JP6519081B2 - Medical magnetic pulse generator having a rapid adjustment circuit for charging voltage - Google Patents

Medical magnetic pulse generator having a rapid adjustment circuit for charging voltage Download PDF

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Description

本発明は、末梢神経を連発磁気パルスで刺激することにより、筋肉に持続する大きな収縮を起こすための、医療用磁気パルス発生装置に関する。 The present invention relates to a medical magnetic pulse generator for causing sustained large contraction in muscles by stimulating peripheral nerves with a series of magnetic pulses.

パルス電流は産業の広い分野で使われており、電気集塵機、プラズマ発生器、レーザー等の産業用の高電圧パルスから、弱いパルス電流で筋肉を動かす医療用の低周波治療器まで、多くの製品が実用化されている。産業機器用のパルス電流の多くは、高電圧(3〜10kV)、小電流(数mA〜数A)、高周波数(30〜100kHz)、狭いパルス巾(1〜10μs)が特徴である。その理由は電圧が高くパルス巾が狭いパルスほど、瞬間的に高エネルギーを発生できることによる。 Pulse current is used in a wide range of industries, and many products ranging from industrial high voltage pulses such as electrostatic precipitators, plasma generators and lasers, to medical low-frequency therapeutic devices that move muscles with weak pulse currents Is put to practical use. Most of the pulse current for industrial equipment is characterized by high voltage (3 to 10 kV), small current (several mA to several A), high frequency (30 to 100 kHz), and narrow pulse width (1 to 10 μs). The reason is that the higher the voltage and the narrower the pulse width, the higher energy can be generated instantaneously.

このような、鋭い高電圧パルスの発生を目的とするパルス電源については、数多くの特許出願が成されている。特許文献1は高電圧の超短パルスを発生させる目的で、コンデンサとコイルの共振回路を直列に多段接続する「パルス圧縮技術」が示されている。パルス圧縮回路に使われるコイルは、一定以上の電流が流れるとコアが飽和する可飽和リアクトルであって、コイルの役割はLC共振と、磁気飽和によりコイル電流が急増するスイッチ素子の両方の働きをしている。 A number of patent applications have been filed for pulse power supplies for the purpose of generating such sharp high voltage pulses. Patent Document 1 discloses a “pulse compression technique” in which a resonant circuit of a capacitor and a coil is connected in multiple stages in series for the purpose of generating a high voltage ultrashort pulse. The coil used in the pulse compression circuit is a saturable reactor in which the core is saturated when a current of a certain level or more flows, and the function of the coil is both LC resonance and switch element in which the coil current rapidly increases due to magnetic saturation. doing.

パルス電圧を安定化させる方法が特許文献2に示されている。このために、充放電コンデンサと複数個のインダクタ(コイル)を直列接続し、かつ各インダクタは個別の充放電コンデンサと電源とスイッチから成るLC共振回路を構成して、それらの複数共振回路のタイミングをずらすことでパルス電圧を安定化する点が特徴である。この発明のコイルは可飽和リアクトルではなく、また、共振周波数が高く空心コイルが使われているので、コアの飽和の問題はない。
Patent Document 2 discloses a method of stabilizing a pulse voltage. For this purpose, a charge / discharge capacitor and a plurality of inductors (coils) are connected in series, and each inductor constitutes an LC resonant circuit consisting of individual charge / discharge capacitors , a power supply and a switch, and the timing of those multiple resonance circuits. Is characterized in that the pulse voltage is stabilized by shifting. The coil of the present invention is not a saturable reactor, and there is no problem of core saturation since the resonance frequency is high and an air cored coil is used.

磁気パルスを医療用途に用いる機器の一つとして医療用磁気パルス発生装置がある。これは磁気パルスによって生じる誘導電流で神経を刺激する方法であって、電極を皮膚に貼らなくても良い利点がある。磁気刺激は、電圧1400V程度、電流が2000A程度、パルス幅0.2ms程度のパルス電流を瞬時に磁気刺激コイルに流して強い磁場を発生し、磁場によって生体に発生する誘導電流で神経を刺激する。この場合の1パルスの電気エネルギーは一般的に100ジュール程度である。一方、上記の産業用パルス電源の場合、電圧を10kV、電流を100mA、パルス幅を1μsほどであり、1パルスあたりの電気エネルギーは数百分の一ジュール程度であって、磁気刺激パルスよりも極めて小さい。 There is a medical magnetic pulse generator as one of the devices using magnetic pulses for medical applications. This is a method of stimulating the nerve with the induced current generated by the magnetic pulse, which has the advantage that the electrode does not have to be applied to the skin. In magnetic stimulation, a pulse current with a voltage of about 1400 V, a current of about 2000 A, and a pulse width of about 0.2 ms is instantaneously applied to the magnetic stimulation coil to generate a strong magnetic field and stimulate nerves with induced current generated in the living body by the magnetic field. . The electrical energy of one pulse in this case is generally about 100 joules. On the other hand, in the case of the above-mentioned industrial pulse power supply, the voltage is 10 kV, the current is 100 mA, the pulse width is about 1 μs, the electrical energy per pulse is about several hundredths of a joule, and more than the magnetic stimulation pulse. Very small.

尿失禁の治療に用いる医療用磁気パルス発生装置が特許文献3に示されている。この発明は連発磁気パルスを用いるとしているので、充放電コンデンサは急速な充放電を繰り返す必要がある。この発明に記載されている電気回路の説明は、電源電圧が100〜3kV、充放電コンデンサの容量が300μF、突入電流の防止を保護抵抗で行うとする内容にとどまっており、磁気パルスの連発化にともなう充放電コンデンサの充電電圧制御の高速化等の問題については特に記載していない。
Patent Document 3 discloses a medical magnetic pulse generator used for treatment of urinary incontinence. Since the present invention uses repeated magnetic pulses, the charge and discharge capacitor needs to repeat rapid charge and discharge. The description of the electric circuit described in the present invention is limited to the contents that the power supply voltage is 100 to 3 kV, the capacity of the charge / discharge capacitor is 300 μF, and the prevention of inrush current is performed by the protection resistor. There is no particular mention of problems such as speeding up of the charge voltage control of the charge / discharge capacitor accompanying the above.

特許文献4では、以前に我々が開発した医療用磁気パルス発生装置の基本回路とそこで使用されている回路部品の特性値について開示されている。この発明では使用する部品の特性値を適正な値に設定することにより、装置の大幅な小型化および省電力化と急速な充放電を可能にしているが、充電電圧を任意の値に制御する手段については言及されていなかった。 Patent Document 4 discloses the basic circuit of the medical magnetic pulse generator developed by us previously and the characteristic value of the circuit component used therein. In the present invention, by setting the characteristic values of the parts to be used to appropriate values, significant downsizing and power saving of the device and rapid charge and discharge are possible, but the charge voltage is controlled to an arbitrary value. There was no mention of the means.

特開2010−200446Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-200446 特開2003−9548Japanese Patent Application Publication No. 2003-9548 特開平9−276418JP-A-9-276418 特開2015−107176JP 2015-107176

磁気パルスを短い周期かつ安定した強度で連発するためには、充放電コンデンサへの急速かつ高精度な充電が求められる。その一つの方法として、直流電源と充放電コンデンサの間に充電用スイッチング半導体素子を配置し、充電時には、充放電コンデンサの充電電圧をフィードバックしながら充電用スイッチング半導体素子を閉状態にし、充電電圧が設定電圧を超えた瞬間に充電を停止する方法がある。この方法によれば、急速に任意の電圧に充放電コンデンサを充電することが可能である。しかし、急速に充電するために比較的大きな充電電流が流れているため、充電を停止時に充電用スイッチング半導体素子を開状態にした際、素子の両端に大きな逆起電力が生じてしまい素子が破壊されてしまうという問題がある。
In order to emit magnetic pulses in a short cycle and at a stable intensity, rapid and accurate charging of the charge / discharge capacitor is required. As one of the methods, a switching semiconductor element for charging is disposed between a DC power supply and a charging / discharging capacitor , and during charging, the charging switching semiconductor element is closed while the charging voltage of the charging / discharging capacitor is fed back. There is a method to stop charging at the moment the set voltage is exceeded. According to this method, it is possible to rapidly charge the charge / discharge capacitor to an arbitrary voltage. However, since a relatively large charging current flows for rapid charging, when the charging switching semiconductor device is opened at the time of stopping charging, a large counter electromotive force is generated at both ends of the device, and the device is broken. There is a problem of being done.

また、このような充放電コンデンサを用いた医療用磁気パルス発生装置特有の問題として、充電電圧を上げるのは容易であるが、充電電圧を下げたい場合に即時に下げる手段がない問題がある。一般的には、充電電圧を下げる場合は、充電電圧モニタ用の分圧抵抗に電荷が流れて、目的の充電電圧に下がるまで待たなければならず、パルス磁気を発生できる状態になるまでに多くの時間を要してしまうという問題がある。 Further, as a problem unique to a medical magnetic pulse generator using such a charge / discharge capacitor, it is easy to raise the charge voltage, but there is a problem that there is no means for immediately lowering the charge voltage when it is desired. In general, when the charge voltage is lowered, charges must flow until the charge voltage is reduced to the target charge voltage after the charge flows to the voltage dividing resistor for monitoring the charge voltage. The problem is that it takes time for

以上の課題に鑑み、本発明は、以下の技術を用いて上記の課題を解決した。請求項1に記載の発明(図1、図2)は、
対象部位12に渦電流を生じさせる磁気治療用のパルスコイル10と、充放電コンデンサ9と、充放電コンデンサ9からの放電電流をパルスコイル10に供給する励磁用スイッチング半導体素子11とを環状に直列接続した放電回路部Cと、
充電用スイッチング半導体素子3と、該充電用スイッチング半導体素子3の接点に並列に接続されたCR素子(4+5)よりなる充電スイッチング回路部Aと、
放電用スイッチング半導体素子6と、該放電用スイッチング半導体素子6に直列に接続された放電抵抗7よりなる放電スイッチング回路部Bと
直流電圧または全波整流電圧を出力する直流電源部1と、
設定電圧と充放電コンデンサ9の充電電圧を比較するコンパレータ14とで構成され、
直流電源部1と充放電コンデンサ9はその間に充電スイッチング回路部Aを介して接続され、また放電スイッチング回路部Bが充放電コンデンサ9に並列に接続されており、
該コンパレータ14の出力をトリガとして充電用スイッチング半導体素子3の接点が開閉することにより充放電コンデンサ9の充電電圧を調整することを特徴とする医療用磁気パルス発生装置である。
In view of the above-mentioned subject, the present invention solved the above-mentioned subject using the following art. The invention according to claim 1 (FIG. 1, FIG. 2) is
A pulse coil 10 for magnetic therapy to generate an eddy current in the target site 12, a charge / discharge capacitor 9, and an excitation switching semiconductor element 11 for supplying a discharge current from the charge / discharge capacitor 9 to the pulse coil 10 in series in a ring. Connected discharge circuit section C,
A charging switching circuit portion A comprising a charging switching semiconductor element 3 and a CR element (4 + 5) connected in parallel to a contact of the charging switching semiconductor element 3;
A discharge switching circuit part B comprising a discharge switching semiconductor element 6, a discharge resistor 7 connected in series to the discharge switching semiconductor element 6, a DC power supply part 1 for outputting a DC voltage or a full-wave rectified voltage;
And a comparator 14 for comparing the set voltage and the charge voltage of the charge / discharge capacitor 9 ;
The DC power supply unit 1 and the charge / discharge capacitor 9 are connected therebetween via the charge switching circuit unit A, and the discharge switching circuit unit B is connected in parallel to the charge / discharge capacitor 9,
The medical magnetic pulse generator is characterized in that the charging voltage of the charge / discharge capacitor 9 is adjusted by opening / closing the contact of the charging switching semiconductor element 3 triggered by the output of the comparator 14.

請求項1の発明によれば、簡便かつ小型な回路にて、充放電コンデンサの急速な充電電圧制御を行うことが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to perform rapid charge voltage control of the charge / discharge capacitor with a simple and compact circuit.

請求項2に記載の発明は、上記CR素子(4+5)のキャパシタンス(C1)と、充電用スイッチング半導体素子3の耐圧(V1)と、CR素子(4+5)が無い場合に充電用スイッチング半導体素子3の両端に生じる逆起電力(V2)と、充電回路上の全インダクタンス(L)と、充電時に充電用スイッチング半導体素子3を流れる充電電流の最大値(I)とが「数1」を充たすことを特徴とする請求項1に記載の医療用磁気パルス発生装置である。 The invention according to claim 2 is characterized in that the capacitance (C1) of the CR element (4 + 5), the withstand voltage (V1) of the charging switching semiconductor element 3 and the switching semiconductor element 3 for charging when there is no CR element (4 + 5). The back electromotive force (V2) generated at both ends of the capacitor, the total inductance (L) on the charging circuit, and the maximum value (I) of the charging current flowing through the charging switching semiconductor element 3 during charging satisfy “Equation 1” The medical magnetic pulse generator according to claim 1, characterized in that

請求項2の発明に拠れば、充電用スイッチング半導体素子3を焼損することなく、かつ充電停止時の充電電圧のオーバーシュートを抑制した精度のよい充電制御を急速に行うことが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, accurate charging control can be rapidly performed without burning the charging switching semiconductor element 3 and suppressing overshooting of the charging voltage at the time of charging stop.

請求項3に記載の発明は、設定電圧を小さくする方向に変更した際に、放電用スイッチング半導体素子6を定められた放電時間の間、閉状態とすることにより、放電抵抗7に充放電コンデンサ9内の電荷を放出して、充放電コンデンサ9の充電電圧を下げる機能を持ち、該放電時間(t)と、充放電コンデンサ9のキャパシタンス(C2)、放電抵抗7の全直流抵抗(R2)、設定電圧の降下割合(V/V0、Vは設定変更後の設定電圧、V0は設定変更前の設定電圧)の関係が「数2」を充たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の医療用磁気パルス発生装置である。
According to the third aspect of the present invention, when the setting voltage is changed to a smaller direction, the discharging resistance 7 is charged and discharged by closing the discharging switching semiconductor element 6 for a predetermined discharging time. 9 has a function of releasing the charge in 9 to lower the charge voltage of the charge / discharge capacitor 9, the discharge time (t), the capacitance (C2) of the charge / discharge capacitor 9 , the total DC resistance (R2) of the discharge resistor 7 The voltage drop ratio (V / V0, where V is the setting voltage after changing the setting, and V0 is the setting voltage before changing the setting) satisfy the equation (2). a medical magnetic pulse generator for.

請求項3の発明に拠れば、一般的には制御に時間を要する降下方向の充電電圧制御を簡便かつ小型な放電回路を用いて短時間で完了することが可能である。 According to the invention of claim 3, it is possible to complete the charge voltage control in the descending direction, which generally requires time for control, in a short time by using a simple and compact discharge circuit.

請求項4は、請求項3に記載の医療用磁気パルス発生装置であって、上記放電時間の間、励磁用スイッチング半導体素子11が閉状態になることを禁止することを特徴とする医療用磁気パルス発生装置である。
A fourth aspect of the present invention is the magnetic pulse generator for medical use according to the third aspect, which prohibits the switching semiconductor element 11 for excitation from being closed during the discharge time. It is a pulse generator.

請求項4の発明に拠れば、請求項3に記載の充電電圧制御時において、充電電圧が不安定な状態でのパルスコイルの励磁が禁止されるため、設定電圧と異なる充電電圧による磁気パルスが発生する事象を回避することができる。
According to the invention of claim 4, in the charge voltage control according to claim 3, the excitation of the pulse coil in the state where the charge voltage is unstable is inhibited, so that the magnetic pulse by the charge voltage different from the set voltage is generated. It is possible to avoid an event that occurs.

本発明によれば、回路内部品に電気的損傷を与えることなく任意の大きさの磁気パルスを短い周期かつ安定した強度で連発することが可能になる。また、充放電コンデンサの充電電圧を下げる場合でも、時間をほとんどロスすることなく、短時間で目的の強度の磁気パルスが発生できる状態にすることができる。これらの機能により、患者の磁気刺激に対する感受性や、患者の運動努力の大きさ等を即時にフィードバックして磁気刺激強度をコントロールすることが可能となり、ひいては、患者の運動努力をトリガとして麻痺した筋肉に磁気刺激を加え神経回路の再形成を促進する治療を行うことが可能となる。
According to the present invention, it is possible to continuously emit a magnetic pulse of any magnitude with a short period and a stable intensity without causing electrical damage to components in the circuit. Further, even when the charge voltage of the charge / discharge capacitor is lowered, it is possible to generate a magnetic pulse of a desired intensity in a short time with almost no loss of time. These functions make it possible to immediately feedback the patient's sensitivity to magnetic stimulation, the magnitude of the patient's exercise effort, etc. to control the magnetic stimulation intensity, and thus, the muscle's paralyzed muscle triggered by the patient's exercise effort. It is possible to apply a magnetic stimulation to the treatment to promote the remodeling of neural circuits.

本発明の医療用磁気パルス発生装置の回路の第1実施例。1 shows a first embodiment of the circuit of the medical magnetic pulse generator of the present invention. 本発明の医療用磁気パルス発生装置の回路の第2実施例。The 2nd Example of the circuit of the medical magnetic pulse generator of this invention. CR素子を使用しない場合の逆起電力Counter electromotive force when CR element is not used CR素子を使用した場合の逆起電力の例(C1=5μF,R1=10Ω)Example of back electromotive force when CR element is used (C1 = 5 μF, R1 = 10 Ω) C1、R1の変化に対する逆起電力の変化(直流電源出力120V、設定電圧35V)Change of back electromotive force to change of C1, R1 (DC power supply output 120V, setting voltage 35V) C1の変化に対する逆起電力の変化(直流電源出力450V、R1=40Ω固定)Change of back electromotive force to change of C1 (DC power supply output 450 V, R1 fixed at 40 Ω) R1の変化に対する逆起電力の変化(直流電源出力450V、C1=5μF固定)Change of back electromotive force to change of R1 (DC power supply output 450V, C1 = 5μF fixed) C1の変化に対するオーバーシュート量の変化(直流電源出力450V、R1=40Ω固定)Change of overshoot amount to change of C1 (DC power supply output 450 V, R1 fixed at 40 Ω) R1の変化に対するオーバーシュート量の変化(直流電源出力450V、C1=5μF固定)Change of overshoot amount to change of R1 (DC power supply output 450V, C1 = 5μF fixed)

以下、本発明を図示実施例に従って説明する。本発明は医療用連発磁気パルス装置において、回路内部品に電気的損傷を与えることなく、設定電圧に対する充電電圧の調整を急速かつ精度よく実行させることを主たる目的とし、本発明者らは鋭意研究を行った。その結果、第1に充放電コンデンサ9の充電電圧と設定電圧13を比較するコンパレータ14の出力に同期して開閉する充電用スイッチング半導体素子3にて充電をコントロールすることにより、充放電コンデンサ9に対して電荷を精度よく充電することが可能となった。第2に充電用スイッチング半導体素子3と適切に値を設定したCR素子(4+5)とを並列接続することにより、充電電圧の設定精度を保ちながら、充電用スイッチング半導体素子3の開時に素子両端に
生じる逆起電力を抑制することが可能となった。第3に設定電圧が充電電圧より低い場合、充放電コンデンサ9と並列に接続された放電用スイッチング半導体素子6を適切な時間の間閉状態とすることで、放電抵抗7に充放電コンデンサ9内の不要な電荷を放電させ、充放電コンデンサ9の電圧を急速に目的の電圧に制御することが可能となった。
Hereinafter, the present invention will be described according to the illustrated embodiments. The present invention is mainly intended to rapidly and accurately perform adjustment of a charging voltage to a set voltage in a medical continuous magnetic pulse device without causing electrical damage to components in the circuit, and the inventors of the present invention conducted intensive studies Did. As a result, the charge switching semiconductor device 3 is controlled by controlling the charging switching semiconductor element 3 that opens and closes in synchronization with the output of the comparator 14 that first compares the charging voltage of the charging / discharging capacitor 9 with the set voltage 13. On the other hand, it became possible to charge the charge accurately. Second, by connecting the charging switching semiconductor element 3 in parallel with the CR element (4 + 5) whose value is appropriately set, the charging switching semiconductor element 3 is open at both ends when the charging switching semiconductor element 3 is opened while maintaining the setting accuracy of the charging voltage. It has become possible to suppress the back electromotive force that occurs. Thirdly, when the set voltage is lower than the charge voltage, the discharge switching semiconductor element 6 connected in parallel with the charge and discharge capacitor 9 is closed for an appropriate time, so that the charge and discharge capacitor 9 is Thus, it becomes possible to discharge unnecessary charges and rapidly control the voltage of the charge / discharge capacitor 9 to a desired voltage.

従来の医療用磁気パルス発生装置においては、回路上流の高圧直流電源の出力を調整することにより充放電コンデンサ9の充電電圧を任意の電圧にする方法、もしくは、大きな直流抵抗を用いて充電電流を抑制しながら充放電コンデンサ9をゆっくり充電し充電電圧が設定電圧を超えた時点で充電を停止することにより任意の電圧に調整する方法が一般的であった。しかし、高圧直流電源の電圧出力を任意の値に安定させるとともに比較的大きな電流を出力させるためには、複雑な制御回路と大電力に対応した大きな部品が必要となるため装置が大型化してしまう問題がある。また、大きな直流抵抗を使用する場合は、充電速度が遅くなってしまい、高頻度での磁気パルスの発生を行うことができず、加えて充電中に大量のジュール熱が発生するため直流抵抗は大きな熱容量のものを使用する必要があるためこちらも装置が大型化してしまう問題がある。 In the conventional medical magnetic pulse generator, the charge voltage of the charge / discharge capacitor 9 is set to an arbitrary voltage by adjusting the output of the high voltage DC power supply upstream of the circuit, or the charging current is set using a large DC resistance. It is common to adjust the voltage to an arbitrary voltage by charging the charge / discharge capacitor 9 slowly while suppressing and stopping the charging when the charging voltage exceeds the set voltage. However, in order to stabilize the voltage output of the high-voltage DC power supply at an arbitrary value and output a relatively large current, a complex control circuit and large parts corresponding to high power are required, resulting in a large-sized apparatus. There's a problem. Also, when a large DC resistance is used, the charging speed becomes slow, and it is not possible to generate magnetic pulses at a high frequency, and in addition, a large amount of Joule heat is generated during charging. Since it is necessary to use one with a large heat capacity, there is also a problem that the size of the apparatus also increases here.

そこで本発明では、出力可変な直流電源や大きな直流抵抗を使用することなく、小型で簡便なスイッチング回路を用いて急速かつ安定した充電制御を行う方法について研究を行った。本発明を用いた医療用磁気パルス発生装置の回路図の一例を「図1」に示す。 Therefore, in the present invention, research has been conducted on a method for performing rapid and stable charge control using a small and simple switching circuit without using a variable output DC power supply or a large DC resistance. An example of a circuit diagram of a medical magnetic pulse generator using the present invention is shown in FIG.

図1の回路は、高圧直流電源部1と充電スイッチング回路部Aと放電スイッチング回路部Bと放電回路部Cとで構成され、放電回路部Cは、患者の対象部位12に近接又は接触させて用いられ筋肉に微小時間の連続パルス状の渦電流を生じさせてその末梢神経を刺激する磁気治療用のパルスコイル10と、充放電コンデンサ9と、充放電コンデンサからの放電電流をパルスコイル10に供給する励磁用スイッチング半導体素子11とを環状に直列接続して構成されている。励磁用スイッチング半導体素子11は、サイリスタやMOSFET、IGBT等が主体となっており、多くの場合それらの半導体素子とダイオードが逆並列に接続された構成となっている。この放電回路部Cに電圧を供給するための高圧直流電源部1は、平滑された直流電圧または全波整流電圧を出力することが可能なユニットまたはそれと同等の回路であり、充放電コンデンサ9の両端の端子と充電スイッチング回路部Aを介して接続されている。充電スイッチング回路部は、並列に接続された充電用スイッチング半導体3とCR素子(4+5)によって構成されている。充電用スイッチング半導体3は、サイリスタやMOSFET、IGBT等により構成される。CR素子とはCR素子用コンデンサ4とCR素子用抵抗5を直列接続した素子である。高圧直流電源部1と放電回路部Cの間には、必要に応じて、突入電流を抑制する突入電流緩衝素子2が挿入される。突入電流緩衝素子としては、パラメーターを適度に調整したインダクタや抵抗が使用される。また、充放電コンデンサ9に並列に、充電電圧モニタ手段8および放電スイッチング回路部Bが接続されている。充電電圧モニタ手段8としては、電圧計やアッテネーターを介したプリアンプ等が使用できる。放電スイッチング回路部Bは、放電用スイッチング半導体素子6および該放電用スイッチング半導体素子6に直列に接続された放電用抵抗7によって構成される。該放電用スイッチング半導体素子6は、サイリスタやMOSFET、IGBT等により構成される。該充電電圧モニタ手段8より出力された充電電圧信号と設定電圧入力インターフェース13より出力された設定電圧信号は、コンパレータ14および演算器15に接続されている。コンパレータ14の出力は充電用スイッチング半導体素子3の制御端子に接続され、演算器15の出力はタイマー16の時間制御端子に接続される。タイマー16の出力は、放電スイッチング半導体素子6の制御端子に接続される。演算器15にタイマーの機能がある場合はタイマー16を省略し、演算器15と放電スイッチング半導体素子6の制御端子を直結することができる。 The circuit shown in FIG. 1 includes a high voltage DC power supply unit 1, a charge switching circuit unit A, a discharge switching circuit unit B, and a discharge circuit unit C. The discharge circuit unit C is brought close to or in contact with a target site 12 of a patient. The pulse coil 10 for magnetic therapy which generates continuous pulse-like eddy current for a minute time in the muscle to stimulate its peripheral nerves, the charge and discharge capacitor 9, and the discharge current from the charge and discharge capacitor to the pulse coil 10 The excitation switching semiconductor element 11 is connected in a ring in series and configured. The excitation switching semiconductor element 11 is mainly composed of a thyristor, a MOSFET, an IGBT or the like, and in many cases, these semiconductor elements and a diode are connected in antiparallel. The high voltage DC power supply unit 1 for supplying a voltage to the discharge circuit unit C is a unit capable of outputting a smoothed DC voltage or a full-wave rectified voltage or a circuit equivalent thereto. The terminals at both ends are connected via the charge switching circuit section A. The charge switching circuit unit is constituted by the charge switching semiconductor 3 and the CR element (4 + 5) connected in parallel. The charging switching semiconductor 3 is configured of a thyristor, a MOSFET, an IGBT or the like. The CR element is an element in which a CR element capacitor 4 and a CR element resistor 5 are connected in series. Between the high voltage DC power supply unit 1 and the discharge circuit unit C, an inrush current buffer element 2 for suppressing inrush current is inserted as necessary. As the inrush current buffer element, an inductor or a resistor with appropriately adjusted parameters is used. Further, in parallel with the charge and discharge capacitor 9, the charge voltage monitoring means 8 and the discharge switching circuit unit B are connected. As the charging voltage monitoring means 8, a preamplifier or the like via a voltmeter or an attenuator can be used. The discharge switching circuit portion B is configured of a discharge switching semiconductor element 6 and a discharge resistor 7 connected in series to the discharge switching semiconductor element 6. The discharge switching semiconductor element 6 is configured of a thyristor, a MOSFET, an IGBT or the like. The charging voltage signal output from the charging voltage monitoring means 8 and the setting voltage signal output from the setting voltage input interface 13 are connected to the comparator 14 and the computing unit 15. The output of the comparator 14 is connected to the control terminal of the charging switching semiconductor element 3, and the output of the computing unit 15 is connected to the time control terminal of the timer 16. The output of the timer 16 is connected to the control terminal of the discharge switching semiconductor element 6. When the computing unit 15 has a timer function, the timer 16 can be omitted, and the computing unit 15 and the control terminal of the discharge switching semiconductor device 6 can be directly coupled.

本発明を用いた医療用磁気パルス発生装置の回路図の他の一例を「図2」に示す。該回路においては、高圧直流電源回路1と充放電回路Cとの接続は、充放電コンデンサ9の片側の端子と、充放電コンデンサ9とは接続されていない側のパルスコイル10の片側の端子にて行われており、その余は図1と同じである。 Another example of a circuit diagram of a medical magnetic pulse generator using the present invention is shown in FIG. In the circuit, the connection between the high voltage DC power supply circuit 1 and the charge / discharge circuit C is made to a terminal on one side of the charge / discharge capacitor 9 and a terminal on one side of the pulse coil 10 not connected to the charge / discharge capacitor 9. The rest is the same as in FIG.

以降本発明を用いた医療用磁気パルス発生装置の実際の動作の詳細を説明する。図1、図2の回路では、設定電圧入力インターフェース13より出力された設定電圧信号と充電電圧モニタ手段8より出力された充電電圧信号をコンパレータ14にて比較し、充電電圧信号が低かった場合は、コンパレータ14より充電用スイッチング半導体素子3に閉制御信号が出力され、充電用スイッチング半導体素子3は閉状態となる。充電用スイッチング半導体素子3が閉状態となることにより、高圧直流電源部1と放電回路部Cが接続され、放電回路部C内の充放電コンデンサ9に電流が流れ込み、充放電コンデンサ9の両端の電圧が上昇し始める。その結果充電電圧モニタ手段8より出力される充電電圧信号が定電圧入力インターフェース13より出力される設定電圧信号を上回り、コンパレータ14より出力されていた閉制御信号は停止して、充電用スイッチング半導体素子3は開状態に戻る。その際充電用スイッチング半導体素子3の両端には、逆起電力が生じるがその多くはCR回路(4+5)に吸収され、充電用スイッチング半導体素子3は逆起電力による耐圧破壊から守られる。 Hereinafter, details of the actual operation of the medical magnetic pulse generator using the present invention will be described. In the circuits shown in FIGS. 1 and 2, when the charge voltage signal is low, the set voltage signal output from the set voltage input interface 13 is compared with the charge voltage signal output from the charge voltage monitor 8 by the comparator 14. The close control signal is output from the comparator 14 to the charging switching semiconductor element 3, and the charging switching semiconductor element 3 is closed. When the charging switching semiconductor element 3 is closed, the high voltage DC power supply unit 1 and the discharge circuit unit C are connected, current flows into the charge and discharge capacitor 9 in the discharge circuit unit C, and both ends of the charge and discharge capacitor 9 The voltage starts to rise. As a result, the charge voltage signal outputted from the charge voltage monitor means 8 exceeds the set voltage signal outputted from the constant voltage input interface 13 and the closing control signal outputted from the comparator 14 is stopped, and the charging switching semiconductor element 3 returns to the open state. At that time, a back electromotive force is generated at both ends of the charging switching semiconductor element 3, but most of it is absorbed by the CR circuit (4 + 5), and the charging switching semiconductor element 3 is protected from breakdown due to the back electromotive force.

ここで、充電スイッチング回路部AにおけるCR素子(4+5)のパラメーターが非常に重要である。Cが小さすぎる場合、Rが大きすぎる場合は、充電用スイッチング半導体素子3の開動作時に生じる逆起電力をCR素子(4+5)が十分に吸収することができず充電用スイッチング半導体素子3が破損する。逆にCが大きすぎる場合、Rが小さすぎる場合は、充電用スイッチング半導体3の開動作時に、CR素子内のコンデンサ4の電荷の一部が充放電コンデンサ9に流れ込み、電圧がオーバーシュートしてしまうという問題がある。そのためCR素子内のコンデンサのキャパシタンス(C1)として適当な値を選定する必要があり、具体的にはキャパシンタンス(C1)の値が「数1」を充たすことが望ましい。CR素子内の直流抵抗(R1)については、逆起電力が大きくなりすぎない程度の抵抗値を数Ωから数百Ω程度の範囲で決定し使用する。
Here, the parameters of the CR element (4 + 5) in the charge switching circuit part A are very important. If C is too small, if R is too large, the CR element (4 + 5) can not sufficiently absorb the back electromotive force generated when the charge switching semiconductor device 3 is opened, and the charge switching semiconductor device 3 is damaged. Do. Conversely, if C is too large, if R is too small, part of the charge of capacitor 4 in the CR element flows into charge / discharge capacitor 9 when the charge switching semiconductor 3 is open, causing a voltage overshoot. There is a problem of Therefore, it is necessary to select an appropriate value as the capacitance (C1) of the capacitor in the CR element, and specifically, it is desirable that the value of the capacitance (C1) satisfy “Equation 1”. For the direct current resistance (R1) in the CR element, a resistance value that does not increase the back electromotive force excessively is determined and used in a range of several Ω to several hundreds Ω.

上記とは逆に、設定電圧入力インターフェース13より出力された設定電圧信号が小さくなる方向に変更され、充電電圧モニタ手段8より出力された充電電圧信号に比較して低くなる場合は、演算器15により算出された放電時間の間タイマー16より閉制御信号が出力され、放電用スイッチング半導体素子6は閉状態となる。その結果充放電コンデンサ9に蓄積された電荷は放電抵抗7に吸収されて、充放電コンデンサ9の両端の充電電圧は減少し、設定電圧と同等の電圧になる。充電電圧がアンダーシュートした場合は、コンパレータ14が働き、上記と同様の動作にて充電電圧は設定電圧どおりの値に収束する。 Contrary to the above, when the set voltage signal output from the set voltage input interface 13 is changed to become smaller and becomes lower than the charge voltage signal output from the charge voltage monitoring means 8, the arithmetic unit 15 The closing control signal is output from the timer 16 during the discharging time calculated by the above, and the discharging switching semiconductor element 6 is closed. As a result, the charge stored in the charge / discharge capacitor 9 is absorbed by the discharge resistor 7, and the charge voltage at both ends of the charge / discharge capacitor 9 decreases to a voltage equal to the set voltage. When the charging voltage undershoots, the comparator 14 operates, and the charging voltage converges to the value as the set voltage in the same operation as described above.

上記動作において、放電時間tは演算器15によって「数2」を用いて算出される。「数2」は充放電コンデンサのキャパシタンス(C2)、放電抵抗7の全直流抵抗(R2)、変更後の設定電圧Vと変更前の設定電圧V0の比(V/V0)を用いた関数である。放電時間が「数2」を充たす事によって、目標とする充電電圧になるように充放電コンデンサ9内の電荷を放出することが可能となる。
In the above operation, the discharge time t is calculated by the arithmetic unit 15 using “Equation 2”. "Equation 2" is a function using the capacitance (C2) of the charge / discharge capacitor, the total DC resistance (R2) of the discharge resistor 7, and the ratio (V / V0) of the set voltage V after change to the set voltage V0 before change is there. By charging the discharge time to “the number 2”, it is possible to discharge the charge in the charge / discharge capacitor 9 so as to reach the target charge voltage.

この放電時間内は、充放電コンデンサ内の電圧は設定電圧とは異なる電圧となっているため、この間は励磁用スイッチング半導体素子11の閉動作を禁止し、パルスコイル10への通電を行わないことが望ましい。 During this discharge time, since the voltage in the charge / discharge capacitor is different from the set voltage, the closing operation of the excitation switching semiconductor element 11 is prohibited during this time, and the pulse coil 10 is not energized. Is desirable.

上記までの動作にて、設定電圧どおりに充放電コンデンサ9が充電された後、励磁用スイッチング半導体素子11を閉じることにより、充放電コンデンサ9内の電荷がパルスコイル10へ放電され、パルスコイル10よりパルス状の磁界が発生する。その結果、パルスコイル10に接して又は近接して配置された患部の筋肉に渦電流を発生させ末梢神経を刺激する。 After the charge / discharge capacitor 9 is charged according to the set voltage in the operation described above, closing the excitation switching semiconductor element 11 causes the charge in the charge / discharge capacitor 9 to be discharged to the pulse coil 10, and the pulse coil 10 A more pulsed magnetic field is generated. As a result, eddy currents are generated in the muscles of the affected area placed in contact with or in close proximity to the pulse coil 10 to stimulate peripheral nerves.

次に、本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものでないことは理解されるべきことである。 Next, the details of the present invention will be described based on examples. This example is intended to facilitate the understanding of the person skilled in the art. That is, it should be understood that the present invention is limited only by the technical concept described in the entire specification, and not limited by the present embodiment.

本発明の図1と同様の構成の回路を、CR素子(4+5)を使用せずに作成した。高圧直流電源部1は、高圧トランスと全波整流ブリッジにて作成し、その出力から全波整流電圧が出力される状態とした。突入電流緩衝素子2としては定格電流30A、インダクタンス10mHのインダクタを使用した。充電用スイッチング半導体素子3としては、耐圧2kV、定格電流20AのMOSFETを使用した。充放電回路Cは、120μHのキャパシタンスを持つ充放電コンデンサ9と、20μHのインダクタンスを持つパルスコイル10と、逆並列に接続されたサイリスタとダイオードよりなる励磁用スイッチング半導体素子11により構成した。充放電コンデンサ9には、充電電圧モニタ手段8として充電電圧を100:1に分圧するアッテネーターと、放電スイッチング半導体素子(C−MOSリレー)6と直流抵抗7(直流抵抗200Ω)よりなる放電スイッチング回路部Bを並列接続した。設定電圧入力インターフェース13としてボリューム抵抗を使用し、ボリューム抵抗から出力された設定電圧信号と前記充電電圧モニタ手段から出力される充電電圧信号をプリアンプ等で適度なレベルに調整したのちコンパレータ14および演算器15(マイコン)に入力した。コンパレータ14の出力は、充電用スイッチング半導体素子3の制御端子に入力した。今回使用した演算器15はタイマー機能を内蔵しているため、タイマー16は使用せず、演算器15の出力を直接放電用スイッチング半導体素子6の制御入力に接続した。 A circuit having the same configuration as that of FIG. 1 of the present invention was prepared without using a CR element (4 + 5). The high voltage DC power supply unit 1 was created by a high voltage transformer and a full wave rectification bridge, and a full wave rectified voltage was output from the output. As the inrush current buffer element 2, an inductor with a rated current of 30 A and an inductance of 10 mH was used. A MOSFET with a withstand voltage of 2 kV and a rated current of 20 A was used as the switching semiconductor element 3 for charging. The charge / discharge circuit C is constituted by a charge / discharge capacitor 9 having a capacitance of 120 μH, a pulse coil 10 having an inductance of 20 μH, and an excitation switching semiconductor element 11 composed of a thyristor and a diode connected in reverse parallel. A charge / discharge capacitor 9 is a charge / discharge monitor circuit 8 comprising an attenuator for dividing a charge voltage into 100: 1, a discharge / switching semiconductor element (C-MOS relay) 6 and a DC resistance 7 (DC resistance 200 Ω) Part B was connected in parallel. A volume resistor is used as the set voltage input interface 13. The set voltage signal output from the volume resistor and the charge voltage signal output from the charge voltage monitoring means are adjusted to an appropriate level by a preamplifier or the like, and then the comparator 14 and arithmetic unit Input to 15 (microcomputer). The output of the comparator 14 was input to the control terminal of the charging switching semiconductor element 3. Since the arithmetic unit 15 used this time incorporates a timer function, the timer 16 is not used, and the output of the arithmetic unit 15 is directly connected to the control input of the switching semiconductor element 6 for discharging.

高圧直流電源部1より60Vの全波整流電圧を出力させながら、充放電コンデンサ9の充電電圧制御をおこなったところ、充電完了時に充電用スイッチング半導体素子3の端子に、最大750Vの逆起電力が生じた。同様に高圧直流電源部1より120Vの全波整流電圧を出力させながら、充放電コンデンサ9の充電電圧制御をおこなったところ、充電完了時に充電用スイッチング半導体素子3の端子に、最大1250Vの逆起電力が生じた。次に、高圧直流電源部1より180Vの全波整流電圧を出力させながら、充放電コンデンサ9の充電電圧制御をおこなったところ、充電用スイッチング半導体素子3が焼損した。おそらく耐圧(2kV)を超える逆起電力が充電用スイッチング半導体素子3の端子に印加されたものと考えられる。設定電圧と生じた逆起電力の関係について図示したグラフを図3に示す。設定電圧が直流電源出力電圧に近い状態では、逆起電力は小さいが、設定電圧が小さくなるにしたがって逆起電力が大きくなっていく傾向が見て取れる。これは、設定電圧と直流電源出力電圧の差が大きければ大きいほど、充電停止時に充電用スイッチング半導体素子3に流れている充電電流が大きいことに起因する。 When charge voltage control of the charge and discharge capacitor 9 is performed while outputting full wave rectified voltage of 60 V from the high voltage DC power supply unit 1, back electromotive force of maximum 750 V is applied to the terminal of the switching semiconductor element 3 for charge when charging is completed. occured. Similarly, when the charge voltage control of the charge / discharge capacitor 9 is performed while outputting a full-wave rectified voltage of 120 V from the high voltage DC power supply unit 1, back charge of up to 1250 V is generated at the terminal of the switching semiconductor element 3 for charge when charging is completed. Power has been generated. Next, when the charge voltage control of the charge / discharge capacitor 9 was performed while outputting a full-wave rectified voltage of 180 V from the high voltage DC power supply unit 1, the charging switching semiconductor element 3 was burnt out. It is considered that a back electromotive force exceeding the withstand voltage (2 kV) is probably applied to the terminal of the switching semiconductor element 3 for charging. A graph illustrating the relationship between the set voltage and the generated back electromotive force is shown in FIG. When the set voltage is close to the DC power supply output voltage, the back electromotive force is small, but it can be seen that the back electromotive force tends to increase as the set voltage decreases. This is because the larger the difference between the set voltage and the DC power supply output voltage, the larger the charging current flowing to the charging switching semiconductor element 3 when charging is stopped.

次に、上記回路にCR素子(4+5)を加え、図1と同様の回路とした。CR素子のキャパシタンス(C1)を一定程度大きく、直流抵抗(R1)を一定程度小さくすることで、充電完了時に生じる逆起電力を抑えることが可能であり、例えば、C1=5μF、R1=10Ωとすることで、高圧直流電源部の出力を150Vとしても逆起電力は230V程度に抑えることが可能であり、高圧直流電源部の出力を450Vとしても逆起電力は600V程度であった(図4)。 Next, a CR element (4 + 5) was added to the above circuit to obtain a circuit similar to FIG. By increasing the capacitance (C1) of the CR element to a certain extent and reducing the DC resistance (R1) to a certain extent, it is possible to suppress the back electromotive force generated at the completion of charging. For example, C1 = 5 μF, R1 = 10 Ω By doing this, the back electromotive force can be suppressed to about 230 V even when the output of the high voltage DC power supply unit is 150 V, and the back electromotive force is about 600 V even if the output of the high voltage DC power supply unit is 450 V (FIG. 4). ).

図5は、上記の回路にて直流電源出力を120V、設定電圧を35Vに固定し、C1とR1の値を変更しながら逆起電力を測定した結果である。C1が増えるにしたがって、逆起電力が抑制されている傾向が見て取れる。これはC1が大きいほど、逆起電力の原因となる回路内の誘導性エネルギーをより大量にC1内に吸収することが可能なことを示している。またR1が大きくなると、C1に流れ込む電流を抑制してしまい、逆起電力が増大する傾向も見ることができる。 FIG. 5 shows the result of measuring the back electromotive force while fixing the DC power output at 120 V and the set voltage at 35 V in the above circuit and changing the values of C1 and R1. As C1 increases, it can be seen that the back electromotive force tends to be suppressed. This indicates that the larger C1 is, the more inductive energy in the circuit causing the back electromotive force can be absorbed in C1. Moreover, when R1 becomes large, the current flowing into C1 is suppressed, and it can be seen that the back electromotive force tends to increase.

図6は、上記の回路にて、より実用に近い領域でC1の大きさを変更しながら、設定電圧の変化に対する逆起電力の変化を測定した結果である。R1は40Ωで固定している。いずれのC1の値でも逆起電力が充電用スイッチング半導体素子3の耐圧を超えることはなかったが、図5に見られた傾向と同様に、C1をもっとも大きくした場合(C1=10μF)が最も逆起電力が抑制された。 FIG. 6 shows the result of measurement of the change of the back electromotive force with respect to the change of the set voltage while changing the magnitude of C1 in the more practical area in the above circuit. R1 is fixed at 40 Ω. Although the back electromotive force did not exceed the withstand voltage of the charging switching semiconductor element 3 at any value of C1, the case where C1 is maximized (C1 = 10 μF) is the same as the tendency seen in FIG. 5. The back electromotive force was suppressed.

図7は、図6と同様により実用に近い領域でR1の大きさを変更しながら、設定電圧の変化に対する逆起電力の変化を測定した結果である。C1は5μFで固定している。いずれのR1の値でも逆起電力が充電用スイッチング半導体素子3の耐圧を超えることはなかったが、図5に見られた傾向と同様に、R1をもっとも小さくした場合(R1=1Ω)が最も逆起電力が抑制された。 FIG. 7 shows the results of measurement of the change in back electromotive force with respect to the change in set voltage while changing the magnitude of R1 in a region close to practical use as in FIG. C1 is fixed at 5 μF. Although the back electromotive force did not exceed the withstand voltage of the charging switching semiconductor element 3 at any value of R1, the case where R1 is minimized (R1 = 1Ω) is the most similar to the tendency seen in FIG. The back electromotive force was suppressed.

このようにCR素子を用いることで、充電用スイッチング半導体素子3を破損させずに充放電コンデンサ9の充電電圧を制御することが可能となった。しかし、充電用スイッチング半導体素子3が開状態になっても、このCR回路に含まれるコンデンサ内の電荷が充放電コンデンサ9に流れ込んでしまい設定電圧をオーバーシュートした充電電圧となってしまう問題があることが判明した。オーバーシュート量とCR素子のC1およびR1の関係について図8、図9に示す。 By using the CR element in this way, it becomes possible to control the charging voltage of the charge / discharge capacitor 9 without damaging the charging switching semiconductor element 3. However, even if the charging switching semiconductor element 3 is opened, the charge in the capacitor included in the CR circuit flows into the charge / discharge capacitor 9, causing a problem that the charging voltage is an overshoot of the set voltage. It has been found. The relationship between the overshoot amount and C1 and R1 of the CR element is shown in FIG. 8 and FIG.

図8は、図6の測定を実施した際に、充電電圧がどれほどオーバーシュートしていたかを示したグラフである。オーバーシュートの量は、充電終了時に実際に充電されていた充電電圧から設定電圧の値を差し引いて求めている。この結果によれば、逆起電力の場合とは逆の傾向となり、C1が大きくなるにつれて、充電電圧が設定電圧を大きくオーバーシュートする傾向が見て取れる。C1が1.8μFの場合は、オーバーシュート量は4V程度であって、最大充電電圧(=450V)の1%未満であるが、C1が10μFの場合は、オーバーシュート量は10V近くまで上昇し、最大充電電圧の2%を超えている。 FIG. 8 is a graph showing how much the charge voltage overshooted when the measurement of FIG. 6 was performed. The amount of overshoot is determined by subtracting the value of the set voltage from the charge voltage that was actually charged at the end of charge. According to this result, the opposite tendency to the case of the back electromotive force is observed, and as C1 becomes larger, the charging voltage tends to overshoot the set voltage significantly. When C1 is 1.8 μF, the overshoot amount is about 4 V, which is less than 1% of the maximum charging voltage (= 450 V), but when C1 is 10 μF, the overshoot amount increases to near 10 V , Has exceeded 2% of the maximum charging voltage.

図9は、図7の測定を実施した際に、充電電圧がどれほどオーバーシュートしていたかを示したグラフである。この結果も、逆起電力の場合とは逆の傾向となり、R1が小さくなるにつれて、充電電圧が設定電圧を大きくオーバーシュートする傾向が見て取れる。R1が80Ωの場合は、オーバーシュート量は4V程度であって、最大充電電圧(=450V)の1%未満であるが、R1が1Ωの場合は、オーバーシュート量は10V近くまで上昇し、最大充電電圧の2%を超えている。 FIG. 9 is a graph showing how much the charging voltage overshooted when the measurement of FIG. 7 was performed. This result also has a tendency opposite to that of the back electromotive force, and it can be seen that the charging voltage tends to overshoot the set voltage significantly as R1 decreases. When R1 is 80Ω, the overshoot amount is about 4V and less than 1% of the maximum charging voltage (= 450V), but when R1 is 1Ω, the overshoot amount rises to near 10V, the maximum Over 2% of the charging voltage.

図8、図9が示す通り、オーバーシュートを小さくするためには、CR素子のC1を小さくかつR1を大きくする必要があり、これは逆起電力を増大させる方向となる。すなわちC1,R1の大きさは、回路の持つ特性や使用している部品の耐圧、製品に求められる仕様等を勘案し、最適な値を選定する必要がある。 As shown in FIGS. 8 and 9, in order to reduce the overshoot, it is necessary to make C1 of the CR element smaller and R1 larger, which tends to increase the back electromotive force. That is, the magnitudes of C1 and R1 need to be selected in consideration of the characteristics of the circuit, the withstand voltage of the used component, the specifications required for the product, and the like.

適正なC1およびR1の選定については、次のように行うことができる。まずCR素子を使用しなかった場合の最大の逆起電力V2を算出する。具体的にはCR素子の無い回路(実施例1の回路)にて高圧直流電源部1の出力電圧を下げた状態で充電を行って逆起電力を測定し、その逆起電力から実際に使用する電圧の場合の逆起電力を算出する。例えば上記の例では高圧直流電源部1の出力電圧が120Vの場合に生じた逆起電力は最大1250Vであったため、実際に使用する電圧が600Vの場合は、V2は1250×600/120=6250Vとなる。次に、充電の際に充電用スイッチング半導体素子3を流れる充電電流の最大値(=最大充電電流I)を測定する。これも同様に高圧直流電源部1の出力電圧を下げた状態で充電を行って充電電流を測定し、その充電電流から実際に使用する電圧の場合の最大充電電流Iを算出する。本実施例の場合は、I=22.5Aであった。これらの測定値を「数1」に代入することにより、C1を求める。図1の回路の場合、回路上のインダクタンスは、突入電流緩衝素子2のみであるので、本実施例の場合L=10mHとした(図5の回路の場合は、突入電流緩衝素子2とパルスコイル10のインダクタンスの和がLとなる)。αは通常は0.5程度とするが、電圧のオーバーシュートを小さくしたい場合は0.75程度まで大きくしてもよい。逆に、逆起電力をより抑制したい場合は、0.25程度まで下げてもよい。本実施例では、充電用スイッチング半導体素子3の耐圧(V1)は2kVであり、αは0.5として算出した。その結果、適正なC1は4.93μFと算出された。実際にはC1は5μFとして、C1を用いたCR素子を何種類か実装した結果、R1としては60Ωが適当であった。C1=5μF、R1=60ΩのCR素子を使用することにより、直流電源部1の出力を600Vとしても、充電停止時の逆起電力を700Vに抑制し、加えて充電電流のオーバーシュートを4V以下に抑制することができた。その結果、充電用スイッチング半導体素子3を焼損することなく、非常に簡便且つ小型な回路構成で、60Vから最大600Vの範囲にて、急速かつ安定した充電電圧制御が可能となった。
The selection of the proper C1 and R1 can be carried out as follows. First, the maximum counter electromotive force V2 when the CR element is not used is calculated. Specifically, charging is performed in a state where the output voltage of the high voltage DC power supply unit 1 is lowered in a circuit without the CR element (the circuit of Example 1), and the back electromotive force is measured. Calculate the back EMF in the case of the required voltage. For example, in the above example, the back electromotive force generated when the output voltage of the high voltage DC power supply unit 1 is 120 V was 1250 V at maximum, so when the voltage actually used is 600 V, V2 is 1250 × 600/120 = 6250 V It becomes. Next, the maximum value of the charging current (= maximum charging current I) flowing through the charging switching semiconductor element 3 during charging is measured. Similarly, charging is performed with the output voltage of the high voltage DC power supply unit 1 lowered to measure the charging current, and the maximum charging current I in the case of the voltage to be actually used is calculated from the charging current. In the case of this example, I was 22.5 A. C1 is determined by substituting these measured values into “Equation 1”. In the case of the circuit of FIG. 1, since the inductance on the circuit is only the inrush current buffer element 2, L = 10 mH in the present embodiment (in the case of the circuit of FIG. 5, the inrush current buffer element 2 and the pulse coil The sum of the inductances of 10 becomes L). α is usually about 0.5, but may be increased to about 0.75 when it is desired to reduce voltage overshoot. Conversely, if it is desired to further suppress the back electromotive force, it may be lowered to about 0.25. In this example, the breakdown voltage (V1) of the charging switching semiconductor element 3 is 2 kV, and α is calculated as 0.5. As a result, the appropriate C1 was calculated to be 4.93 μF. In practice, C1 was 5 μF, and as a result of mounting several types of CR elements using C1, 60 Ω was appropriate as R1. By using a CR element of C1 = 5 μF and R1 = 60 Ω, even if the output of DC power supply unit 1 is set to 600 V, the back electromotive force at the charge stop is suppressed to 700 V, and the overshoot of the charge current is 4 V or less Could be suppressed. As a result, rapid and stable charge voltage control can be performed in the range of 60 V to a maximum of 600 V with a very simple and compact circuit configuration without burning the charging switching semiconductor element 3.

充電時の充電回路全体のエネルギーは、充電回路全体のインダクタンスによる誘導性エネルギーと同等であると仮定し、このエネルギーの一部がCR素子内コンデンサの容量性エネルギーとして吸収され、残りが逆起電力となって充電用スイッチング素子3の端子に現れるというモデルから「数1」は導出されており、充電用スイッチング素子3の端子を破壊しない程度に逆起電力を抑える効果のあるC1の値を算出可能である。実際の回路の充電制御における各パラメーターとの整合性も確認されている。 Assuming that the energy of the entire charging circuit at the time of charging is equal to the inductive energy due to the inductance of the entire charging circuit, part of this energy is absorbed as capacitive energy of the capacitor in the CR element, and the rest is the back electromotive force The “Equation 1” is derived from the model that appears at the terminals of the charging switching element 3 and the value of C1 that has the effect of suppressing the back electromotive force to such an extent that the terminals of the charging switching element 3 are not broken is calculated. It is possible. The consistency with each parameter in the charge control of the actual circuit is also confirmed.

実施例2の回路にて、設定電圧を現在の充電電圧よりも低下させた場合について考える。演算部15にて制御を行わない場合、設定電圧を現在の充電電圧よりも低下させると、充電電圧モニタ手段8内のアッテネーターに対し、充放電コンデンサ9の電荷が放電され、設定電圧を下回った時点でコンパレータ14により充電が開始されて、設定電圧とほぼ同じ値に充電電圧が収束する。しかし、その放電速度はかなり緩慢であるため、目的の充電電圧に収束するには長時間を要する。本実施例ではアッテネーター内の内部抵抗は500kΩ程度であり、例えば最大充電電圧から最大充電電圧の10%の電圧まで到達するには2分以上を要する。容量の大きな低抵抗の放電抵抗を充放電コンデンサ9に並列に接続すれば、放電速度は早まるが、一定の充電電圧を保持し続けるためには、頻繁に充電スイッチング半導体素子3を開閉しなければならず、またその放電抵抗の発熱は無駄なジュール熱損失となってしまうため、電気効率が悪くなってしまう。 In the circuit of the second embodiment, the case where the set voltage is lower than the current charge voltage is considered. When the control unit 15 does not perform control, when the set voltage is lowered than the current charge voltage, the charge of the charge / discharge capacitor 9 is discharged to the attenuator in the charge voltage monitoring means 8 and falls below the set voltage. At the point of time, charging is started by the comparator 14 and the charging voltage converges to substantially the same value as the set voltage. However, since the discharge rate is rather slow, it takes a long time to converge to the target charge voltage. In this embodiment, the internal resistance in the attenuator is about 500 k.OMEGA., For example, it takes two minutes or more to reach the voltage of 10% of the maximum charge voltage from the maximum charge voltage. If a large-capacity low-resistance discharge resistor is connected in parallel to the charge / discharge capacitor 9, the discharge speed will be faster, but in order to maintain a constant charge voltage, the charge switching semiconductor element 3 must be opened and closed frequently. Also, the heat generation of the discharge resistance results in useless Joule heat loss, resulting in deterioration of the electrical efficiency.

そこで、演算部15にて充放電コンデンサ9のキャパシタンス(C2)および放電用抵抗(R2)、設定電圧の降下割合(V/V0、Vは設定変更後の設定電圧、V0は設定変更前の設定電圧)より、「数2」を用いて放電時間tを算出し、その放電時間の間、放電用スイッチング回路6を閉状態として充放電コンデンサ内の電荷を放電抵抗7に放電させる制御を行わせた。本実施例では、βは0.98に設定した。βの値は通常は1.0とし、放電制御完了時に充電電圧をアンダーシュートさせたい場合は1.1程度、アンダーシュートさせたくない場合は、0.9程度に設定する。その結果、設定電圧変更後、最大0.7秒程度で、目的の充電電圧に収束させることが可能となった。放電抵抗7の直流抵抗の値は、設定電圧の変更に対する充電電圧の応答性を高めたい場合は小さめに、応答性が低くても支障が無い場合は大きめの抵抗を選択すればよいが、抵抗の値が小さい場合、熱容量の大きな抵抗を使用する必要がある。「数2」はコンデンサと放電抵抗による簡易的なモデルにおける電荷の移動を記述する微分方程式より導出しているが、実際の回路の放電時間の算出に対して十分に適合性があることを実験にて確認している。
Therefore, the capacitance (C2) and the discharge resistance (R2) of the charge / discharge capacitor 9 in the calculation unit 15, the drop rate of the set voltage (V / V0, V is the set voltage after the setting change, V0 is the setting before the setting change) The discharge time t is calculated using “Equation 2” from the voltage), and the discharge switching circuit 6 is closed during the discharge time to perform control to discharge the charge in the charge / discharge capacitor to the discharge resistor 7 The In the present embodiment, β was set to 0.98. The value of β is normally set to 1.0, and is set to about 1.1 when it is desired to undershoot the charge voltage at the completion of discharge control, and to about 0.9 when it is not desired to undershoot. As a result, after changing the set voltage, it becomes possible to converge on the target charging voltage in about 0.7 seconds at maximum. The value of the DC resistance of the discharge resistor 7 should be smaller if you want to improve the response of the charging voltage to changes in the setting voltage, and if there is no problem even if the response is low, you may select a larger resistor. When the value of is small, it is necessary to use a large resistance of heat capacity. Although “Equation 2” is derived from the differential equation that describes the movement of charge in a simple model with a capacitor and a discharge resistance, it is an experiment that it is sufficiently compatible with the calculation of the discharge time of the actual circuit. It confirms with.

本願発明を用いた装置を用いれば、脳機能障害により四肢の運動に支障がある患者も、末梢神経と筋肉が正常であれば、連発磁気パルスによる刺激によって少ない疼痛で四肢を大きく動かすことが可能となる。筋肉を自発的に動かすことにより、麻痺した四肢を動かそうという患者の意欲の向上を計ることができ、加えて筋委縮の予防にも効果的である。本願発明を用いた装置は、四肢麻痺患者のリハビリ用の装置として広く活用されることが期待される。 Using the device according to the present invention, even if a patient who has hindlimb movement due to brain dysfunction is normal, if peripheral nerves and muscles are normal, stimulation by continuous magnetic pulses can move the limb largely with less pain. It becomes. By voluntarily moving the muscles, it is possible to improve the patient's willingness to move the paralyzed limbs, and it is also effective in preventing muscle atrophy. A device using the present invention is expected to be widely used as a device for rehabilitation of quadriplegia patients.

1:高圧直流電源部
2:突入電流緩衝素子
3:充電用スイッチング半導体素子
4:CR素子のコンデンサ
5:CR素子の抵抗
6:放電用スイッチング半導体素子
7:放電用抵抗
8:充電電圧モニタ手段
9:充放電コンデンサ
10:磁気刺激コイル
11:励磁用スイッチング半導体素子
12:対象部位
13:設定電圧(設定電圧入力インターフェース)
14:コンパレータ
15:演算器
16:タイマー
A:充電スイッチング回路部
B:放電スイッチング回路部
C:放電回路部
1: High voltage DC power supply unit 2: Inrush current buffer element 3: Switching semiconductor element for charge 4: CR element capacitor 5: CR element resistance 6: Discharge switching semiconductor element 7: Discharge resistance 8: Charge voltage monitoring means 9 : Charge / discharge capacitor 10: Magnetic stimulation coil 11: Switching semiconductor element for excitation 12: Target portion 13: Set voltage (set voltage input interface)
14: comparator 15: computing device 16: timer A: charge switching circuit unit B: discharge switching circuit unit C: discharge circuit unit

Claims (4)

対象部位に渦電流を生じさせる磁気治療用のパルスコイルと、充放電コンデンサと、充放電コンデンサからの放電電流をパルスコイルに供給する励磁用スイッチング半導体素子とを環状に直列接続した放電回路部と、
充電用スイッチング半導体素子と、該充電用スイッチング半導体素子の接点に並列に接続されたCR素子よりなる充電スイッチング回路部と、
放電用スイッチング半導体素子と、該放電用スイッチング半導体素子に直列に接続された放電抵抗よりなる放電スイッチング回路部と
直流電圧または全波整流電圧を出力する直流電源部と、
設定電圧と充放電コンデンサの充電電圧を比較するコンパレータとで構成され、
直流電源部と充放電コンデンサはその間に充電スイッチング回路部を介して接続され、また放電スイッチング回路部が充放電コンデンサに並列に接続されており、
該コンパレータの出力をトリガとして充電用スイッチング半導体素子の接点が開閉することにより充放電コンデンサの充電電圧を調整することを特徴とする医療用磁気パルス発生装置。
A discharge circuit section in which a pulse coil for magnetic therapy for generating an eddy current at a target site, a charge / discharge capacitor, and an excitation switching semiconductor element for supplying a discharge current from the charge / discharge capacitor to the pulse coil are connected in series in a ring. ,
A charging switching circuit portion comprising a charging switching semiconductor element and a CR element connected in parallel to a contact of the charging switching semiconductor element;
A discharge switching circuit element comprising a discharge switching semiconductor element, a discharge resistance connected in series to the discharge switching semiconductor element, and a DC power supply section for outputting a DC voltage or a full-wave rectified voltage;
It consists of a comparator that compares the set voltage with the charge voltage of the charge / discharge capacitor ,
The DC power supply unit and the charge / discharge capacitor are connected therebetween via the charge switching circuit unit, and the discharge switching circuit unit is connected in parallel to the charge / discharge capacitor,
A medical magnetic pulse generator characterized by adjusting a charging voltage of a charging / discharging capacitor by opening / closing a contact of a charging switching semiconductor element triggered by an output of the comparator.
上記CR素子のキャパシタンス(C1)と、充電用スイッチング半導体素子の耐圧(V1)と、CR素子が無い場合に充電用スイッチング半導体素子の両端に生じる逆起電力(V2)と、充電回路上の全インダクタンス(L)と、充電時に充電用スイッチング半導体素子を流れる充電電流の最大値(I)とが「数1」を充たすことを特徴とする請求項1に記載の医療用磁気パルス発生装置。 The capacitance (C1) of the CR element, the withstand voltage (V1) of the charging switching semiconductor element, the back electromotive force (V2) generated at both ends of the charging switching semiconductor element without the CR element, and the total on the charging circuit The medical magnetic pulse generator according to claim 1, wherein the inductance (L) and the maximum value (I) of the charging current flowing through the charging switching semiconductor element at the time of charging satisfy "Equation 1". 設定電圧を小さくする方向に変更した際に、放電用スイッチング半導体素子を定められた放電時間の間、閉状態とすることにより、放電抵抗に充放電コンデンサ内の電荷を放出して、充放電コンデンサの充電電圧を下げる機能を持ち、該放電時間(t)と、充放電コンデンサのキャパシタンス(C2)、放電抵抗の全直流抵抗(R2)、設定電圧の降下割合(V/V0、Vは設定変更後の設定電圧、V0は設定変更前の設定電圧)の関係が「数2」を充たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の医療用磁気パルス発生装置。 When the set voltage is changed to a smaller direction, the discharge switching semiconductor element is closed for a predetermined discharge time to release the charge in the charge / discharge capacitor to the discharge resistor, thereby causing the charge / discharge capacitor to discharge. Function of lowering the charge voltage of the battery, the discharge time (t), the capacitance of the charge / discharge capacitor (C2), the total DC resistance of the discharge resistor (R2), the rate of drop of the set voltage (V / V0, V: setting change The medical magnetic pulse generator according to claim 1 or 2, wherein the relationship between the subsequent set voltage V0 is the set voltage before the setting change satisfies "Equation 2". 請求項3に記載の医療用磁気パルス発生装置であって、上記放電時間の間、励磁用スイッチング半導体素子が閉状態になることを禁止することを特徴とする医療用磁気パルス発生装置。

4. The medical magnetic pulse generator according to claim 3, wherein the excitation switching semiconductor element is not closed during the discharge time.

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