DE102019214752B4

DE102019214752B4 - Neuronales signalsystem, verfahren und computerprogramm zumsignalisieren eines gerätezustands

Info

Publication number: DE102019214752B4
Application number: DE102019214752.6A
Authority: DE
Inventors: Bálint Várkuti
Original assignee: Ceregate GmbH
Current assignee: Ceregate De GmbH
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: DE102019214752A1; US11918818B2; US20210093872A1; US20220168582A1; US11260235B2

Abstract

System zum Kommunizieren eines Betriebszustandes einer neuronalen Stimulationsvorrichtung (110) an ein Individuum (100), aufweisenda. ein Mittel zum Bestimmen des Betriebszustands der Vorrichtung;b. ein Mittel zum Übertragen eines ersten neuronalen Stimulationssignals an ein neuronales Stimulationsmittel (120) des Individuums, das dazu eingerichtet ist, ein sensorisches Perzept im Kortex (210, 220) des Individuums hervorzurufen; wobeic. das erste neuronale Stimulationssignal den Betriebszustand der Vorrichtung anzeigt.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Signal- und Datenverarbeitungssystem, ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Bereitstellung neuronaler Stimulationssignale an ein Individuum, die zur Signalisierung oder Kommunikation eines Gerätezustands an das Individuum verwendet werden können.
2. Technischer Hintergrund
Ähnlich wie bei Herzschrittmachern werden die Symptome neurologischer Erkrankungen wie Parkinson (PD), essentieller Tremor und Dystonien routinemäßig durch Stimulation des Nervensystems der betroffenen Patienten behandelt. Zum Beispiel senden Systeme zur Tiefenhirnstimulation (DBS) elektrische Impulse über implantierte Elektroden an spezifische Bereiche / Kerne des Gehirns, um solche Symptome zu behandeln. Bei der Behandlung von Parkinsonsymptomen können diese Kerne den Globus pallidus interna, den Thalamus und/oder den Nucleus subthalamicus umfassen. Es ist bekannt, dass die DBS des Globus pallidus interna zum Beispiel die Motorik verbessert, während die DBS des Thalamus den Tremor reduziert. Darüber hinaus ist die DBS des subthalamischen Nucleus mit einer Reduktion der konventionellen PD-Medikation verbunden.
Ähnlich wie bei der Behandlung von Parkinsonsymptomen können Elektrostimulationsgeräte auch zur Steuerung des Herzrhythmus, zur Behandlung von Alzheimer, Demenz oder Depression sowie zu Kommunikationszwecken und zur Implementierung von Computer-Hirn-Schnittstellen eingesetzt werden.
Beispielsweise bezieht sich US 8 352 029 B2 auf ein Verfahren zur Implementierung eines neuronalen Stimulationstherapiemodus in einem implantierbaren medizinischen Gerät, das die Schritte des Abbildens der jeweiligen Gerätezustände, die durch einen Zeitgeber für neuronale Ereignisse oder Hinweise auf erfasste physiologische Ereignisse definiert sind, auf zugehörige Geräteaktionen in einer gespeicherten neuronalen Tabelle umfasst, sowie Speichern eines als ein Gerätestatuswort und einen Zeitstempel dargestellten Ereignisses in einer Warteschlange als Reaktion auf eine Aktionseingabe und Vergleichen der aktuellen Timerzustände oder der Angaben erfasster physiologischer Ereignisse mit einem Gerätezustand in der neuronalen Tabelle und, falls eine Übereinstimmung festgestellt wird, Ausführen zugehöriger Geräteaktionen, wobei die Geräteaktionen die Abgabe von neuronaler Stimulationsenergie und/oder eine Änderung der Timerzustände bewirken können.
In ähnlicher Weise bezieht sich US 7 751 884 B2 auf ein implantierbares medizinisches Gerät mit einer Stimulationsschaltung, die geeignet ist, neuronale Stimulationsenergie an eine neuronale Stimulationselektrode zu liefern, mit einem oder mehreren Timern, einschließlich mindestens einem Timer für neuronale Ereignisse, einem Geräteverhaltensspeicher einschließlich einer neuronalen Tabelle und einer Vergleichsschaltung. Die neuronale Tabelle bildet einen bestimmten Gerätezustand, der zumindest teilweise durch einen neuronalen Ereignistimer definiert ist, auf eine oder mehrere zugehörige Geräteaktionen ab, die eine neuronale Stimulationsenergieabgabe und/oder eine Zustandsänderung mindestens eines neuronalen Ereignistimers umfassen. Die Vergleichsschaltung ist so ausgelegt, dass sie einen aktuellen Zustand der Timer mit einem Gerätezustand in der neuronalen Tabelle vergleicht und bei Übereinstimmung die Ausführung einer oder mehrerer zugehöriger Geräteaktionen veranlasst.
Ferner bezieht sich US 8 812 128 B2 auf ein wiederaufladbares implantierbares medizinisches Gerät, das eine Stromquelle hat und so konfiguriert ist, dass es die Stromquelle überwacht, auf der Grundlage der Überwachung ein Batteriestatussignal erzeugt und so konfiguriert ist, dass es transkutan ein Kommunikationssignal und das Batteriestatussignal an ein externes Gerät überträgt. Das externe Gerät ist so konfiguriert, dass sie das Kommunikationssignal und das Batteriestatussignal von dem wiederaufladbaren implantierbaren medizinischen Gerät empfängt, wobei sie als Reaktion auf das empfangene Kommunikationssignal von einem Zustand mit niedrigem Energieverbrauch in einen Zustand mit hohem Energieverbrauch wechselt, und dass sie als Reaktion auf das empfangene Statussignal ein vom Benutzer wahrnehmbares Signal erzeugt.
Darüber hinaus bezieht sich US 8 193 766 B2 auf ein System zur Schätzung einer Zeit zum Aufladen einer wiederaufladbaren Stromquelle eines implantierbaren medizinischen Geräts. Eine Vielzahl von gemessenen Parametern, die sich auf das implantierbare medizinische Gerät und ein externes Ladegerät beziehen, werden auf ein Modell der Aufladeleistung angewendet, und einem Patienten wird vor dem Aufladen eine Schätzung zur Verfügung gestellt. Sobald der Ladevorgang begonnen hat, können aktualisierte Schätzungen bereitgestellt werden, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Nach Abschluss des Ladevorgangs kann das Modell aktualisiert werden, um Unterschiede zwischen der geschätzten Zeit bis zum Abschluss des Ladevorgangs und der tatsächlich benötigten Zeit bis zum Abschluss des Ladevorgangs zu berücksichtigen. Das Modell kann auf Beschränkungen der Rate beruhen, mit der die Ladung über mehrere Intervalle auf die wiederaufladbare Energiequelle übertragen werden kann.
Typischerweise werden die von solchen medizinischen Stimulationsgeräten verwendeten Stimulationsparameter jedoch so ausgewählt oder konfiguriert, dass der behandelte Patient nicht direkt wahrnimmt, ob sein Gerät ordnungsgemäß funktioniert oder nicht. Beispielsweise können Geräte wie implantierte Elektrostimulationsgeräte von einer begrenzten Stromquelle wie einer Batterie gespeist werden, die sich mit der Zeit allmählich entladen kann. Irgendwann kann der Ladezustand der Batterie nicht mehr ausreichen, damit das Stimulationsgerät ordnungsgemäß funktioniert.
In ähnlicher Weise können solche Geräte auch aufgrund von Hardwarefehlern (z.B. verursacht durch starke externe Magnetfelder) oder physiologischen Veränderungen der behandelten Hirnareale, die die Stimulationsbehandlung erhalten, nicht mehr funktionieren.
In vielen Fällen merkt der Patient jedoch nicht oder zumindest nicht sofort, dass sein Therapiegerät nicht mehr richtig funktioniert, insbesondere wenn das Gerät keine Konfigurations- oder Statusschnittstelle aufweist, auf die der Patient selbst zugreifen kann, sondern nur geschultes medizinisches Personal. Selbst wenn das Gerät über eine solche Schnittstelle verfügt, die für den Patienten zugänglich ist (z.B. eine drahtlose Fernbedienung oder ein Telemetriegerät), kann es Situationen geben (z.B. ein langer Urlaub, eine leere Batterie der Fernbedienung usw.), in denen der Patient nicht auf die Schnittstelle zugreifen und keine Informationen über den Gerätestatus erhalten kann.
In solchen Situationen können sich die normalerweise durch das jeweilige Therapiegerät behandelten neurologischen Symptome allmählich verschlechtern, was auch über einen längeren Zeitraum vom Patienten unbemerkt bleiben kann. Dies kann besonders problematisch sein, wenn das Neurostimulationsgerät zur Behandlung von psychischen Erkrankungen wie Demenz, Alzheimer, Schizophrenie, bipolaren Störungen und/oder Depressionen eingesetzt wird.
In solchen Fällen hat eine Deaktivierung des Therapiegerätes (z.B. durch eine schwache Batterie oder eine falsche Notfalldeaktivierung durch ein externes Magnetfeld) keine unmittelbar wahrnehmbare Wirkung und der Patient wird die unerwünschte Deaktivierung seines Therapiegerätes erst nach längerer Zeit bemerken, wenn sich die unbehandelten Symptome bereits deutlich verschlechtert haben.
Die vorliegende Erfindung bietet eine einfache, vielseitige und robuste Lösung für einige der oben diskutierten Probleme. Darüber hinaus bietet die vorliegende Erfindung eine effiziente und generische Möglichkeit zur Signalisierung verschiedener Arten von Gerätestatusinformationen an Benutzer gegenwärtiger und zukünftiger neuronaler Kommunikationssysteme und/oder Gehirn-Computer-Schnittstellengeräte.
Aus der Druckschrift WO 2018/057667 A1 ist ein System zum Überwachen der neuronalen Aktivität eines lebenden Subjekts bekannt. Das System kann ein Korrespondenzmodul umfassen, das so konfiguriert ist, dass es mit einem neuronalen Modul und einem oder mehreren zusätzlichen Modulen kommuniziert, die ein Abtastmodul, ein weiteres neuronales Modul und/oder ein Datenspeichermodul umfassen. Die neuronalen Module sind so konfiguriert, dass sie neuronale Daten sammeln, die auf Wahrnehmungen hinweisen, die das lebende Subjekt erfährt. Das Abtastmodul kann so konfiguriert werden, dass es Sensordaten sammelt, die auf Informationen aus der realen Welt über die Umgebung des lebenden Subjekts hinweisen, und/oder Sensordaten, die auf einen physikalischen oder physiologischen Zustand des lebenden Subjekts hinweisen. Das Datenspeichermodul kann so konfiguriert sein, dass es vorherige neuronale Daten und/oder vorherige Sensordaten speichert. Das Korrespondenzmodul kann so konfiguriert werden, dass es eine Korrespondenz zwischen den von den neuronalen Modulen gesammelten neuronalen Daten und den von dem Sensormodul gesammelten Sensordaten, zwischen den von den neuronalen Modulen gesammelten neuronalen Daten und den im Datenspeichermodul gespeicherten früheren Daten misst. Die gemessene Korrespondenz kann verwendet werden, um das Vorhandensein, die Abwesenheit oder das Ausmaß einer potenziellen kognitiven oder physiologischen Störung des lebenden Subjekts zu bestimmen.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Die oben genannten Probleme werden zumindest teilweise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung gelöst. Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Kommunizieren eines Betriebszustands einer neuronalen Stimulationsvorrichtung an ein Individuum bereit, umfassend: ein Mittel zum Bestimmen des Betriebszustands der Vorrichtung, ein Mittel zum Übertragen eines ersten neuronalen Stimulationssignals an ein neuronales Stimulationsmittel des Individuums, das eingerichtet ist, ein sensorisches Perzept im Kortex des Individuums hervorzurufen, wobei das erste neuronale Stimulationssignal den Betriebszustand der Vorrichtung anzeigt.
Auf diese Weise kann eine neuronale Stimulationsvorrichtung in die Lage versetzt werden, verschiedene Informationen über den Betriebszustand direkt an das Bewusstsein einer Person zu übermitteln, die die Vorrichtung benutzt, ohne auf zusätzliche Schnittstellenausrüstung wie eine Fernbedienung oder ein Telemetriegerät angewiesen zu sein. Folglich kann der Benutzer oder Patient direkt informiert werden, wenn sich die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verschlechtert oder zu verschlechtern droht.
Zum Beispiel kann der Betriebszustand der Vorrichtung, der dem Individuum angezeigt wird, einen oder mehrere der folgenden Zustände umfassen:

a. einen Fehlerzustand der Vorrichtung;
b. einen Ladezustand einer Stromquelle der Vorrichtung;
c. einen normalen Betriebszustand der Vorrichtung;
d. einen Wartungszustand der Vorrichtung;
e. einen Konnektivitätszustand der Vorrichtung;
f. einen Kommunikationszustand der Vorrichtung
g. ein Leistungsübertragungszustand zwischen der Vorrichtung und einem externen Ladegerät.

In einigen Ausführungsformen kann das System beispielsweise so eingerichtet sein, dass es den Benutzer/Patienten über einen niedrigen Batterieladezustand der Vorrichtung informiert, bevor der Batterieladezustand unter einen für das ordnungsgemäße Funktionieren der Vorrichtung erforderlichen Schwellenwert fällt. Auf diese Weise kann der Benutzer den Austausch oder das Wiederaufladen der Batterie ordnungsgemäß planen, ohne zu riskieren, dass seine Symptome unbehandelt bleiben. Das System könnte z.B. so eingerichtet sein, dass die Vorrichtung eine Sequenz von vom Patienten wahrnehmbaren somatosensorischen Erfahrungen (Parästhesien) aussendet, um den Patienten auf den niedrigen Batteriezustand aufmerksam zu machen (z.B. durch das Hervorrufen eines Vibrationsgefühls, das abwechselnd in der linken und rechten Hand des Patienten auftritt), was im Wesentlichen eine patienteninterne Warnung auslöst, die sich als körperliche Empfindungen manifestiert.
Wenn die neuronale Stimulationsvorrichtung ein neuronaler Kommunikationsapparat oder eine Hirn-Computer-Schnittstellenvorrichtung ist, kann der Benutzer z.B. informiert werden, wenn sich die Qualität eines drahtlosen Signals verschlechtert oder erhöht und/oder wenn eine Kommunikationsschnittstelle der Vorrichtung eine Nachricht oder Information empfangen hat, die dem Benutzer präsentiert werden soll.
Wenn die neuronale Stimulationsvorrichtung und/oder ihre Stromquelle (z. B. eine Batterie) subkutan implantiert werden kann, kann der Betriebszustand auch einen Stromübertragungszustand zwischen der Vorrichtung und einem externen Ladegerät umfassen. Ein solches externes Ladegerät kann so konfiguriert sein, dass es die Stromquelle der Vorrichtung drahtlos auflädt, z.B. durch elektromagnetische Induktion. Zum Beispiel kann das Mittel zur Bestimmung des Betriebszustands der Vorrichtung eine relative Position zwischen dem externen Ladegerät und der subkutan implantierten Stromquelle der neuronalen Stimulationsvorrichtung bestimmen. Das Mittel zum Übertragen des ersten neuronalen Stimulationssignals kann dann ein neuronales Stimulationssignal übertragen und/oder ein neuronales Stimulationssignal erzeugen, das eine relative Position zwischen dem Ladegerät und der Vorrichtung anzeigt, die zum drahtlosen Laden der Stromquelle geeignet ist. Ein solches neuronales Stimulationssignal kann entweder binär sein, d.h. es kann anzeigen, ob die relative Position zum Aufladen geeignet ist oder nicht. Alternativ kann es auch (quasi-) kontinuierlich sein, so dass das Individuum die Ladeposition kontinuierlich optimieren kann, um die Leistungsübertragung zwischen dem externen Ladegerät und der Stromquelle der Vorrichtung zu maximieren.
Beispielsweise kann das System in einigen Ausführungsformen ferner ein Mittel zur Übertragung eines zweiten neuronalen Stimulationssignals umfassen, das eine bevorstehende Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt, das für die Wahrnehmung und/oder Interpretation durch die Person bestimmt ist, und/oder ein Mittel zur Übertragung eines dritten neuronalen Stimulationssignals, das eine abgeschlossene Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt.
Auf diese Weise kann ein neuronales Stimulationsgerät dem Anwender/Patienten zunächst mitteilen, dass Statusinformationen übermittelt werden sollen. Der Anwender kann dann seine Aufmerksamkeit auf das bevorstehende sensorische Perzept richten, das durch das erste neuronale Stimulationssignal hervorgerufen werden soll. Nachdem die durch das erste neuronale Stimulationssignal übermittelte Information wahrgenommen wurde, kann das dritte neuronale Stimulationssignal den Anwender/Patienten darüber informieren, dass kein besonderer Aufmerksamkeitsfokus mehr erforderlich ist.
Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen das Mittel zum Bestimmen des Betriebszustandes der Vorrichtung eine oder mehrere der Folgenden umfassen:

a. eine Spannungs-, Strom- und / oder Leistungsmessschaltung;
b. einen Temperatursensor;
c. einem Magnetfeldsensor;
d. eine Signalanalyseschaltung;
e. einen Timer;
f. eine Schaltung zur Messung der Konnektivität;
g. eine Schaltkreisanalyseschaltung;
h. eine drahtlose Paketdatenanalyseschaltung;
i. eine Messschaltung für neuronale Erregung;
j. eine Schaltung zur Messung der Leistungsübertragung.

Auf diese Weise kann das System in die Lage versetzt werden, verschiedene Betriebszustände der Vorrichtung zu bestimmen und dem Anwender/Patienten präzise und detaillierte Statusinformationen zu liefern.
Darüber hinaus kann das oben beschriebene System auch mindestens eines der Folgenden umfassen:

a. ein Mittel zum Erzeugen des ersten und / oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals;
b. eine Hilfsenergiequelle;
c. eine Hilfsschaltung zur digitalen Signalverarbeitung;
d. eine Hilfsspeicherschaltung, die mindestens ein neuronales Stimulationssignal oder Signalparameter zur Erzeugung mindestens eines neuronalen Stimulationssignals speichert;
e. eine Signal-Multiplexing und / oder Switching- Schaltung;
f. einem Hilfssignalverstärker zur Verstärkung des ersten und / oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals;
g. eine magnetische und / oder thermische Abschirmeinrichtung;
h. ein Mittel zum Erhalten des ersten und/oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals aus einer Speicherschaltung oder über eine Kommunikationsschnittstelle der Vorrichtung.

Auf diese Weise kann das System redundante Hard- und Softwarekomponenten bereitstellen, die die erforderlichen Funktionalitäten für die Signalisierung der Gerätestatusinformationen über das neuronale Stimulationssignal an das Individuum bereitstellen. Selbst wenn zum Beispiel die Primärbatterie des neuronalen Stimulationsgeräts vollständig leer ist, könnte die Hilfsstromquelle genügend Energie für die Erzeugung und Übertragung des erforderlichen neuronalen Stimulationssignals bereitstellen, das der Person anzeigt, dass die Primärbatterie leer ist.
Ferner kann das Mittel zum Erzeugen des ersten neuronalen Stimulationssignals auch ein Mittel zum Zugreifen auf ein Datenspeichermittel umfassen, das für das Individuum spezifische Beziehungen zwischen einer Vielzahl von Betriebszuständen und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
Auf diese Weise können verschiedene Gerätezustände durch verschiedene, patientenspezifische neuronale Stimulationssignale kodiert werden, die auf die Neurophysiologie des Patienten zugeschnitten sein können und/oder durch ein perzeptives Lernverfahren bestimmt werden, das verschiedene sensorische Perzepte mit verschiedenen Betriebszuständen der Vorrichtung assoziiert.
Weiterhin kann das erste und/oder das zweite neuronale Stimulationssignal durch eine Vielzahl von Signalparametern charakterisiert werden, wie z.B. eine Impulsfrequenz, eine Impulspolarität, eine Impulsform, eine Impulsamplitude und/oder eine Impulsbreite.
Insbesondere können verschiedene Kombinationen von Signalparametern verschiedenen Betriebszuständen der Vorrichtung entsprechen, die dem Individuum angezeigt werden sollen.
Darüber hinaus kann das neuronale Stimulationsmittel in einigen Ausführungsformen eines der folgenden sein:

a. eine Hirnstimulationselektrode, insbesondere eine Tiefenhirnstimulationselektrode;
b. eine subdurale Stimulationselektrode oder ein subdurales Elektrodenarray;
c. ein subduraler Mikrodraht oder ein Mikrodraht-Array;
d. eine Vorrichtung zur transkraniellen Stimulation;
e. ein unbenutzter Kontakt einer Neuromodulationselektrode;
f. eine künstliche Synapse;
g. eine opto-neuronale Schnittstelleneinrichtung;
h. eine chemisch-neuronale Schnittstelleneinrichtung;
i. ein neuronales Oberflächennetz;
j. eine injizierbare neuronale Schnittstelle; und
k. ein künstlicher Hirnteil, wie z.B. ein künstlicher Hippocampus.

In einigen Ausführungsformen kann das erste und/oder das zweite neuronale Stimulationssignal so eingerichtet sein, dass es Aktionspotentiale in mindestens einem afferenten Axon hervorruft, das auf den sensorischen Kortex des Individuums ausgerichtet ist. Insbesondere das erste, das zweite und/oder das dritte neuronale Stimulationssignal kann so eingerichtet sein, dass es ein sensorisches Perzept in einem Teil des Kortex des Individuums hervorruft, der mit einer spezifischen sensorischen Modalität assoziiert ist.
Konkret kann dieser Teil des Kortex einer oder mehrere der folgenden Bereiche sein:

a. ein Bereich des somatosensorischen Kortex;
b. ein Bereich des auditorischen Kortex;
c. ein Bereich des visuellen Kortex;
d. ein Bereich des olfaktorischen Kortex; und
e. ein entorhinales Kortexbereich oder eine Komponente des Papez-Schaltkreises.

Indem afferente Axone adressiert werden, die direkt auf den Kortex des Individuums ausgerichtet sind, kann eine präzise und feinkörnige sensorische Spezifität für die verschiedenen neuronalen Stimulationssignale erreicht werden. Zum Beispiel können verschiedene Batteriepegel auf verschiedene Bereiche innerhalb der Handfläche der rechten Hand des Patienten abgebildet werden, indem Aktionspotentiale in verschiedenen Subpopulationen von Axonen induziert werden, die auf den sensorischen Kortex der rechten Hand zielen.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine neuronale Stimulationsvorrichtung bereit, die eines der oben beschriebenen Systeme umfasst.
Die oben beschriebenen Systeme können zum Beispiel bei neuronalen Stimulationsvorrichtungen wie eine oder mehreren der folgenden verwendet werden:

a. eine Vorrichtung zur Tiefenhirnstimulation;
b. eine Neuromodulationsvorrichtung;
c. eine neuronalen Kommunikationsvorrichtung;
d. eine transkranielle Stimulationsvorrichtung;
e. eine Gehirn-Maschine-Schnittstellenvorrichtung;
f. ein Stimulator des peripheren Nervensystems;
g. einen Vagusnervstimulator;
h. einen Rückenmarksstimulator;
i. ein Rezeptor (z.B. Barorezeptor) oder Synapsen-Stimulator oder Modulator;
j eine Vorrichtung zur reaktiven Neurostimulation mit integrierten Sensoren;
k. ein neuroprothetische Vorrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Übermitteln eines Betriebszustands einer neuronalen Stimulationsvorrichtung an ein Individuum bereit, umfassend: Bestimmen des Betriebszustands der Vorrichtung, Übertragen eines neuronalen Stimulationssignals an ein neuronales Stimulationsmittel des Individuums, das eingerichtet ist, um ein sensorisches Perzept im Kortex des Individuums hervorzurufen, wobei das erste neuronale Stimulationssignal den bestimmten Betriebszustand der Vorrichtung anzeigt.
Ein solches Verfahren kann ferner einen Schritt des Übertragen eines zweiten neuronalen Stimulationssignals umfassen, das eine bevorstehende Übertragung eines ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt, und/oder einen Schritt des Übertragens eines dritten neuronalen Stimulationssignals, das eine abgeschlossene Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt.
Wie bereits oben erörtert, kann der Betriebszustand der Vorrichtung einen oder mehrere der folgenden Zustände umfassen:

a. einen Fehlerzustand der Vorrichtung;
b. einen Ladezustand einer Stromquelle der Vorrichtung;
c. einen normalen Betriebszustand der Vorrichtung;
d. einen Wartungszustand der Vorrichtung;
e. ein Zustand der Konnektivität der Vorrichtung;
f. einen Kommunikationszustand der Vorrichtung.

Darüber hinaus kann ein solches Verfahren ferner umfassen: Erzeugen des ersten, des zweiten und/oder des dritten neuronalen Stimulationssignals basierend auf einem Zugreifen auf ein Datenspeichermittel, das für das Individuum spezifische Beziehungen zwischen einer Vielzahl von Betriebszuständen und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
Konkret können die spezifischen Beziehungen zumindest teilweise auf einem der Folgenden beruhen:

a. konzeptionelle Lerndaten für das Individuum;
b. Neuro-Imaging-Daten für das Individuum;
c. elektrophysiologische Messdaten für das Individuum;
d. Informationen über die neuronale Konnektivität für das Individuum;
e. Simulationsdaten des elektrischen Feldes des neuronalen Stimulationsmittel des Individuums;
f. Daten eines neuronalen Erregbarkeitsmodells für das Individuum.

Auf diese Weise können selbst komplexe Gerätestatusinformationen wie z.B. ein Indikator für die Signalqualität einer drahtlosen Verbindung mit entsprechenden sensorischen Perzepten verknüpft werden, die für jedes Individuum spezifisch sind.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm zur Verfügung, das Anweisungen zur Durchführung eines der beschriebenen Verfahren enthält, wenn diese von der Signalverarbeitungsschaltung einer neuronalen Stimulationsvorrichtung, wie einer der oben erwähnten neuronalen Stimulationsvorrichtungen, ausgeführt wird.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen:

1 ein Diagramm, das eine Individuum veranschaulicht, das ein neuronales Stimulationsgerät / eine neuronale Stimulationsvorrichtung betreibt, das / die mit einem System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
2 ein Diagramm, das eine neuronale Stimulationselektrode zur Stimulation afferenter Axone, die auf den sensorischen Kortex eines Individuums ausgerichtet sind, darstellt. Die neuronale Stimulationselektrode kann mit einem neuronalen Stimulationssystem entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden werden;
3 ein Diagramm, das eine therapeutische Multikontakt-Neuromodulationselektrode illustriert, die für die Modulation von mit Morbus Parkinson assoziierten Hirnkernen geeignet ist. Unbenutzte Kontakte der Elektrode können zur Stimulation afferenter Axone über ein neuronales Stimulationssystem entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die auf den sensorischen Kortex eines Individuums ausgerichtet sind.
4 ein Blockdiagramm einer neuronalen Stimulationsvorrichtung / -gerätes mit einem System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Blockdiagramm einer Betriebszustandsschaltung, die Teil eines Systems sein kann oder mit einem System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
6 ein Blockdiagramm eines neuronalen Stimulationsgeräts/-vorrichtung, der/die ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
7 ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein binärer Batterieladezustandskanal unter Verwendung eines neuronalen Stimulationssystems entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann;
8 ein Blockdiagramm einer neuronalen Stimulationsvorrichtung, die ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, das zur Überwachung und Signalisierung von Betriebszustandsinformationen eingerichtet ist;
9 ein Blockdiagramm einer Betriebszustandsschaltung, die Teil eines Systems sein kann oder mit einem System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
10 ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein Kommunikationsstatussignal und ein Gerätefehlersignal unter Verwendung eines neuronalen Stimulationssystems entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert werden können;
11 ein Blockdiagramm einer neuronalen Stimulationsvorrichtung/eines neuronalen Stimulationsgeräts, umfassend ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur Überwachung konfiguriert ist, ob die Ausgangssignale der neuronalen Stimulationsvorrichtung innerhalb spezifizierter Parameterbereiche liegen;
12 ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein (quasi-) kontinuierlicher Kommunikationskanal zur Signalisierung eines Batterieladezustands mit Hilfe eines neuronalen Stimulationssystems entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann;
13 ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein (quasi-) kontinuierlicher Kommunikationskanal zur Signalisierung eines drahtlosen Konnektivitätsstatus unter Verwendung eines neuronalen Stimulationssystems entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann.

5. Detaillierte Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen
Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, wobei auf neuronale Stimulations- und/oder Kommunikationssysteme Bezug genommen wird, die mit neuronalen Stimulationselektroden, wie z.B. Elektroden für die Tiefenhirnstimulation (DBS), verbunden werden können. Die durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellten Systeme können jedoch auch mit verschiedenen neuronalen Stimulationsmitteln (z.B. opto-neuronal, chemisch-neuronal) verwendet werden, die in der Lage sind, den sensorischen Kortex eines Individuums / einer Person zu stimulieren, z.B. durch die Stimulation afferenter Axone, die auf den sensorischen Kortex ausgerichtet sind.
Während im Folgenden spezifische Merkmalskombinationen im Hinblick auf die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, ist zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt ist. Mit anderen Worten, es müssen nicht alle Merkmale vorhanden sein, um die Erfindung zu verwirklichen, und die Ausführungsformen können durch Kombination bestimmter Merkmale einer Ausführungsform mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform modifiziert werden. Insbesondere wird der Fachmann verstehen, dass Merkmale, Komponenten und/oder Funktionselemente einer Ausführungsform mit technisch kompatiblen Merkmalen, Komponenten und/oder Funktionselementen jeder anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können.
1 zeigt ein Individuum 100, z.B. einen PD-Patienten, dem eine neuronale Stimulationselektrode 120, z.B. eine DBS-Elektrode, implantiert wurde, die mehrere unabhängig steuerbare elektrische Kontakte aufweisen kann, wie in 3 unten dargestellt. Beispielsweise kann die neuronale Stimulationselektrode 120 bereits in das Gehirn des Individuums 100 implantiert sein, um eine Neuromodulationstherapie für bestimmte PD-Symptome wie Tremor, Dystonie und / oder Rigidität zu ermöglichen. Die neuronale Stimulationselektrode 120 kann jedoch auch für andere Zwecke implantiert werden, z.B. zum Zweck der neuronalen Kommunikation und/oder der Behandlung anderer Bewegungseinschränkungen und neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer, Epilepsie, Depression usw. Alternativ kann die Elektrode 120 auch als dedizierte Schnittstelle für die von der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Systeme implantiert werden.
Das Individuum 100 kann zusätzlich mit einem neuronalen Stimulationsgerät / - vorrichtung 110 ausgestattet sein, das am Kopf des Individuums 100 oder an anderer Stelle am oder in der Nähe des Körpers des Individuums 100 angeordnet sein kann. Das neuronale Stimulationsgerät 110 kann in drahtloser Kommunikation (z.B. über eine Bluetooth, WI-FI oder eine ähnliche drahtlose Schnittstelle) mit einem Steuergerät 130 stehen, das durch ein Smartphone oder ein ähnliches elektronisches Informationsverarbeitungsgerät implementiert werden kann. Je nach Implementierungsdetails können die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten Systeme über anwendungsspezifische Hardware- und/oder Softwaremodule implementiert werden, die Schaltungen und/oder Softwareanweisungen enthalten, um ein System gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
Das Steuergerät 130 kann dem Individuum eine Benutzerschnittstelle zur Verfügung stellen, um die neuronalen Stimulationssignale und/oder die Parameter der Neuromodulationstherapie einzustellen, die über das neuronale Stimulationsgerät 110 und die neuronale Stimulationselektrode 120 angewendet werden. Das Steuergerät 130 kann auch eine Verbindung zu einem paketbasierten drahtlosen Großraumnetzwerk wie einem LTE- oder 5G-Netzwerk herstellen. Beispielsweise kann die Person 100 das Steuergerät 130 zur Einstellung von Signalparametern wie Signalfrequenz, Impulsbreite, Impulsform und/oder Signalamplitude sowie zum Abruf von Daten aus dem Internet verwenden.
2 zeigt ein Diagramm mit einer neuronalen Stimulationselektrode 120 zur Stimulation afferenter Axone 230, die auf sensorische Neuronen in Kortex eines menschlichen Gehirns abzielen. Die afferenten Axone 230 können auf verschiedene Bereiche 210, 220 des Kortex ausgerichtet sein, die mit verschiedenen sensorischen Modalitäten (z.B. Tastsinn, Temperatursinn, Sehen, Hören usw.) und/oder verschiedenen Körperregionen (z.B. Cochlea, Netzhaut, Hand, Zunge, Fuß usw.) in Beziehung stehen können, von denen aus die jeweilige sensorische Modalität vom jeweiligen Bereich des Kortex wahrgenommen wird. Zum Beispiel kann der kortikale Bereich 210 ein somatosensorischer Bereich des rechten Fußes und der kortikale Bereich 220 ein somatosensorischer Bereich der linken Hand sein.
Die afferenten Axone 230 sind über Synapsen (nicht gezeigt) mit ihren jeweiligen Zielneuronen im jeweiligen Sinnesbereich 210, 220 verbunden. Zum Beispiel können die Axone 230 thalamokortikale Axone sein, die sensorische Informationen vom Thalamus zum Kortex weiterleiten. Die neuronale Stimulationselektrode 120 kann eine Vielzahl von unabhängig steuerbaren elektrischen Kontakten aufweisen (siehe 3 unten), die in der Nähe eines Bündels von afferenten Axonen 230 angeordnet sein können, die auf die sensorischen Bereiche 220 und 210 des Kortex abzielen.
Im dargestellten Beispiel ist die neuronale Stimulationselektrode 120 mit einem neuronalen Stimulationsgerät 110 verbunden, das so eingerichtet ist, dass es neuronale Stimulationssignale an Hirnareale, die mit bestimmten neurophysiologischen Symptomen assoziiert sind, und/oder an die afferenten Axone 230, z.B. über unabhängig steuerbare elektrische Kontakte der neuronalen Stimulationselektrode 120, anlegt. Darüber hinaus kann die neuronale Stimulationselektrode 120 eine drahtlose Schnittstelle zur Verbindung des neuronalen Stimulationsgeräts 110 mit anderen Systemen umfassen, die eingerichtet sein können, um die Wellenform und/oder Signalparameter (z.B. Impulsbreite, Impulsform, Frequenz, Amplitude, Anzahl der Impulse usw.) des neuronalen Stimulationssignals zu erhalten und/oder zu bestimmen, die durch das neuronale Stimulationsgerät 110 erzeugt und über die Stimulationselektrode 120 an die afferenten Axone 230 angelegt werden.
Zum Beispiel kann das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte neuronale Stimulationssystem die Wellenform und/oder die Signalparameter des neuronalen Stimulationssignals so bestimmen, dass ein gewünschtes sensorisches Perzept in einem gewünschten Bereich des sensorischen Kortex des Individuums hervorgerufen wird. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Kortex des Individuums, der das neuronale Stimulationssignal empfängt (d.h. über afferente Aktionspotentiale der stimulierten afferenten Axone 230), das entsprechende sensorische Perzept mit verschiedenen Arten von Gerätestatusinformationen wie dem Ladezustand einer Batterie, einem Hardware-Fehlerstatus, einem Kommunikationsstatus usw. in Verbindung bringen. Ähnlich wie beim Erlernen des Morsecodes kann die Person z.B. zuvor an einem Lernverfahren teilgenommen haben, das eine assoziative Verbindung zwischen einem gegebenen sensorischen Perzept, das durch ein gegebenes neuronales Stimulationssignal ausgelöst wird, und einem entsprechenden Gerätestatus herstellt (siehe z.B. 7, 10, 12 und 13 unten), der der Person über die neuronale Stimulationselektrode 120 mitgeteilt werden soll.
Bei diesem Ansatz werden vorzugsweise keine Kerne oder neuronenreiche graue Substanz von der neuronalen Stimulationselektrode 120 adressiert, sondern vorzugsweise die axonreiche weiße Substanz des Gehirns, die die Informationsübertragungswege enthält, die das Gehirn für die natürliche neuronale Kommunikation nutzt. Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung eine Computer-Hirn-Schnittstelle (CBI) der weißen Materie zur Verfügung, d.h. ein System, das elektrische Signale erzeugt und bereitstellt, die das Gehirn als sinnvollen Input interpretieren kann, z.B. als Ladezustand der Batterie des Gerätes 110. Wie in Abschnitt 3 oben besprochen, können solche Informationen von verschiedenen Arten von Messgeräten oder Sensoren geliefert werden.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die neuronale Stimulationselektrode 120, das neuronale Stimulationsgerät 110 und/oder die drahtlose Schnittstelle ebenfalls Teil eines integrierten neuronalen Stimulations- und/oder Kommunikationssystems sein, z.B. wenn diese Komponenten für die beabsichtigte Anwendung angepasst sind. Beispielsweise kann ein neuronales Kommunikationssystem eine spezialisierten Kommunikationssoftware aufweisen, die auf einem Mehrzweck-Informationsverarbeitungsgerät wie einem Smartphone läuft, und aus einer anwendungsspezifischen Baugruppe aus neuronalem Stimulationsgerät 110 und Stimulationselektrode 120, die mit dem Mehrzweck-Kommunikationsgerät über eine drahtlose Schnittstelle unter Verwendung herkömmlicher drahtloser Datenübertragungstechnologie wie Wi-Fi, Bluetooth und/oder NFC kommunizieren.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die neuronale Stimulationselektrode 120 über Drähte direkt mit einem neuronalen Stimulationssystem verbunden werden, das ein Datenverarbeitungssystem und ein neuronales Stimulationsgerät ähnlich dem neuronalen Stimulationsgerät 110 umfasst. In diesem Fall ist eine drahtlose Schnittstelle nicht erforderlich.
3 zeigt eine Multi-Kontakt-Neuromodulationselektrode 120, die z.B. für die Neuromodulation des subthalamischen Nucleus 320 über elektrische Kontakte 330 eingerichtet ist. Die Elektrode 120 kann auch zur Stimulation der afferenten Axone 342, 344 über ein neuronales Stimulationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die aus dem Thalamus 310 zum sensorischen Kortex eines Individuums projizieren. Zum Beispiel können neuronale Stimulationssignale durch unbenutzte Kontakte 340, 350 der Neuromodulationselektrode 120 bereitgestellt werden, die für einen therapeutischen Zweck implantiert wurde (z.B. Neuromodulation des subthalamischen Nucleus 320 über die therapeutischen elektrischen Kontakte 330), der sich von der Bereitstellung des neuronalen Stimulationssignals an die afferenten sensorischen Axone 344, 342 unterscheidet. Beispielsweise können die Kontakte, die nicht für die Neuromodulation des subthalamischen Nucleus 320 verwendet werden, dazu verwendet werden, dem Kortex des Individuums verschiedene Arten von Gerätestatusinformationen zu liefern. Solche Statusinformationen können z.B. über eine rhythmische Sinneswahrnehmung signalisiert werden, die durch ein neuronales Stimulationssignal ausgelöst wird, das auf die Axone 344 angewendet wird die auf einen Kortexbereich abzielen, der mit einer Berührungsempfindung z.B. im linken Fuß oder in der rechten Hand assoziiert ist.
In vielen Fällen ist eine DBS-Elektrode 120, die als Neuromodulator verwendet wird, z.B. zur Behandlung von Symptomen der Parkinson-Krankheit, nicht immer aktiv und / oder kann unabhängig steuerbaren Kontakten aufweisen, die für das Erreichen des Therapieziels nicht erforderlich sind. Daher kann die Neuromodulationselektrode auch zur Applikation neuronaler Stimulationssignale verwendet werden, die von einem erfindungsgemäßen System bereitgestellt werden. Speziell bei DBS-Elektroden werden einige der Elektrodenkontakte, die sich außerhalb des beabsichtigten Stimulationsbereichs befinden, nicht verwendet. Wenn jedoch die Implantation z.B. im subthalamischen Nucleus 320 für die Spitzenkontakte 330 durchgeführt wird, um z.B. die primären PD-Symptome zu kontrollieren, könnten die weiter distal gelegenen Kontakte 340, 350 in Kombination mit der oben beschriebenen Erfindung verwendet werden, um ein Gerätestatusinformationssignal direkt in das Gehirn des Patienten zu übermitteln.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines neuronalen Stimulationsgeräts 110, mit dem neuronale Stimulationssignale über eine neuronale Stimulationselektrode wie die Stimulationselektrode 120 der 1 - 3 an afferente Axone 230 angelegt werden können. Das neuronale Stimulationsgerät 110 kann eine drahtlose Schnittstelle 410 zur Kommunikation mit einem Fernbedienungsgerät 130 und/oder einem entfernten Signalerzeugungsgerät umfassen, das eingerichtet sein kann, um eine Wellenform und/oder einen Signalparameter des neuronalen Stimulationssignals zu erhalten, zu bestimmen, auszuwählen und/oder an das neuronale Stimulationsgerät 110 zu übertragen.
Beispielsweise kann das neuronale Stimulationsgerät 110 über die drahtlose Schnittstelle 410 digitale Datenpakete empfangen, die ein gewünschtes neuronales Therapie- oder Kommunikationssignal spezifizieren. Eine Empfänger- (RX) Schaltung kann die empfangenen digitalen Datenpakete verarbeiten (z.B. filtern, verstärken, mischen, in das Basisband herunterkonvertieren usw.) und dabei die Wellenform und/oder die Signalparameter (z.B. Frequenz, Phase, Impulsbreite, Impulsamplitude, Impulsform, Kanalzahl usw.) spezifizieren und die verarbeiteten digitalen Datenpakete einem digitalen Signalprozessor (DSP) zuführen, der einen integrierten Digital/AnalogWandler (DAC) enthalten kann. Der DSP verarbeitet dann die digitalen Datenpakete, um ein oder mehrere neuronale Stimulationssignale zu erzeugen, die dann verstärkt und durch einen Ausgangsverstärker (AMP) an eine neuronale Stimulationselektrode wie die Elektrode 120 in 2 und 3 angelegt werden können. Der Ausgangsverstärker, AMP, kann z.B. so konfiguriert sein, dass er vier (oder eine beliebige andere Anzahl) unabhängig voneinander steuerbare elektrische Kontakte 330, 340, 350 einer Stimulationselektrode wie z.B. Elektrode 120 über die Ausgangsleitungen 420 ansteuert.
In anderen Ausführungsformen kann der DSP die digitalen Datenpakete, die das neuronale Stimulationssignal spezifizieren, auch über eine drahtgebundene Schnittstelle oder direkt von einer co-lokalisierten Verarbeitungsschaltung (z.B. einer CPU) empfangen, die eingerichtet sein kann, um die Wellenform und/oder Signalparameter eines gewünschten Therapie- oder Kommunikationssignals entsprechend zu bestimmen.
Das neuronale Stimulationsgerät 110 kann ferner eine Betriebszustandsschaltung umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie eine oder mehrere Arten von Gerätestatusinformationen überwacht. Zum Beispiel kann die Betriebszustandsschaltung so konfiguriert sein, dass sie einen Spannungspegel der Batterie der Vorrichtung 110 über einen Spannungssensor (VS) überwacht. Die Betriebszustandsschaltung kann ferner so konfiguriert sein, dass sie einen Batterieladepegel auf der Grundlage des Ausgangs des Spannungssensors bestimmt.
Die Betriebszustandsschaltung kann ferner so konfiguriert sein, dass sie dem DSP ein Eingangssignal liefert, das den DSP anweist, ein neuronales Stimulationssignal zu erhalten, zu bestimmen, auszuwählen und/oder zu erzeugen, das über den Ausgangsverstärker, AMP, und die Ausgangsleitungen 420 an eine neuronale Stimulationselektrode angelegt werden soll. Als Reaktion auf das Eingangssignal von der Betriebszustandsschaltung kann der DPS beispielsweise Signalparameter oder die Wellenform eines neuronalen Stimulationssignals von einer Speichervorrichtung erhalten, wobei das neuronale Stimulationssignal einer Gerätestatusinformation entspricht, die mit dem überwachten Batterieladepegel assoziiert ist. Zum Beispiel kann das neuronale Stimulationssignal einem Warnsignal bei niedrigem Batteriestand entsprechen, das der Person, die das neuronale Stimulationsgerät 110 verwendet, mitgeteilt wird (siehe 7 unten).
Das neuronale Stimulationsgerät 110 kann ferner mindestens ein Speichermittel umfassen, das funktionsfähig mit dem DSP verbunden ist. Der DSP und der Speicher können interagieren, um ein gewünschtes neuronales Stimulationssignal zu bestimmen, das einem gewünschten sensorischen Perzept entspricht, wie z.B. die gewünschte Gerätestatusinformation, die an den Kortex des Individuums übermittelt werden soll.
Zum Beispiel kann der Speicher eine personalisierte Kommunikationsbibliothek für die Person enthalten, wobei die Bibliothek Beziehungen zwischen einer Vielzahl von Gerätezustände und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
Eine solche Stimulationsbibliothek kann für jedes Individuum durch Neuroimaging und / oder individualisierte Tests des Individuums kalibriert werden. Neuroimaging kann zunächst verwendet werden, um theoretisch mögliche Aktivierungsbereiche für eine individuelle Stimulationselektrode zu identifizieren, während individualisierte Tests bestimmen, welche Punkte im Parameterraum der Stimulationssignalparameter (für Details siehe 7, 10, 12 und 13 unten) vom Kortex des Individuums wahrgenommen und dekodiert werden können. Es sollte betont werden, dass das bewusste individualisierte Testen eines Individuums nur ein spezifisches Beispiel dafür ist, wie die im Speicher gespeicherten individualisierten Beziehungen erzeugt werden können. In anderen Ausführungsformen können solche Beziehungen auch von unbewussten Patienten gewonnen werden, z.B. durch die nicht-invasive Beobachtung entsprechender funktioneller MRT-Reaktionen auf den somatosensorischen Kortex oder EEG-Aufzeichnungen.
Ferner kann nachdem oder während die Kommunikationsbibliothek (d.h. die Mehrzahl der im Speicher gespeicherten Beziehungen) für ein Individuum aufgebaut wurde oder gerade aufgebaut wird, ein spezifisches Trainingsverfahren durchgeführt werden (wiederum nicht unbedingt bei einem bewussten Individuum). Solange der Kortex des Individuums auf klassische Konditionierung reagiert, kann Paarlernen durchgeführt werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besteht ein solches Paar aus einem gegebenen sensorischen Perzept, das einem gegebenen neuronalen Stimulationssignal entspricht, und einem Gerätestatus, der mit dem gegebenen sensorischen Perzept und dem entsprechenden neuronalen Stimulationssignal assoziiert werden soll.
Wichtig ist, dass die Art der Informationen, die über das neuronale Stimulationsgerät 110 übermittelt werden sollen, ob es sich um ein Batteriestatussignal, ein Kommunikationsstatussignal oder ein Hardwarefehler-Statussignal usw. handelt, frei gewählt werden kann. Jede Information oder Nachricht, die in Nachrichtenblöcke zerlegt werden kann (d.h. begriffliche Informationen, die durch den Kortex eines Individuums dekodiert werden können), kann übertragen werden. Dazu gehören kontinuierliche Signale, wie z.B. Signale, die für eine (quasi-)kontinuierliche Batterieladeanzeige (siehe 12 unten) oder andere Sensormesssignale benötigt werden.
Lernparadigmen für kontinuierliche Signale weichen von der klassischen Konditionierung ab, da sie interaktivere Trainingsszenarien beinhalten, bei denen die Nutzung des Signals ein relevanter Erfolgsfaktor ist (z.B. Orientierung in einer künstlichen virtuellen Umgebung unter Verwendung des Eingangssignals). Kontinuierliche Signale (z.B. Intensität) weichen auch bei Nachrichten, die sequentiell zugestellte Nachrichtenblöcke enthalten, von Signalkonfigurationen ab. Im Falle kontinuierlicher Signale könnte die Intensität entweder über Pulsbreiten- oder Frequenzvariationen (oder Kombinationen aus beiden; siehe 12 und 13 unten) kodiert werden, wobei die Lage und die Zielgebiete im sensorischen Kortex, auf die die rekrutierten Axonfasern abzielen, nicht verändert werden.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Betriebszustandsschaltung 500. Die Betriebszustandsschaltung kann eine Eingangsanschluss (Sense In) aufweisen, der z.B. mit dem Ausgang eines Spannungssensors VS verbunden ist (siehe 4 oben), und einem Ausgangsanschluss (Control Out), der z.B. mit einem Eingang eines DSP verbunden ist (siehe 4 oben). Die Betriebszustandsschaltung kann ferner eine Hilfsstromquelle und eine Komparatorschaltung (z.B. eine Standard OP-AMP-Schaltung) umfassen, die das an Sense In anliegende Eingangssignal mit einer Referenzspannung (Ref voltage) vergleicht. Wenn das Eingangsspannungssignal unter (über) die Referenzspannung fällt, erzeugt der Komparator ein Ausgangssignal, das über Control Out an den DSP angelegt wird. Als Reaktion auf das Eingangssignal von der Betriebszustandsschaltung 500 kann der DPS dann eine Wellenform (oder Signalparameter, die eine Wellenform spezifizieren) eines neuronalen Stimulationssignals, wie z.B. eines Impulsfolgensignals aus dem Speicher erhalten, wobei das neuronale Stimulationssignal einer Gerätestatusinformation entspricht, die mit dem überwachten Batterieladezustand assoziiert ist. Beispielsweise kann das neuronale Stimulationssignal einem Warnsignal bei niedrigem Batteriestand entsprechen, das der Person, die das neuronale Stimulationsgerät 110 verwendet, mitgeteilt wird.
Die Betriebszustandsschaltung 500 kann ferner eine magnetische Abschirmeinrichtung 510 enthalten, die die Schaltungselemente der Betriebszustandsschaltung schützen und dadurch die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Betriebszustandsschaltung 500 erhöht.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines neuronalen Stimulationsgeräts 600, das dem oben besprochenen neuronalen Stimulationsgerät aus 4 ähnlich ist. Zusätzlich zu den oben besprochenen Schaltungskomponenten umfasst das neuronale Stimulationsgerät 600 einen Schalter oder Multiplex-Schaltkreis (Switch / MUX), der es erlaubt, ein neuronales Stimulationssignal, das von der Betriebszustandsschaltung (die einen Hilfssignalverstärker umfasst) erzeugt wird, an die Ausgangsdrähte 610 anzulegen, die mit einer neuronalen Stimulationselektrode verbunden sind, wie die oben mit Bezug auf 2 und 3 besprochene Mehrkontaktelektrode.
Im Beispiel von 6 umfasst die Betriebszustandsschaltung auch ein Mittel zur Erzeugung eines neuronalen Stimulationssignals, das dem überwachten Batterieladezustand entspricht. Auf diese Weise kann das Batterieladezustandssignal sogar an das Gehirn des Individuums übertragen werden, ohne die primäre Signalverarbeitungsschaltung der Vorrichtung 600 zu involvieren, die möglicherweise nicht mehr funktionsfähig ist. Ähnlich wie bei der Betriebszustandsschaltung in 5 kann auch die Vorrichtung 600 weiterhin magnetische Abschirmeinrichtungen zum Schutz des Spannungssensors (VS), der Betriebszustandsschaltung und/oder des Schalters oder Multiplexschaltkreises enthalten.
7 veranschaulicht, wie Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um einen binären Kanal für den Batterieladestatus zum Kortex einer Person aufzubauen und diesen Kanal für den Batterieladestatus zu verwenden, um der Person anzuzeigen, dass sie die Batterie aufladen muss.
Zum Beispiel können zwei verschiedene Batterieladezustandssignale kodiert werden, indem ein Impulsfolgensignal über eine neuronale Stimulationsschnittstelle und ein System wie oben beschrieben bereitgestellt wird. Eine solche Impulsfolge (die durch Signalparameter wie Impulsbreite, Impulsfrequenz, Impulsform und/oder Impulsamplitude charakterisiert ist) kann ein periodisches/rhythmisches Perzept im Zielbereich des sensorischen Kortex des Individuums hervorrufen. Zum Beispiel kann ein solches Impulsfolgensignal so konfiguriert sein, dass es eine periodisch auftretende Berührungsempfindung in der Handfläche der rechten Hand oder in einem Bein der Person hervorruft. Beispielsweise kann ein Warnsignal für eine leere Batterie durch die Wahl einer bestimmten Kombination von Impulsfolgenparametern kodiert werden, wie z.B. eine Kombination aus einer relativ niedrigen Impulsfrequenz und einer relativ kleinen Impulsamplitude, wie in 7 dargestellt. In ähnlicher Weise kann eine höhere Impulsfrequenz und eine größere Amplitude mit einem Signal assoziiert sein, das anzeigt, dass die Batterie vollständig geladen ist.
8 zeigt ein weiteres Beispiel für ein neuronales Stimulationsgerät, das mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Ähnlich wie die neuronalen Stimulationsgeräte 110 und 600 der 4 und 6 umfasst das in 8 dargestellte Gerät 800 eine Betriebszustandsschaltung, die eingerichtet ist, eine oder mehrere Arten von Gerätestatusinformationen zu überwachen. Zum Beispiel kann die Betriebszustandsschaltung Eingangssignale von einem oder mehreren Betriebszustandssensoren (OS) empfangen, die überwachen, ob bestimmte Primärschaltungselemente (wie z.B. der DSP des Ausgangsverstärkers) der Vorrichtung 800 innerhalb bestimmter Betriebsparameterbereiche arbeiten. So können die OS beispielsweise die Temperatur des DSP und/oder des AMP überwachen, um die Person zu informieren, wenn diese Komponenten überhitzen könnten.
9 zeigt ein weiteres Beispiel eines Betriebszustandsschaltung 900, die in oder mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Betriebszustandsschaltung 900 umfasst alle Schaltkreiselemente, die zur Erzeugung und Übertragung neuronaler Stimulationssignale erforderlich sind, die verschiedenen Arten von Gerätestatusinformationen entsprechen. Zum Beispiel kann ein Hilfs-DSP (AUX DSP) verschiedene Arten von Eingangssignalen über Sense In empfangen, wie z.B. ein Signal, das anzeigt, dass der primäre DSP aufgrund von Überhitzung abgeschaltet wurde.
In diesem Fall ruft der DSP eine Wellenform oder Signalparameter, die eine Wellenform eines neuronalen Stimulationssignals spezifizieren ab aus einem Hilfsspeicher (AUX-Speicher), wobei das abgerufene neuronale Stimulationssignal der Person einen Fehlerzustand des neuronalen Stimulationsgeräts anzeigt. Auf diese Weise kann die Person sogar über einen kritischen Fehler des neuronalen Stimulationsgeräts informiert werden, selbst wenn dieser kritische Fehler das neuronale Stimulationsgerät sonst daran hindern würde, neuronale Stimulationssignale zu erzeugen.
10 veranschaulicht, wie Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um einen perzeptiven Kommunikationskanal zum Kortex eines Individuums aufzubauen, um sowohl einen Kommunikationsstatus als auch einen Fehlerstatus eines neuronalen Stimulationsgeräts zu signalisieren.
Ein erster Satz von Impulsfrequenzen und Impulsbreiten kann verwendet werden, um der Person zu signalisieren, dass die Kommunikation der tatsächlichen Gerätestatusinformationen unmittelbar bevorsteht (z.B. bald beginnt) oder abgeschlossen ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Person, die ein solches neuronales Stimulationsgerät verwendet, ihre Aufmerksamkeit auf die zu kommunizierenden Gerätestatusinformationen konzentriert. Ein zweiter Satz von Impulsfrequenzen und Impulsbreiten kann dann verwendet werden, um die eigentliche Gerätestatusinformation (oder jede andere Art von Information, die der Person mitgeteilt werden soll) zu signalisieren.
11 zeigt ein weiteres Beispiel für ein neuronales Stimulationsgerät, das den oben für 4, 6 und 8 besprochenen Geräten ähnlich ist. In diesem Beispiel ist die Betriebszustandsschaltung so angepasst, dass sie Überwachungssignale von einem neuronalen Signalsensor (NS) empfängt, der die primären Neurostimulationssignale überwacht, die über die Ausgangsdrähte 1110 ausgegeben werden (z.B. ein Neuromodulationssignal zur Behandlung von PD). Der NS kann z.B. an eine Referenzelektrode angeschlossen werden, die auf der Haut oder dem Schädel (z.B. sub- oder supra-dural) der Person angebracht ist, die das Gerät 1100 verwendet. Die NS kann ein Spannungssignal erzeugen, das mit den über die Drähte 1110 angelegten neuronalen Stimulationssignalen in Beziehung steht. Die Betriebszustandsschaltung kann so konfiguriert sein, dass sie das von der NS erzeugte Spannungssignal verwendet, um zu bestimmen, ob die Signalparameter der primären neuronalen Stimulationssignale noch innerhalb spezifizierter Parameterbereiche liegen, die für das ordnungsgemäße Funktionieren der Vorrichtung 1100 erforderlich sind. Wenn beispielsweise das Spannungssignal der NS anzeigt, dass die Signalamplitude und / oder Frequenz des primären neuronalen Stimulationssignals zu niedrig ist, um den gewünschten therapeutischen Zweck zu erreichen, kann die Betriebszustandsschaltung den DSP veranlassen, ein neuronales Stimulationssignal zu erzeugen, das über die Drähte 1110 an eine neuronale Stimulationselektrode angelegt wird, um der behandelten Person anzuzeigen, dass eine Wartung der Vorrichtung 1100 erforderlich ist.
12 zeigt, wie ein (quasi-) kontinuierlicher neuronaler Kommunikationskanal implementiert werden kann, der dazu verwendet werden kann, den Ladezustand einer Batterie direkt an das Gehirn einer Person zu signalisieren.
Das Messsignal eines Batteriespannungssensors kann verwendet werden, um ein neuronales Stimulationssignal zu bestimmen, das an mindestens ein afferentes Axon angelegt werden soll, das auf mindestens ein sensorisches Neuron im Kortex des Individuums abzielt, wobei das bestimmte neuronale Stimulationssignal dem Batterieladestand entspricht, der dem Individuum mitgeteilt wird.
Wie in 12 dargestellt, kann der Ladezustand der Batterie durch eine Kombination von Signalparametern wie Impulsbreite und Impulsfrequenz eines Impulsfolgensignals kodiert werden. In dem in 12 gezeigten Beispiel entspricht eine niederfrequenter Impulsfolge mit einer kurzen Impulsbreite (A) einer fast leeren Batterie (A), während eine hochfrequente Impulsfolge mit einer langen Impulsbreite (D) einer vollständig geladenen Batterie (D) entspricht.
13 veranschaulicht, wie ein (quasi-) kontinuierlicher neuronaler Kommunikationskanal implementiert werden kann, der zur Signalisierung der Signalqualität einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle eines neuronalen Stimulationsgeräts verwendet werden kann.
Beispielsweise kann das Messsignal eines Signalstärkesensors verwendet werden, um ein neuronales Stimulationssignal zu bestimmen, das an mindestens ein afferentes Axon angelegt werden soll, das auf mindestens ein sensorisches Neuron im Kortex des Individuums abzielt, wobei das bestimmte neuronale Stimulationssignal der Signalstärke eines drahtlosen Referenzsignalpegels entspricht, der dem Individuum mitgeteilt wird.
Wie in 13 dargestellt, kann die Funksignalstärke durch eine Kombination von Signalparametern wie Impulsbreite und Impulsfrequenz eines Impulsfolgensignals kodiert werden. In dem in 13 gezeigten Beispiel entspricht eine niederfrequenter Impulsfolge mit einer kurzen Impulsbreite (A) einem starken Signal (A), während eine hochfrequente Impulsfolge mit einer langen Impulsbreite (D) einer sehr schwachen Funksignalqualität (D) entspricht.

Claims

System zum Kommunizieren eines Betriebszustandes einer neuronalen Stimulationsvorrichtung (110) an ein Individuum (100), aufweisend a. ein Mittel zum Bestimmen des Betriebszustands der Vorrichtung; b. ein Mittel zum Übertragen eines ersten neuronalen Stimulationssignals an ein neuronales Stimulationsmittel (120) des Individuums, das dazu eingerichtet ist, ein sensorisches Perzept im Kortex (210, 220) des Individuums hervorzurufen; wobei c. das erste neuronale Stimulationssignal den Betriebszustand der Vorrichtung anzeigt.
System nach Anspruch 1, wobei der Betriebszustand der Vorrichtung einen oder mehrere der folgenden Zustände umfasst: a. einen Fehlerzustand der Vorrichtung; b. einen Ladezustand einer Stromquelle der Vorrichtung; c. einen normalen Betriebszustand der Vorrichtung; d. einen Wartungszustand der Vorrichtung; e. einen Konnektivitätszustand der Vorrichtung; f. einen Kommunikationszustand der Vorrichtung; g. einen Leistungsübertragungszustand zwischen der Vorrichtung und einem externen Ladegerät.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Mittel zum Übertragen eines zweiten neuronalen Stimulationssignals, das die bevorstehende Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt, das zur Wahrnehmung und/oder Interpretation durch das Individuum bestimmt ist, und/oder zum Übertragen eines dritten neuronalen Stimulationssignals, das die abgeschlossene Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Bestimmen des Betriebszustandes der Vorrichtung eines oder mehrere der Folgenden umfasst: a. eine Spannungs-, Strom- und / oder Leistungsmessschaltung; b. einen Temperatursensor; c. einen Magnetfeldsensor; d. eine Signalanalyseschaltung; e. eine Timer; f. eine Schaltung zur Messung der Konnektivität; g. eine Schaltkreisanalyseschaltung; h. eine Analyseschaltung für drahtlose Paketdaten; i. eine neuronale Erregungsmessschaltung; j. eine Schaltung zum Messen der Leistungsübertragung.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner mindestens einen der Folgenden umfasst: a. ein Mittel zum Erzeugen des ersten und / oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals; b. eine Hilfsenergiequelle; c. eine Hilfsschaltung zur digitalen Signalverarbeitung; d. eine Hilfsspeicherschaltung, die mindestens ein neuronales Stimulationssignal oder Signalparameter zur Erzeugung mindestens eines neuronalen Stimulationssignals speichert; e. eine Signal-Multiplexing und / oder Switching-Schaltung; f. einen Hilfssignalverstärker zur Verstärkung des ersten und / oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals; g. eine magnetische und / oder thermische Abschirmeinrichtung; h. ein Mittel zum Erhalten des ersten und / oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals aus einer Speicherschaltung oder über eine Kommunikationsschnittstelle der Vorrichtung.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Erzeugen des ersten neuronalen Stimulationssignals ein Mittel zum Zugreifen auf ein Datenspeichermittel umfasst, das für das Individuum spezifische Beziehungen zwischen einer Vielzahl von Betriebszuständen und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die neuronale Stimulationsvorrichtung eines der folgenden umfasst: a. eine Vorrichtung zur Tiefenhirnstimulation; b. eine Neuromodulationsvorrichtung; c. eine neuronale Kommunikationsvorrichtung; d. eine transkranielle Stimulationsvorrichtung; e. eine Gehirn-Maschine-Schnittstellenvorrichtung; f. einen Stimulator des peripheren Nervensystems; g. einen Vagusnervstimulator; h. einen Rückenmarksstimulator; i. einen Rezeptor (z.B. Barorezeptor) oder Synapsen-Stimulator oder Modulator; j. eine reaktionsfähige Neurostimulationsvorrichtung mit integrierten Sensoren; k. eine Neuroprothesevorrichtung.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3-7, wobei das erste und/oder das zweite neuronale Stimulationssignal durch eine Vielzahl von Signalparametern wie eine Impulsfrequenz, eine Impulspolarität, eine Impulsform, eine Impulsamplitude und/oder eine Impulsbreite gekennzeichnet ist.
System nach dem vorstehenden Anspruch, wobei verschiedene Kombinationen von Signalparametern verschiedenen Betriebszuständen der Vorrichtung entsprechen.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das neuronale Stimulationsmittel eines der folgenden umfasst: a. eine Hirnstimulationselektrode, insbesondere eine Tiefenhirnstimulationselektrode; b. eine subdurale Stimulationselektrode oder ein subdurales Elektrodenarray; c. einen subduraler Mikrodraht oder ein Mikrodraht-Array; d. eine Vorrichtung zur transkraniellen Stimulation; e. einen unbenutzten Kontakt einer Neuromodulationselektrode; f. eine künstliche Synapse; g. eine opto-neuronale Schnittstellenvorrichtung; h. eine chemisch-neuronale Schnittstellenvorrichtung; i. ein neuronales Oberflächennetz; j. eine injizierbare neuronale Schnittstelle; k. ein künstliches Hirnteil, wie z.B. einen künstlichen Hippocampus.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3-10, wobei das erste, das zweite und/oder das dritte neuronale Stimulationssignal eingerichtet ist, Aktionspotentiale in mindestens einem afferenten Axon hervorzurufen, das auf den sensorischen Kortex des Individuums ausgerichtet ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3-11, wobei das erste und/oder das zweite neuronale Stimulationssignal so eingerichtet ist, dass es ein sensorisches Perzept in einem Teil des Kortex des Individuums hervorruft, der mit einer spezifischen sensorischen Modalität assoziiert ist.
System nach Anspruch 12, wobei der Teil des Kortex einer oder mehrere der folgenden Teile ist: a. ein Bereich des somatosensorischen Kortex; b. ein Bereich des auditorischen Kortex; c. ein Bereich des visuellen Kortex; d. ein Bereich des olfaktorischen Kortex; e. ein entorhinales Kortexgebiet oder Komponente des Papez'schen Schaltkreises.
Vorrichtung zur neuronalen Stimulation (110, 420, 600, 1100), die ein System nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Computerprogramm, speicherbar in einem Speicher der Vorrichtung nach Anspruch 14, zum Kommunizieren eines Betriebszustandes der Vorrichtung an ein Individuum, umfassend Befehle zum Durchführen der folgenden Schritte, wenn die Befehle von einer Signalverarbeitungsschaltung der Vorrichtung ausgeführt werden: a. Bestimmen des Betriebszustands der Vorrichtung; b. Übertragen eines neuronalen Stimulationssignals an ein neuronales Stimulationsmittel des Individuums, das eingerichtet ist, um ein sensorisches Perzept im Kortex des Individuums hervorzurufen; wobei c. das erste neuronale Stimulationssignal den bestimmten Betriebszustand der Vorrichtung anzeigt.
Computerprogramm nach Anspruch 15, ferner umfassend Befehle zum Durchführen der folgenden Schritte: Übertragen eines zweiten neuronalen Stimulationssignals, das eine bevorstehende Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt, und/oder Übertragen eines dritten neuronalen Stimulationssignals, das eine abgeschlossene Übertragung des ersten neuronalen Stimulationssignals anzeigt.
Computerprogramm nach einem der vorstehenden Ansprüche 15 oder 16, wobei der Betriebszustand der Vorrichtung einen oder mehrere der folgenden Zustände umfasst: a. einen Fehlerzustand der Vorrichtung; b. einen Ladezustand einer Stromquelle der Vorrichtung; c. einen normalen Betriebszustand der Vorrichtung; d. einen Wartungszustand der Vorrichtung; e. einen Konnektivitätszustand der Vorrichtung; f. einen Kommunikationszustand der Vorrichtung.
Computerprogramm nach einem der vorstehenden Ansprüche 15-17, ferner umfassend Befehle zum Durchführen der folgenden Schritte: Erzeugen des ersten und/oder des zweiten neuronalen Stimulationssignals basierend auf einem Zugreifen auf ein Datenspeichermittel, das für das Individuum spezifische Beziehungen zwischen einer Vielzahl von Betriebszuständen und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
Computerprogramm nach Anspruch 18, wobei die spezifischen Beziehungen zumindest teilweise auf einem der folgenden beruhen: a. konzeptionelle Lerndaten für das Individuum; b. Neuroimagingdaten für das Individuum; c. elektrophysiologische Messdaten für das Individuum; d. neuronale Konnektivitätsinformationen für das Individuum; e. Daten zur Simulation des elektrischen Feldes des neuronalen Stimulationsmittels des Individuums; f. neuronale Erregbarkeitsmodelldaten für das Individuum.