Die Erfindung betrifft einen Reizgenerator mit mehreren Reizkanälen zur Erzeugung von Reizimpulsen für die elektrische Stimulation der Nerven und der Muskulatur.The invention relates to a stimulus generator with several stimulus channelslen for generating stimulus impulses for electrical stimulationof the nerves and muscles.
Für die Erhaltungs-, Trainings- und funktionelle Elektrostimulation (FES) der Muskulatur benötigt man Reizgeneratoren mit mehreren voneinander galvanisch getrennten oder zumindest nur hochohmig verbundenen Reizkanälen oder mehrere Kanäle mit einer gemeinsamen Elektrode und mit jeweils einer geschalteten zweiten Elektrode.For maintenance, training and functional electrical stimulition (FES) of the muscles, stimulus generators with several are requiredren galvanically isolated from each other or at least only highohmic connected stimulus channels or several channels with one gecommon electrode and each with a switched secondElectrode.
Derartige Reizgeneratoren oder Stimulatoren werden zur Behandlung zentraler und peripherer Lähmungen eingesetzt. Zur Behandlung zentraler Lähmungen werden bevorzugt kurze, stromkonstante Rechteckpulse mitStromamplituden bis 120 mA und Pulsbreiten zwischen 1 µs und 500 µs Pulsdauer und Ladungsrückführung verwendet. Zur Behandlung peripher gelähmter Muskulatur werden vorzugsweise bipolare, ladungsneutrale Reizströme für Stromamplituden bis zu 100 mA und je 1 ms bis 500 ms Pulsdauer für jede Polarität verwendet, wobei wegen der sehr unterschiedlichen Reizparameter der einzelnen Muskeln für jeden Kanal eine andere Frequenz erforderlich sein kann.Such stimulus generators or stimulators are used for treatmentcentral and peripheral paralysis used. For treatmentcentral paralysis are preferred short, constant current rightcorner pulses with current amplitudes up to 120 mA and pulse widths between1 µs and 500 µs pulse duration and charge feedback used. ToTreatment of peripheral paralyzed muscles is preferredbipolar, charge-neutral stimulus currents for current amplitudes up to100 mA and 1 ms to 500 ms pulse duration for each polarityused, because of the very different stimulus parametersa different frequency of the individual muscles for each channelcan be such.
Die Reizgeneratoren sollen alle aus einer zentralen Stromversorgung, möglichst einer Batterie mit einer für die jeweilige Anwendung geeigneten, koordinierenden Ansteuerung betrieben werden.The stimulus generators are all supposed to come from a central power suppliersupply, if possible a battery with one for the respective applicationsuitable, coordinating control.
Es wurden bereits Reizgeneratoren vorgeschlagen, die mehrere getrennte Endstufen mit galvanisch getrennten Gleichspannungswandlern und Signalübergabe mittel Optokopplern oder Trennübertragern aufweisen. Dies ist jedoch sehr aufwendig und benötigt relativ viel Platz. In vielen Fällen wäre es deshalb günstiger, nur eine einzige oder wenige Endstufen aufzubauen und deren Ausgänge mittels Relais auf die verschiedenen Kanäle aufzuschalten.Stimulus generators have been proposed, severalseparate output stages with galvanically isolated DC voltageconverters and signal transmission by means of optocouplers or isolating convertershave carriers. However, this is very complex and requiredrelatively much space. In many cases, it would therefore be cheaperto build only one or a few power amplifiers and theirRelay outputs to the various channelsten.
Es wurden auch bereits mechanische Reed-Relais vorgeschlagen, deren Standzeiten jedoch ungenügend sind.Mechanical reed relays have also been proposedwhose service life is insufficient.
Die im Reizgenerator verwendeten Relais sollten bei durchschnittlich 30 Hz Schaltfrequenz und Benutzungszeiten von etwa acht Stunden pro Tag eine mittlere Lebensdauer von fünf Jahren haben. Dies entspricht etwa 109 Schaltspielen. Die Steuerleistung der Relais sollte dabei möglichst klein sein, da der Stimulator meist aus Batterien versorgt wird.The relays used in the stimulus generator should have an average lifespan of five years with an switching frequency of 30 Hz and usage times of around eight hours per day. This corresponds to approximately 109 switching cycles. The control power of the relays should be as small as possible, since the stimulator is usually powered by batteries.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Reizgenerator mit mehreren Reizkanälen zur Erzeugung von Reizpulsen für die elektrische Stimulation der Nerven und der Muskulatur bereitzustellen, der kompakt aufgebaut ist und einen geringen Energieverbrauch und hohe Lebensdauer aufweist.The invention is therefore based on the object, a stimulus generaGate with several stimulation channels for the generation of stimulation pulses for theelectrical stimulation of the nerves and muscles readyset, which is compact and has a low energy consumptionuse and has a long service life.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1solved.
Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, weniger Endstufen aufzubauen als Reizkanäle vorgesehen sind und die Ausgänge der Endstufen mittels photovoltaschen Relais auf die verschiedenen Kanäle aufzuschalten. Vorteilhafterweise ist dabei lediglich eine einzige Endstufe vorgesehen.The invention is based on the basic idea, lessBuild power amplifiers as stimulus channels are provided and the offoutputs of the power amplifiers to the verdifferent channels. It is advantageousonly a single power amplifier is provided.
Die Wirkung der photovoltaschen Relais beruht auf dem Sperrschichtphotoeffekt. Ein photovoltasches Relais ist ein optoelektronisches Halbleiter-Relais mit einem Ausgangshalbleiter, der von einem photovoltaschen Generator geschaltet wird, der seinerseits seine Steuerleistung von einer elektrisch isolierten Leuchtdiode bezieht. Der Ausgangshalbleiter besteht aus einem Allstromschalter, vorzugsweise einem bidirektionalen MOSFET, der von dem photovoltaschen Generator geschaltet wird. Mit photovoltaschen Relais lassen sich aufgrund sehr kleiner Thermospannungen sowohl sehr kleine als auch höhere Spannungen von z. B. bis zu 300 V schnell schalten.The effect of the photovoltaic relay is based on the locklayer photo effect. A photovoltaic relay is an optoelektronic semiconductor relay with an output semiconductor, theis switched by a photovoltaic generator, which is hison the other hand its control power from an electrically insulatedLED refers. The output semiconductor consists of aAll-current switch, preferably a bidirectional MOSFETis switched by the photovoltaic generator. With photovolpocket relays can be set due to very low thermal voltagesboth very small and higher voltages of e.g. B. up to 300V switch quickly.
Die Verwendung photovoltascher Relais weist den Vorteil auf, daß die Ansprech- und Abfallzeiten so kurz sind, daß viele Kanäle innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes nacheinander an- und ausgeschaltet werden können. Es lassen sich je nach Stimulationsziel unipolare oder ladungsneutrale, d. h. bipolare Strompulse für komplexe Lasten mit Impedanzbeträgen von üblicherweise 0,5 kΩ bis 1,5 kΩ erzeugen. Die Verwendung photovoltascher Relais ist derzeit für Stromamplituden bis zu 180 mA (eff.) bei Spannungen bis zu ±300 V möglich.The use of photovoltaic relays has the advantage thatthe response and fall times are so short that many channelswithin a certain period of timecan be turned off. It can vary depending on the stimulationtarget unipolar or charge neutral, d. H. bipolar current pulses forcomplex loads with impedance values of typically 0.5 kΩ toGenerate 1.5 kΩ. The use of photovoltaic relays is thetime for current amplitudes up to 180 mA (rms) at voltages up topossible to ± 300 V.
Der Aus-Widerstand ist dabei so groß, daß zwischen den Kanälen maximal 200 µA Strom fließen kann, d. h. der Aus-Widerstand beträgt bei 300 V Potentialdifferenz zwischen zwei Kanälen mehr als 109 Ω. Der An-Widerstand beträgt höchstens 40 Ω, d. h, höchstens 2% des maximalen Widerstandes des Patienten.The off resistance is so large that a maximum of 200 µA current can flow between the channels, ie the off resistance be at 300 V potential difference between two channels more than 109 Ω. The on-resistance is at most 40 Ω, i.e. h, at most 2% of the patient's maximum resistance.
Der Energieverbrauch bei Verwendung photovoltascher Relais ist niedrig, und es lassen sich in der Größenordnung von 109 Schaltspielen erzielen.The energy consumption when using photovoltaic relays is low, and it can be achieved in the order of 109 switching games.
Erfindungsgemäß erfolgt die Ablaufsteuerung derart, daß zunächst das Relais geschaltet und erst danach der Reizimpuls getriggert wird. Ferner wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß der Reizpuls beim Abschalten des Relais beendet ist. Hierdurch wird der Reizpuls in der definierten Form wirksam.According to the invention, the sequence control takes place in such a way that initiallythe relay switched and only then the stimulus pulse triggeredbecomes. It is also ensured according to the invention that the stimulus pulseended when the relay was switched off. This creates the charmpulse effective in the defined form.
Eine besonders variable Ablaufsteuerung läßt sich mittels eines Mikroprozessors erzielen. Für einfache Steuerungen, insbesondere bei gleicher Frequenz für jeden Kanal, läßt sich die Schaltung der Ablaufsteuerung auch vorzugsweise mittels eines Oszillators, zweier Zähler zur Zeitablaufsteuerung und einer Verzögerungsschaltung realisieren.A particularly variable sequence control can be done using aAchieve microprocessor. For simple controls, especiallyat the same frequency for each channel, the circuit can bethe sequence control also preferably by means of an oscillator,two counters for timing control and a delayrealize circuit.
Durch Verwendung einer einzigen Endstufe für beispielsweise acht Kanäle läßt sich der Energieverbrauch gegenüber einer Schaltung mit mehreren getrennten Endstufen bis auf etwa1/4 reduzieren.By using a single output stage for example, eight channels, the energy consumption can be reduced compared to a circuit having a plurality of separate power amplifiers to about1/4.
Als photovoltasche Relais werden vorzugsweise die zweipoligen photovoltaschen Relais PVR-3301 (Hersteller: International Rectifier, El Segundo, Kalifornien) verwendet. In den Leistungschip sind Schaltkreise mit Schutz- und Schnellabschaltfunktion integriert.The two-pole are preferably used as the photovoltaic relayphotovoltaschen relay PVR-3301 (manufacturer: International Rectifier, El Segundo, California). In the performance chipare circuits with protection and quick shutdown functionsfreezes.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below using exemplary embodimentsand the drawing explained in more detail. It shows
Fig. 1 ein Zeitdiagramm zur Ablaufsteuerung des erfindungsgemäßen Reizgenerators,Fig. 1 is a timing diagram for the sequence control of the stimulus generator according to the invention,
Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel für die Ablaufsteuerung von acht Kanälen,Fig. 2 is a circuit example of the flow of control of eight channels,
Fig. 3 ein Schaltbild einer Endstufe des erfindungsgemäßen Reizgenerators für zentrale Lähmungen,Fig. 3 is a circuit diagram of an output stage of the stimulus generator according to the invention for central paralysis,
Fig. 4 ein Schaltungsbeispiel für eine mikrorechnergestützte Ablaufsteuerung, undFig. 4 is a circuit example for a microcomputer-based sequence control, and
Fig. 5 ein Schaltungsbeispiel eines mikrorechnergesteuerten Reizgenerators für periphere Lähmungen.Fig. 5 shows a circuit example of a microcomputer-controlled stimulus generator for peripheral paralysis.
Wie eingangs erläutert, werden bei zentralen Lähmungen vorzugsweise kurze, stromkonstante Rechteckimpulse mit Stromamplituden bis 120 mA, Pulsbreiten zwischen 1 µs und 500 µs und Ladungsrückführung verwendet. Derartige Stimulatoren lassen sich unter Verwendung von photovoltaschen Relais realisieren.As explained at the beginning, central paralysis is preferredwise short, constant current rectangular pulses with current amplitudesup to 120 mA, pulse widths between 1 µs and 500 µs and charge returnleadership used. Such stimulators can be found under VerRealize the use of photovoltaic pocket relays.
Die Relais der einzelnen Kanäle werden nacheinander eingeschaltet; dabei werden die Ansprechzeiten von bis zu 250 µs und die Abfallzeiten von bis zu 50 µs der Relais berücksichtigt. Der Reizpuls darf erst getriggert werden, wenn das Relais geschaltet hat und muß mit dem Abschalten des Relais beendet sein.The relays of the individual channels are switched on one after the othertet; the response times of up to 250 µs and theFall times of up to 50 µs of the relays are taken into account. TheStimulus pulse may only be triggered when the relay is switchedhas and must be finished when the relay is switched off.
Das Zeitdiagramm gemäßFig. 1 zeigt die notwendigen zeitlichen Abläufe. Dabei bedeutetZ10: Einschalten des Relais ,Z11: Reiz puls-Triggerung,Z18: Ausschalten des Relais undZ19: Kanal-Weiterschaltung.The timing diagram ofFIG. 1 shows the time sequences necessary.Z10 means : switching on the relay,Z11 : stimulus pulse triggering,Z18 : switching off the relay andZ19 : channel switching.
Der Ablauf gemäßFig. 1 kann z. B. mit einem Mikroprozessor oder Mikrorechner realisiert werden, wie inFig. 4 dargestellt. Für relativ einfache Anforderungen an die Steuerungsmöglichkeiten läßt sich die Ablaufsteuerung mit der Schaltung gemäßFig. 2 durchführen, mit der acht Kanäle mit getrennter Einstellung von EIN/AUS, Pulsdauer und Stromamplitude gesteuert werden können.The sequence shown inFIG. 1 z can. B. can be realized with a microprocessor or microcomputer, as shown inFig. 4. For relatively simple requirements on the control options, the sequence control can be carried out with the circuit according toFIG. 2, with which eight channels can be controlled with separate setting of ON / OFF, pulse duration and current amplitude.
Die wesentlichen Elemente der Schaltung gemäßFig. 2 sind ein einstellbarer Oszillator, vorzugsweise einRC-Schmitt-Trigger-Oszillator10, ein erster Zähler20 und ein zweiter Zähler30 zur Zeitablaufsteuerung, ein Relais-Flipflop35, ein Fehler-Flipflop40, eine UND-Schaltung45, die photovoltaschen Relais50, vorzugsweise 8 × 1/2 PVR3301, eine Schaltanordnung55 zum Einschalten der Reizkanäle, ein erstes Monoflop60 zum Generieren der Reizpulsdauer, ein Verzögerungsglied70, ein zweites Monoflop75 zum Generieren der Zeitdauer für die Ladungsrückführung, eine Verknüpfungsschaltung80 zur Abschaltung des Pulses bei Auftritt eines Fehlers, eine Treiberschaltung85 für die Relaisansteuerung und seriell zu den steuernden Leuchtdioden der Relais50 geschaltete Leuchtdioden90 zur Einschaltanzeige.The essential elements of the circuit ofFIG. 2 are an adjustable oscillator, preferably aRC -Schmitt-trigger oscillator10, a first counter20 and a second counter30 for timing control, a relay flip-flop35, an error flip-flop40, a AND circuit45 , the photovoltaic relay50 , preferably 8 × 1/2 PVR3301, a switching arrangement55 for switching on the stimulus channels, a first monoflop60 for generating the stimulus pulse duration, a delay element70 , a second monoflop75 for generating the duration for the charge feedback, a linkage circuit80 for switching off the pulse when an error occurs, a driver circuit85 for the relay control and serially switched to the controlling LEDs of the relay50 LEDs90 for switching on.
Bei der Ausführungsform gemäßFig. 2 wird die Reizfrequenz von dem einstellbarenRC-Schmitt-Trigger-Oszillator10 bestimmt, der die 80fache Reizfrequenz erzeugt und mit einer Frequenz zwischen 40 Hz und 4 kHz schwingt. Ein Zyklus zur Ausgabe von je einem Impuls an acht Kanälen wird bei einer Oszillatorfrequenz von maximal 4 kHz in 80 Intervalle zu je mindestens 250 µs unterteilt. Damit läßt sich eine Reizfrequenz von 0,5 Hz bis zu 50 Hz realisieren. Der nachfolgende erste Zähler20 mit decodierten ZählerständenZ10 bisZ19 steuert den Zeitablauf eines einzelnen Impulses, und die Frequenz wird durch 10 dividiert. Der zweite Zähler30 ordnet mit den decodierten ZählerausgängenZ2x den Reizimpuls einem Kanalx zu, wobeix von "0" bis "7" läuft, und dividiert die Frequenz durch den Faktor 8. Die ZählerausgängeZ2x(Z20 bisZ27) des zweiten Zählers30 steuern zusätzlich die PotentiometerPB0 bisPB7 für die Impulsbreite und die PotentiometerPA0 bisPA7 für die Amplitude (sieheFig. 3, PfeilA).In the embodiment according toFIG. 2, the stimulation frequency is determined by the adjustableRC- Schmitt trigger oscillator10 , which generates 80 times the stimulation frequency and oscillates at a frequency between 40 Hz and 4 kHz. A cycle for the output of one pulse each on eight channels is divided into 80 intervals of at least 250 µs each with an oscillator frequency of maximum 4 kHz. This enables a stimulation frequency of 0.5 Hz to 50 Hz to be achieved. The subsequent first counter20 with decoded counter readingsZ10 toZ19 controls the timing of a single pulse, and the frequency is divided by 10. With the decoded counter outputsZ2x, the second counter30 assigns the stimulus pulse to a channelx , wherex runs from "0" to "7", and divides the frequency by the factor 8. The counter outputsZ2x(Z20 toZ27 ) of the second counter30 additionally control the potentiometersPB0 toPB7 for the pulse width and the potentiometersPA0 toPA7 for the amplitude (seeFIG. 3, arrowA) .
Der ZählerausgangZ10 (vgl.Fig. 1) des ersten Zählers20 setzt das Relais-Flipflop35 und löscht das Fehler-Flipflop40. Das Relais-Flipflop wird durch den Zählerausgang18 des ersten Zählers20 gelöscht. Ist das Relais-Flipflop gesetzt, schaltet das von den ZählerständenZ20 bisZ27 des zweiten Zählers30 und von der UND-Verknüpfung der aus acht UND-Gliedern bestehenden UND-Schaltung45 bestimmte Relais der photovoltaschen Relais50 auf "EIN". Voraussetzung hierfür ist, daß der dem jeweiligen Kanalx zugeordnete SchalterSx (vonS0 bisS7) der Schalteranordnung55 auf "AUS" steht. Damit liegen zwischen dem AUS-Zustand des einen Relais und dem EIN-Zustand des nächsten Relais zwei Intervalle von insgesamt mindestens 0,5 ms Dauer. Dies ist im Zeitdiagramm vonFig. 1 beispielsweise anhand von Relais1 und Relais2 dargestellt.The counter outputZ10 (seeFIG. 1) of the first counter20 sets the relay flip-flop35 and clears the error flip-flop40 . The relay flip-flop is deleted by the counter output18 of the first counter20 . If the relay flip-flop is set, the relay of the photovoltaic relay50 , which is determined by the counter readingsZ20 toZ27 of the second counter30 and by the AND operation of the AND circuit45 consisting of eight AND gates, switches to "ON". The prerequisite for this is that the switchSx assigned to the respective channelx (fromS0 toS7 ) of the switcharrangement55 is set to "OFF". This means that there are two intervals totaling at least 0.5 ms between the OFF state of one relay and the ON state of the next relay. This is shown in the time diagram ofFIG. 1, for example, using relay1 and relay2 Darge.
Ein Intervall, d. h. mindestens 250 µs nach dem Einschalten eines Relais wird das Monoflop60 mit einer Zeitkonstanten zwischen 10 µs und 500 µs für den negativen Reizpuls getriggert (siehe Ausgang "Puls"). Diese Zeitdifferenz genügt zum vollständigen Einschalten des Relais bei einem Strom von 8 mA durch die zugeordnete steuernde Leuchtdiode. Aus der Schaltung gemäßFig. 2 ist zu ersehen, daß das Monoflop60 nur dann getriggert wird, wenn das Fehler-Flipflop gelöscht ist und ein Relais angesteuert ist (vgl. die Verknüpfungsschaltung80).An interval, ie at least 250 µs after switching on a relay, the monoflop60 is triggered with a time constant between 10 µs and 500 µs for the negative stimulation pulse (see "Pulse" output). This time difference is sufficient for the relay to be fully switched on at a current of 8 mA through the associated control LED. It can be seen from the circuit according toFIG. 2 that the monoflop60 is only triggered when the error flip-flop is deleted and a relay is activated (cf. the logic circuit80 ).
Nach einer über das Verzögerungsglied(RCD-Glied)70 gebildeten Verzögerung von 100 µs wird das zweite Monoflop75 für den positiven Puls (Ladungsrückführung) getriggert (siehe Ausgang "Entladen"). Dessen Ausgang wird nach 3 ms, spätestens jedoch dann gelöscht, wenn das Relais nicht mehr angesteuert ist. Dieser zweite Fall tritt bei Frequenzen größer als 30 Hz auf. Da die Endstufe innerhalb von 1 µs abschaltet, jedes Relais50 aber eine größere Abfallzeit von typischerweise etwa 30 µs hat, ist gewährleistet, daß der gesamte Reizpuls auch bei hohen Frequenzen beendet ist, bevor die Relais umschalten.After a delay of 100 microseconds formed via the delay element(RCD element)70 , the second monoflop75 is triggered for the positive pulse (charge feedback) (see output "discharge"). Its output is deleted after 3 ms, but at the latest when the relay is no longer activated. This second case occurs at frequencies greater than 30 Hz. Since the output stage switches off within 1 μs, but each relay50 has a larger fall time of typically about 30 μs, it is ensured that the entire stimulus pulse is ended even at high frequencies before the relays switch over.
Wie nachstehend anhand vonFig. 3 näher erläutert, wird das Fehler-Flipflop40 gesetzt (Eingang "Fehler"), wenn die Spannung an der Endstufe zu hoch ist. Damit wird der negative Impuls sofort abgeschaltet und der erste Zähler20 und damit der zweite Zähler30 gestoppt. Dieses hat zur Folge, daß der Reizimpuls sofort auf Null gesetzt wird. Der Fehler wird dadurch angezeigt, daß die seriell zu der steuernden Leuchtdiode für das Relais liegende Leuchtdioden90 des betreffenden Kanals dauernd leuchtet.As explained in more detail below with reference toFIG. 3, the error flip-flop40 is set (input "error") if the voltage at the output stage is too high. The negative pulse is thus switched off immediately and the first counter20 and thus the second counter30 are stopped. The consequence of this is that the stimulus pulse is immediately set to zero. The error is indicated by the fact that the light-emitting diodes90 of the channel in question, which are in series with the controlling light-emitting diode for the relay, light up continuously.
Die Leuchtdioden90 zeigen allgemein den Betriebzustand (z. B. "EIN", "AUS", "Fehler") des jeweiligen Kanals an. Mit dieser Anzeige lassen sich auch Stimulationsfrequenzen bis 20 Hz abschätzen.The LEDs90 generally indicate the operating state (eg "ON", "OFF", "Error") of the respective channel. This display can also be used to estimate stimulation frequencies up to 20 Hz.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung der Endstufe mit photovoltaschen Relais.Fig. 3 shows an embodiment of the circuit of the output stage with photovoltaic relay.
Die wesentlichen Elemente der Schaltung gemäßFig. 3 sind in Reihe zum Patienten liegende Kondensatoren100, die PotentiometerPA0 bisPA7 zur Einstellung der gewünschten Kanalamplitude, ein PotentiometerPA8 zur Einstellung der Maximalamplitude für alle Kanäle, zwei Spannungsfolger105 und110, ein WiderstandR1, eine aus den TransistorenT1,T2,T3 undT4 bestehende geschaltete Stromquelle, ein TransistorT5 zur Begrenzung des Entladestroms und ein PotentiometerPF zum Setzen des Fehler-Flipflop40 gemäßFig. 2.The essential elements of the circuit according toFIG. 3 are capacitors100 lying in series with the patient, the potentiometersPA0 toPA7 for setting the desired channel amplitude, a potentiometerPA8 for setting the maximum amplitude for all channels, two voltage followers105 and110 ResistorR1 , a switched current source consisting of transistorsT1 ,T2 ,T3 andT4 , a transistorT5 for limiting the discharge current and a potentiometerPF for setting the error flip-flop40 according toFIG. 2.
Die Endstufe gemäßFig. 3 liefert Konstantströme bis zu -100 mA und bis zu 500 µs Dauer. Dabei treten am PatientenP, der einen maximalen Impedanzbetrag von 1,5 Ω aufweist, Spannungen bis zu -150 V auf. Ein in Reihe zum PatientenP liegender Kondensator100 läßt sich durch den negativen Impuls auf eine Spannung von maximal -50 V auf. Die Spitze-Spitze-Spannung am Relais beträgt somit maximal 200 V. Zur Rückführung der applizierten Ladung, also dem Produkt aus Strom und Zeit, wird nach etwa 100 µs der in Reihe zum Patient liegende Kondensator100 über den Patienten entladen, wobei der Endladestrom auf 45 mA begrenzt ist und maximal 3 ms dauert. Diesen maximalen Strom- und Spannungswerten genügen die Relais.The output stage ofFIG. 3 provides constant currents to -100 mA and up to 500 microseconds duration. Voltages of up to - 150 V occur on patientP , who has a maximum impedance of 1.5 Ω. A capacitor100 lying in series with the patientP can be opened to a voltage of maxi -50 V by the negative pulse. The peak-to-peak voltage at the relay is thus a maximum of 200 V. To return the applied charge, that is to say the product of current and time, the capacitor100 lying in series with the patient is discharged via the patient after about 100 μs, the discharge current increasing 45 mA is limited and lasts a maximum of 3 ms. The relays meet these maximum current and voltage values.
Damit beträgt die Maximalimpulsdauer 3,6 ms. Bei einer Impulsfrequenz von 30 Hz und bei acht Kanälen, die meist für eine Gliedmaße ausreichen, müssen die Relais somit innerhalb 500 µs umschalten.The maximum pulse duration is thus 3.6 ms. With an impulse frefrequency of 30 Hz and with eight channels, mostly for one linkdimensions are sufficient, the relays must switch within 500 µsswitch.
Eine zu hohe Lastimpedanz bzw. ein offener Ausgang ergibt eine so hohe Spannung am Abgriff des PotentiometersPF, daß das Fehler-Flipflop40 gesetzt und damit der Reizpuls abgeschaltet wird.A too high load impedance or an open output results in such a high voltage at the tap of the potentiometerPF that the error flip-flop40 is set and the stimulation pulse is thus switched off.
Über die PotentiometerPA0 bisPA7 kann für jeden Kanal eine gewünschte Amplitude eingestellt werden.A desired amplitude can be set for each channel using the potentiometersPA0 toPA7 .
Mit dem PotentiometerPA8 kann die maximale Amplitude für alle Kanäle eingestellt werden. Der TransistorT1 bildet mit dem TransistorT2 als Schalter eine geschaltete Stromquelle, die am WiderstandR1 eine auf 200 V bezogene Spannung erzeugt. Diese Spannung steuert die aus den TransistorenT3 bestehende komplementäre Darlington-Stromendstufe. Der Entladestrom des Kondensators über Patient und Relais wird durch den TransistorT5 auf 45 mA begrenzt.The maximum amplitude for all channels can be set with the potentiometerPA8 . The transistorT1 forms with the transistorT2 as a switch a switched current source which generates a voltage related to 200 V across the resistorR1 . This voltage controls the complementary Darlington current output stage consisting of the transistorsT3 . The discharge current of the capacitor via patient and relay is limited to 45 mA by transistorT5 .
Die Stromversorgung erfolgt über einen (nicht dargestellten) Gleichspannungswandler, der aus der Batteriespannung von 12 V eine durch ein Potentiometer einstellbare Spannung von 200 V erzeugt. Die Leistung kann durch Verändern des EIN-AUS-Verhältnisses eines MOSFETS über ein Potentiometer auf die maximal benötigte Leistung verändert werden. Wird diese Leistung über schritten, sinkt die Versorgungsspannung und damit der maximale Strom.Power is supplied via a (not shown)DC voltage converter, which is based on the battery voltage of 12 Va voltage of 200 V that can be set by means of a potentiometergenerated. The performance can be changed by changing the ON-OFF ratioof a MOSFET via a potentiometer to the maximumrequired power can be changed. Will this performance over steps, the supply voltage drops and thus the maximumElectricity.
Bei gleichzeitiger Versorgung mehrerer Endstufen aus einer Batterie oder bei Verkopplung der Bezugspotentiale über die Ansteuerung müssen die Endstufen galvanisch von der Batterie und von der Ansteuerung getrennt werden. Dies kann beispielsweise über Trenntrafos oder Optokoppler durchgeführt werden.With simultaneous supply of several power amplifiers from oneBattery or if the reference potentials are coupled via the AnThe power amplifiers must be galvanically isolated from the battery and controlbe separated from the control. For examplevia isolating transformers or optocouplers.
Werden an die Ablaufsteuerung erhöhte Anforderungen gestellt, wie z. B. die Steuerung einer ganzen Bewegung (Hand auf, Bein heben usw.), dann ist der Einsatz eines kleinen Mikrorechners sinnvoll.Are increased demands placed on the sequence control, such ase.g. B. controlling an entire movement (hand up, leg up)etc.), then the use of a small microcomputer makes sense.
Fig. 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine Ablaufsteuerung mittels eines Mikrorechners. Die wesentlichen Bauteile der Schaltung gemäßFig. 4 sind die Recheneinheit (CPU)120, der Programmspeicher (ROM)125, der Arbeitsspeicher (RAM)130 mit der Möglichkeit, auch bei abgeschalteter Stromversorgung Daten permanent zu speichern, die Tastatur135 und Anzeige140 zum Ändern des Programmes und Anzeigen von Betriebszuständen, der Zeitgeber (CTC)145, der auch die aktuellen Parameter, wie z. B. Frequenz und Pulsdauer enthält, der Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein (PIO)150 zum Übergeben oder Übernehmen von Betriebzuzständen und der Analog-Digital-Wander (A/D-Wandler)155 zum Ausgeben der aktuellen Amplitude an die Endstufe.Fig. 4 shows a circuit example of a sequence control by a microcomputer. The essential components of the TIC shown inFIG. 4, the processing unit (CPU)120, program memory (ROM)125, memory (RAM)130 friendliness with the Mög, even if power is off data to be stored permanently, the keyboard135 and Display140 for changing the program and displaying operating states, the timer (CTC)145 , which also the current parameters, such as. B. contains frequency and pulse duration, the parallel input / output module (PIO)150 for transferring or transferring operating conditions and the analog-digital wander (A / D converter)155 for outputting the current amplitude to the output stage.
Die vom Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein150 ausgegebenen DatenAD0 bisAD2 steuern über einen Adreßdecodierer und Treiber160 über dessen AusgängeA0 bisA7 das ausgewählte photovoltasche Relais50 an, falls das Relais-Flipflop165 gesetzt ist. Das Relais-Flipflop165 wird von einem Pulstrigger (Triggerimpuls) über ein Gate170 gesetzt. Der Pulstrigger setzt auch ein Busy-Flipflop175, das dem Rechner anzeigt, wann der Stimulator gerade einen Puls ausgibt. Nach einer über das Verzögerungsglied180 geschalteten Verzögerung von 150 µs, d. h. wenn das Relais50 mit Sicherheit eingeschaltet ist, wird das Puls-Flipflop185 gesetzt und der Puls breitenkanal des Zeitgebers145 getriggert und damit der Puls an die Endstufe ausgegeben. Als Endstufe kann dabei die Endstufe gemäßFig. 3 verwendet werden. Nach Ablauf der Pulsbreitendauer wird das Puls-Flipflop185 vom Ausgang des Zeitgebers145 gelöscht und der Reizimpuls damit ausgeschaltet. Nach einer vom Verzögerungsglied190 gegebenen Pause von 100 µs wird über den Entladetrigger195 die Entladezeit von 3 ms getriggert und an die Endstufe ausgegeben (siehe "Entladen"). Danach wird das Relais-Flipflop165 gelöscht und damit die Relais50 ausgeschaltet. Nach weiteren 250 µs, die über das Verzögerungsglied200 geschaltet werden, d. h. wenn das Relais50 mit Sicherheit aus ist, wird das Busy-Flipflop175 gelöscht, dessen Ausgang der Rechner bei Bedarf abgefragt und erst dann die Parameter für einen neuen Puls an die Ausgabe-Bausteine übergibt und damit einen Reizpuls auslöst.The dataAD0 toAD2 output by the parallel input / output module150 control the selected photovoltaic relay50 via an address decoder and driver160 via its outputsA0 toA7 if the relay flip-flop165 is set. The relay flip-flop165 is set by a pulse trigger (trigger pulse) via a gate170 . The pulse trigger also sets a busy flip-flop175 , which indicates to the computer when the stimulator is currently issuing a pulse. After a delay of 150 microseconds switched via the delay element180 , ie when the relay50 is switched on with certainty, the pulse flip-flop185 is set and the pulse width channel of the timer145 is triggered and the pulse is thus output to the output stage. The final stage according toFIG. 3 can be used as the final stage. After the pulse width duration has elapsed, the pulse flip-flop185 is deleted from the output of the timer145 and the stimulus pulse is thus switched off. After a pause of 100 μs given by the delay element190 , the discharge time of 3 ms is triggered by the discharge trigger195 and output to the output stage (see “discharge”). Then the relay flip-flop165 is cleared and the relay50 is thus switched off. After a further 250 microseconds, which are switched via the delay element200 , ie if the relay50 is definitely off, the busy flip-flop175 is deleted, the output of which is queried by the computer if necessary, and only then the parameters for a new pulse to the output - Passes building blocks and thus triggers a stimulus pulse.
Das Fehler-Flipflop205 gemäßFig. 4 weist eine ähnliche Funktion auf wie das Fehler-Flipflop40 gemäßFig. 2.The error flip-flop205 according toFIG. 4 has a similar function to the error flip-flop40 according toFIG. 2.
Mit der oben beschriebenen Schaltung können für jeden Kanal und Reizpuls abhängig vom jeweiligen Programm unterschiedliche Stromamplituden, Pulsbreiten und Pulsabstände innerhalb eines Rasters von 4,1 ms, d. h. der maximalen Pulsdauer mit Entladung und Relais-Schaltzeiten, automatisch per Programm und/oder manuell oder verbal eingestellt werden. Die maximale Anzahl der Kanäle pro Endstufe wird durch die maximal notwendige Frequenz der Reizpulse bestimmt.With the circuit described above for each channel andDifferent current depending on the respective programamplitudes, pulse widths and pulse intervals within a gridof 4.1 ms, i.e. H. the maximum pulse duration with discharge andRelay switching times, automatically via program and / or manuallyor be set verbally. The maximum number of channelsper power amplifier is determined by the maximum frequency requiredStimulus pulses determined.
Wie eingangs erläutert, können die photovoltaschen Relais auch vorteilhaft in Reizgeneratoren für periphere Lähmungen verwendet werden. Wie vorstehend erläutert, ist hierbei meist für jeden Kanal eine andere Frequenz erforderlich. Die Ablaufsteuerung und die Endstufe müssen entsprechend geändert werden. Eine derartige Ablaufsteuerung kann jedoch ebenfalls mit einem Mikroprozessor realisiert werden. Ein derartiges Schaltungsbeispiel zeigt das Prinzipschaltbild gemäßFig. 5. InFig. 5 sind die entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie inFig. 4 bezeichnet.As explained at the beginning, the photovoltaic relays can also be used advantageously in stimulus generators for peripheral paralysis. As explained above, a different frequency is usually required for each channel. The sequence control and the power stage must be changed accordingly. However, such a sequence control can also be implemented with a microprocessor. Such a circuit example is shown in the basic circuit diagram according toFIG. 5. InFIG. 5, the corresponding components are identified by the same reference numerals as inFIG. 4.
Periphere Lähmungen werden üblicherweise mit Reizpulsen zwischen 1 ms und 500 ms gereizt. Es werden dabei andere Endstufen verwendet, da hier wesentlich größere Ladungsmengen transportiert werden und der sonst nötige Kondensator zu groß wird. Es werden zwei Rechteckimpulse gleicher Amplitude und Pulsdauer, aber entgegengesetzter Polarität generiert. Um die aufwendigen Endstufen und Spannungsversorgungen mit nur einer Polarität verwenden zu können, wird am Ausgang die Polarität mit Hilfe der photovoltaschen Relais50 vertauscht. Typische Abschaltzeiten von 30 µs und Anschaltzeiten von 50 µs bei etwa 8 mA Steuerstrom ermöglichen dabei eine Pause zwischen positivem und negativem Impuls von nur 100 µs.Peripheral paralysis is usually stimulated with stimulation pulses between 1 ms and 500 ms. Other power amplifiers are used, since much larger amounts of charge are transported here and the otherwise necessary capacitor becomes too large. Two square-wave pulses of the same amplitude and pulse duration but opposite polarity are generated. In order to be able to use the complex output stages and power supplies with only one polarity, the polarity is interchanged at the output with the aid of the photovoltaic relay50 . Typical switch-off times of 30 µs and switch-on times of 50 µs with about 8 mA control current allow a pause between positive and negative impulses of only 100 µs.
Da dabei meist mehrere Endstufen aus einer Batterie versorgt werden, müssen alle Versorgungsspannungen und Steuereingänge und -ausgänge vom Mikrorechner galvanisch getrennt werden. Um die Verlustleistung klein zu halten, wird die Hochspannung der Stromamplitude und der Elektroden-Patienten-Impedanz angepaßt. Dieses geschieht über einen Spannungsteiler210, einen Verstärker215 und einen Optokoppler220 zum (nicht dargestellten) Spannungswandler. Die Stromamplitude wird über den D/A-Wandler155, einen Verstärker225 und einen Optokoppler230 an die Endstufe übergeben. Eine zu hohe Elektrodenimpedanz bzw. offene Reizausgänge werden über einen Optokoppler235 dem Rechner zurückgemeldet, der dann je nach Anwendung geeignet reagiert. Die Relais50 werden über den Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein150 vom Rechner zeitrichtig angesteuert. Die Ausgabe-Bausteine, wie der D/A-Wandler155 und der Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein150 können bei dieser Ausführungsform direkt vom Rechner geschaltet werden, da bei den relativ langen Pulsen kleine zeitliche Verschiebungen durch Reaktionszeiten des Rechners keine Rolle spielen.Since several output stages are usually supplied from one battery, all supply voltages and control inputs and outputs must be galvanically isolated from the microcomputer. In order to keep the power loss small, the high voltage is adapted to the current amplitude and the electrode-patient impedance. This is done via a voltage divider210 , an amplifier215 and an optocoupler220 to the voltage converter (not shown). The current amplitude is transferred to the final stage via the D / A converter155 , an amplifier225 and an optocoupler230 . An excessively high electrode impedance or open stimulus outputs are reported back to the computer via an optocoupler235 , which then reacts appropriately depending on the application. The relays50 are controlled by the computer at the correct time via the parallel input / output module150 . The output modules, such as the D / A converter155 and the parallel input / output module150, can be switched directly by the computer in this embodiment, since small time shifts due to the response times of the computer play no role in the relatively long pulses.
Der Reizgenerator gemäßFig. 5 kann prinzipiell auch für zentrale Lähmungen benutzt werden, wenn die Pulsbreite entsprechend verkleinert wird.In principle, the stimulus generator according toFIG. 5 can also be used for central paralysis if the pulse width is reduced accordingly.
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