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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrotherapievorrichtung,
umfassend mindestens eine aktive Elektrode und mindestens eine passive
Elektrode und einen Schaltkreis zum Erzeugen von zweiphasigen Impulsen
für eine
Aufbringung auf die mindestens eine aktive Elektrode, wobei jeder
zweiphasige Impuls eine im Wesentlichen rechteckige positive Halbwelle
gefolgt von einer im Wesentlichen negativen Halbwelle oder umgekehrt
aufweist, wobei der Schaltkreis einen mit der mindestens einen aktiven
Elektrode verbundenen Ausgang und einen mit der mindestens einen
passiven Elektrode verbundenen Ausgang aufweist.
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Eine
Elektrotherapievorrichtung dieser Art ist ausführlich in der internationalen
Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
WO 01/13990 A1 beschrieben.
Diese Veröffentlichung
beschreibt die Impulse, die bevorzugt als zweiphasige Impulse verwendet
werden, und zeigt sie mit einer rechteckigen positiven Halbwelle
unmittelbar gefolgt von einer rechteckigen negativen Halbwelle und
mit einem Intervall, das dann vorhanden ist, bis der zweiphasige Impuls
wiederholt wird.
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Dies
ist die bevorzugte Impulsform, die von den vorliegenden Anmeldern
für eine
Elektrotherapie, insbesondere eine Gegenimpuls-Elektrotherapie,
verwendet wird. Unglücklicherweise
wurde festgestellt, dass die Schaltkreise, die zum Erzeugen der zweiphasigen
Impulse verwendet werden, zur Folge haben, dass die schließende Flanke
der zweiten Halbwelle keine vertikale Flanke ist, sondern eher allmählich über einen
beträchtlichen
Zeitraum abfällt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen abgewandelten
Schaltkreis bereitzustellen, der dieses Phänomen vermeidet und der zur
Folge hat, dass die schließende
Flanke des zweiten Halbimpulses im Wesentlichen vertikal ist.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen
wird eine Elektrotherapievorrichtung der anfangs genannten Art bereitgestellt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein erster Schalter zwischen
dem Ausgang zu der mindestens einen aktiven Elektrode und dem Ausgang zu
der mindestens einen passiven Elektrode vorgesehen ist, und dass
der Schaltkreis geeignet ist, um den ersten Schalter am Ende der
gewünschten
Dauer der letzten Halbwelle, typischerweise der negativen Halbwelle
jedes zweiphasigen Impulses, kurz zu schließen, wobei die Elektrotherapievorrichtung
ferner einen Transformator umfasst, der eine erste Mittelverbindung
an der primären
Seite aufweist, die mit einer variablen DC-Spannungsquelle verbunden
ist, wobei zweite und dritte Verbindungen zu der primären Seite
des Transformators an jeder Seite der ersten Mittelverbindung vorhanden
sind, wobei die zweite Verbindung über einen zweiten Schalter
mit einem Masseanschluss verbindbar ist und die dritte Verbindung über einen
dritten Schalter mit einem Masseanschluss verbindbar ist, wobei
der Ausgang zu der mindestens einen aktiven Elektrode eine Verbindung zu
einem Ende einer sekundären
Wicklung des Transformators umfasst und der Ausgang zu der passiven
Elektrode eine Verbindung zu einem zweiten Ende der sekundären Wicklung
des Transformators umfasst, wobei der Mikroprozessor oder der Controller
und/oder der Logikschaltkreis geeignet sind/ist, um den zweiten
Schalter zuerst zu schließen
und ihn dann wieder zu öffnen
und den dritten Schalter zu schließen und ihn dann wieder zu öffnen, wobei
der erste Schalter im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Öffnen des
dritten Schalters geschaltet wird.
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Durch
Bereitstellung des ersten Schalters zwischen dem Ausgang zu der
mindestens einen aktiven Elektrode und dem Ausgang zu der mindestens einen
passiven Elektrode und durch kurzes Schließen dieses Schalters am Ende
der gewünschten Dauer
der letzten Halbwelle, die typischerweise die negative Halbwelle
eines jeden zweiphasigen Impulses ist, werden die Elektroden kurz
kurzgeschlossen und die schließende
Flanke des zweiten Halbimpulses erstreckt sich vertikal, wie gewünscht. Es
scheint, dass der Grund dafür,
warum die schließende
Flanke zuvor nicht so steil wie gewünscht war, das Phänomen einer
kapazitiven Entladung ist, die in dem Körper der behandelten Person
oder des behandelten Säugetiers
stattfindet.
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Der
Vollständigkeit
halber soll auch auf
US-A-5,063,929 ,
auf
US-A-5,111,816 ,
auf
US-A-6,516,227 ,
auf
EP-A-0 774 273 und
auf
EP-A-0 573 946 verwiesen
werden. In
US-A-5,063,929 wird eine
Elektrotherapievorrichtung beschrieben, die ebenfalls zweiphasige
Stimulationsimpulse erzeugt, wobei jedoch ein Intervall zwischen
der positiven Halbwelle und der negativen Halbwelle vorhanden ist.
Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung wird in dieser Druckschrift
kein Transformator verwendet, um die Eingangsspannung zu erhöhen oder
die negative Halbwelle zu erzeugen. Dementsprechend beschäftigt sich
diese Druckschrift nicht mit den mit einem Transformator verbundenen
Problemen, noch nennt sie irgendeinen Vorschlag, wie derartige Probleme
gelöst
werden könnten.
Bei der in
US-A-5,063,929 vorgeschlagenen
Vorrichtung wird die negative Halbwelle durch eine H-Brücke, die
vier Transistoren umfasst, erzeugt und ist somit im Prinzip von
der vorliegenden Erfindung sehr verschieden.
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US-A-5,111,816 betrifft
einen Defibrillator/Schrittmacher und verwendet ebenfalls eine H-Brücke. Es
ist ein Transformator vorgesehen, der aber vor der H-Brücke angeordnet
ist. Diese Anordnung arbeitet nach einem grundlegend verschiedenen
Prinzip und hat nichts mit der von der vorliegenden Lehre bereitgestellten
Schaltung zu tun.
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US-A-6,516,227 beschreibt
ein Rückenmarkstimulationssystem,
das mehrere Stimulationskanäle
vorsieht, aber keinen Transformator umfasst, um die elektrische
Stimulation an die behandelte Person zu koppeln. Stattdessen wird
eine Reihe von Kondensatoren verwendet. Wiederum ist das Prinzip, auf
dem die Vorrichtung basiert, völlig
verschieden von der vorliegend beanspruchten Vorrichtung.
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EP-A-0 774 273 betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Diagnostizierung, Erhöhung der Leistung
und zur Wiederherstellung beschädigter Nerven-
und Muskeltätigkeiten.
Die dort vorgeschlagene Vorrichtung umfasst ebenfalls keinen Transformator.
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Schließlich beschreibt
EP-A-0 573 946 einen elektrischen
Stimulator, d. h. eine Elektrotherapievorrichtung, und in einer
Ausführungsform
wird ein Transformator zur Kopplung mit dem Patienten und zur Erhöhung der
Ausgangsspannung verwendet. Jedoch wird der Transformator nur in
einer einpoligen Weise betrieben. Des Weiteren gibt es in der Druckschrift
keinen Vorschlag für
das von der vorliegenden Lehre behandelte Problem, geschweige denn
einen Vorschlag, wie dieses Problem gelöst werden kann.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen zu
finden und werden ausführlicher
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
typische gewünschte
Impulsform entsprechend
2B der oben
genannten Druckschrift
WO
01/13990 A1 zeigt,
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2 die
tatsächliche
Impulsform zeigt, die resultiert, wenn ein elektrisches Signal,
das vermeintlich die Impulsform von 1 hat, auf
den menschlichen Körper
angewendet wird,
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3 einen
Schaltkreis für
eine Elektrotherapievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
die die Impulsform von 2 so korrigiert, dass sie mehr
der gewünschten
Impulsform in 1 entspricht,
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4 die
tatsächliche
Impulsform zeigt, wie sie nach Verwendung des Schaltkreises gemäß 3 gemessen
wird,
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5 ein
typisches Elektrokardiogramm zeigt, und
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6 ein
typisches Elektrokardiogramm mit einer Reihe von zweiphasigen Impulsen
zeigt, die am Ende einer jeden T-Welle ausgelöst werden.
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Sich
zuerst 1 zuwendend sieht man dort die gewünschte zweiphasige
Impulsform zur Verwendung in der Elektrotherapie. Wie in 1 gezeigt, umfasst
die zweiphasige Impulsform eine erste positive Halbwelle 12,
gefolgt von einer zweiten negativen Halbwelle 14, woraufhin
das Signal am Ende der zweiten negativen Halbwelle 14 bis
zur nächsten
positiven Halbwelle 12 eine Amplitude von Null aufweist,
auf die wiederum eine negative Halbwelle 14' folgt, woraufhin die Signalform
zu der Grundlinie 16 mit einer Amplitude von Null zurückkehrt.
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Es
wird anhand des Diagramms von 1 gesehen,
dass die Amplitude der positiven Halbwellen dieselbe ist wie die
Amplitude der negativen Halbwellen, und dass die Impulsbreite die
Gesamtdauer der positiven Halbwelle 12 zuzüglich der
der negativen Halbwelle 14 umfasst. Das Intervall zwischen
der negativen Halbwelle 14 und der nächsten positiven Halbwelle 12' ist typischerweise
länger
als die Impulsbreite. In einer praktischen Ausführungsform kann die positive
Amplitude leicht bis zu +50 Volt betragen, die negative Amplitude
kann leicht –50
V betragen, die Impulsbreite wird zweckmäßigerweise mit 1 ms gewählt, und
das Intervall kann in der Länge von
1 ms bis 25 ms oder länger
variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die von
der Vorrichtung aufgebrachte Stimulation anfänglich fünf zweiphasige Impulse 12, 14 mit
einer Breite von 1 ms und mit einem Intervall von 5,666 ms zwischen
der negativen Halbwelle 14 eines Impulses und der positiven
Halbwelle 12' des
nächsten
Impulses, und diese anfängliche
Reihe von fünf
Impulsen wird durch eine weitere Reihe von Impulsen, die dieselbe
Impulsbreite, aber ein längeres
Intervall von angenommen 24 ms zwischen den einzelnen Impulsen aufweisen,
ergänzt.
Die Impulsreihe wird zweckmäßigerweise
ausgelöst,
um zu einem Zeitpunkt zu beginnen, der dem vorausberechneten Ende
der T-Welle entspricht,
oder zumindest zu einem Zeitpunkt innerhalb eines Fensters, das
sich von –5%
der R-R-Weglänge
des letzten abgeschlossenen Herzzyklus vor dem vorausberechneten
Zeitpunkt der T-Welle (mittels der Bazett-Formel vorausberechnet)
bis zu +45% des R-R-Weges des vorhergehenden Herzzyklus nach dem
vorausberechneten Ende der T-Welle erstreckt. Die Reihe von zweiphasigen
Impulsen wird bevorzugt derart zu einem Zeitpunkt angehalten, dass
die durch die Stimulation erzeugte Muskelkontraktion beendet ist,
bevor die nächste
R-Spitze erfasst wird. Anstatt der Verwendung des R-R-Wertes aus
dem vorhergehenden Herzzyklus ist es auch möglich, das Timing auf einen
durchschnittlichen R-R-Wert,
der über
die letzten paar Herzzyklen bestimmt wird, wobei alle Herzzyklen,
die übermäßig kurz
oder übermäßig lang
sind, aus der Durchschnittsberechnung weggelassen werden, oder auf einen
anderen repräsentativen
Wert zu basieren.
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Präzise Timing-Modelle
für derartige
zweiphasige Impulse finden sich zum Beispiel in der gleichzeitig
eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel Electrotherapy Apparatus
And Method Of Treating A Person Or A Mammal Using Such Electrotherapy
Apparatus (Anwaltsaktenzeichen C5148PWO), deren Inhalt in der vorliegenden
Anmeldung durch Bezugnahme eingeschlossen ist, und in der weiteren gleichzeitig
eingereichten Patentanmeldung mit demselben Titel (Anwaltsaktenzeichen
C5147PWO), deren Inhalt in der vorliegenden Anmeldung ebenfalls durch
Bezugnahme eingeschlossen ist.
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2 bildet
im oberen Teil eine Oszilloskopspur 18 ab, die zeigt, wie
sich das Potential an einer aktiven Elektrode, die auf die Oberfläche eines menschlichen
Körpers über einem
Muskel aufgebracht ist, der mit dem zweiphasigen Impuls stimuliert werden
soll, ändert.
Man sieht, dass die positive Halbwelle des auf die Elektrode aufgebrachten
Impulses der gewünschten
Signalform von 1 eng folgt, aber dass die negative
Halbwelle eine schließende
Flanke aufweist, die nur allmählich
abfällt
und eine beträchtliche
Zeit benötigt,
um den Grundlinienwert zu erreichen. Des Weiteren ist die Signalspur
für eine
Zeitdauer über
die Grundlinie gehoben.
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Die
untere Kurve 19 zeigt die Ströme, die während der Erzeugung der zweiphasigen
Impulse fließen.
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Sich
nun 3 zuwendend sieht man ein Schaltdiagramm, das
erklärt,
wie die Erfindung den gewünschten
rechteckigen zweiphasigen Impuls, wie in 1 gezeigt
(wobei die tatsächlichen
Ergebnisse in 4 gezeigt werden), erreicht,
und das einen Einblick gibt, wie diese rechteckigen Impulse erzeugt werden.
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Bezugszeichen 20 bezieht
sich auf einen Mikroprozessor oder Controller, der Signale von einem Sensor 22 empfängt, die
den Herzschlag eines Patienten darstellen. Der Sensor 22 kann
zum Beispiel ein Elektrokardiograph sein, der das typische in 5 gezeigte
Signal erzeugt. Bei einem derartigen Signal werden die R-Spitzen
im Wesentlichen als Eingangssignale für den Betrieb des Mikroprozessors 20 angesehen,
da sie die größten Signale
und am einfachsten zu erkennen sind. Die R-R-Weglänge ist
direkt proportional zu der Herzfrequenz des Patienten, so dass bei
einem Puls von 60 Schlägen
pro Minute der Abstand zwischen einem Paar von nachfolgenden R-R-Spitzen
1000 ms beträgt.
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In 5 wird
bei T die so genannte T-Welle gezeigt, deren Ende die Grenze zwischen
der systolischen Phase des Herzzyklus und der diastolischen Phase
markiert. Der Mikroprozessor 20 berechnet aus den letzten
zwei erfassten R-Spitzen den Abstand zwischen ihnen in ms und berechnet
auf Grundlage dieser Messung voraus, wann sich das Ende der T-Welle
im nächsten
Herzzyklus ereignet. Diese Vorausberechnung erfolgt mit der so genannten
Bazett-Formel, die ermöglicht,
dass das Ende der T-Welle aus der letzten gemessenen R-R-Weglänge vorausberechnet
wird.
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Sobald
das Ende der T-Welle vorausberechnet wurde, sendet der Mikroprozessor
an einen Logikschaltkreis 24 Signale, die die Bildung von
einzelnen rechteckigen zweiphasigen Impulsen 12, 14,
wie in 1 gezeigt, erlauben. Das Timing der zweiphasigen
Impulse wird von dem Mikroprozessor gesteuert, in anderen Worten
löst der
Mikroprozessor die zweiphasigen Impulse aus.
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Der
Schaltkreis von 3 arbeitet grundsätzlich wie
folgt:
Das Element 26 stellt eine DC-Stromquelle einschließlich eines
Verstärkers 27 dar,
die eine DC-Ausgangsspannung auf der Leitung 29 bereitstellt,
in diesem Beispiel in dem Bereich von 0 bis 5 V. Der Pegel der Ausgangsspannung
wird von dem Mikroprozessor über
die mit 28 bezeichnete Leitung gesteuert. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet
einen Transformator mit einer primären Wicklung 32 und
einer sekundären
Wicklung 34. Der Ausgang der DC-Quelle 26 wird
an einem Mittelanschluss 36 auf der primären Wicklung 32 des
Transformators gespeist. Die primäre Wicklung des Transformators weist
zwei weitere Anschlüsse 38 und 40 auf,
die über
eine Leitung 42 bzw. 44 und einen Schalter 46 bzw. 48 mit
einem Masseanschluss 50 verbunden sind. Kästchen 52 stellt
einen Sicherheitsschaltkreis dar, der prüft, dass die beiden Schalter 46 und 48 nicht
gleichzeitig geschlossen sind.
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Die
sekundäre
Wicklung 34 des Transformators 30 weist in dieser
Ausführungsform
zwei Anschlüsse 62 und 64 auf,
wobei der Ausgangsanschluss 62 über geeignete Anschlussdrähte 66 mit
einer aktiven Elektrode 68, die über einem zu stimulierenden
Muskel auf dem Körper
einer Person liegt, verbunden ist, während der Ausgangsanschluss 64 über einen
geeigneten Anschlussdraht 70 mit einer passiven Elektrode 72 verbunden
ist, die am Körper der
Person in der Nähe
der aktiven Elektrode angeordnet ist, so dass der Patient die auf
die aktive Elektrode aufgebrachten stimulierenden Impulse spürt. Das
Bezugszeichen 74 bezeichnet einen Schalter, der zwischen
dem Schaltkreisausgang 62 zu der aktiven Elektrode 68 und
dem Schaltkreisausgang 64 zu der passiven Elektrode 72 vorgesehen
ist.
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Sobald
der Mikroprozessor 20 das Auslösen eines zweiphasigen Impulses
befiehlt, sendet der Logikschaltkreis 22 einen ersten rechteckigen
Impuls P+ an den Schalter 46, der den Ausgangsanschluss 38 des
Transformators mit der Masse verbindet, wodurch eine verstärkte positive
Halbwelle an dem Ausgangsanschluss 62 der sekundären Wicklung 34 des Transformators
induziert wird, die über
die aktive Elektrode 68 auf die behandelte Person aufgebracht wird.
Sobald die nachlaufende Flanke des Impulses P+ aus dem Logikschaltkreis
in 3 ankommt, öffnet
sich der Schalter 46 wieder. Das heißt, die Breite des Impulses
P+ bestimmt die Dauer der positiven Halbwelle des zweiphasigen Impulses.
Unmittelbar danach sendet der Logikschaltkreis einen zweiten Impuls,
der in 3 als P– bezeichnet
wird, an den dritten Schalter 48, der den Anschluss 40 der
primären
Wicklung 32 des Transformators schließt und dieses mit der Masse
verbindet. Dies induziert die nachfolgende negative Halbwelle an
der sekundären Wicklung
des Transformators, die wiederum über den Anschluss 62 der
sekundären
Wicklung, den Anschlussdraht 66 und die aktive Elektrode 68 auf
den Patienten aufgebracht wird. Die nachlaufende Flanke des Impulses
P– öffnet den
Schalter 48 wieder, so dass die Spitzenbreite der negativen
Halbwelle von dem Impuls P– bestimmt
wird.
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Die
Erfindung stellt nun einen weiteren Impuls Pe bereit, der unmittelbar
nach dem Impuls P– ausgelöst wird
und der dazu dient, den ersten Schalter 74 zu schließen, der
zwischen dem Ausgang zu der aktiven Elektrode und dem Ausgang zu
der passiven Elektrode vorgesehen ist. Dieser Schalter wird für eine kurze
Zeit, die der Breite des Impulses Pe entspricht, geschlossen und
entlädt
aktiv die aktive Elektrode auf die passive Elektrode und somit zu
der Masse, da die passive Elektrode geerdet ist. Das Ergebnis ist
in 4 zu sehen, in der der auf den Patienten aufgebrachte
zweiphasige Impuls, der von der oberen Kurve 18' dargestellt
wird, dem gewünschten zweiphasigen
Impuls von 1 sehr entspricht. Die Breite
der negativen Halbwelle ist nun im Wesentlichen über ihre volle Höhe konstant.
Die untere Kurve in 4 zeigt den Strom, der fließt, wenn
die Schalter 46, 48 und 74 geschlossen
sind.
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Der
Transformator kann die maximale Eingangsspannung aus der DC-Quelle 26 von
typischerweise 5 V auf eine Ausgangsspannung von typischerweise
50 V durch eine geeignete Auswahl des Verhältnisses der Anzahl der Wicklungen
an der primären
Seite in Bezug auf die Anzahl der Wicklungen an der sekundären Seite
erhöhen.
Beträgt
die Eingangsspannung weniger als fünf Volt, dann ist die Ausgangsspannung
an der sekundären
Seite des Transformators entsprechend kleiner. Der Mikroprozessor
ist somit programmiert, die Amplitude der auf die aktive Elektrode
und auf die passive Elektrode aufgebrachten Signale zu ändern, zum
Beispiel durch Wirken auf die DC-Spannungsquelle 26 über die
Leitung 28, um die Amplitude der auf den Mittelanschluss 36 an
der primären
Seite des Transformators aufgebrachten DC-Spannung zu ändern. Des Weiteren
ist der Mikroprozessor geeignet, die Häufigkeit der an den Ausgang
des Transformators gelieferten Impulse zu ändern. Er tut dies, indem er
das Timing des Logikschaltkreises steuert, der die Impulse P+, P– und Pe überträgt, was
die Impulswiederholungsfrequenz und das Impulsintervall der elektrischen
Stimulationssignale bestimmt, die an dem Ausgang des Transformators
erscheinen und auf die aktive Elektrode aufgebracht werden.
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Es
ist festzuhalten, dass all die Schalter 46, 48 und 74 in 3 typischerweise
elektronische Schalter sind. Es ist ferner zu würdigen, dass der hier als ein
diskreter Schaltkreis gezeigte Logikschaltkreis 24 auch
in dem Mikroprozessor verkörpert
sein kann, so dass der Mikroprozessor selbst die Impulse P+, P– und Pe
mit dem richtigen Timing an die elektronischen Schalter 46, 68 bzw. 74 sendet.
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Wird
eine Vielzahl von aktiven Elektroden vorgesehen, dann können die
gewünschten
Signale an jede Elektrode über
eine Schalterbank gespeist werden, die an dem Ausgang der sekundären Seite 34 des
Transformators vorgesehen ist.