EP3157624A2 - Device and method for low-noise magnetic neurostimulation - Google Patents

Device and method for low-noise magnetic neurostimulation

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EP3157624A2
EP3157624A2 EP15760381.2A EP15760381A EP3157624A2 EP 3157624 A2 EP3157624 A2 EP 3157624A2 EP 15760381 A EP15760381 A EP 15760381A EP 3157624 A2 EP3157624 A2 EP 3157624A2
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EP
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coil
mechanically
electrical
pulse
rigid
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Withdrawn
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EP15760381.2A
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German (de)
French (fr)
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Stefan M. Goetz
David L. K. MURPHY
Angel V. Peterchev
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Individual
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
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    • A61N2/00—Magnetotherapy
    • A61N2/004—Magnetotherapy specially adapted for a specific therapy

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for the stimulation of nerve and muscle cells according to the principle of magnetic stimulation, the invention having the same stimulus strength a significantly reduced acoustic emission compared to the prior art.
  • the acoustic emission in the form of click noise which on the one hand causes an important safety risk on the other hand undesired uncontrollable sensory-auditory brain irritation, is increased by increasing the frequency of a substantial portion of the spectrum of the pulse, preferably to or beyond the human hearing range, decreased.
  • the present invention relates to a quieter coil technology that reduces the conversion of electrical energy into mechanical-acoustic vibrations, prevents their transmission to the surface by elastic decoupling and instead converts the mechanical-acoustic energy into heat via viscoelastic material deformation.
  • Transcranial magnetic stimulation is a method of noninvasive brain stimulation with short strong magnetic pulses that induce an electric field in the brain. This technology is widely used in neuroscience as a method for testing certain brain functions. It is also approved by the US Food and Drug Administration (FDA) for the clinical treatment of depression and is being investigated for a variety of other psychiatric and neurological disorders and syndromes. In addition, TMS has demonstrated that individual cognitive functions of healthy subjects can be temporarily increased.
  • FDA US Food and Drug Administration
  • a TMS device contains a pulse source or pulse generator and a stimulation coil placed on the head of a subject.
  • Typical TMS devices generate current pulses in the coil which are sinusoidal with a dominant fundamental frequency (here also the fundamental frequency) of about 1-5 kHz at current amplitudes up to 8 kA and magnetic field strengths at the coil surface of around 2.5T.
  • the high pulse amplitudes lead to electromagnetically induced mechanical forces in the pulse source, the coil and the cable, which connects the two, which in turn cause loud noises.
  • the noise of the coil dominates because of the strong magnetic fields in the coil.
  • the sound of the coil is most difficult to suppress because the coil is placed on the subject's head, from where the sound is transmitted through the air and the cranial bone.
  • the loud clicking sound may cause hearing damage in the TMS subject, the TMS operator, and other persons or animals near the system
  • TMS is either an approved (depression) or researched form of therapy.
  • tension-type headache is the most prevalent side effect of rTMS and occurs in about 23% -58% of subjects or patients and in 16% -55% of control groups [Loo CK, McFarcluhar TF, and Mitchell PB (2008).
  • a US FDA-approved rTMS depression treatment uses 10-Hz pulse trains. This is consistent with the repetition rate for strongest auditory cortex sensitivity (10-14 Hz) and is very close to the 13 Hz at which auditory-induced LTP has been detected in humans [Clapp WC, Hamm JP, Kirk IJ, and Teyler TJ (2012 ). Translating Long-Term Potentiation from Animals to Humans: ANovel Method for Noninvasive Assessment of Cortical Plasticity. Biological Psychiatry, 71 (6): 496-502.].
  • TMS equipment The loud clicking sound of TMS equipment is a challenge in the environment where TMS equipment is deployed and operated. Because the noise of TMS equipment can penetrate the building's adjacent rooms, researchers and physicians using TMS equipment are exposed to problems with residents, colleagues, and / or the building operator. Furthermore, in many countries, the noise emission / noise immission is regulated by law. Since many medical practices are not located in designated industrial areas, noise levels of 55 dB (A) outdoors and 35 dB (A) in adjacent units in the building may apply [TAL (1998), German Technical Instruction on Noise Protection According to the Federal Control of Pollution Act BImSchG / Technical instructions for protection against noise issued on the basis of the Federal Immission Control Act. GMBI no. 26/1998, p. 503.]. Without enhanced soundproofing in the building, the use of TMS for medical applications may be limited.
  • This approach attempts to reduce the acoustic emissions by removing all media in the vicinity of the coil winding that could carry the sound.
  • this approach has some shortcomings: (1) The airtight evacuated vessel around the coil typically increases the distance between the coil turn and the stimulation target, thereby degrading the electromagnetic coupling to the target as well as the electrical efficiency of the system. (2) Alternative sound paths still exist from the locations where the coil conductor is evacuated Vessel enters, starting from the coil cable and starting from the pulse source. (3) An evacuated vessel is large, inflexible, impractical, likely to break and expensive.
  • the present invention incorporates a concept of quiet TMS technology that significantly reduces the sound radiation from TMS.
  • Figure 2 shows the amplitude spectrum of the coil current of a conventional biphasic Magstim figure-8 pulse (201, black) and a biphasic pulse with 30 kHz (202, gray) at the stimulation threshold.
  • FIG. 3 shows two embodiments of acoustically more advantageous pulse current waveforms (301, 302), spga, spgb, in the sense of the invention.
  • Both pulses are normalized to their individual threshold for a human motor neuron.
  • the fundamental frequency or carrier frequency of the electromagnetic oscillation is considerably higher to push a significant portion of the energy above the audible range.
  • the oscillations are not abruptly switched on or off at certain times, for example at zero crossings of the current with a sinusoidal course and an otherwise approximately constant amplitude, but rather modulated by a pulse enveloping the pulse start (attack) and the end of the pulse (decay) Smooth the waveform.
  • the resulting waveforms are bandwidth limited and have no strong sidebands in the spectrum, as shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the amplitude spectrum of waveforms spga (404) and spgb (405) of FIG. 3 and compares them to simpler waveforms
  • "30 kHz x 2" (402) polyphase waveform with two periods at a fundamental frequency of 30 kHz;
  • “30 kHz x 3" (403) polyphase waveform with three periods at a fundamental frequency of All individual curves are normalized for comparability with respect to their individual stimulus threshold.
  • the strong sidebands of the biphasic and polyphasic pulses which extend far into the audible range, are suppressed for the spga and spgb waveforms, hence the spectral power of the electromagnetic oscillation at low lower frequencies, which in turn excite the
  • Figure 5 shows a cross section of a coil according to the first embodiment of the mechanical part of the invention.
  • the individual turns of the conductor (501) are electrically isolated and mechanically fixed to each other.
  • This fixed connection (503) is made with high rigidity (characterized by a high modulus of elasticity).
  • the connection between the outermost turn and the cable or a second coil ring, for example in a so-called figure-of-eight or butterfly coil can be used to form a mechanically stabilizing beam, as indicated in the figure.
  • All of the columns may also be filled with rigid materials, as indicated in the figure by reference numeral 502 (also called "stiff core”) .
  • the entire rigid block which is composed of the individual conductors, will depend on the housing and the environment a layer of viscoelastic material (504) (high 77 value, in addition a high ii value is advantageous) and an additional layer of a highly elastic material (505) (low ii modulus and shore hardness)
  • This layer sequence can be repeated.
  • the sequence may also begin and end with a viscoelastic layer, ie, as the innermost and outermost layers
  • a housing (506) preferably rigid and / or massive, terminates the coil outwardly and forms the interface with the environment (if desired).
  • Conductor (501) preferably of high density, preferably stiff, preferably not too thin (avoiding bending modes in the transverse direction), preferably no inhomogeneous mass or bulk density (similar thickness to avoid tuning fork effect); rigid core (502); preferably rigid compound (503): for example, epoxy-Kapton-epoxy composite, fiber composite, glass wool, aramid-epoxy composite (in the case of Kapton or polyimides with surface treatment as a primer), rigid epoxy or cyanoacrylate epoxide; highly viscoelastic layer (504): preferably high Young's modulus, preferably high viscosity, for stiffening and generating mechanical energy losses; highly elastic layer (505): for decoupling; Housing (506): preferably rigid and massive, optionally struts for stiffening and softer inserts for controlled generation of mechanical modes.
  • rigid core preferably rigid compound (503): for example, epoxy-Kapton-epoxy composite, fiber composite, glass wool, aramid-epoxy composite (in the
  • FIG. 6 shows a particular embodiment in which the conductors of the embodiment from FIG. 5 are formed by a copper-coated steel conductor (601) (so-called copper-clad steel).
  • the conductor is designed as a flat band conductor with a steel core covered on both sides by copper.
  • Other conductor shapes and cross sections can also be used.
  • Figure 7 shows a modification of the coil cross-section of Figure 5 in which the effect of the viscoelastic layer is enhanced by an additional rigid layer (708).
  • the viscoelastic layer (704) comes to lie between two rigid layers (702, 708).
  • This structure forces vibrations to always drive the viscous material properties of this layer, causing shear stress, bending and compression; otherwise, vibrations could only shift the entire viscoelastic layer, which is relatively stiff, without (lossy) shape change of the material or exciting modes with relatively little viscous energy loss.
  • An alternative to an additional rigid layer may also be rigid grains or bars in the viscoelastic layer which force deformation or flexing of the viscoelastic material.
  • Figure 8 shows a cross section of a coil according to the second embodiment of the mechanical part of the invention.
  • the individual turns (801) are individually treated as well as the larger block formed in the first embodiment (e.g., Figure 5) of some or all of the conductors or turns of the same conductor (801).
  • the individual turns are surrounded by associated viscoelastic layers (803) and associated elastic layers (802).
  • the viscoelastic layers and / or the elastic layers of individual for example adjacent, conductors or turns can touch one another and form a single coherent layer. Should there be sufficient space, as shown here, the remaining gaps and spaces in the coil can be filled with a viscoelastic material (804).
  • the gaps and spaces may be filled with the material of the closest layer.
  • the housing encloses the coil and forms the surface to the environment (possibly wrapped in insulating foam or other materials).
  • the conductors may have a round or oval cross section for a good surface to volume ratio.
  • the conductor may be a copper-coated conductor, for example with a steel core.
  • Figure 9 shows the surface of a coil, which is further reinforced in part with known measures, for example with beams, to increase the rigidity and / or mass in general or for certain (mechanical) modes.
  • Figure 10 shows a simplified equivalent circuit of the acoustic ratios of the second part of the invention and simplifies equivalences with electronic elements.
  • a pressure source (1001), ie a mechanical equivalent of an electrical voltage source, on the left represents the conversion of electromagnetic energy into the acoustic domain.
  • the high stiffness (E st and E s i) (1002) and the high mass (m s ) (1003) of the conductor, as preferred by the invention, increases the input impedance and minimizes the amount of energy that is converted.
  • Damping and decoupling units Each formed of a viscoelastic layer (with viscosities and ⁇ ⁇ and an elastic layer (with E moduli E e ⁇ and E e ) convert the energy into heat and decouple their left side from their right Page in the circuit diagram These units can be repeated
  • the housing with mass m c and moduli E c ⁇ and E ct forms the interface with the environment to which it emits sound through air and body conduction
  • the equivalent electrical elements are as far as possible An approximation, because almost all known materials have a strong frequency dependence of their parameters and significant nonlinearities Furthermore, a description in the form of a one-dimensional circuit can only approximate the complicated three-dimensional geometric relationships.
  • the elements are characterized by pressure source (1001), high rigidity (1002), high mass (1003), high viscosity / viscoelasticity (1004), high elasticity and low rigidity (1005).
  • the blocks are the source with high source impedance (1006), attenuation and / or decoupling (1007) and a package (1008).
  • FIG. 11 shows equivalences between electrical and mechanical / acoustic parameters.
  • Figure 12 illustrates the forces that cause the vibrations in a coil.
  • Representation 1201 illustrates the dominant direction of forces between the conductor turns (1204, 1205, 1206) in a coil compressing the material between two conductors or conductor turns (1204, 1205, 1206).
  • Illustration 1202 shows the conversion of bending vibrations in the conductor core under heavy load in the viscoelastic layer.
  • Representation 1203 shows longitudinal oscillations (hence contraction or translation of the materials), which is more important for TMS coils, depending on the specific material properties for high-frequency frequency components, predominantly above the audible limit.
  • FIG. 13 shows measured waveforms of a TMS pulse with a period of 300 ⁇ 8 (1301, 1303) and a shorter pulse with 45 ⁇ 8 (1302, 1304) duration. Both pulses were generated with a controllable-pulse-parameter TMS device (cTMS) and a round coil. The electric field generated by each pulse was measured with a single turn dl / dt probe. The peak neuronal depolarization induced by each pulse was replicated by passing the signal from the probe through a first order low pass filter with a time constant of 150 ⁇ 8. The intensity of each pulse was chosen so that each pulse depolarized (measured from peak to peak) of 1000 mV.
  • cTMS controllable-pulse-parameter TMS device
  • the acoustic signal 280 generated by the round coil was recorded with an AKG C214 microphone. Both the microphone and the coil were placed in an acoustically isolated space to reduce background noise and to isolate the coil sound from the noise generated by the device during the pulse. A second tuned AKG C214 microphone recorded noise in the room so that the acoustic isolation could be checked.
  • QTMS (1303, 1304) refers to recordings with a coil in the sense of the present invention "Magstim" (1301, 1302) on a commercial 90 mm round coil.
  • FIG. 14 shows sound recordings associated with the electrical pulses (waveforms) from FIG. 13.
  • FIG. 15 shows power density spectra associated with the electrical pulses (waveforms) of FIG. 13 and the corresponding sound recordings of FIG. 14.
  • FIG. 16 compares the sound levels (equivalent average sound pressure level after A weighting) associated with the electrical pulses from FIG. 13.
  • FIG. 17 shows a circuit topology that can generate ultrashort TMS pulses according to the invention.
  • the circuit represents a biphasic topology in which common thyristor as switch (1702) is replaced by an IGBT.
  • IGBT common thyristor as switch
  • the latter allows significantly higher current dynamics, which are needed for ultrashort pulses. Future thyristor generations could also possibly enable their use for ultra-short pulses.
  • An important disadvantage of this topology is the fixed pulse shape given by the circuit with predetermined pulse duration and thus also spectral characteristics.
  • Figure 18 shows how two or more semiconductor switches in accordance with one embodiment of the invention can be connected in series to increase the common withstand voltage (specified peak switchable circuit).
  • the additional passive circuit elements form a compensation circuit which ensures that the total voltage is divided into a plurality of stable, preferably equal parts.
  • the resistors (R a and Rb) divide the voltage va for static voltages, for example in the state of open switches;
  • the capacitors (C a and C b ) stabilize the voltage divider during transient processes, for example during switching or during a sinusoidal pulse progression.
  • Other known methods for voltage division of series connected switches such as antiparallel zener diodes and transient voltage suppressor elements, may also be used.
  • Figure 19 shows a cTMS technology with a half bridge of two electronic switches (1903, 1904). This technology allows control of the pulse duration and can accordingly change the frequency spectrum of a pulse in the coil L (1907).
  • Figure 20 shows a cTMS technology with two half-bridges of two electronic switches each (2003, 2004) and (2005, 2006) for enhanced flexibility.
  • Figure 21 shows a modular stimulator for generating high voltage pulses through the use of smaller voltage steps.
  • the figure shows the structure of the overall circuit with N modules, a coil L and a controller and lines for power supply.
  • the individual modules can be implemented as small H-bridge circuits (see FIG. 22).
  • the entire pulse voltage is divided into smaller units, each about 1 / Nth of the total pulse voltage.
  • the module structure keeps the circuit in balance so that none of the circuit components in the modules, both semiconductors and passive elements such as capacitors, are exposed to more than one pulse-voltage. This approach allows the use of cost-effective
  • Circuit elements with low voltage design can quickly switch between voltage levels and synthesize pulses very flexibly and freely.
  • FIG. 22 shows a module circuit for the N modules from FIG. 21
  • Figure 23 shows a staircase pulse which can be generated and modified from pulse to pulse by the high flexibility due to the dynamic switching between the circuit levels of the modules of the circuit of Figures 21 and 22.
  • Figure 24 shows a random walk pulse illustrating the high flexibility of the circuit of Figures 21 and 22.
  • the invention of quiet TMS (quiet TMS) consists of two parts, which can be combined but also used separately, separately.
  • the first part consists in shifting a considerable part of the spectrum of the TMS pulse sound to higher frequencies, so that the spectral component falling within the range of the highest sensitivity of the human ear between 500 Hz and 8 kHz, is minimal; particularly preferred is a shift of a substantial portion of the spectrum to frequencies above the human auditory limit of about 18 kHz - 20 kHz.
  • This approach is based on three reasons. First, the human perception of sounds above the auditory limit is negligible. Second, from a technical standpoint, mechanical vibrations are much easier to suppress than those in the conventional TMS spectrum.
  • Magnetic nerve stimulation the effect of waveform on efficiency, determination of neural membrane time constants and the measurement of stimulator output. Electroencephalography and clinical neurophysiology. Supplement 43: 227-237; Goetz SM, Truong CN, Gerhofer MG, Peterchev AV, Duke HG, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8 (3): e55771.].
  • the use of these pulses makes use of the fact that the neurons can be stimulated with pulses of different shape and duration when the amplitude is appropriately scaled. For example, pulses that consist of shorter electrical current phases are associated with higher acoustic frequencies.
  • a pulse phase is part of the electrical pulse; usually, a phase or pulse phase refers to a portion of the pulse during which the current does not change polarity and is limited by either the beginning of a pulse and / or the end of a pulse and / or a polarity change of the current.
  • the second part consists in designing the components (coil, coil cable and pulse source) so that, despite the very high electromagnetic energy of a pulse (a), only a small part of the electromagnetic energy is converted into mechanical / acoustic energy (b ) the portion of the mechanical / acoustic energy delivered to the environment is minimized and (c) the portion of the mechanical / acoustic energy that is not dissipated is rapidly converted into heat within the apparatus.
  • this invention proposes several measures, including targeted impedance mismatching, frequency-selective decoupling with phase-shifting materials, and frictional mechanical power delivery elements. According to the state of the art, these measures have hitherto not been deliberately used for improved TMS noise suppression.
  • the first part of the invention shifts a significant portion of the spectrum of acoustic emissions from the listening area, particularly to the ultrasonic range (> 18-20 kHz).
  • a central factor influencing the acoustic emission is the waveform of the current pulse, which stimulates both the stimulation Onesf Anlagen as well, due to the conversion of electromagnetic forces into acoustic shrinkage, the sound emission causes.
  • the first part is supported by the second part described below, in that all elements have to be executed in such a way that they convert only a small part of the energy content of the high-frequency vibrations back into the listening area, for example by mechanical effects (for example energy exchange between modes or non-linear effects). , and that they therefore keep the frequencies in the mechanical range in high ranges.
  • the very short electric pulse waveform does not directly determine the time course and the spectrum of the acoustic emission.
  • conventional pulses use largely sinusoidal current waveforms which have pronounced spectral components with sidebands around the sinusoidal frequency (see FIG. 2)
  • the associated sound recordings show a wide, almost flat distribution of the emission along the entire audible range (see FIG. 15).
  • the exact relationship between these two phenomena has not been well studied. Part of the big difference comes from non-linear mechanical effects, which depend on the physical properties of the materials used.
  • the spectrum of common TMS pulse waveforms (usually called biphasic pulses) is not monomodal but very broad because of their brevity and their sharp onset / fading.
  • TMS devices and related technologies which generally allow control over pulse shape and pulse duration, were not available until they were developed by the inventors [Peterchev AV, Jalinous R., and Lisanby SH (2008).
  • the goal of reducing the audible noise from TMS can be achieved by shortening the magnetic pulse, which in turn is generated directly by the current pulse, so that the fundamental frequency and dominant frequency are above 18-20 kHz (see Figure 2). Because of the well-known strength-duration curve of the neuronal response response, this has the consequence that the pulse amplitude must be increased in order to achieve an equally strong neurostimulation. This in turn implies that the peak voltage and / or the current in the TMS coil must be increased, as shown in FIG.
  • the magnitude spectrum in FIG. 2 compares the coil current of a conventional biphasic pulse (201, black) with the coil current of a balanced pulse with a fundamental frequency of 30 kHz (202). Both stimuli were computer-assisted to have approximately the same neurostimulation strength. Although the spectral peak power is similar for both pulses the spectral component in the hearing range for the 30 kHz pulse is significantly reduced in comparison to the conventional pulse, which has its peak in the spectrum in the range of maximum auditory sensitivity between 0.5 kHz and 2 kHz.
  • a particular embodiment of the invention has several refinements. Instead of a sinusoidal biphasic pulse with increased fundamental frequency - which basically corresponds to a sinusoidal oscillation, which is stopped after a period - the number of wave trains can be increased.
  • multiphasic or polyphasic pulses reduce the neural triggering threshold [Emrich D., Fischer A., Altenhöfer C, Weyh T., Helling F., Brielmeier M., and Matiasek K. (2012). Muscle force development after low-frequency magnetic burst stimulation in dogs.
  • a further preferred embodiment of the invention uses an amplitude-modulated waveform which softly fades in and fades out, for example, with a Gauss-shaped or Secans hyperbolic-shaped envelope, which are known, for example, from bandwidth-limited ultrashort laser pulses in optics (see FIGS. 3 and 4).
  • these pulses generally cause less non-linear effects since they have a less abrupt onset and also a lower peak amplitude of the magnetic field and thus forces with the same stimulation effect compared to the classical sinusoidal biphasic waveform.
  • Such nonlinear mechanical effects in the individual parts of the stimulation system, particularly in the coil are the major mechanism that transfers the inaudible portions of a TMS waveform spectrum into the auditory range.
  • Classic TMS pulse source technologies can not generate such bandwidth limited pulses due to limitations associated with the circuit topology and implementation.
  • FIG. 1 shows the required voltage level for sinusoidal, biphasic pulses as a function of the fundamental frequency for two coils (9 and 18 turns).
  • a prior art nonlinear neuron model estimates a necessary peak voltage of about 10 kV to achieve an equivalent amplitude range, such as the typical current commercial stimulator, such as the Magstim Rapid device.
  • the biphasic topology ( Figure 17), is the commonly used thyristor switch for shorter, higher voltage pulses.
  • the ultrashort current pulses of the invention are generated with an oscillator circuit including a pulse capacitor, an electrical switch and a stimulation coil, wherein the switch contains at least one IGBT and the product of coil inductance L and capacitance of the pulse capacitor C is less than 150 microhenrys microfarad ,
  • the pulse from FIG. 12 can be used with the so-called cTMS technology from FIG. 13 [Peterchev AV (2010). US 2012/0108883, EP2432547].
  • the cTMS topology in Figure 19 consists of a half-bridge with capacitors C a and C b , which have a center tap. This topology can actively switch from one pulse phase to the next by switching the coil L between the capacitors C a and Cb using the switches and Qi commutes.
  • the pulse duration and the dominant frequency and / or the fundamental frequency of the pulse by the control software which controls the switching instants of the switches Q x and Q 2 can be changed.
  • capacitors C a and C b should have similar voltage limits.
  • the cTMS concept is expanded in FIG.
  • the two half-bridge circuits (Q1-Q2 and Q3-Q4) allow the waveform to be piecewise generated with the
  • Atran- scranial magnetic stimulator inducing near-rectangular pulses with controllable pulse width (cTMS). IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55 (1): 257-266; Peterchev AV, Murphy DL, and 520 Lisanby SH (2011). Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters.
  • an output transformer can be used for all the mentioned topologies.
  • the coil inductance may be maintained in the typical range of about 8 ⁇ to 25 ⁇ in order to reduce the losses due to the otherwise (at lower inductance) higher current in the cable and an otherwise lower ratio of coil inductance and parasitic inductances in series with the coil.
  • FIG. 22 An alternative approach to overcoming the high voltages and currents needed for ultrashort TMS pulses is to implement the pulse source with a modular circuit topology as depicted in FIG. As shown in Figure 21, the total pulse voltage is equal to the accumulated output voltage of the many individual modules.
  • the individual modules can be implemented, for example, as an H-bridge (see FIG. 22).
  • This technology divides the entire high pulse voltage into smaller units [Goetz S.M., Pfaeffi M., Huber J., Singer M., Marquardt R., and Weyh T. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 4700-4703, doi: 10.1109 EMBC.2012.6347016.]. With these smaller units, the system can generate a waveform using smaller voltage levels as in the footage in
  • FIGS. 23, 24 For a system with N modules ( Figure 21), the total pulse voltage for each module is divided by N and dynamically balanced so that the system can use inexpensive low-voltage components for the switches and capacitors.
  • This topology can be considered as a high performance digital-to-analog converter, producing virtually any waveform.
  • this technology can produce acoustically advantageous pulses such as the bandwidth-limited polyphasic pulse with Gaussian, hyperbolic, or similar smooth temporal envelope as in FIG.
  • All deployable envelopes have in common that they have a maximum level from which the envelope drops monotonically to either side, with the absolute value of the derivative not exceeding a predefined limit. A reasonable value for this limit is the amplitude of the envelope divided by the period duration of the polyphasic pulse.
  • part 1 of the invention includes how the acoustic emission can be reduced by using appropriate pulse shapes
  • part 2 relates to the mechanical structure of the system. This includes the conversion of electromagnetic energy into the mechanical range, propagation (also as propagation or transmission), conversion into heat and emission as air Sound and structure-borne noise, that is, the clicking, usually associated with TMS pulses.
  • the mechanics must fulfill two conditions. First, the conversion and acoustic emission should be minimal. Second, should this be combined with part 1 of the invention, the sound spectrum of the click should be kept above the listening range. This includes minimizing nonlinear mechanical effects that produce new frequency components through waveform distortion. Furthermore, the frequency-dependent acoustic impedance is to be formed so that all acoustic vibrations in the listening area within the TMS device (including the coil) are held so that they can be converted there into heat.
  • the complete path of the acoustic waves and vibrations is divided into several sections which are treated by different means.
  • the acoustic path extends from the source (all parts that directly conduct the pulse current) to the surface of the device, where the sound is mechanically coupled as structure-borne sound to the subject or patient and / or released as airborne sound into the environment.
  • the most important parts of the device with regard to emissions are the coil and the coil cable due to the strict space and weight restrictions.
  • the pulse source can be easily damped with known, traditional soundproofing measures.
  • the coil structure of the invention systematically divides the acoustic path into three parts.
  • the acoustic source in a coil is the electrical conductor that vibrates due to the magnetic forces generated by the high pulse currents.
  • the central process here is a conversion of a part of the electric pulse energy into mechanical energy, whereby this conversion is to be minimized.
  • the invention reduces the total sound output by adjusting the mechanical impedances by means of impedance offset, phase-shifting elements (materials with high elasticity and mass density) and (phase-neutral) friction-impairing material properties (visco-elasticity).
  • the system can be considered as an energy converter coupling two domains: the electromagnetic and the acoustic / mechanical.
  • TMS devices can incorporate the conversion process into problem solving.
  • the sound sources in magnetic stimulation systems are the conductors that conduct the high stimulation pulse current. Because of the electromagnetic forces inside and between conductors, a part of the electrical energy in acoustical see transformed energy. In order to reduce this conversion, so that further attenuation measures have to cope with only a minimum of acoustic energy, the acoustic impedances are intentionally mismatched / offset from each other (also referred to as impedance matching).
  • the sound source ie, the electromechanical transducer
  • the sound source is a pressure-excited source (equivalent to a synchronous motor below the overturning moment, which is thus in the force-excited region).
  • a pressure-excited source equivalent to a synchronous motor below the overturning moment, which is thus in the force-excited region.
  • the mechanical pressure amplitude at the conductors is nearly constant, while the resulting deflection depends on both the pressure and the mechanical impedance.
  • a high input mechanical impedance is presented to minimize the conversion rate.
  • this step can be used in particular to suppress low-frequency modes in the audible spectrum.
  • the non-linear conversion of high-frequency excitation into audible components can be further reduced.
  • a central aspect of the first section of the acoustic path is the reduction of electrical energy conversion to acoustic shrinkage. First, this step minimizes the amount of energy that must subsequently be damped. Secondly, the now unconverted fraction of energy remains on the electrical side of the electromechanical transducer and is no longer part of the losses, thereby also increasing the efficiency of the TMS device.
  • the conversion efficiency is essentially a mechanical impedance problem.
  • the conversion of electrical energy into mechanical vibrations takes place at the power conductors in the coil, the pulse source and the cables therebetween, which vibrate because of the alternating magnetic forces.
  • the electrical side is formed by a high voltage, high current oscillator with little mechanical energy loss.
  • Future TMS technologies that do not implement oscillator circuitry will most likely continue to have low impedance and low mechanical energy loss. Accordingly, the conductors behave from a mechanical point of view as a pressure source. Consequently, the electrical source can be considered inexhaustible from a mechanical point of view, and any attenuation measures that traditionally work to convert vibrations to heat must be avoided to obtain a low conversion rate.
  • the sound pressure would only be reduced slightly, while the sound velocity - as the acoustic equivalent of the electric current - and thus the acoustic energy that would be converted into the mechanical domain, would rise sharply. Only very strong attenuation could deplete the energy source so that the acoustic emission sink again. However, this would typically mean nearly complete conversion of the TMS system's pulse electric energy into the mechanical domain. For this reason, in accordance with the present invention, the conversion is purposefully reduced by increasing the mechanical impedances by one or both of the following ways:
  • Measures to increase the rigidity of the conductor include, for example, the use of bimetallic structures of copper (or other electrically conductive materials) and a more rigid metal, a strained conductor embedded in a stiffer material, stiffening elements such as beams or struts, and / or by connection different conductors or parts of conductors by rigid structural adhesives.
  • a suitable stiffening material is steel, which has about four times the Young modulus (E modulus) than copper [Moser M., Kropp W. (2010). Structure-borne sound. Springer, Berlin / New York.].
  • Thin flat conductors such as those used in commercially available coils are suboptimal without rigid stabilization.
  • the frequency transfer function follows approximately 6 dB ld () / ld (£) with the stiffness E frequency and the two logarithm id. Furthermore, most real materials exhibit frequency-dependent stiffness, which typically increases with frequency [Moser M., Kropp W. (2010). Structure-borne sound. Springer, Berlin / New York.].
  • the mass of the ladder composite is increased to increase the inertia. While stiffness mainly prevents the conversion of lower frequencies and shifts the frequency transfer function as well as possible resonances towards higher frequencies, the mass limits the spectrum in the high-frequency range by eliminating fast deflections and thus the speed of sound. If the electromagnetic spectrum of the TMS pulse is selected predominantly in the high-frequency range, the influence of the mass is significantly increased.
  • the frequency characteristic of the impedance approximates exponential growth with a growth rate of 6 dB / [ld (m) ld ()] with mass m and frequency
  • a second aspect in the design of the acoustic path is to reduce the propagation of the acoustic vibrations from the conductors to the surface, from where they are delivered to the air as sound and / or to the subjects as structure-borne sound.
  • TMS coil materials For the frequency domain, spatial extent, and characteristic wave velocities of TMS coil materials, the dominant mechanical modes are predominantly represented by bending modes. On the other hand, transverse shear waves and longitudinal pressure waves occur above all at the lower and upper end of the relevant frequency range, where they can be effectively reduced by known methods.
  • the wavelength range and the propagation mechanisms of the acoustic radiation must be taken into consideration. These depend on the geometrical expansions, the material properties (in particular the wave velocity for the specific oscillation type) and the excitation frequency, which is determined by the electromagnetic waveform. For the typical ratios in TMS, the dominant parts are usually given by bending vibrations. In addition, higher frequency components can emit surface waves. Only in the lower frequency range of the vibrations and especially for smaller coils, the coil can act as a point source. In this case, instead of bending, the entire body undergoes almost uniform oscillations in the form of translation or contraction / expansion and becomes similar to a loudspeaker.
  • phase-shifting, capacitive nature of an elastic path to the surface decouples the coil winding block (core) and suppresses with a low-pass characteristic the transmission of the acoustic energy to the surface of the coil. Dissipation of trapped mechanical energy in Heat is achieved in a stiff viscoelastic layer that can cover the acoustic source (the conductor core) as a parallel energy-dissipating resistor path.
  • the TMS coil conductor can be encased by an electrical high-voltage insulation.
  • the acoustic materials can also be used for electrical insulation.
  • a thicker layer of insulation material between the coil and the head of a subject can improve the acoustic properties of the coil.
  • the viscoelastic and elastic layers on the subject side should only have thicknesses of the order of one millimeter per layer.
  • traditional coil types such as figure-eight coils (also figure-of-eight coil or butterfly coil) and round coils can provide thicker insulation (acoustic and electrical).
  • coil insulation has two aspects.
  • the insulation between the individual coil turns is not safety-relevant and can therefore be designed as a simple standard insulation according to IEC 60601.
  • insulation materials are further selected to be arc resistant (eg, Stage 4 to VDE 0303) to avoid side effects of potential breakdowns.
  • potting compounds with insulation thicknesses of more than 20 kV / mm are available; including 25 kV elastic silicone, 33 kV / mm highly rigid epoxy composites, 35 kV / mm polyurethane (PU), 90 kV / mm polyethylene terephthalate (PET), 70 kV acrylonitrile butadiene styrene (ABS) / mm. Therefore, adjacent windings exposed to only a fraction of the total voltage (typically less than 1 kV) can be sufficiently isolated by the core potting. In places where windings with higher stress differences meet, insulation distances of up to 1 mm must be considered.
  • insulation between the conductor and the surface is considered safety-relevant and should therefore be reinforced in accordance with IEC 60601.
  • insulation strengths greater than 25 kV (AC) with a total thickness of more than 2.5 mm are proposed.
  • two layers a viscoelastic and an elastic layer, reduce and direct the acoustic emission of the preferably rigid and heavy conductor core.
  • the viscoelastic layer covers the core while the elastic layer surrounds the viscoelastic layer.
  • a layer or material layer is usually a volume filled with at least one material of any known state of matter (for example, a low-pressure gas or low-pressure gas mixture), wherein the volume has at least one well-defined surface which is in mechanical contact with at least one other material and the interface formed by the contact has a finite surface area, preferably greater than one square centimeter, particularly preferably greater than five square centimeters.
  • the interface between two materials should prevent a mixing of the materials. For example, two liquids or gases which are soluble in one another can not form an interface in the sense of the invention.
  • two solid materials can form layers with a well-defined interface, even if slow material degradation, material diffusion, or the like from a layer of material into the material each other instead of a step-like material transition to a gradual material transition, provided that the process of mixing at the interface takes place slowly in operation compared to typical operating times, preferably less than 1% mass diffusion into the other material per hour.
  • the minimum volume of a material layer is preferably 100 cubic millimeters.
  • a layer or material layer does not necessarily have to be contiguous, but may also consist of a certain number of individual parts or individual spots, which are arranged side by side, for example, with gaps.
  • a layer or layer of material may include a plurality of different materials that provide the desired overall property (eg, stiffness, viscoelasticity, or elasticity) in concert, or any of which material generally has the desired property, but in each case to varying degrees or different strength.
  • desired overall property eg, stiffness, viscoelasticity, or elasticity
  • the viscoelastic layer is characterized by a high viscosity ⁇ . Ideally, the latter is accompanied by a high stiffness due to a high modulus.
  • the product E ⁇ allows both inhibition of bending modes and a conversion to heat, which leads to an attenuation of the sound waves / sound vibrations that enter the layer.
  • the viscoelastic layer has a mechanically strong bond with the adjacent adjacent layer, which is closer to the source. In this case, flexural vibrations and flexural waves of the core can be relieved by shear stress losses, which is the most effective mode for most viscoelastic materials.
  • the effect of the viscoelastic layer can be significantly increased if it is completed by a stiff and possibly (but not necessarily) massive layer designed to limit the viscoelastic layer on both sides.
  • the rigid winding conductors or any other rigid layer adjacent to the viscoelastic layer from the inside and the additional rigid layer on the outside together can advantageously together significantly increase the energy losses due to shear stress.
  • the interface of the viscoelastic layer to adjacent layers behaves as a high source impedance source that can be quite depleted. That is their energy content can be practically used up. For this reason, a decoupling by a highly elastic layer is possible.
  • the elastic layer does not inhibit the shrinkage, but acts like the mechanical equivalent of a (phase shifting) capacitor in the electrical domain and produces a mechanical low pass filter.
  • the impedance offset effect can be significantly increased by a high density / mass of the viscoelastic layer.
  • a low density / mass is generally advantageous for the elastic layer.
  • an elastic layer should be surrounded by a massive and / or stiff layer. This may be either the housing of the coil or a repetitive series of viscoelastic and / or elastic layers followed by a housing.
  • fiber reinforcement plastic shells (eg thermosets), acrylamide polymer composites, ceramics or composites consisting of a polymer with inorganic fillers may be used.
  • the above-described coil arrangement (which can also be applied to the pulse source and cable) can be represented by a much simplified equivalent circuit diagram as in FIG.
  • the equivalent circuit consists of a pressure source p, a wanted high source impedance 8io represented by the mass m s and the high rigidity E s , a damping block consisting of a highly elastic (ie less rising) element E t and the viscoelastic component r i (both can be repeated) and the housing with the mass m c and the stiffness E c .
  • the two main embodiments of the above-described concept for a quiet mechanical structure differ in the design of the individual elements, in particular the head of the turns. Differences in performance also depend on the frequency range and the dominant type of acoustic modes.
  • some or all of the turns of the conductor or conductors are combined in a single rigid block and mechanically fixed. 820
  • the individual turns are closely connected, for example embedded in an epoxy matrix. Further, because the compressive forces are directed toward a conductor toward the neighbors, it is possible to establish close mechanical contact between the windings and / or to provide increased rigidity and rigidity through mechanically strained conductors.
  • the rigid winding block suppresses mechanical movement and increases the input impedance from the perspective of the electrical pulse source and the pressure source as the secondary side of the electromechanical energy converter.
  • the entire winding block is then damped and decoupled by a combination of viscoelastic and elastic layers, the sequence of which can be repeated, as described above.
  • the housing can follow either an elastic or a viscoelastic layer.
  • the advantage of this embodiment is that the conductor block, acting as the 830 acoustic source, can easily be combined with various types of known measures, such as wise beams / struts or composite fibers (eg, glass fiber or polyamides), and suitable conductor shapes can be reinforced and stiffened to push possible acoustic modes or frequency windows toward higher frequencies.
  • the entire conductor block can be relatively compact and requires little space. However, the small pitch of the individual windings requires suitable electrical insulation, which in some circumstances may affect the rigidity.
  • each turn is separately decoupled. Accordingly, each turn is surrounded by at least one viscoelastic and one (optional) elastic layer.
  • this embodiment requires more space, but is less critical in terms of electrical insulation between turns and a possibly insufficiently stiff mechanical connection between individual turns. The isolation requirements may be important for ultra-short, high-frequency pulses whose electromagnetic pulse spectrum is significantly above the listening range and which require comparatively high voltages of several kilovolts, as previously explained.
  • each individual turn has at least one separate elastic and / or viscoelastic layer as in the second embodiment.
  • two or more or all windings divide the remaining layers as in the first embodiment.
  • the mechanical source impedances can be further increased.
  • the source impedance can be increased by increasing the stiffness (described by the ii-modulus) and / or the mass m. Since the high electrical conductivity of copper in the conductor is advantageous, additional materials can be used to alter the mechanical conductor properties. While this can also be achieved by alloy, possibly with spatially heterogeneous materials, this embodiment prefers bimetals and copper-coated metals.
  • Such conductor connections are formed by two or more metals - of which at least copper or a similar good conductive material (such as silver or gold) with certain purity - which are mechanically fixed together. This close and mechanically strong connection can be produced by known methods, for example various welding techniques or chemical methods such as galvanic deposition.
  • Such copper-coated conductors are used to conserve copper in a number of power engineering applications.
  • a particularly preferred embodiment uses copper-coated steel conductors. These conductors and the interface between the individual, usually metallic, portions may be in any geometric shape to get voted.
  • the copper content is advantageously selected to reflect the uneven localized current distribution in the conductor cross-sections due to skin and proximity effects as well as other current displacement phenomena such that the highly conductive copper is placed at the high current density locations is.
  • the effective conductivity of the entire conductor is only slightly lower than a pure copper conductor, despite significant advantageous acoustic properties due to the increased mechanical stiffness.
  • the conductor of another particularly preferred embodiment may be further divided into smaller subregions or filaments known from high frequency power so that the entire conductor cross-section is divided into smaller units which are either electrically isolated from each other or poorly conductive.
  • the stranded principle of this particularly preferred embodiment reduces the frequency-dependent increase in the line resistance and can be achieved in this application by structuring the conductivity of the conductor in subdivisions of the cross-section with different conductivity.
  • the two or more portions of the composite conductor such as copper and steel, may be patterned such that the highly electrically conductive material forms a plurality of independent current paths along the conductor or conductor axis that is similar to a strand in the less electrically conductive but mechanically stiffer material many filaments are mechanically firmly embedded.
  • another preferred embodiment uses a high frequency strand.
  • the above concept of a stiff coil winding as an acoustic source recommends that the strand is made as stiff as possible. This can be achieved, for example, by embedding the strand in a rigid material such as a ceramic or a polymer.
  • the individual filaments of the strand itself may be composite conductors, for example copper-coated steel. In the latter, the individual filaments receive a high rigidity due to the material properties.
  • Another embodiment refers to a method for stimulating nerve and / or muscle cells, in which magnetic pulses are generated by current pulses, which cause electrical stimulation currents in the body tissue according to the principle of electromagnetic induction, which trigger an action potential of the nerve and / or muscle cells.
  • the magnetic field pulses are generated by a coil that is positioned so close to the body tissue to be stimulated that the magnetic field generated by the coil passes through the body tissue, and wherein the magnetic field pulses have a time course, the time course of an electric current through the coil corresponds; and wherein the time course of current during a strong current pulse in the coil is selected so that less than a quarter of the energy of the current pulse in the spectral range of 500 Hz to 18 kHz.
  • a further embodiment of the invention generates short strong current pulses with a total duration of less than one millisecond in at least one coil, so that the at least one coil generates magnetic field pulses with a magnetic flux density of 0.1 to 10 Tesla, which according to the principle of electromagnetic induction inducing in electrical tissue electrical currents that trigger an action potential of nerve and / or muscle cells by stimulation, the at least one coil being adapted to be positioned close to the body tissue to be stimulated so that a magnetic field generated by it passes through the body tissue; wherein the device comprises at least one capacitor for storing energy required for the magnetic field pulses, wherein the electrical stimulation currents caused by the magnetic field of the coil are at least one tenth and at most ten times the stimulation currents required for stimulating the cells.
  • This embodiment is characterized in that it is designed to reduce the due to the current pulse from the coil and / or at least one electrical supply cable to the at least one coil emitted acoustic sound such that at least one electrical conductor of the at least one coil and / or at least an electrical supply cable by embedding in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically rigid composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass forms a rigid unit.
  • the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable of the aforementioned embodiments further includes at least one viscoelastic material accumulation and / or at least one elastic material accumulation.
  • At least one conductor of the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable of one of the aforementioned embodiments at least two different metals, which may each be different alloys, wherein the at least two metals have at least one interface at which the at least two metals are mechanically firmly connected to each other, wherein at least one of the at least two metals has at least twice as high electrical conductivity and at the same time a maximum half as large elastic modulus as at least one other of the at least two metals.
  • the at least two metals in the cross section of the at least one conductor of the aforementioned embodiment are arranged such that the metal of the at least two metals, which has the highest electrical conductivity, is preferably arranged in regions of high current intensity and due to skin effects and other current displacement phenomena does not flow uniformly over the cross section of the at least one conductor distributed electrical pulse current to a maximum of one third in that of at least two metals, which has the lowest electrical conductivity.
  • the modulus of elasticity of the at least one elastic material accumulation in one of the aforementioned embodiments is less than one-eighth of the elasticity mode of the mechanically stiff polymer and / or the mechanically rigid plastic and / or the mechanically stiff composite material and / or the mechanically stiff ceramic and / or or the mechanically stiff glass.
  • the product of viscosity and modulus of elasticity of the at least one viscoelastic material accumulation of one of the aforementioned embodiments exceeds 10 billion pascal square seconds.
  • the loss factor of the viscoelastic material according to ISO 6721 measured with a 2 mm material coating of the viscoelastic material on a 1 mm thick steel sheet, exceeds 0.75.
  • At least one viscoelastic material pool covers at least one third of the surface area of the rigid unit of any of the aforementioned embodiments, wherein the riser unit through the at least one into a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass embedded conductor is formed.
  • the viscoelastic material is also mechanically bonded to this surface, and the viscoelastic material collection may be surrounded by other other material collections.
  • At least one elastic accumulation of material covers at least one third of the surface of the rigid unit of one of the aforementioned embodiments and / or at least one viscoelastic material accumulation partially covering said rigid unit of one of the aforesaid embodiments, said rigid unit being defined by said at least one a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic 80 and / or mechanically rigid glass embedded conductor is formed.
  • an elastic aggregate of material that can form a layer covers at least a portion of that surface of the coil that is in mechanical contact with the body tissue.
  • the at least one elastic material accumulation of one of the aforementioned embodiments consists of a material that is attributed to the class of soft matter;
  • the at least one elastic material accumulation may comprise a spring mechanism made of a solid in a gas and / or a vacuum.
  • the material of the at least one elastically loosely assembled material from the abovementioned embodiment is an elastomer and / or a polymer melt and / or a gel and / or a colloidal suspension.
  • less than a quarter of the energy of the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments is in the frequency range from 500 Hz to 8000 Hz.
  • the fundamental frequency and / or the dominant frequency of the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments is higher than the human hearing limit of 18 kHz.
  • less than one third of the energy of the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments lies in the frequency range below 18 kHz.
  • the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments contains exactly one zero crossing, in which the current changes from one polarity to the other, and the total duration of the current pulse does not exceed 75 microseconds.
  • the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments comprises a sinusoidal oscillation, which may have a finite or an infinite duration and whose amplitude envelope increases from less than one fifth of the maximum within less than 500 microseconds to a maximum and then within less than 500 microseconds falls to less than one fifth of the maximum, wherein the frequency of the sinusoidal oscillation may vary continuously during the current pulse.
  • the electrical current pulse of one of the abovementioned embodiments is generated by an electrical pulse source which contains at least three capacitors and by dynamic electrical combination (for example in electrically conductive series and / or in parallel) of the at least three capacitors Generates current pulse, wherein the electric pulse source can generate current pulses having different amplitude and shape, wherein the amplitude and the shape can be changed independently between the generation of two successive current pulses.
  • the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments is generated by an electrical pulse source comprising at least one capacitor (1701, 1901, 1902, 2001, 2002) and at least one turn-off electronic switch (1702, 1903, 1904) (eg an IGBT ) includes.
  • an electrical pulse source comprising at least one capacitor (1701, 1901, 1902, 2001, 2002) and at least one turn-off electronic switch (1702, 1903, 1904) (eg an IGBT ) includes.
  • the electrical current pulse of one of the abovementioned embodiments is generated by an electrical pulse source which has at least one capacitor (1901,

Abstract

The present invention relates to a device and a method for the stimulation of nerve and muscle cells according to the principle of magnetic stimulation, wherein the invention has a significantly reduced sound emission for the same stimulus intensity when compared to the prior art. The sound emission in the form of a click noise, which, in the magnetic stimulation, determines on the one hand an important safety risk and on the other hand causes an undesired, uncontrollable sensory-auditory brain stimulation is reduced in the present invention by increasing the frequency of a substantial portion of the spectrum of the pulse, preferably up to or beyond the human hearing range. The invention further relates to a quieter coil technology which reduces the conversion of electrical energy into mechanical-acoustic oscillations, prevents the transfer of said oscillations to the surface by resilient decoupling and instead converts the mechanical-acoustic energy via viscoelastic deformation of the material into heat.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur geräuscharmen magnetischen Neuro- stimulation  Device and method for low-noise magnetic neuro stimulation
Einleitung und Stand der Technik  Introduction and state of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reizung von Nerven- und Muskelzellen nach dem Prinzip der Magnetstimulation, wobei die Erfindung bei gleicher Reizstärke eine deutlich verringerte Schallemission im Vergleich zum Stand der Technik aufweist. Die Schallemission in der Form eines Klickgeräusches, das in der Magnetstimulation einerseits ein wichtiges Sicherheitsrisiko und andererseits eine unerwünschte unkontrollierbare sensorisch-auditorische Hirnreizung hervorruft, wird in der vorliegenden Erfindung durch Erhöhung der Frequenz eines wesentli- chen Anteils des Spektrums des Pulses, vorzugsweise bis an oder über den menschlichen Hörbereich hinaus, verringert.  The present invention relates to a device and a method for the stimulation of nerve and muscle cells according to the principle of magnetic stimulation, the invention having the same stimulus strength a significantly reduced acoustic emission compared to the prior art. In the present invention, the acoustic emission in the form of click noise, which on the one hand causes an important safety risk on the other hand undesired uncontrollable sensory-auditory brain irritation, is increased by increasing the frequency of a substantial portion of the spectrum of the pulse, preferably to or beyond the human hearing range, decreased.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine leisere Spulentechnologie, die die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanisch-akustische Schwingungen verringert, deren Weiterleitung an die Oberfläche durch elastische Entkopplung unterbindet und stattdessen die mechanisch-akustische Energie über viskoelastische Materialverformung in Wärme umwandelt.  Furthermore, the present invention relates to a quieter coil technology that reduces the conversion of electrical energy into mechanical-acoustic vibrations, prevents their transmission to the surface by elastic decoupling and instead converts the mechanical-acoustic energy into heat via viscoelastic material deformation.
Bedeutung  importance
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Methode zur nichtinvasiven Hirnstimulation mit kurzen starken Magnetpulsen, die ein elektrisches Feld im Gehirn induzieren. Diese Technologie ist insbesondere in den Neurowissenschaften weit verbreitet als Methode zum Testen bestimmter Hirn- funktionen. Ferner ist die unter anderem von der US Aufsichtbehörde FDA für die klinische Behandlung von Depressionen zugelassen und wird für eine Reihe anderer psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen und Syndrome erforscht. Mit TMS wurde darüber hinaus nachgewiesen, dass einzelne kognitive Funktionen von gesunden Probanden zeitweise gesteigert werden können.  Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a method of noninvasive brain stimulation with short strong magnetic pulses that induce an electric field in the brain. This technology is widely used in neuroscience as a method for testing certain brain functions. It is also approved by the US Food and Drug Administration (FDA) for the clinical treatment of depression and is being investigated for a variety of other psychiatric and neurological disorders and syndromes. In addition, TMS has demonstrated that individual cognitive functions of healthy subjects can be temporarily increased.
Ein TMS-Gerät enthält eine Pulsquelle oder Pulsgenerator sowie eine Stimulationsspule, die auf dem Kopf eines Probanden platziert wird. Typische TMS-Geräte erzeugen Strompulse in der Spule, die sinusförmig mit einer dominanten Hauptfrequenz (hier auch die Grundfrequenz) von etwa 1-5 kHz bei Stromamplituden bis zu 8 kAund Magnetfeldstärken an der Spulenoberfläche von um 2.5 T verlaufen. Die hohen Pulsamplituden führen zu elektromagnetisch begründeten mechanischen Kräften in der Pulsquelle, der Spule und dem Kabel, das beide verbindet, die wiederum laute Geräusche nach sich ziehen. Unter den Genannten dominiert das Geräusch der Spule wegen der starken Magnetfelder in der Spule. Ferner ist das Geräusch der Spule am schwierigsten zu unterdrücken, weil die Spule am Kopf des Probanden platziert wird, von wo aus der Schall durch die Luft und den Schädelknochen weitergeleitet wird Nikouline V, Ruohonen J., and Ilmoniemi R.J. (1999). The role of the coil click in TMS assessed with simultaneous EEG. Clinical Neurophysiology, 110(8): 1325- 1328]. Das laute Klickgeräusch aufgrund der starken Kräfte kann in einem Abstand von 10-20 cm Schalldruckpegel von 120-140 dB erreichen und hat seine spektrale Spitzenleistung im Bereich 1-7 kHz [Starck J., Rim- piläinen I., Pyykkö I, and Toppila E. (1996). The noise level in magnetic Stimulation. Scandinavian Audiology, 25(4): 223-226; Counter S.A., Borg E. (1992) Analysis of the coil generated impulse noise in extracranial magnetic Stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, A TMS device contains a pulse source or pulse generator and a stimulation coil placed on the head of a subject. Typical TMS devices generate current pulses in the coil which are sinusoidal with a dominant fundamental frequency (here also the fundamental frequency) of about 1-5 kHz at current amplitudes up to 8 kA and magnetic field strengths at the coil surface of around 2.5T. The high pulse amplitudes lead to electromagnetically induced mechanical forces in the pulse source, the coil and the cable, which connects the two, which in turn cause loud noises. Among the above, the noise of the coil dominates because of the strong magnetic fields in the coil. Furthermore, the sound of the coil is most difficult to suppress because the coil is placed on the subject's head, from where the sound is transmitted through the air and the cranial bone. Nikouline V, Ruohonen J., and Ilmoniemi RJ (1999). The role of the coil click in TMS assessed with simultaneous EEG. Clinical Neurophysiology, 110 (8): 1325-1328]. The loud clicking sound due to the strong forces can be at a distance of 10-20 cm sound pressure level of 120-140 dB and has its spectral peak power in the range 1-7 kHz [Starck J., Rimpirinen I., Pyykkö I, and Toppila E. (1996). The noise level in magnetic stimulation. Scandinavian Audiology, 25 (4): 223-226; Counter SA, Borg E. (1992) Analysis of the coil-generated impulse noise in extracranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology,
85(4):280-288]. Das laute Geräusch, das von konventionellen Geräten erzeugt wird, ist eine bedeutende Schwachstelle der TMS-Technologie mit folgenden Hauptproblemen: 85 (4): 280-288]. The loud noise generated by conventional equipment is a significant weakness of TMS technology, with the following major issues:
(1) Das laute Klickgeräusch kann Hörschäden im TMS-Probanden, dem TMS-Bediener und anderen Personen oder Versuchstieren in der Nähe des Systems hervorrufen System [Counter S.A., Borg E. (1992) Analysis of the coil generated impulse noise in extracranial magnetic Stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 85(4):280-288; Counter S.A., Borg E., and Lofqvist L. (1991). Acoustic trauma in extracranial magnetic brain Stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 78(3): 173-184; Rossi S., Hallett M., Rossini P.M., and Pascual-Leone A. (2009). Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic Stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology, 120(12):2008-2039.]. Aus diesem Grund sollte jeder in der direkten Umgebung eines TMS-Gerätes Hörschutz tragen, beispielsweise Ohrstöpsel oder Kopfhörer [Rossi S., Hallett M., Rossini P.M., and Pascual-Leone A. (2009). Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic Stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology, 120(12):2008-2039.]. Ein Versagen des Gehörschutzes birgt das Risiko eines Gehörschadens, wie beispielsweise er beispielsweise als dauerhafter Gehörschaden in einem Probanden auftrat, dessen Ohrstöpsel während einer rTMS- Anwendung aus dem Ohr gefallen zu sein schien [Zangen, A., Y. Roth, et al. (2005). Transcranial magnetic Stimulation of deep brain regions: evidence for efficacy of the H-coil. Clinical Neurophysiology, 116(4): 775 -779.]. Das Risiko eines Gehörschadens könnte in Kindern erhöht sein [Rossi S., Hallett M., Rossini P.M., and Pascual-Leone A. (2009). Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic Stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology, 120(12):2008-2039.]. Das Risiko ist ferner erhöht in Umgebungen, an welchen die mechanischen Kräfte erhöht sind und/oder akustische Rückkopplungen oder Reflexionen auftreten, beispielsweise in Magnetresonanztomographen (MRT) während gleichzeitiger Applikation von TMS und funktionaler Bildgebung.  (1) The loud clicking sound may cause hearing damage in the TMS subject, the TMS operator, and other persons or animals near the system [Counter SA, Borg E. (1992) Analysis of the Coil-Generated Impulse Noise in Extracranial Magnetic Stimulation , Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 85 (4): 280-288; Counter S.A., Borg E., and Lofqvist L. (1991). Acoustic trauma in extracranial magnetic brain stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 78 (3): 173-184; Rossi S., Hallett M., Rossini P.M., and Pascual-Leone A. (2009). Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology, 120 (12): 2008-2039.]. For this reason, anyone in the immediate vicinity of a TMS device should wear hearing protection, such as earplugs or headphones [Rossi S., Hallett M., Rossini P.M., and Pascual-Leone A. (2009). Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology, 120 (12): 2008-2039.]. Failure of the ear defenders poses a risk of hearing damage such as, for example, persistent hearing damage in a subject whose earplugs appeared to have fallen out of the ear during an rTMS application [Zangen, A., Y. Roth, et al. (2005). Transcranial magnetic stimulation of deep brain regions: evidence for efficacy of the H-coil. Clinical Neurophysiology, 116 (4): 775-779.]. The risk of ear damage could be increased in children [Rossi S., Hallett M., Rossini P.M., and Pascual-Leone A. (2009). Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology, 120 (12): 2008-2039.]. The risk is further increased in environments where the mechanical forces are increased and / or acoustic feedback or reflections occur, for example in magnetic resonance imaging (MRI) during simultaneous application of TMS and functional imaging.
(2) Selbst mit Gehörschutz ist die auditorische Wahrnehmung des TMS-Geräusches herausragend und oft unangenehm oder unerträglich für den Probanden oder Patienten, den Bediener, oder Personen in der Umgebung des TMS-Gerätes. Intoleranz dürfte deutlich verstärkt bei Personen mit erhöhter Sensi- tivität für Lärm (Hyperacusis) ausgeprägt sein. Schätzungen zufolge sind 8-15% der Bevölkerung von Hyperacusis betroffen [Baguley, D.M. (2003). Hyperacusis. Journal of the Royal Society of Medicine, 96(12): 582-585; Coelho C.B., Sanchez T. G, and Tyler R.S. (2007). Hyperacusis, sound annoyance, and loudness hypersensitivity in children. Progress in brain research 166: 169-178.] und tritt für Patienten mit einigen psychiatrischen und neurologischen Störungen erhöht auf, darunter Tinnitus, Migräne, Autismusspektrumstörungen, Depression, posttraumatischen Belastungsstörungen und andere Angststörungen. Für diese Störungen ist TMS entweder eine zugelassene (Depression) oder erforschte Therapieform. Daneben ist Kopfschmerz von Spannungstyp die am weitest verbreitete Nebenwirkung von rTMS un tritt etwa in 23%-58% der Probanden oder Patienten und in 16%-55% der Kontrollgruppen [Loo C.K., McFarcluhar T.F., and Mitchell P.B. (2008). A review of the safety of repetitive transcranial magnetic Stimulation as a clinical treatment for depression. International Journal of Neuropsycho- pharmacology, 11(1): 131-147; Machii K., Cohen D., Ramos-Estebanez C, and Pascual-Leone A. (2006). Safety of rTMS to non-motor cortical areas in healthy participants and patients. Clinical Neu- rophysiology, 117(2):455— 471; Janicak P.G., O'Reardon J.P., Sampson S.M., Husain M.M., Lisanby S.H., Rado T.J., Heart K.L., and Demitrack M.A. (2008). Transcranial magnetic Stimulation in the treatment of major depressive disorder: A comprehensive summary of safety experience from acute exposure, extended exposure, and during reintroduction treatment. Journal of Clinical Psychiatry, 69(2):222-232.]. Da Kopfschmerz vom Spannungstyp durch Lärm ausgelöst werden kann [Martin P.R., Reece J., and Forsyth M. (2006). Noise as a trigger for headaches: Relationship between exposure and sensitivity. Headache, 46(6):962-972; Wöber C. and Wöber-Bingöl C. (2010). Triggers of migraine and tension-type headache. Handbook of Clinical Neurology, 97:161-172.], besteht ein ernstzunehmender Verdacht, dass der Lärm des TMS-Gerätes zentral hierzu beiträgt. Daher könnte in einigen Patientengruppen der TMS-Lärm ein Hindernis für eine Besserung aufgrund der Behandlung sein. (2) Even with hearing protection, the auditory perception of TMS noise is outstanding and often uncomfortable or unbearable for the subject or patient, the operator, or persons in the vicinity of the TMS device. Intolerance is likely to be more pronounced in people with increased sensitivity to noise (hyperacusis). It is estimated that 8-15% of the population is affected by Hyperacusis [Baguley, DM (2003). Hyperacusis. Journal of the Royal Society of Medicine, 96 (12): 582-585; Coelho CB, Sanchez T.G., and Tyler RS (2007). Hyperacusis, sound annoyance, and loudness hypersensitivity in children. Progress in brain research 166: 169-178.] And is elevated for patients with some psychiatric and neurological disorders, including tinnitus, migraine, autism spectrum disorders, depression, post-traumatic stress disorder, and other anxiety disorders. For these disorders, TMS is either an approved (depression) or researched form of therapy. In addition, tension-type headache is the most prevalent side effect of rTMS and occurs in about 23% -58% of subjects or patients and in 16% -55% of control groups [Loo CK, McFarcluhar TF, and Mitchell PB (2008). A review of the safety of repetitive transcranial magnetic stimulation as a clinical treatment for depression. International Journal of Neuropsycho-pharmacology, 11 (1): 131-147; Machii K., Cohen D., Ramos-Estebanez C, and Pascual-Leone A. (2006). Safety of rTMS to non-motor cortical areas in healthy participants and patients. Clinical Neurophysiology, 117 (2): 455-471; Janicak PG, O'Reardon JP, Sampson SM, Husain MM, Lisanby SH, Rado TJ, Heart KL, and Demitrack MA (2008). Transcranial magnetic stimulation in the treatment of major depressive disorder: A comprehensive summary of safety experience from acute exposure, extended exposure, and during reintroduction treatment. Journal of Clinical Psychiatry, 69 (2): 222-232.]. Because tension-type headache can be triggered by noise [Martin PR, Reece J., and Forsyth M. (2006). Noise as a trigger for headaches: Relationship between exposure and sensitivity. Headache, 46 (6): 962-972; Wöber C. and Wöber-Bingol C. (2010). Triggers of migraine and tension-type headache. Handbook of Clinical Neurology, 97: 161-172.], There is a serious suspicion that the noise of the TMS device is central to this. Therefore, in some patient groups, TMS noise may be an obstacle to treatment recovery.
(3) Die Schallwahrnehmung des TMS-Geräusches führt zu evozierten Reaktionen im Gehirn, die nicht vom magnetischen Reiz erzeugt werden, aber trotzdem synchron dazu sind. Daher ist es schwierig, den Effekt des Magnetpulses von jenem der auditorischen Anstwort zu trennen [Komssi S., and Kah- konen S. (2006). The novelty value of the combined use of electroencephalography and transcranial magnetic Stimulation for neuroscience research. Brain Research Reviews, 52(1): 183-192.]. Dies kann experimentelle Untersuchungen behindern und unerwünschte Neuromodulation oder Interaktion von Schall- und elektromagnetischem Reiz in klinischen Anwendungen bewirken. Repetitive auditorische Stimulation kann beispielsweise ebenfalls Langzeitpotenzierung (long term potentiation, LTP) im Gehirn hervorrufen [Clapp W.C., Kirk I.J., Hamm J.P., Shepherd D., and Teyler T.J. (2005). Induction of LTP in the human auditory cortex by sensory Stimulation. European Journal of Neuroscience, 22(5): 1135-1140; Clapp W.C., Hamm J.P., Kirk I.J., and Teyler T.J. (2012). Translating Long-Term Potentiation fromAnimals to Humans: ANovel Method for Noninvasive Assessment of Cortical Plas- ticity. Biological Psychiatry, 71(6):496-502; Zaehle T., Clapp W.C., Hamm J.P, Meyer M., and Kirk I.J. (2007). Induction of LTP-like changes in human auditory cortex by rapid auditory Stimulation: An FMRJ study. Restorative Neurology and Neuroscience, 25(3^1):251-259.], die den Modulationseffekt von rTMS überlagert. Beispielsweise verwendet eine von der US FDA zugelassene rTMS- Depressions-Behandlung 10-Hz-Puls-Züge. Dies stimmt mit der Wiederholrate für stärkste auditorische Kortexsensitivität (10-14 Hz) überein und ist den 13 Hz, bei welchen auditorisch-induzierte LTP in Menschen nachgewiesen wurde, sehr nahe [Clapp W.C., Hamm J.P., Kirk I.J., and Teyler T.J. (2012). Translating Long-Term Potentiation from Animals to Humans: ANovel Method for Noninvasive Assessment of Cortical Plasticity. Biological Psychiatry, 71(6):496-502.]. (3) The sound perception of the TMS sound leads to evoked reactions in the brain that are not generated by the magnetic stimulus, but are nevertheless in sync with it. Therefore, it is difficult to separate the effect of the magnetic pulse from that of the auditory response [Komssi S., and Kahkonen S. (2006). The novelty value of the combined use of electroencephalography and transcranial magnetic stimulation for neuroscience research. Brain Research Reviews, 52 (1): 183-192.]. This may hinder experimental studies and cause unwanted neuromodulation or interaction of acoustic and electromagnetic stimuli in clinical applications. For example, repetitive auditory stimulation can also cause long-term potentiation (LTP) in the brain [Clapp WC, Kirk IJ, Hamm JP, Shepherd D., and Teyler TJ (2005). Induction of LTP in the human auditory cortex by sensory stimulation. European Journal of Neuroscience, 22 (5): 1135-1140; Clapp WC, Hamm JP, Kirk IJ, and Teyler TJ (2012). Translating Long-Term Potentiation fromAnimals to Humans: ANovel Method for Noninvasive Assessment of Cortical Plas- ticity. Biological Psychiatry, 71 (6): 496-502; Zaehle T., Clapp WC, Hamm JP, Meyer M., and Kirk IJ (2007). Induction of LTP-like changes in human auditory cortex by rapid auditory stimulation: An FMRJ study. Restorative Neurology and Neuroscience, 25 (3 ^ 1): 251-259.] Showing the Modulation Effect superimposed by rTMS. For example, a US FDA-approved rTMS depression treatment uses 10-Hz pulse trains. This is consistent with the repetition rate for strongest auditory cortex sensitivity (10-14 Hz) and is very close to the 13 Hz at which auditory-induced LTP has been detected in humans [Clapp WC, Hamm JP, Kirk IJ, and Teyler TJ (2012 ). Translating Long-Term Potentiation from Animals to Humans: ANovel Method for Noninvasive Assessment of Cortical Plasticity. Biological Psychiatry, 71 (6): 496-502.].
(4) Das laute Klickgeräusch von TMS-Geräten ist eine Herausforderung in der Umgebung, in der TMS-Geräte aufgestellt und betrieben werden. Da das Geräusch von TMS-Geräten in die benachbarten Räume des Gebäudes vordringen kann, sind Forscher und Ärzte, die TMS-Geräte nutzen, Problemen mit Bewohnern, Kollegen und/oder dem Betreiber des Gebäudes ausgesetzt. Ferner ist in vielen Ländern die Geräuschemission/Geräuschimmission gesetzlich reguliert. Da viele Arztpraxen nicht in ausgewiesenen Industriegebieten liegen, können Lärmgrenzen von 55 dB(A) im Freien und 35 dB(A) in benachbarten Einheiten im Gebäude gelten [TAL (1998), German Technical Instruction on Noise Protection According to the Federal Control of Pollution Act BImSchG/Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm erlassen auf der Basis des Bundesimmissionsschutzgesetzes. GMBI No. 26/1998, p. 503.]. Ohne verstärkte Schalldämmungsmaßnahmen im Gebäude kann der Einsatz von TMS für medizinische Anwendungen eingeschränkt sein.  (4) The loud clicking sound of TMS equipment is a challenge in the environment where TMS equipment is deployed and operated. Because the noise of TMS equipment can penetrate the building's adjacent rooms, researchers and physicians using TMS equipment are exposed to problems with residents, colleagues, and / or the building operator. Furthermore, in many countries, the noise emission / noise immission is regulated by law. Since many medical practices are not located in designated industrial areas, noise levels of 55 dB (A) outdoors and 35 dB (A) in adjacent units in the building may apply [TAL (1998), German Technical Instruction on Noise Protection According to the Federal Control of Pollution Act BImSchG / Technical instructions for protection against noise issued on the basis of the Federal Immission Control Act. GMBI no. 26/1998, p. 503.]. Without enhanced soundproofing in the building, the use of TMS for medical applications may be limited.
Viele der genannten Betrachtungen gelten ebenso für Geräte zur peripheren Magnetstimulation. Aus diesem Grund kann die Erfindung ebenso für periphere Magnetstimulationgeräte angewandt werden.  Many of the above considerations also apply to devices for peripheral magnetic stimulation. For this reason, the invention can also be applied to peripheral magnetic stimulation devices.
Lösungsansätze nach dem Stand der Technik Solution approaches according to the prior art
Um den Schall, der von TMS-Geräten erzeugt wird, zu reduzieren nutzen einige Hersteller Methoden, um die Schwingungen in der Stimulationsspule zu dämpfen. Die Effektivität dieses Ansatzes ist begrenzt wie die hohen Schallpegel kommerziell verfügbarer Geräte belegen [Starck J., Rimpiläinen I., Pyykkö I, and Toppila E. (1996). The noise level in magnetic Stimulation. Scandinavian Audiology, 25(4): 223-226; Counter S.A., Borg E. (1992) Analysis of the coil generated impulse noise in extracranial magnetic Stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 85(4):280-288.]. Ein vorgeschlagener Ansatz für eine drastischere Lärmreduktion beinhaltet das Platzieren der Spulenwindung in einem evakuierten Gefäß [Ilmoniemi R.J. et al. (1997). EP 1042032, WO 99/27995]. Dieser Ansatz versucht, die akustischen Emissionen durch Entfernen aller Medien in der Umgebung der Spulenwindung, die den Schall transportieren könnten. Dieser Lösungsversuch birgt jedoch einige Schwachstellen: (1) Das luftdichte evakuierte Gefäß um die Spule vergrößert in der Regel den Abstand zwischen der Spulenwindung und dem Stimulationsziel und verschlechtert damit die elektromagnetische Kopplung zum Ziel sowie die elektrische Effizienz des Systems. (2) Es existieren noch immer alternative Schallpfade ausgehend von den Orten, an welchen der Spulenleiter in das evakuierte Gefäß eintritt, ausgehend vom Spulenkabel und ausgehend von der Pulsquelle. (3) Ein evakuiertes Gefäß ist groß, inflexibel, unpraktisch, wahrscheinlich bruchanfällig und teuer. In order to reduce the sound generated by TMS devices, some manufacturers use methods to dampen the vibrations in the stimulation coil. The effectiveness of this approach is limited as evidenced by the high sound levels of commercially available devices [Starck J., Rimpiläinen I., Pyykkö I, and Toppila E. (1996). The noise level in magnetic stimulation. Scandinavian Audiology, 25 (4): 223-226; Counter SA, Borg E. (1992) Analysis of the coil-generated impulse noise in extracranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 85 (4): 280-288.]. One proposed approach to more drastic noise reduction involves placing the coil turn in an evacuated vessel [Ilmoniemi RJ et al. (1997). EP 1042032, WO 99/27995]. This approach attempts to reduce the acoustic emissions by removing all media in the vicinity of the coil winding that could carry the sound. However, this approach has some shortcomings: (1) The airtight evacuated vessel around the coil typically increases the distance between the coil turn and the stimulation target, thereby degrading the electromagnetic coupling to the target as well as the electrical efficiency of the system. (2) Alternative sound paths still exist from the locations where the coil conductor is evacuated Vessel enters, starting from the coil cable and starting from the pulse source. (3) An evacuated vessel is large, inflexible, impractical, likely to break and expensive.
Die relativ extremen aber trotzdem nicht sehr effektiven oder praktischen Ansätze im Stand der Technik manifestieren einen bedeutenden Bedarf für die Entwicklung eines TMS-Gerätes, das eine geringere Lärmentwicklung bietet. Die vorliegende Erfindung umfasst ein Konzept einer leisen TMS- Technologie, die die Schallabstrahlung von TMS bedeutend reduziert. The relatively extreme but nevertheless not very effective or practical approaches in the prior art manifest a significant need for the development of a TMS device that offers less noise. The present invention incorporates a concept of quiet TMS technology that significantly reduces the sound radiation from TMS.
Figuren characters
Figur 1 zeigt die Kondensatorspannung VCth (101) und den Spitzenspulenstrom 7Lpk (102) etwa an der kortikalen Aktivierungsschwelle als Funktion der Pulsgrundfrequenz fo unter der Annahme eines neuronalen Membranmodells erster Ordnung mit einer Zeitkonstante von rm = 196 μ8. Die Daten basieren auf den Parametern einer kommerziellen Magstim figure-8-Spule. Die Werte sind für eine Anzahl der Windungen, N, von 18 (konventionelle Magstim figure-8-Spule) und von N = 9 dargestellt. FIG. 1 shows the capacitor voltage V C th (101) and the peak coil current 7 Lpk (102) at approximately the cortical activation threshold as a function of the pulse fundamental frequency fo assuming a first-order neuronal membrane model with a time constant of r m = 196 μ8. The data is based on the parameters of a commercial Magstim figure-8 coil. The values are shown for a number of turns, N, of 18 (conventional Magstim figure-8 coil) and of N = 9.
Figur 2 zeigt das Amplitudenspektrum des Spulenstromes eines konventionellen biphasischen Magstim figure-8-Pulses (201, black) und eines biphasischen Pulses mit 30 kHz (202, grau) an der Reizschwelle.  Figure 2 shows the amplitude spectrum of the coil current of a conventional biphasic Magstim figure-8 pulse (201, black) and a biphasic pulse with 30 kHz (202, gray) at the stimulation threshold.
Figur 3 zeigt zwei Ausführungsformen von akustisch vorteilhafteren Pulsstromwellenformen (301 , 302), spga, spgb, im Sinne der Erfindung. Beide Pulse sind normiert auf ihre individuelle Reizschwelle für ein menschliches Motorneuron. Im Gegensatz zu konventionellen Wellenformen in der Magnetstimulation ist die Grundfrequenz oder Trägerfrequenz der elektromagnetischen Schwingung beträchtlich höher, um einen bedeutenden Anteil der Energie über den Hörbereich zu schieben. Ferner werden die Schwingungen nicht abrupt an bestimmten Zeitpunkten an- oder abgeschaltet, beispielsweise an Nulldurchgängen des Stromes mit sinusförmigem Verlauf und einer sonst in etwa konstanten Amplitude, sondern vielmehr moduliert von einer Pulseinhüllenden, die den Pulsbeginn (attack) und das Pulsende (decay) der Wellenform glätten. Die sich ergebenden Wellenformen sind bandbreitenbegrenzt und weisen keine starken Seitenbänder im Spektrum auf, wie Figur 4 darstellt.  FIG. 3 shows two embodiments of acoustically more advantageous pulse current waveforms (301, 302), spga, spgb, in the sense of the invention. Both pulses are normalized to their individual threshold for a human motor neuron. In contrast to conventional waveforms in magnetic stimulation, the fundamental frequency or carrier frequency of the electromagnetic oscillation is considerably higher to push a significant portion of the energy above the audible range. Furthermore, the oscillations are not abruptly switched on or off at certain times, for example at zero crossings of the current with a sinusoidal course and an otherwise approximately constant amplitude, but rather modulated by a pulse enveloping the pulse start (attack) and the end of the pulse (decay) Smooth the waveform. The resulting waveforms are bandwidth limited and have no strong sidebands in the spectrum, as shown in FIG.
Figur 4 zeigt das Amplitudenspektrum der Wellenformen spga (404) und spgb (405) aus Figur 3 und vergleicht sie mit einfachere Wellenformen („30 kHz xl" (401): biphasische Wellenform mit einer Trägerfrequenz von 30 kHz, d. h., eine einzelne Periode eines Sinusstromes/einer Cosinusspannung und einer Grundfrequenz von 30 kHz;„30 kHz x2" (402): polyphasische Wellenform mit zwei Perioden bei einer Grundfrequenz von 30 kHz;„30 kHz x3" (403): polyphasische Wellenform mit drei Perioden bei einer Grundfrequenz von 30 kHz). Alle einzelnen Kurven sind zur Vergleichbarkeit hinsichtlich ihrer individueller Reizschwelle normiert. Die starken Seitenbänder des biphasischen und des polyphasischen Pulses, die weit in den Hörbereich hineinreichen, sind für die Wellenformen spga und spgb unterdrückt. Folglich ist die spektrale Leistung der elektromagnetischen Schwingung bei niedri- geren Frequenzen, die ihrerseits die akustischen Schwingungen, die die Lärmemission erzeugen, anregen, im Vergleich zu sinusförmigen Wellenformen mit ähnlichen Grundfrequenzen deutlich reduziert, während die Stimulationsstärke konstant gehalten wird. Die Verwendung von Wellenformen mit spezifischen spektralen Charakteristika zur Beherrschung der Schallemission des Gerätes ist bislang im Gebiet der Magnetstimulation unbekannt. FIG. 4 shows the amplitude spectrum of waveforms spga (404) and spgb (405) of FIG. 3 and compares them to simpler waveforms ("30 kHz xl" (401): biphasic waveform having a carrier frequency of 30 kHz, ie, a single period of one Sine current / cosine voltage and a fundamental frequency of 30 kHz; "30 kHz x 2" (402): polyphase waveform with two periods at a fundamental frequency of 30 kHz; "30 kHz x 3" (403): polyphase waveform with three periods at a fundamental frequency of All individual curves are normalized for comparability with respect to their individual stimulus threshold.The strong sidebands of the biphasic and polyphasic pulses, which extend far into the audible range, are suppressed for the spga and spgb waveforms, hence the spectral power of the electromagnetic oscillation at low lower frequencies, which in turn excite the acoustic vibrations that produce the noise emission, are significantly reduced as compared to sinusoidal waveforms with similar fundamental frequencies, while maintaining the stimulation intensity constant. The use of waveforms with specific spectral characteristics for controlling the acoustic emission of the device has hitherto been unknown in the field of magnetic stimulation.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt einer Spule gemäß der ersten Ausführungsform des mechanischen Teils der Erfindung. Die einzelnen Windungen des Leiters (501) sind elektrisch isoliert und mechanisch fest miteinander verbunden. Diese feste Verbindung (503) wird mit hoher Steifigkeit (charakterisiert durch ein hohes E-Modul) ausgeführt. Die Verbindung zwischen der äußersten Windung und dem Kabel bzw. einem zweiten Spulenring, beispielsweise in einer sogenannten figure-of-eight- oder Schmetterlingsspule kann verwendet werden, um einen mechanisch stabilisierenden Balken zu formen, wie in der Figur angedeutet wird. Alle Spalten können ferner mit steifen Materialien gefüllt werden, wie es in der Figur mit Bezugszeichen (502) (auch„stiff core") angedeutet ist. Der gesamte steife Block, der sich aus den einzelnen Leitern zusammensetzt, wird vom Gehäuse und der Umgebung von einer Schicht aus viskoelastischem Material (504) (hoher 77-Wert, zusätzlich ist ein hoher ii-Wert vorteilhaft) und einer zusätzlichen Schicht eines hochelastischen Materials (505) (geringes ii-Modul und Shore-Härte). Diese Schichtfolge kann wiederholt werden. Ferner kann die Folge auch mit einer viskoelastischen Schicht beginnen und enden, d. h. als innerste und äußerste Schicht. Ein Gehäuse (506), bevorzugter Weise steif und/oder massereich, schließt die Spule nach außen hin ab und bildet die Grenzfläche zur Umgebung (ggf. eingehüllt in Dämmschaumstoff oder weiteren Materialien). Da gewöhnlich eine bestimmte Seite auf einen Probanden angewandt wird, können die Schichtdicken auf dieser Seite von jenen auf den anderen Seiten abweichen (beispielsweise geringer sein). Ebenso müssen die verbleibenden Seiten nicht untereinander gleiche Schichtdicken aufweisen. Figure 5 shows a cross section of a coil according to the first embodiment of the mechanical part of the invention. The individual turns of the conductor (501) are electrically isolated and mechanically fixed to each other. This fixed connection (503) is made with high rigidity (characterized by a high modulus of elasticity). The connection between the outermost turn and the cable or a second coil ring, for example in a so-called figure-of-eight or butterfly coil can be used to form a mechanically stabilizing beam, as indicated in the figure. All of the columns may also be filled with rigid materials, as indicated in the figure by reference numeral 502 (also called "stiff core") .The entire rigid block, which is composed of the individual conductors, will depend on the housing and the environment a layer of viscoelastic material (504) (high 77 value, in addition a high ii value is advantageous) and an additional layer of a highly elastic material (505) (low ii modulus and shore hardness) This layer sequence can be repeated. Furthermore, the sequence may also begin and end with a viscoelastic layer, ie, as the innermost and outermost layers A housing (506), preferably rigid and / or massive, terminates the coil outwardly and forms the interface with the environment (if desired). wrapped in insulating foam or other materials) Since a certain side is usually applied to a subject, the layer thicknesses on this side of those on the whose pages differ (for example, be less). Likewise, the remaining pages do not have to have the same layer thicknesses.
Leiter (501): vorzugsweise mit hoher Dichte, vorzugsweise steif, vorzugsweise nicht zu dünn (Vermeidung von Biegemoden in Querrichtung), vorzugsweise keine inhomogene Masse oder Massendichte (ähnliche Dicke, um Stimmgabeleffekt zu vermeiden); steifer Kern (502); vorzugsweise steife Verbindung (503): beispielsweise Epoxyd-Kapton-Epoxyd- Verbund, Faserverbundstoff, Glaswolle, Aramid-Epoxyd- Verbundstoff (im Falle von Kapton oder Polyimiden mit Oberflächenbehandlung als Haftvermittler), steifes Epoxyd oder Cyanoacrylat-Epoxyd; hochgradig viskoelastische Schicht (504): vorzugsweise hohes Young-Modul, vorzugsweise hohe Viskosität, zur Aussteifung und Erzeugung mechanischer Energieverluste; hochgradig elastische Schicht (505): zur Entkopplung; Gehäuse (506): vorzugsweise steif und massereich, gegebenenfalls Streben zur Aussteifung und weichere Einsätze für eine kontrollierte Erzeugung von mechanischen Moden. Conductor (501): preferably of high density, preferably stiff, preferably not too thin (avoiding bending modes in the transverse direction), preferably no inhomogeneous mass or bulk density (similar thickness to avoid tuning fork effect); rigid core (502); preferably rigid compound (503): for example, epoxy-Kapton-epoxy composite, fiber composite, glass wool, aramid-epoxy composite (in the case of Kapton or polyimides with surface treatment as a primer), rigid epoxy or cyanoacrylate epoxide; highly viscoelastic layer (504): preferably high Young's modulus, preferably high viscosity, for stiffening and generating mechanical energy losses; highly elastic layer (505): for decoupling; Housing (506): preferably rigid and massive, optionally struts for stiffening and softer inserts for controlled generation of mechanical modes.
Figur 6 zeigt eine besondere Ausführungsform, in der die Leiter der Ausführungsform aus Figur 5 durch einen Kupfer-beschichteten Stahlleiter (601) (sogenannter copper-clad steel) gebildet werden. In diesem besonderen Fall ist der Leiter als flacher Bandleiter mit einem Stahlkern ausgeführt, der auf beiden Seiten von Kupfer bedeckt ist. Andere Leiterformen und -querschnitte können ebenso zum Einsatz kommen. FIG. 6 shows a particular embodiment in which the conductors of the embodiment from FIG. 5 are formed by a copper-coated steel conductor (601) (so-called copper-clad steel). In In this particular case, the conductor is designed as a flat band conductor with a steel core covered on both sides by copper. Other conductor shapes and cross sections can also be used.
Figur 7 zeigt eine Modifikation des Spulenquerschnittes aus Figur 5, in der der Effekt der viskoelastischen Schicht durch eine zusätzliche steife Schicht (708) verstärkt wird. In diesem Fall kommt die viskoelastische Schicht (704) zwischen zwei steifen Schichten (702, 708) zu liegen. Diese Struktur erzwingen, dass Schwingungen immer die viskosen Materialeigenschaften dieser Schicht antreiben und Scherbelastung, Biegung und Kompression nach sich ziehen; andernfalls könnten Schwingungen lediglich die gesamte viskoelastische Schicht, die relativ steif ist, ohne eine (verlustbehaftete) Formänderung des Materials verschieben oder Moden mit relativ geringem viskosen Energieverlust anregen. Eine Alternative zu einer zusätzlichen steifen Schicht können ferner steife Körner oder Balken in der viskoelastischen Schicht sein, die eine Verformung oder Biegung des viskoelastischen Materials erzwingen.  Figure 7 shows a modification of the coil cross-section of Figure 5 in which the effect of the viscoelastic layer is enhanced by an additional rigid layer (708). In this case, the viscoelastic layer (704) comes to lie between two rigid layers (702, 708). This structure forces vibrations to always drive the viscous material properties of this layer, causing shear stress, bending and compression; otherwise, vibrations could only shift the entire viscoelastic layer, which is relatively stiff, without (lossy) shape change of the material or exciting modes with relatively little viscous energy loss. An alternative to an additional rigid layer may also be rigid grains or bars in the viscoelastic layer which force deformation or flexing of the viscoelastic material.
Figur 8 zeigt einen Querschnitt einer Spule gemäß der zweiten Ausführungsform des mechanischen Teils der Erfindung. Die einzelnen Windungen (801) werden individuell ebenso behandelt wie der größere Block, der in der ersten Ausführungsform (z. B. Figur 5) von einigen oder allen Leitern oder Windungen desselben Leiters (801) zusammen gebildet wurde. Die einzelnen Windungen sind von zugehörigen viskoelastischen Schichten (803) und zugehörigen elastischen Schichten (802) umgeben. Im Falle von im Vergleich zum Abstand der Windungen zueinander großen Schichtdicken können die viskoelastischen Schichten und/oder die elastischen Schichten von einzelnen, beispielsweise benach- harten Leitern oder Windungen einander berühren und eine einzelne zusammenhängende Schicht bilden. Sollte ausreichend Platz vorhanden sein, wie hier dargestellt, können die verbleibenden Spalten und Zwischenräume in der Spule mit einem viskoelastischen Material (804) gefüllt werden. Alternativ können die Spalten und Zwischenräume mit dem Material der jeweils am nächsten gelegenen Schicht gefüllt werden. Für die vorliegende Ausführungsform umschließt das Gehäuse die Spule und bildet die Oberfläche zur Umgebung (ggf. eingehüllt in Dämmschaumstoff oder weiteren Materialien). Die Leiter können einen runden oder ovalen Querschnitt für ein gutes Oberflächen-zu- Volumen- Verhältnis besitzen. Ferner kann der Leiter ein Kupfer-beschichteter Leiter sein, beispielsweise mit Stahlkern. Bz. (801): Leiter, ggf. mit Stahl gefüllt; Bz. (802) elastische Schicht oder Schlauch; Bz. (803) viskoelastische Schicht oder Schlauch (hohes n*E); Bz. (804) Verguss, ggf. mit viskoelastischen Elementen, Schichten oder Bereichen.  Figure 8 shows a cross section of a coil according to the second embodiment of the mechanical part of the invention. The individual turns (801) are individually treated as well as the larger block formed in the first embodiment (e.g., Figure 5) of some or all of the conductors or turns of the same conductor (801). The individual turns are surrounded by associated viscoelastic layers (803) and associated elastic layers (802). In the case of layer thicknesses which are large relative to one another in relation to the spacing of the turns, the viscoelastic layers and / or the elastic layers of individual, for example adjacent, conductors or turns can touch one another and form a single coherent layer. Should there be sufficient space, as shown here, the remaining gaps and spaces in the coil can be filled with a viscoelastic material (804). Alternatively, the gaps and spaces may be filled with the material of the closest layer. For the present embodiment, the housing encloses the coil and forms the surface to the environment (possibly wrapped in insulating foam or other materials). The conductors may have a round or oval cross section for a good surface to volume ratio. Furthermore, the conductor may be a copper-coated conductor, for example with a steel core. Bz. (801): ladder, possibly filled with steel; Bz. (802) elastic layer or hose; Bz. (803) viscoelastic layer or tube (high n * E); Bz. (804) Potting, possibly with viscoelastic elements, layers or areas.
Figur 9 zeigt die Oberfläche einer Spule, die teilweise mit bekannten Maßnahmen weiter verstärkt ist, beispielsweise mit Balken, um die Steifigkeit und/oder die Masse allgemein oder für bestimmte (mechanische) Moden zu erhöhen. Figur 10 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Verhältnisse des zweiten Teils der Erfindung und vereinfacht Äquivalenzen mit elektronischen Elementen. Eine Druckquelle (1001), d. h. ein mechanisches Äquivalent einer elektrischen Spannungsquelle, auf der linken Seite repräsentiert die Umwandlung von elektromagnetischer Energie in die akustische Domäne. Die hohe Steifigkeit (Est and Esi) (1002) and die hohe Masse (ms) (1003) des Leiters, wie von der Erfindung bevorzugt, erhöht die Eingangsimpedanz und minimiert die Energiemenge, die umgewandelt ist. Dämpfungs- und Ent- kopplungseinheiten Jede gebildet aus je einer viskoelastischen Schicht (mit Viskositäten and η^ und einer elastischen Schicht (mit E-Moduln Ee\ and Ee ), wandeln die Energie in Wärme und entkoppeln jeweils deren linke Seite von deren rechter Seite in der Schaltungsdarstellung. Diese Einheiten können wiederholt werden. Das Gehäuse mit Masse mc und E-Moduln Ec\ sowie Ect bildet die Grenzfläche zur Umgebung, an die es Schall durch Luft- und Körperleitung abgibt. Die äquivalenten elektrischen Elemente sind weitestgehend eine Näherung, weil nahezu alle bekannten Materialien eine starke Frequenzabhängigkeit deren Parameter und deutliche Nichtlinearitäten aufweisen. Ferner kann eine Beschreibung in Form einer eindimensionaler Schaltung die komplizierten dreidimensionalen geometrischen Verhältnisse nur annähern. Figure 9 shows the surface of a coil, which is further reinforced in part with known measures, for example with beams, to increase the rigidity and / or mass in general or for certain (mechanical) modes. Figure 10 shows a simplified equivalent circuit of the acoustic ratios of the second part of the invention and simplifies equivalences with electronic elements. A pressure source (1001), ie a mechanical equivalent of an electrical voltage source, on the left represents the conversion of electromagnetic energy into the acoustic domain. The high stiffness (E st and E s i) (1002) and the high mass (m s ) (1003) of the conductor, as preferred by the invention, increases the input impedance and minimizes the amount of energy that is converted. Damping and decoupling units Each formed of a viscoelastic layer (with viscosities and η ^ and an elastic layer (with E moduli E e \ and E e ) convert the energy into heat and decouple their left side from their right Page in the circuit diagram These units can be repeated The housing with mass m c and moduli E c \ and E ct forms the interface with the environment to which it emits sound through air and body conduction The equivalent electrical elements are as far as possible An approximation, because almost all known materials have a strong frequency dependence of their parameters and significant nonlinearities Furthermore, a description in the form of a one-dimensional circuit can only approximate the complicated three-dimensional geometric relationships.
Die Elemente zeichnen sich als Druckquelle (1001), eine hohe Steifigkeit (1002), eine hohe Masse (1003), hohe Viskosität/Viskoelastizität (1004), sowie hohe Elastizität und geringe Steifigkeit (1005) aus. Bei den Blöcken handelt es sich um die Quelle mit hoher Quellimpedanz (1006), Dämpfung und/oder Entkopplung (1007) und ein Gehäuse (1008).  The elements are characterized by pressure source (1001), high rigidity (1002), high mass (1003), high viscosity / viscoelasticity (1004), high elasticity and low rigidity (1005). The blocks are the source with high source impedance (1006), attenuation and / or decoupling (1007) and a package (1008).
Figur 11 zeigt Äquivalenzen zwischen elektrischen und mechanischen/akustischen Größen.  FIG. 11 shows equivalences between electrical and mechanical / acoustic parameters.
Figur 12 illustriert die Kräfte, die die Schwingungen in einer Spule verursachen. Darstellung 1201 verdeutlicht die dominante Richtung der Kräfte zwischen den Leiterwindungen (1204, 1205, 1206) in einer Spule, die das Material zwischen zwei Leitern oder Leiterwindungen (1204, 1205, 1206) zusammendrücken. Darstellung 1202 zeigt die Umwandlung von Biegeschwingungen im Leiterkern in Schwerbelastung in der viskoelastischen Schicht. Darstellung 1203 zeigt longitudinale Schwingungen (folglich Kontraktion bzw. Translation der Materialien), die für TMS-Spulen abhängig von den spezi- fischen Materialeigenschaften für hochfrequente Frequenzanteile mehr Bedeutung hat, überwiegend über der Hörgrenze.  Figure 12 illustrates the forces that cause the vibrations in a coil. Representation 1201 illustrates the dominant direction of forces between the conductor turns (1204, 1205, 1206) in a coil compressing the material between two conductors or conductor turns (1204, 1205, 1206). Illustration 1202 shows the conversion of bending vibrations in the conductor core under heavy load in the viscoelastic layer. Representation 1203 shows longitudinal oscillations (hence contraction or translation of the materials), which is more important for TMS coils, depending on the specific material properties for high-frequency frequency components, predominantly above the audible limit.
Figur 13 zeigt gemessene Wellenformen eines TMS-Pulses mit einer Periodendauer von 300 μ8 (1301, 1303) und eines kürzeren Pulses mit 45 μ8 (1302, 1304) Dauer. Beide Pulse wurde mit einem Controllable-pulse-parameter-TMS-Gerät (cTMS) und einer Rundspule erzeugt. Das elektrische Feld, der von jedem Puls erzeugt wird, wurde mit einer dl/dt-Sonde mit einer einzelnen Windung gemessen. Die neuronale Spitzendepolarisation, die von jedem Puls induziert wird, wurde nachgebildet, indem das Signal der Sonde durch ein Tiefpassfilter erster Ordnung mit einer Zeitkonstante von 150 μ8 geleitet wurde. Die Intensität jedes Pulses wurde so gewählt, dass jeder Puls eine Depolarisation (gemessen von Spitze zu Spitze) von 1000 mV erzeugt. Nach erfolgtem Abgleich wurde das akustische Signal, 280 das von der Rundspule erzeugt wurde mit einem AKG C214-Mikrophon aufgezeichnet. Sowohl das Mikrophon als auch die Spule wurden in einem akustisch isolierten Raum platziert, um den Hintergrundschall zu reduzieren und den Spulenschall vom Geräusch, das das Gerät während des Pulses erzeugt, zu isolieren. Ein zweites abgeglichenes AKG C214-Mikrophon zeichnete Geräusche im Raum auf, so dass die akustische Isolierung überprüft werden konnte.„qTMS" (1303, 1304) bezeichnet Aufnahmen mit einer Spule im Sinne der vorliegenden Erfindung.„Magstim" (1301, 1302) verweist auf eine kommerzielle 90 mm Rundspule. FIG. 13 shows measured waveforms of a TMS pulse with a period of 300 μ8 (1301, 1303) and a shorter pulse with 45 μ8 (1302, 1304) duration. Both pulses were generated with a controllable-pulse-parameter TMS device (cTMS) and a round coil. The electric field generated by each pulse was measured with a single turn dl / dt probe. The peak neuronal depolarization induced by each pulse was replicated by passing the signal from the probe through a first order low pass filter with a time constant of 150 μ8. The intensity of each pulse was chosen so that each pulse depolarized (measured from peak to peak) of 1000 mV. After adjustment, the acoustic signal 280 generated by the round coil was recorded with an AKG C214 microphone. Both the microphone and the coil were placed in an acoustically isolated space to reduce background noise and to isolate the coil sound from the noise generated by the device during the pulse. A second tuned AKG C214 microphone recorded noise in the room so that the acoustic isolation could be checked. "QTMS" (1303, 1304) refers to recordings with a coil in the sense of the present invention "Magstim" (1301, 1302) on a commercial 90 mm round coil.
Figur 14 zeigt Schallaufnahmen zugehörig zu den elektrischen Pulsen (Wellenformen) aus Figur 13. FIG. 14 shows sound recordings associated with the electrical pulses (waveforms) from FIG. 13.
Figur 15 zeigt Leistungsdichtespektren zugehörig zu den elektrischen Pulsen (Wellenformen) aus Figur 13 und den korrespondierenden Schallaufnahmen aus Figur 14. FIG. 15 shows power density spectra associated with the electrical pulses (waveforms) of FIG. 13 and the corresponding sound recordings of FIG. 14.
2 0 Figur 16 vergleicht die Schallpegel (äquivalenter mittlerer Schalldruckpegel nach A-Gewichtung) zugehörig zu den elektrischen Pulsen aus Figur 13.  FIG. 16 compares the sound levels (equivalent average sound pressure level after A weighting) associated with the electrical pulses from FIG. 13.
Figur 17 zeigt eine Schaltungstopologie, die ultrakurze TMS-Pulse im Sinne der Erfindung erzeugen kann. Die Schaltung stellt eine biphasische Topologie dar, in der übliche Thyristor als Schalter (1702) durch einen IGBT ersetzt ist. Letzterer erlaubt deutlich höhere Stromdynamiken, die für ultrakurze Pulse vonnöten sind. Zukünftige Thyristorgenerationen könnten deren Einsatz für ultrakurze Pulses ggf. auch ermöglichen. Ein wichtiger Nachteil dieser Topologie ist die fest von der Schaltung vorgegebene Pulsform mit vorgegebener Pulsdauer und somit auch spektralen Charakteristika.  FIG. 17 shows a circuit topology that can generate ultrashort TMS pulses according to the invention. The circuit represents a biphasic topology in which common thyristor as switch (1702) is replaced by an IGBT. The latter allows significantly higher current dynamics, which are needed for ultrashort pulses. Future thyristor generations could also possibly enable their use for ultra-short pulses. An important disadvantage of this topology is the fixed pulse shape given by the circuit with predetermined pulse duration and thus also spectral characteristics.
Figur 18 zeigt wie zwei oder mehrere Halbleiterschalter im Sinne einer Ausführungsform der Erfindung in Serie geschaltet werden können, um die gemeinsame Spannungsfestigkeit (spezifizierte 3oo schaltbare Spitzenschaltung) zu erhöhen. Die zusätzlichen passiven Schaltungselemente bilden eine Ausgleichsschaltung, die sicherstellt, dass die Gesamtspannung in mehrere stabile, bevorzugter Weise gleiche Teile geteilt wird. In diesem Beispiel teilen die Widerstände (Ra and Rb) die Spannung v. a. für statische Spannungen, beispielsweise im Zustand von offenen Schaltern; die Kondensatoren (Ca and Cb) stabilisieren den Spannungsteiler während transienter Vorgänge, beispielsweise beim Schalten oder während eines sinusförmigen Pulsverlaufs. Andere bekannte Methoden zur Spannungsteilung von in Serie geschalteten Schaltern, wie beispielsweise antiparallele Zener-Dioden und Transient- voltage-suppressor-Elemente, können ebenso genutzt werden. Figure 18 shows how two or more semiconductor switches in accordance with one embodiment of the invention can be connected in series to increase the common withstand voltage (specified peak switchable circuit). The additional passive circuit elements form a compensation circuit which ensures that the total voltage is divided into a plurality of stable, preferably equal parts. In this example, the resistors (R a and Rb) divide the voltage va for static voltages, for example in the state of open switches; the capacitors (C a and C b ) stabilize the voltage divider during transient processes, for example during switching or during a sinusoidal pulse progression. Other known methods for voltage division of series connected switches, such as antiparallel zener diodes and transient voltage suppressor elements, may also be used.
Figur 19 zeigt eine cTMS-Technologie mit einer Halbbrücke aus zwei elektronischen Schaltern (1903, 1904). Diese Technologie erlaubt eine Steuerung der Pulsdauer und kann entsprechend das 3io Frequenzspektrum eines Pulses in der Spule L (1907) ändern.  Figure 19 shows a cTMS technology with a half bridge of two electronic switches (1903, 1904). This technology allows control of the pulse duration and can accordingly change the frequency spectrum of a pulse in the coil L (1907).
Figur 20 zeigt eine cTMS-Technologie mit zwei Halbbrücken aus jeweils zwei elektronischen Schaltern (2003, 2004) und (2005, 2006) für erweiterte Flexibilität. Figur 21 zeigt einen modularen Stimulator zur Erzeugung von Hochspannungspulses durch die Nutzung kleinerer Spannungsschritte. Die Figur zeigt die Struktur der Gesamtschaltung mit N Modulen, einer Spule L und einer Steuerung sowie Leitungen zur Energieversorgung. Die einzelnen Module können als kleine H-Brücken-Schaltungen implementiert werden (siehe Figur 22). Die gesamte Pulsspannung wird in kleinere Einheiten geteilt, jede etwa i/N-tel der gesamten Pulsspannung. Die Modulstruktur hält die Schaltung so im Gleichgewicht, dass keines der Schaltungskomponenten in den Modulen, sowohl Halbleiter als auch passive Elemente wie Kondensatoren, mehr als i N-tel der Puls- Spannung ausgesetzt sind. Dieser Ansatz ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Figure 20 shows a cTMS technology with two half-bridges of two electronic switches each (2003, 2004) and (2005, 2006) for enhanced flexibility. Figure 21 shows a modular stimulator for generating high voltage pulses through the use of smaller voltage steps. The figure shows the structure of the overall circuit with N modules, a coil L and a controller and lines for power supply. The individual modules can be implemented as small H-bridge circuits (see FIG. 22). The entire pulse voltage is divided into smaller units, each about 1 / Nth of the total pulse voltage. The module structure keeps the circuit in balance so that none of the circuit components in the modules, both semiconductors and passive elements such as capacitors, are exposed to more than one pulse-voltage. This approach allows the use of cost-effective
Schaltungselementen mit geringer Spannungsauslegung. Zudem kann das System schnell zwischen den Spannungsniveaus umschalten und Pulse sehr flexibel und frei synthetisieren.  Circuit elements with low voltage design. In addition, the system can quickly switch between voltage levels and synthesize pulses very flexibly and freely.
Figur 22 zeigt eine Modulschaltung für die N Module aus Figur 21  FIG. 22 shows a module circuit for the N modules from FIG. 21
Figur 23 zeigt einen treppenförmigen Puls, der durch die hohe Flexibilität aufgrund des dynamischen Umschaltens zwischen den Schaltungsniveaus der Module aus der Schaltung aus den Figuren 21 und 22 erzeugt und von Puls zu Puls modifiziert werden kann.  Figure 23 shows a staircase pulse which can be generated and modified from pulse to pulse by the high flexibility due to the dynamic switching between the circuit levels of the modules of the circuit of Figures 21 and 22.
Figur 24 zeigt einen Random- Walk-Puls, der die hohe Flexibilität der Schaltung aus den Figuren 21 und 22 illustriert.  Figure 24 shows a random walk pulse illustrating the high flexibility of the circuit of Figures 21 and 22.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Ziel der Erfindung ist, den vom TMS-Gerät erzeugten Lärm zu verringern und dabei die effektiveThe aim of the invention is to reduce the noise generated by the TMS device and thereby the effective
Stärke der Neurostimulation durch den TMS-Puls aufrechtzuerhalten. Die Erfindung von leisem TMS (quiet TMS) besteht aus zwei Teilen, die kombiniert aber auch einzeln, getrennt verwendet werden können. Strength of neurostimulation maintained by the TMS pulse. The invention of quiet TMS (quiet TMS) consists of two parts, which can be combined but also used separately, separately.
(1) Der erste Teil besteht darin, einen beträchtlichen Teil des Spektrums des TMS-Pulsgeräusches hin zu höheren Frequenzen zu schieben, sodass der spektrale Anteil, der in den Bereich der höchsten Sen- sitivität des menschlichen Ohres zwischen 500 Hz und 8 kHz fällt, minimal ist; besonders bevorzugt ist eine Verschiebung eines beträchtlichen Teils des Spektrums zu Frequenzen über der menschlichen Hörgrenze von etwa 18 kHz - 20 kHz. Dieser Ansatz stützt sich auf drei Gründe. Erstens ist die menschliche Wahrnehmung von Geräuschen oberhalb der Hörgrenze vernachlässigbar. Zweitens sind mechanische Schwingungen von einem technischen Standpunkt aus betrachtet deutlich einfacher zu unterdrücken als solche im gebräuchhchn TMS-Spektrum. Dies beruht auf einem stärkeren Effekt der Trägheit, dem steigenden Verhältnis aus Dicke der Bedämpfungsmittel und Wellenlänge sowie der typischen Frequenzabhängigkeit der Eigenschaften von Materialien zur Implementierung der Erfindung (siehe Punkt (2) in den folgenden Abschnitten) [Moser M., Kropp W. (2010). Körperschall. Springer, Berlin/New York.]. Die arbeitsrechtlichen Grenzwerte für Ultraschall sind andererseits höher als im Hörbereich [Duck F.A. (2007). Medical and non-medical protection Standards for ultrasound and infrasound. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93(1-3): 176-191.]. Drittens ist die benötigte TMS-Pulsleistung für derartige ultrakurze Pulse reduziert [Barker A.T., Garnham C.W., and Freeston IL. (1991). Magnetic nerve Stimulation: the effect of waveform on efficiency, determination of neural membrane time constants and the measurement of stimulator Output. Electroencephalogra- phy and clinical neurophysiology. Supplement 43:227-237; Goetz S.M., Truong C.N., Gerhofer M.G, Peterchev A.V., Herzog H.G, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8(3): e55771.]. Die Verwendung dieser Pulse nutzt den Umstand, dass die Neuronen mit Pulsen unterschiedlicher Form und Dauer stimuliert werden können, wenn die Amplitude in geeignetem Maß skaliert wird. Beispielsweise sind Pulse, die aus kürzeren elektrischen Stromphasen bestehen, mit höheren akustischen Frequenzen verbunden. Somit liegen, wenn die TMS- Pulsphasen in geeignetem Maß kurz gemacht werden und die Stromamplitude in geeigneter Weise gewählt wird, die dominanten spektralen Anteile des Pulses über dem menschlichen spektralen Hörbereich (Hörspektrum), während der Puls weiterhin in der Lage ist, Neurostimulation, beispielsweise in der Form von Aktionspotentialen, auszulösen. Eine Pulsphase ist dabei ein Teil des elektrischen Pulses; gewöhnlich bezeichnet eine Phase oder Pulsphase einen Teil des Pulses, während dessen der Strom nicht die Polarität wechselt und der entweder durch den Beginn eines Pulses und/oder das Ende eines Pulses und/oder einen Polaritätswechsel des Stromes begrenzt wird. (1) The first part consists in shifting a considerable part of the spectrum of the TMS pulse sound to higher frequencies, so that the spectral component falling within the range of the highest sensitivity of the human ear between 500 Hz and 8 kHz, is minimal; particularly preferred is a shift of a substantial portion of the spectrum to frequencies above the human auditory limit of about 18 kHz - 20 kHz. This approach is based on three reasons. First, the human perception of sounds above the auditory limit is negligible. Second, from a technical standpoint, mechanical vibrations are much easier to suppress than those in the conventional TMS spectrum. This is due to a greater effect of inertia, the increasing ratio of thickness of the damping agents and wavelength, and the typical frequency dependence of the properties of materials for implementing the invention (see item (2) in the following sections) [Moser M., Kropp W. (J. 2010). Structure-borne sound. Springer, Berlin / New York.]. On the other hand, the labor law limits for ultrasound are higher than in the auditory sector [Duck FA (2007). Medical and non-medical protection Standards for ultrasound and infrasound. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93 (1-3): 176-191.]. Third, the TMS pulse power needed is reduced for such ultrashort pulses [Barker AT, Garnham CW, and Freeston IL. (1991). Magnetic nerve stimulation: the effect of waveform on efficiency, determination of neural membrane time constants and the measurement of stimulator output. Electroencephalography and clinical neurophysiology. Supplement 43: 227-237; Goetz SM, Truong CN, Gerhofer MG, Peterchev AV, Duke HG, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8 (3): e55771.]. The use of these pulses makes use of the fact that the neurons can be stimulated with pulses of different shape and duration when the amplitude is appropriately scaled. For example, pulses that consist of shorter electrical current phases are associated with higher acoustic frequencies. Thus, if the TMS pulse phases are made appropriately short and the current amplitude is properly selected, the dominant spectral components of the pulse over the human spectral hearing range (auditory spectrum) while the pulse is still capable of neurostimulation, for example in the form of action potentials. A pulse phase is part of the electrical pulse; usually, a phase or pulse phase refers to a portion of the pulse during which the current does not change polarity and is limited by either the beginning of a pulse and / or the end of a pulse and / or a polarity change of the current.
(2) Der zweite Teil besteht darin die Komponenten (Spule, Spulenkabel und Pulsquelle) so zu gestalten, dass trotz der sehr hohen elektromagnetischen Energie eines Pulses (a) nur ein geringfügiger Teil der elektromagnetischen Energie in mechanische/akustische Energie umgewandelt wird, (b) der Teil der mechanischen/akustischen Energie, der an die Umgebung abgegeben wird, minimiert wird und (c) der Anteil der mechanischen/akustischen Energie, der nicht abgegeben wird, zügig innerhalb des Gerätes in Wärme umgewandelt wird. Diese Betrachtungen können für alle Elemente des Gerätes angewandt werden, aber sind am bedeutendsten für die Stimulationsspule, die aufgrund der hohen magnetischen Felder und elektromagnetischen Kräften die dominante Quelle von Lärm ist, und die sich am nächsten zum Bediener, Probanden und Patienten befindet. Um die Ziele (a-c) zu erreichen, schlägt diese Erfindung mehrere Maßnahmen vor, darunter gezielter Impedanzversatz (auch als impedance mismatching bezeichnet), frequenzselektive Entkopplung mit phasenverschiebenden Materialien und reibungsbehaftete Elemente zur mechanischen Leistungsabgabe. Nach dem Stand der Technik sind diese Maßnahmen bisher nicht gezielt für verbesserte TMS-Geräusch-Unterdrückung herangezogen worden.  (2) The second part consists in designing the components (coil, coil cable and pulse source) so that, despite the very high electromagnetic energy of a pulse (a), only a small part of the electromagnetic energy is converted into mechanical / acoustic energy (b ) the portion of the mechanical / acoustic energy delivered to the environment is minimized and (c) the portion of the mechanical / acoustic energy that is not dissipated is rapidly converted into heat within the apparatus. These considerations can be applied to all elements of the device, but are most significant to the stimulation coil, which is the dominant source of noise due to high magnetic fields and electromagnetic forces, and which is closest to the operator, subjects, and patients. In order to achieve objectives (a-c), this invention proposes several measures, including targeted impedance mismatching, frequency-selective decoupling with phase-shifting materials, and frictional mechanical power delivery elements. According to the state of the art, these measures have hitherto not been deliberately used for improved TMS noise suppression.
Teil 1: Ultraschall-Pulsspektrum Part 1: Ultrasonic Pulse Spectrum
Der erste Teil der Erfindung verschiebt einen bedeutenden Teil des Spektrums der akustischen Emissionen aus dem Hörbereich, insbesondere in den Ultraschallbereich (> 18-20 kHz). Ein zentraler Einflussfaktor für die akustische Emission ist die Wellenform des Strompulses, der sowohl den Stimulati- onseffekt als auch, aufgrund der Umwandlung von elektromagnetischen Kräften in akustische Schwindungen, die Schallemission bewirkt. Der erste Teil wird derart vom weiter unten beschriebenen zweiten Teil unterstützt, dass alle Elemente derart ausgeführt werden müssen, dass sie lediglich einen kleinen Anteil des Energieinhaltes der Hochfrequenzschwingungen zurück in den Hörbereich umwandeln, beispielsweise durch mechanische Effekte (beispielsweise Energieaustausch zwischen Moden oder nichtlineare Effekte), und dass sie daher die Frequenzen auch im mechanischen Bereich in hohen Bereichen halten. The first part of the invention shifts a significant portion of the spectrum of acoustic emissions from the listening area, particularly to the ultrasonic range (> 18-20 kHz). A central factor influencing the acoustic emission is the waveform of the current pulse, which stimulates both the stimulation Onesffekt as well, due to the conversion of electromagnetic forces into acoustic shrinkage, the sound emission causes. The first part is supported by the second part described below, in that all elements have to be executed in such a way that they convert only a small part of the energy content of the high-frequency vibrations back into the listening area, for example by mechanical effects (for example energy exchange between modes or non-linear effects). , and that they therefore keep the frequencies in the mechanical range in high ranges.
Dieser Ansatz ist aufgrund der folgenden Gründe nicht offensichtlich für den Fachmann:  This approach is not obvious to one skilled in the art for the following reasons:
3 0 (1) Die sehr kurze elektrische Pulswellenform legt nicht unmittelbar den Zeitverlauf und das Spektrum der akustischen Emission fest. Während konventionelle Pulse weitestgehend sinusförmige Stromverläufe nutzen, die ausgeprägte Spektralanteile mit Seitenbändern um die Sinusfrequenz herum aufweisen (siehe Figur 2), zeigen die zugehörigen Schallaufnahmen eine weite, fast flache Verteilung der Emission entlang des gesamten hörbaren Bereiches (siehe Figur 15). Der exakte Zusammenhang zwischen diesen beiden Phänomenen ist nicht gut untersucht. Der große Unterschied rührt zum Teil von nichtlinearen mechanischen Effekten, die von den physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien abhängen. Ferner ist das Spektrum gebräuchlicher TMS-Pulswellenformen (gewöhnlich so genannte biphasische Pulse) nicht monomodal sondern sehr breit wegen deren Kürze und deren scharfem Ansatz/Ausklingen. 3 0 (1) The very short electric pulse waveform does not directly determine the time course and the spectrum of the acoustic emission. Whereas conventional pulses use largely sinusoidal current waveforms which have pronounced spectral components with sidebands around the sinusoidal frequency (see FIG. 2), the associated sound recordings show a wide, almost flat distribution of the emission along the entire audible range (see FIG. 15). The exact relationship between these two phenomena has not been well studied. Part of the big difference comes from non-linear mechanical effects, which depend on the physical properties of the materials used. Furthermore, the spectrum of common TMS pulse waveforms (usually called biphasic pulses) is not monomodal but very broad because of their brevity and their sharp onset / fading.
4oo (2) Die Implementierung von Pulsen mit Frequenzen, die den menschlichen Hörbereich übersteigen war bislang für Magnetstimulation technisch nicht möglich. Die starken Ströme und hohen Spannungen, die TMS benötigt, werden gewöhnlich mit Thyristoren geschaltet. Thyristoren sind jedoch hinsichtlich ihrer Fähigkeiten, schnelles Schalten von Strömen durchzuführen, begrenzt. Aus diesem Grund erzeugen existierende TMS-Geräte Pulse, die nahezu ausschließlich im Bereich von 1 kHz und 3 kHz liegen. Dieser Bereich korrespondiert mit der höchsten Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs und ist daher der schlechteste hinsichtlich Lärmerzeugung. Erst kürzlich erlaubt neue Gerätetechnologie, beispielsweise Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) und Metalloxyd- Feldeffekttransisotren (MOSFET), die Erzeugung kürzerer Pulses und weitreichendere Kontrolle über die Wellenform. Vor deren Einführung war es technisch unmöglich oder vollständig unpraktikabel, 4oo (2) The implementation of pulses with frequencies that exceed the human hearing range has not been technically possible for magnetic stimulation. The high currents and high voltages required by TMS are usually switched with thyristors. However, thyristors are limited in their ability to perform fast switching of currents. For this reason, existing TMS devices generate pulses that are almost exclusively in the range of 1 kHz and 3 kHz. This range corresponds to the highest sensitivity of human hearing and is therefore the worst in terms of noise generation. Recently, new device technology, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and metal oxide field effect transistors (MOSFETs), has allowed for the generation of shorter pulses and wider control over the waveform. Before its introduction, it was technically impossible or completely impractical,
4io kompliziertere Wellenformen als Sinuswellen (beispielsweise die in den Figuren 3 und 4 vorgeschlagenen) zu erzeugen, was die Möglichkeit, die akustischen Emissionen mithilfe der TMS- Pulswellenform zu beeinflussen, begrenzte. TMS-Geräte und zugehörige Technologien, die grundsätzlich Kontrolle über die Pulsform und Pulsdauer erlauben, standen nicht zur Verfügung, bevor sie von den Erfindern entwickelt wurden [Peterchev A.V, Jalinous R., and Lisanby S.H. (2008). A transcranial magnetic stimulator inducing near-rectangular pulses with controllable pulse width (cTMS). IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55(l):257-266; Peterchev A.V, Murphy D.L., and Lisanby S.H. (2011). Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters. Journal of Neural Engineering, 8:036016; Goetz S.M., Pfaeffl M., Huber J., Singer M., Marquardt R., and Weyh T. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 4700- 4703, doi: 10.1109/EMBC.2012.6347016.]. 4 to produce more complex waveforms than sine waves (such as those proposed in FIGS. 3 and 4), which limited the ability to influence acoustic emissions using the TMS pulse waveform. TMS devices and related technologies, which generally allow control over pulse shape and pulse duration, were not available until they were developed by the inventors [Peterchev AV, Jalinous R., and Lisanby SH (2008). A transcranial magnetic stimulator inducing near-rectangular pulses with controllable pulse width (cTMS). IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55 (1): 257-266; Peterchev AV, Murphy DL, and Lisanby SH (2011). Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters. Journal of Neural Engineering, 8: 036016; Goetz SM, Pfaeffl M., Huber J., Singer M., Marquardt R., and Weyh T. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 4700-4703, doi: 10.1109 / EMBC.2012.6347016.].
(3) Dieser Ansatz ist nicht trivial, da Wellenformen, die weitestgehend aus Hochfrequenzanteilen oberhalb des Hörbereiches liegen, in einen Bereich vordringen, der allgemein als nicht gut geeignet für die induktive Neurostimulation, folglich TMS, betrachtet wurden [Litvak E., Foster K.R., and Repa- choli M.H. (2002). Health and safety implications of exposure to electromagnetic fields in the fre- quency ränge 300 Hz to 10 MHz. Bioelectromagnetics, 23(l):68-82.]. Dem stehenjedoch die neuesten Ergebnisse der Erfinder entgegen [Goetz S.M., Truong C.N., Gerhofer M.G, Peterchev A.V., Herzog H.G, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8(3): e55771.], die darlegen, dass diese Betrachtung teilweise eine Missinterpretation war. Ferner war Schallemission und die Kontrolle von Schallquellen geringfügig oberhalb des Hörbereiches auch in der gewöhnlichen Tontechnik und technischen Akustik nicht gut etabliert. Die mechanischen Eigenschaften der meisten Materialien weichen von deren Verhalten im akustischen Bereich ab. Beides hätte eine Erhöhung der Frequenz schwierig gestaltet.  (3) This approach is not trivial, as waveforms largely composed of high frequency portions above the auditory range penetrate into an area which is generally considered to be not well suited for inductive neurostimulation, hence TMS [Litvak E., Foster KR, and Repacholi MH (2002). In the frequency range 300 Hz to 10 MHz. Bioelectromagnetics, 23 (1): 68-82.]. However, this is offset by the inventors' latest findings [Goetz S.M., Truong C.N., Gerhofer M.G., Peterchev A.V., Herzog H.G, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8 (3): e55771.], Arguing that this consideration was partly a misinterpretation. Furthermore, sound emission and the control of sound sources slightly above the listening range were not well established even in ordinary sound and technical acoustics. The mechanical properties of most materials differ from their behavior in the acoustic domain. Both would have made increasing the frequency difficult.
(4) Aufgrund der Kürze und des scharfen Einsatzes von bekannten Wellenformen in der Magnetstimulation und insbesondere von der kleinen Untergruppe letzterer, die mit etablierter Technologie erzeugt werden kann, haben diese Wellenformen eine sehr hohe spektrale Bandbreite. Aus diesem Grund wurde eine Verkürzung des Pulses allgemein als weder technisch gerechtfertigt noch als effektiv zur Reduktion der Schallemission betrachtet. Unsere experimentelle und theoretische Forschung untermauert, dass der Schall weitestgehend vom Stromverlauf getrieben wird und dass der Schall mit steigender Frequenz bei Vergleich der akustischen Emissionen stets an der Stimulationsschwelle eines Nervs fällt. (4) Due to the brevity and sharpness of known waveforms in magnetic stimulation, and especially the small subset of the latter, which can be generated with established technology, these waveforms have a very high spectral bandwidth. For this reason, shortening the pulse has generally been considered neither technically justified nor effective in reducing acoustic emissions. Our experimental and theoretical research supports the fact that sound is largely driven by the current flow and that the sound with increasing frequency when comparing the acoustic emissions always falls at the stimulation threshold of a nerve.
Das Ziel den hörbaren Lärm von TMS zu reduzieren kann erreicht werden, indem der magnetische Puls, der wiederum direkt vom Strompuls erzeugt wird, verkürzt wird, sodass die Grundfrequenz und dominante Frequenz oberhalb von 18-20 kHz liegt (siehe Figur 2). Wegen des wohlbekannten Stärke- Pulslängen-Zusammenhangs (sogenannte strength-duration curve) der neuronalen Reaktionsantwort hat dies zur Folge, dass die Pulsamplitude erhöht werden muss, um eine ebenso starke Neurostimulation zu erreichen. Dies wiederum zieht nach sich, dass die Spitzenspannung und/oder der Strom in der TMS-Spule erhöht werden müssen, wie in Figur 1 gezeigt. The goal of reducing the audible noise from TMS can be achieved by shortening the magnetic pulse, which in turn is generated directly by the current pulse, so that the fundamental frequency and dominant frequency are above 18-20 kHz (see Figure 2). Because of the well-known strength-duration curve of the neuronal response response, this has the consequence that the pulse amplitude must be increased in order to achieve an equally strong neurostimulation. This in turn implies that the peak voltage and / or the current in the TMS coil must be increased, as shown in FIG.
Das Magnitudenspektrum in Figur 2 vergleicht den Spulenstrom eines konventionellen biphasischen Pulses (201, schwarz) mit dem Spulenstrom eines abgeglichenen Pulses mit einer Grundfrequenz von 30 kHz (202). Beide Stimuli wurden computergestützt abgeglichen, um näherungsweise dieselbe Neu- rostimulationsstärke aufzuweisen. Obwohl die spektrale Spitzenleistung für beide Pulse ähnlich ist, ist der spektrale Anteil im Hörbereich für den 30 kHz-Puls deutlich reduziert im Vergleich zum konventionellen Puls, der seine Spitze im Spektrum im Bereich der maximalen auditorischen Empfindlichkeit zwischen 0.5 kHz und 2 kHz aufweist. Figur 16 zeigt, dass die Lautheit des emittierten Schalls für kürzere Pulse signifikant verringert ist, indem ein Puls mit einer Dauer von 45 μ8 mit einem typischen 300 μ8-Ρ^8 verglichen wird, die beide amplitudenangepasst sind, um die gleiche effektive Neurosti- mulationsstärke aufzuweisen. The magnitude spectrum in FIG. 2 compares the coil current of a conventional biphasic pulse (201, black) with the coil current of a balanced pulse with a fundamental frequency of 30 kHz (202). Both stimuli were computer-assisted to have approximately the same neurostimulation strength. Although the spectral peak power is similar for both pulses the spectral component in the hearing range for the 30 kHz pulse is significantly reduced in comparison to the conventional pulse, which has its peak in the spectrum in the range of maximum auditory sensitivity between 0.5 kHz and 2 kHz. FIG. 16 shows that the loudness of the emitted sound is significantly reduced for shorter pulses by comparing a pulse having a duration of 45 μ8 with a typical 300 μ8-Ρ8, both of which are amplitude matched, to the same effective neurostimulation strength exhibit.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung weist mehrere Verfeinerungen auf. Anstelle eines sinusförmigen biphasischen Pulses mit erhöhter Grundfrequenz - was im Grunde einer Sinusschwin- gung entspricht, die nach einer Periode gestoppt wird - kann die Anzahl der Wellenzüge erhöht werden. Solche multiphasischen oder polyphasischen Pulse verringern einerseits die neuronale Auslöseschwelle [Emrich D., Fischer A., Altenhöfer C, Weyh T., Helling F., Brielmeier M., and Matiasek K. (2012). Muscle force development after low-frequency magnetic burst Stimulation in dogs. Muscle & nerve, 46(6): 951-959; Wada S., Kubota H., Maita S., Yamamoto I., Yamaguchi M., Andoh T., Kawa- kami T., Okumura F., and Takenaka T. (1996). Effects of Stimulus waveform on magnetic nerve Stimulation. Japanese Journal of Applied Physics, 35: 1983-1988.] und andererseits die Breite des Spektrums im Vergleich zum biphasischen Puls (siehe Figur 4).  A particular embodiment of the invention has several refinements. Instead of a sinusoidal biphasic pulse with increased fundamental frequency - which basically corresponds to a sinusoidal oscillation, which is stopped after a period - the number of wave trains can be increased. On the one hand, such multiphasic or polyphasic pulses reduce the neural triggering threshold [Emrich D., Fischer A., Altenhöfer C, Weyh T., Helling F., Brielmeier M., and Matiasek K. (2012). Muscle force development after low-frequency magnetic burst stimulation in dogs. Muscle & Nerve, 46 (6): 951-959; Wada S., Kubota H., Maita S., Yamamoto I., Yamaguchi M., Andoh T., Kawamami T., Okumura F., and Takenaka T. (1996). Effects of Stimulus waveform on magnetic nerve stimulation. Japanese Journal of Applied Physics, 35: 1983-1988.] And, on the other hand, the width of the spectrum compared to the biphasic pulse (see Figure 4).
Eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung verwendet eine amplitudenmodulierte Wellenform, die beispielsweise mit einer Gauss-förmigen oder Secanshyperbolicus-förmigen Einhüllen- den weich einblendet und ausblendet, die beispielsweise aus bandbreitebegrenzten ultrakurzen Laser- Pulsen in der Optik bekannt sind (siehe Figuren 3 und 4). Zusätzlich zu einem schmaleren Spektrum verursachen diese Pulse im allgemeinen geringere nichtlineare Effekte, da sie einen weniger abrupten Beginn und ebenfalls eine niedrigere Spitzenamplitude des Magnetfeldes und damit der Kräfte bei gleichem Stimulationseffekt im Vergleich zur klassischen sinusförmigen, biphasischen Wellenform aufweisen. Derartige nichtlineare mechanische Effekte in den einzelnen Teilen des Stimulationssystems, insbesondere in der Spule, sind der Hauptmechanismus, der die unhörbaren Anteile eines TMS- Wellenform-Spektrums in den Hörbereich transferiert. Klassische TMS-Pulsquellentechnologien können keine derartigen bandbreitebegrenzten Pulse aufgrund von Einschränkungen verbunden mit der Schaltungstopologie und der Implementierung erzeugen.  A further preferred embodiment of the invention uses an amplitude-modulated waveform which softly fades in and fades out, for example, with a Gauss-shaped or Secans hyperbolic-shaped envelope, which are known, for example, from bandwidth-limited ultrashort laser pulses in optics (see FIGS. 3 and 4). , In addition to a narrower spectrum, these pulses generally cause less non-linear effects since they have a less abrupt onset and also a lower peak amplitude of the magnetic field and thus forces with the same stimulation effect compared to the classical sinusoidal biphasic waveform. Such nonlinear mechanical effects in the individual parts of the stimulation system, particularly in the coil, are the major mechanism that transfers the inaudible portions of a TMS waveform spectrum into the auditory range. Classic TMS pulse source technologies can not generate such bandwidth limited pulses due to limitations associated with the circuit topology and implementation.
Die Erzeugung kurzer Pulse (d. h. mit Grundfrequenzen im Bereich von mehreren zehn Kilohertz) nahe der neuronalen Auslöseschwelle benötigen höhere Spitzenspannungen und/oder Ströme. Figur 1 zeigt das benötigte Spannungsniveau für sinusförmige, biphasische Pulse in Abhängigkeit der Grundfrequenz für zwei Spulen (9 und 18 Windungen). Ein nichtlineares Neuronmodell nach dem Stand der Technik schätzt eine nötige Spitzenspannung von etwa 10 kV, um einen äquivalenten Amplitudenbereich wie ein typischer derzeitiger kommerzieller Stimulator, wie beispielsweise das Magstim Rapid- Gerät zu erhalten. Wie oben genannt ist der begrenzende Faktor der gebräuchlichsten elektronischen Schaltung, der biphasischen Topologie (Figur 17) für kürzere Pulse mit gleichzeitig höherer Spannung der gewöhnlich eingesetzte Thyristor-Schalter. Gegenwärtig erhältliche IGBTs erlauben dagegen etwa 300-fach höhere Stromanstiegsgeschwindigkeiten. Dieser Geschwindigkeitsanstieg ermöglicht den im Vergleich zu konventionellen TMS-Pulsen etwa zehnfach kürzeren ultrakurzen Puls. Entsprechend kann ein Oszillator die vorgeschlagenen ultrakurzen Pulse durch eine Reduktion des Produktes von Spuleninduktivität L und Quellenkapazität C erzeugen. The generation of short pulses (ie, with fundamental frequencies in the tens of kilohertz range) near the neural triggering threshold require higher peak voltages and / or currents. FIG. 1 shows the required voltage level for sinusoidal, biphasic pulses as a function of the fundamental frequency for two coils (9 and 18 turns). A prior art nonlinear neuron model estimates a necessary peak voltage of about 10 kV to achieve an equivalent amplitude range, such as the typical current commercial stimulator, such as the Magstim Rapid device. As noted above, the limiting factor of the most common electronic circuit, the biphasic topology (Figure 17), is the commonly used thyristor switch for shorter, higher voltage pulses. On the other hand, currently available IGBTs allow about 300 times higher current slew rates. This increase in speed allows the ultrashort pulse to be about ten times shorter than conventional TMS pulses. Accordingly, an oscillator can produce the proposed ultrashort pulses by reducing the product of coil inductance L and source capacitance C.
In einer besonderen Ausführungsform werden die ultrakurzen Strompulse der Erfindung mit einer Oszillatorschaltung beinhaltend einem Pulskondensator, einem elektrischen Schalter und einer Stimulationsspule erzeugt, wobei der Schalter mindestens einen IGBT enthält und das Produkt aus Spuleninduktivität L und Kapazität des Pulskondensators C geringer als 150 Mikrohenry mal Mikrofarad beträgt.  In a particular embodiment, the ultrashort current pulses of the invention are generated with an oscillator circuit including a pulse capacitor, an electrical switch and a stimulation coil, wherein the switch contains at least one IGBT and the product of coil inductance L and capacitance of the pulse capacitor C is less than 150 microhenrys microfarad ,
Einige TMS-Technologien der Erfinder (siehe Figuren 19, 20, 21, 22) ermöglichen erstmalig die Er- 5oo zeugung ultrakurzer Pulse mit ausreichender Spannung und einigen effizienteren Wellenformen. Beispielsweise kann der Puls aus Figur 12 mit der sogenannten cTMS-Technologie aus Figur 13 [Peter- chev A.V (2010). US 2012/0108883, EP2432547] erzeugt werden. Die cTMS-Topologie in Figur 19 besteht aus einer Halbbrücke mit Kondensatoren Ca und Cb, die einen Mittelabgriff besitzen. Diese Topologie kann aktiv von einer Pulsphase in die nächste umschalten, indem die Spule L zwischen den Kondensatoren Ca und Cb mithilfe der Schalter und Qi kommutiert wird. Entsprechend kann die Pulsdauer und die dominante Frequenz und/oder die Grundfrequenz des Pulses von der Steuersoftware, die die Schaltzeitpunkte der Schalter Qx und Q2 steuert, verändert werden. Um die Frequenz aller Wellenformphasen gleichmäßig zu verkürzen, sollten die Kondensatoren Ca und Cb ähnliche Spannungsgrenzen aufweisen. Das cTMS-Konzept wird in Figur 20 erweitert. Die zwei Halbbrücken- 5io Schaltungen (Q1-Q2 und Q3-Q4) ermöglichen eine stückweise Erzeugung der Wellenform mit denSome of the inventors' TMS technologies (see Figures 19, 20, 21, 22) allow for the first time the generation of ultrashort pulses with sufficient voltage and some more efficient waveforms. For example, the pulse from FIG. 12 can be used with the so-called cTMS technology from FIG. 13 [Peterchev AV (2010). US 2012/0108883, EP2432547]. The cTMS topology in Figure 19 consists of a half-bridge with capacitors C a and C b , which have a center tap. This topology can actively switch from one pulse phase to the next by switching the coil L between the capacitors C a and Cb using the switches and Qi commutes. Accordingly, the pulse duration and the dominant frequency and / or the fundamental frequency of the pulse by the control software which controls the switching instants of the switches Q x and Q 2 can be changed. To uniformly shorten the frequency of all waveform phases, capacitors C a and C b should have similar voltage limits. The cTMS concept is expanded in FIG. The two half-bridge circuits (Q1-Q2 and Q3-Q4) allow the waveform to be piecewise generated with the
Spannungsniveaus der Kondensatoren Ca und Cb, mit deren Differenzspannung, sowie mit dem Nullspannungsniveau, das entsteht, wenn die zwei Spulenanschlüsse durch die Schalter Q2 und Q3 kurzgeschlossen werden. Der wichtige Vorteil dieser zwei Schaltungen ist, dass sie (a) rechteckige Spannungspulse erzeugen können, die effizienter sind als sinusförmige TMS-Pulse sowie die für Stimulation nötige Spitzenspannung deutlich reduzieren [Goetz S.M., Truong C.N., Gerhofer M.G, Peterchev A.V, Herzog H.G, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8(3): e55771; Peterchev A.V, Jalinous R., and Lisanby S.H. (2008). Atran- scranial magnetic stimulator inducing near-rectangular pulses with controllable pulse width (cTMS). IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55(l):257-266; Peterchev A.V, Murphy D.L., and 520 Lisanby S.H. (2011). Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters. Voltage levels of the capacitors C a and C b , with their differential voltage, as well as with the zero voltage level, which arises when the two coil terminals are short-circuited by the switches Q 2 and Q3. The important advantage of these two circuits is that they can (a) generate rectangular voltage pulses that are more efficient than sinusoidal TMS pulses and significantly reduce the peak voltage needed for stimulation [Goetz SM, Truong CN, Gerhofer MG, Peterchev AV, Herzog HG, Weyh T. (2013). Analysis and Optimization of Pulse Dynamics for Magnetic Stimulation. PLOS One, 8 (3): e55771; Peterchev AV, Jalinous R., and Lisanby SH (2008). Atran- scranial magnetic stimulator inducing near-rectangular pulses with controllable pulse width (cTMS). IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55 (1): 257-266; Peterchev AV, Murphy DL, and 520 Lisanby SH (2011). Repetitive transcranial magnetic stimulator with controllable pulse parameters.
Journal of Neural Engineering, 8:036016.] und (b) eine Änderung der Pulsdauer erlauben, die weiter das Spektrum der Wellenform festlegt (die Pulsdauer kann individuell für jeden Puls in einer Pulssequenz gesteuert werden). Journal of Neural Engineering, 8: 036016.] And (b) allow a change in the pulse duration that continues determines the spectrum of the waveform (the pulse duration can be controlled individually for each pulse in a pulse sequence).
Um die benötigte Pulsquellenspannung (bis zu ~10 kV) bis zu dem Bereich zu reduzieren, in dem kostengünstigere Halbleiter erhältlich sind (bis -3.3 kV), kann ein Ausgangstransformator für alle genannten Topologien verwendet werden. Die Spuleninduktivität kann dabei im typischen Bereich von etwa 8 μΗ bis 25 μΗ belassen werden, um die Verluste aufgrund des andernfalls (bei geringerer Induktivität) höheren Stromes im Kabel und einem andernfalls geringeren Verhältnisses von Spuleninduktivität und parasitären Induktivitäten in Serie zu der Spule zu verringern.  In order to reduce the required pulse source voltage (up to ~10 kV) to the range where less expensive semiconductors are available (down to -3.3 kV), an output transformer can be used for all the mentioned topologies. The coil inductance may be maintained in the typical range of about 8 μΗ to 25 μΗ in order to reduce the losses due to the otherwise (at lower inductance) higher current in the cable and an otherwise lower ratio of coil inductance and parasitic inductances in series with the coil.
530 Ein alternativer Ansatz zur Bewältigung der hohen Spannungen und Ströme, die für ultrakurze TMS- Pulse benötigt werden, besteht darin, die Pulsquelle mit einer modularen Schaltungstopologie wie in Figur 21 abgebildet zu implementieren. Wie in Figur 21 gezeigt, ist die gesamte Pulsspannung gleich der aufsummierten Ausgangsspannung der vielen einzelnen Module. Die einzelnen Module können beispielsweise als H-Brücke (siehe Figur 22) implementiert werden. Diese Technology teilt die gesamte hohe Pulsspannung in kleinere Einheiten [Goetz S.M., Pfaeffi M., Huber J., Singer M., Marquardt R., and Weyh T. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 4700-4703, doi:10.1109 EMBC.2012.6347016.]. Mit diesen kleineren Einheiten kann das System eine Wellenform mithilfe von kleineren Spannungsstufen erzeugen, wie in den Aufnahmen in 530 An alternative approach to overcoming the high voltages and currents needed for ultrashort TMS pulses is to implement the pulse source with a modular circuit topology as depicted in FIG. As shown in Figure 21, the total pulse voltage is equal to the accumulated output voltage of the many individual modules. The individual modules can be implemented, for example, as an H-bridge (see FIG. 22). This technology divides the entire high pulse voltage into smaller units [Goetz S.M., Pfaeffi M., Huber J., Singer M., Marquardt R., and Weyh T. (2012). Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform. Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 4700-4703, doi: 10.1109 EMBC.2012.6347016.]. With these smaller units, the system can generate a waveform using smaller voltage levels as in the footage in
540 den Figuren 23, 24 abgebildet ist. Für ein System mit N Modulen (Figur 21), wird die gesamte Pulsspannung für jedes Modul durch N geteilt und dynamisch ausgeglichen, so dass das System kostengünstige Niederspannungskomponenten für die Schalter und Kondensatoren einsetzen kann. 540 is shown in FIGS. 23, 24. For a system with N modules (Figure 21), the total pulse voltage for each module is divided by N and dynamically balanced so that the system can use inexpensive low-voltage components for the switches and capacitors.
Diese Topologie kann als Hochleistungs-Digital-Analog- Wandler betrachtet werden und damit praktisch jede Wellenform erzeugen. Aus diesem Grund kann diese Technologie akustisch vorteilhafte Pulse wie den bandbreitebegrenzten polyphasischen Puls mit Gauß 'scher, hyperbolischer oder ähnlich glatter zeitlicher Einhüllender wie in Figur 3 erzeugen. Alle einsetzbaren Einhüllenden haben gemeinsam, dass sie ein Maximalniveau aufweisen, von welchem die Einhüllende nach beiden Seiten hin monoton abfällt, wobei der Absolutbetrag der Ableitung eine vordefinierte Grenze nicht überschreitet. Ein vertretbarer Wert für diese grenze ist die Amplitude der Einhüllenden geteilt durch die Perioden- 550 dauer des polyphasischen Pulses.  This topology can be considered as a high performance digital-to-analog converter, producing virtually any waveform. For this reason, this technology can produce acoustically advantageous pulses such as the bandwidth-limited polyphasic pulse with Gaussian, hyperbolic, or similar smooth temporal envelope as in FIG. All deployable envelopes have in common that they have a maximum level from which the envelope drops monotonically to either side, with the absolute value of the derivative not exceeding a predefined limit. A reasonable value for this limit is the amplitude of the envelope divided by the period duration of the polyphasic pulse.
Teil 2: Akustisch verbesserte Spule Part 2: Acoustically improved coil
Während Teil 1 der Erfindung umfasst, wie die akustische Emission durch Verwendung geeigneter Pulsformen verringert werden kann, betrifft Teil 2 den mechanischen Aufbau des Systems. Dies schließt die Umwandlung von elektromagnetischer Energie in den mechanischen Bereich, die Fortpflanzung (auch als Ausbreitung oder Übertragung), Umwandlung in Wärme und Emission als Luft- schall und Körperschall, das heißt das Klicken, das gewöhnlich mit TMS-Pulsen verbunden ist, ein. Wie bereits erwähnt wurde, muss die Mechanik zwei Bedingungen erfüllen. Erstens soll die Umwandlung und akustische Emission minimal sein. Zweitens - sollte dies mit Teil 1 der Erfindung kombiniert werden - soll das Schallspektrum des Klicks über dem Hörbereich gehalten werden. Dies schließt ein Minimieren von nichtlinearen mechanischen Effekten ein, die neue Frequenzkomponenten durch Wel- lenformverzerrung erzeugen. Ferner soll die frequenzabhängige akustische Impedanz so ausgeformt werden, dass alle akustischen Schwingungen im Hörbereich innerhalb des TMS-Gerätes (einschließlich der Spule) gehalten werden, so dass sie dort in Wärme umgewandelt werden können. While part 1 of the invention includes how the acoustic emission can be reduced by using appropriate pulse shapes, part 2 relates to the mechanical structure of the system. This includes the conversion of electromagnetic energy into the mechanical range, propagation (also as propagation or transmission), conversion into heat and emission as air Sound and structure-borne noise, that is, the clicking, usually associated with TMS pulses. As already mentioned, the mechanics must fulfill two conditions. First, the conversion and acoustic emission should be minimal. Second, should this be combined with part 1 of the invention, the sound spectrum of the click should be kept above the listening range. This includes minimizing nonlinear mechanical effects that produce new frequency components through waveform distortion. Furthermore, the frequency-dependent acoustic impedance is to be formed so that all acoustic vibrations in the listening area within the TMS device (including the coil) are held so that they can be converted there into heat.
Nachfolgend wird der vollständige Pfad der akustischen Wellen und Schwingungen in mehrere Abschnitte unterteilt die mit unterschiedlichen Mitteln behandelt werden. Der akustische Pfad reicht von der Quelle (alle Teile, die unmittelbar den Pulsstrom leiten) bis zur Oberfläche des Gerätes, an der der Schall mechanisch als Körperschall an den Probanden oder Patienten gekoppelt und/oder als Luftschall in die Umgebung abgegeben wird. Die wichtigsten Geräteteile mit Hinblick auf Emissionen sind aufgrund der strengen Raum- und Gewichtbeschränkungen die Spule und das Spulenkabel. Die Pulsquelle kann dagegen einfach mit bekannten, traditionellen Schallschutzmaßnahmen gedämpft werden. Obwohl der Text sich auf die Spule als Beispiel konzentriert, kann die Erfindung auf alle Elemente eines Stimulationssystems angewandt werden.  Subsequently, the complete path of the acoustic waves and vibrations is divided into several sections which are treated by different means. The acoustic path extends from the source (all parts that directly conduct the pulse current) to the surface of the device, where the sound is mechanically coupled as structure-borne sound to the subject or patient and / or released as airborne sound into the environment. The most important parts of the device with regard to emissions are the coil and the coil cable due to the strict space and weight restrictions. In contrast, the pulse source can be easily damped with known, traditional soundproofing measures. Although the text focuses on the coil as an example, the invention can be applied to all elements of a stimulation system.
Die Spulenstruktur der Erfindung zerlegt den akustischen Pfad systematisch in drei Teile. (1) Die akustische Quelle in einer Spule ist der elektrische Leiter, der aufgrund der magnetischen Kräfte, die von den hohen Pulsströmen erzeugt werden, vibriert. Der zentrale Prozess hierbei ist eine Umwandlung eines Teils der elektrischen Pulsenergie in mechanische Energie, wobei diese Umwandlung zu minimieren ist. (2) Ferner ist die Übertragung der nunmehr durch (1) reduzierten Schallenergie an die Oberfläche, wo sie an die Umgebung als Luftschall und als Körperschall abgegeben wird, zu unterbinden. (3) Stattdessen kann ein bedeutender Anteil des Schalls unterdrückt werden, indem er durch ein dafür vorgesehenes Mittel in der Spule in Wärme umgewandelt wird. Auf der Basis dieser Zerlegung reduziert die Erfindung die gesamte Schallabgabe durch Anpassen der mechanischen Impedanzen mithilfe von Impedanzversatz, phasenschiebenden Elementen (Materialien mit hoher Elastizität und Massendichte) sowie (phasenneutralen) reibungsverlustbehafteten Materialeigenschaften (Viskoe- lastizität).  The coil structure of the invention systematically divides the acoustic path into three parts. (1) The acoustic source in a coil is the electrical conductor that vibrates due to the magnetic forces generated by the high pulse currents. The central process here is a conversion of a part of the electric pulse energy into mechanical energy, whereby this conversion is to be minimized. (2) Furthermore, the transmission of the now reduced by (1) sound energy to the surface, where it is released to the environment as airborne sound and structure-borne noise, to prevent. (3) Instead, a significant portion of the sound can be suppressed by being converted into heat by a dedicated means in the coil. On the basis of this decomposition, the invention reduces the total sound output by adjusting the mechanical impedances by means of impedance offset, phase-shifting elements (materials with high elasticity and mass density) and (phase-neutral) friction-impairing material properties (visco-elasticity).
Am Spulenleiter kann das System als Energiewandler betrachtet werden, der zwei Domänen koppelt: die elektromagnetische und die akustische/mechanische. Im Gegensatz zum traditionellen Sound- Engineering, bei dem die Schallquelle gewöhnlich nicht verändert werden kann, kann für TMS-Geräte der Umwandlungsprozess in die Problemlösung einbezogen werden. Die Schallquellen in Magnetstimulationssystemen sind die Leiter, die den hohen Stimulationspulsstrom leiten. Wegen der elektro- magnetischen Kräfte innerhalb und zwischen Leitern wird ein Teil der elektrischen Energie in akusti- sehe Energie umgewandelt. Um diese Umwandlung zu verringern, so dass weitere Dämpfungsmaß- nahmen nur ein Minimum an akustischer Energie zu bewältigen haben, werden die akustischen Impedanzen vorsätzlich fehlangepasst/gegeneinander versetzt (auch als impedance matching bezeichnet). Die Schallquelle (d. h. der elektromechanische Wandler) ist eine Druck-angeregte Quelle (äquivalent zu einem Synchronmotor unterhalb des Kippmoments, der sich somit im Kraft-angeregten Bereich befindet). Dies impliziert, dass die mechanische Druckamplitude an den Leitern nahezu konstant ist, während die resultierende Auslenkung sowohl vom Druck als auch der mechanischen Impedanz abhängt. In der Erfindung wird den eingehenden akustischen Schwingungen entsprechend eine hohe mechanische Eingangsimpedanz präsentiert, um die Umwandlungsrate zu minimieren. Ferner kann 6oo dieser Schritt insbesondere genutzt werden, um niederfrequentere Moden im hörbaren Spektrum zu unterdrücken. Somit lässt sich die nichtlineare Umwandlung von hochfrequenter Anregung in hörbare Komponenten weiter verringert werden. At the coil conductor, the system can be considered as an energy converter coupling two domains: the electromagnetic and the acoustic / mechanical. Unlike traditional sound engineering, where the sound source usually can not be changed, TMS devices can incorporate the conversion process into problem solving. The sound sources in magnetic stimulation systems are the conductors that conduct the high stimulation pulse current. Because of the electromagnetic forces inside and between conductors, a part of the electrical energy in acoustical see transformed energy. In order to reduce this conversion, so that further attenuation measures have to cope with only a minimum of acoustic energy, the acoustic impedances are intentionally mismatched / offset from each other (also referred to as impedance matching). The sound source (ie, the electromechanical transducer) is a pressure-excited source (equivalent to a synchronous motor below the overturning moment, which is thus in the force-excited region). This implies that the mechanical pressure amplitude at the conductors is nearly constant, while the resulting deflection depends on both the pressure and the mechanical impedance. In the invention, in response to incoming acoustic oscillations, a high input mechanical impedance is presented to minimize the conversion rate. Furthermore, this step can be used in particular to suppress low-frequency modes in the audible spectrum. Thus, the non-linear conversion of high-frequency excitation into audible components can be further reduced.
Abschnitt Energiewandlung Section energy conversion
Ein zentraler Aspekt des ersten Abschnittes des akustischen Pfades ist die Reduktion der elektrischen Energiewandlung in akustische Schwindungen. Erstens minimiert dieser Schritt den Anteil der Energie, die anschließend gedämpft werden muss. Zweitens verbleibt der nun nicht umgewandelte Anteil an Energie auf der elektrischen Seite des elektromechanischen Wandlers und ist nicht weiter Teil der Verluste, wodurch auch die Effizienz des TMS-Gerätes gesteigert wird.  A central aspect of the first section of the acoustic path is the reduction of electrical energy conversion to acoustic shrinkage. First, this step minimizes the amount of energy that must subsequently be damped. Secondly, the now unconverted fraction of energy remains on the electrical side of the electromechanical transducer and is no longer part of the losses, thereby also increasing the efficiency of the TMS device.
Die Umwandlungseffizienz ist im Wesentlichen ein mechanisches Impedanzproblem. Die Wandlung 6io von elektrischer Energie in mechanische Vibrationen findet an den Starkstromleitern in der Spule, der Pulsquelle und den Kabeln dazwischen statt, die wegen der wechselnden magnetischen Kräfte vibrieren. In konventionellen TMS-Systemen wird die elektrische Seite von einem Hochspannungs- Starkstrom-Oszillator mit geringem mechanischem Energieverlust gebildet. Zukünftige TMS- Technologien, die keine Oszillatorschaltung implementieren werden mit hoher Wahrscheinlichkeit weiterhin eine niedrige Impedanz und einen geringen mechanischen Energieverlust aufweisen. Dementsprechend verhalten sich die Leiter aus mechanischer Sicht als Druckquelle. Folglich kann die elektrische Quelle aus mechanischer Sicht als unerschöpflich betrachtet werden und alle Dämpfungsmaßnahmen, die traditionellerweise daraufhinarbeiten, Vibrationen in Wärme umzuwandeln, müssen vermieden werden, um eine geringe Wandlungsrate zu erhalten. Ähnlich einer Spannungsquelle, die 620 an einen geringen Lastwiderstand angeschlossen ist, würde der Schalldruck nur geringfügig reduziert, während die Schallschnelle - als das akustische Äquivalent des elektrischen Stromes - und damit die akustische Energie, die in die mechanische Domäne gewandelt würde, stark anstiege. Lediglich sehr starke Dämpfung könnte die Energiequelle erschöpfen so dass die akustische Emission wieder sänke. Dies würde jedoch in der Regel eine nahezu vollständige Umwandlung der elektrischen Pulsenergie des TMS-Systems in die mechanische Domäne bedeuten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Umwandlung aus diesem Grund gezielt durch Erhöhen der mechanischen Impedanzen mit einer oder beiden der folgenden Wege verringert: The conversion efficiency is essentially a mechanical impedance problem. The conversion of electrical energy into mechanical vibrations takes place at the power conductors in the coil, the pulse source and the cables therebetween, which vibrate because of the alternating magnetic forces. In conventional TMS systems, the electrical side is formed by a high voltage, high current oscillator with little mechanical energy loss. Future TMS technologies that do not implement oscillator circuitry will most likely continue to have low impedance and low mechanical energy loss. Accordingly, the conductors behave from a mechanical point of view as a pressure source. Consequently, the electrical source can be considered inexhaustible from a mechanical point of view, and any attenuation measures that traditionally work to convert vibrations to heat must be avoided to obtain a low conversion rate. Similar to a voltage source connected to a low load resistor in 620, the sound pressure would only be reduced slightly, while the sound velocity - as the acoustic equivalent of the electric current - and thus the acoustic energy that would be converted into the mechanical domain, would rise sharply. Only very strong attenuation could deplete the energy source so that the acoustic emission sink again. However, this would typically mean nearly complete conversion of the TMS system's pulse electric energy into the mechanical domain. For this reason, in accordance with the present invention, the conversion is purposefully reduced by increasing the mechanical impedances by one or both of the following ways:
(a) Die mechanische Steifigkeit des Leiterverbundes wird erhöht. Diese Maßnahme verhindert insbesondere das Auftreten von nieder- und mittelfrequenten akustischen Anteilen. Da für eine konstante Leistung die Schallschnelle näherungsweise mit der Inversen der Frequenz sinkt und da die Steifigkeit der meisten Materialien nichtlinear mit der Frequenz sinkt (d. h. die mechanische Impedanz steigt mit der Frequenz), sinkt der Einfluss der Steifigkeit für höhere Frequenzen. Trotzdem verschiebt eine höhere Steifigkeit den Wandelbereich hin zu höheren Frequenzen verschiebt, unterbindet die Umwandlung von spektralen Seitenbändern und verhindert die Bildung von hörbaren niederfrequenten Anteilen durch nichtlineare Effekte.  (a) The mechanical rigidity of the ladder composite is increased. This measure prevents in particular the occurrence of low and medium frequency acoustic components. Since for a constant power the sound velocity decreases approximately with the inverse of the frequency, and because the stiffness of most materials decreases non-linearly with frequency (i.e., the mechanical impedance increases with frequency), the effect of stiffness for higher frequencies decreases. Nevertheless, a higher stiffness shifts the transition range to higher frequencies, eliminates the conversion of spectral sidebands and prevents the formation of audible low frequency components through non-linear effects.
Maßnahmen zur Erhöhung der Steifigkeit des Leiter sind beispielsweise der Einsatz von Bimetallstrukturen von Kupfer (oder anderen elektrisch gut leitenden Materialien) und einem steiferen Metall, ein verspannter Leiter, der in ein steiferes Material eingebettet ist, Aussteifungselemente wie Balken oder Verstrebungen und/oder durch Verbindung unterschiedlicher Leiter oder Teile von Leitern durch starre Strukturklebstoffe. Ein geeignetes Versteifungsmaterial ist Stahl, das ein etwa vierfach höheres E-Modul (Young-Modulus) als Kupfer aufweist [Moser M., Kropp W. (2010). Körperschall. Springer, Berlin/New York.]. Dünne flache Leiter wie sie beispielsweise in kommerziell erhältlichen Spulen verwendet werden sind ohne starre Stabilisierung suboptimal. Für die Maßnahme der erhöhten Steifigkeit folgt die Frequenzübertragungsfunktion näherungsweise 6 dB ld( )/ld(£) mit der Frequenz der Steifigkeit E und dem Zweierlogarithmus ld. Ferner weisen die meisten realen Materialien eine frequenzabhängige Steifigkeit aus, die in der Regel mit der Frequenz zunimmt [Moser M., Kropp W. (2010). Körperschall. Springer, Berlin/New York.].  Measures to increase the rigidity of the conductor include, for example, the use of bimetallic structures of copper (or other electrically conductive materials) and a more rigid metal, a strained conductor embedded in a stiffer material, stiffening elements such as beams or struts, and / or by connection different conductors or parts of conductors by rigid structural adhesives. A suitable stiffening material is steel, which has about four times the Young modulus (E modulus) than copper [Moser M., Kropp W. (2010). Structure-borne sound. Springer, Berlin / New York.]. Thin flat conductors such as those used in commercially available coils are suboptimal without rigid stabilization. For the increased stiffness measure, the frequency transfer function follows approximately 6 dB ld () / ld (£) with the stiffness E frequency and the two logarithm id. Furthermore, most real materials exhibit frequency-dependent stiffness, which typically increases with frequency [Moser M., Kropp W. (2010). Structure-borne sound. Springer, Berlin / New York.].
(b) Die Masse des Leiterverbundes ist erhöht, um die Massenträgheit zu steigern. Während die Steifigkeit vor allem die Umwandlung geringerer Frequenzen verhindert und die Frequenzübertragungsfunktion als auch mögliche Resonanzen hin zu höheren Frequenzen verschiebt, begrenzt die Masse das Spektrum im hochfrequenten Bereich durch Unterbindung schneller Auslenkungen und damit der Schallschnelle. Wenn das elektromagnetische Spektrum des TMS-Pulses vorwiegend im Hochfrequenzbereich gewählt wird, wird der Einfluss der Masse deutlich erhöht. Die Frequenzcharakteristik der Impedanz nähert sich einem exponentiellen Wachstum mit einer Wachstumsrate von 6 dB/[ld(m) ld( )] mit einer Masse m und der Frequenz  (b) The mass of the ladder composite is increased to increase the inertia. While stiffness mainly prevents the conversion of lower frequencies and shifts the frequency transfer function as well as possible resonances towards higher frequencies, the mass limits the spectrum in the high-frequency range by eliminating fast deflections and thus the speed of sound. If the electromagnetic spectrum of the TMS pulse is selected predominantly in the high-frequency range, the influence of the mass is significantly increased. The frequency characteristic of the impedance approximates exponential growth with a growth rate of 6 dB / [ld (m) ld ()] with mass m and frequency
Wege zur Erhöhung der wirksamen Massen sind eine geeignete Materialwahl und/oder Erhöhung des Volumens. Entsprechend sind ein großer Querschnitt des Leiters und Materialien mit hoher Dichte vorteilhaft. Ein vollständiger Ersatz des Kupfers durch dichtere Leiter mag dagegen zumeist nicht wirtschaftlich sein, weil die Leitfähigkeit dieser steiferen Materialien deutlich geringer ist als von Kupfer (um Faktoren von zwei bis etwa zehn). Aus diesem Grund sind diese steiferen Materialien am vorteilhaftesten an Stellen des Leiters, an welchen die Stromdichte, beispielsweise aufgrund von Hochfrequenzeffekten und anderen Stromverdrängungsphänomenen gering ist. Ways to increase the effective masses are a suitable choice of material and / or increase the volume. Accordingly, a large cross section of the conductor and high density materials are advantageous. In contrast, a complete replacement of copper with denser conductors may not be economical in most cases, because the conductivity of these stiffer materials is significantly lower than that of copper (by factors of two to about ten). For this reason, these stiffer materials are on most advantageous at points of the conductor at which the current density, for example, due to high-frequency effects and other Stromverdrängungsphenomena is low.
Abschnitt Schallleitung Section sound pipe
Ein zweiter Aspekt bei der Auslegung des akustischen Pfades ist das Reduzieren der Fortpflanzung der akustischen Schwingungen von den Leitern zur Oberfläche, von wo aus sie an die Luft als Schall und/oder an den Probanden als Körperschall abgegeben werden.  A second aspect in the design of the acoustic path is to reduce the propagation of the acoustic vibrations from the conductors to the surface, from where they are delivered to the air as sound and / or to the subjects as structure-borne sound.
Für den Frequenzbereich, die räumliche Ausdehnung und die charakteristischen Wellengeschwindigkeiten der Materialien von TMS-Spulen sind die dominanten mechanischen Moden vorwiegend von Biegeschwingungen repräsentiert. Transversale Scherwellen und longitudinale Druckwellen treten dagegen vor allem am unteren und oberen Ende des hier relevanten Frequenzbereichs auf, wo sie effektiv mit bekannten Methoden reduziert werden können.  For the frequency domain, spatial extent, and characteristic wave velocities of TMS coil materials, the dominant mechanical modes are predominantly represented by bending modes. On the other hand, transverse shear waves and longitudinal pressure waves occur above all at the lower and upper end of the relevant frequency range, where they can be effectively reduced by known methods.
Entsprechend müssen der Wellenlängenbereich und die Fortpflanzungsmechanismen der akustischen Abstrahlung in Betracht gezogen werden. Diese hängen von den geometrischen Ausdehnungen, den Materialeigenschaften (insbesondere der Wellengeschwindigkeit für den spezifischen Schwingungstype) und der Anregungsfrequenz ab, die durch die elektromagnetische Wellenform festgelegt wird. Für die typischen Verhältnisse in TMS sind die dominanten Anteile gewöhnlich durch Biegeschwingungen gegeben. Zusätzlich können höhere Frequenzanteile Oberflächenwellen abstrahlen. Lediglich im unteren Frequenzbereich der Schwingungen und vor allem für kleinere Spulen kann die Spule als Punktquelle agieren. In diesem Fall führt der gesamte Körper anstatt von Biegung fast gleichförmige Schwingungen in Form von Translation oder Kontraktion/Expansion durch und wird einem Lautsprecher ähnlich. Für die Materialien und die kompakte Struktur von Spulen dürfte derartiges Punktquellen-Verhalten lediglich am unteren Ende des menschlichen Hörspektrums unter 1 kHz auftreten. Im Ergebnis stellen die Materialschichten nicht nur eine bestimmte Impedanz auf dem Weg von innen nach außen, d. h. von der Quelle zur Umgebung, dar, sondern auch senkrecht zu dieser Richtung, entlang einer Schicht. Akustischer Energiefluss entlang dieser Richtung ist eine Folge der inhomogenen augenblicklichen Schalldruckgegebenheiten aufgrund unterschiedlicher Moden. Ein gezielter Einsatz von Materialeigenschaften wie Steifigkeit, Masse, Viskosität und Elastizität wird in dieser Erfindung genutzt, um unterschiedliche Schallanteile zu beherrschen. In einem vereinfachten bild sind Steifigkeit und Viskosität beispielsweise am wirksamsten gegen dominanten Biegeschwingungen und Biegewel- len, während Massenträgheit die niederfrequenten punktquellenhaften Anteile unterbindet.  Accordingly, the wavelength range and the propagation mechanisms of the acoustic radiation must be taken into consideration. These depend on the geometrical expansions, the material properties (in particular the wave velocity for the specific oscillation type) and the excitation frequency, which is determined by the electromagnetic waveform. For the typical ratios in TMS, the dominant parts are usually given by bending vibrations. In addition, higher frequency components can emit surface waves. Only in the lower frequency range of the vibrations and especially for smaller coils, the coil can act as a point source. In this case, instead of bending, the entire body undergoes almost uniform oscillations in the form of translation or contraction / expansion and becomes similar to a loudspeaker. For the materials and compact structure of coils, such point source behavior is likely to occur only at the lower end of the human auditory spectrum below 1 kHz. As a result, the material layers not only provide a certain impedance on the way from the inside to the outside, i. H. from the source to the environment, but also perpendicular to this direction, along a layer. Acoustic energy flow along this direction is a consequence of the inhomogeneous instantaneous sound pressure conditions due to different modes. A targeted use of material properties such as stiffness, mass, viscosity and elasticity is used in this invention to control different levels of sound. In a simplified picture, stiffness and viscosity, for example, are most effective against dominant flexural vibrations and bending waves, while inertia suppresses the low-frequency point source-like components.
Die phasenschiebende, kapazitive Natur eines elastischen Pfades an die Oberfläche entkoppelt den Spulenwicklungsblock (Kern) und unterdrückt mit einer Tiefpasseigenschaft die Übertragung der akustischen Energie an die Oberfläche der Spule. Abführung der gefangenen mechanischen Energie in Wärme wird in einer steifen viskoelastischen Schichterreicht, die die akustische Quelle (den Leiterkern) als parallel Energie-ableitender Widerstandspfad bedecken kann. The phase-shifting, capacitive nature of an elastic path to the surface decouples the coil winding block (core) and suppresses with a low-pass characteristic the transmission of the acoustic energy to the surface of the coil. Dissipation of trapped mechanical energy in Heat is achieved in a stiff viscoelastic layer that can cover the acoustic source (the conductor core) as a parallel energy-dissipating resistor path.
Schichtdicken, elektrische Isolation und Sicherheit Layer thicknesses, electrical insulation and safety
Der TMS- Spulenleiter kann von einer elektrischen Hochspannungsisolation ummantelt sein. Die akustischen Materialien können auch zur elektrischen Isolation verwendet werden. Eine dickere Schicht aus Isolationsmaterial zwischen der Spule und dem Kopf eines Probanden kann die akustischen Ei- genschaften der Spule verbessern. Allerdings benötigte eine Erhöhung der Isolationsdicke höhere Pulsamplituden zur Stimulation und erzeugte dementsprechend mehr Schall in den Windungen. Aus diesem Grund sollten die viskoelastischen und die elastischen Schichten auf der dem Probanden zugewandten Seite nur Dicken in der Größenordnung von einem Millimeter je Schicht aufweisen. An den Kanten der Spule und allen anderen Seiten dagegen können traditionelle Spulentypen wir Figur- Acht-Spulen (auch Figure-of-Eight-Spule oder Schmetterlingsspule) und Rundspulen dickere Isolation (akustisch und elektrisch) bereitstellen.  The TMS coil conductor can be encased by an electrical high-voltage insulation. The acoustic materials can also be used for electrical insulation. A thicker layer of insulation material between the coil and the head of a subject can improve the acoustic properties of the coil. However, increasing the insulation thickness required higher pulse amplitudes for stimulation and accordingly generated more sound in the turns. For this reason, the viscoelastic and elastic layers on the subject side should only have thicknesses of the order of one millimeter per layer. On the other hand, at the edges of the coil and all other sides, traditional coil types such as figure-eight coils (also figure-of-eight coil or butterfly coil) and round coils can provide thicker insulation (acoustic and electrical).
Wie in traditionellen TMS-Spulen hat die Spulenisolation zwei Aspekte. Die Isolation zwischen den einzelnen Spulenwindungen ist nicht sicherheitsrelevant und kann daher als einfache Standardisolation nach IEC 60601 ausgeführt werden. Gewöhnlich werden Isolationsmaterialien ferner so gewählt, dass sie lichtbogenbeständig sind (beispielsweise Stufe 4 nach VDE 0303), um Nebenwirkungen von möglichen Durchbrüchen zu vermeiden. Für alle vorgeschlagenen mechanischen Materialien sind Vergussstoffe mit Isolationsstärken von über 20 kV/mm erhältlich; darunter elastisches Silikon mit 25 kV, hochgradig steife Epoxydverbundstoffe mit 33 kV/mm, Polyurethan (PU) mit 35 kV/mm, Polyethy- lenterephtalat (PET) mit 90 kV/mm, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) mit 70 kV/mm. Daher können benachbarte Windungen, die nur einem Bruchteil der gesamten Spannung (in der Regel geringer als 1 kV) ausgesetzt werden ausreichend durch den Kernverguss isoliert werden. An Orten, an welchen Windungen mit höherer Spannugnsdifferenz aufeinandertreffen sind Isolationsabstände von bis zu 1 mm in Betracht zu ziehen.  As in traditional TMS coils, coil insulation has two aspects. The insulation between the individual coil turns is not safety-relevant and can therefore be designed as a simple standard insulation according to IEC 60601. Usually insulation materials are further selected to be arc resistant (eg, Stage 4 to VDE 0303) to avoid side effects of potential breakdowns. For all proposed mechanical materials, potting compounds with insulation thicknesses of more than 20 kV / mm are available; including 25 kV elastic silicone, 33 kV / mm highly rigid epoxy composites, 35 kV / mm polyurethane (PU), 90 kV / mm polyethylene terephthalate (PET), 70 kV acrylonitrile butadiene styrene (ABS) / mm. Therefore, adjacent windings exposed to only a fraction of the total voltage (typically less than 1 kV) can be sufficiently isolated by the core potting. In places where windings with higher stress differences meet, insulation distances of up to 1 mm must be considered.
Die Isolation zwischen dem Leiter und der Oberfläche wird dagegen als sicherheitsrelevant angesehen und sollte daher eine verstärkte Isolation nach IEC 60601 sein. Mit den Isolationseigenschaften der Materialien, die für den mechanischen Aufbau vorgeschlagen wurden, werden Isolationsstärken von mehr als 25 kV (AC) mit einer Gesamtdicke von mehr als 2.5 mm vorgeschlagen.  By contrast, the insulation between the conductor and the surface is considered safety-relevant and should therefore be reinforced in accordance with IEC 60601. With the insulating properties of the materials proposed for the mechanical design, insulation strengths greater than 25 kV (AC) with a total thickness of more than 2.5 mm are proposed.
Wenngleich Ultraschallemissionen nicht hörbar sind, können sie dennoch negative Einwirkungen auf den Menschen verursachen. Jedoch sind derartige Hochfrequenzschwingungen vergleichsweise einfach zu unterdrücken, da Wirkung aller drei oben beschriebenen Methoden mit der Frequenz steigt. Die steigende Wirkung ist eine Folge der Trägheit, des steigenden Verhältnisses aus Schichtdicke und Wellenlänge, und/oder typischen der typische Frequenzabhängigkeit der Materialeigenschaften und zeigt sich auch in Prototypen. Aus diesem Grund können die Ultraschallemissionen mit geringem Aufwand unterhalb arbeitsrechtlicher Grenzwerte (110 dB + 9 dB; [Duck F.A. (2007). Medical and non-medical protection Standards for ultrasound and infrasound. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93(1-3): 176-191; ACGIH (2001). Documentation of the Threshold Limit Values for Physical Agents. Cincinnati (OH).]) und empfohlener Expositionsgrenzwerten für die Bevölkerung (100 dB; [Duck F.A. (2007). Medical and non-medical protection Standards for ultrasound and infrasound. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93(1-3): 176-191.]) gehalten werden, die beide geringer sind als die Grenzwerte für Medizinprodukte gemäß IEC 60601. Although ultrasonic emissions are inaudible, they can still cause adverse effects on humans. However, such high frequency vibrations are comparatively easy to suppress since the effect of all three methods described above increases with frequency. The increasing effect is a consequence of the inertia, the increasing ratio of layer thickness and wavelength, and / or typical of the typical frequency dependence of the material properties and also shows up in prototypes. For this reason, ultrasound emissions can be easily reduced below the limits of labor law (110 dB + 9 dB; [Duck FA (2007).] Medical and non-medical protection Standards for ultrasound and infrasound., Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93 (1-3 Cincinnati (OH).]) And recommended exposure limits for the population (100 dB; Duck FA (2007)., Medical and non-medical.): 176-191; ACGIH (2001) Documentation of the Threshold Limit Values for Physical Agents Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93 (1-3): 176-191.]), both of which are lower than the limits for medical devices according to IEC 60601.
Detailbeschreibung der Schichten Detailed description of the layers
Wie beschrieben verringern und leiten zwei Schichten, eine viskoelastische und eine elastische Schicht, die Schallemission des vorzugsweise steifen und schweren Leiterkerns. Vorzugsweise bedeckt die viskoelastische Schicht den Kern, während die elastische Schicht die viskoelastische Schicht umgibt.  As described, two layers, a viscoelastic and an elastic layer, reduce and direct the acoustic emission of the preferably rigid and heavy conductor core. Preferably, the viscoelastic layer covers the core while the elastic layer surrounds the viscoelastic layer.
Eine Schicht oder Materialschicht ist dabei in der Regel ein Volumen, gefüllt mit mindestens einem Material jedweden bekannten Aggregatzustandes (beispielsweise auch ein Niederdruckgas oder Niederdruckgasgemisch), wobei das Volumen mindestens eine wohl definierte Oberfläche aufweist, die mit mindestens einem anderen Material in mechanischem Kontakt steht und die durch den Kontakt gebildete Grenzfläche einen endlichen Flächeninhalt, bevorzugter Weise größer als ein Quadratcenti- menter, besonders bevorzugt größer als fünf Quadratcentimeter, aufweist. Die Grenzfläche zwischen zweier Materialien sollte dabei eine Vermischung der Materialien unterbinden. Beispielsweise können zwei ineinander lösliche Flüssigkeiten oder Gase keine Grenzfläche im Sinne der Erfindung bilden. Dagegen können beispielsweise zwei Festkörpermaterialien (einschließlich Materialien, die oft der Klasse der weichen Materie zugeordnet werden, beispielsweise Polymere, Gele, Materialschäume, etc.) Schichten mit einer wohl definierten Grenzfläche bilden, auch wenn langsame Materialdegradation, Materialdiffusion oder dergleichen von einer Materialschicht in die jeweils andere statt einem stufenartigen Materialübergang zu einem graduellen Materialübergang, sofern der Prozess der Durchmischung an der Grenzfläche im Betrieb langsam verglichen mit typischen Betriebsdauern stattfindet, vorzugsweise weniger als 1 % Massendiffusion in das jeweils andere Material je Stunde. Das Mindestvolumen einer Materialschicht beträgt vorzugsweise 100 Kubikmillimeter. Eine Schicht oder Materialschicht muss nicht notwendigerweise zusammenhängend sein, sondern kann auch aus einer gewissen Zahl an Einzelteilen oder Einzelflecken bestehen, die beispielsweise mit Lücken nebeneinander angeordnet sind. Ferner kann eine Schicht oder eine Materialschicht mehrere unterschiedliche Materialien enthalten, die die erwünschte Gesamteigenschaft (beispielsweise Steifigkeit, Viskoelastizi- tät oder Elastizität) gemeinsam, in Zusammenwirkung bereitstellen oder von welchen jedes Material im Allgemeinen die gewünschte Eigenschaft aufweist, dies aber jeweils in unterschiedlichem Maß oder unterschiedlicher Stärke. A layer or material layer is usually a volume filled with at least one material of any known state of matter (for example, a low-pressure gas or low-pressure gas mixture), wherein the volume has at least one well-defined surface which is in mechanical contact with at least one other material and the interface formed by the contact has a finite surface area, preferably greater than one square centimeter, particularly preferably greater than five square centimeters. The interface between two materials should prevent a mixing of the materials. For example, two liquids or gases which are soluble in one another can not form an interface in the sense of the invention. By contrast, for example, two solid materials (including materials often associated with the class of soft matter, such as polymers, gels, foam materials, etc.) can form layers with a well-defined interface, even if slow material degradation, material diffusion, or the like from a layer of material into the material each other instead of a step-like material transition to a gradual material transition, provided that the process of mixing at the interface takes place slowly in operation compared to typical operating times, preferably less than 1% mass diffusion into the other material per hour. The minimum volume of a material layer is preferably 100 cubic millimeters. A layer or material layer does not necessarily have to be contiguous, but may also consist of a certain number of individual parts or individual spots, which are arranged side by side, for example, with gaps. Further, a layer or layer of material may include a plurality of different materials that provide the desired overall property (eg, stiffness, viscoelasticity, or elasticity) in concert, or any of which material generally has the desired property, but in each case to varying degrees or different strength.
(i) Viskoelastische Schicht:  (i) Viscoelastic layer:
Die viskoelastische Schicht wird durch eine hohe Viskosität η ausgezeichnet. Idealerweise wird letztere von einer hohen Steifigkeit aufgrund eines hohen ^-Moduls begleitet. Das Produkt E η ermöglicht sowohl eine Unterbindung von Biegemoden als auch eine Umwandlung in Wärme, die zu einer Dämpfung der Schallwellem/Schallschwingungen führt, die in die Schicht eintreten. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die viskoelastische Schicht eine mechanisch feste Verbindung mit der wo angrenzenden Schicht aufweist, die näher zur Quelle hin liegt. In diesem Fall können Biegeschwingungen und Biegewellen des Kernes durch Reibungsverluste durch Scherbelastung abgebaut werden, die die wirkungsvollste Mode für die meisten viskoelastischen Materialien darstellt. Obwohl es nicht ausnahmslos notwendig ist, kann die Wirkung der viskoelastischen Schicht deutlich erhöht werden, wenn sie von einer steifen und möglicherweise (aber nicht notwendigerweise) massereichen Schicht abgeschlossen wird, die so ausgestaltet ist, dass die viskoelastische Schicht auf beiden Seiten begrenzt ist. Die steifen Windungsleiter oder jegliche anderer steife Schicht von innen an die viskoelastische Schicht angrenzend und die zusätzliche steife Schicht an der Außenseite können zusammen vorteilhafter Weise die Energieverluste aufgrund von Scherbelastung deutlich erhöhen.  The viscoelastic layer is characterized by a high viscosity η. Ideally, the latter is accompanied by a high stiffness due to a high modulus. The product E η allows both inhibition of bending modes and a conversion to heat, which leads to an attenuation of the sound waves / sound vibrations that enter the layer. For this purpose, it is advantageous if the viscoelastic layer has a mechanically strong bond with the adjacent adjacent layer, which is closer to the source. In this case, flexural vibrations and flexural waves of the core can be relieved by shear stress losses, which is the most effective mode for most viscoelastic materials. Although not invariably necessary, the effect of the viscoelastic layer can be significantly increased if it is completed by a stiff and possibly (but not necessarily) massive layer designed to limit the viscoelastic layer on both sides. The rigid winding conductors or any other rigid layer adjacent to the viscoelastic layer from the inside and the additional rigid layer on the outside together can advantageously together significantly increase the energy losses due to shear stress.
(ii) Elastische Schicht:  (ii) Elastic layer:
780 Im Gegensatz zum Windungsleiter, der die Quelle der akustischen Schwindungen darstellt und sich näherungsweise konstante Druckamplitude und niedrige Impedanz auszeichnet, verhält sich die Grenzfläche der viskoelastischen Schicht gegenüber angrenzenden Schichten als Quelle mit hoher Quellenimpedanz, die durchaus erschöpft werden kann. Das heißt deren Energieinhalt kann praktisch aufgebraucht werden. Aus diesem Grund ist eine Entkopplung durch eine hochgradig elastische Schicht möglich. Die elastische Schicht unterbindet die Schwindungen nicht, sondern agiert wie das mechanische Äquivalent eines (phasenschiebenden) Kondensators im elektrischen Bereich und erzeugt ein mechanisches Tiefpassfilter. Die beschreibenden Gleichungen des Kondensators und der elastischen Schicht sind dabei ähnlich: d/dt <p> = K E <v>, wobei der Druck p das Äquivalent der elektrischen Spannung darstellt, die Schnelle v ist das Äquivalent des elektrischen Stromes, E ist die Unlike the winding conductor, which is the source of acoustic shrinkage and has approximately constant pressure amplitude and low impedance, the interface of the viscoelastic layer to adjacent layers behaves as a high source impedance source that can be quite depleted. That is their energy content can be practically used up. For this reason, a decoupling by a highly elastic layer is possible. The elastic layer does not inhibit the shrinkage, but acts like the mechanical equivalent of a (phase shifting) capacitor in the electrical domain and produces a mechanical low pass filter. The descriptive equations of the capacitor and the elastic layer are similar: d / dt <p> = K E <v>, where the pressure p represents the equivalent of the electrical voltage, the velocity v is the equivalent of the electric current, E is the
7 0 Steifigkeit und K eine Proportionalitätskonstante. 7 0 stiffness and K a proportionality constant.
Sollte die Masse/Massendichte von einer oder beiden Schichten verändert werden können, kann die Impedanzversatz- Wirkung durch eine hohe Dichte/Masse der viskoelastischen Schicht deutlich erhöht werden. Für die elastische Schicht ist dagegen eine geringe Dichte/Masse im Allgemeinen vorteilhaft. Mit der elastischen Schicht wird der innere Kern vom Gehäuse mechanisch entkoppelt.  Should the mass / mass density of one or both layers be changed, the impedance offset effect can be significantly increased by a high density / mass of the viscoelastic layer. In contrast, a low density / mass is generally advantageous for the elastic layer. With the elastic layer of the inner core of the housing is mechanically decoupled.
Die Wirksamkeit sowohl von der elastischen als auch der viskoelastischen Schicht steigt mit der Frequenz. Dieser Effekt wird durch das nichtlineare Verhalten der Viskosität vieler Materialien (bekannt als dilatante Eigenschaft, siehe [Moser M., Kropp W. (2010). Körperschall. Springer, Berlin/New York.]) weiter gesteigert. Entsprechend vereinfacht eine Verschiebung der elektromagnetischen Wellenform hin zu höheren Frequenzen im Sinne der Erfindung auch eine akustische Dämpfung. The effectiveness of both the elastic and the viscoelastic layer increases with frequency. This effect is due to the non-linear behavior of the viscosity of many materials (known as a dilatant property, see [Moser M., Kropp W. (2010). Structure-borne sound. Springer, Berlin / New York.]). Accordingly, a shift of the electromagnetic waveform towards higher frequencies in the sense of the invention also facilitates acoustic damping.
8oo Damit der Entkopplungsansatz korrekt wirkt, sollte eine elastische Schicht von einer massereichen und/oder steifen Schicht umgeben sein. Diese kann entweder das Gehäuse der Spule oder eine sich wiederholende Folge von viskoelastischen und/oder elastischen Schichten gefolgt von einem Gehäuse sein. Um die Massendichte und die Steifigkeit des Gehäuses zu steigern, können Faserverstärkung, Kunststoffschalen (beispielsweise Duroplasten), Acrylamid-Polymer- Verbundwerkstoffe, Keramiken oder Verbundwerkstoffe bestehend aus einem Polymer mit anorganischen Füllstoffen eingesetzt werden.  8oo For the decoupling approach to work properly, an elastic layer should be surrounded by a massive and / or stiff layer. This may be either the housing of the coil or a repetitive series of viscoelastic and / or elastic layers followed by a housing. To increase the bulk density and rigidity of the housing, fiber reinforcement, plastic shells (eg thermosets), acrylamide polymer composites, ceramics or composites consisting of a polymer with inorganic fillers may be used.
In erster Näherung kann die oben dargestellte Spulenanordnung (die sich ebenso auf die Pulsquelle und Kabel anwenden lässt) durch ein weit vereinfachtes Ersatzschaltbild wie in Fig. 10 dargestellt werden. Das Ersatzschaltbild besteht aus einer Druckquelle p, einer gewollt hohen Quellimpedanz 8io dargestellt durch die Masse ms und die hohe Steifigkeit Es, einem Dämpfungsblock bestehend aus einem hochgradig elastischen (d. h. weniger steigen) Element Et und der viskoelastische Komponente r\i (beide können wiederholt werden) sowie dem Gehäuse mit der Masse mc und der Steifigkeit Ec. In a first approximation, the above-described coil arrangement (which can also be applied to the pulse source and cable) can be represented by a much simplified equivalent circuit diagram as in FIG. The equivalent circuit consists of a pressure source p, a wanted high source impedance 8io represented by the mass m s and the high rigidity E s , a damping block consisting of a highly elastic (ie less rising) element E t and the viscoelastic component r i (both can be repeated) and the housing with the mass m c and the stiffness E c .
Weitere Ausführungsformen Further embodiments
Die zwei Hauptausführungsformen von oben beschriebenem Konzept für einen leisen mechanischen Aufbau unterscheiden sich in der Ausführung der einzelnen Elemente, insbesondere des/der Leiter der Windungen. Unterschiede in der Leistungsfähigkeit hängen auch vom Frequenzbereich und dem dominanten Typ der akustischen Moden ab.  The two main embodiments of the above-described concept for a quiet mechanical structure differ in the design of the individual elements, in particular the head of the turns. Differences in performance also depend on the frequency range and the dominant type of acoustic modes.
In einer ersten Ausführungsform (siehe beispielsweise Fig. 5) sind einige oder alle Windungen des oder der Leiter in einem einzelnen steifen Block zusammengefasst und mechanisch fest verbunden. 820 Die einzelnen Windungen sind eng verbunden, beispielsweise in eine Epoxydmatrix eingebettet. Da die Kompressionskräfte auf einen Leiter zu den Nachbarn hin gerichtet sind, ist es ferner möglich einen engen mechanischen Kontakt zwischen den Windungen herzustellen und/oder eine erhöhte Starrheit und Steifigkeit durch mechanisch verspannte Leiter zu erzeugen.  In a first embodiment (see, for example, FIG. 5), some or all of the turns of the conductor or conductors are combined in a single rigid block and mechanically fixed. 820 The individual turns are closely connected, for example embedded in an epoxy matrix. Further, because the compressive forces are directed toward a conductor toward the neighbors, it is possible to establish close mechanical contact between the windings and / or to provide increased rigidity and rigidity through mechanically strained conductors.
Der steife Windungsblock unterdrückt mechanische Bewegung und erhöht die Eingangsimpedanz aus der Perspektive der elektrischen Pulsquelle und der Druckquelle als Sekundärseite des elektromecha- nischen Energiewandlers. Der gesamte Windungsblock wird anschließend gedämpft und entkoppelt durch eine Kombination aus viskoelastischen und elastischen Schichten, deren Folge wiederholt werden kann, wie oben beschrieben wurde. Das Gehäuse kann entweder auf eine elastische oder eine viskoelastische Schicht folgen. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der Leiterblock, der als 830 akustische Quelle agiert, einfach mit verschiedenen Arten von bekannten Maßnahmen wie beispiels- weise Balken/Verstrebungen oder Verbundfasern (beispielsweise Glassfaser oder Polyamide), und geeignete Leiterformen so verstärkt und ausgesteift werden kann, dass mögliche akustische Moden oder Frequenzfenster hin zu höheren Frequenzen geschoben werden. Der gesamte Leiterblock kann relativ kompakt sein und benötigt wenig Platz. Jedoch benötigt der geringe Abstand der einzelnen Windungen eine geeignete elektrische Isolierung, die unter Umständen die Steifigkeit beeinträchtigen kann. The rigid winding block suppresses mechanical movement and increases the input impedance from the perspective of the electrical pulse source and the pressure source as the secondary side of the electromechanical energy converter. The entire winding block is then damped and decoupled by a combination of viscoelastic and elastic layers, the sequence of which can be repeated, as described above. The housing can follow either an elastic or a viscoelastic layer. The advantage of this embodiment is that the conductor block, acting as the 830 acoustic source, can easily be combined with various types of known measures, such as wise beams / struts or composite fibers (eg, glass fiber or polyamides), and suitable conductor shapes can be reinforced and stiffened to push possible acoustic modes or frequency windows toward higher frequencies. The entire conductor block can be relatively compact and requires little space. However, the small pitch of the individual windings requires suitable electrical insulation, which in some circumstances may affect the rigidity.
In einer zweiten Ausfiihrungsform (siehe beispielsweise Fig. 8) ist jede Windung gesondert entkoppelt. Entsprechend ist jede Windung von mindestens einer viskoelastischen und einer (optionalen) elastischen Schicht umgeben. Im Gegensatz zu oben beschriebener ersten Ausfuhrungsform benötigt diese Ausfuhrungsform mehr Platz, ist aber weniger kritisch im Hinblick auf elektrische Isolation zwischen Windungen und einer möglicherweise nicht ausreichend steifen mechanischen Verbindung zwischen einzelnen Windungen. Die Isolationsanforderungen können wichtig sein für ultrakurze, hochfrequente Pulse, von deren elektromagnetischen Pulsspektrum ein erheblicher Anteil oberhalb des Hörbereiches liegt und die vergleichsweise hohe Spannungen von mehreren Kilovolt benötigen, wie vorangehend erklärt wurde.  In a second embodiment (see, for example, FIG. 8) each turn is separately decoupled. Accordingly, each turn is surrounded by at least one viscoelastic and one (optional) elastic layer. In contrast to the first embodiment described above, this embodiment requires more space, but is less critical in terms of electrical insulation between turns and a possibly insufficiently stiff mechanical connection between individual turns. The isolation requirements may be important for ultra-short, high-frequency pulses whose electromagnetic pulse spectrum is significantly above the listening range and which require comparatively high voltages of several kilovolts, as previously explained.
Ferner können die beiden voranstehenden Ausfuhrungsformen eine Hybridform als weitere Ausfuhrungsform bilden, die die Vorteile beider voranstehenden Ausfuhrungsformen vereinigt. In dieser Hybridform hat jede einzelne Windung mindestens eine separate elastische und/oder viskoelastische Schicht wie in der zweiten Ausfuhrungsform. Zusätzlich teilen zwei oder mehrere oder alle Windun- gen die verbleibenden Schichten wie in der ersten Ausführungsform.  Furthermore, the two preceding embodiments can form a hybrid form as a further embodiment, which combines the advantages of the above two embodiments. In this hybrid form, each individual turn has at least one separate elastic and / or viscoelastic layer as in the second embodiment. In addition, two or more or all windings divide the remaining layers as in the first embodiment.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform können die mechanischen Quellimpedanzen weiter gesteigert werden. Wie ausführlich beschrieben kann die Quellenimpedanz durch Erhöhung der Steifigkeit (beschrieben durch das ii-Modul) und/oder die Masse m gesteigert werden. Da die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer im Leiter vorteilhaft ist, können zusätzliche Materialien verwendet werden, um die mechanischen Leitereigenschaften zu verändern. Während dies auch durch Legierung, möglicherweise mit räumlich heterogenen Materialien erreicht werden kann, bevorzugt diese Ausfuhrungsform Bimetalle und Kupfer-beschichtete Metalle. Solche Leiterverbindungen werden durch zwei oder mehrere Metalle - von welchen mindestens Kupfer oder ein ähnlich gut leitendes Material (wie beispielsweise Silber oder Gold) mit gewisser Reinheit - die mechanisch fest miteinander verbunden sind. Diese enge und mechanisch feste Verbindung kann mit bekannten Methoden, beispielsweise verschiedene Schweißtechniken oder chemische Verfahren wie galvanische Abscheidung, erzeugt werden. In a preferred embodiment, the mechanical source impedances can be further increased. As described in detail, the source impedance can be increased by increasing the stiffness (described by the ii-modulus) and / or the mass m. Since the high electrical conductivity of copper in the conductor is advantageous, additional materials can be used to alter the mechanical conductor properties. While this can also be achieved by alloy, possibly with spatially heterogeneous materials, this embodiment prefers bimetals and copper-coated metals. Such conductor connections are formed by two or more metals - of which at least copper or a similar good conductive material (such as silver or gold) with certain purity - which are mechanically fixed together. This close and mechanically strong connection can be produced by known methods, for example various welding techniques or chemical methods such as galvanic deposition.
Derartige Kupfer-beschichtete Leiter werden zur Einsparung von Kupfer in einer Reihe von energietechnischen Anwendungen eingesetzt. Um die Steifigkeit des Leiters zu erhöhen, verwendet eine besonders bevorzugte Ausfuhrungsform Kupfer-beschichtete Stahlleiter. Diese Leiter und die Grenzfläche zwischen den einzelnen, gewöhnlich metallischen Anteilen kann in jeglicher geometrischen Form gewählt werden. Für diese besonders bevorzugte Ausführungsform ist der Kupfer Anteil vorteilhafter Weise so gewählt, dass er die ungleichmäßige lokale Stromverteilung in den Leiterquerschnitten aufgrund von Skin- und Proximity-Effekt sowie anderen Stromverdrängungsphänomenen in der Art widerspiegelt, dass das gut leitende Kupfer an den Orten hoher Stromdichte platziert ist. Demzufolge ist die effektive Leitfähigkeit des gesamten Leiters nur geringfügig niedriger als ein reiner Kupferleiter trotz deutlich vorteilhafter akustischer Eigenschaften aufgrund der gesteigerten mechanischen Steifigkeit. Alternativen zu Stahl sind Molybdän und Wolfram, die beide ein höhere ^-Moduln und höhere Massendichte aufweisen. Zusätzlich zu der gesteigerten Gesamtsteifigkeit des Leiters führen die unterschiedlichen ii-Moduln der einzelnen Komponenten in einem solchen Leiterverbund zu unterschiedlichen akustischen Schallgeschwindigkeiten und können daher Moden von stehenden Wellen verhindern. Ferner verringern sich die Materialkosten der Spule, die bislang hauptsächlich durch das Kupfer dominiert sind. Such copper-coated conductors are used to conserve copper in a number of power engineering applications. In order to increase the rigidity of the conductor, a particularly preferred embodiment uses copper-coated steel conductors. These conductors and the interface between the individual, usually metallic, portions may be in any geometric shape to get voted. For this particularly preferred embodiment, the copper content is advantageously selected to reflect the uneven localized current distribution in the conductor cross-sections due to skin and proximity effects as well as other current displacement phenomena such that the highly conductive copper is placed at the high current density locations is. As a result, the effective conductivity of the entire conductor is only slightly lower than a pure copper conductor, despite significant advantageous acoustic properties due to the increased mechanical stiffness. Alternatives to steel are molybdenum and tungsten, both of which have higher moduli and higher mass density. In addition to the increased overall stiffness of the conductor, the different ii-modules of the individual components in such a ladder composite result in different acoustic sound velocities and can therefore prevent modes of standing waves. Furthermore, reduce the material cost of the coil, which are currently dominated mainly by the copper.
Da die Frequenzkomponenten des elektromagnetischen Pulses relativ hoch sind, sodass der Skin- und der Proximity-Effekt als hochfrequente Stromverdrängungsphänomene eine bedeutende Rolle spielen, kann der Leiter einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weiter in kleiner Unterregionen oder Filamente geteilt werden, wie sie von Hochfrequenzlitze bekannt sind, sodass der gesamte Leiterquerschnitt in kleinere Einheiten geteilt ist, die entweder gegeneinander elektrisch isoliert oder schlecht leitend ausgeführt sind. Das Litzenprinzip dieser besonders bevorzugten Ausführungsform verringert den frequenzabhängigen Anstieg des Leitungswiderstandes und kann in dieser Anwendung durch eine Strukturierung der Leitfähigkeit des Leiters in Unterteilungen des Querschnittes mit unterschiedlicher Leitfähigkeit erreicht werden. Die zwei oder mehr Anteile des Verbundleiters, beispielsweise Kupfer und Stahl, können derart Strukturiert sein, dass das elektrisch gut leitende Material mehrere unabhängige Strompfade entlang des Leiters oder der Leiterachse formt, die in das weniger gut elektrisch leitfähige aber mechanisch steifere Material ähnlich einer Litze mit vielen Filamenten mechanisch fest eingebettet sind.  Since the frequency components of the electromagnetic pulse are relatively high, so that the skin and proximity effects play a significant role as high frequency current displacement phenomena, the conductor of another particularly preferred embodiment may be further divided into smaller subregions or filaments known from high frequency power so that the entire conductor cross-section is divided into smaller units which are either electrically isolated from each other or poorly conductive. The stranded principle of this particularly preferred embodiment reduces the frequency-dependent increase in the line resistance and can be achieved in this application by structuring the conductivity of the conductor in subdivisions of the cross-section with different conductivity. The two or more portions of the composite conductor, such as copper and steel, may be patterned such that the highly electrically conductive material forms a plurality of independent current paths along the conductor or conductor axis that is similar to a strand in the less electrically conductive but mechanically stiffer material many filaments are mechanically firmly embedded.
Alternativ verwendet eine weitere bevorzugte Ausführungsform eine Hochfrequenzlitze. In dieser Ausführung, empfiehlt obiges Konzept einer steifen Spulenwicklung als akustische Quelle, dass die Litze möglichst steif ausgeführt wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Litze in ein steifes Material wie beispielsweise eine Keramik oder ein Polymer eingebettet wird. Ferner können die einzelnen Filamente der Litze selbst Verbundleiter, beispielsweise Kupfer-beschichteter Stahl, sein. Bei letzterem erhalten die einzelnen Filamente eine hohe Steifigkeit aufgrund der Materialeigenschaften.  Alternatively, another preferred embodiment uses a high frequency strand. In this embodiment, the above concept of a stiff coil winding as an acoustic source recommends that the strand is made as stiff as possible. This can be achieved, for example, by embedding the strand in a rigid material such as a ceramic or a polymer. Furthermore, the individual filaments of the strand itself may be composite conductors, for example copper-coated steel. In the latter, the individual filaments receive a high rigidity due to the material properties.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wenngleich weniger leistungsfähig, kann eine reduzierte Schallemission im Vergleich zu bekannten Lösungen im Stand der Technik erreicht werden, indem nur eine entweder viskoelastische oder elastische Schicht eingesetzt wird. Diese Ausführungs- form verwendet lediglich einen Mechanismus, entweder Entkopplung des Leiterkernes vom Gehäuse oder eine Erhöhung der mechanischen Verluste zur Verringerung der Schallemissionen. Eine Verringerung der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie durch Erhöhung der Steifigkeit und/oder der Massendichte und/oder der Masse des Kernes ist jedoch auch in diesem Fall geboten. In a further embodiment of the invention, albeit less powerful, reduced acoustic emission can be achieved in comparison with known solutions in the prior art by using only one either viscoelastic or elastic layer. These execution Form only uses a mechanism, either decoupling the conductor core from the housing or increasing the mechanical losses to reduce the noise emissions. However, a reduction in the conversion of electrical energy into mechanical energy by increasing the stiffness and / or the mass density and / or the mass of the core is also required in this case.
Eine weitere Ausführungsform bezeichnet eine Methode zur Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen, bei welchem durch Strompulse magnetische Feldpulse erzeugt werden, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion im Körpergewebe elektrische Reizströme hervorrufen, die ein Aktionspotential der Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die magnetischen Feldpulse von einer Spule erzeugt werden, die so nahe bei dem zu reizenden Körpergewebe positioniert wird, dass das von der Spule erzeugte Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzt, und wobei die magnetischen Feldpulse einen zeitlichen Verlauf aufweisen, der einem zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stromes durch die Spule entspricht; und wobei der zeitliche Stromverlauf während eines starken Strompulses in der Spule so gewählt wird, dass weniger als ein Viertel der Energie des Strompulses im Spektralbereich von 500 Hz bis 18 kHz liegt.  Another embodiment refers to a method for stimulating nerve and / or muscle cells, in which magnetic pulses are generated by current pulses, which cause electrical stimulation currents in the body tissue according to the principle of electromagnetic induction, which trigger an action potential of the nerve and / or muscle cells. wherein the magnetic field pulses are generated by a coil that is positioned so close to the body tissue to be stimulated that the magnetic field generated by the coil passes through the body tissue, and wherein the magnetic field pulses have a time course, the time course of an electric current through the coil corresponds; and wherein the time course of current during a strong current pulse in the coil is selected so that less than a quarter of the energy of the current pulse in the spectral range of 500 Hz to 18 kHz.
Eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung erzeugt kurze starke Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als einer Millisekunde in mindestens einer Spule, so dass die mindestens eine Spule magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die mindestens eine Spule so ausgeführt ist, dass sie nahe bei dem zu reizenden Körpergewebe positionierbar ist, damit ein von ihr erzeugtes Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzt; wobei die Vorrichtung mindestens einen Kondensator zur Speicherung von für die magnetischen Feldpulse benötigten Energie enthält, wobei die vom Magnetfeld der Spule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim Zehnfachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen. Diese Ausfuhrungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Verringerung des aufgrund des Strompulses von der Spule und/oder mindestens einem elektrischen Zuleitungskabel zu der mindestens einen Spule emittierten akustischen Schalls derart ausgeführt ist, dass mindestens ein elektrischer Leiter der mindestens einen Spule und/oder des mindestens einen elektrischen Zuleitungskabels durch eine Einbettung in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder ein mechanisch steifes Glas eine steife Einheit bildet.  A further embodiment of the invention generates short strong current pulses with a total duration of less than one millisecond in at least one coil, so that the at least one coil generates magnetic field pulses with a magnetic flux density of 0.1 to 10 Tesla, which according to the principle of electromagnetic induction inducing in electrical tissue electrical currents that trigger an action potential of nerve and / or muscle cells by stimulation, the at least one coil being adapted to be positioned close to the body tissue to be stimulated so that a magnetic field generated by it passes through the body tissue; wherein the device comprises at least one capacitor for storing energy required for the magnetic field pulses, wherein the electrical stimulation currents caused by the magnetic field of the coil are at least one tenth and at most ten times the stimulation currents required for stimulating the cells. This embodiment is characterized in that it is designed to reduce the due to the current pulse from the coil and / or at least one electrical supply cable to the at least one coil emitted acoustic sound such that at least one electrical conductor of the at least one coil and / or at least an electrical supply cable by embedding in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically rigid composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass forms a rigid unit.
In einer besonderen Ausfuhrungsform besteht die Verringerung des emittierten akustischen Schalls in vorangehender Ausfuhrungsform in einer Verringerung der psychoakustischen Lautheit und/oder dem Spitzenschallpegel und/oder der Schallenergie und/oder der psychoakustischen Rauhigkeit und/oder der psychoakustischen Schärfe. In a particular embodiment, the reduction of the emitted acoustic sound in the preceding embodiment in a reduction of the psychoacoustic loudness and / or the Peak sound level and / or sound energy and / or psychoacoustic roughness and / or psychoacoustic sharpness.
In einer besonderen Ausfuhrungsform beinhaltet die mindestens eine Spule und/oder das mindestens eine elektrische Zuleitungskabel der vorgenannten Ausfuhrungsformen ferner mindestens eine viskoe- lastische Materialansammlung und/oder mindestens eine elastische Materialansammlung.  In a particular embodiment, the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable of the aforementioned embodiments further includes at least one viscoelastic material accumulation and / or at least one elastic material accumulation.
In einer besonderen Ausfuhrungsform umfasst mindestens ein Leiter der mindestens einen Spule und/oder des mindestens einen elektrischen Zuleitungskabels einer der vorgenannten Ausfuhrungsformen mindestens zwei unterschiedliche Metalle, die auch jeweils unterschiedliche Legierungen sein können, wobei die mindestens zwei Metalle wenigstens eine Grenzfläche aufweisen, an welcher die mindestens zwei Metalle mechanisch fest miteinander verbunden sind, wobei mindestens eines der mindestens zwei Metalle eine um mindestens doppelt so hohe elektrische Leitfähigkeit und zugleich ein maximal halb so großes Elastizitätsmodul aufweist wie mindestens ein anderes der mindestens zwei Metalle. In a particular embodiment, at least one conductor of the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable of one of the aforementioned embodiments at least two different metals, which may each be different alloys, wherein the at least two metals have at least one interface at which the at least two metals are mechanically firmly connected to each other, wherein at least one of the at least two metals has at least twice as high electrical conductivity and at the same time a maximum half as large elastic modulus as at least one other of the at least two metals.
In einer besonderen Ausfuhrungsform sind die mindestens zwei Metalle im Querschnitt des mindestens einen Leiters der vorgenannten Ausfuhrungsform so angeordnet, dass das Metall der mindestens zwei Metalle, das die höchste elektrische Leitfähigkeit aufweist, vorzugsweise in Bereichen hoher Stromstärke angeordnet ist und der aufgrund von Skin-Effekten und anderen Stromverdrängungsphänomenen nicht gleichmäßig über den Querschnitt des mindestens einen Leiters verteilten elektrischen Pulsstromes zu maximal einem Drittel in jenem der mindestens zwei Metalle fließt, das die geringste elektrische Leitfähigkeit aufweist.  In a particular embodiment, the at least two metals in the cross section of the at least one conductor of the aforementioned embodiment are arranged such that the metal of the at least two metals, which has the highest electrical conductivity, is preferably arranged in regions of high current intensity and due to skin effects and other current displacement phenomena does not flow uniformly over the cross section of the at least one conductor distributed electrical pulse current to a maximum of one third in that of at least two metals, which has the lowest electrical conductivity.
In einer besonderen Ausfuhrungsform beträgt das Elastizitätsmodul der mindestens einen elastischen Materialansammlung in einer der vorgenannten Ausfuhrungsformen weniger als ein Achtel des Elastizitätsmodus des mechanisch steifen Polymers und/oder des mechanisch steifen Kunststoffs und/oder des mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder der mechanisch steifen Keramik und/oder des mechanisch steifen Glases.  In one particular embodiment, the modulus of elasticity of the at least one elastic material accumulation in one of the aforementioned embodiments is less than one-eighth of the elasticity mode of the mechanically stiff polymer and / or the mechanically rigid plastic and / or the mechanically stiff composite material and / or the mechanically stiff ceramic and / or or the mechanically stiff glass.
In einer besonderen Ausfuhrungsform übersteigt das Produkt aus Viskosität und Elastizitätsmodul der mindestens einen viskoelastischen Materialansammlung aus einer der vorgenannten Ausführungsformen 10 Milliarden Pascalquadrat-Sekunden. In a particular embodiment, the product of viscosity and modulus of elasticity of the at least one viscoelastic material accumulation of one of the aforementioned embodiments exceeds 10 billion pascal square seconds.
In einer besonderen Ausführungsform übersteigt der Verlustfaktor des viskoelastischen Materials nach ISO 6721, gemessen mit einem 2 mm Materialbelag des viskoelastischen Materials auf einem 1 mm dicken Stahlblech, 0.75.  In a particular embodiment, the loss factor of the viscoelastic material according to ISO 6721, measured with a 2 mm material coating of the viscoelastic material on a 1 mm thick steel sheet, exceeds 0.75.
In einer besonderen Ausführungsform bedeckt mindestens eine viskoelastische Materialansammlung mindestens ein Drittel der Oberfläche der steifen Einheit einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei die steige Einheit durch den mindestens einen in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine 70 mechanisch steife Keramik und/oder ein mechanisch steifes Glas eingebetteten Leiter gebildet wird. In a particular embodiment, at least one viscoelastic material pool covers at least one third of the surface area of the rigid unit of any of the aforementioned embodiments, wherein the riser unit through the at least one into a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass embedded conductor is formed.
Die viskoelastische Materiala ist ferner dieser Oberfläche mechanisch haftend verbunden, wobei die viskoelastische Materialansammlung von weiteren anderen Materialansammlungen umgeben sein kann.  The viscoelastic material is also mechanically bonded to this surface, and the viscoelastic material collection may be surrounded by other other material collections.
In einer besonderen Ausfuhrungsform bedeckt mindestens eine elastische Materialansammlung mindestens ein Drittel der Oberfläche der steifen Einheit einer der vorgenannten Ausführungsformen und/oder mindestens eine die genannte steife Einheit aus einer der vorgenannten Ausführungsformen teilweise bedeckende viskoelastische Materialansammlung bedeckt, wobei die steife Einheit durch den mindestens einen in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik 80 und/oder mechanisch steifes Glas eingebetteten Leiter gebildet wird.  In a particular embodiment, at least one elastic accumulation of material covers at least one third of the surface of the rigid unit of one of the aforementioned embodiments and / or at least one viscoelastic material accumulation partially covering said rigid unit of one of the aforesaid embodiments, said rigid unit being defined by said at least one a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic 80 and / or mechanically rigid glass embedded conductor is formed.
In einer besonderen Ausführungsform bedeckt eine elastische Materialansammlung, die eine Schicht ausbilden kann, mindestens einen Teil derjenigen Oberfläche der Spule, die in mechanischen Kontakt mit dem Körpergewebe steht, bedeckt.  In a particular embodiment, an elastic aggregate of material that can form a layer covers at least a portion of that surface of the coil that is in mechanical contact with the body tissue.
In einer besonderen Ausführungsform besteht die mindestens eine elastische Materialansammlung aus einer der vorgenannten Ausführungsformen aus einem Material, das der Klasse der weichen Materie zugerechnet wird;  In a particular embodiment, the at least one elastic material accumulation of one of the aforementioned embodiments consists of a material that is attributed to the class of soft matter;
oder aus Gas;  or from gas;
oder einem Vakuum;  or a vacuum;
oder aus einer Mischung aus einem Feststoff und/oder einem Material der Klasse der weichen Materie 990 und einem Gas;  or a mixture of a solid and / or a soft matter class material 990 and a gas;
oder aus einer Mischung aus einem Feststoff und/oder einem Material der Klasse der weichen Materie und einem Vakuum;  or a mixture of a solid and / or a material of the class of soft matter and a vacuum;
oder aus einer Flüssigkeit;  or from a liquid;
oder aus einem aufgeschäumten Kunststoff;  or of a foamed plastic;
oder aus einer Mischung aus einem Feststoff und/oder einem Material der Klasse der weichen Materie und einer Flüssigkeit.  or a mixture of a solid and / or a material of the class of soft matter and a liquid.
Ferner kann die mindestens eine elastische Materialansammlung einen aus einem Festkörper hergestellten Federmechanismus in einem Gas und/oder einem Vakuum umfassen.  Furthermore, the at least one elastic material accumulation may comprise a spring mechanism made of a solid in a gas and / or a vacuum.
In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Material der mindestens einen elasti- looo sehen Materialansammlung aus der vorgenannten Ausführungsform um ein Elastomer und/oder eine Polymerschmelze und/oder ein Gel und/oder eine kolloidale Suspension. In einer besonderen Ausfuhrungsforrn liegt weniger als ein Viertel der Energie des elektrischen Strompulses einer der vorgenannten Ausfuhrungsformen im Frequenzbereich von 500 Hz bis 8000 Hz.In a particular embodiment, the material of the at least one elastically loosely assembled material from the abovementioned embodiment is an elastomer and / or a polymer melt and / or a gel and / or a colloidal suspension. In a particular embodiment, less than a quarter of the energy of the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments is in the frequency range from 500 Hz to 8000 Hz.
In einer besonderen Ausfuhrungsforrn liegt die Grundfrequenz und/oder die dominante Frequenz des elektrischen Strompulses einer der vorgenannten Ausfuhrungsformen höher als die menschliche Hörgrenze von 18 kHz. In a particular embodiment, the fundamental frequency and / or the dominant frequency of the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments is higher than the human hearing limit of 18 kHz.
In einer besonderen Ausfuhrungsforrn liegt weniger als ein Drittel der Energie des elektrischen Strompulses einer der vorgenannten Ausfuhrungsformen im Frequenzbereich unterhalb von 18 kHz.  In a particular embodiment, less than one third of the energy of the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments lies in the frequency range below 18 kHz.
In einer besonderen Ausfuhrungsforrn beinhaltet der elektrische Strompuls einer der vorgenannten loio Ausfuhrungsformen exakt einen Nulldurchgang, bei welchem der Strom von einer Polarität in die andere wechselt, und wobei die Gesamtdauer des Strompulses 75 Mikrosekunden nicht übersteigt. In a particular embodiment, the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments contains exactly one zero crossing, in which the current changes from one polarity to the other, and the total duration of the current pulse does not exceed 75 microseconds.
In einer besonderen Ausfuhrungsforrn umfasst der elektrische Strompuls einer der vorgenannten Ausfuhrungsformen eine sinusförmige Schwingung, die eine endliche oder eine unendliche Dauer haben kann und deren Amplitudeneinhüllende von weniger als einem Fünftel des Maximum innerhalb von weniger als 500 Mikrosekunden bis zu einem Maximum ansteigt und anschließend innerhalb von weniger als 500 Mikrosekunden auf weniger als ein Fünftel des Maximums abfällt, wobei die Frequenz der sinusförmigen Schwingung sich während des Strompulses kontinuierlich verändern kann.In a particular embodiment, the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments comprises a sinusoidal oscillation, which may have a finite or an infinite duration and whose amplitude envelope increases from less than one fifth of the maximum within less than 500 microseconds to a maximum and then within less than 500 microseconds falls to less than one fifth of the maximum, wherein the frequency of the sinusoidal oscillation may vary continuously during the current pulse.
In einer besonderen Ausführungsform wird der elektrische Strompuls einer der vorgenannten Ausführungsformen von einer elektrischen Pulsquelle erzeugt, die einen wenigstens drei Kondensatoren be- io2o inhaltet und durch dynamische elektrische Kombination (beispielsweise in elektrisch leitend in Serie und/oder in Parallel) der wenigstens drei Kondensatoren einen Strompuls erzeugt, wobei die elektrische Pulsquelle Strompulse mit unterschiedlicher Amplitude und Form erzeugen kann, wobei die Amplitude und die Form unabhängig voneinander zwischen der Erzeugung zweier aufeinanderfolgender Strompulsen verändert werden kann. In a particular embodiment, the electrical current pulse of one of the abovementioned embodiments is generated by an electrical pulse source which contains at least three capacitors and by dynamic electrical combination (for example in electrically conductive series and / or in parallel) of the at least three capacitors Generates current pulse, wherein the electric pulse source can generate current pulses having different amplitude and shape, wherein the amplitude and the shape can be changed independently between the generation of two successive current pulses.
In einer besonderen Ausführungsform wird der elektrische Strompuls einer der vorgenannten Ausführungsformen von einer elektrischen Pulsquelle erzeugt, die mindestens einen Kondensator (1701, 1901, 1902, 2001, 2002) und mindestens einen abschaltbaren elektronischen Schalter (1702, 1903, 1904) (beispielsweise einen IGBT) beinhaltet.  In a particular embodiment, the electrical current pulse of one of the aforementioned embodiments is generated by an electrical pulse source comprising at least one capacitor (1701, 1901, 1902, 2001, 2002) and at least one turn-off electronic switch (1702, 1903, 1904) (eg an IGBT ) includes.
In einer besonderen Ausführungsform wird der elektrische Strompuls einer der vorgenannten Ausfüh- io3o rungsformen von einer elektrischen Pulsquelle erzeugt, die mindestens einen Kondensator ( 1901 , In a particular embodiment, the electrical current pulse of one of the abovementioned embodiments is generated by an electrical pulse source which has at least one capacitor (1901,
1902, 2001, 2002) und mindestens zwei miteinander elektrisch in Serie geschaltete abschaltbare elektronische Schalter (1903, 1904, 2003, 2004) (beispielsweise IGBT), wobei die elektrische Verbindung zwischen den mindestens zwei abschaltbaren elektronischen Schaltern über mindestens eine dritte elektrische Verbindung unmittelbar oder mittelbar über ein oder mehrere elektronische Elemente hinweg mit mindestens einem Anschluss der Spule (1907, 2007).verbunden ist. 1902, 2001, 2002) and at least two turn-off electronic switches (1903, 1904, 2003, 2004) (eg IGBT) connected electrically in series, wherein the electrical connection between the at least two switch-off electronic switches via at least one third electrical connection directly or indirectly via one or more electronic elements away with at least one terminal of the coil (1907, 2007). Connected.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als einer Millisekunde, die durch mindestens eine Spule fließen, so dass die mindestens eine Spule magnetische Feldpulse erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein  1. A device for generating short current pulses with a total duration of less than a millisecond, which flow through at least one coil, so that the at least one coil generates magnetic field pulses, which cause according to the principle of electromagnetic induction in body tissue electrical currents, by stimulation at least one
Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die mindestens eine Spule so ausgeführt ist, dass ein von ihr erzeugtes Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzen kann; wobei die Vorrichtung mindestens einen Kondensator zur Speicherung von einem Teil oder der gesamten für die magnetischen Feldpulse benötigten Energie enthält; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verringerung des aufgrund des Strompulses von der Spule und/oder mindestens einem elektrischen Zuleitungskabel zu der mindestens einen Spule emittierten akustischen Schalls derart ausgeführt ist, dass mindestens ein elektrischer Leiter der mindestens einen Spule und/oder des mindestens einen elektrischen Zuleitungskabels durch eine Einbettung in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder ein mechanisch steifes Glas eine steife Einheit bildet. Trigger action potential of nerve and / or muscle cells, wherein the at least one coil is designed so that a magnetic field generated by it can enforce the body tissue; the device including at least one capacitor for storing part or all of the energy needed for the magnetic field pulses; characterized in that the device for reducing the due to the current pulse from the coil and / or at least one electrical supply cable to the at least one coil emitted acoustic sound is performed such that at least one electrical conductor of the at least one coil and / or the at least one electrical Supply cable by embedding in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass forms a rigid unit.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Spule und/oder das mindestens eine elektrische Zuleitungskabel ferner mindestens eine viskoelastische Materialschicht und/oder mindestens eine elastische Materialschicht beinhaltet. 2. Device according to claim 1, wherein the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable further includes at least one viscoelastic material layer and / or at least one elastic material layer.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-2, wobei mindestens ein Leiter der mindestens einen Spule und/oder des mindestens einen elektrischen Zuleitungskabels mindestens zwei unterschiedliche Metalle, die auch jeweils unterschiedliche Legierungen sein können, umfasst, wobei die mindestens zwei Metalle wenigstens eine Grenzfläche aufweisen, an welcher die mindestens zwei Metalle mechanisch fest miteinander verbunden sind, wobei mindestens eines der mindestens zwei Metalle eine um mindestens doppelt so hohe elektrische Leitfähigkeit und zugleich ein maximal halb so großes Elastizitätsmodul aufweist wie mindestens ein anderes der mindestens zwei Metalle. 3. Device according to one of claims 1-2, wherein at least one conductor of the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable at least two different metals, which may also be each different alloys comprises, wherein the at least two metals at least one interface have, at least one of the at least two metals having at least two metals are at least twice as high electrical conductivity and at the same time a maximum half as large elastic modulus as at least one other of the at least two metals.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Elastizitätsmodul der mindestens einen elastischen Materialschicht weniger als ein Achtel des Elastizitätsmodus des mechanisch steifen Polymers und/oder des mechanisch steifen Kunststoffs und/oder des mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder der mechanisch steifen Keramik und/oder des mechanisch steifen Glases beträgt; und/oder wobei entweder das Produkt aus Viskosität und Elastizitätsmodul der mindestens einen viskoelastischen Materialschicht 10 Milliarden Pascalquadrat-Sekunden übersteigt oder der genormte Verlustfaktor des viskoelastischen Materials der mindestens einen viskoelastischen Materialschicht 0.75 übersteigt. 4. Device according to one of claims 1-3, wherein the modulus of elasticity of the at least one elastic material layer less than one-eighth of the elasticity mode of the mechanically stiff polymer and / or the mechanically rigid plastic and / or the mechanically stiff composite material and / or the mechanically rigid ceramic and / or the mechanically stiff glass; and / or wherein either the product of viscosity and modulus of elasticity of the at least one viscoelastic material layer is 10 billion pascal square seconds exceeds or exceeds the standardized loss factor of the viscoelastic material of the at least one viscoelastic material layer 0.75.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei mindestens eine viskoelastische 5. Device according to one of claims 1-4, wherein at least one viscoelastic
Materialschicht mindestens ein Drittel der Oberfläche der steifen Einheit bedeckt, die durch den mindestens einen in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Material layer covered at least one-third of the surface of the rigid unit, by the at least one in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically stiff
Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder ein mechanisch steifes Glas eingebetteten Leiter gebildet wird, und mit dieser Oberfläche mechanisch haftend verbunden ist, wobei die viskoelastische Materialschicht von weiteren anderen Materialschichten umgeben sein kann. Plastic and / or a mechanically rigid composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass embedded conductor is formed, and is mechanically bonded to this surface, wherein the viscoelastic material layer may be surrounded by other other material layers.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei mindestens eine elastische Materialschicht mindestens ein Drittel der Oberfläche der steifen Einheit, die durch den mindestens einen in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder mechanisch steifes Glas eingebetteten Leiter gebildet wird, und/oder mindestens eine die genannte steife Einheit teilweise bedeckende viskoelastische Materialschicht bedeckt. 6. Device according to one of claims 1-5, wherein at least one elastic material layer at least one third of the surface of the rigid unit by the at least one in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and or a mechanically rigid ceramic and / or mechanically rigid glass embedded conductor is formed, and / or at least one of said rigid unit partially covering viscoelastic material layer covered.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei weniger als ein Viertel der Energie des elektrischen Strompulses im Frequenzbereich von 500 Hz bis 8000 Hz liegt. 7. Device according to one of claims 1-6, wherein less than a quarter of the energy of the electric current pulse in the frequency range of 500 Hz to 8000 Hz.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Grundfrequenz und/oder die dominante Frequenz des elektrischen Strompulses höher als die menschliche Hörgrenze von 18 kHz liegt. 8. Device according to one of claims 1-7, wherein the fundamental frequency and / or the dominant frequency of the electric current pulse is higher than the human hearing limit of 18 kHz.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der elektrische Strompuls exakt einen Nulldurchgang beinhaltet, bei welchem der Strom von einer Polarität in die andere wechselt, und wobei die Gesamtdauer des Strompulses 75 Microsekunden nicht übersteigt. The apparatus of claim 8, wherein the electrical current pulse includes exactly one zero crossing at which the current changes from one polarity to the other, and wherein the total duration of the current pulse does not exceed 75 microseconds.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der elektrische Strompuls eine sinusförmige Schwingung umfasst, deren Amplitudeneinhüllende von weniger als einem Fünftel des Maximum innerhalb von weniger als 500 Microsekunden bis zu einem Maximum ansteigt und anschließend innerhalb von weniger als 500 Microsekunden auf weniger als ein Fünftel des Maximums abfällt, wobei die Frequenz der sinusförmigen Schwingung sich während des Strompulses kontinuierlich verändern kann. 10. The device of claim 8, wherein the electrical current pulse comprises a sinusoidal wave whose amplitude envelope increases from less than one-fifth of the maximum to less than 500 microseconds to maximum, and then less than one-fifth of less than 500 microseconds Maximum falls, the frequency of the sinusoidal oscillation can change continuously during the current pulse.
11. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Strompulse mit einer Gesamtdauer von weniger als einer Millisekunde in mindestens einer Spule, so dass die mindestens eine Spule magnetische Feldpulse mit einer magnetischen Flussdichte von 0,1 bis 10 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Körpergewebe elektrische Ströme hervorrufen, die durch Reizung mindestens ein Aktionspotential von Nerven- und/oder Muskelzellen auslösen, wobei die mindestens eine Spule so ausgeführt ist, dass ein von ihr erzeugtes Magnetfeld das Körpergewebe durchsetzen kann; wobei die Vorrichtung mindestens einen Kondensator zur Speicherung von einem Teil oder der gesamten für die magnetischen Feldpulse benötigten Energie enthält, wobei die vom Magnetfeld der Spule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim Zehnfachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verringerung des aufgrund des Strompulses von der Spule und/oder mindestens einem elektrischen Zuleitungskabel zu der mindestens einen Spule emittierten akustischen Schalls derart ausgeführt ist, dass mindestens ein elektrischer Leiter der mindestens einen Spule und/oder des mindestens einen elektrischen Zuleitungskabels durch eine Einbettung in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder ein mechanisch steifes Glas eine steife Einheit bildet; und wobei weniger als ein Viertel der Energie des elektrischen Strompulses im Frequenzbereich von 500 Hz bis 18 kHz liegt. 11. An apparatus for generating short current pulses having a total duration of less than a millisecond in at least one coil, so that the at least one coil generates magnetic field pulses having a magnetic flux density of 0.1 to 10 Tesla, according to the principle of electromagnetic induction in body tissue cause electrical currents through Irritation trigger at least one action potential of nerve and / or muscle cells, wherein the at least one coil is designed so that a magnetic field generated by it can enforce the body tissue; the device comprising at least one capacitor for storing part or all of the energy required for the magnetic field pulses, the electrical stimuli caused by the magnetic field of the coil being at least one-tenth and at most ten times the stimulus currents needed to stimulate the cells; characterized in that the device for reducing the due to the current pulse from the coil and / or at least one electrical supply cable to the at least one coil emitted acoustic sound is performed such that at least one electrical conductor of the at least one coil and / or the at least one electrical Supply cable by embedding in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically rigid plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass forms a rigid unit; and wherein less than a quarter of the energy of the electric current pulse in the frequency range of 500 Hz to 18 kHz.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Verringerung des emittierten akustischen Schalls in einer Verringerung der psychoakustischen Lautheit und/oder dem Spitzenschallpegel und/oder der Schallenergie und/oder der psychoakustischen Rauhigkeit und/oder der psychoakustischen Schärfe besteht. 12. The apparatus of claim 11, wherein the reduction of the emitted acoustic sound consists in a reduction of the psychoacoustic loudness and / or the peak sound level and / or the sound energy and / or the psychoacoustic roughness and / or the psychoacoustic sharpness.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-12, wobei die mindestens eine Spule und/oder das mindestens eine elektrische Zuleitungskabel ferner mindestens eine viskoelastische 13. Device according to one of claims 11-12, wherein the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable further comprises at least one viscoelastic
Materialschicht und/oder mindestens eine elastische Materialschicht beinhalten. Material layer and / or at least one elastic material layer include.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, wobei mindestens ein Leiter der mindestens einen Spule und/oder des mindestens einen elektrischen Zuleitungskabels mindestens zwei unterschiedliche Metalle, die auch jeweils unterschiedliche Legierungen sein können, umfasst, wobei die mindestens zwei Metalle wenigstens eine Grenzfläche aufweisen, an welcher die mindestens zwei Metalle mechanisch fest miteinander verbunden sind, wobei mindestens eines der mindestens zwei Metalle eine mindestens doppelt so hohe elektrische Leitfähigkeit und zugleich ein maximal halb so großes Elastizitätsmodul aufweist wie mindestens ein anderes der mindestens zwei Metalle. 14. Device according to one of claims 11-13, wherein at least one conductor of the at least one coil and / or the at least one electrical supply cable comprises at least two different metals, which may each be different alloys, wherein the at least two metals at least one interface have, at least one of the at least two metals having at least two metals are at least twice as high electrical conductivity and at the same time a maximum half the elastic modulus as at least one other of the at least two metals.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, wobei das Elastizitätsmodul der mindestens einen elastischen Materialschicht weniger als ein Achtel des Elastizitätsmodus des mechanisch steifen Polymers und/oder des mechanisch steifen Kunststoffs und/oder des mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder der mechanisch steifen Keramik und/oder des mechanisch steifen Glases beträgt; und/oder wobei die das Produkt aus Viskosität und Elastizitätsmodul der mindestens einen viskoelastischen Materialschicht 10 Milliarden Pascalquadrat-Sekunden übersteigt. 15. Device according to one of claims 11-14, wherein the modulus of elasticity of the at least one elastic material layer less than one-eighth of the elasticity mode of the mechanically rigid polymer and / or the mechanically rigid plastic and / or mechanically stiff Composite material and / or the mechanically stiff ceramic and / or the mechanically stiff glass is; and / or wherein the product of viscosity and modulus of elasticity of the at least one viscoelastic material layer exceeds 10 billion pascal square seconds.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-15, wobei mindestens eine viskoelastische Materialschicht mindestens ein Drittel der Oberfläche der steifen Einheit bedeckt, die durch den mindestens einen in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen 16. Device according to one of claims 11-15, wherein at least one viscoelastic material layer covers at least one third of the surface of the rigid unit, by the at least one in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically stiff
Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder ein mechanisch steifes Glas eingebetteten Leiter gebildet wird, und mit dieser Oberfläche mechanisch haftend verbunden ist, wobei die viskoelastische Materialschicht von weiteren anderen Materialschichten umgeben sein kann. Plastic and / or a mechanically rigid composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or a mechanically rigid glass embedded conductor is formed, and is mechanically bonded to this surface, wherein the viscoelastic material layer may be surrounded by other other material layers.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-16, wobei mindestens eine elastische 17. Device according to one of claims 11-16, wherein at least one elastic
Materialschicht mindestens ein Drittel der Oberfläche der steifen Einheit, die durch den mindestens einen in ein mechanisch steifes Polymer und/oder einen mechanisch steifen Material layer at least one third of the surface of the rigid unit by the at least one in a mechanically rigid polymer and / or a mechanically stiff
Kunststoff und/oder einen mechanisch steifen Verbundwerkstoff und/oder eine mechanisch steife Keramik und/oder mechanisch steifes Glas eingebetteten Leiter gebildet wird, und/oder mindestens eine die genannte steife Einheit teilweise bedeckende viskoelastische Materialschicht bedeckt. Plastic and / or a mechanically stiff composite material and / or a mechanically rigid ceramic and / or mechanically rigid glass embedded conductor is formed, and / or at least one of said rigid unit partially covering viscoelastic material layer covered.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, wobei der elektrische Strompuls von einer elektrischen Pulsquelle erzeugt wird, die einen Multilevelconverter mit wenigstens drei 18. Device according to one of claims 1-17, wherein the electrical current pulse is generated by an electrical pulse source comprising a Multilevelconverter with at least three
Kondensatoren beinhaltet und durch dynamische elektrische Kombination der wenigstens drei Kondensatoren einen Strompuls erzeugt, wobei die elektrische Pulsquelle Strompulse mit unterschiedlicher Amplitude und Form erzeugen kann, wobei die Amplitude und die Form unabhängig voneinander zwischen der Erzeugung zweier aufeinanderfolgender Strompulsen verändert werden kann. Includes capacitors and generates a current pulse by dynamic electrical combination of the at least three capacitors, wherein the electrical pulse source can generate current pulses having different amplitude and shape, wherein the amplitude and the shape can be changed independently between the generation of two successive current pulses.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, wobei der elektrische Strompuls von einer elektrischen Pulsquelle erzeugt wird, die mindestens einen Kondensator (1901, 1902, 2001, 2002) und mindestens zwei miteinander elektrisch in Serie geschaltete abschaltbare elektronische Schalter (1903, 1904, 2003, 2004), wobei die elektrische Verbindung zwischen den beiden abschaltbaren elektronischen Schaltern über mindestens eine dritte elektrische Verbindung unmittelbar oder mittelbar über ein oder mehrere elektronische Elemente hinweg mit mindestens einem Anschluss der Spule verbunden ist. 19. Device according to one of claims 1-17, wherein the electrical current pulse is generated by an electrical pulse source, the at least one capacitor (1901, 1902, 2001, 2002) and at least two electrically in series connected turn-off electronic switch (1903, 1904 , 2003, 2004), wherein the electrical connection between the two switchable electronic switches via at least one third electrical connection is connected directly or indirectly via one or more electronic elements away with at least one terminal of the coil.
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