WO2018189387A1 - Pulsquelle und verfahren für die magnetisch induktive nervenreizung - Google Patents

Pulsquelle und verfahren für die magnetisch induktive nervenreizung Download PDF

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WO2018189387A1
WO2018189387A1 PCT/EP2018/059569 EP2018059569W WO2018189387A1 WO 2018189387 A1 WO2018189387 A1 WO 2018189387A1 EP 2018059569 W EP2018059569 W EP 2018059569W WO 2018189387 A1 WO2018189387 A1 WO 2018189387A1
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voltage
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energy storage
pulse
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Thomas Weyh
Florian Helling
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Universität der Bundeswehr München
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    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/40—Applying electric fields by inductive or capacitive coupling ; Applying radio-frequency signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61N2/004—Magnetotherapy specially adapted for a specific therapy
    • A61N2/006—Magnetotherapy specially adapted for a specific therapy for magnetic stimulation of nerve tissue
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    • A61N2/02—Magnetotherapy using magnetic fields produced by coils, including single turn loops or electromagnets

Definitions

  • the present invention generally relates to methods and apparatus for irritating nerve and muscle cells in the body tissue according to the principle of inductive magnetic stimulation by short strong magnetic field pulses which are generated via a coil and a corresponding pulse source. Furthermore, the invention relates to electrical power circuits for the pulse source for generating arbitrary time courses of short strong current pulses through the coil to generate the pulse-shaped magnetic fields for irritation of nerve or muscle cells.
  • certain cells can be irritated by externally applied electric fields in the body tissue.
  • nerve or muscle cells can be excited via the depolarization of an axon or a fiber bundle excited by an external field and the resulting triggering of action potentials and subsequent stimulus conduction. This happens because the electrical fields in the tissue cause electrical currents, which in turn trigger the action potentials in these cells.
  • This type of triggering of action potentials by an electric field acting directly on the axon is a nonphysiological process: In nature, action potentials are generated in the cell body of the nerve cell itself, after signals which are connected via the dendrites have been correspondingly linked.
  • the externally applied electric field must fulfill certain conditions with regard to the time course in order to trigger such an action potential. Furthermore, a certain minimum strength must be achieved.
  • different cell types react differently with respect to the triggering of an action potential to the time courses and strengths of the fields acting from outside.
  • sensory nerve fibers which are also responsible for transmitting pain signals, because of their smaller diameter, require a higher electrical field strength for depolarization (i.e., to trigger an action potential) compared to motor nerve fibers.
  • depolarization i.e., to trigger an action potential
  • a time-varying magnetic field generates an induced electric field.
  • the time-varying magnetic field can be generated by a coil, which is traversed by a time-varying current.
  • These Coil rests on the skin over the nerve tissue to be irritated. so that the magnetic field generated can penetrate the tissue and generates the currents required for the stimulation in the tissue according to the induction principle.
  • the stimulation by this so-called inductive magnetic stimulation can be done without contact, since the magnetic field can penetrate body tissue almost unhindered.
  • the time-dependent magnetic fields are generated via short current pulses of a duration of usually 50-400 microseconds.
  • inductive stimulation is fundamentally based on a temporal change of the magnetic field, since only in this way can electrical fields be induced by the coil in the tissue. Thus, only temporally variable electric fields in the tissue can arise. For this reason, for example, it is not possible here to generate efficient, simple monophasic rectangular pulses with a DC component, as used in electrostimulation.
  • a major advantage of inductive magnetic stimulation lies in the contactlessness, since the magnetic field of the coil reaches body tissue even at a certain distance from the coil. Therefore, nerve cells can also be irritated sterile.
  • Another important advantage is that in contrast to electrical stimulation via electrodes, the procedure is almost completely painless, since, unlike electrostimulation, high current densities can not occur at injection sites of electrodes which stimulate the corresponding skin sensors during electrical stimulation and a pain sensation cause.
  • the method is also particularly well suited for irritating deep tissue structures (e.g., the cerebral cortex through the cranial bone) and for painless muscle stimulation, e.g. in the field of rehabilitation.
  • the inductive magnetic stimulation has already prevailed in some areas compared to electrostimulation or even open up new fields of application.
  • Very common is the method of application to the central and the peripheral nervous system.
  • Inductive magnetic stimulation is used in basic research as a tool for joint examination together with functional magnetic resonance tomography.
  • About Pulse is a specific stimulation (and inhibition) of certain brain areas produced. their effects can be studied with magnetic resonance imaging.
  • cortical mapping In which functional assignments of the motor cortex are carried out via highly accurate inductive stimuli on the cerebral cortex (through the intact skull canopy). In this way, the planning for brain tumor surgery can be significantly improved preoperatively.
  • FIG. 1 shows a typical arrangement of the previous use of inductive magnetic stimulation.
  • the pulse source 110 generates a short strong current pulse and conducts it to the coil 120.
  • the coil 120 is positioned near the irritable nerve tissue of the body, so that the generated magnetic field can penetrate this tissue structure.
  • the magnetic field generated by the coil induces an electrical field in the body tissue, here on the upper arm 130, which excites nervous and muscular tissue via the resulting currents.
  • the required magnetic flux densities are in the range of about 1 Tesla, so that during the very short magnetic stimulation pulse an extremely high electrical power has to be fed into the coil to produce the corresponding field energies.
  • the required electrical power can reach values of several megawatts and the currents several kilo-amps at voltages of a few kilovolts. Therefore, the pulse sources are technically complex; Furthermore, the coil overheats due to the current heat losses very quickly, in which case it must also be noted that the coil may not reach too high temperatures as a part which can directly touch the body.
  • magnetic stimulation devices currently operate on the principle of the resonant oscillating circuit in which a capacitor discharges its energy into the coil.
  • the principle for generating high-power pulses for the coil is thus based on a continuous charge of the resonant circuit capacitor via a Charger at relatively low power and the rapid release of the energy content of this capacitor to the coil for generating the short strong magnetic field pulse.
  • FIG. 2 shows the basic circuit structure of an inductive stimulation device, as used in the first devices, in particular for contactless irritation of cortical nerve structures by the intact cranial bone (R. Siebner, U. Ziemann, "The TMS Book", Springer Verlag, ISBN- 13 978-3-540-71904-5), the circuit uses a powerful damped electrical resonant circuit (resonator) consisting of a capacitor 220, a damping resistor 230, a diode 240, a thyristor 250 and the coil 260.
  • the charging circuit 210 charges The capacitor 220 has a voltage of several thousand volts, and the energy content of the capacitor is a few hundred joules.
  • the thyristor 250 serves as a switch which, when ignited, connects the capacitor 220 to the magnetic coil 260, thus starting the current flow in the coil ,
  • Figure 3 shows the time course of current and voltage in the coil according to the circuit of Figure 2.
  • the typical time between the thyristor ignition and the achievement of the current peak value is about 50 to 150 microseconds.
  • This damping circuit used in the first devices which attenuates the oscillation from the first falling current edge (after one quarter of the period), characterizes the so-called monophasic stimulation, since the coil current only flows in one direction during the pulse, ie does not change its sign. Since the pulse energy of the magnetic field is completely lost at each pulse in these devices, these devices have a particularly high energy consumption.
  • FIG. 4 shows a further known basic circuit topology for stimulation devices, as used in newer device generations.
  • This device generates sinusoidal current or field pulses.
  • the charging circuit 210 charges the capacitor 220 to a voltage of several thousand volts.
  • the thyristor 410 again serves as a switch which connects the capacitor 220 to the magnetic coil 260 during ignition.
  • no damping circuit is used in this circuit, so that the resonant circuit continues to oscillate even after the first zero crossing of the coil voltage.
  • Figure 5 shows the time course of current and voltage in the coil according to the circuit of Figure 4.
  • FIG. 6 shows a modification of the circuit topology of FIG. 4 as also used in newer devices (R. Siebner, U.
  • the charging circuit 210 charges the capacitor 220 to a positive voltage of several thousand volts
  • the thyristor 610 serves as a first switch which, when ignited, connects the capacitor 220 to the magnetic coil 260
  • the thyristor 610 reaches a zero crossing of the current for the first time after a quarter-wave sine wave If at this time no control signal is applied to the thyristors, the resonant circuit stops: the capacitor is negatively charged at this time
  • the energy stored in the capacitor almost equals the energy at the start time of the pulse and is reduced only by the corresponding losses of the circuit.
  • the second thyristor 620 can be ignited and thus a pulse with inv Ersem generate voltage waveform with respect to the first pulse.
  • the time duration between two such pulses can be chosen to be almost as short as desired, since the recovery of the thyristors does not have to be taken care of by
  • Figure 7 shows the time course of current and voltage in the coil according to the circuit of Figure 6.
  • the second thyristor 620 can also be ignited directly upon reaching the first current zero point, so that a full sinusoidal oscillation, similar to that in FIG. 5, is produced. In any case, however, the field energy of the coil is also returned to a large extent back into the capacitor in this circuit.
  • biphasic full-wave stimulation duration of the current pulse, a full sinus period
  • biphasic half-wave stimulation A disadvantage of the biphasic half-wave stimulation, however, is that after the pulse, the voltage direction in the capacitor is inverted compared to the state before the pulse output, whereby the corresponding charging circuit is complex. Furthermore, in the case of biphasic half-wave stimulation, the direction of the magnetic field also changes, so that successive pulses easily produce different effects in the tissue.
  • the energy recovery according to the circuits of Figure 4 and Figure 6 allows a reduction in the lost energy at each pulse and thus the Stromebenveriuste in coil and power electronics. This also allows the construction of repetitive inductive stimulation devices which can deliver up to 100 pulses per second. However, especially for this repetitive operation of the energy consumption and the coil heating is still significant. In particular, the spool heating is due to the very high required coil currents in the kiloampere range.
  • the three wave types mentioned above, the damped monophasic pulses, the biphasic half-wave pulses and the biphasic full-wave pulses are still the only pulse shapes used in commercial magnetic induction stimulators. All of these waveforms are ultimately based on the principle of the resonant resonant circuit, in which the coil represents the inductance.
  • the previously used devices also have the great disadvantage that the pulse duration depends on the inductance of the coil.
  • small coils for example, often have a reduced inductance as large coils due to their design; Therefore, in previous systems, the pulse duration could not be kept constant in an optimal range when using different coils.
  • a further disadvantage is that the time course of the stimulus pulse is not adapted flexibly to specific nerve cell or axon types or to other requirements can be.
  • existing stimulation devices can neither selectively address certain cell types, nor allow conclusions about cell type or disease via different applied pulse shapes.
  • a modular pulse source consisting of a main module and at least one, preferably a plurality of additional modules, all of which are interconnected in series in the sense of two-pole.
  • the modules each have an energy storage device, preferably formed by a capacitor.
  • the memory device of the main module is initially charged by a charging circuit.
  • a stimulation coil is connected, which generates a magnetic field due to a voltage pulse output by the module chain, which in turn causes an induced electrical pulse or a corresponding electric field.
  • the modules are preferably designed as two-quadrant modules or four-quadrant modules.
  • the switching devices of the modules are controlled by a controller device.
  • the modules in addition to an active operation in which the voltage of the corresponding memory device contributes to the voltage path of the series connection, the modules have a bypass operation in which the module is electrically bridged and does not contribute to the voltage path and preferably an inverted operation in which the Voltage contribution inverted acts on the voltage path.
  • the controller device preferably controls the voltage contributions acting in the active state in such a way that they differ from one another according to powers of two. This makes it possible with a relatively small number of modules to generate a large number of voltage levels, which then act on the coupled stimulation coil and thus effect over time the desired voltage curve.
  • the invention is based on the finding that with an improved adaptation of the time course of the fields and currents induced in the tissue to the dynamic ones Charge transport phenomena of the nerve or muscle fibers, the required field strength and field energy for inductive irritation of these fibers can be reduced.
  • the invention is further based on the finding that a finely stepped voltage waveform of a pulse at the ends of the series circuit is generated by a series connection of a plurality of two-pole modules, each containing one or more energy storage elements (such as a capacitor) by appropriate control of the configurations of the modules can be. Accordingly, a stimulation coil for the inductive nerve stimulation can be connected to the ends of the series circuit so as to be able to generate pulses with freely configurable course of the induced field strength.
  • the two-pole modules can preferably be designed as four-quadrant modules.
  • each module can switch the voltage of the energy storage element regardless of the current direction positive or negative to its two terminals.
  • these modules can still take a bypass state, in which the module connects its two terminals electrically directly to each other, the energy storage neither emits charge nor absorbs.
  • the series circuit also contains at least one main module, which likewise contains at least one energy storage element in each case.
  • This main module can also be designed as a four-quadrant module or as a two-quadrant module. In the latter case, the module can only switch the states Bypass or positive voltage at the terminals.
  • the main module contains an energy storage element which can preferably store at least the energy for the pulse to be delivered.
  • this main module is supplied by a charging circuit in order to load the energy thus required in the energy storage element.
  • the storage capacities of the energy storage elements of the other four-quadrant modules can be substantially smaller since these energy storage elements can be selectively discharged or charged during the pulse delivery via the current of the entire series connection.
  • the energy storage elements of the other four quadrant modules can also be precharged by a charging circuit prior to the delivery of the pulse. During the pulse delivery itself, however, no significant charge of the main module or the other four-quadrant modules takes place.
  • the voltages of the energy storage elements of the individual modules have different values, so that a series connection of individual modules via corresponding activation, deactivation and polarity reversal of the energy storage elements allows a very finely graded adaptation of the desired voltage curve during the pulse delivery.
  • the gradation of the individual voltages of the energy storage elements of the modules takes place after powers of 2, but other gradations are possible.
  • the energy storage element of the supplied main module represents the highest voltage level. According to the current through the series connection of modules, the energy storage elements of each module absorb charge during a pulse according to their currently switched state, release charge or receive their current state of charge (bypass state).
  • each voltage level makes it possible for each voltage level to be output always to have at least two module configurations, so that the energy storage elements of the respective modules-with the exception of the energy storage element of the main module-can be selectively charged or discharged.
  • a pulse source can be constructed from a series connection of individual modules.
  • the energy storage element of the main module is charged to the target voltage and the energy storage elements of the further four quadrant modules are preferably also charged to their nominal voltages, a desired voltage profile can be generated in fine stages by a chronological sequence of module configurations.
  • each individual module of the series connection is connected, reversed or switched off accordingly. Since change during the delivery of a pulse by the associated coil current, the charge states (and thus the voltages) of the energy storage elements, the configuration of the modules is constantly changed during the pulse in a short sequence, so that recharged module capacitors with too low voltage again and module capacitors are discharged with too high again.
  • Fig. 1 is a pulse source, the coupled via a cable coil and to be stimulated
  • Tissue structure human upper arm shows
  • Fig. 2 shows the basic structure of a monophasic power circuit
  • Fig. 3 shows the voltage and current waveform in the coil of a monophasic
  • Fig. 5 shows the voltage and current waveform of a full-wave stimulator in the coil during a pulse
  • Fig. 6 shows the basic structure of a power circuit for generating sinusoidal half-waves
  • Fig. 7 shows the voltage and current waveform of a half-wave stimulator in the coil during a pulse
  • Fig. 9 shows the possible structure of a four-quadrant module and a
  • Two-quadrant module shows how it can be used in the present invention
  • Fig. 10 a, b shows the basic structure of a pulse source, according to preferred
  • Embodiments of the invention each consisting of a module to be loaded and a chain of four-quadrant modules;
  • Fig. 11 shows the approximation of a desired time course of the voltage of
  • Stimulation pulse by correspondingly fine stages shows how they can be produced according to the invention
  • FIG. 12 shows a pulse source circuit according to the invention, consisting of 4 modules in three ways of representation
  • Fig. 13 possible voltages activated modules and the associated
  • Fig. 14 pulse source circuit with a total of two modules for generating
  • Fig. 15 pulse source circuit with a total of three modules for generating
  • the invention is based on the recognition that certain technical-physical variables which are required for the irritation of nerve and muscle tissue can be significantly reduced in inductive stimulation, when the time course of the induced in the body electric field and the currents caused by it is adapted to the dynamic behavior of the ion transport processes in the nerve cell membrane.
  • These quantities may be, for example, the required field energy, the coil energy dissipation, the required coil current, the required coil voltage, the maximum coil voltage or coil current slope or the coil acoustic artifact. Therefore, it is advantageous if the corresponding inductive stimulation devices can provide different temporal forms of current and voltage during the pulse delivery in order to be able to fulfill the conditions for different optimization criteria.
  • FIG. 8 shows by way of example a very favorable temporal course of the current for the excitation of a nerve cell, which makes it possible to trigger an action potential in axons with a low amplitude or stimulation energy.
  • the first negative-pulse oscillation with small amplitude which is visible in FIG. 8, can significantly reduce the amplitude of the required current required for stimulation by stimulating dynamic processes at the membrane level.
  • the required stimulation energy can be reduced.
  • the corresponding pulse source can be significantly reduced and produced at a lower cost.
  • Another advantage is that the coil losses can be significantly reduced, so that series of pulses can be delivered in a short time (so-called repetitive stimulation) over significantly longer periods.
  • knowledge about the necessary temporal progression of the field may be based on mathematical modeling of nerve cells as first established by Hodgkin and Huxley (AL Hodgkin, AF Huxley: A Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve Journal of Physiology 117, 1952, pp. 500-544).
  • a Hodgkin, AF Huxley A Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve Journal of Physiology 117, 1952, pp. 500-544.
  • Such a model is based on a set of nonlinear differential equations and simulates the electrical behavior of nerve cells, in particular the behavior of short membrane sections of axons. With this model, for example, the reaction of an axon to externally applied electrical currents can be traced.
  • the required stimulus currents at different time courses of the pulses which are required to trigger an action potential in the nerve cell, can hereby be determined mathematically.
  • a Pulse-width modulated voltage source as it is commonly used as a power converter in power engineering, is by no means suitable. This is because a pulse-width-modulated control of the coil in the body tissue would lead to an electric field course with almost identical (and also pulse-width modulated) course.
  • due to the high field strength peaks, such a course would have a completely different effect than a continuous or finely graded time course.
  • the invention is based on the finding that such a high-power pulse source can be constructed with simultaneous low losses by a series connection of controlled two-poles, wherein the two-pole each contain electrical energy storage elements, such as capacitors and the voltages of these energy storage elements in a certain way and be tuned.
  • the bipoles are designed as four-quadrant modules and can connect the respective energy storage elements either directly or inverted with their two terminals.
  • the four-quadrant modules can also adopt a so-called bypass state, in which a direct electrical current pf ad is connected between the two connections, but at the same time the energy storage element is neither charged nor discharged.
  • each four-quadrant module of such a series circuit provides a positive or negative voltage component corresponding to the voltage of its energy storage element, or it only turns on the corresponding current path between its terminals and provides no contribution to the overall voltage.
  • this pulse source can consist of one (or several series-connected) supplied main module, which in turn lies in series with at least one of the four-quadrant modules mentioned.
  • the energy storage element of the main module is in each case charged by a voltage source.
  • the energy storage element of the main module stores preferably the electrical energy for the generation of the pulse (for example, in the stimulation coil).
  • the energy storage elements of the four-quadrant modules may have a significantly low energy content, since they can be loaded and unloaded via the series connection of all modules during the pulse delivery.
  • the energy storage elements of the four-quadrant modules can be charged before the delivery of the pulse from an appropriate power supply.
  • Both the main module and the four-quadrant modules represent electrical two-pole, which are connected in series according to one aspect of the invention.
  • the two Ends of this series circuit thus form the output of the pulse source and are connected to the stimulation coil accordingly.
  • Such a circuit is thus able to deliver an almost arbitrary, finely graded time course of a voltage.
  • Typical stimulation pulses for the stimulation of human axons have a pulse duration of 50 - 300 ⁇ . With repetitive stimulation, pulses are delivered at a repetition rate of 30 - 100 Hz. Therefore, a recharging of the energy storage element of the main module in the pauses between two pulses with comparatively low power is possible.
  • the series-connected four-quadrant modules can be constructed like the modules 930, 940 shown in FIG. They are referred to as four-quadrant modules because both the current and the voltage at the two terminals 910, 911 can be arbitrarily positive or negative.
  • transistors 901 to 904 other electrically switching components can be used.
  • Each two of the series-connected transistors 901 and 902 or 903 and 904 can also be considered as a so-called half-bridge.
  • a diode 905 to 908 can be connected in parallel with these transistors, which can also be the integrated body diode of the respective transistors.
  • any type of controllable switch can be used for the switching elements.
  • the full bridge 940 can also be represented by four switches.
  • the transistors or switches may electrically connect the output terminals 910 and 911 to the capacitor 909. In particular, these individual modules can be switched via their switches in the following four states:
  • o Bypass state ie no energy input or output by the single module
  • free flow of current in any direction achievable via the simultaneous switching of the transistor switches 901 and 903 or the transistor switches 902 and 904;
  • the main module of the pulse source can either also be constructed like a four-quadrant module, wherein it additionally requires an electrical energy supply for charging the capacitor. Furthermore, several such main modules can be connected in series with their respective energy storage elements. Alternatively, however, the main module can also be embodied as a two-quadrant module, so that-with any current direction-it can deliver only positive voltages.
  • FIG. 9 shows such a module 950, which consists of two switches, 923, 924 and a capacitor 929 as an energy storage element.
  • the voltage is delivered via terminals 920, 921.
  • the range of voltage that the pulse source can deliver during the pulse history is more limited than when using a four quadrant module.
  • All of the switching elements of the modules can be designed, for example, as transistors (for example, MOSFET or else IGBT) or other semiconductor switches and improved by parallelization in the current carrying capacity.
  • FIG. 10a shows the circuit of a possible embodiment of the pulse source.
  • a charging circuit 1010 is in this case directly connected to the main module 1020.
  • n four-quadrant modules 1030, 1040, 1050, where n can be any integer greater than or equal to 1.
  • the voltages of the energy storage elements can preferably be graded according to powers of two. The more four-quadrant modules are used for the pulse source (ie, the larger n is), the more voltage levels can be set.
  • the stimulation coil 1005 is directly connected to the two output terminals 1060, 1070 of the pulse source.
  • the powered main module includes an energy storage element whose capacity is preferably large enough to deliver the required energy of the pulse. This energy storage element is charged by a charging circuit 1010 before the pulse output.
  • the charging power compared to the electrical power of the pulse may be small, so that the charging of this energy storage element may take much longer than the pulse itself.
  • the main module supplied can - as shown in Figure 10, also be a four-quadrant module.
  • a two-quadrant module 950 according to FIG. 9 can also be used here.
  • the energy storage elements of the n four-quadrant modules can also be precharged by a charging circuit before the pulse is delivered. This process requires comparatively very little energy, since the capacitances of the n four-quadrant modules are preferably much smaller than the capacity of the main module.
  • circuit topologies may be used instead of the illustrated embodiments for the main module, the essential feature of which is to connect an energy store either directly to a subsequent chain of four-quadrant modules 1030, 1040, 1050 or a bypass connection of the chain of four-quadrant Modules directly to a 1060 output terminal.
  • the charging circuit can be connected via its terminals 1080, for example, directly to the power grid.
  • the energy storage elements of the four-quadrant modules can be recharged by corresponding direct or inverse switching into the current pf ad.
  • the nerve stimulation stimulation coil 1005 is connected to the two output terminals 1060, 1070 of the pulse source.
  • a desired instantaneous value of the voltage can be set at the output terminals of the pulse source. Due to a fast time sequence of such set instantaneous values, the pulse source can therefore represent a desired time profile of the output voltage in fine steps.
  • the voltage of the energy storage element of the supplied main module is higher than the voltages of the energy storage elements of the four-quadrant modules; Furthermore, the voltages of the energy storage elements of all modules are graded among each other, for example in the form of powers of two, as shown in Figure 10, wherein the main module represents the highest voltage level.
  • the energy storage elements can - except for the energy storage element of the main module - are respectively charged or discharged by appropriate Umpolvortician during the pulse, so that their respective voltage can be controlled within small limits. These polarity reversal processes can be triggered by the respective switching states.
  • the current which in each case charges or discharges the energy storage elements, corresponds to the current flowing through the entire series connection of modules and the stimulation coil. This current can - according to the inductance of the coil - change its polarity during the delivery of a pulse.
  • the voltages of the individual energy storage elements of the four-quadrant modules are preferably also adapted to the changed voltage of the energy storage element of the main module, so as to maintain the desired gradation of the individual voltages.
  • FIG. 10b shows a further embodiment of the pulse source, in which the energy storage elements of all modules are connected via corresponding voltage sources 1012, 1014, 1016, 1018 (shown here by way of example as potential-separated DC-DC converters) before Delivery of the pulse will be charged.
  • the interconnection of the modules and the power circuit are identical to that of FIG. 10a.
  • the individual switches of the modules are controlled via a corresponding controller or controller device.
  • This control the currentenslust. Charge states of the energy storage elements of the modules detect a measurement.
  • the control can also use a simulation of the pulse progression to predict the expected charge states of the energy storage elements during the pulse delivery and thus indirectly detect them. As a result, the voltages of the energy storage elements can be determined indirectly and thus the required switching states of the modules can be determined during the pulse.
  • FIG. 11 shows, by way of example, the finely graduated voltage curve of a stimulation pulse, as it could be delivered from a pulse source according to the invention to a stimulation coil for inductive nerve stimulation.
  • the illustrated voltage curve in the present example has only positive voltage values.
  • the supplied main module of the pulse source can also generate only positive voltages.
  • the supplied main module is designed as a two-quadrant module.
  • the voltage curve shown is represented by 32 stages. This requires a main module and 7 four-quadrant modules.
  • the pulse source can also be modified to produce continuous output voltages instead of a stepped voltage waveform.
  • the voltage swing of such an analog module need only be slightly larger than the voltage value of the module with the lowest voltage.
  • Such comparatively small voltages can be relatively easily controlled by power transistors even at high currents.
  • the generation of such a high-energy pulse, as required for the magnetic stimulation would be technically extremely complicated by a pure longitudinal control, since extremely large powers of corresponding transistors would have to be controlled here and a parallel connection of transistors at high powers and voltages hardly possible is.
  • filter circuits may be used to smooth the voltage levels.
  • Figure 12 shows such a system consisting of four modules, which are each designed as a four-quadrant modules.
  • 1210 shows a circuit that can serve as a pulse source, consisting of the four modules 1240, 1250, 1260, 1270, each module symbolically represented by four switches.
  • Module 1240 represents the main module supplied.
  • the modules following below are all executed according to the same scheme as passive four-quadrant modules, each with a storage capacitor, wherein the voltages of the modules 1250, 1260, 1270 halved in each case.
  • the individual voltages are based on the values U 0 .
  • the output voltage delivered to the stimulation coil 1205 may therefore be displayed in steps of one-eighth steps relative to the maximum voltage U 0 .
  • the terminal pair 1280, 1281 represents the terminals of the supply of the energy storage of the main module.
  • the output terminals 1290, 1291 form the output circuit to which the stimulation coil 1205 is connected.
  • a variable stepped positive or negative voltage in the range of at least -U 0 and U 0 can be represented.
  • the module chain 1220 represents the pulse source with transistors and the associated body diodes; the module chain 1230 symbolically shows the same modules with a length corresponding to their respective voltage.
  • the capacitors of the modules are discharged or charged depending on the switched polarity, which would lead to a corresponding increase or decrease of the voltages of the capacitors. Therefore, a module whose capacitor is discharged too far, for example (whose voltage is therefore below the respective setpoint by a small tolerance limit), is switched in a next step in such a way that its capacitor is reversed in the signal path. In this way, the corresponding capacitor is recharged by the load current. Since this inverting not only changes the terminal voltage of this module but also the total voltage of the whole chain, then another combination of modules must be switched according to the desired voltage desired at the output terminals 1290, 1291 to achieve the same voltage value.
  • FIG. 13 shows, by way of example, some possible switching combinations of the four modules of FIG. 12 in the form of voltage arrows.
  • the arrow length is chosen to be proportional to the respective voltage.
  • the black arrows symbolize the voltages of the currently active modules; the gray arrow corresponds to the output voltage of the system.
  • Arrow 1330 of the switching combination 1310 represents the voltage U 0 of the supplied Although the modules 1250, 1260, 1270 are all active, they are inverse polarity. Accordingly, the arrows 1332, 1334 and 1336 are shown in the reverse direction.
  • the supplied main module 1240 is discharged while the modules 1250, 1260, 1270 are being loaded.
  • the resulting voltage that can be tapped on the terminal pair 1290, 1291 is represented by the arrow 1338. Accordingly, the voltage at the output terminals is positive and has a value of 0 U / 8th In the switching combination 1312 of the same output voltage U 0/8 is generated as in the first configuration.
  • the supplied main module is now operated in bypass mode, so that it delivers no voltage.
  • Module 1250 would now be unloaded here while modules 1260 and 1270 continue to be loaded. Accordingly, switch combinations exist in which the modules 1260 and 1270 can be discharged.
  • the switching combinations 1314 and 1316 respectively generate voltages of U 0/4 and the switching combinations 1318 and 1320 voltages of 3/8 ⁇ U 0 .
  • By the switching combination 1322 a voltage of U 0/2 can be generated at the output terminals. When reversing all arrow directions corresponding negative voltages can be generated.
  • any voltage from -U 0 to U 0 in stages of U 0 / (2 (n ⁇ 1) ) are displayed, regardless of the current state of charge of the individual energy storage elements.
  • the state of charge is meant that for each module, the respective energy storage is either in a state that it should be charged (current voltage is below the target voltage for this module) or in a state that it should be discharged (current voltage is over or equal to the setpoint voltage for this module).
  • This condition can also be met for other voltage gradations of individual module capacitors.
  • configurations using multiple main modules supplied can also be used.
  • the capacitor of the main module slowly discharges, since this is not (or only slightly) recharged during the pulse delivery. This also changes its voltage U 0 .
  • the capacitor voltages of the other four-quadrant modules should also be changed during the pulse progression, so that the voltage conditions described above continue to exist.
  • Such an adaptation of the capacitor voltages can achieve a corresponding control of the pulse source by targeted charging and discharging of the module capacitors during the pulse delivery - while maintaining the target voltage curve.
  • the frequency with which such module configurations have to be switched over is determined, on the one hand, by the fineness of the permitted tolerance with respect to the modulator capacitor voltages, by the load current and by the capacitance of the capacitors. In particular, smaller switching frequencies can be achieved by large capacitances of the module capacitors. With sufficient capacitances of the module capacitors in relation to the coil current, the module configurations need not be switched during the individual voltage stages of the pulse progression.
  • Example 1 generation of a specific voltage level with 2 modules:
  • the pulse source circuit shown in Figure 14 is initially only consist of two modules, a main module 1410 with 1200V and a four-quadrant module 1420, which is to be operated at a voltage of 600V. Furthermore, the circuit should first deliver to its connected stimulation coil 1450 an instantaneous voltage value of 600 V (ie the voltage of the "smallest stage"), whereby also a certain coil current should flow.
  • the starting configuration of the circuit is chosen so that the 600V module preloaded with 600V.
  • the 1200V module is switched to the bypass state (e.g., only the two right transistors of that module are turned on as shown).
  • the 600V module will deliver the required 600V, but the module capacitor will discharge over time until a lower tolerance threshold is reached. For example, when falling below a voltage of 590 V, the system must then switch.
  • the total capacitance of the series connection of two modules is slightly reduced compared to the first period, since preferably the capacity of the main module is significantly greater than that of the four-quadrant module (simplifying here, it is assumed that the capacitor voltage of the 1200V module does not exist during the short pulse changed). In this case - by the inverted operation - the 600V module is charged to a voltage of 610V. At the same time, the voltage of the main module may decrease slightly, as discussed above.
  • the 600V module is active, only it starts with 610V, so that the third time span is as big as the second one.
  • Example 2 generation of a DC voltage with 3 modules:
  • the pulse source circuit shown in Figure 15 is to consist of three modules, a main module 1510 with 1200V and two four-quadrant modules 1520, 1530, a module for 600V and a module for 300V. Again, it should be assumed again that the capacity of the main module capacitor is so large that its voltage does not change or only slightly during the short pulse output.
  • the circuit is now intended to deliver to the stimulation coil 1560 an instantaneous voltage value of 300V, whereby again a coil current flows as a load current.
  • the starting configuration of the circuit is again chosen so that the 600V module is pre-charged with 600V and the 300V module with 300V.
  • the 1200V module and the 600V module are switched to the bypass state.
  • the 300V module will deliver the required 300V, with the module capacitor discharging over time until a lower tolerance threshold of, for example, 290V is reached.
  • the 600V module will now be activated and the 300V module will be connected in series.
  • This process runs until - due to the load current of the coil - the total voltage has fallen back to 290V.
  • the voltage of the 300V module has risen again to 300V: the voltage of the 600V module is now at 590V.
  • the voltage difference passed through is twice as high as in the first time span; however, there are now 2 module capacitors (for example, the same capacitance) in series, so that the time span is the same length as the first one.
  • the 300V capacitor is charged to 300V again, a cycle can be used again as in the first span.
  • the 300V module capacitor is correspondingly discharged to 290V.
  • the voltage drops slightly faster than in the second phase due to the two series capacitors (again, assuming that the capacity of the main module is significantly greater than that of the two four-quadrant modules); however, the voltage swing is slightly larger, as the voltage now drops from 320V to 290V.
  • the capacitor voltage of the 600V module according to the example is 605V and that of the 3V module is 305V.
  • the 300V module can be activated alone; the voltage drops from 305V to 290V.
  • the step function shown in FIG. 11 can be regarded as a sequence of DC voltage values to be outputted for a short time.
  • a voltage level may have, so to speak, a substructure, if several charging and discharging cycles of modules are required during the period in which a voltage level is to be maintained.
  • the proposed pulse source allows a nearly free choice of pulse shape for the irritation of nerve and muscle cells.
  • pulses can be generated which are optimized with respect to a parameter, such as the energy requirement, the maximum coil voltage or the resulting clicking noise of the coil.
  • a parameter such as the energy requirement, the maximum coil voltage or the resulting clicking noise of the coil.
  • the devices to be optimized in terms of their design and application (for example, small, easily transportable pulse sources or coils that can apply long stimulus series because of the reduced losses).
  • the free choice of the pulse shape makes it possible, depending on the pulse shape, to preferentially stimulate particular nerve cell populations, while other cell types can be correspondingly better masked out by undesired irritation. On In this way, a desired destination can be excited even better than was possible with previous devices.
  • the presented pulse source can be used for all areas of magnetic neurostimulation that have been used previously by devices according to the prior art.
  • the pulse sources according to the present invention combine in terms of their functionality all previous stimulation devices in a single circuit.
  • the pulse source according to the invention can be used, for example, in the fields of neurorehabilitation (for example, muscle training, re-learning of movement patterns), neurosurgery (preoperative cortical mapping), for the treatment of tinnitus, accident surgery, as well as in numerous fields of neurological research.
  • neurorehabilitation for example, muscle training, re-learning of movement patterns
  • neurosurgery preoperative cortical mapping
  • new research, diagnostic and therapy applications can be opened up by the new pulse source, which are based especially on the high flexibility of the pulse shape.
  • pain-free, costly nerve examinations and nerve analyzes can be carried out, which - based on a large number of applied different individual pulses and their stimulus responses - classify different cell types or - based on a disease-related change of the electrical cell parameters - can diagnose corresponding neurological diseases.
  • circuit can also be used for other applications in which electrical pulses of high power are required with freely selectable pulse shape.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine modular aufgebaute Pulsquelle, bestehend aus einem Hauptmodul und mindestens einem zusätzlichen Modul, die seriell im Sinne von Zweipolen miteinander verschaltet sind. Die Module weisen jeweils eine Energiespeichereinrichtung auf. Die Speichereinrichtung des Hauptmoduls wird anfänglich durch eine Ladeschaltung aufgeladen. An den beiden Endpunkten der Serienschaltung ist eine Stimulationsspule verschaltet, die aufgrund eines von der Modul kette ausgegebenen Spannungspulses ein Magnetfeld erzeugt, welches wiederum einen induzierten elektrischen Puls bzw. ein entsprechendes elektrisches Feld bewirkt.

Description

PulsqueSle und Verfahren für die magnetisch induktive Nervenreizung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur Reizung von Nerven- und Muskelzellen im Körpergewebe nach dem Prinzip der induktiven Magnetstimulation durch kurze starke Magnetfeldpulse die über eine Spule und eine entsprechende Pulsquelle erzeugt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung elektrische Leistungskreise für die Pulsquelle zur Erzeugung frei wählbarer Zeitverläufe von kurzen starken Strompulsen durch die Spule um die pulsförmigen Magnetfelder zur Reizung von Nerven- oder Muskelzellen zu erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Allgemein können durch von außen einwirkende elektrische Felder im Körpergewebe bestimmte Zellen gereizt werden. Speziell Nerven- oder Muskelzellen können über die durch ein äußeres Feld angeregte Depolarisation eines Axons bzw. eines Faserbündels und der dadurch erzeugten Auslösung von Aktionspotentialen und der nachfolgenden Reizweiterleitung erregt werden. Dies geschieht dadurch, dass die elektrischen Felder im Gewebe elektrische Ströme verursachen, welche wiederum in diesen Zellen die Aktionspotentiale auslösen. Diese Art der Auslösung von Aktionspotentialen durch ein direkt am Axon einwirkendes elektrisches Feld ist ein nicht-physiologischer Prozess: In der Natur werden Aktionspotentiale im Zellkörper der Nervenzelle selbst erzeugt, nachdem über die Dendriten einlaufende Signale entsprechend verknüpft wurden.
Das von außen einwirkende elektrische Feld muss zur Auslösung eines solchen Aktionspotentials hinsichtlich des zeitlichen Verlaufes gewisse Bedingungen erfüllen. Weiterhin muss auch eine gewisse Mindeststärke erreicht werden. Insbesondere reagieren unterschiedliche Zelltypen bezüglich der Auslösung eines Aktionspotentials auch unterschiedlich auf die Zeitverläufe und Stärken der von außen einwirkenden Felder. Beispielsweise benötigen sensorische Nervenfasern, die auch für die Weiterleitung von Schmerzsignalen zuständig sind, wegen ihres geringeren Durchmessers eine höhere elektrische Feldstärke zur Depolarisation (d.h. zur Auslösung eines Aktionspotentials) im Vergleich zu motorischen Nervenfasern. Somit ist es möglich, bei moderaten Reizstärken nur die motorischen, nicht aber die sensorischen Fasern anzuregen und somit nahezu schmerzfrei Nerven zu reizen.
Insbesondere kann für diese Art der Reizung auch das Prinzip der magnetischen Induktion eingesetzt werden. Dabei erzeugt ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld ein induziertes elektrisches Feld. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld kann durch eine Spule erzeugt werden, welche von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflössen wird. Diese Spule, liegt beispielsweise auf der Haut über dem zu reizenden Nervengewebe auf. so dass das erzeugte Magnetfeld das Gewebe durchdringen kann und nach dem Induktionsprinzip die für die Reizung erforderlichen Ströme im Gewebe erzeugt. Die Reizung durch diese sogenannte induktive Magnetstimulation kann dabei berührungslos erfolgen, da das Magnetfeld Körpergewebe nahezu ungehindert durchdringen kann. Die zeitabhängigen Magnetfelder werden über kurze Strompulse einer Dauer von üblicherweise 50 - 400 Mikrosekunden erzeugt. Das Prinzip der induktiven Reizung basiert grundsätzlich auf einer zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes, da nur so elektrische Felder von der Spule im Gewebe induziert werden können. Somit können auch nur zeitlich veränderliche elektrische Felder im Gewebe entstehen. Daher können hier beispielsweise keine effizienten einfachen monophasischen Rechteckpulse mit Gleichanteil erzeugt werden, wie sie bei der Elektrostimulation eingesetzt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der induktiven Magnetstimulation liegt in der Berührungslosigkeit, da das Magnetfeld der Spule Körpergewebe auch in einem gewissen Abstand zur Spule erreicht. Daher können Nervenzellen auch steril gereizt werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass das Verfahren im Gegensatz zur elektrischen Stimulation über Elektroden nahezu völlig schmerzfrei ist, da anders als bei der Elektrostimulation keine hohen Stromdichten an Einspeiseorten von Elektroden entstehen können, welche bei der elektrischen Stimulation die entsprechenden Hautsensoren reizen und eine Schmerzempfindung verursachen. Aus diesen Gründen eignet sich das Verfahren auch besonders gut zur Reizung tief liegender Gewebestrukturen (z.B. die Gehirnrinde durch den Schädelknochen hindurch) und zur schmerzfreien Muskelstimulation z.B. im Bereich der Rehabilitation.
Infolge dieser Vorteile konnte sich die induktive Magnetstimulation gegenüber der Elektrostimulation bereits in einigen Bereichen durchsetzen oder sogar neue Anwendungsgebiete erschließen. Sehr verbreitet ist das Verfahren zur Anwendung auf das zentrale sowie das periphere Nervensystem.
Momentan handelt es sich um das einzige nicht-invasive Verfahren, mit dem ohne Schmerzen der Person beispielsweise bestimmte Gehirn bereiche gezielt in der Weise angesprochen werden können, (d.h. Auslösen von Nervenaktionspotentialen oder unterschwellige Beeinflussung von Nervenzellen in diesen Bereichen), dass Reaktionen der Nervenzellen vom Körper genauso oder zumindest sehr ähnlich wie natürlich entstandene Nervenimpulse verarbeitet werden.
Die induktive Magnetstimulation wird in der Grundlagenforschung als Instrument zur gemeinsamen Untersuchung zusammen mit der funktionellen Magnetresonanztomographie eingesetzt. Über Pulse ist eine gezielte Anregung (und Hemmung) bestimmter Hirnareale erzeugbar. deren Auswirkungen wiederum mit der Magnetresonanztomographie untersucht werden können.
Ein Anwendungsgebiet besteht im sogenannten Corticalen Mapping, bei dem über sehr zielgenaue induktive Reize an der Hirnrind (durch das intakte Schädeldach) funktionale Zuordnungen des Motorcortex durchgeführt werden. Auf diese Weise kann präoperativ die Planung für Hirntumor-Operationen entscheidend verbessert werden.
Weiterhin bestehen Anwendungen der induktiven Magnetstimulation hinsichtlich peripherer motorischer Nerven. Hierbei ist besonders die repetitive Dauerstimulation mit schnellen Pulsfolgen (ca. 10 bis 50 Pulse pro Sekunde) von großer Bedeutung, da hierdurch kontinuierliche Muskelkontraktionen erzeugt werden können, deren Stärke durch die Intensität der Stimulationpulse steuerbar ist. Darüber sind Anwendungen bei im Hochleistungssport eingesetzten Geräten bekannt.
Figur 1 zeigt eine typische Anordnung des bisherigen Einsatzes der induktiven Magnetstimulation. Die Pulsquelle 110 erzeugt einen kurzen starken Strompuls und leitet diesen an die Spule 120. Die Spule 120 wird nahe des zu reizenden Nervengewebes des Körpers positioniert, so dass das erzeugte Magnetfeld diese Gewebestruktur durchdringen kann. Das von der Spule erzeugte magnetische Feld induziert im Körpergewebe, hier am Oberarm 130, ein elektrisches Feld, welches über die entstehenden Ströme Nerven- und Muskelgewebe reizt.
Allerdings hat bei der induktiven Magnetstimulation dieser Umweg über das Magnetfeld der Spule auch wichtige technische Probleme zur Folge:
Die erforderlichen magnetischen Flussdichten liegen im Bereich von ca. 1 Tesla, so dass während des sehr kurzen magnetischen Stimulationspulses eine extrem hohe elektrische Leistung in die Spule hineingeführt werden muss, um die entsprechenden Feldenergien zu erzeugen. Die erforderlichen elektrischen Leistungen können Werte von mehreren Megawatt und die Ströme mehrere Kiloampere bei Spannungen von einigen Kilovolt erreichen. Daher sind die Pulsquellen technisch aufwändig; weiterhin überhitzt die Spule durch die Stromwärmeverluste sehr schnell, wobei hier zusätzlich beachtet werden muss, dass die Spule als Teil, welches den Körper direkt berühren kann, keinesfalls zu hohe Temperaturen erreichen darf.
Um dennoch mit vertretbarem technischen Aufwand entsprechende Ströme und Energien für diese Art der Reizung zur Verfügung stellen zu können, arbeiten Magnetstimulationsgeräte derzeit nach dem Prinzip des resonanten Schwingkreises, bei dem ein Kondensator seine Energie in die Spule entlädt. Das Prinzip zur Erzeugung leistungsstarker Pulse für die Spule beruht somit auf einer kontinuierlichen Ladung des Schwingkreis-Kondensators über eine Ladevorrichtung bei relativ geringer Leistung und der schnellen Abgabe des Energieinhalts dieses Kondensators an die Spule zur Erzeugung des kurzen starken Magnetfeld-Pulses.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines induktiven Stimulationsgerätes, wie er in den ersten Geräten insbesondere zur kontaktlosen Reizung von kortikalen Nervenstrukturen durch den intakten Schädelknochen verwendet wurde (R. Siebner, U. Ziemann, „Das TMS-Buch", Springer Verlag, ISBN-13 978-3-540-71904-5). Die Schaltung nutzt hierzu einen leistungsstarken gedämpften elektrischen Schwingkreis (Resonator) bestehend aus einem Kondensator 220, einem Dämpfungswiderstand 230, einer Diode 240, einem Thyristor 250 und der Spule 260. Die Ladeschaltung 210 lädt den Kondensator 220 auf eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Energieinhalt des Kondensators beträgt dabei einige 100 Joule. Der Thyristor 250 dient als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischen Spule 260 verbindet und so den Stromfluss in der Spule beginnen lässt.
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Spule entsprechend der Schaltung von Figur 2. Nach dem Zünden des Thyristors entsteht ein zunächst sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Dieses magnetische Feld induziert wiederum infolge seiner zeitlichen Änderung Ringströme im Körpergewebe. Bei Erreichen des Strom-Scheitelwertes hat die phasenversetzte Spulenspannung genau ihren ersten Nulldurchgang. Da ab diesem Zeitpunkt die Spulenspannung ihr Vorzeichen umkehrt, wird nun die Dämpfungsschaltung, bestehend aus dem Widerstand 230 und der Diode 240 aktiv, welche ein Weiterschwingen des Schwingkreises unterbindet. Daher sinkt der Spulenstrom nach Erreichen seines Scheitelwertes langsam wieder auf Null zurück. Die typische Zeitdauer zwischen der Thyristorzündung und dem Erreichen des Stromscheitelwertes liegt bei ca. 50 bis 150 Mikrosekunden. Durch diese Dämpfungsschaltung wird allerdings die gesamte Pulsenergie des Kondensators im Widerstand 230 und in den Spulenleitern der Spule in Wärme umgewandelt.
Diese bei den ersten Geräten eingesetzte Dämpfungsschaltung, welche die Schwingung ab der ersten abfallenden Stromflanke (nach einem Viertel der Periodendauer) abdämpft, charakterisiert die sogenannte monophasische Stimulation, da der Spulenstrom während des Pulses nur in eine Richtung fließt, also sein Vorzeichen nicht wechselt. Da bei diese Geräten die Pulsenergie des magnetischen Feldes bei jedem Puls komplett verloren geht, weisen diese Geräte einen besonders hohen Energieverbrauch auf.
Diese ersten Geräte waren daher nicht für die sogenannte repetitive Stimulation geeignet, bei der 10 bis 50 Pulse pro Sekunde erforderlich sind. Weiterhin erschweren aber auch die Größe der Geräte und ihr hoher Preis das Erschließen weiterer Einsatzgebiete. Ein wichtiges Entwicklungsziel bei den Geräten zur induktiven Magnetstimulation besteht daher in der Reduktion des Energieverbrauches und der Erwärmung der Spule (R. Siebner, U. Ziemann, „Das TMS-Buch", Springer Verlag, ISBN-13 978-3-540-71904-5). Durch experimentelle Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass auch ein ungedämpfter sinusförmiger Zeitverlauf des Spulenstromes und damit auch des magnetischen Feldes bei gleicher Amplitude etwa eine gleichwertige Wirkung hinsichtlich der Nervenreizung zeigt, wie der Stromverlauf von Figur 3.
Figur 4 zeigt eine weitere bekannte prinzipielle Schaltungstopologie für Stimulationsgeräte, wie sie in neueren Gerätegenerationen eingesetzt wird. Dieses Gerät erzeugt sinusförmige Strom- bzw. Feldpulse. Auch hier lädt die Ladeschaltung 210 den Kondensator 220 auf eine Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Thyristor 410 dient wieder als Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischen Spule 260 verbindet. Im Gegensatz zur monophasischen Stimulatorschaltung von Figur 2 wird bei dieser Schaltung jedoch keine Dämpfungsschaltung eingesetzt, so dass auch nach dem ersten Nulldurchgang der Spulenspannung der Schwingkreis weiter schwingt.
Figur 5 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Spule entsprechend der Schaltung von Figur 4. Nach dem Zünden des Thyristors entsteht ein sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Nach einer halben Sinusschwingung, zum Zeitpunkt T/2 wechselt der Strom im Schwingkreis seine Polarität. Zu diesem Zeitpunkt übernimmt die Diode 420 die Leitung des Spulenstromes bis eine volle Sinusschwingung zum Zeitpunkt T erreicht wird. Eine erneute Umkehr der Stromrichtung und damit ein Weiterschwingen wird unterbunden, da der Thyristor 410 zu diesem Zeitpunkt T nicht mehr leitet. Wegen der Umkehr der Stromrichtung während eines Pulses zum Zeitpunkt T/2 wird diese Art der Stimulation allgemein als biphasische Magnetstimulation bezeichnet.
Durch das Schaltungsprinzip gemäß Figur 4 kann erreicht werden, dass ein großer Teil der für die Spule 260 aufgewendeten Feldenergie wieder in den Kondensator 220 zurückgeführt werden kann und so die Verluste sowohl in der Pulsquelle als auch in der Spule 260 reduziert werden. Die Verluste der Schaltung nach Figur 4 ergeben sich hauptsächlich über die ohmschen Widerstände der beteiligten Schaltungskomponenten und ihrer Verbindungskabel.
Da die für eine erfolgreiche Reizung erforderliche Stromamplitude jedoch gegenüber den Geräten mit monophasischer Pulsform etwa unverändert ist, bleiben auch die nötige Spannung und der Energieinhalt des Kondensators 220 nahezu gleich, wie bei monophasischen Geräten. Figur 6 zeigt eine Abwandlung der Schaltungstopologie von Figur 4 da, wie sie ebenfalls in neueren Geräten eingesetzt wird (R. Siebner, U. Ziemann, „Das TMS-Buch", Springer Verlag, ISBN-13 978-3-540-71904-5). Auch hier lädt die Ladeschaltung 210 den Kondensator 220 auf eine positive Spannung von mehreren tausend Volt auf. Der Thyristor 610 dient als ein erster Schalter, der beim Zünden den Kondensator 220 mit der magnetischen Spule 260 verbindet. Der Strom durch die Spule bzw. den Thyristor 610 erreicht erstmalig nach einer viertelten Sinuswelle einen Nulldurchgang des Stromes. Wenn zu diesem Zeitpunkt kein Steuersignal an den Thyristoren anliegt, stoppt damit der Schwingkreis: der Kondensator ist zu diesem Zeitpunkt negativ geladen. Die im Kondensator gespeicherte Energie entspricht dabei fast der Energie zum Startzeitpunkt des Pulses und ist nur um die entsprechenden Verluste der Schaltung reduziert. Nun kann der zweite Thyristor 620 gezündet werden und damit einen Puls mit inversem Spannungsverlauf gegenüber dem ersten Puls erzeugen. Insbesondere kann die Zeitdauer zwischen zweien solcher Pulse fast beliebig kurz gewählt werden, da durch die Verteilung der zwei Pulse auf zwei Thyristoren keine Erholzeiten der Thyristoren beachtet werden müssen.
Figur 7 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung in der Spule entsprechend der Schaltung von Figur 6. Nach dem Zünden des Thyristors 610 entsteht ein sinusförmig ansteigender Stromfluss, der ein entsprechend mit der Zeit zunehmendes Magnetfeld erzeugt. Nach einer halben Sinusschwingung, zum Zeitpunkt T/2, erreicht der Strom im Schwingkreis seine erste Nullstelle. Falls zu diesem Zeitpunkt der zweite Thyristor 620 nicht gezündet wird, ist eine Umkehr der Stromrichtung nicht möglich, so dass ein Weiterschwingen bereits nach einer Halbwelle unterbunden wird. Eine Zündung des Thyristors 620 zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt in der Spule einen weiteren Halbwellenpuls mit umgekehrter Strom- und Magnetfeldrichtung. Alternativ kann aber auch direkt bei Erreichen der ersten Strom-Nullstelle der zweite Thyristor 620 gezündet werden, so dass eine volle Sinusschwingung, ähnlich wie bei Figur 5, entsteht. In jedem Fall wird aber auch bei dieser Schaltung die Feldenergie der Spule zu einem großen Teil wieder in den Kondensator zurückgeführt.
Je nach Wahl des Endzeitpunktes des Pulses unterscheidet man daher bezüglich der Pulsformen dieser induktiven Stimulationsgeräte gemäß Figur 4 und 6 zwischen einer biphasischen Vollwellen-Stimulation (Dauer des Strompulses eine volle Sinusperiode) und einer biphasischen Halbwellen-Stimulation. Nachteilig bei der biphasischen Halbwellen- Stimulation ist allerdings, dass nach dem Puls die Spannungsrichtung im Kondensator gegenüber dem Zustand vor der Pulsabgabe invertiert ist, wodurch die entsprechende Ladeschaltung aufwändiger wird. Weiterhin wechselt bei der biphasischen Halbwellenstimulation auch die Richtung des magnetischen Feldes, so dass aufeinanderfolgende Pulse leicht unterschiedliche Wirkungen im Gewebe erzeugen. Die Energierückgewinnung entsprechend den Schaltungen von Figur 4 und Figur 6 ermöglicht eine Reduktion der bei jedem Puls verlorenen Energie und damit auch der Stromwärmeveriuste in Spule und Leistungselektronik. Dies ermöglicht auch den Bau von repetitiven induktiven Stimulationsgeräten, welche bis zu 100 Pulse pro Sekunde abgeben können. Allerdings ist speziell für diesen repetitiven Betrieb der Energieverbrauch und die Spulenerwärmung immer noch erheblich. Insbesondere die Spuienerwärmung begründet sich durch die sehr hohen notwendigen Spulenströme im Kiloampere-Bereich.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der Energieverluste kann über die Senkung der Stromwärmeverluste der Spule erreicht werden (R. Siebner, U. Ziemann,„Das TMS-Buch", Springer Verlag, ISBN-13 978-3-540-71904-5). Dies geschieht durch Erhöhung des wirksamen Leiterquerschnitts, wobei einerseits ein dickeres Leitermaterial verwendet werden kann und andererseits der Leiter durch Verwendung von Hochfrequenzlitze filamentiert werden kann, so dass die Stromverdrängungseffekte im Leiter reduziert werden. Allerdings ist der elektrische Widerstand der Spule aus Gewichtsgründen nicht beliebig reduzierbar
Hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs des Reizpulses stellen noch immer die drei genannten Wellentypen, die gedämpften monophasischen Pulse, die biphasische Halbwellen-Pulse und die biphasischen Vollwellen-Pulse die einzigen Pulsformen dar, die bei kommerziellen induktiven Magnetstimulationsgeräten eingesetzt werden. Alle diese Wellenformen basieren letztlich auf dem Prinzip des resonanten Schwingkreises, bei dem die Spule die Induktivität darstellt.
Daher haben die bisher eingesetzten Geräte zusätzlich den großen Nachteil, dass die Pulsdauer von der Induktivität der Spule abhängt. Insbesondere weisen beispielsweise kleine Spulen oft konstruktionsbedingt eine verringerte Induktivität als große Spulen auf; daher konnte bei bisherigen Systemen die Pulsdauer bei Einsatz verschiedener Spulen nicht konstant in einem optimalen Bereich gehalten werden.
Zeitweise Versuche mit anderen Pulsformen, wie in Peterchev et al. 2008 mit einer Rechteckform (A. V. Peterchev, R. Jalinous, and S. H. Lisanby: A Transcranial Magnetic Stimulator Inducing Near-Rectangular Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS), IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, no. 1 , 2008) sind entweder energetisch sehr ineffektiv, oder sie führen zu äußerst aufwändigen technischen Aufbauten und sind somit zu kostspielig für eine kommerzielle technische Realisierung.
Bei allen Anwendungen besteht der Nachteil der induktiven Magnetstimulation daher immer noch im hohen Energieverbrauch, der sehr schnellen Überhitzung der Spule und dem hohen Gewicht der Lade- und Pulserzeugungselektronik.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der zeitliche Verlauf des Reizpulses nicht flexibel an bestimmte Nervenzell- oder Axontypen oder an andere Erfordernisse individuell angepasst werden kann. Somit können vorhandene Reizgeräte weder selektiv bestimmte Zelltypen ansprechen, noch über unterschiedliche applizierte Pulsformen Rückschlüsse auf Zelltyp oder -erkrankung zulassen.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung fein gestufter Spannungs- und Stromverläufe zur Erzeugung optimierter elektrischer Pulse bereitzustellen, mit dessen Hilfe die genannten Nachteile vermieden werden, wobei die Pulse über eine Stimulationsspule eine Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen bewirken.
Diese Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäss Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der Figurenbeschreibung
Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird eine modular aufgebaute Pulsquelle vorgeschlagen, bestehend aus einem Hauptmodul und mindestens einem, vorzugsweise mehreren zusätzlichen Modulen, die sämtlich seriell im Sinne von Zweipolen miteinander verschaltet sind. Die Module weisen jeweils eine Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise gebildet durch einen Kondensator auf. Die Speichereinrichtung des Hauptmoduls wird anfänglich durch eine Ladeschaltung aufgeladen. An den beiden Endpunkten der Serienschaltung ist eine Stimulationsspule verschaltet, die aufgrund eines von der Modulkette ausgegebenen Spannungspulses ein Magnetfeld erzeugt, welches wiederum einen induzierten elektrischen Puls bzw. ein entsprechendes elektrisches Feld bewirkt. Die Module sind vorzugsweise als Zweiquadrantenmodule oder Vierquadrantenmodule ausgeführt. Die Schalteinrichtungen der Module werden von einer Controller-Einrichtung gesteuert. Vorzugsweise weisen die Module neben einem aktiven Betrieb, bei dem die Spannung der entsprechenden Speichereinrichtung zum Spannungspfad der Serienschaltung beiträgt, einen Bypass-Betrieb auf, bei dem das Modul elektrisch überbrückt wird und nicht zum Spannungspfad beiträgt sowie vorzugsweise einen invertierten Betrieb auf, bei dem der Spannungsbeitrag invertiert auf den Spannungspfad wirkt. Vorzugsweise steuert die Controller-Einrichtung die im aktiven Zustand wirkenden Spannungsbeiträge derart, dass diese sich gemäß Zweierpotenzen voneinander unterscheiden. Damit ist es möglich mit einer relativ geringen Anzahl von Modulen eine große Anzahl von Spannungsstufen zu erzeugen, die dann auf die gekoppelte Stimulationsspule einwirken und somit über die Zeit den gewünschten Spannungsverlauf bewirken. Die Erfindung basiert einerseits auf der Erkenntnis, dass bei einer verbesserten Anpassung des Zeitverlaufes der im Gewebe induzierten Felder und Ströme an die dynamischen Ladungstransportphänomene der Nerven- oder Muskelfasern die benötigte Feldstärke und Feldenergie zur induktiven Reizung dieser Fasern reduziert werden kann.
Die Erfindung basiert weiterhin auf der Erkenntnis, dass über eine Serienschaltung aus mehreren zweipoligen Modulen, welche jeweils ein oder mehrere Energiespeicherelemente (wie beispielsweise einen Kondensator) enthalten, durch entsprechende Steuerung der Konfigurationen der Module ein fein gestufter Spannungsverlauf eines Pulses an den Enden der Serienschaltung erzeugt werden kann. Entsprechend kann eine Stimulationsspule für die induktive Nervenreizung mit den Enden der Serienschaltung verbunden werden, um so Pulse mit frei konfigurierbarem Verlauf der induzierten Feldstärke erzeugen zu können.
Die zweipoligen Module können vorzugsweise als Vierquadranten-Module ausgeführt sein. Damit kann jedes Modul die Spannung des Energiespeicherelementes unabhängig von der Stromrichtung positiv oder negativ an seine beiden Klemmen schalten. Weiterhin können diese Module noch einen Bypass-Zustand einnehmen, bei dem das Modul seine beiden Klemmen elektrisch direkt miteinander verbindet, wobei der Energiespeicher weder Ladung abgibt noch aufnimmt. Weiterhin enthält die Serienschaltung noch mindestens ein Hauptmodul, welches ebenfalls jeweils mindestens ein Energiespeicherelement enthält. Dieses Hauptmodul kann auch als Vierquadranten-Modul oder als Zweiquadranten-Modul ausgeführt sein. Im letzteren Fall kann das Modul nur die Zustände Bypass oder positive Spannung an den Klemmen schalten. Das Hauptmodul enthält ein Energiespeicherelement, welches vorzugsweise mindestens die Energie für den abzugebenden Puls speichern kann. Weiterhin wird dieses Hauptmodul von einer Ladeschaltung versorgt um die benötigte so Energie in das Energiespeicherelement zu laden. Die Speicherkapazitäten der Energiespeicherelemente der anderen Vierquadranten-Module können wesentlich kleiner sein, da diese Energiespeicherelemente während der Pulsabgabe über den Strom der gesamten Serienschaltung gezielt ent- oder geladen werden können. Allerdings können die Energiespeicherelemente der anderen Vierquadranten-Module ebenfalls von einer Ladeschaltung vor der Abgabe des Pulses vorgeladen werden. Während der Pulsabgabe selbst findet allerdings keine Nennenswerte Ladung des Hauptmoduls oder der anderen Vierquadranten-Module statt.
Die Spannungen der Energiespeicherelemente der einzelnen Module weisen dabei unterschiedliche Werte auf, so dass eine Serienschaltung von Einzelmodulen über entsprechendes Aktivieren, Deaktivieren und Umpolen der Energiespeicherelemente eine sehr fein gestufte Anpassung des gewünschten Spannungsverlaufs währen der Pulsabgabe ermöglicht. Vorzugsweise erfolgt die Abstufung der einzelnen Spannungen der Energiespeicherelemente der Module nach 2er-Potenzen, aber auch andere Abstufungen sind möglich. Das Energiespeicherelement des versorgten Hauptmoduls stellt dabei die höchste Spannungsstufe dar. Entsprechend des Stromes durch die Serienschaltung von Modulen nehmen dabei die Energiespeicherelemente jedes Moduls während eines Pulses entsprechend ihres aktuell geschalteten Zustandes Ladung auf, geben Ladung ab oder erhalten ihren aktuellen Ladezustand (Bypass-Zustand). Die entsprechend gewählte Abstufung der Spannungen der Module ermöglicht es, dass es für jede auszugebende Spannungsstufe immer mindestens zwei Modulkonfigurationen gibt, so dass die Energiespeicheriemente der jeweiligen Module - ausgenommen das Energiespeicherelement des Hauptmoduls - wahlweise ge- oder entladen werden können.
Damit kann eine Pulsquelle aus einer Hintereinanderschaltung von Einzelmodulen aufgebaut werden. Wenn das Energiespeicherelement des Hauptmoduls auf die Sollspannung geladen ist und die Energiespeicherelemente der weiteren Vierquadranten-Module vorzugsweise auch auf deren Sollspannungen geladen sind, kann ein gewünschter Spannungsverlauf in feinen Stufen durch eine zeitliche Abfolge von Modulkonfigurationen erzeugt werden. Für jede Modulkonfiguration wird dabei jedes einzelne Modul der Serienschaltung entsprechend zugeschaltet, umgepolt oder abgeschaltet. Da sich während der Abgabe eines Pulses durch den damit verbundenen Spulenstrom die Ladungszustände (und damit auch die Spannungen) der Energiespeicherelemente verändern, wird während des Pulses in kurzer Folge ständig die Konfiguration der Module verändert, so dass Modul-Kondensatoren mit zu niedriger Spannung wieder nachgeladen und Modul-Kondensatoren mit zu hoher wieder entladen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die voranstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, wobei:
Fig. 1 eine Pulsquelle, die über ein Kabel angekoppelte Spule und die zu reizende
Gewebsstruktur (menschlicher Oberarm) zeigt;
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines monophasischen Leistungskreises zeigt;
Fig. 3 den Spannungs- und Stromverlauf in der Spule eines monophasischen
Stimulators während eines Pulses zeigt;
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Leistungskreises zur Erzeugung von Sinus-
Vollwellen zeigt;
Fig. 5 den Spannungs- und Stromverlauf eines Vollwellen-Stimulators in der Spule während eines Pulses zeigt; Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau eines Leistungskreises zur Erzeugung von Sinus- Halbwellen zeigt;
Fig. 7 den Spannungs- und Stromverlauf eines Halbwellen-Stimulators in der Spule während eines Pulses zeigt;
Fig. 8 beispielhaft einen optimierten Zeitverlauf des erforderlichen Stromes an einer
Zellmembran (und damit auch des Verlaufes der Spulenspannung) während eines Reizpulses, wie er sich als optimiertes Resultat einer Nervenzellmodellierung ergibt;
Fig. 9 den möglichen Aufbau eines Vierquadranten-Moduls und eines
Zweiquadranten-Moduls zeigt, wie er bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann;
Fig. 10 a,b den prinzipiellen Aufbau einer Pulsquelle zeigt, gemäß bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung bestehend jeweils aus einem zu ladenden Modul und einer Kette von Vierquadranten-Modulen;
Fig. 11 die Näherung eines gewünschten Zeitverlaufes der Spannung eines
Stimulationspulses durch entsprechend feine Stufen zeigt, wie sie erfindungsgemäß erzeugt werden können;
Fig. 12 eine erfindungsgemäße Pulsquellenschaltung, bestehend aus 4 Modulen in drei Darstellungsweisen zeigt;
Fig. 13 mögliche Spannungen aktivierter Module und die zugehörigen
Ausgangsspannungen für die Pulsquellenschaltung, bestehend aus 4 Modulen gemäß Figur 12 zeigt;
Fig. 14 Pulsquellen-Schaltung mit insgesamt zwei Modulen zur Erzeugung und
Zeitverlauf einer eingestellten Spannungsstufe.
Fig. 15 Pulsquellen-Schaltung mit insgesamt drei Modulen zur Erzeugung und
Zeitverlauf einer eingestellten Spannungsstufe.
In den Zeichnungen sollen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, Bauteile und Anordnungen bezeichnen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung basiert einerseits auf der Erkenntnis, dass sich bestimmte technischphysikalische Größen, die für die Reizung von Nerven- und Muskelgewebe erforderlich sind bei der induktiven Stimulation deutlich reduzieren lassen, wenn der zeitliche Verlauf des im Körper induzierten elektrischen Feldes und den dadurch verursachten Strömen dem dynamischen Verhalten der lonentransportvorgänge in der Nervenzellmembran angepasst wird. Diese Größen können beispielsweise die benötigte Feldenergie, die Spulenverlustenergie, die erforderliche Spulenstromstärke, die erforderliche Spulenspannung, die maximale Steilheit der Spulenspannung oder des Spulenstromes oder der akustische Artefakt der Spule sein. Daher ist es vorteilhaft, wenn die entsprechenden induktiven Reizgeräte unterschiedliche zeitliche Verlaufsformen von Strom- und Spannung bei der Pulsabgabe zur Verfügung stellen können, um dadurch die Bedingungen für verschiedene Optimierungskriterien erfüllen zu können.
Figur 8 zeigt beispielhaft einen sehr günstigen zeitlichen Verlauf des Stromes für die Erregung einer Nervenzelle, der es ermöglicht mit einer geringen Amplitude oder Reizenergie ein Aktionspotential in Axonen auszulösen. Insbesondere kann die in Figur 8 erkennbare erste dem eigentlichen positiven Stimulationspuls vorgelagerte negative Teil- Schwingung mit kleiner Amplitude durch ihre Anregung dynamischer Prozesse auf Membranebene die für eine Reizung erforderliche Amplitude des benötigten Stromes deutlich senken. Dies bedeutet beispielsweise, dass wenn die zugehörige Leistungselektronik einen zeitlichen Verlauf des Pulses so erzeugt, dass die Spulenspannung und damit auch das im Körper induzierte elektrische Feld einen Verlauf aufweisen, wie er in Figur 8 dargestellt ist, die benötigte Reizenergie reduziert werden kann. Dadurch kann wiederum die entsprechende Pulsquelle deutlich verkleinert und zu geringeren Kosten produziert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Spulenverluste deutlich reduziert werden können, so dass Serien von Pulsen in kurzer Folge (sog. repetitive Stimulation) über deutlich längere Zeiträume abgegeben werden können.
Die Erkenntnis bezüglich der notwendigen zeitlichen Verlaufsformen des Feldes kann beispielsweise auf einer mathematischen Modellierung der Nervenzellen basieren, wie sie erstmalig von Hodgkin und Huxley aufgestellt wurde (A. L. Hodgkin, A. F. Huxley: A Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve. Journal of Physiology. 117, 1952, S. 500-544). Ein solches Modell basiert auf einem Satz nichtlinearer Differentialgleichungen und simuliert das elektrische Verhalten von Nervenzellen, insbesondere das Verhalten kurzer Membranabschnitte von Axonen. Mit diesem Modell kann beispielsweise die Reaktion eines Axons auf von außen einwirkende elektrische Ströme nachvollzogen werden. Daher können hiermit die erforderlichen Reizströme bei verschiedenen Zeitverläufen der Pulse, die erforderlich sind, um ein Aktionspotential in der Nervenzelle auszulösen rechnerisch bestimmt werden. Eine solche Betrachtung legt allerdings auch nahe, dass zur Erzeugung eines solchen gewünschten Zeitverlaufes für die elektrische Feldstärke im Gewebe eine pulsweitenmodulierte Spannungsquelle, wie sie üblicherweise als Stromrichter in der Energietechnik zur Anwendung kommt, keineswegs geeignet ist. Dies liegt daran, dass eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule im Körpergewebe zu einem elektrischen Feldverlauf mit nahezu identischem (auch pulsweitenmodulierten) Verlauf führen würde. Ein solcher Verlauf würde aber - bedingt durch die hohen Feldstärkespitzen - eine völlig andere Wirkung entfalten als ein kontinuierlicher oder feingestufter Zeitverlauf.
Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass eine solche Pulsquelle hoher Leistung bei gleichzeitig geringen Verlusten durch eine Serienschaltung von gesteuerten Zweipolen aufgebaut werden kann, wobei die Zweipole jeweils elektrische Energiespeicherelemente, wie beispielsweise Kondensatoren enthalten und wobei die Spannungen dieser Energiespeicherelemente in einer bestimmten Art und Weise abgestimmt sein muss. Die Zweipole sind als Vierquadranten-Module ausgeführt und können die jeweiligen Energiespeicherelemente entweder direkt oder invertiert mit ihren beiden Anschlüssen verbinden. Weiterhin können die Vierquadranten-Module aber auch einen sogenannten Bypass-Zustand einnehmen, bei dem ein direkter elektrischer Strom pf ad zwischen den beiden Anschlüsse geschaltet wird, gleichzeitig aber das Energiespeicherelement weder ge- noch entladen wird. Damit liefert jedes Vierquadranten- Modul einer solchen Serienschaltung einen positiven oder negativen Spannungsanteil entsprechend der Spannung seines Energiespeicherelementes, oder es schaltet nur den entsprechenden Strompfad zwischen seinen Anschlüssen durch und liefert keinen Beitrag zur Gesamtspannung.
Insbesondere kann diese Pulsquelle aus einem (bzw. mehreren in Serie geschalteten) versorgten Hauptmodul bestehen, welches wiederum in Serie mit mindestens einem der genannten Vierquadranten-Module liegt. Insbesondere vor Abgabe des Pulses wird jeweils das Energiespeicherelement des Hauptmoduls von einer Spannungsquelle geladen. Das Energiespeicherelement des Hauptmoduls speichert dabei vorzugsweise die elektrische Energie für die Erzeugung des Pulses (beispielsweise in der Stimulationsspule). Damit kann die vergleichsweise hohe elektrische Leistung, die während des Pulses mit der Stimulationsspule ausgetauscht wird, über das Energiespeicherelement des Hauptmoduls zur Verfügung gestellt werden, ohne dass die entsprechende Spannungsversorgung einen nennenswerten Beitrag leisten muss. Vorzugsweise dürfen die Energiespeicherelemente der Vierquadranten-Module einen deutlich geringen Energieinhalt aufweisen, da sie über die Serienschaltung aller Module während der Pulsabgabe ge- und entladen werden können. Weiterhin können auch die Energiespeicherelemente der Vierquadranten-Module vor der Abgabe des Pulses von einer entsprechenden Stromversorgung aufgeladen werden.
Sowohl das Hauptmodul als auch die Vierquadranten-Module stellen dabei elektrische Zweipole dar, die gemäß einem Aspekt der Erfindung in Serie geschaltet sind. Die beiden Enden dieser Serienschaltung bilden damit den Ausgang der Pulsquelle und sind entsprechend mit der Stimulationsspule verbunden. Eine solche Schaltung ist damit in der Lage einen nahezu beliebigen, feingestuften Zeitverlauf einer Spannung abzugeben.
Typische Stimulationspulse zur Reizung von menschlichen Axonen haben eine Pulsdauer von 50 - 300με. Bei repetitiver Reizung werden Pulse mit einer Wiederhol- Rate von 30 - 100 Hz abgegeben. Daher ist ein Nachladen des Energiespeicherelementes des Hauptmoduls in den Pausen zwischen zwei Pulsen mit vergleichsweise kleiner Leistung möglich.
Die in Serie geschalteten Vierquadranten-Module können dabei wie die in Figur 9 dargestellten Module 930, 940 aufgebaut sein. Sie werden als Vierquadranten-Module bezeichnet, weil sowohl der Strom als auch die Spannung an den beiden Anschlüssen 910, 911 beliebig positiv oder negativ sein kann. Anstelle der dargestellten Transistoren 901 bis 904 können auch andere elektrisch schaltende Bauelemente zum Einsatz kommen. Je zwei der in Serie geschalteten Transistoren 901 und 902 bzw. 903 und 904 können auch als eine sogenannte Halbbrücke betrachtet werden. Parallel zu diesen Transistoren kann jeweils eine Diode 905 bis 908 geschaltet sein, die auch die integrierte Body-Diode der jeweiligen Transistoren sein kann. Im Prinzip kann für die schaltenden Elemente jede Art von steuerbarem Schalter verwendet werden. Entsprechend kann die Vollbrücke 940 auch durch vier Schalter dargestellt werden. Die Transistoren bzw. Schalter können die Ausgangsklemmen 910 und 911 mit dem Kondensator 909 elektrisch verbinden. Insbesondere können diese Einzelmodule über ihre Schalter in die folgenden vier Zustände geschaltet werden:
o Vorgabe einer positiven Klemmenspannung in Bezug auf die beiden Klemmen 910 und 911 bei beliebiger Stromrichtung; erreichbar über das gleichzeitige Schalten der Transistorschalter 901 und 904;
o Vorgabe einer negativen Klemmenspannung in Bezug auf die beiden Klemmen 910 und 911 bei beliebiger Stromrichtung; erreichbar über das gleichzeitige Schalten der Transistorschalter 902 und 903;
o Bypasszustand (d. h. keine Energieaufnahme oder -abgäbe durch das Einzelmodul), freier Stromfluss in beliebiger Richtung; erreichbar über das gleichzeitige Schalten der Transistorschalter 901 und 903 oder der Transistorschalter 902 und 904;
o Erzwingen einer Energieaufnahme durch das Einzelmodul unter Aufzwingen des Spannungsniveaus; wenn beispielsweise alle Transistorschalter gesperrt sind und der Betrag der von außen angelegten Klemmenspannung die Spannung des Kondensators überschreitet. Das Hauptmodul der Pulsquelle kann entweder ebenfalls wie ein Vierquadranten-Modul aufgebaut sein, wobei es zusätzlich eine elektrische Energieversorgung zum Laden des Kondensators benötigt. Weiterhin können auch mehrere solcher Hauptmodule mit ihren jeweiligen Energiespeicherelementen in Serie geschaltet werden. Alternativ kann das Hauptmodul aber auch als ein Zweiquadranten-Modul ausgeführt sein, so dass es - bei beliebiger Stromrichtung - nur positive Spannungen abgeben kann.
Die wesentlichen Schaltzustände eines solchen Zweiquadranten-Moduls sind dabei: Abgabe der vollen Spannung des Energiespeicherelementes oder Bypasszustand. Figur 9 zeigt ein solches Modul 950, welches aus zwei Schaltern, 923, 924 und einem Kondensator 929 als Energiespeicherelement besteht. Die Spannung wird über die Klemmen 920, 921 abgegeben. Bei Verwendung eines Zweiquadranten-Moduls für das Hauptmodul ist allerdings der Bereich der Spannung, welche die Pulsquelle während des Pulsverlaufes abgeben kann stärker eingeschränkt, als bei Verwendung eines Vierquadranten-Moduls.
Alle Schaltelemente der Module können beispielsweise als Transistoren (beispielsweise MOSFET oder auch IGBT) oder andere Halbleiterschalter ausgeführt und durch Parallelisierung in der Stromtragfähigkeit verbessert werden.
Figur 10a zeigt die Schaltung einer möglichen Ausführungsform der Pulsquelle. Eine Ladeschaltung 1010 ist hierbei direkt verbunden mit dem Hauptmodul 1020. In Serie hierzu liegen n Vierquadranten-Module 1030, 1040, 1050, wobei n eine beliebige ganze Zahl größer oder gleich 1 sein kann. Die Spannungen der Energiespeicherelemente können dabei vorzugsweise gemäß Zweierpotenzen abgestuft sein. Je mehr Vierquadranten-Module für die Pulsquelle verwendet werden (d.h. je größer n ist), desto mehr Spannungsstufen können eingestellt werden. Die Stimulationsspule 1005 wird direkt mit den beiden Ausgangsklemmen 1060, 1070 der Pulsquelle verbunden. Das versorgte Hauptmodul beinhaltet ein Energiespeicherelement dessen Kapazität vorzugsweise groß genug ist, um die benötigte Energie des Pulses abzugeben. Dieses Energiespeicherelement wird vor der Pulsabgabe von einer Ladeschaltung 1010 geladen. Dabei kann die Ladeleistung im Vergleich zur elektrischen Leistung des Pulses klein sein, so dass der Ladevorgang diese Energiespeicherelementes deutlich länger dauern darf, als der Puls selbst. Das versorgte Hauptmodul kann dabei - wie in Figur 10 dargestellt, auch ein Vierquadranten-Modul sein. Alternativ kann hier auch ein Zweiquadranten-Modul 950 gemäß Figur 9 eingesetzt werden. Weiterhin können die Energiespeicherelemente der n Vierquadrantenmodule ebenfalls von einer Ladeschaltung vor der Abgabe des Pulses vorgeladen werden. Dieser Vorgang benötigt vergleichsweise sehr wenig Energie, da die Kapazitäten der n Vierquadranten- Module vorzugsweise sehr viel kleiner sind, als die Kapazität des Hauptmoduls. Außerdem können an Stelle der dargestellten Ausführungsformen für das Hauptmodul auch alternative Schaltungstopologien zum Einsatz kommen, deren wesentliche Eigenschaft darin besteht, einen Energiespeicher wahlweise direkt mit einer nachfolgenden Kette von Vierquadranten-Modulen 1030, 1040, 1050 zu verbinden oder eine Bypassverbindung der Kette von Vierquadranten-Modulen direkt zu einer Ausgangsklemme 1060 herzustellen. Die Ladeschaltung kann über ihre Klemmen 1080 beispielsweise direkt mit dem Stromnetz verbunden sein. Während der Pulsabgabe können die Energiespeicherelemente der Vierquadranten-Module durch entsprechendes direktes oder invertieres Schalten in den Strom pf ad nachgeladen werden.
Die Stimulationsspule 1005 zur Nervenreizung wird mit den beiden Ausgangsklemmen 1060, 1070 der Pulsquelle verbunden. Durch entsprechende Wahl der Schaltzustände jedes einzelnen Vierquadranten-Moduls 1030, 1040, 1050 und des versorgten Hauptmoduls 1020 kann an den Ausgangsklemmen der Pulsquelle ein gewünschter Momentanwert der Spannung eingestellt werden. Durch eine schnelle zeitliche Abfolge von solchen eingestellten Momentanwerten kann die Pulsquelle daher einen gewünschten zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung in feinen Stufen darstellen. Vorzugsweise ist die Spannung des Energiespeicherelementes des versorgten Hauptmoduls höher als die Spannungen der Energiespeicherelemente der Vierquadranten-Module; weiterhin sind die Spannungen der Energiespeicherelemente aller Module untereinander abgestuft, beispielsweise in Form von Zweierpotenzen, so wie in Figur 10 dargestellt, wobei das Hauptmodul die höchste Spannungsstufe darstellt. Die Energiespeicherelemente können - bis auf das Energiespeicherelement des Hauptmoduls - durch entsprechende Umpolvorgänge während des Pulses jeweils ge- oder entladen werden, so dass ihre jeweilige Spannung in kleinen Grenzen kontrolliert werden kann. Diese Umpolvorgänge können durch die jeweiligen Schaltzustände ausgelöst werden. Der Strom, welcher dabei die Energiespeicherelemente jeweils lädt oder entlädt, entspricht dabei dem Strom der durch die gesamte Serienschaltung von Modulen und die Stimulationsspule fließt. Dieser Strom kann - entsprechend der Induktivität der Spule - während der Abgabe eines Pulses seine Polarität wechseln.
Während der Abgabe eines Pulses kann sich - bedingt durch den Energieverbrauch im Spulenstromkreis - die Spannung des Energiespeicherelementes des versorgten Hauptmoduls verändern. Entsprechend werden vorzugsweise die Spannungen der einzelnen Energiespeicherelemente der Vierquadranten-Module ebenfalls an die veränderte Spannung des Energiespeicherelementes des Hauptmoduls angepasst, um so die gewünschte Abstufung der einzelnen Spannungen aufrecht zu erhalten.
Figur 10b zeigt eine weitere Ausführungsform der Pulsquelle, bei die Energiespeicherelemente sämtlicher Module über entsprechende Spannungsquellen 1012, 1014, 1016, 1018 (hier beispielhaft gezeigt als potentialgetrennte DC-DC-Wandler) vor der Abgabe des Pulses aufgeladen werden. Die Verschaltung der Module und des Leistungskreises sind dabei identisch zu der von Figur 10a.
Die einzelnen Schalter der Module werden über eine entsprechende Steuerung bzw. Controller-Einrichtung kontrolliert. Dabei kann diese Steuerung die aktuellen Spannungsbzw. Ladezustände der Energiespeicherelemente der Module über eine Messung erfassen. Alternativ kann die Steuerung aber auch über eine Simulation des Pulsverlaufes die zu erwartenden Ladezustände der Energiespeicherelemente während der Pulsabgabe vorausberechnen und damit indirekt erfassen. Dadurch können die Spannungen der Energiespeicherelemente indirekt bestimmt und so die erforderlichen Schaltzustände der Module während des Pulses ermittelt werden.
Figur 1 1 zeigt beispielhaft den fein gestuften Spannungsverlauf eines Stimulationspulses, wie er von einer erfindungsgemäßen Pulsquelle an eine Stimulationsspule für die induktive Nervenreizung abgeben werden könnte. Der dargestellte Spannungsverlauf hat im vorliegenden Beispiel ausschließlich positive Spannungswerte. Für die Ausgabe eines solchen Spannungsverlaufes genügt es, wenn das versorgte Hauptmodul der Pulsquelle ebenfalls nur positive Spannungen erzeugen kann. In diesem Fall genügt es daher, wenn das versorgte Hauptmodul als Zweiquadranten-Modul ausgeführt ist. Im vorliegenden Fall wird der dargestellte Spannungsverlauf durch 32 Stufen dargestellt. Hierfür werden ein Hauptmodule und 7 Vierquadranten-Module benötigt.
Durch Hinzufügen eines zusätzlichen (z.B. längsgeregelten) analogen Moduls in die Serienschaltung von Modulen kann die Pulsquelle auch so modifiziert werden, dass sie anstelle eines gestuften Spannungsverlaufes kontinuierliche Ausgangsspannungen erzeugt kann. Der Spannungshub eines solchen Analogmoduls muss nur unwesentlich größer sein, als der Spannungswert des Moduls mit der kleinsten Spannung. Solche vergleichsweise kleinen Spannungen lassen sich auch bei hohen Strömen relativ einfach über Leistungstransistoren längsregeln. Im Gegensatz dazu wäre die Erzeugung eines derart energiereichen Pulses, wie er für die Magnetstimulation benötigt wird, durch eine reine Längsregelung technisch außerordentlich aufwändig, da hier extrem große Leistungen von entsprechenden Transistoren gesteuert werden müssten und ein Parallelschalten von Transistoren bei hohen Leistungen und Spannungen kaum möglich ist.
Alternativ können auch Filterschaltungen zur Anwendung kommen, um die Spannungsstufen zu glätten.
Betrachtung einer Modulkette:
Figur 12 zeigt ein solches System bestehend aus vier Modulen, welche jeweils als Vierquadranten-Module ausgelegt sind. Dabei zeigt 1210 eine Schaltung, die als Pulsquelle dienen kann, bestehend aus den vier Modulen 1240, 1250, 1260, 1270, wobei jedes Modul symbolisch mit vier Schaltern dargestellt ist. Modul 1240 stellt das versorgte Hauptmodul dar. Die nach unten folgenden Module sind alle nach dem gleichen Schema als passive Vierquadranten-Module mit je einem Speicherkondensator ausgeführt, wobei sich die Spannungen der Module 1250, 1260, 1270 jeweils halbiert. Bei den dargestellten vier Modulen (einem versorgen Hauptmodul und 3 passiven Kondensatormodulen) werden die einzelnen Spannungen nach den Werten U0. U0/2, U0/4, U0/8 aufgeteilt. Die Ausgangsspannung, die an die Stimulationsspule 1205 abgegeben wird, kann daher abgestuft in Achtel-Schritten relativ zur maximalen Spannung U0 dargestellt werden. Die Reihenfolge der Module ist in der Figur 12 zwar streng nach abfallenden Spannungen sortiert, kann aber infolge der Reihenschaltung beliebig gewählt werden. Das Klemmenpaar 1280, 1281 stellt die Anschlüsse der Versorgung des Energiespeichers des Hauptmoduls dar. Die Ausgangsklemmen 1290, 1291 bilden den Ausgangskreis, an den die Stimulationsspule 1205 angeschlossen ist. Hier während der Pulsabgabe kann eine variable gestufte positive oder negative Spannung im Bereich von mindestens -U0 und U0 dargestellt werden. Die Modulkette 1220 stellt die Pulsquelle mit Transistoren und den zugehörigen Body-Dioden dar; die Modulkette 1230 zeigt die gleichen Module symbolisch mit einer Länge, die ihrer jeweiligen Spannung entspricht.
Durch einen entsprechenden Strom im Kreis der Ausgangsklemmen und der Stimulationsspule 1205 werden die Kondensatoren der Module je nach geschalteter Polarität entladen oder geladen, was zu einem entsprechenden Ansteigen oder Absinken der Spannungen der Kondensatoren führen würde. Daher wird ein Modul, dessen Kondensator beispielsweise zu weit entladen ist (dessen Spannung also um eine kleine Toleranzgrenze unter einem jeweiligen Sollwert liegt), in einem nächsten Schritt so umgeschaltet, dass sein Kondensator umgekehrt im Signalweg liegt. Auf diese Weise wird der entsprechende Kondensator durch den Laststrom wieder aufgeladen. Da sich durch dieses Invertieren nicht nur die Klemmenspannung dieses Moduls sondern auch die Gesamtspannung der ganzen Kette verändert, muss entsprechend der gewünschten Sollspannung an den Ausgangsklemmen 1290, 1291 dann eine andere Kombination von Modulen geschaltet werden, um den gleichen Spannungswert zu erzielen.
Anstelle eines einzigen aktiven versorgten Hauptmoduls bzw. einer Spannungsquelle können auch mehrere solche aktive versorgte Hauptmodule in Serie geschaltet sein, um die entsprechende Pulsquelle aufzubauen.
Figur 13 stellt beispielhaft einige mögliche Schaltkombinationen der vier Module von Figur 12 in Form von Spannungspfeilen dar. Die Pfeillänge ist in der Darstellung proportional zur jeweiligen Spannung gewählt. Die schwarzen Pfeile symbolisieren dabei die Spannungen der gerade aktiv geschalteten Module; der graue Pfeil entspricht der Ausgangsspannung des Systems. Pfeil 1330 der Schaltkombination 1310 stellt die Spannung U0 des versorgten Hauptmoduls dar. Die Module 1250. 1260. 1270 sind zwar alle aktiv geschaltet, haben aber inverse Polarität. Entsprechend sind die Pfeile 1332, 1334 und 1336 mit umgekehrter Richtung dargestellt.
Die Pfeilrichtungen lassen gleichzeitig einen Rückschluss auf die Stromflussrichtung zu. Wenn an den Ausgangsklemmen eine Last angeschlossen ist, würde eine Pfeilrichtung nach unten eine Stromabgabe bedeuten und eine Pfeilrichtung nach oben eine Stromaufnahme. Im vorliegenden Fall wird also das versorgte Hauptmodul 1240 entladen, während die Module 1250, 1260, 1270 geladen werden. Die resultierende Spannung, die am Klemmenpaar 1290, 1291 abgegriffen werden kann, wird durch den Pfeil 1338 dargestellt. Entsprechend ist die Spannung an den Ausgangsklemmen positiv und hat den Wert U0/8. Bei der Schaltkombination 1312 wird die gleiche Ausgangsspannung von U0/8 wie in der ersten Konfiguration erzeugt. Jedoch wird hier das versorgte Hauptmodul jetzt im Bypass- Modus betrieben, so dass es keine Spannung abgibt. Modul 1250 würde hier jetzt entladen werden, während die Module 1260 und 1270 weiter geladen werden. Entsprechend existieren auch Schaltkombinationen, bei denen die Module 1260 und 1270 entladen werden können. Die Schaltkombinationen 1314 und 1316 erzeugen jeweils Spannungen von U0/4 und die Schaltkombinationen 1318 und 1320 Spannungen von 3/8· U0. Durch die Schaltkombination 1322 kann an den Ausgangsklemmen eine Spannung von U0/2 erzeugt werden. Bei Umkehrung aller Pfeilrichtungen können entsprechende negative Spannungen erzeugt werden.
Für eine Modulkette, bestehend aus einem Hauptmodul welches die Spannung U0 liefern kann und weiteren n-1 Vierquadranten-Modulen (d.h. insgesamt n Module), wobei die Modulspannungen als Zweierpotenzen abgestuft sind, lässt sich folgender Zusammenhang zeigen:
An den Ausgangsklemmen einer solchen Modul kette kann jede beliebige Spannung von -U0 bis U0 in Stufen von U0/(2(n~1)) dargestellt werden und zwar unabhängig vom aktuellen Ladezustand der einzelnen Energiespeicherelemente. Mit dem Ladezustand ist dabei gemeint, dass für jedes Modul der jeweilige Energiespeicher entweder in einem Zustand ist, dass er geladen werden sollte (aktuelle Spannung liegt unter der Sollspannung für dieses Modul) oder in einem Zustand, dass er entladen werden sollte (aktuelle Spannung liegt über oder ist gleich der Sollspannung für dieses Module). Da sich beispielsweise bei Verwendung von Kondensatoren als Energiespeicherelemente, die Spannung während des Ladens bzw. Entladens kontinuierlich verändert, muss für ein längeres Halten einer bestimmten Spannung unter Last (also während der Zeitdauer, in der eine bestimmte Spannungsstufe im Pulsverlauf dargestellt werden soll) - entsprechend den Ladezuständen der Modul- Kondensatoren - ständig zwischen bestimmten Modulkonfigurationen hin und hergeschaltet werden. Diese bestimmten Modulkonfigurationen liefern dabei jeweils gleiche Gesamtspannungen, lassen aber ein wunschweises Laden bzw. Entladen der betreffenden Modul-Kondensatoren zu. Daher existieren für jede darstellbare Spannung - außer 0V und der maximalen Spannung U0 - immer mindestens zwei Modulkonfigurationen zur Darstellung dieser Spannung.
Diese Bedingung kann auch für andere Spannungsabstufungen einzelner Modul- Kondensatoren erfüllt werden. Insbesondere, falls mehrere Gleichspannungskreise zur Verfügung stehen, können auch Konfigurationen verwendet werden, bei denen mehrere versorgte Hauptmodule verwendet werden. Dabei ist allerdings noch zu berücksichtigen, dass während der Pulsabgabe sich auch der Kondensator des Hauptmoduls langsam entlädt, da dieser während der Pulsabgabe nicht (oder nur wenig) nachgeladen wird. Damit verändert sich auch dessen Spannung U0. Entsprechend sollten während des Pulsverlaufes dann auch die Kondensator-Spannungen der anderen Vierquadranten-Module mit verändert werden, damit die oben beschriebenen Spannungsverhältnisse weiter bestehen bleiben. Eine solche Anpassung der Kondensator-Spannungen kann eine entsprechende Steuerung der Pulsquelle durch gezieltes Laden und Entladen der Modul-Kondensatoren während der Pulsabgabe - bei gleichzeitiger Einhaltung des Sollspannungsverlauf - erreichen.
Die Frequenz, mit der solche Modulkonfigurationen umgeschaltet werden müssen, wird einerseits durch die Feinheit der erlaubten Toleranz bzgl. der Modulkondensator- Spannungen, durch den Laststrom und durch die Kapazität der Kondensatoren bestimmt. Insbesondere können durch große Kapazitäten der Modul-Kondensatoren kleinere Schaltfrequenzen erreicht werden. Bei ausreichenden Kapazitäten der Modul-Kondensatoren in Relation zum Spulenstrom müssen die Modulkonfigurationen während der einzelnen Spannungsstufen des Pulsverlaufes nicht umgeschaltet werden.
Umgekehrt können die Kapazitäten der Kondensatoren der Vierquadranten-Module - welche einen wichtigen Kostenfaktor bei solchen leistungselektronischen Schaltungen darstellen - stark verkleinert werden, in dem der obige Vorgang mit relativ hoher Schaltfrequenz durchgeführt wird. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz erhöht allerdings die Schaltverluste der Transistoren.
Anzahl der einstellbaren Soannungsstufen:
Im folgenden soll - ausgehend von einer Abstufung der Spannungen der einzelnen Energiespeicherelemente in Zweierpotenzen - die Anzahl der möglichen einstellbaren Spannungsstufen betrachtet werden. Als höchste Spannungsstufe sei hier - aus Gründen der Nachladbarkeit der Vierquadranten-Module - nicht die Summen-Spannung aller n Module gerechnet, sondern nur die Stufe des Hauptmoduls. Dies lässt such auch in binärer Schreibweise darstellen, bei der jedes Modul eine Binärstelle darstellt, wobei die 1 einen positiven Spannungszustand darstellt und die 0 einen Bypass-Zustand (der invertierte Spannungszustand kann für diese Betrachtung vernachlässigt werden, da er nur für negative Spannungen bzw. zum Nachladen der Module benötigt wird). Für eine Pulsquelle, bestehend aus 5 Modulen, also n = 5 wäre dann diese höchste Spannungsstufe in Binarschreibweise eine 10000 (d.h. das Hauptmodul ist aktiv, die restlichen 4 Vierquadranten-Module sind im Bypass-Zustand).
Damit ergibt sich die Anzahl S+ der positiven Stufen zu:
S+ = 2n-1 + 1
Dies ist die Anzahl der Möglichkeiten ohne die höchste Stufe und „+1 " durch die höchste Stufe. Entsprechend der Darstellung nach dem Binärsystem ist die Null dann bereits enthalten. Wenn man die Anzahl der möglichen negativen Stufen S- mit berücksichtigen will, muss man hier entsprechend die Stufe 0 weglassen, so dass sich eine Gesamtanzahl S von darstellbaren Spannungsstufen ergibt zu:
Figure imgf000022_0001
Einfache Beispiele zum Funktionsprinzip:
Beispiel 1 , Erzeugung einer bestimmten Spannungsstufe mit 2 Modulen:
Die in Figur 14 dargestellte Pulsquellen-Schaltung soll zunächst nur aus zwei Modulen bestehen, einem Hauptmodul 1410 mit 1200V und einem Vierquadranten-Modul 1420, welches bei einer Spannung von 600V betrieben werden soll. Weiterhin soll die Schaltung zunächst an ihre angeschlossene Stimulationsspule 1450 einen momentanen Spannungswert von 600 V (d.h. die Spannung der„kleinsten Stufe") liefern, wobei auch ein gewisser Spulenstrom fließen soll. Die Startkonfiguration der Schaltung sei dabei so gewählt, dass das 600V-Modul mit 600V vorgeladen ist.
Zeitspanne 0 bis t 1470:
Zunächst wird daher das 1200V-Modul in den Bypass-Zustand geschaltet (z.B. in dem nur die beiden rechten Transistoren dieses Moduls gemäß der Abbildung eingeschaltet werden).
Das 600V-Modul gibt die geforderten 600V ab, wobei sich allerdings der Modulkondensator mit der Zeit entlädt, bis eine untere Toleranzschwelle erreicht ist. Beispielsweise bei Unterschreiten einer Spannung von 590 V muss das System dann umschalten.
Zeitspanne t1 bis t2. 1472:
Nun wird das 1200V-Modul aktiv auf + 1200V geschaltet, während das 600V-Modul mit seiner reduzierten Spannung von 590V negativ in Serie geschaltet wird. Damit ergibt sich nun eine neue Gesamtspannung von 1200V - 590V = 610V. die sich - diesmal durch das Aufladen des Kondensators - wieder langsam bis zur Toleranzschwelle absenkt. Die gesamte Kapazität der Serienschaltung zweier Module ist gegenüber der ersten Zeitspanne leicht reduziert, da vorzugsweise die Kapazität des Hauptmoduls deutlich größer ist, als die des Vierquadranten-Moduls (vereinfachend ist hier angenommen, dass sich die Kondensatorspannung des 1200V-Moduls während des kurzen Pulses nicht verändert). Dabei wird - durch den invertierten Betrieb - das 600V-Modul auf eine Spannung von 610V geladen. Gleichzeitig, sinkt die Spannung des Hauptmoduls ggf. leicht ab, wie bereits oben diskutiert.
Zeitspanne t2 bis t3, 1474:
Hier ist nun wieder nur das 600V-Modul aktiv, nur startet es mit 610V, so dass die dritte Zeitspanne so groß ist, wie die zweite.
Beispiel 2, Erzeugung einer Gleichspannung mit 3 Modulen:
Die in Figur 15 dargestellte Pulsquellen-Schaltung soll aus drei Modulen bestehen, einem Hauptmodul 1510 mit 1200V und zwei Vierquadranten-Modulen 1520, 1530, einem Modul für 600V und einem Modul für 300V. Auch hier soll wieder angenommen werden, dass die Kapazität des Hauptmodul-Kondensators so groß ist, dass sich seine Spannung während der kurzen Pulsabgabe nicht oder nur wenig ändert. Die Schaltung soll jetzt an die Stimulationsspule 1560 einen momentanen Spannungswert von 300V liefern, wobei wieder ein Spulenstrom als Laststrom fließt. Die Startkonfiguration der Schaltung sei dabei entsprechend wieder so gewählt, dass das 600V-Modul mit 600V und das 300V Modul mit 300V vorgeladen ist.
Zeitspanne 0 bis , 1580:
Zunächst werden das 1200V-Modul und das 600V-Modul in den Bypass-Zustand geschaltet. Das 300V-Modul gibt die geforderten 300V ab, wobei sich der Modulkondensator mit der Zeit entlädt, bis eine untere Toleranzschwelle von beispielsweise 290V erreicht ist.
Zeitspanne t1 bis t2, 1582:
Das 600V-Modul wird nun aktiviert und das 300V-Modul hierzu umgekehrt in Serie geschaltet. Die Startspannung ist hier jetzt 600V - 290V = 310V. Dieser Vorgang läuft, bis - bedingt durch den Laststrom der Spule - die Gesamtspannung wieder auf 290V abgefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt ist (bei angenommen gleicher Kapazität der Modulkondensatoren) die Spannung des 300V-Moduls wieder auf 300V angestiegen: die Spannung des 600V- Moduls liegt jetzt bei 590V. Die durchlaufene Spannungsdifferenz ist doppelt so hoch, wie bei der ersten Zeitspanne; allerdings liegen nun 2 Modul-Kondensatoren (beispielsweise gleicher Kapazität) in Serie, so dass die Zeitspanne gleich lang ist, wie die erste. Zeitspanne t2 bis t3, 1584:
Da nun der 300V-Kondensator wieder auf 300V geladen ist, kann nun wieder ein Zyklus wie in der ersten Spanne verwendet werden. Am Ende dieser Spanne ist der 300V-Modul- Kondensator entsprechend auf 290V entladen.
Zeitspanne t3 bis t4, 1586:
Jetzt ist sowohl der Kondensator des 300V-Moduls als auch der des 600V-Moduls unter die jeweilige Toleranzschwelle entladen. Daher werden in dieser Zeitspanne diese beiden Modulkondensatoren antiseriell mit dem 1200V-Hauptmodul geschaltet. Auf diese Weise ergibt sich eine Startspannung von 1200V - 590V - 290V = 320V. Die Spannung sinkt wegen der beiden seriell liegenden Kondensatoren etwas wieder so schnell wie in der zweiten Phase (wieder unter der Annahme, dass die Kapazität des Hauptmoduls deutlich größer ist als die der beiden Vierquadranten-Module); allerdings ist der Spannungshub etwas größer, da die Spannung nun von 320V auf 290V sinkt. Am Ende beträgt die Kondensatorspannung des 600V-Moduls gemäß dem Beispiel 605V und die des 3V-Moduls 305V.
Zeitspanne t4 bis t5, 1588:
Nun kann wieder das 300V-Modul alleine aktiviert werden; die Spannung sinkt von 305V auf 290V.
Entsprechend diesen Beispielen kann die in Figur 1 1 dargestellte Stufenfunktion als eine Aneinanderreihung kurzzeitig auszugebender Gleichspannungswerte betrachtet werden. Damit kann eine solche Spannungsstufe sozusagen eine Substruktur aufweisen, wenn während der Zeitdauer, in der eine Spannungsstufe gehalten werden soll, mehrere Lade- und Entladezyklen von Modulen erforderlich sind.
Vorteile bevorzugter Ausführunasformen der Erfindung:
Die vorgeschlagene Pulsquelle ermöglicht eine nahezu freie Wahl der Pulsform für die Reizung von Nerven- und Muskelzellen. Hierdurch können Pulse erzeugt werden, die hinsichtlich eines Parameters optimiert sind, wie beispielsweise der Energiebedarf, die maximale Spulensspannung oder das entstehende Klickgeräusch der Spule. Damit wiederum können die Geräte hinsichtlich ihrer Bauform und Anwendung optimiert werden (beispielsweise kleine, gut transportierbare Pulsquellen bzw. Spulen, die wegen der reduzierten Verluste lange Reizserien applizieren können).
Die freie Wahl der Pulsform gestattet es darüber hinaus - je nach Pulsform - gezielt bestimmte Nerven-Zellpopulationen bevorzugt zu reizen, während andere Zelltypen entsprechend besser von einer ungewünschten Reizung ausgeblendet werden können. Auf diese Weise kann ein gewünschter Zielort noch besser angeregt werden, als dies mit bisherigen Geräten möglich war.
Insbesondere die Fähigkeit, beliebig viele verschiedene Pulsformen über ein einziges Gerät erzeugen zu können, stellt einen beträchtlichen Vorteil bezüglich Geräten dar. die nach dem beschriebenen Stand der Technik ausgeführt sind. Bei Verwendung dieser bisherigen Geräte war für nahezu jede Pulsform ein eigenes Gerät erforderlich.
Einsatzgebiete der Erfindung
Einerseits lässt sich die vorgestellte Pulsquelle für alle Gebiete der magnetischen Neurostimuiation einsetzen, die bisher bereits von Geräten entsprechend dem Stand der Technik verwendet wurden. Dabei vereinen die Pulsquellen gemäß der vorliegenden Erfindung aber hinsichtlich ihrer Funktionalität alle bisherigen Stimulationsgeräte in einer einzigen Schaltung.
Entsprechend lässt sich die erfindungsgemäße Pulsquelle beispielsweise in den Bereichen Neurorehabilitation (z.B. Muskeltraining, Wiedererlernen von Bewegungsmustern), Neurochirurgie (präoperatives corticales Mapping), für die Tinitus-Behandlung, die Unfallchirurgie, sowie in zahlreichen Gebieten der neurologischen Forschung einsetzen.
Weiterhin lassen sich aber auch neue Forschungs-, Diagnose- und Therapieanwendungen durch die neue Pulsquelle erschließen, die speziell auf der hohen Flexibilität der Pulsform basieren. Beispielsweise können somit erstmal schmerzfrei aufwändige Nervenuntersuchungen und Nervenanalysen durchgeführt werden, die - basierend auf einer großen Anzahl applizierter unterschiedlicher Einzelpulse und deren Reizanworten - unterschiedliche Zelltypen klassifizieren oder - basierend auf einer krankheitsbedingten Änderung der elektrischen Zellparameter - entsprechende neurologische Krankheiten diagnostizieren können.
Weiterhin kann die Schaltung auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, bei denen elektrische Pulse hoher Leistung bei frei wählbarer Pulsform benötigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Pulsquelle für die Applikation von induzierten elektrischen Pulsen im medizinischen Bereich, mit einer modular aufgebauten Pulsquelle zur Erzeugung von Spannungspulsen mit steuerbarem zeitlichen Verlauf, einer mit der modular aufgebauten Pulsquelle verschalteten Stimulationsspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufgrund der auf die Stimulationsspule einwirkenden Spannungspulse, zur Erzeugung induzierter elektrischer Pulse, und einer Ladeschaltung, wobei die modular aufgebaute Pulsquelle aufweist: mindestens ein über die Ladeschaltung aufzuladendes Hauptmodul, n-1 weitere Module, wobei n ganzzahlig ist und gilt n > 2, wobei alle mindestens n Module über ihre Modulanschlüssen seriell miteinander verschaltet sind, wobei jedes Modul eine Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise einen Kondensator zum Speichern von Ladung aufweist sowie jedes Modul Schalteinrichtungen aufweist, vorzugsweise gebildet durch Transistoren, zum wahlweise und gesteuertem Einstellen zumindest eines aktiven Normalbetriebs bei dem das jeweilige Modul die Spannung an seiner Energiespeichereinrichtung in den Spannungspfad der Serienschaltung einbringt und eines Bypass-Betriebs in dem das jeweilige Modul den Spannungspfad der Serienschaltung nur durchschaltet sowie vorzugsweise eines invertierten Betriebs bei dem das jeweilige Modul die Spannung an seiner Energiespeichereinrichtung invertiert in den seriellen Spannungspfad einbringt, einer Controller-Einrichtung zum direkten oder indirekten Erfassen der Ladungszustände der Energiespeichereinrichtungen aller n Module und zum Steuern der Schaltzustände der Schalteinrichtungen aller n Module, um für jedes der n Module zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils wahlweise einen bestimmten Betriebszustand einstellen zu können, wobei die Controller-Einrichtung so ausgelegt ist, dass der Ladungszustand jedes Energiespeicherelements eines jeweiligen Moduls im Betrieb der Pulsquelle über einen Applikationszeitraum im wesentlichen zwischen vorgegebenen Grenzwerten gehalten wird und damit im aktiven Betrieb des jeweiligen Moduls zu einem vorbestimmten Spannungsbeitrag im Spannungspfad führt und wobei die Spannungsbeiträge der Module im Applikationszeitraum unterschiedlich sind und vorzugsweise gemäß Zweierpotenzen zueinander abgestuft sind, entsprechend Uo, Uo/2, Uo/4, Uo/8 etc., und wobei die Stimulationsspule mit der Ausgangsspannung der Serienschaltung der Module gekoppelt ist.
2. Pulsquelle nach Anspruch 1 , bei welcher der steuerbare zeitliche Verlauf der Spannungspulse so beschaffen ist, dass die von der Stimulationsspule induzierten elektrischen Pulse während der Applikation in Nerven- oder Muskelzellen von Körpergewebe Aktionspotentiale auslösen.
3. Pulsquelle nach Anspruch 2, bei welcher die Controller-Einrichtung die Schaltzustände der Schalteinrichtungen so steuert, dass der gewünschte zeitliche Verlauf der Spannungspulse zusätzlich durch eine Pulsbreitenmodulation angenähert wird.
4. Pulsquelle nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher die von der Stimulationsspule erzeugten induzierten elektrischen Pulse einen optimierten Zeitverlauf aufweisen, so dass die zur Auslösung von Aktionspotentialen benötigte Energie des Magnetfeldes minimiert wird.
5. Pulsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Energiespeichereinrichtung jedes Moduls ein Elektrolytkondensator oder ein Keramikkondensator ist.
6. Pulsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Schalteinrichtungen jedes Moduls durch MOSFETs oder IGBTs gebildet werden.
7. Pulsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das indirekte Erfassen der Ladungszustände der Energiespeichereinrichtungen der Module über die Controller- Einrichtung jeweils über eine Berechnung der über die Energiespeichereinrichtungen ausgetauschten Energien erfolgt.
8. Pulsquelle nach Anspruch 7, bei welcher die Berechnung der über die Energiespeichereinrichtungen ausgetauschten Energien durch eine Simulation des zu erzeugenden Spannungspulses so erfolgt, dass vor der Erzeugung des Spannungspulses mit steuerbarem zeitlichem Verlauf die Schaltzustände der Schalteinrichtungen aller n Module im Voraus berechnet werden.
9. Pulsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer nachgeschalteten Glättungsschaltung zum Glätten der Ausgangsspannung der Serienschaltung der Module.
10. Pulsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Module als Vierquadrantenmodule mit Normalbetrieb, Bypass-Betrieb und invertiertem Betrieb ausgelegt sind und die Spannungsbeiträge aller Module gegeneinander gemäß Zweierpotenzen abgestuft sind.
1 1 . Pulsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es für jede momentan über das Schalten der einzelnen Schalteinrichtungen der Module vorgegebene Modulkonfiguration und der dadurch bewirkten Ausgangsspannung, mit Ausnahme der Modulkonfigurationen für maximale (Uo), minimale (-Uo) und Null (0) Ausgangspannung, mindestens eine alternative Modulkonfiguration gibt, die eingestellt werden kann und im wesentlichen zur gleichen Ausgangsspannung führt, wobei das Umschalten in diese alternative Modulkonfiguration ermöglicht, Module die zur Erhaltung ihres gewünschten Ladezustandes nachzuladen sind, im Rahmen der alternativen Modulkonfiguration in den invertierten Betriebszustand zu schalten, um dadurch die Nachladung des betreffenden Moduls zu erreichen, ohne dass es hierdurch zu einer Veränderung der in diesem Zeitpunkt dargestellten Spannungsstufe am Ausgang kommen muss.
12. Pulsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung des
Ladezustandes jedes Moduls durch die Controller-Einrichtung erfolgt, und diese Erfassung entweder direkt am jeweiligen Modul oder anhand der Ausgangsspannung und dem aktuellen Schaltzustand erfolgt.
13. Verfahren zur Erzeugung von induzierten elektrischen Pulsen für medizinische Anwendungen, mit folgenden Schritten.
Betreiben einer modular aufgebauten Pulsquelle, wobei die modular aufgebaute Pulsquelle aufweist: mindestens ein über eine Ladeschaltung aufzuladendes Hauptmodul, n-1 weitere Module, wobei n ganzzahlig ist und gilt n > 2, wobei jedes Modul eine Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise einen Kondensator zum Speichern von Ladung aufweist sowie jedes Modul Schalteinrichtungen aufweist, vorzugsweise gebildet durch Transistoren, zum wahlweise und gesteuertem Einstellen zumindest eines aktiven Normalbetriebs bei dem das jeweilige Modul die Spannung an seiner Energiespeichereinrichtung in den Spannungspfad der Serienschaltung einbringt und eines Bypass-Betriebs in dem das jeweilige Modul den Spannungspfad der Serienschaltung nur durchschaltet sowie vorzugsweise eines invertierten Betriebs bei dem das jeweilige Modul die Spannung an seiner Energiespeichereinrichtung invertiert in den seriellen Spannungspfad einbringt,
Verschalten der n Module in Serie,
Aufladen der Speichereinrichtung des Hauptmoduls mittels einer Ladeeinrichtung,
Vorgeben eines gewünschten zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung der Serienschaltung in Bezug auf die Amplitude über die Zeit,
Aufrechterhalten während des Applikationszeitraumes vorbestimmter Ladungszustände für die einzelnen Module, derart, dass jedes Modul in seinem aktiven Betriebszustand, im wesentlichen einen vorgegebenen Spannungsbeitrag zur Serienschaltung leistet, wobei die Spannungsbeiträge der Module unterschiedlich zueinander sind und vorzugsweise entsprechend Zweierpotenzen gegeneinander abgestuft sind, entsprechend Uo, Uo/2, Uo/4, Uo/8 etc.,
Ansteuern der Schalteinrichtungen der Module während des Applikationszeitraumes, um jedes Modul jeweils in einen Betriebszustand zu schalten, derart, dass die Summe der einzelnen Modulspannungen wie sie durch die Energiespeichereinrichtung jedes Moduls entsprechend seines aktiven, invertierten oder Bypass-Betriebs bereitgestellt wird, in jedem Zeitpunkt dem vorgegebenen Bereich der Ausgangsspannung entspricht,
Koppeln der Ausgangsspannung mit einer Stimulationsspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufgrund der auf die Stimulationsspule einwirkenden Spannungspulse, zur Erzeugung induzierter elektrischer Pulse.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welcher der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung so beschaffen ist, dass die von der Stimulationsspule induzierten elektrischen Pulse in Nervenoder Muskelzellen von Körpergewebe Aktionspotentiale auslösen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welcher das Ansteuern der Schalteinrichtungen so erfolgt, dass der gewünschte zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung zusätzlich durch eine Pulsbreitenmodulation angenähert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei welcher die von der Stimulationsspule erzeugten induzierten elektrischen Pulse einen optimierten Zeitverlauf aufweisen, so dass die zur Auslösung von Aktionspotentialen benötigte Energie des Magnetfeldes minimiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-16, bei welcher das indirekte Erfassen der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtungen der Module über eine Berechnung der über die Energiespeichereinrichtungen ausgetauschten Energien erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welcher die Berechnung der über die Energiespeichereinrichtungen ausgetauschten Energien durch eine Simulation des gewünschten zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung so erfolgt, dass vor dem Einwirken eines Spannungspulses auf die Stimulationsspule das Ansteuern der Schalteinrichtungen aller n Module im Voraus berechnet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-18, wobei es für jede momentan über das
Schalten der einzelnen Schalteinrichtungen der Module vorgegebene Modulkonfiguration und der dadurch bewirkten Ausgangsspannung, mit Ausnahme der Modulkonfigurationen für maximale (Uo), minimale (-Uo) und Null (0) Ausgangspannung, mindestens eine alternative Modulkonfiguration gibt, die eingestellt werden kann und im wesentlichen zur gleichen Ausgangsspannung führt, wobei das Umschalten in diese alternative Modulkonfiguration ermöglicht, Module die zur Erhaltung ihres gewünschten Ladezustandes nachzuladen sind, im Rahmen der alternativen Modulkonfiguration in den invertierten Betriebszustand zu schalten, um dadurch die Nachladung des betreffenden Moduls zu erreichen, ohne dass es hierdurch zu einer Veränderung der in diesem Zeitpunkt dargestellten Spannungsstufe am Ausgang kommen muss.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-19, wobei die Erfassung des Ladezustandes jedes Moduls durch eine Controller-Einrichtung erfolgt, und diese Erfassung entweder direkt am jeweiligen Modul oder anhand der Ausgangsspannung und dem aktuellen Schaltzustand erfolgt.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11247039B2 (en) 2016-05-03 2022-02-15 Btl Healthcare Technologies A.S. Device including RF source of energy and vacuum system
US10583287B2 (en) 2016-05-23 2020-03-10 Btl Medical Technologies S.R.O. Systems and methods for tissue treatment
US10556122B1 (en) 2016-07-01 2020-02-11 Btl Medical Technologies S.R.O. Aesthetic method of biological structure treatment by magnetic field
EP3891889A4 (de) * 2018-12-06 2022-09-07 Board of Supervisors of Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College Verfahren und system zum anwenden von gepulsten elektrischen feldern mit hoher gleichförmigkeit mittels magnetischer kerne
AU2021269187B2 (en) 2020-05-04 2023-02-23 Btl Healthcare Technologies A.S. Device and method for unattended treatment of a patient
US11878167B2 (en) 2020-05-04 2024-01-23 Btl Healthcare Technologies A.S. Device and method for unattended treatment of a patient
WO2023280332A1 (en) * 2021-07-09 2023-01-12 Deymed Diagnostic S.R.O. Monophasic magnetic stimulator for transcranial magnetic stimulation
US11896816B2 (en) 2021-11-03 2024-02-13 Btl Healthcare Technologies A.S. Device and method for unattended treatment of a patient

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010135425A1 (en) * 2009-05-19 2010-11-25 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Systems and methods for inducing electric field pulses in a body organ
WO2010139376A1 (de) * 2009-06-04 2010-12-09 Technische Universität München Vorrichtung und verfahren zur nervenreizung mit magnetfeldimpulsen
DE102014008820A1 (de) * 2014-06-20 2015-12-24 Stefan Goetz Vorrichtung und Verfahren zur geräuscharmen magnetischen Neurostimulation
DE102014110410A1 (de) * 2014-07-23 2016-01-28 Universität der Bundeswehr München Modulares Energiespeicher-Direktumrichtersystem

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009033515A1 (de) * 2009-07-15 2011-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Statischer Umformer und Verfahren zum Anfahren des Umformers
DE102010004307B4 (de) 2010-01-11 2013-01-31 Technische Universität München Magnetstimulation mit frei wählbarer Pulsform
KR101452778B1 (ko) * 2010-07-27 2014-10-22 요시후미 다케다 축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법
WO2012072168A2 (de) * 2010-11-30 2012-06-07 Technische Universität München Neue multilevelkonvertertopologie mit der möglichkeit zur dynamischen seriell- und parallelschaltung von einzelmodulen
DE102011108920B4 (de) * 2011-07-29 2013-04-11 Technische Universität München Elektrisches Umrichtersystem
DE102017108099B4 (de) 2017-04-13 2019-03-28 Universität der Bundeswehr München Stromrichter für Energieübertragung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010135425A1 (en) * 2009-05-19 2010-11-25 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Systems and methods for inducing electric field pulses in a body organ
WO2010139376A1 (de) * 2009-06-04 2010-12-09 Technische Universität München Vorrichtung und verfahren zur nervenreizung mit magnetfeldimpulsen
DE102014008820A1 (de) * 2014-06-20 2015-12-24 Stefan Goetz Vorrichtung und Verfahren zur geräuscharmen magnetischen Neurostimulation
DE102014110410A1 (de) * 2014-07-23 2016-01-28 Universität der Bundeswehr München Modulares Energiespeicher-Direktumrichtersystem

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. L. HODGKIN; A. F. HUXLEY: "Journal of Physiology", vol. 117, 1952, article "A Quantitative Description of Membrane Current and its Application to Conduction and Excitation in Nerve", pages: 500 - 544
A. V. PETERCHEV; R. JALINOUS; S. H. LISANBY: "A Transcranial Magnetic Stimulator Inducing Near-Rectangular Pulses With Controllable Pulse Width (cTMS", IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, vol. 55, no. 1, 2008, XP011342591, DOI: doi:10.1109/TBME.2007.900540
R. SIEBNER; U. ZIEMANN: "Das TMS-Buch", SPRINGER VERLAG

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Publication number Publication date
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DE102017108084B4 (de) 2023-08-31
DE102017108084A1 (de) 2018-10-18
US11666774B2 (en) 2023-06-06
DE202017102723U1 (de) 2017-06-01

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