DE60308652T2

DE60308652T2 - Stimulationsvorrichtung für einen lebenden Körper

Info

Publication number: DE60308652T2
Application number: DE60308652T
Authority: DE
Inventors: Tatsuyuki Niitsu Kobayashi; Takashi Niitsu Izumi
Original assignee: Techno Link Co Ltd
Current assignee: Techno Link Co Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-08-09
Also published as: JP2004344444A; EP1479410A2; CN1572336A; EP1479410A3; US7191014B2; KR20040100795A; DE60308652D1; ATE340602T1; JP4174825B2; US20040236391A1; EP1479410B1; CN100441251C; TWI289058B; KR100556272B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Stimulationsvorrichtung des Typs, welcher ein Leiterelement mit einer eingebauten Elektrode aufweist, welche an den lebendigen Körper angebracht sein kann. Stimulation wird durch einen elektrischen Strom erreicht, der durch die Elektrode in den lebendigen Körper fließt.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine herkömmliche Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper wird für die Behandlung einer Nervenfunktion in einem erkrankten Teil verwendet, indem ein Fließen eines langsamen Frequenzimpulsstromes in den erkrankten Teil zugelassen wird, wobei dieser langsame Frequenzimpulsstrom von einem Transmitter zu einer Elektrode abgegeben wird. In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung 1-146562 ist zum Beispiel eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper offenbart, welche fähig ist, durch Schalten von von einer Ausgabeschaltung an einen lebendigen Körper (menschlicher Körper) ausgegebenen Stimulationssignalen die Geschwindigkeit und Intensität der Stimulation zu steuern. Die Stimulationssignale sind entweder intermittierende Gleichstrom-Impulse für eine periodische Abgabe von positiven Impulsen, intermittierende Wechselstrom-Impulse für eine periodische Abgabe von Rechteckwellen-Impulsgruppen, welche aus positiven und negativen Impulsen bestehen, oder abwechselnde intermittierende Impulse für eine periodische und abwechselnde Abgabe positiver Impulse und negativer Impulse, wobei ihre Periode oder Amplitude verändert werden kann.
Jedoch ist es allgemein schwierig, einen Gleichstrom durch einen menschlichen Körper zu führen, da dieser abhängig von der elektrischen Spannung einen Widerstand von etwa 100 KΩ hat, während ein hochfrequenter Wechselstrom leicht durch einen menschlichen Körper fließt. Zum Beispiel besitzt ein menschlicher Körper einen Widerstand von etwa 1 KΩ unter einer Wechselspannung von 1 KHz, wobei der Widerstand auf die Hälfte verringert wird, wenn die Frequenz sich verdoppelt. Mit anderen Worten, ein menschlicher Körper hat einen kapazitiven Scheinwiderstand und somit tendiert der In-Vivo-Widerstand dazu abzunehmen, wenn die Frequenz ansteigt. Andererseits sind, da sich die Stimulation auf den menschlichen Körper bezieht, niedrige Frequenzen nahe des Gleichstroms und einen hohen Gleichstrom-Bestandteil aufweisende Rechteckwellen anregender. Somit werden bei gleicher Frequenz sinusförmige Wellen sanftere Stimulanzen hervorrufen als Rechteckwellen.
7 stellt ein Beispiel einer herkömmlichen Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper zur Anlegung von Stimulationssignalen an einen menschlichen Körper dar, welche die Form von Sinuswellen aufweisen. Wie dargestellt, bezeichnet das Bezugszeichen 101 eine CPU (zentrale Prozessoreinheit) als Steuerungsmittel. Die CPU gibt digitale Datensignale ab, welche mittels eines D/A-Wandlers 102 in analoge Datensignale umgewandelt werden. Dann werden die analogen Datensignale mit einem Verstärker 103 verstärkt, um Sinuswellen-Stimulationssignale über einen Transformator 104 hinüber zu den Leiterelementen oder Ausgabeelektroden 105 zu liefern. Die Amplitude der Sinuswelle kann durch Betätigen eines variablen Verstärkungselements 106 am Eingang des Verstärkers 103 beliebig erhöht oder gesenkt werden.
Obwohl eine sinusförmige Welle eine sanftere Stimulation des menschlichen Körpers hervorruft und dazu angenehm ist, weist sie nur ein Frequenzbestandteil auf, welches zu einem sehr begrenzten therapeutischen Erfolg führt. Weiterhin erfordert die Ausgabeschaltung einer derartigen herkömmlichen Vorrichtung analoge Schaltungen, wie beispielsweise den D/A-Wandler 102 und den Verstärker 103, welche zur Erzielung einer im wesentlichen sinusförmigen Wellenform notwendig sind. Da die Anzahl von Bestandteilen relativ hoch und die Schaltungstechnik komplex ist, führt dies daher zu einem niedrigen Kraftwirkungsgrad und hohen Herstellungskosten. Mit anderen Worten, herkömmliche Schaltungen, die sinusförmige Wellen abgeben, würden dutzende Bestandteile wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren erfordern.
Mit dem Bestreben diese Probleme zu lösen, bezweckt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung 2001-259048, zuvor angemeldet durch die Anmelderin, eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper. Die herkömmliche Vorrichtung ist mit Stimulationserzeugungsmittel zum Anlegen einer Pulsweitenmodulation an mit vorbestimmter Wiederholfrequenz abgegebene Rechteckwellenimpulse vorgesehen, und dann zum wiederkehrenden Abgeben von Rechteckwellen-Impulsgruppen, die eine Mehrzahl von hochfrequenteren Komponenten als die Rechteckwellenimpulse an den Elektroden als Stimulationssignale beinhalten. In der herkömmlichen Vorrichtung wird die PWM derart angewandt, dass eine zeitliche Länge von jedem Impuls allmählich während der ersten Hälfte der Rechteckwellen-Impulsgruppe ansteigt und danach während der zweiten Hälfte davon, wenn sie sich der fallenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe nähert, allmählich abnimmt. Demzufolge wird die am menschlichen Körper angewandte Wellenform der Rechteckwellen-Impulsgruppe deformiert, um eine annähernd sinusförmige Welle zu bilden, welche ein sanfteres Stimulationsempfinden dem menschlichen Körper geben kann.
In der oben stehenden zweiten Patentveröffentlichung wird die zeitliche Länge von jedem die Rechteckwellen-Impulsgruppe darstellenden Impuls allmählich erhöht und danach mittels der PWM allmählich gesenkt. Dann wird eine auf diese Weise modulierte abwechselnd eine positive Spannung und eine negative Spannung aufweisende Rechteckwellen-Impulsgruppe dem menschlichen Körper zugeführt, um durch ein kapazitives Element des menschlichen Körpers deformiert zu werden, so dass Stimulationssignale in Wellenformen annähernd sinusförmiger Wellen von niedriger Frequenz umgeformt werden, und sich somit ein sanfteres Stimulationsempfinden ergibt. Da jedoch die zeitliche Länge von jedem Impuls beispielsweise in einem Bereich von 10 μsec bis 60 μsec während der Erzeugung von den Rechteckimpulsgruppen verändert wird, wird die zeitliche Länge des Impulses wahrscheinlich teilweise zu groß, so dass ein aufgeladener Betrag an äquivalenter elektrostatischer Kapazität des menschlichen Körpers rapide ansteigt, was zu dem Nachteil führt, dass Zönästhesie der sanften Stimulation schwer zu erreichen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Probleme zu lösen und eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper vorzuschlagen, die erhebliche therapeutische Erfolge und ein sanfteres Stimulationsempfinden vorsieht.
Um die obigen Ziele zu erreichen, wird eine in den anhängigen Ansprüchen definierte Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper vorgeschlagen.
Entsprechend der oben stehenden Anordnung arbeitet, wenn die eine Mehrzahl von Impulsen beinhaltenden Rechteckwellen-Impulsgruppen wiederholt als Stimulationssignale an die Leiterelemente abgegeben werden, der menschliche Körper wie wenn er ein kapazitives Element wäre. Somit wird der Scheinwiderstand des menschlichen Körpers durch die Impulse, welche hochfrequente Signalbestandteile sind, herabgesetzt, so dass die Rechteckwellen-Impulsgruppen deformiert werden, um als ganzes die Wellenformen niedriger Frequenzen im menschlichen Körper anzunehmen. Dementsprechend wird sanfteres Stimulationsempfinden als mit den rechteckigen Wellenformen bei gleichem Strom und Frequenz erzielt. Zusätzlich können, da jede der Rechteckimpulsgruppe höhere Frequenzsignalbestandteile als die Rechteckwellenimpulse beinhaltet, erhebliche therapeutische Erfolge durch die Signalbestandteile erzielt werden.
Da außerdem die zeitliche Länge von jedem Impuls konstant ist, während eine Pausenperiode zwischen den Impulsen durch die Stimulationserzeugungsmittel während der Ausgabeperiode von jeder Rechteckimpulsgruppe verändert wird, werden keine Impulse breiter als andere Impulse vorhanden sein. Das bedeutet sinngemäß, dass ein Ladestrom ganz allmählich relativ zu der äquivalenten elektrostatischen Kapazität eines lebendigen Körpers zugeführt wird, um dadurch einen angereicherten Betrag langsam zu erhöhen, so dass die Zönästhesie einer sanfteren Stimulation erreicht werden kann.
Entsprechend wird die Wellenform jeder Rechteckimpulsgruppe so deformiert, dass die resultierenden Stimulationssignale die Wellenformen annehmen, wobei hochfrequente Impulse den den niederfrequenten Sinuswellen angenäherten Signalen überlagert werden. Auf diese Weise können wegen der Abwesenheit von breiteren Impulsen und der langsamen Erhöhung eines aufgeladenen Betrags an äquivalenter elektrostatischer Kapazität des lebendigen Körpers nicht nur erhebliche therapeutische Erfolge erzielt, sondern auch die Zönästhesie sanfterer Stimulation als mit den Rechteckwellen bei gleichem Strom und Frequenz erzeugt werden.
Entsprechend eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper gemäß eines der vorangehenden Aspekte vorgesehen, wobei das Stimulationserzeugungsmittel die Stimulationssignale derart abgibt, dass die zeitliche Länge der Rechteckwellen-Impulsgruppe wenigstens 100-mal so lang wie die von jedem Impuls sein kann.
Dementsprechend wird jeder Impuls an einen lebendigen Körper angelegt, wobei der Impuls die zeitliche Länge kürzer als ein Hundertstel der aus einer Gruppe von Impulsen bestehenden Rechteckwellen-Impulsgruppe hat. Deshalb können während der Erzeugung von niederfrequenten Signalbestandteilen hochfrequente Signalbestandteile hochgradig effektiv dem lebendigen Körper zugeführt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Für ein tieferes Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun auf die folgende Beschreibung hingewiesen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wurde, in welchen:
1 ein Schaltplan ist, der eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper entsprechend eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ein Diagramm einer Wellenform ist, das Wellenformen an mehreren Punkten in der Vorrichtung von 1 zeigt.
3 ein Diagramm einer Wellenform eines Stimulationssignals ist, wenn ein Testwiderstand über Leiterelemente der Vorrichtung angeschlossen ist.
4 vergrößerte Halbwellen der Wellenformen in 3 zeigt.
5 ein Diagramm einer Wellenform eines Stimulationssignals zeigt, wenn die Leiterelemente an einer menschlichen Taille angebracht sind.
6 ein Blockschaubild ist, das ein modifiziertes Ausführungsbeispiel zeigt.
7 ein Schaltplan eines wesentlichen Teiles einer gezeigten herkömmlichen Vorrichtung ist.
Beschreibung der bevorzugten Erfindung
Nachstehend folgt mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper, die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird.
Zuerst wird ein Gesamtaufbau einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben werden. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine stabilisierte Stromversorgungseinheit zur Umwandlung einer Wechselstromeingabe in eine stabilisierte Gleichstromausgabe. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Wechselspannung von 100V in Gleichspannungen von jeweils +15V und +5V umgewandelt. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine CPU (zentrale Prozessoreinheit), die als Steuermittel dient, welche über die Gleichspannung von +5V aus der stabilisierten Stromversorgungseinheit 1 versorgt wird. Die CPU arbeitet über Referenztaktsignale aus einem Quarzoszillator 3. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die CPU 2 mit einem Eingangs/Ausgangs-Mittel, einem Prozessormittel und einem Datenspeichermittel zusammengefasst, in welchem eine Steuerfolge gespeichert ist, wobei diese Steuerfolge fähig ist, vorbestimmte Muster eines in einen menschlichen Körper (nicht gezeigt) als lebendiger Körper fließenden stimulierenden elektrischen Stroms zu erzeugen.
An Eingabeanschlüssen der CPU 2 ist eine Mehrzahl von Schaltern 4 zur Wahl eines speziellen Stimulationsmodus aus mehreren Stimulationsmodi angeschlossen. Auf der anderen Seite sind an ihren Ausgabeanschlüssen eine Mehrzahl von LEDs 6 zur Darstellung, welcher Stimulationsmodus gegenwärtig aktiv ist, angeschlossen. Weiterhin sind an den Ausgabeanschlüssen der CPU 2 eine Zellen-LED 7 als ein Zeitanzeigemittel zur Zählung und Darstellung der Stimulationszeit angeschlossen; zwei das Stimulationserzeugungsmittel 8 darstellende FETs 9, 10; und eine variable Ausgabeschaltung 11 zur Veränderung der Amplitude und des Zeitintervalls (Pausenperiode) der dem menschlichen Körper zugeführten Stimulationssignale. Der Einfachheit halber wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur eine Zellen-LED 7 dargestellt. Zwei oder mehr Zellen-LEDs 7 könnten jedoch parallel miteinander verbunden sein. Alternativ dazu können die vorhergehenden LEDs 6 und die Zellen-LED 7 zusammen in einem gemeinsamen LCD-Display integriert werden.
Die variable Ausgabeschaltung 11 wird mit der durch die stabilisierte Stromversorgungsquelle 1 bereitgestellte Gleichspannung von +15V versorgt und erhält Steuersignale aus der CPU 2, nämlich das Starkstimulations-Befehlssignal (HAMMER), das Stimulationspausen-Einstellungssignal (INTERVAL), das Stimulationsstartsignal (START) und das Ausgabepegel-Einstellungssignal aus einem manuell bedienbaren veränderlichen Widerstand 14. Demzufolge führt die variable Ausgabeschaltung 11 veränderliche, in einer vorbestimmten periodischen Frequenz erzeugte und einer Amplitudenmodulation zwischen 0V und +15V unterworfene, rechteckige, wellenförmige Ausgabesignale dem Stimulationserzeugungsmittel 8 zu.
Das Stimulationserzeugungsmittel 8 unterwirft das veränderliche Ausgabesignal aus der variablen Ausgabeschaltung einer Pulsdichtemodulation. Der Stimulationserzeuger weist als Schaltmittel dienende FETs 9, 10 und einen Transformator 21 mit zueinander isolierten Primär- und Sekundärwicklungen auf. Im einzelnen hat die Primärwicklung 22 des Transformators 21 einen Mittelzweig, der mit einer veränderlichen Ausgabesignallinie der variablen Ausgabeschaltung 11 verbunden ist, während ein als Schaltmittel dienendes Paar Ausgabeelektroden 24 über die Sekundärwicklung 23 zur Ausgabe der Stimulationssignale verbunden ist. Ein Ende der Primärwicklung 22 des Transformators 21 ist mit einem Drain des source-geerdeten FETs 9 verbunden, während das andere Ende der Primärwicklung 22 des Transformators 21 mit einem Drain des source-geerdeten FETs 10 verbunden ist. Die +seitigen PDM(Pulsdichtemodulation)-Signale der CPU 2 werden einem Gate zugeführt, der ein Steueranschluss der FET 9 ist, während die –seitigen PDM-Signale der CPU 2 einem Gate zugeführt werden, der ein Steueranschluss der FET 10 ist.
Das Verhalten der oben konfigurierten Vorrichtung wird nachfolgend mit Bezug zu dem in 2 gezeigten Diagramm einer Wellenform beschrieben, in welchem die oberste Wellenform ein veränderliches Ausgabesignal aus der variablen Ausgabeschaltung 11 zeigt, gefolgt von den entsprechenden Wellenformen der +seitigen PDM-Signale, der –seitigen PDM-Signale und der Stimulationssignale über die Ausgabeelektroden 24.
Wenn ein spezieller Stimulationsmodus über den Schalter 4 gewählt und dann ein Startschalter (nicht gezeigt) bedient wird, wird die LED 6 entsprechend dem gewählten Stimulationsmodus durch die CPU 2 zugeschaltet. Die CPU 2 steuert das Stimulationserzeugungsmittel 8 und die variable Ausgabeschaltung 11, damit die Stimulationssignale entsprechend dem gewählten Stimulationsmodus über die Elektroden 24 ausgegeben werden. Das Stimulationsstartsignal wird von der CPU 2 der variablen Ausgabeschaltung 11 zugeführt, wobei das veränderliche Ausgabesignal der variablen Ausgabeschaltung 11 dem Stimulationserzeugungsmittel 8 zugeführt wird. Wie auf der linken Seite in 2 gezeigt, weist das veränderliche Ausgabesignal Rechteckwellenimpulse auf, die durch eine Amplitude A1 und eine zeitliche Länge t1 wiederholend mit einer Periode T definiert sind. Die Amplitude A1 kann durch Bedienen des veränderlichen Widerstands 14 im Gleichspannungsbereich von 0V bis +15V verändert werden. Dadurch wird einem Anwender das Ändern des Stimulationsgrades auf eine gewünschte Höhe erleichtert. Alternativ dazu können die Periode T und die zeitliche Länge t1 über die CPU 2 (nicht gezeigt in der Zeichnung) verändert werden. In einem derartigen Ausführungsbeispiel kann ein Anwender eine wünschenswertere Stimulanz durch Veränderung eines Parameters des innerhalb der CPU 2 installierten Steuerprogramms erzielen.
Jedes Mal, wenn ein Rechteckwellenimpuls von der variablen Ausgabeschaltung 11 ausgegeben wird, ist die CPU 2 fähig, während der Ausgabeperiode der Rechteckwellenimpulse eine Mehrzahl von Impulsen abwechselnd an den FET 9 oder den FET 10 auszugeben. Die Impulse beinhalten hochfrequentere Bestandteile als die Rechteckwellenimpulse. Das zeitliche Intervall t2 (Auszeit-Intervall) zwischen den an die FET 9 und FET 10 abgegebenen Impulsen nimmt allmählich ab, um dadurch die Impulsdichte der Impulse von der steigenden Flanke der Rechteckimpulse zu erhöhen, bis die erste Hälfte ihrer zeitlichen Länge t1 abläuft und steigt danach allmählich an, um dadurch ihre Impulsdichte mit dem Näherkommen der fallenden Flanke der Rechteckwellenimpulse während der zweiten Hälfte der zeitlichen Länge t1 herabzusetzen.
Wenn das +seitige PDM-Signal von der CPU 2 der FET 9 zugeführt wird, während ein Rechteckwellenimpuls zu dem Mittelzweig der Primärwicklung 22 des Transformators 21 abgegeben wird, wird die FET 9 während einer Ausgabeperiode jedes Impulses eingeschaltet, so dass ein Anschluss (d.h. gepunktete Seite) der Primärwicklung 22 geerdet ist. Dadurch wird eine Spannung in einem Anschluss (gepunktete Seite) der Sekundärwicklung 23 induziert. Gleichermaßen wird, wenn das –seitige PDM-Signal von der CPU 2 der FET 10 zugeführt wird, während ein Rechteckwellenimpuls zu dem Mittelzweig der Primärwicklung 22 des Transformators 21 abgegeben wird, die FET 10 während der Ausgabeperiode der Impulse eingeschaltet, so dass der andere Anschluss (nicht gepunktete Seite) der Sekundärwicklung 23 geerdet ist. Dadurch wird eine Spannung in dem anderen Anschluss (nicht gepunktete Seite) der Sekundärwicklung 23 induziert. Wie in 2 gezeigt, wird dementsprechend, wenn die Impulse während der Ausgabeperiode der Rechteckwellenimpulse dem Ausgang der FET 9 zugeführt werden, ein positives Stimulationssignal in Form von Impulsen ausgegeben, und wenn die Impulse während der Ausgabeperiode eines Rechteckwellenimpulses dem Ausgang der FET 10 zugeführt werden, ein negatives Stimulationssignal.
Somit werden über die Ausgabeelektroden 24 wiederholt einen Spannungspegel proportional zu der Amplitude A1 aufweisende Stimulationssignale erzeugt, wobei die Stimulationssignale dadurch erlangt werden, dass die Rechteckwellenimpulse der veränderlichen Ausgabesignale einer Pulsdichtemodulation durch die FETs 9, 10 unterzogen werden. Diese in jeder Periode T erzeugten Stimulationssignale stellen eine Gruppe S von Impulsen dar, wobei die Gruppe die zeitliche Länge t1 hat. Die Impulsgruppe S weist abwechselnd eine positive Spannung und eine negative Spannung auf. Das Auszeit-Intervall t2 der Impulse nimmt allmählich ab, um die Impulsdichte der Impulse von der steigenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe S bis ungefähr der Mitte der Impulsgruppe S zu erhöhen und dann allmählich zu, um ihre Impulsdichte bis zur fallenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe S abzusenken. Solange die Stimulationssignale abgegeben werden, berechnet ein innerhalb der CPU 2 eingebauter Zeitschalter (nicht gezeigt), der die Zeit auf der Zellen-LED 7 darstellt, weiterhin die Zeit.
3 bis 5 zeigen Wellenformen von derartigen erzeugten Stimulationssignalen.
Die hier gezeigten Stimulationssignale als Mustersignale sind durch Rechteckwellen-Impulsgruppen periodischer Frequenz von 2.74 KHz (wiederkehrende Periode T0 = 365 μsec) definiert. Jeder als hochfrequenter Bestandteil dienende Impuls mit einer einheitlichen zeitlichen Länge von 2 μsec ist innerhalb der Stimulationssignale im veränderlichen Zeitintervall im Bereich von 2 bis 15 μsec wegen der PDM enthalten.
3 zeigt eine vergleichbare Wellenform in dem Fall, wo ein 500Ω Testwiderstand als Last mit den Ausgabeelektroden 24 verbunden ist. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Wellenform von 3, wobei die Abszissenachse (zeitlich) vergrößert ist. In den 3 und 4 wird nahezu die gleiche Wellenform wie die in 2 gezeigten Stimulationssignale über den Testwiderstand erzeugt. Dagegen zeigt 5 eine Spannungswellenform über der Ausgabeelektrode 24 in dem Fall, in dem die Elektroden 24 an einer menschlichen Taille angebracht sind und dann eingeschalten werden. In diesem Fall funktioniert ein menschlicher Körper als wenn er ein kapazitives Element wäre, so dass sich, wenn sich das Auszeit-Intervall t2 zwischen den Impulsen als positive hochfrequente über die Ausgabeelektroden 24 zugeführte Bestandteile allmählich einengt, die in einem kapazitiven menschlichen Körper aufgeladene elektrische Ladung allmählich erhöht, wodurch eine abrupte Änderung in der den Ausgabeelektroden 24 zugeführten Spannungswellenform verursacht wird. Folglich wandelt sich die Spannungswellenform vom Negativen ins Positive. Wenn sich anschließend das Auszeit-Intervall t2 allmählich zwischen den Impulsen als positive hochfrequente über die Ausgabeelektroden 24 zugeführte Bestandteile aufweitet, nimmt die in einem kapazitiven menschlichen Körper aufgeladene elektrische Ladung allmählich ab. Dieses verursacht eine allmähliche und mäßige Veränderung der den Ausgabeelektroden 24 zugeführten Spannungswellenform an ihrem positiven Wellenberg. Danach weiten sich die Auszeit-Intervalle t2 der Impulse als die negativen hochfrequenten Bestandteile allmählich auf und engen sich in ähnlicher Weise, wenn diese Impulse über die Ausgabeelektroden 24 zugeführt werden, allmählich ein, so dass die Veränderung der in einem menschlichen Körper aufgeladenen elektrischen Ladung allmählich abgebrochen und dann ausgeglichen wird, so dass die Spannungswellenform der Ausgabeelektroden 24 sich vom Positiven ins Negative umwandelt, um allmählich in der Veränderung an ihrem negativen Wellenberg ausgeglichen zu werden. Auf diese Weise wird wegen der Veränderung des Auf- und Entladens eines menschlichen Körpers mit Spannungen mit den als positive und negative hochfrequente Bestandteile dienenden Impulsen eine niedrige Frequenz einer in 5 gezeigten nahezu sinusförmigen Wellenform erzeugt, wobei die Impulse von der Niederfrequenz einer derartigen sinusförmigen Wellenform getragen werden.
Mit anderen Worten, wenn das Auszeit-Intervall t2 zwischen den Impulsen groß ist (d.h. die Frequenz des Impulses ist niedrig), ist die elektrische Ladung oder Entladung relativ zu der äquivalenten elektrostatischen Kapazität des menschlichen Körpers im Betrag klein, um eine mäßige Veränderung der Spannungswellenform über die Ausgabeelektroden 24 herzustellen. Wenn andererseits das Auszeit-Intervall t2 zwischen den Impulsen klein ist (d.h. die Frequenz der Impulse ist hoch), ist die elektrische Ladung oder Entladung relativ zu der äquivalenten elektrostatischen Kapazität des menschlichen Körpers im Betrag hoch, um eine plötzliche Veränderung der Spannungswellenform herzustellen. Demzufolge werden die Stimulationssignale in die sinusförmigen niederfrequenten Signale moduliert, um in Wellenformen umgeformt zu werden, in welchen hochfrequente rechteckige Wellensignale auf diesen niederfrequenten Signalen getragen werden. Die niederfrequenten in sinusförmige Wellenformen deformierten Signale können somit verglichen mit einer Rechteckwelle extrem sanftes Stimulationsempfinden bei gleicher Stromstärke und Frequenz bieten. Weiterhin werden, da in den Stimulationssignalen hochfrequente, rechteckige, durch Schalten des Betriebes der FETs 9, 10 erzielten Wellensignalbestandteile getragen werden, die therapeutischen Erfolge durch die Bestandteile verbessert.
Außerdem ist die zeitliche Länge von jedem Impuls einheitlich und die Pausenperiode (Auszeit-Intervall t2) zwischen den Impulsen wird durch das Stimulationserzeugungsmittel 8 verändert, wodurch die Vorrichtung keine weiteren Impulse wie jene in der herkömmlichen Vorrichtung durch PWM erbrachte, erzeugt. Demzufolge wird ein Ladestrom nach und nach der äquivalenten elektrostatischen Kapazität eines menschlichen Körpers zugeführt, so dass ein Ladebetrag (Energiebetrag) allmählich ansteigt. Zönästhesie der sanfteren Stimulation kann folglich sogar durch hochfrequente Impulsbestandteile erreicht werden.
Damit eine Wellenform der Stimulationssignale niederfrequente Bestandteile von einer wie in 5 dargestellten, annähernden sinusförmigen Wellenform bei Zuführung an einen menschlichen Körper aufweisen kann, ist es wünschenswert, dass die jede eine Mehrzahl von Impulsen aufweisenden und die einheitliche zeitliche Länge t1 definierenden Rechteckwellen-Impulsgruppen S abwechselnd positiv und negativ sind; und die Dichte der Impulse allmählich in etwa entsprechend der Amplitudenzunahme einer Sinusfunktion sinωt in einem Bereich von 0 < ωt < π/2 ansteigt (d.h. das Auszeit-Intervall t2 zwischen den Impulsen engt sich allmählich annähernd invers mit der obigen Amplitudenzunahme von der fallenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe S bis ungefähr der Mitte davon ein) und danach die Dichte der Impulse in umgekehrter Reihenfolge der obigen Dichtezunahme allmählich abnimmt (d.h. das Auszeit-Intervall t2 erweitert sich annähernd invers mit der obigen Impulsdichte). Es ist wünschenswert, dass das Stimulationserzeugungsmittel 8 so konfiguriert ist, dass es wie in der oben erwähnten Weise agiert. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass das Auszeit-Intervall t2 zwischen den Impulsen zufällig mittels eines Zeitintervall-Veränderungs-Mittels oder einer Steuerfolge der CPU 2 verändert werden kann. Zusätzlich können nicht nur sinusförmige Wellen, sondern auch verschiedene Wellen wie dreieckige Wellen oder vordeformierte Wellen vorgesehen werden. Dies ermöglicht ein einzigartiges Stimulationsempfinden verschieden von dem durch sinusförmige Wellen vorgesehenem.
Wenn die oben erwähnten Stimulationssignale wiederholt einem menschlichen Körper zugeführt werden, kann dieser sich an diese Signale gewöhnen, was in einem Nachteil der Einschränkung der therapeutischen Erfolge, beispielsweise die Beseitigung oder Linderung von Schmerzen resultiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Steuerfolge der CPU 2 Pausen aufweisen, so dass die Stimulationssignale während der Ausgabe eines Stimulationspausenperioden-Einstellungssignals vorübergehend gestoppt werden. Ein anderer Weg zur Verhinderung der Gewöhnung an die Stimulation ist, die Amplitude des Stimulationssignals zu verändern. Im Ansprechen auf das von der CPU 2 zu der variablen Ausgabeschaltung 11 ausgegebenen Starkstimulations-Befehlssignals wird, wie auf der rechten Seite in 2 gezeigt, ein Rechteckimpuls von größerer Amplitude A2 als die vorbestimmte Amplitude A1 vorübergehend mittels der variablen Ausgabeschaltung 11 dem Stimulationserzeugungsmittel 8 zugeführt. Auf diese Weise werden Starkstimulationssignale, d.h. Impulsgruppen S' größerer Amplituden, vorübergehend dem menschlichen Körper zugeführt, so dass der oben erwähnte Nachteil eliminiert wird.
Unterdessen ist ein Mittel zur Erzielung der Rechteckwellen-Impulsgruppen, welche der in 2 gezeigten Pulsdichtemodulation unterworfen werden, nicht auf das in 1 gezeigte begrenzt. Wie in 6 gezeigt, kann das oben stehende Mittel zum Beispiel ein Stimulanzentwicklungsmittel 31, ein Signalumkehrmittel 32 und ein Stimulanzerzeugungsmittel 33 aufweisen. Das Stimulanzentwicklungsmittel 31 gibt Rechteckwellen-Impulsgruppen in vorgegebenen Zeitintervallen ab. Jede von diesen Impulsgruppen hat eine einheitliche zeitliche, eine Mehrzahl von Impulsen von variierender Impulsdichte aufweisende Länge. Das Signalumkehrmittel 32 kehrt die Rechteckwellen-Impulsgruppen jedes Mal ins Positive und Negative um. Jede Rechteckwellen-Impulsgruppe mit einer einheitlichen zeitlichen Länge wird von dem Stimulanzentwicklungsmittel 31 ausgegeben. Das Stimulanzerzeugungsmittel 33 verstärkt die Ausgabesignale und gibt diese von dem Signalumkehrmittel 32 als Stimulationssignale ab. Auf diese Weise dürfen die Rechteckwellen-Impulsgruppen S ohne das Erfordernis des Erzeugens der Rechteckwellenimpulse mit einer einheitlichen zeitlichen Länge t1 abwechselnd im Positiven und im Negativen auftreten, wie die Anordnung in 2 zeigt. Daneben engt sich das Auszeit-Intervall t2 zwischen den entsprechenden Impulsen allmählich ein, um die Impulsdichte der Impulse von der fallenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe S bis ungefähr der Mitte der zeitlichen Länge t1 der Rechteckwellen-Impulsgruppe S zu erhöhen und danach dehnt es sich allmählich aus, um ihre Impulsdichte bis zu der fallenden Flanke der Rechteckwellenimpulse herabzusetzen, so dass somit erzeugte Stimulationssignale einem menschlichen Körper zugeführt werden können. Wie oben beschrieben, kann die Amplitude der Rechteckwellen-Impulsgruppe S beliebig durch das Stimulanzentwicklungsmittel 31 verändert werden. Das Signalumkehrmittel 32 kann alternativ weggelassen werden, wenn das Stimulanzentwicklungsmittel 31 abwechselnd positive und negative Rechteckwellen-Impulsgruppen S erzeugen kann.
Wie aus dem Vorangehenden ersichtlich ist, bezweckt das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper zum Zuführen einer elektrischen Stimulanz an einen lebendigen Körper durch Anlegen des Leiterelementes 24 an den lebendigen Körper, indem ein elektrischer Strom von den Leiterelementen 24 zu dem lebendigen Körper fließt, wobei die Vorrichtung das Stimulationserzeugungsmittel 8 zur wiederkehrenden Abgabe der Rechteckwellen-Impulsgruppen S als Stimulationssignale an die Ausgabeelektroden 24 aufweist, und wobei das Stimulationserzeugungsmittel 8 durch Veränderung der Dichte einer Mehrzahl von Impulsen erhaltene Stimulationssignale abgibt, wobei die Impulse die Rechteckwellen-Impulsgruppen S während der Abgabeperiode t1 der Rechteckwellen-Impulsgruppen S bilden.
Wenn außerdem die eine Mehrzahl von Impulsen bildenden Rechteckwellen-Impulsgruppen S wiederholt über die Abgabeelektroden 24 als Stimulationssignale abgegeben werden, funktioniert der menschliche Körper als kapazitiver Scheinwiderstand. Somit wird der Scheinwiderstand herabgesetzt, wenn die Impulse hochfrequentere Signalbestandteile zugeführt werden. Die Wellenformen der Rechteckwellen-Impulsgruppen S werden als ganzes innerhalb des menschlichen Körpers deformiert. Auf diese Weise werden deformierte Wellenformen von niedriger Frequenz erzeugt. Folglich kann dem menschlichen Körper verglichen mit dem Rechteckwellenimpuls bei gleichem Strom und Frequenz ein sanfteres Stimulationsempfinden gegeben werden. Zusätzlich können, da jede Rechteckwellen-Impulsgruppe S eine Mehrzahl von Signalbestandteilen (Impulse) von höherer Frequenz als die Wiederholfrequenz der Rechteckwellenimpulse beinhaltet, durch die Signalbestandteile weitreichende therapeutische Erfolge erzielt werden.
Da ansonsten die zeitliche Länge von jedem Impuls konstant ist und eine Pausenperiode des Impulses (Auszeit-Intervall t2) durch das Stimulationserzeugungsmittel 8 während der Abgabeperiode von jeder Rechteckwellen-Impulsgruppe S verändert wird, existiert kein Impuls breiter als andere Impulse, so dass ein Ladestrom nach und nach der äquivalenten elektrostatischen Kapazität des menschlichen Körpers zugeführt wird, um einen Ladebetrag darin langsam zu erhöhen und somit die Zönästhesie der sanfteren Stimulation erreicht werden kann.
Besonders in dem Stimulationserzeugungsmittel 8 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dürfen die rechteckigen Wellenimpulse, die Impulsgruppen S mit einer aufweisenden vorbestimmten zeitlichen Länge t1 als ein ganzes definieren, abwechselnd im Positiven und im Negativen auftreten, wobei die Dichte der Impulse während der ersten Hälfte der zeitlichen Länge t1 allmählich ansteigt und während ihrer zweiten Hälfte allmählich abnimmt. Auf diese Weise werden die durch Verändern der Dichte einer Mehrzahl von Impulsen erhaltenen Stimulationssignale mittels des Stimulationserzeugungsmittels 8 ausgegeben.
Wenn das Stimulationserzeugungsmittel 8 derartige Stimulationssignale abgibt, hat jede der Rechteckwellen-Impulsgruppen seine deformierte Wellenform, so dass die Stimulationssignale Wellenformen annehmen dürfen, wo hochfrequente Impulse den hochfrequenten sinusförmigen Wellen angeglichenen Signalen überlagert werden. Folglich kann verglichen mit dem Rechteckwellenimpuls ein außergewöhnlich sanftes Stimulationsempfinden bei gleichem Strom und Frequenz erzielt werden.
Außerdem gibt das Stimulationserzeugungsmittel 8 in der vorliegenden Ausführungsform Stimulationssignale ab, in welchen die zeitliche Länge t1 der Rechteckwellen-Impulsgruppe S wenigstens 100-mal länger als die der individuellen Impulse ist. Als Ergebnis wird jeder an einen menschlichen Körper angelegte Impuls der eine Gruppe von Impulsen aufweisenden Rechteckimpulsgruppe S mit der zeitlichen Länge kürzer als einhundert ausgegeben, wobei hochfrequente Signalbestandteile äußerst wirksam während der Erzeugung der niederfrequenten Signalbestandteile einem menschlichen Körper zugeführt werden.
Im einzelnen umfasst das Stimulationserzeugungsmittel 8 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, wie besonders in 1 gezeigt: die FETs 9, 10, welche als Schaltmittel zum An/Ausschalten der Rechteckwellenimpulse dienen, um dabei die Rechteckwellen-Impulsgruppe S zu erzeugen, welche eine Mehrzahl von Signalbestandteilen höherer Frequenz als der Rechteckwellenimpuls beinhalten; und die CPU 2, die als ein Pulsdichte-Steuermittel zum Versorgen der Schaltglieder der FETs 9, 10 mit digitalen PDM-Signalen (oder +seitige PDM-Signale und –seitige PDM-Signale) zum Schalten der FETs 9, 10 dienen.
Um jede Rechteckimpulsgruppe S der Stimulationssignale dementsprechend zu deformieren, muss man nur die als Schaltmittel mit derartigen digitalen Ein-Aus-PDM-Signalen dienenden FETs 9, 10 versorgen. Somit gibt es keinen Bedarf an herkömmlichen Schaltungen (wie die herkömmliche Digital-Analog-Schaltung 102 und die Verstärkerschaltung 103) mehr zum Erhalten von sinusförmigen Wellenformen. Während herkömmliche Schaltungen zur Abgabe von sinusförmigen Wellen dutzende Bestandteile wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren erfordern, erfordert die Vorrichtung entsprechend des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung folglich nur ein paar FETs 9, 10, wodurch der Aufbau des Stimulationserzeugungsmittels 8 erheblich vereinfacht wird, das als Stimulationssignal-Ausgabeschaltung dient. Weiterhin weist die die Schaltmittel verwendende Pulsdichtemodulation einen extrem hohen Leistungswirkungsgrad auf, wie durch die Stromsteuerung von bürstenlosen Gleichstrom-Servomotoren gut dargestellt ist.
Es soll weiterhin angemerkt werden, dass die CPU 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels Starkstimulatiohs-Befehlsmittel zum Ermöglichen des vorübergehenden Abgebens der Rechteckwellenimpulse von größerer Amplitude A2 als die vorgegebene Amplitude A1 aufweist, wenn der Starkstimulationsmodus aktiv ist. Das Starkstimulations-Befehlsmittel ermöglicht die Zufuhr von Starkstimulationssignalen, d.h. Rechteckwellen-Impulsgruppen S' von größerer Amplitude. Dies kann verhindern, dass sich ein menschlicher Körper an die Stimulationssignale gewöhnt. Alternativ kann die Vorrichtung modifiziert werden, um einen Rechteckwellenimpuls zu erzeugen, dessen Amplitude zufällig veränderbar ist. Ebenso kann die Pausenperiode des Stimulationssignals auch zufällig verändert werden. In jedem Fall wird ein menschlicher Körper effektiver abgehalten, sich an die Stimulationssignale zu gewöhnen. Da die auf der CPU ausgeführte Steuerfolge die entsprechenden Funktionen des obigen Starksignal-Befehlsmittels, des Stimulationspausen-Befehlsmittels genauso wie des Pulsdichtemodulationsmittels ausführt, kann die Schaltung einen weniger komplizierten Aufbau aufweisen als die aus dem Stand der Technik bekannten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben stehenden Ausführungsbeispiele begrenzt und verschiedene Abwandlungen sind möglich. Die Wiederholfrequenz der Rechteckwellen-Impulsgruppe S, die zeitliche Länge t1 von jeder Rechteckwellen-Impulsgruppe, die Impulsdichte, d.h. das Auszeit-Intervall t2 zwischen den Impulsen, kann relativ frei entsprechend den verschiedenen Erfordernissen gewählt werden.

Claims

Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper zum Zuführen einer elektrischen Stimulanz an einen lebendigen Körper, wobei die Vorrichtung Leiterelemente aufweist, um ein Stimulationssignal an den lebendigen Körper anzulegen, indem ein elektrischer Strom von den Leiterelementen zu dem lebendigen Körper fließt, wobei die Vorrichtung ein Stimulationserzeugungsmittel zur wiederkehrenden Abgabe von Rechteckwellen-Impulsgruppen (S) als Stimulationssignale an die Leiterelemente aufweist, und das Stimulationserzeugungsmittel Stimulationssignale abgibt, in welchen die Dichte einer Mehrzahl von Impulsen, die die Rechteckwellen-Impulsgruppen (S) bilden, während einer Abgabeperiode (t1) der Rechteckwellen-Impulsgruppen (S) derart verändert wird, dass während einer periodisch erzeugten zeitlichen Länge (T) positive Rechteckwellen-Impulsgruppen, die eine Vielzahl von Impulsen aufweisen, und negative Rechteckwellen-Impulsgruppen, die eine Vielzahl von Impulsen aufweisen, wahlweise erzeugt werden, wobei die zeitliche Länge von jedem Impuls konstant gehalten wird, während eine Pausenperiode (t2) in jeder positiven und negativen Rechteckwellen-Impulsgruppe zwischen den Impulsen verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Impulse allmählich in etwa entsprechend der Amplitudenzunahme einer Sinusfunktion sinωt in einem Bereich von 0 < ωt < π/2 von einer steigenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe (S) bis ungefähr der Mitte ihrer vorbestimmten zeitlichen Länge (t1) ansteigt und danach in umgekehrter Reihenfolge der Dichtezunahme bis zu einer fallenden Flanke der Rechteckwellen-Impulsgruppe (S) allmählich abnimmt.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulationserzeugungsmitel die Stimulationssignale derart abgibt, dass eine zeitliche Länge (t1) von jeder Rechteckwellen-Impulsgruppe (S) wenigstens 100-mal länger sein kann als der Impuls.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulationserzeugungsmittel mit einem Schaltmittel zur Erzeugung von Rechteckwellen-Impulsgruppen (S) durch Ein- und Ausschalten des Rechteckwellen-Impulses versehen ist, welche eine Vielzahl von hochfrequenteren Signalbestandteilen als die Rechteckwellen-Impulse enthalten, und mit einem Impulsdichtesteuerungsmittel zur Lieferung von digitalen Impulsdichtemodulationssignalen zum Schatten der Schaltmittel.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsdichtesteuerungsmittel eine innerhalb einer CPU eingerichtete Steuersequenz aufweist.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin ein Starkstimulations-Befehlsmittel zum zeitweisen Abgeben eines Rechteckwellenimpulses von größerer Amplitude als der vorbestimmten aufweist.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsdichtesteuerungsmittel eine innerhalb einer CPU eingerichtete Steuersequenz aufweist.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin ein Stimulationspausen-Befehlsmittel zum zeitweisen Unterbrechen der Abgabe der Stimulationssignale aufweist.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulationspausen-Befehlsmittel fähig ist, eine Pausenperiode der Stimulationssignale zufällig zu ändern.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulationspausen-Befehlsmittel eine Steuerreihenfolge, welche innerhalb einer CPU installiert ist, aufweist.
Stimulationsvorrichtung für lebendige Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechteckwellenimpuls in der Amplitude zufällig veränderbar ist.