DE3712667A1

DE3712667A1 - Stimulating generator having a plurality of stimulating channels

Info

Publication number: DE3712667A1
Application number: DE19873712667
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Vossius; Hermann-Josef Dipl Hollaender
Original assignee: HOLLAENDER HERMANN JOSEF DIPL
Current assignee: HOLLAENDER HERMANN JOSEF DIPL
Priority date: 1987-04-14
Filing date: 1987-04-14
Publication date: 1988-11-03

Abstract

The invention relates to a stimulating generator having a plurality of stimulating channels for generating stimulating pulses for the electric stimulation of the musculature. The stimulating generator has photovoltaic relays (50) for impressing the output of the final stage of the generator onto the various channels. The generator is compact and of simple design, and has a low energy consumption and a long service life. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Reizgenerator mit mehreren Reizkanä len zur Erzeugung von Reizimpulsen für die elektrische Stimulation der Nerven und der Muskulatur.The invention relates to a stimulus generator with several stimulus channels len for generating stimulus impulses for electrical stimulation of the nerves and muscles.

Für die Erhaltungs-, Trainings- und funktionelle Elektrostimula tion (FES) der Muskulatur benötigt man Reizgeneratoren mit mehre ren voneinander galvanisch getrennten oder zumindest nur hoch ohmig verbundenen Reizkanälen oder mehrere Kanäle mit einer ge meinsamen Elektrode und mit jeweils einer geschalteten zweiten Elektrode.For maintenance, training and functional electrical stimuli tion (FES) of the muscles, stimulus generators with several are required ren galvanically isolated from each other or at least only high ohmic connected stimulus channels or several channels with one ge common electrode and each with a switched second Electrode.

Derartige Reizgeneratoren oder Stimulatoren werden zur Behandlung zentraler und peripherer Lähmungen eingesetzt. Zur Behandlung zentraler Lähmungen werden bevorzugt kurze, stromkonstante Recht eckpulse mitStromamplituden bis 120 mA und Pulsbreiten zwischen 1 µs und 500 µs Pulsdauer und Ladungsrückführung verwendet. Zur Behandlung peripher gelähmter Muskulatur werden vorzugsweise bipolare, ladungsneutrale Reizströme für Stromamplituden bis zu 100 mA und je 1 ms bis 500 ms Pulsdauer für jede Polarität verwendet, wobei wegen der sehr unterschiedlichen Reizparameter der einzelnen Muskeln für jeden Kanal eine andere Frequenz erfor derlich sein kann.Such stimulus generators or stimulators are used for treatment central and peripheral paralysis used. For treatment central paralysis are preferred short, constant current right corner pulses with current amplitudes up to 120 mA and pulse widths between 1 µs and 500 µs pulse duration and charge feedback used. To Treatment of peripheral paralyzed muscles is preferred bipolar, charge-neutral stimulus currents for current amplitudes up to 100 mA and 1 ms to 500 ms pulse duration for each polarity used, because of the very different stimulus parameters a different frequency of the individual muscles for each channel can be such.

Die Reizgeneratoren sollen alle aus einer zentralen Stromversor gung, möglichst einer Batterie mit einer für die jeweilige Anwen dung geeigneten, koordinierenden Ansteuerung betrieben werden.The stimulus generators are all supposed to come from a central power supplier supply, if possible a battery with one for the respective application suitable, coordinating control.

Es wurden bereits Reizgeneratoren vorgeschlagen, die mehrere getrennte Endstufen mit galvanisch getrennten Gleichspannungs wandlern und Signalübergabe mittel Optokopplern oder Trennüber tragern aufweisen. Dies ist jedoch sehr aufwendig und benötigt relativ viel Platz. In vielen Fällen wäre es deshalb günstiger, nur eine einzige oder wenige Endstufen aufzubauen und deren Ausgänge mittels Relais auf die verschiedenen Kanäle aufzuschal ten. Stimulus generators have been proposed, several separate output stages with galvanically isolated DC voltage converters and signal transmission by means of optocouplers or isolating converters have carriers. However, this is very complex and required relatively much space. In many cases, it would therefore be cheaper to build only one or a few power amplifiers and their Relay outputs to the various channels ten.

Es wurden auch bereits mechanische Reed-Relais vorgeschlagen, deren Standzeiten jedoch ungenügend sind.Mechanical reed relays have also been proposed whose service life is insufficient.

Die im Reizgenerator verwendeten Relais sollten bei durchschnitt lich 30 Hz Schaltfrequenz und Benutzungszeiten von etwa acht Stunden pro Tag eine mittlere Lebensdauer von fünf Jahren haben. Dies entspricht etwa 10⁹ Schaltspielen. Die Steuerleistung der Relais sollte dabei möglichst klein sein, da der Stimulator meist aus Batterien versorgt wird.The relays used in the stimulus generator should have an average lifespan of five years with an switching frequency of 30 Hz and usage times of around eight hours per day. This corresponds to approximately 10 ⁹ switching cycles. The control power of the relays should be as small as possible, since the stimulator is usually powered by batteries.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Reizgenera tor mit mehreren Reizkanälen zur Erzeugung von Reizpulsen für die elektrische Stimulation der Nerven und der Muskulatur bereitzu stellen, der kompakt aufgebaut ist und einen geringen Energiever brauch und hohe Lebensdauer aufweist.The invention is therefore based on the object, a stimulus genera Gate with several stimulation channels for the generation of stimulation pulses for the electrical stimulation of the nerves and muscles ready set, which is compact and has a low energy consumption use and has a long service life.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1 solved.

Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, weniger Endstufen aufzubauen als Reizkanäle vorgesehen sind und die Aus gänge der Endstufen mittels photovoltaschen Relais auf die ver schiedenen Kanäle aufzuschalten. Vorteilhafterweise ist dabei lediglich eine einzige Endstufe vorgesehen.The invention is based on the basic idea, less Build power amplifiers as stimulus channels are provided and the off outputs of the power amplifiers to the ver different channels. It is advantageous only a single power amplifier is provided.

Die Wirkung der photovoltaschen Relais beruht auf dem Sperr schichtphotoeffekt. Ein photovoltasches Relais ist ein optoelek tronisches Halbleiter-Relais mit einem Ausgangshalbleiter, der von einem photovoltaschen Generator geschaltet wird, der seiner seits seine Steuerleistung von einer elektrisch isolierten Leuchtdiode bezieht. Der Ausgangshalbleiter besteht aus einem Allstromschalter, vorzugsweise einem bidirektionalen MOSFET, der von dem photovoltaschen Generator geschaltet wird. Mit photovol taschen Relais lassen sich aufgrund sehr kleiner Thermospannungen sowohl sehr kleine als auch höhere Spannungen von z. B. bis zu 300 V schnell schalten. The effect of the photovoltaic relay is based on the lock layer photo effect. A photovoltaic relay is an optoelek tronic semiconductor relay with an output semiconductor, the is switched by a photovoltaic generator, which is his on the other hand its control power from an electrically insulated LED refers. The output semiconductor consists of a All-current switch, preferably a bidirectional MOSFET is switched by the photovoltaic generator. With photovol pocket relays can be set due to very low thermal voltages both very small and higher voltages of e.g. B. up to 300 V switch quickly.

Die Verwendung photovoltascher Relais weist den Vorteil auf, daß die Ansprech- und Abfallzeiten so kurz sind, daß viele Kanäle innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes nacheinander an- und ausgeschaltet werden können. Es lassen sich je nach Stimulations ziel unipolare oder ladungsneutrale, d. h. bipolare Strompulse für komplexe Lasten mit Impedanzbeträgen von üblicherweise 0,5 kΩ bis 1,5 kΩ erzeugen. Die Verwendung photovoltascher Relais ist der zeit für Stromamplituden bis zu 180 mA (eff.) bei Spannungen bis zu ±300 V möglich.The use of photovoltaic relays has the advantage that the response and fall times are so short that many channels within a certain period of time can be turned off. It can vary depending on the stimulation target unipolar or charge neutral, d. H. bipolar current pulses for complex loads with impedance values of typically 0.5 kΩ to Generate 1.5 kΩ. The use of photovoltaic relays is the time for current amplitudes up to 180 mA (rms) at voltages up to possible to ± 300 V.

Der Aus-Widerstand ist dabei so groß, daß zwischen den Kanälen maximal 200 µA Strom fließen kann, d. h. der Aus-Widerstand be trägt bei 300 V Potentialdifferenz zwischen zwei Kanälen mehr als 10⁹ Ω. Der An-Widerstand beträgt höchstens 40 Ω, d. h, höchstens 2% des maximalen Widerstandes des Patienten.The off resistance is so large that a maximum of 200 µA current can flow between the channels, ie the off resistance be at 300 V potential difference between two channels more than 10 ⁹ Ω. The on-resistance is at most 40 Ω, i.e. h, at most 2% of the patient's maximum resistance.

Der Energieverbrauch bei Verwendung photovoltascher Relais ist niedrig, und es lassen sich in der Größenordnung von 10⁹ Schalt spielen erzielen.The energy consumption when using photovoltaic relays is low, and it can be achieved in the order of 10 ⁹ switching games.

Erfindungsgemäß erfolgt die Ablaufsteuerung derart, daß zunächst das Relais geschaltet und erst danach der Reizimpuls getriggert wird. Ferner wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß der Reizpuls beim Abschalten des Relais beendet ist. Hierdurch wird der Reiz puls in der definierten Form wirksam.According to the invention, the sequence control takes place in such a way that initially the relay switched and only then the stimulus pulse triggered becomes. It is also ensured according to the invention that the stimulus pulse ended when the relay was switched off. This creates the charm pulse effective in the defined form.

Eine besonders variable Ablaufsteuerung läßt sich mittels eines Mikroprozessors erzielen. Für einfache Steuerungen, insbesondere bei gleicher Frequenz für jeden Kanal, läßt sich die Schaltung der Ablaufsteuerung auch vorzugsweise mittels eines Oszillators, zweier Zähler zur Zeitablaufsteuerung und einer Verzögerungs schaltung realisieren.A particularly variable sequence control can be done using a Achieve microprocessor. For simple controls, especially at the same frequency for each channel, the circuit can be the sequence control also preferably by means of an oscillator, two counters for timing control and a delay realize circuit.

Durch Verwendung einer einzigen Endstufe für beispielsweise acht Kanäle läßt sich der Energieverbrauch gegenüber einer Schaltung mit mehreren getrennten Endstufen bis auf etwa ¹/₄ reduzieren.By using a single output stage for example, eight channels, the energy consumption can be reduced compared to a circuit having a plurality of separate power amplifiers to about ^_1/4.

Als photovoltasche Relais werden vorzugsweise die zweipoligen photovoltaschen Relais PVR-3301 (Hersteller: International Recti fier, El Segundo, Kalifornien) verwendet. In den Leistungschip sind Schaltkreise mit Schutz- und Schnellabschaltfunktion inte griert.The two-pole are preferably used as the photovoltaic relay photovoltaschen relay PVR-3301 (manufacturer: International Recti fier, El Segundo, California). In the performance chip are circuits with protection and quick shutdown functions freezes.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below using exemplary embodiments and the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 ein Zeitdiagramm zur Ablaufsteuerung des erfindungsgemäßen Reizgenerators, Fig. 1 is a timing diagram for the sequence control of the stimulus generator according to the invention,

Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel für die Ablaufsteuerung von acht Kanälen, Fig. 2 is a circuit example of the flow of control of eight channels,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Endstufe des erfindungsgemäßen Reizgenerators für zentrale Lähmungen, Fig. 3 is a circuit diagram of an output stage of the stimulus generator according to the invention for central paralysis,

Fig. 4 ein Schaltungsbeispiel für eine mikrorechnergestützte Ablaufsteuerung, und Fig. 4 is a circuit example for a microcomputer-based sequence control, and

Fig. 5 ein Schaltungsbeispiel eines mikrorechnergesteuerten Reiz generators für periphere Lähmungen. Fig. 5 shows a circuit example of a microcomputer-controlled stimulus generator for peripheral paralysis.

Wie eingangs erläutert, werden bei zentralen Lähmungen vorzugs weise kurze, stromkonstante Rechteckimpulse mit Stromamplituden bis 120 mA, Pulsbreiten zwischen 1 µs und 500 µs und Ladungsrück führung verwendet. Derartige Stimulatoren lassen sich unter Ver wendung von photovoltaschen Relais realisieren.As explained at the beginning, central paralysis is preferred wise short, constant current rectangular pulses with current amplitudes up to 120 mA, pulse widths between 1 µs and 500 µs and charge return leadership used. Such stimulators can be found under Ver Realize the use of photovoltaic pocket relays.

Die Relais der einzelnen Kanäle werden nacheinander eingeschal tet; dabei werden die Ansprechzeiten von bis zu 250 µs und die Abfallzeiten von bis zu 50 µs der Relais berücksichtigt. Der Reizpuls darf erst getriggert werden, wenn das Relais geschaltet hat und muß mit dem Abschalten des Relais beendet sein.The relays of the individual channels are switched on one after the other tet; the response times of up to 250 µs and the Fall times of up to 50 µs of the relays are taken into account. The Stimulus pulse may only be triggered when the relay is switched has and must be finished when the relay is switched off.

Das Zeitdiagramm gemäß Fig. 1 zeigt die notwendigen zeitlichen Abläufe. Dabei bedeutet Z 10: Einschalten des Relais , Z 11: Reiz puls-Triggerung, Z 18: Ausschalten des Relais und Z 19: Kanal- Weiterschaltung.The timing diagram of FIG. 1 shows the time sequences necessary. Z 10 means : switching on the relay, Z 11 : stimulus pulse triggering, Z 18 : switching off the relay and Z 19 : channel switching.

Der Ablauf gemäß Fig. 1 kann z. B. mit einem Mikroprozessor oder Mikrorechner realisiert werden, wie in Fig. 4 dargestellt. Für relativ einfache Anforderungen an die Steuerungsmöglichkeiten läßt sich die Ablaufsteuerung mit der Schaltung gemäß Fig. 2 durch führen, mit der acht Kanäle mit getrennter Einstellung von EIN/AUS, Pulsdauer und Stromamplitude gesteuert werden können.The sequence shown in FIG. 1 z can. B. can be realized with a microprocessor or microcomputer, as shown in Fig. 4. For relatively simple requirements on the control options, the sequence control can be carried out with the circuit according to FIG. 2, with which eight channels can be controlled with separate setting of ON / OFF, pulse duration and current amplitude.

Die wesentlichen Elemente der Schaltung gemäß Fig. 2 sind ein einstellbarer Oszillator, vorzugsweise ein RC-Schmitt-Trigger- Oszillator 10, ein erster Zähler 20 und ein zweiter Zähler 30 zur Zeitablaufsteuerung, ein Relais-Flipflop 35, ein Fehler-Flipflop 40, eine UND-Schaltung 45, die photovoltaschen Relais 50, vor zugsweise 8 × 1/2 PVR3301, eine Schaltanordnung 55 zum Einschalten der Reizkanäle, ein erstes Monoflop 60 zum Generieren der Reiz pulsdauer, ein Verzögerungsglied 70, ein zweites Monoflop 75 zum Generieren der Zeitdauer für die Ladungsrückführung, eine Ver knüpfungsschaltung 80 zur Abschaltung des Pulses bei Auftritt eines Fehlers, eine Treiberschaltung 85 für die Relaisansteuerung und seriell zu den steuernden Leuchtdioden der Relais 50 geschal tete Leuchtdioden 90 zur Einschaltanzeige.The essential elements of the circuit of FIG. 2 are an adjustable oscillator, preferably a RC -Schmitt-trigger oscillator 10, a first counter 20 and a second counter 30 for timing control, a relay flip-flop 35, an error flip-flop 40, a AND circuit 45 , the photovoltaic relay 50 , preferably 8 × 1/2 PVR3301, a switching arrangement 55 for switching on the stimulus channels, a first monoflop 60 for generating the stimulus pulse duration, a delay element 70 , a second monoflop 75 for generating the duration for the charge feedback, a linkage circuit 80 for switching off the pulse when an error occurs, a driver circuit 85 for the relay control and serially switched to the controlling LEDs of the relay 50 LEDs 90 for switching on.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die Reizfrequenz von dem einstellbaren RC-Schmitt-Trigger-Oszillator 10 bestimmt, der die 80fache Reizfrequenz erzeugt und mit einer Frequenz zwischen 40 Hz und 4 kHz schwingt. Ein Zyklus zur Ausgabe von je einem Impuls an acht Kanälen wird bei einer Oszillatorfrequenz von maximal 4 kHz in 80 Intervalle zu je mindestens 250 µs unter teilt. Damit läßt sich eine Reizfrequenz von 0,5 Hz bis zu 50 Hz realisieren. Der nachfolgende erste Zähler 20 mit decodierten Zählerständen Z 10 bis Z 19 steuert den Zeitablauf eines einzelnen Impulses, und die Frequenz wird durch 10 dividiert. Der zweite Zähler 30 ordnet mit den decodierten Zählerausgängen Z 2 x den Reizimpuls einem Kanal x zu, wobei x von "0" bis "7" läuft, und dividiert die Frequenz durch den Faktor 8. Die Zählerausgänge Z 2 x (Z 20 bis Z 27) des zweiten Zählers 30 steuern zusätzlich die Potentiometer PB 0 bis PB 7 für die Impulsbreite und die Potentio meter PA 0 bis PA 7 für die Amplitude (siehe Fig. 3, Pfeil A).In the embodiment according to FIG. 2, the stimulation frequency is determined by the adjustable RC- Schmitt trigger oscillator 10 , which generates 80 times the stimulation frequency and oscillates at a frequency between 40 Hz and 4 kHz. A cycle for the output of one pulse each on eight channels is divided into 80 intervals of at least 250 µs each with an oscillator frequency of maximum 4 kHz. This enables a stimulation frequency of 0.5 Hz to 50 Hz to be achieved. The subsequent first counter 20 with decoded counter readings Z 10 to Z 19 controls the timing of a single pulse, and the frequency is divided by 10. With the decoded counter outputs Z 2 x, the second counter 30 assigns the stimulus pulse to a channel x , where x runs from "0" to "7", and divides the frequency by the factor 8. The counter outputs Z 2 x (Z 20 to Z 27 ) of the second counter 30 additionally control the potentiometers PB 0 to PB 7 for the pulse width and the potentiometers PA 0 to PA 7 for the amplitude (see FIG. 3, arrow A) .

Der Zählerausgang Z 10 (vgl. Fig. 1) des ersten Zählers 20 setzt das Relais-Flipflop 35 und löscht das Fehler-Flipflop 40. Das Relais-Flipflop wird durch den Zählerausgang 18 des ersten Zäh lers 20 gelöscht. Ist das Relais-Flipflop gesetzt, schaltet das von den Zählerständen Z 20 bis Z 27 des zweiten Zählers 30 und von der UND-Verknüpfung der aus acht UND-Gliedern bestehenden UND- Schaltung 45 bestimmte Relais der photovoltaschen Relais 50 auf "EIN". Voraussetzung hierfür ist, daß der dem jeweiligen Kanal x zugeordnete Schalter Sx (von S 0 bis S 7) der Schalteranordnung 55 auf "AUS" steht. Damit liegen zwischen dem AUS-Zustand des einen Relais und dem EIN-Zustand des nächsten Relais zwei Intervalle von insgesamt mindestens 0,5 ms Dauer. Dies ist im Zeitdiagramm von Fig. 1 beispielsweise anhand von Relais 1 und Relais 2 darge stellt.The counter output Z 10 (see FIG. 1) of the first counter 20 sets the relay flip-flop 35 and clears the error flip-flop 40 . The relay flip-flop is deleted by the counter output 18 of the first counter 20 . If the relay flip-flop is set, the relay of the photovoltaic relay 50 , which is determined by the counter readings Z 20 to Z 27 of the second counter 30 and by the AND operation of the AND circuit 45 consisting of eight AND gates, switches to "ON". The prerequisite for this is that the switch Sx assigned to the respective channel x (from S 0 to S 7 ) of the switch arrangement 55 is set to "OFF". This means that there are two intervals totaling at least 0.5 ms between the OFF state of one relay and the ON state of the next relay. This is shown in the time diagram of FIG. 1, for example, using relay 1 and relay 2 Darge.

Ein Intervall, d. h. mindestens 250 µs nach dem Einschalten eines Relais wird das Monoflop 60 mit einer Zeitkonstanten zwischen 10 µs und 500 µs für den negativen Reizpuls getriggert (siehe Ausgang "Puls"). Diese Zeitdifferenz genügt zum vollständigen Einschalten des Relais bei einem Strom von 8 mA durch die zugeordnete steu ernde Leuchtdiode. Aus der Schaltung gemäß Fig. 2 ist zu ersehen, daß das Monoflop 60 nur dann getriggert wird, wenn das Fehler- Flipflop gelöscht ist und ein Relais angesteuert ist (vgl. die Verknüpfungsschaltung 80).An interval, ie at least 250 µs after switching on a relay, the monoflop 60 is triggered with a time constant between 10 µs and 500 µs for the negative stimulation pulse (see "Pulse" output). This time difference is sufficient for the relay to be fully switched on at a current of 8 mA through the associated control LED. It can be seen from the circuit according to FIG. 2 that the monoflop 60 is only triggered when the error flip-flop is deleted and a relay is activated (cf. the logic circuit 80 ).

Nach einer über das Verzögerungsglied (RCD-Glied) 70 gebildeten Verzögerung von 100 µs wird das zweite Monoflop 75 für den posi tiven Puls (Ladungsrückführung) getriggert (siehe Ausgang "Entla den"). Dessen Ausgang wird nach 3 ms, spätestens jedoch dann gelöscht, wenn das Relais nicht mehr angesteuert ist. Dieser zweite Fall tritt bei Frequenzen größer als 30 Hz auf. Da die Endstufe innerhalb von 1 µs abschaltet, jedes Relais 50 aber eine größere Abfallzeit von typischerweise etwa 30 µs hat, ist gewährleistet, daß der gesamte Reizpuls auch bei hohen Frequenzen beendet ist, bevor die Relais umschalten.After a delay of 100 microseconds formed via the delay element (RCD element) 70 , the second monoflop 75 is triggered for the positive pulse (charge feedback) (see output "discharge"). Its output is deleted after 3 ms, but at the latest when the relay is no longer activated. This second case occurs at frequencies greater than 30 Hz. Since the output stage switches off within 1 μs, but each relay 50 has a larger fall time of typically about 30 μs, it is ensured that the entire stimulus pulse is ended even at high frequencies before the relays switch over.

Wie nachstehend anhand von Fig. 3 näher erläutert, wird das Fehler-Flipflop 40 gesetzt (Eingang "Fehler"), wenn die Spannung an der Endstufe zu hoch ist. Damit wird der negative Impuls sofort abgeschaltet und der erste Zähler 20 und damit der zweite Zähler 30 gestoppt. Dieses hat zur Folge, daß der Reizimpuls sofort auf Null gesetzt wird. Der Fehler wird dadurch angezeigt, daß die seriell zu der steuernden Leuchtdiode für das Relais liegende Leuchtdioden 90 des betreffenden Kanals dauernd leuchtet.As explained in more detail below with reference to FIG. 3, the error flip-flop 40 is set (input "error") if the voltage at the output stage is too high. The negative pulse is thus switched off immediately and the first counter 20 and thus the second counter 30 are stopped. The consequence of this is that the stimulus pulse is immediately set to zero. The error is indicated by the fact that the light-emitting diodes 90 of the channel in question, which are in series with the controlling light-emitting diode for the relay, light up continuously.

Die Leuchtdioden 90 zeigen allgemein den Betriebzustand (z. B. "EIN", "AUS", "Fehler") des jeweiligen Kanals an. Mit dieser Anzeige lassen sich auch Stimulationsfrequenzen bis 20 Hz ab schätzen.The LEDs 90 generally indicate the operating state (eg "ON", "OFF", "Error") of the respective channel. This display can also be used to estimate stimulation frequencies up to 20 Hz.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung der Endstufe mit photovoltaschen Relais. Fig. 3 shows an embodiment of the circuit of the output stage with photovoltaic relay.

Die wesentlichen Elemente der Schaltung gemäß Fig. 3 sind in Reihe zum Patienten liegende Kondensatoren 100, die Potentiometer PA 0 bis PA 7 zur Einstellung der gewünschten Kanalamplitude, ein Potentiometer PA 8 zur Einstellung der Maximalamplitude für alle Kanäle, zwei Spannungsfolger 105 und 110, ein Widerstand R 1, eine aus den Transistoren T 1, T 2, T 3 und T 4 bestehende geschaltete Stromquelle, ein Transistor T 5 zur Begrenzung des Entladestroms und ein Potentiometer PF zum Setzen des Fehler-Flipflop 40 gemäß Fig. 2.The essential elements of the circuit according to FIG. 3 are capacitors 100 lying in series with the patient, the potentiometers PA 0 to PA 7 for setting the desired channel amplitude, a potentiometer PA 8 for setting the maximum amplitude for all channels, two voltage followers 105 and 110 Resistor R 1 , a switched current source consisting of transistors T 1 , T 2 , T 3 and T 4 , a transistor T 5 for limiting the discharge current and a potentiometer PF for setting the error flip-flop 40 according to FIG. 2.

Die Endstufe gemäß Fig. 3 liefert Konstantströme bis zu -100 mA und bis zu 500 µs Dauer. Dabei treten am Patienten P, der einen maximalen Impedanzbetrag von 1,5 Ω aufweist, Spannungen bis zu - 150 V auf. Ein in Reihe zum Patienten P liegender Kondensator 100 läßt sich durch den negativen Impuls auf eine Spannung von maxi mal -50 V auf. Die Spitze-Spitze-Spannung am Relais beträgt somit maximal 200 V. Zur Rückführung der applizierten Ladung, also dem Produkt aus Strom und Zeit, wird nach etwa 100 µs der in Reihe zum Patient liegende Kondensator 100 über den Patienten entladen, wobei der Endladestrom auf 45 mA begrenzt ist und maximal 3 ms dauert. Diesen maximalen Strom- und Spannungswerten genügen die Relais.The output stage of FIG. 3 provides constant currents to -100 mA and up to 500 microseconds duration. Voltages of up to - 150 V occur on patient P , who has a maximum impedance of 1.5 Ω. A capacitor 100 lying in series with the patient P can be opened to a voltage of maxi -50 V by the negative pulse. The peak-to-peak voltage at the relay is thus a maximum of 200 V. To return the applied charge, that is to say the product of current and time, the capacitor 100 lying in series with the patient is discharged via the patient after about 100 μs, the discharge current increasing 45 mA is limited and lasts a maximum of 3 ms. The relays meet these maximum current and voltage values.

Damit beträgt die Maximalimpulsdauer 3,6 ms. Bei einer Impulsfre quenz von 30 Hz und bei acht Kanälen, die meist für eine Glied maße ausreichen, müssen die Relais somit innerhalb 500 µs um schalten.The maximum pulse duration is thus 3.6 ms. With an impulse fre frequency of 30 Hz and with eight channels, mostly for one link dimensions are sufficient, the relays must switch within 500 µs switch.

Eine zu hohe Lastimpedanz bzw. ein offener Ausgang ergibt eine so hohe Spannung am Abgriff des Potentiometers PF, daß das Fehler- Flipflop 40 gesetzt und damit der Reizpuls abgeschaltet wird.A too high load impedance or an open output results in such a high voltage at the tap of the potentiometer PF that the error flip-flop 40 is set and the stimulation pulse is thus switched off.

Über die Potentiometer PA 0 bis PA 7 kann für jeden Kanal eine gewünschte Amplitude eingestellt werden.A desired amplitude can be set for each channel using the potentiometers PA 0 to PA 7 .

Mit dem Potentiometer PA 8 kann die maximale Amplitude für alle Kanäle eingestellt werden. Der Transistor T 1 bildet mit dem Transistor T 2 als Schalter eine geschaltete Stromquelle, die am Widerstand R 1 eine auf 200 V bezogene Spannung erzeugt. Diese Spannung steuert die aus den Transistoren T 3 bestehende komplementäre Darlington-Stromendstufe. Der Entladestrom des Kondensators über Patient und Relais wird durch den Transistor T 5 auf 45 mA begrenzt.The maximum amplitude for all channels can be set with the potentiometer PA 8 . The transistor T 1 forms with the transistor T 2 as a switch a switched current source which generates a voltage related to 200 V across the resistor R 1 . This voltage controls the complementary Darlington current output stage consisting of the transistors T 3 . The discharge current of the capacitor via patient and relay is limited to 45 mA by transistor T 5 .

Die Stromversorgung erfolgt über einen (nicht dargestellten) Gleichspannungswandler, der aus der Batteriespannung von 12 V eine durch ein Potentiometer einstellbare Spannung von 200 V erzeugt. Die Leistung kann durch Verändern des EIN-AUS-Verhält nisses eines MOSFETS über ein Potentiometer auf die maximal benötigte Leistung verändert werden. Wird diese Leistung über schritten, sinkt die Versorgungsspannung und damit der maximale Strom.Power is supplied via a (not shown) DC voltage converter, which is based on the battery voltage of 12 V a voltage of 200 V that can be set by means of a potentiometer generated. The performance can be changed by changing the ON-OFF ratio of a MOSFET via a potentiometer to the maximum required power can be changed. Will this performance over steps, the supply voltage drops and thus the maximum Electricity.

Bei gleichzeitiger Versorgung mehrerer Endstufen aus einer Batterie oder bei Verkopplung der Bezugspotentiale über die An steuerung müssen die Endstufen galvanisch von der Batterie und von der Ansteuerung getrennt werden. Dies kann beispielsweise über Trenntrafos oder Optokoppler durchgeführt werden.With simultaneous supply of several power amplifiers from one Battery or if the reference potentials are coupled via the An The power amplifiers must be galvanically isolated from the battery and control be separated from the control. For example via isolating transformers or optocouplers.

Werden an die Ablaufsteuerung erhöhte Anforderungen gestellt, wie z. B. die Steuerung einer ganzen Bewegung (Hand auf, Bein heben usw.), dann ist der Einsatz eines kleinen Mikrorechners sinnvoll.Are increased demands placed on the sequence control, such as e.g. B. controlling an entire movement (hand up, leg up) etc.), then the use of a small microcomputer makes sense.

Fig. 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine Ablaufsteuerung mittels eines Mikrorechners. Die wesentlichen Bauteile der Schal tung gemäß Fig. 4 sind die Recheneinheit (CPU) 120, der Programm speicher (ROM) 125, der Arbeitsspeicher (RAM) 130 mit der Mög lichkeit, auch bei abgeschalteter Stromversorgung Daten permanent zu speichern, die Tastatur 135 und Anzeige 140 zum Ändern des Programmes und Anzeigen von Betriebszuständen, der Zeitgeber (CTC) 145, der auch die aktuellen Parameter, wie z. B. Frequenz und Pulsdauer enthält, der Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein (PIO) 150 zum Übergeben oder Übernehmen von Betriebzuzständen und der Analog-Digital-Wander (A/D-Wandler) 155 zum Ausgeben der aktuel len Amplitude an die Endstufe. Fig. 4 shows a circuit example of a sequence control by a microcomputer. The essential components of the TIC shown in FIG. 4, the processing unit (CPU) 120, program memory (ROM) 125, memory (RAM) 130 friendliness with the Mög, even if power is off data to be stored permanently, the keyboard 135 and Display 140 for changing the program and displaying operating states, the timer (CTC) 145 , which also the current parameters, such as. B. contains frequency and pulse duration, the parallel input / output module (PIO) 150 for transferring or transferring operating conditions and the analog-digital wander (A / D converter) 155 for outputting the current amplitude to the output stage.

Die vom Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein 150 ausgegebenen Daten AD 0 bis AD 2 steuern über einen Adreßdecodierer und Treiber 160 über dessen Ausgänge A 0 bis A 7 das ausgewählte photovoltasche Relais 50 an, falls das Relais-Flipflop 165 gesetzt ist. Das Relais-Flip flop 165 wird von einem Pulstrigger (Triggerimpuls) über ein Gate 170 gesetzt. Der Pulstrigger setzt auch ein Busy-Flipflop 175, das dem Rechner anzeigt, wann der Stimulator gerade einen Puls ausgibt. Nach einer über das Verzögerungsglied 180 geschalteten Verzögerung von 150 µs, d. h. wenn das Relais 50 mit Sicherheit einge schaltet ist, wird das Puls-Flipflop 185 gesetzt und der Puls breitenkanal des Zeitgebers 145 getriggert und damit der Puls an die Endstufe ausgegeben. Als Endstufe kann dabei die Endstufe gemäß Fig. 3 verwendet werden. Nach Ablauf der Pulsbreitendauer wird das Puls-Flipflop 185 vom Ausgang des Zeitgebers 145 gelöscht und der Reizimpuls damit ausgeschaltet. Nach einer vom Verzögerungsglied 190 gegebenen Pause von 100 µs wird über den Entladetrigger195 die Entladezeit von 3 ms getriggert und an die Endstufe ausgegeben (siehe "Entladen"). Danach wird das Relais- Flipflop 165 gelöscht und damit die Relais 50 ausgeschaltet. Nach weiteren 250 µs, die über das Verzögerungsglied 200 geschaltet werden, d. h. wenn das Relais 50 mit Sicherheit aus ist, wird das Busy-Flipflop 175 gelöscht, dessen Ausgang der Rechner bei Bedarf abgefragt und erst dann die Parameter für einen neuen Puls an die Ausgabe-Bausteine übergibt und damit einen Reizpuls auslöst.The data AD 0 to AD 2 output by the parallel input / output module 150 control the selected photovoltaic relay 50 via an address decoder and driver 160 via its outputs A 0 to A 7 if the relay flip-flop 165 is set. The relay flip-flop 165 is set by a pulse trigger (trigger pulse) via a gate 170 . The pulse trigger also sets a busy flip-flop 175 , which indicates to the computer when the stimulator is currently issuing a pulse. After a delay of 150 microseconds switched via the delay element 180 , ie when the relay 50 is switched on with certainty, the pulse flip-flop 185 is set and the pulse width channel of the timer 145 is triggered and the pulse is thus output to the output stage. The final stage according to FIG. 3 can be used as the final stage. After the pulse width duration has elapsed, the pulse flip-flop 185 is deleted from the output of the timer 145 and the stimulus pulse is thus switched off. After a pause of 100 μs given by the delay element 190 , the discharge time of 3 ms is triggered by the discharge trigger 195 and output to the output stage (see “discharge”). Then the relay flip-flop 165 is cleared and the relay 50 is thus switched off. After a further 250 microseconds, which are switched via the delay element 200 , ie if the relay 50 is definitely off, the busy flip-flop 175 is deleted, the output of which is queried by the computer if necessary, and only then the parameters for a new pulse to the output - Passes building blocks and thus triggers a stimulus pulse.

Das Fehler-Flipflop 205 gemäß Fig. 4 weist eine ähnliche Funktion auf wie das Fehler-Flipflop 40 gemäß Fig. 2.The error flip-flop 205 according to FIG. 4 has a similar function to the error flip-flop 40 according to FIG. 2.

Mit der oben beschriebenen Schaltung können für jeden Kanal und Reizpuls abhängig vom jeweiligen Programm unterschiedliche Strom amplituden, Pulsbreiten und Pulsabstände innerhalb eines Rasters von 4,1 ms, d. h. der maximalen Pulsdauer mit Entladung und Relais-Schaltzeiten, automatisch per Programm und/oder manuell oder verbal eingestellt werden. Die maximale Anzahl der Kanäle pro Endstufe wird durch die maximal notwendige Frequenz der Reizpulse bestimmt.With the circuit described above for each channel and Different current depending on the respective program amplitudes, pulse widths and pulse intervals within a grid of 4.1 ms, i.e. H. the maximum pulse duration with discharge and Relay switching times, automatically via program and / or manually or be set verbally. The maximum number of channels per power amplifier is determined by the maximum frequency required Stimulus pulses determined.

Wie eingangs erläutert, können die photovoltaschen Relais auch vorteilhaft in Reizgeneratoren für periphere Lähmungen verwendet werden. Wie vorstehend erläutert, ist hierbei meist für jeden Kanal eine andere Frequenz erforderlich. Die Ablaufsteuerung und die Endstufe müssen entsprechend geändert werden. Eine derartige Ablaufsteuerung kann jedoch ebenfalls mit einem Mikroprozessor realisiert werden. Ein derartiges Schaltungsbeispiel zeigt das Prinzipschaltbild gemäß Fig. 5. In Fig. 5 sind die entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 bezeichnet. As explained at the beginning, the photovoltaic relays can also be used advantageously in stimulus generators for peripheral paralysis. As explained above, a different frequency is usually required for each channel. The sequence control and the power stage must be changed accordingly. However, such a sequence control can also be implemented with a microprocessor. Such a circuit example is shown in the basic circuit diagram according to FIG. 5. In FIG. 5, the corresponding components are identified by the same reference numerals as in FIG. 4.

Periphere Lähmungen werden üblicherweise mit Reizpulsen zwischen 1 ms und 500 ms gereizt. Es werden dabei andere Endstufen verwen det, da hier wesentlich größere Ladungsmengen transportiert wer den und der sonst nötige Kondensator zu groß wird. Es werden zwei Rechteckimpulse gleicher Amplitude und Pulsdauer, aber entgegenge setzter Polarität generiert. Um die aufwendigen Endstufen und Spannungsversorgungen mit nur einer Polarität verwenden zu können, wird am Ausgang die Polarität mit Hilfe der photovolta schen Relais 50 vertauscht. Typische Abschaltzeiten von 30 µs und Anschaltzeiten von 50 µs bei etwa 8 mA Steuerstrom ermögli chen dabei eine Pause zwischen positivem und negativem Impuls von nur 100 µs.Peripheral paralysis is usually stimulated with stimulation pulses between 1 ms and 500 ms. Other power amplifiers are used, since much larger amounts of charge are transported here and the otherwise necessary capacitor becomes too large. Two square-wave pulses of the same amplitude and pulse duration but opposite polarity are generated. In order to be able to use the complex output stages and power supplies with only one polarity, the polarity is interchanged at the output with the aid of the photovoltaic relay 50 . Typical switch-off times of 30 µs and switch-on times of 50 µs with about 8 mA control current allow a pause between positive and negative impulses of only 100 µs.

Da dabei meist mehrere Endstufen aus einer Batterie versorgt werden, müssen alle Versorgungsspannungen und Steuereingänge und -ausgänge vom Mikrorechner galvanisch getrennt werden. Um die Verlustleistung klein zu halten, wird die Hochspannung der Stromamplitude und der Elektroden-Patienten-Impedanz angepaßt. Dieses geschieht über einen Spannungsteiler 210, einen Verstärker 215 und einen Optokoppler 220 zum (nicht dargestellten) Spannungswandler. Die Stromamplitude wird über den D/A-Wandler 155, einen Verstärker 225 und einen Optokoppler 230 an die End stufe übergeben. Eine zu hohe Elektrodenimpedanz bzw. offene Reizausgänge werden über einen Optokoppler 235 dem Rechner zu rückgemeldet, der dann je nach Anwendung geeignet reagiert. Die Relais 50 werden über den Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein 150 vom Rechner zeitrichtig angesteuert. Die Ausgabe-Bausteine, wie der D/A-Wandler 155 und der Parallel-Ein-Ausgabe-Baustein 150 können bei dieser Ausführungsform direkt vom Rechner geschaltet werden, da bei den relativ langen Pulsen kleine zeitliche Verschiebungen durch Reaktionszeiten des Rechners keine Rolle spielen.Since several output stages are usually supplied from one battery, all supply voltages and control inputs and outputs must be galvanically isolated from the microcomputer. In order to keep the power loss small, the high voltage is adapted to the current amplitude and the electrode-patient impedance. This is done via a voltage divider 210 , an amplifier 215 and an optocoupler 220 to the voltage converter (not shown). The current amplitude is transferred to the final stage via the D / A converter 155 , an amplifier 225 and an optocoupler 230 . An excessively high electrode impedance or open stimulus outputs are reported back to the computer via an optocoupler 235 , which then reacts appropriately depending on the application. The relays 50 are controlled by the computer at the correct time via the parallel input / output module 150 . The output modules, such as the D / A converter 155 and the parallel input / output module 150, can be switched directly by the computer in this embodiment, since small time shifts due to the response times of the computer play no role in the relatively long pulses.

Der Reizgenerator gemäß Fig. 5 kann prinzipiell auch für zentrale Lähmungen benutzt werden, wenn die Pulsbreite entsprechend verkleinert wird.In principle, the stimulus generator according to FIG. 5 can also be used for central paralysis if the pulse width is reduced accordingly.

Claims

1. stimulus generator with at least one output stage and several stimulation channels for generating stimulation impulses for electrical stimulation of the nerves and muscles, characterized by photovoltaic relay ( 50 ) for switching the outputs of the output stages of the generator to the various channels.

2. Generator according to claim 1, characterized in that the relays ( 50 ) switch a unipolar or bipolar stimulus pulse of each output stage to several channels.

3. Generator according to claim 1, characterized in that the relay ( 50 ) switch over the polarity of the output stage when using a unipolar output stage to generate a bipolar stimulation pulse.

4. Generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sequence control is carried out in such a way that the stimulus pulse is triggered only when the relay ( 50 ) has switched scarf, and is ended with the switching off of the relay ( 50 ).

5. Generator according to one of claims 1 to 4, characterized records that the sequence control by a microprocessor he follows.

6. Generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the circuit of the sequence control has an adjustable oscillator ( 10 ) and two counters ( 20 and 30 ), whose decoded outputs control the timing of the circuit.

7. Generator according to claim 6, characterized by a relay flip-flop ( 35 ) which is set by an output of the first counter ( 20 ) and a relay ( 50 ) associated with the counter readings of the second counter ( 30 ).

8. Generator according to claim 6 or 7, characterized by an error flip-flop ( 40 ) which is set when the load impedance is too high or the output is open, indicates the error and, if appropriate, immediately switches off the stimulation pulse.

9. Generator according to one of claims 6 to 8, characterized by serial to the controlling light emitting diodes of the relays ( 50 ) lying light emitting diodes ( 90 ) for displaying the operating state of each channel.

10. Generator according to one of claims 1 to 9, characterized records that the generator for the treatment of central and / or peripheral paralysis produces suitable consequences of stimulus impulses.