DE3620220A1

DE3620220A1 - Mit begrenzung des ausgangssignals arbeitender elektrischer stimulator fuer biologisches gewebe

Info

Publication number: DE3620220A1
Application number: DE19863620220
Authority: DE
Inventors: Joel R. Saint Paul Minn. Dufresne; Eric A. Saint Paul Minn. King-Smith; Walter J. Saint Paul Minn. ReMine
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1985-06-17
Filing date: 1986-06-16
Publication date: 1986-12-18
Also published as: JPS61290964A; US4690145A; GB2177304B; KR870000082A; GB2177304A; GB8611531D0

Description

ivi U ίϊ υ i ι ιί t\ Pifwennuerslraße 2 8000 München flO Mnfoii (OB¹J) ')βΌ3?4. •Mil?·Λ <!i',fi8'J0 '.ι II If)Vi₁ ·/?■/I)M;

I 'ιοί tiίΙ

Rl- '(

RFHI IN

Kiiiliiflrridninin I8?/I«3 1(100 rinrlin IS

Melon. (0 301 8 S3 70 78/79 Kabel Quadratur Berlin

RUSCHKE & PARTNER ANWAUSSOZIETÄT

München, den 16. Juni 1986 Dipl.-Ing. Hans E. Ruschke Dipl.-Ing. Olaf Ruschke' Dipl.-Ing. Jürgen Rost Dipl.-Chem. Dr. Ulrich Rotter Pfllenlmiw.111«

Zugelassen bfiim Europäischen Patentamt Admilted to the European Patent Office

* in Berlin

Rainer Schulenberg Rechtsanwalt

Zugelassen bei den LG München I und II. beim OLG München und dem Bayer. Obersten Landesgericht

M 4561 AO

MINNESOTA MINING & MANUFACTURING COMPANY 3M Center, Saint Paul, Minnesota 55144, USA

Mit Begrenzung des Ausgangssignals arbeitender elektrischer Stimulator für biologische Gewebe

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Stimulatoren für biologisches Gewebe und insbesondere mit Begrenzung des Ausgangssignals arbeitende elektrische Stimulatoren für biologisches Gewebe.

Elektrische Stimulatoren, die ein elektrisches Reizsignal liefern, sind für biologisches Gewebe anwendbar. Ein wichtiger Anwendungsbereich für elektrische Stimulatoren dieser Art ist die transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS), bei der sorgfältig eingestellte und gesteuerte elektrische Reizsignale über geeignete Elektroden durch die Haut des Patienten hindurch in das darunterliegende biologische Gewebe eingespeist werden. Die elektrischen Reizsignale dienen u.a. dazu, Schmerzsignale zu überdecken - beispielsweise das Schmerzgefühl des Patienten nach einem operativen Eingriff. Da die Patienten auf transkutane elektrische Nervenstimulation unterschiedlich ansprechen, müssen ein breiter Bereich elektrischer Reizsignale und für diese elektrischen Reizsignale zahlreiche Sätze von Reizparametern vorgesehen werden. Ein zweiter Einsatz der elektrischen Stimulatoren ist die neuromuskuläre Stimulation (NMS), mit der die Muskelkontraktion des Patienten eingeleitet und

' to·

gesteuert wird. Da eine breite Vielfalt von Muskelkontraktionen möglich ist, müssen auch hier zahlreiche Sätze von Reizparametern vorgesehen werden, um ebenso vielfältige elektrische Reizsignale darstellen zu können. Derartige Reizparameter sind in einem elektrischen Impuls-Reizsystem die Impulsart, die Impulsamplitude und die Impulsdauer. Ein elektrisches Reizsignal wird von einem Satz von Reizparametern oder eine Vielzahl solcher Sätze eindeutig definiert.

Es ist zwar erwünscht, elektrische Reizsignale für die transkutane elektrische Nerven- bzw. neuromuskuläre Stimulation auf das biologische Gewebe einwirken lassen zu können; dabei besteht jedoch die Gefahr einer Herzerregung des Patienten bzw. Benutzers des Stimulators. Aus diesem Grund gibt es Normen zu der sogenannten "Stärke-Dauer-Kurve" der elektrischen Reizsignale, die als allgemein anerkannt gelten. Derartige Kurven geben die maximale Größe der elektrischen Ladung an, die das elektrische Reizsignal zu erzeugen und in die aus dem biologischen Gewebe bestehende Last einzuspeisen in der Lage sein sollte. Die elektrische Grenzladung ist daher ein bekannter und vorbestimmter Normwert. Die elektrische Grenzladung des elektrischen Reizsignals ist eine Funktion der Impulsamplitude, der Impulsdauer und der Impulsform.

O ,^Λ 1 ^ O O

Jb zu Zz J - r-

- β-

Im Betrieb eines elektrischen Stimulators ist es oft erwünscht, die Reizparameter nach einem vorbestimmten Algorithmus zu variieren bzw. zu modulieren. Derartige Veränderungen sind nützlich, um den maximal möglichen Bereich von Reizparametern herzustellen, den höchstmöglichen Nutzen im Ansprechverhalten der transkutanen elektrischen Nervenstimulation (TENS) zu erreichen oder die Stärke einer Muskelkontraktion auf unterschiedliche Lasten bzw. Bedingungen einstellen zu können. Eine Technik zum Variieren der Reizparameter ist, einen Maximalwert für irgendeinen Reizparameter - beispielsweise die Impulsamplitude oder die Impulsdauer - anzugeben und regellos bestimmte Prozentanteile dieser Maximalwerte für die Verwendung zur Synthese des elektrischen Reizsignals auszuwählen.

Verbindet man Forderung nach einer Variation der Reizparameter mit der Forderung, eine Grenzladung einzuhalten, ergibt sich ein weiteres Problem. Wird nämlich die Grenzladung einfach durch die Wahl von Maximalwerten für die Impulsamplitude und die Impulsdauer eingehalten, müssen diese für die Reizparameter zu wählenden Maximalwerte für alle möglichen Kombinationen von Reizparametern unterhalb jener Werte liegen, die die Grenzladung ergeben, obgleich in der Praxis infolge der regellosen

Variationen der beiden Reizparameter nur ein kleiner Prozentsatz der elektrischen Reizsignale die Grenzladung übersteigen wurden.

ti Die vorliegende Erfindung schafft einen elektrischen Stimulator, der es gestattet den Maximalwert von Reizparametern wie beispielsweise die Impulsamplitude und die Impulsdauer einzustellen, die einer Variation oder Modulation nach einem vorgegebenen Algorithmus unterliegen und ein elektrisches Reizsignal ergeben würden, das die Grenzladung übersteigt. Der elektrische Stimulator verwendet eine in Echtzeit arbeitende Begrenzungseinrichtung, die aus dem zu erzeugenden elektrischen Reizsignal die entsprechende elektrische Ladung berechnet und selbsttätig einen oder mehrere der Reizparameter für dieses elektrische Reizsignal so begrenzt, daß die von einer bestehenden Norm vorgegebene Grenzladung nicht überschritten wird.

Die vorliegende Erfindung schafft folglich einen elektrischen Stimulator für biologisches Gewebe mit Begrenzung der Ausgangsgröße. Ein Speicherlement ist vorgesehen, das eine Vielzahl von Sätzen von Reizparametern aufnimmt, die ein elektrisches Reizsignal mit bestimmter Impulsamplitude und bestimmter Impulsdauer definieren. Weiterhin ist ein Rechenelement betrieblich mit dem

Speicherelement gekoppelt, das die elektrische Ladung berechnet, die das aus der Vielzahl von Sätzen von Reizparametern generierte elektrische Reizsignal erzeugen würde. Ein betrieblich mit dem Rechenelement gekoppeltes Begrenzungselement vergleicht die elektrische Ladung des elektrischen Reizsignals mit einem Vorgabewert und stellt mindestens einen der Vielzahl von Sätzen von Reizparametern so nach, daß die elektrische Ladung des elektrischen Reizsignals den Vorgabewert nicht übersteigt. Eine Erzeugungseinrichtung ist betrieblich mit dem Speicher-, dem Rechen- und dem Begrenzungselement gekoppelt, übernimmt nach dem Nachstellen mindestens einen der Sätze der Reizparameter und erzeugt eine Serie von digitalen Ausgangswörtern, die dem elektrischen Reizsignal entsprechen. Weiterhin weist die vorliegende Erfindung einen betrieblich mit der Erzeugungseinrichtung gekoppelten Wandler auf, der die Serie von digitalen Ausgangswörtern zu dem elektrischen Reizsignal umwandelt, das in das biologische Gewebe eingespeist werden soll. Der erfindungsgemäße elektrische Stimulator gibt also ein elektrisches Reiz-Ausgangssignal ab, dessen Ladung unter einem vorgegebenen Wert leigt oder ihm gleich ist, auch wenn das elektrische Reizsignal diesen vorgegebenen Wert überstiegen hätte, falls alle Reizparameter mit ihrem Maximalwert angesetzt worden wären.

\S Die vorgenannten Vorteile sowie der Aufbau und die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert werden:

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung eines

erfindungsgemäßen elektrischen Stimulators;

Fig. 2 ist eine Diagrammdarstellung eines beispielhaften elektrischen Reizsignals;

Fig. 3A zeigt einen Rechteckimpuls; Fig. 3B zeigt einen symmetrischen Biphasenimpuls; Fig. 3C zeigt einen Rechteck-Doppelimpuls; Fig. 3D zeigt einen bipolaren Impuls; Fig. 3E zeigt einen Spitzenimpuls;

Fig. 3F zeigt einen exponentiell ansteigenden Spitzenimpuls;

Fig. 3G zeigt einen invertierten Rechteckimpuls; Fig. 3H zeigt einen invertierten Spitzenimpuls;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm des Programms für den Rechner in Fig. 1;

Fig. 5 ist ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Programms für den Rechner der Fig. 1;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm eines Teils des Programms in Fig. 4; und

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des digitale Ausgangswörter erzeugenden Programms.

Ein erfindungsgemäßer elektrischer Stimulator 10 ist in der Fig. 1 gezeigt. Das Speicherelement 12 enthält eine Vielzahl von Sätzen von Reizparametern 14, die schaubildlich als Reizparameter-Satz 1 (16), Reizparameter-Satz 2 (18) usw. bis zum Reizparameter-Satz M (20) dargestellt sind. Jeder der Reizparameter-Sätze 14 enthält Informationen, die ein vom elektrischen Stimulator 10 zu erzeugendes elektrisches Reizsignal 22 definieren. Ein Beispiel für die Art der Reizparameter 14 ist schaubildlich am Beispiel des Parametersatzes 1 (16) als Impulsform 24, Impulsamplitude 26, Impulsdauer 28, Impulsfrequenz 30 und die Modulationsfaktoren 32 dargestellt. Das in der Fig. 1 gezeigte Speicherelement 12 besteht vorzugsweise aus einem digitalen Speicher wie einem Speicherbereich mit beliebigem (wahlfreien) Zugriff (random access memory) geeigneter Kapazität und Struktur, um die in den Sätzen von Reizparametern 14 enthaltenen Daten aufzunehmen.

Ein Rechner 34 führt die Rechen-, Begrenzungs- und Erzeugungsfunktionen des erfindungsgemäßen elektrischen Stimulators 10 aus. Der Rechner 34 ruft einen oder

mehrere der Sätze von Reizparametern 14 aus dem Speicherelement 12 ab, berechnet die elektrische Ladung, die von dem elektrischen Reizsignal erzeugt wird, das die abgerufenen Sätze von Reizparametern spezifizieren, vergleicht diese elektrische Ladung mit einem Vorgabewert, stellt mindestens einen der Parameter in den Sätzen von Reizparametern 14 so nach, daß die elektrische Ladung des elektrischen Reizsignals den Vorgabewert nicht übersteigt, und generiert eine Serie von digitalen Ausgangswörtern, die dem zu erzeugenden elektrischen Reizsignal entsprechen. Im allgemeinen kann der Rechner 34 die Form eines beliebigen Universal-Rechenelements haben; in einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Mikrocomputer des Typs 80C49 der Fa. Intel Corporation. Die Arbeitsweise des für den Betrieb des Rechners 34 verwendeten Programms ist unten ausführlich beschrieben. Der Wandler 38 übernimmt vom Rechner 34 eine Serie von digitalen Ausgangswörtern 36 und wandelt diese zu einer Folge zeitlich definierter Ausgangsstromwerte um, die das elektrische Reizsignal 22 darstellen. Vorzugsweise enthält der Wandler 38 eine hochgenaue und lineare Digital/Analog-Ausgangsschaltung, um die Genauigkeit der Berechnung der von den Reizparametern 14 spezifizierten erlaubten Ladungsgrenzen zu erhalten.

ORIGINAL INSPECTED

Die Impulsformen, die von den vom Rechner 34 erzeugten digitalen Ausgangswörtern 36 bestimmt werden, baut der Rechner 34 nach einer gem. der Fig. 2 im Rechenspeicher abgelegten Schablone auf. Wie ersichtlich, hat das Diagramm eine die Impulsamplitude 40 darstellende vertikale Achse und eine horizontale Zeitachse 42. Eine Kurve 44 wird unter Verwendung der Folge von Amplitudenwerten 46 erzeugt, die sich aus der gespeicherten Impulsformschablone entsprechend dem der Impulsform 24 und den auf die Impulsamplitude 26 skalierten Reizparametern ergeben. Jeder Schritt in der Kurve 44 entspricht einem Taktintervall für das zu erzeugende elektrische Reizsignal 22. Die Dauer des erzeugten elektrischen Reizsignals 22 wird von der Länge der einzelnen Taktintervalle 48 bzw. der Impulsdauer 28 bestimmt. Die von der Ausgangsstufe des Wandlers 38 während eine einzelnen Impulses gelieferte Ladung Q läßt sich berechnen zu

Q= 2Z v(i) χ Τ
i=1

wobei T das Taktinvervall 48 der Impulsform, N die Anzahl der erforderlichen Stromwerte (Länge der Schablone) und v(i) die AusgangsStromstärke im i-ten Taktin tervall 48 ist. Da der Wandler 38 eine lineare Ausgangs stufe bekannter Verstärkung enthält, d.h. einen bestimm ten Ausgangsstrom für jedes digitale Eingabewort lie-

fert, entspricht die Ist-Impulsladung Q des elektrischen Reizsignals 22, das der elektrische Stimulator IO liefert, sehr genau dem berechneten Wert.

Aus den klassischen Untersuchungen der Nerven- bzw. Muskelerregung ist bekannt, daß der Schwellwert der ReizStromstärke von der Impulsdauer abhängt; Dieser Zusammenhang ist als "Strom-Dauer-Kurve" bekannt. Eine solche Kurve wird von der Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI) zur Definition des Risikos einer Herzstimulation bei transkutaner elektrischer Nervenstimulation (TENS) verwendet. Für diese transkutane elektrische Nervenstimulation hat die AAMI eine Norm vorgeschlagen, nach der die Impulsausgangsladung QAAMI durch die Formel

QAAMI = 20 + 0,028 χ D [ Ai Coul J

gegeben ist, in der D die Dauer des Impulses zwischen seinen 50%-Punkten in Mikrosekunden ist. Diese AAMI-Norm ist der bevorzugte Vorgabewert zur Begrenzung der Ladung des elektrischen Reizsignals 22 der vorliegenden Erfindung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß diese AAMI-Norm nur einer von zahlreichen allgemeinen Richtwerten ist, die zum Erstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden können.

In der bevorzugten Ausführungsform berechnet der Rechner

- LäT -

. A.

im elektrischen Stimulator 10 die von den modulierten Reizparametern 14 erzeugte Ausgangsladung immer dann, wenn ein Modulationsalgorithmus eine Änderung der Impulsamplitude 26, der Impulsdauer 28 oder der Impulsform 24 verlangt . Die Notwendigkeit dieser fortwährenden Überprüfung der Reizparameter bedingt effiziente Rechenverfahren. Ist mit den Maximalwerten der Impulsamplitude 26 und der Impulsdauer 28 für eine gegebene Impulsform 24 eine höhere als die vorgegebene Ladung nicht erreichbar, ist keine weitere Prüfung auf die Grenzladung mehr erforderlich, bis die Maximalwerte der Impulsamplitude 26 und der Impulsdauer 28 oder die Impulsform 24 geändert werden. Ergeben für einen bestimmte Impulsformtyp 24 die Minimalwerte der Impulsamplitude 26 und der Impulsdauer 28 jedoch eine höhere als die erlaubte Grenzladung, ist eine fortwährende Berechnung und Begrenzung der gewählten Reizparameter 14 erforderlich, um zu gewährleisten, daß das erzeugte elektrische Reizsignal 22 den Richtwert für die Grenzladung nicht übersteigt.

Die oben angegebene Formel gilt für die Berechnung der Ladung Q. Das Taktintervall T kann im allgemeinen nur in ganzzahligen Vielfachen der Befehlszykluszeit C des Rechners 34 geändert werden. Weiterhin ist im allgemeinen ein Minimalwert B des Taktinvervalls möglich, wobei die allgemeine Beziehung für das Taktintervall T

• AB·

T = B + Cxj

lautet, in der j = O, 1, 2, ..., M ist und der Wert M von der Impulsform 24 und den Eigenschaften des Wandlers 38 abhängt. Weiterhin sind die Ausgangsstromstärke und die Dauer der elektrischen Reizimpulse 22 infolge der von der Betriebsstromquelle und der Ausgangsstufe des Wandlers 38 auferlegten Einschränkungen im allgemeinen bereichsbegrenzt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Wandlers 38 analysiert ein Wandler die vom Rechner 34 gelieferten digitalen Ausgangswörter 36 zu Analogwerten, die ein linearer Stromverstärker verstärkt. Für diese bevorzugte Ausführungsform läßt sich v(i) berechnen mit v(i) = k χ G χ X(i) χ h,

wobei G der Verstärkungsfaktor des linearen Stromverstärkers im Wandler 38, X(i) der in der Schablone gespeicherte Wert, H der Übertragungsfaktor des den linearen Stromverstärker ansteuernden Digital-Analog-Wandlers (d.h. Ausgangsspannung dividiert durch den Wert des digitalen Ausgangswortes 36) und k = 0, 1, 2,..., L sind, wobei es sich bei k um einen gespeicherten ganzzahligen Parameter handelt, der die Impulsspitzenamplitude bei Verwendung dieser Formel festlegt. Daher läßt sich Q ausdrücken zu

Q=Kx (B +Cx j)G XHx^ X(i) = K χ Y.

i=l

Übersteigt der berechnete Wert von Q die Grenze QAAMI, läßt

die größte erlaubte Impulsamplitude des elektrischen Reizsignals 22 sich berechnen mit
k = QAAMI/Y

In einer bevorzugten Ausführungsform können die im Rechner 34 gespeicherten Schablonen eine der in den Fig. 3A bis 3H gezeigten Formen annehmen. Der Rechteckimpuls 50 der Fig. 3A erfordert M = 127 und N = j, der symmetrische Biphasenimpuls 52 der Fig. 3B Werte M = 64 und N = 2, der Doppelimpuls 54 der Fig. 3C Werte M = 40 und N = 3, der bipolare Impuls 56 der Fig. 3D Werte M =28 und N = 3, der Spitzimpuls 58 der Fig. 3E Werte M = 21 und N = 4 und der ansteigende Exponentialimpuls der Fig. 5 Werte M = 16 und N = 4. In der Fig. 3G erfordert der invertierte Rechteckimpuls 62 Werte M = 127 und N=I und die invertierte Spitze 64 der Fig. 3H Werte M = 21 und N = 4. Weiterhin wurden an einer bevorzugten Ausführungsform einer Implementierung der vorliegenden Erfindung die folgenden konstruktiven Werte bestimmt:

B = 24,4 /us; C = 2,44 /US;

G = 43,48 mA/V; H = 0,02 V;

L = 127

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Wandler 34 einen linearen Stromverstärker, dessen Ausgang einen kürze-

- yC - AT-

ren elektrischen Reizimpuls 22 als 350 .us erfordert. Mit dieser Einschränkung der Impulsbreite und den angegebenen Einschränkungen der Werte M und N läßt sich ermitteln, daß in einer bevorzugten Ausführungsform nur die Rechteckimpulse 50 der Fig. 3A, der Biphasenimpuls 52 der Fig. 3B und der invert:ierte Rechteckimpuls 62 der Fig. 3G die AAMI-Norm verletzen können. Für den Rest der ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung sei daher vorausgesetzt, daß nur die Rechteckimpulse 50, 62 der Fig. 3A und 3G und der Biphasenimpuls 52 der Fig. 3B den Richtwert der Grenzladung übersteigen können.

Das Programm für den Rechner 34 der Fig. 1 ist durch das Flußdiagramm der Fig. 4 wiedergegeben. Im Block 110 wird ein Satz Reizparameter 14 aus dem Speicherelement 12 übernommen. Das Programm im Block 112 berechnet dann die Ladung des zu erzeugenden Reizsignals 22 aufgrund der angegebenen Impulsparameter und moduliert durch die vorgegebenen Modulationsparameter 32 des Reizparametersatzes 14 unter Verwendung der oben angegebenen Formel und Kriterien. Ist die Ladung des zu erzeugenden elektrischen Reizsignals 22 berechnet, wird im Block 114 dieser Rechenwert mit dem Vorgabewert verglichen, der in einer bevorzugten Ausführungsform der AAMI-Normwert ist. Im Block 116 wird dann mindestens einer der Reizparamter 14 so begrenzt, daß der Vorgabewert eingehalten wird (in einer bevorzugten Ausfüh-

rungsform der AAMI-Normwert). Im Block 11 erzeugt das Programm dann aus den eingeschränkten Reizparametern 14 eine Folge von digitalen Ausgangswörtern 36, aus denen das spezifizierte elektrische Reizsignal 22 erzeugt wird.

Das Flußdiagramm der Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Programms für den Rechner 34 der Fig. 1. Dieses Flußdiagramm entspricht dem der Fig. 4. Die Blöcke 112, 114, 116 sind durch die Blöcke 112A, 114A und 116A ersetzt, die ein anderes Verfahren zeigen, um die elektrische Ladung des elektrischen Reizsignals 22 zu berechnen, den Rechenwert mit einem Vorgabewert zu vergleichen und einen Reizparameter nachzustellen. Hierbei wird im Block 112A die in den Reizparametern 14 festgelegte Impulsdauer 28 genommen und die maximale Impulsamplitude basierend auf dem Vorgabewert und den Gleichungen zur Berechnung der elektrischen Ladung der angegebenen Impulsform 24 bestimmt. Im Block 114A vergleicht das Programm die berechnete maximale Impulslamplitude mit der spezifizierten Impulsamplitude 26. Bleibt die spezifizierte Impulsamplitude 26 unter dem berechneten Maximun, ist kein Nachstellen erforderlich. Ist jedcch die spezifizierte Impulsamplitude 26 höher als die berechnete Impulsamplitude, begrenzt das Programm im Block 116A die spezifizierte Impulsamplitude 26 auf den berechneten Wert, d.h. es setzt ihn anstelle des letzteren ein.

Die Rechen-, Vergleichs- und Begrenzungsvorgänge der Blöcke 112, 114, 116 sind ausführlicher in der Fig. 6 erläutert. Der Einsprung in das Flußdiagramm erfolgt im Block 120 entsprechend dem Einsprung in den Block 112 der Fig. 4. Im Block 122 wird die Impulsamplitude 26 bestimmt und dieser Wert als k bezeichnet. Im Entscheidungsblock 124 wird die Impulsform 24 geprüft, um zu entscheiden, ob es sich um den Biphasenimpuls 52 handelt, und dann im Entscheidungsblock 126 auf die Impulsform 50 oder 62 (Rechteckimpuls) geprüft. Falls nicht, ist eine Berechnung der Ladung und ein Begrenzen der Reizparameter nicht erforderlich; das Programm kehrt mit dem Block 128 zum Block 114 der Fig. 4 zurück. Handelt es sich um einen Biphasenimpuls 52 oder um einen Rechteckimpuls (50 bzw. 62), muß die Ladung mit den oben angegebenen Formeln berechnet werden. Für einen Biphasenimpuls 52 geht das Programm zum Block 130, wo S = j gesetzt wird; handelt es sich um einen Rechteckimpuls (50 bzw. 62), geht es zum Block 132, wo S = 2j gesetzt wird. Sodann erfolgt die Ladungsberechnung mit den oben angegebenen Formeln, die nach einer bevorzugten Auführungsform der Erfindung vereinfacht worden sind; im Block 134 wird A berechnet zu 193 - INT(167 χ S/256), wobei INT fordert, den ganzzahligen Anteil des aus dem Klammerausdruck berechneten Wertes zu benutzen. Nach der Berechnung der Ladung aus dem Reizparameter 14 zur Erzeugung eines elektrischen Reizsig-

- ir -. ΟΙΟ

nals 22 fragt das Programm im Block 136, ob k größer ist als A, wobei A der vorgewählte Normwert, d.h. in einer bevorzugten Ausführungsform der AAMI-Normwert ist. Ist der Wert der Impulsamplitude 26, d.h. k nicht größer als A, ist keine Begrenzung erforderlich und das Programm kehrt über den Block 28 zum aufrufenden Block zurück. Ist k größer als A, wird die Impulsamplitude 26 modifiziert, indem k = A gesetzt wird, wobei die A die nach dem vorbestimmten Normwert maximal erlaubte Impulsamplitude ist. Das Programm kehrt dann über den Block 28 zum aufrufenden Programmteil zurück.

Die Berechnung der Grenzladung ist oben ausführlich anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden, die bekannte Schablonen für die Wellenformen entsprechend den Fig. 3A bis 3H und die bekannten Eigenschaften des Wandlers 38 verwendet. Es ist einzusehen, daß in anderen Ausführungsformen und Anordnungen andere, gleichermaßen einfache Berechnungen durchgeführt werden können, um im wesentlichen die gleichen vorteilhaften Ergebnisse wie in der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß das Flußdiagramm der Fig. 5 und 6 betrieblich die maximale Ladung des elektrischen Reizsignals 22 durch Ändern der Impulsamplitude 26 begrenzt. Es ist einzusehen, daß der Durchschnittsfachmann auch die Ladung durch Ändern bzw. Begrenzen der Impulsdauer 26 und/oder der Impulsform

24 begrenzen kann.

Derjenige Abschnitt des Programms für den Rechner 34, in dem die Serie digitaler Ausgangswörter 36 erzeugt wird, d.h. der Block 118 der Fig. 4 und 5, ist ausführlicher im Flußdiagramm der Fig. 7 dargestellt; das Flußdiagramm der Fig. 7 kann anstelle des globalen Blocks 118 der Fig. 4 und 5 verwendet werden. Das Programm der Fig. 7 erzeugt im Block 220 einen Wertesatz, d.h. Impulsamplitudenwerte aufgrund der Impulsform 24 und der Schablonen der Fig. 3A bis 3H. Im Block 212 skaliert das Programm den entsprechend der angegebenen maximalen Impulsamplitude erzeugten Impulsamplitudensatz und legt im Block 214 diesen Satz im Speicher ab. Eine Zeigeradresse wird auf diejenige Speicherstelle gesetzt, wo der Satz (bzw. die Tabelle) der Impulsamplituden beginnt (Block 216). Das erste digitale Ausgangswort 36, d.h. einfach ein Spannungs- oder Stromamplitudenwert, wird an den Wandler 38 ausgegeben (Block 218). Ein Programm läuft nun ab aufgrund der angegebenen Impulsdauer 28 (Block 220). Wenn beispielsweise die Impulsform vier Stufen benutzt, d.h. M = 4, dann ist die durchgeführte Verzögerung etwa gleich der durch 4 geteilten Impulsdauer. Die Zeigeradresse wird erhöht und zeigt nun auf diejenige Speicherstelle, die den nächsten Satz Impulsamplitudenwerte enthält (Block 222). Falls der Zeiger nun über das Ende des Impulsamplitudensatzes hinausweist

(Block 224), wird ein digitales Ausgangswort 36 mit dem Wert null erzeugt (Block 226) und so der Impulserzeugungsvorgang beendet. Liegt der Zeigerinhalt aber noch innerhalb des Impulsamplitudensatzes, werden die Blöcke 218, 220, 220, 222, 224 wiederholt, um die nächste Stufe des gerade erzeugten Impulses auszugeben.

- Lee rseite -

Claims

Patentansprüche

Elektrischer Stimulator für biologisches Gewebe mit einer Begrenzung unterworfenen Ausgangssignalen, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung zur Aufnahme einer Vielzahl von Sätzen von Reizparametern, die ein elektrisches Reizsignal mit bestimmter Impulsamplitude und -dauer spezifizieren, durch eine betrieblich mit der Speichereinrichtung verbundene Recheneinrichtung, die die elektrische Ladung berechnet, die das aus der Vielzahl von Sätzen von Reizparametern generierte elektrische Reizsignal erzeugt, durch eine Begrenzungseinrichtung, die betrieblich mit der Recheneinrichtung gekoppelt ist und die elektrische Ladung des elektrischen Reizimpulses mit einem Vorgabewert vergleicht und mindestens einen der Vielzahl von Sätzen von Reizparametern so nachstellt, daß die elektrische Ladung des elektrischen Reizsignals den Vorgabewert nicht übersteigt, und durch eine betrieblich an die Speichereinrichtung, die Recheneinrichtung und die Begrenzungseinrichtung angeschlossene Erzeugungseinrichtung, die mindestens einen der von der Begrenzungseinrichtung nachgestellten Sätze von Reizparametern übernimmt und das elektrische Reizsignal erzeugt, wie es durch die und aus der Vielzahl der nachgestellten Reizparametersätze

gebildet ist, wobei das elektrische Reizsignal auf biologisches Gewebe übertragbar ist.
2. Stimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungseinrichtung eine betrieblich mit der Speichereinrichtung, der Recheneinrichtung und der Begrenzungseinrichtung verbundene Worteinrichtung aufweist, die mindestens einen der durch die Begrenzungseinrichtung nachgestellten Sätze von Reizparametern übernimmt und eine dem elektrischen Reizsignal entsprechen de Serie von digitalen Ausgangswörtern erzeugt, und daß eine Wandlereinrichtung betrieblich mit der Erzeugungseinrichtung gekoppelt ist und die Serie von digitalen Ausgangswörtern zu dem elektrischen Reizsignal umwandelt.
3. Stimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reizparameter die Impulsamplitude und die Impulsdauer enthalten, und daß die Begrenzungseinrichtung mindestens einen aus der Vielzahl von Sätzen von Reizparametern nachstellt, indem sie die Impulsamplitude verändert.
4. Stimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die elektrische Ladung berechnet, wenn in der Vielzahl von Sätzen von Reizparametern eine Wertänderung auftritt.

INSPECTED