ANWENDUNGSHINWEIS: Isolierte Stimulation erklärt

Der Begriff Stimulation bezieht sich auf die Abgabe von Energie irgendeiner Art an biologisches Gewebe, um eine beobachtbare Reaktion hervorzurufen.

Obwohl die bei der Stimulation verwendete Energie chemisch, thermisch, mechanisch oder elektrisch sein kann, konzentriert sich diese Diskussion auf die elektrische Stimulation. Die elektrische Stimulation biologischer Gewebe umfasst die Abgabe von Strom und Spannung an die Stimulationsstelle. Die beiden Größen stehen im Zusammenhang durch das Ohmsche Gesetz:

V=IR

Dabei ist V die angelegte Spannung, I der Strom und R der elektrische Widerstand des Gewebes und/oder der stimulierenden Elektroden. Diese einfache Gleichung zeigt, dass bei konstanter Spannung der Stromfluss abnimmt, wenn der Gewebe-/Elektrodenwiderstand steigt, und zunimmt, wenn der Widerstand sinkt.

Häufig unterscheidet sich der Widerstand von Gewebe von Probe zu Probe, und der Widerstand der Elektroden ändert sich im Laufe der Zeit mit dem angelegten Strom in einem Prozess, der als Polarisation bezeichnet wird.

Arten von Stimulationsgeräten

Konstantspannungstimulatoren – Bei der Abgabe elektrischer Energie an biologische Gewebe können Stimulationsgeräte entweder Strom oder Spannung während des Stimulationsprozesses konstant halten. Geräte, die die Spannung auf einem vom Benutzer eingestellten Wert konstant halten und den Strom durch das Ohmsche Gesetz bestimmen lassen, werden als Konstantspannungstimulatoren bezeichnet.

Konstantstromstimulatoren – Geräte, die während des Stimulationsprozesses den Strom auf einem vom Benutzer eingestellten Wert konstant halten und die Spannung durch das Ohmsche Gesetz bestimmen lassen, werden Konstantstromstimulatoren genannt.

Konstantstromstimulatoren werden aus zwei Gründen bevorzugt:

• Erstens ist Strom die Größe, die die meisten erregbaren Gewebe stimuliert.
• Zweitens neigen stimulierende Elektroden dazu, ihren Widerstand im Verlauf der Stimulation zu erhöhen, ebenso wie einige Gewebe. Ein Konstantstromstimulator „erfasst“ die Widerstandsänderung und liefert die erforderliche Spannung, um die Stromabgabe auf dem eingestellten Niveau zu halten.

Offensichtlich gibt es eine Grenze, wie viel Spannung ein Konstantstromstimulator liefern kann. Wenn der Widerstand der Präparation unendlich wird, wie es passieren kann, wenn eine der stimulierenden Elektroden aus dem Gewebe entfernt wird, könnte der Stimulator keine unendliche Spannung aufbauen, um dies auszugleichen.

Die maximale Spannung, die ein Konstantstromstimulator liefern kann, wird als Compliance-Spannung bezeichnet. Sobald diese Compliance-Spannung erreicht ist, führt eine weitere Erhöhung des Gewebewiderstands zu einem Abfall des gelieferten Stroms.

WPI-Isolatoren in der 300- und DLS-Serie bieten eine Compliance-Spannung von 100 V bei sehr geringem Rauschen. Stimulus-Isolatoren isolieren, wie der Name schon sagt, auch einen gegebenen Stimulus vom Erdpotenzial. Im Kontext des Instrumentendesigns denken die meisten Menschen bei Isolation vom Erdpotenzial an elektrische Sicherheit. Aus biologischer Aufzeichnungsperspektive gibt es jedoch andere Aspekte. Betrachten Sie die Schaltung in Abbildung 1.

Der Stimulator ist in diesem Fall eine Batterie mit einem Schalter; der Strom verlässt den Pluspol der Batterie, fließt über die Stimulationsleitung durch das Gewebe, und 100 % des abgegebenen Stroms kehren zum Minuspol der Batterie zurück. Diese Abbildung zeigt auch ein Voltmeter in der Versuchsanordnung.

Die durch den Stimulus im Gewebe erzeugten Spannungen werden in Bezug auf die Erdungselektrode des Voltmeters aufgezeichnet.

In Abbildung 2 wird die Batterie durch einen netzbetriebenen Stimulator ersetzt. Obwohl die Stimulusquelle und das Voltmeter separate Erdungselektroden haben, stellen sie denselben elektrischen Punkt dar. Aus diesem Grund kehrt ein bedeutender Teil des Stimulationsstroms über die Erdungsleitung des Voltmeters zur Erde zurück.

Gleichstrom-Artefakt – Wenn die Ströme signifikant sind oder die zu messenden Spannungen sehr klein sind, addiert sich der I x R-Abfall über den Widerstand der Erdungselektrode des Voltmeters zur aufgezeichneten Spannung aus dem Gewebe und wird als Gleichstrom-Artefakt sichtbar.

Wechselstrom-Artefakt – Kapazitive Kopplung zwischen dem Voltmeter-Schaltkreis und dem isolierten Schaltkreis kann einen Stromfluss in der Erdung des Voltmeters induzieren. Der induzierte Strom fließt vorübergehend über den Widerstand der Erdung des Voltmeters, und sein I x R-Abfall wird als vorübergehender Spitzenwert vor und nach jedem vom Stromquelle abgegebenen Stromimpuls sichtbar. Dies wird als Wechselstrom-Artefakt bezeichnet.

Der Hauptgrund, warum Forscher eine isolierte Stromquelle verwenden, ist die Minimierung von Artefakten. Aber was, wenn Sie nicht aufzeichnen? Es gibt keine Erdung des Voltmeters, die ein beobachtbares Artefakt erzeugen könnte. Wenn Sie die obigen Beispiele betrachten, wurde das Artefakt durch die Kontrolle des Stimulationsstrompfads minimiert oder eliminiert.

Isolierte Stimulation / Stimulus-Isolatoren

Die Kenntnis des Strompfads kann bei der physiologischen Stimulation entscheidend sein. Betrachten Sie den Strompfad in Abbildung 3. Das durch die schlecht gezeichnete Katze dargestellte Tier ist in einem stereotaktischen Rahmen fixiert.

Der Rahmen ist geerdet. Das Tier berührt den Rahmen an mehreren Stellen. Abbildung 3 zeigt das Batterie- und Schaltermodell eines Stimulators. Hier muss, wie zuvor, der gesamte Strom, der die positive Seite der Batterie verlässt, zur negativen Seite zurückkehren. 100 % des Stimulationsstroms müssen zwischen den Stimulations-Elektroden fließen. In diesem Fall sind sowohl der Pfad als auch die genaue Stromstärke bekannt.

Abbildung 4 zeigt denselben Versuchsaufbau, jedoch wurde die Batterie durch eine netzgespeiste Spannungsquelle ersetzt. Der Stimulusstrom fließt nun über viele Wege zur Masse zurück. Die Strommenge, die zur Masse fließt, wird durch den Widerstand zwischen der Quelle und jedem Massepunkt bestimmt und als Widerstandsnetzwerk unter Verwendung der Kirchhoffschen Gesetze berechnet. Viele unbeabsichtigte Bereiche des Tieres können stimuliert werden.

In der Praxis können wir keine Batterie und einen Schalter verwenden, insbesondere wenn die Stromdauern im Millisekundenbereich liegen. Elektronische Geräte wie Pulsgeneratoren und Computer werden zur Zeiterzeugung verwendet, und von diesen Geräten gesteuerte Isolatoren liefern den Stimulus.

Wenn man einen Isolator (auch einen batteriebetriebenen) an einen netzgespeisten Pulsgenerator anschließt, verbindet man die isolierte Masse des Isolators mit der Netzmasse des Pulsgenerators. Sofern die elektrische Verbindung zwischen den beiden Geräten nicht ohne mechanische Verbindung zwischen ihnen erfolgt, wird die Isolation aufgehoben.

Das ist es, was einen Isolator zu einem Isolator macht. Der nicht-mechanische Kontakt zwischen Geräten, der die Isolationsbarriere bildet, kann auf zwei Arten realisiert werden.

• Ursprünglich waren Isolatoren transformatorisoliert. Impulswellen wurden an die Primärwicklung eines Transformators angelegt, während der eigentliche Stimulus von der Sekundärwicklung abgeleitet wurde. Die Übertragung erfolgte durch Induktion. Dieser Ansatz hatte zwei Nachteile. Die Geräte konnten keinen Gleichstrom übertragen, sodass keine konstanten spannungsisolierten Stimulationen möglich waren. Der Transformatoransatz hat außerdem von Natur aus eine höhere Kapazität. Das bedeutet, dass obwohl der Widerstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung sehr hoch ist, die hohe Kapazität ein Wechselstromartefakt erzeugt, das im Vergleich zu anderen Isolationstechniken unakzeptabel groß ist.
• Optische Isolation ist das zweitbeliebteste Verfahren. Das Fachgebiet hat sich darauf nahezu standardisiert. Einfach ausgedrückt, versorgt die Eingangsimpulswelle eine Lichtquelle, die über die Barriere auf eine Fotodiode scheint, die die Stimuluswelle erzeugt. Es gibt unzählige Variationen dieses Prinzips, und es wird zur Isolation von Aufnahmeverstärkern sowie Stimulatoren verwendet.

WPIs Isolatoren (Alle sind optisch)

Aktiviert durch konventionelle Logikpegelbefehle, Modell A365 kann von jedem Pulsgenerator, Stimulator oder Computer-Ausgang gesteuert werden. Ein Ton ertönt, wenn ein offener Elektrodenkreis erkannt wird oder wenn die Systemkonformität erreicht ist. Ein zweiter optionaler Ton ertönt, wenn ein Signal am Eingang anliegt. Ein Testschalter ist ebenfalls vorhanden, um den Batteriestatus zu überprüfen. Die Stimulusströme werden mit einem dreistelligen Einstellknopf und einem dreistufigen Bereichsschalter eingestellt. Der Ausgangsstrom folgt den Einstellungen mit einer Genauigkeit von besser als 1%. Der Ausgangsstrom ist lastunabhängig; die Spannung, die erforderlich ist, um den gewünschten Strom durch die Last zu treiben, wird automatisch erzeugt, nur begrenzt durch die Konformitätsgrenzen. Modell A365 erzeugt bis zu 10 Milliampere Strom in drei Bereichen bei mehr als 100V Kompensation. Die Ausgangspolarität wird durch einen Dreipositionenschalter an der Frontplatte bestimmt (+/-/aus). Bipolarer Strom wird durch die Befehlswellenform umgeschaltet, wobei abwechselnde Impulse als positiv oder negativ gesetzt werden. Der wiederaufladbare A365R wird mit einem Nickel-Metallhydrid-Akkupack geliefert. Der A362 Ein Ladegerät ist für den A365R erforderlich.

Der Isostim™ Stimulator/Isolator ist jetzt auch mit NiMH-Batterien in einer wiederaufladbaren Version erhältlich. Er kombiniert die Benutzerfreundlichkeit und Genauigkeit der WPI 300er Serie Stimulatoren mit der Leistung eines Stimulus-Isolators. Der externe/DC-Modus verwandelt den Isostim™ in einen passiven Stimulus-Isolator.

Das Modell A320D wird mit leicht erhältlichen 9-Volt-Alkali-Batterien betrieben (enthalten). Das wiederaufladbare A320R wird mit einem Nickel-Cadmium-Akkupack geliefert, das 10-12 Stunden Betrieb vor dem Aufladen ermöglicht. Das A362 Ladegerät muss mit dem A320R verwendet werden.

WPI bietet auch einen Hochstrom-Stimulus-Isolator an, der optische Isolation mit einem ±100 mA Stromgenerator kombiniert. Das A365 Modell liefert positive, negative oder bipolare Ströme. Der Eingang ist ein Standard-BNC, der Signale aus jeder Quelle – wie Computer-D/A- oder I/O-Leitungen – zulässt.

Die A385 wiederaufladbare Version ist nicht für transkutane Stimulation geeignet, und das A382 Systemladegerät muss die Batterien aufladen. Kontrollleuchten und akustische Alarme halten den Benutzer ständig über den Batterieladezustand informiert.

Der lineare Stimulus-Isolator von WPI Modell A395, auch als wiederaufladbare Version erhältlich, reproduziert eine programmierte Wellenform beliebiger Form oder Polarität. Batteriebetrieben und fotoelektrisch vom Eingangsspannungssignal isoliert, erzeugt das Gerät als Ausgangsströme die ursprünglichen Wellenformen, die von Ihrem D/A-Wandler oder Signalgenerator bereitgestellt werden.

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