DE102006008501B3

DE102006008501B3 - Sonde und Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Gehirn und einer Datenverarbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006008501B3
Application number: DE102006008501A
Authority: DE
Inventors: Jörn Dr. Rickert; Carsten Dr. Mehring; Tonio Dr. Ball; Ad Prof. Dr. Aertsen; Schulze-Bonhage
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Cortec GmbH
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: EP1988828B1; US20090221896A1; WO2007096268A1; JP2009527303A; EP1988828A1; CN101437446B; WO2007096268B1; CN101437446A; JP5143027B2

Abstract

Sonde zur Datenübertragung zwischen einem Gehirn und einer Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Sonde weist einen Träger mit darauf angebrachten Elektroden auf, die zur Erfassung von neuronaler Aktivität und/oder Übertragung von Stimuli in elektromagnetische Wechselwirkung mit Neuronen des Gehirns gebracht werden können und die mit der Datenverarbeitungseinrichtung koppelbar sind. Der Träger ist in seiner Form an eine innere Oberfläche des Gehirns derart anpassbar, dass er in einem Innenraum eines Sulcus des Gehirns eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Datenübertragung zwischen einem Gehirn und einer Datenverarbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine eine Sonde aufweisende Einrichtung bzw. ein Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Gehirn eines Lebewesens und einer Datenverarbeitungsvorrichtung nach der Gattung von Anspruch 6 bzw. 13.
Bei der Messung neuronaler Aktivität im Gehirn eines lebenden Tieres oder des Menschen ergibt sich das Problem, dass räumlich und zeitlich gut aufgelöste Aktivitätsmuster nur sehr schwer ohne Verletzung des Gewebes zu erhalten sind. Die Einsatzmöglichkeit von Verfahren, bei denen Messelektroden außerhalb des Schädels an der Kopfoberfläche bleiben können (Elektroenzephalographie, EEG), sind auf eine räumlich vergleichsweise schlecht aufgelöste Messung der Aktivität größerer Neuronenpopulationen beschränkt.
Die präzisesten Aktivitätsdaten erhält man mit Elektroden, die in das Hirngewebe eindringen und somit in unmittelbare Nähe der abzuleitenden Neuronen gelangen. Allerdings wird durch das Eindringen der Elektroden unweigerlich Nervengewebe verletzt und werden Nervenverbindungen zerstört. Aufgrund der hochgradigen Vernetzung der Neuronen ist damit immer ein Risiko verbunden, dass wichtige neuronale Funktionen eingeschränkt werden. Für wissenschaftliches Arbeiten an Tieren mag man diese Verletzung noch hinnehmen. Spätestens beim therapeutischen Einsatz am menschlichen Gehirn steht man aber vor dem Dilemma, zwischen den durch die Elektroden zugefügten Verletzungen und dem Nutzen der Therapie abwägen zu müssen.
Ein Teilausweg ist, statt in das Nervengewebe eingesetzter Elektroden solche Elektroden zu verwenden, die zwar eine Öffnung des Schädels erfordern, dort aber lediglich auf die Oberfläche des Gehirns aufgesetzt werden. Dabei bleibt das Hirngewebe selbst unverletzt. Auf diese Weise werden die gemessenen Signale von Neuronengruppen in unmittelbarer Nähe der äußeren Gehirnoberfläche dominiert.
Der Nachteil dieses Teilauswegs ist schon genannt: Bereiche des Gehirns, die nicht direkt an den äußeren Oberflächen liegen, bleiben nur teilweise erreichbar. Damit sind die Einsatzmöglichkeiten zwar gegenüber den herkömmlichen Verfahren, die außerhalb des Schädels messen, vergrößert, bleiben aber dennoch beschränkt.
Neben der Ableitung von Neuronenaktivität, bei der die aus der Aktivität der Neuronen resultierende elektrische Spannung gemessen wird, kann auch der umgekehrte Weg von Interesse sein. Dabei werden Neuronen mit elektrischen Impulsen stimuliert. Das oben geschilderte Grundproblem besteht hier in gleicher Weise: Die Stimulationselektrode muss ebenso wie die Ableitelektrode in die unmittelbare Nähe der betreffenden Neuronen gelangen, um möglichst spezifisch zu stimulieren.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet, bei dem die genaue Kenntnis der neuronalen Aktivität eine Rolle spielt, ist die erst in jüngster Zeit entstehende motorische Neuroprothetik. Sie zielt auf Patienten mit Lähmungen, bei denen eine organische Heilung nicht mehr möglich ist, obwohl der Kortex oder zumindest der Motorkortex als derjenige Bereich, der für die Kontrolle willkürlicher Bewegungen wesentlich ist, wenigstens noch teilweise intakt ist, die Nervenverbindungen zur Muskulatur aber unterbrochen sind. Die wichtigste und insgesamt sehr häufige Ursache für solche Lähmungen sind ischämische Hirninfarkte bzw. intrazerebrale Blutungen („Schlaganfall").
Ein besonders schwerwiegender Fall sind die so genannten locked-in-Patienten, denen durch eine vollständige Lähmung der Skelettmuskulatur jegliche willkürliche Bewegungsmöglichkeit genommen ist. Solche Patienten sind bei vollem Bewusstsein ihrer Lage zur reinen Passivität verurteilt. Genauso kann man aber auch an Patienten denken, die eine Extremität verloren haben oder die querschnittsgelähmt sind. Die Lähmung oder Behinderung hindert diese Patienten, intendierte Bewegungen auszuführen.
Die motorische Neuroprothetik hat zum Ziel, die Bewegungsfähigkeit durch willentliche Ansteuerung einer Prothese mittels eigener Hirnsignale herzustellen, wiederherzustellen oder zu verbessern. Dazu ist eine genaue Kenntnis der neuronalen Aktivität, hier im Motorkortex, eine Grundvoraussetzung. Ebenso mag man aber auch an den umgekehrten Fall denken, bei dem sensorische Signale der gelähmten Körperteile, wie etwa eine Berührung, das Gehirn nicht mehr erreichen. Dann kann eine Stimulation von Neuronen des zuständigen Hirnareals – beispielsweise des somatosensorischen Kortex – die unterbrochene körpereigene Signalübertragung ersetzen.
US 2005/0203366 A1 betrifft eine Sonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
US 2004/0153129 A1 betrifft ein System zur Kontrolle von Epilepsien. Die dort beschriebenen Sonden sind nicht als flexibel dargestellt und weisen keine zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen auf, an denen jeweils eine erste bzw. zweite Gruppe von Elektroden angebracht ist. Die Sonden sind entweder draht- oder stiftförmig oder haben Elektroden nur auf einer Seite, wohingegen die Rückseite isoliert ist.
Die Sonden gemäß US 6,171,239 und US 6,731,964 betreffen Sonden, die spitzenförmige Elektroden auf einer Oberfläche aufweisen.
US 6,624,510 betrifft eine Sonde mit einem flächenhaften, flexiblen Träger, auf dessen Oberseite Elektroden angebracht sind. Der Träger ist vorzugsweise aus Polyimid geformt. Die Kontakte haben vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 10 μm bis 1 mm.
DE 697 27 749 T2 betrifft eine Elektrode zur Stimulierung des Gehirns mit hoher Auflösung, welche eine Leitung mit einem proximalen und einem distalen Endabschnitt aufweist, eine erste Anzahl elektrischer Leiter und eine zweite Anzahl von Elektroden, die innerhalb des distalen Endabschnitts positioniert sind, wobei jede der Elektroden mit einem jeweiligen Leiter verbunden ist, wobei jede der Elektroden ein leitender Ring ist und wenigstens ein leitender Ring in Bezug auf die Längsachse am distalen Endabschnitt diagonal positioniert ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine größere Anzahl von Ringsegment-Elektroden verwendet, wobei jede Elektrode sich über weniger als 90 Grad um die Leitung erstreckt, und die optimale Anzahl der Elektroden wird nach dem Testen verschiedener Kombinationen der Ringsegment-Elektroden während der Implantation oder immer dann, wenn eine Anpassung erforderlich ist, ausgewählt. Die Anordnung weist einen röhrenförmigen oder zylinderförmigen Leitungskörper auf; die Spitzenelektrode hat eine in etwa sphärische distale Oberfläche.
In allen beschriebenen Fällen erschweren die herkömmlichen Methoden entweder die Präzision der Vorhersage, oder sie verletzen intaktes Hirngewebe in einem Maße, dass der Einsatz entweder, im Tierversuch, den Erkenntnisgewinn beeinträchtigt oder, beim Menschen, die Therapie einschränkt oder gar verhindert wird.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, bei Vermeidung von Hirngewebeverletzung präzisen Zugang zu einer großen Zahl von Neuronen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Sonde gemäß Anspruch 1 bzw. deren Einsatz in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder einem Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Dabei geht die erfinderische Lösung von dem Prinzip aus, die Morphologie des Gehirns auszunutzen und die Messungs-/Stimulationselektrode anzupassen, statt wie sonst üblich in Umkehrung per invasivem Eingriff durch die Messung/Stimulation dem Gewebe die Gestalt der Elektrode und eine resultierende Verletzung aufzuzwingen.
Die Lösung hat den Vorteil, dass die Elektroden und die Sonde das Gehirn unverletzt lassen können. Damit sind aber auch diverse Risiken bei einer Operation zum Einsatz der Elektroden vermindert. Gleichzeitig ist die Langzeitverträglichkeit gut – ein ungewolltes Verschieben der Elektroden ist kaum möglich, weil der Träger in die Form des Sulcus gebracht und somit an individuelle Hirnfurchen bzw. -windungen angepasst ist, sich anschmiegen kann und so an Ort und Stelle gehalten wird. Somit bleiben die Signale stabil, weil die benachbarten Neuronen stets dieselben sind, und außerdem sind keinerlei scharfe Kanten oder Spitzen vorhanden, die bei doch einmal auftretendem Verschieben des Trägers – etwa durch besonders ruckartige Bewegungen bei einem Unfall – Verletzungen hervorrufen könnten. Schon bei normalen Bewegungen lassen sich solche Verletzungen bei herkömmlichen intrakortikal implantierten Elektroden nicht wirksam verhindern. Schließlich werden durch diese Lösung dennoch Areale des Gehirns und insbesondere des Kortex zugänglich gemacht, die für die unten beschriebenen Anwendungsfälle interessant oder gar notwendig sind.
Erfindungsgemäß weist der Träger zwei einander gegenüberliegende Oberflächen auf, an denen jeweils eine erste bzw. zweite Gruppe der Elektroden angebracht ist, so dass die erste Gruppe mit Neuronen einer ersten Seitenwand und die zweite Gruppe mit Neuronen einer zweiten Seitenwand in elektromagnetische Wechselwirkung kommen können, wobei die Elektroden in ihrer Anordnung an die Morphologie der ersten Seitenwand bzw. der zweiten Seitenwand angepasst sind. Auf diese Weise kann die Sonde Neuronen beider Seitenwände erreichen und sie je nach Ansteuerung stimulieren oder ableiten. Damit ermöglicht die Sonde, eine besonders große Zahl von Neuronen zu erreichen, die zu beiden Seiten des Sulcus liegen. Das wäre mit einer invasiven Elektrode nur mit hohem Aufwand und entsprechender Gewebeverletzung, mit einer Oberflächenelektrode gar nicht möglich.
Hierbei können die Neuronen der ersten und der zweiten Seitenwand unterschiedlichen funktionellen Arealen des Gehirns zugehören. In diesem Fall trennt der Sulcus zwei funktionelle Areale. Damit kann von jeder Seite der Sonde ein eigenes funktionelles Areal angesprochen werden.
In vorteilhafter Weiterbildung gehören die Neuronen der ersten Seitenwand dem Motorkortex und die Neuronen der zweiten Seitenwand dem somatosensorischen Kortex zu. Der Motorkortex ist ein typisches ausgabeorientiertes Areal, der somatosensorische Kortex umgekehrt ist ein eingabeorientiertes Areal. Ein und derselbe Träger kann in dieser Weiterbildung sowohl der motorischen Ableitung wie der somatosensorischen Stimulation dienen.
Bevorzugt weist die erste Gruppe Ableitelektroden und die zweite Gruppe Stimulationselektroden auf. Diese Zuordnung ist besonders vorteilhaft, wenn Ableitelektroden einem ausgabeorientierten Areal und Stimulationselektroden einem eingabeorientierten Areal zugeordnet sind. Dennoch muss die Aufteilung keine ausschließliche sein, weil auch die Stimulation eines ausgabeorientierten Areals oder die Ableitung von einem ausgabeorientieren Areal sinnvoll sein kann.
Bevorzugt weist der Träger Polyimid oder Silikon auf. Diese Materialien haben sich als gut verarbeitbar, biokompatibel oder biologisch verträglich und langzeitstabil erwiesen.
Bevorzugt sind die Vielzahl von Elektroden mit einer Dichte zwischen einem und 1000 Elektrodenkontakten pro cm² auf dem Träger aufgebracht. Die Einschränkung der oberen Grenze von 1000 Elektrodenkontakten pro cm² kann selbstverständlich angehoben werden, sofern die entsprechende Technik gewählt wird und die Anwendung es erfordert. Je nach der interessierenden Neuronenpopulation kann somit die Balance zwischen räumlicher Auflösung auf der einen Seite und Rechenkomplexität sowie Empfindlichkeit der Elektroden auf der anderen Seite gewählt werden.
Bevorzugt weisen die Elektroden Gold, Platin, eine metallische Legierung, leitenden Kunststoff oder Halbleitermaterialien auf. Insbesondere die Metalle haben sich wegen guter Mess-/Stimulationsergebnisse und ihrer Langzeitstabilität und Verträglichkeit bewährt. Leitende Kunststoffe oder Halbleiter lassen sich besonders gut mit dem flexiblen Träger verarbeiten.
Die Einrichtung zur Datenübertragung, welche eine erfindungsgemäße Sonde aufweist, ist vorteilhafterweise dafür ausgebildet, einen ersten Teil der Elektroden mittels Auslesen der Eingangssignale als Ableitelektroden und einen zweiten Teil der Elektroden mittels Zuführen der Ausgangssignale als Stimulationselektroden anzusteuern, so dass ein bidirektionaler Datenaustausch ermöglicht ist. Damit wird die Möglichkeit der Sonde ausgenutzt, die Elektroden in einer der beiden Richtungen anzusteuern. Jede Elektrode kann sowohl neuronale Aktivität messen als auch elektrische Impulse abgegeben. Bei dieser Ansteuerung kann den Elektroden je nach Bedarf eine dieser Rollen zugewiesen werden. Die Einrichtung ermöglicht somit nicht nur einen Übertragungsweg, sondern beide. Herkömmlich müsste dazu eine so große Zahl invasiver Elektroden eingesetzt werden, dass der Gesamtnutzen bezweifelt werden darf. Eine einzige Oberflächenelektrode, die verschiedene funktionale Areale zur Stimulation und Ableitung erreicht, ist ebenfalls schwer vorzustellen; sie müsste zumindest zweiteilig sein, will man übermäßige Größe vermeiden. Das erschwert natürlich wiederum die Operation, Positionierung und Langzeitstabilität.
Bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung zusätzlich als Effektorsteuerung eines anschließbaren Effektors ausgebildet und berechnet unter Einbeziehung der Eingangssignale Effektorsteuersignale für den Effektor und/oder unter Einbeziehung von Effektorzustandsignalen des Effektors die Stimulationssignale. Die elektromagnetischen Signale von den Neuronen werden also nicht lediglich aufgezeichnet, sondern können unmittelbar für die Steuerung eines Effektors verwendet werden. Umgekehrt kann der Effektor auf diese Weise kontrolliert die neuronale Aktivität beeinflussen.
Bevorzugter ist die Einrichtung derart ausgestaltet, dass

– der Effektor eine Prothese ist;
– die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind;
– die Effektorsteuersignale Bewegungsparameter der Prothese beeinflussen und
– die Effektorzustandssignale Stellungs-, Bewegungs- und/oder Zustandsparameter weiterer Sensoren wie Druck-, Berührungs-, Abstands- oder Temperatursensoren sind,

Auf diese Weise wird dem Patienten nicht nur die willentliche Steuerung der Prothese ermöglicht. Er erhält darüber hinaus auch sensorische Rückmeldung, also ein Gefühl seines ersetzten Körperteils zurück.
Alternativ ist die Einrichtung derart ausgestaltet, dass

– der Effektor ein Körperteil des Lebewesens ist;
– die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind;
– die Effektorsteuersignale Motorneuronen oder Muskelfasern des Körperteils beeinflussen und
– die Effektorzustandssignale Signale von Rezeptoren oder Rezeptorneuronen des Körperteils und/oder Stellungs-, Bewegungs- und/oder Zustandsparameter weiterer Sensoren wie Druck-, Berührungs-, Abstands- oder Temperatursensoren sind,

Auf diese Weise wird die Kontrolle über das Körperteil sowohl hinsichtlich dessen Bewegung als auch hinsichtlich dessen Gefühls zurückgegeben.
Alternativ ist die Einrichtung derart ausgestaltet, dass

– der Effektor ein Rechner insbesondere mit einer Anzeige ist;
– die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind;
– die Effektorsteuersignale virtuelle, insbesondere auf der Anzeige dargestellte Bewegungen oder Funktionen in dem Rechner beeinflussen und
– die Auswerteeinrichtung unter Einbeziehung der virtuellen Bewegung oder der Funktion die Effektorzustandssignale errechnet.

Der virtuelle Effektor hat den großen Vorteil, in seiner Funktionalität äußerst variabel, dabei kostengünstig und praktisch unbegrenzt verfügbar und frei konfigurierbar sowie von mechanischen Problemen jeglicher Art befreit zu sein. Selbst im Falle von geringerer Qualität der abgeleiteten Signale kann hier noch eine sehr nützliche Funktion ausgelöst und deren Feedback vermittelt werden.
Vorteilhafterweise ist ein Verstärker vorgesehen, der für die Verstärkung und Filterung von den Eingangssignalen zu vorverarbeiteten Eingangssignalen und/oder von den Ausgangssignalen zu den Stimulationssignalen ausgebildet ist. Die neuronalen Signale, welche die Elektroden ableiten, bedürfen oftmals einer Aufbereitung, ehe mit ihrer Auswertung begonnen werden kann. Umgekehrt müssen natürlich auch die Stimulationssignale von für das Neuron verarbeitbarer Beschaffenheit sein.
Bei dem Herstellungsverfahren einer Sonde wird vorteilhafterweise die Geometrie des Sulcus durch Auswertung nichtinvasiver Bildgebungsverfahren erfasst. Dazu zählen Computertomographie (CT) und funktionelle Magnetresonanztomographie (FMRI) und ähnliche aus der Medizin bekannte Verfahren. Der Vorteil ist, dass einerseits dem Patienten vor dem späteren eigentlichen Einsetzen der Sonde kein weiterer Eingriff zugemutet werden muss und dass andererseits vermieden wird, dass sich der Eingriff verlängert oder die Qualität der Sonde verringert, weil die Formgebung unter Zeitdruck während dieses Einsetzens vorgenommen werden muss. Im Übrigen wird natürlich eine besonders genau angepasste Form durch die nach dem Bildgebungsverfahren gut bekannte Geometrie ermöglicht.
Bevorzugt sind die Elektroden auf dem Träger in einer an die Morphologie des Innenraums angepassten Weise angeordnet. Damit passt sich nicht nur der Träger selbst, sondern auch die eigentlichen Informationsüberträger an die Erfordernisse im Gehirn an. Das kann sowohl die Geometrie als solche wie auch andere morphologische Erfordernisse betreffen, etwa Neuronendichte oder -größe, deren Grad an Vernetzung, Stärke ihrer elektromagnetischen Felder oder ähnlichem betreffen, die dann in der Elektrodenanordnung, -größe, -empfindlichkeit etc. nachgebildet werden kann.
Auch das erfinderische Verfahren zur Datenübertragung, welches eine in einen Sulcus eingesetzte erfindungsgemäße Sonde aufweist, zeigt ähnliche und weitere Merkmale und Vorteile, wie sie beispielhaft, aber nicht abschließend, in den sich anschließenden Unteransprüchen beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detailliert beschrieben. Die Zeichnung zeigt in:
1a eine in das Gehirn eingesetzte Ausführungsform der Erfindung in der Draufsicht;
1b eine Querschnittsdarstellung der Ausführungsform gemäß 1a entlang der Linie Ib-Ib;
1c eine Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
2a eine Seitenansicht der vorderen Trägeroberfläche und Elektroden der Ausführungsform gemäß 1;
2b eine Seitenansicht der rückwärtigen Trägeroberfläche und Elektron der Ausführungsform gemäß 1;
3 eine Übersichtsdarstellung einer eingesetzten Ausführungsform der Erfindung und vorteilhafte Peripherie;
4 eine Darstellung einer Armprothese als Beispiel eines Effektors, der von einer Ausführungsform der Erfindung angesteuert werden kann;
5 eine schematische Darstellung der Signalübertragungsschnittstelle für eine Ausführungsform der Erfindung;
6 eine beispielhafte Schemadarstellung der Umrechnung von neuronalen Signalen Daten in Steuerungssignale für einen Effektor; und
7 eine beispielhafte Schemadarstellung der Umrechnung von Feedbackdaten eines Effektors in Stimulationssignale für die Elektroden.
Die Großhirnrinde (Cortex cerebri) des menschlichen Gehirns hat eine stark gewundene Form, bei der Sulci (Furchen) die einzelnen Gyri (Hirnwindungen) voneinander trennen. Es ist wichtig zu betonen, dass zwar die medizinischen Anwendungen zunächst auf den Menschen fokussiert sein werden. Dennoch ist die Erfindung nicht auf das menschliche Gehirn beschränkt, sondern überall da anwendbar, wo ein Gehirn auch eines Tieres gyrencephale Gestalt hat (d.h. über Furchen und Hirnwindungen verfügt). Dies muss nicht (ausschließlich) zu therapeutischen, sondern kann (auch) zu neurowissenschaftlichen Zwecken erfolgen.
Die 1a bis 1c zeigen eine eingesetzte Ausführungsform der Erfindung und ihre Anordnung bezüglich des Gehirns in Draufsicht bzw. im Querschnitt. Eine Multielektrode 1 mit einem Träger 1a aus flexiblem oder elastischem Material ist in einen Sulcus 2c eingebettet, der von zwei seitlichen Oberflächen der benachbarten Hirnwindungen 2a, 2b begrenzt ist. Die Multielektrode 1 ist somit eine corticomorphe Elektrode, die an die Form der Gehirnoberfläche angepasst werden bzw. sich dieser selbst anpassen kann.
Der Träger 1a ist daher in seiner Form genau an die Oberflächenform der Hirnwindungen angepasst, so dass er sich gut anschmiegen kann. Aus Stabilitätsgründen kann es sich empfehlen, den Träger 1a bis zum Boden des Sulcus 2c einzusetzen. Das ist aber nicht zwingend, wenn höher gelegene seitliche Oberflächen berührt werden sollen, für welche die Höhe des Trägers 1a nicht hinreicht. Als Material des Trägers 1a bieten sich Polyimid oder Silikon wegen ihrer Verträglichkeit, leichten Verarbeitbarkeit und Unempfindlichkeit an. Genauso ist aber auch jedes andere Material geeignet, das die erforderliche Flexibilität und Biokompatibilität besitzt. Das Material sollte darüber hinaus natürlich nicht leitend sein. Es sollte in einfacher Weise ermöglichen, dem Träger seine individuelle Form zu geben, also beispielsweise leicht zurechtzuschneiden zu sein. Schließlich muss der Träger elastisch und dünn genug sein, meist bei einer Dicke << 1cm. Um kein Gewebe zu verletzen, hat der Träger abgerundete Kanten.
Auf dem Träger befinden sich eine Reihe von Elektroden 1c, 1d, welche jeweils einzeln mit einem Kabel 1b verbunden sind, über das Signale nach außen oder von außen geleitet werden können. Die genaue Struktur der Elektroden 1c, 1d auf dem Träger 1a und der Leitungsverbindungen wird unten noch genauer dargestellt. Wegen der sich anschmiegenden Gestalt des Trägers 1a kommen die auf seiner Oberfläche angeordneten Elektroden 1c, 1d unmittelbar in Kontakt mit der Gehirnoberfläche 2a, 2b und können so gut mit Neuronen des angrenzenden Gehirngewebes 2a, 2b in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Üblicherweise wird das Gehirngewebe 2a, 2b in der einen Signalrichtung durch elektrische Ströme stimuliert bzw. dessen Aktivität in der anderen Richtung über die elektrische Spannung gemessen. Das bedeutet aber nicht, dass die Erfindung darauf beschränkt ist. So umfasst die Erfindung auch, über die Spannung zu stimulieren, Ströme zu messen oder beliebige andere elektrische oder magnetische Größen zu messen bzw. zu beeinflussen. Wichtig ist, dass jede Elektrode 1c, 1d je nach Ansteuerung Aktivität der Neuronen messen oder diese mittels elektromagnetischer Impulse stimulieren kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird speziell der zentrale Sulcus 2c zwischen dem primären somatosensorischen Kortex 2a und dem primären motorischen Kortex 2b gewählt. In diesem Falle sind die Rollen für die Elektroden 1c, 1d so verteilt, dass diejenigen Elektroden 1c in Kontakt mit der Oberfläche des primären motorischen Kortex 2b als Mess- oder Ableitungselektroden 1c angesteuert werden, während diejenigen Elektroden 1d in Kontakt mit der Oberfläche des somatosensorischen Kortex 2a als Stimulationselektroden 1d angesteuert werden. Diese Zuordnung passt zu der Aufgabe des somatosensorischen Kortex 2a, der im intakten Gehirn vornehmlich eingehende Informationen verarbeitet, während andererseits der primäre motorische Kortex 2b für die Bewegungsplanung und Durchführung zuständig ist und demnach bei funktioneller Betrachtung Ausgangssignale an nachgeordnete Gehirn- und Rückenmarksteile überträgt. Es ist durchaus vorstellbar, diese strenge Einteilung der Elektroden 1c, 1d anders vorzunehmen und etwa auch im primären motorischen Kortex 2b zu stimulieren. Vor stellbar wäre, z. B. funktionelle neuronale Aktivitätsmuster im primären motorischen Kortex 2b durch eine Stimulation auszulösen, zu testen oder zu unterstützen bzw. zu verstärken. Dies ist also eine Frage der Ansteuerung und der Anwendung, die Erfindung ist auf eine strenge Einteilung der beschriebenen Art nicht beschränkt.
Obwohl ein Einsatz an dem somatosensorischen Kortex 2a und dem primären motorischen Kortex 2b hier als wichtiges Anwendungsbeispiel besonders gründlich beschrieben wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Prinzipiell ist jeder Sulcus geeignet, und bogenförmige Elektroden können auch einer Hirnwindung angepasst werden und so von einem Sulcus in einen benachbarten Sulcus reichen. Dieser Fall ist schematisch in einem der 1b, wo der Träger in einen einzigen Sulcus eingesetzt dargestellt ist, analogen Querschnitt in der 1c gezeigt.
Eine Operation, mit welcher der Träger 1a eingesetzt wird, bedarf einer spezifischen prächirurgischen Diagnostik und OP-Planung. Einer der wichtigsten Aspekte ist, das exakte Zielgebiet für eine Implantation zu bestimmen, das aufgrund der starken inter-individuellen neuroanatomischen Variabilität des menschlichen Gehirns nicht a priori festgelegt werden kann. Nur in Ausnahmefällen wäre ein Einsetzen an einer Stelle erwünscht, die nicht zuvor individuell bestimmt wurde. Zwar kennt man allgemeine Kartierungen des Gehirns und weiß daher, wo bestimmte funktionelle Areale zu finden sind. Im spezielleren Beispiel des Motor- und des somatosensorischen Kortex ist sogar die Anatomie des Menschen örtlich nachgebildet und einzelne Körperteile räumlich distinkten Gebieten des Kortex zugeordnet. Für den einzelnen Patienten ist dieses Vorwissen zumeist dennoch zu grob.
Eine exakte Lokalisation der Zielgebiete für einen individuellen Patienten wird daher präoperativ durch Anwendung funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) vorgenommen. Hierbei wird ortspezifische Aktivierung des Gehirns ge messen, während der Patient die Steuerung des Effektors versucht, sich vorstellt oder beobachtet, und so der Implantationsort mit hoher räumlicher Genauigkeit bestimmt werden kann. Ergänzend kann, zur Verbesserung der Lokalisation, eine EEG-Messung mit anschließender Quellenrekonstruktion während derselben motorischen Paradigmen (Versuchen, Vorstellen oder Beobachten der Effektorsteuerung) durchgeführt werden.
Anhand eines anatomischen MRT-Bildsatzes wird die dreidimensionale Geometrie des Sulcus 2c vermessen und der Träger 1a mit dessen Hilfe in eine Form gebracht, die genau in den Spaltraum oder Innenraum des Sulcus passt, ihn so nach der Implantation stabil gegen Kopfbewegungen macht und in guten Kontakt mit den Seitenwänden 2a, 2b bringt. Eine gewisse Fehlertoleranz ist durch die Flexibilität des Gehirngewebes gegeben.
Selbstverständlich steht es in der Anwendung frei, den Träger 1a ohne diese aufwändigen Vorverfahren einzusetzen. Das dürfte selbst im Tierversuch, erst recht natürlich für Patienten selten optimal sein. Die Erfindung schließt es aber keineswegs aus. Lediglich eine gewisse Anpassung der Form des Trägers 1b ist unabdingbar, die aber nicht notwendig auf einer Vermessung des Individuums basieren muss, in das er eingesetzt werden soll, sondern z. B. auch auf Erwartungen, theoretischen Vorhersagen oder Erfahrungsdaten basieren kann.
Unter Bezugnahme auf die 2a und 2b soll nun die Gestalt des Trägers 1a und Anordnung sowie Verbindungen der Elektroden 1c, 1d erläutert werden. Dabei zeigt 2a die Vorder- und 2b die Rückseite des Trägers 1a. Die Figuren beziehen sich auf das Ausführungsbeispiel, bei dem eine Oberfläche des Trägers 1a mit einem zu stimulierenden und die andere mit einem zu messenden Hirnareal in Verbindung steht. Darauf ist, bei anderer Anordnung der Elektroden 1c, 1d und ihrer Verbindungen, die Erfindung jedoch nicht beschränkt.
Der Träger 1a ist in grober Näherung rechteckig dargestellt. Manchmal kann dies in der Anwendung genügen. Der Träger kann beispielsweise als einfache oder als Doppelfolie ausgelegt sein. In einer an den Sulcus 2c angepassten Ausführungsform ist das Trägermaterial aber so modelliert, dass es die Gestalt der Begrenzungen des Sulcus 2c annimmt. Dabei sind die Dimensionen zu beachten; der Sulcus 2c lässt nur eine sehr geringe Dicke des Trägers 1b zu.
Der Träger 1a besteht gewöhnlich aus einem flexiblen Material. Wenn der Träger 1a entsprechend vormodelliert ist, kommen auch andere Materialien in Betracht, sofern sie das Einsetzen in den Sulcus 2c nicht zu sehr erschweren. In jedem Fall sollte das Material biokompatibel sein, also das Hirngewebe möglichst auch noch bei Langzeiteinsatz nicht beeinträchtigen. Polyimid oder Silikon ist hierfür ein geeignetes Trägermaterial, ohne dass die Erfindung auf dieses Material beschränkt wäre.
Die Elektroden 1c, 1d sind als Kontaktpunkte matrixförmig angeordnet. Leiterbahnen 1e im Inneren des Trägers 1b verbinden jede Elektrode 1c, 1d einzeln und ohne Überlappung ihrer jeweiligen Leiterbahnen 1e mit dem Kabel 1b für den Signalaustausch. Das Kabel 1b ist mindestens zweiteilig ausgelegt, wobei eine Messleitung 1b1 Signale der Messelektroden 1c nach außen und eine Stimulationsleitung 1b2 Signale für die Stimulationselektroden überträgt. Es ist auch ein einteiliges Kabel 1b vorstellbar, das jeweils in verschiedenen Zeitintervallen für die Übertragung von Messdaten nach außen und von Stimulationsdaten nach innen verwendet wird. Die Herstellungsmöglichkeiten solcher Leiterbahnen 1e und Möglichkeiten ihrer Anordnung kennt der Fachmann.
Auch Elektroden können aus verschiedenem Material hergestellt werden, insbesondere Gold, Platin, einer metallischen Legierung oder auch aus leitenden Kunststoffen sowie Halbleitermaterialien. Der Träger 1a kann eine Größe von weniger als einem bis zu mehr als zehn Zentimetern annehmen. Die Elektrodenkontakte sind mit einer typischen Dichte von 1 bis zu mehr als 10.000 Elektrodenkontakten pro cm² ausgelegt. Eine höhere Dichte an Elektrodenkontakten verbessert die Signalauflösung, erhöht aber natürlich den Aufwand nicht nur der Herstellung der Elektroden 1c, 1d, sondern auch den der Verstärkung und den Rechenaufwand der Ansteuerung.
Selbstverständlich kann die Anordnung je nach Bedarf von der hier dargestellten mit gegeneinander versetzten Reihen abweichen. Hier ist praktisch jede Anordnung einer Punkteschar auf einer (Ober)fläche möglich.
Es ist besonders vorteilhaft, dass dieser Träger das Hirngewebe im Gegensatz zu eindringenden Elektroden nicht verletzt. Damit wird auch eine bessere Langzeitstabilität der Signalerfassung erreicht, weil in das Hirngewebe eindringende Elektroden zu einer lokalen Gewebezerstörung und damit dem Erlöschen lokaler neuronaler Aktivität führen können. Je nach Anwendung kann der Träger 1a mit den Elektroden 1c, 1d auch sehr klein sein (<< 1cm). In diesem Fall ist die Operation, mit der der Träger 1a dem Patienten eingesetzt wird, mit sehr geringem Aufwand und sehr geringer Beeinträchtigung des Patienten möglich.
3 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer in das Großhirn 2 eingesetzten Ausführungsform der Erfindung und vorteilhafte Peripherie. Die Multielektrode 1 zur Ableitung der neuronalen Aktivität bzw. Stimulation ist in den Schädel des Patienten wie zuvor beschrieben in einem Sulcus 2c eingesetzt. Die Multielektrode 1 misst die neuronale Aktivität und leitet sie über eine noch zu beschreibende Signalschnittstelle 3 als elektromagnetische Eingangssignale an einen Verstärker 4 weiter, der vorzugsweise als Mehrkanalverstärker ausgebildet ist. In dem Verstärker 4 können zusätzlich zu einer Verstärkung Hoch-, Tief-, oder Bandpassfilter zum Einsatz kommen (beispielsweise Savitzky-Golay-, Butterworth- oder Chebychevfilter). Vorteilhaft ist eine hohe zeitliche Auflösung für Echtzeitübertragung, idealerweise liegt die Abtastrate bei mehr als 200 Hz, geringere Werte sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Der Verstärker verstärkt und filtert die elektromagnetischen Eingangssignale und leitet die derart vorverarbeiteten Signale in Echtzeit an einen Auswertechip, einen Computer oder dergleichen System 5 zur Signalverarbeitung weiter. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist damit das Ziel bereits erreicht: die neuronale Aktivität wurde gemessen und kann in dem System 5 wie gewünscht ausgewertet werden.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden in dem System 5 Stimulationssignale erzeugt, die über den Verstärker 4 und die Signalschnittstelle 3 der Multielektrode 1 zugeführt werden, wo Einzelelektroden 1d entsprechende Stimulationsimpulse abgeben.
Wiederum in einer anderen Ausführungsform überträgt das System 5 Effektorsteuersignale an einen Effektor 6. Umgekehrt kann der Effektor 6 Effektorzustandssignale an das System 5 zurückgeben.
Es ist wichtig zu betonen, dass weitere Kombinationen der angegebenen Komponenten möglich sind. So kann die Verbindung zur Effektorsteuerung bidirektional angelegt sein, der Effektor kann aber auch unidirektional ausschließlich zu Aktionen veranlasst werden oder einseitig (als reiner Sensor) ausschließlich Zustandssignale übertragen. Ebenso kann auch die Verbindung zwischen dem System 5 und der Multielektrode 1 je nach Anwendung bidirektional oder in einer der beiden Richtungen einseitig sein. Bevorzugt ist jedoch die bidirektionale Verbindung, da so die erfinderische Anordnung der Multielektrode 1 innerhalb eines Sulcus 2c am besten ausgenutzt werden kann.
Stellvertretend für die Vielzahl an Anwendungsvarianten, bei denen die Multielektrode 1 an unterschiedlichen Hirnarealen eingesetzt wird, wird im folgenden weiter ein Einsatz im zentralen Sulcus 2c zwischen dem somatosensorischen Kortex 2a und dem primären motorischen Kortex 2b beschrieben. Das ist keineswegs einschränkend zu verstehen. Die Erfindung umfasst auch die Möglichkeit, jedes beliebige andere Gehirnareal zu stimulieren und/oder abzuleiten.
Für den Effektor 6 kommen dann im Wesentlichen drei Gruppen in Betracht: ein mechanisches Gerät wie ein Roboter, Roboterarm oder eine Prothese, ein eigenes Körperteil oder ein durch virtuellen Befehl eines Rechners angesteuertes elektrisches Gerät wie ein Computer, ein Mobilfunkgerät, ein Haushaltsgerät oder dergleichen.
Der erste Fall einer Prothese, also einer künstlichen Nachbildung eines Körperteils, wird im Folgenden anhand einer schematisch in 4 dargestellten Handprothese näher erläutert. Selbstverständlich kann jede Art von Prothese angesteuert werden, es sind auch eher absurd anmutende Ansteuerungen wie die eines dritten Armes oder Beines denkbar.
Über eine Effektoreingangsleitung 6a1 werden die Effektorsteuerungssignale von dem System 5 an den Effektor 6 übertragen.
Die Prothese weist ein Rotationssystem 6b1 zum Drehen der Hand auf. Eine Steuerung eines Motors des Rotationssystems 6b1 dreht die Prothese entsprechend den Effektorsteuerungssignalen. Außerdem weist die Prothese ein Greifsystem 6b2 mit Motor und Steuerung auf, das den Effektorsteuerungssignalen entsprechende Öffnungs- und Schließbewegungen eines Fingerteils der Hand ausführt. Es sollte erwähnt werden, dass zweckmäßigerweise nicht unbedingt versucht wird, alle Steuerungsdetails aus den neuronalen Daten zu ermitteln. Stattdessen könnte System 5 auch nur die Art der intendierten Bewegung vorhersagen und dann selbstständig die erforderlichen Einzelschritte bestimmen.
Für die Generierung eines funktionellen Feedbacks an das Gehirn sind an dem Fingerteil Drucksensoren 6c angebracht. Deren ermittelte Effektorzustandssignale werden über eine Effektorausgangsleitung 6a2 an das System 5 zurückgegeben.
Schließlich ist die Prothese noch von einer Verkleidung umgeben, die zweckmäßigerweise das Aussehen einer menschlichen Hand nachahmt. Anzumerken ist, dass eine Handprothese hier nicht auf das Öffnen und Schließen beschränkt ist, sondern mit technisch fortgeschritteneren Prothesen im Rahmen der Erfindung auch die Durchführung komplexerer Bewegungen möglich ist.
Weiter ist es möglich, mit einer Arm-/Handprothese auf diese Weise sämtliche natürliche Bewegungen eines Armes und/oder einer Hand zu ermöglichen und mit Hilfe geeigneter Sensoren wie Bewegungs-, Abstands- oder Temperatursensoren sowohl die Lageempfindung (oder Propriozeption, also die Kenntnis der Lage des Armes auch bei geschlossenen Augen) als auch den Tastsinn, die Wärmeempfindung etc. des Armes wiederherzustellen.
In der zweiten Gruppe möglicher Effektoren 6 mit besonderer Bedeutung werden eigene Körperteile über funktionelle Elektrostimulation als Effektor 6 angesteuert, sofern nur die neuronale Verbindung zwischen Gehirn und dem Körperteil unterbrochen ist. Dabei werden entweder noch intakte Nervenzellen des Körperteils oder unmittelbar dessen Muskelfasern stimuliert. Ein Feedback kann ebenfalls entweder über noch intakte körpereigene Druck-, Dehnungs-, u.a. Rezeptoren oder, in einer Art Hybrid, mittels unterstützender Sensoren erfolgen, wie oben für den Fall der Prothesensteuerung beschrieben. Ebenso ist auch im Falle von unvollständigen Lähmungen, bei denen noch eine (schwache) Restbewegungsfähigkeit vorhanden ist, die Unterstützung dieser residuellen Bewegungen durch von Motoren getriebenen mechanischen Vorrichtungen denkbar.
Die dritte Gruppe der "virtuellen" Effektoren 6 ist besonders groß. Damit kann ein Computercursor oder eine Menüauswahl, aber auch das Einschalten des Lichts, das Absenden eines Notrufes etc. angesteuert werden. Denkbares Feedback wäre das Anschlagen eines Cursors am Zeilen- oder Seitenende oder eine Fehlermeldung jeder Art.
Besonders interessant ist die Steuerung einer virtuellen Prothese. Dabei wird ein Körperteil dreidimensional auf einem Bildschirm dargestellt und durch neuronale Aktivität des Patienten oder Probanden gesteuert. Durch Interaktion mit einer virtuellen Umgebung kann die Prothese auch anstoßen oder sich erwärmen. Derartige Ereignisse werden per neuronaler Stimulation zurückgemeldet. Insgesamt lässt sich damit eine Prothese trainieren und kalibrieren. Eine Rückmeldung durch Stimulation oder durch Beobachtung des Effektors kann, das gilt für die Kalibrierung mittels der virtuellen wie für diejenige einer physischen Prothese, die Ansteuerung aufgrund der Lern- und Anpassungsfähigkeit neuronaler Aktivitäten (der neuronalen Plastizität) stark verbessern.
Wenn man solche Steuerungs- und Stimulationsdaten einmal in computerverarbeitbarer Form zur Verfügung hat, ist man natürlich dank des Internets oder ähnlicher Netzwerke nicht mehr auf räumliche Nähe angewiesen. Die anzusteuernden Effektoren müssen sich deshalb nicht in unmittelbarer räumlicher Nähe/Verbindung zu dem den Effektor steuernden Individuum befinden. So könnte eine Prothese oder ein Roboter virtuell dargestellt und gesteuert werden, die tatsächlich an einem anderen Ort stehen. Anwendungen in der Medizin, bei der ein Chirurg aus der Ferne operiert, beim Militär, das Roboter hochpräzise steuern kann, ohne Menschen in Gefahr zu bringen, oder in Verseuchungs- oder sonst unzugänglichen Gebieten wie Kernkraftwerken, der Tiefsee, dem All sind denkbar. Zwar mag auf den ersten Blick die Operation und der Eingriff in den Schädel solche Anwendungen absurd erscheinen lassen. Durch die schonende und verträgliche Multielektrode 1 der Erfindung ist die Akzeptanz aber ganz wesentlich erhöht. Schon heute werden Chips in den Arm implantiert, um so profane Dinge wie den Eintritt in eine Diskothek zu ermöglichen. Es wird deshalb in Zukunft Anwendungsfälle geben, in denen die Risiko/Nutzenabwägung auch ohne eine schwere Krankheit nicht mehr den Einsatz der Multielektrode 1 ausschließt.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Signalschnittstelle 3. Alternativ könnte als Lösung eine Datenübertragung durch Kabel stattfinden, wie sie bisher in der neurochirurgischen Diagnostik standardmäßig angewendet wird. Eine dauerhafte Kabelverbindung durch die Körperoberfläche birgt allerdings ein erhöhtes Infektionsrisiko und ist auch unter kosmetischen und praktischen Gesichtspunkten wenig attraktiv. Bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Signalübertragung zwischen Elektrode und Verstärker durch induktive Energieübertragung ohne transkutane Kabelverbindung.
Das drahtlose Signalübertragungssystem 3 ist zweigeteilt in je einen Anteil oberhalb und unterhalb der Hautoberfläche 3a. Von der äußeren Sende/Empfangseinheit außerhalb des Körpers, also hier oberhalb der Hautoberfläche 3a dargestellt, ist nur stellvertretend eine Spule 3b gezeigt. Ob diese äußere Sende/Empfangseinheit lediglich Daten an den Verstärker 4 oder das Rechnersystem 5 drahtlos oder per direkter Kabelverbindung vermittelt oder selbst Verstärker 4 und/oder Rechnersystem 5 teilweise oder vollständig in einem auf der Schädeloberfläche aufsitzenden mobilen Chip enthält, ist wesentlich eine Frage der Komplexität der Anwendung. Derzeit ist zumindest eine kompakte Sende/Empfangseinheit an einen externen Verstärker 4 bzw. ein Rechnersystem 5 über nahezu beliebige Entfernungen (Mobilfunk, Bluetooth, WLAN) technisch ohne weiteres möglich.
Die genannten Übertragungswege können auch für den Datenaustausch mit dem Effektor 6 genutzt werden. Im Falle einer Ansteuerung eines gelähmten natürlichen Körperteils kann eine weitere zweiteilige Signalübertragungsschnittstelle ähnlich der hier beschriebenen in dem jeweiligen Körperteil eingesetzt werden. Da die äußere Sende/Empfangseinheit leicht zugänglich ist, kann sie auch der fortschreitenden Technik angepasst bzw. ausgetauscht werden, ohne dass ein erneuter operativer Eingriff erforderlich wird.
Unterhalb der Hautoberfläche 3a ist als Gegenstück zu der äußeren Sende/Empfangseinheit ein Multifunktionschip 3c als innere Sende/Empfangseinheit eingesetzt. Dieser Multifunktionschip 3c weist eine Empfängereinheit 3c1, eine Sendereinheit 3c2 und optional eine Batterieeinheit 3c3 auf. Über das Kabel 1b werden die Signale von und zu den Elektroden 1c, 1d des Trägers 1a der Sendereinheit 3c2 bzw. der Empfangseinheit 3c1 zugeführt.
Im Betrieb überträgt die Spule 3b der äußeren Sende/Empfangseinheit Energie und Stimulationssignale induktiv über Hochfrequenzsignale an die Empfangseinheit 3c1. Der Multifunktionschip 3c bestimmt die aufmodulierten Stimulationssignale in aus der Nachrichtentechnik bekannter Weise und leitet sie über das Kabel 1b weiter an die Elektroden 1d des Trägers 1a. Die Energie für die erforderlichen Rechenoperationen von Steuerungseinheiten in dem Multifunktionschip 3c werden aus den Hochfrequenzsignalen bezogen. Alternativ kann Batterie 3c3 bzw. ein Akkumulator induktiv über die Hochfrequenzsignale aufgeladen werden, so dass die Energieversorgung zeitlich von der Übertragung an der Schnittstelle entkoppelt ist. Dabei ist natürlich zwischen Auflade- und Stimulationssignalen zu trennen, etwa durch Zeitfenster oder durch getrennte Frequenzbänder.
Umgekehrt werden Signale der Messelektroden 1c über das Kabel 1b an die Sendereinheit 3c2 übertragen und dort, bevorzugt im Signalband von 402-405 MHz des MICS (Medical Implantable Service Band), auf die Spule 3b oder ein für den Empfang ausgelegtes Gegenstück der nur stellvertretend dargestellten Spule 3b übertragen.
Bisher wurde die Übertragungsschnittstelle so beschrieben, dass die Sendeleistung der Sendeeinheit 3c2 nur bis zu der Spule 3b der äußere Sende/Empfangseinheit reicht. Alternativ könnte die Sendeeinheit 3c2 auch direkt an den Verstärker 4 senden, der möglicherweise sogar nicht auf der Schädeloberfläche aufsitzt. In diesem Fall ist die Energieversorgung des Multifunktionschips 3c entweder durch langlebige Batterien (derzeit technisch nicht zufriedenstellend) oder eine Auflademöglichkeit etwa in der beschriebenen Weise durch Induktion sicherzustellen. 6 zeigt eine beispielhafte Schemadarstellung der Umrechnung von neuronalen Signalen in Effektorsteuerungssignale. Auf der linken Seite sind beispielhaft drei Spannungsverläufe von drei Elektroden 1c gezeigt. Diese Spannungssignale werden zunächst als Eingangssignale im Verstärker 4 verstärkt und gefiltert. Die Filterfunktionalität kann auch in dem System 5 lokalisiert sein. Als eine beispielhafte Filtermethode – weitere sind oben im Zusammenhang mit dem Verstärker 4 genannt – werden die Spannungssignale in einem Bandpass gefiltert, anschließend über kleine Zeitfenster gemittelt und in kurze Zeitfenster eingeteilt. Die Aktivität wird darin mittels mathematischer Verfahren ausgewertet, typischerweise durch: (1) Vorverarbeitung der Signale, bspw. a) Filterung (z.B. Tiefpass oder Bandpass), b) Zeit-Frequenzanalyse (z.B. Fourier-Transformation oder Multi-Tapering) und/oder c) Binnung und Mittelung im Zeitbereich; (2) Dekodierung der vorverarbeiteten Signalem bspw. Diskriminantenanalyse (lineare, quadratische oder regularisierte) oder Support-Vektor-Maschine (linear oder radial basis function). Die genannten Methoden sind nicht erschöpfend. Insbesondere zur Dekodierung koninuierlicher Bewegungen sind andere als die genannten Diskriminantenanalyse und Support-Vektor-Machine zu verwenden, beispielsweise lineare Filter oder Kalman-Filter.
Das Ergebnis sind die rechts dargestellten Effektorsteuerungssignale, wobei hier beispielhaft zwei Effektoreinrichtungen, etwa zwei Motoren, und deren aufzubringende Leistung entsprechend ihrer Drehgeschwindigkeit dargestellt sind.
Selbstverständlich ist die Auswertung alles andere als einfach. Dennoch kennt der Fachmann einsatzbereite Verfahren, auch wenn ständig neue hinzukommen oder bestehende verbessert und weiterentwickelt werden. Auch sollte vor dem Einsatz des Systems 5 eine Trainingsphase erfolgen, in welcher der Patient lernt, mit dem System 1-6 umzugehen und umgekehrt das System 5 kalibriert wird.
7 zeigt den umgekehrten Datenweg in einer beispielhaften Schemadarstellung der Umrechnung von Feedbackdaten eines Effektors in Stimulationssignale für die Elektroden. Links sind Aktivierungsintensitäten verschiedener Drucksensoren und Motoren gegen die Zeit aufgetragen. Diese Aktivierungsintensitäten werden als Effektorzustandssignale dem System 5 übergeben. Dort werden tonische Drucksignale bzw. Motoraktivierung in phasisch-tonisch hochfrequente Stimulationssignale umgerechnet. Diese Stimulationssignale, wie rechts als zeitliche Spannungsverläufe dargestellt, werden jeweils auf eine oder mehrere Elektroden 1d übermittelt, die mit den benachbarten und wegen des gezielten Einsetzens des Trägers 1a auch für den Reiz zuständigen Neuronen in elektromagnetischer Wechselwirkung stehen bzw. diese stimulieren. Bei der Kalibrierung dieses Systems ist die Mitarbeit des Patienten hilfreich, der seine Empfindungen bei Stimulation durch verschiedene Gruppen von Elektroden äußert. Wie bereits im Zusammenhang mit der Umrechnung der Messsignale gesagt, ist auch hier die Entwicklung mit ständiger Verbesserung im Fluss.
Abschließend sollen noch einmal die Vorteile der Erfindung in einer kurzen Zusammenfassung erläutert werden:
Viele Bereiche des menschlichen Kortex liegen nicht an der Oberfläche, sondern sind in Furchen, Sulci, verborgen. In ihrer Form angepasste Elektroden können hier ohne Gewebe zu verdrängen eingeschoben werden. Besonders relevant kann dies für eine bevorzugte Ausführungsform im somatosensorischen Kortex und Motorkortex sein, weil große Teile des primären motorischen Kortex (welcher eine zentrale Rolle bei der Ausführung von Willkürbewegungen spielt und dessen neuronale Bewegungskodierung am besten untersucht ist) im so genannten zentralen Sulcus verborgen liegen. Auf diese Weise werden also Anteile des Kortex, die in der Tiefe der einzelnen Hirnwindungen verborgen liegen (incl. des für die Steuerung willkürlicher Hand- und Armbewegungen besonders wichtigen Anteils des sog. Brodmann Areals 4) erreichbar.
Eine hier implantierte Elektrode besitzt zudem den Vorteil, das sich der primäre somatosensorische Kortex (welcher propriozeptive Signale empfängt und verarbeitet und somit zur Bewegungswahrnehmung beiträgt) direkt gegenüber des motorischen Kortex befindet, und zwar mit der gleichen somatotopischen Anordnung (d.h. dem zur Bewegungsausführung verantwortlichen Bereich, bspw. der Hand, gegenüber liegt, möglicherweise mit einer Verschiebung, der für die entsprechende Wahrnehmung der Bewegung der Hand verantwortliche Bereich). Eine motorische Prothese, die von einer hier intrasulcal implantierten Elektrode gesteuert wird, ermöglicht somit zusätzlich sensorische Rückmeldungen über die gleiche Elektrode. Damit ist auf einfache und für einen Patienten sehr schonende und verträgliche Weise sogar die Voraussetzung für eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht.

1: Multielektrode
1a: Träger
1b: Kabel
1c: (Ableit)elektroden
1d: (Stimulations)Elektroden
1e: Leiterbahnen
2: Großhirn/Kortex
2a: somatosensorische Kortex
2b: primärer motorischer Kortex
3: Signalschnittstelle
3a: Hautoberfläche
3b: Spule der äußeren Sende/Empfangseinheit
3c: Multifunktionschip
3c1: Empfangseinheit
3c2: Sendeeinheit
3c3: Batterie/Akkumulator
4: Verstärker
5: System zur Auswertung und zentralen Steuerung
6: Effektor
6a1: Effektoreingangsleitung
6a2: Effektorausgangsleitung
6b1: Rotationssystem
6b2: Greifsystem
6c: Drucksensoren
6d: Verkleidung

Claims

Sonde zur Datenübertragung zwischen einem Gehirn (2) und einer Datenverarbeitungsvorrichtung (5), wobei die Sonde einen Träger (1a) mit darauf angebrachten Elektroden (1c, 1d) aufweist, die in elektromagnetische Wechselwirkung mit Neuronen des Gehirns (2) gebracht werden können und die mit der Datenverarbeitungseinrichtung (5) koppelbar sind, wobei der Träger (1a) in seiner Form an eine innere Oberfläche des Gehirns (2) derart anpassbar ist, dass er in einem Innenraum eines Sulcus (2c) des Gehirns (2) eingesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1a) flexibel ausgestaltet ist und zwei einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist, an denen jeweils eine erste bzw. zweite Gruppe der Elektroden (1c, 1d) angebracht ist, wobei die Elektroden (1c, 1d) als nicht in das Hirngewebe eindringende Kontaktpunkte ausgestaltet sind, derart, dass die erste Gruppe (1c) mit Neuronen einer ersten Seitenwand (2a) des Sulcus (2c) und die zweite Gruppe (1d) mit Neuronen einer zweiten Seitenwand (2b) des Sulcus (2c) in elektromagnetische Wechselwirkung kommen können, wobei die Elektroden (1c, 1d) in ihrer Anordnung an die Morphologie der ersten Seitenwand (2a) bzw. der zweiten Seitenwand (2b) angepasst sind.
Sonde nach Anspruch 1, wobei die erste Gruppe (1c) Ableitelektroden und die zweite Gruppe (1d) Stimulationselektroden aufweist.
Sonde nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Träger (1a) Polyimid oder Silikon aufweist.
Sonde nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Elektroden (1c, 1d) mit einer Dichte zwischen einem und 1.000 Elektrodenkontakten pro cm² auf dem Träger (1a) aufgebracht sind.
Sonde nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Elektroden (1c, 1d) Gold, Platin, eine metallische Legierung, leitenden Kunststoff oder Halbleitermaterialien aufweisen.
Einrichtung zur Datenübertragung zwischen einem Gehirn (2) eines Lebewesens und einer Datenverarbeitungsvorrichtung (5), welche zumindest eine Sonde gemäß einem der vorherigen Ansprüche und eine Auswerteeinrichtung (5) aufweist, welche dafür ausgebildet ist, Signale der Elektroden (1, 1c, 1d) in für die Datenverarbeitungsvorrichtung (5) verarbeitbare Neuronensignale und/oder Ausgangssignale der Datenverarbeitungsvorrichtung (5) in Stimulationssignale für die Elektroden (1, 1c, 1d) umzuwandeln.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinrichtung (5) dafür ausgebildet ist, einen ersten Teil der Elektroden (1c) mittels Auslesen der Eingangssignale als Ableitelektroden und einen zweiten Teil der Elektroden (1d) mittels Zufuhren der Ausgangssignale als Stimulationselektroden anzusteuern, so dass ein bidirektionaler Datenaustausch ermöglicht ist.
Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Auswerteeinrichtung (5) zusätzlich als Effektorsteuerung eines anschließbaren Effektors (6) ausgebildet ist und unter Einbeziehung der Eingangssignale Effektorsteuersignale für den Effektor (6) und/oder unter Einbeziehung von Effektorzustandsignalen des Effektors (6) die Stimulationssignale berechnet.
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei – der Effektor eine Prothese (6) ist; – die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind; – die Effektorsteuersignale Bewegungsparameter (6b1, 6b2) der Prothese (6) beeinflussen und – die Effektorzustandssignale Stellungs-, Bewegungs- und/oder Zustandsparameter weiterer Sensoren wie Druck-, Berührungs-, Abstands- oder Temperatursensoren (6c) sind, so dass das Gehirn (2) die Bewegung der Prothese (6) steuern kann und unmittelbare somatosensorische Rückmeldung über die Bewegung sowie die Umgebung der Prothese (6) erhält.
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei – der Effektor (6) ein Körperteil des Lebewesens ist; – die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind; – die Effektorsteuersignale Motorneuronen oder Muskelfasern des Körperteils beeinflussen und – die Effektorzustandssignale Signale von Rezeptoren oder Rezeptorneuronen des Körperteils und/oder Stellungs-, Bewegungs- und/oder Zustandsparameter weiterer Sensoren wie Druck-, Berührungs-, Abstands- oder Temperatursensoren sind, so dass das Gehirn (2) die Bewegung des Körperteils (6) steuern kann und unmittelbare somatosensorische Rückmeldung über die Bewegung sowie die Umgebung des Körperteils (6) erhält.
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei – der Effektor ein Rechner (6) insbesondere mit einer Anzeige ist; – die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind; – die Effektorsteuersignale virtuelle, insbesondere auf der Anzeige dargestellte Bewegungen oder Funktionen in dem Rechner (6) beeinflussen und – die Auswerteeinrichtung (5) unter Einbeziehung der virtuellen Bewegung oder der Funktion die Effektorzustandssignale errechnet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei ein Verstärker (4) vorgesehen ist, der für die Verstärkung und Filterung von den Eingangssignalen zu vorverarbeiteten Eingangssignalen und/oder von den Ausgangssignalen zu den Stimulationssignalen ausgebildet ist.
Verfahren zur Datenübertragung zwischen einer Datenverarbeitungsvorrichtung (5) und einem Gehirn (2) eines Lebewesens, bei dem eine Sonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Sulcus eingesetzt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Erfassen von Aktivitätssignalen und/oder Stimulieren von Neuronen, jeweils durch elektromagnetische Wechselwirkung mit Neuronen des Gehirns (2); – Umwandeln der erfassten Signale von den Elektroden (1, 1c, 1d) in für das Rechnersystem (5) verarbeitbare Neuronensignale und/oder von Ausgangssignalen des Rechnersystems (5) in Stimulationssignale für die Elektroden (1, 1c, 1d).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zur Effektorsteuerung eines angeschlossenen Effektors (6) unter Einbeziehung der Eingangssignale Effektorsteuersignale für den Effektor (6) und/oder unter Einbeziehung von Effektorzustandsignalen des Effektors (6) die Stimulationssignale berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei – der Effektor eine Prothese (6) ist; – die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind; – die Effektorsteuersignale Bewegungsparameter (6b1, 6b2) der Prothese (6) beeinflussen und – die Effektorzustandssignale Stellungs-, Bewegungs- und/oder Zustandsparameter weiterer Sensoren wie Druck-, Berührungs-, Abstands- oder Temperatursensoren (6c) sind, so dass das Gehirn (2) die Bewegung der Prothese (6) steuern kann und unmittelbare somatosensorische Rückmeldung über die Bewegung sowie die Umgebung der Prothese (6) erhält.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei – der Effektor (6) ein Körperteil des Lebewesens ist; – die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im Motorkortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind; – die Effektorsteuersignale Motorneuronen oder Muskelfasern des Körperteils beeinflussen und – die Effektorzustandssignale Signale von Rezeptoren oder Rezeptorneuronen des Körperteils und/oder Stellungs-, Bewegungs- und/oder Zustandsparameter weiterer Sensoren wie Druck-, Berührungs-, Abstands- oder Temperatursensoren sind, so dass das Gehirn (2) die Bewegung des Körperteils (6) steuern kann und unmittelbare somatosensorische Rückmeldung über die Bewegung sowie die Umgebung des Körperteils (6) erhält.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei – der Effektor ein Rechner (6) insbesondere mit einer Anzeige ist; – die Eingangssignale diejenigen von Neuronen im motorischen Kortex und die Stimulationssignale für Neuronen im somatosensorischen Kortex sind; – die Effektorsteuersignale virtuelle, insbesondere auf der Anzeige dargestellte Bewegungen oder Funktionen in dem Rechner (6) beeinflussen und – die Auswerteeinrichtung (5) unter Einbeziehung der virtuellen Bewegung oder der Funktion die Effektorzustandssignale errechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei durch Verstärkung und Filterung die Eingangssignale zu vorverarbeiteten Eingangssignalen und/oder die Ausgangssignale zu den Stimulationssignalen umgewandelt werden.