DE2811463A1 - Elektrischer anreger fuer menschenmuskeln mit bioelektrischer steuerung - Google Patents

Description

HOFFMANN · BITLJE & PARTNER

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-I NG. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HO FFMANN . D I PL.-I NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRÄSSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

30 359

Institut Kibernetiki Akademii Nauk Ukrainskoi SSR, Kiev/UdSSR

Elektrischer Anreger für Menschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der medizinischen Technik und bezieht sich auf einen elektrischen Anreger für Menschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Erfindung läßt sich in klinischen Verhältnissen zur Analyse, Diagnostik und Therapie einer Reihe von Bewegungsstörungen zentraler und peripherer Herkunft verwenden. Besonders effektiv kann man sie zum Behandeln von .Entzündungen des Gesichts-, Ellenbogen-, Speichen-., Mittelhand-, Waden- und Schienbeinnervs sowie von ResiduaistorungsSymptomen des Gehirkreislaufs in Form von Hemiplegie und Hemiparese und von Residualsymptomen der Poliomyelitis und der zerbralen Kinderlähmung verwenden. Der. mögliche Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auch auf solche Fälle, wo eine

901838/0394 - 6 -

261U63

Steuerung der Körperbewegungen eines Menschen und deren Korrektur erforderlich ist, sowie wenn bestimmte .Bewegungsfertigkeiten beizubringen sind, beispielsweise bein: Training, bei der FachSchulung, im Sport _:u.dgl. Besonders gute Ärfolge erreicht man durch Verwendung der Erfindung unter

speziellen Trainingsbedingungen, u.zv/. wenn sich der betreffende Mensch im Zustand der Hypokynesie bzw. H'ypodnamie befindet.

Als- Hauptproblem im Bereich der Schaffung elektrischer Iviuskelanreger des Menschen gilt gegenwärtig außer der Wiederherstellung der Kraft der befallenen Muskeln mit deren.Hilfe auch das Wiedererlangen der verlorengegangenen Bewegungsfertigkeiten, das heißt das Erv/erben hinreichend komplizierter Bewegungen von Extremitäten, eines Eumpfes· und Kopfes, ähnlich den. Bewegungen entsprechender gesunder Gliedmaßen, des Rumpfes und Kopfes.

Am aussichtsreichsten auf diesem Gebiet sind elektrische Anreger der Ii:enscheniuuskeln mit bioelektrischer Steuerung, die einige Anregungskanäle enthalten. In diesen Anregern dient die bioelektrische Aktivität der ituskeln der entsprechenden Gewebe bzw. Organe des Menschen als Steuerwirkung auf das elektrische Ausgangssignal eines Trägerfrequenzgenerators, welches auf die menschlichen Muskeln einwirkt. Da solche iviuskelanreger einige Kanäle enthalten und in ihnen als Steuerwirkung die bioelektrische Aktivität der Muskeln verwendet wird, die das Programm der Bewegungen vorgibt, ermöglichen sie eine elektrische Anregung mehrerer Muskeln des Menschen

909838/Θ394

• Ü1US3

in einer solchen Reihenfolge, in welcher sie sich bei der Ausrung der betreffenden Bewegungen durch den Menschen unter ■ natürlichen Bedingungen zusammenziehen* Auf diese weise kann man ziemlich komplizierte Bewegungen der iiixtr emitäten, des Rumpfes und Kopfes erhalten _a ■

' Die größte Beachtung wird in der letzten Zeit sol-hen elektrischen Muskelanrögern mit bioelektrischer Steuerung geschenkt, in welchen eine Rückkopplung vorgesehen ist„ die eine Information darüber liefert, ob bzw. in welchem foaße das vorgegebene Bewegungsprogramm den durch den betreffenden Menschen ausgeführten Bewegungen entspricht.

Die Hauptschwierigkeit bei der Iionstruktion der Rückkopplung in elektrischen Euskelanregern mit bioelektrischer Steuerung besteht in der Schaffung von Gebern, die eine zuverlässige Information· über die jeweilige Lage der Bewegungsorgane im Raum liefern*, Zum Lösen dieses Problems sind verschiedene Wege vorhandene

Eine köglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung der Methode der "bioelektrischen Ortung", welche .in folgendem besteht. Bei der elektrischen Anregung erfolgt eine Liuskelkontraktion die von einer durch das Anregungssignal hervorgerufenen bioelektrischen Aktivität begleitet wird. Die bioelektrische Aktivität läßt sich mit Hilfe derselben Elektroden registrieren, mit welchen die kuskelanregung nach dem Verfahren der Frequenz- bzw. Zeit trennung vorgenommen wird. Das auf diese Vveise abgeleitete Signal der Ti.uskelreaktion auf die erhaltene Anregung kann als Rückkopplung ssignal verwendet werden-, das nicht nur von dem

261U63

übereinstimmungsgrad der ausgeführten Bewegung mit dor vorgegebenen informiert, .sondern auch den Funktionszustand der angeregten Muskeln kennzeichnet.

Dieses Aufbauprinzip der Rückkopplung zur Korrektur des Signals, das die Muskeltätigkeit anregt, wurde im elekttrischen inreger der menschlichen Muskeln mit bioelekcrischer Steuerung (s, z.B. Aufsatz von L.S. Alejew, E.G. i3uschilo>vitsch in der Zeitschrift "Modellieren in der Biologie und Iuedizin", Heft 2, Verlag "Naukowa dumka", Xijew, 1966, Seiten 34-39) verwirklicht. Dieser elektrische" Anreger enthält sechs Anregungskanäle für die menschlichen Muskeln. Jeder Kanal hat hintereinandergeschaltete Einheiten - einen Geber der bioelektrischen Aktivität der Muskeln eines Menschen, der das 3ev;egungsprogramm vorgibt, und einen ersten Integrator. Als Geber der bioelektrischen Aktivität können die Elektroden dienen, welche an die Muskeln.des Menschen angeschlossen werden und zur Ableitung deren biologischer Aktivität bestimmt sind, sowie ein Verstärker dieser biologischen Aktivität. Der Geber der biologischen Aktivität kann als ein magnetisches Registriergerät ausgeführt sein, in welchem diese bioelektrische Aktivität aufgenommen ist.

Der Ausgang des Integrators ist an den ersten Eingang eines Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sov/ie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, und an aen Steuereingang eines Modulators angeschlossen. Der zweite Eingang des Modulators ist an den Ausgang eines Trägerfrequenzgenerators für das elektrische Signal angeschlossen, der die Aktivi-

9Ö3838/Q394

2*11463

tat der Muskeln anregt. Für dieses Signal kann man ein sinusförmiges elektrisches Signal oder ein elektrisches Impulssignal verwenden. Der Ausgang des Vergleichers ist an den Eingang dieses Generators angeschlossen. Der Ausgang des Modulators ist über einen Leistungsverstärker an den ersten Eingang eines Trennblocks für das elektrische Signal angeschlossen, das die üuskeltätigkeit des Menschen , dessen Bewegungen gesteuert werden, und deren bioelektrische •Aktivität anregt, welche durch dieses Signal hervorgerufen wird. Der zweite Eingang dieses Trennblocks ist gemeinsam mit dessen ersten Ausgang an die Elektroden angeschlossen, die mit den Muskeln des Menschen verbunden sind, dessen Bewegungen gesteuert werden. Der zweite Ausgang des Trennblocks ist an einen zweiten Integrator über einen Verstärker der bioelektrischen Aktivität der Euskeln des Menschen angeschlossen, dessen Bewegungen gesteuert werden. Der Ausgang des zweiten Integrators ist' an den zweiten Eingang des obengenannten Vergleichers angeschlossen.

Dennoch kann dieser bekannte elektrische Anreger der Kenschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung eine völlige Übereinstimmung der ausgeführten Bewegung mit "der vorgegebenen nicht sicherstellen» Das läßt sich durch folgende Paktoren erklären.

In dem . bekannten Iv.uskelanreger ist man bestrebt, eine Übereinstimmung der ausgeführten Bewegung mit der vorge-■ gebenen durch entsprechende Korrektur eines bzw. einiger

- 10 -

909838/03Θ4

261U63

Parameter des Signals, welches die Muskeltätigkeit des Menschen anregt (Anregungssignals), zu erreichen. Diese Korrektur soll eine Gleichheit der Kontraktionsgeschwindigkeiten und -lCräfte der entsprechenden Kuskeln sowohl des Lenschen, der das Bewegungsprograrnm vorgibt, als auch desjenigen, decsen Bewegungen gesteuert v/erden, bewirken. An einer Bewegung sind in der Regel gleichzeitig einige Muskeln beteiligt. Darum muß man, um eine Übereinstimmung der ausgeführten Bewegung mit der vorgegebenen zu erreichen, die Korrektur, des Anregungssignals einzeln nach jedem Anregungskanal vornehn:en. Dieser Umstand hat zur Notwendigkeit der Verwendung "eines Trägerfrequenzgenerators für Anregungssignale in jedem Anregungskanal geführt, wodurch nicht nur die Konstruktion des Muskelanregers komplizierter ist, sondern auch Schii.erzeiapfindungen während der Anregung verursacht werden. Die Schmerzempfindungen werden dadurch hervorgerufen, daß am Ausgang des Generators ein Niederfrequenz-Störsignal entsteht, das von den Kombinationsfrequenzen der Generatoren sämtlicher Kanäle erzeugt wird. Um ein Auftreten von Störungen am Ausgang des Generabors zu beseitigen, kann man die Frequenzen der Anregungssignale sämtlicher Generatoren zueinander synchronisieren, obwohl diese Maßnahme die Bauart des Anregers komplizieren würde.

Letzten Endes wird die ausgeführte Bewegung der programmäßig vorgegebenen wenig entsprechen.

Die ausgeführte Bewegung entspricht der programmäßig vorgegebenen weiter deshalb wenig, weil im bekannten Anreger das

9Ö9838/Ö39A - 11 -

- 1ϊ -

2I1U63

Programmsignal durch die Elektroden zu den Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, vom Nullpegel aus gelangt. Indessen weisen die Muskeln einen stark ausgeprägten Schwelleneffekt auf, der darin besteht, daß sie erst von einem bestimmten Pegel des Anregungssignals aus, der die Errejungsschwelle genannt wird, angeregt werden und sich zusammenziehen. Polglich werden bei der Anregungssignalgabe an die mit den Muskeln des Menschen verbundenen Elektroden, dessen Bewegungen gesteuert werden, diese Muskeln mit einer bestimmten Zeitverzögerung gegenüber dem Beginn der Kontraktion der entsprechenden Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, angeregt und sich zu verkürzen beginnen.

Die Verzögerungszeit wird durch den Zeitabschnitt bestimmt, der zur Erreichung einer so großen Amplitude des Anregungssignals erforderlich ist, welche Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen entspricht, dessen Bewegungen gesteuert werden, und hängt von der Geschwindigkeit der Muskelbewegung im Anfangszeitmoment ab. Je höher die Geschwindigkeit der Muskelbewegung im Anfangsmoment, desto geringer ist die Verzögerungszeit und umgekehrt. Darum ist die Nichtübereinstimmung der ausgeführten Bewegung mit der programmgemäß vorgegebenen besonders dann bemerkbar, wenn der programmgebende Mensch langsame Bewegungen ausführt.

Die ausgeführten Bewegungen entsprechen den programmgemäß vorgegebenen weiter deshalb wenig, weil sich das Programmsignal im bekannten Muskelanreger an den unterschiedlichen Funktionszustand der Muskeln der verschiedenen Menschen, deren

909838/6394

- 12

281U63

Bewegungen gesteuert werden, sowie an den während der elektrischen Anregung veränderlichen Funktionszustand desselben Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, nicht anpassen bzw. nachstellen läßt.

Dabei ist bekanntlich festgestellt, daß der Funktionszustand der l/iuskeln verschiedener Menschen wesentlich verschieden ist. Diese Unterschiede treten bei pathologischen Zuständen der Bewegungsfunktion besonders stark hervor. Der Funktionszustand der angeregten Muskeln eines Menschen kann sich auch während der elektrischen Anregung wesentlich ändern. Die Folge davon ist, daß.der dynamische Bereich des Anregungssignals, in welchem sidi die intensität bzw. Geschwindigkeit der Muskelkontraktion . mit der Änderung seiner Amplitude linear ändert, sowohl für verschiedene Menschen als auch für die Muskeln desselben Menschen während der Anregung verschieden sein wird. Unter diesem dynamischen Bereich versteht man den Bereich des Anregunssignals, das nach unten durch die Amplitude des Anregungssignals, welche der Erregungsschwelle der fcuskeln eines Menschen entspricht, dessen Bewegungen gesteuert werden, und nach obendurch seine maximale Amplitude begrenzt ist. Unter maximaler Amplitude des Anregung ssignals ist eine solche zu verstehen, deren weitere Vergrößerung zu keinem linearen Anstieg der Intensität bzw. der löntraktionsgescnwindigkeit der fouskeln führt.

Aus dem oben Dargelegten ergibt sich, daf. man den dynamischen Bereich des Programmsignals entsprechend dem verschiedenen

- 13 -

909838/6394

26 IU63

Funktionsaustand der fcuskeln der veschiedenen Ivienschen sowie entsprechend dem veränderlichen Funktionszustand der fcuskeln desselben Menschen regeln muij. Darüber hinaus muß man den dynamischen Bereich des Jfrograimiisignals noch dshingehena regeln, daß die maximale Amplitude des Anregungssi^nals diejenige Ämplitude nicht übersteigt, bei welcher Schmer ζ ein pf in dung en des betreffenden Menschen entstehen.

Außerdem kann ici bekannten Muskelanreger die Korrektur' des Anregungssignals die wahrend der elektrischen Anregung eintretende Ermüdung der angeregten Muskeln des Lenschen nicht berücksichtigen. Sobald eine Ermüdung der Muskeln des Menschen festgestellt wird, muß man, um Überlastungen seines Eerven- und iäuskelsystems zu verhüten, entweder die elektrische Anregung unterbrechen, oder auf eine "schonende" Anregungsfolge übergehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Anreger für- lvienschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung zu schaffen, in welchem eine entsprechende Erhöhung seiner Störfestigkeit und die Muskelanregung des Menschen von einem Pegel gleich der üirregungsschwelle der •anzuregenden Muskeln sowie d.ie Regelung des dynamischen Bereichs des Programmsignals die Übereinstimmung der vom betreffenden Menschen ausgeführten Bewegung mit der programmgemäß vorgegebenen .Bev/egung sicherstellen, die automatische Regelung des Grenzpegels und des dynamischen Bereichs des ir-rograminsignals je nach dem Funktionszus.tand der angeregten i/uskeln

- 14 -

909838/6394

261U63

des Menschen durch Anpassungsfähigkeit des elektrischen Anregers sichergestellt ist, das Regeln des dynamischen Bereichs des Programmsignals je nach der Erregungsschwelle der angeregten Menschenmuskeln und das Regeln der Anstiegsgeschwindigkeit des Grenzpegels des Programmsignals eine Herabsetzung der Schmerzempfindungen des Menschen während der elektrischen Muskelanregung sicherstellen, und die Korrektur des Anregungssignals unter Berücksichtigung-der Ermüdbarkeit der angeregten Muskeln und die Veränderung der Anregungsleistung bei eintretender Ermüdung die Überlastungen des Nerven- und Muskelsystems eines Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, zu vermeiden ermöglicht, wobei die Sicherstellung einer Abschaltmöglichkeit der Anregungskanäle von den Elektroden, die mit den Muskeln des Menschen verbunden sind, dessen Bewegungen gesteuert werden, bei fehlender bioelektrischer Aktivität dieser Muskeln die Arbeitszuverlässigkeit der Einrichtung erhöht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem elektrischen Anreger für Menschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung, in welchem jeder von mindestens zwei Anregungskanälen der Menschenmuskeln hintereinandergeschaltete Baueinheiten enthält, nämlich einen Geber für die bioelektrische Aktivität der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und einen ersten Integrator, der über seinen Ausgang mit dem Eingang eines Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, und mit dem

909138/0394

11

Steuereingang eines Modulators elektrisch verbunden ist, an dessen zweiten Eingang ein elektrisches Signal gelangt, das die Tätigkeit der Menschenmuskeln anregt, und dessen Ausgang mit einem Leistungsverstärker elektrisch verbunden ist, der an den Eingang eines Trennblocks für das elektrische Signal angeschlossen ist, das die Tätigkeit der Muskeln des Menschen anregt, dessen Bewegungen gesteuert werden, sowie deren bioelektrische Aktivität, welche durch dieses Signal hervorgerufen wird, dessen zweiter Eingang gemeinsam mit dem Ausgang des Trennblocks an die Elektroden angeschlossen ist, die mit den Muskeln des Menschen verbunden sind, dessen Bewegungen gesteuert werden, während der zweite Ausgang dieses Trennblocks über einen Verstärker für die bioelektrische Aktivität der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden,.an einen zweiten Integrator angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, elektrisch verbunden ist, erfindungsgemäß der Ausgang des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, mit dem Steuereingang eines Modulators elektrisch verbunden ist, der mit seinem zweiten Eingang an einen für sämtliche Anregungskanäle gemeinsamen Trägerfrequenzgenerator für das elektrische Signal, das die Muskeltätigkeit des Menschen anregt, angeschlossen ist.

9Ö9Ö38/Ö394 " ¹⁶ "

281U63

Der erfindungsgemäße elektrische Anreger für Menschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung bietet die Möglichkeit, eine Erhöhung des Übereinstimmungsgrades der vom betreffenden Menschen ausgeführten Bewegung mit der programmgemäß vorgegebenen Bewegung sicherzustellen, die möglicherweise während der elektrischen Anregung der Menschenmuskeln eintretenden Schmerzempfindungen zu verringern und gleichzeitig die Konstruktion des Anregers zu vereinfachen.

Es ist zweckmäßig, die Eingänge des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, unmittelbar an die entsprechenden Ausgänge des ersten und zweiten Integrators anzuschließen und den Ausgang des Vergleichers mit dem Steuereingang des Modulators über einen Summator zu verbinden, der auch an den Ausgang des ersten Integrators angeschlossen ist. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Verzögerungszeit der ausgeführten Bewegung gegenüber der vorgegebenen und folglich eine Erhöhung des Übereinstimmungsgrades zwischen den genannten Bewegungen.

Zweckmäßig ist es auch, die elektrische Verbindung der Eingänge des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, mit den entsprechenden Ausgängen des ersten und zweiten Integrators über erste bzw. zweite Schwellenelemente auszuführen, und die elektrische Verbindung des Ausgangs des Vergleichers der bioelek-

909838/0394 - 17 -

291U83

trischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogranun vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, mit dem Steuereingang des Modulators über einen Formierungsblock der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, dessen einer Eingang an den Ausgang des Vergleichers angeschlossen ist, und mit Hilfe eines Summators ausgeführt ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Formierungsblocks der Erregungsschwelle und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des ersten Integrators elektrisch verbunden ist, wobei der andere Eingang des Formierungsblocks der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, an den Ausgang des ersten Schwellenelements angeschlossen ist. Dadurch wird eine Verzerrung des Programmsignals im Anfangsmoment der Bewegung verhindert und eine Regelung des Anregungssignals nicht nur in Abhängigkeit vom mangelnden Übereinstimmungsgrad der vom betreffenden Menschen ausgeführten Bewegung mit der vorgegebenen, sondern auch in Abhängigkeit von der Erregungsschwelle der angeregten Muskeln des Menschen, die vom Funktionszustand dieser Muskeln abhängt, sichergestellt.

Man kann auch in jedem Anregungskanal der Menschenmuskeln einen Spannungsteiler vorsehen, dessen Eingang an den Ausgang des ersten Integrators angeschlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang des Formierungsblocks der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, elektrisch verbunden ist, und dessen Ausgang an den anderen Eingang

909038/0394

261U63

des Suininators angeschlossen ist. Dies ermöglicht ein Nachregeln des dynamischen Bereichs des Programmsignals auf den Funktionszustand der Muskeln verschiedener Menschen bzw. auf den während der elektrischen Anregung wechselnden physiologischen Zustand der Muskeln desselben Menschen.

Es ist auch vorteilhaft, daß jeder Anregungskanal der Menschenmuskeln folgende, an den Ausgang des Verstärkers der biologischen Aktivität der Musklen des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, hintereinandergesehaltete Einheiten enthält: einen Frequenzmesser und einen ersten Differenzierverstärker, einen zweiten Differenzierverstärker, dessen Eingang an den Ausgang des zweiten Integrators angeschlossen ist, einen Multiplizierblock, dessen erster Eingang an den Ausgang des ersten Differenzierverstärkers und dessen zweiter Eingang an den Ausgang des zweiten Differenzierverstärkers angeschlossen ist, einen elektronischen Schalter, dessen Steuereingang an den Ausgang des Multiplizierblocks und dessen zweiter Eingang an den Ausgang des Frequenzmessers angeschlossen ist, und einen zweiten Spannungsteiler, dessen Steuereingang an den Ausgang des elektronischen Schalters, dessen zweiter Eingang an den Ausgang des Formierungsblocks der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, und dessen Ausgang an den Steuereingang des Spannungsteilers angeschlossen ist. Dadurch läßt sich das Formieren des Anregungssignals verwirklichen, und zwar unter Berücksichtigung der Ermüdbarkeit der menschlichen Muskeln, und entweder die

90Β838/Θ-394

— 19 —

261U63

Anregungsfolge entsprechend ändern oder die elektrische Anregung rechtzeitig unterbrechen, um damit das Eintreten von Nerven- und Muskelüberlastungen des Menschen zu verhüten.

Es ist auch möglich, daß jeder Anregungskanal der Menschenmuskeln folgende Einheiten enthält: einen Bezugssignalgeber, dessen Eingang an den Ausgang des ersten Schwellenelements angeschlossen ist, ein drittes Schwellenelement, dessen einer Eingang an den Ausgang des Bezugssignalgebers und dessen anderer Eingang an den Ausgang des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, angeschlossen ist, und einen zweiten elektronischen Schalter, dessen Steuereingang an den Ausgang des dritten Schwellenelements, dessen zweiter Eingang an den Ausgang des Modulators, und dessen Ausgang an den Leistungsverstärker angeschlossen ist. Dadurch läßt sich die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Anregers erhöhen und somit auch der Schutz des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden , gegen die schädlichen Einwirkungen der Schmerzempfindungen hervorrufenden oder sogar lebensgefährlichen elektrischen Signale auf seine Muskeln sicherstellen.

Im folgenden ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen und anhand der . Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Anregers der Menschenmuskeln mit bioelektrischer Steue-

909838/03Θ4

- 20 -

- 2υ -

261U63

reung;

Fig. 2 das Strukturbild des Tennblocks für das elektrische Signal, das die Tätigkeit der Muskeln des Menschen anregt, dessen Bewegungen gesteuert werden, und deren bioelektrische Aktivität des erfindungsgemäßen elektrischen Anregers;

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Anregungskanals des erfindungsgemäßen elektrischen Muskelanregers mit einem Summator;

Fig. 4 ein Blockschaltbild wie in Fig. 3 mit zwei Schwellenelementen und einem Formierungsblock der Erregungsschwelle ;

Fig. 5 ein Blockschaltbild wie in Fig. 4 mit einem Spannungsteiler;

Fig. 6 ein Blockschaltbild wie in Fig. 5 mit einem Frequenzmesser, Differenzierverstärkern, einem Multiplizierblock, einem elektronischen Schalter und einem zweiten Spannungsteiler;

Fig. 7 das Strukturbild des Frequenzmessers des erfindungsgemäßen Muskelanregers;

Fig. 8 das Strukturbild des Multiplizierblocks des erfindungsgemäßen elektrischen Muskelanregers;

Fig. 9 ein Blockschaltbild wie in Fig. 6 mit einem Bezugssignalgeber, einem dritten Schwellenelement und einem zweiten elektronischen Schalter;

909836/6394

- 21 -

281U63

Fig. 10a, b, c, d, e, Γ, g und h Zeitdiagraiome der elektrischen Signale am Ausgang des Gebers für die bioelektrische Aktivität, des ersten Integrators, des Sumraators, des Trägerfrequenzgenerators für das Anregungssignal, des Modulators, des Verstärkers der bioelektrischen Akcivität, des zweiten Integrators bzw. des 'Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten;

Pig. 11a, b, c, d, e, f-, g, h, i, j und k Zeitdiagramme der elektrischen Signale am Ausgang des Gebers für die bioelektrische Aktivität, des ersten Integrators, des Verstärkers der bioelektrischen Aktivität, des zweiten Integrators, des ersten Schwellenelenients, des zweiten Schwellenelements, des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten, des Formierungsblocks der Erregungsschwelle, des Suminators, des Trägerfrequenzgenerators für das Anregungssignal bzw. des Modulator Sf

Fig. 12a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k und 1 Zeitdiagramme der elektrischen Signale am Ausgang des Gebers für die biologische Aktivität, des ersten Integrators,

des Verstärkers der bioelektrischen Aktivität, des zweiten Integrators, des ersten Schwellenelenients, des zweiten Schwellenelements, des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten, des Formierungsblocks der .krregungsschwelle, des ersten Spannungsteilers, des Suiamators, des Trä^erfrequenzgenerators für das Anregungssignal, des Modulators;

Pig. 13 a, b, c, d, e₉ f, g, h, i, j». ^, 1, m und η Zeitdiagramme der elektrischen Signale am Ausgang des Ver-909638/0394

• - 22 -

2811483

stärkers der biologischen Aktivität, des zweiten Integrators, des Frequenzmessers, des ersten Differenzierverstärkers, des zweiten Differenzierverstärkers, des fcultiplizierblocks, des ersten elektronischen Schalters, des zweiten Spannungsteilers, des Gebers der bioelektrischen Aktivität, des ersten Integrators, des ersten Spannungsteilers, des Simulators, des Trägerfrequenzgenerators für das Anregungssignal bzw. des Modulators{ ' ·

Pig. 14 a, b und c Zeitdiagramme der elektrischen Signale am Ausgang des Bezugssignalgebers, des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten bzw. des dritten Schwellenelelaents.

Der elektrische Anreger der kenschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung enthält sechs Anregungskanäle 1 (Fig. 1) der Menschenmuskeln. Jeder Kanal 1 hat einen Geber 2 für die bioelektrischen Aktivität der fouskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt. Dieser Geber 2 kann, wie das im sechsten Anregungskanal 1 gezeigt wird, in Form von Elektroden 3 ausgeführt sein, welche mit den in der Zeichnung nicht dargestellten Muskeln des Menschen verbunden werden,' der das ßewe^ungsprogramm vorgibt, und welche an einen Verstärker 4 der bioelektrischen Aktivität der Muskeln dieses Menschen angeschlossen sind. Als Elektroden 3 können jeweils Platten dienen, die auf der Haut des Menschen befestigt werden. Als solche Elektroden 3 kann man auch nadeiförmige bzw. implantierte Elektroden verwenden. Der Verstärker 4 der bioelektrischen Aktivität ist nach dem bekannten Schaltbild ausgeführt. 90983 8/8394

- 23 -

261U63

Der Geber 2 fürdie bioelektrischen Aktivität kann auch als Speichereinrichtung., beispielsweise als bekanntes magnetisches Registriergerät ausgeführt sein.

Der Ausgang des Gebers 2-für die bioelektrischen Aktivität ist an den Eingang eines Integrators 5 angeschlossen. Der Integrator 5 ist in Form einer. Reihenschaltung eines . bekannten Amplitudendemodulators und eines bekannten integrierenden Operationsverstärkers ausgeführt. Der Ausgang des Integrators 5 ist mit dem Eingang 6 eines Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das 3ewegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, elektrisch verbunden. Der Vergleicher 7 ist nach dem bekannten Schaltbild auf der Basis eines Operationsverstärkers ausgeführt.

Der Ausgang des Vergleichers 7 ist mit üem Steuereingang 8 eines Modulators 9 elektrisch verbunden, der nach dem bekannten Schaltbild eines steuerbaren Spannungsteilers ausgeführt ist. Der Eingang 10 des Modulators 9 ist an den Ausgang eines für sämtliche Anregungskanäle 1 gemeinsamen Trägerfrequenzgenerators 11 für das elektrische SignäL,der die fciuskeltätigkeit des Menschen anregt, angeschlossen. Je nach der erforderlichen Art und Form dieses Signals kann der Generator 11 folgenderweise ausgeführt sein.

»Venn am Ausgang ,des Generators 11 ein elektrisches Sinussignal erforderlich ist, so kann er nach der bekannten Schaltung eines selbsterregten Schv/ingungserzeugers mit LG-

Kreisen bzv/. nach der Schaltung eines selbsterregten Schwingungserzeugers mit RC-Gliedern ausgeführt v/erden.

909839/0394

- 24 -

281U63

Wenn am Ausgang des Generators 11 ein elektrisches Signal in Form von einpoligen Impulsen erforderlich ist, so kann es aus der Reihenschaltung eines bekannten ■-selbsterregten KuIt ivibr at ors und des monostabilen Iv.ultivibr at ors erzeugt werden.

Der Ausgang des iwodulators 9 ist durch einen Leistungsverstärker 12 an den Eingang 13 eines Trennblocks 14 für das elektrische:. Signal angeschlossen, das die Tätigkeit der Muskeln des Menschen anregt, dessen Bewegungen gesteuert v/erden, und für die bioelektrischer Aktivität, die durch dieses Signal hervorgerufen wird.

Bei der Verwendung eines sinusförmigen Anregungssignals ist der Leistungsverstärker 12 nach der bekannten Schaltung eines Kiederfrequenzverstärkers mit einem Transformatorausgang ausgeführt.

Der Trennblock 14 ist in diesem PalIe in Form hintereinandergeschalteter Filter 15 (Fig. 2) und 16 ausgeführt. Das Filter 15 ist nach der bekannten symmetrischen Schaltung eines Hochpaßfilters und . das Filter 16 nach der bekannr ten. symmetrischen Schaltung eines Tiefpaßfilters ausgeführt.

Der Eingang 17 (Fig. 1) des Trennblocks 14 ist gemeinsam mit seinem Ausgang 18 an die Elektroden 19 angeschlossen, die mit den Muskeln des Menschen verbunden sind, dessen Bewegungen gesteuert werden. Die Elektroden 19 sin.d analog den Elektroden 3 ausgeführt. Der Ausgang 20 des Trennblocks 14 ist an den Eingang eines Verstärkers 21 (Pig· 1) der bio-

909838/6394

- 25 -

elektrischen Aktivität der luuskeln des kenschen angeschlossen, dessen Bewegungen gesteuert werden.

Falls ein impuls artiges Anregungssignal verwendet wer-; den muß, so ist der Leistungsverstärker 12 nach der bekannte^ Schaltung eines Inipulsverstärkers rait einem Transformator ausgang auszuführen.

Der Trennblock 14 ist in diesem Falle, wie das in sechsten Anregungskanal 1 gezeigt wird, als zwei hintereinandergeschaltete elektronische Schalter 22 und 23 ausgeführt, die nach der bekannten Symmetrierschaltung aufgebaut sind. Dabei dienen der Eingang 24 des elektronischen Schalters 22 und der Eingang 25 des elektronischen Schalters 23 als Ausgärige 13 bzw. 17 des Trennblocks 14. Die Ausgänge der elektronischen Schalter 22 und 23 dienen als Ausgänge 18'bzw. 20 des Trennblocks 14. Die Steuereingänge 26 und 27 der Schalter 22 bzw. 23 sind an den Eingang 24 des Schalters 22 angeschlossen.

Der Verstärker 21 der bioelektrischen Aktivität ist analog dem Verstärker 4 ausgeführt.

Der Ausgang des Verstärkers 21 ist an den Eingang des Integrators 28 angeschlossen, der analog dem Integrator 5 ausgeführt ist. Der Ausgang des Integrators 2ü ist mit dem Eingang 29 des Ver^leichers 7 der biologischen Aktivitäten elektrisch verbunden.

Der elektrische Luskelanreger, dessen einer Kanal in Fig. 3 gezeigt wird, ist analog dem obenbeschriebenen ausgeführt. Der Unterschied besteht darin, daß die Eingänge 6 und

909838/0394

- 26 -

2611463

29 des Vergleichers 7 eier bioelektrischen Aktivitäten unmittelbar an die Ausgänge der Integratoren 5 bzw. 28 angeschlossen sind. Der Ausgang des Vergleichers 7 iivfc an den Eingang 30 des Sumraators y\ angeschlossen.

Der Eingang 32 des Suminators 31 ist an den Ausgang des Integrators 5 und sein Ausgang ist an den Steuereingang ö des Modulators 9 angeschlossen. Der Suniinator y\ ist nach der bekannten Schaltung eines summierenden Operationsverstärkers ausgeführt.

Der elektrische iauskelanreger, dessen ein Kanal in Fig. 4 gezeigt ist, wird analog dem obenbeschriebenen und in Fig. 3 dargestellten elektrischen ICuskelanreger ausgeführt. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu dem in Fig,3 gezeigten Beispiel die Eingänge 6 und 29 des Vergleichers 7 an die Ausgänge der Integratoren 5 und 28 durch Schwellenelemente 33 bzw. 34 angeschlossen. .

Der Vergleicher 7 ist in diesem Beispiel nach der bekannten Triggerschaltung mit getrennten Eingängen ausgeführt. Die ßchwellenelemente 33 und 34 sind nach der bekannten Schaltung eines Operationsverstärkers ausgeführt.

Der Ausgang des Vergleichers 7 ist an den Eingang 35 eines Fornierungsblocks 36 der Erregungscchv/elle der iaiskeln des Menschen angeschlossen, dessen Bewegungen gesteuert werden. Der Eingang 37 des Formior.ungsblocks 36 ist an den Ausgang des Schwellenelements 33 und der Ausgang des

909638/6394 "27 -

2611463

Formierungsblocks 36 ist an den Eingang 30 des Sununators 31 angeschlossen. Der Fornierungsblock 36 der Srregun^ssciiwelle 1st nach der bekannten Schaltung eines Kapazitätsspeichers ' ausgeführt.

Der elektrische Muskelanreger, dessen einer Kanal in Fits· 5 gezeigt wird, enthält im Gegensatz zum obenb^schric-. benen und in Fig. 4 dargestellten elektrischen iviuskelanrejjer einen Spannungsteiler 3ö, der auf . bekennte Weise ausgeführt ist. Der Eingang 39 des Spannungsteilers 38 ist an den Ausgang des Integrators 5 angeschlossen. Sein Steuereingang 40 ist an den Ausgang des Formierungsblocks 3& der Erregungsschwelle angeschlossen.

Der elektrische Euskelanreger, dessen einer Kanal in Fig. 6 gezeigt wird, enthält im Gegensatz zum elektrischen Iv.us-

^ltelanreger, der in Fig. 5 gezeigt wird, einen Frequenzmesser /

41, dessen Eingang an den Ausgaüg des Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität und der Ausgang an einen Differenzierverstärker 42 angeschlossen ist.

Der Frequenzmesser 41 ist in Form einer Reihenschaltung - eines Begrenzers 43 (Fig. 7) der bioelektrischen Aktivität der Muskeln eines Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, eines Schwellenelements 44, eines Normaldauer-Inpulsgenerators 45 und eines Integrators 46 ausgeführt.

Der Begrenzer 43 der bioelektrischen Aktivität ist nach der bekannten Schaltung ausgeführt. Als Schwellenelement 44 ist ein Schmi^dttrigger und als Normaldauer-Impulsgenerator 45 ein monostabiler Multivibrator verwendet. Der Integrator

909838/6394

- 28 -

2611463

und der Dif f er enzicrver star leer 42 (Fig. 6) sind auf bekannte Art ausgeführt.

An den Ausgang des Integrators 2ö ist ein Differenzierverstärker 47 angeschlossen, der analog dem l)ifferenzierversbarker 42 ausgeführt ist. Die Ausgänge der Differenzierverstarker 42 und 47 sind an die Eingänge 48 bzw. 49 eines I.-.ultitlizierblocks 50 angeschlossen. Der luultiplizierblock 50 enthält Schwellene lerne nt e 51 (Fig. 8) und 52, deren Liincänge als die Eingänge 48 (Fig. 6) und 49 des Multiplizierblocks 50 dienen und deren Ausgänge an die Eingänge 53 (Fig. ö) bzw. 5^ einer logischen Und-Schaltung 35 angeschlossen sind. Der Ausgang der logischen 'Und-Schaltung 55» der als Ausgang des EuItiplizierblocks 50 (Fig. 6) dient, ist an den Steuereingang 56 eines elektronischen Schalters 57 angeschlossen. Der Eingang 58 des elektronischen Schalters 57 ist an den Ausgang des Frequenzmessers 41 angeschlossen.

Als Schwellenelemente 51 (Fig, 8) und 52 sind Schiüidttrigger verwendet. Die logische Und-Schaltung 55 und- der elektronische Schalter 57 (Fig. 6) sind auf bekannte Weise ausgeführt.

An den Ausgang des elektronischen Schalte-rs 57 ist der Steuereingang 59 eines Spannungsteilers 60 angeschlossen. Sein Eingang 61 ist an den Ausgang des Formierungsblocks 36 der Srregungsschwelle axi^eschlossen. Der Ausgang des Spannungsteilers 60 ist an den Eingang 30 des Sumir.äcors 31 angeschlossen. Der Spannungsteiler 60 ist analog dem Spannungs-

909838/6394

- 29 -

2611463

teiler 2>ά ausgeführt.

Der elektrische Iv'uskelanreger, dessen einer Kanal in Fig. 9 dargestellt ist, ist analog dem obenbeschriebenen und in. Fig. 6 dargestellten Iv.uskelanreger ausgeführö. Der Unterschied des gegebenen Ausführungsbeispiels von dem oben'oe-

schriebenen besteht darin, daß ein Bezugssignalgeber 62 vorgesehen ist, dessen Eingang an den Ausgang des Schwellenelements 33 angeschlossen ist. Der Bezugssignalgeber 62 ist als Normaldauer-Impulsgenerator ausgeführt, der analog dem Generator 45 (Fig. 7) aufgebaut ist. An den Ausgang des Bezugssignalgebers 62 (Fig. 9) ist mit seinem Eingang 63 ein Schwellenelement 64 angeschlossen, das in Form der bekannten logischen Und-Schaltung ausgeführt ist. Der Eingang 65 des Schwellenelements 64 ist an den Ausgang des Vergleichers 7 der bioelektrischen Aktivitäten angeschlossen. An den Ausgang des Schwellenelements 64 ist der Steuereingang 66 eines elektronischen Schalters 67 angeschlossen. Der Eingang 68 des Schalters 67 ist an den Ausgang des Modulators 9 und sein Ausgang an den Leistungsverstärker 12 angeschlossen. Der elektronische Schalter 67 ist analog dem Schalter 57 ausgeführt. ■

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des erf iiidungsgemäßen elektrischen fcuskelanregers sind in Fig. 10a, b, c, d, e, f, g und h die Zeitdiagramme der elektrischen Signale am Ausgang des Gebers 2 (Fig. 1) für die bioelektrische Aktivität, des Integrators 5> des Summators y\ (Fig. 3)» des Träger-

9Ö9838/0394

- 30 -

261U63

frequenzgenerators 11 für das Anregungssignals, des Lodulators 9» des Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität, des Integrators 28 bzw. des V^rgleichere 7 der bioelektrischen Aktivitäten angeführt.

, Auf Fig. 11a, b, c, d, e, f, g, h, i, j und k sind die

Zeit'diagramnie der elektrischen Signale am Ausgang des Gebers 2 (Fig. 4) für die bioelektrische Aktivität, des Integrators 5» des Verstärkers 21 der bioelelelrtrischen Aktivität, des Integrators 28, des Schv.-cllenelements33, des Schwellenelements

34, des Vergleichers 7, des Formierungsblocks 36 der Erregungsschv/elle, des Summators 31» aes Trägerfrequenzgenerators 11 für das Anregungssignal bzw. des Modulators 9 angeführt.

Auf Fig. 12a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k und 1 sind die Zeitdiagraiiime der elektrischen Signale am Ausgang des Gebers 1 (Fig. 5) für die bioelektrische Aktivität, des Integrators 5, des Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität, des Integra- · tors 2ö, des Schwellenelements 33» des Schwellenelements 3^Y des Vergleichers 7, des Formierungsblocks 36 der irregungsschwelle, des Spannungsteilers 3Ö_} des Sumrnators y\, des Trägerfrequenzgenerators 11 bzw. des Modulators 9 angeführt.

Auf Fig. 13a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k,- 1, m und η sind die Zeitdiagramme der elektrischen Signale am Ausgang des Verstärkers 21 (Fig. 6) der bioelektrischen Aktivität, des Integrators 2ö, des Frequenzmessers 41, des Differensierverstärkers 42, des Bifferenzierverstärkers 471 des Multipli-, zierblocks 50, des elektronischen Schalters 57» des Spannungs-

909838/0394

- 31 -

281U63

tellers 60, des Gebers 2 für die bioelektrische Aktivität, des Integrators. 5, des Spannungsteilers 3O₁ des Suminators 31, des Trägerfrequenzgenerators 11 für das Änregungssignal bzw. des Modulators 9 angeführt.

Auf Fig. 14a, b und c sind die Ze it di auramine der elektrisehen Signale am Ausgang des Bezugssignalgeoers 62 (Fig. 9)» des Vergleichers 7 und des Schwellenelements 64 angeführt.

In den angeführten Zeitdiagrammen ist auf der Abszissenachse die Zeit "t" und auf der ^ürdinatenachse die Amplitude "u" der elektrischen Signale aufgetragen. Dabei ist die auf der Ordinatenach.se mit u bezeichnete Amplitude gleich der Amplitude des Anregungssignals, die der Erregungsschwelle der angeregten Benschenmuskeln entspricht. Die Amplitude ^u _m„-u. entspricht der maximalen Amplitude des Anregungssignals.

Der obenbeschriebene elektrische Anreger für Lenschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung funktioniert wie folgt.

Wird der Geber 2 (Fig. 1) in Form der Reihenschaltung der Elektroden 31 die mit den Luskeln des Mencchen verbunden sind, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und des Verstärkers 4 ausgeführt, so kann die bioelelektrische Aktivität mit Hilfe der Elektroden 3 jedes Anregurgskanals 1 (Fig. 1) von diesen Muskeln, sobald der betreffende Mensch eine beliebige Bewegung ausführt, direkt entnommen werden. Diese bioelektrische Aktivität wird mit Hilfe des Verstärkers 4 verstärkt. Auf diese Weise erscheint am Aus-

909Β38/Θ384 " ³² "

261146?

• gang des Gebers 2 eine verstärkte bioelektrische Aktivität des I enschen,· der das- Bewegungsprogramm vorgibt, die bei der Verwendung von Oberflächenelektroden 3 die Form eines elektrischen Signals hat, das in Fig. 10a dargestellt ist.

Wird der Geber 2 in Form eines magnetischen Registriergerätes ausgeführt, so kann die von ihm zuerst aufgenommene und dann verstärkte bioelektrische Aktivität der Luskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, entnommen werden, welche ebenfalls die Form des in Fig. 10a gezeigten, elektrischen Signals hat.

Vom Ausgang des Gebers 2 der bioelektrischen Aktivität gelangt dieses elektrische Signal an den Eingang des Integrators 5» der zum Heraustrennen der nutzbaren Information über die vorgegebene Bewegung bestimmt ist. Im Integrator 5 wird das elektrische Signal gleichgerichtet und integriert. Am Ausgang des Integrators 5 erscheint ein programmgemäßes elektrisches Signal, das in Fig. 10b gezeigt ist, welches eine zeitlich gemittelte bioelektrische Aktivität' der - Muskeln des Iv.enschen darstellt, der das Bewegungsprogramm vorgibt. Vom Ausgang des Integrators 5 gelangt dieses elektrische Signal an den Eingang 6 des Vergleichers 7 der bioelektriischen Aktivitäten. Am Eingang 29 des Vergleichers 7 fehlt in einem bestimmten Anfangszeitabschnitt I/ (Fig. 10b) das elektrische Signal, das eine Information üoer die ausgeführte 3ewegung trägt. da das Anregungssignal während dieses Zeitabschnitts die Ex— regungsschwelle U der angeregten Muskeln noch nicht erreicht

909838/0394

. - 33

2*11463

hat. Darum wird im genannten Zeitabschnitt am Ausgang des Vergleichers 7 ein eleKtrisches Signal erscheinen, Form und Amplitude mit dem Signal übereinstimmen, welches an seinen Eingang 6 gelangt und in Pig·. 10b gezeigt wird.

Vom Ausgang des Vergleichers 7 gelangt das elektrische Signal an den Steuereingang 8 des Modulators 9· An den Eingang 10 des ϊ.-odulators 9 gelangt vom Ausgang des iL'rägerfrequenzgenerators 11 des Anregungssignals ein elektrisches Anregungssignal in Form von einpoligen Rechteckimpulsen, die in Hg. 1Od gezeigt sind. Um eventuelle Schmerzempfindungen des lvienschen zu verringern und die Eontraktionskraft seiner angeregten iv.uskeln zu erhöhen, beträgt zweckmäßigerweise die Impulsdauer von 0,1 bis 0,5 msek und ImpulsiOlgefrequenz von 80 bis 200 Hz. Als Anregungssignal -kann man auch bipolare Rechteckimpulse bzw. ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz verwenden, die aus den obengenannten Gründen im Bereich von 2 bis 5 kHz zu wählen ist. Eine benötigte Verwendung in den elektrischen fcuskelanregern sinusförmiger Signale von höheren Frequenzen (2 + 8 kHz) erklärt sich durch ihre geringere Schmerzhaftigkeit während der elektrischen Anregung im Vergleich zu sonstigen elektrischen Signalen*

Der Modulator 9 verwandelt das in Fig. 1Od gezeigte Anregungssignal derart, daß an seinem Ausgang ein elektrisches Signal erscheint, dessen Art und Form mit dem Anregungssignal Übereinstimmt, das heißt als Rechteckimpulse, deren Amplitude sich zeitlich nach dem ünderungsgesetz der Amplitude des JrTogrammsignals ändert. Vom Ausgang des Modulators 9 gelangt

909838/Ö394, .

- 34 -

2911463

das umgeformte Anregungssignal an den Eingang des Leistun^sverstärkers 12, in welchem es in seiner Amplitude bis zum Pegel, der für das Anregen der t.enschenmuskeln erforderlich ist, verstärkt wird und durch den Trennblock 14 an die Jilektroden 19 gelangt, die mit den anzuregenden iv.enschenmuskeln verbunden sind.

Falls am Ausgang des General:ors 11 ein impulsartiges Anregungssignal, wie das in Fig. 10a dargestellt ist, formiert v/ird, so tritt das umgeformte Anregungssignal vom Ausgang des Leistungsverstärkers 12 über den elektronischen Schalter 22 (Fig. 1) an die Elektroden 19, die mit den iviuskeln des menschen verbunden sind, dessen Bewegungen gesteuert werden. Unter der Einwirkung dieses Anregungssignals werden die anzuregenden Iviuskeln erregt und ziehen sich zusammen. Infolgedessen entsteht eine bioelektrische Aktivität der angeregten Muskeln, welche in den Pausen zwischen den Anregungsimpulsen über den elektronischen Schalter 23 an den Eingang des Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität gelangt. .Während der Dauer der Impulse des Anregungssignals ist der elektronische Schalter 22 geöffnet, und das Anregungssignal gelangt zu den Elektroden 19. Dabei ist der elektronische Schalter 23 geschlossen, und das Anregungssignal "kann nicht an den Eingang des Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität gelangen..: In den Pausen zwischen den Impulsen des Anregungssignals ist der elektronische Schalter 22 geschlossen, so daß die Eigengeräusche des Leistungsverstärkers 12 nicht an den Eingang des

909838/0394

- 35 -

2*11463

Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität geraten können. Dabei ist der elektronische Schalter 23 geöffnet, und die bioelektrische Aktivität der angeregten r.-uskeln gelagert vom Ausgang der Elektroden I9 zum Eingang des Verstärkers 21.

Seim Formieren am Ausgang des Generators 11 eines sinusförmigen Anregungssignals wird dessen Frequenztrennung sowie der bioelektrischen Aktivität der angeregten kuskeln im Trennblock .14, der nach Fig. 2 ausgeführt ist, dadurch ermöglicht, daß das Spektrum der bioelektrischen Aktivität der Iiuskeln, welches die Frequenzen vnn 0 bis 800 Hz enthält, bedeutend tiefer liegt als die Frequenz des Anregungssignals. In diesem Falle gelangt das Anregungssignal vom Ausgang des Leistungsverstärkers 12 durch das Hochpaßfilter 15 (Fig. 2) zu den Elektroden 19 (Fig. 1), die mit den kenschenmuskeln verbunden sind. Unter der Einwirkung des Anregungssignals wer-, den die angeregten Iv.uskeln des Menschen erregt und ziehen sich zusammen. Infolgedessen entsteht in den Elektroden 19 die bioelektrische Aktivität der angeregten Muskeln des Menschen, v/elche durch das Tiefpaßfilter 16 (Fig. 2) an den Eingang des Verstärkers 21 (Fig. 1) der bioelektrischen Aktivität gelangt.

Das Filter 16 (Fig. 2) erfüllt die Hauptaufgabe der Trennung des sinusförmigen Anregungssignals, das beispielsweise eine Frequenz von 5 kHz hat, und der bioelektrischen Aktivität der angeregten toenschenmuskeln. Es^- ist zweckmäßig, den

909838/0394

- 36 -

Durchlaßbereich, des Ji¹UOers 16 gleich 0-800 Hz zu wählen, da gerade in diesem Frequenzband die maximale bioelektrische Aktivität der angeregten Iv.uskeln des lwenschen liegt.

Das Hochpaßfilter 15 dient zum. Verhindern eines G-elangens der Eisengeräusche des Leistungsverstärkers 12 (Fig. 1), deren Frequenz im Frequenzspektrum der bioelektrischen Aktivität liegen, in die bioelektrische Aktivität der anzuregenden Muskeln. Das Filter 15 (Fig. 2) dient auch zur Üb ere inst iniLurg des Ausgangsvviderstands des Leistungsverstärkers 12 mit dem Zwischenelektrodenwiderstand der Gewebe des betreffenden Menschen bei der Anregung der Muskeln und der Ableitung - der bioelektrischen Aktivität .von ihnen.

Es ist zweckmäßig, die Schnittfrequenz des Filters 15 etwas tiefer als die Frequenz des Anregungssignals zu wählen. So soll man bei einer Frequenz des Anregungssignals. gleich 5 kHz die Schnittfrequenz des Filters 15 zweckmäßig gleich 4 kHz wählen.

Vom Ausgang des Verstärkers 21 (Fig. 1) gelangt die bioelektrische Aktivität der angeregten Kuskeln an den Eingang des Integrators 28. Im Integrator 28, ebenso wie im Integrator 5> wird die nutzbare Information über die vom Menschen ausgeführte Bewegung ausgewählt, dessen Muskeln angeregt werden.

Am Ausgang des Integrators 28 erscheint ein elektrisches Signal, das eine zeitlich gemittelte bioelektrische Aktivität

909838/0394

- 37 -

2*11463

der angeregten Muskeln darstellt und das die Information über die ausgeführte Bewegung trägt. Dieses Informationssignal gelangt an den Eingang 29 des Vergleichers 7> an dessen Eingang 6 das rrogrammsignal vom Ausgang des Integrators 5 gelangt.

Im Vergleicher 7 erfolgt ein Vergleich der f. omentanwerte der Amplituden des i-rogrammsignals mit den Moment anwert en der Amplituden des Informationssignals. Am Ausgang des Verglcichers 7 erscheint ein Signal, welches das Programmsignal auf eine bestimmte Weise korrigiert, u. zw. je nach den Ausführungsarten der elektrischen Verbindung des Ausgangs des Vergleichers 7 mit dem Steuereingang 8 des Modulators 9* die nachstehend in den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen elektrischen Muskelanregers beschrieben sind. Die Kor-

rektur des Programmsignals gewährleistet die Übereinstimmung der ausgeführten Bewegung mit der vorgegebenen.

Das korrigierte Programmsignal tritt an den Steuereingang 8 des Modulators 9> an dessen Eingang 10 das Anregungssignal vom Generator 11 gelangt. Am Ausgang des Kodulators 9 wird ein Anregungssignal formiert, das entsprechend .dem korrigierten Programmsignal umgeformt ist. Dieses "Signal wird im Verstärker 12 verstärkt und über den· Trennblock 14 und die ' Elektroden 19 an die anzuregenden Menschenmuskeln zugeführt, wobei eine Übereinstimmung ihrer Kontraktion mit der Kontraktion der gleichen lV.uskeln des Menschen, der das Bewegungspro-

_ OO _

■ Jo

909838/0394

2 θ 11483

gcaram vorgibt, gewährleistet wird.

Die Betriebsweise des in Fig. 3 dargestellten LusKelanregers ist analog der Betriebsweise des in Fig. 1 geseilten Anregers. Der Unterschied De stellt nur darin, daß das in Fig. 10b gezeigte Jrrograinmsignal, in jedem Anregungskanal 1 (Fig.-1) vom Ausgang des Integrators 5 an den Eingang 6 des Vergleichers 7 und an aen Eingang 32 (Fig. 3) des Sumrators 31 gelangt. Da im Anfangszeit ab schnitt \. (Fig. 10b) die Amplitude des .Programmsignals und folglich des Anregungssignals den Wert U , der der Erregungsschwelle der anzuregenden fc.uskeln entspricht, noch nicht erreicht hat, und ein Signal am Eingang 29 des Vergleichen ~> fehlt, so erscheint am Ausgang von diesem ein Prograinmsignal, das in Fig. 10b gezeigt ist. "Dieses Prograinmsignal gelangt an den Eingang 30 des Sumnators 31· Am Ausgang des Summators 31 wird im Zeitabschnitt von 0 bis t^. ein elektrisches Signal erscheinen, das in Fig. 10c dargestellt ist und dessen Amplitude dem Doppelwert der Amplitude des Programmsignals gleich ist, das in der gleichen Zeichnung strichpunktiert dargestellt ist.

Vom Ausgang des Summators y\ kommt dieses Signal an den Eingang 8 des Modulators 9. Der Modulator 9 formt"das in Fig. 1Od dargestellte Anregungssignal um, und an seinem Ausgang entsteht ein Signal, das in Fig. 10 gezeigt ist. Dieses Signal hat die Form einpoliger Rechteckimpulse, dargestellt in Fig. 1Od, deren Amplitude sich nach dem Änderungsgesetz

909838/0394 -39-

2Θ11463

des in Fig. 10c gezeigten Programmsignals zeitlich ändert.

Aus dem Obendargelegten und den angeführten Zeitdiagrammen, die in Fig. 10c und 1Oe gezeigt sind, folgt, daß die Amplitude des umgeformten Anregungssignals dank dem Einsatz aes Summators 31 den Wert U , der der Erregungsschwelle der angeregten Iuuskeln entspricht, nicht in einem Zeitabschnitt \. v/ie die Amplitude des Programmsignals, sondern in einem zweimal kürzeren Zeitabschnitt I^ (Fig. 1Oe) erreicht. Infolgedessen verringert sich die Verzögerungszeit zwischen dem Ev- · scheinen des Programrasignals und der bioelektrischen Aktivität der angeregten Luskeln, v/ie das in Fig. 1Of zu ersehen ist, etwa um die Hälfte und ist gleich V^ .

Sobald am Ausgang des Integrators 28 ein informationssignal, dargestellt in J?ig. 10g, erscheint und an den Eingang 29 des'Vergleichers 7 gelangt, . entsteht an dessen Ausgang im Zeitabschnitt t^ - t* (Fig. 10h) ein Korrektursignal dessen Amplitude zu jedem Zeitpunkt der Differenz der kömentanwerte der Amplituden des Programmsignals und des Informationssignals gleich ist. Dieses Korrektursignal'. . wird im Summator 31 (Fig. 3) ^zu dem an seinen Eingang 32 gelangenden Programmsignal addiert, wodurch eine Verringerung des in Fig. 10c gezeigten Signals an seinem Ausgang hervorgerufen wird. Das verursacht eine Verzerrung der Amplituden-Zeitverhältnisse des Ausgangssignals des Summators 31 gegenüber dem Programmsignal an' dessen Eingang 32. Die genannte Verzerrung äußert sich darin, daß, während die Amplitude des Programmsignals

_ ₄₀_

261U63

im Zeitabschnitt ty, - tp (Fig. 10c) ansteigt, die Amplitude des Signals am Au.-.gang des Suminators 31 (Fig· 3) sich entsprechend verringert. Das dauert so lange, bis der Lomentanwert der Amplitude des Pr ogr amins ignals dein Iu oicent anwert der Amplitude des Inforinationssignals gleich wird. In diesem Falle wird die Amplitude des Ausgangssignals des Vergleichers 7 im Zeitmoment t^ (!'"ig. 1Oh) gleich IVuIl sein, und am Ausgang des Summators 31 (Fig. 5) gleich dem iv.oment anwert der Amplitude des Programiusignals an seinem Eingang 32. Das be-" deutet, daß im Zeitmoment t„ (Fig. 1Oc) keine Korrektur Programmsignals im Sumiaa^or 31 (Fig. 5) stattfinden wird.

Im nächsten Zeitabschnitt wird infolge der Trägheit des Systems ein Uberkompensationsprozeß stattfinden, und es kann ein Moment eintreten, wenn der Momentanwert der Amplitude des Informationssignals den iv.oinentanwert der Amplitude des Programmsignals übersteigen wird.

In diesem Falle wird am Ausgang des Vergleichers 7 in Zeitabschnitt t~ - t_ (Fig. 1Oh) ein Korrektursignal mit ■ einem negativen Vorzeichen erscheinen. Dieses Signal wird nach seiner Summierung im bummator 31 (Fig. 3) ^{2U dem} Programmsignal die Amplitude des Signals aiii Ausgang des Suminators y\, das in Fig. 10c gezeigt wird, um eine Größe verringern, die der Differenz der lviomentanwerte der Amplituden des Prograffiiasignals und des Informauionssignals gleich ist.

Während des Zeitabschnitts t- - t^ (Fig. 1Oh)' werden die Vorgänge im Vergleich zu den Vorgängen im Zeitaoschnitt tp-t^

909838/0394

- 41 -

2611463

umgekehrt verlaufen. Das Ausgangssignal des Simulators JA ,(Fig. 3), dargestellt in Fig. 10c, wird sich, in diesem Zeitabschnitt in seiner Amplitude im Vergleich zu dem auf diesem Bild strichpunictiert gezeigten Progr'amnisignal vergrößern. Auf diese Weise wird wieder eine Korrektur des -fro^raiiiiasignals erfolgen, die eine Übereinstimmung der iv.oiuent anwerte der Amplituden des Programmsignals und des Informationssignals gewährleistet.

Da die Verzögerungsdauer 6- des Informationssignals gegenüber dem Programinsignal im Vergleich zum obenoescnrieoenen bekannten i*iusicelanreger sich um die HuIfte verringert hat, wird eine genauere Übereinstimmung der vorgegebenen mit der ausgeführten Bewegung erreicht. Das gilt jedoch nur fur einen eingespielten Betrieb, das heißt in den Zeitabschnitten t₂ - t -₃ (Fig. 1Oh).

Die Betriebsweise des in Fig„ 4 dargestellten elektrischen ikuskelanregers ist analog der Betriebsweise des in Fig. 3 gezeigten elektrischen Anregers. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß das Programmsignal in jedem Anregungskanal 1 (Fig. 1) vom Ausgang des Integrators 5 sü den Eingang des Schwellenelements 33 (Fig. 4) gelangt, welches an seinem Ausgang einen ßechteckimpuls von konstanter Amplitude formiert, der in Fig. 11e gezeigt ist. Die Dauer dieses Impulses wird durch die Dauer des Programmsignals am Ausgang aes Integrators 5 bestimmt. Dieser Kectiteckimpuls gelängt an den .eingang 37 des Formierungsblocks 36 der Erregungsscir.veiie

- 42 -

909838/0394

und an den Eingang 6 des Vergleichers 7·

Das in Fig. 11d gezeigte Informationssignal kommt vom Ausgang des Integrators 2ö an den Eingang des Sciiwellenelemenbs 3^ mit einer Zeitverzögerung K (Fig. 11d) gegenüber dem. l?rogramiiisignal. In diesem Ivioment erscheint am Ausgang des Schwellenelements 34 ein in Fig. 11f gezeigter itechteckimpuls, der an den Eingang 29 des Vergleichers 7 gelangt Am Ausgang der letzteren wird ein Hechteckimpuls von kontanter Amplitude formiert, dargestellt in Fig. 11g, dessen Dauer der Verzögerungsdauer (, des Informationssigzxals gegenüber dem Programmsignal gleich ist. Da nun die Verzögerungsdauer der Erregungsschwelle der anzuregenden Muskeln proportional ist, entspricht die Dauer dieses Impulses dieser Erregungsschwelle. Vom Ausgang des Vergleichers 7 gelangt der Rechteckimpuls an den Eingang 35 des Formierungsblocks 36» an dessen Eingang 37 > wie bereits erwähnt wurde, der in Fig.He dargestellte Hechteckimpuls gekommen ist. Am Ausgang dieses Formierungsblocks 36 wird ein in Fig. 11h gezeigter und im Zeitabschnitt K exponential ansteigender Impuls formiert. Die Amplitude dieses Impulses ist proportional der Dauer des in Fig. 11g gezeigten Impulses, das helfet, daß sie der Erregungsschwelle der anzuregenden Menschenmuskeln proportional ist. Die Dauer dieses Impulses wird durch die Dauer des in Fig. 11e gezeigten Impulses bestimmt, das heißt, daß seine Dauer durch die Dauer des in Fig. 11b gezeigten Programmsignals bestimmt wird. Die Impulsanstiegsgeschwindigkeit

909838/Ö394

- 43 -

2S1U63

am Ausgang des Formierungsb locks 36 wird nach dem Linde st inai3 der Schmer zenipf indungen des Menschen während der elektrischen Anregung gewählt und geregelt, Dabei ist es zweckmäßig» duß diese Ansfciegsuöschwindigkeit um eine Größenordnung höher als die maximale Änderungsgeschwindigkeit des Programiasignals gewählt wird.

. Der am Ausgang des Formierungsblocks 36 formierte Impuls, der als Korrektursignal _ dient, gelangt an den Eingang 30 des Summators y\. An dessen Ausgang wird ein-elektrisches Signal formiert, das in Fig. 11i gezeigt ist. Die Amplitude dieses Signals ist gleich der Amplitudensuiruae des Prograrcmsignals und des Korrektursxgnal „ welches der Erregungsschwelle der anzuregenden fcuskeln entspricht» Dieses korrigierte Programmsignal gelangt an den Eingang ö des lY.odulators 9, an dessen Eingang 10 das Anregungssignal in Form von .Rechteckimpulsen, die in Fig. 11 j gezeigt sind, gelangt. Am Ausgang des Modulators 9 wird das in Fig. 11k gezeigte umgeformte Anregungssignal formiert. Der Amplitudenwert dieses Signals ist zu jedem Zeitmoment gleich der Amplitudensumme des Programmsignals und des Korrektursignal.

Infolgedessen gelangt an die Muskeln des Iv.enschen ein elektrisches Signal nicht vom lmllpegel, sondern von einem Pegel, der der Erregungssch-.velle der anzuregenden Muskeln gleich ist, wodurch die Verzögerungszeit des Erscheinens eines Informationssignals gegenüber dem Frogrammsignal wesentlich verringert wird. Diese Verzögerungszeit wird nur durch die

909838/6394

- 44 -

. - 44 -

261U63

Anstiegsdauer des Impulses am Ausgang des Formierungsblocks 36 der Erregungsschwelle bestimmt.

Die Betriebsweise des in Fig. 5> gezeigten kuskelanregers ist analog der obenbeschrieöenen Betriebsweise des in Pig. gezeigten Anregers. Der unterschied besteht lediglich darin, daß in federn Anregungskanal 1 (Fig. 1) das Programicignal, das in Fig. 12b gezeigt isb, beim Erscheinen der vorgegebenen bioelektrischen Aktivität, dargestellt in Fig. 12a, vom Ausgang des Integrators 5 nicht nur an den Eingang des Schwellenelements 33 (Fig. 5)> sondern auch an den iüingang 39 des Spannungsteilers 38 gelangt. An den Eingang 40 dieses Spannungsteilers y<5 kommt vom Ausgang des Formierungs— blocks 36 ^ßiⁿ Korrektursignal _ in Form eines exponential ansteigenden Impulses, das in Fig. 12h gezeigt ist. Iv.it Hilfe dieses Impulses wird der Übertragungsfaktor des Spannungsteilers 3ö so geregelt, daß an seinem Ausgang die Amplitude •des umgeformten Programmsignals den Wert (k-O. U nicht übersteigt, wo U die Amplitude des Korrektur signal . - bezeichnet, das der Erregungsschwelle der anzuregenden Muskeln entspricht. Eine derartige Beziehung der Amplituden wurde aus folgenden Erwägungen gewählt.

Die maximale Amplitude U₁₁₁ des' umgeformten Anregungssignals ist mit der Srregungsschwelle der anzuregenden kuskeln durch den Froportionalitätsfaktor "k" verbunden. Dar.it also die Amplitude des umgeformten Anregungssignals'die maximale Amplitude nicht übersteigt, darf-die maximale Am-

909836/0394 - 45 -

281 U63

plitude des Programmsignals in der Summe mit der Amplitude des iCorrektursignal - die der Erregungsschwellc der anzuregenden i'Äuskoln entspricht, die maximale Amplitude ües verwandelten Anregungssignals nicht übersteigen. Polglich darf die maximale Amplitude des umgeformten Programmsignals den Wert (k-1)· U nicht übersteigen, was gerade der Spannungsteiler 38 gewährleistet.

Am Ausgang des Spannungsteilers 38 wird das in Fig. 12i gezeigte umgeformte i-rogrammsignal gebildet, dessen maxir.ale Amplitude den Wert gleich U nicht übersteigt.

In den in Pig. 14 dargestellten Diagrammen ist k=2, das heißt, daß die maximale Amplitude des umgeformten Programmsignals den Wert nicht übersteigt, der der Erregungsschv/elle der anzuregenden Muskeln entspricht.

Vom Ausgang des Spannungsteilers 38 gelangt das umgeformte Programmsignal an den Eingang 32 des ßuminators 31, an dessen Eingang 30 ein Korrektursignal . gelangt, dessen Amplitude der Erregungsschwelle der anzuregenden Muskeln proportional ist. Am Ausgang des Summätors 31 wird das in Pig. 12j gezeigte korrigierte Programmsignal formiert, dessen Amplitude zu jedem Zeitpunkt der Ampiitudensumme der obengenannten Signale gleich ist, die an seine Eingänge 30 und 32 gelangen. Die maximale Amplitude dieses Signals übersteigt nicht; den doppelten Wert der Amplitude, die der Srre^ungsschwelle der anzuregenden kuskeln entspricht. Dieses Signal gelangt an den Steuereingang 8 des Modulators 9> an dessen eingang 10 das

90983 8/0394

- 46 -

- '46 -

281U63

Anregungssignal in Form der in Fig. 12k gezeigten Impulse kommt.

Am Ausgang des Modulators 9 wird das in Fig. 121 gezeigte umgeformte Anregungssignal formiert. Der minimale Amplibudenwert dieses Signals ist gleich dem V/ert, der der E'rregungsschwelle U der anzuregenden ί·, uskeln entspricht, und dessen Maximalwert ist dem Doppelwert 2U₀ gleich. Folglich wird den anzuregenden Iviuskeln des Menschen ein elektrisches Signal mit einem Pegel zugeführt, der ihrer Erregungsschwelle entspricht, wobei die maximale Amplitude dieses Signals den Wert der maximalen Amplitude des Anregungssignals für diese

Muskeln nicht übersteigt. Infolgedessen verringern sich die Schmerzernpfindungen eines Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, die anzuregenden fcuskeln erregen und verkürzen in Übereinstimmung mit der Erregung und Kürzung der entsprechenden Muslceln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und die ausgeführte Bewegung entspricht in höherem Maße der Progranmbewegung.

Während der elektrischen Anregung ändert sich die Erregungsschwelle der angeregten Iwuskeln (in der Regel steigt sie an) und folglich wird sich auch die Amplitude des umgeformten AnregUiigssignals, das an die iY.uskeln des Menschen gelangt, entsprechend ändern. Aus dem Obengesagten folgt, daß in Laufe der elektrischen Anregung ein Nachstimmen des dynamischen Bergichs des rrogrammsignals, das in Fig. 12b gezeigt ist, an den veränderlichen Funktionszustand der angeregten iv.uskeln desselben Menschen bzw. an den unterschiedlichen Funkt ions zustand

909838/Θ394

- 47 -

2Ö1U63

der angeregten Luskeln verschiedener Lenschen stattfinden
wird·

Die Betriebsweise des in Fig. 6 dargestellten elektrischen Anregers ist analog der obenbeschriebenen Betriebsweise da:
in Piß. 5 gezeigten elektrischen Anregers.

Der Unterschied besteht dabei darin, daß in jedem Anregurigskanal 1 (Fig. 1) das in Fig. 13^a gezeigte elektrische Signal
vom Ausgang des Verstärkers 21 der bioelektrischen Aktivität an den Eingang des Integrators 28 und an den Eingang des
Frequenzmessers 41 (Fig. 6) gelangt. Am Ausgang des Frequenzmessers 41 formiert sich ein elektrisches Signal, dargestellt in Fig. 13c» dessen Amplitude der mittleren Frequenz der bioelektrischen Aktivität der angeregten Muskeln des Lenschen in gegebenen Zeitpunkt proportional ist. Vom.Ausgang des Frequenzmessers 41 gelangt dieses Signal an den Eingang des Differen-2ierverstärkers 42, an dessen Ausgang ein elektrisches Signal erscheint, das in Fig. 13d gezeigt wird. Die Amplitude die-' ses Signals ist zu jedem Zeitpunkt der Änderungsgeschwindig-. keit der mittleren Frequenz der bioelektrischen Aktivität der angeregten Muskeln proportional.

Falls die mittlere Frequenz dieser bioelektrischen Aktivität im gegebenen Moment ansteigt, so hat dieses Signal

eine positive Polarität, und wenn diese mittlere Frequenz

J
sich verringert, so hat dieses Signal eine negative Polarität.

Ob mit positiver oder negativer Polarität gelangt dieses Signal an den Eingang 48 des Multiplizierblocks 50·
ι Vom Ausgang des Integrators 23 gelangt die zeitlich gemittelte bioelektrische Aktivität der angeregten Euskeln des

909838/0394

- 48 -

261U63

Menschen, dargestellt in Fig. 13b, an den Eingang des Differenzierverstärkers 47. An seinem Ausgang wird das in Fig. 13e gezeigte Signal formiert, dessen Amplitude der Anderungsgeschwindigkeit der Amplitude der zeitlich goji.itteIten bioelektrischen Aktivität der angeregten kenschenmuskeln proportional ist. Dieses Signal, ob mit positiver oder negativer Polarität, wird je nachdem, ob die Amplitude des Signals, welches im gegebenen Moment an seinen Eingang gelangt, ansteigt oder sich verringert, an den Eingang 49 des juultiplizierblocks 50 gelangen. Am Ausgang des Multiplizierblocks 50 wird nur im Zeitabschnitt t^ -^?' ^{wenn 3}^ seine Eingänge 48 und 49 Signale von verschiedener l-olarität gelangen, der in Fig. 13f dargestellte Hechteckimpuls formiert. Das läßt sich durch folgende Faktoren erklären.

Bei ansteigender Kraft, die ein arbeitender Luskel entwickelt, wird bekanntlich die Amplitude der zeitlich geznittelten bioelektrischen Aktivität dieses Muskels ansteigen, die mittlere Frequenz der bioelektrischen Aktivität dieses Euskels wird ebenfalls höher und umgekehrt. V.'enn aber der arbeitende Muskel ermüdet beispielsweise im Laufe eines Zeitabschnitts ty. - t^ unter den Bedingungen einer standardisierten Belastung sowohl für eine statische als auch eine dynamische Arbeit, so wird die zeitlich gemittelte Amplitude der bioeleltrischen Aktivität, dargestellt in Fig. 13b, ansteigen, während ihre Frequenz, wie- das aus Fig. 13c zu ersehen ist, sich verringern wird. Und je größer dabei die Kontraktionskraft

- 49 -

909838/0394

2611463

des iviuskels ist, cisto bedeutender wird der Frequenzabf all.

Wenn darum die iAuskeln des lvienschen, dessen Bewegungen gesteuert v/erden, im Zeitintervall t^-tp ermüden, so erscheint am Ausgang des iv.ultiplizierblocks 50 ein Signal, dargestellt in Fig. 13f> das an den Steuereingang 56 des elektronischen Schalters 57 gelangt. An den Eingang 58 dieses elektronischen Schalters 57 gelangt vom Ausgang des Frequenzmessers 41 ein Signal, dargestellt in Fig. 15c» das zum Steuereingang 59 des .Spannungsteilers 60 im Zeitabschnitt t,,-t_o (Fig. 13g) gelangt. An den Eingang 61 (Fig. 6) des Spannungsteilers 60 gelangt ein Signal, das der lirregungsschwelle der anzuregenden iv.uskeln entspricht.

Am Ausgang des Spannungsteilers 60 wird ein elektrisches Signal formiert, das in Fig. 13h dargestellt ist. Die Amplitude dieses Signals verringert sich im Zeitabschnitt t.-t₂ entsprechend der Amplitudenverringerung des Signals, welches an den Eingang 59 des Spannungsteilers 60 gelangt, d.h. entsprechend der Frequenzänderung der bioelektrischen Aktivität der angeregten Muskeln.

Dieses Signal, welches der ürregungsschv/elle der ermüdeten Iviuskeln entspricht, gelangt an den Eingang 30 des Sunmatorc 31 und an den Steuereingang 40 des Spannungsteilers yc Weiterhin verlaufen die Prozesse analog den beschriebenen im Anreger, der in Fig. 5 gezeigt ist. Dabei v/erden an: Ausgang des Spannungsteilers 38» Summators 3I und Kodulators 9 Signale

- 50 -

909838/9394

2611463

formiert, die in Fig. 13k, 1 bzw. η dargestellt sind. Infolgedessen, wenn im Zeitabschnitt ^,.-t* die angeregten imsKeln des ii.enschcn ermüdet sind, v/ird die Amplitude des umgeformten Anregungssignals, das am Ausgang des Modulators 9 erhalten wird und-auf diese i;Iusiteln einwirkt, sich verringern. Diese Ariiplitudenverringerung wird desto größer, je stärker die fcuskelermüdung ist. Sobald die Ermüdung vorbei ist, kehrt die 'Amplitude dieses Signals in ihren Ausgangszustand zurück, was dem folgenden Durchgang der Signale entspricht.

Falls die angeregten »v.uskeln nicht müde sind, so ist am Steuereingang 56 des elektronischen Schalters 37 kein elektrisches Signal vorhanden. Dabei wird das Signal vom Ausgang des Frequenzmessers 41 durch den elektronischen Schalter 57 an den Eingang 59 des Spannungsteilers 60 nicht erteilt. An den Eingang" 61 dieses Spannungsteilers 60 gelangt in diesen. Zeitabschnitt ein elektrisches Signal, das der lirregungsschwelle der anzuregenden lauskeln entspricht und das ohne seine Amplitude zu ändern, an den Eingang 30 des Summators 31 und an den Eingang 40 des Spannungsteilers 38 kommt. Dabei werden am Ausgang des Spannungsteilers 33» Summators 3-1 und Loduiators 9 bis zum Zeitpunkt t^ bzw. vom.Anfang des Zeitpunkts tp Signale formiert, die in Fig. 13k, 1 bzw. η dargestellt sind.

Die Betriebsweise des in Fig. 9 dargestellten Anregers ist analog der obenbeschriebenen Betriebsweise des Anregers, der in Fig. 6 gezeigt ist. Der Unterschied besteht nur im fol-

909838/0394 - 51 -

genden.

In jedem Anregungskanal 1 (Fig. 1) gelangt das elektrische Signal vom Ausgang des Schwellenelements 33 (Fig. 9)
an den Eingang 6 des Vergleichers 7r an den Eingang 37 des
Foriaierungsblocks 36 und an den Eingang des Bezugssignalgebers 62, der einen Normaldauer-Impulsgenerator darstellt. Αία Ausgang dieses ßezugssignalgebers 62 wird ein Kechteckimpuls von konstanter Amplitude formiert, der in Fig. 14a gezeigt
wird. Die Vorderflanke dieses Impulses fällt zeitlich mit dem Erscheinen eines Programmsignals am Ausgang des Integrators in Form der zeitlich gemittelten bioelektrischen Aktivität
der Muskeln des menschen zusammen, der das Bewegungsprogranan vorgibt. Die Dauer Lu (Fig. 14a) dieses Impulses wählt man gleich der maximal möglichen Dauer des Impulses, der am Ausgang des Vergleichers 7 (Fig. 9) und in übereinstimiaung mit der maximal möglichen Erregungsschwelle der anzuregenden Buskeln formiert wird.

Der Impuls gelangt an den Eingang 63 des Schwellenelements 64,' an dessen Eingang 65 ein Impuls vom Ausgang des
•Vergleichers 7 der "bioelektrischen Aktivitäten gelangt. Wenn die Dauer des Impulses, der an den Eingang 65 des Schv/elleEelements 64 gelangt, geringer Bt als die Kormaldauer des impulses, . der an seinen Eingang 63 gelangt, so wird am Ausgang des
Schwellenelements 64- und folglich auch am Steuereingang 66
des elektronischen Schalters 67 kein Signal erscheinen. Das
zeugt von einer Arbeit des Anregungskanals' 1 (Fig. 1) in nor-

- 52 -

909838/0394

28IU63

maler Setriebeweise. Dabei bleibt der elektronische Schalter 67 (Fig. 9) geschlossen, und das umgeformte Anregungssignal folgt vom Ausgang des ivlodulators 9 zu den ^lektrodc-n 191 die mit den anzuregenden Muskeln verbunden sind.

Falls die Dauer ) des Impulses, der vom Ausgang des Vergleichers 7 kommt, . die i^orii-aldauer übersteigt, wie das in Fig. 14b gezeigt v/ird, d.h. (., > L^, > was von einer Arbeit des Anregungskanals 1 (Fig. 1) im Störbetrieb zeugt, so wird am Ausgang des Schwellenelements'64 (Fig. 9) ein Impuls von konstanter Amplitude, dargestellt in Fig. 14c, formiert. Die Vorderflanke dieses Impulses fällt mit der flint erflanke des in Fig. 14a dargestellten l\ormaldauerimpulses zusammen. Vom.Ausgang des Schwellenelements 64 gelangt dieser Impuls an den Steuereingang 66 des elektronischen Schalters 67. Der elektronische Schalter 67 v/ird geöffnet, und das umgeformte Anregungssignal kann vom Ausgang des Modulators 9 nicht .an die mit den anzuregenden Luskeln des Menschen verbundenen Elektroden 19 gelangen, wodurch diese iv.uskeln vor den . schädliche! Einwirkung" der elektrischen Signale, die die Schmerzeinpfindungen des Menschen hervorrufen, verschont werden.

909838/0394

COPY

Claims (6)

HOFFMANN · EI^E & PA DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-I NG. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEH N DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MD NCHEN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATH E) 30 359 Institut Kibernetiki Akademii Nauk Ukrainskoi SSR, Kiev / UdSSR Elektrischer Anreger für Menschenmuskeln mit bioelektrischer Steuerung Patentansprüche:

1. Elektrischer Anreger für Menschenmuskeln mit

bioelektrischer Steuerung, in welchem jeder von mindestens zwei Anregungskanälen der Menschenmuskeln hintereinandergeschaltete Baueinheiten enthält, nämlich einen Geber für die bioelektrische Aktivität der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und einen ersten Integrator, der über seinen Ausgang mit dem Eingang eines Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, und mit dem Steuereingang eines Modulators elektrisch verbunden ist, an dessen zweiten Eingang ein elektrisches Signal gelangt, das die Tätigkeit der Menschenmuskeln anregt, und dessen Ausgang mit einem Leistungsverstärker elektrisch verbunden ist, der an- den Eingang eines Trennblocks für das elektrische Signal angeschlossen ist, das die Tätigkeit der Muskeln des Menschen anregt, dessen Bewegungen gesteuert werden, sowie deren bioelektrische Aktivität, welche durch dieses Signal hervorgerufen wird, dessen zweiter Eingang gemeinsam mit dem Ausgang des Trennblocks an die Elektroden angeschlossen ist, die mit den Muskeln des Menschen verbunden sind, dessen Bewegungen gesteuert werden, während der zweite Ausgang dieses Trennblocks über einen Verstärker für die bioelektrische Aktivität der Muskeln des Menschen,

909838/639*

dessen Bewegungen gesteuert werden, an einen zweiten Integrator angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Vergleichers der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Vergleichers (7) der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, mit dem Steuereingang (8) eines Modulators (9) elektrisch verbunden ist, der mit seinem Eingang (10) an einen für sämtliche Anregungskanäle (1) gemeinsamen Trägerfrequenzgenerator (11) für das elektrische Signal, das die Muskeltätigkeit des Menschen anregt, angeschlossen ist.

2. Elektrischer Muskelanreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingänge (6 und 29) des Vergleichers (7) der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, sowie des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, unmittelbar an die Ausgänge der Integratoren (5 bzw. 28) angeschlossen sind, und daß der Ausgang des Vergleichers (7) mit dem Steuereingang (8) des Modulators (9) über einen Summator (31) verbunden ist, der auch an den Ausgang des ersten Integrators

(5) angeschlossen ist.

3. Elektrischer Muskelanreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Verbindung der Eingänge (6 und 29) dos Vcrgleichers (7) der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, mit den Ausgängen der Integratoren (5 bzw. 28) über Schwellenelemente (33 bzw. 34) ausgeführt ist, und daß die elektrische Verbindung des Ausgangs des Vergleichers

909838/Θ394

!^11483

(7) der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, de.r das Bewegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, mit dem Steuereingang (8) des Modulators (9) mit Hilfe eines Formierungsblocks (36) der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, dessen einer Eingang (35)' an den Ausgang des Vergleichers (7) angeschlossen ist, und mit Hilfe eines Summators (31) ausgeführt ist, dessen einer Eingang

(30) mit dem Ausgang des Formierungsblocks (36) und dessen anderer Eingang (32) mit dem Ausgang des ersten Integrators

(5) elektrisch verbunden ist, wobei der andere Eingang (37) des Formierungsblocks der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, an den Ausgang des ersten Schwellenelements (33) angeschlossen ist.

4. Elektrischer Muskelanreger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Anregungskanal (1) der Muskeln einen Spannungsteiler (38) enthält, dessen Eingang (39) an den Ausgang des ersten Integrators (5) angeschlossen ist, dessen Steuereingang (40) mit dem Ausgang des Formierungsblocks (36) der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, elektrisch verbunden ist, und dessen Ausgang an den anderen Eingang (32) des Summators (31) angeschlossen ist.

5. Elektrischer Muskelanreger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Anregungskanal (1) der Menschenmuskeln folgende Einheiten enthält: einen an den Ausgang des Verstärkers (21) der bioelektrischen Aktivität der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, angeschlossenen Frequenzmesser (41), Differenzierverstärker (42 und 47), wobei der Eingang eines der Differenzierverstärker an den Ausgang des Frequenzmessers (41) und

909838/6394

der Eingang des zweiten der Differenzierverstärker an den Ausgang des zweiten Integrators (28) angeschlossen ist, ferner einen Multiplizierblock (50), dessen einer Eingang (48) an den Ausgang des einen Differenzierverstärkers (42) und dessen anderer Eingang (49) an den Ausgang des zweiten Differenzierverstärkers (47) angeschlossen ist, einen elektronischen Schalter (57) , dessen Steuereingang (56) an den Ausgang des Multiplizierblocks (50) und dessen Eingang (58) an den Ausgang des Frequenzmessers (41) angeschlossen ist, sowie einen weiteren Spannungsteiler (60), dessen Steuereingang (59) an den Ausgang des elektronischen Schalters (57), dessen Eingang (61) an den Ausgang des Formierungsblocks (36) der Erregungsschwelle der Muskeln des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, und dessen Ausgang an den Steuereingang (40) des Spannungsteilers (38) angeschlossen ist.

6. Elektrischer Muskelanreger nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Anregungskanal (1) der Menschenmuskeln folgende Einheiten enthält: einen Bezugssignalgeber (62) , dessen Eingang an den Ausgang des ersten Schwellenelements (33) angeschlossen ist, das mit dem Ausgang des Gebers (2) der bioelektrischen Aktivität der Muskeln des Menschen, der das Bewegungsprogramm vorgibt, elektrisch verbunden ist, ein drittes Schwellenelement (64), dessen einer Eingang (63) an den Ausgang des Bezugssignalgebers (62) und dessen anderer Eingang (65) an den Ausgang des Vergleichers (7) der bioelektrischen Aktivitäten der Muskeln des Menschen, der das Bwegungsprogramm vorgibt, und des Menschen, dessen Bewegungen gesteuert werden, angeschlossen ist, sowie einen weiteren elektronischen Schalter (67) , dessen Steuereingang (66) an den Ausgang des dritten Schwellenelements (64), dessen Eingang (68) an den Ausgang des Modulators (9) und dessen Ausgang an den Leistungsverstärker (12) angeschlossen ist.

909838/Θ394 "