DE102010016461B4

DE102010016461B4 - Vorrichtung zur Behandlung von Erkrankungen des Gehirns und/oder Rückenmarks mittels Neurofeedback

Info

Publication number: DE102010016461B4
Application number: DE102010016461A
Authority: DE
Inventors: Peter Alexander Tass
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: DE102010016461A1; WO2011127917A3; WO2011127917A2

Abstract

Vorrichtung (100) umfassend:
– eine Stimulationseinheit (11) zur Erzeugung von ersten Reizen (21), die bei einer Verabreichung an einen Patienten eine krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten unterdrücken,
– eine Messeinheit (15) zum Aufnehmen von Messsignalen (25), welche die krankhaft synchrone Aktivität der Neuronen wiedergeben, und
– eine Neurofeedback-Einheit (12) zur Erzeugung von zweiten Reizen (22) anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25), wobei die zweiten Reize (22) dem Patienten den Ausprägungsgrad der krankhaft synchronen Aktivität der Neuronen veranschaulichen, wobei
– die Erzeugung der ersten und zweiten Reize (21, 22) wahlweise in einem ersten oder einem zweiten Betriebsmodus erfolgt, und
– im ersten Betriebsmodus zweite Reize (22) erzeugt werden und erste Reize (21) nur erzeugt werden, wenn die anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25) ermittelte krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark einen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Erkrankungen des Gehirns und/oder Rückenmarks mittels Neurofeedback.
Bei Patienten mit neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen, z. B. Morbus Parkinson, essentiellem Tremor, Dystonie oder Zwangserkrankungen, sind Nervenzellverbände in umschriebenen Bereichen des Gehirns, z. B. des Thalamus und der Basalganglien, krankhaft, z. B. übersteigert synchron, aktiv. In diesem Fall bildet eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d. h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Beim Gesunden hingegen feuern die Neuronen in diesen Hirngebieten qualitativ anders, z. B. auf unkorrelierte Weise.
Beim Morbus Parkinson verändert die pathologisch synchrone Aktivität die neuronale Aktivität in anderen Hirngebieten, z. B. in Arealen der Großhirnrinde wie dem primär motorischen Cortex. Dabei zwingt die pathologisch synchrone Aktivität im Bereich des Thalamus und der Basalganglien beispielsweise den Großhirnrindenarealen ihren Rhythmus auf, so dass schließlich die von diesen Arealen gesteuerten Muskeln pathologische Aktivität, z. B. ein rhythmisches Zittern (Tremor), entfalten.
Neurologische und psychiatrische Erkrankungen mit übermäßig stark ausgeprägter neuronaler Synchronisation werden bis jetzt – bei Versagen einer medikamentösen Therapie – durch elektrische Hirnstimulation behandelt. Hierbei werden Elektroden im Gehirn des Patienten implantiert und von einer ebenso implantierten Steuereinheit mit entsprechenden elektrischen Reizen versorgt. Eine elektrische Reizung des Gehirns kann aus mehreren Gründen zu Nebenwirkungen führen. Z. B. können durch eine Ausbreitung des Reizstroms über das eigentliche Zielareal hinaus ungewünschte Nebenwirkungen durch Mitreizung von Nachbararealen auftreten. Des Weiteren kann z. B. eine zu starke Dauerreizung das Gewebe schädigen. Daher ist es von großem Nutzen, den Patienten mit möglichst wenig Strom- und Ladungseintrag zu behandeln.
Aus der Schrift DE 10 2008 052 078 A1 ist eine Vorrichtung zur konditionierten desynchronisierenden Stimulation bekannt. Bei dieser Art der Stimulation wird das Nervensystem des Patienten in einer Lernphase konditioniert, so dass in einer anschließenden Stimulationsphase weniger Stromeintrag in das Gewebe des Patienten erforderlich ist, um therapeutische Erfolge zu erzielen.
Aus den Schriften DE 102 33 960 A1 und DE 10 2008 012 669 A1 sind Vorrichtungen bekannt, mit denen sich einem Patienten akustische, optische oder taktile Reize verabreichen lassen, um dadurch eine pathologische rhythmische Aktivität im Gehirn des Patienten zu unterdrücken.
Vor diesem Hintergrund werden Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 und 9 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Stimulationseinheit, einer Neurofeedback-Einheit, einer Messeinheit und einer Steuereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
2 bis 5 schematische Darstellungen von Verfahrensabläufen während des Betriebs der in 1 dargestellten Vorrichtung;
6 und 7 schematische Darstellungen von Ausgestaltungen der in 1 dargestellten Vorrichtung;
8A und 8B schematische Darstellungen einer Neurofeedback-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Darstellung einer Neurofeedback-Einheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von elektrischen Reizen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 bis 15 schematische Darstellungen von elektrischen Stimulationsverfahren;
16 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von optischen Reizen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
17 eine schematische Darstellung des Gesichtsfelds eines Patienten;
18 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von optischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
19 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von optischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
20 und 21 schematische Darstellungen von Transmissionsbrillen;
22 bis 25 schematische Darstellungen von mittels einer Transmissionsbrille erzeugten optischen Reizen;
26 und 27 schematische Darstellungen von Lichtbrillen;
28 eine schematische Darstellung von mittels einer Lichtbrille erzeugten optischen Reizen;
29 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von akustischen Reizen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
30 eine Darstellung von Sinusschwingungen mit verschiedenen Frequenzen;
31 eine Darstellung einer mit einer Rechteckfunktion amplitudenmodulierten Sinusschwingung;
32 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von akustischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
33 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von akustischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
34 bis 38 schematische Darstellungen von akustischen Stimulationsverfahren;
39A und 39B schematische Darstellungen der Generierung von Modulationssignalen;
40 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Reizen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
41 eine schematische Darstellung eines taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Stimulationsverfahrens;
42A bis 42D schematische Darstellungen von vibratorischen Reizen;
43 eine schematische Darstellung eines taktilen Reizes;
44A bis 44C schematische Darstellungen von thermischen Reizen;
45 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
46 bis 48 schematische Darstellungen von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Stimulationsverfahren;
49 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
50A bis 52C schematische Darstellungen eines Stimulationselements zur Erzeugung und Applikation von taktilen und/oder vibratorischen Reizen;
53A bis 54C schematische Darstellungen eines Stimulationselements zur Erzeugung und Applikation von thermischen Reizen;
55 und 56 schematische Darstellungen von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Stimulationsverfahren; und
57 bis 58C schematische Darstellungen einer Stimulationseinheit zur Erzeugung und Applikation von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Reizen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 100 zur Behandlung von Erkrankungen des Gehirns und/oder Rückenmarks eines Patienten dargestellt. Die Vorrichtung 100 besteht aus einer Steuereinheit 10, einer Stimulationseinheit 11, einer Neurofeedback-Einheit 12 und einer Messeinheit 15.
Die Stimulationseinheit 11 erzeugt erste Reize 21, die bei einer Verabreichung an einen Patienten eine krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten unterdrücken. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Stimulationseinheit 11 operativ in den Körper des Patienten implantiert. In diesem Fall sind die ersten Reize 21 elektrische Reize, die an das Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten appliziert werden. Alternativ kann die Stimulationseinheit 11 gemäß einer weiteren Ausgestaltung als nichtinvasive Einheit ausgestaltet sein, d. h. während des Betriebs der Vorrichtung 100 befindet sich die Stimulationseinheit 11 außerhalb des Körpers des Patienten und wird nicht operativ in den Körper des Patienten implantiert. Die ersten Reize 21 können in diesem Fall Reize sein aus der Gruppe von optischen, akustischen, taktilen, vibratorischen und thermischen Reizen. Die Steuereinheit 10 steuert die Stimulationseinheit 11 mit Steuersignalen 23 an.
Die Messeinheit 15 nimmt ein oder mehrere am Patienten gemessene Messsignale 25 auf, wandelt diese gegebenenfalls in elektrische Signale 26 um und führt diese der Steuereinheit 10 zu. Die Messsignale 25 geben die krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten wieder.
Die Neurofeedback-Einheit (oder Neurorückkopplungseinheit oder Neurofeedback-Sender) 12 erzeugt zweite Reize 22, die dem Patienten den Ausprägungsgrad der krankhaft synchronen Aktivität der Neuronen veranschaulichen. Die zweiten Reize 22 sind vom Patienten bewusst wahrnehmbar und sind z. B. optische, akustische, taktile, vibratorische und/oder thermische Reize. Die Neurofeedback-Einheit 12 kann als nicht-invasive Einheit ausgestaltet sein und wird dementsprechend nicht in den Körper des Patienten implantiert, sondern befindet sich während des Betriebs der Vorrichtung 100 außerhalb des Körpers des Patienten. Die Steuereinheit 10 steuert die Neurofeedback-Einheit 12 mit Steuersignalen 24 an. Damit die Neurofeedback-Einheit 12 dem Patienten die Stärke der Ausprägung der pathologischen neuronalen Aktivität sensorisch veranschaulichen kann, beinhalten die Steuersignale 24 Informationen aus den von der Messeinheit 25 gewonnenen Signalen 26. Die Signale 26 werden von der Steuereinheit 10 eventuell noch aufbereitet oder weiterverarbeitet und dann der Neurofeedback-Einheit 12 zugeführt.
Es kann durchaus vorgesehen sein, dass die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 100, insbesondere die Steuereinheit 10, die Stimulationseinheit 11, die Neurofeedback-Einheit 12 und/oder die Messeinheit 15, baulich voneinander getrennt sind. Die Vorrichtung 100 kann daher auch als System aufgefasst werden, das aus den in 1 dargestellten Komponenten besteht.
Die Vorrichtung 100 kann insbesondere zur Behandlung von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen, z. B. Morbus Parkinson, essentiellem Tremor, Dystonie, Epilepsie, Tremor infolge von Multipler Sklerose sowie anderen pathologischen Tremores, Depression, Bewegungsstörungen, Kleinhirnerkrankungen, Zwangserkrankungen, Tourette-Syndrom, Funktionsstörungen nach Schlaganfall, Spastik, Tinnitus, Schlafstörungen, Schizophrenie, Reizdarm-Syndrom, Suchterkrankungen, Persönlichkeitsstörungen, Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom, Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Syndrom, Spielsucht, Neurosen, Fresssucht, Burnout-Syndrom, Fibromyalgie, Migräne, Cluster-Kopfschmerz, allgemeiner Kopfschmerz, Neuralgie, Ataxie, Tic-Störung oder Hypertonie, aber auch anderen Krankheiten verwendet werden.
Die vorstehend genannten Krankheiten können durch eine Störung der bioelektrischen Kommunikation von Neuronenverbänden, die in spezifischen Schaltkreisen zusammengeschlossen sind, verursacht werden. Hierbei generiert eine Neuronenpopulation anhaltend krankhafte neuronale Aktivität und möglicherweise eine damit verbundene krankhafte Konnektivität (Netzwerkstruktur). Dabei bilden eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d. h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Hinzu kommt, dass die kranke Neuronenpopulation eine oszillatorische neuronale Aktivität aufweist, d. h. die Neuronen feuern rhythmisch. Im Fall von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz der krankhaften rhythmischen Aktivität der betroffenen Neuronenverbände etwa im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Bei gesunden Menschen feuern die Neuronen hingegen qualitativ anders, z. B. auf unkorrelierte Weise.
In 1 ist die Vorrichtung 100 während ihres Betriebs dargestellt. Im Gehirn 29 oder Rückenmark 29 des Patienten weist mindestens eine Neuronenpopulation 30 eine wie vorstehend beschriebene krankhaft synchrone neuronale Aktivität auf. Bei einer nicht-invasiven Stimulation verabreicht die Stimulationseinheit 11 dem Patienten die ersten Reize 21 derart, dass die ersten Reize 21 je nach Modalität über die Augen, die Ohren oder die Haut des Patienten aufgenommen werden und von dort über das Nervensystem an die krankhaft aktive Neuronenpopulation 30 im Gehirn 29 und/oder Rückenmark 29 weitergeleitet werden. Sofern die Stimulationseinheit 11 in das Gehirn oder Rückenmark des Patienten implantiert ist, werden die elektrischen ersten Reize 21 der betroffenen Neuronenpopulation 30 entweder direkt verabreicht oder aber an Bereiche im Gehirn oder Rückenmark 29 appliziert, die mit der Neuronenpopulation 30 verbunden sind und die ersten Reize 21 an die Neuronenpopulation 30 weiterleiten. Die ersten Reize 21 sind so ausgestaltet, dass sie die krankhaft synchrone Aktivität der Neuronenpopulation 30 unterdrücken. Eine Unterdrückung der synchronen Aktivität kann bedeuten, dass die Koinzidenzrate der Neuronen gesenkt wird oder dass die Neuronenpopulation 30 gar desynchronisiert wird. Eine durch die Stimulation bewirkte Senkung der Koinzidenzrate der Neuronen kann zu einer Senkung der synaptischen Gewichte und somit zu einem Verlernen der Tendenz zur Produktion krankhaft synchroner Aktivität führen.
Die von der Neurofeedback-Einheit 12 erzeugten zweiten Reize 22 werden je nach Modalität ebenfalls über die Augen, die Ohren oder die Haut sowie tiefer liegende Gewebe des Patienten aufgenommen und von dort an das Nervensystem weitergeleitet. Im Unterschied zu den ersten Reizen 21 sind die zweiten Reize 22 nicht therapeutisch wirksam und haben demnach keine oder kaum eine desynchronisierende oder Koinzidenzratensenkende Wirkung auf die krankhaft synchrone neuronale Aktivität der Neuronenpopulation 30. Die zweiten Reize 22 veranschaulichen dem Patienten lediglich die Stärke der Ausprägung der pathologischen neuronalen Aktivität der Neuronenpopulation 30.
Bei der Applikation von optischen (bzw. visuellen) oder akustischen (bzw. auditorischen) ersten oder zweiten Reizen 21, 22 werden diese über mindestens ein Auge bzw. mindestens ein Ohr des Patienten aufgenommen. Die taktilen, vibratorischen und thermischen ersten oder zweiten Reize 21, 22 (bzw. Tast-, Vibrations- und Thermoreize) werden von in oder unter der Haut gelegenen Rezeptoren aufgenommen und an das Nervensystem weitergeleitet. Zu diesen Rezeptoren zählen beispielsweise Merkel-Zellen, Ruffini-Körperchen, Meissner-Körperchen und Haarfollikelrezeptoren, die insbesondere als Rezeptoren für die taktilen Reize. 21, 22 wirken. Die vibratorischen Reize 21, 22 zielen vorwiegend auf die Tiefensensibilität ab. Die vibratorischen Reize 21, 22 können von in der Haut, den Muskeln, dem Subkutangewebe und/oder den Sehnen des Patienten gelegenen Rezeptoren aufgenommen werden. Als Rezeptoren für die vibratorischen Reize 21, 22 seien beispielhaft die Vater-Pacini-Körperchen genannt, die Vibrationsempfindungen und Beschleunigungen vermitteln. Die thermischen Reize 21, 22 werden von den Thermorezeptoren der Haut aufgenommen. Dies sind Warmrezeptoren (auch Wärmerezeptoren, Warmsensoren oder Wärmesensoren genannt) und Kaltsensoren (auch Kältesensoren, Kaltrezeptoren oder Kälterezeptoren genannt). In der Haut des Menschen liegen die Kaltsensoren mehr oberflächlich, die Warmrezeptoren etwas tiefer.
Um es der Neurofeedback-Einheit 12 zu ermöglichen, dem Patienten die Stärke der Ausprägung der pathologischen neuronalen Aktivität der Neuronenpopulation 30 zu übermitteln, und insbesondere auch um den mit der Vorrichtung 100 erzielten Stimulationseffekt zu kontrollieren, misst die Messeinheit 15 die neuronale Aktivität in dem stimulierten Zielgebiet, d. h. z. B. die neuronale Aktivität der in 1 schematisch dargestellten Neuronenpopulation 30, oder in einem mit der Neuronenpopulation 30 verbundenen Gebiet. Die Messeinheit 15 nimmt dazu ein oder mehrere am Patienten gemessene Messsignale 25 auf, wandelt diese gegebenenfalls in elektrische Signale 26 um und führt diese der Steuereinheit 10 zu.
Die Messeinheit 15 kann in Form eines oder mehrerer Sensoren in den Körper des Patienten implantiert sein. Als invasive Sensoren können beispielsweise epikortikale Elektroden, Tiefenhirnelektroden, sub- oder epidurale Hirnelektroden, subkutane EEG-Elektroden und sub- oder epidurale Rückenmarkselektroden dienen. Des Weiteren können an peripheren Nerven zu befestigende Elektroden als Sensoren eingesetzt werden.
Die Messsignale 25 können dauerhaft oder in den Pausen zwischen der Verabreichung der ersten Reize 21 oder auch zu bestimmten vorgegebenen Zeitpunkten aufgenommen werden. Sofern die neuronale Aktivität der Zielpopulation 30 gemessen wird, misst die Messeinheit 15 die krankhaft übersteigert synchrone neuronale Aktivität, z. B. die Betaband-Aktivität bei der Parkinsonschen Erkrankung. Das Ausmaß dieser krankhaft synchronen neuronalen Aktivität kann z. B. durch die in einem Zeitfenster gemittelte Amplitude der Leistung in dem zugehörigen Frequenzbereich der lokalen Feldpotentiale, also z. B. bei akinetischen Parkinsonpatienten im Beta-Frequenzbereich zwischen 10 und 30 Hz, dargestellt werden. Dieser Messwert 26 wird an die Steuereinheit 10 oder aber direkt an die Neurofeedback-Einheit 12 weitergeleitet. Die Übermittlung kann beispielsweise drahtlos über entsprechende Sender und Empfänger erfolgen.
Als Alternative zu den invasiven Sensoren oder auch zusätzlich dazu können ein oder mehrere nicht-invasive Sensoren als Messeinheit 15 eingesetzt werden. Nicht-invasive Sensoren sind z. B. Elektroenzephalographie(EEG)-Elektroden, Magnetenzephalographie(MEG)-Sensoren und Elektromyographie(EMG)-Elektroden. Ferner kann z. B. über ein Akzelerometer die krankhaft oszillatorische Aktivität im Tremor-Frequenzbereich oder die Bewegungsarmut (im Sinne einer Verminderung der Gesamtbewegungen) gemessen werden.
Zur Applikation der ersten und zweiten Reize 21, 22 kann die Vorrichtung 100 in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Der jeweilige Betriebsmodus kann beispielsweise vorgegeben sein oder kann von der Steuereinheit 10 ausgewählt werden. Die Steuereinheit 10 steuert die beiden Stimulationseinheiten 11 und 12 entsprechend dem ausgewählten Betriebsmodus.
In einem ersten Betriebsmodus, der auch als Lernphase bezeichnet wird, lernt der Patient unter ärztlicher Aufsicht, ausschließlich durch Neurofeedback, d. h. ohne irgendeine Form einer von der Stimulationseinheit 11 applizierten elektrischen oder sensorischen Neurostimulation, verlässlich der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität im Gehirn oder Rückenmark entgegenzuwirken und somit allfällig auftretenden Symptomen zu entgegnen. Durch Rückmeldung des Ausprägungsgrads der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität mittels der Neurofeedback-Einheit 12 lernt der Patient, diese Aktivität zu unterdrücken. Dies kann beispielsweise durch eine Form von Gedankensteuerung oder Entspannung geschehen und ist individuell verschieden.
Um Therapie-gefährdende Frustrationserlebnissen vorzubeugen, wird in der Lernphase eine assistierende je nach Ausführungsform invasive oder nicht-invasive Neurostimulation mittels der Stimulationseinheit 11 durchgeführt. Die Aktivierung der Stimulationseinheit 11 wird dem Patienten beispielsweise mittels der Neurofeedback-Einheit 12 mitgeteilt.
Die Aktivierung der Stimulationseinheit 11, d. h. die Durchführung einer elektrischen, optischen, akustischen, taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Neurostimulation (”Neuromodulation”), erfolgt beispielsweise, sobald die mit Hilfe der Messeinheit 15 ermittelte Ausprägung der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Im ersten Betriebsmodus, d. h. der Lernphase, wird der Schwellwert, bei dessen Überschreiten die Stimulationseinheit 11 aktiviert wird, beispielsweise relativ hoch eingestellt, um lediglich besonders stark ausgeprägte Symptomschübe abzufangen, dem Patienten aber genügend Möglichkeit zum Erlernen des Neurofeedback zu geben.
Alternativ oder zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Schwellwert-Kriterium kann die Stimulationseinheit 11 auch dann aktiviert werden, wenn der Patient sich nicht ausreichend behandelt fühlt und eine Aktivierungstaste eines Patientenprogrammiergeräts, das mit der Steuereinheit 10 verbunden ist, drückt.
Die Stimulationseinheit 11 kann deaktiviert und die Neuromodulation dementsprechend gestoppt werden, sobald die mit Hilfe der Messeinheit 15 ermittelte Ausprägung der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität unter den vorgegebenen Schwellwert oder einen anderen vorgegebenen Schwellwert fällt und/oder falls der Patient sich wieder ausreichend behandelt fühlt und eine an dem Patientenprogrammiergerät vorhandene Deaktivierungstaste drückt und/oder nach Ablauf einer vom Arzt voreingestellten konstanten Stimulationszeit.
Sobald der Patient genügend Erfahrung und Sicherheit mit dem Neurofeedback-Verfahren gewonnen hat, wird die Lernphase beendet und die Vorrichtung 100 wird im zweiten Betriebsmodus, der eigentlichen Neurofeedbackphase, betrieben. In der eigentlichen Neurofeedbackphase wird ausgenutzt, dass zumindest ein Teil der Patienten nun sicher das Neurofeedback erlernt hat. Im Fall der elektrischen Neurostimulation kann die Stimulationseinheit 11 während des zweiten Betriebsmodus auf Stand-by, d. h. in einen Bereitschaftsdienst, gesetzt werden. Das Implantat schaltet sich dann nur noch im (unwahrscheinlichen) Bedarfsfall ein, falls beispielsweise die mit Hilfe der Messeinheit 15 ermittelte Ausprägung der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, der sich z. B. von dem entsprechenden Schwellwert im ersten Betriebsmodus unterscheiden kann, und/oder der Patient durch Drücken der Aktivierungstaste dies initiiert. Im Fall der sensorischen Neurostimulation mittels einer optischen, akustischen, taktilen, vibratorischen und/oder thermischen Stimulationseinheit 11 wird der sensorische Stimulator vom Patienten während der eigentlichen Neurofeedbackphase nicht weiter getragen, sondern nur im (unwahrscheinlichen) Bedarfsfall wieder angelegt.
Während der eigentlichen Neurofeedbackphase kann die Neurofeedback-Einheit 12 dem Patienten mittels der zweiten Reize 22 die mit Hilfe der Messeinheit 15 ermittelte Ausprägung der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität mitteilen oder aber auch nur beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts dem Patienten ein Warnsignal übermitteln, so dass der Patient das erlernte Neurofeedback anwenden kann, um ohne irgendeine Form einer von der Stimulationseinheit 11 vorgenommenen elektrischen oder sensorischen Neurostimulation verlässlich der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität im Gehirn oder Rückenmark entgegenzuwirken.
Ein Teil der Patienten benötigt zur erfolgreichen Ausführung des Neurofeedbacks die Neurofeedback-Einheit 12 nicht mehr oder nur noch – quasi zum Auffrischen des Neurofeedback selten, da nach der Lernphase entsprechende körperliche Korrelate der pathologischen neuronalen Aktivität hinreichend sensibel wahrgenommen werden.
Die Steuereinheit 10 kann z. B. zusammen mit der Messeinheit 15, die beispielsweise als epikortikale Elektrode oder Tiefenelektrode ausgestaltet sein kann, in den Körper des Patienten implantiert sein. Die Steuereinheit 10 misst den therapeutischen Effekt anhand der von der Messeinheit 15 zur Verfügung gestellten Signale 26 und ermittelt das Ausmaß der für die jeweilige Erkrankung spezifischen pathologischen Aktivität. Insbesondere wird die Amplitude der krankhaften Schwingungen in typischen Frequenzbereichen der lokalen Feldpotentiale ermittelt, also z. B. bei akinetischen Parkinsonpatienten die integrale Power im Beta-Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 30 Hz. Bei einem effektivem Neurofeedback bzw. einer effektiven Neurostimulation sinkt diese Amplitude ab. Lässt die Wirkung des Neurofeedback nach, d. h. steigt die Amplitude über einen kritischen Wert, so erfolgt die nächste Neurostimulationsphase. Der kritische Wert kann vom Arzt individuell für den jeweiligen Patienten eingestellt werden. Alternativ können typische Werte als Voreinstellung für den kritischen Wert gewählt werden, z. B. der Mittelwert der Amplitude plus zweimal die Standardabweichung in Bereichen des Frequenzspektrums ohne Frequenzpeaks und oberhalb von z. B. 70 Hz.
Die Vorrichtung 100 ermöglicht gegenüber herkömmlichen Neurostimulationsvorrichtungen eine deutlich schonendere Behandlung schwerer neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Entscheidend ist, dass bei einer Ausführungsform die mittels der Stimulationseinheit 11 applizierte elektrische oder sensorische Neurostimulation im zweiten Betriebsmodus, der eigentlichen Neurofeedbackphase, komplett zugunsten einer Neurofeedback-Behandlung vermieden wird oder bei einer anderen Ausführungsform die elektrische oder sensorische Neurostimulation im zweiten Betriebsmodus nur dann aktiviert wird, wenn der Therapieerfolg durch Neurofeedback unzureichend ist. Hierdurch werden Nebenwirkungen vermieden, und der Patient wird als mündiger Partner in die Behandlung mit einbezogen.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 100 ist, dass der Patient bei Versagen des Neurofeedback immer auf die sichere Neurostimulationsbehandlung zurückfällt und somit das für die Durchführung des Neurofeedbacks nötige Vertrauen, insbesondere auch in schwierigen Situation wie z. B. Stress, deutlich einfacher und berechtigter aufbringen kann. Die hieraus resultierende Gelassenheit des Patienten verbessert den therapeutischen Erfolg des Neurofeedback erheblich.
Generell führt eine elektrische Neurostimulation zu Nebenwirkungen aufgrund des Stromeintrags. Der Stromeintrag und damit die Nebenwirkungen werden durch die Vorrichtung 100 vermindert. Die sensorische Neurostimulation ist bedingt durch die Stimulatoren häufig unkomfortabel und kann bei der Verrichtung alltäglicher Aufgaben und insbesondere beim Führen eines Fahrzeugs im Straßenverkehr störend oder sogar gefährdend sein.
Durch die geringeren Nebenwirkungen sowie den gesteigerten Komfort bei der Durchführung der Therapie kann die Bereitschaft des Patienten zur Durchführung der Therapie (Compliance) und somit der therapeutische Erfolg insgesamt erhöht werden.
In den 2 bis 5 ist die Funktionsweise der Vorrichtung 100 schematisch zusammengefasst. 2 zeigt dabei ein Therapieschema mit einer elektrischen, über die Stimulationseinheit 11 applizierten Neurostimulation. Nach Erlernen des Neurofeedbacks im ersten Betriebsmodus (”Lernphase Neurofeedback”) wird der implantierte Neurostimulator 11 im zweiten Betriebsmodus (”erlerntes Neurofeedback”) auf Stand-by gesetzt. Der Neurostimulator 11 wird nur bei Wiederauftreten der pathologisch neuronalen Aktivität in relevantem Ausmaß aktiviert.
3 zeigt ein Therapieschema mit einer nicht-invasiven Stimulationseinheit 11, welche optische, akustische, taktile, vibratorische und/oder thermische erste Reize 21 appliziert. Nach Erlernen des Neurofeedback durch den Patienten trägt der Patient den sensorischen Neurostimulator 11 nicht mehr und legt ihn erst wieder an, wenn Symptome erneut auftreten, nachhaltig stören und mittels Neurofeedback nicht mehr kontrollierbar sind.
Die 4 und 5 zeigen Flussdiagramme des Behandlungsablaufs eines Patienten mit der Vorrichtung 100, falls diese eine elektrische Stimulationseinheit 11 aufweist. Gemäß der in 4 gezeigten Ausgestaltung wird die implantierte Stimulationseinheit 11 bei unzureichendem Effekt der Neurofeedback-Therapie automatisch angeschaltet, d. h. bei Überschreiten der Ausprägung des pathologischen Merkmals über einen Schwellwert. Die implantierte Stimulationseinheit 11 wird deaktiviert, sobald die Ausprägung des pathologischen Merkmals unter den Schwellwert fällt.
Bei der in 5 gezeigten Ausgestaltung aktiviert der Patient die implantierte elektrische Stimulationseinheit 11 durch Drücken der Aktivierungstaste, wenn der Patient sich nicht hinreichend gut behandelt fühlt. Die Stimulationseinheit 11 ist dann – je nach Ausführungsform – während einer voreingestellten Zeitdauer aktiv oder so lange aktiv, bis der Patient die Stimulationseinheit 11 über die Deaktivierungstaste deaktiviert, oder die Stimulationseinheit 11 schaltet sich bedarfsgesteuert ab, d. h. sobald das pathologische Merkmal einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
6 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der Vorrichtung 100, bei der die Stimulationseinheit 11 nicht implantiert ist, sondern nicht-invasive, d. h. optische, akustische, taktile, vibratorische und/oder thermische erste Reize 21 erzeugt (nicht dargestellt). Die Messeinheit ist durch Tiefenelektroden 15 realisiert, die über Kabel 16 mit einer ebenfalls implantierten Steuereinheit 10 verbunden sind. Die Steuereinheit 10 meldet das Ausmaß der über die Tiefenelektroden 15 gemessenen pathologischen neuronalen Aktivität über die Neurofeedback-Einheit 12 an den Patienten zurück, damit dieser durch Neurofeedback der pathologischen Aktivität entgegenwirken kann. Die Steuereinheit 10 und die Neurofeedback-Einheit 12 sind über Funk verbunden.
7 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 100, bei der die Stimulationseinheit 11 implantiert ist und elektrische erste Reize 21 generiert. Die Tiefenelektroden fungieren bei der vorliegenden Ausgestaltung sowohl als Stimulationseinheit 11 als auch als Messeinheit 15. Die Tiefenelektroden 11, 15 sind über Kabel 16 und einen Konnektor 17, der bei der in 6 gezeigten Ausgestaltung nicht notwendig ist, mit der Steuereinheit 10 verbunden. Die Steuereinheit 10 meldet das Ausmaß der über die Tiefenelektroden 11, 15 gemessenen pathologischen neuronalen Aktivität über die Neurofeedback-Einheit 12 an den Patienten zurück, damit dieser durch Neurofeedback der pathologischen Aktivität entgegenwirken kann. Ferner steuert die Steuereinheit 10 die Tiefenelektroden 10 an, damit diese die elektrischen ersten Reize 21 applizieren.
Als erste Reize 21 können elektrische, optische, akustische, taktile, vibratorische und/oder thermische Reize verwendet, die eine desynchronisierende Wirkung haben oder zumindest eine Senkung der Koinzidenzrate der kranken Neuronen bewirken. Weiter unten wird beschrieben, dass es möglich ist, mittels der Stimulationseinheit 11 unterschiedliche Bereiche der Gehirns 29 oder Rückenmarks 29 separat zu stimulieren, indem die applizierten ersten Reize 21 über Nervenleitungen an unterschiedliche Zielgebiete, die im Gehirn 29 und/oder Rückenmark 29 liegen, weitergeleitet werden. Die Zielgebiete können mit eventuell unterschiedlichen und/oder zeitversetzten ersten Reizen 21 stimuliert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung werden der Neuronenpopulation 30, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische Aktivität aufweist, erste Reize 21 verabreicht, welche in der Neuronenpopulation 30 ein Zurücksetzen, einen sogenannten Reset, der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z. B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation 30 mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert. Da es ferner möglich ist, die krankhafte Neuronenpopulation 30 an unterschiedlichen Stellen zu stimulieren, kann die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation 30 an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückgesetzt werden. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation 30, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten, die in 1 schematisch dargestellt sind und mit den Bezugszeichen 31, 32, 33 und 34 gekennzeichnet sind (beispielhaft sind hier vier Subpopulationen dargestellt). Innerhalb einer der Subpopulationen 31 bis 34 sind die Neuronen nach einem Zurücksetzen der Phase weiterhin synchron und feuern auch weiterhin. mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen 31 bis 34 weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den Stimulationsreiz aufgezwungen wurde. Dies bedeutet, dass die neuronalen Aktivitäten der einzelnen Subpopulationen 31 bis 34 nach dem Zurücksetzen ihrer Phasen weiterhin einen in etwa sinusförmigen Verlauf mit derselben pathologischen Frequenz haben, aber unterschiedliche Phasen.
Bedingt durch die krankhafte Interaktion zwischen den Neuronen ist der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen instabil, und die gesamte Neuronenpopulation 30 nähert sich schnell einem Zustand kompletter Desynchronisation, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern. Der gewünschte Zustand, das heißt die komplette Desynchronisation, ist somit nach der Applikation der ersten Reize 21 nicht sofort vorhanden, sondern stellt sich meist innerhalb weniger Perioden oder gar in weniger als einer Periode der pathologischen Frequenz ein.
Eine Theorie zur Erklärung des Stimulationserfolgs basiert darauf, dass die letztlich gewünschte Desynchronisation durch die krankhaft gesteigerte Interaktion zwischen den Neuronen erst ermöglicht wird. Hierbei wird ein Selbstorganisationsprozess ausgenutzt, der für die krankhafte Synchronisation verantwortlich ist. Derselbe bewirkt, dass auf eine Aufteilung einer Gesamtpopulation 30 in Subpopulationen 31 bis 34 mit unterschiedlichen Phasen eine Desynchronisation folgt. Im Gegensatz dazu würde ohne krankhaft gesteigerte Interaktion der Neuronen keine Desynchronisation erfolgen.
Darüber hinaus kann durch die Stimulation mit der Stimulationseinheit 11 eine Neuorganisation der Konnektivität der gestörten neuronalen Netzwerke erzielt werden, sodass lang anhaltende therapeutische Effekte bewirkt werden können. Der erzielte synaptische Umbau ist von großer Bedeutung für die wirksame Behandlung neurologischer oder psychiatrischer Erkrankungen.
In den 8A, 8B und 9 sind Ausgestaltungen der Neurofeedback-Einheit 12 zur Erzeugung der zweiten Reize 22 dargestellt. In dem in den 8A und 8B gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Neurofeedback-Einheit 12 als sogenannte ”Neurofeedback-Uhr” ausgeführt, die für den Patienten bequem zu tragen ist. In 8A ist die Vorderansicht, in 8B die Rückansicht der Neurofeedback-Uhr 12 gezeigt. Die Neurofeedback-Uhr 12 besteht aus einem Mittelteil 40, Armbändern 41, einem Verschlussteil 42 und zugehörigen Löchern 43. Alternativ kann auch ein Klettverschluss oder jeder andere gleichwertige Verschluss verwendet werden. Der Mittelteil 40 enthält einen Lautsprecher 44 zur Generierung von akustischen zweiten Reizen 22, z. B. einer Melodie oder einem Summ-, Warn- oder Pfeifton, sowie ein Display 45 zur Generierung eines nicht blendenden optischen zweiten Reizes 22, z. B. einer sich je nach Ausprägung des pathologischen Merkmals mehr oder weniger stark öffnenden Blume oder einer konzentrischen roten ”Warnscheibe” mit einem Durchmesser, der mit der Ausprägung des pathologischen neuronalen Aktivität korreliert, oder einem Balken, der mit der Ausprägung der pathologischen neuronalen Aktivität anwächst. Ferner kann die Neurofeedback-Uhr 12 mit einem oder mehreren Vibratoren 46 ausgestattet sein, die ”warnende” taktile und/oder vibratorische zweite Reize 22 generieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist auf der Rückseite der Neurofeedback-Uhr 12 ein Thermostimulator angeordnet, mit dem ”warnende” thermische zweite Reize 22 der Haut des Patienten verabreicht werden können. Warnende zweite Reize 22 können z. B. erst dann appliziert werden, wenn die Ausprägung des pathologischen Merkmals einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat.
Die Neurofeedback-Uhr 12 kann auch so ausgestaltet sein, dass sie nur einen zweiten Reiz 22 einer Sinnesmodalität, z. B. nur einen optischen Reiz, generiert. Die Stromversorgung der Neurofeedback-Uhr 12 erfolgt durch eine Batterie und/oder Solarzellen und/oder ein mechanisches Schwungrad im Inneren der Neurofeedback-Uhr 12.
Zur Kontrolle des Stimulationseffekts kann die Neurofeedback-Uhr 12 zusätzlich ein Akzelerometer beinhalten, mit dem sich die krankhafte oszillatorische Aktivität, z. B. von krankhaftem Tremor, oder aber das mittlere Aktivitätsniveau des Patienten messen lässt. Das mittlere Aktivitätsniveau des Patienten spiegelt die Verlangsamung bzw. Verarmung der Bewegungen bzw. der Bewegungsunfähigkeit des Patienten wider (d. h. die Brady-, Hypo- und Akinese).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Neurofeedback-Einheit 12 ist 9 schematisch dargestellt. Dabei handelt es sich um ein beispielsweise handyförmiges Gerät, das z. B. in der Hemdtasche oder Hosentasche des Patienten getragen werden kann und das mittels eines Lautsprechers 47 akustische zweite Reize 22 generiert.
Ferner kann ein externes Programmiergerät für den Arzt vorgesehen sein, mit welchem die Parameter der Steuereinheit 10, der Stimulationseinheit 11, der Neurofeedback-Einheit 12 und/oder der Messeinheit 15 eingestellt werden können. Darüber hinaus kann dem Patienten ebenfalls ein externes Programmiergerät zur Verfügung gestellt werden, mit welchem der Patient die Stimulationsgeräte ausstellen kann bzw. Parameter der Stimulationseinheit 11 in engen, vom Arzt vorgegebenen Grenzen modifizieren kann. Ferner kann das für den Patienten bestimmte Programmiergerät die weiter oben bereits beschriebene Funktionalität enthalten, mittels welcher der Patient selbstständig, z. B. durch das Betätigen einer Aktivierungs- bzw. Deaktivierungstaste den Neurostimulationsbetrieb aktivieren bzw. deaktivieren kann. Die Programmiergeräte können beispielsweise über Funkverbindungen mit den jeweiligen Komponenten des Stimulationsgeräts kommunizieren.
Stimulationseinheiten zur Erzeugung elektrischer erster Reize:
Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Stimulationseinheit 11 zur Erzeugung elektrischer erster Reize 21 beschrieben. Derartige Stimulationseinheiten lassen sich auch der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 052 078 A1 mit dem Titel ”Vorrichtung und Verfahren zur konditionierten desynchronisierenden Stimulation” entnehmen, die am 17. Oktober 2008 beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegt worden ist.
Als elektrische erste Reize 21 werden desynchronisierende elektrische Stimulationssignale verwendet oder elektrische Stimulationssignale, die zumindest eine Senkung der Koinzidenzrate der kranken Neuronen bewirken. Bei der elektrischen Neurostimulation ist die Stimulationseinheit als Stimulationselektrode 11 ausgestaltet, mittels welcher die ersten Reize 21 auf das Gehirn 29 oder Rückenmark 29 des Patienten übertragen werden. Die Stimulationselektrode 11 kann beispielsweise eine oder zwei oder mehrere Stimulationskontaktflächen aufweisen, die nach der Implantation mit dem Gewebe des Gehirns 29 oder Rückenmarks 29 in Kontakt stehen und über die die elektrischen ersten Reize 21 appliziert werden.
In 10 ist schematisch und beispielhaft eine Stimulationselektrode 11 dargestellt. Die Stimulationselektrode 11 besteht aus einem isolierten Elektrodenschaft 50 und mindestens einer, beispielsweise zwei oder mehr Stimulationskontaktflächen, die in den Elektrodenschaft 50 eingebracht worden sind. In dem vorliegenden Beispiel enthält die Stimulationselektrode 14 vier Stimulationskontaktflächen 51, 52, 53 und 54. Der Elektrodenschaft 50 und die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 können aus einem biokompatiblen Material hergestellt sein. Ferner sind die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 elektrisch leitfähig, beispielsweise sind sie aus einem Metall gefertigt, und befinden sich nach der Implantation in direktem elektrischen Kontakt mit dem Nervengewebe. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann jede der Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 über eine eigene Zuleitung 55 angesteuert werden bzw. es können über die Zuleitungen 55 die aufgenommenen Messsignale 26 abgeführt werden, sofern die Stimulationselektrode 11 gleichzeitig als Messeinheit 15 genutzt wird. Als Alternative können auch zwei oder mehr Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 an dieselbe Zuleitung 55 angeschlossen sein.
In 10 sind die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 in Reihen und Spalten angeordnet. Ferner sind die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 als Rechtecke ausgestaltet. Diese Ausgestaltungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Alternativ zu diesen Ausgestaltungen kann die Stimulationselektrode 11 eine beliebige Anzahl N (N = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ...) von Stimulationskontaktflächen enthalten, die beliebig zueinander angeordnet sein können und beliebige Formen aufweisen können.
Neben den Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 kann die Elektrode 11 eine Referenzelektrode 56 aufweisen, deren Oberfläche größer als die der Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 sein kann. Die Referenzelektrode 56 wird bei der Stimulation des Nervengewebes zur Erzeugung eines Referenzpotentials eingesetzt. Alternativ kann auch eine der Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 zu diesem Zweck verwendet werden. D. h., es kann entweder unipolar zwischen einer einzelnen Stimulationskontaktfläche 51 bis 54 und der Referenzelektrode 56 (oder dem Gehäuse der Steuereinheit 10) oder bipolar zwischen verschiedenen Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 stimuliert werden.
Neben ihrer Funktion als Stimulationselektrode kann die Elektrode 11 auch als Messeinheit 15 innerhalb der Vorrichtung 100 eingesetzt werden. In diesem Fall werden über mindestens eine der Kontaktflächen 51 bis 54 Messsignale 25 aufgenommen.
Die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 können mit der Steuereinheit 10 über Kabel oder über telemetrische Verbindungen verbunden sein.
Die Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 ermöglicht es, unterschiedliche Bereiche der Gehirns 29 oder Rückenmarks 29 über die einzelnen Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 separat zu stimulieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise jede der Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 über eine eigene Verbindungsleitung 55 mit der Steuereinheit 10 verbunden sein. Dies ermöglicht es der Steuereinheit 10, für jede einzelne der Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 bestimmte. erste Reize 21 zu erzeugen. Die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 können so in den Patienten implantiert sein, dass die auf das Gewebe applizierten ersten Reize 21 über Nervenleitungen an unterschiedliche Zielgebiete, die im Gehirn 29 und/oder Rückenmark 29 liegen, weitergeleitet werden. Folglich können mittels der Vorrichtung 100 verschiedene Zielgebiete im Gehirn 29 und/oder Rückenmark 29 mit eventuell unterschiedlichen und/oder zeitversetzten ersten Reizen 21 stimuliert werden.
Aufgrund der Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 können nicht nur unterschiedliche Bereiche des Gehirns 29 und/oder Rückenmarks 29 stimuliert werden, sondern es können auch andere Stimulationsformen eingesetzt werden, als dies bei der Verwendung beispielsweise nur einer einzigen Stimulationskontaktfläche möglich wäre. Gemäß einer Ausgestaltung werden der Neuronenpopulation 30, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische Aktivität aufweist, mittels der Stimulationselektrode 11 erste Reize 21 verabreicht, welche in der Neuronenpopulation 30 ein Zurücksetzen, einen sogenannten Reset, der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z. B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation 30 mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert. Ferner ist es aufgrund der Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 möglich, die krankhafte Neuronenpopulation 30 an unterschiedlichen Stellen zu stimulieren. Dies ermöglicht es, die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation 30 an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückzusetzen. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation 30, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten, die in 1 schematisch dargestellt sind und mit den Bezugszeichen 31, 32, 33 und 34 gekennzeichnet sind. Innerhalb einer der Subpopulationen 31 bis 34 sind die Neuronen nach einem Zurücksetzen der Phase weiterhin synchron und feuern auch weiterhin mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen 31 bis 34 weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den Stimulationsreiz aufgezwungen wurde. Dies bedeutet, dass die neuronalen Aktivitäten der einzelnen Subpopulationen 31 bis 34 nach dem Zurücksetzen ihrer Phasen weiterhin einen in etwa sinusförmigen Verlauf mit derselben pathologischen Frequenz haben, aber unterschiedliche Phasen.
Beispielsweise können die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 derart auf oder in dem Hirn- oder Rückenmarkgewebe 29 des Patienten platziert sein, dass die von der Stimulationskontaktfläche 51 applizierten ersten Reize 21 die Subpopulation 31 reizen und deren neuronale Phase zurücksetzen und die von der Stimulationskontaktfläche 52 applizierten ersten Reize 21 die Subpopulation 32 reizen und deren neuronale Phase zurücksetzen. Analoges gilt für die Stimulationskontaktfläche 53 bzw. 54 in Bezug auf die Subpopulation 33 bzw. 34.
Der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen ist instabil, wodurch sich die gesamte Neuronenpopulation 30 sich schnell einem Zustand kompletter Desynchronisation nähert, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern.
Um durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen der Subpopulationen 31 bis 34 der krankhaft synchronen Neuronenpopulation 30 eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation 30 zu erzielen, kann auf verschiedene Arten vorgegangen werden. Beispielsweise können Stimulationssignale, die ein Zurücksetzen der Phase von Neuronen bewirken, zeitversetzt über die unterschiedlichen Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 an das jeweils stimulierte Nervengewebe abgegeben werden. Des Weiteren können die Stimulationssignale z. B. phasenversetzt oder mit unterschiedlicher Polarität appliziert werden, so dass sie im Ergebnis auch zu einem zeitversetzten Zurücksetzen der Phasen der unterschiedlichen Subpopulationen 31 bis 34 führen.
Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise in einem sogenannten ”open loop”-Modus betrieben werden, bei welchem die Steuereinheit 10 vorgegebene erste Reize 21 erzeugt und diese über die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 an das Nervengewebe abgegeben werden. Des Weiteren kann die Vorrichtung 100 auch als sogenanntes ”closed loop”-System betrieben werden. In diesem Fall stellt die Messeinheit 15 die am Patienten aufgenommenen Messsignale 26 bereit und leitet diese an die Steuereinheit 10 weiter.
Mit Hilfe der Messsignale 26 kann eine bedarfsgesteuerte Stimulation durchgeführt werden. Hierzu detektiert die Steuereinheit 10 anhand der von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale 26 das Vorhandensein und/oder die Ausprägung eines oder mehrerer krankhafter Merkmale. Ferner kann anhand der von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale 26 beispielsweise die Stärke der ersten Reize 21 eingestellt werden. Z. B. können ein oder mehrere Schwellwerte vorgegeben werden, und bei einem Überschreiten der Amplitude oder des Betrags der Messsignale 26 über einen bestimmten Schwellwert wird eine bestimmte Stärke der ersten Reize 21 eingestellt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale 26 direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten als erste Reize 21 eingesetzt werden und von der Steuereinheit 10 in die Stimulationselektrode 11 eingespeist werden. Beispielsweise können die Messsignale 26 verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nichtlinearen Verrechnungsschritten und Kombinationen prozessiert und in die Stimulationselektrode 11 eingespeist werden. Der Verrechnungsmodus wird hierbei so gewählt, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und das Stimulationssignal mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwindet oder zumindest deutlich in seiner Stärke reduziert wird.
Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren, das beispielsweise mit der Vorrichtung 100 durchgeführt werden kann, ist in 11 schematisch dargestellt. Dort sind untereinander die über die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 applizierten ersten Reize 21 gegen die Zeit t aufgetragen.
Bei dem in 11 dargestellten Verfahren verabreicht jede der Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 den ersten Reiz 21 periodisch an den jeweiligen Bereich des Gewebes, auf dem die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 platziert sind. Die Frequenz f_stim = 1/T_stim, mit welcher die ersten Reize 21 pro Stimulationskontaktfläche 51 bis 54 wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 30 Hz und insbesondere im Bereich von 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 5 bis 20 Hz oder im Bereich von 10 bis 30 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen.
Gemäß der in 11 gezeigten Ausgestaltung erfolgt die Verabreichung der ersten Reize 21 über die einzelnen Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den einzelnen Stimulationskontaktflächen 51 bis 54. Beispielsweise kann der Beginn zeitlich aufeinander folgender und von unterschiedlichen Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 applizierten ersten Reizen 21 um eine Zeit τ verschoben sein.
Im Fall von N Stimulationskontaktflächen kann die zeitliche Verzögerung τ zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden ersten Reizen 21 beispielsweise im Bereich eines N-tels der Periode 1/f_stim liegen. In dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel (N = 4) beträgt die Verzögerung τ dann 1/(4 × f_stim). Von dem Wert T_stim/N für die zeitliche Verzögerung T kann auch um bis zu ±3% oder ±5% oder ±10% abgewichen werden.
Die Frequenz f_stim kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz der krankhaft rhythmischen Aktivität des Ziel-Netzwerks liegen. Bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz typischerweise im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz, mit welcher die betroffenen Neuronen bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen synchron feuern, üblicherweise nicht konstant ist, sondern durchaus Variationen aufweisen kann und darüber hinaus bei jedem Patienten individuelle Abweichungen zeigt.
Als erste Reize 21 können beispielsweise strom- oder spannungskontrollierte Pulse verwendet werden. Ferner kann ein erster Reiz 21 ein wie in 12 dargestellter aus mehreren Einzelpulsen 60 bestehender Pulszug sein. Die Pulszüge 21 können jeweils aus 1 bis 100, insbesondere 2 bis 10, elektrischen ladungsbalancierten Einzelpulsen 60 bestehen. Die Pulszüge 21 werden z. B. als Sequenz mit bis zu 20 oder auch mehr Pulszügen appliziert. Innerhalb einer Sequenz werden die Pulszüge 21 mit der Frequenz f_stim im Bereich von 1 bis 30 Hz wiederholt.
Beispielhaft ist ein Pulszug 21, der aus drei Einzelpulsen 60 besteht, in 13 gezeigt. Die Einzelpulse 60 werden mit einer Frequenz f₆₀ im Bereich von 50 bis 500 Hz, insbesondere im Bereich von 100 bis 150 Hz, wiederholt. Die Einzelpulse 60 können strom- oder spannungskontrollierte Pulse sein, die sich aus einem anfänglichen Pulsanteil 61 und einem sich daran anschließenden, in entgegengesetzter Richtung fließenden Pulsanteil 62 zusammensetzen, wobei die Polarität der beiden Pulsanteile 61 und 62 gegenüber der in 13 gezeigten Polarität auch vertauscht werden kann. Die Dauer 63 des Pulsanteils 61 liegt im Bereich zwischen 1 μs und 450 μs. Die Amplitude 64 des Pulsanteils 61 liegt im Falle von stromkontrollierten Pulsen im Bereich zwischen 0 mA und 25 mA und im Fall von spannungskontrollierten Pulsen im Bereich von 0 bis 20 V. Die Amplitude des Pulsanteils 62 ist geringer als die Amplitude 64 des Pulsanteils 61. Dafür ist die Dauer des Pulsanteils 62 länger als die des Pulsanteils 61. Die Pulsanteile 61 und 62 sind idealerweise so dimensioniert, dass die Ladung, welche durch sie übertragen wird, bei beiden Pulsanteilen 61 und 62 gleich groß ist, d. h. die in 13 schraffiert eingezeichneten Flächen sind gleich groß. Im Ergebnis wird dadurch durch einen Einzelpuls 60 genauso viel Ladung in das Gewebe eingebracht, wie aus dem Gewebe entnommen wird.
Die in 13 dargestellte Rechteckform der Einzelpulse 60 stellt eine ideale Form dar. Je nach der Güte der die Einzelpulse 60 erzeugenden Elektronik wird von der idealen Rechteckform abgewichen.
Anstelle von pulsförmigen Stimulationssignalen kann die Steuereinheit 10 beispielsweise auch anders ausgestaltete Stimulationssignale erzeugen, z. B. zeitlich kontinuierliche Reizmuster. Die oben beschriebenen Signalformen und deren Parameter sind nur beispielhaft zu verstehen. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass von den oben angegebenen Signalformen und deren Parametern abgewichen wird.
Von dem in 11 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster kann auf unterschiedliche Art und Weise abgewichen werden. Beispielsweise braucht die zeitliche Verzögerung zwischen zwei aufeinander folgenden ersten Reizen 21 nicht notwendigerweise stets gleich groß zu sein. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen ersten Reizen 21 unterschiedlich gewählt werden. Ferner können die Verzögerungszeiten auch während der Behandlung eines Patienten variiert werden. Auch können die Verzögerungszeiten hinsichtlich der physiologischen Signallaufzeiten adjustiert werden.
Ferner können während der Applikation der ersten Reize 21 Pausen vorgesehen werden, während derer keine Stimulation erfolgt. Eine solche Pause ist beispielhaft in 14 gezeigt. Die Pausen können beliebig lang gewählt werden und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periode T_stim (= 1/f_stim) betragen. Ferner können die Pausen nach einer beliebigen Anzahl von Stimulationen eingehalten werden. Z. B. kann eine Stimulation während N aufeinander folgender Perioden der Länge T_stim durchgeführt werden und anschließend eine Pause während M Perioden der Länge T_stim ohne Stimulation eingehalten werden, wobei N und M kleine ganzen Zahlen sind, z. B. im Bereich von 1 bis 10. Dieses Schema kann entweder periodisch fortgesetzt werden oder stochastisch und/oder deterministisch, z. B. chaotisch, modifiziert werden.
Eine weitere Möglichkeit, von dem in 11 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster abzuweichen, besteht darin, die zeitliche Abfolge der einzelnen ersten Reize 21 stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch zu variieren.
Des Weiteren kann pro Periode T_stim (oder auch in anderen Zeitschritten) die Reihenfolge, in welcher die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 die ersten Reize 21 applizieren, variiert werden, wie dies beispielhaft in 15 gezeigt ist. Diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Die in 15 gezeigte Randomisierung kann mit der in 14 gezeigten Stimulationsform kombiniert werden. Beispielsweise kann in jedem der N aufeinander folgenden Stimulationszeitabschnitte der Länge T_stim eine erneute Randomisierung durchgeführt werden oder aber es erfolgt nach jeder Pause der Länge M × T_stim eine Randomisierung und innerhalb der darauf folgenden N Stimulationszeitabschnitte bleibt die Reihenfolge, in welcher die Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 die ersten Reize 21 applizieren, konstant.
Ferner kann pro Periode T_stim (oder in einem anderen Zeitintervall) nur eine bestimmte Anzahl von Stimulationskontaktflächen 51 bis 54 zur Stimulation herangezogen werden und die an der Stimulation beteiligten Stimulationskontaktflächen können in jedem Zeitintervall variiert werden. Auch diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Wie bereits oben beschrieben wurde, kann der ”closed loop”-Modus der Vorrichtung 100 derart ausgestaltet sein, dass die von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale 26 von der Steuereinheit 10 direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten in elektrische erste Reize 21 umgesetzt werden und von der Stimulationselektrode 11 appliziert werden. In diesem Fall muss die Vorrichtung 100 nicht notwendigerweise mindestens zwei Stimulationskontaktflächen enthalten. Diese Art der Stimulation, bei welcher die am Patienten aufgenommenen Messsignale wieder in den Körper des Patienten eingespeist werden, könnte grundsätzlich auch mit nur einer einzigen Stimulationskontaktfläche durchgeführt werden, es kann jedoch auch eine beliebige, größere Anzahl von Stimulationskontaktflächen vorgesehen sein.
Der vorstehend beschriebene ”closed loop”-Modus kann ebenfalls zur Desynchronisation einer Neuronenpopulation mit einer krankhaft synchronen und oszillatorischen neuronalen Aktivität eingesetzt werden.
Zur Erzeugung der ersten Reize 21 können die Messsignale 26 beispielsweise verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nicht-linearen Verrechnungsschritten als erste Reize 21 für die elektrische Stimulation verwendet werden. Der Verrechnungsmodus kann hierbei so gewählt werden, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und das Stimulationssignal mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwindet oder zumindest deutlich in seiner Stärke reduziert wird.
Stimulationseinheiten zur Erzeugung optischer erster Reize: Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Stimulationseinheit 11 zur Erzeugung optischer erster Reize 21 beschrieben. Derartige Stimulationseinheiten lassen sich auch der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 012 669 A1 mit dem Titel ”Vorrichtung und Verfahren zur visuellen Stimulation” entnehmen, die am 5. März 2008 beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegt worden ist.
16 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der Stimulationseinheit 11, die eine Mehrzahl von Stimulationselementen beinhaltet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Stimulationseinheit 11 zwei Stimulationselemente 112 und 113 auf, die von der Steuereinheit 10 angesteuert werden. In 16 ist ferner ein Auge 114 eines Patienten dargestellt.
Während des Betriebs der Stimulationseinheit 11 erzeugen die Stimulationselemente 112 und 113 optische erste Reize 115 bzw. 116, die vom Patienten über ein oder beide Augen 114 aufgenommen werden und über die Sehnerven an Neuronenpopulationen im Gehirn weitergeleitet werden. Die Steuereinheit 10 steuert die Stimulationselemente 112 und 113 dabei derart an, dass die optischen ersten Reize 115 und 116 beispielsweise zeitversetzt generiert werden.
Anstelle einer zeitversetzten Applikation der optischen ersten Reize 115 und 116 können diese auch mit unterschiedlichen Phasen oder unterschiedlichen Polaritäten appliziert werden. Ferner sind auch Mischformen denkbar, d. h. die optischen ersten Reize 115 und 116 können z. B. zeitversetzt sein und unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Die Stimulationseinheit 11 kann so ausgestaltet sein, dass mit ihr beispielsweise nur eine der vorstehend genannten Stimulationsvarianten ausgeführt werden kann, oder die Stimulationseinheit 11 kann alternativ so ausgestaltet sein, dass mit ihr mehrere der genannten Stimulationsvarianten ausgeführt werden können.
Den optischen ersten Reizen 115 und 116 kann eine Leuchtstärken- bzw. Helligkeitsvariation (bzw. Variation der Lichtintensität oder Lichtstärke) zugrunde liegen, beispielsweise können sie als Pulse oder als Sequenzen von Pulsen mit variierter Leuchtstärke bzw. Helligkeit appliziert werden. Die optischen ersten Reize 115 und 116 können je nach Ausgestaltung der Stimulationseinheit 11 als Leuchtstärkenmodulation natürlicher optischer Reize, z. B. mittels einer homogenen oder segmentierten Transmissionsbrille, als zusätzlich zu einem natürlichen optischen Reiz auftretender, modulierter optischer Reiz, z. B. mittels einer partiell durchsichtigen Lichtbrille, oder als künstlicher optischer Helligkeitsreiz, z. B. mittels einer undurchsichtigen Lichtbrille, verabreicht werden. Falls der Patient die optischen ersten Reize 115, 116 über beide Augen 114 aufnimmt, können die jeweiligen optischen ersten Reize 115, 116 beider Augen 114 korreliert bzw. koordiniert werden.
Die von den Stimulationselementen 112, 113 erzeugten optischen ersten Reize 115, 116 können derart ausgestaltet sein, dass sie, wenn sie von der Retina aufgenommen werden und über den Sehnerv zu einer Neuronenpopulation mit einer krankhaft synchronen und oszillatorischen Aktivität geleitet werden, in der Neuronenpopulation ein Zurücksetzen der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken.
In 17 ist schematisch das Gesichtsfeld 117 eines Patienten dargestellt. Als Gesichtsfeld wird der Raum bezeichnet, der mit einem Auge ohne Augenbewegungen überblickt wird. In 17 ist das Gesichtsfeld 117 zur Vereinfachung kreisförmig dargestellt. Typischerweise hat das Gesichtsfeld eine eher gewölbte ovale Form. Die genaue Größe und Form des Gesichtsfelds unterliegt dabei individuellen Schwankungen und ist zudem altersabhängig.
Punkte im Gesichtsfeld 117 lassen sich beispielsweise mit Hilfe ihrer Polarkoordinaten beschreiben. In 17 sind die räumlichen Lagen der Stimulationselemente 112 und 113 im Gesichtsfeld 117 beispielhaft dargestellt. Zur Veranschaulichung ist jeweils ein Eckpunkt der Stimulationselemente 112 und 113 mit einem Vektor 118 bzw. 119 gekennzeichnet. Die Vektoren 118 und 119 lassen sich im Polarkoordinatensystem über ihren Betrag und den Winkel φ₁₁₈ bzw. φ₁₁₉, den sie mit der x-Achse einschließen beschreiben.
Unterschiedliche Stellen im Gesichtsfeld 117 werden über die Linse des Auges auf unterschiedliche Stellen der Retina abgebildet. Die unterschiedlichen Stellen der Retina sind wiederum über den Sehnerv mit unterschiedlichen Neuronen im Gehirn verbunden. Dies bedeutet, dass mit den an unterschiedlichen räumlichen Orten angeordneten Stimulationselementen 112 und 113 jeweils unterschiedliche Neuronen stimuliert werden können. Folglich können die Stimulationselemente 112 und 113 sowie evtl. weitere Stimulationselemente räumlich so im Gesichtsfeld 117 des Patienten angeordnet sein, dass die von der Retina aufgenommenen optischen Reize an unterschiedliche Zielgebiete im Gehirn weitergeleitet werden. Es können demnach unterschiedliche Subpopulationen einer krankhaften Neuronenpopulation mit den Stimulationselementen 112 und 113 gezielt stimuliert werden, und es kann ein zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen dieser Subpopulation durchgeführt werden, wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist.
Die Zuordnung der Bereiche des Gesichtsfelds zu entsprechenden Bereichen des Gehirns ist beispielsweise in dem Artikel ”Visual Field Maps in Human Cortex” von B. A. Wandell, S. O. Dumoulin und A. A. Brewer, erschienen in Neuron 56, Oktober 2007, Seiten 366 bis 383, beschrieben.
Die Stimulationseinheit 11 kann beispielsweise in einem sogenannten ”open loop”-Modus betrieben werden, bei welchem die Steuereinheit 10 die Stimulationseinheit 11 derart ansteuert, dass die Stimulationselemente 112, 113 vorgegebene optische erste Reize 115, 116 erzeugen. Des Weiteren kann die Stimulationseinheit 11 zusammen mit der Steuereinheit 10 und der Messeinheit 15 auch zu einem in 18 schematisch dargestellten ”closed loop”-System weitergebildet werden.
Hinsichtlich des Zusammenwirkens der Steuereinheit 10 mit der Messeinheit 15 sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise können von der Steuereinheit 10 anhand der Ausprägung der krankhaften Merkmale Parameter der optischen ersten Reize 115, 116, wie beispielsweise die Stärke (Amplitude) der Reize oder die Frequenz der Stimulation oder die Pausen zwischen den Stimulationssequenzen, eingestellt werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten in optische erste Reize umgesetzt werden und von der Stimulationseinheit 11 appliziert werden. Beispielsweise können die Messsignale verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nichtlinearen Verrechnungsschritten als Steuersignale in die Steuereingänge der Stimulationselemente 112, 113 eingespeist werden. Der Verrechnungsmodus wird hierbei so gewählt, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und die Stimulationssignale mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwinden oder zumindest deutlich in ihrer Stärke reduziert werden.
In 19 ist schematisch eine Ausgestaltung der Stimulationseinheit 11 als Transmissionsbrille gezeigt, die aus den folgenden Komponenten besteht: (i) zwei Einfassungsteilen 121 mit je einem transmissionsmodulierten Brillenglas 122 (für jedes Auge einzeln), (ii) zwei Ohrbügeln 123, mit welchen die Brille hinter dem Ohr des Patienten mechanisch gehalten wird, und (iii) der Steuereinheit 10, welche die Transmission der transmissionsmodulierten Gläser 122 der Brille steuert. Anstelle einer Transmissionsbrille könnte auch eine der weiter unten beschriebenen Brillen, wie z. B. eine partiell durchsichtige oder undurchsichtige Lichtbrille, als Stimulationsbrille verwendet werden. Eine Batterie oder ein Akku zur Stromversorgung der elektrischen Bauelemente können in der Steuereinheit 10 oder auch baulich getrennt von der Steuereinheit 10 in oder an der Brille untergebracht sein. Die Brille kann vom Patienten mittels einer Bedieneinheit 124 (z. B. Anschaltknopf und/oder Drehregler) angeschaltet werden. Mit dem Drehregler kann z. B. die maximale Stimulationsstärke eingestellt werden. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Komponenten kann ein Steuermedium 125 vorgesehen sein, welches beispielsweise telemetrisch oder über ein Verbindungskabel mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Im Falle einer Verbindung über ein Kabel können Steckverbindungen zur Konnektierung bzw. Dekonnektierung verwendet werden.
Ferner kann auch ein weiteres, z. B. vom Arzt zu bedienendes Steuermedium (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, welches telemetrisch oder über ein Verbindungskabel mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Im Falle einer Verbindung über ein Kabel können Steckverbindungen zur Konnektierung bzw. Dekonnektierung verwendet werden.
Des Weiteren können ein oder mehrere Sensoren, z. B. EEG-Elektroden oder ein Akzelerometer, zur Registrierung und/oder Dokumentation des Stimulationserfolgs und zur Untersuchung durch den Arzt vorgesehen sein.
In 20 ist schematisch eine als Stimulationseinheit ausgestaltete Transmissionsbrille 11 mit homogenen Transmissionsgläsern 122 dargestellt. Die Transmissionsbrille 11 umfasst ferner Ohrbügel 123 zur mechanischen Befestigung am Patientenkopf, einen Steg 140, welcher die beiden Transmissionsgläser 122 verbindet, und Einfassungsteile 121, in welche die Transmissionsgläser 122 eingefasst sind. Die Transmissionsgläser 122 sind homogen, d. h. nicht in unterschiedliche Segmente unterteilt. Die Transmission des rechten und des linken Transmissionsglases 122 können separat geregelt werden, d. h. die Transmissionsgläser 122 können als Stimulationselemente 112 und 113 im Sinne der in 16 dargestellten Ausgestaltung verwendet werden. Mittels der Transmissionsbrille 11 können beide Augen des Patienten mit jeweils unterschiedlichen optischen ersten Reizen stimuliert werden.
In 21 ist eine Transmissionsbrille 11 mit segmentierten Transmissionsgläsern dargestellt. Die Transmissionsgläser sind jeweils in unterschiedliche Segmente unterteilt, deren Transmission getrennt gesteuert werden kann. Die Segmentierung kann beispielsweise radial und/oder zirkular sein (beides ist in 21 gezeigt). Die in 21 gezeigte Ausführung einer segmentierten Transmissionsbrille 11 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Die Anzahl der Segmente sowie die geometrischen Formen der einzelnen Segmente können anders gewählt werden.
Die Segmente der Transmissionsbrille 11 entsprechen den in 10 gezeigten Stimulationselementen. In 21 sind beispielhaft vier der Segmente mit den Bezugszeichen 141, 142, 143 und 144 gekennzeichnet.
Anhand der Segmente 141 bis 144 soll nachfolgend beispielhaft erläutert werden, wie durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen von Subpopulationen einer krankhaft synchronen und oszillatorischen Neuronenpopulation eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation erzielt werden kann. Die Segmente 141 bis 144 sind so ausgewählt worden, dass die von ihnen erzeugten optischen ersten Reize jeweils vorzugsweise von einem bestimmten Teil der Netzhaut des Patienten aufgenommen werden, von wo aus die Reize zu bestimmten Bereichen des Gehirns weitergeleitet werden, so dass die oben beschriebene Aufspaltung einer krankhaften Neuronenpopulation in Subpopulationen ermöglicht wird. Damit Subpopulationen mit unterschiedlichen Phasen gebildet werden, können die optischen ersten Reize von den Segmenten 141 bis 144 beispielsweise zeitversetzt erzeugt werden. Gleichbedeutend mit dem zeitversetzten Erzeugen der Reize ist ein phasenversetztes Erzeugen der Reize, welches im Ergebnis ebenfalls zu einem zeitversetzten Zurücksetzen der Phasen der unterschiedlichen Subpopulationen führt.
Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren, das beispielsweise mit der vorstehend beschriebenen Transmissionsbrillen 11 durchgeführt werden kann, ist in 22 schematisch dargestellt. In 22 sind untereinander die mittels der Segmente 141 bis 144 applizierten optischen ersten Reize 145 gegen die Zeit t aufgetragen. Bei der in 22 gezeigten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass nur die Segmente 141 bis 144 der Transmissionsbrille 11 optische erste Reize 145 erzeugen, d. h. nur die Transmission dieser Segmente wird von der Steuereinheit 10 moduliert. Selbstverständlich ist dies nur beispielhaft zu verstehen. Bei alternativen Ausgestaltungen können anstelle der Segmente 141 bis 144 andere Segmente zum Generieren der optischen Reize herangezogen werden. Es ist möglich, wie in 22 nur eine Auswahl der Segmente der Transmissionsbrille 11 zur Stimulation zu verwenden oder auch sämtliche Segmente.
Bei dem in 22 dargestellten Verfahren appliziert jedes der Segmente 141 bis 144 periodisch den optischen ersten Reiz 145. Pro Segment 141 bis 144 wird der Reiz 145 in dem vorliegenden Beispiel dreimal appliziert. Alternativ könnte der Reiz 145 pro Sequenz beispielsweise auch ein- bis fünfzehnmal wiederholt werden. Die Frequenz f_stim = 1/T_stim, mit welcher die Reize 145 pro Segment 141 bis 144 wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 30 Hz und insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen. Derartige Sequenzen von optischen Reizen sind geeignet, die neuronale Phase einer stimulierten krankhaften Subpopulation von Neuronen zurückzusetzen.
Die Frequenz f_stim kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz der krankhaft rhythmischen Aktivität des Ziel-Netzwerks liegen. Bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz typischerweise im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz, mit welcher die krankhaften Neuronen synchron feuern, üblicherweise nicht konstant ist, sondern durchaus Variationen aufweisen kann und darüber hinaus bei jedem Patienten individuelle Abweichungen zeigt.
Zur Ermittlung der Frequenz f_stim kann beispielsweise die mittlere Peakfrequenz der krankhaften rhythmischen Aktivität des Patienten bestimmt werden. Diese Peakfrequenz kann dann als Stimulationsfrequenz f_stim verwendet werden oder auch variiert werden, beispielsweise in einem Bereich von f_stim – 3 Hz bis f_stim + 3 Hz. Alternativ kann aber auch ohne vorherige Messung eine Frequenz f_stim im Bereich von 1 bis 30 Hz gewählt werden und diese beispielsweise während der Stimulation variiert werden, bis die Frequenz f_stim gefunden wird, mit der sich die besten Stimulationserfolge erzielen lassen. Als weitere Alternative kann für die Stimulationsfrequenz f_stim ein für die jeweilige Krankheit bekannter Literaturwert herangezogen werden. Eventuell kann dieser Wert noch variiert werden, bis beispielsweise optimale Stimulationsergebnisse erzielt werden.
Die Struktur eines einzelnen optischen ersten Reizes 145 soll nachfolgend anhand des ersten von dem Segment 141 generierten Reizes 145 erläutert werden. Hier wird zum Zeitpunkt t₁ das Segment 141 von der Steuereinheit 10 derart angesteuert, dass die Transmission, d. h. die Lichtdurchlässigkeit des Segments 141 minimal wird. Zum Zeitpunkt t₂ schaltet die Steuereinheit 10 die Transmission des Segments 141 auf den maximalen Wert. In anderen Worten bedeutet dies, dass das Segment 141 weniger transparent wird, wenn stimuliert wird. Dementsprechend nimmt der Patient eine verringerte Helligkeit des Umgebungslichts im Bereich des Segments 141 während der Stimulation wahr.
Alternativ ist es auch möglich, die Transmission des Segments 141 zum Zeitpunkt t₁ maximal zu schalten und zum Zeitpunkt t₂ minimal, sodass das Segment 141 während der Stimulation stärker transparent wird.
Grundsätzlich ist es denkbar, als maximale Transmission 100% zu wählen, d. h. in diesem Fall wird das Umgebungslicht durch das jeweilige Segment überhaupt nicht abgeschwächt. Eine derart hohe Transmission lässt sich jedoch aufgrund technischer Beschränkungen häufig nicht erreichen, sodass kleinere Transmissionswerte für die maximale Transmission im Bereich von 60% bis 100% gewählt werden können. Die minimale Transmission kann einen Wert in dem Bereich von 0% bis 30% annehmen. Es können aber auch noch Stimulationserfolge mit Transmissionswerten, die außerhalb der angegebenen Bereiche liegen, erzielt werden.
Die Dauer eines optischen ersten Reizes 145, d. h. die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, kann beispielsweise T_stim/2 betragen. In diesem Fall sind die Zeitspanne, während der stimuliert wird, und die nachfolgende Stimulationspause gleich lang. Es ist aber auch möglich andere Stimulationsdauern zu wählen, beispielsweise im Bereich von T_stim/² – T_stim/10 bis T_stim/2 + T_stim/10. Auch andere Stimulationsdauern sind möglich und können beispielsweise experimentell bestimmt werden.
Gemäß der in 22 gezeigten Ausgestaltung erfolgt die Verabreichung der optischen ersten Reize 145 über die einzelnen Segmente 141 bis 144 der Transmissionsbrille 11 mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den einzelnen Segmenten 141 bis 144. Beispielsweise kann der Beginn zeitlich aufeinander folgender und von unterschiedlichen Segmenten 141 bis 144 applizierten Reizen 145 um eine Zeit τ verschoben sein.
Im Fall von N Stimulationselementen bzw. Segmenten, die zur Stimulation eingesetzt werden, kann die zeitliche Verzögerung τ zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Reizen 145 beispielsweise im Bereich eines N-tels der Periode T_stim = 1/f_stim liegen. In dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel (N = 4) beträgt die zeitliche Verzögerung τ dementsprechend T_stim/4. Von der Vorgabe, dass die zeitliche Verzögerung τ zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Reizen 145 T_stim/N beträgt, kann bis zu einem gewissen Grad abgewichen werden. Beispielsweise kann von dem Wert T_stim/N für die zeitliche Verzögerung τ um bis zu ±3%, ±5%, ±10%, ±20% oder ±30% abgewichen werden. Bei derartigen Abweichung wurden noch Stimulationserfolge erzielt, d. h. es konnte noch ein desynchronisierender Effekt beobachtet werden.
Die in 22 dargestellte Rechteckform der Einzelpulse 145 stellt eine ideale Form dar. Je nach der Güte der die Einzelpulse 145 erzeugenden Elektronik und der Transmissionsgläser 122 wird von der idealen Rechteckform abgewichen. Es können aber auch – z. B. je nach Grunderkrankung des Patienten sowie individueller psycho-physischer Beschaffenheit, z. B. Blendempfindlichkeit – Reize mit weniger scharfen Flanken, also glatteren Verläufen verwendet werden.
Anstelle von rechteckförmigen Reize 145 kann die Steuereinheit 10 beispielsweise auch anders ausgestaltete optische erste Reize erzeugen, wie sie beispielhaft in den 23 bis 25 dargestellt sind. In 23 sind dreieckförmige optische erste Reize 146 gezeigt. Zum Zeitpunkt t₁ wird beispielsweise auf minimale Transmission geschaltet und bis zum Zeitpunkt t₂ steigt die Transmission kontinuierlich auf den maximalen Wert an. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Transmission zu Beginn des Reizes 146 maximal ist und anschließend auf den minimalen Wert fällt.
In 24 sind dreieckförmige optische erste Reize 147 mit einer ansteigenden und einer abfallenden Flanke gezeigt. Beginnend mit dem Zeitpunkt t₁ wird hier die Transmission beispielsweise erhöht und nach Erreichen des Maximums bis zum Zeitpunkt t₂ wieder erniedrigt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die ansteigenden und abfallenden Flanken der Reize (z. B. exponentiell) ”abgerundet” sind. Dies ist in 25 anhand abgerundeter rechteckförmiger optischer erster Reize 148 gezeigt. Darüber hinaus können die Reize auch durch eine einfache Sinusform ersetzt werden.
Die oben beschriebenen Signalformen und deren Parameter sind nur beispielhaft zu verstehen. Es ist durchaus möglich, von den oben angegebenen Signalformen und deren Parametern abzuweichen.
Von dem in den 22 bis 25 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster kann auf unterschiedliche Art und Weise abgewichen werden. Beispielsweise braucht die zeitliche Verzögerung τ zwischen zwei aufeinander folgenden Reizen 145, 146, 147 bzw. 148 nicht notwendigerweise stets gleich groß zu sein. Es kann vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Reizen 145, 146, 147 bzw. 148 unterschiedlich gewählt werden. Ferner können die Verzögerungszeiten auch während der Behandlung eines Patienten variiert werden. Auch können die Verzögerungszeiten hinsichtlich der physiologischen Signallaufzeiten adjustiert werden.
Des Weiteren können während der Applikation der Reize 145, 146, 147 bzw. 148 Pausen vorgesehen werden, während derer keine Stimulation erfolgt. Die Pausen können beliebig lang gewählt werden und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periode T_stim betragen. Die Pausen können nach einer beliebigen Anzahl von Stimulationen eingehalten werden. Z. B. kann eine Stimulation während N aufeinander folgender Perioden der Länge T_stim durchgeführt werden und anschließend eine Stimulationspause während M Perioden der Länge T_stim eingehalten werden, wobei N und M kleine ganze Zahlen sind, z. B. im Bereich von 1 bis 15. Dieses Schema kann entweder periodisch fortgesetzt werden oder stochastisch und/oder deterministisch, z. B. chaotisch, modifiziert werden.
Eine weitere Möglichkeit, von dem in den 22 bis 25 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster abzuweichen, besteht darin, die zeitlichen Abstände zwischen aufeinander folgenden Reizen 145, 146, 147 bzw. 148 pro Segment 141 bis 144 stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch zu variieren.
Des Weiteren kann pro Periode T_stim (oder in anderen Zeitschritten) die Reihenfolge, in welcher die Segmente 141 bis 144 die Reize 145, 146, 147 bzw. 148 applizieren, variiert werden. Diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Außerdem kann bei dem Stimulationsmuster, bei dem N Stimulationsperioden von M Perioden Pause gefolgt werden und als Zyklus wiederholt werden, innerhalb N zusammengehöriger Stimulationsperioden dieselbe Reihenfolge der Segmente 141 bis 144 gewählt werden, welche aber zwischen unterschiedlichen Blöcken mit N Stimulationsperioden variiert wird. Diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Ferner kann pro Periode T_stim (oder in einem anderen Zeitintervall) nur eine bestimmte Anzahl von den Segmenten 141 bis 144 zur Stimulation herangezogen werden und die an der Stimulation beteiligten Segmente können in jedem Zeitintervall variiert werden. Auch diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Anstelle der in den 22 bis 25 gezeigten pulsförmigen und gegeneinander zeitverschobenen Reize 145 bis 148 können auch optische Reize mit anderen Signalformen eingesetzt werden. Beispielsweise kann jedes der Segmente 141 bis 144 ein (z. B. kontinuierliches) Sinussignal erzeugen, wobei die Phasen der von unterschiedlichen Segmenten 141 bis 144 erzeugten Sinussignale gegeneinander verschoben sind. Die mittlere Frequenz der Sinussignale kann dabei gleich sein. Die Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Sinussignalen können entweder vorgegeben sein, z. B. kann die Phasenverschiebung zwischen jeweils zwei von N Stimulationssignalen 2π/N betragen, was einem Zeitversatz von T_stim/N entspricht, oder die Phasenverschiebungen können z. B. chaotisch und/oder stochastisch variiert werden. Ferner können die optischen Reize unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Im Falle eines Sinussignals als optischer Reiz kann beispielsweise das Sinussignal von zwei Segmenten zeitgleich, aber mit umgekehrter Polarität appliziert werden (entspricht einer Phasenverschiebung von π).
Des Weiteren ist es möglich, dass jedes der Segmente 141 bis 144 ein Sinussignal mit jeweils unterschiedlicher Frequenz appliziert. Beispielsweise kann eines der Segmente ein Sinussignal mit 5 Hz und die anderen drei Segmente können Sinussignale mit 4 Hz, 3 Hz bzw. 2 Hz applizieren (d. h. im Falle einer Transmissionsbrille ändert sich die Transmission des jeweiligen Segments 141 bis 144 mit der entsprechenden Frequenz). Anstelle von Sinussignalen können auch andere (oszillierende) Signalformen, z. B. Rechtecksignale, mit der entsprechenden Grundfrequenz verwendet werden. Die Signale brauchen nicht zeitversetzt appliziert werden, sondern die Segmente 141 bis 144 können die optischen Reize beispielsweise auch gleichzeitig erzeugen. Die optischen Reize können kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg appliziert werden, es können aber auch Pausen während der Applikation eingehalten werden.
Die Applikation von optischen Reizen mit unterschiedlichen Frequenzen führt nicht notwendigerweise zu einem raschen Zurücksetzen der Phase der neuronalen Aktivität in den jeweiligen stimulierten Subpopulationen, jedoch wird durch die Stimulation mit diesen Signalen den jeweils stimulierten Subpopulationen über einen gewissen Zeitraum hinweg eine bestimmte, von der jeweiligen Stimulationsfrequenz abhängige Phase aufgezwungen. Letztlich führt auch dies zu einer Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation.
In 26 ist als weitere Ausführungsform der Stimulationseinheit eine partiell durchsichtige Lichtbrille 11 schematisch dargestellt. Bei der partiell durchsichtigen Lichtbrille 11 wird kein Glas verwendet, dessen Transmission variiert werden kann. Vielmehr ist nur ein Teil 149 jedes der Brillengläser durchsichtig, während der übrige Teil 150 der Brillengläser undurchsichtig ist. An mindestens einem Ort ist pro Brillenglas eine Lichtquelle angeordnet. Die Lichtquelle kann z. B. eine Leuchtdiode oder ein Glasfaserkabel sein, das z. B. das Licht einer an anderer Stelle befestigten Leuchtdiode oder eines anderen Leuchtmittels zu dieser Stelle am Brillenglas weiterleitet. Die in 26 gezeigte Lichtbrille 11 verfügt pro Brillenglas über vier Lichtquellen 151, 152, 153 und 154. Die Lichtbrille 11 kann aber auch über jede andere Anzahl von Lichtquellen verfügen, die in einer beliebigen Geometrie angeordnet sein können. Ferner kann auch der durchsichtige Teil 149 anders ausgestaltet sein als in 26 dargestellt.
Der Patient kann nur durch den durchsichtigen Teil 149 der Brillengläser schauen. Wenn dieser Teil im Vergleich zum gesamten Brillenglas klein ist, wird der Patient gezwungen, seine Augen relativ zur Brille konstant positioniert zu halten. Die Lichtquellen 151 bis 154 reizen nur die Netzhaut des Patienten, während sie einen Betrachter auf der anderen Seite der Brille nicht visuell stimulieren. Die unterschiedlichen Lichtquellen 151 bis 154 reizen beispielsweise bestimmte Teilgebiete der Retina des Patienten. Der Zwischenraum zwischen Brillenrand und Gesicht kann lichtdicht abgeschlossen sein (nicht dargestellt).
In 27 ist als weitere Ausführungsform der Stimulationseinheit eine undurchsichtige Lichtbrille 11 schematisch dargestellt. Bei der undurchsichtigen Lichtbrille 11 ist das Brillenglas 155 vollständig undurchsichtig. An mindestens einem Ort jedes der Brillengläser 155 ist eine Lichtquelle angebracht. Die Lichtquellen können genauso wie bei der partiell durchsichtigen Lichtbrille ausgestaltet sein, also z. B. als Leuchtdioden oder Glasfaserkabel. Bei dem in 27 gezeigten Beispiel weist jedes der Brillengläser neun Lichtquellen auf. Vier dieser Lichtquellen sind mit den Bezugszeichen 151 bis 154 versehen. Die Lichtbrille 11 kann aber auch jede andere Anzahl von Lichtquellen aufweisen, die in einer beliebigen Art angeordnet sein können.
Der Patient kann nicht durch die Brillengläser schauen, sondern er wird ausschließlich durch die Lichtquellen visuell gereizt. Die Lichtquellen reizen – wie bei der partiell durchlässigen Lichtbrille – nur die Netzhaut des Patienten. Die unterschiedlichen Lichtquellen reizen bestimmte Teilgebiete der Retina des Patienten. Der Zwischenraum zwischen Brillenrand und Gesicht kann lichtdicht abgeschlossen sein (nicht dargestellt).
Die undurchsichtige Lichtbrille 11 kann ein Fixation-Target enthalten, welches der Patient angenehm (z. B. ohne Blendungseffekte) fixieren kann. Durch die Instruktion, während der Therapie das Fixation-Target zu fixieren, wird verhindert, dass der Patient mit Augenfolgebewegungen den unterschiedlichen, aufleuchtenden Lichtquellen folgt. In letzterem Falle würde vor allem der zentrale Teil der Retina, die Fovea, gereizt, während mit einem Fixation-Target die unterschiedlichen Teile der Retina gereizt werden können.
Ein Stimulationsverfahren, das beispielsweise mit den in den 26 und 27 gezeigten Lichtbrillen 11 durchgeführt werden kann, ist in 28 schematisch dargestellt. In 28 sind untereinander die von den Lichtquellen 151 bis 154 der Lichtbrille 11 applizierten optischen ersten Reize 156 gegen die Zeit t aufgetragen.
Das in 28 dargestellte Verfahren entspricht im Wesentlichen dem in 22 gezeigten Verfahren für die Transmissionsbrille. Bei dem in 28 dargestellten Verfahren appliziert jede der Lichtquellen 151 bis 154 periodisch den Reiz 156. Die Frequenz f_stim = 1/T_stim, mit welcher die Reize 156 pro Lichtquelle 151 bis 154 wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 30 Hz und insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen.
Zur einfacheren Darstellung ist in 28 das Stimulationsverfahren nur für vier Lichtquellen 151 bis 154 dargestellt. Dieses Verfahren kann jedoch in entsprechender Weise auf eine beliebige Anzahl von Lichtquellen erweitert werden.
Bei der Erzeugung der Reize 156 mittels Lichtquellen wird typischerweise die betreffende Lichtquelle zum Zeitpunkt t₁ eingeschaltet und zum Zeitpunkt t₂ ausgeschaltet. Die maximale Amplitude (Helligkeit) der einzelnen Lichtreize liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 20 cd/m². Während der Stimulation, d. h. während der Zeitspanne zwischen t₁ und t₂, können auch kleinere Helligkeitswerte verwendet werden.
Alle im Zusammenhang mit den 22 bis 25 beschriebenen Ausgestaltungen können in entsprechender Weise auch auf die Stimulation mittels der in den 26 und 27 dargestellten Lichtbrillen 11 übertragen werden.
Stimulationseinheiten zur Erzeugung akustischer erster Reize:
Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Stimulationseinheit 11 zur Erzeugung akustischer erster Reize 21 beschrieben. Derartige Stimulationseinheiten lassen sich auch der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 015 259 A1 mit dem Titel ”Vorrichtung und Verfahren zur auditorischen Stimulation” entnehmen, die am 20. März 2008 beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegt worden ist.
29 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der Stimulationseinheit 11 zur Erzeugung akustischer erster Reize 21. Die Stimulationseinheit 11 wird von der Steuereinheit 10 mit Steuersignalen 23 angesteuert. In 29 sind ferner ein Ohr 212 eines Patienten sowie der auditorische Cortex 213 im Gehirn des Patienten schematisch dargestellt.
Das Frequenzspektrum der akustischen ersten Reize 21 kann ganz oder teilweise im für den Menschen hörbaren Bereich liegen. Die akustischen ersten Reize 21 werden von dem Patienten über ein oder beide Ohren 212 aufgenommen und über den oder die Hörnerven 216 an Neuronenpopulationen im Gehirn weitergeleitet. Die akustischen ersten Reize 21 sind derart ausgestaltet, dass sie Neuronenpopulationen im auditorischen Cortex 213 stimulieren. Im Frequenzspektrum der akustischen ersten Reize 21 sind zumindest eine erste Frequenz f₁ und eine zweite Frequenz f₂ vorhanden. Die akustischen ersten Reize 21 können ferner noch weitere Frequenzen oder Frequenzgemische enthalten, in dem in 30 gezeigten Ausführungsbeispiel sind dies eine dritte Frequenz f₃ und eine vierte Frequenz f₄.
Die von der Stimulationseinheit 11 erzeugten akustischen ersten Reize 21 werden im Innenohr in Nervenimpulse umgesetzt und über den Hörnerv 216 zu dem auditorischen Cortex 213 weitergeleitet. Durch die tonotope Anordnung des auditorischen Cortex 213 wird bei der akustischen Stimulation des Innenohres mit einer bestimmten Frequenz ein bestimmter Teil des auditorischen Cortex 213 aktiviert. Die tonotope Anordnung des auditorischen Cortex ist z. B. in den folgenden Artikeln beschrieben: ”Tonotopic organization of the human auditory cortex as detected by BOLD-FMRI” von D. Bilecen, K. Scheffler, N. Schmid, K. Tschopp und J. Seelig (erschienen in Hearing Research 126, 1998, Seiten 19 bis 27), ”Representation of lateralization and tonotopy in primary versus secondary human auditory cortex” von D. R. M. Langers, W. H. Sackes und P. van Dijk (erschienen in NeuroImage 34, 2007, Seiten 264 bis 273) und ”Reorganization of auditory cortex in tinnitus” von W. Mühlnickel, T. Elbert, E. Taub und H. Flor (erschienen in Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 1998, Seiten 10340 bis 10343).
In dem Beispiel gemäß 29 sind die akustischen ersten Reize 21 so ausgestaltet, dass mit ihnen eine Neuronenpopulation des auditorischen Cortex 213 mit einer krankhaft synchronen und oszillatorischen Aktivität stimuliert wird. Diese Neuronenpopulation lässt sich vor Beginn der Stimulation zumindest gedanklich in verschiedene Subpopulationen untergliedern, u. a. in die in 29 gezeigten Subpopulationen 217, 218, 219 und 220. Vor Beginn der Stimulation feuern die Neuronen aller Subpopulationen 217 bis 220 weitgehend synchron und im Mittel mit der gleichen pathologischen Frequenz. Aufgrund der tonotopen Organisation des auditorischen Cortex 213 werden mittels der ersten Frequenz f₁ die erste Subpopulation 217, mittels der zweiten Frequenz f₂ die zweite Subpopulation 218, mittels der dritten Frequenz f₃ die dritte Subpopulation 219 und mittels der vierten Frequenz f₄ die vierte Subpopulation 220 stimuliert. Die Stimulation mit den akustischen ersten Reizen 21 bewirkt in den jeweiligen Subpopulationen 217 bis 220 ein Zurücksetzen, einen sogenannten Reset, der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z. B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Subpopulationen 217 bis 220 mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert.
Aufgrund der tonotopen Anordnung des auditorischen Cortex 213 sowie der Mehrzahl von Frequenzen f₁ bis f₄, die in den akustischen ersten Reizen 21 enthalten sind, ist es möglich, die krankhafte Neuronenpopulation an den unterschiedlichen Stellen 217 bis 220 gezielt zu stimulieren. Dies ermöglicht es, die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation an den unterschiedlichen Stimulationsstellen 217 bis 220 zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückzusetzen, indem die Frequenzen f₁ bis f₄ zu unterschiedlichen Zeitpunkten appliziert werden. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in die Subpopulationen 217 bis 220 aufgespalten. Innerhalb jeder der Subpopulationen 217 bis 220 sind die Neuronen weiterhin synchron und feuern auch weiterhin im Mittel mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen 217 bis 220 weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den Stimulationsreiz mit der zugehörigen Frequenz f₁ bis f₄ aufgezwungen wurde.
Bedingt durch die krankhafte Interaktion zwischen den Neuronen ist der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen instabil, und die gesamte Neuronenpopulation nähert sich schnell einem Zustand kompletter Desynchronisation, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern. Der gewünschte Zustand, d. h. die komplette Desynchronisation, ist somit nach der Applikation der akustischen ersten Reize 21 nicht sofort vorhanden, sondern stellt sich meist innerhalb weniger Perioden oder gar in weniger als einer Periode der pathologischen Aktivität ein.
Um den auditorischen Cortex 213 an unterschiedlichen Stellen, z. B. den in 29 gezeigten Stellen bzw. Subpopulationen 217 bis 220, fokal zu stimulieren, müssen reine Töne der zugehörigen Frequenzen f₁, f₂, f₃ und f₄ (mit geeigneter Einhüllender zur Vermeidung von Klickgeräuschen) verabreicht werden. Infolge der tonotopen Anordnung des auditorischen Cortex 213 werden unterschiedliche Teile des Gehirns durch die gleichzeitige Verabreichung der zugehörigen unterschiedlichen reinen Töne f₁ bis f₄, d. h. durch die Superposition verschiedener Sinusschwingungen stimuliert. Sollen die vier unterschiedlichen Orte 217 bis 220 z. B. zu unterschiedlichen Zeiten gereizt werden, werden die vier verschiedenen Frequenzen f₁ bis f₄ zu den jeweiligen Zeiten appliziert. Beispielhaft ist dies in 30 gezeigt. Hier werden Sinusschwingungen mit den Frequenzen f₁ = 1000 Hz, f₂ = 800 Hz, f₃ = 600 Hz und f₄ = 400 Hz sukzessive und pulsförmig appliziert, was zu einer sukzessiven fokalen Reizung an den vier verschiedenen Orten 217 bis 220 des auditorischen Cortex 213 führt. Die Stärke der durch die jeweilige Sinusschwingung erzeugten Reizung des jeweiligen Areals im auditorischen Cortex 213 entspricht der Amplitude der jeweiligen Sinusschwingung.
Die Generierung der in 30 gezeigten pulsförmigen Sinusschwingungen ist in 31 beispielhaft dargestellt. Dort wird eine Sinusschwingung 221 mit einer Rechteckfunktion 222, die beispielsweise die Werte 0 oder 1 annehmen kann, multipliziert. Zu den Zeitpunkten, zu denen die Rechteckfunktion 222 den Wert 0 hat, ist der zugehörige Reiz abgeschaltet und während der Zeit, in der die Rechteckfunktion 222 gleich 1 ist, ist der Reiz angeschaltet.
Anstelle der Rechteckfunktion 222 kann die Sinusschwingung 221 mit einer beliebigen anderen Funktion multipliziert werden. Im Ergebnis entspricht diese Multiplikation einer Amplitudenmodulation der Sinusschwingung 221. Um Klickgeräusche aufgrund eines scharfen Beginns und Endes der Töne zu vermeiden, kann statt der Rechteckfunktion 222 ein glatterer Verlauf gewählt werden, z. B. durch Multiplikation der Sinusschwingung 221 mit einer Sinus-Halbschwingung von geeigneter Dauer, z. B. der Dauer eines Reizes.
Anstelle der vorstehend beschriebenen Sinusschwingungen können auch oszillierende Signale mit einer anderen Signalform, wie z. B. Rechtecksignale, die mit der entsprechenden Grundfrequenz oszillieren, zur Generierung der akustischen ersten Reize 21 herangezogen werden.
Sofern statt einer fokalen Reizung eine weniger fokale Reizung durchgeführt werden soll, die größere Teile des auditorischen Cortex 213 aktiviert, so werden Frequenzgemische anstelle von einzelnen Frequenzen, beispielsweise pulsförmig appliziert. Mittels eines Frequenzgemisches in den Grenzen zwischen einer unteren Frequenz f^unten und einer höheren Frequenz f^oben werden all die Teile des auditorischen Cortex 213 gereizt, die durch die Frequenzen zwischen f^unten und f^oben aufgrund der tonotopen Anordnung stimuliert werden. Sollen z. B. vier unterschiedliche größere Bereiche des auditorischen Cortex 213 zu unterschiedlichen Zeiten stimuliert werden, so werden die vier zugehörigen Frequenzgemische mit den Grenzen f_j ^unten und f_j ^oben (j = 1, 2, 3, 4) zu den gewünschten Zeiten appliziert.
Die Stimulationseinheit 11 kann beispielsweise in einem sogenannten ”open loop”-Modus betrieben werden, bei welchem die Steuereinheit 10 die Stimulationseinheit 11 derart ansteuert, dass diese vorgegebene akustische erste Reize 21 während einer bestimmten Stimulationszeit (z. B. während mehrerer Stunden) erzeugt. Des Weiteren kann die Stimulationseinheit 11 zusammen mit der Steuereinheit 10 und der Messeinheit 15 auch zu einem in 32 schematisch dargestellten ”closed loop”-System weitergebildet werden.
Hinsichtlich des Zusammenwirkens der Steuereinheit 10 mit der Messeinheit 15 sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar.
Beispielsweise können von der Steuereinheit 10 anhand der Ausprägung der krankhaften Merkmale Parameter der akustischen ersten Reize 21, wie beispielsweise die Amplituden der jeweiligen Sinusschwingungen oder die Pausen zwischen Stimulationssequenzen, eingestellt werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten in akustische erste Reize 21 umgesetzt werden und von der Stimulationseinheit 11 appliziert werden. Beispielsweise können die Messsignale verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nichtlinearen Verrechnungsschritten als Steuersignale 23 in den Steuereingang der Stimulationseinheit 11 eingespeist werden. Der Verrechnungsmodus wird hierbei so gewählt, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und die akustischen ersten Reize 21 mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwinden oder zumindest deutlich in ihrer Stärke reduziert werden.
In 33 ist schematisch eine Ausgestaltung der Stimulationseinheit 11 gezeigt, die einen Schallgenerator (Lautsprecher) verwendet, der in einen Ohrstöpsel 230 eingefasst ist. Der Ohrstöpsel 230 wird in den äußeren Gehörgang eines Ohrs 212 des Patienten eingefügt und mit oder ohne Bügel bzw. einer anderen geeigneten mechanischen Hilfe am Ohr 212 befestigt. Die Steuereinheit 10, welche den Schallgenerator ansteuert, sowie eine Batterie oder ein Akku zur Stromversorgung der elektrischen Bauelemente können in einer oder mehreren separaten Einheiten 231 untergebracht sein. Die Einheit 231 kann mittels einer mechanischen Halterung, z. B. einem Bügel, mit dem Ohrstöpsel 230 verbunden sein. Ein Verbindungskabel 232 verbindet den Ohrstöpsel 230 mit der Steuereinheit 10 bzw. der Batterie.
Alternativ kann statt des Ohrstöpsels 230 auch ein Kopfhörer verwendet werden, der die Steuereinheit 10 und die Batterie enthält. Die in 33 gezeigte Vorrichtung kann vom Patienten mittels einer Bedieneinheit (z. B. Anschaltknopf und/oder Drehregler) angeschaltet werden, die entweder an der Einheit 231 oder direkt am Ohrstöpsel 230 angebracht ist. Mit dem Drehregler kann z. B. die maximale Stimulationsstärke eingestellt werden. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Komponenten kann ein Steuermedium 233 vorgesehen sein, welches beispielsweise telemetrisch (z. B. über Funk) oder über ein Verbindungskabel mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Im Falle einer Verbindung über ein Kabel können Steckverbindungen zur Konnektierung bzw. Dekonnektierung verwendet werden.
Ferner kann auch ein weiteres, z. B. vom Arzt zu bedienendes Steuermedium (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, welches telemetrisch oder über ein Verbindungskabel mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Im Falle einer Verbindung über ein Kabel können Steckverbindungen zur Konnektierung bzw. Dekonnektierung verwendet werden.
Anhand der oben bereits erwähnten vier Frequenzen f₁ bis f₄ soll nachfolgend beispielhaft erläutert werden, wie durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen der neuronalen Aktivität von Subpopulationen einer krankhaft synchronen und oszillatorischen Neuronenpopulation eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation erzielt werden kann. Die vier Frequenzen f₁ bis f₄ sind lediglich beispielhaft zu verstehen, d. h. es kann eine beliebige andere Zahl von Frequenzen oder Frequenzgemischen zu Stimulationszwecken eingesetzt werden. Die Frequenzen f₁ bis f₄ sind so ausgewählt worden, dass mit ihnen jeweils bestimmte Bereiche 217 bis 220 des auditorischen Cortex 213 stimuliert werden. Dies ermöglicht die oben beschriebene Aufspaltung einer krankhaften Neuronenpopulation in Subpopulationen 217 bis 220. Damit die Subpopulationen 217 bis 220 nach der Stimulation unterschiedliche Phasen aufweisen, können die Frequenzen f₁ bis f₄ beispielsweise zeitversetzt appliziert werden.
Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren ist in 34 schematisch dargestellt. In 34 sind in den oberen vier Zeilen untereinander vier Sinusschwingungen mit den Frequenzen f₁, f₂, f₃ bzw. f₄ gegen die Zeit t aufgetragen. Aus den dargestellten Sinusschwingungen werden die akustischen ersten Reize 21 gebildet. Zur Erzeugung von pulsförmigen Sinusschwingungen sind die vier Sinusschwingungen mit Rechteckfunktionen multipliziert worden. Wie oben bereits erläutert wurde, können statt der Rechteckfunktionen auch glattere Funktionen, wie z. B. Sinus-Halbschwingungen, verwendet werden, um Klickgeräusche zu vermeiden. Jeder Sinusschwingungspuls wiederholt sich periodisch mit einer Frequenz f_stim. Die Frequenz f_stim = 1/T_stim kann im Bereich von 1 bis 30 Hz und insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen. Derartige Sequenzen von pulsförmigen Sinusschwingungen sind, wenn sie als akustische erste Reize 21 appliziert werden, geeignet, die neuronale Phase der jeweils stimulierten krankhaften Neuronen-Subpopulation 217, 218, 219 bzw. 220 zurückzusetzen. Der Phasenreset ergibt sich dabei nicht notwendigerweise bereits nach einem oder wenigen Pulsen, sondern es können eine gewisse Anzahl der in 34 gezeigten Sinusschwingungspulse erforderlich sein, um die neuronale Phase der jeweiligen Subpopulation 217, 218, 219 bzw. 220 zurückzusetzen.
Die Frequenz f_stim kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz der krankhaft rhythmischen Aktivität des Ziel-Netzwerks liegen. Bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz typischerweise im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Beim Tinnitus findet sich z. B. im Frequenzbereich von 1,5 bis 4 Hz übermäßig synchrone neuronale Aktivität. Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz, mit welcher die krankhaften Neuronen synchron feuern, üblicherweise nicht konstant ist, sondern durchaus Variationen aufweisen kann und darüber hinaus bei jedem Patienten individuelle Abweichungen zeigt.
Zur Ermittlung der Frequenz f_stim kann beispielsweise die mittlere Peakfrequenz der krankhaften rhythmischen Aktivität des Patienten bestimmt werden. Diese Peakfrequenz kann dann als Stimulationsfrequenz f_stim verwendet werden oder auch variiert werden, beispielsweise in einem Bereich von f_stim – 3 Hz bis f_stim + 3 Hz. Alternativ kann aber auch ohne vorherige Messung eine Frequenz f_stim im Bereich von 1 bis 30 Hz gewählt werden und diese beispielsweise während der Stimulation variiert werden, bis die Frequenz f_stim gefunden wird, mit der sich die besten Stimulationserfolge erzielen lassen. Als weitere Alternative kann für die Stimulationsfrequenz f_stim ein für die jeweilige Krankheit bekannter Literaturwert herangezogen werden. Eventuell kann dieser Wert noch variiert werden, bis beispielsweise optimale Stimulationsergebnisse erzielt werden.
Die Dauer eines Sinusschwingungspulses, d. h. die Zeitspanne, in dem in der vorliegenden Ausgestaltung die Rechteckfunktion den Wert 1 annimmt, kann beispielsweise T_stim/2 betragen. In diesem Fall sind die Zeitspanne, während der die jeweilige Frequenz zur Stimulation beiträgt, und die nachfolgende Stimulationspause gleich lang. Es ist aber auch möglich andere Stimulationsdauern zu wählen, beispielsweise im Bereich von T_stim/2 – T_stim/10 bis T_stim/2 + T_stim/10. Die Stimulationsdauern können beispielsweise experimentell bestimmt werden.
Gemäß der in 34 gezeigten Ausgestaltung erfolgt die Verabreichung der einzelnen Frequenzen f₁ bis f₄ mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den einzelnen Frequenzen f₁ bis f₄. Beispielsweise kann der Beginn zeitlich aufeinander folgender und unterschiedliche Frequenzen aufweisender Pulse um eine Zeit τ verschoben sein.
Im Fall von N Frequenzen, die zur Stimulation eingesetzt werden, kann die zeitliche Verzögerung τ zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Pulsen beispielsweise im Bereich eines N-tels der Periode T_stim = 1/f_stim liegen. In dem in 34 gezeigten Ausführungsbeispiel (N = 4) beträgt die zeitliche Verzögerung τ dementsprechend T_stim/4. Von der Vorgabe, dass die zeitliche Verzögerung τ zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Sinusschwingungspulsen T_stim/N beträgt, kann bis zu einem gewissen Grad abgewichen werden. Beispielsweise kann von dem Wert T_stim/N für die zeitliche Verzögerung τ um bis zu ±3%, ±5%, ±10%, ±20% oder ±30% abgewichen werden. Bei derartigen Abweichung wurden noch Stimulationserfolge erzielt, d. h. es konnte noch ein desynchronisierender Effekt beobachtet werden.
Aus den periodischen Sinusschwingungspulsen mit den Frequenzen f₁ bis f₄ wird durch Superposition der akustische erste Reiz 21 gebildet. Die einzelnen Sinusschwingungspulse können dabei beispielsweise linear oder nicht-linear miteinander kombiniert werden. Dies bedeutet, dass die Sinusschwingungen der einzelnen Frequenzen f₁ bis f₄ nicht notwendigerweise mit den gleichen Amplituden zu dem akustischen ersten Reiz 21 kombiniert werden müssen. In der untersten Zeile von 34 ist beispielhaft das Frequenzspektrum des akustischen ersten Reizes 21 zu vier verschiedenen Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ und t₄ dargestellt. Die dort gezeigten Frequenzspektren, insbesondere die Höhe und Form der Frequenzpeaks, sind lediglich beispielhaft zu verstehen und können auch völlig unterschiedliche Formen aufweisen. Im Einzelnen lassen sich den dargestellten Frequenzspektren die folgenden Aussagen entnehmen: Zum Zeitpunkt t₁ tritt lediglich die Frequenz f₁ in dem akustischen ersten Reiz 21 auf. Zum Zeitpunkt t₂ sind dies die Frequenzen f₃ sowie f₄, zum Zeitpunkt t₃ die Frequenzen f₂ bis f₄ und zum Zeitpunkt t₄ die Frequenzen f₂ sowie f₃.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung werden statt der Frequenzen f₁ bis f₄ vier Frequenzgemische mit den Grenzen f_j ^un ^ten und f_j ^oben (j = 1, 2, 3, 4) verwendet. In einem Frequenzgemisch j kann eine beliebige Anzahl von Frequenzen im Bereich von f_j ^unten bis f_j ^oben vorliegen.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung werden anstelle der Rechteckfunktionen andere Funktionen zur Amplitudenmodulation der Sinusschwingungen eingesetzt werden, z. B. Sinushalbwellen, deren Frequenz kleiner als f₁ bis f₄ ist. Ferner ist es beispielsweise denkbar, dass dreieckförmige Pulse als Modulationsfunktionen eingesetzt werden. Ein solcher Puls kann eine sprungförmigen Onset (von 0 auf 1) aufweisen und danach einen Abfall auf 0, wobei der Abfall beispielsweise durch eine lineare oder exponentielle Funktion gegeben sein kann. Durch die Modulationsfunktion wird letztlich die Form der Einhüllenden der einzelnen Pulse bestimmt.
In 35 ist die bereits in 34 gezeigte Stimulation über einen längeren Zeitraum hinweg dargestellt. Die einzelnen Sinusschwingungen mit den Frequenzen f₁ = 1000 Hz, f₂ = 800 Hz, f₃ = 600 Hz und f₄ = 400 Hz sind in 35 nicht gezeigt, sondern nur die jeweiligen rechteckförmigen Einhüllenden. Ferner ist in 35 ein beispielsweise von der Messeinheit 15 aufgenommenes Messsignal 26 dargestellt, das die neuronale Aktivität im auditorischen Cortex vor und während der Stimulation wiedergibt. Die Periode T_stim beträgt vorliegend 1/(3,5 Hz) = 0,29 s.
Die Stimulation wird zum Zeitpunkt t_start gestartet. Dem Messsignal 26, das in dem vorliegenden Beispiel bandpassgefiltert worden ist, ist zu entnehmen, dass die Neuronen im auditorischen Cortex vor Beginn der Stimulation eine synchrone und oszillatorische Aktivität aufweisen. Kurz nach Beginn der Stimulation wird die krankhaft synchrone neuronale Aktivität im Zielgebiet bereits unterdrückt.
Von dem in den 34 und 35 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster kann auf unterschiedliche Art und Weise abgewichen werden. Beispielsweise braucht die zeitliche Verzögerung τ zwischen zwei aufeinander folgenden Sinusschwingungspulsen nicht notwendigerweise stets gleich groß zu sein. Es kann vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Sinusschwingungspulsen unterschiedlich gewählt werden. Ferner können die Verzögerungszeiten auch während der Behandlung eines Patienten variiert werden. Auch können die Verzögerungszeiten hinsichtlich der physiologischen Signallaufzeiten adjustiert werden.
Des Weiteren können während der Applikation der akustischen ersten Reize 21 Pausen vorgesehen werden, während denen keine Stimulation erfolgt. Die Pausen können beliebig lang gewählt werden und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periode T_stim betragen. Die Pausen können nach einer beliebigen Anzahl von Stimulationen eingehalten werden. Z. B. kann eine Stimulation während N aufeinander folgender Perioden der Länge T_stim durchgeführt werden und anschließend eine Stimulationspause während M Perioden der Länge T_stim eingehalten werden, wobei N und M kleine ganze Zahlen sind, z. B. im Bereich von 1 bis 15. Dieses Schema kann entweder periodisch fortgesetzt werden oder stochastisch und/oder deterministisch, z. B. chaotisch, modifiziert werden.
In 36 ist eine derartige Stimulation gezeigt. Hier gelten N = 2 und M = 1. Ansonsten entspricht die Stimulation der in 35 gezeigten Stimulation.
Eine weitere Möglichkeit, von dem in 34 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster abzuweichen, besteht darin, die zeitlichen Abstände zwischen aufeinander folgenden Pulsen einer Frequenz f_j oder eines Frequenzgemisches mit den Grenzen f_j ^unten und f_j ^oben (j = 1, 2, 3, 4) stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch zu variieren.
Des Weiteren kann pro Periode T_stim (oder in anderen Zeitschritten) die Reihenfolge, in welcher die beteiligten Frequenzen f_j oder Frequenzgemische mit den Grenzen f_j ^unten und f_j ^oben appliziert werden, variiert werden. Diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Ferner kann pro Periode T_stim (oder in einem anderen Zeitintervall) nur eine bestimmte Anzahl der Frequenzen f_j oder Frequenzgemische mit den Grenzen f_j ^unten und f_j ^oben appliziert werden und die an der Stimulation beteiligten Frequenzen f_j oder Frequenzgemische mit den Grenzen f_j ^unten und f_j ^oben können in jedem Zeitintervall variiert werden. Auch diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Die vorstehend beschriebenen Stimulationssignale bewirken, dass die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückgesetzt wird. Dadurch wird die krankhafte Neuronenpopulation, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten, was letztlich zu einer Desynchronisation führt.
Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungen der ”closed loop”-Stimulation beschrieben. Wie bereits weiter oben beschrieben wurde, kann das von der Messeinheit 15 aufgenommene Messsignal 26 dazu verwendet werden, ein Steuersignal 23 zu generieren, mit dem die Stimulationseinheit 11 angesteuert wird. Dabei kann das Messsignal 26 entweder direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten in die akustischen ersten Reize 21 umgesetzt werden und von der Stimulationseinheit 11 appliziert werden. Der Verrechnungsmodus kann hierbei so gewählt werden, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und die akustischen ersten Reize 21 mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwinden oder zumindest deutlich in ihrer Stärke reduziert werden.
Bevor das Messsignal 26 in den Steuereingang der Stimulationseinheit 11 eingespeist wird, kann das Messsignal 26 linear oder nicht-linear verarbeitet werden. Beispielsweise kann das Messsignal 26 gefiltert und/oder verstärkt und/oder mit einer Zeitverzögerung beaufschlagt werden und/oder mit einem anderen Messsignal 26 gemischt werden. Ferner kann mit dem Messsignal 26 oder dem verarbeiteten Messsignal 26 die Amplitude einer Sinusschwingung mit einer Frequenz im hörbaren Bereich moduliert werden und die amplitudenmodulierte Sinusschwingung kann danach mittels des Schallgenerators als akustischer erster Reiz 21 oder als Teil davon appliziert werden.
Zur Amplitudenmodulation einer Sinusschwingung oder einer anderen oszillierenden Schwingung muss nicht notwendigerweise das komplette Messsignal 26 herangezogen werden. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass dazu nur ein Teil des Messsignals 26 oder des verarbeiteten Messsignals 26 verwendet wird, beispielsweise der Teil, der oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt. Eine derartige Amplitudenmodulation ist in 37 beispielhaft dargestellt. In dem obersten Graph von 37 ist das bandpassgefilterte Messsignal 26 gegen die Zeit t aufgetragen, ferner ist der Startzeitpunkt t_start der Stimulation angegeben. In dem mittleren Graph ist das aus dem Messsignal 26 gewonnene Modulationssignal 250 dargestellt. Zur Generierung des Modulationssignals 250 ist das Messsignal 26 nicht-linear verarbeitet worden und alle negativen Werte des Messsignals 26 bzw. des verarbeiteten Messsignals 26 sind auf Null gesetzt worden. Ferner ist das Modulationssignal 250 gegenüber dem Messsignal 26 zeitverzögert worden. Anschließend ist das so gewonnene Halbwellensignal 250 mit einer Sinusschwingungen der Frequenz f₁ = 1000 Hz multipliziert worden. Das Modulationssignal 250 stellt die Einhüllende der Sinusschwingung dar, wie im untersten Graph von 37 für einen kleinen Zeitausschnitt gezeigt ist. Die so gewonnene amplitudenmodulierte Sinusschwingung ist anschließend in die Stimulationseinheit 11 rückgekoppelt worden, um von dem Schallgenerator in die akustischen ersten Reize 21 umgesetzt zu werden.
Anstelle einer Sinusschwingung mit einer einzigen Frequenz kann das Modulationssignal 250 auch mit einem beliebigen Gemisch von Sinusschwingungen (oder anderen Schwingungen) im hörbaren Frequenzbereich multipliziert werden, je nachdem, an welchen Stellen des auditorischen Cortex die Desynchronisation erfolgen soll.
Am Verlauf des in 37 dargestellten Messsignals 26 lässt sich ablesen, dass die akustische nicht-lineare zeitverzögerte Halbwellenstimulation zu einer robusten Unterdrückung der krankhaft synchronen neuronalen Aktivität führt. Der Wirkmechanismus dieser Stimulation unterscheidet sich jedoch von der Wirkungsweise des z. B. in 34 gezeigten Stimulationsverfahrens. Bei der in 37 dargestellten Stimulation wird nicht die Phase der neuronalen Aktivität in den jeweiligen stimulierten Subpopulationen zurückgesetzt, sondern die Synchronisation in der krankhaft aktiven Neuronenpopulation wird unterdrückt, indem der Sättigungsprozess der Synchronisation beeinflusst wird.
Im Folgenden wird anhand eines Beispiels erläutert, wie ein von der Messeinheit 15 gewonnenes Messsignal 26 einer nicht-linearen Prozessierung unterworfen werden kann, bevor es als Ansteuerungssignal der Stimulationseinheit 11 verwendet wird.
Ausgangspunkt ist eine Gleichung für das Ansteuerungssignal S(t):
In Gleichung (1) sind K ein Verstärkungsfaktor, der geeignet gewählt werden kann, und Z(t) eine mittlere Zustandsvariable des Messsignals 26. Z(t) ist eine komplexe Variable und kann folgendermaßen dargestellt werden: Z(t) = X(t) + iY(t), (2) wobei X(t) z. B. dem neurologischen Messsignal 26 entsprechen kann. Da die betrachteten Frequenzen im Bereich von 10 Hz = 1/100 ms = 1/T_α liegen, kann der Imaginärteil Y(t) durch X(t – τ_α) angenähert werden, wobei beispielsweise τ_α = T_α/4 gilt. Damit ergibt sich: S(t) = K·[X(t) + iX(t – τ_α)]²·[X(t – τ) – iX(t – τ – τ_α)] (3)
Gleichung (3) kann folgendermaßen umgeformt werden: S(t) = K·[X(t)²·X(t – τ) + i2X(t)·X(t – τ_α)·X(t – τ) – X(t – τ_α)·X(t – τ) – iX(t – τ – τ_α)·X(t)² + 2X(t)·X(t – τ_α)·X(t – τ – τ_α) + iX(t – τ – τ_α)·X(t – τ_α)] (4)
Als Ansteuerungssignal für die Stimulationseinheit 11 wird der Realteil aus Gleichung (4) verwendet: real[S(t)] = K·[X(t)²·X(t – τ) – X(t – τ_α)·X(t – τ) + 2X(t)·X(t – τ_α)·X(t – τ – τ_α) (5)
Mit dem rückgekoppelten und eventuell weiterverarbeiteten Messsignal 26 kann der auditorische Cortex ferner gezielt an verschiedenen Stellen stimuliert werden. Im Falle von den oben beschriebenen vier verschiedenen Frequenzen f₁ bis f₄ wird das eventuell weiterverarbeitete Messsignal 26 mit einer entsprechenden Zeitverzögerung beaufschlagt und mit den Frequenzen f₁ bis f₄ multipliziert. Sofern die Stimulation weniger fokal sein soll, sondern ausgedehnter erfolgen soll, werden statt der reinen Sinusschwingungen der Frequenzen f₁ bis f₄ vier verschiedene Frequenzgemische mit den Grenzen f_j ^unten und f_j ^oben (j = 1, 2, 3, 4) verwendet.
In 38 ist eine derartige Stimulation beispielhaft dargestellt. Aus dem bandpassgefilterten Messsignal 26 sind hier durch lineare Verarbeitungsschritte die Modulationssignale 251, 252, 253 und 254 gewonnen worden, mit denen Amplitudenmodulationen der Frequenzen f₁ bis f₄ durchgeführt worden sind. Durch Superposition der modulierten Sinusschwingungen ist das Steuersignal 23 erzeugt worden, welches von dem Schallgenerator 11 in die akustischen ersten Reize 21 umgesetzt worden ist.
Im Folgenden wird anhand der 39A und 39B beispielhaft erläutert, wie aus dem Messsignal 26 die Modulationssignale 251 bis 254 gewonnen werden können. Dazu wird zunächst eine Verzögerungszeit τ festgelegt, die in dem vorliegenden Beispiel zu τ = T_stim/2 gesetzt worden ist (andere Werte wie z. B. τ = T_stim oder τ = 3T_stim/2 sind ebenfalls möglich). Die Frequenz f_stim = 1/T_stim kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz des Messsignals 26 liegen, z. B. im Bereich von 1 bis 30 Hz, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Hz. Anhand der Verzögerungszeit τ können für jedes der Modulationssignale 251 bis 254 bestimmte Verzögerungszeiten τ₁, τ₂, τ₃ und τ₄ errechnet werden, beispielsweise anhand folgender Gleichung:
Die Modulationssignale 251 bis 254 können beispielsweise aus dem Messsignal 26 gewonnen werden, indem das Messsignal 26 jeweils um die Verzögerungszeiten τ₁, τ₂, τ₃ bzw. τ₄ verzögert wird: S_j(t) = K·Z(t – τ_j) (7)
In Gleichung (7) stehen S₁(t), S₂(t), S₃(t) und S₄(t) für die Modulationssignale 251 bis 254 und Z(t) für das Messsignal 26. K ist ein Verstärkungsfaktor, der geeignet gewählt werden kann. Ferner können alle negativen Werte (oder alle Werte ober- oder unterhalb eines bestimmten Schwellwerts) der Modulationssignale S₁(t) bis S₄(t) auf Null gesetzt werden.
Gemäß einer in den 39A und 39B dargestellten Ausgestaltung werden die Modulationssignale S₁(t) bis S₄(t) nur aus den Verzögerungszeiten τ₁ und τ₂ errechnet, wobei die Modulationssignale S₁(t) und S₂(t) bzw. S₃(t) und S₄(t) jeweils unterschiedliche Polaritäten aufweisen: S₁(t) = K·Z(t – τ₁) (8) S₂(t) = –K·Z(t – τ₁) (9) S₃(t) = K·Z(t – τ₂) (10) S₄(t) = –K·Z(t – τ₂) (11)
Zur klareren Darstellung sind in den 39A und 39B die Modulationssignale S₁(t) und S₃(t) um den Wert 0,5 nach oben und die Modulationssignale S₂(t) und S₄(t) um den Wert 0,5 nach unten verschoben worden.
Wie in 39B gezeigt ist, können alle negativen Werte (oder alle Werte ober- oder unterhalb eines bestimmten Schwellwerts) der Modulationssignale S₁(t) bis S₄(t) auf Null gesetzt werden. Die Generierung der in 38 gezeigten Modulationssignale 251 bis 254 entspricht der in den 39A und 39B gezeigten Generierung der Modulationssignale S₁(t) bis S₄(t).
Stimulationseinheiten zur Erzeugung taktiler, vibratorischer und/oder thermischer erster Reize:
Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Stimulationseinheit 11 zur Erzeugung taktiler, vibratorischer und/oder thermischer erster Reize 21 beschrieben. Derartige Stimulationseinheiten lassen sich auch der deutschen Patentanmeldung DE 2010 000 390 A1 mit dem Titel ”Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung eines Patienten mit Vibrations-, Tast- und/oder Thermoreizen” entnehmen, die am 11. Februar 2010 beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegt worden ist.
40 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der Stimulationseinheit 11, die eine Mehrzahl von Stimulationselementen beinhaltet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Stimulationseinheit 11 vier Stimulationselemente 311, 312, 313, 314 auf, die von der Steuereinheit 10 angesteuert werden. Die in 40 gezeigte Ausgestaltung ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann die Stimulationseinheit 11 eine beliebige Anzahl N (N = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, ...) von Stimulationselementen enthalten.
Die Stimulationselemente 311 bis 314 sind derart ausgestaltet, dass sie auf die Haut des Patienten aufgesetzt werden können. Je nach Erkrankung bzw. betroffenen Körperpartien werden die Stimulationselemente 311 bis 314 in einer geeigneten Anordnung auf der Haut des Patienten befestigt, beispielsweise am Arm, am Bein, an der Hand und/oder am Fuß des Patienten. Taktile, vibratorische und thermische erste Reize 21 können je nach Krankheitsbild entweder einzeln oder in Kombination auf der Haut verabreicht werden.
Die Mehrzahl von Stimulationselementen 311 bis 314 ermöglicht es, unterschiedliche rezeptive Bereiche der Haut über die einzelnen Stimulationselemente 311 bis 314 zeitlich und räumlich koordiniert zu stimulieren. Die Stimulationselemente 311 bis 314 können so auf der Haut des Patienten angeordnet sein, dass die auf das Hautgewebe applizierten Reize über Nervenleitungen an unterschiedliche Zielgebiete, die z. B. im Rückenmark und/oder im Gehirn liegen, weitergeleitet werden. Folglich können verschiedene Zielgebiete im Rückenmark und/oder Hirn während desselben Stimulationszeitraums mit eventuell unterschiedlichen und/oder zeitversetzten Reizen stimuliert werden.
Ein Stimulationsverfahren, das mit der in 40 gezeigten Stimulationseinheit 11 durchgeführt werden kann, ist in 41 schematisch dargestellt. In 41 sind untereinander die über die Stimulationselemente 311 bis 314 applizierten ersten Reize 21 gegen die Zeit t aufgetragen.
Bei dem in 41 dargestellten Verfahren appliziert jedes der Stimulationselemente 311 bis 314 den ersten Reiz 21 periodisch an den jeweiligen rezeptiven Bereich der Haut, auf dem das Stimulationselement 311 bis 314 angebracht ist. Die Frequenz f_stim = 1/T_stim (T_stim = Periodendauer), mit welcher die von jedem der Stimulationselemente 311 bis 314 erzeugten ersten Reize 21 wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 60 Hz und insbesondere im Bereich von 30 bis 60 Hz oder im Bereich von 1 bis 30 Hz oder im Bereich 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 5 bis 20 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen. Die Dauer D_stim eines einzelnen ersten Reizes 21 kann insbesondere von der Art des Reizes abhängen. Die in 41 gezeigte Ordinate hängt ebenfalls von der Art der ersten Reize 21 ab. Bei einem Vibrations- oder Tastreiz kann beispielsweise die Auslenkung 1 eines Stimulationselements gegen die Zeit t aufgetragen werden, bei einem Thermoreiz kann eine Temperatur T dargestellt werden. Die über die verschiedenen Stimulationselemente 311 bis 314 applizierten ersten Reize 21 können identisch oder aber verschieden sein.
Verschiedene Ausgestaltungen einzelner vibratorischer erster Reize 21 sind in 42A, 42B, 42C und 42D dargestellt. Dort ist die Auslenkung l eines Stimulationselements gegen die Zeit t aufgetragen. In 42A wird das Stimulationselement zur Zeit t₁ aus seiner Ruheposition ausgelenkt und in die Haut des Patienten eingedrückt. Die Lage der Hautoberfläche ist durch eine gestrichelte Linie 321 dargestellt. Nachdem das Stimulationselement in Kontakt mit der Haut getreten ist, wird ein periodischer Vibrationsreiz mit einer Frequenz f_vib = 1/T_vib im Bereich von 30 bis 300 Hz appliziert (T_vib = Periodendauer des Vibrationsreizes). Bei einer Frequenz f_vib von 300 Hz kann das Stimulationselement eine Kraft von etwa 2 N ausüben. Die Dauer D_stim des Vibrationsreizes 21 kann im Bereich von 10 bis 500 ms liegen. Insbesondere liegt die Stimulationsdauer D_stim im Bereich von
wobei N die Anzahl der Stimulationselemente ist. Z. B. ergibt sich für T_stim = 1 Hz und N = 4 ein Bereich von 10 bis 250 ms für die Stimulationsdauer D_stim. Es können aber auch zeitlich überlappende Stimuli verwendet werden.
Zur Zeit t₂ wird das Stimulationselement wieder in seine Ruheposition verbracht, wo es keinen Kontakt zur Haut hat. Wie in 42A gezeigt kann der vibratorische erste Reiz 21 ein rechteckförmiger oder sinusförmiger Reiz sein, er kann aber auch andere Formen haben. Die in 42A gezeigte Auslenkung l₁ zur Eindrückung des Stimulationselements in die Haut kann im Bereich von 0,5 bis 3 mm liegen. Die Auslenkung l₂ des Stimulationselements während der Vibration kann zwischen 0,1 und 0,5 mm betragen.
In 42B ist eine Variation des in 42A gezeigten vibratorischen ersten Reizes 21 dargestellt. Bei der in 42B gezeigten Ausgestaltung steht das Stimulationselement stets in Kontakt mit der Haut des Patienten. Während des Stimulationszeitraums D_stim wird ein wie oben beschriebener vibratorischer erster Reiz 21 appliziert.
Eine weitere Variation des vibratorischen ersten Reizes 21 ist in 42C dargestellt. Im Unterschied zum vibratorischen ersten Reiz 21 aus 42A wird das Stimulationselement bereits während des Stimulationszeitraums D_stim wieder zurückgefahren, so dass die Vibrationen mit zunehmender Zeitdauer weniger in die Haut eindrücken und sich das Stimulationselement schließlich vollständig von der Haut löst. Beispielsweise kann das Zurückfahren des Stimulationselements entlang einer linearen oder nicht-linearen, z. B. exponentiellen, Kurve 322 erfolgen, welcher die Vibrationen f_vib des Stimulationselements überlagert sind. In dem in 42C gezeigten Beispiel reicht die abfallende Flanke eines jeden Pulses bis auf die Kurve 322 herunter. Der sich daran anschließende Puls hat eine fest vorgegebene Höhe l₂, d. h. die ansteigende Flanke eines jeden Pulses hat die Höhe l₂.
Eine Variation des vibratorischen ersten Reizes 21 aus 42C ist in 42D gezeigt. Dort geht die Kurve 322 nicht bis auf die Nulllinie (l = 0) zurück, sondern hat einen fest vorgegebenen Offset ΔL von der Nulllinie.
Eine Ausführungsform eines taktilen ersten Reizes 21 ist in 43 gezeigt. Das Stimulationselement wird zur Zeit t₁ in die Haut des Patienten eingedrückt, verweilt dort für die Stimulationsdauer D_stim und wird zur Zeit t₂ wieder zurückgefahren. Die Stimulationsdauer D_stim liegt bei einem taktilen ersten Reiz 21 im Bereich von 10 bis 500 ms. Insbesondere liegt die Stimulationsdauer D_stim in dem oben in (12) angegebenen Bereich, es können aber auch zeitlich überlappende Stimuli verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen einzelner thermischer erster Reize 21 sind in 44A, 44B und 44C dargestellt. Bei den in 44A und 44B gezeigten Ausgestaltungen wird ein Stimulationselement auf eine Temperatur T_temp erhitzt oder gekühlt. Wie in 44B gezeigt ist, kann die Temperatur T_temp erst kurz vor der Applikation des thermischen ersten Reizes 21 erzeugt werden. In diesem Fall hat das Stimulationselement während der Stimulationspausen eine Temperatur T₀, welche z. B. der Raumtemperatur entspricht. Alternativ kann das Stimulationselement auf einer konstanten Temperatur T_tempgehalten werden.
Bei der Ausgestaltung nach 44A wird das erhitzte oder gekühlte Stimulationselement zur Zeit t₁ auf die Haut des Patienten gebracht und verbleibt dort für die gesamte Stimulationsdauer D_stim. Im Unterschied dazu wird bei der Ausgestaltung nach 44B das Stimulationselement während der Stimulationsdauer D_stim periodisch mit einer Frequenz f_thermo zur Haut verbracht und wieder entfernt. Die Frequenz f_thermo = 1/T_thermo kann im Bereich von 1 bis 10 Hz liegen (T_thermo = Periodendauer des Thermoreizes).
Der in 44C gezeigte thermische erste Reiz 21 entspricht im Wesentlichen dem Thermoreiz 21 aus 44B. Der Unterschied ist, dass der Thermoreiz 21 aus 44C berührungslos erzeugt wird. Hier wird die Stimulationstemperatur T_temp durch elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Infrarotlicht, erzeugt. Ferner wird die elektromagnetische Strahlung periodisch mit der Frequenz f_thermo = 1/T_thermo variiert (z. B. durch An- und Ausschalten eines Infrarotstrahlers).
Bei thermischen ersten Reizen 21 liegt die Stimulationsdauer D_stim im Bereich von 10 bis 500 ms. Insbesondere liegt die Stimulationsdauer D_stim in dem oben in (12) angegebenen Bereich, es können aber auch zeitlich überlappende Stimuli verwendet werden. Die Temperatur T_temp kann von 22 bis 42°C betragen. Die Temperatur T₀ ist in der Regel die Körpertemperatur des Patienten. Die Frequenz f_thermo kann zwischen 1 und 10 Hz liegen, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen.
Es ist auch denkbar, dass ein einzelner erster Reiz 21 mehrere Reizarten umfasst. Beispielsweise kann der in 42A gezeigte vibratorische erste Reiz 21 gleichzeitig ein Thermoreiz sein, sofern das den Reiz ausübende Stimulationselement entsprechend erwärmt oder gekühlt ist. Ferner ist der vibratorische erste Reiz 21 aus 42A gleichzeitig ein Tastreiz (durch das Auftreffen des Stimulationselement auf die Haut werden Tastrezeptoren aktiviert).
Die von den Stimulationseinheiten 311 bis 314 applizierten ersten Reize 21 werden von in oder unter der Haut gelegenen Rezeptoren aufgenommen und an das Nervensystem weitergeleitet. Zu diesen Rezeptoren zählen beispielsweise Merkel-Zellen, Ruffini-Körperchen, Meissner-Körperchen und Haarfollikelrezeptoren, die insbesondere als Rezeptoren für die taktilen ersten Reize 21 wirken. Die vibratorischen ersten Reize 21 zielen vorwiegend auf die Tiefensensibilität ab. Die vibratorischen ersten Reize 21 können von in der Haut, den Muskeln, dem Subkutangewebe und/oder den Sehnen des Patienten gelegenen Rezeptoren aufgenommen werden. Als Rezeptoren für die vibratorischen ersten Reize 21 seien beispielhaft die Vater-Pacini-Körperchen genannt, die Vibrationsempfindungen und Beschleunigungen vermitteln. Die thermischen ersten Reize 21 werden von den Thermorezeptoren der Haut aufgenommen. Dies sind Warmrezeptoren (auch Wärmerezeptoren, Warmsensoren oder Wärmesensoren genannt) und Kaltsensoren (auch Kältesensoren, Kaltrezeptoren oder Kälterezeptoren genannt). In der Haut des Menschen liegen die Kaltsensoren mehr oberflächlich, die Warmrezeptoren etwas tiefer.
Die von den Stimulationselementen 311 bis 314 generierten ersten Reize 21 sind derart ausgestaltet, dass sie, wenn sie von den entsprechenden Rezeptoren aufgenommen werden und über die Nervenleitungen zu einer Neuronenpopulation im Gehirn oder Rückenmark mit einer krankhaft synchronen und oszillatorischen Aktivität geleitet werden, in der Neuronenpopulation ein Zurücksetzen der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z. B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert.
Ferner ist es aufgrund der Mehrzahl von Stimulationselementen möglich, die krankhafte Neuronenpopulation an unterschiedlichen Stellen zu stimulieren. Die an unterschiedlichen Stellen der Haut applizierten ersten Reize 21 werden nämlich an unterschiedliche Stellen im Gehirn oder Rückenmark weitergeleitet. Dies ermöglicht es, die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückzusetzen. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten. Innerhalb einer Subpopulation sind die Neuronen weiterhin synchron und feuern auch weiterhin mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den Stimulationsreiz aufgezwungen wurde.
Bedingt durch die krankhafte Interaktion zwischen den Neuronen ist der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen instabil, und die gesamte Neuronenpopulation nähert sich schnell einem Zustand kompletter Desynchronisation, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern. Der gewünschte Zustand, d. h. die komplette Desynchronisation, ist somit nach der Applikation der ersten Reize 21 nicht sofort vorhanden, sondern stellt sich meist innerhalb weniger Perioden oder gar in weniger als einer Periode der pathologischen Aktivität ein.
Schematisch ist die Stimulation mehrerer Subpopulationen einer krankhaft aktiven Neuronenpopulation 330 mit Hilfe der Stimulationseinheit 11 in 45 dargestellt. Über die Stimulationselemente 311 bis 314 der Stimulationseinheit 11 werden an unterschiedlichen Stellen der Haut 315 die jeweiligen Rezeptoren mit taktilen und/oder vibratorischen und/oder thermischen ersten Reizen 21 stimuliert. Die von den Stimulationselementen 311, 312, 313 und 314 applizierten ersten Reize 21 werden an unterschiedliche Subpopulationen 331, 332, 333 bzw. 334 der Neuronenpopulation 330 weitergeleitet (Reize von Stimulationselement 311 zu Subpopulation 331, Reize von Stimulationselement 312 zu Subpopulation 332, Reize von Stimulationselement 313 zu Subpopulation 333 und Reize von Stimulationselement 314 zu Subpopulation 334) und resetten die Phasen dieser Subpopulationen zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten, wodurch eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation 330 erzielt wird.
Die gezielte Stimulation bestimmter Bereiche des Gehirns oder Rückenmarks wird durch die somatotope Zuordnung von Körperregionen zu diesen Bereichen ermöglicht. Beispielsweise können die Stimulationselemente 311 bis 314 am Fuß, Unterschenkel und Oberschenkel oder aber an der Hand, dem Unterarm und Oberarm des Patienten angebracht werden. Aufgrund der somatotopischen Gliederung der Nervenleitungsbahnen werden durch die an den jeweiligen Stellen applizierten Reize unterschiedliche Neuronen stimuliert. Die somatotope Zuordnung von Hautstellen zu Bereichen des Gehirns ist beispielsweise in A. Benninghoff et al.: ”Lehrbuch der Anatomie des Menschen. Dargestellt unter Bevorzugung funktioneller Zusammenhänge. 3. Bd. Nervensystem, Haut und Sinnesorgane”, Urban und Schwarzenberg, München 1964, beschrieben.
Um durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen der Subpopulationen 331 bis 334 der krankhaft synchronen Neuronenpopulation 330 eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation 330 zu erzielen, kann auf verschiedene Art und Weise vorgegangen werden. Beispielsweise können die ersten Reize 21, die ein Zurücksetzen der Phase von Neuronen bewirken, zeitversetzt über die unterschiedlichen Stimulationselemente 311 bis 314 an die jeweiligen rezeptiven Felder der Haut abgegeben werden. Des. Weiteren können die Reize z. B. phasenversetzt oder mit unterschiedlicher Polarität appliziert werden, so dass sie im Ergebnis auch zu einem zeitversetzten Zurücksetzen der Phasen der unterschiedlichen Subpopulationen 331 bis 334 führen.
Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren ist in 46 schematisch dargestellt. In 46 sind untereinander die über die Stimulationselemente 311 bis 314 applizierten ersten Reize 21 gegen die Zeit t aufgetragen. Als erste Reize 21 können beispielsweise die in den 42A bis 44C dargestellten Vibrations-, Tast- und Thermoreize verwendet werden. Das in 46 gezeigte Diagramm ist in sich periodisch wiederholende erste Zeitabschnitte der Länge T_stim unterteilt. Die Frequenz f_stim = 1/T_stim, mit welcher die ersten Zeitabschnitte der Länge T_stim wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 60 Hz und insbesondere im Bereich von 30 bis 60 Hz oder im Bereich von 1 bis 30 Hz oder im Bereich 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 5 bis 20 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen.
Die ersten Zeitabschnitte der Länge T_stim sind ferner in zweite Zeitabschnitte der Länge T_stim/4 unterteilt. Bei einer Stimulation über N Stimulationseinheiten könnten die ersten Zeitabschnitte in N zweite Zeitabschnitte der Länge T_stim/N unterteilt sein.
Gemäß einer Ausgestaltung generiert jedes der Stimulationselemente 311 bis 314 innerhalb eines ersten Zeitabschnitts nicht mehr als einen ersten Reiz 21. In aufeinander folgenden zweiten Zeitabschnitten können erste Reize 21 von unterschiedlichen Stimulationselementen 311 bis 314 generiert werden.
Bei der in 46 dargestellten Ausgestaltung appliziert jedes der Stimulationselemente 311 bis 314 einen ersten Reiz 21 streng periodisch mit der Frequenz f_stim. Die Verabreichung der ersten Reize 21 über unterschiedliche Stimulationselemente 311 bis 314 erfolgt mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den einzelnen Stimulationselementen 311 bis 314 um T_stim/4.
Im Fall von N Stimulationselementen kann die zeitliche Verzögerung zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden ersten Reizen 21 beispielsweise im Bereich eines N-tels der Periode 1/f_stim liegen, d. h. 1/(N × f_stim) = T_stim/N, d. h. insbesondere vergeht zwischen den Startzeitpunkten von zwei aufeinander folgenden ersten Reizen 21 die Zeit T_stim/N.
Die Frequenz f_stim kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz der krankhaft rhythmischen Aktivität des Ziel-Netzwerks liegen. Bei Erkrankungen, bei denen eine gesteigerte neuronale Synchronisation vorliegt, liegt die mittlere Frequenz typischerweise im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz, mit welcher die betroffenen Neuronen synchron feuern, üblicherweise nicht konstant ist, sondern durchaus Variationen aufweisen kann und darüber hinaus bei jedem Patienten individuelle Abweichungen zeigt.
Von dem in 46 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster kann auf unterschiedliche Art und Weise abgewichen werden. Beispielsweise braucht die zeitliche Verzögerung T_stim zwischen aufeinander folgenden und von derselbem Stimulationselement erzeugten ersten Reizen 21 nicht stets gleich groß sein, sondern kann im Bereich von ±10% oder ±5% oder ±3% um T_stim herum variieren. Ferner kann auch der Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden und von verschiedenen Stimulationselementen erzeugten ersten Reizen 21 im Bereich von ±10% oder ±5% oder ±3% um T_stim/N herum variieren. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen ersten Reizen 21 unterschiedlich gewählt werden. Ferner können die Verzögerungszeiten auch während der Behandlung eines Patienten variiert werden. Auch können die Verzögerungszeiten hinsichtlich der physiologischen Signallaufzeiten adjustiert werden.
Des Weiteren können während der Applikation der ersten Reize 21 Pausen vorgesehen werden, während derer keine Stimulation erfolgt. Eine solche Pause ist beispielhaft in 47 gezeigt. Die Pausen können beliebig lang gewählt werden und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periode T_stim betragen. Ferner können die Pausen nach einer beliebigen Anzahl von Stimulationen eingehalten werden. Z. B. kann eine Stimulation während N aufeinander folgender Perioden der Länge T_stim durchgeführt werden und anschließend eine Pause während M Perioden der Länge T_stim ohne Stimulation eingehalten werden, wobei N und M kleine ganze Zahlen sind, z. B. im Bereich von 1 bis 10. Dieses Schema kann entweder periodisch fortgesetzt werden oder stochastisch und/oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch modifiziert werden.
Eine weitere Möglichkeit, von dem in 46 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster abzuweichen, besteht darin, die zeitliche Abfolge der einzelnen ersten Reize 21 stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch zu variieren.
Des Weiteren kann pro Periode T_stim (oder auch in anderen Zeitschritten) die Reihenfolge, in welcher die Stimulationselemente 311 bis 314 die ersten Reize 21 applizieren, variiert werden, wie dies beispielhaft in 48 gezeigt ist.
Diese Randomisierung kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Die in 48 gezeigte Randomisierung kann mit der in 47 gezeigten Stimulationsform kombiniert werden. Beispielsweise kann in jedem der N aufeinander folgenden Stimulationszeitabschnitte der Länge T_stim eine erneute Randomisierung durchgeführt werden oder aber es erfolgt nach jeder Pause der Länge M × T_stim eine Randomisierung und innerhalb der darauf folgenden N Stimulationszeitabschnitte bleibt die Reihenfolge, in welcher die Stimulationselemente 311 bis 314 die ersten Reize 21 applizieren, konstant.
Ferner kann pro Periode T_stim (oder in einem anderen Zeitintervall) nur eine bestimmte Anzahl von Stimulationselementen 311 bis 314 zur Stimulation herangezogen werden und die an der Stimulation beteiligten Stimulationselemente können in jedem Zeitintervall variiert werden. Auch diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Die Stimulationseinheit 11 kann beispielsweise in einem ”open loop”-Modus betrieben werden, bei welchem die Steuereinheit 10 die Stimulationselemente 311 bis 314 derart ansteuert, dass diese vorgegebene erste Reize 21 erzeugen, die an das Hautgewebe abgegeben werden. Des Weiteren kann die Stimulationseinheit 11 zusammen mit der Steuereinheit 10 und der Messeinheit 15 auch zu einem in 49 schematisch dargestellten ”closed loop”-System weitergebildet werden.
Hinsichtlich des Zusammenwirkens der Steuereinheit 10 mit der Messeinheit 15 sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar.
Beispielsweise können von der Steuereinheit 10 anhand der Ausprägung der krankhaften Merkmale Parameter der ersten Reize 21, z. B. eine bestimmte Frequenz f_vib oder Eindrucktiefe l₂ im Fall von Vibrationsreizen, eingestellt werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale 26 direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten in taktile, vibratorische und/oder thermische erste Reize 21 umgesetzt werden und von der Stimulationseinheit 11 appliziert werden. Beispielsweise können die Messsignale verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nichtlinearen Verrechnungsschritten als Steuersignale 23 in den Steuereingang der Stimulationseinheit 11 eingespeist werden. Der Verrechnungsmodus wird hierbei so gewählt, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und die taktilen, vibratorischen und/oder thermischen ersten Reize 21 mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwinden oder zumindest deutlich in ihrer Stärke reduziert werden.
50A bis 50C zeigen schematisch verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung eines Stimulationselements zur Erzeugung von taktilen und/oder vibratorischen ersten Reizen 21, wie sie in den 42A bis 43 gezeigt sind. Beispielsweise kann das Stimulationselement als Stab 340 (oder ein anderer Körper) ausgestaltet sein, mit dessen einem Ende die Haut 315 des Patienten stimuliert wird. Angetrieben wird das Stimulationselement 340 von einem elektromechanischen Wandler 341 (oder Aktor oder Aktuator), der elektrische Energie in eine Bewegung des Stimulationselements 340 umsetzt. Als elektromechanische Wandler 341 eignen sich beispielsweise Gleichstrommotoren, Schwingspulen (engl.: voice coil), piezoelektrische Wandler oder aus elektroaktiven Polymeren (EAP) aufgebaute Wandler, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern.
Die elektromechanischen Wandler 341 können so ausgelegt sein, dass das Stimulationselement 340 senkrecht zur Hautoberfläche ausgelenkt wird (vgl. 50A) oder parallel dazu (vgl. 50B). Die Bewegung des Stimulationselements 340 kann aber auch auf beliebigen anderen Bahnen erfolgen. Als Beispiel dafür ist in 50C eine pendelförmige Auslenkung des Stimulationselements 340 dargestellt.
Das Ende des Stimulationselements 340, das in Berührung mit der Hautoberfläche kommt und letztlich die Reize erzeugt, kann beispielsweise im Wesentlichen die Form einer Halbkugel aufweisen (vgl. 51A) oder eine noppenartige Oberfläche haben (vgl. 51B) oder eine andere geeignete Form haben.
In den 52A bis 52C ist eine Ausgestaltung eines Stimulationselements zur Applikation von taktilen und/oder vibratorischen ersten Reizen 21 in Durchsicht (vgl. 52A), Draufsicht von unten (vgl. 52B) und im Querschnitt (vgl. 52C) dargestellt. Das vorliegende Stimulationselement enthält einen Piezoaktuator 341 als elektromechanischen Wandler. Da die Auslenkung des Piezoaktuators 341 für die beabsichtigten Zwecke nicht ausreichend ist, kann ein Mechanismus zur Verstärkung der Auslenkung des Piezoaktuators 341 vorgesehen sein. Beispielhaft ist hier ein Hebelarm 342 gezeigt, der die Bewegung des Piezoaktuators 341 verstärkt. Der Hebelarm ist vorliegend eine längliche Biegefeder 342, die mit ihrem einen Ende am Gehäuse 343 des Stimulationselements befestigt ist und an deren anderem Ende das Stimulationselement 340 angebracht ist. Der Piezoaktuator 341 drückt auf die Oberseite der Biegefeder 342 und das an der Unterseite der Biegefeder 342 angebrachte Stimulationselement 340 folgt der Auslenkung des Piezoaktuators 341 mit einer aufgrund der geometrischen Anordnung verstärkten Amplitude und appliziert die Vibrations- und/oder Tastreize auf die Haut des Patienten. Die Unterseite des Stimulationselements 340, die mit der Haut in Berührung kommt, kann verschiedene Geometrien und Abmessungen aufweisen. Beispielsweise kann das Stimulationselement 340 an seiner Unterseite flach, rund oder ungleichförmig sein.
In dem Gehäuse 343 des Stimulationselements, das den Piezoaktuator 341 und den Verstärkungsmechanismus beherbergt, kann ferner ein Raum 344 für Elektronik und Verbindungsanschlüsse vorgesehen sein. Außerdem ist an der Unterseite des Gehäuses 343 ein Verstellring 345 angebracht, der mit dem Gehäuse 343 über ein Gewinde verbunden ist und der eine Verstellung der Höhe ermöglicht, um die das Stimulationselement 340 in seiner Ruheposition von der Unterseite der Stimulationseinheit hervorsteht. Während des Betriebs sitzt das Stimulationselement mit seiner Unterseite auf der Haut des Patienten und ist beispielsweise mit einer geeigneten Manschette am Körper des Patienten befestigt. Zusätzlich oder alternativ zu der Manschette könnte das Stimulationselement noch mit einem ein- oder doppelseitigen medizinischen Klebeband an der Haut des Patienten befestigt sein. Das Gehäuse 343 schützt den Patienten vor möglichen Gefahren, wie z. B. elektrischer Spannung.
53A bis 53C zeigen schematisch verschieden ausgestaltete Stimulationselemente zur Erzeugung von thermischen ersten Reizen 21, wie sie in den 44A bis 44C dargestellt sind. Die in 53A dargestellte Stimulationseinheit arbeitet kontaktlos und bewirkt durch das Licht einer Infrarot-LED 350 eine Erwärmung der Haut.
Stimulationselemente, die durch Berührung der Hautoberfläche Thermoreize applizieren, sind in den 53B und 53C gezeigt. Das in 53B gezeigte Stimulationselement enthält mit einem elektromechanischen Wandler 341 und einem stabförmigen Stimulationselement 340 im Wesentlichen die gleichen Bauelemente wie das Stimulationselement aus 53A. Zusätzlich weist das Stimulationselement aus 53B ein Heiz- und/oder Kühlelement auf (z. B. in Form einer Heizschleife), welches das Stimulationselement heizt oder kühlt. Die thermischen ersten Reize 21 werden durch die Bewegungen des Stimulationselements 340 erzeugt, bei welchen das Stimulationselement 340 wiederholt in Kontakt mit der Haut 315 kommt und wieder entfernt wird. Die Temperatur des Stimulationselements 340 kann während der gesamten Stimulation konstant sein.
Alternativ kann das beheizbare bzw. kühlbare Stimulationselement 340 wie in 53C gezeigt während des gesamten Stimulationszeitraums in Kontakt mit der Haut 315 des Patienten stehen. Die Thermoreize werden in diesem Fall durch eine zeitliche Variation der Temperatur des Stimulationselements 340 generiert. Ein elektromechanischer Wandler ist bei dieser Ausgestaltung nicht zwingend erforderlich.
In den 54A bis 54C ist eine Ausgestaltung eines Stimulationselements zur Applikation von thermischen ersten Reizen 21 in Durchsicht (vgl. 54A), Draufsicht von unten (vgl. 54B) und im Querschnitt (vgl. 54C) dargestellt. Das Stimulationselement enthält ein stabförmiges Stimulationselement 340, dessen unteres Ende beheizbar und/oder kühlbar ist. An seinem oberen Ende wird das Stimulationselement 340 von einer Nockenscheibe 351 angetrieben. Während der Stimulation versetzt ein Gleichstrommotor 352 die Nockenscheibe 351 in Rotation. Durch die an der Unterseite der Nockenscheibe 351 angebrachten Nocken 353 wird das Stimulationselement 340 nach unten hin ausgelenkt. Eine Rückstellfeder 354 sorgt dafür, dass das Stimulationselement 340 anschließend wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt. Durch diesen Mechanismus wird die Rotationsbewegung der Nockenscheibe 351 in eine lineare Bewegung des Stimulationselements 340 umgewandelt. Wie oben beschrieben kann das Stimulationselement 340 entweder für eine gewisse Zeit mit der Haut des Patienten in Kontakt stehen oder aber das Stimulationselement 340 wird durch eine Rotation der Nockenscheibe 351 zyklisch auf die Haut gebracht und wieder entfernt.
Die Bauteile des Stimulationselements können in ein Gehäuse 355 eingebracht sein. In dem Gehäuse 355 kann ein Raum 356 für Elektronik und Verbindungsanschlüsse vorgesehen sein. Außerdem kann an der Unterseite des Gehäuses 355 ein Verstellring 357 angebracht sein, der mit dem Gehäuse 355 über ein Gewinde verbunden ist und der eine Verstellung der Höhe ermöglicht, um die das Stimulationselement 340 in seiner Ruheposition von der Unterseite der Stimulationseinheit hervorsteht (das Stimulationselement 340 kann aufgrund des Verstellrings in seiner Ruheposition auch vollständig oberhalb der Unterseite des Verstellrings liegen). Während des Betriebs sitzt das Stimulationselement mit seiner Unterseite auf der Haut des Patienten und ist beispielsweise mit einer geeigneten Manschette am Körper des Patienten befestigt. Zusätzlich oder alternativ zu der Manschette könnte das Stimulationselement noch mit einem ein- oder doppelseitigen medizinischen Klebeband an der Haut des Patienten befestigt sein. Das Gehäuse 355 schützt den Patienten vor möglichen Gefahren, wie z. B. elektrischer Spannung.
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Stimulationselemente können einzeln am Patienten befestigt werden oder können auch zu mehreren in ein Modul integriert werden. Beispielsweise kann ein Modul eine Manschette mit mehreren daran befestigten Stimulationselementen umfassen. Die Manschette kann dann an einem Arm oder Bein des Patienten befestigt werden. 55 zeigt Stimulationsverfahren, wie sie mit insgesamt N Modulen, die jeweils z. B. vier Stimulationselemente enthalten, durchgeführt werden können. Bei dem in 55 ganz links dargestellten Stimulationsverfahren applizieren alle Stimulationselemente zu Beginn einer Stimulationsperiode T_stim einen taktilen, vibratorischen oder thermischen ersten Reiz 21. Bei dem in der Mitte von 55 gezeigten Stimulationsverfahren sind die ersten Reize 21 der vier verschiedenen Stimulationselemente eines Moduls jeweils um T_stim/4 gegeneinander verschoben. In diesem Fall appliziert in jedem Zeitabschnitt der Länge T_stim/4 genau ein Stimulationselement jedes Moduls einen ersten Reiz 21. Bei dem in 55 ganz rechts dargestellten Stimulationsverfahren erzeugen die vier Stimulationselemente eines Moduls ihre ersten Reize 21 gleichzeitig, jedoch sind die ersten Reize 21 unterschiedlicher Module gegeneinander verschoben.
Bei allen in 55 gezeigten Stimulationsverfahren können auch beliebige Pausen während der Stimulation eingehalten werden. Typischerweise haben die Stimulationspausen die Länge einer oder mehrerer Stimulationsperioden T_stim. Beispielhaft ist dies in 56 gezeigt. Bei dem dort dargestellten Stimulationsverfahren wird eine Stimulation während zwei aufeinander folgender Stimulationsperioden T_stim durchgeführt, danach wird während einer Stimulationsperiode T_stim eine Stimulationspause eingehalten. Dieses Muster wiederholt sich periodisch.
Des Weiteren kann den in den 55 und 56 gezeigten Stimulationsverfahren eine Randomisierung der Reihenfolge, in welcher die einzelnen Stimulationseinheiten die ersten Reize 21 generieren, hinzugefügt werden, wobei u. a. folgende Randomisierungen denkbar sind:

1. Randomisierung der Reizsequenzen für jede Stimulationsperiode T_stim kohärent über alle Module, d. h. zu Beginn jeder Stimulationsperiode T_stim wird eine Reihenfolge festgelegt, in der die Stimulationselemente die ersten Reize 21 generieren (z. B. die Reihenfolge Stim. #4, Stim. #2, Stim. #3, Stim. #1) und diese Reihenfolge gilt für alle Module.
2. Randomisierung der Reizsequenzen für einen Block von aufeinander folgenden Stimulationsperioden T_stim kohärent über alle Module, d. h. zu Beginn eines in 56 gezeigten Blocks von aufeinander folgenden Stimulationsperioden T_stim (bzw. nach einer Stimulationspause) wird eine Reihenfolge festgelegt, in der die Stimulationselemente die ersten Reize 21 generieren (z. B. die Reihenfolge Stim. #4, Stim. #2, Stim. #3, Stim. #1) und diese Reihenfolge gilt für alle Module für den Stimulationsblock bis zur nächsten Pause.
3. Randomisierung der Reizsequenzen nicht kohärent über alle Module, sondern nur kohärent über eine Untergruppe aller Module variiert, d. h. nur für ein bestimmtes Modul (z. B. das Modul #2) wird eine Randomisierung gemäß den vorstehenden Ziffern 1. oder 2. durchgeführt, die übrigen Module verhalten sich wie in 55 gezeigt.
4. Randomisierung der Reizsequenzen nicht kohärent über alle Module, sondern kohärent über mehr als eine Untergruppe aller Module variiert, d. h. nur für zwei oder mehr Module (z. B. die Module #2 und #4) wird eine Randomisierung gemäß den vorstehenden Ziffern 1. oder 2. durchgeführt, die übrigen Module verhalten sich wie in 55 gezeigt.
5. Randomisierung der Reizsequenzen unkorreliert zwischen verschiedenen Modulen, d. h. für jede Stimulationsperiode T_stim oder für jeden Block von aufeinander folgenden Stimulationsperioden T_stim zwischen zwei Pausen wird für jedes Modul unabhängig von den anderen Modulen eine Reihenfolge, in der die Stimulationselemente die ersten Reize 21 generieren, festgelegt.

In 57 ist schematisch das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung von taktilen, vibratorischen und/oder thermischen ersten Reizen 21 dargestellt. Die Vorrichtung enthält n Module mit jeweils n Stimulationselementen sowie n Sensoren. Die Module und Sensoren stehen über Verbindungsleitungen oder über Funk (z. B. ein WPAN(Wireless Personal Area Network)-Netzwerk) mit einem Verbindungsmodul 360 in Verbindung, welches wiederum an einen Computer 361, z. B. ein Laptop, und externe Vorrichtungen 362 angeschlossen sein kann. Es müssen nicht notwendigerweise alle Module und Sensoren gleichzeitig zum Einsatz kommen, es kann je nach Stimulationsart auch nur eine Teilmenge davon eingesetzt werden. Die Module und/oder Sensoren können durch Batterien oder Akkus mit Strom versorgt werden, so dass sie unabhängig von einer zentralen Stromversorgung sind. Der Benutzer, beispielsweise ein Arzt, kann mittels einer geeigneten, auf dem Computer 361 abgespeicherten Software ein Stimulationsverfahren auswählen und die Parameter dieses Stimulationsverfahrens einstellen.
Die Steuerung der in die Module integrierten Stimulationseinheiten kann über den Computer 361 erfolgen. Als Alternative kann in jedes Modul eine Steuereinheit 10 integriert sein (vgl. 58A), die für die Ansteuerung der Stimulationselemente des jeweiligen Moduls zuständig ist. Dies ermöglicht einen weitgehend eigenständigen Betrieb der Module. Ferner kann für jedes Stimulationselement eine eigene Steuereinheit 10 vorgesehen sein (vgl. 58B). Dies ermöglicht die größte Vielseitigkeit beim Betrieb der Stimulationselemente, jedoch werden dadurch Gewicht und Abmessungen der Module vergrößert. Als weitere Alternative kann die Steuereinheit 10 zentral in dem Verbindungsmodul 360 platziert werden (vgl. 58C). Vorteilhaft daran sind geringes Gewicht und Größe der Module sowie eine kostengünstige Herstellung. Allerdings können bei dieser Ausgestaltung die Module nicht unabhängig von dem Verbindungsmodul 360 betrieben werden.

Claims

Vorrichtung (100) umfassend: – eine Stimulationseinheit (11) zur Erzeugung von ersten Reizen (21), die bei einer Verabreichung an einen Patienten eine krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten unterdrücken, – eine Messeinheit (15) zum Aufnehmen von Messsignalen (25), welche die krankhaft synchrone Aktivität der Neuronen wiedergeben, und – eine Neurofeedback-Einheit (12) zur Erzeugung von zweiten Reizen (22) anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25), wobei die zweiten Reize (22) dem Patienten den Ausprägungsgrad der krankhaft synchronen Aktivität der Neuronen veranschaulichen, wobei – die Erzeugung der ersten und zweiten Reize (21, 22) wahlweise in einem ersten oder einem zweiten Betriebsmodus erfolgt, und – im ersten Betriebsmodus zweite Reize (22) erzeugt werden und erste Reize (21) nur erzeugt werden, wenn die anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25) ermittelte krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und/oder der Patient eine Erzeugung von ersten Reizen (21) initiiert, und – im zweiten Betriebsmodus zweite Reize (22) und keine ersten Reize (21) erzeugt werden.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Stimulationseinheit (11) Elektroden zur Implantation im Gehirn und/oder Rückenmark umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Stimulationseinheit (11) eine nicht-invasive Stimulationseinheit ist und die ersten Reize (21) optische und/oder akustische und/oder taktile und/oder vibratorische und/oder thermische Reize sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Stimulationseinheit (11) eine Transmissionsbrille, eine Brille mit einer Mehrzahl von Lichtquellen, einen Schallgenerator, einen Gleichstrommotor, eine Schwingspule, einen piezoelektrischen Wandler, ein elektroaktives Polymer, ein Heizelement, ein Kühlelement und/oder eine Infrarotlichtquelle umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Reize (22) optische und/oder akustische und/oder taktile und/oder vibratorische und/oder thermische Reize sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Reize (22) für sich alleine angewandt keine Unterdrückung einer krankhaft synchronen Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark bewirken.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Reize (22) vom Patienten bewusst wahrnehmbar sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stimulationseinheit (11) eine Mehrzahl von Stimulationselementen zur Verabreichung der ersten Reize (21) an den Patienten umfasst und die ersten Reize (21) derart ausgestaltet sind, dass sie bei einer Stimulation einer Neuronenpopulation, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische Aktivität aufweist, die Phase der oszillatorischen Aktivität der Neuronenpopulation zurücksetzen.
Vorrichtung (100) umfassend: – eine Stimulationseinheit (11) zur Erzeugung von ersten Reizen (21), die bei einer Verabreichung an einen Patienten eine krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten unterdrücken, – eine Messeinheit (15) zum Aufnehmen von Messsignalen (25), welche die krankhaft synchrone Aktivität der Neuronen wiedergeben, und – eine Neurofeedback-Einheit (12) zur Erzeugung von zweiten Reizen (22) anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25), wobei die zweiten Reize (22) dem Patienten den Ausprägungsgrad der krankhaft synchronen Aktivität der Neuronen veranschaulichen, wobei – die Erzeugung der ersten und zweiten Reize (21, 22) wahlweise in einem ersten oder einem zweiten Betriebsmodus erfolgt, und – im ersten Betriebsmodus zweite Reize (22) erzeugt werden und erste Reize (21) nur erzeugt werden, wenn die anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25) ermittelte krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und – im zweiten Betriebsmodus zweite Reize (22) erzeugt werden und erste Reize (21) nur erzeugt werden, wenn die anhand der von der Messeinheit (15) aufgenommenen Messsignale (25) ermittelte krankhaft synchrone Aktivität von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark einen vorgegebenen weiteren Schwellwert überschreitet.