DE3618748A1

DE3618748A1 - Elektrischer stimulator fuer biologisches gewebe

Info

Publication number: DE3618748A1
Application number: DE19863618748
Authority: DE
Inventors: Alan P. St. Paul Minn. Dieken; Joel R. St. Paul Minn. Dufresne
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1985-06-17
Filing date: 1986-06-04
Publication date: 1986-12-18
Also published as: HK20190A; US4686991A; KR870000083A; GB2177305A; JPS61290965A; GB2177305B; KR930005052B1; GB8611532D0

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Stimulatoren für biologisches Gewebe und insbesondere eine lineare Strom-Ausgangsstufe für elektrische Stimulatoren für biologische Gewebe.

Elektrische Stimulatoren, die ein elektrisches Reizsignal liefern, sind zum Erregen von biologischem Gewebe nützlich. Ein bedeutendes Anwendungsgebiet für elektrische Stimulatoren dieser Art ist die transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS), bei der sorgfältig gesteuerte elektrische Reizsignale erzeugt und über eine geeignete Elektrode durch die Haut des Patienten hindurch an das unter dieser befindliche biologische Gewebe übertragen werden. Die elektrischen Reizsignale lassen sich zum Überdenken von Schmerzsignalen im Nervensystem - beispielsweise das vom Patienten nach einer Operation empfundene Schmerzgefühl - verwenden. Da die Patienten sehr unterschiedlich auf transkutane elektrische Nervenreizungen ansprechen, muß ein entsprechendes Gerät einen breiten Bereich elektrischer Reizparameter bereithalten. Ein zweites Anwendungsgebiet für elektrische Stimulatoren ist die neuromuskuläre Stimulation (NMS) zur Initiierung oder Steuerung der Muskelaktivität eines Patienten. Da sehr vielfältige Muskeltätigkeiten vorkommen, muß auch hier ein breiter Bereich von elektri-

sehen Reizsignalen erzeugbar sein.

\y Seit kurzem verwendet man in elektrischen Stimulatoren für biologisches Gewebe auch digitale Elektronikschaltungen. Ein beispielhafter digitaler elektrischer Stimulator erzeugt intern ein digitales Ausgangswort oder eine Serie digitaler Ausgangswörter entsprechend einem zu erzeugenden elektrischen Reizsignal. Während der elektrische Stimulator jedoch digitale Ausgangswörter entsprechend dem zu erzeugenden elektrischen Reizsignal abgibt, handelt es sich bei dem an das biologische Gewebe auszugebende elektrische Reizsignal dem Wesen nach um ein Analogsignal. Der digitale elektrische Stimulator muß daher das digitale Ausgangswort bzw. die Serie digitaler Ausgangswörter zu einem analogen elektrischen Reizsignal umwandeln. Ein solcher digitaler elektrischer Stimulator muß demnach eine Ausgangsstufe enthalten, in der das digitale Ausgangswort bzw. die Serie digitaler Ausgangswörter in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt werden.

Während die Genauigkeit digitaler Ausgangswörter sich sehr genau einstellen läßt und von der Anzahl der zur Darstellung des Wertes verwendeten Bits bzw. binären Stellen abhängt, geht diese Genauigkeit verloren, wenn sie nicht auch bei der Umwandlung des digitalen Ausgangswortes zu dem analogen elektrischen Reizsignal beibehalten werden kann.

Diese Notwendigkeit kontrastiert mit dem Ziel der meisten analogen Ausgangsstufen oder -schaltungen, bei denen es nur um den höchstmöglichen Wirkungsgrad oder um die Aufrechterhaltung eines konstanten Ausgangsstroms ohne Beachtung der Linearität geht.

ft Der erfindungsgemäße elektrische Stimulator für biologisches Gewebe erfordert jedoch eine hohe Genauigkeit und Linearität der Umwandlung des digitalen Ausgangswortes bzw. der Serie digitaler Ausgangswörter zu einem analogen elektrischen Reizsignal. Die Ausgangsschaltung des elektrischen Stimulators muß daher die gewünschte elektrische Signalwellenform mit sehr hoher Genauigkeit wiedergeben können.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Stimulator für biologisches Gewebe mit einer Ausgangsschaltung, die mit einem digitalen Ausgangswort angesteuert wird. Der Stimulator weist ein Elektrodensystem auf, das an zu stimulierendes biologisches Gewebe gekoppelt werden kann, das als die Last des elektrischen Stimulators wirkt. Ein linearer Digital-Analog-Wandler wird betrieblich mit dem digitalen Ausgangswort angesteuert. Ein Stromverstärker ist betrieblich mit dem Digital-Analog-Wandler und mit dem Elektrodensystem gekoppelt. Der Stromverstärker arbeitet gegengekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform schafft die

vorliegende Erfindung einen Stimulator für biologisches Gewebe der oben genannten Art, bei dem der Stromverstärker einen mit dem Digital-Analog-Wandler gekoppelten Operationsverstäkrer aufweist. Der Operationsverstärker hat einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Eingang, sowie einen Ausgang. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist betrieblich mit dem Digital-Analog-Wandler verbunden. Eine Kompensationsschaltung ist betrieblich mit dem Operationsverstärker verbunden; sie gewährleistet die hochfrequente Stabilität des Operationsverstärkers. Ein Transistornetzwerk ist betrieblich mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden und kann an das Elektrodensystem gelegt werden. Ein Bezugswiderstand ist betrieblich mit dem Transistornetzwerk verbunden; die über ihm abfallende Spannung entspricht dem dem Elektrodensystem durch das Transitornetzwerk zugeführten Strom. Ein Rückkopplungszweig verläuft vom Bezugswiderstand zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers.

Die oben erläuterten Vorteile sowie der Aufbau und die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung sollen anhand der beigefügten Zeichnung ausführlicher beschrieben werden.

Fig. 1 ist ein Stromlauf einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Stromlauf einer anderen bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 ist ein alternativer Stromlauf des Amplitudensteuer-

teils des Schaltbilds der Fig. 2; und Fig. 4 ist ein Stromlauf einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zur Erzeugung einer unipolaren Ausgangsgröße.

Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines elektrischen Stimulators 10. Der elektrische Stimulator IO enthält einen Mikroprozessor 12 als Grundlage einer Ansteuerschaltung, die eine Serie digitaler Ausgangswörter 14 erzeugt. Das digitale Ausgangswort 14 wird von der einen linearen Ausgangsstrom liefernden Schaltung 16 in ein analoges elektrisches Reizsignal umgewandelt, das zwei oder mehr Elektroden 18 (im folgenden einfach als "Elektrode" bezeichnet) zugeführt wird, die ihrerseits an biologisches Gewebe angelegt werden können, das als Last für die Ausgangsschaltung 16 und den elektrischen Stimulator IO wirkt.

Das digitale Ausgangswort 14 wird der Schaltung 16 in Form eines Amplitudenteils 20 und eines Vorzeichenteils 22 zugeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das digitale Ausgangswort 14 aus N+2 Bits. Der Amplitudenteil

20 besteht dann aus N+l Bits, d.h. den Bits 0 bis N, während das Vorzeichenteil 22 das Bit (N+l)ist.

Der Amplitudenteil 20 des digitalen Ausgangswortes 14 ist an die Dateneingänge eines Digital-Analog-Wandlers (D/AWandlers) 24 gelegt, der aus eienr Stromversorgung gespeist wird und an die elektrische Masse gelegt ist. Das Ausgangssignal des D/A-Wandlers 24 geht auf den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 26, dessen Ausgangssignal zur Ansteuerung von zwei Stromverstärkern dient, die aus einer ersten Gruppe Transistoren 28, 30 und einer zweiten Gruppe Transistoren 32, 34 bestehen. Die Transistorengruppen (d.h. die Transistoren 28, 30 und die Transistoren 32, 34) arbeiten in einer Gegentaktschaltung auf jeweils eine Hälfte der Primärwicklung 36 des Transformators 38. Der Mittenanzapfpunkt der Primärwicklung 36 ist an die elektrische Stromversorgung gelegt. Der Bezugswiderstand 40 liefert eine Bezugsspannung, die dem durch die Primärwicklung 36 des Transformators 38 fließenden Strom entspricht. Die Spannung über dem Bezugswiderstand 30 wird zurück auf den nichtinvertierenden Eingang 42 des Operationsverstärkers 26 gegeben; die Strtomverstärker aus den Transistoren 28, 30 und 32, 34 werden über die Transistoren 44, 46 unter Verwendung des Vorzeichenteils 22 des digitalen Ausgangswortes 14 ein- und ausgeschaltet. Der Transistor 44 ist unmittelbar, der Transistor 4 6 über einen Inverter 4 8 an

den Vorzeichenteil 22 des digitalen Ausgangswortes 14 gelegt. Die Sekundärwicklung 50 des Transformators 38 ist mit der Elektrode 18 verbunden; von dort kann der Ausgangsstrom der linearen Stromausgangsschaltung 16 abgenommen werden.

Die Fig. 2 zeigt eine alternative schaltbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stimulators Auch hier liefert ein Mikroprozessor 12 ein digitales Ausgangswort 14, das von einer linearen Strom-Ausgangsschaltung 16 umgewandelt wird, die in diesem Fall aus zwei separaten Kanälen besteht. Das digitale Ausgangswort 14 besteht auch hier aus einem Amplitudenteil 20 und einem Vorzeichenteil 22. Weiterhin enthält das digitale Ausgangswort 14 eine Kanalwahlleitung 52 und eine Datensteuerleitung 54. Der Amplitudenteil 20, die Kanalwahlleitung 52 und die Datensteuerleitung 54 sind an einen Digital/Analog-Wandler 56 gelegt. Die Kanalwahlleitung 52 dient zum Umschalten zwischen zwei verschiedenen Ausgangsstufen, die im D/A-Wandler 56 enthalten sind. Die Datensteuerleitung 54 bewirkt die Übernahme des Amplitudenteils 20 des digitalen Ausgangswortes 14 in den jedem Kanal bzw. jeder Stufe zugeordneten D/A-Wandler 56. Für jede der beiden Ausgangsstufen ist eine separate Zwischenspeicherstufe innerhalb des D/A-Wandlers 56 vorgesehen. Der D/A-Wandler 56, der an eine Stromversorgung und an die elektrische Masse gelegt ist, ist weiterhin mit einer temperaturkompensierten

Bezugsspannungsquelle 60 verschaltet. Die Bezugsspannungsquelle 60 ist auch an elektrische Masse und über einen Widerstand 58 an die elektrische Stromversorgung gelegt. Das Ausgangssignal einer Stufe des D/A-Wandlers 56 ist über den Widerstand 62 und ein Potentiometer 64 an einen Stromverstärker 66 gelegt, entsprechend die andere Stufe des D/A-Wandlers 56 über einen Widerstasnd 68 und ein Potentiometer 70 an den Stromverstsärker 72. Die Potentiometer 64, 70 wirken als Amplitudeneinsteller für den jeweiligen Ausgangskanal des D/A-Wandlers 56. Das Widerstandspaar 62 und das Potentiometer 64 wirken als Spannungsteiler, der die maximale Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 56 auf die gewünschte maximale Spannung über dem Bezugswiderstand 40 abgleicht.

Der Stromverstärker 66 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten, ist jedoch erweitert. Der Stromverstärker 66 ist beispielhaft für den Stromverstärker 72, der nicht ausführlich dargestellt ist. Der Vorzeichenanteil 22 des digitalen Ausgangswortes 14 wird mit einem Inverter aus dem Transistor 74 und den Widerständen 76, 78 invertiert. Der Widerstand 76 dient als Zugwiderstand (Pull-up-Widerstand), während der Widerstand 78 den Basisstrom des Transistors 74 begrenzt. Der Inverter aus dem Transistor 74 und den Widerständen 76, 78 arbeitet für mehrere Ausgangsstufen - in diesem Fall die Stromverstärker 66, 72. Die Widerstände 80,

82 begrenzen die Basisansteuerung der Stromverstärker 66, 72.

Die Ausgangsspannung des Potentiometers 64 ist an den invertierenden Eingang des OpertionsVerstärkers 84 gelegt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Operationsverstärker 84 um eine hochverstärkende Ausführung. Ebenso bevorzugt ist der Operationsverstärker 84, eine Ausführung mit hoher Ausgangssteilheit; seine Ausgangsstufe sollte bei Ausgangsspannungen nahe dem Massepotential oder nahe der Versorgungsspannung nicht in die Sättigung gehen. Der Kondensator 86 unterstützt die interne Frequenzkompensation. Die Offsetspannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 84 kann durch einen Sapnnungsteiler aus den Widerständen 88, 90 und dem Bezugswiderstand 40 auf null abgeglichen werden. Der Wert des Widerstandes 88 läßt sich bspw. mit einem Potentiometer oder durch Abgleich einstellen oder kann auf einem konstanten Wert belassen werden, der dem schlimmstenfalls auftretenden Offset des Operationsverstärkers 84 entspricht. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 84 ist über den Widerstand 92 an die Transistoren 28, 30, 32, 34 gelegt, die wie in Fig. 1 auf die Primärwicklung 36 des Transformators 38 arbeiten. Wiederum wie in Fig. 1 schalten die Transistoren 44, 46 die Transistorpaare 28, 30 und 32, 34 abhängig vom Zustand des Vorzeichenteils 22 des digitalen Ausgangswortes 14 ein bzw.

aus. Die Dioden 94, 96, 98 sind an die elektrische Stromversorgung angeschlossen und gewährleisten, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 84 in positiver Richtung die Transistoren 30, 34 sicher sperren kann. Die Sekundärwicklung 50 des Transformators 38 ist an eine Elektrode 18 und an eine Last 100 gelegt, die ersatzschaltungsmäßig durch einen Widerstand 102, einen Widerstand und einen Kondensator 106 dargestellt ist. Entsprechend liegt das Ausgangssignal des Stromverstärkers 72 an einer Last 107.

Der Weg von den Transistorpaaren 38, 40 und 32, 34 zum Bezugswiderstand 40 und über den Widerstand 90 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 84 stellt eine Gegenkopplungsschleife für den in die Primärwicklung 3 6 des Transformators 38 gespeisten Strom dar.

Die Fig. 3 zeigt eine alternative Verbindung zwischen dem D/A-Wandler 56 und dem Operationsverstärker 84. Der nichtinvertierende Eingang eines Operationsverstärkers 108 ist an den Ausgang eines D/A-Wandlers 56 gelegt. Der Operationsverstärker 108 ist mit den Widerständen 110, 112 vorgespannt. Das Potentiometer 114 und die Widerstände 116, 118 dienen zur Amplitudeneinstellung des an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 84 gelegten Signals. Die in Fig. 3 gezeigte alternative Verbindung kann

mit Vorteil verwendet werden, wenn höhere Signalpegel gefordert sind, um bspw. Störprobleme zu überwinden, die bei einem langen Verbindungsweg zwischen dem D/A-Wandler 56 und dem Operationsverstärker 84 auftreten können. In dieser Schaltung sollten die Widerstände 110, 112 so gewählt werden, daß gilt:

' Widerstand 110 \ / Widerstand 118

1 +

Widerstand 112/ \Widerstand 116 + Widerstand 118

Widerstand 64

I Widerstand 62 + Widerstand 64

wobei die Widerstände 116, 118 erheblich größer als das Potentiometer 114 sein sollten.

Die Fig. 4 zeigt einen Stromlauf einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung ist mit der in Fig. 2 identisch, weist jedoch eine unipolare Ausgangsstufe mit einem unipolaren Ausgangsverstärker 66 auf. Auch braucht hier das digitale Ausgangswort 14 keinen Vorzeichenteil 22 zu enthalten. Der Stromverstärker 66 der Fig. 4 ist dem Verstärker 66 in Fig. 2 sehr ähnlich; es entfallen jedoch die Transistorgruppe 32, 34, die Vorzeichen-Wähltransistoren 44, 46 und eine Hälfte der Primärwicklung 36 des Transformators 38.

Der Transformator 38 ist so gewählt, daß eine Last 100 von mindestens 500 Ohm mit einem Strom von mindestens 100 mA gespeist werden kann, sofern die Versorgungsspannung mindestens 4,5 V= beträgt. Der Transformator 38 ist so aufgebaut , daß der Sekundärstrom dem Primärstrom für Wellenformen einer Dauer von weniger als 350 us sehr genau entspricht. Die in den Fig. 1 bis 4 verwendeten bevorzugten Bauteile und Bauteilwerte sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

	Wert oder Typ	3618748	Hersteller
Bezugszeichen	Myocare Plus AD7528	3M Analog Devices
12 24	CA3240A	RCA
26	ZTX650	Ferranti
28	2N3906	National
30	ZTX650	Ferranti
32	2N3906	National
34	Primär:Sekundär = 32:640	Precision
38	0,24 kSL 2N3906	National
40 44	2N3906	National
46	AD7528	Analog Devices
48 56	4,7 kSl. LM336Z2,5	National Semiconduct
58 60	12 kSL
62	10 kSL
64	12 kSL
68	10 k-Sl- 2N2222	Motorola
70 74	100 klL
76	51 k-il
78	7,5 k-SL
80	7,5 kit
82

	-^ Ik	3618748	Hersteller
Bezugszeichen	Wert oder Typ	RCA
84	CA3240A
86	100 Picofarad
88	100 kSl
90	1005L
92	1 kSL	Motorola
94	1N4148	Motorola
96	1N4148	Motorola
98	1N4148
102	500
104	2,7 k£l
106	0,1 μΡ	National Semiconductor
108	LM358

Claims

Patentansprüche

l/ Elektrischer Stimulator für biologisches Gewebe mit einer mit einem digitalen Ausgangswort ausgesteuerten Ausgangsschaltung, einer Elektrode, die an dem zu stimulierenden biologischen Gewebe anbringbar ist, das als Last für den Stimulator wirkt, einem linearen Digital-Analog-Wandler, an den betrieblich das Ausgangswort gelegt ist, und einem Stromverstärker, der betrieblich mit dem Digital-Analog-Wandler und mit der Elektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker gegengekoppelt arbeitet.
2. Stimulator für biologisches Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker einen mit dem Digital-Analog-Wandler gekoppelten Operationsverstärker aufweist, der einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Eingang sowie einen Ausgang aufweist, wobei der invertierende Eingang betrieblich mit dem Digital-Analog-Wandler gekoppelt ist, daß eine Kompensationsschaltung betrieblich mit dem Operationsverstärker gekoppelt ist, um dessen hochfrequente Stabilität zu gewährleisten, daß ein Transistornetzwerk betrieblich mit dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt und mit der Elektrode koppelbar ist, daß ein Bezugswiderstand betrieblich mit dem Transistornetzwerk gekoppelt ist und die über ihm abfallen-

de Spannung dem der Elektrode durch das Transistornetzwerk zugeführten Strom entspricht, und daß ein Rückkopplungszweig vom Bezugswiderstand zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verläuft.
3. Stimulator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Offset-Schaltung, die betrieblich mit dem Operationsverstärker verbunden ist, um dessen Eingangsoffset zu kompensieren .
4. Stimulator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Präzisions-Bezugsspannungsquelle, die betrieblich mit dem Digital-Analog-Wandler verbunden ist.
5. Stimulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Strom-Ausgangsschaltung der Last einen bipolaren Ausgangsstrom liefert.
6. Stimulator nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Transistornetzwerk aus einem in einer Gegentaktschaltung arbeitenden Transistorpaar besteht, und daß das Transistorpaar über einen Transformator mit Mittenanzapfung an die Last koppelbar ist.