DE102018129585A1

DE102018129585A1 - Systeme und Verfahren für eine Durchgangskompensation bei gleichzeitiger Stimulation mehrerer Elektroden

Info

Publication number: DE102018129585A1
Application number: DE102018129585.5A
Authority: DE
Inventors: Marcelo Baru; Andrew B. Kibler
Original assignee: Biotronik SE and Co KG
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Neurostimulation, die umfasst: eine Verarbeitungseinheit (300), mehrere Elektroden (200) für die Anlegung von Stimulationsimpulsen, wobei die Elektroden (200) elektrisch mit der Verarbeitungseinheit (300) verbunden sind, wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, über die mehreren Elektroden (200) in einer Stimulationsphase (600) und einer darauf folgenden Ladungsausgleichsphase (602) elektrische Energie für eine Stimulation von Nervengewebe anzulegen, und wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, zum Halten der Spannungspegel (V) an den Elektroden (200) innerhalb eines vordefinierten Bereichs den Spannungspegel (V) an der jeweiligen Elektrode (200) mit Bezug auf eine Bezugselektrode (200a) zu überwachen und dann, wenn ein Spannungspegel (V) an einer Elektrode (200) einen vordefinierten Spannungsschwellenwert durchschreitet, einen ersten Kompensationsstrom (605) an der Elektrode (200) einzuspeisen, wobei eine Amplitude des ersten Kompensationsstroms (605) unter einem Nervenstimulationsschwellenwert liegt, und wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, den ersten Kompensationsstrom (605) während der Stimulationsphase (600) und/oder während der Ladungsausgleichsphase (602) einzuspeisen. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Neurostimulation.
Elektrische Neurostimulationsanwendungen sind komplizierte implantierbare Impulsgenerator(IPG)-Konstruktionen, die Ströme aus mehreren Elektroden zur gleichen Zeit simultan zu- und ableiten können, starke Ströme einspeisen können, hohe Impulsraten (somit einen aktiven Ladungsausgleich) unterstützen, und dies alles mit verkleinerten Elektrodenflächen (im die Selektivität zu verbessern) und ohne Therapieunterbrechung.
1 zeigt das Potential einer stimulierenden Elektrode, wenn ein Stimulationsprotokoll mit aktivem Ladungsausgleich in einer Anwendung mit hohen Impulsraten verwendet wird. In diesem Fall besteht der Stimulationsimpuls aus einer Stimulationsphase 101 (einem Kathodenimpuls, die Form muss nicht rechteckig sein) und einer aktiven Ausgleichsphase 102 (einem Anodenimpuls, die Form muss nicht rechteckig sein), gefolgt von einer Leerlaufphase 103, wo kein Strom von der Stimulationsvorrichtung (z.B. IPG) angelegt wird. Auch wenn dies nicht dargestellt ist, ist typischerweise eine Zwischenphasenperiode (wo auch kein Strom angelegt wird) zwischen dem Ende der Phase 101 und dem Beginn der Phase 102 vorhanden, um einen Geweberekrutierungsschwellenwert nicht zu beeinflussen.
Wie aus 1 ersichtlich ist (adaptiert aus [1]), beginnt das Elektrodenpotential von dem entsprechenden Leerlaufpotential (OCP) (gemessen gegen eine geeigneten Spannungsbezugselektrode). Während der Ausgabe der Kathodenphase des ersten Zweiphasenimpulses 104 lädt sich die Elektroden-Gewebe-Doppelschichtkapazität reversibel auf, und die Elektrode könnte beginnen, Ladung in Faraday-Reaktionen 105 zu überführen, da sich ihr Potential negativ bewegt. Da es wahrscheinlich ist, dass eine gewisse irreversible Ladungsübertragung während der Stimulationsphasen 101 auftritt, kann es sein, dass in einer solchen Situation nicht die gesamte eingespeiste Ladung für das Laden der Doppelschicht zur Verfügung steht. Somit wäre während der Anodenphase 102 nur ein Bruchteil der Kathodenladung eines Zweiphasenimpulses 104 nötig, um das Potential wieder auf OCP zu bringen. Falls der Anodenimpuls 102 und der Kathodenimpuls 101 gleiche Ladungen haben, wie dies in IPGs herkömmlicherweise implementiert ist, kann sich das Potential 106 aufeinanderfolgender Impulse vor einem Impuls positiv bewegen, bis die gleiche Menge an Ladung während der schattierten Flächen 107.a und 107.b der Kathoden- und Anodenphasen verloren gegangen ist. Falls dies passiert, kann die anodische Faraday-Reaktion 107.b Gewebeschäden und Elektrodenkorrosion bewirken. Im Falle einer Platin(Pt)-Elektrode kann beispielsweise Pt-Oxid (PtO) gebildet werden und können lösliche Pt-Verbindungen gebildet werden, wenn ein solches PtO in dem Chloridmedium reagiert. Ein mögliches toxisches Produkt ist Cisplatin [PtCl₂(NH₃)₂].
Dieses Problem des durchgehenden Elektrodenpotentials kann ferner durch Versätze in den Stromantrieben, welche die Phasen der Stimulation 101 und des aktiven Ausgleichs 102 implementieren, beeinflusst werden. Diese Versätze akkumulieren außerdem Spannungen in den mit den Elektroden in Reihe geschalteten Gleichstrom-Sperrkondensatoren, die nicht nur den Effektivwert dieser Kondensatoren verringern, sondern auch deren Ansteuerungselektronik über die maximale in der Vorrichtung verwendete Spannung oder unter die Systemerdung zwingen, wodurch Schutzdioden in der Ansteuerungselektronik aktiviert werden, wenn dies nicht ordnungsgemäß bewältigt wird.
US 6,301,505 B1 offenbart ebenso wie ähnlicher Stand der Technik eine Messung der Elektrodenspannungen oder einer Differenz zwischen ihnen, während Leerlaufperioden und ein Überspringen einer Stimulation in einer planmäßig anzusteuernden Elektrode, falls eine Überspannungsbedingung erfasst wird. Ein Kurzschließen wird verwendet, um ein Elektrodenpotential von einer anomalen Bedingung zurückzubringen. Dies hat den Nachteil, das keine Stimulation durchgeführt werden kann, bis eine Potentialdifferenz zwischen den stimulierenden Elektroden ausgeglichen wurde. In diesem Stand der Technik werden auch keine Gleichstrom-Sperrkondensatoren verwendet. Gleichstrom-Sperrkondensatoren sind ein wichtiges Sicherheitsmerkmal im Design von IPGs. Sie werden in erster Linie eingesetzt, um die Ladung pro Phase zu begrenzen, einen Gleichstromleckverlust zu verringern und zu verhindern, dass Gleichstrom unter Fehlerbedingungen durch Gewebe zirkuliert, und um noch andere Funktionen zu erfüllen. Auch wenn im Stand der Technik verschiedene Ansätze vorgeschlagen werden, um die Gleichstrom-Sperrkondensatoren zu eliminieren, und zwar wegen deren typischen Größen, bleibt eine herabgesetzte Sicherheit ein Problem und der Grund dafür, dass sie (wenn möglich) für das Design von IPGs für ein chronisches Implantat beim Menschen weiterhin verwendet werden.
Ferner widerspricht das Einsetzen eines Widerstands über einem Gleichstrom-Sperrkondensator, um eine Elektrodenspannungsdrift zu verringern, wie von Hudak vorgeschlagen [2], in gewissem Sinne einem der Hauptzwecke der letztgenannten Komponente und kann sich daher auf die Einhaltung von strengen Gleichstromverlustanforderungen von IPGs auswirken. Ferner ist die vorgeschlagene Kompensation ein offener Regelkreis, der bewirkt, dass die Verschiebung des Elektrodenpotentials abhängig von der Größe des Ungleichgewichts, das durch den Ladungsverlust erzeugt wird, entweder positiv oder negativ in Bezug auf das Leerlaufpotential (OPD) ist.
Ferner lehrt US 9,008,787 B2 die Verwendung der Totzeiten zwischen Stimulationsimpulsen, um eine durchgehende Spannung zu kompensieren, wodurch die Stimulationsfrequenz beschränkt wird. Darüber hinaus offenbart US 9,008,787 B2 nicht das Anlegen von Kompensationsströmen, sondern stattdessen eine Änderung des Stroms, der von einer Elektrode zu- oder abgeleitet wird, oder eine Anpassung von Impulsbreiten. Eine Änderung von Strömen ist in einem System der gleichzeitigen Stimulation mehrerer Elektroden jedoch auch ungünstig, da sich Änderungen an einer Elektrode auf die anderen auswirken, da die Summe aller Stromquellen der Summe aller Senkströme gleich sein muss, wenn keine Hilfselektrode verwendet wird. Ferner kann in Anwendungen mit hohen Impulsraten möglicherweise keine Zeit für die Anpassung der Impulsbreite bleiben.
Abgesehen davon beschreibt US 9,008,787 B2 auch die Verwendung von Gleichstrom-Sperrkondensatoren oder einer alternativen Schaltung in Reihe mit den Elektroden für eine Ladungsmessung. Die Restladung der Elektrode kann jedoch nicht von solchen Messwerten abgeleitet werden, da es unbekannt ist, ob sämtliche Ladung, die durch den Gleichstrom-Sperrkondensator (oder eine alternative Ladungsmessschaltung) zirkulierte, in der Elektroden-Gewebe-Doppelschichtkapazität akkumuliert wurde oder nicht. Manche dieser Ladungen können während der Kathodenstimulationsphase in einer irreversiblen Faraday-Reaktion zerstreut worden sein. Ferner weisen keramische Gleichstrom-Sperrkondensatoren eine typische Toleranz von ±10 % auf und ändern ihren Wert mit einer Spannungsakkumulierung. US 9,008,787 B2 schlägt ein Zirkulierenlassen von Kompensationsströmen durch diese Gleichstrom-Sperrkondensatoren vor, die zusammen mit Versätzen in den Senk-/Quellströmen zu ungenauen Messwerten führen.
Vor diesem Hintergrund ist es daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die durchgehende Elektrodenspannungen unabhängig (insbesondere unverzüglich) korrigieren können, insbesondere um die Sicherheit von Geweben und Elektroden bei einer ununterbrochenen elektrischen Stimulation auf Basis von Mehrelektrodenströmen mit besonderem Schwerpunkt auf implantierbaren Anwendungen, die hohe Impulsraten verwenden, zu gewährleisten.
Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale von Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches das Merkmal von Anspruch 9 aufweist, gelöst. Spezielle Ausführungsformen dieser Aspekte der vorliegenden Erfindung stehen in den entsprechenden Unteransprüchen und sind nachstehend beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Vorrichtung für eine Neurostimulation offenbart, die umfasst:

- eine Verarbeitungseinheit,
- mehrere Elektroden für die Anwendung von Stimulationsimpulsen, wobei die Elektroden elektrisch mit der Verarbeitungseinheit verbunden sind,
- wobei die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, über die Elektroden elektrische Energie in Form von Quell- und Senkströmen in einer Stimulationsphase und in einer nachfolgenden Ladungsausgleichsphase anzulegen, um Nervengewebe zu stimulieren, und
- wobei die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, zum Halten von Spannungspegeln an den Elektroden innerhalb eines vordefinierten Bereichs den Spannungspegel an der jeweiligen Elektrode in Bezug auf eine Bezugselektrode zu überwachen, und wenn ein Spannungspegel an der Elektrode einen vordefinierten Spannungsschwellenwert durchschreitet, einen ersten Kompensationsstrom an der Elektrode einzuspeisen, wobei eine Amplitude des ersten Kompensationsstroms unter einem Nervenstimulationsschwellenwert liegt, und wobei die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, den ersten Kompensationsstrom während der Stimulationsphase und/oder während der Ladungsausgleichsphase einzuspeisen.

Insbesondere werden die Elektrodenpotentiale der Vorrichtung mittels einer Überwachung der über den Elektroden-Gewebe-Doppelschichtkapazitäten akkumulierten Spannungen gegenüber unbenutzten Elektroden, die miteinander verbunden sind und als Bezugselektrode verwendet werden, innerhalb eines programmierbaren Spannungsfensters gehalten.
Insbesondere wird eine unverzügliche Kompensation unter Verwendung eines Gehäuses der Vorrichtung als Hilfselektrode und mittels einer Einspeisung von Strömen, die unter einem Schwellenwert für die Stimulation liegen, gleichzeitig mit den Stimulations- und Ladungsausgleichsphasen durchgeführt (anders als im Stand der Technik, wo diese in der Totzeit zwischen Impulsen ausgegeben werden), wenn Elektroden die Fensterschwellen erreichen oder durchschreiten. Insbesondere werden in einer Ausführungsform einander entgegengesetzte Aktivkompensationsströme direkt an den driftenden Elektroden und am Gehäuse über einen Gleichstrom-Sperrkondensator, der mit dem letzteren in Reihe geschaltet ist, eingespeist. Dies ermöglicht eine Kompensation einer durchgehenden Elektrodenspannung parallel zur und unabhängig von der Therapie. Da Quell- und Senkströme während der Kompensation durch das Gehäuse fließen und da die Gewebe-Gehäuse-Doppelschichtkapazität viel höher ist als eine solche zwischen Gewebe und Elektrode, wirkt sich eine durchgehende Spannung nicht auf das Gehäuse der Vorrichtung aus.
Somit ermöglicht die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere eine gleichzeitige elektrische Stimulation, die durch Ströme von mehreren Elektroden gesteuert wird und die die akkumulierten Spannungen in den Gleichstrom-Sperrkondensatoren automatisch beherrscht und sichere Spannungen an jeder aktiven Therapieelektrode aufrechterhält, ohne die Therapie zu unterbrechen.
Ferner wird insbesondere eine durchgehende Spannung in den DC-Sperrkondensatoren verringert und durch die Verwendung eines passiven Ausgleichs zwischen dem Ende einer aktiven Ausgleichsphase und der nächsten Stimulationsphase beherrschbar gehalten. Ein passiver Ausgleich kann sich mit einer Überwachung der akkumulierten Spannung abwechseln. Genauer können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Architektur einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) implementiert werden, insbesondere für den Zweck der Unterstützung einer Vorrichtung für eine Rückenmarksstimulation (SCS).
Ferner ist die Verarbeitungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, Stimulationsimpulse so anzulegen, dass eine Zwischenphasenperiode zwischen jeder Stimulationsphase und jeder Ladungsausgleichsphase liegt, während der keine elektrische Energie über die Elektroden angelegt wird, um Nervengewebe zu stimulieren. Insbesondere wird der erste Kompensationsstrom auch während der Zwischenphasenperiode angelegt. Der erste Kompensationsstrom (und auch der entgegengesetzte zweite Kompensationsstrom, siehe unten) kann während der Stimulationsphase, der Zwischenphasenperiode und der Ladungsausgleichsphase angelegt werden.
Ferner ist die Verarbeitungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, gleichzeitig einen zweiten Kompensationsstrom an einer Hilfselektrode einzuspeisen, wobei der zweite Kompensationsstrom dem ersten Strom entgegengesetzt ist, aber ansonsten mit dem ersten Strom identisch ist. Der zweite Kompensationsstrom liegt ebenfalls unter einem Nervenstimulationsschwellenwert. Der Schwellenwert hängt von dem Anwendungsgebiet und von der Menge der eingespeisten Ladung ab. zum Beispiel liegen Schwellenwerte bei SCS ungefähr unter 100 nC (Nanocouloumb).
Ferner wird die Hilfselektrode gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung von einer elektrisch leitenden Fläche eines Gehäuses der Vorrichtung gebildet, wobei dieses Gehäuse die Verarbeitungseinheit umschließt.
Ferner umfasst die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform einen Elektrodenleiter, der von dem Gehäuse ausgeht, wobei die mehreren Elektroden auf dem Elektrodenleiter angeordnet sind.
Ferner ist die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine implantierbare Vorrichtung (ein sogenannter implantierbarer Impulsgenerator oder IPG), der dafür ausgelegt ist, in den Körper eines Menschen oder eines Tiers implementiert zu werden.
Ferner ist die Verarbeitungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, den zweiten Kompensationsstrom über die Hilfselektrode unter Verwendung eines Gleichstrom-Sperrkondensators, der mit der Hilfselektrode in Reihe geschaltet ist, einzuspeisen.
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Bezugselektrode von mindestens einer Elektrode, die Bestandteil der Vorrichtung ist (wobei die mindestens eine Elektrode genauer auf dem Elektrodenleiter angeordnet ist) oder von mehreren Elektroden der Vorrichtung gebildet, die genauer auf dem Elektrodenleiter angeordnet sind und die miteinander verbunden sind, wobei die mindestens eine Elektrode oder die mehreren Elektroden, die miteinander verbunden sind, nicht für die Anlegung der Stimulationsimpulse verwendet werden.
Ferner ist die Verarbeitungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, für den Fall, dass der Spannungspegel um mehr als eine vorgegebene Spannungsmenge (ΔV) ansteigt (was auch als positives Durchschreiten bezeichnet wird), den ersten Kompensationsstrom an der Elektrode (an der das positive Durchschreiten stattfindet) zu senken bzw. abzuleiten, während der zweite Kompensationsstrom gleichzeitig von der Verarbeitungseinheit über die Hilfselektrode zugeleitet wird, insbesondere während der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase, insbesondere auch während einer Zwischenphasenperiode zwischen der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase.
Ferner ist die Verarbeitungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, für den Fall, dass der Spannungspegel um mehr als eine vorgegebene Spannungsmenge (ΔV) sinkt (was auch als negatives Durchschreiten bezeichnet wird), den ersten Kompensationsstrom an der Elektrode (an der das negative Durchschreiten stattfindet) zuzuleiten, während der zweite Kompensationsstrom gleichzeitig von der Verarbeitungseinheit über die Hilfselektrode abgeleitet wird, insbesondere während der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase, insbesondere auch während einer Zwischenphasenperiode zwischen der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase.
Ferner ist die Verarbeitungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, elektrische Energie in Form von Quell- und Senkströmen in einer Stimulationsphase und/oder einer anschließenden Ausgleichsphase über die Elektroden anzulegen, um Nervengewebe zu stimulieren, wobei die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, mindestens eine von den mehreren Elektroden zu verwenden, um den Stromversatz zwischen der Summe der Quellströme und der Summe der Senkströme in der Stimulationsphase und/oder in der Ausgleichsphase zu kompensieren.
Ferner leitet gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die mindestens eine Kompensationselektrode in der Stimulationsphase Strom zu und/oder wobei die mindestens eine Kompensationselektrode Strom in der Ausgleichsphase ableitet, wobei die Verarbeitungseinheit die nötigen Anpassungen bereitstellt, damit der Kompensationselektrodenstrom darauf eingestellt wird, den Gesamt-Stromversatz in der Stimulationsphase und/oder in der Ausgleichsphase durch Zu-/Ableitung zu adaptieren.
Ferner adaptiert gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Verarbeitungseinheit den Kompensationselektrodenstrom unter Verwendung mindestens eines Transistors, eines variablen Widerstands und/oder einer Spannungsquelle der Verarbeitungseinheit.
Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Neurostimulation offenbart, das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei von der Verarbeitungseinheit über die mehreren Elektroden in einer Stimulationsphase und einer darauf folgenden Ladungsausgleichsphase elektrische Energie für eine Stimulation von Nervengewebe angelegt wird und wobei zum Halten der Spannungspegel an den Elektroden innerhalb eines vordefinierten Bereichs der Spannungspegel an der jeweiligen Elektrode mit Bezug auf eine Bezugselektrode überwacht wird, und wenn ein Spannungspegel an einer Elektrode einen vordefinierten Spannungsschwellenwert durchschreitet, ein erster Kompensationsstrom an der Elektrode eingespeist wird, wobei eine Amplitude des ersten Kompensationsstroms unter einem Nervenstimulationsschwellenwert liegt, und wobei der erste Kompensationsstrom während der Stimulationsphase und/oder während der Ladungsausgleichsphase eingespeist wird.
Ferner werden gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung Stimulationsimpulse so angelegt, dass eine Zwischenphasenperiode zwischen jeder Stimulationsphase und jeder darauf folgenden Ladungsausgleichsphase liegt, während der keine elektrische Energie über die mehreren Elektroden angelegt wird, um Nervengewebe zu stimulieren. Insbesondere kann der erste Kompensationsstrom auch während der Zwischenphasenperiode eingespeist werden (siehe auch oben).
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig ein zweiter Kompensationsstrom an einer Hilfselektrode eingespeist, wobei der zweite Kompensationsstrom dem ersten Strom entgegengesetzt ist, aber ansonsten mit dem ersten Strom identisch ist.
Ferner wird die Hilfselektrode gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung von einer elektrisch leitenden Fläche eines Gehäuses der Vorrichtung gebildet, wobei dieses Gehäuse die Verarbeitungseinheit umschließt (siehe auch oben).
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung der zweite Kompensationsstrom über die Hilfselektrode unter Verwendung eines Gleichstrom-Sperrkondensators, der mit der Hilfselektrode in Reihe geschaltet ist, eingespeist.
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die Bezugselektrode von mindestens einer Elektrode, die Bestandteil der Vorrichtung ist (die genauer auf dem Elektrodenleiter angeordnet ist) oder von mehreren Elektroden der Vorrichtung gebildet (die genauer auf dem Elektrodenleiter angeordnet sind), die miteinander verbunden sind, wobei die Bezugselektrode nicht für die Anlegung der Stimulationsimpulse verwendet wird.
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung dann, wenn der Spannungspegel um mehr als eine vorgegebene Spannungsmenge (ΔV) ansteigt (positives Durchschreiten), der erste Kompensationsstrom an der Elektrode abgeleitet, während der zweite Kompensationsstrom gleichzeitig über die Hilfselektrode zugeleitet wird, insbesondere während der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase, insbesondere auch während einer Zwischenphasenperiode zwischen der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase.
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung dann, wenn der Spannungspegel um mehr als eine vorgegebene Spannungsmenge (ΔV) sinkt (negatives Durchschreiten), der erste Kompensationsstrom an der Elektrode (an der das negative Durchschreiten stattfindet) zugeleitet, während der zweite Kompensationsstrom gleichzeitig über die Hilfselektrode abgeleitet wird, insbesondere während der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase, insbesondere auch während einer Zwischenphasenperiode zwischen der Stimulationsphase und der Ladungsausgleichsphase.
Ferner wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung elektrische Energie in Form von Quell- und Senkströmen in einer Stimulationsphase und in einer anschließenden Ladungsausgleichsphase über die mehreren Elektroden angelegt, um Nervengewebe zu stimulieren, wobei die Verarbeitungseinheit mindestens eine von den Elektroden verwendet, um den Stromversatz zwischen der Summe der Quellströme und der Summe der Senkströme in der Stimulationsphase und/oder in der Ausgleichsphase zu kompensieren.
Ferner leitet gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die mindestens eine Kompensationselektrode in der Stimulationsphase eine Stromquelle zu und/oder wobei die mindestens eine Kompensationselektrode Strom in der Ausgleichsphase ableitet, wobei die Verarbeitungseinheit die nötigen Anpassungen bereitstellt, damit der Kompensationselektrodenstrom adaptiert wird, um den Gesamt-Stromversatz in der Stimulationsphase und/oder in der Ausgleichsphase durch Zuleitung/Ableitung zu beeinflussen. Ferner passt gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die Verarbeitungseinheit den Kompensationselektrodenstrom unter Verwendung mindestens eines Transistors, eines variablen Widerstands und/oder einer Spannungsquelle der Verarbeitungseinheit an.
Weitere Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, worin:

1 das Potential einer stimulierenden Elektrode zeigt, wenn ein Stimulationsprotokoll mit aktivem Ladungsausgleich in einer Anwendung mit hohen Impulsraten verwendet wird.
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung für eine Neurostimulation, hier eine Rückenmarksstimulation (SCS) zeigt;
3 eine schematische Darstellung einer Verarbeitungseinheit (Front End) einer Vorrichtung für eine Neurostimulation, die in 2 gezeigt ist, zeigt;
4 eine schematische Konfiguration für eine Stimulationsphase unter Verwendung der in 1 und 2 gezeigten Vorrichtung zeigt;
5 eine schematische Darstellung einer tatsächlichen Implementierung einer Stimulationsphase unter Verwendung einer Spannungsquelle für die Kompensation eines Stromversatzes zeigt;
6 eine schematische Darstellung der Einspeisung von einander entgegengesetzten Kompensationsströmen während einer Therapie zur Vermeidung einer durchgehenden Spannung zeigt;
7 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Bestimmung der Kompensationsströme zeigt;
8 eine Überwachung von Spannungspegeln aktiver Elektroden zeigt;
9 die Kompensations-Quell- und -Senkströme für unterschiedliche Spannungsdurchschreitungen zeigt; und
10 eine Erfassung, ob eine akkumulierte Spannung V_Ei ihr Vorzeichen in Bezug auf eine Bezugsspannung V_Ref geändert hat, zeigt.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, hier z.B. in Form eines Mehrelektrodensystems, das ein Gehäuse 201 (hier eines implantierbaren Impulsgenerators (IPG)) und eine perkutane (Elektroden-) Leitung 202 für eine Rückenmarksstimulation (SCS) umfasst. Auch wenn nur eine Leitung 202 und acht Elektroden 200 gezeigt sind und die Ausführungsformen der Einfachheit halber im Hinblick auf eine SCS-Anwendung beschrieben werden, kann diese Offenbarung auf jede Anwendung elektrischer Stimulationen, implantierbar oder nicht, oder auf jede Anzahl unterschiedlicher Leitungen 202 und Elektroden 200 erweitert und angewendet werden.
Betrachtet man nun wieder 2, so wird jede Elektroden-Gewebe-Grenzfläche 203 durch ein Konstantphasenelement 204 (auch als Bruchzahl-Polkondensator bezeichnet) modelliert, das Verschiebungsströme in der Gewebe-Elektroden-Doppelschicht während einer Zweiphasenstimulation modelliert, in Reihe mit einem Zugriffswiderstand 205. Dioden 206 modellieren irreversible Faraday-Reaktionen, die während einer Zweiphasenstimulation abhängig von dem eingespeisten Ladungsniveau auftreten können. Die leitende Gehäusefläche des Gewebe-Gehäuses 201 wird von einer ähnlichen Impedanz 207 modelliert, wo ein Widerstand 208 einen Verlust des Konstantphasenelements 209 modelliert. Typischerweise ist angesichts der viel größeren leitenden Fläche des Gehäuses 201 die von 209 dargestellte Impedanz viel kleiner als die von 204.
Ein Element 210 modelliert die Leerlaufspannung (open circuit potential, OCP) jeder Elektrode 200, die gegen eine andere leitende Oberfläche, z.B. die leitende Fläche des Gehäuses 201, gemessen wird.
Für das beschriebene SCS-Beispiel modelliert ein Gitter 211 den Bulk-Elektrolyten als eine 2D-Anordnung aus variierenden Widerständen aufgrund der Rotationssymmetrie der Elektroden 200 [3]. Die perkutane SCS-Leitung 202 besteht aus koaxialen zylindrischen Pt/Ir-Elektroden 200, die durch isolierende Abstandhalter 212 getrennt sind.
Die Elektroden 200 werden durch die Verarbeitungseinheit (gezeigt ist ein Front End) 300 (in der Vorrichtung 1), die in 3 gezeigt ist, elektrisch angesteuert. Die Komponente C_i stellt den DC-Sperrkondensator in Reihe mit einer Elektrode i dar. Diese DC-Sperrkondensatoren sind nominell alle gleich mit einem typischen Wert in der Größenordnung von 10 µF und mit einer Kapazität, die mit einer Vorspannung sinkt (Verhalten eines keramischen Kondensators). Der „äquivalente“ Kondensator, der von der Doppelschicht präsentiert wird (dargestellt durch das Konstantphasenelement 204), weist andererseits beispielsweise für eine SCS-Pt/Ir-Elektrode 200 einen Wert in der Größenordnung von 4,7 µF auf. Jedoch geht die vorliegende Erfindung nicht von bestimmten relativen Werten zwischen diesen Kapazitäten aus.
Die Widerstände 301 in 3 sind Bleeding Resistors (z.B. Hunderte von kΩ), die in einer Sternkonfiguration angeordnet sind, typischerweise in Front-Ends 300 des IPG für eine Passivladungsneutralität verwendet. Kondensatoren 302, ebenfalls in Sternkonfiguration, sorgen für eine Filterung von elektromagnetischer Interferenz (andere Arten von Schutz, wie etwa gegen externe Defibrillationsimpulse, sind nicht gezeigt). Der Gleichtakt der Sternkonfigurationen von sowohl Widerständen 301 als auch Kondensatoren 302 ist mit der leitenden Fläche 303 des Gehäuses 201 verbunden.
Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 304 der Verarbeitungseinheit 300 stellt fünf (5) steuerbare Elemente für eine Zweiphasenstimulation bereit, wovon jeweils nur eines aktiv sein kann, wenn die entsprechende Elektrode 200 für eine Therapieverabreichung verwendet wird. Ein Strom I_Pi lässt einen Quellstrom durch eine Elektrode 200 von der programmierbaren Spannung V_IStim zu, während ein Strom I_Ni einen Senkstrom zu einer Spannung V_NCounter zulässt, die, falls gewünscht, die Systemerdung Vss sein kann. Da Quell- uns Senkströme an jeder Elektrode 200 unabhängig steuerbar sind, kann eine gleichzeitige Mehrelektroden-SCS-Therapie mit aktivem Ladungsausgleich, somit mit einer höheren Frequenz verabreicht werden, und eine Stromlenkung ist möglich, um eine gezielte Stimulation spezifischer Nervenfasernpopulationen zu ermöglichen. Analoge Schalter 305, 306 ermöglichen jeweils eine Verbindung einer Elektrode 200 mit entweder Visim oder V_NCounter , wenn Ströme von nur einem Typ angelegt werden sollen. Analoge Schalter 307, 308, die auf eine Mittelspannung V_Mid bezogen sind, und ein strombegrenzender Widerstand 309 ermöglichen einen passiven Ladungsausgleich. V_Mid kann jede Spannung zwischen V_IStim und V_SS , jeweils einschließlich, sein. Widerstände 310 können hinzugefügt werden, um den Strom in Anwesenheit extern erzeugter Felder (z.B. Defibrillation) zu begrenzen.
Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit sei angenommen, dass für die Therapie vier (4) Stromsenken und vier (4) Stromquellen verwendet werden, wie in 4 gezeigt, und dass gewünscht ist, I_N1 ≥ I_N2 ≥ I_N3 ≥ I_N4 und I_P5 ≥ I_P6 ≥ I_P7 ≥ I_P8 zu programmieren, um ein bestimmtes elektrisches Feld während der Stimulation bereitzustellen. Es ist wichtig, dass I_Ni i = 1...4 ordnungsgemäß eingerichtet wird, da diese Ströme diejenigen sind, die stimulieren.
Angesichts der hochohmigen Beschaffenheit von Stromsenken/-quellen wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine der Elektroden 200 zwangsgesteuert, um den Stromversatz zwischen der Summe der Senkströme I_Ni und der Summe der Quellströme I_Pi zu bewältigen, ohne eine Hilfselektrode verwenden zu müssen, wie in 5 gezeigt. Ferner ist insbesondere die Verarbeitungseinheit 300 dafür ausgelegt, die Overhead-Spannung V_IStim für eine effiziente elektrische Stimulation über die Elektroden 200 anzupassen.
Für Stimulationsfrequenzen, wo eine aktive Ausgleichsphase zwingend erforderlich ist, werden Ströme umgekehrt, d.h. die Elektroden 1 ... 4 leiten nun Ströme Ipi (i = 1...4) aus V_IStim zu, während die Elektroden 5... 8 Ströme I_Ni (i = 5...7) und I_ForcedN8 zu V_NCounter ableiten. Die gleiche Elektrode 200, die in der Stimulationsphase 101 zwangsgesteuert wurde (i = 6 in diesem Beispiel), wird vorzugsweise auch in der aktiven Ausgleichsphase 102 zwangsgesteuert.
Der Kliniker kann die Impulsbreite der aktiven Ausgleichsphase 102 programmieren, die typischerweise gleich oder doppelt so groß ist wie die Impulsbreite der Stimulationsphase 101 in SCS, wenn Stimulationsfrequenzen im kHz-Bereich liegen, was automatisch die Ströme bestimmt, die in der aktiven Ausgleichsphase 102 erforderlich sind, wenn eine ladungsausgeglichene Einspeisung verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Potentiale der Elektrode 200 mittels einer Überwachung der über den Elektroden-Gewebe-Doppelschichtkapazitäten (modelliert vom Element 204) akkumulierten Spannungen gegen unbenutzte Elektroden 200, die miteinander verbunden sind (um eine Bezugselektrode 200a zu bilden) und die mit einer internen Spannungsreferenz V_Ref in der Elektronik der Vorrichtung 1 (d.h. der Verarbeitungseinheit 300) verbunden sind, in einem Spannungsbereich (auch als Spannungsfenster bezeichnet) gehalten. Eine unverzügliche Spannungskompensation wird insbesondere unter Verwendung der leitenden Fläche 303 des Gehäuses 201 und durch Einspeisen einander entgegengesetzter Ströme, die unter einem Schwellenwert für die Stimulation liegen, „gleichzeitig mit den Stimulations- und Ausgleichsphasen 101, 102“ durchgeführt (anders als im Stand der Technik). Die Kompensationsströme werden direkt an den Elektroden 200 eingespeist, und der Gleichstrom-Sperrkondensator ist in Reihe mit der leitenden Fläche 303 des Gehäuses 201 bereitgestellt.
Die bevorzugte Ausführungsform ist in 6 dargestellt. Für jede aktive Elektrode 200 gibt es Phasen der Stimulation, 600, und des aktiven Ausgleichs, 602, die durch eine gemeinsame Zwischenphasenperiode 601 getrennt sind, auf die gemeinsame Phasen eines passiven Ausgleichs, 603, und eines Vergleichens, 604, folgen. Angenommen, die Elektrode i erreicht eine Spannungsgrenze des oben beschriebenen programmierten Fensters während einer Vergleichsphase 604. In einem solchen Fall wird während der folgenden Phase der Stimulation, 600, der folgenden Zwischenphasenperiode 601 und der folgenden Phase des aktiven Ausgleichs, 602, ein Korrekturstrom 605 direkt an der Elektrode i (d.h. unter Umgehung des Gleichstrom-Sperrkondensators) abgeleitet (zugeleitet), und ein identischer Strom 606 wird über die leitende Fläche 303 des Gehäuses 201 unter Verwendung eines in Reihe geschalteten Gleichstrom-Sperrkondensators 607 zugeleitet (abgeleitet). Da identische, einander entgegengesetzte Ströme 605, 606 durch das Gewebe zirkulieren, ist die Kompensation effektiv parallel zu und unabhängig von der laufenden Therapie und den anderen Elektroden 200 außer i. In einer realen Anwendung wird der Versatz zwischen 605 und 606 vom System ohne Auswirkung auf die Therapie bewältigt.
Der Korrekturstrom 605 fließt vorzugsweise, bis die Elektrodendoppelschichtgrenzfläche 203 der Elektrode i entlädt. Dieser Korrekturstrom 605 soll vorzugsweise unter 1/10 des programmierten Stimulationsstroms liegen, um die Therapie nicht zu beeinträchtigen.
Falls eine neue Elektrode j einen Schwellenwert überschreitet, wird sie als nächstes über einen Strom 608 korrigiert. Da Korrektur-Quell- und -Senkströme durch die leitende Fläche 303 des Gehäuses 201 der Vorrichtung 1 hindurch erforderlich sind, wird erwartet, dass der Gleichstrom-Sperrkondensator 607 und die leitende Fläche 303 der Doppelschichtkapazität des Gehäuses 200 und des Gewebes (die viel höher ist als die der Elektroden 200 und des Gewebes) mäßig akkumuliert werden und dass Spannungen für einen fortgesetzten Therapiebetrieb sicher sind. Die Verwendung unbenutzter, miteinander verbundener Elektroden 200 (als Bezugselektrode 200a) als Referenz für die Vergleichsphase 604 vermeidet die Notwendigkeit, Halbzellenpotentialdifferenzen zu bewältigen, da die Elektroden 200 aus dem gleichen Material (wenn auch mit unterschiedlichen Flächen) bestehen. Die Passivausgleichsperioden 603 halten die Gleichstrom-Sperrkondensatorspannungen vom Durchgehen ab (zusätzlich zu den Bleeding-Resistors 301).
Um den geeigneten Kompensationsstrom 605 (oder 608) zu bestimmen, führt die Vorrichtung 1 zuerst eine Impedanzmessung durch, um die äquivalente Doppelschichtkapazität C_dli (i = 1...8 in dem Beispiel) für jede Elektrode 200, die während der Therapie aktiv sein soll, zu bestimmen. Dann werden M gleich geladene Zweiphasen-Therapieimpulse (z.B. 3, 5,..129) laufen gelassen und die Elektrodenspannungen V_Ei werden nach dem ersten Impuls und am Ende der M Impulse gemessen, um die nicht zurückzugewinnende akkumulierte Ladung zu berechnen. Eine Messanordnung ist in 7 dargestellt.
Nach einer Zeit, die der programmierten Stimulationsperiode gleich ist, gemessen ab dem Beginn des gleich geladenen Zweiphasenimpulses (d.h. entweder des 1-ten oder des M-ten) werden unbenutzte Elektroden i = 9...16 in dem Beispiel zu einer internen Spannungsreferenz V_Ref verbunden und bilden somit eine Bezugselektrode 200a. Abtasthalte(S&H)-Schaltungen werden verwendet, um Spannungen V_Ei jeder aktiven Therapieelektrode (i = 1...8 in dem Beispiel) abzutasten, und die Werte werden über den Analog-zu-Digital(ADC)-Wandler digitalisiert und in Registern der Verarbeitungseinheit 300 der Vorrichtung 1, z.B. in Registern einer Mikrosteuerung der Vorrichtung 1 gespeichert.
Die akkumulierte Ladung ΔQ_Ei in der Elektrode i erfüllt $Δ Q_{Ei} = C_{dli} \times (V_{Ei}_{@ M} - V_{Ei})$
wobei V_Ei@M und V_Ei die gemessenen Spannungen der Elektrode i (in Bezug auf V_Ref ) nach dem M-ten bzw. dem ersten Puls sind. Angenommen, die Änderungen in den Potentialen einer Impulsfolge vor einem Impuls werden durch die Kulmination von Ladungsverlusten aufgrund einzelner Impulse erzeugt, dann gilt für die zusätzliche Ladung „pro Puls“, ΔQ_Pulse $Δ Q_{Pulse} = Δ Q_{Ei} / (M - 1)$
Angesichts des Kompensations-/Messwertemusters, das in 6 gezeigt ist, muss jeder Korrekturstrom 605 beispielsweise eine Ladung ΔQ_605Ei einspeisen, die $Δ Q_{605Ei} \geq 2 \times Δ Q_{Pulse}$
erfüllt, um die akkumulierte Ladung in der Doppelschichtkapazität C_dli der Elektrode i effektiv zu reduzieren (um mindestens ΔQ_Pulse ). ΔQ_605Ei ist demnach gleich $Δ Q_{605 Ei} = I_{605 Ei} \times (T_{PWS} + T_{D} + T_{PWB})$
Durch Kombinieren von Gleichungen und Ungleichungen (2) bis (5) erhalten wir $I_{605Ei} \geq [2 / (M - 1)] \times C_{dli} \times [(V_{Ei}_{@ M} - V_{Ei}) / (T_{PWS} + T_{D} + T_{PWB})$
Somit kann I_605Ei für jede Elektrode ausgewählt werden als $I_{605Ei} \geq [2 / (M - 1)] \times C_{dlimax} \times [(V_{Ei}_{@ M} - V_{Ei}) / (T_{PWS} + T_{D} + T_{PWB})]$
wobei C_dlimax die gemessene Doppelschichtkapazität C_dli plus Messfehler ist. Die Verarbeitungseinheit 300 (z.B. ein Mikrosteuerungsblock) der Vorrichtung 1 kann diese Werte berechnen und der ASIC 304 die geeigneten Ströme 605 (der 608) zur Verwendung für die Korrektur bereitstellen.
Dann werden eine Therapie verabreicht wie programmiert, und die Spannungen der aktiven Elektroden i (i = 1... 8 in dem Beispiel) überwacht wie in 8 gezeigt. ΔV kann ein programmierbarer Parameter des IPG 201 sein, beispielsweise entweder 50 mV, 100 mV, 200 mV oder 400 mV. In einer Ausführungsform erfassen Komparatoren 800.a und 800.b die negative bzw. die positive Durchschreitung des ±ΔV-Spannungsfensters.
Wenn ein Komparator 800.a oder 800.b ausgelöst wird, wird der geeignete Korrekturstrom 605, 608, wie in 6 gezeigt, gleichzeitig mit der nächsten Stimulationsphase 600, der nächsten Zwischenphasenperiode 601 und der nächsten Ausgleichsphase 602 geliefert. Dies ist in 9 näher dargestellt. Der Gleichstrom-Sperrkondensator 607, der mit der leitenden Fläche 303 des Gehäuses 201 in Reihe geschaltet ist, kann vorzugsweise vier parallel geschalteten Gleichstrom-Sperrkondensatoren C_i der Elektrode gleich sein. Wie auf der linken Seite von 9 zu sehen ist, wird dann, wenn die Elektrode eine positive ΔV-Durchschreitung hatte, ein vorab bestimmter Strom I_605Ei direkt an der Elektrode i abgeleitet, während in der Stimulationsphase 600, der Zwischenphasenperiode 601 und der Ausgleichsphase 602 folgender Impulse gleichzeitig der gleiche Strom über die leitende Fläche 303 des Gehäuses 201 zugeleitet wird. Falls dagegen die Elektrode i eine negative ΔV-Durchschreitung hatte, dann tritt der entgegengesetzte Fall ein, d.h. der vorab bestimmte Strom I_605Ei wird direkt an der Elektrode i zugeleitet, während der gleiche Strom gleichzeitig über die leitende Fläche 303 des Gehäuses 201 abgeleitet wird.
Der Korrekturstrom I_605Ei wird weiter eingespeist (wie oben beschrieben), solange die Spannung V_Ei der Elektrode i nicht ihr Vorzeichen in Bezug auf V_Ref umkehrt. Dies wird während der entsprechenden Vergleichsphasen 604 unter Verwendung des zuständigen Komparators 1000.a oder 1000.b, der in 10 gezeigt ist, abhängig von der Richtung der Spannung V_Ei überprüft.
Aktive Elektroden 200, die in derselben Richtung driften, können gleichzeitig kompensiert werden. Dafür muss die Summe der Ströme 605, 608 durch das leitende Gehäuse 303 des Gehäuses 201 erhöht/gesenkt werden.
Insbesondere zählt die Verarbeitungseinheit 300 (z.B. über die ASIC 304) die Stimulationsphasen 600 (mit der assoziierten Zwischenphasenperiode 601 und den Ausgleichsphasen 602), in denen beispielsweise Korrekturströme 605 für die Elektrode i geliefert werden. Falls eine andere Elektrode j = 1...8 mit entgegengesetzter Spannungsdrift einen Komparator 800 auslöst, wird die Elektrode j in einem Zeitmultiplex mit der Elektrode i behandelt, nachdem letztere für mindestens acht Stimulationsphasen 600 (und assoziierte Phasen 601 und 602) bedient worden ist. Dies ermöglicht eine Behandlung aller Therapieelektroden 200, falls sie behandelt werden müssen, um eine durchgehende Spannung zu bewältigen.
Die vorliegende Erfindung offenbart, wie eine „unverzügliche“ Kompensation einer durchgehenden Elektrodenspannung ohne Therapieunterbrechung bei einer gleichzeitigen Stimulation mehrerer Elektroden durchgeführt wird. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine automatische Aufrechterhaltung eines für Elektroden, Gewebe und Elektronik sicheren Betriebs bei einer gleichzeitigen Stimulation mehrerer Elektroden.
Insbesondere für einen Rückenmarksstimulator (SCS) ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Laufenlassen von kHz-Stimulationsfrequenzen unter Verwendung mehrerer Elektroden, die gleichzeitig aktiv sind.
Literaturquellen

[1] Merrill et al. „Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols“, Journal of Neuroscience Methods 141, S. 171-198, 2005.
[2] E. Hudak „Electrochemical Evaluation of Platinum and Diamond Electrodes for Neural Stimulation, PhD Thesis, Dept. of Chemical Engineering, Case Western University, Mai 2011.
[3] Jones und Scott, „Scaling of Electrode-Electrolyte Interface Model Parameters In Phosphate Buffered Saline", IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, Bd. 9, Ausgabe 3, S. 441-8, Juni 2015.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6301505 B1 [0006]
US 9008787 B2 [0008, 0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. Hudak „Electrochemical Evaluation of Platinum and Diamond Electrodes for Neural Stimulation, PhD Thesis, Dept. of Chemical Engineering, Case Western University, Mai 2011 [0067]
Jones und Scott, „Scaling of Electrode-Electrolyte Interface Model Parameters In Phosphate Buffered Saline“, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, Bd. 9, Ausgabe 3, S. 441-8, Juni 2015 [0067]

Claims

Vorrichtung (1) für eine Neurostimulation, umfassend: - eine Verarbeitungseinheit (300), -mehrere Elektroden (200) für die Anwendung von Stimulationsimpulsen, wobei die Elektroden (200) elektrisch mit der Verarbeitungseinheit (300) verbunden sind, -wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, über die Elektroden (200) elektrische Energie in einer Stimulationsphase (600) und in einer nachfolgenden Ladungsausgleichsphase (602) anzulegen, um Nervengewebe zu stimulieren, und - wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, zum Halten von Spannungspegeln (V_Ei) an den Elektroden (200) innerhalb eines vordefinierten Bereichs den Spannungspegel (V_Ei) an der jeweiligen Elektrode (200) in Bezug auf eine Bezugselektrode (200a) zu überwachen, und wenn ein Spannungspegel (V_Ei) an der Elektrode (200) einen vordefinierten Spannungsschwellenwert durchschreitet, einen ersten Kompensationsstrom (605, 608) an der Elektrode (200) einzuspeisen, wobei eine Amplitude des ersten Kompensationsstroms (605, 608) unter einem Nervenstimulationsschwellenwert liegt, und wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, den ersten Kompensationsstrom (605, 608) während der Stimulationsphase (600) und/oder während der Ladungsausgleichsphase (602) einzuspeisen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, gleichzeitig einen zweiten Kompensationsstrom (606) an einer Hilfselektrode (303) einzuspeisen, wobei der zweite Kompensationsstrom (606) ein zum ersten Strom (605) entgegengesetztes Vorzeichen hat und seine Amplitude den gleichen absoluten Wert hat wie der erste Strom (605).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Hilfselektrode (303) von einer elektrisch leitenden Fläche (303) eines Gehäuses (201) der Vorrichtung (1) gebildet wird, wobei das Gehäuse (201) die Verarbeitungseinheit (300) umschließt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) mindestens einen Elektrodenleiter (202) umfasst, der sich vom Gehäuse (201) aus erstreckt, wobei die mehreren Elektroden (200) auf dem Elektrodenleiter (202) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 4, soweit diese von Anspruch 2 abhängen, wobei die Verarbeitungseinheit (300) dafür ausgelegt ist, den zweiten Kompensationsstrom (606) über die Hilfselektrode (303) mittels eines Kondensators (607) einzuspeisen, der mit der Hilfselektrode (303) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bezugselektrode (200a) von mindestens einer Elektrode (i = 9... 16), die Teil der Vorrichtung (1) ist oder von mehreren Elektroden (i = 9...16) der Vorrichtung gebildet wird, die miteinander verbunden sind, wobei die Bezugselektrode (200a) nicht für die Anlegung von Stimulationsimpulsen verwendet wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, soweit diese von Anspruch 2 abhängen, wobei dann, wenn der Spannungspegel (V_Ei) um mehr als eine vorgegebene Spannungsmenge (ΔV) steigt, der erste Kompensationsstrom (605, 608) an der Elektrode (200) abgeleitet wird, während der zweite Kompensationsstrom (606) gleichzeitig über die Hilfselektrode (303) zugeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, soweit diese von Anspruch 2 abhängen, wobei dann, wenn der Spannungspegel (V_Ei) um mehr als eine vorgegebene Spannungsmenge (ΔV) sinkt, der erste Kompensationsstrom (605, 608) an der Elektrode (200) zugeleitet wird, während der zweite Kompensationsstrom (606) gleichzeitig über die Hilfselektrode (303) abgeleitet wird.
Verfahren (1) zur Neurostimulation unter Verwendung einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei von der Verarbeitungseinheit (300) über die mehreren Elektroden (200) in einer Stimulationsphase (101, 600) und einer darauf folgenden Ladungsausgleichsphase (102, 602) elektrische Energie für eine Stimulation von Nervengewebe angelegt wird und wobei zum Halten der Spannungspegel (V_Ei) an den Elektroden (200) innerhalb eines vordefinierten Bereichs der Spannungspegel (V_Ei) an der jeweiligen Elektrode (200) mit Bezug auf eine Bezugselektrode (200) überwacht wird, und wenn ein Spannungspegel (V_Ei) an einer Elektrode (200) einen vordefinierten Spannungsschwellenwert durchschreitet, ein erster Kompensationsstrom (605) an der Elektrode (200) eingespeist wird, wobei eine Amplitude des ersten Kompensationsstroms (605) unter einem Nervenstimulationsschwellenwert liegt, und wobei der erste Kompensationsstrom (605) während der Stimulationsphase (101, 600) und/oder während der Ladungsausgleichsphase (102, 602) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein zweiter Kompensationsstrom (606) gleichzeitig an einer Hilfselektrode (303) eingespeist wird, wobei der zweite Kompensationsstrom (606) dem ersten Strom (605) entgegengesetzt ist, aber ansonsten mit dem ersten Strom (605) identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Hilfselektrode (303) von einer elektrisch leitenden Fläche (303) eines Gehäuses (201) der Vorrichtung (1) gebildet wird, wobei das Gehäuse (201) die Verarbeitungseinheit (300) umschließt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der zweite Kompensationsstrom (606) über die Hilfselektrode mittels eines Kondensators (607), der mit der Hilfselektrode (303) in Reihe geschaltet ist, eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Bezugselektrode (200a) von mindestens einer Elektrode (i = 9... 16), die Teil der Vorrichtung (1) ist, oder von mehreren Elektroden (i = 9...16) der Vorrichtung gebildet wird, die miteinander verbunden sind, wobei die Bezugselektrode (200a) nicht für die Anlegung von Stimulationsimpulsen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, soweit diese von Anspruch 2 abhängen, wobei dann, wenn der Spannungspegel (V_Ei) um mehr als eine vordefinierte Spannungsmenge (ΔV) steigt, der erste Kompensationsstrom (605) an der Elektrode (200) abgeleitet wird, während der zweite Kompensationsstrom (606) gleichzeitig über die Hilfselektrode (303) zugeleitet wird, und/oder wobei dann, wenn der Spannungspegel (V_Ei) um mehr als eine vordefinierte Spannungsmenge (ΔV) sinkt, der erste Kompensationsstrom (605) an der Elektrode (200) zugeleitet wird, während der zweite Kompensationsstrom (606) gleichzeitig über die Hilfselektrode (303) abgeleitet wird.