DE19944649A1

DE19944649A1 - Vorrichtung einer elektronischen Impulsauswertung zur Steuerung von Elektroden zum Einsatz in Muskeln, Nerven und Organen

Info

Publication number: DE19944649A1
Application number: DE1999144649
Authority: DE
Inventors: Martin Lauhoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2019-09-18
Also published as: DE19944649C2

Description

Kurzfassung

Zur Reizung von Muskelfasern oder Nerven ist eine Vielzahl Elektroden erforderlich. Die hier beschriebene elektronische Vorrichtung ermöglicht es, Elektroden sowohl selektiv anzusteuern als auch über eine Impulsabgabe zu entscheiden. Die Steuerung teilt der Elektrode mit, wann sie "dran" ist und ob sie "feuern" soll oder nicht.

Durch eine hohe Integration der elektronischen Bausteine der Vorrichtung, z. B. auf einem Microchip, ließen sich Elektroden entwickeln, die so klein sind, daß sie zwischen oder in Muskelfasern oder Nerven platziert werden können. Auch Drüsenzellen oder Hirnareale ließen sich hierdurch selektiv stimulieren. Gleiches gilt für andere Organe. Da die Ansteuerung der Schaltung von extern über einen Impulssender erfolgt, entfallen die sonst üblichen Zuführungskabel.

Funktionsprinzip

Ein Impulssender überträgt drahtlos über eine kurze Entfernung (Zentimeter bis einige Meter) Impulse in ein Gebiet des Körpers, in den Elektroden implantiert wurden. Diese Elektroden enthalten die nachfolgend beschriebene Vorrichtung zur Impulsauswertung:

Eine Impulsformerstufe (z. B. Schmitt-Trigger) empfängt die von einem Impulssender übertragenen Impulse und bereitet sie zu Rechteckimpulsen auf und leitet die Impulse zu einem Zähler weiter.

Die Anzahl der Zählerstufen bemißt sich nach dem Einsatzgebiet bzw. der anzusteuernden Elektroden. 4096 Elektroden lassen sich mit einem 12 Bit Binärzähler ansteuern. (z. B. HCMOS 4040). Über 16000 Elektroden lassen sich über einen 16 Bit Zähler ansteuern (z. B. HCMOS 4020) Über einen 7-Bit Zähler (z. B. HCMOS 4024) können 128 Elektroden angesteuert werden, 1 bis 16 Elektroden bei einem 4 Bit Zähler (z. B. HCMOS "93), 256 Elektroden bei einem 8 Bit Zähler (z. B. HCMOS "393) etc. Gleiches gilt für synchron arbeitende Zähler (z. B. HCMOS "160, "161, etc.). Welcher Binärzählertyp (synchron oder asynchron, 1-stufig oder bis 20-stufig) eingesetzt wird, bemißt sich nach dem Einsatzgebiet.

Die den Zählerausgängen nachfolgende Beschaltung muß der Anzahl der Binärstufen angepasst werden (weniger oder mehr Eingänge des Nand-Gatters, weniger oder mehr Inverter vor den Eingängen des Nand-Gatters), ist vom Prinzip her jedoch für alle Zähler gleich:

Die Ausgänge eines Zählers werden mit einem Nand- Gatter verbunden. Entsprechend der Nummer der Elektrode werden nur die Zählerausgänge mit dem Nand-Gatter verbunden, die für die Elektrode binär kodieren. Durch diese Schaltung wird der Elektrode mitgeteilt, daß sie "dran" ist.

Verwendet man einen Zähler mit positiver Ausgangslogik Gilt 1 = H und 0 = Low. Da die Ausgänge des Zählers Schaltzustände im Binärcode liefern, müssen die Low- Zustände zur Ankoppelung an ein Nand-Gatter invertiert werden. Soll beispielsweise Elektrode Nr. 81 angesteuert werden, ergibt sich im Binärcode 1010001. Für Elektrode 106 ergibt sich 1101010.

Zum Durchschalten des Nand Gatters der Elektrode beispielsweise Nr. 81 werden die drei H = 1 Ausgänge des Zählers direkt mit dem Nand - Gatter verbunden. Die Low = 0 Ausgänge müssen einzeln über Inverter dem Nand-Gatter zugeführt werden. Für jede Elektrode ergibt sich entsprechend dem zugehörigen Binärcode ein anderes Muster aus direkter Verbindung und Verbindung über Inverter zwischen Zähler und Nand- Gatter. Gleiches würde gelten, wenn man anstelle des Nand-Gatters ein Und Gatter verwenden würde. (In den Zeichnungen der Steuerungsvarianten sind die Verbindungen zwischen Zählerstufen und Nand- Gatter (direkte Verbindungen und Inverter) als Schalter dargestellt. Dies dient nur der Verdeutlichung des Prinzips. Bei der Herstellung der Impulsauswertervorrichtung werden die Verbindungen entsprechend dem Binärcode der Elektrode ohne Schalter ausgeführt).

Der Ausgang des Nand-Gatters wird über einen Inverter auf eine Torstufe geschaltet.

(Bei Verwendung eines Und-Gatters anstelle des Nand Gatters entfällt der Inverter).

Die Torstufe dient zur Laufzeitmessung des Impulssignals. Die Torstufe wird gebildet aus einem Verzögerungsglied und zwei Invertern, die mit den jeweiligen Eingängen eines Und-Gatters verbunden werden. Anstelle des Verzögerungs- Gliedes können auch mehrere Inverter in Serie als Laufzeit verzögerer eingesetzt werden (Variante).

Aus der Kombination des Und-Gatters mit dem Verzögerungsglied (bzw. Inverterkettte) am zweiten Eingang des Und Gatters und den Invertern am ersten Eingang des Und-Gatters wird eine Torstufe gebildet, die der Elektrode mitteilt, ob sie "feuern" soll oder nicht.

Durch die Veränderung der Impulsbreite des übertragenden Impulssenders kann nach durchlaufen von Impulsformer und Zähler die Impulsbreite bzw. Impulsdauer des Nand-Gatters gesteuert werden.

Ein kurzer Impuls aus den Nand-Gatter bewirkt, daß am ersten Eingang des Und-Gatters der Impuls nur kurze Zeit zur Verfügung steht, und bereits wieder erloschen ist, wenn er Impuls über die Laufzeitverzögerung am zweiten Eingang des Und-Gatters ankommt. Dann schaltet das Und-Gatter nicht durch.

Ein langer Impuls aus dem Nand-Gatter bewirkt, daß an beiden Eingängen des Und-Gatters das gleiche Potential anliegt. Da der Nand-Gatter Impuls nach Durchlaufen des Verzögerungsgliedes am zweiten Eingang des Und-Gatters anliegt, und der Impuls des Nand-Gatters am ersten Eingang des Und-Gatters bei verlängerter Impulsdauer noch anliegt, schaltet das Und-Gatter durch.

Dem Und-Gatter ist eine Treiberstufe nachgeschaltet. Im Falle des Durchschaltens des Und-Gatters wird in der Treiberstufe der Impuls solange verstärkt, wie er am Ausgang des Und-Gatters anliegt.

Dieser verstärkte Impuls wird an die nachgeschaltete Elektrode weitergegeben und zur Stimulation eines Muskels, Nerven, Hirnareals, Drüse oder anderen Organs verwendet. Anstelle der Stimulationselektrode kann die vorgestellte Impulsauswerteeinheit auch an eine Sensingeinheit ange koppelt werden., die über die Impulsauswerteeinheit adressiert werden kann und in eiern Zeitintervall Informationen tele metrisch übermitteln kann.

Beispiel

Rechtes Bein gehfähig, dort 1000 Impulsauswerte- Einheiten mit Sensingeinheiten verkoppelt und implantiert. Diese Impulsauswerteinheiten werden vom externen Impulssender nacheinander angeprochen und abgefragt. Hierdurch ergibt sich ein Bewegungsschema von Muskeln. Wenn nun das linke Bein gelähmt ist, können zeitversetzt Impulse in 1000 Impulsauswete einheiten übermittelt werden, die mit Stimulationselektroden im gelähmten Bein verkoppelt sind. Hierdurch ließe sich Gehfähigkeit wiederherstellen.

Das Reset der Schaltung wird durch den Impulssender von extern ausgelöst. Dies hat drei Vorteile:

- Die Menge der angesprochenen Elektroden kann begrenzt werden. Wird in allen Impulsauswerteeinheiten von Elektroden z. B. ein Zähler verwendet, der bis 4096 oder gar 16348 zählen kann, sollen aber nur die ersten 200 Elektroden angesprochen werden, wird der Resetimpuls nach der 200-sten Elektrode ausgelöst.
- Eine Erweiterung des Systems ist allein durch Implantion von weiteren Impulsauswerteeinheiten mit Elektroden möglich. Es kann der kann der Resetimpuls nach z. B. der 485-sten oder X-ten Elektrode ausgelöst werden.

Eine Änderung des Elektrodensystems ist nicht nötig. Es muß lediglich der Resetimpuls im Steuersender programmiert und auf die Impulsauswerteinheiten und Elektroden übertragen werden.

- Alle Elektroden können auf einen Schlag synchronisiert werden, wenn ein Übertragungsfehler eintreten sollte.

Die Resetschaltung besteht aus einer Torstufe, wie sie bereits oben beschrieben wurde (Verzögerungsglied bzw. Inverterkette am zweiten Eingang eines Und-Gatters und zwei Inverter am ersten Eingang des Und-Gatters).

Die Impulsüberleiungszeit (Verzögerung) muß so gewählt, werden daß sie länger ist (z. B. 30 Grad) als die Zeit, die zum Durchschalten der Torstufe benötigt, die das "feuern" der Impulsauswerteeinheit betrifft.

Der aus der Impulsformerstufe kommende Impuls gelangt auf den Eingang der ersten Zählerstufe. Dergleiche Impuls wird auf die beiden Eingänge des Und-Gatters geschaltet. Hierbei wird der Impuls über ein Verzögerungsglied (oder Inverterkette) auf das zweite Glied des Und-Gatters gegeben. Der erste Eingang des und Gatters ist über zwei Inverter mit dem Ausgang der Impulsformerstufe verbunden. Der Ausgang des Und-Gatters steuert die Reseteingänge der Zählerstufen, die miteinander verbunden sind.

Nur ein Impuls, der länger ist als die Summe aus positiver Halbwelle (positiver Rechteckimpuls ("ob dran ist") und Modulation ("feuern"), kann den Resetimpuls auslösen.

Anwendungsgebiet

Verringerung von Ausfällen in Muskeln, Nerven. Drüsenzellen, Hirnarealen, Rückenmark, und anderer Organe durch ein technisches Gerät, des hier beschriebenen elektronischen Impulsauswerters.

Zeichnung

Beantragt ist der Schutz einer Gruppe von Impulsauswertern von 1 bis 20 Bit. Es werden schwerpunktmäßig die Unter schiede der Impulsauswerter dargestellt. Die Darstellung von Impulsauswertern mit J-K Flip-Flops gilt sinngemäß auch für RS Flip-Flops, da sich beide Arten bezüglich des Anschlußbildes nicht unterscheiden.

Impulsauswerter mit weniger oder mehr Zählstufen als der dargestellten 12 Bit und 16 Bit Zähler unterscheiden sich außer der Anzahl der Zähler in der Größe des Nand Gatters bzw. in der Größe des Und Gatters und der Anzahl der Inverter. Ein prinzipieller Unterschied besteht hier nicht. Auf eine Einzeldarstellung soll daher verzichtet werden.

1. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Nand Gatter und Verzögerungsglied.
2. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Nand Gatter und Inverterkette.
3. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Verzögerungsglied.
4. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Inverterkette.
5. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Nand-Gatter und Verzögerungsglied.
6. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Nand-Gatter und Inverterkette.
7. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Verzögerungsglied.
8. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Inverterkette.
9. Kombination eines Verzögerungsgliedes und einer Inverterkette am Beispiel eines 16 Bit J-K Flip-Flop-Zählers. Entsprechend kann anstelle des Verzögerungsgliedes eine Inverterkette gesetzt werden und umgekehrt.

Claims

1. Beantragter Schutzbereich: (Gruppe gem. § 34 Abs. 5 PatG). Vorrichtungen als Gesamtheit, bestehend aus Steuerung mit Eingangsteil (Impulsformer), Zählerstufen von 1 Bit bis 20 Bit, in der Ausführung als a) asynchrone und b) synchrone Zähler (in der Ausführung mit T Flip-Flops, J-K Flip-Flops und RS Flip-Flops), mit Folgebeschaltung auf ein Nand- Gatter, desgl. auf ein Und-Gatter, mit Torstufen wahlweise mit Verzögerungsgliedern oder Inverterketten. Resetausführung über Torstufe aus Verzögerungsglied bzw. Inverterkette. Nicht zum beantragten Schutzbereich zählt die Energiever sorgung. Diese erfolgt durch induktive Übertragung. Hierzu gibt es eine Reihe von Patenten.