Beschreibung
Magnetstimulationsgerät
Die Erfindung betrifft ein Magnetstimulationsgerät mit wenigstens einer Stimulationsspule, die mit ihren Anschlüssen am Ausgang einer Stromerzeugungseinheit angeschlossen ist.
Magnetstimulationsgeräte, dienen im Bereich der medizinischen Diagnostik und Therapie zur magnetischen Stimulation von Nervenfasern und muskulärem Gewebe. Im Vergleich zur elektrischen Stimulation mittels Reizstrom liegt der Vorteil der Magnetpuls-Stimulation in der geringeren Schmerzhaftigkeit der Reizung, da bei der Magnetpuls-Stimulation keine höheren Stromdichten im Bereich der Schmerzrezeptoren der Haut auftreten. Ein weiterer Vorteil der Magnetstimulation liegt in dem höheren Penetrationsvermögen, wodurch auch die Erregung von tieferliegendem Gewebe, insbesondere tieferliegenden Nervenfasern, möglich ist.
Das Buch von R. F. Schmidt (Herausgeber) „Neuro- und Sinnesphysiologie", Springer, zweite, korrigierte Auflage 1995, Kapitel 2 und 3, beinhaltet eine genau Beschreibung neurophy- siologischer Vorgänge. Das Nervensystem beispielsweise koor- diniert die Aktivitäten der verschiedenen Organe und Reaktionen des Körpers auf die Umwelt. Dies geschieht vornehmlich durch eine Änderungen des Potentials von Nervenzellen. Alle Zellen besitzen ein Ruhepotential. Beim Ruhepotential befinden sich alle Membranströme einer Zelle im Gleichgewicht. Wird das Membranpotential durch einen zusätzlichen Membranstrom, der z.B. durch einen äußeren Einfluß in die Zelle gelangt, depolarisiert, so geht dies mit einer Potentialänderung einher, einem sogenannten Aktionspotential. Vorgenannter depolarisierender Membranstrom wird auch Reiz genannt. Das Auslösepotential für ein Aktionspotential heißt Schwelle. An der Schwelle ändert sich das Gleichgewicht der Membranströme. Es treten für kurze Zeit zusätzliche Membranströme auf, die
die Membran depolarisieren . Man nennt diesen Zustand auch Erregung. Mit einem Aktionspotential geht eine Aktion einher. So wird z.B. jede Zuckung einer Muskelfaser durch ein Aktionspotential in der Muskelfaser begleitet und jede Reaktion einer Sinneszelle auf einen Sinnesreiz wird durch Aktionspo- tentiale weitergeleitet .
In der EP 0 182 160 AI ist ein Gerat zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse mit halbkreisförmiger Form und einer Fre- quenz von 100 Hz beschrieben, welches insbesondere zur Forderung der MikroZirkulation des Blutes im Bereich der Haarwurzeln und der Haut, beispielsweise gegen Haarausfall dient. Dazu ist an einem Wechselspannungstransformator eine Diodengleichπchterbrucke in Graetz-Schaltung angeschlossen, die eine pulserzeugende Spule speist.
In der DE 36 07 235 AI ist ein Gerat zur Erzeugung von unipolaren Luftionen und elektromagnetischen Impulsfeldern zur Herabsetzung der menschlichen Reaktionszeit bei gleichzeiti- ger Erhöhung der Aufmerksamkeits-Bereitschaft bekannt. Zur Erzeugung der elektromagnetischen Impulsfelder ist an eine Spannungsquelle ein Frequenzgenerator, der eine Frequenz im Bereich von 8 Hz bis 10 Hz erzeugt, mit nachgeschaltetem Aus- koppelverstarker und eine das Impulsfeld erzeugende Spule an- geschlossen.
In der DE 41 32 428 AI ist ein Magneto-Therapiegerat zur magnetotherapeutischen Behandlung beschrieben. Zur Erzeugung eines pulsierenden Magnetfeldes mit einer Impulsfolgefrequenz zwischen 0,25 Hz und 2 Hz ist an e ne Batterie ein astabiler Multivibrator angeschlossen, der zwei mit Eisen gefüllte Zylinderspulen speist. Das Gerat ist als Taschengerat ausgebildet.
In der US-Patentschrift 5 743 844 ist ein Gerat zur Therapie mittels pulsierender elektromagnetischer Felder zur Forderung der Heilung von Knochen- und Korpergewebe, insbesondere in
der Ausgestaltung als am Korper tragbares, oatteriegespeistes Gerat bekannt. Dazu wird aus zwei Spannungsquellen unterschiedlicher Spannungshohe über eine spezielle Schaltung, die als Kernelemente zwei Feldeffekttransistoren und zwei Konden- satoren beinhaltet, eine das Magnetfeld erzeugende Spule gespeist. Dabei besitzt vorgenannte Schaltung ein festes Puls- Pausen-Zeitverhaltnis .
Die n den vorausgehend zitierten Patentschriften beschnebe- nen Gerate sind alle derart konzipiert, daß die von ihnen erzeugten magnetischen Puls- bzw. Wechselfelder unterhalb der Schwelle zur Auslosung von Aktionspotentialen auf den menschlichen Korper wirken. Die damit tatsächlich erreichbaren Wirkungen im menschlichen Korper sind teilweise sehr diffus und wissenschaftlich umstritten. Bei Magnetstimulationsgeraten, die gezielt Aktionspotentiale, insbesondere in tieferliegendem neuromuskularen Gewebe auslosen, handelt es sich um eine ganz andere Kategorie von Geraten. Nicht nur Einsatz und therapeutische Wirkung dieser Gerate ist anders, sondern auch die dafür aufzubringenden elektrischen Leistungen sind um ein Vielfaches großer, was sich in entsprechend hohen Strom- und Spannungswerten niederschlagt. Dazu sind die in den vorausgehend zitierten Patentschriften beschriebenen Gerate aufgrund ihrer gesamten mederspannungs- und klemstromtechnischen Auslegung nicht geeignet.
Ein Magnetstimulationsgerat zur Auslosung von Aktionspoten- tialen, auch m tieferliegendem neuromuskularen Gewebe ist im Aufsatz von M. Schmid, T. Weyh und B.-U. Me er "Entwicklung, Optimierung und Erprobung neuer Gerate für αie magnetomotorische Stimulation von Nervenfasern", Biomedizinische Technik 38 (1993), Seiten 317 bis 324, beschrieben. Es weist eine Stimulationsspule auf, der resonant erzeugte Strompulse zugeführt werden. Die für die Erzeugung der Strompulse erforder- liehe Stromerzeugungseinheit umfaßt ein regexoares Netzteil sowie einen Hochspannungs-Kondensator, der zusammen mit der Stimulationsspule einen Parallelschwmgkreis oildet, also a±s
resonante Schaltung arbeitet. Der Hochspannungs-Kondensator wird vom regelbaren Netzteil aufgeladen und akkumuliert dadurch die für die Abgabe eines Strompulses erforderliche Pulsenergie .
Die Resonanzfrequenz des von der Stimulationsspule und dem Hochspannungs-Kondensator gebildeten Parallelschwmgkreises ist durch die Wahl der Kapazität des Hochspannungs- Kondensators und der Induktivität der Stimulationsspule fest- gelegt und liegt im Bereich von 1 bis 3 kHz. Variiert man die Kapazität des Hochspannungs-Kondensators, dann laßt sich die Resonanzfrequenz des Parallelschwmgkreises und damit die Geschwindigkeit des Stromanstiegs n der Stimulationsspule verandern. Die Reizmtensitat wird durch die initiale Spannung am Hochspannungs-Kondensator festgelegt. Als weiterer Parameter ist nur noch die Repetit onsrate einstellbar, die im Bereich um 10 Hz liegt.
Weiterhin ist aus der DE 196 07 704 AI eine Vorrichtung zur magnetischen Anregung von neuromuskularem Gewebe bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist eine Anregungsspule (Stimulationsspule) auf, die zusammen mit einem Speicherkondensator (Hochspannungs-Kondensator) einen Parallelschwmgkreis bildet, also ebenfalls als resonante Schaltung arbeitet. Auch bei dieser Vorrichtung lassen sich nur Resonanzfrequenzen im Bereich von 1 bis 3 kHz realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Ma- gnetstimulationsgerat zur Auslosung von Aktionspotentialen auch in tieferliegendem neuromuskularen Gewebe zu schaffen, das größere Freiheiten bei der Wahl der Strompulsformen bietet.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch die Merkmale im An- spruch 1 gelosc. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Das erfindungsgemaße Magnetstimulationsgerat umfaßt wenigstens eine Stimulationsspule, die mit ihren Anschlüssen am Ausgang wenigstens einer Stromerzeugungseinheit angeschlossen ist, wobei die Stromerzeugungseinheit nicht-resonant erzeugte Strompulse für die Stimulationsspule bereitstellt.
Durch den Verzicht auf einen resonanten Betrieb lassen sich größere Freiheiten in der Wahl der Strompulsformen erzielen. Darüber hinaus werden keine regelbaren Netzteile mit speziel- len Ladeschaltungen benotigt.
Da die Stimulationsspule - im Gegensatz zu den vergleichbaren Magnetstimulationsgeraten gemäß dem Stand der Technik - nun nicht mehr Teil eines Parallelschwingkreises ist, ergeben sich weitere Freiheitsgrade durch die Wahl der Induktivität der Stimulationsspule.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 umfaßt die Stromerzeugungseinheit wenigstens einen steuerbaren Stromrichter mit mindestens einem ein- und abschaltbaren Leistungs-Halbleiter-Schalter mit kurzen Schaltzeiten.
Unter dem Begriff "kurze Schaltzeit" sind bei dem Magnetstimulationsgerat gemäß Anspruch 2 Schaltzeiten von ca. I μs oder kleiner zu verstehen.
Die bei einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 vorgesehenen ein- und abschaltbaren Leistungs-Halbleiter-Schalter müssen kurze Schaltzeiten aufweisen, so daß hierfür derzeit vorzugs- weise Transistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, Verwendung finden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, die Gegenstand der weiteren Ansprüche sind, werden im folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Magnet- stimulationsgerats, FIG 2 einen Verlauf von Strompulsen, die von einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Magnetstimulationsge- rats nicht-resonant erzeugt werden, einen Verlauf einer dazu korrespondierenden Spannung innerhalb der Stromerzeugungseinheit des erfindungsgemäßen Geräts sowie einen Strom- und einen Spannungsverlauf, die von einem Gerat gemäß dem Stand der Technik erzeugt werden,
FIG 3 einen Verlauf der Spannung an der Stimulationsspule, der zum Verlauf der vom erfindungsgemaßen Gerat erzeugten Strompulse gemäß FIG 2 korrespondiert.
FIG 1 zeigt eine Ausführungsform für ein erfindungsgemaßes Magnetstimulationsgerät. Das Gerat umfaßt wenigstens eine Stimulationsspule Ls, die mit ihren Anschlüssen am Ausgang einer Stromerzeugungseinheit 9 angeschlossen ist. Die Stromerzeugungseinheit wird beispielhaft durch die Parallelschal- tung eines Netzteils β, das nicht regelbar sein muß und das vorzugsweise als Hochspannungsnetzteil ausgeführt ist, eines Spannungs-Zwischenkreises 5 und eines steuerbaren Stromrichters 8, der wenigstens einen ein- und abschaltbaren Leistungs-Halbleiter-Schalter Ti mit kurzen Schaltzeiten bein- haltet, gebildet. Der Spannungs-Zwischenkreis weist wenigstens einen Zwischenkreis-Kondensator Cz auf und wird vom Netzteil aufgeladen.
Bei dem in FIG 1 gezeigten Magnetstimulationsgerat wird die Stimulationsspule nach dem Einschalten des Leistungs-
Halbleiter-Schalters mit der im Zwischenkreis-Kondensator gespeicherten Energie versorgt und damit ein Strompuls ausgelost. Nach dem Abschalten des Leistungs-Halbleiter-Schalters wird der in der Stimulationsspule fließende Strom über einen im steuerbaren Stromrichter angeordneten Freilaufzweig 7 abgebaut. Im Freilaufzweig ist wenigstens eine Freilaufdiode DΞ angeordnet. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist m Fre -
laufzweig ein Freilaufwiderstand RF in Reihe zur Freilauf- diode geschaltet. Der Freilaufwiderstand kann auch entfallen, falls die parasitären Widerstände im Stromkreis ausreichend groß sind.
In FIG 2 ist mit 1 der Verlauf der Ausgangsspannung eines Hochspannungs-Kondensators bei einer Stromerzeugungseinheit in einem Magnetstimulationsgerat gemäß dem Stand der Technik bezeichnet. Der Hochspannungs-Kondensator, der mit der Stimu- lationsspule einen Parallelschwmgkreis bildet, wird von einem regelbaren Netzteil aufgeladen und akkumuliert dadurch die für die Abgabe eines Strompulses erforderliche Energie.
Mit 2 ist der Verlauf einer Ausgangsspannung eines Zwischen- kreis-Kondensators in einem Spannungs-Zwischenkreis eines er- fmdungsgemaßen Magnetstimulationsgerates bezeichnet. Der Zwischenkreis-Kondensator wird von einem Netzteil, das nicht regelbar ausgeführt sein muß, aufgeladen und versorgt bei seiner Entladung einen steuerbaren Stromrichter.
Sowohl die Ausgangsspannung 1 als auch die Ausgangsspannung 2 ist bezogen auf den Scheitelwert der Spannung dargestellt. Der Maximalwert der Ausgangsspannungen 1 und 2 ist damit gleich eins.
Beim Magnetstimulationsgerats gemäß dem Stand der Technik fuhrt das Entladen des Hochspannungs-Kondensators gemäß dem Spannungsverlauf 1 zu einem mit 3 bezeichneten Strompuls durch die Stimulationsspule.
Der Strompuls 3 steigt wahrend der 150 μs dauernden Entladung des Hochspannungs-Kondensators (Spannungsverlauf 1) bis zu einem Amplitudenwert von 9 kA an. Beim Erreichen des Amplitu- denwertes von 9 kA ist die Spannung 1 auf Null abgefallen. Da vom Hochspannungs-Kondensator keine Energie mehr nachgeliefert wird, klingt der Strompuls innerhalb einer Abklingzeit von etwa 150 - 200 μs ab. Nach einem erneuten Aufladen des
Hochspannungs-Kondensators beginnt die vorstehend beschriebene resonante Erzeugung eines Strompulses erneut. Der in FIG 2 dargestellte resonant erzeugte Strompuls 3 weist damit eine Pulsbreite von 150 μs plus Abklingzeit auf.
Demgegenüber bleibt bei dem erfmdungsgemaßen Magnetstimula- tionsgerat die am Zwischenkreis-Kondensator anliegende Ausgangsspannung 2 konstant, da die in FIG 2 mit 4 bezeichneten Strompulse erfmdungsgemaß nicht-resonant erzeugt werden. Bei der erfmdungsgemaßen Pulsung werden in sehr schneller Folge alternierende Strompulse 4 erzeugt. Die in FIG 2 gezeigten Strompulse 4 weisen z. B. eine Stromamplitude von 1,5 kA und eine Pulsbreite bzw. Pulsdauer von 12,5 μs plus Abkl gzeit auf. Einschließlich der Abklmgzeit betragt die Pulsdauer da- mit 50 μs (Anstiegszeit 12,5 μs, Abklmgzeit 37,5 μs ) . Im Rahmen der Erfindung sind jedoch Stromamplituden bis 3 kA möglich. Außerdem sind für die nicht-resonant erzeugten Strompulse Anstiegszeiten (Pulsbreiten ohne Abklingzeiten) von kleiner 50 μs realisierbar.
Bei dem FIG 2 gezeigten Stromverlauf entspricht die Steilheit des nicht-resonant erzeugten Strompulses 4 zu Beginn jeweils der Anfangssteilheit des resonant erzeugten Strompulses 3 (Strompuls gemäß dem Stand der Technik) . Allerdings wird der nicht-resonant erzeugte Strompuls 4 früh abgebrochen
(nach etwa 12,5 μs) und bald darauf (etwa 37,5 μs nach dem Abbruch des vorhergehenden Strompulses) ein weiterer nicht- resonant erzeugter Strompuls 4 gestartet.
Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel weisen alle Strompulse 4 die gleiche Pulsbreite auf. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch genausogut möglich, verschiedene Pulsbreiten und daraus resultierend auch verschiedene Stromamplituden nicht- resonant zu erzeugen.
Dadurch, daß der Strompuls 4 relativ früh abgebrochen und bald darauf ein weiterer Strompuls 4 gestartet wird, sinkt
der benotigte Maximalstrom erheblich. Im dargestellten Aus- fuhrungsbeispiel sinkt der benotigte Maximalstrom von 9 kA auf 1,5 kA, wobei im Rahmen der Erfindung Maximalstrome bis etwa 3 kA möglich sind. Von IGBT- und MOSFET-Modulen sind die hierfür benotigten hohen Arbeitsfrequenzen problemlos realisierbar.
Aufgrund dessen, daß bei dem erfindungsgemäßen Magnetstimula- tionsgerat die Strompulse nicht-resonant erzeugt werden, bleibt die am Zwischenkreis-Kondensator anliegende Ausgangsspannung UCz (Spannungsverlauf 2) konstant.
Der in FIG 2 gezeigten nicht-resonanten Strompulse 4 fuhren zu dem in FIG 3 dargestellten Verlauf der an der Stimulati- onsspule anliegenden Spannung. Die Strompulsbreiten von 12,5 μs fuhren zu rechteckigen Spannungspulsen, die ebenfalls eine Pulsbreite von 12,5 μs aufweisen und die in ihrer Polarität den nicht-resonant erzeugten Strompulsen 4 entsprechen. Auch in FIG 3 ist die an der Stimulationsspule anliegende Spannung wiederum auf ihren Scheitelwert bezogen.