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Reizstromgerät zur Behandlung schlaff gelähmter Muskulatur
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Reizstromgerät
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solches Reizstromgerät ist bekannt (DE-OS
29 08 365) und so ausgebildet, daß Impulse gleicher Stromzeitflächen und wechselnder
Polarität, nämlich sogenannte bidirektionale Impulse erzeugt werden, mit jeweils
einer Pause nach höchstens zwei Impulsen, wobei zur Erzeugung von Bewegungsabläufen
bei solchen schlaffen Lähmungen die Impulslänge im Bereich zwischen 10 und 50 ms
liegt bei einer Wahl der wirksamen Stromzeitfläche des jeweiligen Impulses derart,
daß der schlaff gelähinte Muskel effektiv kontrahiert. Mit einem solchen bekannten
Reizstromgerät ist es erstmals möglich, bei schlaffen Lähmungen, also bei der Behandlung
von denerviertem Muskelgewebe, Dauer kontraktionen zu bewirken. Auch die vorliegende
Erfindung bezieht
sich ausschließlich auf die Behandlung schlaffer
Lähmungen und stellt eine Weiterentwicklung des genannten bekannten Reizstromgerätes
dar; Schutz wird daher auch lediglich für ein solches Reizstrom gerät zur Behandlung
schlaffer Lähmungen geltend gemacht.
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Dabe ist der sich ergebende Polaritätswechsel des bidirektionalen
Reizstroms von entscheidender Bedeutung, denn bei jedem Wechsel lassen sich unterschiedliche
Areale des Muskels reizen unter Vermeidung einer Verschiebung des Ionenmilieus an
den Membranen, so daß eine ausgeglichene Ladungsbilanz aufrechterhalten bleibt.
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Beides zusammen verhindert die bekannte Ermüdung, die bisher einer
erfolgreichen Therapie zeitweiliger und chronisch schlaffer Lähmungen im Wege stand.
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Bei dem bekannten Gerät wird die erforderliche bidirektionale Reizstromkurve
aus Impulsen gewünschter Polarität und der erforderlichen Stromze itfläche n zusammengesetzt
und gelangt über Endverstärker zu den auf die Haut des Patienten aufgelegten Elektroden,
wobei sich eine galvanisch getrennte mehrkanalige Ausbildung als aufwendig, problematisch
und schwierig zu realisieren ergibt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die ausgangsseitige
Anordnung von Übertragern oder Transformatoren bei der Länge der im Falle der Behandlung
von schlaffen Lähmungen zu übertragenden Impulse nicht möglich ist, denn Transformatoren
mit einigermaßen sinnvollen Abmessungen sind nicht in der Lage, Impulse zwischen
10 und 50 ms mit den erforderlichen Stromzeitflächen zu übertragen.
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Bei dem bekannten Reizstromgerät wird zwar eine Modulation der bidirektionalen
Reizstromkurve mit einer mittelfrequenten Span nung vorgeschlagen; diese Modulation
dient jedoch der verbesserten, weil kapazitiven Einbringung des erforderlichen Stroms
durch die Haut zur Vermeidung von direkten Iiautreizungen.
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Grundsätzlich sind Reizstromgeräte, die für die Behandlung schlaffer
Lähmungen geeignet sind, außer dem eingangs genannten Reizstromgerät nicht bekannt;
bekannte Reizstromgeräte, auch in der Ausführung als Batterie geräte dienen ausschließlich
der Nervenreizung oder einer Schmerzbehandlung. Durch die geregelte Reizung eines
oder mehrerer Nerven können Bewegungsabläufe ermöglicht oder verbessert werden,
wobei jedoch die von diesen bekannten Geräten zur Nervenreizung erzeugten Rechteckimpulse
mit Pulsdauern zwischen 51uns und 1 ms bei Frequenzen zwischen 15 Hz und 200 Hz
ausschließlich arbeiten. Bei solchen Kurzzeit-' impulsen sind ausgangsseitige Übertrager
oder Transformatoren problemlos anwendbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reizstromgerät für die
Behandlung von schlaff gelähmter, also denervierter Muskultur zu schaffen, welches
in der Lage ist, bidirektionale Reizströme mit Puls zeiten von ) 10 ms und Stromstärken
bis zu 50 mA zu erzeugen, welches je nach Wunsch bei einfachem und daher kostengünstigem
Aufbau, was für Heimgeräte wesentlich ist, eine ausgangsseitige mehrkanalige Auslegung
erlaubt bei einwandfreier galvanischer Trennung der Elektrodenanschlüsse
gegeneinander,
wodurch selektive Reizungen im MuskelS verband zur Erzielung auch von koordinierten
Bewegungsabläufen möglich sind, und gleichzeitig sichergestellt ist, daß die Behandlung
jedenfalls größtenteils selbständig durch den Behinderten erfolgen kann.
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Vorteile der Erfindung Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß eine einfache Übertragung
des Grundprinzips der Reizung schlaff gelähmter Muskulatur auf mehrkanalige Geräte
mit galvanisch getrennten Kanälen zur selektiven Reizung und Funktionellen Elektrostimulation
möglich ist, wobei in Verbindung mit dieser Stimulation gleichzeitig auch eine Möglichkeit
zur Unterdrückung von eventuell auftretenden Stromschmerzen geboten wird. Gleichzeitig
sichert die Erfindung einen hohen Wirkungsgrad, so daß insbesondere bei der Funktionellen
Elektrostimulation ein entsprechendes Reizstrom gerät auch aus Batterien versorgt
werden kann.
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Dabei ergibt sich bei vorliegender Erfindung der folgende technisch-physiologische
Hintergrund, aus dem sich auch die folgenden Vorteile erkennen lassen. Bei der Behandlung
schlaffer Lähmungen kann davon ausgegangen werden, daß die erforderlichen Behandlungszeiten
sich im Grunde nur durch Selbsttherapie verwirklichen lassen; die vorliegende Erfindung
stellt daher insbesondere ein Heimgerät zur Verfügung, welches den an die Sicherheit
und die Bedienbarkeit zu stellenden Anforderungen genügt, wobei das Gerät
entweder
aus dem Niederspannungsnetz versorgt ist oder auch mit Hilfe von Batterien arbeiten
kann. Für die Überwachung sowie die Signalerzeugung können elektrische oder elektronische
Logikschältungen, aber auch Mikroprozessoren u. dgl. eingesetzt werden, daher ist
das im folgenden erläuterte Ausführungsbeispiel eines Reizstromgerätes auch nur
als eine der Möglichkeiten zur Realisierung vorliegender Erfindung zu verstehen.
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Sind beispielsweise ganze Extremitäten durch schlaffe Lähmungen betroffen,
dann müßte im Grunde jeder Muskel bzw. jede Muskelgruppe separat mit einem einkanaligen
Reizstromgerät behandelt werden, was mindestens einen erheblichen zeitlichen und
appar,ativen Aufwand erforderlich macht. Durch die Ausbildung mehrkanaliger Geräte,
die, da auf einem einzigen Basissystem beruhend, in vorteilhafter Weise sogar nsiteinander
in Beziehung stehende Reizstromkurvenverläufe erzeugen, wird sowohl der apparative
Aufwand drastisch verringert als auch die Möglichkeit geboten, mit einem einzigen
Gerät jedenfalls einfache Bewegungsmuster zu erzeugen, wozu mehrere Muskeln in der
richtigen Reihenfolge zu reizen sind. Neben dem Zeitgewinn bringt daher die Erfindung
wegen der natürlicheren Beanspruchung auch therapeutische Vorteile mit sich. Schließlich
läßt sich wegen des automatischen Ablaufs die Behandlung auch selbsttätig durch
den Behinderten vornehmen.
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Es ist bekannt, daß im Falle schlaffer Lähmungen die Muskelmembran
die Fähigkeit verliert, Aktionspotentiale weiterzuleiten.
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Eine Reizwirkung tritt daher nur in den Bereichen ein, in denen der
Muskel genügend stark durchströmt wird. Es ist daher einerseits zwar möglich, Bewegungen
mit der Stromstärke, der Frequenz und der Pulsdauer stetig zu regeln, andererseits
können Schwierigkeiten entstehen, einen Muskel selektiv im Muskelverband zu reizen.
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Diese Schwierigkeiten können mit zwei oder mehr Stromkreisen, wie
sie das erfindungsgemäße Reizstromgerät bietet, zumindest verringert werden, da
die jeweiligen Strömungsfelder sich im Zielgebiet entweder verstärken oder sonst
möglichst auslöschen.
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Die Erfindung ermöglicht bei der Behandlung schlaff gelähmter Muskulatur
bei einem einzigen Reizstromgerät geräteseitig die galvanische Trennung einer Vielzahl
von Elektrodenstromkreisen, wodurch unerwünschte Reizungen zwischen nicht zueinandergehörenden
Elektroden sicher vermieden werden. Besonders geeignet ist die vorliegende Erfindung
für den ins Auge gefaßten späteren Einsatz der erzeugten Bewegungen zur funktionellen
Nutzung, gegebenenfalls zusammen mit Orthesen, was praktisch zwangsläufig eine Batterie
versorgung verlangt und für welche die vorliegende Erfindung besonders geeignet
ist.
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Es ist ferner nicht ausgeschlossen, daß die für die Behandlung von
schlaffen Lähmungen notwendigen Stronistärken bei normalen oder teilweise sensiblen
Patienten Stromschmerzen verursachen können, weil freie Nervenenden im Strömungsfeld
gereizt werden.
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Diese Stromschmerzen können sich, da sie eine Einschränkung der Stromstärke
erfordern, so weit negativ auswirken, daß ein möglicher
Therapieerfolg
in Frage gestellt ist. Andererseits warnen diese Stromschmerzen nicht, da sie keine
Schädigungen anzeigen.
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Die Erfindung zeigt in einer vorteilhaften Kombination der vorgeschlagenden
Anwendungsmö glichke ite ii gleichzeitig einen Weg auf, der die entstehenden Stromschmerzen
in zulässiger Weise unterbindet, jedenfalls in einem solchen Maße verringert, daß
die Behandlung problemlos durchgeführt werden kann. Zu diesem Zweck werden die von
der Erfindung eingesetzten, mittelfrequenten Schwingungen, von denen ausgehend die
Erfindung die erforderlichen bidirektionalen Reizstromkurven für die Behandlung
schlaffer Lähmungen aufbaut, eingesetzt und entweder ebenfalls über die Reizelektroden
oder in besonders wirkungsvoller Weise über weitere Reizelektroden zugeführt, wodurch
sich eine erhebliche Linderung der durch die Reizstromtherapie verursachten Schmerzen
mit mehrkanaligen Geräten ergibt. Dabei beruht die Erfindung auf diesem Teilgebiet
der Schmerzunterdrilekung auf der Erkenntnis, daß die Stromstärken für die Schmerzunterdrückung
immer geringer und die Frequenzen immer höher sind als zur direkten Muskelreizung
bei schlaffen Lähmungen notwendig. Mit Vorteil können bei vorliegender Erfindung
die Impulse zur Schmerzunter drückung daher sogar durch vollständige oder teilweise
Tastung der Reizimpulse erzeugt werden.
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Da das erfindungsgemäße Reizstromgerät mit einer Übertrager umfassendenWandlerendstufe
ausgerüstet ist, läßt es sich sehr kompakt aufbauen und mit einer Batterie- oder
Akkumulatorversorgung betreiben, wodurch sich eine preisgünstige Ergänzung oder
Alternative zu Heimgeräten ergibt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Reizstromgerätes
möglich. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von gesteuerten Gleichrichtern zur
Realisie rung der bidirektionalen'aus gang sseitigen Kurvenform, wobei die gesteuerten
Gleichrichter den Sekundärseiten des vorgesehenen Übertragers nachgeschaltet sind.
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Dabei erfüllen die gesteuerten Gleichrichter als bevorzugte Ausführungsform
der gesteuerten Polaritätsumschaltung bei der Erfindung noch eine besonders vorteilhafte
und sehr wesentliche Grundfunktion, nämlich in ihrem Einsatz als Schalter überhaupt,
die, wie es sich versteht, von einer Ablaufsteuerung zusätzlich zu dem dem Aufbau
der Reizstromkurve bewirkenden Signalen auch so angesteuert werden können, daß sie
für vorgegebene Zeiträume die Zuführung der physiologisch wirksamen Reizströme zu
den jeweils angeschlossenen Elektroden auch vollständig unterbinden oder freigeben
können. Unter Bezugnahme auf die in entsprechender Weise erfolgende Sperrung oder
Freigabe der Reizströme bei anderen Elektrodengruppen ergibt sich hier die Möglichkeit
der selektiven Reizung im koordinierten Reizstrom-Musterablauf, so daß sich koordinierte
Bewe gungsmuster schlaff gelähmter Muskulatur ganzer Extremitäten durch entsprechenden
Ei nsatz programmierter Steuerungsabläufe erzielen lassen.
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Die Erfindung sieht eine spezielle Ablaufsteuerung in Verbindung mit
einer signalerzeugenden Schaltung vor, die vorzugsweise unter Einsatz logischer
Steuermittel, insbesondere Kleinrechner, Mikroprozessoren od. dergl. das mehrkanalige
Reizstromgerät in die Lage versetzt, beispielsweise vorgegebene Bewegungsabläufe
schlaff
gelähmter Muskulaturen dadurch ablaufen zu lassen, daß die entsprechende Signal-Zuführungsabfolge
aus Speicherplätzen des Mikroprozessors abgerufen und die gesteuerten Gleichrichter
auf den Sekundärseiten in entsprechender zeitlicher Abfolge - selbstverständlich
unter Einschluß des Aufbaus der Reizstromkurvenverläufe aus dem Mittelfrequenzensigual
- als Schalter eingesetzt und betrieben werden.
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Diese von den gesteuerten Gleichrichtern gleichfalls noch erfüllte
Doppelfunktion des Einsatzes als Schalter im Sinne eines koordinierten zeitlichen
Ablaufs der Zuführung der Reizstromimpulse durch die jeweiligen Elektroden an allen
Kanälen ist im folgenden als Ablaufsteuerung bezeichnet und bezieht sich auf diese
Möglichkeit.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reizstromgeräts, vorwiegend
in Blockbilddarstellung, mit einer der impulserzeugenden Schaltung nachgeschalteten,
einen Übertrager zur Melirkanalbildung enthaltenden, gesteuerten Wandlerendstufe,
Fig. 2 ein detailliertes Ausführungsbeispiel bezüglich der Ansteuerung der Wandlerendstufe
zur Erzielung des aus einer Mittelfrequenz erzeugten, niederfrequenten bidirektionalen
Reiz stromverlaufs, Fig. 3 die Ausführungsform einer Schaltung zur gleichzeitigen
Strom s chme rzunterdrückung unter Zugrundelegung des Wandlerendstufenaufbaus, Fig.
4 ein mögliches Ausführungsbeispiel einer bidirektionalen Reizstromkurve und die
Fig.
5a, 5b und 5c die Auswirkungen einer mehrkanaligen Elektrodenanordnung, wie sie
durch das erfindungsgemäße Reizstromgerät möglich ist, auf das Muskelgewebe im Anwendungsfall.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, die erforderlichen Langzeitimpulse des bidirektionalen
Reizstroms, deren Verlauf in Fig. 4 qualitativ dargestellt ist, ausgehend von für
die Behandlung von schlaffen Lähmungen durchaus ungeeigneten Mittelfrequenz-Wechselimpulsen
(Frequenz beispielsweise 10 KHz) dadurch aufzubauen, daß diese Wechselimpulse, von
einer impulserzeugenden Schaltung beliebigen Aufbaus erzeugt und der Sekundärseite
eines Übertragers in einer Wandlerendstufe zugeführt, erst auf den beliebig vielen,
also mehrkanalig ausgebildeten Sekundärseiten des Übertragers in die bidirektionale
Reizstromkurvenform überführt werden und zwar durch dem Reizstromkurvenverlauf folgende
Gleichrichtung und Umpolung an jeder Sekundärwicklung. Hierdurch ergeben sich galvanisch
zueinander getrennte Behandlungskanäle, die wirkungsvoll eingesetzt werden können,
insbesondere zur selektiven Reizung, wobei im zeitlichen Ablaufmuster immer nur
bestimmten Kanälen die Reizimpulse zugeführt werden, zum Aufbau koordinierter Bewegungsabläufe.
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In der Darstellung der Fig. 1 ist die impulserzeugende Schaltung insgesamt
mit 10 bezeichnet; sie umfaßt drei Teilblöcke oder Teilschaltungen, nämlich eine
Eingabeschaltung 11 mit Tastatur und Anzeigemitteln (Display), eine signalerzeugende
Schaltung 12 mit Ablaufsteuerung, die vorzugsweise auch eine logische Steuerschaltung,
ein
Mikroprozessor o. dgl. sein kann sowie eine impulserzeugende Schaltung 13, die vorzugsweise
auch eine Pulsbreiten-Modulationseinrichtung umfallt.
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Die der impulserzeugeSn Schaltung 13 nachgeschaltete Endstufe 14 umfaßt
zwei Leistungstransistoren 14a und 14b, die auf die zwei Teilwicklungen 15a, 15b
der Primärwicklung 15 eines Übertragers 16 arbeiten, der über mindestens eine, vorzugsweise
aber, zur mehrkanaligen Ausbildung, über eine vorgegebene, gewünschte Anzahl von
Sekundärwicklungen, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von drei Sekundärwicklungen
17, 18 und 19 verfügt.
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Jeder Sekundärwicklung 17, 18 und 19 ist eine im Sinne der Erzeugung
einer bidirektionalen Reizstromkurve gesteuerte Polari täts -umkehrschaltung zugeordnet,
die bei dem speziellen Ausführungsbeispiel als gesteuerte Gleichrichterschaltungen
20, 21, 22 ausgebildet sind. An jede der gesteuerten Gleichrichterschaltungen 20,
21 und 22 ist dann ein Elektrodenpaar 20a, 21a, 22a für die Behandlung angeschlossen.
Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbe ispie 1 sind die gesteuerten Gleichrichterschaltungen
gebildet von doppe lwe ggleichrichtende n Thyristorbrücken, jeweils mit zugeordneten
Zündimpulsübertragern.
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Das in Fig. 1 dargestellte Gerät stellt ein prozessorgesteuertes Reizstromgerät
für die Behandlung schlaffer Lähmungen dar mit dreikanaliger Wandlerendstufe, wobei
die Wandlerendstufe gebildet ist von der Leistungsendstufe 14, dem Übertrager 16
und den jeweils erforderlichen, jeder Sekundärwicklung zugeordneten
Gleichrichterschaltungen.
Ein solches Reizstromgerät ist in der Lage, die für die Behandlung von schlaffen
Lähmungen erforderlichen, bidirektionalen Reizströme mit relativ langen Impulsdauern
auf einfache Weise zu erzeugen, wobei die gewünschte und erforderliche Ausbildung
einer mehrkanaligen Endstufe zur gleichzeitigen Funktionellen Elektrostimulation
sowie Linderung von eventuellen Stromschmerzen durch einen Übertrager realisiert
werden kann.
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Die jeweilige Stromamplitude des bidirektionalen Reizstroms läßt sich
dabei durch das Tastverhältnis der von der impulserzeugenden Schaltung 13 erzeugten
Impulsfolge, vorzugsweise Rechteckimpulsfolge, einstellen, während die Stromrichtung
für den bidirektionalen Reizstrom in Verbindung mit den Pausenzeiten durch die gesteuerten
Gleichrichterschaltungen bestimmt wird. Da sich auf den Übertragerkernen mehrere
Sekundärwicklungen aufbringen lassen, deren abgegebene Spannungen durch die entsprechende
Ansteuerung der nachgeschalteten Gleichrichterschaltungen in der gewünschten Weise
zum bidirektionalen Reizstrom umgeformt werden können, ergeben sich für die Reizung
eine entsprechende Anzahl galvanisch getrennter Stromkreise, wobei ferner in besonders
vorteilhafter Weise die mittelfrequente Schwingung des Wandlers unmittelbar zur
Schmerzlinderung herangezogen werden kann.
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Die Endstufen arbeiten insoweit mit besonders hohem, für eine Batterie
versorgung gut geeigneten Wirkungsgrad, da sie nur während der Dauer der Reizsignale
schwingen, wie weiter unten noch erläutert wird.
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Entsprechend der Darstellung der Fig. 2, in welcher der Übertrager
in
der Wandlerendstufe aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit lediglich mit einer
einzigen Sekundärwicklung dargestellt ist, ist der die Ablaufsteuerung sowie die
Signale entsprechend der gewünschten Kurvenform der bidirektionalen Reizstromkurve
erzeugende Schaltungsblock wiederum mit 12, jedoch zur Unterscheidung zum Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 mit einem zusätzlichen Beistrich oben gekennzeichnet; die von dieser
signalerzeugenden Schaltung 12' erzeugten drei unterschiedlichen Impulsformen sind
oberhalb des Schaltunesblockes bei a, b und c dargestellt, wobei a die Umhüllende
der Impulse bei b und c ist.
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Schaltungseinrichtungen, die in der Lage sind, durch entsprechende
Vorgabe solche Impulsformen im zeitlichen Ablauf mit jeweils gewünschten Pausenzeiten
zu erzeugen derart, daß sich eine nachgebildete Reizstromkurvenform wie in Fig.
4 gezeigt, ergibt, sind für sich gesehen bekannt, so daß darauf verzichtet wird,
auf den inneren Aufbau solcher Schaltungen genauer einzugehen; üblicherweise werden
zur Signalerzeugung in dieser Form Flipflopstufen in entsprechender Verschaltung
verwendet. Die Impulsdauern der bidirektionalen Reizimpulse können entsprechend
Fig. 4 eine typische Dauer von etwa 30 ms für jeden Impuls haben, wobei wirksame
Impulslängenetwa zwischen 10 und etwa 50 ms liegen, mit Pausen zwischen unmittelbar
aufeinanderfolgenden Impulsen entgegengesetzter Polarität so, wie dies aus dem Kurvenverlauf
der Fig. 4 hervorgeht. Die Strom stärke während der Impuls#dauer kann zur Erzielung
wirksamen Stromzeitflächen für die Reizung bei typischerweise 40 mA liegen und umfaßt
den Bereich etwa zwischen 10 und 100 mA. Die Slgnalerzeugungsschaltung 12' der Fig.
2 verfügt über einen herausgezogenen Einstellwiderstand
12a zur
Einstellung der Pulsdauern. Zur Ansteuerung der nachgeschalteten impulserzeugenden
Schaltung 13' wird die am Ausgang A der signalerzeugenden Schaltung 12' anstehende
Einhüllende entsprechend Kurvenverlauf a verwendet; die impulserzeugende Schaltung
13 ist nur dann wirksam geschaltet, arbeitet also nur, wenn ihr dieser Impuls a
an ihrem Eingang S zugeführt wird. Die Zuführung erfolgt über ein UND-Gatter 23,
welches gleichzeitig Teil einer Sicherheitsschaltung ist, die allgemein mit 24 bezeichnet
ist und auf die weiter unten noch eingegangen wird. Die impulserzeugende Schaltung
13' erzeugt nun eine völlig andere Kurvenform als im Endeffekt für die Behandlung
schlaff gelähmter Muskulatur erforderlich, nämlich eine mittelfrequente Schwingung,
die vorzugsweise eine Rechteckimpulsfolge mit einstellbarem Tastverhältnis (Impulsbre
itenmodu -lation) und einer Frequenz ist, die allgemein als Mittelfrequenz bezeichnet
werden kann und bei typischerweise etwa 10 KHz liegt, mit einem breiten Variationsbereich
etwa zwischen 2 bis 20 KHz. Zur Einstellung des Tastverhältnisses, wodurch sich
gleichzeitig auch die Stromstärke des jeweils später erzeugten bidirektionalen Reizimpulses
bestimmen läßt, dient ein bei 13a angedeuteter, herausgezogener Widerstand.
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Die sich an den Ausgängen Al und A2 der impulserzeugenden Schaltung
13' ergebenden Recheck-Mittelfrequenzschwingungen gelar auf die Transistorendstufe
14 aus den beiden im Gegentakt arbeitenden Endstufentransistoren 14a, 14b, deren
Emitter zusammengefaßt auf Masse liegen, während ihre jeweiligen Kollektoren mit
den einen Enden von Primärteilwicklungen 15a, 15b
verbunden sind,
deren zusammengeftihrte Mittelanzapfung bei 24 an hier positiver Versorgungsspannung
fUB liegt. Der Übertrager 16 mit der Primärwicklung 15 und der hier gezeigten, nur
einen Sekundärwicklung 18 setzt die Impulse der Mittelfrequenzschwingung hoch; dabei
ist jede Sekundärwicklung 18 in zwei Teilwicklungen 18a, 18b unterteilt, deren Mittelanzapfung
dann gleichzeitig die Nullpotentialschiene 25 bildet und deren beide anderen Enden
angeschlossen sind an eine gesteuerte Doppelwe g-Gleichrichterschaltung, hier bestehend
aus jeweils in jedem Zweig angeordnete, antiparallel geschaltete Thyristoren 2 6a,
26b - zuständig für den negativen Reizstromimpuls am Schaltungspunkt 27, der mit
dem Ausgang der Schaltung identisch ist - sowie Thyristoren 28a> 28b, in ihrer
Ansteuerung insoweit dann zuständig für den positiven Reizstromimpuis. Zwischen
den beiden Ausgangsklemmen 29a und 29b des in Fig. 2 gezeigten Geräts ist der Reizstrom-Kurvenverlauf
nochmals dargestellt und der negative Reizimpuls mit 30b und der positive Reizimpuls
mit 30a bezeichnet; die angedeuteten Zwischenstriche in jedem Impuls sollen erkennen
lassen, daß sich jeder der Impulse aus einer Vielzahl von Einzelimpulsen der Mittelschwingung
aufbaut.
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Zur Zündung und Durchschaltung jeder der Thyristoren der Doppelgleichrichterschaltung
sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Zündübertrager 31 und 32 eingesetzt,
die die erforderlichen Zündimpulse im Sinne der Signalinij###J#veriäu£e a, b, c
zur Realisierung der bidirektionalen Reizstromkurvenform den Ziind- oder
Steuerelektroden
der jeweiligen Thyristoren zuführen. Die Zündübertrager 31 und 32 umfassen jeweils
Dreifachwicklungen, wobei die Primärwicklungen 31a, 32a über Zündtransistoren #33,
34 in Abhängigkeit zu den Signalimpulsen a, b der signalerzeugenden Schaltung 12'
sowie der Mittelfrequenz-Rechteckimpulse - abgegriffen an den Ausgängen A1 und A2
der impulserzeugenden Schaltung 13' - angesteuert werden. Die jeweils beiden anderen
Wicklungen 31b, 31c sowie 32b, 32c der Zündübertrager sind über entsprechende Ansteuerdioden
in Reihe mit Widerständen mit den zugeordneten Thyristoren der Thyristorbrücken
- Gleichrichte r -schaltung verbunden, wobei die Fußpunkte dieser Ansteuerzündwicklungen
31b, 31c; 32b, 32c an den kathodenseitigen Anschlußenden der zugeordneten Thyristoren
liegen.
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Zur Erzielung einer gewissen Glättun;swirkung kann über die Ausgangsanschlüsse
der Schaltung noch ein Glättungskondensator 35 geschaltet sein; ferner liegt parallel
zu den Ausgangsanschlüssen noch eine gegeneinandergeschaltete Zenerdiodenanordnung
36 mit in Reihe geschalteten Optokopplereinrichtungen 37, wobei die Elemente 36
und 37 Teil der Sicherheitsschaltung 24 sind, auf deren Funktion weiter unten noch
eingegangen wird.
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Es ergibt sich dann folgende Grundfunktion der Schaltung, der Fig.
2. Die von der signalerzeugenden Schaltung 12 erzeugten Rechtecksignalimpulse a,
b und c bestimmen die Zusammensetzung des lleizsignals, dessen Verlauf in Fig. 4
bzw. in Fig. 2 oben dargestellt ist. Der Hüllensignalimpuls a wirkt über das
UND-Gatter
22 auf den Setzeingang S der impulserzeugenden Schaltung 13' und gibt diese Schaltung
jeweils zur Erzeugung der Mittelfrequenz-Rechteckschwingung frei oder sperrt die
Schaltung, d.h.
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schaltet diese praktisch aus. Erkennbar läßt sich die spätere Stromstärke
mit dem Tastverhältnis der mittelfrequenten Wandler- oder Rechteckschwingung am
Potentiometer 13a einstellen, während die Stromrichtung der Reizimpulse von der
über die Zündungselemente von den Signalimpulsen a und b angesteuerten Thyristorbrücke
26a, 28a; 26b, 28b bestimmt wird. In Abhängigkeit zur Stromrichtung der relativ
lang andauernden Signalimpulse (Reizimpulse) wird immer eine Hälfte der Thyristorbrüoien
mit der mittelfrequenten Wandlerschwingung durchgesteuert. Diese Impulse werden
von der Transistorendstufe 14 verstärkt iind mit dem Übertrager 16 sekundärseitig
hochgesetzt. Die von den Ausgängen Al und A2 den Basisanschlüssen der Transistorell
33 und 34 zugeführten mittelfrequenten Wandler- oder Rechteekimpulse dienen, abhängig
von den über die jeweiligen Primärwicklungen 31a, 32a der Zündübertrager 31, 32
an den Koll( ktoren der Transistüren 33 und 34 liegenden Signalimpulse b ulld c
der Zündung der Thyristoren der Thyristorbrücke oder Gleichrichterschaltung, abhängig
von der Stromrichtung der Reizimpulse.
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Die am Ausgang 29a, 29b der Schaltung gebildete Reizspannung erfährt
mit dem Kondensator 35 eine Glättung im gewünschten Maße, wobei die gegeneinandergeschalteten
Zenerdioden 36 die Ausgangsspannung einer entsprechendeii Begrenzung unterwerfen,
so daß Überspannungen, z.B. im Leerlauf vermieden sind. Sprechen
nämlich
die Zenerdioden an, dann wird über den dann eingeschal teten, schon erwähnten Optokoppler
37 ein Monoflop 38 als Bestandteil der Sicherheitsschaltung 24 an seinem R-Eingang
zurückgesetzt, so daß der Monoflop 38 sein Ausgangssignal wegnimmt, welches am anderen
Eingang des Gatters 23 liegt, und hierdurch die impulserzeugende Schaltung 13' sperrt.
Das Reizstrom gerät läßt sich daher auch nur einschalten, wenn die Elektroden angelegt
sind, da bei nicht angelegten Elektroden an den Ausgängen 29a, 29b grundsätzlich
eine so hohe Spannung entsteht, daß die Zenerdioden 36 ansprechen. hierdurch wird
vermieden, daß die Elektroden etwa ungewollt berührt werden und unter Umständen
eine Strombahn über das Herz der Bedienungsperson oder des Patienten läuft.
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Das Einschalten des Geräts geschieht im übrigen grundsätzlich mit
einer bei 39 dargestellten Ein-Taste, die als sogenannte Totmanntaste ausgebildet
ist, so daß dem Setzeingang S des Monoflops 38 jeweils nach einer vorgegebenen Zeitdauer,
beispielsweise einer Minute entsprechend der Ablaufdauer des Monoflops, erneut das
Setzsignal zugeführt werden muß, wodurch die Aufmerksamkeit des Anwenders erhalten
bleibt. Im übrigen läßt sich der Reizstrom jederzeit sofort mit einer Ausschalttaste
40 (Notausschalttaste) unterbrechen bei entsprechender Zuleitung eines Ausschaltsignals
an den Rücksetzeingang R des Monoflops 38.
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Es versteht sich und ist weiter vorn schon erwähnt worden, daß auf
den Übertrager 16 beliebige weitere Sekundärwicklungen aufgebracht
und
in entsprechender Weise über eigene Thyristorbrücken gleichzeitig oder, was vorteilhaft
sein kann, gegeneinander versetzt angesteuert werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung wird ferner
das von der impulserzeugenden Schaltung 13' gebildete, mittelfrequente Signal unter
Zugrundelegung der in Fig. 3 dargestellten, vereinfachten Schaltung zur Schmerzbehandlung
ebenfalls übertragen, entweder dadurch, daß die beiden.Ausgänge 41a, 41b zusätzlich
mit den zur Übertragung des Reizstroms vorgesehenen Elektroden verbunden werden,
oder indem gesonderte Elektroden zur Schmerzbehandlung angeordnet werden. Die vereinfachte
Schaltung der Fig. 3 umfaßt die Primärwicklung 15' des Übertragers 16' mit nur einem
Sekundärwicklungsteil J und einem Thyristorbrückenteil 42.
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Mehrkanalige Geräte, wie sie zur Funktionellen Elektrostimulation
und/oder zur Schmerzbehandlung eingesetzt werden, bestehen dann aus einer Baugru#ppe
zur Signalerzeugung und zur Ablaufsteuerung und einer oder mehrerer Wandlerendstufen
mit entsprechender Anzahl von Sekundärwicklungen. Es versteht sich, daß die vorzugsweise
mikroproze ssorgesteue rte, signalerzeugende Schaltung 12 bzw. 12' den Verlauf der
Reizstromkurve einschließlich der Pausendauern vorgibt und so ausgebildet sein kann,
daß in entsprechender zeitlicher Abstimmung eine Vielzahl von Sekundärteilen über
ihre jeweils zugeordneten Thyristorbrücken zum Aufbau der gewünschten bidirektionalen
He izs tromkurvenve rläufe angesteuert
werden können. Dabei können
für unterschiedliche Muskelbereiche auch entsprechend in ihrem Impuls-Pausenverhältnis
geänderte bidirektionale Reizströme für die jeweiligen unterschiedlichen Elektroden
vorgegeben werden, abgestimmt und bezogen auf den jeweiligen Muskelverband oder
die entsprechende Extremität, die einem Bewegungsablauf unterworfen werden soll.
Immer ist es durch die Erfindung möglich, aus der einen mittelfrequenten Schwingung
unter Rückgriff und in Ansteuerung aus der signalerzeugenden Schaltung die gewünschten
Reizströme in ihrem Verlauf, ihre Impulsdauer, ihrer Stromamplitude und ihren Pausendauern
aufzubauen und den entsprechenden Elektroden durch entsprechend angesteuerte Gleichrichterschaltungen
hinter den Sekundärwicklungen zuzuführen in zueinander zeitlich abgestimmter Folge
zur Erzielung koordinierter Bewegungsabläufe.
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Die Fig. 5a zeigt in Verbindung mit den Fig. 5b und 5c zwei mögliche
Anwendungsfälle mit insgesamt vier Elektroden I bis IV, die auf die bei 43 angedeutete
Haut aufgesetzt sind, um den darunterliegenden Muskel 44 entsprechend zu reizen.
Sind, wie in Fig. 5b angegeben, die Elektroden I und IV einerseits sowie II und
III andererseits einander zugeordnet, dann ergeben sich die dort gezeigten Stromkreisverläufe,
wobei das Feld der inneren Elektroden bei gleichen Stromrichtungen das der äußeren
Elektroden im schwächsten Bereich unterstützt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige
Durchströmung des Muskels, der dann insgesamt zur Kontraktion beiträgt. Bei entgegengesetzten
Stromrichtungen, was in entsprechender Abstimmung durch die signalerzeugende Schaltung
12, 12' natürlich ebenfalls möglich ist, heben sich die Strömungsfelder
in
der Nähe der Oberfläche (Haut) auf und das äußere Feld der Elektroden I, IV überwiegt
dann in der Tiefe, wodurch sich tiefliegende Muskeln reizen lassen.
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Bei der Elektrodenzuordnung der Fig. So gelingt es, oberflächennahe
Muskeln zu reizen, ohne daß der Antagonist durchschlägt. Da die mechanische Kontraktion
sehr viel länger als der elektrische Reiz anhält, können die Pulse der Stromkreise
gegeneinander versetzt werden, wobei ähnlich wie im Fall einer natürlichen Innervierung
abwechselnd unterschiedliche Muskelareale gereizt werden, was die Ermüdung des Muskels
verringert und die dem Muskel entnehnlbare leistung vergrößert. Die Elektrodenzuortl
nu ng der Fig. So e rll:öglicht eine gleichmäßigere Durchströ'iiiti#g des Muskels
und wegen der Aufsummierung der mechanischell Wirkungen (längere Andaue -rung der
mechanischen Kontraktioti) Is(illnen die zugeführten Impuls serien entsprechend
den jeweils zur Anwendung kommenden bidirektionalen Reizstromkurven gegeneirlander
versetzt sein.
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Wie weiter vorne schon erwähnt, werden die ausgangsseitig, also jeweils
mit beiden Anschlüssen der jeweiligen Sekundärseiten gesteuerten Gleichrichter verbundenen,/
von der signalerzeugenden und eine Ablaufsteuerung enthaltenden Schaltung 12 sowohl
zum Aufbau der physiologisch reizwirksamen Reizimpulse für den jeweiligen Anwendungszweck
angesteuert als auch im Sinne einer Ablaufsteuerung zur Vorgabe von koordinierten
Bewe gungsmus te rn im zeitlichen Zusammenhang mit der Realzeit.
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Die Ablaufsteuerung 12 wird daher einen Speicher ausreichender Größe
enthalten, in welchem die für die Durchführung bestimmter koordinierte r Bewe gungsabläufe
erforderlichen selektiven Ansteuerungen bestimmter Elektrodenpaare aus der Vielzahl
der sekundärseitig zur Verfügung stehenden Elektrodengruppen vorgenommen werden
kann.
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So ist es beispielsweise möglich, im Speicher eine vollständige Greif
bewegung etwa einer Hand als anzusteuernde Extremität oder von Gehbewegungen der
Beine niederzulegen und diese Programme aus dem Speicher abzurufen und im Sinne
einer zeitlichen koordinierten Ablaufsteuerung die gesteuerten Thyristoren als Schalter
im gewünschten zeitlichen Zusammenhang zur Erzielung koordinierter Bewe gungsmuster
ergänzend anzusteuern. Es gelingt hierdurch, Patienten gerade mit schlaff gelähmter
Muskulatur eine gewisse, bisher nicht zu erwartende Bewegungsfreiheit zu ermöglichen,
wobei etwa für die Gehbewegung der Abruf der Programme für die Bewegung etwa eines
einzelnen Beines koordiniert aufeinander -folgend in der Ablaufsteuerung der Schaltung
12 erfolgen kann.
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Auf diese Weise läßt sich ein Training der Muskulatur im Sinne einer
therapeutischen Behandlung, auch zur Wiederherstellung, verbinden mit einem für
den Patienten bedeutungsvollen Bewe gungsablauf allgemein.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung
dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.
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