DE102007003799A1

DE102007003799A1 - Implantat zur Stimulation von Nervenzellen

Info

Publication number: DE102007003799A1
Application number: DE102007003799A
Authority: DE
Inventors: Peter Tass; Walter DÖLL; Urban Schnell
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; ANM Adaptive Neuromodulation GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; ANM Adaptive Neuromodulation GmbH
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-07-31
Also published as: WO2008089726A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Implantat (10) mit einer Empfangseinheit (11) zum drahtlosen Empfangen von Steuersignalen, einer mit der Empfangseinheit (11) verbundenen Generatoreinheit (12) zum Erzeugen und einer mit der Generatoreinheit (12) verbundenen Stimulationseinheit (13) zur Stimulation von Nervenzellen mit den Stimulationssignalen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Implantat zur Stimulation von Nervenzellen. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein das Implantat umfassendes Stimulationssystem und ein Verfahren zur Stimulation von Nervenzellen.
Zur Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen werden Elektroden im Nervensystem, insbesondere im Gehirn, implantiert. Herkömmliche Stimulationssysteme applizieren über die Elektroden Stimulationssignale beispielsweise dauerhaft oder bedarfsgesteuert. Bei der dauerhaften Stimulation erfolgt meist keine Messung von Signalen, welche vom Nervensystem abgeleitet werden. Bei der bedarfsgesteuerten Stimulationsform werden über im Nervensystem implantierte Elektroden Messsignale aufgenommen, die eine Detektion krankhafter Ereignisse ermöglichen und deren Detektion eine Stimulation auslöst. Ziel sowohl der dauerhaften als auch der bedarfsgesteuerten Stimulation ist es, krankhafte Symptome dauerhaft bzw. bei deren Auftreten zu unterdrücken.
Vor diesem Hintergrund werden ein Implantat gemäß Anspruch 1, ein Stimulationssystem gemäß Anspruch 18 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 22 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Implantat eine Empfangseinheit, eine Generatoreinheit und eine Stimulationseinheit. Die Empfangseinheit empfängt drahtlos Steuersignale, anhand welcher die Generatoreinheit Stimulationssignale erzeugt. Die Stimulationssignale werden von der Stimulationseinheit zur Stimulation von Nervenzellen verwendet.
Das Implantat kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung Teil eines Stimulationssystems sein. Das Stimulationssystem umfasst des Weiteren eine Steuervorrichtung mit einer weiteren Generatoreinheit zum Erzeugen der Steuersignale und eine Sendeeinheit zum drahtlosen Versenden der Steuersignale, die anschließend von der Empfangseinheit des Implantats empfangen werden. Das Implantat des Stimulationssystems kann die Ausgestaltungen aufweisen, die in den auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen genannt sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem Steuersignale erzeugt, drahtlos versendet und empfangen werden. Anhand der empfangenen Steuersignale werden Stimulationssignale erzeugt, mit denen Nervenzellen stimuliert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Implantats 10 als Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Stimulationssystems 20 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Stimulationssystems 40 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Stimulationssystems 70 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Stimulations- und Messelektrode 100;
6 eine schematische Darstellung eines Pulszugs 110;
7 eine schematische Darstellung von Sequenzen 120 und 121 von Pulszügen;
8 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises 130 eines Implantats als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises 150 eines Implantats als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist schematisch ein Implantat 10 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Implantat 10 weist eine Empfangseinheit 11, eine Generatoreinheit 12 und eine Stimulationseinheit 13 auf. Während des Betriebs des Implantats 10 empfängt die Empfangseinheit 11 drahtlos Steuersignale. Mit den Steuersignalen wird die Generatoreinheit 12 gespeist, die anhand der Steuersignale Stimulationssignale generiert. Die Stimulationssignale werden von der Stimulationseinheit 13 zur Stimulation von Nervenzellen, insbesondere von Hirnzellen, verwendet.
In 2 ist schematisch ein Stimulationssystem 20 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Stimulationssystem 20 umfasst neben dem vorstehend beschriebenen Implantat 10 eine Steuervorrichtung 30. Die Steuervorrichtung 30 besteht aus einer Generatoreinheit 31 zum Erzeugen von Steuersignalen und einer Sendeeinheit 32, welche die von der Generatoreinheit 32 erzeugten Steuersignale drahtlos aussendet. Die ausgesendeten Steuersignale werden von der Empfangseinheit 11 empfangen und wie oben erläutert weiterverarbeitet.
In 3 ist schematisch ein Stimulationssystem 40 gezeigt, das eine Weiterbildung des in 2 dargestellten Stimulationssystems 20 darstellt. Sowohl das Implantat 50 als auch die Steuervorrichtung 60 enthalten eine Sende- und Empfangseinheit 51 bzw. 62, welche einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Implantat 50 und der Steuervorrichtung 60 ermöglichen. In die Stimulationseinheit 53 ist ferner eine Messeinheit integriert, die Messsignale von Nervenzellverbänden, beispielsweise deren neuronale Aktivität, aufnimmt. Die Messsignale werden von der Sende- und Empfangseinheit 51 drahtlos an die Sende- und Empfangseinheit 62 übertragen und anschließend in der Generatoreinheit 61 weiterverarbeitet.
In 4 ist ein Stimulationssystem 70 während seines bestimmungsgemäßen Betriebs dargestellt. Dazu ist ein Implantat 80 in den Kopf eines Patienten implantiert worden. Das Implantat 80 besteht aus einer Spule 81 als Sende- und Empfangseinheit, einer Generatoreinheit 82 und einer Elektrode 83 als Stimulations- und Messeinheit, die in das Gehirn eingepflanzt worden ist. Eine Steuervorrichtung 90 ist nicht in den Patienten implantiert worden und ist wie ein Hörgerät abnehmbar hinter dem Ohr des Patienten befestigt („behind the ear"; BTE). Die Steuervorrichtung 90 umfasst eine Generatoreinheit 91 und eine als Sende- und Empfangseinheit ausgelegte Spule 92. Die Spule 81 ist typischerweise so implantiert, dass sie sich direkt unter der Haut des Patienten befindet. Die Spule 92 wird von außerhalb in die Nähe der Spule 81 gebracht oder direkt auf die Spule 81 aufgebracht. In letzterem Fall befindet sich zwischen den beiden Spulen 81 und 92 nur die Haut des Patienten. Die beiden Spulen 81 und 92 wirken als Transformator, mittels dem durch Induktion hochfrequente Signale und elektrische Leistung übertragen werden.
Während die Steuervorrichtung 90 einen wiederaufladbaren Akkumulator oder vorzugsweise eine auswechselbare Batterie zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung enthält, ist bei dem Implantat 80 typischerweise keine auswechselbare Batterie vorgesehen, um häufige Operationen des Patienten zum Auswechseln der Batterie zu vermeiden. Stattdessen kann das Implantat 80 eine Energiespeichereinheit, beispielsweise in Form eines Ladekondensators hoher Kapazität oder eines wiederaufladbaren Akkumulators, enthalten. Der Akkumulator ist darauf angewiesen, dass er in regelmäßigen Abständen aufgeladen wird. Die dazu benötigte Energie wird dem Akkumulator von außerhalb zugeführt, indem von der Spule 92 mittels Induktion drahtlos Energie auf die Spule 81 übertragen wird. Batterien haben ein besseres Volumen-zu-Leistungs-Verhältnis und werden momentan bei BTEs den Akkumulatoren bevorzugt.
Die Steuervorrichtung 90 kann an ein Monitoring-System angeschlossen werden, zu welchem die von der Elektrode 83 aufgenommenen Messsignale telemetrisch übertragen werden. Mittels des Monitoring-Systems kann ein Arzt den Erfolg der Stimulation und den Verlauf der Erkrankung anhand der gemessenen neuronalen Aktivität und deren Reaktion auf Stimulation verfolgen. Die Überwachung der neuronalen Aktivität ermöglicht ferner die Modifizierung der Stimulationsparameter in Abhängigkeit von der gemessenen neuronalen Aktivität.
Das in 4 gezeigte Stimulationssystem 70 weist eine Elektrode 83 zur Stimulation und zur Messung der neuronalen Aktivität auf. Alternativ kann auch mehr als eine Elektrode vorgesehen sein, wobei die Elektroden im Gehirn an unterschiedlichen Stellen eingepflanzt werden. Ein möglicher Aufbau einer derartigen Stimulations- und Messelektrode 100 ist in 5 dargestellt. Die Elektrode 100 besteht aus einem isolierten Elektrodenschaft 101 und mindestens einer, beispielsweise mehr als drei oder mehr als zehn Stimulationskontaktflächen 102, die in den Elektrodenschaft 101 eingebracht worden sind. Die Stimulationskontaktflächen 102 sind aus eifern elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, gefertigt und befinden sich nach der Implantation in direktem elektrischen Kontakt mit dem Nervengewebe. Jede der Stimulationskontaktflächen 102 kann über eine eigene Zuleitung 103 angesteuert werden bzw. es können über die Zuleitungen 103 die aufgenommenen Messsignale abgeführt werden. Neben den Stimulationskontaktflächen 102 weist die Elektrode 100 eine Referenzelektrode 104 auf, deren Oberfläche typischerweise größer als die der Stimulationskontaktflächen 102 ist. Die Referenzelektrode 104 wird bei der Stimulation des Nervengewebes zur Erzeugung eines Referenzpotentials eingesetzt. Alternativ kann auch eine der Stimulationskontaktflächen 102 zu diesem Zweck verwendet werden.
Im Folgenden werden die Funktionsweisen der in den 1 bis 4 gezeigten Implantate und Stimulationssysteme sowie die mit diesen Geräten erzielbaren Ergebnisse erläutert. Die hier vorgestellten Geräte sind dazu entwickelt worden, neurologische und psychiatrische Erkrankungen durch Reizung mit elektrischen Signalen zu behandeln. Bei Patienten mit neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen, wie z. B. Morbus Parkinson, essentiellem Tremor, Dystonie, Epilepsie, Tremor infolge von Multipler Sklerose sowie anderen pathologischen Tremores, Depression, Zwangserkrankungen, Tourette-Syndrom, Dysfunktionen nach Schlaganfall oder Tinnitus, sind Nervenzellenverbände in umschriebenen Bereichen des Gehirns, z. B. des Thalamus und der Basalganglien, krankhaft aktiv, beispielsweise übersteigert synchron. In diesem Fall bildet eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d. h., die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Beim gesunden Patienten feuern die Neuronen in diesen Hirngebieten qualitativ anders, z. B. auf unkorrelierte Weise.
Bei den hier beschriebenen Implantaten und Stimulationssystemen geht es nicht darum, durch dauerhafte oder bedarfsgesteuerte Reizung der Hirnzellen Symptome zu unterdrücken. Vielmehr werden durch zeitweise Reizung (z. B. über ein bis sechs oder auch bis zu zwölf Stunden) mit geeigneten Stimulationsarten die Nervenzellverbände so umgebaut, dass diese im Laufe der Behandlung die Neigung, krankhafte Aktivität zu generieren, lang anhaltend oder sogar dauerhaft verlernen.
Überraschenderweise bewirken die hier beschriebenen Implantate und Stimulationssysteme selbst bei schwer betroffenen Par kinsonpatienten mit ausgeprägter Akinese bzw. ausgeprägten on-off-Fluktuationen, bei denen die Standard-Hochfrequenz-Stimulation auch nachts dauerhaft appliziert werden muss, lang anhaltende therapeutische Effekte nach nur vergleichsweise kurzer Stimulation während z. B. wenigen Stunden tagsüber. Die therapeutischen Effekte halten anschließend mehrere Tage oder sogar noch länger an, wobei im Laufe der Behandlung ein akkumulierender Effekt der therapeutischen Wirkung auftritt, sodass die Länge der benötigten Stimulationsintervalle sogar noch weiter gesenkt werden kann.
Aufgrund der lang anhaltenden therapeutischen Effekte muss keine Dauerstimulation durchgeführt werden. Bei Dauerstimulationen kann es durch den hohen Ladungseintrag und die damit verbundene Stimulation von umgebendem Gewebe zu Nebenwirkungen kommen, die für den Patienten sehr belastend sein können. Zudem stört die dauerhafte Reizung die physiologische (normale) Informationsverarbeitung, da die stimulierten Nervenzellverbände nicht „frei und ungestört" arbeiten können, sondern permanent in ihrer Entladungsdynamik vom Stimulator beeinflusst werden. Eine dauerhafte Stimulation ist z. B. bei Parkinsonpatienten, die mit tiefer Hirnstimulation behandelt werden und zur Akinese neigen, selbst nachts nötig, da die Patienten sich sonst nicht mehr bewegen und von einer Seite auf die andere drehen können und somit bewegungsunfähig an das Bett gefesselt sind. Dies betrifft die große Gruppe der Parkinsonpatienten mit Akinese und Rigor sowie insbesondere die Parkinsonpatienten mit on-off-Fluktuationen, bei denen Phasen mit unkontrollierten Überbewegungen und Phasen mit verminderter Beweglichkeit oder sogar einem Einfrieren (freezing) einander abwechseln.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf eine bedarfsgesteuerte Stimulation verzichtet werden kann. Typischerweise sollen bei der bedarfsgesteuerten Stimulation eine oder mehrere Arten krankhafter Ereignisse in den abgeleiteten Messsignalen detektiert werden. Sobald derartige Er eignisse detektiert werden, verabreicht der Stimulator Reize, welche entweder stereotyp oder angepasst an die jeweilige Art des Ereignisses oder dessen Ausprägungsgrad sind. Dies setzt essentiell voraus, dass die Detektion krankhafter Ereignisse funktioniert. Tatsächlich aber ist die Detektion der pathologischen Ereignisse zum Teil schwierig. Noch schwieriger oder – z. B. im Fall der Epilepsien – sogar momentan noch unmöglich ist es, das Auftreten der pathologischen Ereignisse vorherzusagen. Letzteres würde es dem Stimulator ermöglichen, mit einem gewissen zeitlichen Vorlauf und damit eventuell effizienter zu stimulieren. Auch bei bedarfsgesteuerter Stimulation können Nebenwirkungen auftreten, vor allem wenn infolge ungenügender Detektion (zu hohe Rate an falsch positiven Ereignissen) z. B. zu häufig stimuliert wird.
Vorteil der hier beschriebenen Implantate ist des Weiteren ihre vergleichsweise geringe Größe, die darauf zurückzuführen ist, dass es sich um Halbimplantate handelt, bei denen ein Teil des Geräts, nämlich die Steuervorrichtung nicht implantiert wird. Ein kleineres Implantat verursacht ein kleineres Infektionsrisiko und ist für den Patienten optisch (kosmetisch) und/oder bzgl. der Eigenwahrnehmung weniger störend. Kleinere Implantate bergen außerdem im Fall eines Sturzes oder Unfalls ein geringeres Verletzungsrisiko.
Durch Platzierung des Implantats z. B. im Mastoiden können die Stimulationselektroden entlang der starren Schädeloberfläche verlegt werden, d. h. sie durchlaufen nicht den beweglichen Nackenbereich wie bei Brustimplantaten. Die damit verbundenen Vorteile sind eine verbesserte Einheilung, eine mechanische Entlastung der Elektrodenzuleitungen und eine geringere Wahrscheinlichkeit eines operativen Eingriffs zur Nachjustierung der Elektroden.
Ein mit halb implantierbaren Stimulationssystemen üblicherweise verbundener Nachteil wird durch die lang anhaltenden therapeutischen Effekte der erfindungsgemäßen Implantate be hoben. Da die erfindungsgemäßen Geräte infolge ihrer guten Stimulationswirkung nachts nicht getragen werden müssen, kann es zu keiner Dislokationen der Antenne während der Nacht kommen.
Ein lang anhaltender therapeutischer Umbau von Nervenzellverbänden – mit dem damit verbundenen Wegbleiben der Symptome – wird dadurch erreicht, dass so stimuliert wird, dass die Rate synaptischer Koinzidenzen, d. h. die Häufigkeit, mit der über Synapsen verbundene Nervenzellen gleichzeitig Aktionspotentiale oder Bursts (Gruppen von Aktionspotentialen) generieren, vermindert wird. Hierdurch verlernen die betroffenen Nervenzellverbände überraschenderweise die Tendenz zur Ausprägung der pathologischen Aktivität. Dabei werden krankhaft starke synaptische Verbindungen vermindert, und es bilden sich physiologische (gesunde) Muster der synaptischen Verschaltung der Neuronen wieder aus.
Diese lang anhaltende Wirkung tritt überraschenderweise auch ein, wenn die Stimulation nicht unmittelbar wirksam ist. D. h. unter Stimulation verschwinden die Symptome nicht unbedingt sofort; vielmehr klingen sie nach z. B. einer halben Stunde Stimulation langsam und zunehmend ab und bleiben dann auch nach Ausschalten des Stimulators für längere Zeit oder sogar dauerhaft weg.
Um diesen Effekt zu erzielen, müssen Stimulationstechniken verwendet werden, welche bewirken, dass die stimulierten Nervenzellverbände nicht mehr gleichzeitig feuern (d. h. Aktionspotentiale oder Bursts generieren) können. Hierzu werden über die Stimulationskontaktflächen in der nachfolgend beschriebenen Weise Reize an das Hirngewebe appliziert.
Damit möglichst effizient, aber dennoch sicher, d. h. ohne Gewebeschädigung, das Feuern der Nervenzellen in der Umgebung der jeweiligen Stimulationskontaktfläche ausgelöst wird, werden kurze Pulszüge (anstatt langer Einzelreize) verwendet.
Diese Pulszüge bestehen aus 1 bis 20, vorzugsweise 2 bis 10, elektrischen ladunsgbalancierten Einzelpulsen. Beispielhaft ist ein solcher Pulszug 110, der aus drei Einzelpulsen 111 besteht, in 6 gezeigt. Die Einzelpulse 111 werden mit einer Frequenz f oberhalb von 100 Hz wiederholt. Die Einzelpulse 111 sind Strompulse, die sich aus einem anfänglichen Pulsanteil 112 und einem sich daran anschließenden, in entgegengesetzter Richtung fließenden Pulsanteil 113 zusammensetzen. Die Dauer 114 des Pulsanteils 112 liegt im Bereich zwischen 40 μs und 400 μs, insbesondere im Bereich zwischen 60 μs und 120 μs und insbesondere zwischen 60 μs und 100 μs. Die Amplitude 115 des Pulsanteils 112 liegt im Bereich zwischen 0 mA und 10 mA, insbesondere zwischen 2 mA und 5 mA. Die Amplitude des Pulsanteils 113 ist geringer als die Amplitude 115 des Pulsanteils 112. Dafür ist die Dauer des Pulsanteils 113 länger als die des Pulsanteils 112. Die Pulsanteile 112 und 113 sind idealerweise so dimensioniert, dass die Ladung, welche durch sie übertragen wird, bei beiden Pulsanteilen gleich groß ist, d. h. die in 6 schraffiert eingezeichneten Flächen sind gleich groß. Im Ergebnis wird dadurch durch einen Einzelpuls 111 genauso viel Ladung in das Hirngewebe eingebracht, wie aus dem Hirngewebe entnommen wird.
Die in 6 dargestellte Rechteckform der Einzelpulse 111 stellt eine ideale Form dar. Je nach der Güte der die Einzelpulse 111 erzeugenden Elektronik wird von der idealen Rechteckform abgewichen.
Die Pulszüge werden über die einzelnen Stimulationskontaktflächen so appliziert, dass die zeitliche Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Reizungen (an unterschiedlichen Kontaktstellen) innerhalb einer Abfolge von Reizungen möglichst groß ist, und insbesondere Reizungen an verschiedenen Kontaktstellen vermieden werden. Dies kann u. a. auf folgende Weisen realisiert werden:

a) Die zeitliche Differenz zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Reizungen durch Pulszüge (an unterschiedlichen Kontaktstellen) ist konstant. Als vollständige Sequenz wird eine Abfolge von Reizungen verstanden, bei der nacheinander alle Kontaktstellen mit einem Pulszug gereizt werden. Als unvollständige Sequenz wird eine Abfolge von Reizungen verstanden, bei der nacheinander nicht alle Kontaktstellen mit einem Pulszug gereizt werden; es wird also mindestens eine Kontaktstelle ausgespart. Als redundante Sequenz wird eine Abfolge von Reizungen mit Pulszügen verstanden, bei der innerhalb einer Abfolge mindestens eine Kontaktstelle mindestens zweimal (aber nicht hintereinander) gereizt wird.

Eine Sequenz von Pulszügen kann im einfachsten Fall periodisch verabreicht werden, z. B. mit einer Frequenz im Bereich der pathologischen Frequenz, mit welcher die Neuronen krankheitsbedingt in bestimmten Bereichen des Gehirns synchron feuern, oder aber im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen der pathologischen Frequenz. Die Sequenz kann dabei so getaktet sein, dass die Abfolge der Reizungen mittels Pulszügen zeitlich eine mittlere Periode der krankhaften Aktivität überdeckt. Bei der periodischen Verabreichung einer Sequenz soll, um eine möglichst ausgeprägte Wirkung zu erzielen, von einer Sequenz zur nächsten die Reihenfolge der Aktivierung der einzelnen Kontaktstellen variiert werden. In 7 ist dies beispielhaft dargestellt. Bei zehn Stimulationskontaktflächen wird zwischen Zeitpunkten t₁ und t₁₀ in einer ersten Sequenz 120 die Reihenfolge der Stimulationskontaktflächen 5-1-10-8-6-2-9-4-3-7 gewählt und in einer zweiten Sequenz 121 die Reihenfolge 2-6-5-7-10-4-1-3-9-8. Zwischen zwei Sequenzen können beispielsweise auch Pausen der Länge von einer oder bis zu 10 Sequenzen eingehalten werden.
Jede der Sequenzen von Pulszügen kann beispielsweise während der mittleren Periodendauer der pathologischen Frequenz f_PF appliziert werden, d. h. aufeinander folgende Pulszug-Sequenzen werden mit einer Frequenz im Bereich der pathologi schen Frequenz f_PF appliziert. Falls innerhalb einer Pulszug-Sequenz N Kontaktflächen angesteuert werden, so werden zeitlich direkt aufeinander folgende Pulszüge mit einer Frequenz im Bereich von N·f_PF appliziert. Anstelle der pathologischen Frequenz f_PF können auch kleine ganzzahlige Vielfache, z. B. das Doppelte, Dreifache oder Vierfache, der pathologischen Frequenz f_PF gewählt werden. Die pathologische Frequenz beim Morbus Parkinson liegt bei ca. 5 Hz (bzw. im Bereich von 4,5 Hz bis 5,5 Hz). Bei Parkinsonpatienten mit Akinese liegt die pathologische Frequenz f_PF im Bereich von 10 Hz bis 30 Hz.
Um eine noch stärkere Wirkung zu erzielen, können vollständige, unvollständige und redundante Sequenzen mit jeweils variierender Reihenfolge der Stimulationskontaktflächen verabreicht werden. Um den benötigten Reizstrom noch weiter zu senken, können beim aufeinander folgenden Verabreichen von vollständigen, unvollständigen und redundanten Sequenzen mit jeweils variierender Reihenfolge der Stimulationskontaktflächen auch Pausen zwischengeschaltet werden, deren Dauern ein ganzzahliges Vielfaches, aber maximal Zehnfaches der Dauer einer Sequenz betragen.

b) Statt einer konstanten Zeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Reizungen mit Pulszügen (an unterschiedlichen Kontaktstellen) werden zur Ansteuerung der Pulszug-Reizungen an den unterschiedlichen Kontaktstellen unkorrelierte Zufallsprozesse verwendet, wobei nur solche Zufallsereignisse zugelassen werden, bei denen die Zeitdifferenzen aufeinanderfolgender Pulszug-Reizungen einen als Parameter einstellbaren Mindestwert von z. B. 20 ms nicht unterschreiten. Zufallsereignisse, welche diesen Mindestwert unterschreiten, werden von der Generatoreinheit erkannt und nicht als Trigger für eine Reizung verwendet.
c) Die Stimulation erfolgt wie unter b), nur werden statt Zufallsprozessen chaotische Prozesse verwendet.
d) In einer weniger bevorzugten Variante werden über eine Untergruppe der Stimulationskontaktflächen dauerhaft Pulszüge mit einer Frequenz f größer als 50 Hz und bevorzugt größer als 100 Hz appliziert.

In den 8 und 9 sind zwei Schaltkreise 130 und 150 als mögliche Implementierungen des erfindungsgemäßen Implantats gezeigt. Der in 8 gezeigte Schaltkreis 130 ist als reines Empfangssystem ausgelegt. Den Eingang des Schaltkreises 130 bildet eine Spule 131, in deren Nähe sich während des Betriebs des Implantats die Spule der außerhalb des Körpers befindlichen Steuervorrichtung befindet. Die beiden Spulen wirken als Transformator, mittels dem durch Induktion hochfrequente Signale und elektrische Leistung von der Steuervorrichtung auf die Spule 131 übertragen werden. Der Spule 131 kann optional ein Aufwärtstransformator 132 nachgeschaltet sein. Die von der Spule 131 aufgenommene Leistung wird über eine als Gleichrichter wirkende Diode 133 einer Energiespeichereinheit 134 zugeführt und dort gespeichert. Die Energiespeichereinheit 134 kann beispielsweise als Ladekondensator mit einer hohen Kapazität oder als wiederaufladbarer Akkumulator realisiert sein. Die von der Energiespeichereinheit 134 bereitgestellte Spannung wird von einem Spannungsregelkreis 135 abgegriffen, der diese ungeregelte Spannung auf einen für den Betrieb des Schaltkreises 130 benötigten Versorgungsspannungswert regelt. Insbesondere wird mit der Versorgungsspannung ein integrierter Schaltkreis 136 betrieben, in den – wie aus 8 ersichtlich ist – ein großer Teil der Bauelemente des Schaltkreises 130 integriert ist. Als Alternative dazu könnten die Bauelemente auch auf mehrere integrierte Schaltkreise verteilt sein.
Die von der Spule 131 empfangenen hochfrequenten Signale, welche die übertragenen Informationen enthalten, werden von Bauelementen auf dem integrierten Schaltkreis 136 weiterverarbeitet. Dazu ist der Ausgang des Aufwärtstransformators 132 über einen Koppelkondensator 137 mit einem Eingang eines De modulators 138 verbunden. Der Demodulator 138 dient der Wiedergewinnung der Information, die zuvor in der Steuervorrichtung auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert wurde. Bei der Demodulation werden der oder die informationstragenden Parameter, z. B. die Frequenz, Phase, Amplitude oder das Tastverhältnis, des modulierten Trägers ausgewertet. Die demodulierten Daten werden einer Einheit 139 zur Clock-and-Data-Recovery zugeführt, die den demodulierten Daten einen in dem integrierten Schaltkreis 136 generierten Referenztakt aufprägt. In einem Decoder 140 werden die Daten anschließend decodiert, sodass an dem Ausgang des Decoders 140 die Steuerdaten vorliegen, die von der Steuervorrichtung zur Steuerung des Implantats vorgesehen wurden. Die Steuerdaten können in einem RAM (Random Access Memory) 141 zwischengespeichert werden und von dort von einem Generator 142 ausgelesen werden. Der Generator 142 erzeugt die Pulszüge, die von den Stimulationskontaktflächen auf das Hirngewebe appliziert werden. Beispielsweise kann der Generator 142 Zugriff auf bestimmte Grundformen von Pulszügen haben, die z. B. ebenfalls in dem RAM 141 abgelegt sind. In diesem Fall brauchen die von der Steuervorrichtung übertragenen Steuerdaten lediglich Parameter enthalten, anhand derer sich die endgültige Ausgestaltung der von dem Generator 142 erzeugten Pulszüge ablesen lässt. Beispielsweise betreffen diese Parameter die Amplitude, Dauer und Frequenz der Pulszüge sowie die Reihenfolge, in welcher die Pulszüge über die einzelnen Stimulationskontaktflächen appliziert werden.
Von dem Generator 142 werden die Pulszüge jeweils in einen bestimmten Kanal einer Mehrzahl von Kanälen CH₁ bis CH_n eingespeist, welche wiederum jeweils mit einer der Stimulations kontaktflächen in Verbindung stehen. Vor der eigentlichen Stimulation werden die von dem Generator 142 ausgegebenen digitalen Daten in Digital/Analog-Wandlern 143 in analoge Spannungswerte und anschließend mit Hilfe von Spannungs-Strom-Wandlern 144 in Stimulationsströme umgewandelt. Von den Ausgängen der Spannungs-Strom-Wandler 144 führt jeweils ein der Pegelkontrolle dienender Rückkoppelpfad 145 zu einem Summationspunkt 146, der vor den zugehörigen Digital/Analog-Wandler 143 geschaltet ist. Ferner ist zwischen die Ausgänge der Spannungs-Strom-Wandler 144 und die zugehörigen Stimulationskontaktflächen jeweils ein Kondensator 147 geschaltet. Durch die in die Signalpfade der Stimulationssignale geschalteten Kondensatoren 147 wird verhindert, dass unbeabsichtigt zu viel Ladung auf das Hirngewebe des Patienten übertragen wird.
Der in 9 dargestellte Schaltkreis 150 entspricht in weiten Teilen dem in 8 gezeigten Schaltkreis 130. Identische Bauelemente sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu dem Schaltkreis 130 können mit dem Schaltkreis 150 Messsignale über die Stimulationskontaktflächen aufgenommen werden und an die Steuervorrichtung übertragen werden. Zu diesem Zweck ist jeder der Kanäle CH₁ bis CH_n mit einem Filter 151 und einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler 152 verbunden. Die von den Analog/Digital-Wandlern 152 digitalisierten Messsignale werden einer Einheit 153 zur Datenreduktion und Protokollgenerierung und anschließend einem Modulator 154 zugeführt. Der Modulator 154 steuert einen Transistor 155, der mit seiner Drain-Source-Strecke in einen aus einem Widerstand 156 und dem Transformator 132 gebildeten Schwingkreis geschaltet ist, über seine Gate-Elektrode an. Mittels dieser Ansteuerung des Transistors 155 kann der Modulator 154 die von dem Schwingkreis erzeugten Signale modulieren, bevor sie über die Spule 131 zu der Steuervorrichtung übertragen werden.
In den Schaltkreisen 130 und 150 werden zur drahtlosen Übertragung von Signalen Transformatoren verwendet. Die Erfindung ist allerdings nicht auf derartige Transformatoren als Sende- und Empfangssysteme beschränkt. Es können auch andere Arten von Sendern und Empfängern zum drahtlosen Datenaustausch zwischen der Steuervorrichtung und dem Implantat eingesetzt werden.

Claims

Implantat (10; 50; 80) umfassend: – eine Empfangseinheit (11; 51; 81) zum drahtlosen Empfangen von Steuersignalen, – eine mit der Empfangseinheit (11; 51; 81) verbundene Generatoreinheit (12; 52; 82) zum Erzeugen von Stimulationssignalen anhand der Steuersignale, und – eine mit der Generatoreinheit (12; 52; 82) verbundene Stimulationseinheit (13; 53; 83) zur Stimulation von Nervenzellen mit den Stimulationssignalen.
Implantat (50; 80) nach Anspruch 1, wobei das Implantat (50; 80) ferner eine Messeinheit (53; 83) zum Aufnehmen von Messsignalen von Nervenzellen und eine mit der Messeinheit (53; 83) verbundene Sendeeinheit (51; 81) zum drahtlosen Versenden der Messsignale umfasst.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Implantat (10; 50; 80) ferner eine mit der Empfangseinheit (11; 51; 81) verbundene Energiespeichereinheit (134) umfasst, wobei die Empfangseinheit (11; 51; 81) dazu ausgelegt ist, drahtlos Energie aufzunehmen, welche in der Energiespeichereinheit (134) gespeichert wird.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 3, wobei die Energiespeichereinheit (134) dazu ausgelegt ist, eine Versorgungsspannung zur Versorgung von Bauelementen des Implantats (10; 50; 80) bereitzustellen.
Implantat (10; 50; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nervenzellen Hirnzellen sind.
Implantat (10; 50; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stimulationseinheit (13; 53; 83) eine Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen (102) umfasst, welche dazu ausgelegt sind, mit den Nervenzellen in Kontakt zu ste hen und die Stimulationssignale auf die Nervenzellen zu übertragen.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 6, wobei die Stimulationskontaktflächen (102) auf mindestens einem Elektrodenschaft (101) angeordnet sind.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Generatoreinheit (12; 52; 82) eine Mehrzahl von Ausgängen aufweist, die jeweils mit einer der Stimulationskontaktflächen (102) verbunden sind und an denen die Stimulationssignale in Form von Pulszügen (110) ausgegeben werden.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 8, wobei die Pulszüge (110) jeweils aus Einzelpulsen (111) zusammengesetzt sind und die Einzelpulse (111) mit einer Frequenz (f) größer als 100 Hz wiederholt werden.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Pulszüge (110) zeitversetzt an den Ausgängen ausgegeben werden.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 10, wobei der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulszügen (110) vorgegeben ist oder statistisch variiert wird.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 11, wobei eine erste Reihenfolge (120) der Ausgänge, an welchen die Pulszüge (110) nacheinander ausgegeben werden, vorgegeben ist.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 12, wobei eine zweite Reihenfolge (121) der Ausgänge, an welchen die Pulszüge (110) nacheinander ausgegeben werden, vorgegeben ist und die zweite Reihenfolge (121) nach der ersten Reihefolge (120) durchlaufen wird.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 13, wobei zwischen dem Durchlaufen der ersten Reihenfolge (120) und dem Durchlaufen der zweiten Reihenfolge (121) eine Stimulationspause eingehalten wird.
Implantat (10; 50; 80) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Pulszüge (110) jeweils aus Strompulsen zusammengesetzt sind.
Implantat (10; 50; 80) nach Anspruch 15, wobei zwischen die Ausgänge und die zugehörigen Stimulationskontaktflächen (102) jeweils ein Kondensator (147) geschaltet ist.
Implantat (10; 50; 80) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Steuersignale Parameter umfassen und die Generatoreinheit (12; 52; 82) dazu ausgelegt ist, anhand der Parameter und anhand von vorgegebenen Pulsgrundformen die Pulszüge (110) zu generieren.
Stimulationssystem (20; 40; 70) umfassend: – eine Steuervorrichtung (30; 60; 90), welche – eine erste Generatoreinheit (31; 61; 91) zum Erzeugen von Steuersignalen, und – eine mit der ersten Generatoreinheit (31; 61; 91) verbundene erste Sendeeinheit (32; 62; 92) zum drahtlosen Versenden der Steuersignale umfasst, und – ein Implantat (10; 50; 80), welches – eine erste Empfangseinheit (11; 51; 81) zum drahtlosen Empfangen der Steuersignale, – eine mit der ersten Empfangseinheit (11; 51; 81) verbundene zweite Generatoreinheit (12; 52; 82) zum Erzeugen von Stimulationssignalen anhand der Steuersignale, und – eine mit der zweiten Generatoreinheit (12; 52; 82) verbundene Stimulationseinheit (13; 53; 83) zur Stimulation von Nervenzellen mit den Stimulationssignalen umfasst.
Stimulationssystem (40; 70) nach Anspruch 18, wobei das Implantat (50; 80) eine Messeinheit (53; 83) zum Aufnehmen von Messsignalen von Nervenzellen und eine mit der Messeinheit (53; 83) verbundene zweite Sendeeinheit (51; 81) zum drahtlosen Versenden der Messsignale umfasst und wobei die Steuervorrichtung (60; 90) eine zweite Empfangseinheit (62; 92) zum drahtlosen Empfangen der Messsignale umfasst.
Stimulationssystem (20; 40; 70) nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Implantat (10; 50; 80) eine mit der ersten Empfangseinheit (11; 51; 81) verbundene Energiespeichereinheit (134) umfasst und wobei die erste Sendeeinheit (32; 62; 92) und die erste Empfangseinheit (11; 51; 81) dazu ausgelegt sind, drahtlos Energie zu übertragen, die in der Energiespeichereinheit (134) gespeichert wird.
Stimulationssystem (20; 40; 70) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Steuervorrichtung (30; 60; 90) dazu ausgelegt ist, sich außerhalb des Körpers zu befinden.
Verfahren mit folgenden Schritten: – Erzeugen von Steuersignalen; – drahtloses Versenden der Steuersignale; – drahtloses Empfangen der Steuersignale; – Erzeugen von Stimulationssignalen anhand der empfangenen Steuersignale; und – Stimulieren von Nervenzellen mit den Stimulationssignalen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei Messsignale von den Nervenzellen aufgenommen werden und die Messsignale drahtlos versendet werden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Nervenzellen Hirnzellen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Stimulationssignale Pulszüge (110) sind.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Pulszüge (110) jeweils aus Einzelpulsen (111) zusammengesetzt sind und die Einzelpulse (111) mit einer Frequenz (f) größer als 100 Hz wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Pulszüge (110) zeitversetzt an verschiedenen Stellen auf die Nervenzellen appliziert werden.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulszügen (110) vorgegeben ist oder statistisch variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Pulszüge (110) jeweils aus Strompulsen zusammengesetzt sind.