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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Stimulationssystem
zur Therapie mit gepulsten elektromagnetischen Feldern (PEMF)-Therapie,
das die Heilung von Skelettknochen und anderen Körpergeweben fördert und
insbesondere auf ein PEMF-System mit einem hocheffizienten Einfachspulenwandler,
zur Bereitstellung einer therapeutischen PEMF-Stimulation für eine Behandlungsfläche des
Körpers
eines Patienten.
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STAND DER
TECHNIK
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Gepulste
elektromagnetische Felder (PEMF) zur Behandlung von therapeutisch
schwierigen Problemen des Muskel-/Skelettsystems sind typischerweise
zeitlich veränderliche,
magnetische Felder geringer Energie. Die PEMF-Therapie würde bisher
zur Behandlung von nicht geschlossenen (offenen) Frakturen und verzögert heilenden
Knochenfrakturen eingesetzt. Nicht geschlossene Knochenfrakturen
werden typischerweise als Verletzungen definiert, die innerhalb
von neun Monaten oder mehr nach dem Trauma, das die Verletzung verursacht
hat, nicht zufriedenstellend, verheilt sind. Als verzögert heilende Knochenfrakturen
werden typischerweise Verletzungen angesehen, die innerhalb von
neun Monaten oder weniger nach dem Trauma, das die damit verbundene
Verletzung verursacht hat, nicht zufriedenstellend verheilt sind.
Die PEMF-Therapie wurde bisher außerdem zur Behandlung entsprechender
Arten von Weichteilverletzungen eingesetzt.
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Die
PEMF-Therapie wurde bisher erfolgreich zur Behandlung von Wirbelsäulenversteifung,
misslungenen Arthrodesen, Knochennekrose und chronischer, nicht
beeinflussbarer Tendinitis, Dekubitalgeschwüren und Bänderrissen, Sehnenverletzungen, Osteoporose
und Charcot-Fuß angewendet.
Bei der PEMF-Therapie wird üblicherweise
eine elektromagnetische Wandlerspule in der Nähe der Verletzung des Muskel-/Skelettsystems
(manchmal als „Behandlungsfläche" bezeichnet) so plaziert,
dass bei pulsierender Ansteuerung der elektromagnetischen Wandlerspule
ein eingespeistes Feld oder Kraftfeld erzeugt wird, das bis zum
darunterliegenden verletzten Knochen oder zu anderem Körpergewebe
hindurchdringt.
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Zur
Zeit übliche
PEMF-Wandler benötigen eine
beträchtliche
Energiemenge. Um einem derartigen Energieeinsatz Rechnung zu tragen,
wird bei den heutigen Produkten manchmal ein wieder aufladbarer
Batteriesatz verwendet, zum Beispiel entweder eine Nickel-Cadmium-Batterie oder eine
Nickel-Metallhydrid-Batterie. Wieder aufladbare Batteriesätze sind
teuer, schwer, und sie müssen
vom Patienten getragen werden. Viele existierende PEMF-Therapiesysteme
müssen
häufig
wieder aufgeladen werden, wodurch die Kosten erhöht und die Unannehmlichkeiten
beim Betreiben derartiger PEMF-Therapiesysteme
vergrößert werden.
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Das
Gewicht vieler PEMF-Stimulatoren für das Knochenwachstum ist im
allgemeinen sowohl zur Größe der Batterien
proportional, die für
die Energieversorgung der elektrischen Schaltung verwendet werden,
als auch zu den Wicklungen, die zur Erzeugung des Ausgangssignals
verwendet werden. Der Komfort für
den Patienten beim Gebrauch derartiger Vorrichtungen ist häufig dem
Gewicht umgekehrt proportional. Eine Reduzierung der Batteriegröße und des
Gewichts wird dazu beitragen, das Gewicht und die Kosten einer derartigen
Vorrichtung zu verringern und den Komfort für den Patienten zu erhöhen.
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US-A-5181
902, von American Med Electronics, offenbart ein PEMF-Doppelwandlersystem
zur Stimulation des Knochenwachstums, das eine Energierückgewinnungsschaltung
zur Einsparung von Batterieleistung enthält. Der Wandler ist mit Primär- und Sekundärwicklungen
ausgestattet, die Sekundärwicklungen
werden verwendet, um Energierückgewinnung
zu bewirken, dies führt
jedoch zu einer Zunahme der Größe und des
Gewichts des Gerätes.
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In
letzter Zeit wurden Einrichtungen auf der Basis von Ultraschall
verwendet, um die Heilung von Körpergewebe
zu beschleunigen. Die Ultraschalltherapie kann auch zur Behandlung
von nicht geschlossenen Frakturen und verzögert heilenden Frakturen eingesetzt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Zahlreiche
Aspekte der Erfindung sind auf ein PEMF-Therapiesystem gerichtet,
das eine Wandlerspule zur Erzeugung eines PEMF-Signals aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Das
PEMF-Therapiesystem enthält
eine Ansteuerschaltung für
die Rückgewinnung
von Rücklaufenergie
aus der Wandlerspule und für
das Abgeben einer Spannung, die gleich einer vorgegebenen Größe ist,
zum Beispiel dem Vierfachen der Batteriespannung, um eine Sequenzierung
des Stromes durch die Wandlerspule sowohl in einer ersten, positiven
Richtung als auch einer zweiten, negativen Richtung zu ermöglichen.
Das selbe Konzept kann auch auf in Reihe geschaltete Spulen angewendet werden.
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Die
Erfindung macht eine Sekundärspule
für die
Rückgewinnung
von Energie überflüssig und
verringert auf diese Weise das Gesamtgewicht und den Energiebedarf.
Die Rücklaufenergie
der Wandlerspule wird an eine kapazitive Energierückgewinnungsschaltung
abgegeben, die eine Energierückgewinnungsspannung
erzeugt. Diese Spannung steht zur Verfügung, um während der Erregungsphase im
Erregungs/Erholungszyklus des Wandlers Strom zu liefern. Weil eine
Rückgewinnungsspannung
zur Verfügung
steht, die etwa dem Vierfachen der verfügbaren Batteriespannung entspricht,
kann der Strom durch die Wandlerspule sequenziert werden, beinahe
auf die gleiche Art und Weise, wie dies bei einer Vollbrücken- oder
Halbbrückenschaltung
gemacht wird, damit er in beide Richtungen fließt. Aus diesem Grunde kann
bei einer gegebenen Magnetfeldstärke
(Feldstärke
des PEMF-Ausgangssignals) der Spitzenstrom auf die Hälfte reduziert
werden, was zu einem Faktor von vier bei der Verringerung der I2R-(Energie)Verluste führt. Die Ansteuerschaltung
verwendet anstelle einer separaten Zusatzspannungsversorgung ihren
eigenen Rücklaufimpuls
zur Bereitstellung der Rückgewinnungsspannung.
Die Energierückgewinnung
ohne Sekundärspule
ist außerdem effizienter,
weil keine Kopplungsverluste existieren, die bei Verwendung einer
Sekundärspule
entstehen (das heißt,
es existiert keine Streuinduktivität). Darüber hinaus hat eine nach den
Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung gestaltete Wandlerspule
die technischen Vorzüge,
dass sie einfacher und kostengünstiger
herzustellen ist.
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So
kommt die zur Erzeugung der gewünschten
PEMF verwendete Wandlerspule mit einer geringeren Anzahl von Wicklungen
aus. Folglich ist die Anzahl der elektrischen Verbindungen geringer.
Dies hat eine größere Zuverlässigkeit
des entstehenden PEMF-Gerätes
zur Folge, wobei dieses gleichzeitig eine größere Energieeffizienz aufweist.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Verwendung
einer einzigen Spule die Größe und das
Gewicht des Gerätes
ausreichend reduziert, so dass es praktisch möglich ist, dessen Ansteuerelektronik
in einem kleinen Gehäuse
in unmittelbarer Nähe
der Spule unterzubringen. Es sind keine Verbindungskabel oder Anschlüsse erforderlich,
um die Ansteuerelektronik mit der Primärspule oder Primärwicklung
zu verbinden.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass Verluste infolge Erwärmung der Spule auf ein Minimum
reduziert sind und der Drahtdurchmesser geringer sein kann. Dies trägt weiter
dazu bei, das Gewicht des resultierenden PEMF-Wandlers zu verringern
und es auf wirtschaftliche Weise zu fertigen. Das Endergebnis ist
aus diesem Grunde ein komfortableres, weniger teures PEMF-Therapiesystem.
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Weil
die Energieeffizienz des PEMF-Wandlers größer ist, ist es möglich, eine
kleinere und leichtere, nicht wieder aufladbare Batterie zu verwenden. Die
vorliegende Erfindung kann zum Beispiel mit einer handelsüblichen,
nicht wieder aufladbaren 9-Volt Lithiumbatterie oder Alkalimanganbatterie
betrieben werden.
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Ein
besonderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann mit hochfrequenten Ansteuersignalen
betrieben werden. Sämtliche
Signale, die von der PEMF-Wandlervorrichtung erzeugt werden, weisen
einen hohen Wirkungsgrad auf, die Signale mit höherer Frequenz sind jedoch
noch effizienter. Die vorliegende Erfindung kann bei Verwendung eines
Eingangssignals höherer
Frequenz sogar ein Signal noch größerer Energieeffizienz erzeugen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein umfassenderes
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun Bezug auf
die nachfolgende Beschreibung anhand der angefügten Zeichnungen genommen,
auf denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, und
auf denen folgendes dargestellt ist:
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Die 1 bis 3 stellen
anschaulich mehrere unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines PEMF-Therapiesystems
dar, das gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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4 ist
eine Ausleseeinheit, die benutzt werden kann, um den Betrieb der
vorliegenden Erfindung durch einen Anwender darzustellen und aufzuzeichnen;
Die 5A, 5B und 6 stellen
anschaulich einen beispielhaften Wandler und die zugehörige Steuerelektronik
und Ansteuerelektronik für die
Stimulation mittels PEMF-Therapie
dar, die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind;
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7 ist
ein beispielhaftes Wicklungsschema für die Schaltung der PEMF-Wandlerspule
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
ein schematisches Blockschaltbild der Steuerelektronik und der Ansteuerelektronik
für das
PEMF-Wandlersystem
der vorliegenden Erfindung;
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9 zeigt
ein Beispiel der Wellenform, die von der Wandlerspule der vorliegenden
Erfindung erzeugt wird;
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10 zeigt
ein schematisches Schaltbild der Drahtbrucherkennungsschaltung der
vorliegenden Erfindung;
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11 zeigt
eine graphische Darstellung des logischen Eingangs-Impulsbündelsignals
der vorliegenden Erfindung;
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12 stellt
eine Tabelle typischer Parameter für ein „niederfrequentes" Ausgangssignal dar;
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13 stellt
anschaulich ein PEMF-Therapiesystem dar, das nach den Lehren der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und das besonders für die Heilung
von frischen Knochenbrüchen
und Weichteilen geeignet ist;
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14 ist
ein schematisches Blockschaltbild der Steuerelektronik und der Ansteuerelektronik
für in
Reihe geschaltete Spulen; und
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15 stellt
anschaulich ein PEMF-Therapiesystem dar, das mit in Reihe geschalteten
Spulen aufgebaut ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind auf den Figuren anschaulich dargestellt,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche und korrespondierende
Teile der verschiedenen Zeichnungen beziehen. Diese ausführliche
Beschreibung der anschaulichen Ausführungsbeispiele des PEMF-Therapiesystems
ist wie folgt organisiert:
- 1. PEMF-Therapiesystem
und Wandler;
- 2. PEMF-Wandler, Konstruktion und Herstellung;
- 3. Steuer- und Ansteuerelektronik;
- 4. Betrieb mit hochfrequenten Ansteuersignalen;
- 5. Stimulation von Weichteilen; und
- 6. Spulen in Reihenschaltung
- 7. Schlussfolgerung.
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1. Therapeutisches
PEMF-Stimulationssystem und Wandler
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein PEMF-Therapiesystem mit einem PEMF-Wandler bereit,
das weniger Energie verbraucht, leichter ist und einfacher zu verwenden
ist als frühere PEMF-Systeme.
Ein PEMF-Therapiesystem nach den Lehren der vorliegenden Erfindung
kann zufriedenstellend verwendet werden, um Knochenverletzungen
zu behandeln, zum Beispiel nicht geschlossene Frakturen, verzögert heilende
Frakturen und frische Frakturen. Das PEMF-Therapiesystem kann auch
zufriedenstellend eingesetzt werden, um Schäden an anderen Arten von Körpergewebe
zu behandeln, zusätzlich
zu Knochengewebe. Gemäß der Verwendung
in dieser Beschreibung wird sowohl Knochengewebe als auch anderes
Körpergewebe
allgemein als „Gewebe" bezeichnet, obwohl
bei der Verwendung der Erfindung in der US-Anmeldung Nr. 08/742,512 „Knochen" und „Gewebe" gleichwertig sind.
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Wie
nachfolgend beschrieben, wird in allen Ausführungsbeispielen der Erfindung
ein Wandler 20 eingesetzt, der aus einer einzelnen Spule
besteht. Die Spule wird in einem „zweiphasigen" Verfahren betrieben,
wobei sie in zwei Richtungen von Strom durchflossen wird. Der Strom
fließt
in einer ersten Richtung, um die Spule zu erregen. Dann fließt der Strom
in die zweite Richtung, durch Umsetzung der gespeicherten Energie,
die von dem in die erste Richtung fließenden Strom aufgebracht wurde.
Mit der zweiphasigen Technik fließt Strom in einer positiven Richtung,
geht durch Null, fließt
in eine negative Richtung. Im Ergebnis nimmt die Höhe der positiven Spannung,
des resultierenden Stromes und folglich der Energieverlust substantiell
ab. Für
die selbe Schwingung des Stromes sind dank der Tatsache, dass dieser
von einem negativen Wert auf einen positiven Wert geht, die Energieverluste
um annähernd das
Vierfache verringert.
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Die 1 bis 3 stellen
exemplarische Ausführungsbeispiele
der Erfindung anschaulich dar, die dafür ausgelegt sind, Stimulation
mittels PEMF-Therapie für
die Schulter, die Hände,
die Hüfte oder
im Grunde genommen jede andere Knochenstruktur des Körpers bereitzustellen,
um Heilzwecke zu unterstützen,
zum Beispiel die Reparation von Fusionen. Das in der vorliegenden
Erfindung verwendete PEMF-Wandlersystem kann für die Schulter, die Handgelenke,
die Hüfte
oder andere Bereiche des Skelettsystems geformt und anatomisch den
Körperformen
angepasst werden.
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1 zeigt
insbesondere einen geschwungenen, dreieckigen Wandler 10,
der anatomisch den Körperformen
angepasst ist, um Stimulation mittels PEMF-Therapie für den Schulterbereich
bereitzustellen. Das heißt,
eine Seite ist gewölbt,
damit sie über die
Oberseite der Schulter passt, so dass entsprechende Winkelbereiche
vorn und hinten an der Schulter anliegen, wobei die anderen Seiten
nach unten gebogen sind, so dass sie am Oberarm anliegen. Der Wandler
für die
Schulter bildet eine integrale Einheit mit der Ansteuerelektronik
und der Steuerelektronik und kann von einem Körpertrageriemen an Ort und
Stelle gehalten werden.
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2 zeigt
die Anbringung eines Gerätes zur
Stimulation mittels PEMF-Therapie, das einen Wandler 12 für die Stimulation
mittels PEMF-Therapie gemäß der Lehren
der vorliegenden Erfindung enthält,
dessen Größe und Form
jedoch am besten zum Handgelenk oder anderen Teilen der Gliedmaßen passt.
Die Ansteuerschaltung und die Steuerelektronik des Wandlers bilden
einen integralen Bestandteil des Wandlers 12 für die Stimulation
mittels PEMF-Therapie.
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3 zeigt
noch ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung 18 zur Stimulation mittels PEMF-Therapie,
in Form eines Hüftgurtes,
der von einem Patienten um die Taille getragen werden kann, wobei
der PEMF-Wandler 20 oberhalb des Hüftbereichs angeordnet ist.
Die Ansteuerelektronik und die Steuerelektronik bilden wiederum
einen integralen Bestandteil der Vorrichtung 18 zur Stimulation
mittels PEMF-Therapie.
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4 zeigt
eine Ausleseeinheit 22, die benutzt werden kann, um den
Betrieb der vorliegenden Erfindung durch einen Patienten darzustellen
und aufzuzeichnen. Die vorliegende Erfindung kann aus diesem Grunde
einen Extensionsspeicher und eine eingebaute Druckerschnittstelle 24 enthalten,
um die Möglichkeit
bereitzustellen, die Nutzung durch den Patienten mit dem angestrebten
Heilungsverlauf zu korrelieren und die Ergebnisse als Papierausdruck über eine
Druckvorrichtung 26 auszugeben. Das System der vorliegenden
Erfindung kann zum Beispiel über
mehrere Monate Compliancedaten speichern, um wichtige Korrelationsdaten
zu entwickeln und derartige Daten mit Hilfe der Druckvorrichtung 26 auszudrucken.
Alternativ wäre
es auch möglich,
die Daten mit Hilfe einer geeigneten Eingabe-/Ausgabeschaltung auf
einen Computer hochzuladen.
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2. Entwurf und Herstellung
des PEMF-Wandlers
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Die 5A, 5B und 6 stellen
den Aufbau einer PEMF-Wandlerspule und der zugehörigen Elektronik anschaulich
dar, zum Beispiel die der Elektronik aus der PEMF-Vorrichtung 18 gemäß 3.
Wie dies auf 6 dargestellt ist, kann der PEMF-Wandler 20 ein
im wesentlichen flaches Querschnittsprofil aufweisen, das ein Ergebnis
seiner flach gewickelten Bauweise ist. Der PEMF-Wandler 20 ist
halbstarr, damit er eine gewünschte
Kontur und ein gewünschtes
Profil beibehält,
vom Patienten oder der medizinischen Fachkraft jedoch gebogen werden kann,
um ihn der anatomischen Körperform
entsprechend anzupassen oder zu verändern. Der PEMF-Wandler 20 weist
eine flach gewickelte PEMF-Wicklung (Spule) auf, die in eine Schale
aus plastifiziertem Elastomerwerkstoff (zum Beispiel Polyurethan),
mit einem ausgewählten
Starrheitsgrad, eingekapselt sein kann.
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Der
PEMF-Wandler 20 enthält
eine PEMF-Spule, welche die PEMF-Stimulationssignale und die Ansteuerelektronik
bereitstellt, die bei der Anpassung des Betriebs des PEMF-Wandlers 20 hilfreich
sind. Die Ansteuerelektronik 28 ist auf einer Leiterplatte
montiert und in ein Kunststoffgehäuse 30 eingeschlossen,
welches das Ende der PEMF-Spule 36 überdeckt. Die Leiterplatte,
welche die Ansteuerelektronik 28 trägt, ist mit der PEMF-Wicklung
der PEMF-Wandlerspule 36 verbunden, wobei die Wicklungsdrähte das
Bündel
der PEMF-Wandlerspule 36 in den Flächen 32 und 34 erregen.
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Das
Steuerelektronikmodul 28 ist in die PEMF-Vorrichtung 18 integriert
und schließt
einen PEMF-Signalprozessor
ein, um den pulsierenden Strom bereitzustellen, der in den PEMF-Wandler 20 in
vorgegebenen Intervallen eingespeist wird, wodurch das PEMF-Stimulationssignal
in Übereinstimmung
mit einem verordneten, vorprogrammierten PEMF-Regime aktiviert wird.
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Um
ein Programm zur Stimulation mittels PEMF-Therapie zu implementieren, bestimmt
eine medizinische Fachkraft ein Regime einer PEMF-Stimulation für den betroffenen
Körperteil.
Das verordnete PEMF-Therapieregime wird in ein PEMF-Programm übersetzt,
das entweder während
der Herstellung oder nachfolgend in einen PEMF-Speicher im Ansteuerelektronikmodul 28 einprogrammiert wird.
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Zur
Nutzung durch den Patienten kann der PEMF-Wandler 20 in
einem Beutel aus Velfoam® oder einer anderen weichen
Umhüllung
untergebracht werden, vorzugsweise unter Verwendung der Klettverschlüsse der
PEMF-Vorrichtung 18, zum Beispiel. Wie dies weiter oben
festgestellt wurde, ist die halbstarre PEMF-Wandlerhülle ausreichend
flexibel, um es dem Patienten oder der medizinischen Fachkraft zu
erlauben, diese an die anatomische Kontur anzupassen. Diese Anordnung
hängt von
einer weichen aber halbstarren Abstützung der PEMF-Vorrichtung 18 ab,
wobei der PEMF-Wandler 20, um den betroffenen Körperteil
herum, den Körperformen
angepasst ist. Sobald die PEMF-Vorrichtung 18 an Ort und Stelle
ist, startet der Patient das PEMF-Programm, indem er das Steuerelektronikmodul 28 einschaltet.
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in Übereinstimmung
mit dem abgespeicherten PEMF-Therapieprogramm steuert der PEMF-Prozessor
dementsprechend den Anregungsstrom, der dem PEMF-Wandler 20 zugeführt wird, wodurch
die PEMF-Stimulationssignale in Bezug auf Anregungszeit, Aberregungszeit
und Tastverhältnis oder
Impulsfrequenz gesteuert werden. Zusätzlich zur Steuerung der PEMF-Therapie
hält der PEMF-Prozessor
Behandlungsdaten vor, die auf Anforderung für den Patienten (über eine
kleine Anzeige) und für
eine medizinische Fachkraft (über
einen Eingabe-/Ausgabeport) für Überwachungs-
und Analysezwecke zur Verfügung
stehen.
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7 ist
eine Querschnittsansicht des PEMF-Wandlers 20, der mit
PEMF-Wicklungen 40 und 42 und 44 versehen
ist, die von optionalen strukturellen Windungen 46 und 48 umgeben
und in einer halbstarren Spulenkapsel 30 verkapselt sind.
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In
einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
enthält
der PEMF-Wandler 20 zwei parallele PEMF-Wicklungen mit
etwa jeweils 7 Windungen. Für
die PEMF-Wicklungen kann 18er Draht (gauge) verwendet werden. Die
Abmessungen des Wicklungsbündels
betragen etwa 1,9 cm (0,75 Zoll) mal 0,3 cm (0,12 Zoll), während die
Abmessungen der Kapsel etwa 3,81 (1,50 Zoll) mal 0,79 cm (0,31 Zoll) betragen.
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Das
Material für
die Wicklung ist handelsüblicher
Schaltdraht. Das Kunststoffgehäuse 30 kann aus
einem Polyurethan-Elastomer bestehen, das ebenfalls handelsüblich ist.
Andere Werkstoffe für das
Kunststoffgehäuse 30 können verwendet
werden, um unterschiedliche Grade der Steifigkeit des Kunststoffgehäuses 30 bereitzustellen,
wodurch unterschiedliche Steifigkeitsmerkmale des Verbandes bereitgestellt
werden.
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Die
PEMF-Wicklungen werden simultan auf einer Wickelmaschine um einen
flachen Wickeldorn einer für
den Wandler geeigneten Form gewickelt. Die PEMF-Wicklungen werden
durch parallele Seitenplatten in der flach gewickelten Position
gehalten, die auf 7 dargestellt ist. Sobald die
Wicklung fertiggestellt ist, werden die Drahtenden am Anfang und am
Ende jeder Wicklung abgeschnitten, um Leitungen für den Anschluss
der Ansteuerelektronik bereitzustellen, und die Wickelanordnung
aus Wicklungsbündel,
Dorn und Seitenplatten wird von der Wickelmaschine genommen. Der
Dorn weist Schlitze auf. Ein Klebstoff, vorzugsweise ein unter UV
aushärtbarer
Klebstoff wird durch die im Dorn befindlichen Schlitze auf die Spule
aufgebracht. Anschließend wird
die gesamte Wickeldornanordnung in eine UV-Lichtkammer verbracht,
um die Einheit auszuhärten.
Das Wicklungsbündel
befindet sich nun in einem flexiblen Verbund.
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Als
nächstes
wird die Leiterplatte (nicht dargestellt) mit der Ansteuerelektronik 28 gemäß der speziellen,
gewünschten
Konfiguration des PEMF-Wandlers 20 positioniert, und sie
kann durch eine Vielzahl von Mechanismen gesichert werden, zum Beispiel
mittels Klebeband, einer Klemme oder einem aus Kunststoff oder einem
anderen Werkstoff gefertigten muschelähnlichem Gehäuse. Die
Wicklungszuleitungen des Wandlers und die Drähte eines Kabels werden an
der Leiterplatte der Ansteuerelektronik befestigt, zum Beispiel
durch Löten.
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Das
Wicklungsbündel
für den
PEMF-Wandler 20 kann in eine Mulde eingelegt werden. Anschließend wird
das Polyurethan-Elastomer mit der korrekt plazierten Spule vergossen.
Dies erlaubt es, separat einen Raum im thermoplastischen Polyurethanelastomer
oder PVC-Material zu formen, so dass das Formstück darüber geschoben werden kann und
die Wicklung umkapselt. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Zweikomponenten-Polyurethan-Elastomer separat
gegossen oder aus einem für
Spritzguss geeigneten Material, zum Beispiel PVC oder Santoprene®,
(dies ist ein thermoplastisches Elastomer) hergestellt werden. Auf
diese Art und Weise wird im Gegensatz zum Gießen des PEMF-Wandlers 20 an
Ort und Stelle das Formstück
separat geformt und der PEMF-Wandler 20 in das Formstück eingepasst.
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Schließlich kann
nach dem Anordnen des PEMF-Wandlers 20 in der geformten
Spulenkapsel eine rückseitige
Verstärkung
am PEMF-Wandler 20 angeordnet werden, die ebenfalls aus
flexiblem Kunststoff besteht, zum Beispiel aus Kydex® oder aus
irgend einer anderen flexiblen Kunststofffolie, und der PEMF-Wandler 20 kann
anschließend
festgeklebt oder an Ort und Stelle festgeklemmt werden. Dann kann
der PEMF-Wandler 20 in eine Biegevorrichtung eingeführt werden,
um ihn in die gewünschte anatomische
Kontur zu biegen. Alternativ kann der PEMF-Wandler 20 mit
einer Velfoam®-
oder Neoprenumhüllung
bedeckt werden, 'um
ihn um ein Hand- oder Sprunggelenk zu wickeln, zum Beispiel wie
in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann
eine Metglas®-Konfiguration
für Kernspulen
verwendet werden, die den PEMF-Wandler 20 bilden. Die Metglas®-Konfiguration verwendet
einen Kernhalter, der aus einem im wesentlichen flachen Kunststoffgehäuse besteht,
das Ähnlichkeiten
mit einem Gehäuse
hat, in dem eine Videokassette verpackt werden kann, ist jedoch
etwas dünner.
Der als Metglas® bekannte
Werkstoff ist ein flexibler Ferritwerkstoff mit einer hohen Permeabilität und ist
in der Lage, magnetische Energie zu speichern. Dies macht es möglich, Metglas® als
Kernwerkstoff für
den PEMF-Wandler 20 zu verwenden, so wie er im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 eingesetzt
wurde. Es ist möglich,
den Metglas®-Werkstoff
als Kern für
den PEMF-Wandler 20 in anderen Wandlerformen auszubilden.
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Der
Metglas®-Werkstoff
kann in einem Kernhalter aus Polyethylen angeordnet werden, der
anschließend
durch Einschnappen verschlossen wird. Anschließend kann die montierte Struktur
in eine Wickelmaschine eingesetzt werden, die so arbeitet, wie eine
Drehbank mit einem Spannfutter an jedem Ende. Diese rotiert so,
dass die einzige Wicklungslage auf der Länge des Kernhalters gewickelt
wird. Der Kernhalter ist an diesem Punkt im wesentlichen rechteckig.
Der Kernhalter wird anschließend
aus der Wickelmaschine entnommen und unter Erwärmung gebogen, so dass er ein „U" oder eine Hufeisenform annimmt.
Dann wird der Kernhalter mit Velfoam® oder einem
anderen Werkstoff, zum Beispiel Neopren bedeckt, um eine Umhüllung über dem
Kernhalter zu formen. Anschließend
kann an jedem Ende eine Spannklemme aus Kunststoff angeordnet werden, welche
die Steuerelektronik und die Ansteuerelektronik enthält. Andere
Ausführungsbeispiele,
welche die Ziele der vorliegenden Erfindung erreichen, können ebenfalls
verwendet werden.
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3. Steuerelektronik
und Ansteuerelektronik
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8 ist
einschematisches Blockschaltbild der Steuerelektronik und der Ansteuerelektronik
der vorliegenden Erfindung, die physisch im Steuerelektronikmodul 28 beziehungsweise
in der Spulenkapsel 30 des PEMF-Wandlers 20 verkapselt
sind. Die Steuerelektronik 60 umfasst einen PEMF-Prozessor 62 mit
zugehörigen
integrierten Schaltkreisen: einen internen PEMF-Programmspeicher 66,
einen Datenspeicher und eine Echtzeituhrenschaltung 68.
Der PEMF-Prozessor 62 ist mit diesen Bauelementen über den
Adressbus 74 und den Datenbus 76 verbunden. Ein
PEMF-Programm kann in ein Mikrocontroller-EPROM oder einen anderen
Speicher geladen und als PEMF-Programmspeicher 66 installiert
werden. Alternativ kann das PEMF-Programm in den PEMF-Programmspeicher über einen
Eingabe-/Ausgabeport 78 eingelesen werden. Die bei der
Abarbeitung der programmierbaren Programmparameter gesammelten Daten – zum Beispiel
Startzeit, Stopzeit, Dauer und tägliche
Nutzung – sind
im Datenspeicher 68 gespeichert und können auf einem Drucker (oder über eine
Nachrichtenverbindung, über
den Eingabe-/Ausgabeport 78) ausgegeben werden.
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Der
PEMF-Prozessor 62 steuert den Wandlerspulen-Ansteuerverstärker 80.
Der Wandlerspulen-Ansteuerverstärker
steuert die Erregung und Aberregung des PEMF-Wandlers 20.
Die Schaltung zur Erkennung eines Drahtbruchs in den Wandlerspulen
(Drahtbrucherkennungsschaltung 82) nimmt die resultierenden
elektromagnetischen Felder auf und stellt ein entsprechendes Signal
für der PEMF-Prozessor 62 bereit.
Der PEMF-Prozessor 62 erhält Energie aus einer Energiequelle,
zum Beispiel einer 9-Volt Lithium- oder Alkalimanganbatterie 84, zum
Beispiel über
einen Schaltspannngsregler 86, (der auch die +5-Volt Versorgung
für die
anderen integrierten Schaltkreise bereitstellt).
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Der
PEMF-Prozessor 62 und die unterstützenden, integrierten logischen
CMOS-Schaltkreise arbeiten auf die herkömmliche Art und Weise und sind
handelsüblich.
Im exemplarischen Ausführungsbeispiel
kann als PEMF-Prozessor 62 ein
Prozessor 68HC11 von Motorola eingesetzt werden. Der Datenspeicher
und die integrierte Echtzeituhrenschaltung 68 sind ein
Bauelement von Dallas Semiconductor Corporation, und dieses wird
verwendet, um repräsentative
Daten zur Nutzung des PEMF-Systems durch den Patienten auf Basis
der intern gestützten Uhr
und des Kalenders zu speichern.
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Wie
dies weiter unten im Zusammenhang mit 11 erklärt wird,
gibt das PEMF-Programm ein Paar von Steuer signalen ab, von denen
jedes eine Folge von Impulsbündeln
enthält.
Die beiden Signale weisen gegeneinander einen Versatz (Offset) auf, derart,
dass ein Impuls des einen Signals auf H-Potential ist, während ein
Impuls des anderen Signals auf L-Potential ist. Diese alternierenden
Steuersignale steuern die Ansteuerelektronik so, dass diese Strom
zu den richtigen Zeitpunkten ein- und ausschaltet, um den erwünschten
zweiphasigen Wandlerbetrieb bereitzustellen.
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Ein
Merkmal der Steuersignale ist, dass zu Beginn eines der Impulsbündel der
erste Impuls kürzer
ist, als die anderen Impulse im selben Impulszug. So ist zum Beispiel,
wenn der erste Impulszug aus Impulsen mit einer EIN-Zeit von 65 μs und einer AUS-Zeit
von 195 μs
besteht, der erste Impuls des ersten Impulszuges 32,5 μs lang. Dieser
erste, kurze Impuls baut das Magnetfeld für das therapeutische PEMF-Stimulationssignal
in der Einfachspule auf. Durch Einschalten der Ansteuerschaltung
für die Dauer
eines Halbimpulses findet eine Erregung des magnetischen Feldes
statt, so dass das magnetische PEMF-Feld nicht mehr gleich Null
ist. Anschließend schaltet
der nächste
Impuls des anderen Impulszuges für
195 μs ein.
Dies stellt den Strom so ein, dass die Ansteuerungs-Rücklaufenergie
in eine negative Richtung geht. Dies veranlasst den Stromfluss aus einer
anfänglich
negativen Richtung. Der Strom steigt dann während der Impulsdauer, durch
Null gehend, rampenförmig
an und nimmt von einem negativen Wert durch Null hindurch auf einen
positiven Wert zu. Weil sich der Strom ändert, wird in der Induktivität, die vom
PEMF-Wandler gebildet wird, ein konstantes elektrisches Feld induziert.
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Die
Ansteuerelektronik 90 steuert die Aktivierung der PEMF-Wandlerspule 36 und
die Erzeugung der therapeutischen PEMF-Stimulationssignale. Auf 8 wird
die PEMF-Wandlerspule 36 durch die PEMF-Wicklung 92 repräsentiert.
Die Ansteuerelektronik 90 enthält einen FET-Schalter 96,
der die Verbindung zwischen der Drahtbrucherkennungsschaltung 82 und
der PEMF-Wicklung 92 herstellt, und den FET-Schalter 98,
der die Verbindung zwischen dem Kondensator 100 und der
PEMF-Wicklung 92 herstellt. Kondensator 100, Widerstand 102 und
die parallel geschaltete Zenerdiode 104 steuern den Betrieb des
FET-Schalters 98. Die FET-Schalter 96 und 98 steuern
das PEMF-Stimulationssignal, das von der PEMF-Wicklung 92 abgegeben
wird.
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Während der
Initialisierung wird der FET-Schalter 96 mit Hilfe des
Wandlerspulen-Ansteuerverstärkers 80 eingeschaltet,
damit die Batteriespannung an die PEMF-Wicklung 92 für eine Zeitdauer
von einer halben normalen Impulsdauer von typischerweise 65 Mikrosekunden
angelegt wird. Der Aktivierungsstrom aus der Batterie 84 fließt aus diesem
Grunde durch die PEMF-Wicklung 92 und erzeugt die Ausgangssignale
des PEMF-Wandlers 20. Wenn FET-Schalter 96 öffnet, schließt FET-Schalter 98,
so dass Kondensator 100 bis zu einer Spannung aufgeladen
wird, die gleich der vierfachen Batteriespannung ist. Dies veranlasst
den Wandler, sich während
der Ausschaltzeit des FET-Schalters 96 in Gegenrichtung
zu entladen. Auf diese Art und Weise findet, anders als bei bekannten
Systemen, Energierückgewinnung
ohne eine Sekundärspule
statt, und ist somit effizienter. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
es keine Kopplungsverluste gibt, wie bei einer Sekundärwicklung.
Weil die Rückgewinnungsspannung
gleich dem Vierfachen der verfügbaren
Batteriespannung ist, erlaubt die Ansteuerschaltung 90 eine
Sequenzierung des Stroms durch die PEMF-Wicklung 92, damit
dieser in beide Richtungen fließt.
Aus diesem Grunde kann für
eine gegebene Magnetfeldstärke
der Spitzenstrom auf die Hälfte reduziert
werden. Dies führt
zu einer Verringerung der I2R-Verluste um
den Faktor 4, wobei I der Augenblickswert des Spulenstroms und R
der Widerstand der Spulenwicklung sind. Dies sind die Arten von
Verlusten, die bei Verwendung einer Sekundärwicklung existieren würden. Mit
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die Spannung VX4 abgeleitet
werden, indem man die Rücklaufimpulse
von der PEMF-Wicklung 92 verwendet, ohne dass eine separate
Schaltung zur Spannungserhöhung
erforderlich ist. Durch Symmetrieren der Kapazitäten der Kondensatoren 100a und 100b ist
es möglich,
die Notwendigkeit einer separaten vierfachen Spannungsversorgung
zu eliminieren.
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Im
Beispiel nach 8 ist die kapazitive Energierückgewinnungsschaltung 100 aus
zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 100a und 100b zusammengesetzt.
Deren Kapazitätsverhältnis beträgt mindestens
1:3 und im Beispiel dieser Beschreibung 1:10 (in Mikrofarad). Es
können
zahlreiche andere Kondensatorschaltungen als kapazitive Energierückgewinnungsschaltung 100 eingesetzt
werden, mit dem gemeinsamen Merkmal, dass sie die gewünschte Energierückgewinnungsspannung,
hier VX4, bereitstellen. So könnte zum
Beispiel die kapazitive Energierückgewinnungsschaltung 100 aus
einem Kondensator und einer Spannungsreglerschaltung zusammengesetzt
sein.
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Die
Drahtbrucherkennungsschaltung 82 prüft die elektromagnetischen
Felder, die bei der Aktivierung des PEMF-Wandlers erzeugt werden
und stellt eine Rückkopplung
zum PEMF-Mikrocontroller 62 bereit, zum Beispiel, um den
Betrieb des PEMF-Stimulationsgerätes
zu überwachen.
Der PEMF-Mikrocontroller 62 veranlasst die Speicherung der
entsprechenden Überwachungsdaten
im Datenspeicher und in der Echtzeituhr 68 und löst im Falle einer
Fehlfunktion ein Alarmsignal aus.
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9 zeigt
ein Beispiel der Wellenform, die von der Wandlerspule der vorliegenden
Erfindung erzeugt wird. Dabei ist anzumerken, dass die Dauer der hohen
Spannung einem Drittel der Dauer der niedrigen Spannung und ihre
Höhe dem
Dreifachen der Höhe
der niedrigen Spannung entspricht. 9 zeigt das
von der PEMF-Wicklung 92 abgegebene PEMF-Stimulationssignal,
das aus einem. Impulsabschnitt I besteht, auf den ein Impulsabschnitt
II folgt. Impulsabschnitt I hat eine Dauer von etwa 65 Mikrosekunden.
Impulsabschnitt II hat eine Dauer von etwa 195 Mikrosekunden. Das
Spannungsniveau des Impulsabschnitts I ist etwa dreimal so hoch
wie das Spannungsniveau des Impulsabschnitts II. Die Flächen der
Abschnitte I und II sind aus diesem Grunde annähernd gleich. Wie dies nachfolgend
beschrieben wird, stellen die Impulsperiodendauer (260 Mikrosekunden)
und die Impulsfrequenz (3,84 kHz) des Ausgangssignals die Antwort
auf die gepulsten Steuersignale dar.
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10 gibt
ein Ausführungsbeispiel
des Systems nach 8 an, bei dem eine digitale
Drahtbrucherkennungsschaltung 82 verwendet wird, die in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Stimulation mittels PEMF-Therapie eine Feldausfallbedingung erkennt.
Die digitale Schaltung 110 besteht aus dem U1-RS-Flipflop 111,
welches das obere logische Signal (UPPER-Signal) 112 und
das untere logische Signal (LOWER-Signal 114) empfängt und
am Q-Ausgang 116 und am /Q-Ausgang 118 ausgibt.
Der /Q-Ausgang 118 führt
an das U2-Flipflop 120 und steuert den Betrieb des S1-Schalters 122.
Der Q-Ausgang 116 steuert den Betrieb des S2-Schalters 124.
Der Q-Ausgang 125 des U2-Flipflops 120 wird dem
U3-Flipflop 126 als Taktsignal zugeführt. Der Sl-Schalter 122 steuert,
ob Anschluss COIL_LOW der L1-Feldwicklung 128 auf VX 4 gelegt wird, wogegen
der S2-Schalter 124 für
den Anschluss COIL_LOW der Ll-Feldwicklung 128 einen Nebenschluss
nach Masse bildet. Die Leitung COIL_HI legt die Versorgungsspannung
V an die L1-Feldwicklung 128 an.
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Die
Leitung 132, zwischen S1-Schalter 122 und S2-Schalter 124,
ist mit dem R2-Widerstand 134 und der D1-Diode 142 verbunden,
der über
den Rl-Widerstand 138 die Versorgungsspannung V zugeführt wird.
Das U3-Flipflop 126 empfängt an seinem D-Eingang 143 das
Ausgangssignal vom R1-Widerstand 138. Der Q-Ausgang 144 des U3-Flipflops 126 führt an das
U4-NAND-Glied 146 und generiert ein Fühlerausgangssignal (SENSE).
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Im
Betrieb verfügt
die digitale Schaltung 110 über Elemente der Ansteuerschaltung,
dazu gehören das
Ul-Flipflop 111, der S1-Schalter 122, der S2-Schalter 124 und
die Ll-Feldwicklung 128. Die Spannung VX4 ist
gleich dem Vierfachen der Spannung V, beide werden gegen das Erdpotential
(Masse) gemessen. Die Signale UPPER und LOWER bestehen aus Impulsbündeln, die
durch eine Impulspause getrennt sind, wie dies auf 11 dargestellt ist.
Es ist wichtig, dass sich diese beiden Signale nicht überlappen,
wodurch die sichere Funktion des U1-RS-Flipflops 111 sichergestellt
wird.
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Die
Ausgänge
Q und/Q des Ul-RS-Flipflops 111 sind zueinander invers,
und auch hier ist es wichtig, dass sich diese beiden Signale nicht überlappen, wodurch
sichergestellt wird, dass S1-Schalter 122 und S2-Schalter 124 niemals
gleichzeitig leiten.
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Die
Bauelemente der digitalen Drahtbrucherkennungsschaltung 110 umfassen:
U2-Flipflop 120,
U3-Flipflop 126, U4-NAND-Glied 146, D1-Diode 142,
R1-Widerstand 138 und R2-Widerstand 134. Der Signalverlauf
an COIL_LOW sieht bei angeschlossener L1-Feldwicklung 128 so
aus, wie dies auf 11 dargestellt ist. Während des
Impulsbündels
wechselt COIL_LOW zwischen VX4 und Masse.
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Während der
Impulspause sind sowohl der S1-Schalter 122 als auch der
S2-Schalter 124 offen. Unter normalen Betriebsbedingungen
zieht die Ll-Feldwicklung 128 das Niveau des Signals COIL_LOW
auf die Versorgungsspannung V. Falls in der Spule ein Drahtbruch
auftritt, wird das Signal COIL_LOW über den R2-Widerstand 134 auf
Masse gezogen.
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R1-Widerstand 138,
R2-Widerstand 134 und D1-Diode 142 passen das
Signal COIL_LOW an die für
die Eingänge
des U3-Flipflops 126 und des U4-NAND-Glieds 146 geeigneten
Pegel an. Das Verhältnis
des R1-Widerstands 138 zum R2-Widerstand 134 wird
so gewählt,
dass ein logischer Pegel „0" an den Eingängen des
U3-Flipflops 126 und des U4-NAND-Glieds 146 bereitgestellt
wird, falls in der L1-Feldwicklung 128 ein Drahtbruch auftreten
sollte.
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Am
Ausgang des U1-Flipflops 120 liegt ein Einzelimpuls an,
der am Anfang eines Impulsbündels auftritt,
er beginnt, wenn der erste UPPER-Impuls eintrifft und er endet,
wenn der zweite UPPER-Impuls eintrifft. Die ansteigende Flanke am
Ausgang des U2-Flipflops 120 tritt vor der ersten Anstiegsflanke von
COIL_LOW auf, auf Grund der relativ geringen Verzögerungszeit,
die das U2-Flipflop 120 im Verhältnis zum S1-Schalter 122 und
zum S2-Schalter 124 aufweist. Der Abtastimpulsausgang von
U2 wird an U3 geführt,
das die Spannung während
der Impulspause abtastet. Wenn die Spannung während der Impulspause gleich
V ist, wird der Q-Ausgang 144 des U3-Flipflops 126 bis
zum nächsten
Abtastimpuls auf einen logischen Pegel „1" gesetzt, wodurch die Ausgabe des invertierten
COIL_LOW-Signals an den Prozessor als das Fühlerausgangssignal (SENSE) ermöglicht wird.
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Falls
die Spannung während
der Impulspause auf Massepotential liegt, auf Grund eines Drahtbruchs
in L1, wird der Ausgang von U3 auf einen logischen Pegel „0" gesetzt, wodurch
die Ausgabe des invertierten COIL_LOW-Signals an den Prozessor unterbunden
wird.
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Ein
Kurzschluss der Spulenanschlüsse
hat zur Folge, dass das Signal COIL_LOW auf V festgehalten wird.
Am Ausgang des U3-Flipflops 126 liegt dann ein logischer
Pegel „1", aus diesem Grunde wird
sich am Ausgang des U4-NAND-Glieds 146 ein logischer Pegel „0" einstellen, und
nicht das Impulsbündelsignal,
das vom PEMF-Mikrocontroller 62 normalerweise erwartet
wird. Dies ist für
den PEMF-Mikrocontroller 62 ein Hinweis auf eine Feldausfallbedingung.
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Das
Verbinden entweder des Anschlusses COIL_HI oder des Anschlusses
COIL_LOW mit Masse stellt im Grunde genommen einen gleichstrommäßigen Kurzschluss
der Stromversorgung der Einheit und einen Ausfall der Versorgung
dar.
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11 zeigt
eine graphische Darstellung des logischen Impulsbündelsignals
der vorliegenden Erfindung, auf der die zeitliche Beziehung zwischen den
logischen Signalen UPPER und LOWER mehr im Detail dargestellt ist.
In jedem logischen Impulsbündelsignal
gibt es eine Anzahl von Impulsen, die Dauer eines jeden UPPER-Impulses
beträgt
nur ein Drittel der Dauer des LOWER-IMPULSES. Andere Parameter können ebenfalls
verwendet werden.
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12 stellt
eine Tabelle von Parametern, Anforderungen, Einheiten und Symbolen
bereit, die mit den graphischen Darstellungen von 11 korrespondieren.
In der Tabelle von 12 beträgt die Periode des Impulsbündels 670 Millisekunden,
während der
eine erste Impulsbreite 33 Mikrosekunden beträgt. Daran
anschließend
beträgt
die Breite des UPPER-Impulses 65 Mikrosekunden. Die Breite
des LOWER-Impulses beträgt
195 Mikrosekunden. Die Impulsperiodendauer beträgt 260 Mikrosekunden. bei einer
Impulsfrequenz von 3,84 Kilohertz. In dem Beispiel nach 12,
das das Eingangssignal erzeugt, welches in 11 dargestellt
ist, existieren 99 Impulse pro Impulsbündel. Die vorliegende Erfindung
kann auch andere Taktparameter verwenden, um die gewünschten
PEMF-Signale zu erzeugen und die zugehörige Energierückgewinnung
zu bewirken.
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4. Betrieb
mit hochfrequenten Ansteuersignalen
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Wie
dies weiter oben festgestellt wurde, führt die Verwendung nur einer
einzigen Primärspule
zu einem erhöhten
Wirkungsgrad des Wandlers 20, verglichen mit Entwürfen, bei
denen mehr als eine Spule verwendet wird. Für das oben beschriebene PEMF-Ausgangssignal
stellt die kapazitive Energierückgewinnungsschaltung 100 eine
Energierückgewinnungsspannung
bereit, die viermal so groß ist, wie
die Quellenspannung, die von der Batterie 84 bereitgestellt
wird. Wie dies weiter oben beschrieben wurde, sind sowohl die Quellenspannung
(V) als auch die Energiespeicherspannung (VX4)
geringer als die Spannungen, die für frühere Entwürfe erforderlich sind. Somit
sind die Anforderungen an die kapazitive Energierückgewinnungsschaltung 100 ebenfalls
geringer.
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Ein
Merkmal des Wandlers 20 ist, dass sein Wirkungsgrad mit
der Frequenz des Ansteuersignals zunimmt. Somit können hochfrequente
Steuersignale verwendet werden, um die Energieanforderungen des
Wandlers 20 weiter zu verringern.
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Es
wird nun erneut auf 11 Bezug genommen, wo in Beispielen
die Hochfrequenz-Impulsbreiten für
die EIN/AUS-Zustände
der Steuersignale 4 Mikrosekunden und 12 Mikrosekunden
betragen, bei einer Impulsperiodendauer von 16 Mikrosekunden. Das
EIN/AUS-Verhältnis
der Impulse ist das selbe (3:11 und 1:3), wie auch die Dauer des
Impulsbündels
und des Intervalls zwischen den Impulsbündeln. Somit weist das Steuersignal
die selbe Impulsbündelperiodendauer
und aus diesem Grunde den selben Nettobetrag der PEMF-Stimulationsleistung
auf. Die 16 Mikrosekunden lange Impulsperiodendauer stellt eine
Frequenz des Ausgangssignals von 62,5 Kilohertz bereit, verglichen
mit der Frequenz von 3,48 Kilohertz der 260 Mikrosekunden langen
Impulsperiodendauer. Im allgemeinen wird eine Impulsperiodendauer
von 10 μs
für die
Zwecke dieser Erfindung als „Hochfrequenz" bezeichnet. Es wird
nun erneut auf 9 Bezug genommen, wo für den Hochfrequenzbetrieb
das Ausgangssignal eine Impulsperiodendauer und eine Impulsfrequenz
haben würde,
die mit der der Ansteuersignale übereinstimmt.
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Für die Hochfrequenz-Ansteuersignale
kann die selbe kapazitive Energierückgewinnungsschaltung 100 verwendet
werden. Weil das höherfrequente
Signal in bezug auf die von der Induktivität 92 verwendete Energie
jedoch effizienter ist, können
die Kapazitäten
der Kondensatoren 100a und 100b geringer sein.
In Fällen,
wo die Frequenz zum Beispiel um einen Faktor 15 höher ist,
kann die Kapazität
theoretisch um den Faktor 15 verringert werden. In der Praxis führen jedoch
andere Überlegungen
hinsichtlich der Schaltung dazu, dass die tatsächliche Verringerung der Kapazität etwas
geringer ausfällt.
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5. Stimulation
des Wachstums von Weichteilgewebe
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Wegen
seiner Energieeffizienz kann der Wandler 20 kleiner und
leichter ausgeführt
werden, als bei bekannten PEMF-Stimulatoren. Diese charakteristischen
Merkmale erhöhen
die Vielseitigkeit des Wandlers 10. Die verschiedenartigsten
Wandlergehäuse
können
sowohl für
die Stimulation des Wachstums von Gewebe als auch für die Stimulation
des Knochenwachstums konfiguriert werden. Geräte für die Stimulation des Knochenwachstums
können
sowohl für
frische Frakturen als auch für
verzögert
heilende und offene Frakturen konfiguriert werden. Kompakte und
leichte Geräte
können
in Gipsverbände
und Bandagen inkorporiert oder direkt auf anatomische Bereiche aufgebracht
werden, deren Behandlung mit einem großen und schweren Gerät schwierig
wäre.
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Zusätzlich zu
geringerer Größe der Batterie, kleineren
Spulenabmessungen und kleineren Kapazitäten ist die Beschaltung der
Spule weniger eingeschränkt.
Wie dies oben erklärt
wurde, bewirkt der erhöhte
Wirkungsgrad des Wandlers 20, dass ein gewünschtes
elektromagnetisches Feld mit einem kleineren Strom erzeugt werden
kann. Die geringere Strombelastung der Wandlerspule erlaubt es,
die Beschaltung der Spule früherer
Ausführungsbeispiele durch
eine Verdrahtung zu ersetzen, die auf ein flexibles Substrat aufgebracht
ist. Die Spule kann zum Beispiel mit Hilfe von Techniken hergestellt
werden, die denen ähneln,
wie sie für
gedruckte Leiterplatten verwendet werden.
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13 ist
eine schematische Darstellung eines PEMF-Therapiesystems mit „flexibler
Spule", nach einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. PEMF-Wandler 20 enthält eine
Wandlerspule 36 und die zugehörige Ansteuerelektronik 28, wie
in vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
enthält
die Wandlerspule 36 Draht, der direkt auf ein flexibles
Substrat 180 gedruckt wurde. So könnte man zum Beispiel Herstellungstechniken
für gedruckte
Schaltungen einsetzen, wie sie allgemein nach dem Stand der Technik
bekannt sind, um den Draht, der die Wandlerspule 36 bildet,
auf ein MYLAR-Substrat zu drucken. Die Ansteuerschaltung 28 könnte auch
auf dem flexiblen Substrat 180 oder in einem Kunststoffgehäuse eingekapselt
sein, das auf das flexible Substrat 180 aufgeschnappt werden
kann.
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Zum
Beispiel könnte
eine flexible Spule 36 unterhalb oder innerhalb eines für einen
gebrochenen Knochen angelegten Gipsverbandes angeordnet sein. In ähnlicher
Art und Weise ist es möglich,
eine flexible Spule 36 beim Bandagieren einer Hautwunde zu
verwenden.
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Ein
Wandler 20 mit einer flexiblen Spule 36, der mit
einem Gipsverband oder einer Bandage verwendet wird, würde mit
einer speziellen EIN/AUS-Zuglasche 130 noch weiter verbessert.
Der Anwender müsste
einfach nur an der Lasche ziehen, um den Prozessor 62 zu
aktivieren und den Betrieb der Ansteuerschaltung 90 einzuleiten.
Die Verwendung der Zuglasche 130 würde es erlauben, die gesamte
Steuerelektronik 60 und die Ansteuerschaltung 90 in
den Gipsverband oder die Bandage einzubetten.
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6. Spulen
in Reihenschaltung
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14 stellt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der Ansteuerelektronik 90 anschaulich dar, wobei der Wandler 20 aus
zwei in Reihe geschalteten Drosselspulen 92 zusammengesetzt
ist. Die Spulen 92 werden erregt und anschließend aberregt,
auf die selbe zweiphasige Art und Weise, wie dies weiter oben für die Ausführungsbeispiele
mit Einzelspulen beschrieben wurde. Der Strom fließt in einer
Richtung durch beide Spulen 92 und kehrt seine Richtung anschließend um
und fließt
in der anderen Richtung durch beide Spulen. Somit führen die
beiden Spulen 92 den selben Strom bei einer gegebenen Phase
der Ansteuersignale, und die Notwendigkeit von „Sekundärspulen" wird mit Hilfe einer Energierückgewinnungsschaltung 100 eliminiert.
Die selben Konzepte könnten
auf eine beliebige Anzahl von in Reihe geschalteten Spulen angewandt
werden.
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15 stellt
anschaulich einen Anwendungsfall eines Wandlers 150 mit
in Reihe geschalteten Spulen 92 dar. Der Wandler 150 wird
bei der Behandlung von Rückenverletzungen
verwendet. Der Wandler 150 ist in einem Stoff oder einem
anderen weichen Material angeordnet, das um die Taille des Patienten
gewickelt werden kann. Eine der Spulen 92 wird an den Rücken des
Patienten gelegt und eine gegen den Unterleib des Patienten. So
kann zum Beispiel eine Spule 92 um den Lendenbereich und die
andere um den Nabel mittig ausgerichtet werden.
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Wandler 150 kann
in jedem beliebigen der oben beschriebenen Anwendungsfälle verwendet werden.
Er kann zum Beispiel in einem halbstarren Gehäuse eingeschlossen sein. Oder
er kann auf ein flexibles Substrat gedruckt sein, wie dies im Beispiel von 15 der
Fall ist.
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7. Schlussfolgerung
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf ein besonderes, exemplarisches Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen
für den
Fachmann sofort ersichtlich. So kann zum Beispiel die Steuer- und
Ansteuerelektronik von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
abweichen. In einem derartigen alternativen Ausführungsbeispiel kann die Steuer-
und Ansteuerelektronik zum Beispiel vom PEMF-Wand1er 20 abgesetzt
sein, mit einem elektrischen Kabel dazwischen. Aus diesem Grunde
schließt
die Erfindung sämtliche
Abänderungen
und Modifikationen ein, die in den Schutzbereich der angefügten Ansprüche fallen.