DE3930930C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Gerät zur Diagnose und/oder Therapie mit Hilfe elektromagnetischer Felder zwecks magnetomotorischer Stimulation von Nerven, mit einem hufeisenförmigen Magnetkern, dem mindestens eine strom­ impulsbeaufschlagbare Spulenwicklung zur Magnetfelderzeugung zugeordnet ist.

Bei einem bekannten sogenannten Magnetimpulsgerät dieser Art (DE 26 32 501 A1) ist der hufeisenförmige Magnetkern mit einer einzigen Spulenwicklung im mittleren Stegbereich zwi­ schen den beiden zu den Polschuhen führenden Schenkeln verse­ hen. Mit Hilfe dieses Geräts wird die kurzzeitige lokal be­ grenzte Erzeugung eines starken Magnetfeldes angestrebt, um im zu behandelnden Organismus auf Nervenenden bzw. Nervenbahnen Aktionspotentiale auszulösen; das Wirkungsfeld des so örtlich gesetzten Reizes, der wie eine Injektion, eine Akupunkturnadel oder ein Laserstrahl wirkt, soll sich in seiner Fläche pa­ rallel zur Haut und in seiner Tiefe durch veränderlich oder auswechselbar ausgeführte Polschuhe bestimmen lassen. In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß sich mit Hilfe des bekannten Geräts keine örtlich ausreichend eng begrenzte Magnetfelder­ zeugung und damit gezielte Reizung tiefer liegender Nerven er­ reichen läßt, insbesondere bedingt durch sehr starke Streuung des Magnetfeldes außerhalb der einzigen Spulenwicklung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gerät der eingangs genannten Art so weiter auszubilden, daß sich ein ge­ nau fokussierbares und dennoch weit reichendes starkes Magnet­ feld erzeugen läßt.

Das Gerät nach der Erfindung, bei dem diese Aufgabe ge­ löst ist, zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß den beiden Polschuhen des hufeisenförmigen Magnetkerns jeweils ei­ ne Polschuhwicklung zugeordnet ist und daß im Bereich zwischen den die beiden Polschuhwicklungen tragenden Polschuhen minde­ stens eine Steuerspule angeordnet ist, deren Windungen etwa quer zu den beiden Polschuhen gemeinsamen Ebene verlaufen.

Es hat sich gezeigt, daß sich mit diesem Gerät genau fo­ kussierbare Magnetfelder einer Feldstärke von 1 bis 2 Tesla mit einer Pulsdauer von etwa 200 Mikrosekunden erzeugen las­ sen, durch die auch kleine, tiefliegende Nervengruppen stimu­ liert werden können. Eine kürzere Pulsdauer wird von den Nerven erfahrungsgemäß kaum in Aktionspotentiale umgesetzt; eine längere Pulsdauer erzeugt in den Nerven ein zu geringes elektrisches Feld. Der erfindungsgemäße Einsatz der Steuerspule(n) zwischen den wicklungsbestückten Polschuhen er­ möglicht dabei, das magnetische Feld möglichst weit aus der Felder erzeugenden Vorrichtung herauszudrängen,um so tiefer­ liegende Nervengruppen zu stimulieren und die Vorteile der nicht operativen und nicht invasiven Untersuchungs- bzw. Be­ handlungsmethode auszunutzen. Da sich mit Hilfe des erfin­ dungsgemäßen Geräts durch das schnell veränderliche magneti­ sche Feld ein elektrisches Feld an einem eng umrissenen Be­ reich innerhalb des Körpers erzeugen läßt, ist ein Aktionspo­ tential am angepeilten Nerv hervorrufbar. Deshalb ist das Ge­ rät insbesondere zur Diagnostik der motorischen Nerven der Großhirnrinde sowie peripherer Nerven mit Erfolg einsetzbar. Daneben kann es auch als Therapiegerät Anwendung finden, näm­ lich als Muskelstimulationsgerät zur Aufrechterhaltung der Muskelfunktionen und der Muskelmasse, beispielsweise bei Ge­ lähmten oder Komatösen oder als Defibrillationsgerät zur Beseitigung des Herzkammerflimmerns. In der Diagnostik dient das elektromagnetische Nervenstimulationsgerät vor allem der Untersuchung des Parkinsonismus, der Alzheimerschen Krankheit, der Multiplen Sklerose, cerebellären (das Kleinhirn be­ treffender) Erkrankungen sowie von Nervenschäden in der Unfallchirurgie.

An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß bei bisher gebauten oder in der Praxis eingesetzten Geräten das Magnetfeld aus­ schließlich von flachen, spiralförmigen Spulen ohne Zuhilfe­ nahme von Steuerspulen und ohne ferromagnetische Materialien erzeugt wird. Das Feld am Ort der Stimulation ist deshalb räumlich um ein Vielfaches größer; eine örtlich genau zu be­ grenzende Stimulation ist deshalb nicht möglich. Dies verhin­ dert eine präzise lokalisierte Stimulation tieferliegender Nervengruppen und führt zu Ungenauigkeiten in der Diagnostik oder Therapie.

Auch bei der eingangs erwähnten Verwendung eines huf­ eisenförmigen Magnetkerns ohne Steuerspule und ohne Polschuh­ wicklungen an den Schenkelenden läßt sich außerhalb des Spu­ lensystems eine zur Nervenstimulation ausreichende Flußdichte nicht erreichen.

Besonders günstige Ergebnisse lassen sich erreichen, wenn die Windungsachse der Steuerspule zu der beiden Polschuhen ge­ meinsamen Ebene parallel verläuft. Dabei ist es von Vorteil, die Steuerspule so anzuordnen, daß deren Unterkante in der beiden Polschuhen gemeinsamen Ebene liegt.

Als sehr zweckmäßig hat es sich in weiterer Ausgestaltung des Geräts nach der Erfindung herausgestellt, wenn die Steuer­ spule in Reihe oder parallel zu den in Reihe oder parallel ge­ schalteten Polschuhwicklungen liegt. Auf diese Weise ist ge­ währleistet, daß innerhalb äußerst kurzer Zeitspannen von etwa 200 Mikrosekunden die für die Erzeugung des Magnetfeldes er­ forderlichen Polschuhwicklungen bzw. Steuerspulen gleichzeitig stromdurchflossen sind, so daß die die Stimulation bewirkenden Magnetfelder einander überlagernd zur selben Zeit erzeugt wer­ den.

Zweckmäßigerweise besteht der hufeisenförmige Magnetkern aus ferromagnetischem Material mit hoher magnetischer und ge­ ringer elektrischer Leitfähigkeit. Durch Verwendung von Kern­ material hoher Sättigungsinduktion und geringer Ummagnetisie­ rungs- und Wirbelstromverluste kommt man mit einem geringen Energieaufwand aus.

Als günstig hat es sich in weiterer Ausbildung herausge­ stellt, wenn der hufeisenförmige Magnetkern aus ferromagneti­ schen Gläsern oder geschichtetem, voneinander isoliertem weichmagnetischem Eisenkobaltblech einer Stärke von 0,3 mm be­ steht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeich­ nung, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht des das Herzstück des erfindungsgemäßen Geräts bildenden Hufeisenmagneten mit zugeordneten Wicklungen, einschl. Steuerspule,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der das Herzstück des herkömmlichen Gerätes bildenden flachen spiralförmi­ gen Spule,

Fig. 3 ein Feldstärkediagramm, wie es mit einer flachen spiralförmigen Spule nach Fig. 2 erreichbar ist,

Fig. 4 ein Feldstärkediagramm, wie es mit einem Gerät, mit hufeisenförmigem Kern, jedoch ohne Steuer­ spule erreichbar ist, und

Fig. 5 ein Feldstärkediagramm, wie es mit dem Gerät nach der Erfindung gem. Fig. 1 erreichbar ist.

Fig. 1 zeigt einen in einer Ebene, die senkrecht auf der x-y-Ebene steht, liegenden hufeisenförmigen Magnetkern 1. Im Bereich der Polschuhe 2, 3 weist der Magnetkern 1 Polschuh­ wicklungen 4, 5 auf. Außerdem ist im Bereich zwischen den bei­ den Polschuhen 2, 3 eine Steuerspule 6 vorhanden. Die Win­ dungsachse dieser Steuerspule 6 verläuft zu der beiden Pol­ schuhen 2, 3 gemeinsamen Ebene, d. h. zur x-y-Ebene etwa pa­ rallel, und ihre Unterkante liegt in der den beiden Polschuhen gemeinsamen Ebene. Die Polschuhwicklungen 4, 5 liegen in Reihe oder parallel zueinander; die Steuerspule 6 liegt zu den Polschuhwicklungen 4, 5 in Reihe oder parallel. Der huf­ eisenförmige Magnetkern 1 besteht aus ferromagnetischem Ma­ terial mit hoher magnetischer und geringer elektrischer Leit­ fähigkeit. Besonders geeignet sind ferromagnetische Gläser, wie sie z. B. unter der Handelsbezeichnung Vitrovac® F-4040 der Fa. Vacuumschmelze erhältlich sind. Stattdessen ist auch geschichtetes, voneinander isoliertes weichmagnetisches Eisenkobaltblech geringer Stärke von etwa 0,3 mm einsetzbar, wie es z. B. unter der Handelsbezeichnung Vacoflux 48 von der Fa. Vacuumschmelze auf den Markt gebracht wird.

Die erfindungsgemäß erreichte größere Ausdehnung des mag­ netischen Feldes ist deshalb von entscheidender Bedeutung, weil dadurch tiefer innerhalb des Körpers liegende Nerven­ strukturen (z. B. die Großhirnrinde) stimuliert werden können. Dies wird im wesentlichen durch die Plazierung der Steuerspule 6 bzw. mehrerer Steuerspulen in der Mitte zwischen bzw. um die Pole des hufeisenförmigen Magnetkerns 1 erreicht. Dadurch wird nämlich das zur Nervenstimulation benötigte magnetische Feld so verändert, daß es in einer größeren Entfernung von den Pol­ schuhen 2, 3 mit höherer Intensität stark fokussiert wirkt. Die Plazierung der Steuerspule/Steuerspulen 6 sollte so erfol­ gen, daß deren Unterkante auf der Ebene der Schenkelenden des hufeisenförmigen Magnetkerns 1 liegt. Auf diese Weise läßt sich einerseits das Magnetfeld möglichst weit aus dem Spulen­ system herausdrängen; andererseits läßt sich jedoch das Spu­ lensystem so nahe wie möglich an die Hautoberfläche des Pa­ tienten bringen, um eine tiefe Stimulationswirkung zu erzie­ len.

Die Fokussierung des Magnetfeldes durch die neuartigen Polschuhwicklungen in Verbindung mit der Steuerspule/Steuer­ spulen 6 ermöglicht demgemäß die Untersuchung noch feinerer, kleinerer Bereiche der Nervenstrukturen als bisher.

Der Vorteil der Verwendung dieses elektromagnetischen Spulensystems wird bei einem Vergleich der errechneten Feld­ stärkendiagramme gem. den Fig. 3, 4 und 5 besonders deutlich.

Die dargestellten Feldstärkenwerte beziehen sich auf eine Ebene von 20 × 20 cm, die sich 2 cm unterhalb der jeweiligen Spulenanordnung findet. Die Auslenkung in Richtung der y-Achse der Figuren zeigt die Stärke des Magnetfeldes in der Ebene und nicht die räumliche Ausdehnung des Feldes.

Fig. 3 zeigt den Feldstärkenverlauf eines im Handel er­ hältlichen Stimulationsgerätes mit einfacher, spiralförmiger Spulenanordnung gem. Fig. 2. Die Spule besitzt 19 Windungen, eine Induktivität von ca. 35 uH, einen Innendurchmesser von 5,5 cm und einen Außendurchmesser von 12,1 cm. Der maximale Spulenstrom beträgt 4000 A, die maximale Spulenspannung 3000 V.

Fig. 4 zeigt den Feldstärkenverlauf eines hufeisenförmi­ gen Magnetkerns ohne die Steuerspule 6, bei dem pro Schenkel 24 Windungen einer Hochfrequenzlitze (6 qmm Querschnitt, Durchmesser der Einzelleiter 0,15 mm) aufgewickelt sind. Der maximale Spulenstrom beträgt hier ca. 4000 A, die maximale Spulenspannung reduziert sich auf ca. 1000 V. Die beiden Pol­ schuhwicklungen sind hierbei in Reihe geschaltet.

Fig. 5 zeigt den Feldstärkenverlauf des hufeisenförmigen Magnetkerns 1 nach der Erfindung mit einer Steuerspule 6 unter den gleichen Vorgaben wie bei der Ausführung nach Fig. 4. Die Steuerspule 6 wird hierbei mit ca. 4000 A in Reihe mit Pol­ schuhwicklungen 4, 5 betrieben. Die maximale Gesamtspannung beträgt ca. 1000 V.

Erreicht wird die hohe Leistung mit Hilfe einer herkömm­ lichen Versorgungsschaltung, die einen Kondensator enthält, der mittels eines Thyristors über den die Spule enthaltenden Kreis entladen wird.

Der Vergleich der Figuren zeigt deutlich die Verbesserung zwischen den Feldstärkeverläufen der Fig. 3 und 4; gem. Fig. 4 ist die für die Stimulation relevante Zone mit einer Flußdich­ te von mehr als 1 Tesla räumlich wesentlich begrenzter.

Die Verbesserung unter Zuhilfenahme der Steuerspule 6 äußert sich in der Reduzierung des für die gezielte Stimula­ tion sehr störenden Feldstärkenabfalles in der Mitte zwischen den Feldstärkenspitzen. Störend ist dieser Feldstärkenabfall deshalb, weil dadurch zwei räumlich voneinander getrennte Be­ reiche der Stimulation entstehen, so daß eine genau loka­ lisierte Stimulation erschwert wird. Dadurch, daß die Nervenstimulation erst oberhalb einer bestimmten Schwelle eintritt, ergeben sich bei der Anwendung eines huf­ eisenförmigen Geräts ohne Steuerspule zwei kreisförmige, voneinander getrennte Stimulationsbereiche. Vom medizinischen Standpunkt ist ein einziger ovaler stimulierter Bereich, wie er durch das hufeisenförmige Gerät mit Steuerspule aufgrund der Schwellenwirkung erreicht wird, zumeist günstiger als zwei getrennte kreisförmige Bereiche, auch wenn diese von der Fläche her kleiner sind. Dadurch wird das Anvisieren der zu stimulierenden Bereiche wesentlich erleichtert. Im Zielpunkt unterhalb der Anordnung wird nämlich auch ein Aktionspotential und damit eine Nervenstimulation erzeugt.

Durch die neue Spulenanordnung mit der Steuerspule/Steu­ erspulen 6 läßt sich in vorteilhafter Weise eine erhebliche Reduzierung des Energieaufwandes zur Erzeugung der magneti­ schen Impulse erreichen. Das Feld im Innenraum der Spulenan­ ordnung, wo es praktisch nicht benötigt wird, wird durch die Steuerspule abgeschwächt, und der Energieinhalt des Feldes im ferromagnetischen Material ist bei gleicher Flußdichte wesent­ lich geringer als in Luft. Als weiterer Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Spulenanordnung mit Steuerspule/Steuerspulen ist zu erwähnen, daß die Feldrichtung am Ort der Stimulation rich­ tungsgebunden in der Flucht der Pole des hufeisenförmigen Mag­ netkerns 1 verläuft.

Claims (6)

1. Medizinisches Gerät zur Diagnose und/oder Therapie mit Hilfe elektromagnetischer Felder zwecks magnetomotorischer Stimulation von Nerven, mit einem hufeisenförmigen Magnetkern (1), dem mindestens eine stromimpulsbeaufschlagbare Spulen­ wicklung (4, 5) zur Magnetfelderzeugung zugeordnet ist, da­ durch gekennzeichnet, daß den beiden Polschuhen (2, 3) des hufeisenförmigen Magnetkerns (1) jeweils eine Polschuhwicklung (4, 5) zugeordnet ist und daß im Bereich zwischen den die beiden Polschuhwicklungen tragenden Polschuhen mindestens eine Steuerspule (6) angeordnet ist, deren Windungen etwa quer zu der beiden Polschuhen (2, 3) gemeinsamen Ebene verlaufen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsachse der Steuerspule zu den beiden Pohlschuhen (2, 3) gemeinsamen Ebene parallel verläuft.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterkante der Steuerspule (6) in der den beiden Polschuhen (2, 3) gemeinsamen Ebene liegt.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerspule (6) in Reihe oder parallel zu den in Reihe oder parallel geschalteten Polschuhwicklungen (4, 5) liegt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hufeisenförmige Magnetkern (1) aus ferromagnetischem Material mit hoher magnetischer und geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hufeisenförmige Magnetkern (1) aus ferromagnetischen Glä­ sern oder geschichtetem, voneinander isoliertem weichmagneti­ schem Eisenkobaltblech und einer Stärke von 0,3 mm besteht.