DE3937793A1 - Vorrichtung zur induktiven stimulation von erregbarem gewebe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur induk­ tiven Stimulation von erregbarem Gewebe, d. h. von einem induktiven Reizgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die elektrische Reizung von erregbarem Gewebe wird schon seit langer Zeit für diagnostische und thera­ peutische Zwecke ausgenutzt, wobei eine Vielzahl un­ terschiedlicher Geräteformen und Elektrodentechniken bekannt sind. Anstelle von vielen zu nennenden Ver­ öffentlichungen wird daher nur auf eine zusammenfas­ sende Veröffentlichung verwiesen, und zwar auf: Edel, M., "Fibel der Elektrodiagnostik und Elektro­ therapie", 5. Auflage, Verlag Müller & Steinicke, München (1983), beispielsweise ab Seite 119ff.

Bei dieser elektrischen Reizung werden mit einem endogenen Strömungsfeld die Membranspannungen am Reizort so abgesenkt, daß sich die Natriumkanäle öffnen und die Erregung einleiten. Probleme bei die­ ser Elektrostimulation können sich aber dann ergeben, wenn das zu reizende Gewebe zu tief liegt oder durch Fett-, Knochengewebe oder Haut elektrisch isoliert wird, etwa bei der diagnostischen Stimulation des Gehirns.

Es ist daher auch schon bekannt, die Elektrostimula­ tion durch eine sogenannte induktive Stimulation zu ergänzen, bei welcher das Induktionsgesetz ausgenutzt und anstelle von Elektroden eine Spule verwendet wird, die impulsartig von einem gesteuerten Strom durchflos­ sen wird. Im Leistungsteil arbeiten solche bekannten induktiven Stimulatoren (Claus, D., "Die transkranielle motorische Stimulation", Gustav Fischer Verlag, Stutt­ gart, New York 1989; Dressler, D. et al. "Transkranielle Hirnstimulation", Nervenarzt 59 (1988), 504 bis 513) wie die bekannten Defibrillatoren. Es ist ein Konden­ sator vorgesehen, der von einer geeigneten Spannungs­ versorgung mit gegebener, nicht veränderbarer Polari­ tät auf eine möglichst hohe Spannung aufgeladen wird.

Dabei befindet sich zwischen der Spannungsversorgung beispielsweise ein Netzgerät mit Gleichspannungsaus­ gang, und dem Kondensator noch ein Vorwiderstand; auf der anderen Seite liegt der Kondensator über ein ge­ steuertes Halbleiterschaltelement, üblicherweise einen Thyristor an einer Reizspule, auf die erst bei Durchschalten des Thyristors geschaltet wird, wodurch der Kondensator sich entsprechend impulsartig entlädt. Das von der Spule erzeugte, sich ändernde Magnetfeld be­ wirkt dann Wirbelströme im Gewebe, die entsprechend wie galvanisch durch die Elektrostimulation einge­ brachte Strömungsfelder wirken.

Vorteilhaft bei solchen induktiven Stimulatoren ist, daß nicht nur durch isolierendes Gewebe gereizt wer­ den kann, sondern auch beachtliche Tiefen erreicht werden können, wenn hierfür gerätetechnisch die ent­ sprechenden Voraussetzungen vorliegen.

Problematisch ist allerdings bei den bisher bekannten Möglichkeiten zur induktiven Stimulation, daß ledig­ lich Einzelpulse oder kurze Pulsfolgen geliefert wer­ den können - letzteres aufgrund des Schwingverhaltens bei der Ankopplung eines Kondensators an eine Spule -, weil zum Laden des Kondensators stets mehrere Sekunden benötigt werden. Gründe hierfür liegen in der Auslegung des Netzteils und in dem Umstand, daß der Kondensator bei den durch seine Anschaltung an die Spule bewirkten Stromstößen jeweils völlig entleert oder umgeladen wird. In diesem Zusammenhang würde auch eine mögliche Erhöhung der Ladeleistung durch das verwendete Gleich­ strom-Netzgerät keine durchgreifende Verbesserung er­ bringen, jedenfalls nicht in dem Sinn, daß es hier­ durch gelingt, beispielsweise mehrere Stromstöße pro Sekunde zu erzeugen. Warum dies wünschenswert ist, wird weiter unten noch erläutert.

Bei den bekannten induktiven Reizgeräten können neben dem Schaltthyristor, der die Reizspule mit dem Kon­ densator verbindet, antiparallel zum Schalttransistor noch eine Diode vorgesehen sein, wobei vor und hinter dem Schaltthyristor, üblicherweise gegen Masse ge­ schaltet, noch Dioden angeordnet sein können. So schützt eine Paralleldiode zum Kondensator diesen vor einem Polaritätswechsel, während die zum Thyri­ stor antiparallele Diode eine abklingende Schwingung bewirkt. Schließlich gelingt es mit der hinter den Thyristor und praktisch parallel zur Reizspule ge­ schalteten Diode, eine Verformung des abklingenden Stroms zu erzielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß bei einer induktiven Stimulation ein repe­ tierender Betrieb mit vorgebbarer Frequenz für ver­ schiedene Anwendungsfälle besonders vorteilhaft ist.

Somit ergibt sich für die Erfindung die Aufgabe, ein induktives Reizgerät so auszubilden, daß dieses repe­ tierende Impulse, also sich in schneller Abfolge wie­ derholende Impulse zu liefern imstande ist, die eine Reizung wenn gewünscht auch bis zur Verschmelzungs­ frequenz ermöglichen, bei der die Einzelzuckungen zu Dauerkontraktionen verschmelzen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß sich ein repetierender Betrieb mit einstellbarer Frequenz zwischen wenigen Hz und beispielsweise 50 Hz, wenn man auf die hier übliche Netzfrequenz abstellt oder auch mehr, falls gewünscht, möglich ist. Hierdurch gelingt es nicht nur, in beachtlichen Tiefen den Reiz­ mechanismus auch dann auszulösen, wenn sonst isolieren­ des Gewebe vorliegt, sondern auch Bewegungen bzw. Kräfte auszulösen bzw. zusätzlich zu verstärken, da es gelingt, die Reize mit der Verschmelzungsfrequenz des Muskels, die beispielsweise bei einem mittleren Wert von 50 Hz, also insofern zufällig im Bereich der Netzfrequenz liegt, aufeinanderfolgen.

Dabei ergeben sich aus den aufeinanderfolgenden Strom­ impulsen entgegengesetzter Richtung in der Reizspule jeweils die Richtung umkehrende stimulierende Magnet­ felder, so daß sich eine Art "biphasisches Reizmuster" ergibt.

Durch die verglichen mit den bekannten induktiven Stimu­ lationsmöglichkeiten nunmehr sehr hohen Wiederholungs­ frequenzen der Pulse ergibt sich eine Reizsummation, die entsprechend geringere Intensitäten im einzelnen Puls zuläßt bei dennoch stärkerer Muskelaktivität, weil sich, wie gesagt, aus den einzelnen Zuckungen Dauer­ kontraktionen ergeben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserun­ gen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die nunmehr vereinfachte Möglichkeit der Ausbildung der Spannungsversorgung als Wechselstromquelle, was die direkte Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Netzspannung und Netzfrequenz ermöglicht. In gleicher Weise läßt sich die Netzfrequenz darüber hinaus auch noch für die Steuerung der verschiedenen, die Aufladung und Entladung des Kondensators kontrollierenden Halb­ leiterschaltelemente einsetzen, wobei dem Schwingungs­ verlauf der Spannungsversorgung (Netzfrequenz) folgend die antiparallel geschalteten, der Ladung des Kondensators bzw. dessen Entladung auf die Spule dienenden Halbleiter­ schaltelemente, üblicherweise Thyristoren, ebenfalls dem zeitlichen Verlauf der Netzfrequenz folgend und aus dieser resultierend leitend gesteuert oder gelöscht werden. Sind höhere Frequenzen erwünscht oder sinnvoll, dann kann auf eine Versorgung vorzugsweise mit Dreiphasenstrom (aber auch der Netzfrequenz) zurückgegriffen werden, wobei zur Gleichrichtung Thyristorbrücken eingesetzt sind, so daß dem jeweils zu ladenden Kondensator dann sofort die nächste Halbwelle in der richtigen Polarität zur Verfügung steht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht ferner darin, daß zu der Grundeinheit weitere parallele Einheiten, jeweils bestehend aus Kondensator mit vorgeschalteter Lade­ thyristorkombination und nachgeschalteter Schaltthyristor­ kombination, geschaltet werden können, die jeweils gleich­ artig aufgebaut sind, so daß sich eine Art Kaskadenschaltung ergibt.

Dabei werden die Kondensatoren der zusätzlichen parallelen Einheiten nacheinander geladen und jeweils parallel auf die eine vorgesehene Reizspule geschaltet. Da jede Kaskade mit einer eigenen Schaltthyristorkombination ausgerüstet ist, brauchen sich deren Nennwerte mit der aus der Kaskaden­ schaltung resultierenden Ausgangsleistung nicht zu ver­ größern. Auch hier läßt sich die Ladefrequenz mit Thyristor­ brücken in geeigneter Weise erhöhen und somit der gesamte Aufladezyklus verkürzen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert und teilsweise in Form eines Block­ schaltbildes die Schaltung eines erfindungsgemäßen in­ duktiven Reizgerätes zur repetierenden Reizung und

Fig. 2 Spannungs- und Stromverläufe am durch Kondensa­ tor und Reizspule gebildeten Schwingkreis des induktiven Reizgeräts nach Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, daß man zur Erzielung eines repetierenden Betriebs die im Kondensator nach einem ersten Puls verbleibende Ladung weiter nutzen kann, indem man nach diesem ersten Puls den Kondensator mit einer Spannung umgekehrter Polarität wieder nachlädt, wodurch die Ladeleistung für weitere Pulse auf beispielsweise lediglich 30% verringert wird. Hierdurch ist es möglich, den Lade- und Stoßvorgang an die Netzfrequenz oder an Teile oder Vielfache der Netzfrequenz anzubinden, ohne den Ladestrom begrenzen zu müssen.

In Fig. 1 ist eine vereinfachte Grundform eines induk­ tiven Reizgeräts mit G bezeichnet; das Gerät umfaßt einen Kondensator C, der über eine gesteuerte Auflade­ kombination AK aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren Th1, Th2 von einer Spannungsversorgung SV aufgeladen und über eine Entladekombination EK, eben­ falls bestehend aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren Th3 und Th4 zur Erzeugung eines Stoßimpul­ ses in einer Reizspule L entladen wird. Dabei stellt der Widerstand R in Reihe mit der Spule lediglich deren unvermeidlichen Innenwiderstand dar.

Hierzu gehört noch eine Ablaufsteuerung AS geeigneter Ausbildung, die selbstverständlich auch ein Mikropro­ zessor, Kleinrechner o. dgl. sein kann und die Thyristo­ ren Th1 bis Th4 des Grundkomplexes - Kaskadenschaltungen sind möglich und werden weiter unten noch erläutert - in zeitlicher Abfolge so ansteuert, wie dies im fol­ genden anhand der Darstellung der Fig. 2 erläutert wird, wobei die Ablaufsteuerung AS beispielsweise von der Spannungsversorgung SV selbst gesteuert oder je­ denfalls sinnvollerweise mit dieser synchronisiert ist.

Zum besseren Verständnis der Grundfunktion vorliegen­ der Erfindung wird zunächst von der vereinfachten Annahme aus­ gegangen, daß die Spannungsversorgung SV lediglich aus einem Netztransformator geeigneter Dimensionierung be­ steht, was gegenüber den bisher erforderlichen Netzge­ räten einen wesentlichen Vorteil bietet, wenn man, ebenfalls zu­ nächst, darauf abstellt, daß die Frequenz der Reizim­ pulserzeugung an die Netzfreguenz angebunden werden kann.

In dem Diagramm der Fig. 2 ist der Verlauf der Netz­ spannung u_N dargestellt; der Spannungsver­ lauf u über dem Kondensator hat ebenfalls die Form einer verzerrten Wechselspannung, deren Verlauf im folgenden erläutert wird.

Zu einem angenommenen Zeitpunkt sei der Kondensator C von der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung über den dann leitend geschalteten Thyristor Th1 auf positive Spannung aufgeladen worden; wobei zum Zeit­ punkt 0 (Ursprung des Koordinatenkreuzes) der Lade­ thyristor Th1 löscht, so daß während des Abfalls der Versorgungs- oder Netzspannung der Kondensator von der Spannungsversorgung SV wieder getrennt ist und die volle Ladespannung beibehält.

Zum Zeitpunkt t1 schaltet, entsprechend angesteuert von der Ablaufsteuerung AS der Thyristor Th3 durch, so daß es zu dem mit i bezeichneten Ladestromimpuls durch die Reizspule L kommt, auf die der Kondensator C über den leitenden Thyristor Th3 direkt geschaltet ist. Bei diesem Stromimpuls schwingt die Spannung am Kondensator gleichzeitig um und erreicht, wie der Spannungsverlauf u zeigt, zum Zeitpunkt t2 (Beendigung des Stromimpulses i) den nunmehr negativen Wert u1, der je nach der vorhandenen Dämpfung beispielsweise bei etwa 70% der ursprünglichen Spannung, jedoch entsprechend umgekehrter Polarität liegt. Der Kondensator hält also diese Spannung bei umgekehrter Polarität und die Erfin­ dung nutzt dieses Kondensatorverhalten aus, indem nun­ mehr nach dem Nulldurchgang der Netzspannung und Über­ schwingen auf zunehmend negative Werte etwa zum Zeit­ punkt t3 der Ladethyristor Th2 gezündet wird, wodurch der Kondensator C jetzt auf das Maximum der negati­ ven Versorgungsspannung aufgeladen wird.

Etwa zum Zeitpunkt t4 erfolgt dann wieder die Trennung von der Spannungsversorgung SV durch Löschen des Lade­ thyristors Th2 für die negative Spannungshalbwelle der Versorgungsspannung und anschließend wiederholt sich der soeben schon geschilderte Zyklus lediglich mit Amplituden der umgekehrten Polarität; zum Zeitpunkt t5 zündet dann der Schalthyristor Th4; es entsteht ein weiterer Stromimpuls i der umgekehrten Polarität und das erneute Umschwingen der Spannung am Kondensa­ tor.

Dieses aufeinanderfolgende Laden und Entladen des Kon­ densators zunächst mit einer vorgegebenen Polarität der Versorgungsspannung und anschließend der umgekehrten Polarität der Versorgungsspannung läßt sich mit der Netzfrequenz beliebig wiederholen, wobei die Ablauf­ steuerung AS bei entsprechender Synchronisation auf den Spannungsverlauf der Versorgungsspannung die anti­ parallel geschalteten Lade- und Schaltthyristoren ent­ sprechend in der soeben geschilderten zeitlichen Ab­ folge ansteuern.

Da ein Fachmann in der Lage ist, eine entsprechende Ablaufsteuerung nach Kenntnis der erforderlichen Funk­ tion in beliebiger Weise, beispielsweise aus diskreten Schaltungselementen oder auch in Form von Mikropro­ zessoren oder Kleinrechnern aufzubauen, wird auf Form und Struktur der Ablaufsteuerung AS nicht mehr im einzelnen eingegangen, wie es sich überhaupt versteht, daß das dargestellte Ausführungsbeispiel nur eine mög­ liche Ausführungsform der Erfindung angibt, die darauf nicht beschränkt ist. Das dargestellte Ausführungsbei­ spiel ist insbesondere dazu bestimmt, die funktionel­ len Grundwirkungen der Erfindung zu veranschaulichen und spezielle Funktionsabläufe darzustellen. Es ver­ steht sich, daß die einzelnen Bausteine und Blöcke auch in analoger, digitaler oder hybrider Form aufge­ baut sein können oder auch, ganz oder teilweise zu­ sammengefaßt, entsprechende Bereiche von programmge­ steuerten digitalen Systemen bilden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung vorliegender Erfindung kann darin bestehen, daß zur Steigerung der Ausgangs­ leistung des Geräts dem Kondensator C mit Auflade- und Entladekombination der Thyristoren parallele Einheiten K zugeordnet werden können, die gleichwertig aufgebaut sind und von denen in Fig. 1 lediglich eine noch dar­ gestellt ist die dann ebenfalls von der gleichen Ab­ laufsteuerung AS über die gestrichelte Versorgungs­ leitung L mit den gewünschten Steuerimpulsen beauf­ schlagt werden kann.

Eine solche Kaskadenschaltung von Einheiten wird sinnvollerweise so betrieben, daß die jeweiligen Kon­ densatoren C, C1 ... jeder Einheit nacheinander ge­ laden, jedoch parallel auf die eine Reizspule L ge­ schaltet werden. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß in einer ersten, beispielsweise zu positiv ange­ nommenen Halbwelle der Kondensator C und in der darauf­ folgenden nächsten positiven Halbwelle der Kondensator C1 aufgeladen wird; erst dann erfolgt gleichzeitig die Entladung über die zugeordneten Schaltthyristoren entsprechender Polung, so daß sich eine entsprechende Erhöhung des an die Spule L abgegebenen Stromimpulses ergibt. Erkennbar sinkt bei der Verwendung mehrerer Kaskaden zwangsläufig hierdurch die Repetierfrequenz, so daß es dann, wenn man im Bereich der Dauerkontrak­ tionen (Verschmelzungsfrequenz) verbleiben möchte, sinn­ voll ist, die Frequenz der Speisespannung entsprechend zu erhöhen, beispielsweise durch an die Netzfrequenz angeschaltete Frequenzvervielfacher oder sonstige ge­ eignete, dem Fachmann bekannte Mittel.

Da ferner jede die Kaskadenschaltung bildende Einheit mit eigenen Ausgangs-Schaltthyristoren ausgerüstet ist, brauchen deren Nennwerte mit der steigenden Ausgangs­ schaltung in der Kaskadenform nicht vergrößert werden.

Bei Untersuchungen hat sich dabei herausgestellt, daß durch die durch die Kaskadenschaltung ermöglichte größere Kapazität zwar der Stromimpuls, jedoch nicht der Stromanstieg eine Steigerung erfährt. Die wirksame Reizung resultiert nach dem Intensitäts-Zeit-Produkt aus der größeren Pulsdauer bei entsprechend verringer­ ter Kreisfrequenz.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Repetierfre­ quenz besteht darin, wenn man anstelle des im einfach­ sten Fall als Spannungsversorgung vorgesehenen Netz­ transformators eine gesteuerte Wechsel- oder Drehstrom­ brücke vorsieht, die jeweils geeignete Spannungshalb­ wellen zur Verfügung stellt.

Der durch die Erfindung gewährleistete repetierende Betrieb bewirkt im Vergleich zu Einzelimpulsen deut­ lich größere Reizwirkungen.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ansprüche und insbesondere der Hauptanspruch Formulierungsver­ suche der Erfindung ohne umfassende Kenntnis des Stands der Technik und daher ohne einschränkende Präjudiz sind. Daher bleibt es vorbehalten, alle in der Be­ schreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung darge­ stellten Merkmale sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombination miteinander als erfindungs­ wesentlich anzusehen und in den Ansprüchen niederzu­ legen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur induktiven Stimulation von erregba­ rem Gewebe für diagnostische und therapeutische Zwecke (induktives Reizgerät), mit einem nach sei­ ner Aufladung über ein gesteuertes elektrisches Schaltelement (Thyristor) auf eine im Gewebe elek­ trische Feldstärken induzierende Spule geschalteten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß die nach einem ersten, aus der Kondensatorentladung resul­ tierende Puls im Kondensator (C, C1) verbleibende Ladung dadurch zur Bildung einer schnellen Repetitions­ frequenz weiter ausgenutzt wird, daß der nunmehr eine Spannung entgegengesetzter Polarität aufweisenden Kondensator (C, C1) über ein weiteres, zum ersten Schaltelement (Thyristor Th1) antiparalleles Schalt­ element (Thyristor Th2) auf den vollen Wert der Ver­ sorgungsspannung nunmehr entgegengesetzter Polarität aufgeladen und anschließend der nächste Reizimpuls durch Kondensatorentladung ausgelöst wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung des Kondensators zwischen diese und die an ihrem Ausgang Wechselstrom führende Span­ nungsversorgung (SV) eine Aufladekombination aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren (Th1, Th2) geschaltet ist und daß zur Entladung des Kon­ densators (C) auf die Reizspule (L) eine Entlade­ kombination (EK) aus zwei weiteren, antiparallel geschalteten Thyristoren (Th3, Th4) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Thyristoren (Th1, Th2; Th3, Th4) von Auflade- und Entladekombinationen (AK, EK) von einer Ablaufsteuerung (AS) in ihrem zeitlichen Schalt­ verhalten bestimmt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufsteuerung (AS) mit der Frequenz der Speise­ wechselspannung am Ausgang der Spannungsversorgung (SV) oder mit Teilen oder Vielfachen davon synchronisiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Ausgangs­ leistung der Grundeinheit aus Kondensator mit Auf­ lade- und Entladekombination weitere Einheiten (K) parallel zugeordnet sind, mit der Maßgabe, daß die Kondensatoren (C, C1) der sich hierdurch ergebenden Kaskadenschaltung zeitlich nacheinander jeweils mit gleicher Polarität aufgeladen und zum gleichen Zeit­ punkt parallel auf die Reizspule (L) geschaltet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilkaskade eigene Entlade-Schaltthyristo­ ren aufweist.