DE10208391A1

DE10208391A1 - Implantat zur lokalen Stimulierung von Muskel- und Nervenzellen

Info

Publication number: DE10208391A1
Application number: DE2002108391
Authority: DE
Inventors: Karl Haberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Stimulierung von Muskel- und Nervenzellen. Diese Vorrichtung wird in das Muskel- bzw. Nervengewebe implantiert und erzeugt dort lokal ein zeitlich veränderbares Magnetfeld. Dieses Magnetfeld stimuliert über die durch magnetische Induktion erzeugte Spannung die Muskel- oder Nervenzellen. Das Implantat setzt sich zusammen aus einem Kern aus magnetischem Material hoher Permeabilität und einer Spule, die zumindest um einen Teil des Kerns gewickelt ist. DOLLAR A Desweiteren wird ein Verfahren zum Anlegen einer geeigneten Impulsform an das Implantat zur Stimulierung des Nervengewebes gezeigt. Dabei wird das nichtlineare Verhalten von Nervenzellen berücksichtigt, indem durch eine schnelle Änderung des Magnetfeldes eine hohe Spannung oberhalb der Nerverregungsschwelle induziert wird und durch eine langsame Änderung des Magnetfeldes eine niedrige Spannung unterhalb der Nerverregungsschwelle induziert wird.

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Stimulierung von Muskel- oder Nervengewebe über magnetische Induktion. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Implantat, das lokal im Muskel- oder Nervengewebe eine Spannung induziert über die Änderung eines magnetischen Feldes, ohne dass ein direkter mechanischer Kontakt zwischen Implantat und Muskel- oder Nervenzellen hergestellt werden muss.

Stand der Technik

Menschliche Muskel- und Nervenzellen besitzen ein Ruhemembranpotenzial in der Größenordnung von -70 mV. Eine Eigenschaft dieser Zellen ist, dass sie erregbar sind, das heißt, es können Aktionspotenziale in ihnen ausgelöst werden. Beim Auslösen eines Aktionspotenzials springt das Membranpotenzial, ausgehend vom negativen Ruhepotenzial, sehr schnell auf einen positiven Spitzenwert nahe +30 mv. Danach kehrt es zum Ruhewert zurück. Das Aktionspotenzial dauert am Nerv etwa 1 ms, am Muskel etwa 10 ms und am Herzmuskel mehr als 200 ms. Zum Auslösen eines Aktionspotenzials ist es notwendig, dass das Ruhemembranpotenzial bis zu einer Schwelle (ca. -50 mv) depolarisiert wird. An diesem Schwellenpotenzial wird die Membranladung instabil, sie baut sich selbsttätig schnell ab und kehrt ihre Polarität um (nichtlineares Verhalten von Muskel- und Nervenzellen).
Nervenzellen können durch elektrische Reizung mit Elektroden erregt werden. Dazu wird entweder ein Strompuls über eine spitze Elektrode ins Innere der Zelle angelegt, oder über extrazelluläre Metallelektroden ein Strompuls bzw. eine entsprechende Spannung außen an die Zellmembran angelegt.
Insbesondere bei Cochlea Implantaten oder Herzschrittmachern (US 4 282 885, WO 97/38653) werden extrazelluläre Metallelektroden verwendet. Der Nachteil dieser Elektroden ist der enge Kontakt, der zwischen Nervengewebe und Elektrode hergestellt werden muss, um den Strompuls effektiv an die zu stimulierenden Muskel- oder Nervenzellen zu bringen. Dabei wird oft das Nervengewebe und die die Nervenzellen umgebende Myelinschicht beschädigt, denn die Elektroden werden z. B. in das Gewebe geschraubt. Ein weiterer Nachteil metallischer Elektroden im Elektrolyten ist der Abbau der Elektroden durch elektrochemische Prozesse und die dabei auftretende Schädigung des Gewebes durch diese elektrochemischen Prozesse. Mechanisch oder chemisch beschädigte Nerven sind in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
Eine zerstörungsfreie Stimulierung von Nervengewebe ist über magnetische Induktion möglich. Derartiges wurde bereits vor knapp hundert Jahren als transkranielle Magnetstimulierung des Gehirns vorgeschlagen und dem damaligen experimentellen Stand entsprechend untersucht (S. P. Thompson: A physiological effect of an alternating magnetic field. Proc. R. Soc. (Biol.) 1910; 82: 396-8). Neuere Ansätze basieren auf den Arbeiten von Jalinous, Freeston, Barker (Noninvasive magnetic stimulation of the human motor cortex. Lancet 1985; i: 1106-1107), die ebenfalls transkraniell eine Hirnreizung und eine Reizung peripherer Muskelnerven untersuchen und medizinisch anwenden. Dabei erfolgt die Nervenreizung nicht-invasiv, das heißt durch die Körperoberfläche. Entsprechend stark muss das veränderliche Magnetfeld sein. Typische Werte sind 1. . .2 Tesla über 100. . .200 µsec. Derartige Werte werden beispielsweise erreicht mittels einer Entladung eines Kondensators von einigen kV und ca. 100 µF Kapazität über eine Flachspule mit ca. 10 cm Durchmesser und 10.20 µH Induktivität. Das erregbare Volumen ist hierbei ungenau lokalisiert; es umfasst viele Kubikzentimeter. Dies bedeutet zum einen, dass eine hohe magnetische Energie aufgebracht werden muss, und zum anderen die Lokalisierung trotz spezieller Feldgestaltung höchst unvollkommen ist.

Gelöste Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, einzelne Muskel- oder Nervenzellen bzw. -bündel lokal stimulieren zu können, ohne dass das Gewebe durch das Einbringen von Elektroden mechanisch oder chemisch beschädigt wird und in seiner Funktionsfähigkeit gestört wird. Lokal stimulieren bedeutet, dass einzelne Nervenzellen bzw. Nervenzellbündel individuell angesprochen werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 dargestellte Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Beschreibung

Die Depolarisation des Membranpotenzials einer Muskel- oder Nervenzelle erfolgt durch Anlegen eines Strompulses bzw. einer entsprechenden Spannung an die Muskel- oder Nervenzelle. Um lokal eine Spannung in das Nervengewebe einzukoppeln, wird erfindungsgemäß durch magnetische Induktion an der Zelle eine Spannung erzeugt. Dazu wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgestellt, das lokal am Muskel- oder Nervengewebe implantiert wird und dort eine Spannung induziert. So sind einzelne Muskel- und/oder Nervenfasern bzw. -bündel individuell ansprechbar. Außerdem findet durch diese Art des Stimulierens keine irreversible mechanische oder elektrochemische Zerstörung des Gewebes statt.
Des weiteren wird ein Verfahren zum Anlegen von Reizpulsen gegeben, das das nichtlineare Verhalten von Muskel- und Nervenzellen berücksichtigt, um so effektiv die Zelle bis zur Schwelle zu depolarisieren.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Implantats werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Kern in Ringform, mit einer Spule um einen Teil des Kerns gewickelt, und einer Nervenfaser bzw. einem Nervenbündel, die bzw. das durch die Mitte des Ringes führt.
Fig. 2a Kern in Spiralenform
Fig. 2b Kern in U-Form mit verschiebbaren Verschluss
Fig. 2c Ringkern, der über einen Teil seines Umfangs offen ist und dort über einen verschiebbaren Riegel zur Ringform geschlossen werden kann
Fig. 2d Ringkern zum Auseinander- bzw. Zusammenklappen
Fig. 3 Implantat mit Ringkern, Spule und Versorgungsspule mit elektronischer Schaltung
Fig. 4 Impulsform zum Stimulieren einer Zelle
Fig. 4a Steuer-Strom
Fig. 4b am Nervengewebe induzierte Spannung
Eine mögliche Ausführungsform eines Implantats gemäß der Erfindung sieht einen Kern aus magnetischem Material hoher Permeabilität vor, um den zur Erzeugung eines Magnetfeldes eine Spule beliebiger Windungszahl gewickelt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform (Fig. 1) ist dieser Kern zu einem Ring (2) geformt. Dabei sollte es sich um eine geschlossene Anordnung handeln, die den magnetischen Fluss bündelt. Die Spule (3) ist zumindest um einen Teil des Kerns gewickelt. Zur Applizierung des Implantats kann der Kern auseinandergeklappt oder - genommen werden. Die auseinandergeklappten Teile (Fig. 2a), z. B. zwei Ringhälften werden um das Nervengewebe gelegt und anschließend so wieder miteinander verbunden, dass eine feste Kopplung bestehen bleibt, das heißt, dass der gesamte Induktionsfluss im Kern bleibt. Für diesen Kern wird ein magnetisches Material hoher Permeabilität verwendet, am besten Ferrit. Die Abmessungen des Kerns sind so, dass er das Muskel- oder Nervengewebe (Fig. 1 (1)) möglichst eng umschließt.
Die Größe des Implantats bestimmt sich durch die Präparations- und Operationstechniken. Dazu ist es vorteilhaft, die zu applizierenden Teile kanülengängig zu machen. Bei Systemgrößen von ca. 2 mm Durchmesser und ähnlich geringen longitudinalen Abmessungen ist dies erreichbar. Eine typische Ausführungsform ist ein Kern mit ca. 1 mm Innendurchmesser und 2 mm Außendurchmesser. Aufgrund der geringen Abmessungen können auch bei geringen Strömen in der Spule hohe Magnetflüsse erreicht werden. Das elektrische Feld, das das zeitlich veränderbare Magnetfeld, das im Kern erzeugt wird, umschließt, liegt bei einer Muskel- oder Nervenfaser, die durch die Mitte des Ringes geführt ist, längs der Zellmembran an und erzeugt dort eine Spannung. Es bildet sich also ein Potenzialgradient entlang der Muskel- bzw. Nervenfaser. Ebenso ist ein Bündel aus Nervenfasern, das durch die Mitte des Ringes geführt ist, in seiner Gesamtheit stimulierbar.
Eine weitere mögliche Form des Kerns ist ein Ring, der über einen Teil seines Umfangs offen ist und dort über einen verschiebbaren Riegel zur Ringform geschlossen werden kann (2b), so dass eine feste Kopplung entsteht, das heißt, dass der gesamte Induktionsfluss im Kern bleibt. Eine weitere mögliche Form des Kerns ist eine U-Form (Fig. 2c), deren offene Seite über einen verschiebbaren Riegel geschlossen werden kann, so dass eine feste Kopplung entsteht, das heißt, dass der gesamte Induktionsfluss im Kern bleibt.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ausbildung des Kerns als Spirale, die um den Nervenstrang geschraubt wird. Anschließend kann sie zu einem Ring zusammengeschoben werden (Fig. 2d). Auch hier werden die beiden Enden so miteinander verbunden, dass eine feste Kopplung entsteht, das heißt, dass der gesamte Induktionsfluss im Kern bleibt. Für das Zusammenbiegen der Spirale zu einem Ring muss das permeable Material flexibel sein. Hierfür eignen sich Kombinationen von hochpermeablen Materialien, eingebettet in Polymeren oder auch anderen, insbesondere federnden oder mnematischen Materialien. Aufgrund der geringen Abmessungen können auch bei geringen Strömen in der Spule hohe Magnetflüsse erreicht werden.
Die Entwicklung der Mikroelektronik, und insbesondere der MRAM-Technik führt derzeit zu einer intensiven Beschäftigung mit kleinen, lokal im Bereich weniger Mikrometer wirkenden, hohen Magnetfeldern und der dafür wichtigen Materialien. Die dafür erforderliche Geometrie (Leitungslänge, Material) kann aus den üblichen elektrotechnischen Gesetzmäßigkeiten abgeleitet werden. Eine weitere technische Ausführung eines Implantats kann also aus einem elektrischen Leiter beliebiger Form bestehen, der z. B. mit einem magnetischen Material hoher Permeabilität beschichtet ist. Ein solcher Leiter kann z. B. parallel zu einer Muskel- oder Nervenfaser verlaufen und dort Spannung induzieren.
Eine zweckgerichtete Ansteuerung zur Stimulierung wird durch einen geeignet geformten Impuls erreicht, so dass sich eine gezielte Steuerung der Muskel- oder Nervenzelle ergibt und ihr nichtlineares Verhalten berücksichtigt wird (Fig. 3). Das Magnetfeld induziert im Leiter, also auch im schwach elektrisch leitenden Nervengewebe, nach den üblichen Grundregeln der Elektrotechnik eine Spannung. Beim Ausschalten des Stroms, also des Magnetfeldes, wird ein im Betrag gleiches, aber entgegengesetzt gerichtetes Spannungs-Strom-Produkt induziert. Ein sinusförmiger Wechselstrom hebt sich daher in seiner Wirkung weitgehend auf.
Beispielsweise kann erfindungsgemäß der Anstieg des Stromes, also des Magnetfeldes schnell durchgeführt werden, der Abfall hingegen langsam (Fig. 3a). Die induzierte Leistung ist somit zwar gleich, nicht aber die induzierte Spannung. Der schnelle Anstieg induziert eine hohe Spannung, der langsame Abfall eine geringe Spannung (Fig. 3b), die insbesondere unter der Erregungsschwelle der Nervenzelle bleiben soll. Wie bei der galvanischen Erregung sind zwei Richtungen (positives und negatives Potenzial) realisierbar.
Der Gesamtvorgang soll sich innerhalb einiger Millisekunden abspielen; er kann insbesondere mit Frequenzen wiederholt werden, die im Bereich der Erholungszeit einer Muskel- oder Nervenzelle liegen.
Die Energieversorgung des Implantats erfolgt von extern, so dass das Implantat von außerhalb des Körpers angesteuert wird. Dazu wird die benötigte elektrische Energie durch ein Wechselstromfeld eingekoppelt. Entweder direkt in die Spule (Fig. 4 (3)) oder in eine eigens dafür vorgesehene Versorgungsspule (Fig. 4 (4)). Das versorgende Wechselstromfeld ist vorzugsweise ein Hochfrequenzfeld im Bereich einiger kHz. . .MHz. Die Eindringtiefe eines derartigen Feldes ist reziprok frequenzabhängig und wird durch die spezifische Leitfähigkeit des Gewebes (typisch 2 Ohmcm) bestimmt. Sie reicht auch bei vergleichsweise hohen Frequenzen im MHz-Bereich viele Zentimeter tief, ist also für Bereiche der peripheren Muskulatur und des Rückenmarks gut geeignet.
Die elektrische Energie kann in einem geeigneten Speicherbauteil, vorzugsweise in einem Kondensator, gespeichert werden.
Dem Hochfrequenzfeld kann nach den üblichen Verfahren der Nachrichtentechnik eine Information aufgeprägt sein. Die Frequenzen werden so gewählt, dass die Frequenz der Energieversorgung und Informationsübertragung wesentlich höher liegt als die für die Muskel- bzw. Nerverregung verwendete Impuls-Wiederholrate, und somit mit elektrotechnischen Mitteln eine Entkopplung beider Vorgänge möglich ist. Die Information wird in einer elektronischen Schaltung (Fig. 4 IC), mit z. B. einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen, ausgewertet. Die Information kann z. B. die für die spezifische Erregung geeignete Impulsform übermitteln oder/und sich auf die Adressierung mehrerer Implantate beziehen. Dazu soll jedes einzelne Implantat mittels einer Adresse angesprochen werden können und daraufhin unmittelbar oder auch verzögert ein abrufbares Impuls-Schema zur Reizung erzeugen. Dies wird mit den üblichen Codierungsverfahren der Steuerungstechnik gelöst. Die individuelle Ansprechbarkeit der einzelnen Implantate zur induktiven Nerv-Erregung ermöglicht es, zahlreiche derartige Implantate räumlich eng benachbart zu betreiben; beispielsweise längs der Spina auf den austretenden Nervenbahnen, die die Extremitäten und auch viele innere Organe enervieren. Die Versorgung und Steuerung soll dann vorzugsweise durch eine gemeinsame, außen am Körper zu tragende Spule, der "Basisstation", erfolgen, die rechnergesteuert dem Implantaten-System, also an die einzelnen Implantate, zugeordnete Befehle abgibt. Der Wegfall einer elektrischen Verbindung in den Körper vermindert das Infektionsrisiko. Die externe Spule kann beispielsweise in ein Kleidungsstück, Pflaster oder ähnliches eingearbeitet sein.
Desweiteren ist die Schaltung für die Energie-Aufbereitung und Ansteuerung der um den Kern gewickelten Spule sowie sonstiger wichtiger Steuervorgänge zuständig.
Die Schaltung weist eine Größe auf, die vergleichbar mit den Abmessungen des Kernes ist. Sie hat also eine Gesamtfläche, die nicht größer als ca. 1 mm² ist. Sie kann auf den Kern aufgebracht werden, und insbesondere gemeinsam mit dem Kern mit einer physiologisch verträglichen Beschichtung versehen werden. Alle Bestandteile des Implantats können physiologisch verträglich beschichtet werden.
Ebenso kann das Implantat auch für das Messen von Potenzialänderungen in Muskel- oder Nervenzellen verwendet werden. Durch diese Rückmeldung sind lernfähige, sich in gewissem Sinne selbst-konfigurierende Ansteuerungen denkbar. Das System lernt, welche Erregungsmuster zu den gewünschten Aktionen führen. Außerdem kann eine Stimulation auch vom Körper selbst gesteuert werden. Dazu nimmt ein geeigneter Sensor einen Nervenimpuls auf; der Stimulator erregt daraufhin einen weiterführenden Nerv. Eine derartige Schaltungsfunktion bzw. Verstärkungsfunktion kann beispielsweise Bedeutung bei unterbrochenen Nervenbahnen haben. Es entsteht durch das Implantat also ein System, das induktiv die physiologische Muskel- oder Nervenerregung abtastet und zur Modulation eines Signals verwendet.
Ein Problem stellt die Beeinflussung derartiger magnetischer Materialien im Zusammenhang mit Untersuchungsmethoden wie etwa der Tomographie mittels NMR dar. NMR mit inhomogenen Magnetfeldern im Bereich von typisch 1 Tesla kann an Patienten, die ein erfindungsgemäßes Implantat tragen, nicht durchgeführt werden. Es wird deshalb ein magnetischer Überlastschutz vorgesehen, der das Implantat gegenüber starken Gleichfeldern, oder langsam veränderlichen Feldern immobil macht. Dazu kann ein magnetisches Material für den Kern verwendet werden, das die Wirkung magnetischer Gleichfelder weitgehend kräftefrei toleriert oder deren Kräfte kompensiert, andererseits aber schnell veränderliche Magnetfelder im Sinne eines hochpermeablen Materials leitet bzw. bündelt.
Ebenso ist die Nicht-Beeinflussung der Steuerelektronik durch Röntgenstrahlung (Löschen von EEPROMS usw.) sicherzustellen. Dies gelingt durch spezielle "strahlenharte" Schaltungs- Technologien, die aus entsprechenden Entwicklungen (Space, Military, Kernenergie) bekannt sind. Die von derartigen Schaltungen tolerierten Strahlen-Dosen erreichen ca. 1 Gy und liegen damit weit über dem in der medizinischen Diagnostik und insbesondere auch Therapie verwendeten Dosen.

Claims

1. Implantat
zur Erzeugung eines lokalen magnetischen Feldes,
mit dem eine Spannung in Muskel- oder/und Nervengewebe einkoppelbar ist.

2. Implantat nach Anspruch 1
mit einem Kern aus magnetischem Material hoher Permeabilität und einer Spule,
die zumindest um einen Teil des Kerns gewickelt ist.

3. Implantat nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einem Kern, der das Muskel- oder/und Nervengewebe umschließt.

4. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kern zu einem Ring (2) geformt ist.

5. Implantat nach Anspruch 4, wobei der Ring (2) typische Abmessungen von ca. 1 mm Innendurchmesser und ca. 2 mm Außendurchmesser besitzt.

6. Implantat nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Ring (2) zum Applizieren ins Gewebe in mindestens einem Bereich des Umfangs geöffnet werden kann

7. Implantat nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei im geschlossenen Zustand der magnetische Kreis weitgehend im Kern geschlossen ist.

8. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kern zu einer Spirale geformt ist.

9. Implantat nach Anspruch 8, wobei die Spirale nach dem Applizieren im Gewebe zusammengeschoben werden kann.

10. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kern aus Ferrit.

11. Implantat nach Anspruch 1
mit einem elektrischen Leiter beliebiger Form,
der mit einem magnetischen Material hoher Permeabilität beschichtet ist.

12. Implantat-System zusammengesetzt aus mehreren Implantaten nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

13. Implantat,
das geeignet ist, das durch Nervenzellaktivität entstehende Magnetfeld zu messen,
indem in ihm durch magnetische Induktion eine Spannung einkoppelbar ist,
und diese zur Modulation eines Signals verwendbar ist.

14. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgung für das Implantat über ein Hochfrequenzfeld einkoppelbar ist.

15. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Hochfrequenzfeld durch Modulation eine Information aufprägbar ist.

16. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Hochfrequenzfeld mit der Spule nach Anspruch 2,
oder mit einer extra dafür vorgesehenen Versorgungsspule aufnehmbar ist und in einem geeigneten Bauteil zwischenspeicherbar ist.

17. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer elektronischen Schaltung für den Ablauf logischer Verknüpfungen.

18. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Schaltung strahlenharte Technologien verwendet werden.

19. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltung auf den permeablen Kern aufgebracht ist.

20. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Implantat physiologisch verträglich beschichtet ist.

21. Implantat
mit einem implantierbaren Teil nach einem der vorhergehenden Ansprüche
und einem externen Teil außerhalb des Körpers mit einer Spule zur Ansteuerung des implantierbaren Teils.

22. Verfahren zum Anlegen einer geeigneten Impulsform an die Spule zur Stimulierung des Nervengewebes,
wobei das nichtlineare Verhalten von Nervenzellen berücksichtigt wird,
indem durch eine schnelle Änderung des Magnetfeldes eine hohe Spannung oberhalb der Nerverregungsschwelle induziert wird
und durch eine langsame Änderung des Magnetfeldes eine niedrige Spannung unterhalb der Nerverregungsschwelle induziert wird.

23. Verfahren zum Anlegen einer geeigneten Impulsform nach Anspruch 22, wobei das Anlegen der Impulsform mit Frequenzen im Bereich der Erholungszeit eines Nervs wiederholt wird.