Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen
biologische Gewerbestimulatoren und im besonderen biologische
Gewebestimulatoren mit Hochspannungsausgangsschaltung.
Technischer Hintergrund
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Biologische Gewebestimulatoren haben sich bekanntlich als
nützlich in der Medizin erwiesen. In einem Beispiel werden
transkutane elektrische Nervenstimulatoren (TENS)
verwendet, um Schmerzsignale in einem menschlichen Körper zu
überdecken, ehe diese im Gehirn ankommen, und um damit die
Person scheinbar von Schmerzen zu befreien. In solchen
transkutanen elektrischen Nervenstimulatoren werden
elektrische Impulse, gewöhnlich Stromimpulse mit ausgewählter
Geschwindigkeit, Amplitude und Impulsdauer und mit
ausgewähltem Arbeitszyklus mittels einer oder mehrerer
Elektroden an die Haut der Person geführt. Die
Zeittakteigenschaften der zugeführten Impulse lassen sich vorher festlegen,
zum Beispiel durch den behandelnden Arzt, und/oder können
über der Person zugängliche und durch diese zu bedienende
Schalter individuell gewählt oder gesteuert werden.
Zusätzlich kann man einzelne Parameter oder auch ganze
Impulsprogramme mittels der transkutanen Nervenstimulatoren selbst
in einer vorbestimmten oder willkürlichen Weise verändern.
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Ein weiteres Beispiel für geeignete biologische
Gewebestimulatoren sind neuromuskuläre Stimulatoren (NMS), die
eingesetzt werden können, um die Muskeltätigkeit eines
Patienten elektrisch zu stimulieren. Bei solchen neuromuskulären
Stimulatoren werden elektrische Impulse, wahrscheinlich
wiederum Stromimpulse mit sorgfältig gesteuerter
Geschwindigkeit, Amplitude, Impulsdauer und Impulsfolge>
über Elektroden an eine Stelle oder an Stellen in der Nähe
des zu stimulierenden Muskels geleitet, um den Muskel damit
zu aktivieren oder zusammenzuziehen. Die Auslösung und
Steuerung einer solchen Impulsfolge läßt sich vom Patienten
steuern.
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Bei beiden dieser biologischen Gewebestimulatoren erzeugt
eine Ausgangsstufe elektrische Impulse mit bestimmten
Zeittakt- und Amplitudeneigenschaften. Die Amplitude dieser
elektrischen Stromimpulse hab gewöhnlich einen beachtlichen
Strompegel, z. B. 10-100 Milliampere. Solche Strompegel
lassen sich mittels einer Hochspannungsstromversorgung
erreichen, z. B. mit 40 bis 100 Volt. Die zur Lieferung der
Zeittakt- und Amplitudeninformationen erforderlichen Logik-
Schaltungen werden typischerweise über einen
Niederspannungspegel gespeist, z. B. von 2,7 bis 5 Volt. Somit müssen
mindestens zwei getrennte Spannungspegel aufrechterhalten
werden, d. h. elektrische Strom- oder Energiequellen, um
sowohl die Hochspannungsausgangsschaltungen als auch die
Niederspannungslogikschaltungen zu versorgen.
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Da die biologischen Gewebestimulatoren so ausgelegt sind,
daß sie sich an einem Menschen anwenden lassen, sind
geringe Größe und Unabhängigkeit von äußeren Stromquellen bei
ihnen sehr erwünscht. Als Energiequelle werden
üblicherweihe kleine Batterien verwenden. Da aber elektrische
Energiequellen bei mehreren Spannungspegeln erforderlich sind,
benötigt man entweder Batterien mit mehreren verschiedenen
Spannungen, oder die Spannung eines Batteriesatzes muß
entweder heruntertransformiert oder hochtransformiert werden,
um auf die zusätzlichen Spannungspegel zu kommen. Die
Notwendigkeit einer geringen Größe und die Zwänge der
Betriebskosten für biologische Gewebestimulatoren sprechen
gegen den Gebrauch von Batterien mit einer beträchtlich
höheren Spannung, z. B. 22,5 bis 90 Volt. Setzt man jedoch
Batterien mit einem geringeren Spannungspegel ein, z. B. von
1,2 bis 9 Volt, so sind zusätzliche Logik- und
Steuerschaltungen notwendig, um zu einer vervielfachten Spannung mit
angemessener Regelmöglichkeit zu kommen. Diese zusätzlichen
Elemente sprechen auf Grund ihrer Anzahl und der
erforderlichen größeren Spannungsquelle (Batterien) auf Grund der
zusätzlichen Energie, die sie verbrauchen, ebenfalls gegen
kleine Größen.
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In der EP-A-0,246,064 mit Prioritätsdatum vom 14. Mai 1986,
veröffentlicht am 19. November 1987, wird ein
programmierbarer Defibrillator beschrieben, der mit einer
wiederaufladbaren Batterie arbeitet, die über einen
Hochspannungsregler an einen Hochspannungskondensator angeschlossen ist.
Ausgangsschalter, die von einem Mikroprozessor gesteuert
werden, der auch den Regler steuert, liefern
Ausgangsimpulse für die Defibrillation.
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Die FR-A-2,528,708 offenbart ein implantierbares Gerät zur
Korrektur einer unnormalen Herztätigkeit durch
Elektroschocks mit geringer Energie, das einen
Versorungsstromkreis aufweist, der einen Energiespeicher speist. Durch
einen von einer programmierbaren Logikeinheit gesteuerten
Schalter werden Impulse an eine Ausgangselektrode geführt,
wobei die programmierbare Logikeinheit auch den
Versorgungsstromkreis steuert.
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Die EP-A-0,173,419 offenbart einen transkutanen
Nervenstimulator, der mit einem üblichen Mikroprozessor zur
Impulserzeugung und zum Anzeigen der Parameter arbeitet.
Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden diese Probleme
dadurch gelöst, daß ein biologischer Gewebestimulator
geschaffen wird, der in seinen elementarsten Formen nur eine
Niederspannungsenergiequelle benötigt, z. B. eine Batterie
mit ungefähr 3 Volt, sowie eine
Spannungsvervielfachungsstufe zur Schaffung einer Energiequelle mit hohem
Spannungspegel. Der Stimulator enthält eine einzige
Logikschaltung, z. B. einen Mikroprozessor, der mit Time-sharing
(Zeitteilung) zwischen der Zuführung der Zeittakt- und
Amplitudensignale zu einer Ausgangsstufe und der Zuführung
eines Schaltsignals zur Spannungsvervielfachungsstufe
arbeitet.
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Somit wird ein biologischer Gewebestimulator geschaffen,
der in vorteilhafter Weise mit einer einzigen
Niederspannungsenergiequelle arbeitet, und dabei in Time-sharing mit
einer außerdem noch erforderlichen Logikschaltung
zusammenwirkt, die eine Spannungsvervielfachungsstufe betätigt. Die
grundlegende Zeitgabegeschwindigkeit und die vorhandene
"Zeitscheibe" werden weitgehend durch die
Zeittakterfordernisse für die Ausgangsimpulse bestimmt. Da der
Arbeitszyklus der Stimulationsimpulsfolgen jedoch im allgemeinen
gering ist, steht sehr viel Zeit zur Verfügung, damit die
Logikschaltung die zusätzliche Aufgabe erfüllen kann, die
Spannungsvervielfachungsstufe zu betätigen. Diese Funktion
steht damit "frei" zur Verfügung, d. h. ohne zusätzliche
Elemente. Dadurch wird ein biologischer Gewebestimulator
geschaffen, der klein ist und sehr bequem zu tragen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform legt der biologische
Gewebestimulator zuerst die Zeittakt- und
Amplitudeninformationen fest und läßt diese zur Ausgangsschaltung
passieren. Anschließend steuert der Stimulator die
Spannungsvervielfachungsstufe an und erzeugt dadurch den erforderlichen
höheren Spannungspegel. Nach einiger Zeit geht der
Stimulator von neuem dazu über, Zeittakt- und
Amplitudeninformationen zur Ausgangsschaltung zu leiten, entweder über den
gleichen Ausgangskanal oder über einen anderen (z. B. einen
zweiten) Ausgangskanal. Anschließend daran steuert der
Stimulator wiederum die Spannungsvervielfachungsstufe an.
Danach leitet der Stimulator von neuem Zeittakt- und
Amplitudeninformationen zu einem Ausgangskanal usw. Die erzeugte
Hochspannungsenergie wird durch eine Speichereinrichtung so
lange gespeichert, bis sie in einer Ausgangsstufe genutzt
werden kann. Ein Spannungsregelkreis legt fest, wann der
Hochspannungsspeicherungspegel sein Maximum oder eine
vorbestimmte Schwelle erreicht hat, wobei der Stimulator an
dieser Stelle in den Ruhezustand übergeht, um Strom zu
konservieren, und auf die nächste erforderliche Steuerung von
Informationen zur Ausgangsstufe wartet.
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Mit einem in dieser Weise aufgebauten biologischen
Gewebestimulator lassen sich bedeutende Einsparungen bei der
Anzahl der Schaltungselemente und damit bei Größe, Gewicht,
Energiebedarf und Kosten erzielen. Der biologische
Gewebestimulator minimiert auch die Anzahl der erforderlichen
Pegel der Spannungsquellen und minimiert dadurch ebenfalls
Größe, Gewicht, Energiebedarf und Kosten. Mit dem
biologischen Gewebestimulator werden weiterhin Einsparungen beim
Stromverbrauch erreicht, wodurch sich die Betriebszeit
zwischen dem Wechseln der Batterien verlängert und sich die
Größe des erforderlichen Batteriesystems verringert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein biologischer
Gewebestimulator mit einer Niederspannungsgleichstromquelle,
einer Speichereinrichtung zum Speichern einer von der
Stromquelle hergeleiteten Spannung und einer
Ausgangsschaltungseinrichtung geschaffen, die funktional mit der
Speichereinrichtung gekoppelt ist, um eine Vielzahl von
biologischen Gewebestimulationsimpulsen abzusetzen; dadurch
gekennzeichnet, daß eine Spannungsvervielfachungseinrichtung
eine Induktorschaltung umfaßt, die funktional mit der
Niederspannungsgleichstromquelle gekoppelt ist, um die
Niederspannungsgleichstromquelle auf einen Hochspannungsausgang
umzuschalten, und
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daß die Speichereinrichtung mit dem Hochspannungsausgang
gekoppelt ist, um die Spannung des Hochspannungsausgangs zu
speichern, indem eine Zeitgebereinrichtung vorgesehen ist,
die von der Niederspannungsgleichstromquelle versorgt wird
und mit der Ausgangsschaltung gekoppelt ist, um eine
Vielzahl von Steuersignalen an die
Ausgangsschaltungseinrichtung abzusetzen, die den zeitlichen Ablauf der biologischen
Gewebestimulationsimpulse steuern, und um eine Vielzahl von
Schaltsignalen an die Induktorschaltung abzusetzen, um die
Induktorschaltung zu betätigen, wobei die Vielzahl von
Steuersignalen mit der Vielzahl von Schaltsignalen
abwechselt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Induktorschaltung einen Induktor auf, der mit der
Niederspannungsstromquelle in Reihe geschaltet ist, sowie ein
Schaltelement, das mit dem Induktor in Reihe geschaltet ist, um den
Induktor entsprechend dem von der Zeitgebereinrichtung
kommenden Schaltsignal wahlweise elektrisch an Erde legen zu
können. Zwischen den Induktor und das Schaltelement ist
eine Gleichrichtereinrichtung geschaltet, damit Strom, der
durch die Gleichrichtereinrichtung fließt, nur von dem
Induktor kommen kann. Eine Verbindungseinrichtung koppelt die
Gleichrichtereinrichtung und die
Hochspannungsspeichereinrichtung miteinander.
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In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung besitzt ein biologischer Gewebestimulator eine
Niederspannungsstromquelle und eine
Spannungsvervielfachungseinrichtung, die mit der Niederspannungsstromquelle
gekoppelt ist, um die Niederspannungsstromquelle in Abhängigkeit
von Schaltsignalen auf den Hochspannungsausgang
umzuschalten. Eine Ausgangsschaltung ist mit der
Spannungsvervielfachungseinrichtung gekoppelt, um aus Zeittaktsignalen einen
Stromimpuls zur biologischen Gewebestimulation zu erzeugen.
Mit der Spannungsvervielfachungseinrichtung und der
Ausgangsschaltung
ist eine Steuereinrichtung für die
Betriebsarten gekoppelt, um den biologischen Gewebestimulator
abwechselnd in den Impulsausgabemodus, der zur Zuführung der
Zeittaktsignale zur Ausgangsschaltung notwendig ist, und in
den Hochspannungsgenerierungsmodus zu schalten, wenn er im
Impulsausgangsmodus nicht benötigt wird, um damit die
Schaltsignale zur Spannungsvervielfachungseinrichtung zu
leiten. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der
biologische Gewebestimulator ferner einen
Ruhezustandsmodus, um den Strom niedriger Spannung zu konservieren, wenn
der biologische Stimulator weder im Impulsausgangsmodus
noch im Hochspannungsgenerierungsmodus gebraucht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die oben genannten Vorteile, die Arbeitsweise und der
Aufbau der vorliegenden Erfindung werden leichter
offensichtlich durch Bezugnahme auf die nun folgende Beschreibung und
auf die beiliegenden Zeichnungen. Darin zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines biologischen
Gewebestimulators der vorliegenden Erfindung, in dem ein
programmierbare Logikschaltung mit Time-sharing zu sehen ist;
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Fig. 2 ein Blockschaltbild eines biologischen
Gewebestimulators der vorliegenden Erfindung, in dem die
programmierbare Logikschaltung ausführlich dargestellt ist;
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Fig. 3 ein detailliertes Schaltschema der
Spannungsvervielfachungsstufe des biologischen Gewebestimulators der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 ein detailliertes Schaltschema einer Ausgangsstufe
des biologischen Gewebestimulators der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 5 ein Betriebsartenschema eines biologischen
Gewebestimulators der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 ein Betriebsartenschema bei einer alternativen
Ausführungsform des biologischen Gewebestimulators der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7 Zeittaktdiagramme von Ausgängen der
programmierbaren Logikschaltung des biologischen Stimulators der
vorliegenden Erfindung, und
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Fig. 8 Zeittaktdiagramme der die
Spannungsvervielfachungsstufe betätigenden Zeittaktsignale.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Fig. 1 und 2 stellen Blockschaltbilder des
biologischen Gewebestimulators 10 dar. Eine Schaltuhr 12 liefert
grundlegende Zeittaktsignale an einen Regelkreis 14, der
den programmierbaren Logikblock 16 steuert. Der
programmierbare Logikblock 16 arbeitet mit Time-sharing zwischen
der Versorgung der Ausgangsstufe 18 mit Zeittakt- und
Amplitudeninformationen (58 und 60) und der Übermittlung
eines Schaltsignals 40 an die Induktorschaltung 20. Das
Hochspannungsausgangssignal 22 dient für die Ausgangsstufe 18
auch dazu, Hochspannungsausgangsimpulse 24 abzusetzen, die
der Patient oder die Person benötigt, der/die biologische
Gewebestimulationsimpulse vom biologischen Gewebestimulator
10 empfängt. Eine Niederspannungsquelle mit Batteriestrom
26 ist mit der Induktorschaltung 20 gekoppelt dargestellt.
Die programmierbare Logikschaltung 16 nimmt auch externe
Statusinformationen 28 auf, die die Form einer vom Bediener
gesteuerten Amplitude oder von Betriebsartenwahlschaltern
aufweisen sollen. In Fig. 2 ist die programmierbare
Logikschaltung 16 als aus herkömmlichen Arithmetik-Logik-
Einheiten (ALE) 30, geeigneten Speicherelementen 32 und
Eingabe-Ausgabe-Datenkanälen 34 bestehend dargestellt.
Solche Blöcke und Schaltungen sind ihrer Art nach herkömmlich,
und der Aufbau und die Arbeitsweise des programmierbaren
Logikblocks 16 in Verbindung mit dem Regelkreis 14 und der
Schaltuhr 12 wird später leicht offensichtlich bei der
Behandlung der Fig. 7 und 8, die Zeittaktdiagramme
darstellen.
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Bei dem biologischen Gewebestimulator 10 erfolgt für den
einzelnen programmierbaren Logikblock 16 ein Time-sharing
zwischen den Ausgangszeittakt und Amplitudenfaktoren und
der direkten Betätigung der Induktorschaltung 20. Da nur
eine einzige Batteriestromquelle 26 mit niedrigem
Spannungspegel erforderlich ist, könnte die Batteriestromquelle
26 nicht nur als Quelle niedriger Spannung für die
Induktorschaltung 20 dienen, die auf einen Hochspannungspegel
umgeschaltet werden soll, sondern könnte auch in
vorteilhafter Weise den Strom niedriger Spannung liefern, den die
in der Schaltuhr 12, dem Regelkreis 14, der
programmierbaren Logikschaltung 16 und einem Teil der Ausgangsstufe 18
enthaltenen Logikelemente benötigen. Bei der bevorzugten
Ausführungsform erfüllt eine einzige Batteriestromquelle 26
diese beiden Funktionen. Alternativ könnten gesonderte
Batteriestromquellen 26 (1) die Induktorschaltung 20 versorgen
und (2) den Strom für die Logikschaltungen mit niedrigem
Spannungspegel liefern. Es ist jedoch darauf hinzuweisen,
daß nur eine einzige Stromquelle mit niedrigem
Spannungspegel erforderlich ist, ganz gleich, ob diese Stufe
physikalisch von einem Batterieelement oder von einer Vielzahl von
Batterieelementen kommt. Natürlich ist es ebenso möglich,
alle Logikelemente von einer separaten, regulierten
Niederspannungsstromquelle aus zu versorgen, die an die
grundlegende Niederspannungsstromquelle, d. h. an die Batterien,
angeschlossen ist.
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Da der programmierbare Logikblock 16 mit einem Time-sharing
zwischen der Ausgangsstufe 18 und der Induktorschaltung 20
arbeitet, schafft der programmierbare Logikblock 16 zu
einem Zeitpunkt, indem er die Ausgangsstufe 18 mit den
Zeittakt- und Amplitudeneigenschaften der Ausgangsimpulse 24
beliefert, und zu einem anderen Zeitpunkt, indem er die
Induktorschaltung 20 betätigt, den Hochspannungsausgang 22.
Da die Grundgeschwindigkeit der von der Schaltuhr 12
ausgehenden Signale zumindest teilweise von den
Zeittakterfordernissen der einen kurzen Arbeitszyklus aufweisenden
Hochspannungs-Stimulationsimpulse 24 bestimmt wird, steht
"Zeit" zur Verfügung, damit der programmierbare Logikblock
16 die zusätzliche Aufgabe ausführen kann, die
Induktorschaltung 20 zu betätigen. Damit wird die Aufgabe, die
Induktorschaltung 20 zu betätigen, im wesentlichen "frei"
erledigt.
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In den Fig. 1 und 2 ist zwar nur eine einzige
Ausgangsstufe 18 dargestellt, es ist aber einzuräumen und es
versteht sich, daß der von der Induktorschaltung 20 kommende
Hochspannungspegel 22 an eine Vielzahl von Ausgangsstufen
18 abgesetzt werden könnte, und daß der programmierbare
Logikblock 16 ein zusätzliches Time-sharing erfahren könnte,
um Zeittakt- und Amplitudeninformationen an die von den
zusätzlichen Ausgangsstufen 18 zu liefernden Hochspannungs-
Ausgangsimpulse 24 leiten zu können.
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Die Induktorschaltung 20 ist schematisch detailliert in
Figur 3 dargestellt. Ein Induktor 36 ist an ein Ende der
Niederspannungsstromquelle (der Batterie) 26 angeschlossen. In
einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem
Induktor 36 um einen 1-Millihenry-Induktor und bei der
Batterie 26 um zwei in Reihe geschaltete Batterien der Größe
"AAA", die einen Spannungspegel von 2 bis 3 Volt liefern.
Das entgegengesetzte Ende des Induktors 36 ist über ein
Hochspannungsgatter oder einen Schaltkreis 38 elektrisch
geerdet.
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Das Gatter 38 wird durch das vom programmierbaren
Logikblock 16 (Fig. 1 und 2) abgesetzte Schaltsignal 40
betätigt. Das Ende des Induktors 36, das mit dem Gatter 38
gekoppelt ist, ist auch mit der Anode der Diode 42 gekoppelt,
damit das vom Induktor 36 empfangene Signal gleichgerichtet
werden und damit sichergestellt werden kann, daß Strom nur
vom Induktor 36 entnommen und nicht zu diesem zurückgeführt
wird. Im wesentlichen wird potentielle Energie von der
Batterie 26 im Induktor 36 durch den programmierbaren
Logikblock 16 in magnetische Energie umgewandelt, wenn das
Gatter 38 vorübergehend geöffnet ist, d. h. wenn das
Transistorgatter 38 leitet. Diese magnetische Energie wird
anschließend im Kondensator 44 in potentielle Energie
umgewandelt, wenn das Gatter 38 geschlossen ist, d. h. wenn das
Transistorgatter 38 nicht leitet. Der Strom läuft durch die
Diode 42 und wird so lange im Kondensator 44 gespeichert,
der als Speicherelement fungiert, bis er danach durch die
Ausgangsstufe 18 genutzt werden kann. Der grundlegende
Prozeß des Öffnens und Schließens des Gatters 38, der durch
das Schaltsignal 40 gesteuert wird, wiederholt sich mittels
des programmierbaren Logikblocks so lange, bis ein
geeigneter Pegel des Hochspannungssignals 22 erreicht ist. Eine
Zenerdiode 46 mit Sperrvorspannung liefert den
grundlegenden Überspannungsschutz. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist die Zenerdiode 46 eine Zenerdiode mit ungefähr 62
Volt. Das Hochspannungssignal 22 wird auf ungefähr 50 bis
55 Volt gehalten durch ein Spannungsregelsystem, das aus
Widerständen 48 und 50 besteht, die einen Spannungsteiler
bilden, der mit einem Eingang eines Komparators 52
gekoppelt ist, dessen anderer Eingangsanschluß eine stabile
Vergleichsspannungsquelle 54 bildet, deren Spannung in einer
bevorzugten Ausführungsform ungefähr 1,7 Volt beträgt. Der
Ausgang 56 des Komparators 52 wird zum programmierbaren
Logikblock 16 rückgekoppelt, damit der programmierbare
Logikblock 16 diesen zur Überwachung des Status der
Hochspannungsschaltung 20 und zur Ausführung der Rückkopplung
nutzen kann, so daß die programmierbare Logikeinheit 16 die
Betriebsart des biologischen Gewebestimulators 10 damit in
geeigneter Weise steuern kann.
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Ein Schaltschema der Ausgangsstufe 18 in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist im Detail in Fig. 4 zu
sehen. Das von der programmierbaren Logikeinheit 16
empfangene Amplitudensignal 58 ist eine Impulsfolge mit einer
festen Impulswiederholungsfrequenz. Die Impulsdauer jedes
einzelnen Impulses hängt ab von der Amplitude, die für die
von der Ausgangsstufe 18 zu liefernden
Hochspannungsausgangsimpulse 24 gewünscht wird. Die Ausgangsstufe 18 nimmt
auch das vom programmierbaren Logikblock 16 kommende
Zeittaktsignal 60 auf. Das Zeittaktsignal 60 wird so aktiviert,
daß es den Operationsverstärker 62 ansteuert, so daß er
einen Hochspannungsausgangsimpuls 24 von der Ausgangsstufe
18 auslöst. Der Kondensator 64 und der Widerstand 63 bilden
einen Tiefpaßfilter, der im wesentlichen die
Gleichstromkomponente der Impulsfolge mit veränderlicher Dauer vom
Amplitudensignal 58 wiederherstellt. Die Ausgangsstufe 18
nimmt auch das Hochspannungssignal 22 von der
Induktorschaltung 20 auf. Die Transistoren 66 und 68 und die
Widerstände 70, 72, 74 und 76 wandeln das Hochspannungssignal 22
in einen als Hochspannungsausgangsimpuls 24 zu liefernden
Stromimpuls um. Der Transistor 78, die Widerstände 80 und
82 und der Kondensator 84 gewährleisten eine
Netto-Gleichstromkomponente von Null für die Ausgangsstromimpulsfolge
24. Die Dioden 86 und 88 machen den Transistor 78 nur dann
leitend, wenn der Transistor 68 nicht leitet.
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Fig. 5 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der
Betriebsarten des biologischen Gewebestimulators 10 gemäß
der vorliegenden Erfindung. Der biologische
Gewebestimulator ist in Fig. 5 allgemein im Zustand 90, in
dem Amplituden- und Zeittaktinformationen 58 und 60 an eine
der Ausgangsstufen 18 übermittelt werden. Wenn diese
Aufgabe erfüllt ist, geht der biologische Gewebestimulator
dann in den Zustand 92 über, in dem Schaltsignale 40 an
eine Induktorschaltung 20 abgesetzt werden, die als
Spannungsvervielfachungsstufe fungiert, die einen
Hochspannungspegel 22 erzeugt, den die Ausgangsstufen 18 danach
nutzen. Wenn der biologische Gewebestimulator 10 seine
Aufgabe erfüllt hat, die Hochspannungsversorgung 22
aufrechtzuerhalten, kann er (1) entweder sofort oder nach Ablauf
eines vorbestimmten Zeitraums zurückkehren, um dann die
Vervielfachung des Hochspannungsversorgungspegels 22 zu
vollenden, oder (2) in den Zustand 90 zurückkehren, um von
neuem Amplituden- und Zeittaktinformationen an eine oder an
mehrere der Ausgangsstufen 18 zu liefern. Wenn der
Spannungspegel der Hochspannungsversorgung 22 den korrekten
Wert erreicht hat, kann der biologische Gewebestimulator
dann in den Zustand 94 und damit in den "Ruhezustand"
übergehen, um Energie aus der Niederspannungsstromquelle 26 zu
konservieren.
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Fig. 6 zeigt eine Variation des Zustandsdiagramms von
Figur 5. Fig. 6 ist eine Alternative, bei der ein einzelner
Zustand 90, der zur Übermittlung von Zeittakt- und
Amplitudeninformationen an die Ausgangsstufen 18 benutzt wird, für
eine Vielzahl von spannungsvervielfachungsstufen 20 dient
und daher einzeln und nacheinander die Zustände 92A, 92B
bis 92C durchlaufen muß, um das Absetzen von Schaltsignalen
40 an alle vorhandenen und im biologischen Gewebestimulator
10 enthaltenen Hochspannungs-Induktorschaltungen 20 zu
vollenden. Steht Zeit dafür zur Verfügung, so wird wiederum
der Ruhezustand 94 erreicht.
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Als Alternative zur in Fig. 6 dargestellten Betriebsart
kann eine einzelne Induktorschaltung 20 eine Vielzahl von
Ausgangsstufen 18 bedienen. In diesem Falle wird nur eine
Induktorschaltung 20 mit Schaltsignalen 40 versorgt,
während die Vielzahl von Ausgangsstufen 18 wiederum in einem
Time-sharing mit Zeittakt- und Amplitudeninformationen
beliefert wird. Dies läßt sich leichter durch das in Fig. 7
dargestellte detaillierte Zeittaktdiagramm
veranschaulichen. In Fig. 7 ist eine Vielzahl von Zeitgeberüberläufen
96 dargestellt, die von der Schaltuhr 12 geliefert werden
und die grundlegenden Zeitintervalle darstellen, die dem
programmierbaren Logikblock 16 zur Verfügung stehen. In dem
Zeittaktdiagramm in Fig. 7 wird vorausgesetzt, daß zwei
Ausgangsstufen 18, die als Kanal 1 und Kanal 2 bezeichnet
werden, sowie eine einzelne Induktorschaltung 20 vorhanden
sind. Während des ersten Intervalls zwischen den
Zeitgeberüberläufen 96 wird ein Ausgangsimpuls 60A von Kanal 1
geliefert, worauf sofort ein Amplitudensignal 58A vom Kanal 1
folgt. Der Zeitmittelwert der Impulsdauer des
Amplitudensignals 58A ist variabel und bestimmt in der Ausgangsstufe 18
die Amplitude des abgesetzten Ausgangsstromimpulses 24. In
einer bevorzugten Ausführungsform fragt der programmierbare
Logikblock 16 unmittelbar nach Übermittlung des
Amplitudensignals 58A von Kanal 1 die externe Statusinformation 28
ab, wie durch das Signal 98 angegeben. Wenn im ersten
Intervall zwischen den Zeitgeberüberläufen 96 noch Zeit
bleibt, beginnt der programmierbare Logikblock 16 mit der
Übermittlung des Schaltsignals 40 an die Induktorschaltung
20. In einer bevorzugten Ausführungsform wird, falls
erforderlich, das gesamte zweite Intervall zwischen den
Zeitgeberüberläufen 96 benutzt, um das Schaltsignal 40 zur
Induktorschaltung 20 zu leiten. Während des dritten Intervalls
zwischen den Zeitgeberüberläufen 96 werden das
Zeittaktsignal 60B von Kanal 2 und das Amplitudensignal 58B von Kanal
2 an die Ausgangsstufe 18 des Kanals 2 geführt. Da in einer
bevorzugten Ausführungsform die externe Statusinformation
nur in einem längeren Intervall abgefragt wird, geht dann
die programmierbare Logikeinheit 16 direkt dazu über, das
Schaltsignal 40 an die Induktorschaltung 20 zu übermitteln.
Das vierte Intervall zwischen den Zeitgeberüberläufen 96
ähnelt dem zweiten Intervall zwischen den
Zeitgeberüberläufen 96 darin, daß der gesamte Zeitraum erforderlichenfalls
damit ausgefüllt ist, das Schaltsignal 40 an die
Induktorschaltung 20 abzusetzen. In diesem Zeittaktdiagramm wird
vorausgesetzt, daß der Pegel des Hochspannungssignals 22
niedriger ist als gewünscht, und daß eine maximale
Zeitmenge dadurch verbraucht wird, daß Schaltsignale 40
übermittelt werden, um den Pegel des Hochspannungssignals 22
bis zum gewünschten Wert aufzubauen. Weitere Intervalle
zwischen den Zeitgeberüberläufen 96 ähneln den
vorhergehenden, bis der Pegel der Hochspannungsversorgung 22 sein
Maximum oder seinen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat.
Zu diesem Zeitpunkt liefert der programmierbare Logikblock
16 nicht weiter die Schaltsignale 40 an die
Induktorschaltung 20, sondern geht in den Ruhezustand über, wie aus den
Ruheblöcken 100 zu ersehen ist, da diese Zeit nicht
notwendig ist, um das Niveau der Hochspannungsversorgung 22
aufrechtzuerhalten. Auch wird periodisch ein weiterer
Zeitschlitz 98 zum Ablesen der externen Statusinformation 28
reserviert.
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Fig. 8 veranschaulicht ein bevorzugtes Zeittaktdiagramm
des zur Induktorschaltung 20 zu übermittelnden
Schaltsignals 40. Der genaue Zeitraum, über den sich das Gatter 38
idealerweise öffnen und schließen soll, sollte sich nach
der Größe der Induktivität des Induktors 36, den
gewünschten Wirkungsgraden (die Energieverluste in größeren
Elementen widerspiegeln), den Anforderungen an den Ausgangsstrom
und, was am wichtigsten ist, der von der Batterie 26
gelieferten Spannung richten. Da die Batteriespannung keine
Betriebskonstante ist, stellen sich die in Fig. 8
dargestellten Zeittaktdiagramme abhängig vom Spannungspegel ein.
Allgemein sinkt der Spannungspegel der Batterien 26, wenn
sich diese entladen. Im allgemeinen sollte sich das Gatter
38 nicht über den Sättigungspunkt des Induktors 36 hinaus
öffnen, denn von diesem Punkt an nehmen die Energieverluste
stark zu. Das Gatter 38 sollte jedoch lange genug geöffnet
sein, damit sich im Induktor eine ausreichende Menge an
gespeicherter Energie aufbauen kann. Magnetische Energie
nimmt mit dem Quadrat des durch den Induktor fließenden
Spitzenstroms zu. Die von den Batterien 26 gelieferte
Spannung ist ungefähr gleich dem Wert der Induktivität im
Induktor 36 mal der Menge und der Änderung der Stromstärke,
geteilt durch die Änderung in der Zeit. Um die Änderung der
Stromstärke konstant zu halten, wenn sich die
Batteriespannung vermindert, muß die Änderung in der Zeit oder der
Zeitraum, über den das Gatter 38 geschlossen ist, größer
werden. Allgemein ist es wichtig, daß man den Spitzenstrom
ziemlich konstant hält, um damit die Energiekapazität des
Pegels des Hochspannungssignals 22 aufrechtzuerhalten,
während man die Zeit beschränkt, in der die Induktorschaltung
aktiv sein muß. Mit anderen Worten, die vom
programmierbaren Logikblock 16 benötigte "Zeitscheibe" bleibt trotz der
Änderungen in der Spannung der Batterie 26 sehr stark
beschränkt. Die Zeit, während der das Gatter 38 offen ist,
wird vorzugsweise von der Spannung der Batterie 26
bestimmt. Dies ist in den in Fig. 8 dargestellten
Zeittaktdiagrammen des Schaltsignals 40 veranschaulicht. In einer
bevorzugten Ausführungsform werden zwei einzelne
Zeittaktsignale abgesetzt. Das Schaltsignal 40A wird abgesetzt,
wenn die Batteriespannung höher als 2,2 Volt ist. Aus dem
Zeittaktdiagramm des Schaltsignals 40A geht hervor, daß das
Schaltsignal 40A 70 Mikrosekunden lang "eingeschaltet" ist
(und damit das Gatter 38 leitend macht) und 10
Mikrosekunden lang "abgeschaltet" ist (und damit das Gatter 38
nichtleitend macht). Sinkt die Batteriespannung unter 2,2 Volt,
so kommt das Schaltsignal 40B zum Einsatz. Um die richtigen
Strompegel aufrechterhalten zu können, wird die
"Einschaltzeit" des Schaltsignals 40 auf 100 Mikrosekunden
erhöht. Die "Aus"-Zeit bleibt jedoch weiter konstant bei 10
Mikrosekunden. Die "Einschaltzeit" des Schaltsignals 40
wird so verändert, daß der Induktor 36 dann mit
Spitzenleistung arbeitet, während die "Aus"-Zeit des Schaltsignals 40
konstant gehalten wird, denn diese Zeitmenge ist nur
erforderlich, um den Strom aus dem Induktor heraus und in den
Kondensator 44 zu führen, um den Strom dort als Spannung zu
speichern, die als Hochspannungssignalpegel 22 zur
Verfügung steht.