DE102020130079A1 - Method and system for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode (10), wobei die Elektrode (10) zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist, umfassend die Schritte: Erzeugen mindestens eines elektrischen Impulses durch einen Stimulator, wobei der elektrische Impuls über die Elektrode (10) abgegeben wird (S1); Messen mindestens einer Feldverteilung mittels einer Sensorik (S2); Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode (10) relativ zum Körper des Patienten anhand der gemessenen Feldverteilung (S3). Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Bestimmung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode (10), wobei die Elektrode (10) zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist, umfassend: einen Stimulator, der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Impuls an der mindestens einen Elektrode (10) zu generieren; eine Sensorik zur Messung einer Feldverteilung; und einen Prozessor (20), der dazu eingerichtet ist, ein Impulsprogramm zu erstellen und der dazu eingerichtet ist, Feldverteilungsdaten von der Sensorik zu empfangen, wobei der Prozessor (20) mittels eines computerimplementierten Algorithmus anhand der Feldverteilungsdaten die Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode (10) modelliert.According to a first aspect, the invention relates to a method for determining a rotational orientation of at least one electrode (10) implanted in the body of a patient, the electrode (10) being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient, comprising the steps of: generating at least one electrical pulse by a stimulator, the electrical impulse being delivered (S1) via the electrode (10); measuring at least one field distribution by means of a sensor system (S2); Determining the rotational orientation of the at least one electrode (10) relative to the patient's body using the measured field distribution (S3). According to a further aspect, the invention relates to a system for determining a rotational orientation of at least one electrode (10) implanted in the body of a patient, the electrode (10) being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient, comprising: a stimulator set up for this to generate an electrical pulse at the at least one electrode (10); a sensor system for measuring a field distribution; and a processor (20) which is set up to create a pulse program and which is set up to receive field distribution data from the sensor system, the processor (20) using a computer-implemented algorithm based on the field distribution data to determine the rotational orientation of the at least one electrode (10 ) modeled.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rotationsorientierung einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein System zur Bestimmung der Rotationsorientierung einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14. Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung des Systems zur Unterstützung von Diagnosen und/oder Therapien von Bewegungsstörungen Anspruch 16. Besondere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13 beziehungsweise Gegenstand des Anspruchs 15.The invention relates to a method for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient's body according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a system for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient's body according to the preamble of claim 14. Finally, the Invention a use of the system to support diagnosis and / or therapy of movement disorders claim 16. Particular configurations are the subject of claims 2 to 13 and the subject of claim 15.
Tiefe Hirnstimulation (THS oder DBS für engl. Deep Brain Stimulation) bezeichnet einen chirurgischen Eingriff zur Behandlung einer Vielzahl von neurologischen Bewegungsstörungen wie zum Beispiel die Parkinson-Krankheit, Tremor, oder Dystonien. Viele neue Indikationen (u.a. Epilepsie, Demenz, Psychiatrische Erkrankungen) werden gegenwärtig erforscht. Derzeit wurden weltweit mehr als 200.000 Patienten pro Jahr mithilfe von THS behandelt. Die Behandlungstechnik umfasst dabei die Implantation mindestens einer Elektrode in ein bestimmtes Hirnareal des Patienten, wo sie elektrische Impulse abgibt, um das jeweilige Gewebe zu stimulieren. Die Stimulation wird dabei typischerweise über einen ebenfalls implantierten Stimulator reguliert, welcher häufig unter das Schlüsselbein oder den Rippenbogen eingesetzt wird und neben der Stromversorgung auch eine Programmierung der Stimulationsparameter ermöglicht.Deep brain stimulation (DBS or DBS) is a surgical procedure used to treat a variety of neurological movement disorders such as Parkinson's disease, tremor, or dystonia. Many new indications (e.g. epilepsy, dementia, psychiatric diseases) are currently being researched. Currently, more than 200,000 patients worldwide are treated with DBS each year. The treatment technique involves the implantation of at least one electrode in a specific area of the patient's brain, where it emits electrical impulses in order to stimulate the relevant tissue. The stimulation is typically regulated via a stimulator that is also implanted, which is often inserted under the collarbone or the costal arch and, in addition to the power supply, also enables the stimulation parameters to be programmed.
Durch die Größe der Elektroden sowie durch Abweichungen bei ihrer Implantation kann es dazu kommen, dass die abgegebenen Impulse nicht nur die gewünschte Zielregion stimulieren, sondern auch umliegendes Gewebe, wodurch es zu unerwünschten Nebenwirkungen kommen kann. Um dieses Problem zu beheben, wurden in den letzten Jahren Systeme entwickelt, die eine präzisere Stimulation des Zielareals erlauben. So wurden beispielsweise sogenannten direktionale Systeme entwickelt, bei denen einzelne, individuell ansteuerbare Kontakten verwendet werden, welche Impulse nur in eine definierte Richtung abgeben. Dies ermöglicht es einerseits, die örtliche Präzision der Stimulation zu verbessern sowie andererseits, eine im Vergleich zu ungerichteten Stimulationssystemen niedrige Impulsstärke zu verwenden, weil die Elektrode ihre Impulse nicht länger in alle Richtungen abgibt, sondern auf das gewünschte Areal beschränkt.Due to the size of the electrodes and deviations in their implantation, it can happen that the pulses emitted not only stimulate the desired target region, but also the surrounding tissue, which can lead to undesirable side effects. In order to solve this problem, systems have been developed in recent years that allow more precise stimulation of the target area. For example, so-called directional systems have been developed in which individual, individually controllable contacts are used, which only emit impulses in a defined direction. On the one hand, this makes it possible to improve the local precision of the stimulation and, on the other hand, to use a low impulse strength compared to non-directional stimulation systems, because the electrode no longer emits its impulses in all directions, but confines them to the desired area.
Um nun sicherstellen zu können, dass eine Elektrode korrekt implantiert worden ist, beziehungsweise um zu prüfen, ob sich ihre Lage im Gehirn im Laufe der Zeit vielleicht verändert haben könnte, ist es wichtig, möglichst viele Positionsinformationen der Elektrode der implantierten Elektroden zu kennen, also sowohl die Lokalisation als auch die Rotationsorientierung, um im Zweifel korrigierende Eingriffe vorzunehmen. Dabei ist unter einer Rotationsorientierung die räumliche Orientierung der Elektrode im Gewebe zu verstehen, wobei die Orientierung insbesondere das räumliche Verhältnis der Richtung einer gerichteten Stimulation zu dem umgebenden Gewebeareal beschreibt. So lässt sich die Rotationsorientierung einer ansonsten rotationssymmetrischen Elektrode beispielsweise durch die Richtung definieren, in die ein direktionaler Impuls abgegeben werden kann. Im Falle einer Stab- oder Kabelelektrode kann die Rotationsorientierung etwas allgemeiner durch die Richtung eines Vektors beschrieben werden, der senkrecht zur Längsachse der Elektrode nach außen verläuft.In order to be able to ensure that an electrode has been implanted correctly, or to check whether its position in the brain might have changed over time, it is important to know as much information as possible about the position of the electrode of the implanted electrodes, i.e both the localization and the rotational orientation in order to carry out corrective interventions in case of doubt. A rotational orientation is to be understood as meaning the spatial orientation of the electrode in the tissue, with the orientation describing in particular the spatial relationship of the direction of a directed stimulation to the surrounding tissue area. For example, the rotational orientation of an otherwise rotationally symmetrical electrode can be defined by the direction in which a directional impulse can be emitted. In the case of a rod or cable electrode, the rotational orientation can be described more generally by the direction of a vector extending outward perpendicular to the long axis of the electrode.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, mit deren Hilfe sich die Position einer im Gehirn implantierten Elektrode bestimmen lässt. So zeigt beispielsweise die
Die
Nachteilhaft an den gängigen Verfahren ist zunächst, dass die zugrundeliegenden bildgebenden Methoden unscharfe und teilweise ungenaue Ergebnisse liefern, wodurch eine genaue Bestimmung der Drehorientierung der Elektrode erschwert wird. Oftmals müssen die Verfahren mehrfach wiederholt werden, um eine genaue Aussage über die Drehorientierung machen zu können. Darüber hinaus werden bei bekannten Methoden Röntgenstrahlen oder CT- oder MRT-Verfahren genutzt, was zu einer hohen Strahlenbelastung für die Patienten führt und somit bei den Patienten teilweise gravierende Gewebsschädigungen zur Folge haben kann. Die Anzahl der möglichen Messungen ist dadurch bereits durch das mit den Messverfahren verbundene Gesundheitsrisiko limitiert. Langzeitstudien zur Analyse von Verlagerungen oder Rotationen der Elektroden, die mit der Zeit auftreten können, lassen sich demnach mit den konventionellen Messmethoden nicht ohne erhebliche Begleitrisiken durchführen.The first disadvantage of the current methods is that the imaging methods on which they are based deliver blurry and sometimes imprecise results, which makes it difficult to precisely determine the rotational orientation of the electrode. The procedures often have to be repeated several times in order to be able to make an exact statement about the rotational orientation. In addition, with known methods, X-rays or CT or MRT procedures are used, which leads to high radiation exposure for the patient and can therefore result in some serious tissue damage in the patient. The number of possible measurements is already limited by the health risk associated with the measurement method. Long-term studies to analyze displacements or rotations of the electrodes, which can occur over time, cannot therefore be carried out using conventional measurement methods without considerable accompanying risks.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich die Rotationsorientierung einer in einem Patienten implantierten Elektrode mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Genauigkeit bestimmen lässt. Das Verfahren soll außerdem für die Patienten schonend sein und insbesondere die Strahlungsbelastung minimieren. Ferner soll das Verfahren außerdem einfach und unkompliziert in der Durchführung sein. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Systems zur Umsetzung des Verfahrens.The invention is therefore based on the object of providing a method with which the rotational orientation of an electrode implanted in a patient can be determined with greater accuracy than in the prior art. The procedure should also be gentle on the patient and, in particular, minimize exposure to radiation. Furthermore, the method should also be simple and uncomplicated to carry out. A further object is to provide a system for implementing the method.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode gemäß Patentanspruch 1 gelöst.The object is achieved according to the invention with a method for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient according to patent claim 1 .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode, wobei die Elektrode zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist, umfasst die Schritte:
- - Erzeugen mindestens eines elektrischen Impulses durch einen Stimulator, wobei der elektrische Impuls über die Elektrode abgegeben wird;
- - Messen mindestens einer Feldverteilung mittels einer Sensorik; und
- - Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der mindestens einen gemessenen Feldverteilung.
- - generating at least one electrical impulse by a stimulator, the electrical impulse being delivered via the electrode;
- - Measuring at least one field distribution by means of a sensor system; and
- - Determination of the rotational orientation of the at least one electrode relative to the patient's body based on the at least one measured field distribution.
Im Sinne dieser Offenbarung werden die Begriffe „Orientierung“, „Rotationsorientierung“ und „Drehorientierung“ synonym verwendet, solange sich aus dem jeweiligen Kontext nichts Gegenteiliges ergibt. Darüber hinaus sind die Begriffe „Nutzer“ und „Personal“ im Sinne dieser Offenbarung ebenfalls synonym zu verstehen und beschreiben - soweit nicht anders angegeben - eine oder mehrere technisch und/oder medizinisch geschulte Personen, die in der Lage sind, dass vorliegende Verfahren beziehungsweise das entsprechende System zu verwenden. Schließlich werden auch die Begriffe „eingerichtet“ und „konfiguriert“ im Sinne dieser Anmeldung synonym verwendet und beschreiben die Eignung eines Merkmals oder einer Merkmalskombination, einen bestimmten Zweck zu erfüllen.For the purposes of this disclosure, the terms “orientation”, “rotational orientation” and “rotational orientation” are used interchangeably unless the context dictates otherwise. In addition, the terms "user" and "personnel" within the meaning of this disclosure are also to be understood as synonymous and describe - unless otherwise stated - one or more technically and/or medically trained persons who are able to use the present method or the appropriate system to use. Finally, the terms “set up” and “configured” are also used synonymously within the meaning of this application and describe the suitability of a feature or a feature combination to fulfill a specific purpose.
Konkret ist unter der Rotationsorientierung die räumliche Orientierung der Elektrode im Gewebe des Patienten zu verstehen, wobei die Orientierung insbesondere das räumliche Verhältnis der Richtung einer gerichteten Stimulation durch die Elektrode zu dem umgebenden Gewebeareal beschreibt. Neben der Rotationsorientierung können Positionsinformationen der Elektrode außerdem noch eine konkrete Lokalisation der Elektrode im Körper bezogen auf das umgebende Gewebe im Patienten umfassen (ohne Beachtung der Stimulationsrichtung). Schließlich ist es möglich, neben ihrer Rotationsorientierung und ihrer Lokalisation auch die Lage der Elektrode zu bestimmen, d.h. ihre räumliche Ausdehnung in einem x-/y-/z-System. Eine möglichst exakte Positionsbestimmung (d.h. möglichst vollständige Positionsinformationen) umfasst demnach Kenntnisse der Rotationsorientierung, der Lokalisation sowie der Lage Elektrode.Specifically, the rotational orientation is to be understood as meaning the spatial orientation of the electrode in the patient's tissue, the orientation describing in particular the spatial relationship of the direction of a directed stimulation by the electrode to the surrounding tissue area. In addition to the rotational orientation, position information of the electrode can also include a specific localization of the electrode in the body in relation to the surrounding tissue in the patient (without considering the direction of stimulation). Finally, in addition to its rotational orientation and localization, it is also possible to determine the position of the electrode, i.e. its spatial extent in an x/y/z system. A position determination that is as exact as possible (i.e. position information that is as complete as possible) therefore includes knowledge of the rotational orientation, the localization and the position of the electrode.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Ermittlung der Rotationsorientierung einer im Körper des Patienten implantierten direktionalen Elektrode. Dabei ist unter einer direktionalen Elektrode eine Elektrode zu verstehen, über die sich ein elektrischer Impuls in eine bestimmte Richtung abgeben lässt, anstatt ungerichtet in alle Richtungen. Bevorzugt handelt es sich bei den direktionalen Elektroden, deren Rotationsorientierung sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermitteln lässt, um Stabelektroden oder Kabelelektroden (engl. lead electrodes) mit mindestens einem segmentierten Kontakt.The method according to the invention is particularly suitable for determining the rotational orientation of a directional electrode implanted in the patient's body. A directional electrode is an electrode that can be used to emit an electrical impulse in a specific direction instead of omnidirectionally. The directional electrodes, whose rotational orientation can be determined using the method according to the invention, are preferably rod electrodes or lead electrodes with at least one segmented contact.
Bei dem Schritt der Erzeugung des mindestens einen elektrischen Impulses durch den Stimulator ist die Elektrode im Gehirn neurochirurgisch implantiert und wird über einen separaten subkutan implantierten Impulsgeber mit Steuereinheit stimuliert. Der Impulsgeber ist dabei über ein unter der Haut verlegtes Kabel mit der Elektrode verbunden . Die Steuerung der Steuereinheit erfolgt wiederum bevorzugt kabellos von außerhalb, d.h. zum Beispiel durch einen entsprechenden Nutzer, wobei Einstellungen an der Steuerung vorgenommen werden können.In the step of generating the at least one electrical impulse by the stimulator, the electrode is neurosurgically implanted in the brain and is stimulated via a separate subcutaneously implanted impulse generator with control unit. The pulse generator is connected to the electrode via a cable laid under the skin. The control unit is in turn preferably controlled wirelessly from outside, i.e. for example by a corresponding user, with settings being able to be made on the control unit.
Unter Messung einer Feldverteilung mittels einer Sensorik ist ein Schritt zu verstehen, bei dem die Feldstärken oder Felddichten eines jeweiligen Felds - beispielsweise eines Magnetfelds oder eines elektrischen Felds - an unterschiedlichen Stellen oder Punkten in einem dreidimensionalen Raum (auch als Raumpunkte bezeichnet) bestimmt werden. Konkret können dabei jedem Raumpunkt als vektorielle Größe eine Stärke und eine Richtung zugeordnet werden.Measuring a field distribution by means of a sensor is to be understood as a step in which the field strengths or field densities of a respective field - for example a magnetic field or an electric field - are determined at different locations or points in a three-dimensional space (also referred to as spatial points). Specifically, each point in space as vector quantity can be assigned a strength and a direction.
Durch den Schritt der Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen implantierten Elektrode relativ zum Körper des Patienten ist bereits ein Teil der Positionsinformationen der Elektrode bekannt. Darüber hinaus kann anhand der Rotationsorientierung auf die Lokalisation sowie auf die räumliche Lage der Elektrode geschlossen werden. Durch diese vollständige Positionsbestimmung der Elektrode kann schließlich festgestellt werden, welche Gewebeareale des Patienten tatsächlich von der Elektrode stimuliert werden. Diese Rückschlüsse sind allein auf Grundlage einer bekannten Lokalisation der Elektrode nicht möglich, weil noch daraus nicht eindeutig hervorgeht, an welcher Stelle der Elektrode die Stimulation erfolgt, d.h. elektrische Impulse abgegeben werden.Part of the position information of the electrode is already known through the step of determining the rotational orientation of the at least one implanted electrode relative to the patient's body. In addition, conclusions can be drawn about the localization and the spatial position of the electrode based on the rotational orientation. This complete determination of the position of the electrode finally makes it possible to determine which tissue areas of the patient are actually being stimulated by the electrode. These conclusions are not possible solely on the basis of a known location of the electrode, because this does not yet clearly indicate at which point on the electrode the stimulation takes place, i.e. where electrical impulses are emitted.
Ein derartiges Verfahren, welches insbesondere als Messverfahren zur Begleitung von davon unabhängigen therapeutischen Verfahren zum Einsatz kommen kann, hat den vorteilhaften Effekt, dass es keiner externen Strahlungszufuhr (vgl. Röntgen- oder CT-Verfahren) oder Kernspinschritte (vgl. MRT) bedarf. Stattdessen sieht die erfindungsgemäße Methode lediglich eine elektrische Stimulation der implantierten Elektrode im Vorfeld der Messung der Feldverteilung vor. Die Stimulation unterscheidet sich dabei hinsichtlich Dauer, Stärke und sonstigen Eigenschaften der gewählten Impulse unwesentlich von den üblichen, zu Behandlungszwecken vorgesehenen Stimulationsmustern und ist daher für den Patienten kaum spürbar, vor allem jedoch nicht schädlich. Somit können die Risiken von Langzeitschäden mithilfe der vorgesehenen Methode drastisch verringert werden.Such a method, which can be used in particular as a measurement method to accompany independent therapeutic methods, has the advantageous effect that it does not require any external radiation supply (cf. X-ray or CT methods) or magnetic resonance steps (cf. MRT). Instead, the method according to the invention only provides electrical stimulation of the implanted electrode before the measurement of the field distribution. The stimulation differs insignificantly from the usual stimulation patterns provided for treatment purposes in terms of duration, strength and other properties of the selected impulses and is therefore hardly noticeable to the patient, but above all it is not harmful. Thus, the risks of long-term damage can be drastically reduced using the proposed method.
Um nun festzustellen, an welchem Ort und in welche Richtungen die implantierte (direktionale) Elektrode stimulieren kann, ist es nötig, neben ihrer Lokalisation im Gewebe des Patienten auch ihre räumliche Lage als auch ihre Rotationsorientierung zu kennen. Gängige Methoden verwenden dazu häufig einen als CT-Marker oder als „radio-opaque marker“ bezeichneten physischen Marker der Elektrode, welcher sich über eine CT bildlich darstellen lässt. Anhand der Orientierung des Markers können Rückschlüsse auf die Orientierung der Elektrode getroffen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt die Notwendigkeit des CT-Markers, weil die Rotationsorientierung der Elektrode allein anhand ihres tatsächlichen Stimulationsmusters ermittelt werden kann. Durch den Verzicht des CT-Markers können kleinere und somit für die Implantation ins Gehirn besser geeignete Elektroden bei der DBS verwendet werden.In order to determine at which location and in which directions the implanted (directional) electrode can stimulate, it is necessary to know not only its localization in the patient's tissue but also its spatial position and its rotational orientation. Current methods often use a physical marker of the electrode known as a CT marker or “radio-opaque marker”, which can be visualized using a CT. Based on the orientation of the marker, conclusions can be drawn about the orientation of the electrode. The method according to the invention eliminates the need for the CT marker because the rotational orientation of the electrode can be determined solely on the basis of its actual stimulation pattern. By doing without the CT marker, smaller electrodes, which are therefore more suitable for implantation in the brain, can be used in DBS.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Feldverteilung eine Verteilung eines durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten Magnetfelds ist, wobei die Feldverteilung des Magnetfelds mittels einer Magnetfeldsensorik gemessen wird. Das Magnetfeld wird in der SI-Einheit Tesla (T) gemessen, wobei sich die Verteilung des Magnetfelds - welche auch in Form unterschiedlicher Magnetfelddichten beschrieben werden kann - des mit dem bevorzugten Verfahren generierten Magnetfelds in der Regel im pT- bis nT-Bereich aufhalten.In the method it can be provided that the field distribution is a distribution of a magnetic field generated by the at least one electrical pulse, the field distribution of the magnetic field being measured by means of a magnetic field sensor system. The magnetic field is measured in the SI unit Tesla (T), whereby the distribution of the magnetic field - which can also be described in the form of different magnetic field densities - of the magnetic field generated with the preferred method is usually in the pT to nT range.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Feldverteilung eine Verteilung eines durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten elektrischen Spannungsfelds ist, wobei die Feldverteilung des Spannungsfelds mittels einer Spannungssensorik gemessen wird. Das als Spannungsfeld bezeichnete Feld setzt sich dabei aus verschiedenen elektrischen Signalen (Potenzialdifferenzen) zusammen. Zur Bestimmung des elektrischen Felds wird die elektrische Feldstärke (E) verwendet. Im Sinne dieser Offenbarung werden die Begriffe „Spannungsfeld“ und „elektrisches Feld“ synonym verwendet, solange sich aus dem konkreten Kontext nichts Gegenteiliges ergibt.Provision can also be made for the field distribution to be a distribution of an electrical voltage field generated by the at least one electrical pulse, with the field distribution of the voltage field being measured using a voltage sensor system. The field, known as the voltage field, is made up of various electrical signals (potential differences). The electric field strength (E) is used to determine the electric field. For the purpose of this disclosure, the terms “voltage field” and “electrical field” are used synonymously, as long as nothing to the contrary results from the specific context.
Vorteilhafterweise ist insbesondere vorgesehen, dass eine Magnetfeldverteilung gemessen wird, wobei die Magnetfeldmessungen bevorzugt außerhalb des Kopfs des Patienten erfolgen. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die Rotationsorientierung der Elektrode bestimmt werden, wenn die Elektrode infolge einer Stimulation ein Magnetfeld generiert. Dabei korrespondiert die Feldverteilung des Magnetfelds mit den während der Stimulation abgegebenen Impulsen, sodass sich über die gemessene Magnetfeldverteilung ableiten lässt, in welche Richtung die Impulse durch die Elektrode abgegeben worden sind. Hieraus kann wiederum auf die Lage der Kontakte und somit auf die Drehorientierung der Elektrode rückgeschlossen werden.In particular, it is advantageously provided that a magnetic field distribution is measured, with the magnetic field measurements preferably being carried out outside the patient's head. This allows the rotational orientation of the electrode to be determined in a simple manner when the electrode generates a magnetic field as a result of stimulation. The field distribution of the magnetic field corresponds to the pulses emitted during the stimulation, so that the measured magnetic field distribution can be used to determine the direction in which the pulses were emitted by the electrode. From this, in turn, conclusions can be drawn about the position of the contacts and thus about the rotational orientation of the electrode.
Analog dazu lässt sich anstelle oder parallel zu der Feldverteilung des Magnetfelds auch die Feldverteilung eines durch die Stimulation generierten elektrischen Felds messen. Dabei korrespondiert die Feldverteilung des elektrischen Felds mit den während der Stimulation abgegebenen Impulsen, sodass sich über die gemessene elektrische Feldverteilung ableiten lässt, in welche Richtung die Impulse durch die Elektrode abgegeben worden sind. Hieraus kann ebenfalls auf die Lage der Kontakte und somit auf die Rotationsorientierung der Elektrode rückgeschlossen werden.Analogously to this, the field distribution of an electric field generated by the stimulation can also be measured instead of or in parallel to the field distribution of the magnetic field. The field distribution of the electrical field corresponds to the pulses emitted during the stimulation, so that the measured electrical field distribution can be used to determine the direction in which the pulses were emitted by the electrode. From this, conclusions can also be drawn about the position of the contacts and thus about the rotational orientation of the electrode.
Es ist ferner denkbar, dass das Verfahren außerdem den Schritt umfasst:
- - Erstellen eines Impulsprogramms im Vorfeld der Erzeugung des mindestens einen elektrischen Impulses, wobei das Impulsprogramm eine Vielzahl von variablen Impulsparametern umfasst, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Elektrodenkonfiguration, spezifisch aktivierbare Elektrodenkontakte, Elektrodenposition, Impulsamplitude, Impulsdauer und Impulsfrequenz.
- - Creation of an impulse program in advance of generating the at least one electrical impulse, the impulse program comprising a large number of variable impulse parameters selected from the group comprising electrode configuration, specifically activatable electrode contacts, electrode position, impulse amplitude, impulse duration and impulse frequency.
Ein vorher definiertes Impulsprogramm ermöglicht es, zuverlässig und reproduzierbar eine für die Messung der Feldverteilung bestmögliche Stimulation durchzuführen. Außerdem kann das Impulsprogramm in Abhängigkeit von verschiedenen Begleitfaktoren wie z.B. den Eigenschaften des Patienten, der Art der Stimulation, der Art der Elektrode etc. geändert werden, wodurch stets gewährleistet ist, dass die Stimulation zur Erzeugung des Magnetfelds oder des elektrischen Felds unter Bedingungen abläuft, die für die Messung beziehungsweise für den Patienten optimal sind.A previously defined pulse program makes it possible to carry out the best possible stimulation for measuring the field distribution in a reliable and reproducible manner. In addition, the pulse program can be changed depending on various accompanying factors such as the patient's characteristics, the type of stimulation, the type of electrode, etc., which always ensures that the stimulation for generating the magnetic field or the electric field takes place under conditions which are optimal for the measurement or for the patient.
Unter einer Elektrodenkonfiguration ist vorzugsweise die Konfiguration der Elektrode hinsichtlich ihrer möglichen Impulsmuster zu verstehen. So kann die Elektrodenkonfiguration einen monopolaren Impuls und einen bipolaren Impuls umfassen, wobei der mindestens eine elektrische Impuls gemäß dem bevorzugtem Verfahren insbesondere ein bipolarer Impuls ist. Tests haben ergeben, dass eine bipolare Stimulation eine im Vergleich zur monopolaren Stimulation klarer fokussierte räumliche Verteilung des erzeugen magnetischen oder elektrischen Felds zur Folge hat, was wiederum zu einer besseren Auflösung der Feldverteilung führt und somit eine exaktere Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode ermöglicht. Im Gegensatz dazu hat die monopolare Stimulation den Vorteil, dass sich stärkere Felder erzeugen lassen, welche besser detektiert werden können. Eine Kombination von monopolarer und bipolarer Stimulation kann daher zu optimalen Messergebnissen führen, was wiederum die Auswertbarkeit der Messergebnisse erheblich erleichtert.An electrode configuration is preferably to be understood as meaning the configuration of the electrode with regard to its possible pulse pattern. Thus, the electrode configuration can include a monopolar pulse and a bipolar pulse, wherein the at least one electrical pulse according to the preferred method is in particular a bipolar pulse. Tests have shown that bipolar stimulation results in a more focused spatial distribution of the generated magnetic or electric field compared to monopolar stimulation, which in turn leads to a better resolution of the field distribution and thus allows a more accurate determination of the rotational orientation of the lead. In contrast, monopolar stimulation has the advantage that stronger fields can be generated, which can be better detected. A combination of monopolar and bipolar stimulation can therefore lead to optimal measurement results, which in turn makes it considerably easier to evaluate the measurement results.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren weiterhin die Schritte umfassen:
- - Ändern mindestens eines Impulsparameter des Impulsprogramms;
- - Erneutes Messen der Feldverteilung.
- - changing at least one pulse parameter of the pulse program;
- - Re-measure the field distribution.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Schritte „Ändern mindestens eines Impulsparameter des Impulsprogramms“ und „erneutes Messen der Feldverteilung“ nach dem Schritt „Messen einer Feldverteilung mittels einer Sensorik“ in der angegebenen Reihenfolgen ausgeführt, jedoch vor dem Schritt „Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der gemessenen Feldverteilung“ durchgeführt. Die beiden Schritte können dabei beliebig oft wiederholt werden. According to a preferred embodiment, the two steps “changing at least one pulse parameter of the pulse program” and “re-measuring the field distribution” are carried out in the specified order after the step “measuring a field distribution using a sensor system”, but before the step “determining the rotational orientation of the at least an electrode relative to the patient's body based on the measured field distribution". The two steps can be repeated as often as you like.
Dabei wird eine Änderung der Feldverteilung in Abhängigkeit der Änderung des mindestens einen Impulsparameters gemessen. Hierdurch kann die Genauigkeit des Messverfahrens zusätzlich erhöht werden. In Patientengewebe implantierte Elektroden weisen üblicherweise Kontakte auf, über die sie ihre elektrischen Impulse zur Stimulation abgeben. Dabei zeichnen sich implantierte Stab- oder Kabelelektroden dadurch aus, dass sie eine zylindrische Mantelfläche aufweisen, auf denen ihre Kontakte angeordnet sind. Dabei können im Falle von Stabelektroden oder Kabelelektroden, die zur gerichteten Stimulation eingerichtet sind, die Kontakte derart segmentiert sein, dass sie die Mantelfläche nur teilweise umschließen bzw. umlaufen. Beispielsweise können die Elektroden mindestens drei teilumlaufende segmentierte Kontakte umfassen, die je weniger als 360°, bevorzugt ca. 120° des Kreisumfangs der zylindrischen Mantelfläche der Elektrode umlaufen. Die unterschiedlichen Segmente der Elektrodenkontakte lassen sich jedoch unter Umständen mit einem bestimmten Stimulationsmuster unterschiedlich gut auflösen. Durch Änderungen der Impulsparameter kann für jeden Elektrodenkontakt das optimale Stimulationsprogramm ausgewählt und verwendet werden, wodurch die räumliche Auflösung der Feldverteilung erhöht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Schritt des Änderns eines Impulsparameters des Impulsprogramms auf einem Prozessor ausgeführt werden.A change in the field distribution is measured as a function of the change in the at least one pulse parameter. As a result, the accuracy of the measurement method can be additionally increased. Electrodes implanted in patient tissue usually have contacts through which they deliver their electrical impulses for stimulation. Implanted rod or cable electrodes are characterized in that they have a cylindrical outer surface on which their contacts are arranged. In the case of rod electrodes or cable electrodes that are set up for directed stimulation, the contacts can be segmented in such a way that they only partially enclose or run around the lateral surface. For example, the electrodes can comprise at least three partially circumferential segmented contacts, each of which runs around less than 360°, preferably approximately 120°, of the circumference of the cylindrical outer surface of the electrode. However, under certain circumstances, the different segments of the electrode contacts can be resolved to different extents with a specific stimulation pattern. By changing the pulse parameters, the optimal stimulation program can be selected and used for each electrode contact, which increases the spatial resolution of the field distribution. According to a preferred embodiment of the method, it can be provided that the step of changing a pulse parameter of the pulse program is carried out on a processor.
Entsprechend einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren außerdem die Schritte umfasst:
- - Übertragen von Feldverteilungsdaten, die mit der gemessenen Feldverteilung korrespondieren, auf einen Prozessor, wobei der Prozessor dazu eingerichtet oder geeignet ist, einen computerimplementierten Algorithmus auszuführen, der anhand der Feldverteilungsdaten die Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode modelliert;
- - Ausführen des computerimplementierten Algorithmus durch den Prozessor;
- - Modellieren der Rotationsorientierung anhand der Feldverteilungsdaten.
- - Transmission of field distribution data, which correspond to the measured field distribution, to a processor, the processor being set up or suitable for executing a computer-implemented algorithm which models the rotational orientation of the at least one electrode on the basis of the field distribution data;
- - executing the computer-implemented algorithm by the processor;
- - Modeling of the rotational orientation based on the field distribution data.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Schritte „Übertragen von Feldverteilungsdaten auf einen Prozessor“, „Ausführen des computerimplementierten Algorithmus durch den Prozessor“ und „Modellieren der Rotationsorientierung anhand der Feldverteilungsdaten“ in der angegebenen Reihenfolgen ausgeführt, jedoch nach dem Schritt „Messen einer Feldverteilung mittels einer Sensorik“ und vor dem Schritt „Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der gemessenen Feldverteilung“ durchgeführt.According to an advantageous embodiment, the steps "transferring field distribution data to a processor", "executing the computer-implemented algorithm by the processor" and "modeling the rotational orientation using the field distribution data" are carried out in the order given, but after the step "measuring a field distribution using a Sensors” and before the step “determination of the rotational orientation of the at least one electrode relative to the patient's body based on the measured field distribution”.
Der Algorithmus umfasst unter anderem einen Lokalisationsalgorithmus, bei dem anhand der gemessenen Feldverteilung der Ursprung des magnetischen beziehungsweise elektrischen Felds mitsamt seiner Lokalisation und Orientierung innerhalb des Kopfs des Patienten errechnet wird. Dabei können verschiedene Lokalisationsalgorithmen zur Ursprungslokalisation verwendet werden, wie z.B. „dipole fitting approach“ (engl., frei übersetzt als „Ansatz zur Dipolnäherung“), MNE („minimum norm estimates“, engl., frei übersetzt als „Schätzungen der minimalen Norm“), MUSIC („multiple signal classification“ engl., frei übersetzt als „Klassifikation multipler Signale“), LORETA („low-resolution brain electromagnetic tomography“, engl., frei übersetzt als „niedrigauflösende elektromagnetische Tomografie des Gehirns“), verschiedene als „Beamformer“ (engl., frei übersetzt als „Strahlenformer“) bezeichnete Methoden, oder andere Lösungsmethodiken. Es ist außerdem denkbar, dass zu den ermittelten Lokalisations- und Orientierungsdaten eine Abweichung angegeben wird, um die Genauigkeit der Messung zu bestimmen. Hierzu kann der Prozessor beispielsweise eine mittlere quadratische Abweichung errechnen.The algorithm includes, among other things, a localization algorithm in which the origin of the magnetic or electric field, together with its localization and orientation within the patient's head, is calculated on the basis of the measured field distribution. Various localization algorithms can be used to localize the origin, such as the "dipole fitting approach", MNE ("minimum norm estimates", loosely translated as "minimum norm estimates"). ), MUSIC (multiple signal classification), LORETA (low-resolution brain electromagnetic tomography), various as Methods referred to as “Beamformer” (freely translated as “Beamformer”), or other solution methods. It is also conceivable that a deviation from the determined localization and orientation data is specified in order to determine the accuracy of the measurement. For this purpose, the processor can calculate a mean square deviation, for example.
Anhand der algorithmisch errechneten Datenpunkte modelliert der Prozessor eine Rotationsorientierung der Elektrode. Diese modellierte Rotationsorientierung kann sich ein Verwender des Verfahrens anschließend über ein Anzeigegerät wie z.B. einen Bildschirm oder einen Monitor anzeigen lassen.Based on the algorithmically calculated data points, the processor models a rotational orientation of the electrode. A user of the method can then display this modeled rotational orientation via a display device such as a screen or a monitor.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Verfahren ein computerimplementiertes Verfahren ist. Es ist darüber hinaus denkbar, dass sich nicht nur Teilschritte des Verfahrens, sondern das gesamte Verfahren über den Prozessor steuern lassen. Der Prozessor ist dabei vorzugsweise eine Logik-Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Algorithmus nach entsprechender Programmierung automatisch auszuführen beziehungsweise voranzutreiben. Dabei kann der Prozessor eine CPU umfassen und insbesondere Teil eines Computers oder eines vergleichbaren Rechensystems sein.In particular, it is provided that the method is a computer-implemented method. In addition, it is conceivable that not only partial steps of the method, but the entire method can be controlled via the processor. In this case, the processor is preferably a logic unit which is designed to automatically execute or advance the algorithm after appropriate programming. The processor can include a CPU and in particular be part of a computer or a comparable computing system.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Elektrode im Gehirn des Patienten implantiert ist, wobei die Elektrode insbesondere zur tiefen Hirnstimulation eingerichtet ist. Systeme, die bei der tiefen Hirnstimulation eingesetzt werden, umfassen häufig ein batteriebetriebenes Steuerelement, das in der Brustmuskulatur oder am Oberbauch eingesetzt wird. Die stimulierende Elektrode beziehungsweise die stimulierenden Elektroden werden durch kleine Löcher in der Schädeldecke in die Zielregion der Basalganglien der linken und/oder rechten Hirnhälfte eingesetzt und müssen entsprechend dazu ausgebildet sein, lange Zeit in biologischem Gewebe zu bleiben.According to an advantageous development, it is provided that the at least one electrode is implanted in the patient's brain, with the electrode being set up in particular for deep brain stimulation. Systems used in deep brain stimulation often include a battery powered control element that is placed in the chest muscles or upper abdomen. The stimulating electrode or electrodes are inserted through small holes in the skullcap into the target region of the left and/or right hemisphere basal ganglia and must be appropriately designed to remain in biological tissue for a long time.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Elektrode eine Stabelektrode oder eine Kabelelektrode, wobei die Elektrode insbesondere zur gerichteten Stimulation eingerichtet oder geeignet ist. Mithilfe von gerichteten Elektroden lassen sich gewünschte Gewebeareale gezielt und präzise stimulieren. Eine gerichtete Stabelektrode oder eine gerichtete Kabelelektrode weist dabei eine zylindrische Mantelfläche auf. Derartige Elektroden können beispielsweise mindestens drei teilumlaufende segmentierte Kontakte umfassen, die je weniger als 360°, bevorzugt ca. 120° des Kreisumfangs der zylindrischen Mantelfläche der Elektrode umlaufen. Vorzugsweise kann eine Elektrode vorgesehen sein, die acht Kontakte aufweist, wobei zwei der acht Kontakte als unidirektionale Ringkontakte die Elektrode umlaufen und wobei sechs der acht Kontakte als teilumlaufende segmentierte Kontakte ausgebildet sind.The at least one electrode is preferably a rod electrode or a cable electrode, with the electrode being set up or suitable in particular for directed stimulation. With the help of directed electrodes, desired tissue areas can be stimulated in a targeted and precise manner. A directed rod electrode or a directed cable electrode has a cylindrical outer surface. Such electrodes can, for example, comprise at least three partially circumferential segmented contacts, each of which surrounds less than 360°, preferably approximately 120°, of the circumference of the cylindrical outer surface of the electrode. Preferably, an electrode can be provided which has eight contacts, with two of the eight contacts encircling the electrode as unidirectional ring contacts and with six of the eight contacts being designed as partially encircling segmented contacts.
Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Magnetfeldsensorik mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst, wobei die Magnetfeldsensorik gekühlte MEG-Sensoren und/oder ungekühlte MEG-Sensoren umfasst, und wobei die gekühlten MEG-Sensoren vorzugsweise mit flüssigem Helium gekühlt werden. Die MEG-Sensoren können dabei zum Beispiel SQUID-Sensoren sein. SQUID-Sensoren eignen sich zur Messung des bei tiefen Hirnstimulation erzeugten Magnetfelds, da sie eine Hintergrundspektraldichte (engl. noise spectral density) von etwa 3
Es kann vorgesehen sein, dass die Messung des durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten Magnetfelds außerhalb des Kopfs des Patienten erfolgt. Ebenso ist es insbesondere vorgesehen, dass die Messung des durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten elektrischen Felds außerhalb des Kopfs des Patienten erfolgt. Hierdurch kann die Feldverteilung auf einfache Art und Weise bestimmt werden. Ein operativer Schritt ist nicht nötig.It can be provided that the magnetic field generated by the at least one electrical pulse is measured outside of the patient's head. Provision is also made in particular for the measurement of the electrical field generated by the at least one electrical pulse to take place outside of the patient's head. This allows the field distribution to be determined in a simple manner. An operative step is not necessary.
Die Spannungssensorik zur Messung des elektrischen Felds kann insbesondere EEG-Sensoren umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist angedacht, dass die EEG-Sensoren eine Feldverteilung in Form von Hirnströmen messen.The voltage sensor system for measuring the electric field can in particular include EEG sensors. According to a preferred embodiment of the method, the EEG sensors measure a field distribution in the form of brain waves.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Verfahren ein computerimplementiertes medizinisches Verfahren ist, wobei das Verfahren bevorzugt ein computerimplementiertes medizinisches Verfahren zur Unterstützung von Diagnosen und/oder Therapien von Bewegungsstörungen ist. Denkbar ist zum Beispiel, dass mithilfe des offenbarten Verfahrens Langzeitstudien durchgeführt werden können, um mit der Zeit auftretende Verschiebungen oder Rotationen von im Gehirn implantierten Elektroden zu untersuchen, ohne den Patienten dabei einer Strahlenbelastung aussetzen zu müssen. Darüber hinaus besteht mit dem Verfahren die Möglichkeit, gegebenenfalls stationär zu überprüfen, ob bei einem THS-Patienten die implantierten Elektroden korrekt implantiert und ausgerichtet sind. Hierdurch kann die Effizienz der THS -basierten Behandlung erhöht werden.In particular, it can be provided that the method is a computer-implemented medical method, the method preferably being a computer-implemented medical method to support the diagnosis and/or therapy of movement disorders. It is conceivable, for example, that long-term studies can be carried out using the disclosed method in order to examine displacements or rotations of electrodes implanted in the brain that occur over time without having to expose the patient to radiation. In addition, with the method there is the possibility, if necessary, to check in an inpatient setting whether the implanted electrodes are correctly implanted and aligned in a DBS patient. This can increase the efficiency of DBS -based treatment.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System zur Bestimmung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode vorgesehen, wobei die Elektrode zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist, umfassend:
- - einen Stimulator, der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Impuls an der mindestens einen Elektrode zu generieren;
- - eine Sensorik zur Messung einer Feldverteilung; und
- - einen Prozessor, der Prozessor dazu eingerichtet oder geeignet ist, ein Impulsprogramm zu erstellen und der dazu eingerichtet oder geeignet ist, Feldverteilungsdaten von der Sensorik zu empfangen, wobei der Prozessor mittels eines computerimplementierten Algorithmus anhand der Feldverteilungsdaten die Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode modellieren.
- - a stimulator which is set up to generate an electrical pulse at the at least one electrode;
- - A sensor for measuring a field distribution; and
- - A processor, the processor is set up or suitable for creating a pulse program and which is set up or suitable for receiving field distribution data from the sensor system, the processor using a computer-implemented algorithm based on the field distribution data to model the rotational orientation of the at least one electrode.
Dabei kann außerdem vorgesehen sein, dass die Sensorik des Systems eine Magnetfeldsensorik und/oder eine Spannungssensorik umfasst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Magnetfeldsensorik mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst bzw. dass die Spannungssensorik mindestens einen Spannungssensor zur Messung eines elektrischen Felds umfasst. Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems können die Magnetfeldsensoren und/oder die Spannungssensoren an einer Sensorkappe angeordnet sein, welche derart ausgestaltet ist, dass einem Patienten während des Verfahrens zur Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode zumindest teilweise auf den Kopf aufgesetzt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführung kann stattdessen vorgesehen sein, dass die Magnetfeldsensoren und/oder die Spannungssensoren an einem ringförmigen Sensorband angeordnet sind. Dabei kann das Sensorband zur Verwendung bei dem Verfahren zur Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode am Kopf des Patienten angebracht werden (etwa ähnlich einem Stirnband).It can also be provided that the sensor system of the system includes a magnetic field sensor system and/or a voltage sensor system. It is provided in particular that the magnetic field sensor system comprises at least one magnetic field sensor or that the voltage sensor system comprises at least one voltage sensor for measuring an electric field. According to an advantageous development of the system, the magnetic field sensors and/or the voltage sensors can be arranged on a sensor cap, which is designed such that the electrode can be placed at least partially on a patient's head during the method for determining the rotational orientation. According to a further embodiment, it can instead be provided that the magnetic field sensors and/or the voltage sensors are arranged on an annular sensor strip. The sensor band can be attached to the patient's head (similar to a headband) for use in the method for determining the rotational orientation of the electrode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung des Systems zur Unterstützung von Diagnosen und/oder Therapien von Bewegungsstörungen und anderen mit tiefer Hirnstimulation behandelbaren Erkrankungen vorgesehen. Das offenbarte Verfahren kann beispielsweise dazu genutzt werden, Langzeitstudien durchzuführen, um mit der Zeit auftretende Verschiebungen oder Rotationen von im Gehirn implantierten Elektroden zu untersuchen. Das ist vor allem möglich, weil das Verfahren ein durch Stimulation erzeugtes - vorzugsweise magnetisches oder elektrisches - Feld misst und der Patient somit keiner Strahlenbelastung ausgesetzt werden muss. Darüber hinaus besteht mit dem Verfahren die Möglichkeit, gegebenenfalls stationär zu überprüfen, ob bei einem DBS-Patienten die implantierten Elektroden korrekt implantiert und ausgerichtet sind. Hierdurch kann die Effizienz der DBS-basierten Behandlung erhöht werden.According to a further aspect of the invention, use of the system to support the diagnosis and/or therapy of movement disorders and other diseases that can be treated with deep brain stimulation is provided. The disclosed method can be used, for example, to carry out long-term studies in order to examine displacements or rotations of electrodes implanted in the brain that occur over time. This is mainly possible because the procedure measures a field generated by stimulation - preferably magnetic or electric - and the patient therefore does not have to be exposed to radiation. In addition, with the method there is the possibility, if necessary, to check on an inpatient basis whether the implanted electrodes are correctly implanted and aligned in a DBS patient. This can increase the efficiency of the DBS-based treatment.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.Further features, details and advantages of the invention result from the wording of the claims and from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm der Schritte eines bevorzugten Verfahrens zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode, wobei die Elektrode zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist; -
2 ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer zweiten Ausführungsform; -
3 ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer dritten Ausführungsform; -
4 ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer vierten Ausführungsform; -
5 ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer fünften Ausführungsform; -
6a in perspektivischer Ansicht eine Elektrode, die zur Implantation in einen Patienten geeignet ist; und -
6b einen Querschnitt durch eine Elektrode, die zur Implantation in einen Patienten geeignet ist.
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1 a flow chart of the steps of a preferred method for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient, the electrode being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient; -
2 a flowchart of method steps according to a second embodiment; -
3 a flowchart of method steps according to a third embodiment; -
4 a flowchart of method steps according to a fourth embodiment; -
5 a flowchart of method steps according to a fifth embodiment; -
6a in perspective view an electrode suitable for implantation in a patient; and -
6b a cross-section through an electrode suitable for implantation in a patient.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Verfahren dabei einen ersten Schritt S1: Erzeugen mindestens eines elektrischen Impulses durch einen Stimulator, wobei der elektrische Impuls über die Elektrode 10 abgegeben wird. Bei diesem Schritt wird die Elektrode 10 über eine separate Steuereinheit dazu gebracht, einen elektrischen Impuls an der Stelle im Körper des Patienten abzugeben, an der sie implantiert ist. Die Steuereinheit ist dabei in der Regel ebenfalls implantiert und kann über eine Kabelverbindung oder kabellos mit der Elektrode 10 verbunden sein. Die Steuerung der Steuereinheit erfolgt wiederum von außerhalb, zum Beispiel durch entsprechendes Fachpersonal, wobei Einstellungen an der Steuerung bevorzugt kabellos erfolgen können.In a preferred embodiment, the method includes a first step S1: generating at least one electrical impulse by a stimulator, with the electrical impulse being emitted via the
Als nächster Schritt S2 ist vorgesehen, dass eine Feldverteilung mittels einer Sensorik gemessen wird. Darunter ist ein Schritt zu verstehen, bei dem die Feldstärke oder Felddichte an unterschiedlichen Raumpunkten bestimmt werden. Beispielsweise werden jedem gemessenen Raumpunkt als vektorielle Größe eine Stärke und eine Richtung zugeordnet. Als Sensorik können dabei im Falle der Messung eines Magnetfelds gekühlte MEG-Sensoren und/oder ungekühlte MEG-Sensoren vorgesehen sein, wobei die MEG-Sensoren insbesondere SQUID-Sensoren sind. Im Falle der Messung eines elektrischen Felds können insbesondere EEG-Sensoren umfassen, welche die Feldverteilung in Form von Hirnströmen messen.As the next step S2 it is provided that a field distribution is measured by means of a sensor system. This is to be understood as a step in which the field strength or field density is determined at different points in space. For example, a strength and a direction are assigned to each measured point in space as a vector quantity. When measuring a magnetic field, cooled MEG sensors and/or uncooled MEG sensors can be provided as sensors, the MEG sensors being in particular SQUID sensors. In the case of measuring an electric field, this can include EEG sensors in particular, which measure the field distribution in the form of brain currents.
Schließlich erfolgt der Schritt S3, wonach eine Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode 10 relativ zum Körper des Patienten und anhand der gemessenen Feldverteilung bestimmt wird. Ist dieser Schritt erfolgt, so ist die räumliche Rotationsorientierung der Elektrode 10 im Körper des Patienten bekannt. Hierdurch können Rückschlüsse darauf gezogen werden, welche Gewebeareale des Patienten tatsächlich durch die Elektrode 10 stimuliert werden. Diese Rückschlüsse sind allein auf Grundlage einer bekannten Lokalisation der Elektrode 10 nicht möglich, weil daraus nicht eindeutig hervorgeht, an welcher Stelle der Elektrode 10 die Stimulation erfolgt, d.h. elektrische Impulse abgegeben werden.Finally, step S3 takes place, after which a rotational orientation of the at least one
Mithilfe eines Verfahrens, wie es in
In
Durch den Schritt S1.1 lässt sich die für die Messung benötigte Stimulation zuverlässig durchzuführen. Schließlich ermöglicht ein definierbares Impulsprogramm eine wiederholte Stimulation bei bekannten und gleichbleiben Impuls- und somit Stimulationseigenschaften. Darüber hinaus kann das Impulsprogramm in Abhängigkeit von verschiedenen Begleitfaktoren wie z.B. den Eigenschaften des Patienten, der Art der Stimulation, der Art der Elektrode (10) etc. geändert werden, wodurch stets gewährleistet ist, dass die Stimulation zur Erzeugung des Magnetfelds oder des elektrischen Felds für den Patienten unter optimalen Bedingungen abläuft.The stimulation required for the measurement can be carried out reliably through step S1.1. Finally, a definable impulse program enables repeated stimulation with known and constant impulse and thus stimulation properties. In addition, the pulse program can be changed depending on various accompanying factors such as the characteristics of the patient, the type of stimulation, the type of electrode (10), etc., which always ensures that the stimulation to generate of the magnetic field or the electric field takes place under optimal conditions for the patient.
Die Elektrodenkonfiguration kann dabei einen monopolaren Impuls und einen bipolaren Impuls umfassen, wobei der mindestens eine elektrische Impuls gemäß dem bevorzugten Verfahren insbesondere ein bipolarer Impuls ist. Tests haben ergeben, dass eine bipolare Stimulation eine im Vergleich zur monopolaren Stimulation eine fokussierte räumliche Verteilung des erzeugen magnetischen oder elektrischen Felds zur Folge hat, was wiederum zu einer besseren Auflösung der Feldverteilung führt und somit eine exaktere Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode ermöglicht. Im Gegensatz dazu hat die monopolare Stimulation den Vorteil, dass mit ihr stärkere Felder erzeugt werden, welche sich besser detektieren lassen. Demnach führ eine Kombination von monopolarer und bipolarer Stimulation zu optimalen Messergebnissen, was wiederum die Auswertbarkeit der Messergebnisse erheblich erleichtert.The electrode configuration can include a monopolar pulse and a bipolar pulse, with the at least one electrical pulse being a bipolar pulse in particular according to the preferred method. Tests have shown that bipolar stimulation results in a focused spatial distribution of the generated magnetic or electric field compared to monopolar stimulation, which in turn leads to a better resolution of the field distribution and thus enables a more precise determination of the rotational orientation of the lead. In contrast, monopolar stimulation has the advantage that stronger fields are generated with it, which can be better detected. Accordingly, a combination of monopolar and bipolar stimulation leads to optimal measurement results, which in turn makes it considerably easier to evaluate the measurement results.
Um nun festzustellen, an welchem Ort und in welche Richtungen die implantierte direktionale Elektrode 10 stimulieren kann, ist es nötig, neben ihrer Lokalisation im Gewebe des Patienten auch ihre exakte Lage sowie ihre Rotationsorientierung zu kennen. Gängige Methoden verwenden dazu einen als CT-Marker oder als „radio-opaque marker“ bezeichneten physischen Marker der Elektrode 10, welcher sich über eine CT bildlich darstellen lässt. Anhand der Orientierung des Markers können Rückschlüsse auf die Orientierung der Elektrode 10 getroffen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt die Notwendigkeit des CT-Markers, weil die Orientierung der Elektrode 10 allein anhand ihres tatsächlichen Stimulationsmusters ermittelt werden kann. Durch den Verzicht des CT-Markers können kleinere und somit für die Implantation ins Gehirn besser geeignete Elektroden 10 bei der DBS verwendet werden.In order to determine at which location and in which direction the implanted
Gemäß dem in
Unter Umständen lassen sich manche Bereiche oder Kontakte der Elektrode mit einem bestimmten Stimulationsmuster nicht gut auflösen. Durch Änderungen der Impulsparameter kann für die verschiedenen Elektrodenkontakte das jeweils optimale Stimulationsprogramm ausgewählt und verwendet werden, wodurch die räumliche Auflösung der Feldverteilung erhöht wird. Hierdurch kann die Genauigkeit des Messverfahrens zusätzlich erhöht werden.Some areas or contacts of the lead may not resolve well with a particular stimulation pattern. By changing the pulse parameters, the optimum stimulation program can be selected and used for the various electrode contacts, which increases the spatial resolution of the field distribution. As a result, the accuracy of the measurement method can be additionally increased.
Die Übertragung der mit der Feldverteilung korrespondierenden Daten auf den Prozessor 20 gemäß Schritt S3.1 kann über Kabel und/oder kabellos erfolgen. Der Prozessor 20 ist vorzugsweise eine Logik-Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Algorithmus nach entsprechender Programmierung automatisch auszuführen beziehungsweise voranzutreiben. Dabei kann der Prozessor 20 eine CPU umfassen und insbesondere ein Computer oder ein vergleichbares Rechensystem sein. Neben der in
Der Algorithmus des Schritts S3.2 umfasst unter anderem Lokalisationsalgorithmus, bei dem anhand der gemessenen Feldverteilung der Ursprung des magnetischen beziehungsweise des elektrischen Felds mitsamt Lokalisation und Orientierung innerhalb des Kopfs des Patienten errechnet wird. Es ist außerdem denkbar, dass zu den ermittelten Lokalisations- und Orientierungsdaten eine Abweichung angegeben wird, um die Genauigkeit der Messung zu bestimmen. Dieser Schritt kann dabei verschiedene Lokalisationsalgorithmen zur Ursprungslokalisation umfassen, wie z.B. „dipole fitting approach“ (engl., frei übersetzt als „Ansatz zur Dipolnäherung“), MNE („minimum norm estimates“, engl., frei übersetzt als „Schätzungen der minimalen Norm“), MUSIC („multiple signal classification“ engl., frei übersetzt als „Klassifikation multipler Signale“), LORETA („low-resolution brain electromagnetic tomography“, engl., frei übersetzt als „niedrigauflösende elektromagnetische Tomografie des Gehirns“), verschiedene als „Beamformer“ (engl., frei übersetzt als „Strahlenformer“)bezeichnete Methoden, oder andere Lösungsmethodiken.The algorithm of step S3.2 includes, among other things, a localization algorithm in which the origin of the magnetic or electric field, together with the localization and orientation within the patient's head, is calculated using the measured field distribution. It is also conceivable that a deviation from the determined localization and orientation data is specified in order to determine the accuracy of the measurement. This step can include various localization algorithms for the localization of the origin, such as the "dipole fitting approach". dipole approximation”), MNE (minimum norm estimates), MUSIC (multiple signal classification), LORETA (low -resolution brain electromagnetic tomography", loosely translated as "low-resolution electromagnetic tomography of the brain"), various methods referred to as "beamformer" (English, loosely translated as "ray shaper"), or other solution methodologies.
Hierzu kann der Prozessor 20 beispielsweise eine mittlere quadratische Abweichung errechnen. Anhand der algorithmisch errechneten Datenpunkte modelliert der Prozessor 20 eine Rotationsorientierung, wie in Schritt 3.3 der
In
In
Im Falle der beispielhaft gezeigten Kabelelektrode 10 wird die Rotationsorientierung allgemein durch die Richtung eines Vektors V beschrieben werden, der senkrecht zu einer Längsachse A der Elektrode 10 nach außen zeigt. Der rechte Winkel, in dem der Vektor V zur Längsrichtung A der Elektrode 10 verläuft, ist in
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.The invention is not limited to one of the embodiments described above, but can be modified in many ways.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere sind die möglichen Kombinationen der einzelnen Verfahrensschritte nicht auf die beispielhaft gezeigten Verfahrensschritte beschränkt.All of the features and advantages resulting from the claims, the description and the drawing, including structural details and method steps, can be essential to the invention both on their own and in a wide variety of combinations. In particular, the possible combinations of the individual method steps are not limited to the method steps shown as examples.
BezugszeichenlisteReference List
- SS
- Schritt Step
- 1010
- Elektrodeelectrode
- 10a10a
- erster ringförmiger Kontaktfirst annular contact
- 10b10b
- zweiter ringförmiger Kontaktsecond annular contact
- 11a-f11a-f
- segmentierte Kontaktesegmented contacts
- 1212
- KörperBody
- 1313
- Elektrodenspitze electrode tip
- 2020
- Prozessor processor
- AA
- Längsachselongitudinal axis
- VV
- Vektorvector
- αa
- Winkelangle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2017/040573 A1 [0005]WO 2017/040573 A1 [0005]
- EP 3376960 A1 [0006]EP 3376960 A1 [0006]
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