ES2619170T3 - Circuito controlador para estimulación magnética - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de estimulación magnética, que comprende: un inductor (110) para generar un campo magnético pulsado; una fuente (116) de alimentación para proporcionar potencia; y un dispositivo (112) de conmutación semiconductor que está acoplado, de forma operativa, al inductor y a la fuente de alimentación, en donde el dispositivo de conmutación semiconductor dirige la potencia desde la fuente de alimentación al inductor para generar el campo magnético; caracterizado porque la fuente de alimentación comprende un suministro de alimentación y una batería, en donde la fuente de alimentación está configurada de tal manera que una potencia combinada del suministro de alimentación y de la batería es utilizada para generar el campo magnético, y en donde el suministro de alimentación está configurado para recargar la batería entre pulsos del campo magnético.

Description

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DESCRIPCION

Circuito controlador para estimulacion magnetica ANTECEDENTES

Un numero de dolencias medicas son tratadas y o diagnosticadas a traves de la aplicacion de un campo magnetico a una porcion afectada del cuerpo de un paciente. Las celulas de neuronas y musculos estan formadas de circuitos biologicos que transportan senales electricas y responden a estimulos electromagneticos. Cuando se hace pasar una bobina de un cable conductor ordinario a traves de un campo magnetico o esta en presencia de un campo magnetico variable, se induce una corriente electrica en el cable.

El mismo principio es valido para tejido biologico conductor. Cuando se aplica un campo magnetico variable a una porcion del cuerpo, las neuronas pueden ser despolarizadas y estimuladas. Los musculos asociados con las neuronas estimuladas se pueden contraer como si las neuronas fueran disparadas por causas normales.

Una celula nerviosa o neurona puede ser estimulada de varias maneras, incluyendo de forma indirecta a traves de una estimulacion magnetica transcraneal (TMS), por ejemplo. TMS utiliza un campo magnetico que cambiar rapidamente para inducir una corriente en una celula nerviosa, sin tener que cortar o penetrar en la piel. El nervio se dice que “se enciende” cuando un potencial de membrana dentro del nervio aumenta con respecto a su nivel ambiente negativo normal de aproximadamente -90 mV, dependiendo del tipo de nervio y de las condiciones ionicas locales del tejido circundante.

El uso de una estimulacion magnetica es muy efectivo en la rehabilitacion de grupos musculares lesionados o paralizados y puede resultar util en otras terapias que inclrnan una estimulacion del nervio periferico, incluyendo, pero no limitado a, mitigacion del dolor, estimulacion de neovascularizacion curacion de heridas y crecimiento de huesos.

La estimulacion magnetica tambien ha demostrado ser efectiva para estimular regiones del cerebro, el cual esta compuesto, de forma predominante, de tejido neurologico. Un area de interes particular es el tratamiento de la depresion. Se cree que mas de 28 millones de personas solo en los Estados Unidos sufren de algun tipo de trastorno neuropsiquiatrico. Estos incluyen condiciones tales como depresion, esquizofrenia, mamas, trastorno obsesivo-compulsivo, trastornos de panico, y otros. La depresion es el “resfriado comun” de los desordenes psiquiatricos, se cree que afecta a 19 millones de personas en los Estados Unidos y posiblemente a 340 millones de personas en todo el mundo.

La medicina moderna ofrece a los pacientes de depresion numerosas opciones de tratamiento, incluyendo varios tipos de medicamentos antidepresivos (por ejemplo, ISRS's (inhibidores selectivos de la recaptacion de serotonina), iMAO's (inhibidores de la monoamina oxidasa) y tridclicos) litio, y terapia electroconvulsiva (TEC). Sin embargo, muchos pacientes siguen sin un alivio satisfactorio de los smtomas de la depresion. Hasta la fecha, la TEC sigue siendo una terapia efectiva para la depresion resistente; sin embargo, muchos pacientes no se someteran a al proceso debido a sus importantes efectos secundarios.

Recientemente, la estimulacion magnetica transcraneal repetitiva (EMTr) ha demostrado tener efectos antidepresivos significativos para pacientes que no respondan a los metodos tradicionales. El principio detras de la EMTr es aplicar una estimulacion convulsiva al cortex prefrontal de una manera repetitiva, provocando una despolarizacion de las membranas neuronales corticales. Las membranas son despolarizadas por la induccion de pequenos campos magneticos en exceso de un V/cm que son el resultado de un campo magnetico variable rapidamente aplicado de forma no invasiva.

Para generar un pulso magnetico que sea capaz de proporcionar un efecto terapeutico en un paciente, los tratamientos de EMT, de EMTr y de terapia magnetoconvulsiva (TMC) todos ellos requieren de una gran cantidad de energfa electrica, normalmente en el rango de varios cientos de Julios (J) por pulso. Varios intentos de optimizar el diseno de la bobina empleada en dichos tratamientos han sido capaces de mitigar de forma sustancial la necesidad de una gran cantidad de energfa electrica. Por ejemplo, para provocar que una bobina de estimulacion genere trenes de pulsos EMTr rapidos, miles de vatios (W) de potencia son suministrados normalmente a la bobina. Esta cantidad de potencia lleva a un calentamiento de la bobina rapido. La cantidad de calentamiento de la bobina es tan grande que la bobina a menudo se calienta hasta un punto en el que no es confortable o es inseguro utilizar la bobina en un paciente. Por tanto, se han realizado intentos para refrigerar las bobinas de estimulacion utilizando agua, aire o aceite. Desafortunadamente, estos mecanismos de refrigeracion son engorrosos, anaden complejidad al sistema de estimulacion magnetica, son caros y a veces afectan de forma adversa al rendimiento del estimulador. Un enfoque mas ventajoso podna reducir la cantidad de potencia requerida por el dispositivo de estimulacion magnetica para generar un pulso magnetico terapeuticamente equivalente.

Otras publicaciones incluyen los documentos WO 2004/087255 A1, WO 2006/057532 A1, WO 2007/051600 A1, WO 2007/145838 A2, US 6123658 A, US 2005/261542 A1, US 6551233 B2 y WO 99/42173 A1.

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RESUMEN

De acuerdo con la presente invencion se proporciona un dispositivo de estimulacion magnetica tal y como se define en la reivindicacion 1 independiente adjunta. Ademas se definen caractensticas preferidas en las reivindicaciones dependientes adjuntas.

En vista de los inconvenientes y deficiencias anteriores, se proporcionan dispositivos y metodos para generar un campo magnetico. Uno de dichos dispositivos de estimulacion magnetica puede incluir un inductor para generar un campo magnetico y una fuente de alimentacion para proporcionar energfa. Dicho dispositivo tambien puede incluir un dispositivo de conmutacion semiconductor que esta acoplado, de forma operativa, al inductor y a la fuente de alimentacion, en donde el dispositivo de conmutacion semiconductor dirige la potencia desde la fuente de alimentacion al inductor para generar el campo magnetico.

Uno de dichos metodos puede incluir proporcionar energfa utilizando una fuente de alimentacion y acoplando, de forma operativa, la fuente de alimentacion a un inductor utilizando un dispositivo de conmutacion semiconductor. El metodo puede tambien incluir dirigir la potencia desde la fuente de alimentacion al inductor utilizando el dispositivo de conmutacion semiconductor y generar el campo magnetico utilizando el inductor.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo del dispositivo magnetico de acuerdo con un modo de realizacion;

La figura 2 es un diagrama de un circuito que ilustra un ejemplo de un circuito controlador de un dispositivo magnetico de acuerdo con un modo de realizacion;

La figura 3 es una captura de pantalla que ilustra un diagrama de ejemplo de tension a traves de un inductor de acuerdo con un modo de realizacion;

La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de ejemplo para producir un campo magnetico de acuerdo con un modo de realizacion.

DESCRIPCION DETALLADA

La materia de los modos de realizacion divulgados se describe de forma espedfica para cumplir los requisitos legales. Sin embargo, la descripcion en sf misma no pretende limitar el alcance de esta patente. Mas bien, los inventores han contemplado que la materia reivindicada podna ser tambien implementada de otras maneras, para incluir diferentes etapas o elementos similares a los descritos en este documento, en conjuncion con otras tecnologfas presentes o futuras. Por otra parte, aunque el termino “etapa” puede ser utilizado en el presente documento para connotar diferentes aspectos de los metodos empleados, el termino no debena interpretarse como que implica cualquier orden particular entre o entre varias etapas divulgadas en el presente documento a menos que y salvo cuando el orden de las etapas individuales sea descrito de forma explfcita.

RESUMEN

De acuerdo con un modo de realizacion, se proporciona un circuito controlador mejorado. El circuito controlador puede reducir la potencia requerida por una bobina de estimulacion para generar un pulso magnetico terapeutico. Como un resultado de la potencia reducida, se puede reducir el tamano de la cantidad de calor generado por la bobina de estimulacion magnetica, lo cual a su vez reduce los requerimientos de refrigeracion asociados con la bobina de estimulacion. Debido a estas reducciones, todo el dispositivo de estimulacion magnetica puede hacerse menos complejo, mas pequeno, y menos caro. Tal y como se discutira a continuacion, los modos de realizacion pueden reducir el requerimiento de potencia de la EMT y de la EMTr en aproximadamente un 50%, lo cual puede producir un aumento en la eficiencia de aproximadamente un 800% en comparacion con los circuitos controladores y bobinas de estimulacion convencionales.

RESUMEN DEL DISPOSITIVO MAGNETICO

A efectos de explicacion y de contexto, se describira a continuacion un resumen del funcionamiento y aplicaciones de un dispositivo de campo magnetico en el cual se pueden implementar aspectos de varios modos de realizacion. Como es bien conocido para los expertos en la materia, la magnitud de un campo electrico inducido en un conductor es proporcionar a la tasa de cambio de la densidad de flujo magnetico a traves del conductor. Cuando un campo electrico es inducido en un conductor, el campo electrico crea un flujo de corriente correspondiente en el conductor. El flujo de corriente va en la misma direccion del vector de campo electrico en un punto dado. El campo electrico de pico sucede cuando un intervalo de tiempo de cambio de la densidad de flujo magnetico es el mas grande y disminuye en otros periodos. Durante un pulso magnetico, la corriente fluye en una direccion que tiende a mantener el campo magnetico (es decir la ley de Lenz).

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Tal y como puede apreciarse, varios dispositivos pueden tomar ventaja de los principios anteriores para inducir un campo magnetico y dichos dispositivos pueden ser utilizados en una gran variedad de aplicaciones. Por ejemplo, los dispositivos magneticos pueden ser utilizados para la estimulacion electrica de la anatoirna, y similares. Mientras que la discusion en el presente documento se centra en dispositivos magneticos que son utilizados en conexion con una estimulacion magnetica del tejido anatomico, se apreciara que dicha discusion esta por tanto limitada unicamente por propositos de explicacion y claridad. Por tanto, se entendera que un modo de realizacion es igualmente aplicable a cualquier aplicacion de un dispositivo magnetico en cualquier campo de accion. Por tanto, la presente discusion de dispositivos magneticos no debena constituirse como modos de realizacion limitativos de la invencion a aplicaciones medicas o a otras aplicaciones.

Por lo tanto, y volviendo ahora al contexto de la estimulacion electrica de la anatoirna, ciertas partes de la anatoirna (por ejemplo, nervios, tejido, musculo, cerebro) actuan como un conductor y transportan la corriente electrica cuando se aplica un campo electrico. El campo electrico puede ser aplicado a estas partes de la anatoirna de forma transcutanea aplicando un campo magnetico variable en el tiempo (por ejemplo pulsado) a la porcion del cuerpo. Por ejemplo, en el contexto de EMT, puede aplicarse un campo magnetico variable en el tiempo a traves del craneo para crear un campo electrico en el tejido cerebral, lo cual produce una corriente. Si la corriente inducida es de una densidad suficiente, el potencial de accion de la neurona se ha reducido hasta el punto de que los canales de sodio de la membrana se abren y se crea una respuesta al potencial de accion. Entonces se prolonga un impulso de corriente a lo largo de la membrana del axon que transmite informacion a otras neuronas a traves de la modulacion de neurotransmisores. Dicha estimulacion magnetica ha sido mostrada que afecta de forma precisa al metabolismo de la glucosa y el flujo de sangre local en el tejido cortical. En el caso de un trastorno depresivo severo, la desregulacion de neurotransmisores y el metabolismo de glucosa anormal en el cortex prefrontal y en las estructuras lfmbicas conectadas puede ser una probable fisiopatologfa. La aplicacion repetida de una estimulacion magnetica al cortex prefrontal puede producir cambios cronicos en concentraciones y en el metabolismo de neurotransmisores de manera que los smtomas de depresion se reduzcan o alivien. Aunque la discusion en el presente documento se centra en la estimulacion transcutanea, debena apreciarse por un experto en la materia que las tecnicas y dispositivos discutidos en el presente documento pueden, en algunos modos de realizacion, ser aplicados a estimulacion que incluya una bobina que pueda estar situada en cualquier lugar con respecto a un paciente. En uno de dichos modos de realizacion, por ejemplo, la bobina puede estar situada dentro o proxima a cualquier porcion de una anatoirna del paciente.

De una manera similar, las neuronas no corticales (por ejemplo los nervios craneales, los nervios perifericos, los nervios sensoriales) pueden ser tambien estimuladas mediante un campo electrico inducido. Han sido desarrolladas tecnicas para estimular de forma intencionada a los nervios perifericos para diagnosticar neuropatologfas observando los tiempos de respuesta y la velocidad de conduccion en respuesta a unos estimulos inducidos de un campo magnetico pulsado.

Tal y como se senalo anteriormente, debena apreciarse que la estimulacion magnetica transcutanea no esta limitada al tratamiento de la depresion. Ademas de la depresion, los dispositivos de estimulacion magnetica transcutanea de la invencion pueden ser utilizados para tratar un paciente tal como un humano que sufra de epilepsia, esquizofrenia, enfermedad de Parkinson, smdrome de Tourette, esclerosis lateral multiple (ELM), esclerosis multiples (EM), enfermedad de Alzheimer, trastorno por deficit de atencion e hiperactividad, obesidad, trastorno bipolar/ mama, trastornos de ansiedad (por ejemplo trastorno de panico con o sin agorafobia, fobia social tambien conocida como trastorno de ansiedad social, trastorno de estres agudo y trastorno de ansiedad generalizada), trastornos de estres postraumatico (uno de los trastornos de ansiedad en el DSM (Manual de los Trastornos Mentales), trastorno obsesivo-compulsivo (tambien uno de los trastornos de ansiedad en el DSM), dolor (como, por ejemplo, migranas, neuralgia del trigemino, asf como trastornos de dolor cronico, incluyendo dolor neuropatico, por ejemplo, dolor debido a diabetes neuropatica, neuralgia posherpetica, y trastornos del dolor idiopaticos, por ejemplo, fibromialgia, smdromes del dolor miofascial regional), rehabilitacion despues de un infarto (induccion de neuro plasticidad) tinnitus, estimulacion de neuronas implantadas para facilitar la integracion, trastornos relacionados con sustancias (por ejemplo, diagnosticos de dependencia abuso y abstinencia del alcohol, la cocama, la anfetamina, la cafema, la nicotina, el cannabis y similares) lesion y regeneracion/ rehabilitacion medular, infarto, lesion de cabeza, revocacion de la privacion del sueno, trastornos de sueno primario (insomnio primario, hipersomnio primario, trastorno del sueno del ritmo cardfaco), mejoras cognitivas, demencias, trastorno disforico premenstrual (TDPM), sistemas de entrega de medicamentos (cambiando la permeabilidad de la membrana de la celula a un medicamento) trastornos de la induccion de la smtesis de protemas (induccion de la transcripcion y la traslacion), tartamudeo, afasia, disfagia, temblor esencial, y/o trastornos de la comida (tales como bulimia, anorexia, y comida compulsiva).

DISPOSITIVO DE ESTIMULACION MAGNETICA DE EJEMPLO

Se puede utilizar un nucleo ferromagnetico en conexion con un dispositivo magnetico para producir un campo magnetico. En algunos modos de realizacion, dicho campo magnetico puede ser a efectos de llevar a cabo una estimulacion magnetica transcutanea tal como, por ejemplo, una estimulacion magnetica transcraneal (EMT), una EMT repetitiva (EMTr), una terapia magnetoconvulsiva (TMC), el diagnostico de desordenes de conduccion nerviosa, reduccion de molestias del nervio periferico y asf sucesivamente. De nuevo, aunque algunos de los

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ejemplos a continuacion pueden ser discutidos en conexion con modos de realizacion de una EMT y una EMTr a efectos de explicacion y claridad, cualquier tipo de estimulacion magnetica transcutanea, incluyendo todas las enumeradas mas arriba, se pueden realizar de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion. Adicionalmente, tal y como se indico anteriormente, los modos de realizacion no estan limitados a una estimulacion magnetica transcutanea, ya que un modo de realizacion puede ser utilizado en conexion con dispositivos magneticos que generan un campo magnetico para cualquier proposito.

Ademas, los modos de realizacion presentados en el presente documento no estan limitados al uso de dispositivos de estimulacion magnetica de nucleo ferromagnetico, ya que se pueden utilizar otros materiales de nucleo tales como, por ejemplo, aire. Dichas configuraciones de nucleo de aire pueden incluir, pero no estan limitadas a, bobinados en forma de “numero ocho”, circulares, conicos, conicos dobles, o similares. La discusion en el presente documento por lo tanto describe un dispositivo de estimulacion magnetica de nucleo ferromagnetico unicamente a efectos de explicacion y claridad. En un modo de realizacion, un nucleo ferromagnetico puede tener la forma sustancialmente de “C”, y en otro modo de realizacion el nucleo ferromagnetico puede incluir un material magnetico altamente saturable que tiene una saturacion magnetica de al menos 0,5 Tesla. En algunos modos de realizacion, un nucleo ferromagnetico puede estar conformado para optimizar la distribucion de campo magnetico en el area de tratamiento. Las areas de tratamiento para otras formas de tratamiento (por ejemplo, la reduccion de molestias de los nervios perifericos, etc.) pueden ser mas o menos profundas que en el caso de una EMT.

La figura 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un dispositivo 100 magnetico. En el dispositivo 100 magnetico, un suministro 116 de alimentacion, un condensador 114, un conmutador 112 y un controlador 120 forman un circuito electrico que proporciona una senal de potencia a un inductor 110. La senal de potencia puede ser una senal electrica variable en el tiempo capaz de generar un campo electrico y magnetico. El inductor 110 puede ser utilizado para conducir una EMT, una EMTr o una terapia magnetoconvulsiva (TMC), por ejemplo.

El suministro 116 de alimentacion puede ser de cualquier tipo de fuente de alimentacion que proporcione una potencia suficiente al inductor 110 para generar un campo magnetico o para su proposito previsto, ya sea para una EMT, una EMTr o una TMV o cualquier otro tipo de aplicacion. Por ejemplo, el suministro 116 de alimentacion puede ser una fuente de alimentacion principal de 120 o 240 VAC convencional. El inductor puede ser de cualquier tipo de dispositivo de induccion tal como, por ejemplo, una bobina de tratamiento que tenga un nucleo ferromagnetico o de aire, tal y como se discutio anteriormente. En un modo de realizacion, dicha bobina de tratamiento puede ser fabricada a partir de materiales de nucleo de alta saturacion. La bobina de tratamiento tambien puede emplear un diseno de nucleo delgado para optimizar la bobina para la TMS, por ejemplo. En un modo de realizacion, una bobina de tratamiento que emplea un diseno de nucleo delgado puede estar constituido como un nucleo con forma sustancialmente de C que ha sido reducido en espesor, por tanto proporcionando un area de seccion transversal mas pequena, un material menos saturable y por lo tanto con los requisitos de potencia reducidos, asf como menos peso, mientras que aun tiene una resistencia de campo que penetra a la misma profundidad que un diseno de nucleo convencional. Se apreciara que un nucleo de tratamiento que emplea dicho diseno de nucleo delgado puede generar un campo magnetico que simula un volumen reducido de tejido en el paciente.

El condensador 114 proporciona un almacenamiento de energfa para pulsar al inductor 110. Aunque el condensador 114 es descrito en el presente documento, se debena apreciar que el condensador 114 puede, en un modo de realizacion, ser cualquier tipo de dispositivo de almacenamiento de energfa. Por tanto, el termino “condensador” es utilizado en el presente documento meramente como una referencia abreviada a cualquier tipo de dispositivo de almacenamiento de energfa, el cual en un modo de realizacion puede ser un condensador. Por ejemplo, en otro modo de realizacion, el suministro 116 de alimentacion puede cumplir por si misma las funciones de almacenamiento de energfa del condensador 114, obviando por lo tanto la necesidad del propio condensador 114. El condensador 114 puede ser utilizado, por ejemplo, en aplicaciones en las que esta disponible una fuente de alimentacion de 120 VAC o similar. Una oficina de doctor tfpica puede estar solamente equipada con un suministro de alimentacion convencional (por ejemplo, 120 VAC o similar) mas bien que con una potencia de 240 VAC mayor o un suministro de alimentacion trifasico. Como un resultado, la utilizacion del condensador 114 para almacenar energfa para utilizar en el pulsado del inductor 110 puede permitir al dispositivo 100 funcionar utilizando niveles de energfa mayores que los que de otro modo senan posibles si se utilizara simplemente un solo suministro 116 de alimentacion.

El suministro 116 de alimentacion tambien puede estar comprendida por cualquier numero y tipo de suministros de alimentacion. Ejemplo, el suministro 116 de alimentacion puede ser la salida de una fuente de alimentacion que funciona a 120 VAC y despues convierte la senal de potencia de entrada de CC a una senal de potencia de salida de CA. De forma alternativa, el suministro 116 de alimentacion puede ser una batena, que puede ser util en aplicaciones en las cuales el dispositivo de estimulacion magnetica va ser portatil. De acuerdo con la invencion, el suministro 116 de alimentacion es una combinacion de un suministro de alimentacion y de una batena. Se apreciara que dicha configuracion puede ser util cuando la potencia requerida para generar un pulso, o tren de pulsos, excede la capacidad (o un porcentaje significativo de la capacidad) del suministro de alimentacion solo. Por tanto, la potencia combinada del suministro de alimentacion y la batena pueden ser utilizadas para generar el pulso(s), con la batena ayudando a sostener la tension durante un periodo(s) de alta demanda asociado con la generacion del pulso(s), y entonces la fuente de alimentacion puede recargar la batena entre pulsos, por ejemplo. Un dispositivo

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que incorpora dicha configuracion por tanto podna utilizar, por ejemplo, una salida de 120 VAC estandar para generar pulsos que de otro modo necesitanan mas potencia que la que podna proporcionar una salida de 120 VAC, y/o podna proporcionar una regulacion de lmea de potencia adecuada. Dicho dispositivo podna, por lo tanto, ser utilizado en una ubicacion que tenga salidas de 120 VAC estandar tal como, por ejemplo, la oficina de un medico profesional.

El condensador 114 puede incluir cualquier numero y/o tipo de condensador(es) (u otro tipo de dispositivos de almacenamiento de energfa) que sean apropiados para el nivel de potencia, el tiempo de carga y/o el tipo de pulso requerido por el dispositivo 100. El conmutador 112 puede ser de cualquier tipo de dispositivo conmutador electrico que pueda accionar un inductor 110 conmutando la potencia desde el condensador 114 y/o del suministro 116 de alimentacion entre encendido y apagado. Por ejemplo, el conmutador 112 puede ser accionado para conmutar la potencia del suministro 116 de alimentacion para cargar el condensador 114. El conmutador puede tambien ser utilizado para descargar el condensador 114 a traves del inductor 110, creando por lo tanto un campo magnetico que puede ser utilizado para un tratamiento EMT, por ejemplo. El controlador 120 de EMT puede ser de cualquier tipo de hardware, software, una combinacion de los mismos, que controle al conmutador 112 y/o al suministro 116 de alimentacion.

La figura 2 es un diagrama de un circuito que ilustra un ejemplo de un circuito 200 controlador de un dispositivo magnetico de ejemplo, de acuerdo con un modo de realizacion. Se apreciara que el circuito 200 es una representacion simplificada de varios componentes ilustrados en la figura 1, y que se podra utilizar cualquier numero y tipo de componentes adicionales a los componentes ilustrados en las figuras 1 y 2 en conexion con un modo de realizacion.

Se puede apreciar que en un modo de realizacion, el circuito 200 puede estar comprendido por el suministro 116 de alimentacion, el condensador 114, el inductor 110 (el cual puede ser una bobina de estimulacion), y el conmutador 112, que puede estar formado por un transistor 120 bipolar de puerta aislada IGBT y un diodo 122 de conmutacion, los cuales pueden estar conectados en paralelo. El iGBT 120 puede ser utilizado en un modo de realizacion para descargar el condensador 114 en el inductor 110 para generar un campo magnetico. Adicionalmente el IGBT 120 puede estar protegido de picos de alta tension mediante un diodo 122 de conmutacion, el cual suprime las tensiones transitorias. En dicho modo de realizacion, el diodo 122 de conmutacion puede ser lo que se denomina comunmente como un “amortiguador”. Aunque se ha referido en el presente documento como un iGBT 120 con fines de claridad, el conmutador 112 puede con prender cualquier tipo de dispositivo en el cual se emplee un circuito de conmutacion.

Se apreciara que aunque la discusion en el presente documento se centra en un modo de realizacion en el cual se emplea un IGBt 120, se pueden emplear otros dispositivos de conmutacion semiconductores en conexion con un modo de realizacion. Por ejemplo, en uno de dichos modos de realizacion, un modo de realizacion, un Tiristor Conmutado por Puerta Integrada (IGCT) puede reemplazar al IGBT 120 y al diodo 122 de conmutacion en el circuito 200 controlador. Otros dispositivos de conmutacion semiconductores con caractensticas de manejo y conmutacion de potencia similares pueden ser utilizados en conexion con un modo de realizacion.

El suministro 116 de alimentacion puede ser de cualquier tipo de fuente de alimentacion electrica que sea apropiada para la funcion deseada del circuito 200, o de un dispositivo del cual sea parte el circuito 200. Por ejemplo, un suministro 116 de alimentacion puede comprender una senal de potencia de CC que ha sido convertida (es decir rectificada) a partir de una senal de potencia de entrada de CA, por ejemplo. Un suministro 116 de alimentacion tambien puede comprender una batena u otra fuente de alimentacion, tal y como se discutio anteriormente en la figura 1.

Tal y como fue el caso anterior en la figura 1, el condensador 114 puede ser de cualquier tipo de dispositivo de almacenamiento de energfa que sea capaz de pulsar al inductor 110 para generar un campo magnetico. El inductor 110 puede ser una bobina magnetica de nucleo ferromagnetico (por ejemplo hierro) o de aire. En un modo de realizacion, el inductor puede ser una bobina magnetica de nucleo de hierro. Se apreciara que una bobina magnetica que emplea un nucleo de hierro puede ser capaz de ser conmutada mas rapido que una bobina magnetica que tenga un nucleo de aire. En algunos modos de realizacion, por lo tanto, un nucleo de hierro puede seleccionarse en aplicaciones que supongan la generacion de anchos de pulso cortos que pueden ser utilizados en conexion con la estimulacion de neuronas corticales, tal y como se describe a continuacion. Independientemente del tipo de bobina utilizada en el inductor 110, en un modo de realizacion, la forma del nucleo de la bobina y/o el numero y configuracion de espiras puede seleccionarse para hacer que el inductor 110 genere un campo magnetico que tenga una forma de onda deseada. En un modo de realizacion, la forma de onda puede seleccionarse para que tenga un efecto deseado en un paciente, por ejemplo. Para un modo de realizacion con una tension alta, una alta inductancia, y una baja capacitancia, la frecuencia resonante especificada en la ecuacion 1, mas abajo, puede ser mucho mas grande que la que sena posible con un conmutador de tiristor, permitiendo una estimulacion mas selectiva y una eficiencia energetica mayor.

Por tanto, debena apreciarse que una combinacion de modos de realizacion de un nucleo de hierro y un dispositivo semiconductor de una velocidad mas alta tal como un IGBT 120, un IGCT o similar, puede habilitar una frecuencia

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de resonancia aumentada (es dedr, una longitud de pulso mas corta), la cual a su vez puede proporcionar frecuencias de estimulacion mas altas y una estimulacion mas eficiente de las neuronas corticales o axones.

En contraste con los dispositivos de estimulacion magnetica convencionales que usan un tiristor (es decir un rectificador de silicio controlado) como un elemento de conmutacion principal para altas corrientes a una alta tension, un modo de realizacion emplea un IGBT 120 como el elemento de conmutacion principal en lugar de, o en adicion a, un tiristor. Los tiristores tienen un tiempo de apagado significativo, el cual aumenta con la tension nominal e inhibe la utilizacion simultanea de la frecuencia de funcionamiento y de la tension de funcionamiento. En contraste, un modo de realizacion proporciona un condensador 114, un inductor 110, un circuito 200 controlador resonante que utiliza un IGBT 120 como un elemento de conmutacion (es decir, un conmutador 112), y esta controlado por un pulso de CC aislado (proporcionado, por ejemplo, por un suministro 116 de alimentacion) y temporizado para apagarse durante la fase de reserva del pulso de estimulacion. El IGBT 120 es capaz de conmutar frecuencias mas altas que un tiristor, permitiendo por tanto que el inductor 110 genere un rango de frecuencia mas grande de pulsos magneticos en comparacion con un dispositivo de estimulacion magnetica convencional controlado por un tiristor. Como un resultado, el dispositivo de estimulacion magnetica que es conmutado mediante el IGBT 120, de acuerdo con un modo de realizacion, es capaz de funcionar utilizando una potencia de entrada menor que un dispositivo de estimulacion magnetica convencional. Dichos ahorros de potencia pueden venir de, por ejemplo, dos fuentes: (1) el funcionamiento a una tension mas alta y a una corriente mas baja reduce las perdidas de resistencia en el circuito, llevando a una recuperacion de carga mayor para cada pulso y tambien una segunda fase mas alta del coseno de la forma de onda del pulso (donde, por ejemplo, la segunda fase realiza el trabajo), y (2) la forma de onda del pulso mas corta es mas eficiente, debido a que las membranas de celulas neuronales son “permeables”, y parte de la carga transferida a traves de la membrana de la celula al comienzo del pulso es perdida cuando el pulso ha terminado. Pulsos mas cortos pueden resultar en una menor perdida de membrana.

Un dispositivo de estimulacion magnetica de acuerdo con un modo de realizacion puede generar, por ejemplo, EMT rapidas que tengan una anchura de pulso menor que aproximadamente 200 ps de duracion (cuando dicho modo de realizacion pretende estimular neuronas corticales, por ejemplo). En un modo de realizacion, los pulsos de la EMT pueden tener una anchura de pulso de aproximadamente 100 ps a 150 ps de duracion. Se apreciara que dichas anchuras de pulso pueden ser optimizadas para el objetivo previsto tal como, por ejemplo, una estimulacion de neurona cortical. Algunos IGBT puede que no sean capaces de manejar cargas de corriente altas. Por tanto, una configuracion de circuito 200 puede permitir el uso del IGBT 120 como conmutador 112 reduciendo la cantidad de corriente mientras que se produce de forma simultanea un campo magnetico equivalente utilizando el inductor 110. Para generar un campo magnetico para la EMT, la EMTr, la TMC u otras aplicaciones de estimulacion a una frecuencia dada en algunos modos de realizacion, se puede encontrar un equilibrio entre los valores de inductancia y capacitancia utilizados en el circuito controlador. La relacion entre la capacitancia y la inductancia y su efecto sobre la frecuencia del circuito resonante es gobernada por la ecuacion bien conocida:

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Donde I es la frecuencia resonante, L es la inductancia y C es la capacitancia de circuito. Algunos modos de realizacion pueden lograr este equilibrio haciendo funcionar el inductor 110 con una inductancia tan baja como sea posible (por ejemplo, comunmente en el orden de 10-24 pH en una aplicacion de una EMT tfpica). Como resultado, la capacitancia (y por lo tanto la corriente utilizada en el circuito) puede que necesite ser muy grande (por ejemplo, al menos 50 pF) con el fin de que el circuito genere el campo magnetico deseado. Cuando dicho circuito es disenado para funcionar de esta manera, las perdidas de potencia parasita y las inductancias parasitas pueden requerir componentes adicionales (tal como un equipo de refrigeracion para compensar el problema. Adicionalmente, el uso de un IGBT 120 como conmutador 112 puede impedirse en dicha configuracion debido a los niveles de corriente altos que estan presentes.

Un modo de realizacion puede utilizar una inductancia alta (en el orden de aproximadamente 50-55 pH en la aplicacion EMT tfpica referida anteriormente, por ejemplo) en el inductor 110. Adicionalmente, la capacitancia del condensador 114 puede reducirse a un valor de aproximadamente 7 pF. La corriente en el circuito 200 es por lo tanto reducida, y el voltaje incrementado. Por ejemplo, un dispositivo de acuerdo con un modo de realizacion puede funcionar a aproximadamente 1.200 A. Del mismo modo, un dispositivo puede funcionar a aproximadamente 3.000 V por ejemplo.

Se puede apreciar que dicho voltaje incrementado puede resultar en algunas perdidas dependientes de la tension adicionales, pero el tipo de perdidas que sucede a partir de una tension alta son normalmente mas faciles de tener en cuenta que las perdidas que suceden a partir de una corriente alta. Por tanto, se puede lograr eficiencias adicionales mediante un modo de realizacion.

De acuerdo con dicho modo de realizacion, dicho circuito 100 controlador puede ser capaz de funcionar a aproximadamente el doble de la frecuencia y aproximadamente 1/2 a 1/8 de la corriente de pico de sistemas convencionales. Este requisito de corriente baja puede llevar a una perdida de resistencia menor en el inductor 130,

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incluso a una inductancia unicamente alta de 50-55 pH, por ejemplo. El resultado es un calentamiento del inductor 130 reducido y una recuperacion de la carga mayor en bruto. En un sistema EMT, EMTr o TMC dichas mejoras pueden resultar en una estimulacion del cerebro mas eficiente con una reduccion bruta en el consumo de energfa de aproximadamente un 50% mas alla de lo esperado con sistemas convencionales. En un modo de realizacion alternativo, el circuito 100 tambien puede ser implementado con un tiristor conmutado de puerta integrada (IGCT) u otro elemento de conmutacion moderno en lugar del IGBT 120. Se apreciara que los valores exactos para el inductor 110, el condensador 114, etc., pueden determinarse basandose en la aplicacion prevista (por ejemplo una EMT, una EMTr, una TMC y similares).

Para explicar adicionalmente los beneficios que resultan del uso del IGBT 120 como un elemento de conmutacion, se hace referencia a continuacion a la figura 3. La figura 3 es una captura 300 de pantalla que ilustra un ejemplo de un diagrama 310 de la tension a traves de un inductor (tal como un inductor 110 discutido anteriormente en conexion con las figuras 1 y 2) de acuerdo con un modo de realizacion durante un pulso de una EMT. La lmea 320 muestra la temporizacion del pulso de disparo del IGBT (que puede que no este a la misma escala de tension que el diagrama 310). La diferencia entre las amplitudes del pico 1 y del pico 2 representan las perdidas de resistencia en el inductor y en otros circuitos. El pulso de disparo, el cual controla el conmutador IGBT, termina en un momento en el que la corriente esta siendo conducida a traves del diodo 122 de vuelta en la figura 2, y no a traves del IGBT adecuado. Esta temporizacion evita la destruccion inadvertida de los IGBT o de otros elementos. Comparado con el pico 1 en el diagrama de tension, el pico 2 es relativamente mas alto que en circuitos controladores conmutados por tiristor tfpicos debido al funcionamiento en una tension mas alta y una corriente mas baja, con una perdida de resistencia menor tal y como se describio anteriormente.

Un posible beneficio adicional del uso del IGBT 120 como elemento de conmutacion, y el ahorro de potencia que resulta del mismo, puede ser la reduccion en tamano del dispositivo de estimulacion magnetica hasta el punto en el cual dicho dispositivo puede ser disenado para hacer altamente portatil. Por ejemplo, dicho dispositivo puede estar albergado en un maletm u otro contenedor pequeno. Dicho dispositivo puede adaptarse para utilizarse por un profesional no medico, tal como el paciente. La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo 400 de ejemplo para producir un campo magnetico de acuerdo con un modo de realizacion. En 401, se proporciona la potencia utilizando una fuente de alimentacion tal como, por ejemplo, un suministro 116 de alimentacion tal y como se discutio anteriormente en conexion con las figuras 1 y 2. En 403 el dispositivo o dispositivos de almacenamiento de energfa tales como un condensador 114 tal y como se discutio anteriormente en conexion con las figuras 1 y 2, es cargado por la fuente de alimentacion. Debena apreciarse que en un modo de realizacion alternativo 403 no necesita realizarse si, por ejemplo, la fuente de alimentacion genera una potencia suficiente tal que no se necesita un condensador cargado para la aplicacion prevista. En 405, un conmutador es utilizado para descargar el dispositivo de almacenamiento de energfa en un inductor. En un modo de realizacion, el conmutador puede ser un IGBT 120 tal y como se discutio anteriormente en conexion con la figura 2, y el inductor puede ser el inductor 110 tal y como se discutio anteriormente en conexion con las figuras 1 y 2. En un modo de realizacion alternativo discutido anteriormente en el que no esta presente un condensador, el conmutador puede encender simplemente la fuente de alimentacion para proporcionar la potencia al inductor. En 407, se puede generar un campo magnetico utilizando el inductor. Se apreciara que cualquiera de 401-407 se puede repetir tantas veces como sea apropiado para la aplicacion prevista.

Se ha de entender que los modos de realizacion ilustrativos anteriores han sido proporcionados meramente a efectos de explicacion y no esta constituido de ninguna manera para limitar la invencion. Las palabras utilizadas en el presente documento son palabras de descripcion e ilustracion, mas que palabras de limitacion. Adicionalmente, las ventajas y objetivos descritos en el presente documento puede que no se realicen por cada uno de los modos de realizacion que se llevan a la practica en la presente invencion. Ademas, aunque la invencion ha sido descrita en el presente documento con referencia a una estructura, materiales y/o modos de realizacion particulares, la invencion no se pretende que este limitada a las particularidades dadas a conocer en el presente documento. Mas bien, la invencion se extiende a todas las estructuras, metodos y usos equivalentes funcionalmente tales que esten dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Por ejemplo, aunque la divulgacion aborde el tratamiento de pacientes, debena apreciarse que las tecnicas descritas en el presente documento tambien contemplan diagnosticos de pacientes. De hecho, cuando la divulgacion se refiere al tratamiento de pacientes para ciertas condiciones, las tecnicas aplican de forma igual a la monitorizacion y diagnostico de pacientes para las mismas o condiciones similares.

Los expertos en la materia, que tengan el beneficio de las ensenanzas de esta memoria descriptiva, podnan efectuar numerosas modificaciones en la misma y podnan realizarse cambios sin alejarse del alcance de la invencion.

Claims (8)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un dispositivo de estimulacion magnetica, que comprende:

   un inductor (110) para generar un campo magnetico pulsado; una fuente (116) de alimentacion para proporcionar potencia; y

   un dispositivo (112) de conmutacion semiconductor que esta acoplado, de forma operativa, al inductor y a la fuente de alimentacion, en donde el dispositivo de conmutacion semiconductor dirige la potencia desde la fuente de alimentacion al inductor para generar el campo magnetico; caracterizado porque

   la fuente de alimentacion comprende un suministro de alimentacion y una batena, en donde la fuente de alimentacion esta configurada de tal manera que una potencia combinada del suministro de alimentacion y de la batena es utilizada para generar el campo magnetico, y en donde el suministro de alimentacion esta configurado para recargar la batena entre pulsos del campo magnetico.
2. 2. El dispositivo de la reivindicacion 1, en donde el inductor:

   (i) es una bobina de estimulacion de nucleo ferromagnetico

   (ii) comprende un material de nucleo de alta saturacion;

   (iii) esta formado teniendo un diseno de bobina EMT de nucleo delgado; o

   (iv) esta formado teniendo un nucleo de aire, opcionalmente ademas caracterizado porque esta formado sustancialmente en cualquiera de una forma de numero 8, una forma circular, una forma conica, o una forma conica doble.
3. 3. El dispositivo de la reivindicacion 1, en donde el dispositivo esta adaptado para ser portatil.
4. 4. El dispositivo de la reivindicacion 1, en donde el pulso magnetico:

   (i) tiene una anchura de pulso menor de 200 ps de duracion;

   (ii) tiene una anchura de pulso que es sustancialmente de 100 ps de duracion; o

   (iii) tiene al menos una caractenstica que esta adaptada a estimular una neurona cortical.
5. 5. El dispositivo de la reivindicacion 1, en donde la fuente de alimentacion comprende:

   (i) un suministro de alimentacion de CA

   (ii) un suministro de alimentacion de CC
6. 6. El dispositivo de la reivindicacion 1, en donde el dispositivo de conmutacion semiconductor es:

   (i) un tiristor conmutado de puerta integrada (IGCT); o

   (ii) un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), que comprende de forma opcional un diodo de conmutacion conectado al IGBT en paralelo para reducir una alta tension transitoria a traves del IGBT.
7. 7. El dispositivo de la reivindicacion 1, que ademas comprende un dispositivo (114) de almacenamiento de energfa, en donde el suministro de alimentacion carga el dispositivo de almacenamiento de energfa y el dispositivo de conmutacion semiconductor dirige la potencia desde la fuente de alimentacion al inductor provocando que el dispositivo de almacenamiento de energfa descargue en el inductor para generar el campo magnetico, opcionalmente en donde el dispositivo de almacenamiento de energfa es:

   (i) al menos un condensador;

   (ii) la fuente de alimentacion, o

   (iii) la batena.
8. 8. El dispositivo de la reivindicacion 1, en donde el campo magnetico generado es configurado para una de: una estimulacion magnetica transcraneal (EMT), estimulacion magnetica trascraneal repetitiva (EMTr), una terapia magnetoconvulsiva (TMC) y estimulacion del nervio periferico.