APPARATUS FOR ELECTROTHERAPY

Abstract: The present invention relates to an electrotherapy apparatus in which both low-frequency magnetic fields with frequencies below 30 Hz as well as high-frequency electromagnetic fields with frequencies of in particular above 100 kHz, preferably 1 MHz and over, are used. In a therapy apparatus functioning with heating of the tissue, according to the invention an applicator for radiation heating the tissue, in particular a microwave applicator, is combined with a low-frequency applicator for a low-frequency electromagnetic alternating field. In a therapy apparatus for induction of a low-frequency alternating voltage in a pick-up coil connected to tissue electrodes, the high-frequency oscillations are in contrast of such low intensity that they cannot effect any significant heating of the tissue, but they are nevertheless modulated with the low-frequency oscillations. In this way, the induction of low-frequency currents in implants can be effected with lighter external coils. <IMAGE>

Description: Elektrotherapi egerät Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrotherapiegerät, bei dem sowohl niederfrequente Magnetfelder mit Frequenzen unter 30 Hz als auch hochfrequente elektromagnetische Felder mit Frequenzen, insbesondere über 100 kHz, vorzugsweise 1 MHz und mehr zur Anwendung gelangen. Die Ergebnisse experimenteller und klinischer Studien bestätigen die Hypothese, dass die Heilwirkungen und die Förderung des Gewebewachstums sowie der Geweberegeneration durch nicht-thermische, sehr niederfrequente sinusförmige Magnetfelder auf Ladungstrennungsprozessen im Proto- und Zytoplasma sowie auf Elektronentransferprozessen in der Enzymkette der Sauerstoffatmung beruhen. Voraussetzung für die Stimulation der Sauerstoffatmung der Zelle ist, dass Sauerstoff in ausreichendem Masse zur Verfügung steht. Defizite des Sauerstoffangebots in der Zelle treten auf, wenn die Blutzirkulation im Gewebe, sei es durch Verletzung der Gefässe oder durch pathologische Veränderungen gestört ist oder, wie bei den malignen Entartungen eines Tumors, die Sauerstoff-Permeabilität und -Affinität der Zell-Innenmembran vermindert ist. Einrichtungen zum Behandeln von erkrankten oder atrophierten Geweben mit niederfrequenten magnetischen Wechselfeldern oder mit einer Kombination von niederfrequenten elektrischen und magnetischen Wechselfeldern sind z.B. aus DE-A-2116869 und DE-A-2314573 bekannt. Die Mängel der Sauerstoffversorgung durch überlange Transportwege (entsprechendes gilt auch für die sogenannte bradythrophen Gewebe, die kein eigenes Kapillarsystem haben) sowie durch verminderte Sauerstoff-Membran-Permeabilität können auch physikalisch durch Erhöhung des interkapillaren Sauerstoffpartialdruckes, vor allem aber technisch einfacher durch eine thermisch bewirkte Verstärkung der Sauerstoff-Diffusion reduziert oder vermieden werden. Zum diesbezüglichen Stand der Technik gehören die zahlreichen Diathermie- und Hyperthermieverfahren, die die thermische Diffusion und auch die nicht katalysierten biochemischen Reaktionen durch eine Temperaturerhöhung im Gewebe beschleunigen können, die mit Hilfe von Mikrowellen, Kurzwellen oder Infrarotstrahlung bewirkt werden kann. Die relativ geringe Temperaturbelastbarkeit lebenden Gewebes beschränkt diese Verfahren jedoch auf Temperaturen unter etwa 43,5 OC. Die Wirkung der Hochfrequenz-Wärmebehandlung lässt sich auch durch das bekannte Verfahren, die Hochfrequenz mit einer niederfrequenten oder impulsförmigen Schwingung in der Amplitude zu modulieren, nicht merklich verbessern. Es ist ferner aus der DE-C-19 18 299 bekannt, dass niederfrequente Wechselströme das Wachstum und die Regeneration von Knochen- und anderem Gewebe stimulieren und dass solche Wechselströme im Gewebe mittels einer implantierten Aufnehmerspule erzeugt werden können, die mit geeigneten Gewebeelektroden verbunden ist und in der durch eine externe Spule die gewünschten Ströme elektromagnetisch induziert werden. Aus der DE-C-26 11 744 ist auch bekannt, dieses Verfahren auf Langzeit-Endoprothesen anzuwenden, z.B. um die Lockerung einer Hüftgelenkprothese zu verhindern. Die bei dem obigen Verfahren verwendeten Frequenzen liegen im allgemeinen unter 25 Hz und können bei manchen Indikationen im Bereich weniger Hertz und sogar noch darunter liegen. Bei derart niedrigen Frequenzen müssen externe Spulen mit verhältnismässig vielen Windungen verwendet werden, um in der implantierten Spule die erforderlichen Ströme induzieren zu können. Diese Spulen sind daher verhältnismässig schwer und unbequem zu handhaben. Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit der oben erwähnten bekannten Elektrotherapiegeräte zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass hochfrequente Schwingungen und niederfrequente Schwingungen in Kombination zur Einwirkung gebracht werden. Bei einem mit Erwärmung des Gewebes arbeitenden Therapiegerät wird erfindungsgemäss die Kombination eines Applikators für eine das Gewebe erwärmende Strahlung, insbesondere eines Mikrowellenapplikators, mit einem NF-Applikator für ein niederfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld vorgesehen. Bei einem Therapiegerät zur Induktion einer niederfrequenten Wechselspannung in einer mit Gewebeelektroden verbundenen Aufnehmerspule haben die hochfrequenten Schwingungen dagegen eine so geringe Intensität, dass sie keine signifikante Erwärmung des Gewebes verursachen können, sie sind jedoch mit den niederfrequenten Schwingungen moduliert. Auf diese Weise lässt sich die Induktion von niederfrequenten Strömen in Implantaten mit leichteren externen Spulen bewirken. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen solcher Therapiegeräte sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch kombinierte Einwirkung von Wärme einerseits und nicht-thermischen, niederfrequenten elektromagnetischen Feldern andererseits eine Heil- und Stimulationswirkung erreicht werden kann, die erheblich über die Summe der Wirkungen der Einzelmassnahmen hinausgeht. Durch das nicht-thermische niederfrequente elektromagnetische Feld, dessen Frequenz vorzugsweise unter 25 Hz liegt und das vorzugsweise ein Temperaturäquivalent von weniger als 1/1000C hat, kann ausserdem die thermische überlastung und Schädigung des wärmebehandelten Gewebes wesentlich reduziert werden. Da bei dem vorliegenden Verfahren mit verhältnismässig hohen Frequenzen gearbeitet wird, kann man bei der Erzeugung der niederfrequenten, das Gewebe zum Wachstum bzw. zur Heilung anregenden Ströme Induktionsspulen mit wenigen Windungen verwenden, die entsprechend leicht und bequem handzuhaben sind. Bei Verwendung von Frequenzmodulation ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass die Gefahr einer unerwünschten Induktion von Strömen erheblich verringert wird Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Elektrotherapiegeräte unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Aus führungsbeispieles des vorliegenden Elektrotherapiegerätes; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Aus führungsbeispieles des vorliegenden Elektrotherapiegerätes und Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von niederfrequenten und hochfrequenten Schwingungen, die mit dem vorliegenden Elektrotherapiegerät zur Einwirkung gebracht werden können. Fig. 4 eine stark schematisierte Darstellung einer Ausführungsform eines anderen Typs von Elektrotherapiegerät gemäss der Erfin dung; Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform dieses Typs und Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform dieses zweiten Typs von Elektrotherapiegerät. Das Elektrotherapiegerät gemäss Fig. 1 enthält im wesentlichen einen Generatorteil 10 und einen Applikatorteil 12. Der Generatorteil 10 enthält einen Niederfrequenz- oder NF-Generator 14 sowie einen Hochfrequenz oder HF-Generator 16. In entsprechender Weise enthält der Applikatorteil einen NF-Applikator 18 und einen HF-Applikator 20. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 enthalten sowohl der NF-Applikator 18 als auch der HF-Applikator 20 jeweils eine Solenoidspule 22 bzw. 24, die im wesentlichen koaxial in einem gemeinsamen, hohlzylinderförmigen Gehäuse 26 aus einem geeigneten, verlustfreien Kunststoff untergebracht sind. Es ist bekanntlich vorteilhaft, wenn die Feldlinien des niederfrequenten Feldes in Längsrichtung der Haupt-Blutgefässe des zu behandelnden Körperteils verlaufen. Der NF-Generator arbeitet mit einer vorzugsweise einstellbaren Frequenz, die vorteilhafterweise im Frequenzbereich zwischen etwa 0,02 und 20 Hz liegt. Der NF-Generator ist in Kombination mit der NF-Solenoidspule 22 so bemessen, dass die Feldstärke des niederfrequenten magnetischen Wechselfeldes im Inneren des Applikator-Gehäuses 26 vorzugsweise zwischen etwa 1 und 50 mT liegt. Der HF-Generator 16 kann mit irgendeiner der für medizinische Zwecke vorgesehenen, genormten Frequenzen arbeiten, z. B. mit einer Frequenz von 27,5 MHz. Die Ausgangsleistung des HF-Generators 16 ist in üblicher Weise einstellbar, so dass sie der jeweiligen Situation angepasst werden kann. Der HF-Generator 16 enthält vorzugsweise einen Amplitudenmodulator, der die Amplitude der HF-Schwingung 28 (Fig. 3) mit einer Modulationsschwingung zu modulieren gestattet, die vorzugsweise mit der vom NF-Generator 14 gelieferten NF-Schwingung 30 synchronisiert ist. Beispielsweise kann, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, die Amplitude der HF-Schwingung näherungsweise invers zum Betrag der Amplitude der NF-Schwingung so moduliert werden, dass sich Bereiche 28a mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude, die zur Erzeugung einer erhöhten Gewebe-Basis-Temperatur bis etwa 400C bemessen ist, mit relativ kurz dauernden Bereichen 28b abwechseln, die bezüglich der Nulldurchgänge der NF-Schwingung zentriert sind und Amplituden aufweisen, die kurze überwärmungsphasen mit Gewebetemperaturen über 400C erzeugen. Die Einhüllende der HF-Schwingung kann in den Bereichen 28b beispielsweise etwa dreieckig sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, und das Verhältnis der Dauer der Bereiche 28a zur Dauer der Bereiche 28b kann beispielsweise 3 : 1 oder auch wesentlich mehr betragen, was bis zu einem gewissen Grade von der Frequenz der NF-Schwingung abhängt. Die NF-Schwingung kann eine reine Sinusschwingung sein oder einen Verlauf haben, der der systolischen-diastolischen Blutdruckwelle einer elastischen Arterie gleicht. Die NF-Schwingung kann ferner mit dem Puls der zu behandelnden Person synchronisierbar sein. Die reLative Phasenlage der NF-Schwingung und der Modulation der HF-Schwingung ist vorteilhafterweise veränderbar. Das Verhältnis der Amplitude der HF-Schwingung in den Bereichen 28a zur Maximalamplitude in den Bereichen 28b kann 3 : 1 oder wesentlich mehr betragen und so gewählt werden, dass der durch die Amplituden in den Bereichen 28a erzeugten erhöhten Gewebe-Basistemperatur kurzzeitig Wärmepulse oder -Schocks erzeugt werden, die dann jeweils während der nachfolgenden Bereiche 28a durch die Blutzirkulation wieder aufgelöst werden. Die Ausführungsform gemäss Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäss Fig. 1 darin, dass der Applikatorteil 12' zwei einander gegenüberliegende kapazitive Elektroden 32a, 32b zur Applikation des HF-Feldes enthält. Im übrigen kann das Elektrotherapiegerät gemäss Fig. 2 ebenso ausgebildet sein, wie das oben beschriebene Elektrotherapiegerät gemäss Fig. 1. Anstelle des induktiven oder kapazitiven HF-Applikators gemäss Fig. 1 und 2 können bei Verwendung höherer Frequenzen, z.B. 3000 MHz, auch Hornstrahler oder andere bekannte Mikrowellen-Applikatoren verwendet werden. Anstelle der hohlzylinderförmigen, starren Applikatorteile 12 oder 12' können auch verformbare Applikatoren oder bügelförmige (U-förmige) Spulenkonfigurationen verwendet werden, wie sie für NF-Applikatoren aus DE-A-21 16 869 und DE-A-23 14 573 und DE-A-23 14 573 bekannt sind. Die Generatoren sind mit den jeweiligen Applikatoren durch geeignete, flexible Leitungen, z.B. Koaxialkabel, verbunden. Die Nennleistung des HF-Generators kann beispielsweise 1 kW für Dauerbetrieb und 10 kW für Kurzzeit- oder Impulsbetrieb betragen. Figur 4 zeigt schematisch ein Glied mit einem gebrochenen Knochen 110, der durch zwei einander gegenüberliegende Osteosynthese- oder Knochenplatten 112, 114 fixiert ist, die mit Hilfe von Knochenschrauben 116a, 116b, 116c, 116d, ... am Knochen befestigt sind. Die Knochenplatten 112 und 114 dienen als Gewebeelektroden und sind über jeweils eine Knochenschraube 116a bzw. 116b und isolierte elektrische Leitungen 118, 120 mit einer Aufnehmerspulenanordnung 122 elektrisch verbunden. Die Anordnung kann im Prinzip so ausgebildet sein, wie es in den Figuren 1 bis 4 der DE-A- 23 11 817 beschrieben ist. Die Aufnehmerspulenanordnung 122 enthält nun nicht, wie im bekannten Falle, einfach eine für Niederfrequenz dimensionierte Solenoidspule mit Eisenkern, sondern eine für eine hohe Frequenz, insbesondere über 500 kHz, vorzugsweise über 1 MHz bemessene Aufnehmerspule 124, die kernlos sein oder einen Hochfrequenzkern 126, z.B. einen Ferritkern, enthalten kann. Die Aufnehmerspule 126 ist über eine Halbleiter-Gleichrichterdiode 128 und Anschlüsse A, B mit den Leitungen 118 bzw. 120 verbunden. Vorzugsweise ist den Anschlüssen A, B ein Kondensator 130 parallelgeschaltet, der für die hohe Frequenz eine relativ niedrige Impedanz darstellt. Die Aufnehmerspulenanordnung 122 ist mit einer Umhüllung aus einem gewebeverträglichen Material (nicht dargestellt) versehen, wie es aus der bereits erwähnten DE-PS 23 11 817 bekannt ist. Dem beschriebenen Implantat ist eine externe Anordnung zugeordnet, die eine für die betreffende hohe Frequenz ausgelegte Induktionsspule 140 und eine Generatoranordnung 142 enthält. Die Generatoranordnung 142 enthält einen NF-Generator 144, der eine niederfrequente Spannung mit einer vorzugsweise einstellbaren Frequenz von z.B. 0,1 bis 30 Hz liefert. Ferner enthält die Generatoranordnung 142 einen Modulator 146 und einen Hochfrequenzgenerator 148, die in üblicher Weise ausgebildet sein können und an den Klemmen der Spule 140 eine mit der Niederfrequenz modulierte Hochfrequenzschwingung zu erzeugen gestattet. Beim Betrieb der Einrichtung gemäss Figur 4 wird in der HF-Aufnehmerspule 124 eine mit der niedrigen Frequenz amplitudenmodulierte Hochfrequenzschwingung erzeugt. Die Hochfrequenzschwingung wird durch die Gleichrichterdiode 128 gleichgerichtet und die hohe Trägerfrequenz wird durch den Kondensator 130 weitgehend ausgesiebt, so dass an den Klemmen A, B die gewünschte niederfrequente Wechselspannung zur Verfügung steht, die zwischen den als Gewebeelektroden 112-116b und 114-116a den gewünschten niederfrequenten Strom fliessen lässt. Die externe Spule 140 braucht wegen der hohen Frequenz nur wenige Windungen, vorteilhafterweise weniger als 10 Windungen enthalten Die Betriebsfrequenz des Hochfrequenzgenerators 148 wird zweckmässigerweise in einem für medizinische oder industrielle Zwecke zugelassenen Frequenzband über 1 MHz gewählt. Die Leistung braucht nur relativ gering zu sein, sie wird im allgemeinen wesentlich unter 100 Watt liegen, da eine Erwärmung des Gewebes im allgemeinen nicht nur nicht nötig, sondern sogar unerwünscht ist. Fig. 5 zeigt eine implantierbare Aufnehmeranordnung 122' und eine Generatoranordnung 142' einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die implantierbare Aufnehmeranordnung 122' dient den gleichen Zwecken wie die Aufnehmeranordnung 122 in Figur 4, sie ist jedoch etwas anders geschaltet. Die Aufnehmerspule 124' ist durch einen Parallelkondensator 125 zu einem Schwingkreis ergänzt, der durch einen Kopplungskondensator 127 mit dem Gleichrichterteil gekoppelt ist, der die Gleichrichterdiode 128 und einen Querwiderstand 129 enthält. Zwischen die Klemmen A, B kann wieder ein Hochfrequenz-Ableitkondensator 130 geschaltet sein. Der Generatorteil 142' enthält zwei Generatoren 148a und 148b, die hochfrequente Schwingungen liefern, deren Frequenzen sich um die Niederfrequenz unterscheiden. Der eine Hochfrequenzgenerator 148a liefert also Schwingungen der Frequenz fH + 0,5 f während der Generatorteil 148b Schwingungen der Frequenz fH - 0,5 f liefert, wobei fH die Hochfrequenz, die vorzugsweise über 1 MHz liegt und beispielsweise 37 MHz beträgt, bedeutet und fN die Niederfrequenz, die beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 0,1 und 30 Hz liegen kann. Die Generatorteile 148a, 148b speisen jeweils eigene Spulen 140a, 140b deren, Windungen ineinander gewickelt sein können. Der Schwingkreis 124'-125 ist auf die Frequenz fH abgestimmt. Bei Erregung des Schwingkreises 124'-125 durch die Frequenzen der Generatorteile 148a und 148b entstehen im Schwingkreis Schwebungen mit der Frequenz so dass an den Klemmen A, B die gewünschte niederfrequente Spannung zur Verfügung steht. Die Frequenz fH beträgt vorzugsweise mindestens das 100-fache der Frequenz fN. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise ist grösser als 500 kHz, insbesondere grösser als 1 MHz. Die in Figur 6 schematisch dargestellte Einrichtung enthält einen Aufnehmerteil 122" und einen Generatorteil 142". Der Generatorteil 142" liefert an die Spule 140 eine mit der Niederfrequenz frequenz modulierte hochfrequente Schwingung und der Aufnehmerteil 122" enthält dementsprechend einen Frequenzdemodulator 150, der wie dargestellt beispielsweise als Ratio-Detektor ausgebildet sein kann. Die dargestellte Ratio- Detektorschaltung ist bekannt, bis auf dass das Eingangssignal in eine Schwingkreis-Spule 124" des Diskriminatorteils mittels einer externen Spule induktiv eingekoppelt wird, die also hier auch als Aufnehmerspule des Implantats arbeitet. Diese Ausführungsform hat erstens den Vorteil, dass die Gefahren der Induktion von Störspannungen wesentlich geringer ist als bei den mit den amplitudenmodulierten Hochfrequenzschwingungen arbeitenden Ausführungsformen gemäss Figur 4 und 5, und zweitens dass der Ratio Detektor eine Begrenzerfunktion ausübt, so dass an den Klemmen A, B eine im wesentlichen konstante NF-Spannung zur Verfügung steht. Die Erfindung lässt sich sowohl zur Heilung von Verletzungen, wie Knochenbrüchen, als auch zur Vitalerhaltung und zur Regeneration von Gewebe, z.B. Knochengewebe, verwenden, insbesondere in Verbindung mit Langzeit-Endoprothesen, wie künstlichen Gelenken.

Claims: Apparatus for electrotherapy with a generator part, which includes a high frequency generator (16) for generating thermally active first oscillations with a frequency above 100 kHz, further with an applicator part, which includes a first applicator (24; 32a, 32b) coupled to the high frequency generator, and with a generator (14) for a low frequency signal, characterized in that the generator (14) for the low frequency signal supplies a second oscillation with a sinusoidal or pulse pressure shaped waveform with a frequency below 30 Hz and is coupled to a low-frequency applicator coil (18) dimensioned for the frequency of the second oscillations. Apparatus for electrotherapy according to claim 1, characterized in that the first applicator includes a solenoid coil (24) dimensioned for the frequency of the first oscillations and which is arranged in a hollow cylindrical housing (26) substantially coaxial with the low frequency applicator coil (22). Apparatus for electrotherapy according to claim 1, characterized in that the low frequency applicator coil (22) is arranged in a hollow cylindrical housing and in that the first applicator comprises two capacitor electrodes (32a, 32b) lying opposite to one another, which are arranged on the housing (26) on opposite sides of the interior of the housing (Figure 2). Apparatus for electrotherapy according to one of claims 1 to 3, characterized in that the high frequency generator (16) includes a device for amplitude modulation of a high frequency oscillation (28) generated thereby with a modulating oscillation, as well as an arrangement for setting a predetermined phase angle between the modulating oscillation and the low frequency second oscillation (30). Apparatus for electrotherapy according to claim 4, characterized in that the modulating oscillation comprises first regions (28a) of relatively low amplitude for generating a raised tissue base temperature and second regions (28b) alternating with these first regions (28a) with relatively high amplitude for the generation of brief over-heating phases. Apparatus for electrotherapy according to claim 5, characterized in that the second regions (28b) coincide substantially with the zero crossings of the low frequency second oscillation (30). Apparatus for electrotherapy according to one of claims 1 to 6, characterized by a device for synchronising the generator (14) for the low frequency signal with the pulse wave of a person under treatment. Apparatus for electrotherapy according to one of claims 1 to 7, characterized by a device for modulation of the high frequency generator (16) with the pulse wave of a person under treatment.

Inventors: KRAUS, WERNER, DIPL.-ING.
Applicants: KRAUS, WERNER, DIPL.-ING.
Application year: 1985
Main classification: A61N1
IPC codes: A61N2, A61N1