DE102024001712A1

DE102024001712A1 - Electronic circuit for muscle stimulation and control methods

Info

Publication number: DE102024001712A1
Application number: DE102024001712.7A
Authority: DE
Inventors: Marius Neugschwender
Original assignee: Noxon GmbH
Current assignee: Noxon GmbH
Priority date: 2024-05-27
Filing date: 2024-05-27
Publication date: 2025-11-27
Also published as: WO2025247438A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Muskelstimulation und ein Steuerverfahren.
Bei der Muskelstimulation werden dem Muskel über externe Elektroden mit berührendem Hautkontakt eine Folge elektrischer Pulse zugeführt und dadurch Motorische Einheiten des Muskels aktiviert. Vorab wird für die Pulsfolge eine Einstellung hinsichtlich einschlägiger Parameter wie Pulsfrequenz und/oder Pulsdauer, Pulsprofil, Pulspausen etc. vorgenommen oder eine Auswahl unter fertig verfügbaren Pulsfolgenprogrammen getroffen, die Pulsstärke kann auch während der Behandlung reguliert werden.
Erfindungsgemäß erlauben zeitliche und/oder örtliche Variationen von Pulsfolgen eine effektivere Stimulation ohne Erhöhung von Pulsstärken oder Bedienungs-/ Betreuungsaufwand, örtliche Variationen können in allen drei Raumrichtungen erfolgen. The invention relates to an electronic circuit for muscle stimulation and a control method.
During muscle stimulation, a series of electrical pulses are delivered to the muscle via external electrodes in contact with the skin, thereby activating the muscle's motor units. Beforehand, relevant parameters such as pulse frequency and/or pulse duration, pulse profile, pulse intervals, etc., are set for the pulse sequence, or a selection is made from pre-defined pulse sequence programs. The pulse intensity can also be adjusted during treatment.
According to the invention, temporal and/or spatial variations of pulse sequences allow for more effective stimulation without increasing pulse strength or operating/care effort; spatial variations can occur in all three spatial directions.

Description

EINLEITUNG UND STAND DER TECHNIKINTRODUCTION AND STATE OF THE ART

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Muskelstimulation, oder auch Neuromuskulären Stimulation, sowie ein zugehöriges Steuerverfahren.The invention relates to an electronic circuit for muscle stimulation, or neuromuscular stimulation, and an associated control method.

Bei der Neuromuskulären Stimulation werden elektrische Signale extern, beispielsweise über Klebeelektroden, an der Haut appliziert und so Muskeln, genauer gesagt deren motorische Einheiten, zu aktivieren.In neuromuscular stimulation, electrical signals are applied externally to the skin, for example via adhesive electrodes, to activate muscles, or more precisely, their motor units.

Bekannte Stimulatoren nutzen meist bipolare Pulse. Bei bipolaren Pulse wird die Stromrichtung umgekehrt, damit im Körper eine Ladungsneutralität (Ionenneutralität) erhalten werden kann. Diese bipolaren Pulse haben Dauern zwischen 20 µs - 500 µs. Die Stromstärken variieren von unter bis wenigen mA bei Transkutaner Elektrischer Nervenstimulation (TENS, für Schmerztherapie und Durchblutung) über 10 mA bis 50 mA bei Elektrischer Muskel-Stimulation (EMS, für Muskelsteuerung und -aufbau), bis zu 50 mA - 200mA bei starker Parese oder Plegie, wo keine rezeptorisches Feedback für Schmerz im Patienten mehr vorhanden ist. Dabei werden diese Pulse mit verschiedenen Frequenzen angewandt. Typischerweise liegen diese Pulse zwischen 1 Hz und 120 Hz. Als „Frequenz“ wird üblicherweise das inverse des Pulsabstandes (in Sekunden) bezeichnet, so dass bereits zwei Pulse eine Frequenz besitzen können. Most common stimulators use bipolar pulses. With bipolar pulses, the current direction is reversed to maintain charge neutrality (ion neutrality) in the body. These bipolar pulses have durations between 20 µs and 500 µs. The current intensities vary from less than a few mA in transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS, for pain therapy and improved circulation), to 10 mA to 50 mA in electrical muscle stimulation (EMS, for muscle control and development), and up to 50 mA to 200 mA in cases of severe paresis or plegia, where the patient no longer has any receptor feedback for pain. These pulses are applied at different frequencies. Typically, these pulses range between 1 Hz and 120 Hz. The "frequency" is usually defined as the inverse of the pulse interval (in seconds), so two pulses can have the same frequency.

Andere Definitionen, wie etwa die Anzahl der Pulse pro Sekunde sind in der Branche ebenfalls üblich.Other definitions, such as the number of pulses per second, are also common in the industry.

Die Pulse werden über Elektroden an der Oberfläche der Haut appliziert. Die am meisten genutzt Elektroden sind Hydrogel-, oder Gel- oder Klebeelektroden mit einer extra gelartigen Schicht, um den Kontakt zur Haut zu verbessern und Impedanzen zu reduzieren. Alternativ dazu stehen Elektroden ohne eine solche Schicht als sogenannte Trockenelektroden zur Verfügung.The pulses are applied to the skin's surface via electrodes. The most commonly used electrodes are hydrogel, gel, or adhesive electrodes with an extra gel-like layer to improve contact with the skin and reduce impedance. Alternatively, electrodes without such a layer, known as dry electrodes, are available.

Typischerweise wird Muskelstimulation in Behandlungen von 20-60 min durchgeführt. Dabei werden häufig vor Behandlungsbeginn die medizinisch relevanten Parameter wie insbesondere Pulsbreite und Frequenz von medizinisch betreuendem Fachpersonal eingestellt, die Stromstärke/Amplitude kann vom Nutzer/Patienten in Echtzeit vor und während der Behandlung situativ angepasst. Alternativ gibt es Geräte mit einer vorgegebenen Auswahl herstellerseitig vorbereiteter Programmsets, in denen Variationen von Amplitude, Frequenz oder Pulsdauer fest voreingestellt sind und die mit verschiedenen medizinischen Indikationen (z.B. Körperpartien und Behandlungsanlass) assoziiert sind. Meist sind diese Programme dazu ausgelegt, einen Muskel für Zeiten zwischen 0.2s und mehreren Sekunden anzuspannen und dann für eine gewissen Zeit wieder zu entspannen. Der aus Nutzersicht wichtigste Parameter ist dabei immer die Stromstärke, viele Geräte bieten dem Nutzer keine Einstellungsmöglichkeiten für Frequenz und Pulsbreite.Muscle stimulation is typically performed in treatments lasting 20-60 minutes. Often, medically relevant parameters, such as pulse width and frequency, are set by medical personnel before the treatment begins. The current intensity/amplitude can then be adjusted by the user/patient in real time before and during the treatment. Alternatively, there are devices with a pre-defined selection of manufacturer-prepared program sets. These programs feature fixed variations in amplitude, frequency, or pulse duration, associated with different medical indications (e.g., body parts and treatment reason). These programs are usually designed to contract a muscle for periods ranging from 0.2 seconds to several seconds and then relax it for a certain time. From the user's perspective, the most important parameter is always the current intensity; many devices do not offer adjustable frequency or pulse width.

Solche Systeme sind seit langem bekannt.Such systems have been known for a long time.

Beispielsweise beschreibt die Patentschrift US6445955B1 ein System zur transkutanen Muskelstimulation mit auswählbaren monopolaren oder bipolaren Wellenformen. Das System beinhaltet Elektroden, ein Elektronikmodul, eine Energieeinheit, und ein Bediener-Interface, und es sieht ähnliche Parametrisierungsmöglichkeiten für Amplitude, Frequenz und Pulsdauer vor, wie sie heute üblich sind.For example, the patent specification describes US6445955B1 A system for transcutaneous muscle stimulation with selectable monopolar or bipolar waveforms. The system includes electrodes, an electronics module, a power unit, and a user interface, and it provides similar parameterization options for amplitude, frequency, and pulse duration as are common today.

Die Dauer von Muskelstimulationsbehandlungen ist dadurch beschränkt, dass diese nach etwa 20-60 min ihre Wirkung verliert oder als ungenehm empfunden wird. Daher müssen Muskelstimulationsbehandlungen beispielsweise nach verletzungsbedingtem Muskelschwund über einen längeren Zeitraum wiederholt werden. Nachteilig hierbei ist insbesondere der hohe Betreuungsaufwand durch medizinisches Fachpersonal, vor allem bei patientenindividuell und situativ angepassten Parametereinstellungen. Und wird versucht, die Wirkung einzelner Muskelstimulationsbehandlungen durch Applikation höherer Strom- und Spannungswerten zu steigern, werden diese als unangenehm empfunden.The duration of muscle stimulation treatments is limited because they lose their effect or are perceived as unpleasant after approximately 20-60 minutes. Therefore, muscle stimulation treatments, for example, after injury-related muscle atrophy, must be repeated over a longer period. A particular disadvantage is the high level of supervision required by medical personnel, especially when parameter settings are individually tailored to the patient and the specific situation. Furthermore, attempts to increase the effect of individual muscle stimulation treatments by applying higher current and voltage levels are often perceived as unpleasant.

Herstellerseitig vorbereitete Programmsets andereseits haben den Nachteil, dass keine patientenindividuelle Einstellmöglichkeiten vorgesehen sind, vielmehr dienen voreingestellte Variationen von Amplitude, Frequenz oder Pulsdauer dazu, im Rahmen pauschal angegebener medizinischer Indikationen ein möglichst breites Verwendungsspektrum abzudecken.On the other hand, manufacturer-prepared program sets have the disadvantage that no patient-specific settings are provided; rather, preset variations of amplitude, frequency or pulse duration serve to cover as broad a range of uses as possible within the framework of generally specified medical indications.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirkung von Muskelstimulationsbehandlungen ohne erhöhten Betreuungsaufwand durch medizinisches Fachpersonal und ohne Applikation höherer Strom- und Spannungswerten zu steigern.One object of the present invention is to increase the effect of muscle stimulation treatments without increased supervision by medical professionals and without applying higher current and voltage values.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Schaltung zur Muskelstimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und durch ein Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen.This problem is solved by an electronic circuit for muscle stimulation according to one of claims 1 to 3 and by a control method according to one of claims 20 to 22. The dependent claims relate to advantageous embodiments and further developments.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Darin, wie auch in den Patentansprüchen, sind Merkmale der Erfindung in speziellen Ausführungsformen und Ausführungsbeispielen und Kombinationen offenbart. Die offenbarten Merkmale lassen sich aber auch einzeln betrachten und zu weiteren Kombinationen oder Unterkombinationen zusammenfassen, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an spezielle Bedürfnisse oder Anwendungsbereiche anzupassen.Further features and advantages will become apparent from the following description and the accompanying figures. These, as well as the patent claims, disclose features of the invention in specific embodiments, exemplary embodiments, and combinations. However, the disclosed features can also be considered individually and combined into further combinations or sub-combinations to adapt the invention, as defined in the claims, to specific needs or areas of application.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

1 An example system diagram.
2A shows a typical placement of stimulation electrodes on the vastus medialis.
2B shows a distribution of motor units in the vastus medialis.
3 shows an illustrative example of stochastically distributed bipolar pulses on a millisecond scale.
4 shows an illustrative example of a bipolar pulse.
5A shows an illustrative example of a stochastic distribution of pulses as a histogram.
5B shows an illustrative example of a stochastic distribution of pulses as a histogram with frequency restriction.
6 shows a typical stimulation pattern for muscle stimulation on a millisecond scale.
7 shows a block diagram of an illustrative example of an electronics system.
8A schematically shows four stimulation electrodes in an exemplary arrangement for the vastus medialis.
8B This shows, by way of example, two different current pathways with different selections of electrode elements from the four stimulation electrodes in the exemplary arrangement for the vastus medialis.
9 shows an illustrative example of decomposing a bipolar signal into 16 micropulses.
10 shows an illustrative example of stimulation with parameter variation of the micropulses, pulse duration and frequency.
11A shows a measured impedance graph for the skin of gelled and dry electrodes.
11B illustrates the effects on impedance when increasing the frequency and when using a hydrogel for contacting.
12A shows an illustrative example of an electronic circuit on a textile substrate.
12B shows an illustrative example of an electronic circuit on a textile substrate with an additional sensor element.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung zur Muskelstimulation ist eine Vorrichtung zum Applizieren von elektrischen Strompulsen über Elektroden mit Hautkontakt zu einem menschlichen Körper.The electronic circuit according to the invention for muscle stimulation is a device for applying electrical current pulses to a human body via electrodes in contact with the skin.

1 zeigt ein beispielhaftes und stark vereinfachtes Systemdiagramm mit den Hauptkomponenten Steuerung 1000, Elektrodenelementen 2000 und Berührflächen 4100 am menschlichen Körper 4000 sowie einer externen Benutzerschnittstelle 5000. Aus Gründen der Vereinfachung in diesem Beispiel nicht gezeigt ist eine dem Umfang der Schaltung zugehörige Bedienoberfläche mit Ausschaltfunktion. 1 Figure 1 shows an exemplary and highly simplified system diagram with the main components: control unit 1000, electrode elements 2000, and contact surfaces 4100 on the human body 4000, as well as an external user interface 5000. For the sake of simplicity, a user interface with a power-off function, which is part of the circuit, is not shown in this example.

2A zeigt ein bekanntes Elektrodenlayout mit zwei Stimulationselektroden 2000 zur Stimulation eines menschlichen Körpers 4000 am Beispiel des vastus medialis. 2A shows a known electrode layout with two stimulation electrodes 2000 for stimulating a human body 4000 using the vastus medialis as an example.

2B zeigt schematisch angedeutet die Form des vastus medialis 4200, sowie die Verteilung von motorischen Einheiten 4300 innerhalb des vastus medialis. Es ist zu erkennen, dass die Verteilung der motorischen Einheiten nicht homgen über den Muskel verteilt ist. Dies gilt im Allgemeinen für alle Muskeln. Motorische Einheiten befinden sich vorzugsweise nicht in den äußeren Bereichen des Muskels. Für den vastus medialis ist die Verteilung deutlich mehr distal-lastig. Motorische Einheiten sind hauptsächlich für den letzten elektrischen Schritt der Muskelaktivierung verantwortlich und werden durch eine externe Muskelstimulation angeregt. 2B Figure 4200 schematically illustrates the shape of the vastus medialis, as well as the distribution of motor units (4300) within the vastus medialis. It can be seen that the distribution of motor units is not homogeneous across the muscle. This is generally true for all muscles. Motor units are not preferentially located in the outer regions of the muscle. For the vastus medialis, the distribution is significantly more distally concentrated. Motor units are primarily responsible for the final electrical step of muscle activation and are stimulated by external muscle stimulation.

Die Elektrodenelemente 2000 dienen der elektrischen Kontaktierung eines Abschnitts der Haut des menschlichen Körpers und besitzen dazu eine elektrisch leitende Schicht an einer Berührfläche, um über dieselbe eine Folge elektrischer Pulse zu applizieren. Vorzugsweise sind die elektrischen Pulse bipolar, um Ladungsneutralität zu gewährleisten und elektrochemische Reaktionen zu minimieren. Zur Erzeugung der Pulse dient eine dafür ausgebildete Steuerung.The electrode elements 2000 serve to electrically contact a section of the skin of the human body and therefore have an electrically conductive layer on a contact surface to apply a series of electrical pulses. Preferably, the electrical pulses are bipolar to ensure charge neutrality and minimize electrochemical reactions. A dedicated control unit is used to generate the pulses.

Bevorzugt sind die Pulse stromgesteuert, d.h. für die Pulse wird ein Stromwert vorgegeben und die Spannung der Pulse hinsichtlich deren Amplitude und/oder Pulsprofil variiert, bis sich der vorgegebene Strom einstellt. Eine stromgesteuerte Schaltung enthält als Elektroden mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode. Anode und Kathode können beide Pulssignale tragen, oder eine der Elektroden kann auf Masse liegen. Preferably, the pulses are current-controlled, meaning that a current value is specified for the pulses, and the voltage of the pulses is varied with respect to their amplitude and/or pulse profile until the specified current is reached. A current-controlled circuit contains at least one cathode and at least one anode as electrodes. Both the anode and cathode can carry pulse signals, or one of the electrodes can be connected to ground.

Bevorzugt dienen eine Strom- und Spannungsbegrenzung als Schutz, dass den Elektroden keine zu hohe Spannungspulse angelegt und keine zu hohe Strompulse zugeführt werden. Weiterhin bevorzugt enthält die elektronische Schaltung einen Mechanismus, um Gleichstrom zu verhindern, beispielsweise einen Hochpassfilter.Preferably, current and voltage limiting serves as protection against excessively high voltage and current pulses being applied to the electrodes. Furthermore, the electronic circuit preferably includes a mechanism to prevent direct current, for example, a high-pass filter.

Die elektronische Schaltung ist mit einer Bedienoberfläche ausgestattet, mit der ein Nutzer oder medizinischer Betreuer in Echtzeit das Zuführen der Strompulse ausschalten und vorzugsweise auch einschalten kann und weiter vorzugsweise die Pulshöhe steuern kann.The electronic circuit is equipped with a user interface that allows a user or medical caregiver to switch off and preferably also switch on the supply of electrical pulses in real time, and preferably also to control the pulse height.

In der vorliegenden Schrift wird mit „Nutzer“ (nachstehend auch „Patient“) eine Person bezeichnet, deren Körper über Hautabschnitte elektrisch kontaktiert wird und die über die Elektrodenelemente eine Folge von Strompulsen empfängt. Im Unterschied dazu wird mit „medizinischer Betreuer“ (nachstehend auch „Betreuer“) eine vom „Nutzer“ verschiedene Person bezeichnet, die Einstellungen hinsichtlich der zuzuführenden Pulsfolge vornehmen kann, ohne diese am eigenen Körper zu empfangen. Beide Personen kommen als Bediener der Bedienoberfläche in Betracht.In this document, "user" (hereinafter also "patient") refers to a person whose body is electrically contacted via sections of skin and who receives a sequence of electrical pulses through the electrode elements. In contrast, "medical caregiver" (hereinafter also "caregiver") refers to a person different from the "user" who can adjust the settings regarding the pulse sequence to be delivered without receiving it on their own body. Both persons are potential operators of the user interface.

Die Abschaltfunktion der Bedienoberfläche dient als „Notfall-Aus“-Schalter sowie zur Bediener-geführten Begrenzung der Behandlungsdauer mit Strompulsen. Über die Einschaltfunktion der Bedienoberfläche kann der Benutzer selbst die Behandlung beginnen, über die Pulshöhensteuerung kann die Intensität der Behandlung in Echtzeit gesteuert werden. Dieses ist beispielsweise vorteilhaft, wenn eine möglichst intensive Behandlung gewünscht wird und es dabei dem Nutzer überlassen sein soll, die Grenzen zur - möglicherweise schmerzhaften - Überlastung des stimulierten Muskels selbst und in Echtzeit zu ziehen.The user interface's off function serves as an "emergency stop" switch and allows for user-guided limitation of the treatment duration with electrical pulses. The user can initiate the treatment themselves via the on function, and the pulse height control allows for real-time adjustment of the treatment intensity. This is advantageous, for example, when the most intensive treatment possible is desired, while allowing the user to set the limits to avoid potentially painful overexertion of the stimulated muscle in real time.

Weitere für die Muskelstimulation relevante Parameter der Pulsfolge können Pulsfrequenz, Pulsdauer, Pulsprofil, Pulspausen und/oder maximale Pulshöhe sein. Zur nutzer-/patienten- und situationsindividuellen Einstellung hinsichtlich wenigstes eines dieser Parameter dient die Einstelleinrichtung. In der Praxis werden besonders häufig Pulsfrequenz und/oder Pulsdauer eingestellt, so auch in einer bevorzugten Ausführungssform der vorliegenden Erfindung. In einer besonders bevorzugten Ausführungssform erlaubt die Einstelleinrichtung das kontinuierlich-lineare oder in diskreten Stufen erfolgende Einstellen von Pulsfrequenz und/oder Pulsdauer, vorzugsweise von Pulsfrequenz und Pulsdauer.Other parameters of the pulse sequence relevant for muscle stimulation can be pulse rate, pulse duration, pulse profile, pulse pauses, and/or maximum pulse amplitude. The adjustment device serves to customize at least one of these parameters to the user/patient and the specific situation. In practice, pulse rate and/or pulse duration are particularly frequently adjusted, as is also the case in a preferred embodiment of the present invention. In a particularly preferred embodiment, the adjustment device allows for continuous-linear or discrete-step adjustment of pulse rate and/or pulse duration, preferably both pulse rate and pulse duration.

Bedienoberfläche und Einstelleinrichtung können gemeinsam oder getrennt implementiert werden. Eine volle gemeinsame Implementierung gewährt vollen Zugang zu allen Funktionen von Bedienoberfläche und Einstellreinrichtung und unterscheidet nicht zwischen Nutzer und Betreuer. Bei einer getrennten Implementierung hingegen können Zugangsmöglichkeiten zu Funktionen von Bedienoberfläche und Einstellreinrichtung für Nutzer und Betreuer unterschiedlich getroffen werden. Realisiert werden kann eine getrennte Implementierung mit getrennter Hardware und/oder gemeinsam genutzter Hardware mit unterschiedlich autorisierten Bedienerzugängen.The user interface and settings can be implemented together or separately. A fully integrated implementation grants full access to all functions of both the user interface and settings, without differentiating between users and administrators. In contrast, a separate implementation allows for different access rights to the functions of the user interface and settings for users and administrators. A separate implementation can be achieved with separate hardware and/or shared hardware with differently authorized user access.

Auch kombinierte Implementierungen sind möglich. Beispielweise kann eine kombinierte Implementierung von Bedienoberfläche und Einstellreinrichtung mit komplexerer Bedienoberfläche durch eine am Körper des Nutzers zu tragende einfach und robust bedienbare Bedienoberfläche ergänzt werden, beispielweise in Form eines einfachen Regelknopfs mit Ein-Aus-Klick am unteren Anschlag. Solche Kombinationen sind auch bei einer vollen gemeinsamen Implementierung von Bedienoberfläche und Einstelleinrichtung und unabhängig von möglicherweise unterschiedlich zu treffenden Zugangsmöglichkeiten für Nutzer und Betreuer vorteilhaft, da komplexere - zum Beispiel mehrparametrige - Einstellungen über die Einstellreinrichtung vor Behandlungsbeginn vorgenommen werden und dazu bestimmt sind, während der Behandlung (Zuführung der Pulsfolge) unverändert gelassen zu werden, wohingegen einfachere Funktionen der Bedienoberfläche, zumindest deren Abschaltfunktion als „Notfall-Aus“-Schalter, bestimmungsgemäß während der Behandlung in Echtzeit zur Verfügung stehen.Combined implementations are also possible. For example, a combined implementation of a user interface and adjustment mechanism with a more complex user interface can be complemented by a simple and robust user interface worn on the user's body, such as a simple control knob with an on/off click at its lower stop. Such combinations are advantageous even with a fully integrated implementation of the user interface and adjustment mechanism, regardless of potentially different access options for users and caregivers. This is because more complex settings—for example, multi-parameter settings—are made via the adjustment mechanism before the start of treatment and are intended to remain unchanged during treatment (pulse sequence delivery), whereas simpler functions of the user interface, at least its shutdown function as an "emergency off" switch, are available in real time during treatment as intended.

Insgesamt kann die Erfindung in verschiedenen Konfigurationen implementiert werden. Die Elektrodenelemente stehen dabei stets in elektrisch leitender Verbindung mit der Steuerung zur Zuführung der Strompulse, Bedienoberfläche und Einstelleinrichtung können jedoch mit der Steuerung per Leitung und/oder Funkverbindung verbunden und untereinander separat oder gemeinsam implementiert sein.Overall, the invention can be implemented in various configurations. The electrode elements are always in an electrically conductive connection with the control unit for supplying the current pulses; however, the user interface and setting device can be connected to the control unit via wired and/or wireless connection and can be implemented separately or together.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Funktionsumfang der Bedienoberfläche auf eine leitungsverbundene Abschaltfunktion beschränkt, weitergehende Funktionen von Bedienoberfläche und/oder Einstelleinrichtung sind in einem oder mehreren externen Vorrichtungen, beispielsweise als Applikation auf einem Computer in einer Arzt- oder Physiotherapeutenpraxis oder auf einem Smartphone eines Benutzers/Patienten bereitgestellt.In one embodiment of the circuit according to the invention, the functionality of the user interface is limited to a wired shutdown function; further wireless functions are not possible. The functions of the user interface and/or setting device are provided in one or more external devices, for example as an application on a computer in a doctor's or physiotherapist's practice or on a user's/patient's smartphone.

Allgemein kann in der erfindungsgemäßen Schaltung der Empfang von Bedienungen und Einstellungen betreffenden Bedienereingaben über eine der Schaltung zugehörige Bediener-Interface-Einrichtung und/oder über eine als Eingabeschnittstelle für extern vorgenommene Bedienereingaben ausgebildete Datenempfangseinrichtung erfolgen.In general, in the circuit according to the invention, the reception of operator inputs relating to operations and settings can be carried out via an operator interface device belonging to the circuit and/or via a data receiving device designed as an input interface for externally made operator inputs.

In einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Pulsfolge während und über die Dauer der Zuführung der Pulsfolge in wenigstens einem von der Einstellung betroffenen Parameter variiert, vorzugweise um einen mittleren Wert des Parameters entsprechend der ihn betreffenden Einstellung.In a first aspect of the invention, the pulse sequence is varied during and over the duration of the supply of the pulse sequence in at least one parameter affected by the setting, preferably by a mean value of the parameter according to the setting relating to it.

Diese Variation dient dazu, ein Ermüden des stimulierten Muskels zu verlangsamen oder zu verhindern und auf diese Weise ohne Erhöung der Pulsamplitude eine effektivere und längere Stimulation zu ermöglichen. This variation serves to slow down or prevent fatigue of the stimulated muscle and thus enable more effective and longer stimulation without increasing the pulse amplitude.

Dabei wird die Pulsfolge hinsichtlich wenigstens einem einschlägig bekannten und medizinisch relevanten Parameter aus der Gruppe von Pulsfrequenz, Pulsdauer, Pulsprofil, Pulspausen und maximaler Pulshöhe vom Nutzer oder medizinischen Fachpersonal eingestellt, mit dem Unterschied, dass der oder die eingestellten Parameter in der zugeführten Pulsfolge nicht exakt befolgt wird/werden, sondern einem mittleren Wert entspricht/entsprechen. Durch die Variation kann bei gleicher Parameterwahl eine gesteigerte Stimulationswirkung erzielt werden, ohne die Komplexität der Bedienung zu erhöhen. Wie im Stand der Technik können Nutzer und/oder medizinisches Fachpersonal situationsbezogen mit vorhandenem Fachwissen spezielle Einstellungen auswählen.The pulse sequence is set by the user or medical professional with respect to at least one well-known and medically relevant parameter from the group of pulse rate, pulse duration, pulse profile, pulse pauses, and maximum pulse amplitude. The difference is that the set parameter(s) are not followed exactly in the delivered pulse sequence, but rather correspond to an average value. This variation allows for an increased stimulation effect with the same parameter selection, without increasing the complexity of operation. As with current technology, users and/or medical professionals can select specific settings based on their existing expertise, depending on the situation.

Ein mittlerer Wert kann das arithmetische Mittel, ein Median, Modus, ein gewichteter Durchschnitt, ein geometrisches Mittel, oder ein harmonisches Mittel sein, und er kann sich auch über mehrere Pulsfolgen ändern. Bevorzugt betrifft die Variation um einen mittleren Wert den Pulsabstand, außerdem bevorzugt und zusätzlich oder alternativ die Pulsbreite.A mean value can be the arithmetic mean, median, mode, weighted average, geometric mean, or harmonic mean, and it can also change over several pulse sequences. Preferably, the variation around a mean value involves the pulse interval; more preferably, and additionally or alternatively, it also involves the pulse width.

Dabei kann der Abstand von dem arithmetischen zeitlichen Mittel zweier Pulse als Pulsabstand und die Frequenz als inverse Einheit dazu definiert werden, auch alternative Definitionen können verwendet werden.The distance from the arithmetic mean of two pulses can be defined as the pulse interval, and the frequency as its inverse unit; alternative definitions can also be used.

3 zeigt beispielhaft eine Abfolge 3200 von Strompulsen zur Muskelstimulation. Wie weiter unten anhand von 4 erläutert wird, liegt eine Folge bipolarer Pulse 3500 vor. Zwischen den einzelnen bipolaren Pulsen 3500 sind Bereiche ohne Pulse dargestellt. Diese Bereiche sind die Pulspausen. In diesem Bespiel sind zwei Pulspausen 3211 und 3212 gezeigt. In diesem Anschauungsbeispiel beträgt die Pulspause 3211 30 ms oder etwa 33,3 Hz. Bei der zweiten Pulspause beträgt die Pulspause 70 ms oder in etwa 14,3 Hz. Außerdem ist die Pulshöhe und damit die Amplitude ablesbar. Diese beträgt hier für jeden Puls 30 mA, bzw. -30 mA. Im Allgemeinen kann sich diese Amplitude auch zwischen den einzelnen Pulsen 3200 unterscheiden. Vorzugsweise kann die Amplitude in Echtzeit vom Nutzer oder medizinischen Betreuer eingestellt werden. 3 This shows an example of a sequence of 3200 electrical pulses for muscle stimulation. As further illustrated below... 4 As explained, a sequence of bipolar 3500 pulses is present. Between each bipolar 3500 pulse, areas without pulses are shown. These areas represent the pulse pauses. In this example, two pulse pauses, 3211 and 3212, are shown. In this illustration, pulse pause 3211 is 30 ms or approximately 33.3 Hz. The second pulse pause has a pulse pause of 70 ms or approximately 14.3 Hz. The pulse height, and thus the amplitude, is also displayed. Here, it is 30 mA or -30 mA for each pulse. Generally, this amplitude can also differ between individual 3200 pulses. Preferably, the amplitude can be adjusted in real time by the user or medical caregiver.

Die 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines der Pulse, vorliegend ein bipolarer Puls 3500. Dieser spezielle bipolare Puls ist symmetrisch und hat damit das gleiche Pulsprofil und die gleiche Amplitude für positive und negative Ströme. Diese kann für bipolare Pulse auch unterschiedlich sein, solange insgesamt eine Ladungsneutralität herrscht. Der dargestellte bipolare Puls hat eine Pulslänge 3220 von 400 µs.The 4 Figure 3 shows an enlarged representation of one of the pulses, in this case a bipolar pulse 3500. This particular bipolar pulse is symmetrical and therefore has the same pulse profile and the same amplitude for positive and negative currents. This amplitude can also differ for bipolar pulses, as long as overall charge neutrality prevails. The bipolar pulse shown has a pulse duration of 400 µs.

Die Variation wird neben dem mittleren Wert durch ein Maß für die Streuung um den mittleren Wert bestimmt. Vorzugsweise ist das Maß für die Streuung die Varianz.The variation is determined not only by the mean value but also by a measure of the dispersion around the mean value. Preferably, the measure of dispersion is the variance.

Die Variation kann stochastisch erfolgen, indem die Variationen beliebigen stochastischen Verteilungen um den mittleren Wert folgen. Die stochastischen Verteilungen können etwa Normalverteilungen, Binomialverteilungen, Poisson-Verteilungen, Uniformverteilungen, oder andere Arten von Verteilungen sein. Diese Verteilungen können zufällig generiert sein, alternativ kann ein festes Set an Zahlen aus einer Verteilung ausgewählt werden und immer wieder über diese Zahlen iteriert werden. Feste Sets enthalten vorzugsweise mindestens 8 verschiedenen ausgewählte Zahlen.The variation can be stochastic, meaning the variations follow any stochastic distribution around the mean value. These stochastic distributions can be, for example, normal distributions, binomial distributions, Poisson distributions, uniform distributions, or other types of distributions. These distributions can be randomly generated, or alternatively, a fixed set of numbers can be selected from a distribution and iterated over repeatedly. Fixed sets preferably contain at least eight different selected numbers.

5A zeigt eine statistische Verteilung als Histogramm. Hierin ist die Verteilung von 2000 zufällig generierten Frequenzen gezeigt. Die Zufallsverteilung ist eine Standardverteilung mit einem Mittelwert von 30 Hz und einer Varianz von 6 Hz. 5A This shows a statistical distribution as a histogram. It depicts the distribution of 2000 randomly generated frequencies. The random distribution is a standard distribution with a mean of 30 Hz and a variance of 6 Hz.

5B zeigt eine andere standardverteilte Statistik mit einem Mittelwert von 30 Hz und einer Varianz von 6 Hz, wobei für Frequenzen unter 20 Hz ein Frequenzschnitt 3600 gemacht worden ist, d.h. alle Frequenzen unter 20 Hz werden für das Pulssignal nicht verwendet. Dies kann den Vorteil haben, bei der Stimulation einen kontinuierlichen Zustand des Muskels wie etwa bei einer Kontraktion zu erzeugen. Zusätzlich kann ein Frequenzschnitt auch für hohe Frequenzen vorgenommen werden, d.h. um Frequenzen oberhalb eines bestimmten Grenzwerts für das Pulssignal nicht zu verwenden. Dies ist hier nicht gezeigt, aber kann ebenfalls Vorteile haben, beispielsweise um Überbelastung gewisser Muskelfasertypen zu vermeiden. 5B Another standard-distributed statistic is shown with a mean of 30 Hz and a variance of 6 Hz, where a frequency cut of 3600 has been made for frequencies below 20 Hz, meaning all frequencies below 20 Hz are not used for the pulse signal. This can have the advantage of providing a continuous signal during stimulation. To simulate a muscle contraction state. Additionally, frequency cutting can also be performed for high frequencies, meaning frequencies above a certain threshold for the pulse signal can be excluded. This is not shown here, but can also have advantages, for example, to avoid overtraining certain muscle fiber types.

Die Varianz kann als skalierte Varianz, d.h. entsprechend einem Prozentsatz des mittleren Wertes, angegeben werden und beträgt bevorzugt weniger als 60%, vorzugsweise maximal 40%.The variance can be expressed as a scaled variance, i.e. as a percentage of the mean value, and is preferably less than 60%, preferably a maximum of 40%.

Beispielsweise hat die Verteilung in 5B einen Mittelwert von 30 Hz, eine Varianz von 6 Hz, und die skalierte Varianz beträgt 20% (=6 Hz/30 Hz).For example, the distribution in 5B a mean of 30 Hz, a variance of 6 Hz, and the scaled variance is 20% (=6 Hz/30 Hz).

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann der Grad der Variation über die Einstelleinrichtung und/oder Bedienoberfläche eingestellt werden. Vorzugsweise erfolgt diese Einstellung linear oder in gekennzeichneten Stufen. Die Variation kann auch 0% betragen und als solche eingestellt werden.In a preferred embodiment of the invention, the degree of variation can be adjusted via the adjustment device and/or user interface. Preferably, this adjustment is linear or in marked steps. The variation can also be set to 0%.

Alternativ und oder zusätzlich kann der Grad der Variation über die Einstelleinrichtung und/oder Bedienoberfläche auch durch Auswahl aus mehreren vorab bestimmten Einstellungen ausgewählt werden erfolgen, wobei eine solche Auswahl mindestens eine erste Einstellung für eine Pulsfolge ohne Variation des Parameters und eine zweite Einstellung für eine Pulsfolge mit Variation eines Parameters enthält.Alternatively and/or additionally, the degree of variation can also be selected via the setting device and/or user interface by choosing from several predefined settings, whereby such a selection includes at least a first setting for a pulse sequence without variation of the parameter and a second setting for a pulse sequence with variation of a parameter.

Weiterhin kann die Verteilung der Variation innerhalb der Pulsfolge aus einer von mehreren zur Auswahl stehenden Verteilungen ausgewählt werden, vorzugsweise über die Einstelleinrichtung und/oder Bedienoberfläche als eine Zahl, die angibt, nach jeweils wieviel Pulsen die Variation stattfindet.Furthermore, the distribution of the variation within the pulse sequence can be selected from one of several available distributions, preferably via the setting device and/or user interface as a number indicating after how many pulses the variation takes place.

Alternativ kann die Variation auch in sich wiederholenden diskreten Schritten, wie etwa einer Dreiecksverteilung stattfinden. Die Schritte können äquidistant sein oder zufällig verteilt.Alternatively, the variation can also occur in repeating discrete steps, such as a triangular distribution. The steps can be equidistant or randomly distributed.

Im konkreten Beispiel aus 5B erfolgt die Variation um einen mittleren Wert, indem aus einer Gauß-Verteilung mit dem mittleren Wert von 30 Hz als Mittelwert und einer relativen Varianz von 20%, was 6 Hz entspricht, als Standardabweichung zufällige Frequenzen gezogen und die Pulsabstände entsprechend verändert werden, wobei eine untere Grenze 3600 für die Frequenzen nicht unterschritten wird.In the specific example from 5B The variation around a mean value is achieved by drawing random frequencies from a Gaussian distribution with a mean value of 30 Hz and a relative variance of 20%, which corresponds to 6 Hz, as the standard deviation, and changing the pulse intervals accordingly, whereby a lower limit of 3600 for the frequencies is not undercut.

Der Grad an Variation der Frequenz, wie sie im Muskel natürlich vorkommen, kann zwischen 10 und 60% betragen. In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform entspricht die relative Variation in etwa derjenigen, welche im Muskel natürlich vorkommt, und wird über Sensorelemente, wie Elektromyografische Sensoren gemessen. Aus den Messignalen werden die Aktivierung und Aktivierungsfrequenzen einzelner motorischer Einheiten errechnet und über eine längere Messung eine Frequenzverteilung bestimmt. Diese Frequenzverteilung wird als Grundlage für die Variation der Frequenz bei der Stimulation genutzt. Dabei kann die mittlere Frequenzverteilung aller motorischer Einheiten eines Muskels genutzt werden, alternativ kann die Frequenzverteilung für jede einzelne motorische Einheit oder für eine Gruppe von mindestens zwei motorischen Einheiten individuell bestimmt und genutzt werden.The degree of frequency variation, as it naturally occurs in muscle, can range from 10 to 60%. In a preferred further embodiment, the relative variation corresponds approximately to that which naturally occurs in muscle and is measured using sensor elements such as electromyographic sensors. From the measurement signals, the activation and activation frequencies of individual motor units are calculated, and a frequency distribution is determined over a longer period of measurement. This frequency distribution is used as the basis for varying the frequency during stimulation. The average frequency distribution of all motor units of a muscle can be used, or alternatively, the frequency distribution can be determined and used individually for each individual motor unit or for a group of at least two motor units.

6 zeigt einen bipolaren Puls 3500 mit einer äquidistanten Frequenz von 20 Hz und äquidistante Pulsabständen 3210 von 50 ms, wie diese heute dem Stand der Technik entspricht und für EMS oder eine dauerhafte Kontraktion eingesetzt werden kann. Anders als bei der erfindungsgemäßen Variationsmethode bleibt der Pulsabstand im Stand der Technik für eine längere Zeit konstant, so dass der Muskel konstant und nicht natürlich variierend aktiviert wird. 6 Figure 3500 shows a bipolar pulse with an equidistant frequency of 20 Hz and equidistant pulse intervals of 50 ms, as is currently considered state of the art and can be used for EMS or sustained contraction. Unlike the variation method according to the invention, the pulse interval remains constant for a longer period in the prior art, so that the muscle is activated constantly and not with natural variation.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Elektronische Schaltung drei oder mehr Elektrodenelemente der bereits zuvor beschriebenen Art sowie eine Bedienoberfläche, um das Zuführen der Strompulse ein- und auszuschalten und deren Pulshöhe zu regulieren, und eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer von der Steuerung den Elektrodenelementen zuzuführenden Pulsfolge hinsichtlich wenigstens eines Parameters aus der Gruppe von Pulsfrequenz, Pulsdauer, Pulsprofil, Pulspausen und maximaler Pulshöhe oder hinsichtlich einer Auswahl unter sich wenigstens in einem dieser Parameter unterscheidenden Pulsfolgenprogrammen.In a second aspect of the invention, an electronic circuit comprises three or more electrode elements of the type already described above, as well as a user interface for switching the supply of current pulses on and off and for regulating their pulse height, and an adjustment device for setting a pulse sequence to be supplied to the electrode elements by the control unit with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse height, or with respect to a selection among pulse sequence programs that differ from each other in at least one of these parameters.

Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Zuordnung von Pulsen zu verschiedenen Elektrodenelementen aus den drei oder mehreren Elektrodenelementen variiert, d.h. variierend ausgewählte Elektrodenelemente werden als aktive Elektroden verwendet. Diese variierende Zuordnung kann zufällig oder einem bestimmten abwechselnden Muster folgend vorgenommen werden und führt zu entsprechend variierenden Stromwegen innerhalb des stimulierten Muskels entsprechend den jeweils als Kathode und Anode verwendeten Elektroden.According to the second aspect of the invention, the assignment of pulses to different electrode elements from the three or more electrode elements is varied; that is, electrode elements are selected and used as active electrodes in varying ways. This varying assignment can be made randomly or according to a specific alternating pattern and leads to correspondingly varying current paths within the stimulated muscle, corresponding to the electrodes used as cathode and anode, respectively.

7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Schaltung mit einer Steuerung 1000 und angrenzenden Modulen, darunter Elektrodenelementen 2000 sowie eine mobile Energiezufuhr 1100, beispielweise in Form einer Batterie, die die Energie für alle Einheiten der elektronischen Schaltung liefert. Die Steuerung 1000 beinhaltet eine zentrale Steuereinheit 1300, beispielsweise einen Mikrocontroller. Mit einem DC-DC-Wandler 1200 wird die Spannung der mobilen Energiequelle 1100 auf die benötigten Spannungen für die Muskelstimulation transformiert. Bevorzugt erzeugen die DC-DC-Wandler positive und negative Spannungen. Alternativ dazu kann eine Einheit eingesetzt werden, welche die Stromrichtung dreht, etwa ein H-Brücke. Die DC-DC-Wandler erzeugen die maximale Spannung und können damit ein Sicherheitsmerkmal darstellen, weil sie die Spannung begrenzen. Beispielsweise kann die Spannung auf 30V begrenzt werden. Für funktionelle Stimulation können aber auch Spannungen im Bereich von 0-120V eingesetzt werden, bei Nutzern/Patienten mit Plegie oder Parese können im Bereich eines dafür regulatorisch vorgegebenen Rahmens noch höhere Spannung verwendet werden. Bevorzugt wird das Stromgesteuerte Signal durch geringere Ströme und Spannungen 3100 gesteuert. 7 shows an exemplary embodiment of the electronic circuit with a controller 1000 and adjacent modules, including electrode elements 2000 and a mobile energy The power supply 1100, for example in the form of a battery, provides energy for all units of the electronic circuit. The control unit 1000 includes a central control unit 1300, for example a microcontroller. A DC-DC converter 1200 transforms the voltage of the mobile power source 1100 to the voltages required for muscle stimulation. Preferably, the DC-DC converters generate positive and negative voltages. Alternatively, a unit that reverses the current direction, such as an H-bridge, can be used. The DC-DC converters generate the maximum voltage and can therefore serve as a safety feature because they limit the voltage. For example, the voltage can be limited to 30V. However, voltages in the range of 0-120V can also be used for functional stimulation; for users/patients with plegia or paresis, even higher voltages can be used within a regulatory framework. Preferably, the current-controlled signal is controlled by lower currents and voltages 3100.

Der funktionale Teil der elektronischen Schaltung, welcher die direkte Signalsteuerung übernimmt, wird als Signalerzeugungseinheit 1600 bezeichnet. Bevorzugt erfolgt eine Steuerung durch eine Spannung. Beispielsweise kann dies ein Digital-Analog-Converter sein, der ein Inputsignal, etwa die gewünschten, d.h. durch Bedienoberfläche und Einstelleinrichtung eingestellten Pulsparameter in ein analoges Ausgangssignal transformiert. Das analoge Ausgangssignal kann bereits dem „Endsignal“ der Elektrostimulationsimpulse entsprechen, oder es kann bevorzugt noch durch eine Elektronische Einheit verändert und oder verstärkt werden. Ist dies der Fall wird das Signal als Steuersignal 3100 bezeichnet.The functional part of the electronic circuit, which handles direct signal control, is designated as the signal generation unit 1600. Preferably, control is achieved via a voltage. For example, this can be a digital-to-analog converter that transforms an input signal, such as the desired pulse parameters set via the user interface and adjustment mechanism, into an analog output signal. The analog output signal can already correspond to the "end signal" of the electrostimulation pulses, or it can preferably be further modified and/or amplified by an electronic unit. In this case, the signal is designated as the control signal 3100.

In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform erfolgt die Wandlung des Steuersignals 3100 zu einem Elektrostimulationspuls 3200 mit dem gewünschten Parameter durch einen Spannungs-Strom-Verstärker 1400. Dieser Strom-Spannungs-Verstärker 1400 hat eine sehr hohe Ausgangsimpedanz, welche höher ist als die Impedanz der Haut in dem verwendeten Frequenzbereich. Im Allgemeinen sollte die Impedanz größer als 1M Ohm sein, optimal im Bereich von Giga Ohm.In the exemplary embodiment shown, the control signal 3100 is converted into an electrical stimulation pulse 3200 with the desired parameter by a voltage-to-current amplifier 1400. This current-to-voltage amplifier 1400 has a very high output impedance, which is higher than the impedance of the skin in the frequency range used. Generally, the impedance should be greater than 1 MΩ, ideally in the gigaohm range.

Entsprechend dem zweiten Aspekt der Erfindung kann der Elektrostimulationspuls 3200 anschließend durch eine Schalteinheit 1500, wie etwa einem Multiplexer geführt werden, um eine sequenzielle Pulsfolge in mehrere unabhängige Pulse 3300 auf mehrere Elektroden aufzuteilen. Die Pulse 3300 fließen dann zu den Elektroden 2000, wo sie auf und in den menschlichen Körper 4000 appliziert werden. Die dargestellte variierende Zuordnung von Pulsen zu verschiedenen Elektroden durch eine Schalteinheit ist spezifisch für den zweiten Aspekt der Erfindung, die übrigen in 7 gezeigten Merkmale und deren Funktion können auch bei der Ausführung anderer Aspekte der Erfindung verwendet werden.According to the second aspect of the invention, the electrical stimulation pulse 3200 can subsequently be guided through a switching unit 1500, such as a multiplexer, to divide a sequential pulse train into several independent pulses 3300 to several electrodes. The pulses 3300 then flow to the electrodes 2000, where they are applied to and into the human body 4000. The illustrated varying assignment of pulses to different electrodes by a switching unit is specific to the second aspect of the invention; the remaining aspects are described in [reference to relevant section]. 7 The features shown and their function can also be used in the implementation of other aspects of the invention.

Unter den angrenzenden Modulen in 7 weiterhin gezeigt ist eine Bedienoberfläche 5100 mit AusschaltFunktion und separat davon eine Einstelleinrichtung, vorliegend gebildet durch eine Kommunikationseinrichtung 1900 wie beispielsweise ein Bluetooth Funkgerät, die zur Drahtloskommunikation und als Eingabeschnittstelle für extern vorgenommene Bedienereingaben ausgebildet ist. Als Eingabegerät für extern vorgenommene Bedienereingaben dient im gezeigten Beispiel ein mobiles Endgerät 5200, auf dem eine entsprechende Applikation implementiert ist. Über eine externe Eingabe kann ein betreuendes Fachpersonal auch remote Parameter oder Programme einstellen.Among the adjacent modules in 7 Also shown is a user interface 5100 with a power-off function and, separately, a settings unit, in this case a communication device 1900 such as a Bluetooth radio, which is designed for wireless communication and as an input interface for externally made operator inputs. In the example shown, a mobile device 5200, on which a corresponding application is implemented, serves as the input device for externally made operator inputs. A support staff member can also remotely adjust parameters or programs via external input.

Ist die Kommunikationseinrichtung 1900 zur bidirektionalen Kommunikatio ausgebildet, so können über die Applikation neben der Eingabe von Einstellungen für Pulse und Variationen auch Daten ausgegeben und visualisiert werden werden, beispielsweise Daten zur Nutzungshistorie der Schaltung oder Sensordaten etwa über gemessene Muskelzustände. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, dass diese Applikation auch mit anderen Applikationen oder Datenmanagementsystemen kommunizieren kann. Beispielsweise kann ein medizinische Betreuer Daten und Pulseinstellungen sehen, kommentieren, abspeichern oder ändern. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Nutzung der elektronischen Schaltung von der elektronischen Schaltung registriert und gespeichert. Bevorzugt werden dabei auch Daten über den Muskelszustand gespeichert. Diese Speicherung kann innerhalb der erfindungsgemäßen Schaltung in einem mit der Steuerung verbundenen Speicher oder über die Applikation in einem externen Speicher erfolgen. Liegen solche gespeicherten Daten vor, kann ein passendes Programm mit den jeweiligen Parametern durch eine Anamnese erstellt werden, die Anamnese kann automatisch erfolgen.If the communication device 1900 is designed for bidirectional communication, the application can be used to input settings for pulses and variations, as well as to output and visualize data, such as data on the circuit's usage history or sensor data, for example, on measured muscle states. Furthermore, this application can also communicate with other applications or data management systems. For example, a medical professional can view, comment on, save, or modify data and pulse settings. In an advantageous embodiment, the electronic circuit registers and stores the circuit's usage. Preferably, data on muscle states are also stored. This storage can occur within the circuit according to the invention in a memory connected to the controller or via the application in an external memory. If such stored data is available, a suitable program with the respective parameters can be created through a patient history, which can be performed automatically.

8A zeigt schematisch vier Stimulationselektroden in einer beispielhaften Rechteck-Anordnung für den vastus medialis. Die 8B zeigt beispielhaft zwei verschiedene Stromwege 3710 und 3720 durch den vastus medialis bei Verwendung von sich kreuzweise gegenüberliegenden Elektrodenelementen. Diese beiden Stromwege sind nicht gleichzeitig aktiv, sondern in zeitlicher Abfolge, bei der sich zeitlich nicht überlappende Impulse auf die einzelnen Elektrodenelemente zugeordnet werden. 8A The figure schematically shows four stimulation electrodes in an exemplary rectangular arrangement for the vastus medialis. 8B Figure 3710 and Figure 3720 exemplify two different current pathways through the vastus medialis using electrode elements positioned in a crisscross pattern. These two pathways are not active simultaneously, but rather sequentially, with non-overlapping pulses being assigned to the individual electrode elements.

Die erfindungsgemäße Variation der Stromwege durch variierende Zuordnung von Pulsen zu verschiedenen Elektrodenelementen erfolgt über die Dauer der Zuführung von Pulsfolgen und dient dazu, ein Ermüden des stimulierten Muskels zu verlangsamen oder zu verhindern und so ohne Erhöhung der Pulsamplitude eine effektivere und längere Stimulation zu ermöglichen. Außerdem wirde durch die asynchrone Aktivierung verschiedener Stromwege eine größere Anzahl von motorischen Einheiten eines Muskels aktiviert und dadurch größere Teile eines Muskels in die Stimulation einbezogen.The variation of the current pathways according to the invention, achieved by varying the assignment of pulses to different electrode elements, occurs over the duration of the pulse sequence delivery and serves to slow down or prevent fatigue of the stimulated muscle, thus enabling more effective and longer-lasting stimulation without increasing the pulse amplitude. Furthermore, the asynchronous activation of different current pathways activates a greater number of motor units within a muscle, thereby including larger portions of the muscle in the stimulation.

Im Beispiel gemäß 8B wird dies dadurch realisiert, dass abwechselnd nur an bestimmte Elektroden Pulse oder eine kurze Pulsfolge angelegt werden, um anschließend an andere Elektrodenelemente Pulse oder Pulsgruppen anzulegen. Durch vielfältige und variierende Zuordnungen von Pulsen zu Elektrodenelementen können entsprechend vielfältige Stromwege erzeugt und variiert werden. In der abgebildeten Elektrodenanordnung beispielsweise können zusätzlich zu den gezeigten sich kreuzenden Stromwegen auch in der Bildebene senkrecht verlaufende Stromwege zwischen den beiden linken Elektroden und zwischen den beiden rechten Elektroden erzeugt werden.In the example according to 8B This is achieved by alternately applying pulses or a short pulse sequence to specific electrodes, followed by applying pulses or pulse groups to other electrode elements. By assigning pulses to electrode elements in a variety of ways, a wide range of current paths can be generated and varied. In the electrode arrangement shown, for example, in addition to the intersecting current paths shown, current paths running perpendicular to the plane of the image can also be generated between the two left electrodes and between the two right electrodes.

Weiterhin können auch mehrere der drei oder mehr Elektrodenelemente zu einer virtuellen Elektrode zusammenschaltet werden, um hierdurch neue Stromwege zu erzeugen. Beispielsweise können in der Elektrodenanordnung der 8 die beiden untere Elektroden zusammengeschaltet und mit nur einer der oberen Elektroden betrieben werden, wobei die Auswahl der oberen Elektrode variiert werden kann.Furthermore, several of the three or more electrode elements can be combined to form a virtual electrode, thereby creating new current paths. For example, in the electrode arrangement of the 8 The two lower electrodes are connected together and operated with only one of the upper electrodes, whereby the selection of the upper electrode can be varied.

Elektroden, die nicht zur Muskelstimulation genutzt werden, können auf eine „schwebende Masse“ gesetzt und damit mit keiner Masse verbunden sein. Kathode und Anode können variiert werden, und/oder zusätzlich auch der Ort der Masse.Electrodes not used for muscle stimulation can be placed on a "floating mass" and thus not connected to any mass. The cathode and anode can be varied, and/or the location of the mass can also be adjusted.

Die Variation der Elektrodenelemente nach dem zweiten Aspekt der Erfindung kann auch zufällig geschehen, in dem aus dem Pool der drei oder mehr Elektroden zufällig zwei Elektroden gezogen werden. Vorzugsweise sind die Elektroden derart angeordnet, dass der veränderte Stromweg zur gleichen funktionalen Wirkung führt.The variation of the electrode elements according to the second aspect of the invention can also occur randomly, by randomly selecting two electrodes from the pool of three or more. Preferably, the electrodes are arranged such that the altered current path leads to the same functional effect.

Die Variation der Stromwege durch variierende Elektrodenzuordnung kann bei fest eingestellten Parametern stattfinden. Beispielsweise kann eine als unverändert eingestellte Pulsfolge einer sich pulsweise ändernden Auswahl von aktiven Elektroden aus den drei oder mehreren Elektrodenelementen zugeordnet werden.Varying the current paths by changing the electrode assignment is possible with fixed parameters. For example, a pulse sequence set as unchanged can be assigned to a pulse-by-pulse selection of active electrodes from the three or more electrode elements.

Alternativ dazu kann zusätzlich zur Variation der aktiven Elektroden die zuzuführende Pulsfolge über die Dauer ihrer Zuführung auch hinsichtlich wenigstens eines Parameters aus der Gruppe von Pulsfrequenz, Pulsdauer, Pulsprofil, Pulspausen und maximaler Pulshöhe oder hinsichtlich einer Auswahl unter sich wenigstens in einem dieser Parameter unterscheidenden Pulsfolgenprogrammen variiert werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obige Beschreibung zum ersten Aspekt der Erfindung auch verwiesen. Die kombinierte zeitliche und örtliche Variation von Pulsfolgen erlaubt es in erhöhtem Maß, ein Ermüden des stimulierten Muskels zu verlangsamen oder zu verhindern, und ermöglicht eine noch effektivere und längere Stimulation ohne Erhöhung der Pulsamplitude.Alternatively, in addition to varying the active electrodes, the pulse sequence to be applied can also be varied over the duration of its application with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse rate, pulse duration, pulse profile, pulse pauses, and maximum pulse amplitude, or with respect to a selection from among pulse sequence programs that differ in at least one of these parameters. To avoid repetition, reference is also made to the above description of the first aspect of the invention. The combined temporal and spatial variation of pulse sequences makes it possible to slow down or prevent fatigue of the stimulated muscle to a greater extent and enables even more effective and longer-lasting stimulation without increasing the pulse amplitude.

Eine veränderliche Verwendung von Elektroden ist in einem anderen Zusammenhang bekannt. Im Stand der Technik sind werden Elektrodenarrays genutzt, um die biologische Diversität auszugleichen. Dies bedeutet, dass bei jedem Menschen eine Elektrodenplatzierung individuell eingestellt werden muss. In der Regel muss diese Einstellung auch bei jedem neuen Anlegen der Elektroden vorgenommen werden. Dieses Problem wird durch ein Sensorarray mit vielen Möglichkeiten umgangen, welche auf die Person und die Nutzung durch manuelle oder automatische Verfahren eingestellt wird. Hierbei erfolgt eine Auswahl an Elektroden aus dem Elektrodenarray, welche die angestrebte Funktion erfüllen, im Unterschied zur vorliegenden Erfindung wird die Auswahl der Elektroden nicht über die Dauer der Pulsbehandlung variiert.A variable electrode placement is known in another context. Prior art uses electrode arrays to compensate for biological diversity. This means that electrode placement must be individually adjusted for each person. This adjustment typically also needs to be made each time the electrodes are reapplied. This problem is circumvented by a sensor array with many possibilities, which can be configured for the individual and for use by manual or automatic processes. Here, a selection is made from the electrode array that fulfills the desired function; unlike the present invention, the selection of electrodes is not varied over the duration of the pulse treatment.

Falls eine automatische Auswahl von Elektroden gemäß dem dargestellten Stand der Technik mehrere äquivalente oder fast äquivalente Elektrodenkonfigurationen als Lösung hat, besteht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, für die Dauer der Pulsfolgenzuführung die Zuführung von Pulsfolgen über diese Konfigurationen zu variieren.If an automatic selection of electrodes according to the prior art described above has several equivalent or nearly equivalent electrode configurations as a solution, one embodiment of the present invention consists in varying the supply of pulse sequences via these configurations for the duration of the pulse sequence supply.

In einem dritten Aspekt der Erfindung betrifft diese eine elektronische Schaltung zur Muskelstimulation mit, in der bereits zuvor beschriebenen Art, mehreren Elektrodenelementen mit jeweils einer elektrisch leitenden Schicht an einer Berührfläche zur elektrischen Kontaktierung eines Abschnitts der Haut des menschlichen Körpers, sowie einer Bedienoberfläche, um das Zuführen der Strompulse ein- und auszuschalten und vorzugsweise deren Pulshöhe zu regulieren. Weiterhin umfasst die elektronische Schaltung zur Muskelstimulation nach dem dritten Aspekt der Erfindung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen, ähnlich wie im zweiten Aspekt der Erfindung, einer von der Steuerung den Elektrodenelementen zuzuführenden Pulsfolge hinsichtlich wenigstens eines Parameters aus der Gruppe von Pulsfrequenz, Pulsdauer, Pulsprofil, Pulspausen und maximaler Pulshöhe oder hinsichtlich einer Auswahl unter sich wenigstens in einem dieser Parameter unterscheidenden Pulsfolgenprogrammen.In a third aspect of the invention, this relates to an electronic circuit for muscle stimulation comprising, in the manner already described, several electrode elements, each with an electrically conductive layer on a contact surface for electrically contacting a section of the skin of the human body, as well as a user interface for switching the supply of current pulses on and off and preferably for regulating their pulse amplitude. Furthermore, the electronic circuit for muscle stimulation according to the third aspect of the invention comprises an adjustment device for setting, similar to that in the second aspect of the invention, a pulse sequence to be supplied to the electrode elements by the control unit with respect to at least one parameter from the group of Pulse rate, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse height, or with regard to a selection among pulse sequence programs that differ in at least one of these parameters.

Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obige Beschreibung zum ersten und zweiten Aspekt der Erfindung auch verwiesen.To avoid repetition, reference is also made to the above description of the first and second aspects of the invention.

Nach dem dritten Aspekt der Erfindung ist die Steuerung dafür ausgebildet, um den mehreren Elektrodenelementen eine Folge vorzugsweise im Zeitmittel über mindestens 1ms ladungsneutraler Strompulse zuzuführen, wobei eine Pulsfolge erste Pulspausen mindestens 5ms langer Dauer zwischen mindestens zwei, vorzugsweise mindstens drei aufeinanderfolgenden Pulsen sowie zweite Pulspausen („Mikropausen“) von zwischen 3µs und 100µs zwischen mindestens 4 und höchstens 400 aufeinanderfolgenden Pulsen („Mikropulsen“) aufweist. Aufeinanderfolgende Pulse, die durch Mikropausen, aber nicht von einer Pulspause größer als 5ms unterbrochen werden, werden als Mikropulsgruppen bezeichnet.According to the third aspect of the invention, the control system is configured to supply a sequence of charge-neutral current pulses, preferably averaging at least 1 ms, to the multiple electrode elements. Each pulse sequence comprises first pulse pauses of at least 5 ms duration between at least two, preferably at least three, successive pulses, and second pulse pauses ("micropauses") of between 3 µs and 100 µs between at least 4 and at most 400 successive pulses ("micropulses"). Successive pulses interrupted by micropauses, but not by a pulse pause longer than 5 ms, are referred to as micropulse groups.

9 zeigt beispielhaft eine Mikropulsguppe 3700 mit einer Pulsdauer 3220 von 350 µs. Die Mikropulsguppe beinhaltet in diesem Beispiel acht positive Mikropulse und acht negative Mikropulsen. Nach jedem Mikropuls 3400 gibt es eine Mikropause 3410. Dabei hat jeder Mikropuls eine Mikropulsdauer 3420. Mikropulsdauer und Mikropause bilden zusammen eine Mikropulsgesamtdauer. Strichliert eingezeichnet und als „Einhüllende“ bezeichnet ist die einhüllende Kurve der Mikropulsgruppe. Strichpunktiert eingezeichnet und als „Skaliert Einhüllende“ ist die auf das Integral vorzeichengleicher Mikropulse oder anschaulich deren Flächensumme. 9 Figure 3 shows an example of a micropulse group 3700 with a pulse duration of 3220 of 350 µs. In this example, the micropulse group contains eight positive micropulses and eight negative micropulses. Each micropulse 3400 is followed by a micropause 3410. Each micropulse has a micropulse duration of 3420. The micropulse duration and micropause together constitute the total micropulse duration. The envelope curve of the micropulse group is shown with a dashed line and labeled "Envelope". The integral of micropulses with the same sign, or intuitively, their sum of areas, is shown with a dotted line and labeled "Scale Envelope".

Nach dem dritten Aspekt der Erfindung werden Mikropulsgruppen der oben beschriebenen Art zur Muskelstimulation verwendet und den Elektrodenelementen zugeführt, und sie können mit Eigenschaften/Parametern beschrieben und über die Einstelleinrichtung eingestellt werden, die sie mit Eigenschaften/Parametern von „kompakten“, d.h. nicht von Mikropausen unterbrochenen Pulsen, wie sie im Stand der Technik zur Verwendung für Muskelstimulation bekannt sind, gemeinsam haben. So haben Mikropulsgruppen eine durch die gesamte Mikropulsgruppe bestimmte Pulsbreite/Pulsdauer und einen Pulsabstand zu anderen Mikropulsgruppen oder kompakten Pulsen, der durch eine Frequenz als Pulsfrequenz wiedergegeben und über die Einstelleinrichtung eingestellt werden kann. Diese Einstellungen für Mikropulsgruppen können, ebenso wie Einstellungen für Mikropulsgruppen hinsichtlich Amplituden, Pulsprofilen und maximaler Pulshöhen, anschaulich als Einstellungen für Einhüllende oder skalierte Einhüllende betrachtet und vom Nutzer oder Betreuer in diesem Sinne verstanden und eingestellt werden.According to the third aspect of the invention, micropulse groups of the type described above are used for muscle stimulation and are supplied to the electrode elements. They can be characterized by properties/parameters and adjusted via the setting device that they share with properties/parameters of "compact" pulses, i.e., pulses not interrupted by micropauses, as known in the prior art for use in muscle stimulation. Thus, micropulse groups have a pulse width/duration determined by the entire micropulse group and a pulse interval to other micropulse groups or compact pulses, which is represented by a frequency as the pulse frequency and can be set via the setting device. These settings for micropulse groups, as well as settings for micropulse groups regarding amplitudes, pulse profiles, and maximum pulse heights, can be intuitively viewed as settings for envelopes or scaled envelopes and understood and set by the user or caregiver accordingly.

10 illustriert Mikropulsgruppen anhand von Beispielen auf verschiedenen Zeitskalen. Für das Verständnis des Diagramms ist zu beachten, dass die Zeitachse nicht durchgängig dargestellt ist, weil bei durchgängier Darstellung die Größenordnungen nicht in einem Schaubild aufzulösen sind. Im dargestellten Beispiel wird die Amplitude der Einfachheit halber bei +- 30 mA konstant gehalten, sie kann in der Praxis vom Nutzer oder Fachpersonal über die Bedienoberfläche eingestellt und verändert werden. 3210 zeigt eine Pulspause, diese beträgt bei Muskelstimulation üblicherweise zwischen 5 ms und 1000 ms. 3220 zeigt eine Pulsbreite, diese beträgt bei Muskelstimulation üblicherweise zwischen 20 µs und 500 µs. Bezugszeichen 3410 zeigt eine Mikropause. Diese beträgt im allgemeinen weniger als 80 µs. Die Figur zeigt zwei Mikropulsgruppen 3701 und 3702 mit verschiedenen Pulsdauern und sowie - strichliert gezeichnet - einen bipolarer Puls 3500. Der bipolare Puls 3500 hat weder Mikropausen noch Mikropulse, sein Profil entspricht der Einhüllenden der Mikropulsgruppe 3701. 10 This illustrates micropulse groups using examples on different time scales. For understanding the diagram, it is important to note that the time axis is not shown continuously because a continuous representation would make it impossible to resolve the orders of magnitude in a single graph. In the example shown, the amplitude is kept constant at ±30 mA for simplicity; in practice, it can be set and changed by the user or specialist via the user interface. Reference symbol 3210 shows a pulse pause, which is typically between 5 ms and 1000 ms for muscle stimulation. Reference symbol 3220 shows a pulse width, which is typically between 20 µs and 500 µs for muscle stimulation. Reference symbol 3410 shows a micropause, which is generally less than 80 µs. The figure shows two micropulse groups 3701 and 3702 with different pulse durations and – shown as a dashed line – a bipolar pulse 3500. The bipolar pulse 3500 has neither micropauses nor micropulses; its profile corresponds to the envelope of micropulse group 3701.

In 9 und 10 sind die Mikropulse als Rechtecke dargestellt. In der Praxis kann davon abgewichen werden, für den dritten Aspekt der Erfindung kommen auch Mikropulsformen mit stetig verlaufenden Flanken und/oder nichtkonstanten Amplituden in Betracht.In 9 and 10 The micropulses are represented as rectangles. In practice, this can be deviated from; for the third aspect of the invention, micropulse shapes with continuously rising edges and/or non-constant amplitudes are also possible.

Entsprechend dem dritten Aspekt der Erfindung werden kompakte Pulse durch Mikropausen in n Mikropulse zerteilt, wobei die Aufteilung vorzugsweise ganzzahlig ist. Die zur Muskelstimulation verwendeten Pulsfolgen enthalten demzufolge Mikropulsgruppen anstelle bekannter („kompakter“) Pulse, oder enthalten Kombinationen von Mikropulsgruppen und bekannten Pulsen. Dabei werden Mikropausen so kurz gewählt, dass einzelne Mikropulse einer Mikropulsgruppe nach Durchgang durch Haut- und andere Gewebeschichten am Ort der motorischen Einheiten nicht mehr zeitaufgelöst, sondern nur noch als Teil eines längeren Pulses wahrgenommen werden. Im Ergebnis wird eine im Zeitmittel ladungsneutrale Mikropulsgruppe wie ein bipolarer Puls wahrgenommen und hat bei Verwendung zur Muskelstimulation vergleichbare physiologischen Effekte wie ein „kompakter Puls“, wenn die mikropausenbedingten Unterbrechungen durch Anpassung von Amplituden und Dauer geeignet kompensiert sind.According to the third aspect of the invention, compact pulses are divided into n micropulses by micropauses, the division preferably being integer. The pulse sequences used for muscle stimulation therefore contain micropulse groups instead of known ("compact") pulses, or contain combinations of micropulse groups and known pulses. Micropauses are chosen to be so short that individual micropulses of a micropulse group, after passing through skin and other tissue layers, are no longer perceived in time at the location of the motor units, but only as part of a longer pulse. As a result, a charge-neutral micropulse group, averaged over time, is perceived like a bipolar pulse and, when used for muscle stimulation, has comparable physiological effects to a "compact pulse" if the interruptions caused by the micropauses are appropriately compensated by adjusting the amplitude and duration.

Vorzugsweise bilden die zuzuführenden Pulse eine Gruppe von Mikropulsen mit Mikropulsdauer von höchstens 80 µs, vorzugsweise in einem Bereich von 1 µs and 20 µs, und mit Mikropausen zwischen aufeinanderfolgenden Mikropulsen von höchstens 80 µs.Preferably, the pulses to be supplied form a group of micropulses with a micropulse duration of at most 80 µs, preferably in a range of 1 µs and 20 µs, and with micropauses. between successive micropulses of at most 80 µs.

Weiterhin vorzugsweise sind die Mikropausen kürzer als die Mikropulsdauer. Es wird aufgrund der Pausen zwischen den Mikropulsen weniger Ladung innerhalb einer Mikropulsgruppe Pulses transportiert als bei „kompakten“ Pulsen. Dieser Effekt kann vorzugsweise durch längere Pulsdauer und/oder höhere Amplituden kompensiert werden.Preferably, the micropauses are shorter than the micropulse duration. Due to the pauses between micropulses, less charge is transported within a micropulse group than with "compact" pulses. This effect can preferably be compensated for by longer pulse durations and/or higher amplitudes.

Die Verwendung vom Mikropulsgruppen hat nachstehend erklärte vorteilhafte Wirkungen:

Verglichen mit „kompakten“, d.h. nicht von Mikropausen unterbrochenen Pulsen dringen Mikropulse aufgrund ihrer höheren Frequenz leichter durch die obersten Hautschichten, und ihre Eindringtiefe ist verschieden von derjenigen kompakter Pulse. Daher können Mikropulsgruppen motorische Einheiten anderer und verschiedener Tiefe aktivieren.

The use of micropulse groups has the following beneficial effects:

Compared to "compact" pulses, i.e., pulses not interrupted by micropauses, micropulses penetrate the uppermost layers of skin more easily due to their higher frequency, and their penetration depth differs from that of compact pulses. Therefore, groups of micropulses can activate motor units at different depths.

Hierdurch ist es auch nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, durch variierenden Eindringtiefen ein Ermüden des stimulierten Muskels zu verlangsamen oder zu verhindern und auf diese Weise ohne Erhöhung der Pulsamplitude eine effektivere und längere Stimulation zu ermöglichen.According to the third aspect of the present invention, this also makes it possible to slow down or prevent fatigue of the stimulated muscle by varying the penetration depths, and thus to enable more effective and longer stimulation without increasing the pulse amplitude.

Eine weitere und sehr vorteilhafte Wirkung von Mikropulsgruppen besteht darin, dass das leichtere Eindringen durch die obersten Hautschichten in menschliches Gewebe die Impedanz der Kontaktierung und damit benötigte elektrische Spannungen reduziert.Another very advantageous effect of micropulse groups is that the easier penetration through the uppermost layers of skin into human tissue reduces the impedance of the contact and thus the required electrical voltages.

Um diesen Effekt zu verdeutlichen, zeigt 11A ein beispielhaft gemessenes Impedanzspektrum der Haut in doppel-logarithmischer Darstellung für zwei verschiedene Elektrodentypen. Als ersten Elektrodentyp wurden handelsübliche AgAgCl-Klebeelektroden verwendet, bei denen die Kontaktierung über ein als Elektrolyt wirkendes Hydrogel erfolgt. Als zweiten Elektrodentype wurden Trockenelektroden, d.h. ohne Elektrolyt und Gel, verwendet, deren elektrisch leitende Schichten an Berührflächen zur Haut durch leitfähige Tinten gebildet sind, die per Siebdruck und nachfolgendem Trocknen und Aushärten hergestellt waren.To illustrate this effect, shows 11A An exemplary measured impedance spectrum of the skin in a double-logarithmic plot for two different electrode types. The first electrode type used were commercially available AgAgCl adhesive electrodes, where contact is achieved via a hydrogel acting as the electrolyte. The second electrode type consisted of dry electrodes, i.e., without electrolyte or gel, whose electrically conductive layers at the skin contact surfaces are formed by conductive inks produced by screen printing followed by drying and curing.

Solche Impedanzspektren hängen nicht nur von Elektrodentypen ab, sondern können beispielsweise für verschiedene Personen und verschiedene Körperstellen gleicher Personen deutlich verschieden sein und auch stark von weiteren Begleitumständen der Kontaktierung wie Luftfeuchtigkeit, Tagesform/Körperschweiß des Nutzers/Patienten oder Andruck der Elektroden an die Haut abhängen. Allerdings ist allen Impedanzspektren gemeinsam, dass die Impedanz mit zunehmender Frequenz bis zu einem Frequenzwert von zumeist etwa 1 MHz sinkt und für noch höhere Frequenzen kaum noch abnimmt.Such impedance spectra depend not only on electrode type, but can also vary significantly for different individuals and different body parts of the same person, and are also strongly influenced by other contact conditions such as humidity, the user's/patient's daily condition/perspiration, or the pressure of the electrodes against the skin. However, all impedance spectra share the characteristic that the impedance decreases with increasing frequency up to a frequency value of approximately 1 MHz and hardly decreases at even higher frequencies.

Zur Verdeutlichung der Stärke dieses Effekts sind in 11B Hilfslinien in die Impedanzspektrum von 11A eingezeichnet, um den Einfluss einer Verzehnfachung der Frequenz auf die Impedanz zu veranschaulichen. Wird beispielsweise ein bipolarer Puls der Frequenz von 2 kHz in kürzere Pulse (Mikropulse) zerlegt und hierdurch eine Frequenzerhöhung auf 20 kHz bewirkt, so kann die für Trockenelektroden gemessene Impedanz von 21 kOhm auf 4.5 kOhm reduziert werden. Damit ist die Impedanz der Trockenelektrode mit 4.5 kOhm geringer als die Impedanz der Hydrogel-Elektrode ohne den Mechanismus der Mikropulse mit 10 kOhm.To illustrate the strength of this effect, in 11B Guide lines in the impedance spectrum of 11A The diagram illustrates the effect of a tenfold increase in frequency on impedance. For example, if a bipolar pulse with a frequency of 2 kHz is decomposed into shorter pulses (micropulses), thereby increasing the frequency to 20 kHz, the impedance measured for dry electrodes can be reduced from 21 kΩ to 4.5 kΩ. Thus, the impedance of the dry electrode at 4.5 kΩ is lower than the impedance of the hydrogel electrode without the micropulse mechanism, which is 10 kΩ.

Zu hohe Impedanzen stellen bei der Muskelstimulation ein enormes Problem dar, wenn Strompulse nicht mehr so gut übertragen werden können und stromgesteuerte Amplituden immer höhere Spannungen benötigen. Solche Probleme treten insbesondere bei Trockenelektroden auf, da diese von vornherein mit höheren Impedanzwerten einhergehen und in stärkerem Maß den Einflüssen der vorgenannten Begleitumstände der Kontaktierung (Luftfeuchtigkeit, Tagesform/Körperschweiß, Andruck der Elektroden) unterliegen. Dieses macht verständlich, warum beim aktuellen Stand der Technik in der Praxis der Muskelstimulation gegelte Elektroden bevorzugt werden.Excessively high impedance poses a significant problem in muscle stimulation, as it hinders the effective transmission of electrical pulses and necessitates increasingly higher voltages for current-controlled amplitudes. Such issues are particularly prevalent with dry electrodes, which inherently exhibit higher impedance values and are more susceptible to the aforementioned contact-related factors (humidity, daily condition/perspiration, electrode pressure). This explains why, with current technology, gel-coated electrodes are the preferred choice for muscle stimulation in practice.

Wie aus der 11B ersichtlich ist, ist die Verwendung von Mikropulsen nicht nur bei Trockenelektroden, sondern auch bei gegelten Elektroden vorteilhaft, da zur Erzeugung von Strompulsen vorgegebener Amplitude bei geringeren Impedanzen geringere Spannungspulse genügen. Infolge dessen sind bei Verwendung von Mikropulsen zur Muskelstimulation auch die benötigten elektrischen Leistungen geringer, was insbesondere am Körper getragenen Systemen mit mobilen Energiespeichern (Batterie) längere Betriebsdauern und/oder geringere Anforderungen an die Größe des Energiespeichers ermöglicht.As from the 11B As is evident, the use of micropulses is advantageous not only with dry electrodes but also with gel electrodes, since lower voltage pulses are sufficient to generate current pulses of a predetermined amplitude at lower impedances. Consequently, when using micropulses for muscle stimulation, the required electrical power is also lower, which allows for longer operating times and/or reduces the size requirements of the energy storage device, particularly for body-worn systems with mobile energy storage (battery).

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann über die Einstelleinrichtung eingestellt werden, ob und optional wie viele erste Pulspausen in der Pulsfolge unmittelbar aufeinanderfolgen, d.h. ob und wie oft hintereinander auch kompakte, d.h. nicht von Mikropausen unterbrochene Pulse auftreten. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn über die Einstelleinrichtung die Dauer zweiter Pulspausen und/oder deren relative Häufigkeit im Verhältnis zu ersten Pulspausen geändert werden kann. Diese kann beispielsweise durch Eingabe einer Anzahl an Mikropulse erfolgen, in die die bipolaren Pulse aufgeteilt werden.In an advantageous embodiment, the setting device can be used to determine whether, and optionally how many, initial pulse pauses in the pulse sequence follow each other immediately, i.e., whether and how often compact pulses, i.e., pulses not interrupted by micropauses, occur consecutively. It is further advantageous if the setting device allows the duration of secondary pulse pauses and/or their relative frequency compared to initial pulse pauses to be changed. This can be achieved, for example, by inputting a number of micropulses into which the bipolar pulses are divided.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Mikropulse und die Anzahl der Mikropulse pro Mikropulsgruppe automatisch variiert, während die für die Muskelstimulation relevante Frequenz, d.h. die Periodizität von Mikropulsgruppen (und kompakten Pulsen) unverändert bleibt. Dazu erzeugt die erfindungsgemäße Schaltung beispielsweise eine Pulsfolge, in der mehrere erste Pulspausen gleiche Dauer und gleichen zeitlichen Abstand zur nächsten ersten Pulspause haben. In den Mikropulsgruppen zwischen aufeinanderfolgenden ersten Pulspausen haben die Mikropausen jeweils gleiche Dauer und gleichen zeitlichen Abstand; aber die Pulsfolge enthält Mikropulsgruppen mit verschiedener Anzahl an Mikropausen. Dafür ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Grad und die Ausgestaltung einer solchen automatischen Variation über die Einstelleinrichtung eingestellt werden kann.In a further advantageous embodiment, the micropulses and the number of micropulses per micropulse group are automatically varied, while the frequency relevant for muscle stimulation, i.e., the periodicity of micropulse groups (and compact pulses), remains unchanged. For this purpose, the circuit according to the invention generates, for example, a pulse sequence in which several first pulse pauses have the same duration and the same time interval to the next first pulse pause. In the micropulse groups between successive first pulse pauses, the micropauses each have the same duration and the same time interval; however, the pulse sequence contains micropulse groups with a different number of micropauses. It is further advantageous if the degree and configuration of such automatic variation can be adjusted via the setting device.

Mit automatisch variierenden Mikropulsen und automatisch variierender Anzahl von Mikropulse oder Mikropausen pro Mikropulsgruppe variiert automatisch auch die Frequenz der Mikropulse und damit die Impedanz, d.h. beim Zuführen einer solchen Pulsfolge variiert ein Verhältnis zwischen Spannung und Strom oder, im Falle einer Stromsteuerung, eine Spannung. Aufgrund der vorgenannten Vorteile geringer Impedanz kann auf dieser Basis eine vorteilhafte Einstellung für die Zerlegung von Pulsen in Mikropulsgruppen, z.B. Anzahl Pulse je Mikropulsgruppe getroffen und im weiteren verwendet werden. Dieses Vorgehen kann beispielweise zu Beginn einer Muskelstimulationsbehandlung durchgeführt und optional periodisch und/oder beim Auftreten von Kontaktierungsproblemen wiederholt werden.With automatically varying micropulses and an automatically varying number of micropulses or micropauses per micropulse group, the frequency of the micropulses and thus the impedance also vary automatically. This means that when such a pulse sequence is applied, the ratio between voltage and current, or, in the case of current control, the voltage itself, varies. Due to the aforementioned advantages of low impedance, a beneficial setting for decomposing pulses into micropulse groups, e.g., the number of pulses per micropulse group, can be established and subsequently used. This procedure can be performed, for example, at the beginning of a muscle stimulation treatment and optionally repeated periodically and/or when contact problems occur.

VORTEILAHFTE WEITERENTWICKLUNGENADVANTAGEOUS FURTHER DEVELOPMENTS

Die vorliegenden Erfindung kann mit allen für die Muskelstimulation gebräuchlichen Arten von Elektroden ausgeführt werden, sowohl mit Hydrogel-, oder Gel- oder Klebeelektroden als auch mit Trockenelektroden. Bei Verwendung von Trockenelektroden ist die Impedanzwirkung gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung von besonderem Vorteil.The present invention can be implemented with all types of electrodes commonly used for muscle stimulation, including hydrogel, gel, adhesive, and dry electrodes. When using dry electrodes, the impedance effect according to the third aspect of the present invention is particularly advantageous.

Da Trockenelektroden als solche nicht an der Haut anhaften, ist eine Positioniervorrichtung erforderlich, um deren elektrisch leitende Schichten an den Berührflächen zum menschlichen Körper in einer zur Muskelstimulation erforderlichen Position zu halten. Als Positioniervorrichtung kommen mehrere Vorrichtungen in Betracht, beispielsweise ein Gurt, eine Bandage, ein eng am Körper anliegendes Kleidungsstück oder ein Gipsverband. Ebenso in Betracht kommt eine Trockenelektrode auf einem Träger, beispielweise einem textilen Träger, der von einem Gurt, einer Bandage, einem eng am Körper anliegendens Kleidungsstück oder einem Gipsverband in erforderlicher Position zu halten.Since dry electrodes do not adhere to the skin on their own, a positioning device is required to hold their electrically conductive layers in the position necessary for muscle stimulation at the contact points with the human body. Several devices can serve as positioning aids, such as a belt, a bandage, a close-fitting garment, or a plaster cast. Alternatively, a dry electrode mounted on a carrier, such as a textile carrier, can be held in the required position by a belt, bandage, close-fitting garment, or plaster cast.

Da Muskelstimulationsbehandlungen oft wiederholt werden, ist es zweckmäßig, wenn die Positioniervorrichtung nicht nur zum Inpositionhalten der Elektroden ausgebildet ist, sondern zum Inpositionbringen und -halten. Besonders zweckmäßig dafür ist es beispielsweise, wenn sich die Elektrodenelemente ortsfest integriert auf einem zum Tragen am menschlichen Körper ausgebildeten textilen Trägermaterial befinden und dieses so ausgebildet ist, dass beim Tragen am menschlichen Körper die Berührflächen der Elektrodenelemente in berührendem Kontakt mit verschiedenen Abschnitten der Haut des menschlichen Körpers in Bereichen des zu stimulierenden Muskels stehen.Since muscle stimulation treatments are often repeated, it is advantageous if the positioning device is designed not only to hold the electrodes in position, but also to position and hold them. It is particularly advantageous, for example, if the electrode elements are permanently integrated onto a textile carrier material designed for wear on the human body, and if this carrier material is designed so that, when worn, the contact surfaces of the electrode elements are in contact with various sections of the skin in the areas of the muscle being stimulated.

Elektrodenelemente werden auf textilen Trägermaterialien vorzugsweise so angeordent, dass Strompfade der Stimulationspulse ganz oder in großen Teilen durch den jeweils zu stimulierenden Muskel verlaufen. Hierunter können Elektrodenplatzierungen gewählt sein, mit denen möglichst nur motorische Einheiten eines Muskels aktiviert werden.Electrode elements are preferably arranged on textile carrier materials such that the current paths of the stimulation pulses run entirely or largely through the muscle to be stimulated. Electrode placements can be selected to activate as few motor units of a muscle as possible.

Sollen durch den Muskel verschiedene Strompfade in verschiedene Richtungen verwirklicht werden, so können wenigstens zwei der drei oder mehreren Elektrodenelementen in einer ersten Richtung und zwei der drei oder mehreren Elektrodenelementen in einer zweiten Richtung verschieden angeordnet sein, beispielsweise in den Richtungen lateral-medial und distal-proximal. Jedenfalls sind erste und zweite Richtungen bevorzugt untereinander verschieden und spannen eine Fläche auf, in der einfachsten Version mit drei Elektrodenelementen ein Dreieck.If different electrical pathways are to be created through the muscle in different directions, at least two of the three or more electrode elements can be arranged differently in a first direction and two of the three or more electrode elements in a second direction, for example, in the lateral-medial and distal-proximal directions. In any case, the first and second directions are preferably different from each other and span an area, in the simplest version with three electrode elements, a triangle.

Die Berührfläche der elektrischen Schaltung ist der Schnittbereich zwischen der elektrischen Schaltung und der Haut und hat eine Mindestgröße von 1mm² je Elektrode.The contact area of the electrical circuit is the interface between the electrical circuit and the skin and has a minimum size of ^1mm² per electrode.

Ist das textile Trägermaterial ein eng anliegendes Kleidungsstück, so kann die Berührfläche eine Größe bis maximal zur Größe der anatomischen Struktur, etwa des Beins haben. Vorzugsweise hat eine Berührfläche für die Muskelstimulation eine Größe zwischen 600mm² und 10000mm² für einzelne Stimulations-Elektroden und 50mm² und 900 mm² für Elektroden-Arrays.If the textile carrier material is a close-fitting garment, the contact area can be up to the size of the anatomical structure, such as the leg. Preferably, a contact area for muscle stimulation has a size between 600 ^mm² and 10,000 ^mm² for individual stimulation electrodes and between 50 ^mm² and 900 ^mm² for electrode arrays.

Um zu berücksichtigen, dass verschiedene Nutzer/Patienten verschiedenen Körperbau haben und Stimulationselelektroden an entsprechend individuell verschiedenen Positionen anzuordnen sind, ist es möglich, in textilen Trägermaterialien Elektroden an vielen verschiedenen Positionen vorzuhalten und unter diesen eine an den jeweiligen Körperbau des Nutzers/Patienten individuell angepasst Auswahl der zur Muskelstimulationsbehandlung zu verwendenden Elektroden vorzunehmen. In einem solchen Fall können Elektrodenelemente auch ganz oder teilweise auf anderen, nicht zu stimulierenden Muskeln sitzen.To take into account that different users/patients have different body types and that stimulation electrodes need to be positioned in correspondingly different individual positions, it is possible to have electrodes in many different positions within textile carrier materials. and from these, a selection of electrodes to be used for muscle stimulation treatment is made that is individually adapted to the user's/patient's specific body structure. In such a case, electrode elements can also be placed wholly or partially on other muscles that are not to be stimulated.

Eine solche Anordung ist auch für die Ausführung der vorliegenden Erfindung möglich.Such an arrangement is also possible for the implementation of the present invention.

Wird die vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem textilem Träger ausgeführt, so kann die elektronische Schaltung auf ihrer Berührfläche außer dem Elektrodenelementen auch isolierende Schichten sowie weitere Elemente enthalten wie etwa Sensoren und/oder Aktoren, beispielsweise Spektrometer und/oder LEDs. Insbesondere können neben oder zwischen den Elektrodenelementen ein oder mehrere Sensorelemente platziert sein, vorzugweise ebenfalls in berührendem Hautkontakt.When the present invention is implemented in conjunction with a textile substrate, the electronic circuit can, in addition to the electrode elements, also contain insulating layers and other elements such as sensors and/or actuators, for example spectrometers and/or LEDs, on its contact surface. In particular, one or more sensor elements can be placed next to or between the electrode elements, preferably also in contact with the skin.

Die Sensoren dienen dazu, Daten und Informationen über den menschlichen Nutzer zu messen, vorzugsweise einen oder mehrere Zustände des Muskels. Diese Zustände können die Temperatur, der SPO2-Wert, ein elektromyografisches Signal, alle ExG-Signale (EMG, EIS, EEG, EOG, ...), Impedanzen, Vibrationen, Bewegungen, Pulssignale, Herzsignale, chemische und biologische Stoffe im Schweiß oder ähnlichem sein und gemessen werden. Die Sensorsignale können dazu genutzt werden, um Einstellungen hinsichtlich der von der Steuerung den Elektrodenelementen zuzuführenden Pulsfolge vorzunehmen oder zu ändern.The sensors are used to measure data and information about the human user, preferably one or more muscle states. These states can include temperature, SpO2 value, electromyographic signals, all ExG signals (EMG, EIS, EEG, EOG, etc.), impedances, vibrations, movements, pulse signals, heart signals, chemical and biological substances in sweat, or similar substances. The sensor signals can be used to adjust or modify the pulse sequence delivered to the electrode elements by the controller.

Je nach zu messendem Zustand können Elektrodenelementen im elektrisch leitenden Kontakt mit der Haut oder andere Sensoren zum Einsatz kommen. Auch ist es möglich, die Elektrodenelemente der erfindungsgemäßen Schaltung außerhalb der Muskelstimulation als Sensoren zu verwenden. Beispielsweise kann mithilfe von Elektrodenelementen der erfindungsgemäßen Schaltung und/oder zusätzlichen Elektroden als Sensoren die elektrische Muskelaktivität und/oder die elektrische Muskelaktivität der motorischen Einheiten des stimulierten Muskels erfasst und hieraus die Frequenzverteilung der erfassten Muskelaktivität bestimmt auf dieser Basis Einstellungen hinsichtlich der von der Steuerung den Elektrodenelementen zuzuführenden Pulsfolge vorzunehmen oder zu ändern. Dazu kann beispielsweise das elektromyographische Signal mit einzelnen Sensoren oder Sensorarrays gemessen werden. Aus dem Signal wird dann die Aktivierung einzelner motorischer Einheiten bestimmt und aus der Aktivierung wird deren Aktivierungsfrequenz berechnet. Über einen geeigneten Zeitraum kann daraus eine Frequenzverteilung erlangt werden. Diese Frequenz entspricht der natürlichen Variation, wie Muskeln angesteuert werden. Vorteilhafterweise wird diese Aktivierungsverteilung als Verteilung für Steuerung der Pulsfolge genutzt.Depending on the condition to be measured, electrode elements in electrically conductive contact with the skin or other sensors can be used. It is also possible to use the electrode elements of the circuit according to the invention as sensors outside of muscle stimulation. For example, the electrical muscle activity and/or the electrical muscle activity of the motor units of the stimulated muscle can be detected using electrode elements of the circuit according to the invention and/or additional electrodes as sensors. From this, the frequency distribution of the detected muscle activity can be determined, and settings regarding the pulse sequence supplied to the electrode elements by the controller can be adjusted or changed based on this. For this purpose, the electromyographic signal can be measured with individual sensors or sensor arrays. The activation of individual motor units is then determined from the signal, and their activation frequency is calculated from the activation. A frequency distribution can be obtained from this over a suitable period. This frequency corresponds to the natural variation in how muscles are activated. Advantageously, this activation distribution is used as the distribution for controlling the pulse sequence.

Alternativ oder zusätzlich dazu können verschiedene Aktivierungsverteilungen bei verschiedener Beanspruchung der Muskeln gemessen und je nach Zweck der Muskelstimulation eine passende Aktivierungsverteilung gewählt werden.Alternatively or additionally, different activation distributions can be measured under different stress on the muscles, and a suitable activation distribution can be selected depending on the purpose of the muscle stimulation.

Andere vorteillhafte WeiterentwicklungenOther advantageous developments

Vorzugsweise kann die erfindungsggemäße elektronische Schaltung eine Einhrichtung haben, welche Hautimpedanz messen und bei zu hohen Werten die Stimulation unterbinden und/oder feststellen kann, wenn kein Kontakt der Berührfläche mit der menschlichen Haut stattfindet.Preferably, the electronic circuit according to the invention can have a device which can measure skin impedance and, if the values are too high, can prevent stimulation and/or detect when there is no contact between the contact surface and human skin.

In einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsggemäße elektronische Schaltung mehrere unabhängige Gruppen von zusammengehörenden Elektrodenelementen mit oben beschriebenen Merkmalen haben. Beispielsweise kann eine zusammengehörende Elektrodengruppe einen Muskel des Quadriceps stimulieren, während parallel oder im Wechsel hierzu eine andere zusammengehörende Gruppe Muskeln des Unterschenkels stimuliert. Eine solche Anordung ist vorteilhaft, wenn im Rahmen einer gemeinsamen Behandlung verschiedener Muskeln verkürzt werden kann. In a further embodiment, the electronic circuit according to the invention can have several independent groups of related electrode elements with the features described above. For example, one related electrode group can stimulate a quadriceps muscle, while in parallel or alternately another related group stimulates muscles of the lower leg. Such an arrangement is advantageous when shortening of various muscles can be achieved as part of a combined treatment.

In einer bevorzugten Anwendung wird die elektronische Schaltung zur Atrophie-Verminderung eingesetzt und die erfindungesgemäße Variation dazu genutzt, um alle motorischen Einheiten möglichst gleichmäßig anzuregen.In a preferred application, the electronic circuit is used to reduce atrophy, and the variation according to the invention is used to stimulate all motor units as evenly as possible.

In einem anderen bevorzugten Anwendung wird die elektronische Schaltung für Funktionelle Elektrische Stimulation (FES) genutzt, um Bewegung wieder herzustellen. Dabei werden Parameter für die auszuführende Bewegung vorgegeben, darunter hauptsächlich die Einhüllende Form der Pulshöhen über mehrere Pulse hinweg. Die erfindungesgemäße Variation dient bei FES dazu, ein vermdiebares vorzeitiges Ermüden des stimulierten Muskels durch einseitige Überbelastungen zu vermeiden.In another preferred application, the electronic circuit for functional electrical stimulation (FES) is used to restore movement. Parameters for the movement to be performed are specified, primarily the enveloping shape of the pulse amplitudes over several pulses. The variation according to the invention serves, in FES, to prevent avoidable premature fatigue of the stimulated muscle due to unilateral overexertion.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Schaltung für Parkinson-Patienten eingesetzt.In a preferred embodiment, the circuit is used for Parkinson's patients.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEXAMPLES OF EXECUTION

Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment

12A zeigt ein illustratives Beispiel eines textilen Trägermaterials, vorliegend eine kurze Hose 6000 in stilisierter Darstellung und ohne Wiedergabe ihres am Körper anliegenden Charakters. Ebenfalls in stilisierter Darstellung zeigt die Abbildung vier im Rechteck im Bereich des vastus medialis angeordnete Elektroden 2000, und zwar strichliert, da sie sich für einen berührenden Hautkontakt auf der Textilinnenseite befinden. Die Elektroden sind Trockenelektroden der im Zusammenhang mit 11 beschriebenen Art und durch ein additives Verfahren der gedruckten Elektronik hergestellt. Die Größe der elektrisch leitenden Schichten auf den Berührflächen der Elektroden haben eine Größe von 1600mm². 12A shows an illustrative example of a textile carrier material, in this case a pair of shorts. 6000 in a stylized representation and without depicting their close contact with the body. Also in a stylized representation, the figure shows four electrodes 2000 arranged in a rectangle in the region of the vastus medialis, shown with dashed lines because they are located on the inside of the textile for direct skin contact. The electrodes are dry electrodes associated with 11 The described type is manufactured using an additive manufacturing process in printed electronics. The electrically conductive layers on the electrode contact surfaces have a size of 1600 ^mm² .

Ebenfalls strichliert dargestellt sind elektrische Zuleitungen 2100, die die Elektroden 2000 mit der Steuerung 1000 verbinden und ebenfalls durch ein additives Verfahren der gedruckten Elektronik hergestellt sind.Also shown in dashed lines are electrical leads 2100, which connect the electrodes 2000 to the control unit 1000 and are also manufactured using an additive manufacturing process of printed electronics.

Die Steuerung 1000 zur Zuführung der Pulsfolge zu den Elektroden ist wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben aufgebaut und befindet sich zusammen mit einer Batterie 1100, einem DC-DC-Wandler und einem Bluetooth Low Energy Funkgerät in einer spritzwasserdichten Kunststoffkapsel auf einer Außenseite des Textils außen am Oberschenkel. Das Bluetooth Low Energy Funkgerät ermöglicht Datenkommunikation mit einm Smartphone, auf dem Bedienoberfläche und Einstelleinrichtung gemeinsam als Applikation implementiert sind und das als Bedien-Interface eine Ein-/Aus-Schaltfunktion, einen Pulshöhenregler und einen Einstellbildschirm für mittlere Pulsfrequenz und skalierte Varianz derselben für Nutzer und Betreuer zur Verfügung stellt.The control unit 1000 for supplying the pulse sequence to the electrodes is, as in connection with 7 The device, as described, is constructed and, together with an 1100 mAh battery, a DC-DC converter, and a Bluetooth Low Energy radio, is housed in a splash-proof plastic capsule on the outer side of the textile, located on the thigh. The Bluetooth Low Energy radio enables data communication with a smartphone, on which the user interface and settings are implemented as a single application. This application provides the user and caregiver with an on/off switch, a pulse rate control, and a screen displaying the mean pulse rate and its scaled variance.

Entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaltung dafür ausgebildet, über die Dauer der Zuführung der Pulsfolgen die Zuordnung von Pulsen zwischen den verschieden vier Elektrodenelementen regelmäßig alle zehn Pulse zwischen sich jeweils diagonal gegenüberliegenden Elektrodenpaaren zu variieren, so dass jeweils zwei sich kreuzweise gegenüberliegende Elektroden als Kathode und Anode „aktiv“ sind und die beiden übrigen Elektroden auf schwebende Masse gesetzt sind und inaktiv sind. Auf diese Weise werden zwei verschiedene, wie in 8A schematisch dargestellt, sich in der Aufsicht kreuzende und alle zehn Pulse wechselnde Strompfade zu erzeugen.According to the second aspect of the present invention, the circuit is designed to regularly vary the assignment of pulses between the four different electrode elements every ten pulses during the pulse train supply, between diagonally opposite electrode pairs, so that two crosswise opposite electrodes are "active" as cathode and anode, and the two remaining electrodes are suspended and inactive. In this way, two different, as in 8A schematically depicted, to generate current paths that intersect in the top view and change every ten pulses.

Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment

Das zweite Ausführungsbeispiel hat alle Merkmale des ersten Ausführungsbeispiels, von wiederholenden Darstellungen wird abgesehen.The second embodiment has all the features of the first embodiment; repetitive illustrations are omitted.

Zusätzlich ist die Schaltung dafür ausgebildet, dass die den vier Elektrodenelementen in variierender Zuordnung zuzuführenden Pulsfolgen eine zwischen 20Hz und 45 Hz stochastisch variierende Pulsfrequenz mit einem Mittelwert von 30Hz, einer skalierten Varianz von 20% und einer Frequenzverteilung wie in 5B aufweisen.Additionally, the circuit is designed so that the pulse sequences supplied to the four electrode elements in varying arrangements produce a stochastically varying pulse frequency between 20 Hz and 45 Hz with a mean value of 30 Hz, a scaled variance of 20%, and a frequency distribution as shown in 5B exhibit.

Drittes AusführungsbeispielThird example

Das dritte Ausführungsbeispiel hat alle Merkmale des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels, von wiederholenden Darstellungen wird abgesehen.The third embodiment has all the features of the first and second embodiments; repetitive descriptions are omitted.

Zusätzlich ist die Schaltung dafür ausgebildet, dass die Pulsfolgen mit variierender Elektrodenzuordnung und variierender Frequenz Mikropulsgruppen entsprechend dem dritten Aspekt der Erfindung enthalten, die eine Frequenzerhöhung um dem die eingestellte Anzahl der Mikropulse (geteilt durch zwei) bewirken. Damit wird die Frequenz von wenigen kHz auf bis zu 1MHz erhöht. Hiermit liegt die Impedanz im Bereich zwischen 1 kOhm und 5 kOhm, was einer Kontaktqualität vergleichbar wie bei gegelten Elektroden entspricht.Additionally, the circuit is designed so that the pulse sequences with varying electrode assignments and varying frequencies contain micropulse groups according to the third aspect of the invention, which increase the frequency by the set number of micropulses (divided by two). This increases the frequency from a few kHz to up to 1 MHz. The resulting impedance is in the range between 1 kΩ and 5 kΩ, which corresponds to a contact quality comparable to that of gelled electrodes.

Varianten des ersten bis dritten AusführungsbeispielsVariants of the first to third embodiments

Alle drei Ausführungsbeispiele können um einen zuästzlichen Sensor erweitert werden. 12B zeigt die zuvor beschriebenen Elemente der 12A, zusätzlich um einen Sensor 2100 ergänzt. Dieser liegt mittig zwischen den vier Elektrodenelementen und ist als fünfte Elektrode mit einer elektrisch leitenden Kontaktfläche ausgebildet.All three embodiments can be extended by adding an additional sensor. 12B shows the previously described elements of the 12A , additionally supplemented by a sensor 2100. This is located centrally between the four electrode elements and is designed as a fifth electrode with an electrically conductive contact surface.

Die Elektronische Schaltung nach dieser Variante der drei Ausführungsbeispiele ist dafür ausgebildet, mithilfe der insgesamt fünf Elektroden die elektrische Muskelaktivität der motorischen Einheiten des vastus medialis bei dessen natürlicher Bewegung zu messen, hieraus die natürliche Frequenzverteilung des Muskels in dessen aktuellem Zustand zu bestimmen und über eine Ausgabe an das Smartphone anzuzeigen. Diese Messung kann beispielsweise vor Beginn einer Muskelstimulationsbehandlung vorgenommen werden, und die angezeigte Frequenzverteilung kann dem Nutzer oder Betreuer zur Orientierung bei Einstellungen hinsichtlich der Pulsfrequenz zur Muskelstimulation dienen. Die Applikation auf dem Smartphone kann im übrigen Daten zur Historie von Muskelstimulationsbehandlungen und jeweiligem Muskelzustand speichern, anzeigen und ausgeben.The electronic circuit in this variant of the three embodiments is designed to measure the electrical muscle activity of the motor units of the vastus medialis during its natural movement using a total of five electrodes. From this, the natural frequency distribution of the muscle in its current state is determined and displayed via an output to a smartphone. This measurement can be performed, for example, before the start of a muscle stimulation treatment, and the displayed frequency distribution can serve as a guide for the user or caregiver when setting the pulse rate for muscle stimulation. Furthermore, the smartphone application can store, display, and output data on the history of muscle stimulation treatments and the respective muscle state.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6445955B1 [0008]

Claims

An electronic circuit for muscle stimulation, comprising several electrode elements, each with an electrically conductive layer on a contact surface for electrically contacting a section of the skin of the human body; a control unit configured to supply a sequence of preferably bipolar current pulses to the several electrode elements; a user interface for switching off and preferably also switching on the supply of the current pulses and for regulating their pulse amplitude; and an adjustment device for adjusting a pulse sequence to be supplied by the control unit to the electrode elements with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses, and maximum pulse amplitude, characterized in that the circuit is further configured to vary the pulse sequence in at least one parameter affected by the adjustment during and over the duration of the supply, preferably by an average value of the parameter according to the setting pertaining to it and/or by supplying pulses as groups of micropulses with a respective micropulse duration of at most 100 µs.

An electronic circuit for muscle stimulation, comprising three or more electrode elements, each with an electrically conductive layer on a contact surface for electrically contacting a section of the skin of the human body; a control unit configured to supply a sequence of preferably bipolar current pulses to the multiple electrode elements; a user interface for switching off and preferably also switching on the supply of the current pulses and for regulating their pulse amplitude; and an adjustment device for setting a pulse sequence to be supplied by the control unit to the electrode elements with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse amplitude, or with respect to a selection among pulse sequence programs that differ from each other in at least one of these parameters; characterized in that the circuit is further configured to vary the assignment of pulses to different electrode elements from the three or more electrode elements during and over the duration of the supply of the pulse sequence, and optionally further to vary the pulse sequence in at least one parameter affected by the setting.

Electronic circuit for muscle stimulation, comprising several electrode elements, each with an electrically conductive layer on a contact surface for electrical contacting a section of the skin of the human body; a control unit designed to supply the several electrode elements with a sequence of charge-neutral current pulses, preferably on average over at least 1 ms; a user interface to switch off the supply of the current pulses and preferably also to switch them on and to regulate their pulse height; and an adjustment device for adjusting a pulse sequence to be supplied to the electrode elements by the control unit with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse height, or with respect to a selection among pulse sequence programs that differ from each other in at least one of these parameters, characterized in that the circuit is configured such that a set pulse sequence has first pulse pauses of at least 5 ms in duration between at least two, preferably at least three, successive pulses, and second pulse pauses of between 3 µs and 100 µs between at least 4 and at most 400 successive pulses, and optionally that the circuit is further configured to vary the pulse sequence in at least one parameter affected by the setting during and over the duration of the supply of the pulse sequence.

Electronic circuit according to Claim 3 , wherein the setting device is further designed to set a pulse sequence to determine whether and optionally how many first pulse pauses follow one another immediately.

Electronic circuit according to Claim 3 or 4 , wherein the setting device is further configured to change the duration of second pulse pauses and/or their relative frequency in relation to first pulse pauses when setting.

Electronic circuit according to one of the Claims 3 until 5 , further trained to supply a pulse sequence with several first pulse pauses of the same duration and the same time interval to the next first pulse pause, between successive such first pulse pauses groups of several second pulse pauses of the same duration and the same time interval to the next second pulse pause, and several such groups of second pulse pauses with different numbers of associated second pulse pauses.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, configured for supplying the pulse sequence according to Claim 5 as well as for supplying a pulse sequence in which the duration of second pulse pauses and/or the time interval to the next second pulse pause and/or their relative frequency in relation to first pulse pauses is determined depending on a respective voltage or on a respective ratio between voltage and current when supplying several such groups with different numbers of corresponding second pulse pauses in the pulse sequence according to Claim 5 .

Electronic circuit according to one of the preceding claims, wherein the setting device is designed for setting a pulse sequence with respect to at least pulse frequency and/or pulse duration, preferably at least pulse frequency and pulse duration, and this setting can be carried out continuously linearly or in characterized steps.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, wherein the setting device and/or user interface is further configured to set the degree of variation of a parameter to be varied during the supply of the pulse train, preferably continuously linearly or in characterized steps by a scaled variance up to a maximum of 60%, preferably up to a maximum of 40% of the mean value.

Electronic circuit according to Claim 9 , wherein the setting device and/or user interface is further configured to select from a selection of several predefined settings of the degree of variation of the parameter to be varied during the supply of the pulse sequence, wherein the selection includes at least a first setting for a pulse sequence without variation of the parameter and a second setting for a pulse sequence with variation of a parameter.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, configured for a continuous variation of a parameter to be varied during the supply of a pulse train.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, configured to perform a discretely variable, for example stochastic, variation of a parameter to be varied during the supply of the pulse sequence, preferably after a number of pulses adjustable by the setting device and/or user interface.

Electronic circuit according to Claim 12 , wherein a parameter to be varied during the supply of the pulse sequence is a pulse pause between each successive pulse and this is varied discretely, for example stochastically.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, wherein the setting device is further configured to set a pulse sequence also with respect to a pulse profile and/or with respect to a combination of pulse profile and pulse height.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, wherein the multiple electrode elements are located on a textile carrier material designed for wearing on the human body and the textile carrier material is designed such that, when worn on the human body, the contact surfaces of multiple electrode elements are in touching contact with different sections of the skin of the human body in areas of a predetermined same muscle.

Electronic circuit according to Claim 15 and with the characteristics of Claim 2 , wherein the textile carrier material is designed such that, when worn on the human body, the contact surfaces of three or more electrode elements are in contact with different sections of the skin of the human body in areas of a predetermined identical muscle, wherein for first at least two of the three or more electrode elements the contact surfaces are arranged in positions different in a first direction and for second at least two of the three or more electrode elements the contact surfaces are arranged in positions different in a second direction from the first direction, and wherein the circuit is designed to vary the assignment of pulses to the first and second electrode elements during and over the duration of the supply of an unchanged pulse sequence.

Electronic circuit according to Claim 15 or Claim 16 , further comprising at least one sensor element which is arranged and designed on the textile carrier material next to and/or between the several electrode elements in such a way that it can detect a state of the muscle when worn on the human body, wherein the circuit is further designed to set a pulse sequence to be supplied to the electrode elements by the control unit on the basis of the detected muscle state.

Electronic circuit according to Claim 17 , wherein the at least one sensor element can detect the electrical muscle activity and/or the electrical muscle activity of the motor units of the same as the state of the muscle to be detected, and wherein the circuit further comprises a determining device for determining a frequency distribution of the electrical muscle activity detected by the sensor elements and is designed to set a pulse sequence to be supplied to the electrode elements by the control unit on the basis of the frequency distribution determined by the determining device.

Electronic circuit according to one of the preceding claims, further configured to use one or more of the electrode elements as a sensor element for detecting an electrical signal when worn on the human body.

Control method for an electronic circuit for muscle stimulation with multiple electrode elements, each provided with an electrically conductive layer on a contact surface for electrical contacting a section of the skin of the human body, comprising the steps of: detecting a setting of a pulse sequence to be supplied by the control to the electrode elements with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse height, and supplying a pulse sequence controlled with respect to the detected setting to the multiple electrode elements, characterized in that during and over the duration of the supply of a pulse sequence, this is varied in at least one parameter affected by the setting.

A control method for an electronic circuit for muscle stimulation with at least three electrode elements, each provided with an electrically conductive layer on a contact surface for electrical contacting a section of the skin of the human body, comprising the steps of: detecting a setting of a pulse sequence to be supplied by the control to the electrode elements with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse amplitude, or with respect to a selection among pulse sequence programs that differ from each other in at least one of these parameters, and supplying a pulse sequence controlled with respect to the detected setting to the at least three electrode elements, characterized in that during and over the duration of the supply of the pulse sequence, the assignment of pulses to different electrode elements from the three or more electrode elements is varied, and that optionally the pulse sequence is further varied in at least one parameter affected by the setting.

A control method for an electronic circuit for muscle stimulation with multiple electrode elements, each provided with an electrically conductive layer on a contact surface for electrical contacting a section of the skin of the human body, comprising the steps of: detecting a setting of a pulse sequence to be supplied by the control to the electrode elements with respect to at least one parameter from the group consisting of pulse frequency, pulse duration, pulse profile, pulse pauses and maximum pulse amplitude, or with respect to a selection among pulse sequence programs that differ in at least one of these parameters, and supplying a pulse sequence controlled with respect to the detected setting to the multiple electrode elements, characterized in that the supplied pulse sequence has first pulse pauses of at least 5 ms in duration between at least two, preferably at least three successive pulses, as well as second pulse pauses of between 3 µs and 100 µs between at least 4 and at most 400 successive pulses, and that optionally the pulse sequence is further varied in at least one parameter affected by the setting.