3341732A1

DE3341732A1 - Gewebestimulator

Info

Publication number: DE3341732A1
Application number: DE19833341732
Authority: DE
Inventors: David J. 55303 Anoka Minn. Stanton
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1982-11-18
Filing date: 1983-11-18
Publication date: 1984-05-24
Also published as: US4539993A; FR2536286B1; FR2536286A1

Description

Ger. P-555

MEDTRONIC, INC. 3055 Old Highway Eight, Minneapolis, Minn. 55440/V.St.A.

Gewebestimulator

Die Erfindung betrifft einen Gewebestimulator, der ein periodisches Stimulationssignal mit einander wiederholt abwechselnden vorbestimmten EIN- und AUS-Zeitintervallen erzeugt.

Es zeigte sich, daß Skoliose mit Hilfe von elektronischen Muskelstimulationseinrichtungen behandelt werden kann. Bei einer Geräteart werden Elektroden implantiert, um auf Muskeln entlang der Seiten der Wirbelsäule einzuwirken. Zur Versorgung der Elektroden mit Energie wird ferner ein HF-Empfänger implantiert. Wenn eine Behandlung durchgeführt werden soll, wird ein HF-Sender über den Empfänger gelegt, um die Elektroden mit Treibersignalen zu versorgen. Eine solche Skoliose-Behandlung ist allgemein in "Electrospinal Instrumentation for Scoliosis: Current Status" von Bobeschko, Herbert und Friedman, Orthopedic Clinics of North America, Band X, No. 4, Oktober 1979, diskutiert. Aus der US-PS 4 026 301 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Skoliose mit implantierten Elektroden bekannt. Im Falle von anderen Geräten erfolgt eine Skoliose-Behandlung transkutan über in der Haut angebrachte Elektroden.

Die Behandlung von Skoliose-Patienten mit einem derartigen Gerät erfolgt in der Regel in der Nacht, während der Patient schläft.Der Stimulator oder Sender, Drähte und andere externe Einrichtungen werden auf diese Weise nicht

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bei Tage angewendet, wodurch eine Belästigung des Patienten vermieden wird.

Wenn der Patient während der Behandlung schläft, kann er aber momentane Änderungen der Behandlung nicht sofort erkennen. Normalerweise werden für die Behandlung kurze Perioden der elektrischen Stimulation vorgesehen, denen jeweils eine längere Ruheperiode folgt. Diese Abfolge setzt sich die Nacht hindurch fort. Beispielsweise kann ein Zyklus aus einem 5 Sekunden langen Impulspaket, gefolgt von einer 25 Sekunden langen Ruheperiode bestehen. Sollte es bei Teilen der Einrichtung zu Fehlfunktionen kommen und die Dauer der Stimulationsphase zu lang werden, kann eine Irritation der Muskeln des Patienten eintreten. Erfolgt beispielsweise eine konstante Stimulation, wacht der Patient schließlich auf; es kann aber zu Rückenschmerzen kommen.

Fehlfunktionen der betreffenden elektrischen Schaltungsanordnungen wurden zwar noch nicht klinisch beobachtet. Im Falle eines Produkts, bei dem die Gesundheit des Patienten auf dem Spiel steht, ist es aber unerläßlich, alle möglichen Vorsorgemaßnahmen zu treffen, um zu verhindern, daß mögliche Gerätefehlfunktionen den Patienten irritieren.

Einige solche Stimulationsgeräte können eine Konstantstimulationstaste aufweisen, die sich von dem Patienten aktivieren läßt, um für eine stetige Stimulationsimpulsfolge zu sorgen. Um sicherzustellen, daß eine derartige Konstantstimulationstaste nicht mißbraucht wird oder daß der Benutzer diese Taste nicht für eine unzweckmäßig lange Zeitspanne aktiviert, ist es erwünscht, den Stimulator so auszulegen, daß eine Deaktivierung erfolgt, bevor die Konstantstimulation unerwünschte medi-

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zinische Wirkungen haben kann.

Ein Beispiel eines für die Behandlung von Skoliose geeigneten Muskelstimulator ist in der (nicht vorveröffentlichten) US-PS 4 392 496 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gewebestimulator der erläuterten Art zu schaffen, bei dem sichergestellt ist, daß der Therapieteil des Zyklus eine vorbestimmte Höchstlänge nicht übersteigt.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 auf wirkungsvolle Weise gelöst.

Bei Gewebestimulatoren der vorliegend betrachteten Art ist eine Einrichtung zum Erzeugen eines periodischen Signals vorgesehen. Es ist ferner eine Zyklusgeberanordnung vorhanden, die das Signal für ein vorbestimmtes EIN-Zeitintervall wiederholt auftreten läßt und das Signal für ein vorbestimmtes AUS-Zeitintervall unterdrückt oder sperrt. Die Stimulation des Patienten erfolgt während des EIN-Zeitintervalls. Das AUS-Zeitintervall bildet eine Ruheperiode. Bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Stimulator ist eine Schutzzeitgeberanordnung vorgesehen, die eine Zeitvorgabe bezüglich der Dauer des EIN-Zeitintervalls bewirkt. Eine Zeitablaufsteuerung der Zeitgeberanordnung sorgt für ein Abschalten oder eine Sperrung der Zeitgeberanordnung, wenn ein Höchstzeitintervall vor Beendigung des EIN-Zeitintervalls erreicht wird. Eine Rückstelleinrichtung stellt die Zeitgeberanordnung zurück, und zwar vorzugsweise zu Beginn jedes EIN-Intervalls, so daß die Zeitgeberanordnung mit der Zeitvorgabe für das anschließende EIN-Zeitintervall beginnen kann.

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Das maximale EIN-Zeitintervall beträgt vorzugsweise 40 Sekunden.

Entsprechend einer bevorzugten weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Gewebestimulator mit einer vom Benutzer betätigten EIN-Schaltstufe zum Einschalten der Stromzufuhr für den Stimulator und mit Mitteln zum Zurückstellen der Zeitgeberanordnung beim Betätigen der EIN-Schaltstufe ausgestattet.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsblockschaltbild einer zwei-

kanaligen neuromuskulären Stimulatoranordnung mit einer Schutzschaltstufe und einem Schutzzeitgeber entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 schematisch die gegenseitige Zuordnung der Fig. 2A₇ 2B und 2C sowie

Fig. 2A, ein Schaltbild der Anordnung nach Figur 2B und 2C 1.

Der Gesamtaufbau einer zweikanaligen neuromuskulären Stimulatoranordnung mit einem erfindungsgemäßen Schutzsystem ist in dem Blockschaltbild der Fig. 1 dargestellt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich um eine ISOMOD (eingetragenes Warenzeichen)-Stimulationseinrichtung. Zu der Gesamtanordnung 10 gehören zwei Ausgangsbuchsen 12 und 14, die im Falle eines ESO-Systems (externes System) an zweckentsprechende Reizelektroden oder im Falle eines implantierbaren ESI-Stimulationssystems an einen HF-Sender

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- 9 angeschlossen werden können.

Die Ausgangsbuchsen 12 und 14 bilden die Ausgänge für einen Kanal 1 bzw. einen Kanal 2 der Anordnung 10. Die Kanäle sind gleichartig aufgebaut. Jeder der Kanäle 1 und 2 weist eine Konstantstrom-Ausgangsschaltung (ESO) 16 bzw. 18 auf. Individuelle, vom Patienten einstellbare Amplitudenstellglieder 20 und 22 dienen der Einstellung der Amplitude der von den Ausgangsschaltungen 16 bzw. 18 abgegebenen Reizimpulse.

Treibersignale 28 und 30 für die Ausgangsschaltungen und 18 kommen von Impulsbreitenschaltungen 32 und 34, die für beide Kanäle 1 und 2 identisch sind. Die Impulsbreitenschaltungen werden durch Eingangssignale 36, 38 angesteuert, die von einem Ratenoszillator 40 bzw. Phaseninverter 42 angeliefert werden. Letzterem geht ein Eingangssignal 44 von dem Ratenoszillator 40 zu. Dem Ratenoszillator 40 ist eine vom Arzt zu bedienende Stellvorrichtung 46 zugeordnet, mit der sich die Impulsrate einstellen läßt. Bei der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform ist die Impulsrate zwischen 15 und 40 Impulsen pro Sekunde einstellbar.

Weitere Eingangssignale der Impulsbreitenschaltungen und 34 kommen von Impulsbreiten-Sägezahngeneratoren bzw. 50. Eine Schutzschaltstufe 52 steuert die Sägezahngeneratoren 48 und 50. Die Schutzschaltstufe 52 liefert auch ein logisches Schaltsignal als Eingangssignal an eine Schutzzeitstufe 54, welche die maximale Stimulationsdauer feststellt. Ein Momentan-EIN-Schalter 56 gibt ein Eingangssignal an die Sägezahngeneratoren 48 und 50 über die Schutzschaltstufe 52 ab. Der Schalter 56 läßt sich auch als "Konstantstimulations"-Schalter bezeichnen.

Ein EIN/AUS-Zyklusgeber 62 liefert ein Zyklusgeber-Eingangssignal an die Schutzschaltstufe 51 für eine intermittierende Betätigung der Schaltungsanordnung während der Behandlung. Auf diese Weise werden Impulse in Impulspaketen mit vorbestimmter Zeitdauer angeliefert und während einer vorbestimmten Ausschaltzeitdauer oder eines Ruheintervalls unterdrückt, wobei die betreffenden Zeitintervalle mit Hilfe von Stellstufen 66 und 68 vorgegeben werden, die zur Bedienung durch den Arzt bestimmt sind. Der EIN/AUS-Zyklusgeber 62 gestattet vorzugsweise alternierende Stimulations- und Ruheintervalle von jeweils 2 bis 25 Sekunden.

In den Fig. 2A bis 2C ist ein schematisches Schaltbild der zweikanaligen neuromuskulären Stimulatoranordnung gemäß Fig. 1 mit der erfindungsgemäßen Schutzanordnung dargestellt. Die mit gestrichelten Linien abgegrenzten Blöcke der Figuren 2A bis 2C entsprechen im wesentlichen den gleich bezifferten Blöcken des Blockschaltbilds der Fig. 1. Der Block 72 umfaßt die Stromversorgung, die in Fig. 1 nicht näher veranschaulicht ist.

Der Aufbau des EIN/AUS-Zyklusgebers 62 folgt im einzelnen aus Fig. 2B. Der Zyklusgeber 62 gibt die EIN- oder Stimulations- und AUS- oder Ruhezeitintervalle vor, die während der gewählten Behandlungsdauer entsprechend den vom Arzt einstellbaren Stellstufen 66 und 68 alternieren. Bei den Stellstufen 66, 68 handelt es sich um verstellbare Widerstände, die in dem Schaltbild des Zyklusgebers 62 in Fig. 2B eingezeichnet sind.

Der die Stellstufe 66 bildende veränderbare Widerstand R9 liegt im Rückkopplungskreis eines Schmitt-Triggers U2-D in Reihe mit einem Eichwiderstand RIO. Damit der Schmitt-Trigger U2-D als Oszillator arbeitet, liegt ein

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Kondensator C5 zwischen seinem Eingang 1 und Masse. Das Ausgangssignal des Schmitt-Trigger-Oszillators U2-D gelangt über eine Diode CR13 an den Eingangsanschluß 10 eines 14-stufigen binären CMOS-Zählers U4, wie er beispielsweise von der Firma Fairchild und anderen Herstellern als Modell 4020 auf den Markt gebracht wird. Der Zähler U4 wird zurückgestellt, wenn an seine Rückstellklemme 11 eine positive Spannung angelegt wird. Ein Rückstellsignal wird an einem Spannungsteiler aus einem Kondensator Cl und einem Widerstand R4 bereitgestellt, wenn die Schaltungsanordnung an Spannung gelegt wird. Der Ausgang der 14. Stufe des Binärzählers U4 (Pin 3) ist über eine Diode CR9 und einen Widerstand R43 mit einer Anzeigeschaltung 70 verbunden.

Der AUS-Zyklusgeber weist entsprechend Fig. 2B eine Schmitt-Triggerschaltung U2-B auf. Die Rückkopplungswiderstände dieses Schmitt-Triggers bestehen aus einem Eichwiderstand R7 und der vom Arzt betätigten Stellstufe 68 in Form eines veränderbaren Widerstandes R6. Ein Kondensator C4 läßt die Anordnung in der gleichen Weise schwingen wie im Falle des EIN-Zyklusgebers. Das Ausgangssignal des Oszillators U2-B am Ausgang 8 gelangt über eine Diode CR-12 an den Eingang des Zählers U4.

Die Oszillatoren U2-B und U2-D arbeiten nicht gleichzeitig. Eine Diode CR14, eine Diode CRIl und ein Schmitt-Trigger U2-C arbeiten als Umschaltstufe, die jeweils entweder den Oszillator U2-B oder den Oszillator U2-D schwingen läßt. Der Schmitt-Trigger U2-C ist als Inverter zwischen den Eingang 9 des AUS-Oszillators U2-B und den Eingang 1 des EIN-Oszillators U2-D geschaltet. Wenn die Stimulationsanordnung den EIN-Zyklus durchläuft, liegt der Pin 3 des Zählers U4 auf niedriger Spannung, so daß der Oszillator U2-D arbeitet, während der Binär-

zähler U4 zählt, bis der Ausgang der binären Stufe 14 am Pin 3 auf eine hohe Spannung umschaltet. Wenn dieser Spannungssprung auftritt, wird der Stimulator ausgeschaltet, indem positive Spannung über die Diode CR9, den Widerstand R43 und eine Diode CR-2 an die Schaltstufe 52 geht. Die am Pin 3 des Zählers U4 auftretende hohe Spannung hält über die Diode CR14 den Oszillator U2-D an. Die hohe Spannung gelangt auch über einen Widerstand R44 an den Schmitt-Trigger U2-C, der das Signal invertiert, wodurch das hohe logische Signal verschwindet, das über die Diode CRIl geleitet wurde, um den Oszillator U2-B am Schwingen zu hindern. Der Oszillator U2B fängt also zu arbeiten an, wenn der Oszillator U2-D abgeschaltet wird. Durch Einstellen der Arbeitsfrequenzen der Oszillatoren U2-D und U2-B lassen sich die EIN- und AUS-Zeiten bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 2 bis 25 Sekunden einstellen.

Der Konstantstimulations- oder Momentan-EIN-Schalter (Block 56) weist einen Schalter S3 (Fig. 2A) auf. Wenn der Schalter S3 betätigt wird, verbindet er die Kathode einer Diode CR-8 mit Masse. Dadurch werden vom Zähler U4 kommende Signale gesperrt, wodurch der Zyklusgeber 62 daran gehindert wird, die Schaltungsanordnung während der Zeitdauer auszuschalten, während deren der Schalter S3 geschlossen ist.

Durch das Schließen des Schalters S3 wird ferner Masse an den Eingang des Schmitt-Triggers U2-C angelegt. Am Ausgang des Schmitt-Triggers U2-C erscheint ein hohes logisches Signal, wodurch der Oszillator U2-B gestoppt wird. Auf diese Weise kann der Oszillator U2-D weiterlaufen, bis der Zähler U4 das Ende seines Zeitzyklus erreicht hat. Wenn daher der Konstantstimulationsschalter S3 nicht mehr gedrückt wird, befindet sich der Zy-

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klusgeber 62 in der AUS-Position und am Anfang des AUS-Zyklus. Dies stellt ein wichtiges Merkmal dar, weil es nach fortgesetzter Stimulation einer Muskelgruppe unter dem Einfluß des Konstantstimulationsschalters extrem wünschenswert ist, daß sich der Muskel in nichtstimuliertem Zustand erholen kann. Diese erwünschte Funktionscharakteristik wird bei der bevorzugten Ausführungsform des Stimulators dadurch erreicht, daß man den EIN-Zyklusgeber weiterlaufen läßt, um die Schaltungsanordnung zurück zum Anfang des AUS-Zyklus zu bringen, während die konstante Stimulation erfolgt.

Das Ausgangssignal an der Klemme 3 des Zählers U4 geht über den Widerstand R43 an die Zyklusgeber-Anzeigelampen 70. Das Signal läuft über einen Widerstand R5 an die Basis eines npn-Transistors Ql, dessen Basis über einen Widerstand R41 mit Masse verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Ql ist über einen Widerstand R12 an die Basis eines Transistors Q2 angeschlossen. Eine grünes Licht emittierende Diode (LED) CR15 ist mit dem Kollektor des Transistors Ql verbunden, während eine rotes Licht emittierende Diode (LED) CR16 an den Kollektor des Transistors Q2 angeschlossen ist. Die Anoden der Dioden CR15 und CR16 stehen über einen Strombegrenzungswiderstand RIl mit der ungeregelten Speisespannung +V in Verbindung. Die Emitter der Transistoren Ql und Q2 sind untereinander verbunden und an den Kollektor eines npn-Transistors Q9 angeschlossen, dem ein Eingangssignal über einen Widerstand R42 zugeht. Je nachdem, ob der Ausgang des Zählers U4 hoch oder niedrig liegt, wird entweder der Transistor Ql oder der Transistor Q2 stromführend gemacht.. Der Transistor Q9 wird für jeden Halbzyklus des Ausgangssignals des Ratenoszillators 40 eingeschaltet. Die lichtemittierenden Dioden zeigen auf diese Weise an, ob das Stimulationssignal

ein- oder ausgeschaltet ist. Während des EIN-Zyklus oder bei für konstante Stimulation gedrücktem Tastschalter S3 leuchtet die rote lichtemittierende Diode CRl6 auf. Während des AUS-Zyklus oder nach dem Ausschalten des Gerätes durch das Behandlungszeitglied, wird die grünes Licht emittierende Diode CR15 eingeschaltet. Weil der Transistor 09 im Takt des Ratenoszillators ein- und ausgeschaltet wird, blinken die lichtemittierenden Dioden CR15 und CR16 mit einer der Oszillatorfrequenz entsprechenden Frequenz; der Energieverbrauch der Anzeigeschaltung wird auf diese Weise wesentlich herabgesetzt. Wird die Frequenz des Oszillators 40 auf einen sehr niedrigen Wert eingestellt, kann der Benutzer das Blinken wahrnehmen.

Das Signal vom Ausgang des Zeitgliedes U4 geht über den Widerstand R43, die Diode CR2, eine Leitung 93 und einen Widerstand Rl6 an die Basis eines npn-Transistors Q3. Die Basis des Transistors Q3 ist über einen Widerstand R15 mit Masse verbunden. Der Kollektor des Transistors Q3 ist über einen Widerstand R22 an die Basis eines Transistors Q8 angeschlossen. Der Emitter des npn-Transistors Q8 steht mit der geregelten Versorgungsspannung +Vl in Verbindung. Die Basis des Transistors Q8 ist über einen Widerstand R45 an die geregelte Versorgungsspannung +Vl angeschlossen, während der Kollektor des Transistors Q8 über einen Widerstand R23 mit Dioden CR26 und CR23 an den Eingängen von identischen Sägezahngeneratoren 48 und 50 für die Kanäle 1 bzw. 2 in Verbindung steht (Fig. 2C). Die Impulsbreitenschaltungen 32 und 34 sind ebenfalls gleich aufgebaut. Infolgedessen reicht es aus, die Wirkungsweise der Ausgangsschaltung des Kanals 1 zu erläutern; für den Kanal 2 gilt im wesentlichen das gleiche.

Wenn der Zähler U4 auf ein positives Signal springt,

wird mit diesem Signal ein Kondensator C9 des Sägezahngenerators 48 über den Widerstand R23 rasch aufgeladen, der einen geringen Widerstandswert hat. Operationsverstärker UI-A, UI-B, Ul-C und UI-D sind Teil eines Vierfachbausteins, beispielsweise Modell LM224 von National Semiconductor. Die positive Spannung, die dem nichtinvertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers Ul-C zugeht, erzeugt eine positive Spannung an dem Ausgang 7 des Operationsverstärkers Ul-C, der über einen Widerstand R25 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers Ul-D in der Impulsbreitenschaltung 32 des Kanals 1 verbunden ist, welcher, wie unten erläutert, den Ausgang des Kanals 1 abschaltet. Wenn das positive Signal, das den Kanal 1 abgeschaltet hält, an der Anode der Diode CR26 verschwindet, beginnt sich der zuvor auf ein hohes logisches Signal aufgeladene Kondensator C9 über die Reihenschaltung eines einstellbaren Widerstandes R17 und eines Festwiderstands R18 zu entladen.

V/eil der Operationsverstärker UI-C als Spannungsfolgestufe geschaltet ist, nimmt das positive Ausgangssignal des Operationsverstärkers Ul-C allmählich ab. Das abnehmende Sägezahnsignal vom Ausgang des Sägezahngenerators 48 wird in der Impulsbreitenschaltung 32 mit einem Rechteck-Ratensignal auf der Leitung 36 addiert, das von dem Ratenoszillator 40 angeliefert wird, dessen Wirkungsweise unten diskutiert ist.

Das Rechteck-Ratensignal auf der Leitung 36 geht über einen Kondensator ClO an den Schleifer eines einstellbaren Widerstandes R38 sowie über einen Widerstand R27 an den nichtinvertierenden Eingang 3 des Operationsverstärkers UI-D. Die Anode einer Diode CR-25 ist mit Masse verbunden, während die Kathode dieser Diode an den Eingang 3 des Operationsverstärkers UI-D angeschlossen ist. Die Wer-

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te des Widerstands R38, des Widerstands R27 und des Kondensators ClO sind so gewählt, daß eine Zeitkonstante erhalten wird, die in Verbindung mit dem Rechtecksignal am Ausgang des Oszillators 40 zu einer Nennimpulsbreite der Ausgangsimpulse von 225 Mikrosekunden führt. Die Impulsbreite des Treibersignals auf der Leitung 28 ist umgekehrt abhängig von der Größe des Sägezahneingangssignals des Operationsverstärkers Ul-D, das von dem Sägezahngenerator 48 erzeugt wird. Wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Ul-C dem Kondensator C9 nach Null folgt, wird +Vl an den Widerständen R26 und R25 nach Masse über den Operationsverstärker Ul-C heruntergeteilt, wodurch für eine feste Vorspannung am Pin 2 des Operationsverstärkers Ul-D gesorgt wird.

Das über die Leitung 28 laufende Signal geht an die Ausgangsschaltung 16 des Kanals 1. Bei dem Signal handelt es sich um ein Signal mit ansteigender Impulsbreite, beginnend von einem sehr schmalen Signal, wenn die positive Spannung an der Anode der Diode CR26 abgeschaltet wird, und ansteigend auf die volle Nennimpulsbreite, nachdem das Sägezahnsignal am Ausgang des Sägezahngenerators 48 auf Null abgesunken ist. Weil der Ausgang des Operationsverstärkers Ul-C dem Kondensator C9 nach Null folgt, wird +Vl an den Widerständen R26 und R25 nach Masse über den Operationsverstärker Ul-C heruntergeteilt, wodurch am Pin 2 des Operationsverstärkers Ul-D eine feste Vorspannung auftritt. Die Vorderflanke des Impulses tritt in Intervallen auf, die von dem vom Oszillator 40 erzeugten Rechtecksignal bestimmt werden; infolgedessen erscheinen die Vorderflanken der Treiberimpulse auf der Leitung 28 mit einer festen Impulsrate.

Der Ratenoszillator 40 besteht im wesentlichen aus einem Schmitt-Trigger U2-E, dem einstellbare Rückkopplungswiderstände R13 und R14 sowie ein Zeitgeberkonden-

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sator C6 zugeordnet sind. Das Treibersignal für den Kanal 1 wird von einem Schmitt-Trigger U2-F invertiert, so daß die identischen Treiberschaltungen der Kanäle 1 und 2 nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. Dies ist notwendig, um eine unerwünschte Überlastung der Stromversorgung Z¹U vermeiden. Die Energie des Gerätes wird von einer Batterie BT der Stromversorgung 72 geliefert. Der Batterie BT ist ein großer Kondensator CIl parallelgeschaltet, um das Treiben des Ausgangsstromes zu erleichtern.

Weil die Ausgangsschaltungen 16 und 18 identisch sind, wird nur die Ausgangsschaltung 16 des Kanals 1 im einzelnen erläutert. Das über die Leitung 28 laufende Treibersignal gelangt über einen einstellbaren Eichwiderstand R28. Das Treibersignal für einen Transistor Q4 kommt von dem Schleifer des vom Patienten betätigbaren Amplitudenstellgliedes 20 in Form eines verstellbaren Widerstandes R30. Die Wicklung des Potentiometers oder verstellbaren V/iderstands R30 bzw. dessen Widerstandsbahn ist an die Basis eines npn-Transistors Ql1 mit an Masse liegendem Emitter und offenem Kollektor angeschlossen, um eine Temperatur- und Basis/Emitter-Spannungskompensation für den Transistor Q4 zu erzielen. Der Kollektor des Transistors Q4 ist mit der Basis eines pnp-Darlington-Transistorpaares Q5 verbunden, dessen Emitter an die Speisespannung +V angeschlossen ist. Die Basis des Darlington-Transistorpaares steht mit der positiven Versorgungsspannung über einen Widerstand R33 in Verbindung. Der Kollektor des Transistorpaares Q5 ist über die Primärwicklung eines Trenntransformators Tl und einen Strommeßwiderstand R31 an Masse angeschlossen. Der Widerstand R31 hat einen extrem geringen Widerstandswert; er dient als Stromsensor, um das Transistorpaar Q5 zu zwingen, in die Primärwicklung des

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Transformators Tl einen konstanten Strom einzuspeisen.

Die Stromrückkopplung wird wie folgt erhalten. Die Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren Q4 und Ql1 sind derart angepaßt, daß die Spannung vom Stellglied 20 oder dem einstellbaren Widerstand R30 an den Widerstand R31 angelegt wird, um durch diesen einen Strom fließen zu lassen, der proportional der Einstellung des Stellgliedes 20 ist. .Der Primärstrom des Transformators Tl wird auf diese Weise als vorgegebener Strom festgehalten. Der Stromtransformator Tl erzeugt ein Konstantstromausgangssignal für eine Lastimpedanz von 100 bis 1000 Ohm.

Eine Diode CR17 unterdrückt die induktive Stoßspannung an der Primärwicklung des Transformators Tl, wenn das Transistorpaar Q5 am Ende eines Impulses sperrt.

Die Sekundärwicklung des Transistors Tl ist an die Ausgangsklemmen 12 angeschlossen. Eine Zenerdiode CR19 dient als Sicherheitsdiode, die verhindert, daß die Spannung an den Ausgangsklemmen 12 einen übermäßig großen Wert annimmt, wenn die Ausgangsimpedanz an den Klemmen 12 extrem hoch wird, weil sich eine Elektrode gelöst hat oder eine ähnliche Leerlaufbedingung eintritt. Eine Diode CR18 hindert die Zenerdiode CRl? daran, den negativen oder zweiphasigen Teil des Impulses durchzulassen, wodurch an dem Patienten ein gleichspannungsfreies Ausgangssignal aufrechterhalten wird. Der Transformator erzeugt eine abgeglichene zweiphasige, asymmetrische Rechteckwelle ohne resultierende Gleichstromkomponente.

Die veranschaulichte Schutzzeitstufe 54 verwendet als Zei$glied einen 14-stufigen CMOS-Binärzähler U3, der ebenso wie der Zähler U4 von Fairchild und anderen Firmen unter der Modellbezeichnung 4020 hergestellt wird.

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Die Zahlen an der Außenseite des Blocks des Zählers U3 geben die Hersteller-Pin-Bezeichnungen für die verschiedenen Anschlüsse des Zählers U3 wieder. Das Ausgangssignal des Zählers U3 am Pin 3 stammt von der 14. Zählerstufe. Das dem Zähler U3 an der Klemme 10 zugeführte Eingangssignal kommt von einem Schmitt-Trigger U2-A, wobei ein Element eines Schmitt-Trigger-Moduls, beispielsweise das von RCA, National Semiconductor und anderen hergestellte Modell 40106, benutzt wird, das sechs Schmitt-Trigger (U2-A bis U2-F) umfaßt. Ein einstellbarer Rückkopplungswiderstand R3 und ein zeitbestimmender Kondensator C3 geben die Frequenz des Schmitt-Triggers U2-A vor, der als Oszillator arbeitet, um dem Eingang des Zählers U3 ein Taktsignal zuzuführen. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des Stimulators ist das Taktsignal so gewählt, daß an dem Anschluß 14 des Binärzählers U3 nach 40 Sekunden ein Ausgangssignal erscheint.

Der Zähler U3 wird beim anfänglichen Einschalten des Gerätes durch den Spannungsteiler zurückgestellt, der aus dem Kondensator Cl, einer Diode CRl und einem Widerstand Rl besteht. Wenn die STROMVERSORGUNG EIN-Schalter Sl und/oder S2 geschlossen werden, wird die Spannung +V an die verschiedenen angeschlossenen Stufen angelegt, während eine geregelte Spannung +Vl an einer Diode CR3 aufgebaut wird. Bei der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Schalter Sl und S2 in den vom Patienten bedienten Amplitudenstellgliedern 20 bzw. 22.. Der Kondensator C2 wird fast augenblicklich über den Begrenzungswiderstand R2 aufgeladen und sorgt für eine Filterung der geregelten Spannung Vl an der Diode CR3.. Wenn die Spannung Vl an den Kondensator Cl angelegt wird, weil der Schalter Sl oder der Schalter S2 geschlossen wird,um den Stimulator mit Ener-

gie zu versorgen, ist in dem Kondensator Cl zunächst keine Spannung gespeichert. Der Ladestrom, der von +Vl nach Masse über die Diode CRl und den Widerstand Rl fließt, läßt eine positive Spannung an dem Widerstand Rl abfallen, wodurch an den Anschluß 11 des Zählers U3 ein Rückstellsignal geht. Nachdem der Kondensator Cl voll geladen ist, fällt der Ladestrom auf Null ab, wodurch das Rückstellsignal verschwindet, so daß das Eingangstaktsignal am Anschluß 10 des Zählers U3 den Zählvorgang beginnen lassen kann.

Der Zähler U3 gibt das EIN-Intervall der Stimulation vor. Wenn der den Schmitt-Trigger U2-A aufweisende Os-

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zillator 2 Impulse angeliefert hat, geht der Ausgang 3 des Zählers U3 hoch. Das Signal vom Anschluß 3 läuft über Dioden CR6 und CR7 zum Schmitt-Trigger U2-A, wodurch der Oszillator abgeschaltet wird. Dadurch wird

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verhindert, daß der Anschluß 3 des Zählers U3 nach 2 Impulsen wieder auf niedrigen Pegel umspringt.

Das Signal vom Anschluß 3 des Zählers U3 wird über die Diode CR6 und eine Diode CRlO an den Anschluß 3 des Schmitt-Triggers U2-E im Ratenoszillator 40 angelegt. Das dem Anschluß 3 des Schmitt-Triggers U2-E zugehende Signal stoppt den Ratenoszillator 40, wodurch Stimulatorausgangssignale verhindert werden. Der Ausgang des Schmitt-Triggers U2-E wird niedrig gehalten, was den Transistor Q9 sperrt. Dadurch werden die lichtemittierenden Dioden CRl6 und CR15 der Anzeigeschaltung 70 ausgeschaltet .

Wenn der Stimulator IO seine Zyklen normal durchläuft und dabei die EIN-Zeit kleiner als die Zeitablaufperio-

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de des Zählers U3 ist (<2 Impulse von dem Oszillator mit dem Schmitt-Trigger U2-A), wird der Transistor Q8

der Schutzschaltstufe 52 im Gegentakt zu dem EIN- und AUS-Zyklus des Zyklusgebers 62 ein- und ausgeschaltet. Jedesmal, wenn der Stimulator IO seinen AUS-Zyklus durchläuft, wird der Transistor Q8 stromführend, und er stellt den Zähler U3 zurück, indem er ein Signal auf den Eingang 11 über eine Diode CR4 gibt. Wenn der Zyklusgeber 62 oder eine zugeordnete Schaltungsanordnung gestört ist, wird der Transistor Q8 nicht stromführend, und der Zähler U3 wird nicht am Eingang 3 zurückgestellt In diesem Fall läuft der Zähler U3 ab, wenn der Eingang 3 hochgeht. Dadurch werden alle Stimulatorausgänge und die Anzeigelampen 70 ausgeschaltet. Auch wenn der Konstantstimulationsschalter S3 für eine Zeitspanne gedrückt wird, welche die Ablaufperiode des Zählers U3 übertrifft, schaltet der Transistor Q8 nicht ein, um den Zähler U3 zurückzustellen. Ein Signal geht dann vom Pin 3 des Zählers U3 zum Schmitt-Trigger U2-E, um die Stimulatorausgangssignale abzuschalten.

Wenn der Konstantstimulationsschalter S3 freigegeben wird oder eine gestörte Baugruppe wieder ihre Normalfunktion übernimmt, tritt an dem Pin 11 ein Rückstellimpuls das nächste Mal auf, wenn der Ausgang 3 des Zählers U4 hochspringt. Dieser Impuls wird über den Transistor Q3, den Transistor Q8 und die Diode CR4 zum Pin 11 des Zählers U3 übermittelt. Die Diode CRl verhindert, daß solche vom Transistor Q8 kommenden Impulse den Zähler U4 zurückstellen; beide Zähler U4 und U3 können jedoch durch den Kondensator Cl beim Einschalten der Stromversorgung zurückgestellt werden.

Infolgedessen wird die Länge des EIN-Intervalls des Zyklusgebers 62 durch die Schutzzeitstufe 54 ständig überwacht. Jedesmal, wenn das EIN-Zeitintervall endet, stellt die Schutzschaltstufe 52 die Schutzzeitstufe 54

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zurück. Sollte das EIN-Intervall das Zeitablaufintervall der Schutzzeitstufe 54 übertreffen, wird der Ratenoszillator 40 daran gehindert, Ausgangssignale zu erzeugen. Für den unwahrscheinlichen Fall des Auftretens einer Fehlfunktion der Schaltungsanordnung erzeugt infolgedessen der Stimulator keine Ausgangssignale mehr.

Sollte der Benutzer des Stimulators 10 die Zeitspanne fehleinschätzen, während deren er den Momentan-EIN-Schalter drückt, stellt die Schutzschaltstufe 52 die Schutzzeitstufe 54 nicht zurück. Die Schutzzeitstufe 54 läuft dann aus, und sie sperrt den Ausgang des Ratenoszillators 40, wodurch eine übermäßige Stimulation verhindert wird.

Die erläuterte Schutzanordnung verhindert übermäßige Stimulationszeitdauern, die zu Rückenschmerzen bei Patienten führen könnten, welche den Muskelstimulator 10 für ausgedehnte Zeitspannen benutzen, beispielsweise Skoliosepatienten, die während der ganzen Nacht stimuliert werden.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MÜNCHEN 83

Ger. P-555

Ansprüche

1. Gewebestimulator, der ein periodisches Stimulationssignal mit einander wiederholt abwechselnden vorbestimmten EIN- und AUS-Zeitintervallen erzeugt, gekennzeichnet durch eine Zeitgeberanordnung zur Vorgabe der Dauer des EIN-Zeitintervalls, eine einen Teil der Zeitgeberanordnung bildende Zeitablaufsteuerung zum Abschalten des Stimulationssignals, wenn ein Höchstzeitintervall vor Beendigung des EIN-Zeitintervalls erreicht wird, und eine Rückstelleinrichtung zum Zurückstellen der Zeitgeberanordnung auf den Anfang der Zeitgabe.

2. Gewebestimulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltstufe zum Anliefern eines Signals an die Rückstelleinrichtung zu Beginn des EIN-Zeitintervalls zwecks Aktivierung der Rückstelleinrichtung.

3. Gewebestimulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Momentankontaktschaltstufe zum Erzeugen eines konstanten Stimulationssignals beim Betätigen der Momentankontaktschaltstufe und eine einen Teil der Zeitgeberanordnung bildende Übersteuerungsstufe zur Bildung des EIN-Zeitintervalls während der Betätigung der Momentankontaktschaltstufe, wobei die Zeitablaufsteuerung die Zeitgeberanordnung ausschaltet, wenn das von der Momentankontaktschaltstufe ausgelöste EIN-Zeitintervall das vorbestimmte Höchstzeitintervall übertrifft.

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ι Ι ο Δ.

-Ι Α. Gewebestimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Höchstzeitintervall 40 s beträgt.

5. Gewebestimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeberanordnung eine Oszillatorstufe zum Erzeugen von periodischen Zeitgeberimpulsen und eine binäre Zählstufe zum Empfangen und Zählen der Zeitgeberimpulse aufweist.

6. Gewebestimulator, gekennzeichnet durch eine Oszillatorstufe zum Erzeugen eines periodischen Signals mit einer vorbestimmten Wiederholrate; eine mit der Oszillatorstufe gekoppelte Ratensteuerstufe zum Ändern der Wiederholrate der Oszillatorstufe, wobei die Ratensteuerstuf e auf Grund eines Ze-itablaufsignals deaktivierbar ist; eine Zyklusgeberanordnung zum wiederholten Erzeugen eines logischen Zyklusgebersignals, das während eines vorbestimmten EIN-Zeitintervalls einen ersten Pegel und während eines vorbestimmten AUS-Zeitintervalls einen zweiten Pegel hat; eine mit der Zyklusgeberanordnung gekoppelte erste Zyklusgebersteuerstufe zum Einstellen des vorbestimmten EIN-Zeitintervalls; eine mit der Zyklusgeberanordnung gekoppelte zweite Zyklusgebersteuerstufe zum Einstellen des vorbestimmten AUS-Zeitintervalls; eine Schutzschaltstufe zur Aufnahme des logischen Zyklusgebersignals und zum Erzeugen eines logischen Schaltsignals; eine Sägezahngeneratorstufe zur Aufnahme des logischen Schaltsignals und zum Erzeugen eines Sägezahnausgangssignals, das sich von einem ersten Sägezahnpegel zu einem zweiten Sägezahnpegel mit der vorbestimmten Geschwindigkeit als Funktion des Empfangs eines Sägezahnsteuersignals ändert; eine mit der Sägezahngeneratorstufe gekoppelte Sägezahngeneratorsteuerstufe zur

BAD ORIGINAL

Bereitstellung des Sägezahnsteuersignals; eine Impulsbreitenschaltung, die mit dem Sägezahnsignal von der Sägezahngeneratorstufe und dem Ausgangssignal der Oszillatorstufe beaufschlagt ist und die ein Impulssignal erzeugt, dessen Impulsbreite von dem Ausgangssägezahnsignal der Sägezahngeneratorstufe und der vorbestimmten Wiederholrate der Oszillatorstufe abhängt; eine mit dem Impulssignal der Impulsbreitenschaltung beaufschlagte Ausgangsstufe zum Erzeugen eines Ausgangssignals; eine Zeitgeberstufe zur Vorgabe der Länge jedes EIN-Zeitintervalls der Zyklusgeberanordnung; eine Zeitablaufstufe zum Ausschalten der Zeitgeberanordnung und zum Anliefern des Zeitablaufsignals zum Abschalten der Ratenoszillatorstufe, falls das EIN-Intervall ein vorbestimmtes Höchstintervall übertrifft; und eine Rückstellstufe zum Zurückstellen der Zeitgeberanordnung zu Beginn jedes EIN-Zeitintervalls auf Grund des logischen Schaltsignals von der Schutzschaltstufe.

7. Gewebestimulator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Momentankontaktschaltstufe zum Erzeugen eines konstanten Stimulationssignals beim Betätigen der Momentankontaktschaltstuf e und eine einen Teil der Zeitgeberanordnung bildende Übersteuerungsstufe zur Bildung des EIN-Zeitintervalls während der Betätigung der Momentankontaktschaltstuf e, wobei die Zeitablaufsteuerung die Zeitgeberanordnung ausschaltet, wenn das von der Momentankontaktschaltstufe ausgelöste EIN-Zeitintervall das vorbestimmte Höchstzeitintervall übertrifft.

8. Gewebestimulator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Höchstzeitintervall 40 s beträgt.

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9. Gewebestimulator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeberanordnung eine Oszillatorstufe zum Erzeugen von periodischen Zeitgeberimpulsen und eine binäre Zählstufe zum Empfangen und Zählen der Zeitgeberimpulse aufweist.

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