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QUERVERWEIS AUF EINE ANDERE ANMELDUNG
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Es
wird die Priorität der vorläufigen Anmeldung lfd.
Nr. 60/990.278, eingereicht am 26.11.2007, Aktenzeichen des Anwalts
MTSP-28P, beansprucht, die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt
ist.
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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf implantierbare Stimulations-
und Sensorsysteme für periphere Nerven und insbesondere
auf implantierbare Mikrotransponder mit identifizierter Antwort.
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Es
wird angemerkt, dass die im Folgenden diskutierten Punkte die aus
den offenbarten Erfindungen gewonnenen Erkenntnisse im Nachhinein
widerspiegeln können und nicht notwendig als Stand der Technik
anerkannt sind.
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Eine
Vielzahl medizinischer Bedingungen umfassen Störungen des
Nervensystems im menschlichen Körper. Diese Bedingungen
können eine Lähmung infolge einer Wirbelsäulenverletzung, eine
Zerebralparese, Poliomyelitis, Sinnesverlust, Schlafapnoe, akuten
Schmerz usw. enthalten. Ein kennzeichnendes Merkmal dieser Störungen
kann z. B. die Unfähigkeit des Gehirns sein, neurologisch
mit den überall im Körper verteilten Nervensystemen
zu kommunizieren. Dies kann eine Folge physikalischer Unterbrechungen
innerhalb des Nervensystems des Körpers und/oder chemischer
Ungleichgewichte, die die Fähigkeit des Nervensystems ändern
können, elektrische Signale wie etwa jene, die sich zwischen Neuronen
fortpflanzen, zu empfangen und zu senden, sein.
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Fortschritte
auf dem medizinischen Gebiet haben Techniken erzeugt, die auf die
Wiederherstellung oder Rehabilitierung neurologischer Mängel,
die zu einigen der oben erwähnten Bedingungen führen, gerichtet
sind. Allerdings sind diese Techniken üblicherweise auf
die Behandlung des Zentralnervensystems gerichtet und somit recht
invasiv. Diese Techniken enthalten z. B. das Implantieren von Vorrichtungen
wie etwa Elektroden in das Gehirn und das physikalische Verbinden
dieser Vorrichtungen über Drähte mit einem externen
System, das so ausgelegt ist, dass es Signale zu den implantierten
Vorrichtungen sendet und von ihnen empfängt. Obgleich die
Inkorporation von Fremdkörpern in den menschlichen Körper
nützlich ist, erzeugt sie üblicherweise verschiedene
physiologische Komplikationen einschließlich chirurgischer
Wunden und Infektion, die diese Techniken sehr herausfordernd zu
implementieren machen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Anmeldung offenbart neue Zugänge zu einem Stimulationssystem
und -verfahren, die einen Stimulationstreiber enthalten, der Bioschnittstellenelektroden
mit einer Impulsform ansteuert, die mehr als 2/3 der Gesamtenergie
des Impulses sendet, bevor 1/3 der Gesamtdauer des Impulses verstrichen
sind.
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Die
offenbarten Neuerungen schaffen in verschiedenen Ausführungsformen
einen oder mehrere wenigstens der folgenden Vorteile. Allerdings
ergeben sich nicht alle diese Vorteile aus jeder der offenbarten
Neuerungen und schränkt diese Liste von Vorteilen die verschiedenen
beanspruchten Erfindungen nicht ein.
- • Eine
einfache und wirksame Stimulation
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
offenbarten Erfindungen werden anhand der beigefügten Zeichnung
beschrieben, die wichtige beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung zeigt und die hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung
integriert ist, wobei:
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1 ein
Blockschaltplan ist, der einen Antwortmikrotransponder in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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2 ein
Blockschaltplan ist, der einen Identifikationsantwortmikrotransponder
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zeigt;
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3 ein
Blockschaltplan ist, der einen Datenantwortmikrotransponder in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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4 ein
Stromlaufplan ist, der einen Mikrotransponder für asynchrone
Stimulation in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
zeigt;
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5 eine
graphische Darstellung enthält, die die Veränderlichkeit
der Stimulusfrequenz, der Stromamplituden und der Stimulusimpulsdauer
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zusammenfasst;
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6 ein
Stromlaufplan eines externen Auslösemikrotransponders in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform ist;
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7 ein
Diagramm der Demodulation eines externen Unterbrechungsauslösesignals
durch Differentialfilterung in Übereinstimmung mit einer
Ausführungsform ist;
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8 graphische
Darstellungen enthält, die den Mikrotransponderbetrieb
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zusammenfassen;
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9 ein
Stromlaufplan eines Mikrotransponders in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform ist;
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10 eine
Veranschaulichung einer Laminarspiralmikrofolie in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform ist;
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11 eine
Veranschaulichung einer Gold-Laminarspiralmikrofolie in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform ist;
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12 ein
Stromlaufplan ist, der eine Depolarisations-Mikrotransponder-Treiberschaltung
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zeigt;
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13 eine
graphische Darstellung ist, die eine Stimulusspannung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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14 ein
Blockschaltplan ist, der ein Mikrotranspondersystem in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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15 ein
Stromlaufplan ist, der eine Treiberschaltung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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16 ein
Stromlaufplan ist, der eine Treiberschaltung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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17 ein
Stromlaufplan ist, der eine Treiberschaltung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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18 ein
Stromlaufplan ist, der eine Treiberschaltung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform zeigt;
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19A eine Veranschaulichung eines Einsatzes mehrerer
drahtloser Mikrotransponder, die überall in subkutanen
Gefäßbetten und Nervus-Terminalis-Feldern verteilt
sind, in Übereinstimmung mit den vorliegenden Neuerungen
ist;
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19B eine Veranschaulichung eines Einsatzes einer
Mehrzahl von Mikrotranspondern, um eine Kopplung mit tiefen Mikrotransponderimplantaten
zu ermöglichen, in Übereinstimmung mit den vorliegenden
Neuerungen ist.
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19C eine Veranschaulichung eines Einsatzes drahtloser
Mikrotransponder, um die Kopplung mit tiefen Nervenmikrotransponderimplantaten zu
ermöglichen, in Übereinstimmung mit den vorliegenden
Neuerungen ist;
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20 eine
vergrößerte Ansicht eines Beispiels eines Mikrotransponder-Biozufuhrsystems zeigt;
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21 eine
Veranschaulichung einer Herstellungsfolge für drahtlose
Mikrotransponder vom Spiraltyp in Übereinstimmung mit den
vorliegenden Neuerungen ist;
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22 ein
Beispiel der Beschickung einer Kanüle zur subkutanen Injektion
mit einer Mikrotransponderanordnung während des Herstellungsprozesses
zeigt;
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23 ein
Beispiel eines Mikrotransponderausstoßsystems zeigt;
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24(a) eine Querschnittsansicht eines Beispiels
eines Mikrotransponderimplantationsprozesses zeigt;
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24(b) eine Querschnittsansicht eines Mikrotransponderausstoßsystems
unmittelbar nach einem Implantationsprozess zeigt;
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25 ein
Beispiel eines Mikrotransponderausstoßsystems unmittelbar
nach dem Ausstoß zeigt;
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26 ein
Beispiel einer Mikrotransponderanordnung zeigt;
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27(a) eine Seitenansicht der Mikrotransponderanordnung
aus 26 zeigt;
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27(b) eine Draufsicht der Mikrotransponderanordnung
aus 26 zeigt;
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28 ein
weiteres Beispiel einer Mikrotransponderanordnung zeigt;
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29(a) eine Seitenansicht der Mikrotransponderanordnung
aus 28 zeigt;
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29(b) eine Draufsicht der Mikrotransponderanordnung
aus 28 zeigt;
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30 eine
Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Mikrotransponderanordnung zeigt;
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31 ein
Blockschaltplan ist, der ein adressierbares Transpondersystem in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform zeigt;
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32 ein
Blockschaltplan ist, der ein adressierbares Transpondersystem in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform zeigt;
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33 ein
Blockschaltplan ist, der ein adressierbares Transpondersystem in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform zeigt;
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34 ein
Blockschaltplan ist, der ein adressierbares Transpondersystem in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform zeigt;
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35 ein
Stromlaufplan ist, der ein Gewebemodell zeigt;
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36 eine
drahtlose Implantatplattform in Übereinstimmung mit einer
Ausführungsform ist; und
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37 eine
drahtlose Implantatplattform in Übereinstimmung mit einer
Ausführungsform ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Verschiedene
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf die
Miniaturisierung minimalinvasiver drahtloser Mikroimplantate gerichtet, die ”Mikrotransponder” genannt
werden, die so klein sein können, dass Hunderte unabhängiger
Mikrotransponder unter einem Quadratzoll Haut implantiert werden
können, um eine Menge biologischer Signale abzutasten oder
eine Vielzahl von Gewebereaktionen zu stimulieren. Die Mikrotransponder
können ohne implantierte Batterien arbeiten. Die Mikrotransponder übermitteln
ohne Drahtverbindungen Informationen und können ohne Drahtverbindungen
mit Leistung versorgt werden. Außerdem können
die Mikrotransponder ohne Drahtverbindungen, die durch die Haut
oder Organschichten des Patienten gehen, mit Leistung versorgt werden.
Die Mikrotransponder können unter Verwendung des Flusses
elektromagnetischer Felder zwischen internen Induktionsspulen innerhalb
der Mikrotransponder und externen Induktionsspulen, die über
der Oberfläche der darüber liegenden Haut platziert
sind, Energie und Informationen empfangen und Energie und Informationen
senden.
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Unter
Verwendung der magnetischen Nahfeldkopplung zwischen zwei Spulen
aus einem leitenden Material können drahtlos Leistung und
modulierte Signale übermittelt werden. Die Spulen aus leitendem
Material zeigen eine Induktivität, die in Verbindung mit
einer Kapazität einen LC-Resonator bildet, der so abgestimmt
werden kann, dass er bei spezifischen Frequenzen in Resonanz ist.
Zwei Spulen kommunizieren am effizientesten, wenn sie auf dieselbe
Frequenz oder auf verwandte Frequenzen abgestimmt sind. Oberschwingungsbeziehungen
zwischen spezifizierten Frequenzen ermöglichen, dass verschiedene,
harmonisch verwandte Frequenzen Leistung effizient übertragen,
was ermöglicht, dass Spulen erheblich unterschiedlicher
Größe mit einer geeigneten Effizienz kommunizieren.
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In
Anerkennung dieser Beziehung zwischen Frequenzen können
Bezugnahmen auf die Abstimmung eines Paars Spulen auf die ”selbe
Frequenz” die Abstimmung des Paars Spulen auf harmonisch verwandte
Frequenzen enthalten. Dadurch, dass eine erste Spule unter Strom
mit einer gegebenen Frequenz gesetzt wird, wird ein elektromagnetisches Feld
erzeugt. Durch Platzieren einer zweiten Spule in dem elektromagnetischen
Feld wird in der zweiten Spule ein Strom erzeugt. Wenn die Resonanzfrequenzen
der Spulen dieselben oder eine harmonisch verwandte Frequenz sind,
wird der erzeugte Strom maximal. Der erzeugte Strom kann üblicherweise
in einem Kondensator gespeichert werden und dazu verwendet werden,
Systemelemente unter Strom zu setzen.
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Anhand
von 1 zeigt ein Blockschaltplan einen Mikrotransponder 100 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Der Mikrotransponder 100 kann
in Gewebe 124 unter einer Hautschicht 122 implantiert
werden. Der Mikrotransponder 100 kann dazu verwendet werden,
die Nervenaktivität in dem Gewebe 124 abzutasten
und in Reaktion darauf Daten an eine externe Steuerung 120 zu übermitteln. Der
Mikrotransponder 100 kann dazu verwendet werden, in Reaktion
auf ein Signal von einer externen Steuerung 120 eine elektrische
Stimulation für das Gewebe 124 bereitzustellen.
Die Elektroden 114 und 116 können so
ausgelegt sein, dass die elektrische Schnittstelle zwischen den
Elektroden 114 und 116 und den Neuronen peripherer
Nerven vergrößert wird.
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Der
Mikrotransponder 100 kann mit anderen Systemen drahtlos
in Wechselwirkung treten. Der Mikrotransponder 100 kann über
eine direkte elektrische Verbindung mit anderen Systemen in Wechselwirkung
treten. Üblicherweise tritt der Mikrotransponder 100 mit
einem externen Steuersystem 120, das einen externen Resonator 118 enthält,
drahtlos in Wechselwirkung. Der Mikrotransponder 100 kann über
eine direkte elektrische Verbindung mit anderen in den Körper
implantierten Mikrotranspondern (nicht gezeigt) kommunizieren.
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Der
Mikrotransponder 100 ermöglicht die Lieferung
elektrischer Signale an periphere Nerven. Diese Signale können
so konfiguriert sein, dass sie überall in dem subkutanen
Gewebe 124 verteilte periphere Nerven stimulieren. Der
Mikrotransponder 100 ermöglicht die Erfassung
elektrischer Signale in peripheren Nerven. Die erfassten elektrischen
Signale können Nervenspitzensignale angeben.
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Der
Mikrotransponder 100 enthält einen internen Resonator 104.
Der interne Resonator 104 könnte mit einem Modulator-Demodulator 106 verbunden
sein, um Informationen auf abgehende Signale zu modulieren und/oder
um Informationen von ankommenden Signalen wiederzugewinnen. Der
Modulator-Demodulator 106 kann Identifikationssignale modulieren
oder demodulieren. Der Modulator-Demodulator 106 kann Auslösesignale
demodulieren. Der Modulator-Demodulator 106 kann Signale
von einem Impulssensor 112 empfangen. Der Modulator-Demodulator 106 kann
Auslösesignale oder andere Daten für einen Stimulustreiber 110 bereitstellen.
Der Impulssensor 112 kann mit einer Sensorelektrode 116 verbunden
sein. Der Impulssensor 112 kann ein Signal erzeugen, wenn
bei der Sensorelektrode 116 ein Strom erfasst wird. Der
Stimulustreiber 110 kann mit Stimuluselektroden 114 verbunden sein.
Der Stimulustreiber 110 erzeugt zwischen den Stimuluselektroden 114 üblicherweise
eine Stimulationsspannung, wenn ein Auslösesignal empfangen wird.
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Der
interne Resonator 104 stellt Energie für eine
Leistungsspeicherkapazität 108 bereit, die von dem
internen Resonator 104 empfangene Leistung speichert. Die
Leistungskapazität 108 kann Leistung 134 für
die anderen Bauelemente einschließlich des Stimulustreibers 110,
des Impulssensors 112 und des Modems 106 bereitstellen.
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Im
Betrieb kann eine externe Steuerung 120, üblicherweise
ein Computer oder eine andere programmierte Signalquelle, Befehle 140 hinsichtlich des
Abtastens oder der Stimulation für den Mikrotransponder 100 bereitstellen.
Die Befehle 140 werden für einen externen Resonator 118 bereitgestellt und
können Stimulationszyklen initiieren, die Vorrichtungen
abfragen oder auf andere Weise mit dem Mikrotransponder 100 in
Wechselwirkung treten. Der externe Resonator 118 ist so
abgestimmt, dass er bei derselben Frequenz oder bei einer verwandten
Frequenz wie der interne Resonator 104 in Resonanz ist. Das
Signal 126 wird durch den externen Resonator 118 erzeugt,
der bei der abgestimmten Frequenz in Resonanz ist. Das Signal 126 kann
ein Leistungssignal ohne irgendwelche modulierten Daten sein. Das Signal 126 kann
ein Leistungssignal sein, das modulierte Daten enthält,
wobei die modulierten Daten üblicherweise durch die externe
Steuerung 120 bereitgestellte Befehle 140 wie
etwa Identifikationsinformationen oder Adressen widerspiegeln. Es
sollte erkannt werden, dass ein Leistungssignal ohne modulierte
Daten Zeiteinstellungsdaten wie etwa ein Auslösesignal
in der Darstellung oder die Zeiteinstellung des Leistungssignals übermitteln
kann.
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Der
interne Resonator 104 empfängt Signale 126 von
dem externen Resonator 118. Der interne Resonator 104 stellt
ein Empfangssignal 126 für den Modulator-Demodulator
(das Modem) 106 bereit. Das Modem 106 kann Anweisungen 132 von
dem Empfangssignal demodulieren. Die demodulierten Anweisungen 132 können
für den Stimulustreiber 110 bereitgestellt werden.
Das Modem 106 kann das Leistungssignal 128 an
die Leistungskapazität 108 übergeben.
Die Leistungskapazität 108 kann das Leistungssignal 128 speichern.
Die Leistungskapazität 108 kann Leistung für
den Stimulustreiber 110 bereitstellen. Die Leistungskapazität 108 kann
Leistung für den Impulssensor 112 bereitstellen.
Der Stimulustreiber 110 kann ein Stimulussignal 136 für
die Stimuluselektrode 114 bereitstellen. Der Stimulustreiber 110 kann
in Reaktion auf eine Anweisung 132 ein Stimulussignal 136 für
die Stimuluselektrode 114 bereitstellen. Der Stimulustreiber 110 kann
in Reaktion auf ein Leistungssignal 134 ein Stimulussignal 136 für die
Stimuluselektrode 114 bereitstellen.
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Das
Modem 106 kann eine Anweisung 130 für
den Impulssensor 112 bereitstellen. Wenn in dem Gewebe 124 ein
Impuls abgetastet wird, sendet die Sensorelektrode ein Impulssignal 138 an
den Impulssensor 112. Der Impulssensor 112 sendet
ein abgetastetes Impulssignal 130 an das Modem 106.
Das Modem 116 kann in Reaktion auf das abgetastete Impulssignal 112 ein
Identifikationssignal 126 auf ein Leistungssignal 128 modulieren.
Der interne Resonator 104 erzeugt ein Kommunikationssignal 124, das
ein moduliertes Identifikationssignal 126 enthält. Der
externe Resonator 118 empfängt das Kommunikationssignal 124.
Die Daten 140 werden für die externe Steuerung 120 bereitgestellt.
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Anhand
von 2 zeigt ein Blockschaltplan einen Abtastmikrotransponder 200 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Ein interner Resonator 202 empfängt
ein Betriebssignal 214, wobei das Betriebssignal 214 induktiv
durch einen externen Resonator (nicht gezeigt) gesendet worden ist.
Das Betriebssignal 214 kann Anweisungen, Befehle, Adressendaten
oder irgendwelche anderen geeigneten Daten enthalten. Der interne
Resonator 202 stellt ein Leistungssignal 216 für
eine Leistungskapazität 204 bereit. Die Leistungskapazität 204 kann
nachfolgend Leistung 218 für einen Impulssensor 206,
für ein Modem 210 oder für irgendein
geeignetes elektrisches Bauelement bereitstellen. Der Impulssensor 206 ist
mit einer Sensorelektrode 208 verbunden, die in der Nähe
des peripheren Nervengewebes 230 platziert ist. Wenn durch
das periphere Nervengewebe 230 ein Impuls geht, wird an
der Sensorelektrode 208 eine Ladung erzeugt. Die Sensorelektrode 208 stellt
ein Signal 220 für den Impulssensor 206 bereit. Der
Impulssensor 206 stellt ein Signal für einen Identifikationsmodulator 210 bereit.
Der Identifikationsmodulator 210 empfängt ein
Leistungssignal 232 von der Leistungskapazität 232.
Der Identifikationsmodulator 210 erzeugt unter Verwendung
der Identifikationsdaten 212 ein moduliertes Identifikationssignal 226.
Der interne Resonator 202 erzeugt ein Kommunikationssignal 228.
Ein externer Resonator (nicht gezeigt) empfängt das Kommunikationssignal 228.
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Anhand
von 3 zeigt ein Blockschaltplan einen Mikrotransponder 300,
der eine Datenantwort in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
enthält. Ein interner Resonator 302 empfängt
von einem externen Resonator (nicht gezeigt) ein Betriebssignal 312.
Das Betriebssignal 312 kann Daten wie etwa Identifikationsinformationen,
Adressierung, Befehle, Anweisung oder andere geeignete Daten enthalten. Der
interne Resonator 302 stellt ein Empfangssignal für
ein Modem 304 bereit. Der interne Resonator 302 stellt
ein Leistungssignal 316 für eine Leistungskapazität 306 bereit.
Das Modem 304 demoduliert Daten 318, die auf dem
Empfangssignal 314 moduliert worden sind. Die Daten 318, üblicherweise
ein Auslösesignal, werden für den Stimulustreiber 308 bereitgestellt.
Der Stimulustreiber 308 empfängt ein Leistungssignal
von einer Leistungskapazität 306. Der Stimulustreiber 308 stellt
in Reaktion auf den Empfang des Auslösesignals 318 Stimulationsenergie 322 für
eine Stimulationselektrode 310 bereit. Das Modem 304 empfängt
Leistung 316 von der Leistungskapazität 306.
Das Modem 304 erzeugt in Reaktion auf Daten 318 ein
Datenantwortsignal 314. Der interne Resonator 302 erzeugt
ein Kommunikationssignal 324. Ein externer Resonator (nicht
gezeigt) empfängt das Kommunikationssignal 324.
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Anhand
von 4 zeigt ein Stromlaufplan einen drahtlosen Mikrotransponder
mit unabhängigem Selbstauslösebetrieb in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Wie der Stromlaufplan zeigt,
enthält der selbstauslösende Mikrotransponder
ein Resonatorelement 404, ein Gleichrichterelement 406, ein
Stimulusspannungselement 408, ein Stimulusentladeelement 410 und
eine oder mehrere Elektroden 412. Das Resonatorelement 404 enthält
ein Spulenbauelement (LT-Bauelement) 403, das mit einem Kondensatorbauelement
(CT-Bauelement) 407 gekoppelt ist. Das Resonatorelement 404 ist
so konfiguriert, dass es mit einer genauen Frequenz, die von den
Werten des Spulenbauelements 403 und des Kondensatorbauelements 407 abhängt,
oszilliert.
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Das
Resonatorelement 404 ist mit dem Gleichrichterelement 406 gekoppelt,
das wiederum mit dem Stimulusspannungselement 408 und mit dem
Stimulusentladeelement 410 gekoppelt ist. Das Gleichrichterelement 406 und
das Stimulusspannungselement 408 sind beide zu Kondensatoren 409 parallelgeschaltet.
Außerdem ist das Stimulusentladeelement 410 mit
Elektroden 412 gekoppelt, wodurch das Stimulusentladeelement 410 mit
Nervenleitungsgewebe wie etwa Axonen elektrisch verbunden ist. Es
sollte gewürdigt werden, dass in bestimmten Ausführungsformen
unmittelbar nach dem Gleichrichterelement 406 ein Spannungserhöhungsbauelement
eingefügt sein kann, um die für die Stimulation
und für den Betrieb der integrierten Elektronik verfügbare
Versorgungsspannung über die durch den miniaturisierten
LC-Parallelschwingkreis hinaus erzeugten Grenzwerte zu erhöhen.
Diese Spannungserhöhungsschaltung kann unter Verwendung der
kleinstmöglichen LC-Bauelemente, die verhältnismäßig
kleine Spannungen (< 0,5
V) erzeugen können, eine Elektrostimulation und andere Mikrotransponderoperationen
ermöglichen. Beispiele hocheffizienter Spannungserhöhungsschaltungen
enthalten Ladungspumpen und Schalterhöhungsschaltungen, die
Schottky-Dioden mit niedrigem Schwellenwert verwenden. Allerdings
kann in dieser Kapazität selbstverständlich irgendeine
geeignete herkömmliche hocheffiziente Spannungserhöhungsschaltung genutzt
werden.
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In
dieser Schaltungskonfiguration kann der selbstauslösende
Mikrotransponder 400 einen bistabilen Siliciumschalter 416 nutzen,
um zwischen der Ladephase, die auf dem Stimuluskondensator 411 eine
Ladung (Vcharge) aufbaut, und der Entladephase, die ausgelöst
werden kann, wenn die Ladung (Vcharge) die gewünschte Stimulationsspannung (Vstim)
erreicht, zu oszillieren. Die Entladephase beginnt mit dem Schließen
des Schalters 418 und mit dem Entladen des Kondensators über
die Stimuluselektroden 412. Zum Regulieren der Stimulusfrequenz durch
Begrenzen der Laderate des Stimuluskondensators 411 wird
ein einzelner Widerstand 413 verwendet. Die Durchbruchspannung
einer Zenerdiode 405 ist so konfiguriert, dass sie die
gewünschte Stimulusspannung (Vstim) einstellt. Wenn Vcharge gleich
Vstim ist, schließt der Schalter 416, was den Schalter 418 schließt
und den Kondensator 411 auf die Elektroden 412 entlädt.
Die Elektroden 412 können aus Gold, aus Iridium
oder aus irgendeinem anderen geeigneten Material gebildet sein.
Die Schalter 416 und 418 können üblicherweise
Bipolarvorrichtungen, Feldeffekttransistoren oder irgendeine andere geeignete
Vorrichtung sein.
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Die
Stimulusspitzenamplitude und -dauer sind weitgehend durch den effektiven
Gewebewiderstand bestimmt und unabhängig von der angelegten Leistungsstärke.
Der effektive Gewebewiderstand kann in Abhängigkeit von
dem Typ des Gewebes, das stimuliert wird, z. B. Haut, Muskel, Fett
usw., variieren. Allerdings kann das Erhöhen der Leistung
die Stimulationsfrequenz erhöhen, indem die zum Laden des
Stimulationskondensators 411 erforderliche Zeit auf die
Stimulusspannung Vstim verringert wird.
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Der
selbstauslösende Mikrotransponder 400 arbeitet
ohne Taktsignale von der Leistungsquelle 402 und löst
die wiederholte Stimulation unabhängig selbst aus. Im Ergebnis
ist die durch eine Mehrzahl solcher selbstauslösender Mikrotransponder 400 erzeugte
Stimulation in Abhängigkeit von der durch jeden Transponder
induzierten effektiven Transponderspannung von einem Stimulator
zu einem anderen in Bezug auf die Phase asynchron und in Bezug auf
die Frequenz etwas veränderlich. Eine solche asynchrone
Stimulation kann die Art ungeordneter Stifte und Nadeln oder erregt
zitternde Empfindungen der Parästhesie hervorrufen, die
Stimulationsverfahren zugeordnet sind, die Schmerzsignale am effektivsten blockieren.
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5 zeigt
mehrere graphische Darstellungen, die Änderungen der Stimulusfrequenzen,
Stimulusstromspitzenamplituden und Stimulusimpulsdauern drahtloser
Mikrotransponder veranschaulichen, die gemäß verschiedenen
Vorrichtungseinstellungen und Bedingungen der Eingabe der externen
HF-Leistung variieren, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform.
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In
der ersten graphischen Darstellung 502 ist die externe
HF-Leistungseingabe auf 5 Milliwatt eingestellt, was zu einer Stimulusfrequenz
von 4 Hertz führt. Wie zuvor diskutiert wurde, ist die
Stimulusfrequenz eine Funktion der Sendeleistung, da die Empfangsleistung
direkt die Zeit beeinflusst, die es dauert, einen Stimuluskondensator
auf die Stimulusspannung (Vstim) zu laden. Diese direkte Beziehung zwischen
HF-Leistung und Stimulusfrequenz ist deutlich in der graphischen
Darstellung 502 gezeigt, wo die externe HF-Leistung auf
25 Milliwatt ansteigt, was zu einer wesentlichen Erhöhung
der Stimulusfrequenz auf 14 Hz führt. Allerdings sind dies
selbstverständlich lediglich Beispiele für die
Wirkung der HF-Leistungseingabeeinstellungen auf die Stimulusfrequenz.
In der Praxis können die Wirkungen der HF-Leistungseingabeeinstellung
auf die Stimulusfrequenz in Abhängigkeit von der besonderen
Anwendung, z. B. der Tiefe der Implantation, der Nähe störender
Körperstrukturen wie etwa Knochen, Organe usw., und der
Vorrichtungseinstellungen verstärkt oder verringert sein.
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Während
die HF-Stärke die Stimulusfrequenz steuert, wird die Stimulusspannung
(Vstim) üblicherweise durch das Transponderzenerdiodenelement
gesteuert. Ferner ist die Wirkung der Stimulusspannung auf die Stimulusstromspitzenamplitude und
auf die Impulsdauer durch die resistiven Eigenschaften des den Mikrotransponder
umgebenden Gewebes bestimmt.
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6 ist
eine Veranschaulichung eines Stromlaufplans für einen drahtlosen
Mikrotransponder 600 mit einem Demodulatorelement 608 für
ein externes Auslösesignal zum Synchronisieren der gelieferten
Stimuli mit einer Mehrzahl weiterer drahtloser Mikrotransponder
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform.
Wie hier gezeigt ist, ist der Entwurf des drahtlosen Transponders
aus 5 so geändert, dass er ein Demodulatorelement 608 für
ein externes Auslösesignal enthält, sodass die
Stimulusentladung durch ein Auslösesignal von einem externen HF-Leistungsfeld
synchronisiert werden kann.
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Die
geänderte Schaltung enthält ein Resonatorelement 604,
ein Gleichrichterelement 606, ein Demodulatorelement 608 für
einen externen Auslöseimpuls, ein Stimuluszeitgeberelement 610,
ein Stimulustreiberelement 611 und eine oder mehrere Elektroden 612.
Das Resonatorelement 604 enthält ein Spulenbauelement
(LT) 601, das mit einem Kondensatorbauelement (CT) 607 gekoppelt
ist. Das Resonatorelement 604 ist so konfiguriert, dass
es in Abhängigkeit von dem Wert der LC-Bauelemente LT 601 und
CT 607 mit einer bestimmten Frequenz oszilliert.
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Das
Resonatorelement 604 ist mit einem Gleichrichterelement 606 gekoppelt,
das wiederum mit dem Demodulatorelement 608 für
einen externen Auslöseimpuls, mit dem Stimuluszeitgeberelement 610 und
mit dem Stimulustreiberelement 611 gekoppelt ist. Das Gleichrichterelement 607 und
das Stimuluszeitgeberelement 608 sind beide zu Leistungskondensatoren
(Cpower) 609 parallelgeschaltet. Außerdem ist
das Stimulustreiberelement 611 mit Elektroden 612 gekoppelt,
die üblicherweise aus Gold oder Iridium gebildet sind,
wodurch das Stimulustreiberelement 611 mit Nervenleitungsgewebe
wie etwa Axonen elektrisch verbunden ist.
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Es
sollte gewürdigt werden, dass in bestimmten Ausführungsformen
unmittelbar nach dem Gleichrichterelement 606 ein Standardspannungserhöhungsbauelement
(nicht gezeigt) eingefügt sein kann, um die für
die Stimulation und für den Betrieb der integrierten Elektronik
verfügbare Versorgungsspannung über die durch
die miniaturisierte LC-Parallelschwingkreis hinaus erzeugten Grenzwerte
zu erhöhen. Eine Spannungserhöhungsschaltung kann unter
Verwendung der kleinstmöglichen LC-Bauelemente, die verhältnismäßig
kleine Spannung, z. B. weniger als 0,5 Volt, erzeugen können,
Elektrostimulation und andere Mikrotransponderoperationen ermöglichen.
Beispiele typischer hocheffizienter Spannungserhöhungsschaltungen
enthalten Ladungspumpen und Schalterhöhungsschaltungen
unter Verwendung von Schottky-Dioden mit niedrigem Schwellenwert.
Allerdings kann in dieser Kapazität selbstverständlich
irgendein geeigneter Typ einer herkömmlichen hocheffizienten
Spannungserhöhungsschaltung genutzt werden.
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Wie
in 7 gezeigt ist, kann die externe Synchronisationsauslöseschaltungskonfiguration aus 6 ein
Differentialfilterverfahren nutzen, um das Auslösesignal,
das aus einer plötzlichen Leistungsunterbrechung 701 besteht,
von dem langsameren Abfall der Transponderleistungsspannung 702 während
der Unterbrechung abzutrennen. Insbesondere kann die Schaltungskonfiguration
aus 6 in dem Stimuluszeitgeberelement 610 einen
getrennten Kondensator (CDur) 605 nutzen, um die Stimulusdauer
unter Verwendung eines monostabilen Multivibrators einzustellen.
Die Stimulusstärke kann extern durch die Stärke
des durch die externe FR-Leistungsspule 602 erzeugten angelegten
HF-Leistungsfelds gesteuert werden. Da das HF-Leistungsfeld moduliert
wird, werden die Zeiteinstellung und die Frequenz der Stimuli von
jedem der Mikrotransponder unter der HF-Leistungsspule 602 extern
synchronisiert.
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Unter
Verwendung der externen Synchronisationsauslöseschaltungskonfiguration aus 6 ist
der Grad der raumzeitlichen Steuerung komplexer Stimulationsmuster
im Wesentlichen unbeschränkt. In bestimmten Ausführungsformen
kann die Schaltungskonfiguration der externen Synchronisationsauslöseschaltung
weiter so geändert sein, dass sie zum Demodulieren des
eindeutigen Identitätscodes jedes Mikrotransponders konfiguriert
ist. Dies ermöglicht im Wesentlichen die unabhängige Steuerung
jedes Mikrotransponders über HF-Signale. Diese zusätzliche
Fähigkeit kann ein Verfahren bereitstellen, um die raumzeitliche
Dynamik zu vermitteln, die notwendig ist, um natürliche
Empfindungen bei künstlichen Gliedmaßen wiederherzustellen oder
neue Sinnesmodalitäten, z. B. das Fühlen von Infrarotbildern
usw., zu ermöglichen.
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8 bietet
mehrere graphische Darstellungen, die die Ergebnisse aus Tests eines
drahtlosen Mikrotransponders (mit einem Demodulatorelement für
die Auslösung einer externen Unterbrechung) unter verschiedenen
Vorrichtungseinstellungen und Eingabebedingungen externer HF-Leistung
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zusammenfassen.
In der ersten graphischen Darstellung 801 moduliert die
externe HF-Leistungsspule das HF-Leistungsfeld, um eine erste Auslösesignaleinstellung
zu übermitteln, die zu einer Stimulusfrequenz von 2 Hz
führt. Wie zuvor diskutiert wurde, wird die Stimulusfrequenz
durch ein Auslösesignal gesteuert, das erzeugt wird, wenn
die HF-Leistungsspule das HF-Leistungssignal moduliert. Wie in der zweiten
graphischen Darstellung 802 gezeigt ist, wo die Stimulusfrequenz
gleich 10 Hz ist, hängt die Stimulusfrequenz somit direkt
mit der HF-Leistungsfeld-Modulationsfrequenz zusammen.
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Während
die Stimulusfrequenz durch externe HF-Leistungsfeld-Modulationseinstellungen
gesteuert wird, wird die Stimulusstromspitzenamplitude, wie in der
dritten graphischen Darstellung 803 gezeigt ist, durch
die HF-Leistungsstärkeeinstellung gesteuert. Das heißt,
die Stimulusstromspitzenamplitude hängt direkt mit der
HF-Leistungsstärkeeinstellung zusammen. Zum Beispiel erzeugt
eine HF-Leistungsstärkeeinstellung von 1 mW eine Stimulusstromspitzenamplitude
von 0,2 mA, erzeugt eine HF-Leistungsstärkeeinstellung
von 2 mW eine Stimulusstromspitzenamplitude von 0,35 mA und erzeugt eine
HF-Leistungsstärkeeinstellung von 4 mW eine Stimulusstromspitzenamplitude
von 0,5 mA. Selbstverständlich sind dies aber nur Beispiele
dafür, wie die HF-Leistungsstärkeeinstellung die
Stimulusstromspitzenamplitude beeinflusst. In der Praxis können
die Wirkungen der HF-Leistungsstärkeeinstellung auf die
Stimulusstromspitzenamplitude in Abhängigkeit von der besonderen
Anwendung (z. B. der Tiefe der Implantation, der Nähe zu
störenden Körperstrukturen wie etwa Knochen usw.)
und Vorrichtungseinstellungen verstärkt oder verringert
sein.
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Während
die Stimulusfrequenz durch externe HF-Leistungsfeld-Modulationseinstellungen
gesteuert wird, wird die Stimulusstromspitzenamplitude, wie in der
dritten graphischen Darstellung 803 gezeigt ist, durch
die HF-Leistungsstärke gesteuert. Das heißt, die
Stimulusstromspitzenamplitude hängt direkt mit der HF-Leistungsstärkeeinstellung
zusammen. Zum Beispiel erzeugt eine HF-Leistungsstärkeeinstellung
von 1 Milliwatt eine Stimulusstromspitzenamplitude von 0,2 Milliampere,
erzeugt eine HF-Leistungsstärkeeinstellung von 2 Milliwatt
eine Stimulusstromspitzenamplitude von 0,35 Milliampere und erzeugt
eine HF-Leistungsstärkeeinstellung von 4 Milliwatt eine
Stimulusstromspitzenamplitude von 0,5 Milliampere. Selbstverständlich
sind dies aber nur Beispiele dafür, wie die HF-Leistungsstärkeeinstellungen
die Stimulusstromspitzenamplitude beeinflussen. In der Praxis können
die Wirkungen der HF-Leistungsstärkeeinstellung auf die
Stimulusstromspitzenamplitude in Abhängigkeit von der besonderen
Anwendung, z. B. der Tiefe der Implantation, der Nähe zu
störenden Körperstrukturen wie etwa Knochen usw.,
und Vorrichtungseinstellungen verstärkt oder verringert
sein.
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Anhand
von 9 zeigt ein Blockschaltplan einen Mikrotransponder 900 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Der Mikrotransponder 900 enthält
elektrische Bauelemente, die als elektrische Schnittstelle mit Neuronen
peripherer Nerven ausgelegt sind. Der Mikrotransponder 900 enthält
elektrische Bauelemente, die ermöglichen, dass der Mikrotransponder 900 mit
gegenüber dem Mikrotransponder 900 externen Systemen
in drahtlose Wechselwirkung tritt. Diese Systeme können
andere in den Körper implantierte Transponder enthalten.
Diese Systeme können externe Spulen enthalten. Diese Systeme können
einen Empfänger enthalten.
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Die
drahtlose Fähigkeit des Mikrotransponders 900 ermöglicht
die Lieferung elektrischer Signale zu dem peripheren Nervengewebe.
Die drahtlose Fähigkeit des Mikrotransponders 900 ermöglicht
die Kommunikation als Reaktion auf abgetastete Signale in dem peripheren
Nervengewebe. Diese können Signale enthalten, die Nervenspitzensignale
angeben. Diese können Signale enthalten, die zum Stimulieren überall
in dem subkutanen Gewebe verteilter peripherer Nerven konfiguriert
sind.
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Der
Mikrotransponder 900 enthält um eine Mittelachse 912 gewickelte
Spulen 922. Die Spule 922 ist zu einem Kondensator 911 und über
einen Schalter 915 zu einem HF-Identitätsmodulator 917 parallelgeschaltet.
Der HF-Identitätsmodulator 917 ist mit einem HF-Identitäts-
und HF-Auslöseimpulsdemodulator 913 gekoppelt,
der wiederum mit einem Gleichrichter 914gekoppelt ist.
Der Gleichrichter 914 und der Spitzensensor 916 sind
beide zu einem Kondensator 918 parallelgeschaltet. Außerdem
ist der Spitzensensor 916 mit einer Nervenspitzenelektrode 919 gekoppelt,
wodurch der Spitzensensor 916 mit Nervenübertragungsgewebe
wie etwa Neuronen elektrisch verbunden ist. Ähnlich verbindet
auch die Nervenstimuluselektrode 921 den Stimulustreiber 920 mit
Nervenleitungsgewebe wie etwa Axonen.
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Der
Spitzensensor 916 besteht aus einem oder aus mehreren Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
(JFET). Wie der Fachmann auf dem Gebiet würdigen wird,
kann der JFET MOSFETs oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung
enthalten. Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Sensoren, Treiber
und anderen elektronischen Bauelemente können unter Verwendung
von Hochintegrations- oder Höchstintegrationsverfahren
(VLSI-Verfahren) hergestellt werden.
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Ferner
ist der Spitzensensor 916 mit dem HF-Identitätsmodulator 917 gekoppelt,
der so ausgelegt ist, dass er ein ankommendes/HF-Trägersignal in
Reaktion auf ein durch den Spitzensensor 916 erfasstes
Nervenspitzensignal moduliert. In einer Ausführungsform
können die Nervenelektroden wie etwa die Nervenspitzenelektrode 919 und
die Nervenstimuluselektrode 921, mit denen der Spitzensensor 916 bzw.
der Stimulustreiber 920 verbunden ist, so gebündelt
und konfiguriert sein, dass sie eine Schnittstelle mit dem Nervenleitungsabschnitt
(Axonenabschnitt) eines peripheren Nervs aufweisen.
-
Der
Mikrotransponder kann als eine autonome drahtlose Einheit arbeiten,
die durch periphere Nerven erzeugte Spitzensignale erfassen und
diese Signale zur Weiterverarbeitung an externe Empfänger
weiterleiten kann. Selbstverständlich führt der
Mikrotransponder diese Operationen aus, während er durch
externe elektromagnetische HF-Signale mit Leistung versorgt wird.
Die oben erwähnten Fähigkeiten werden durch die
Tatsache erleichtert, dass Magnetfelder durch menschliches Gewebe
nicht leicht gedämpft werden. Dies ermöglicht,
dass die elektromagnetischen HF-Signale ausreichend in den menschlichen
Körper eindringen, sodass die Signale durch den Mikrotransponder
empfangen und/oder gesendet werden können. Mit anderen
Worten, die Mikrospulen 922 sind so ausgelegt, dass sie
mit dem HF-Feld, dessen Magnetfluss innerhalb des von den Spulen 922 eingeschlossenen Raums
schwankt, magnetisch in Wechselwirkung treten. Dadurch, dass die
Spulen 922 Induktionsspulen sind, setzen sie die Schwankungen
des Magnetflusses des externen HF-Felds in elektrische Wechselströme
um, die innerhalb der Spulen 922 und des Mikrotransponders 900 fließen.
Der Wechselstrom wird z. B. über die Spulen 922 in
den Gleichrichter 914 geleitet, der so ausgelegt ist, dass
er den Wechselstrom in Gleichstrom umsetzt. Der Gleichstrom kann
daraufhin verwendet werden, um den Kondensator 918 zu laden, wodurch
eine Potentialdifferenz über den JFET des Sensorauslösers 916 erzeugt
wird.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Gate des
Spitzensensor-JFET 916 über die Nervenspitzenelektrode 919 mit
dem Nervenübertragungsgewebe wie etwa Neuronen gekoppelt
sein. Das Gate des Spitzensensor-JFET 16 kann so gewählt
sein, dass es eine Schwellenspannung aufweist, die innerhalb eines
Spannungsbereichs dieser durch die Nervenaxonen erzeugten Signale
liegt. Auf diese Weise wird das Gate des Spitzensensor-JFET 916 während
der Spitzenphasen der Nervenaxonen geöffnet, wodurch die
Schaltung 910 geschlossen wird.
-
Wenn
die Schaltung 910 geschlossen wird, erzeugt das externe
elektromagnetische HF-Feld in der gekoppelten Induktionsspule 922 und
in dem Kondensator 918 eine LC-Antwort, die daraufhin mit dem
externen elektromagnetischen HF-Feld in Resonanz gelangt, wobei
seine Resonanz an die Modulationsfrequenz des elektromagnetischen
HF-Felds angepasst ist.
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Die
LC-Charakteristik der Schaltung 910 sowie die Schwellenspannung
des Gates des Spitzensensor-JFET 916 können so
gewählt werden, dass sie innerhalb der gekoppelten Induktionsspule 922 und
des Kondensators 918 eine eindeutige Modulation bestimmen,
wodurch ein gewünschtes ID-Signal für den Mikrotransponder
bereitgestellt wird. Dementsprechend stellt der Spitzensensor-JFET 916 für
den HF-Identitätsmodulator 917 ein Auslösesignal zum
Erzeugen gewünschter HF-Signale bereit. Das ID-Signal kann
das Wesen der Nervenaktivität in der Nähe des
Mikrotransponders sowie den Ort der Nervenaktivität innerhalb
des Körpers angeben.
-
Es
sollte gewürdigt werden, dass die HF-Fähigkeiten
den Mikrotransponder 900 zu einer passiven Vorrichtung
machen, die auf ankommende HF-Trägersignale reagiert. Das
heißt, der Mikrotransponder 900 emittiert nicht
aktiv irgendwelche Signale, sondern reflektiert und/oder streut
vielmehr die elektromagnetischen Signale der HF-Trägerwelle, um
Signale mit einer spezifischen Modulation bereitzustellen. Dabei
entnimmt der Mikrotransponder 900 aus der HF-Trägerwelle
Leistung, um die elektrischen Bauelemente darin mit Leistung zu
versorgen.
-
Obgleich
die in 9 veranschaulichten oben erwähnten Bauelemente
zum Empfangen von Signalen von dem Mikrotransponder in Reaktion
auf durch periphere Nerven erzeugte Spitzensignale verwendet werden
können, können andere Bauelemente des Mikrotransponders 900 Bauelemente
zum Stimulieren der peripheren Nerven unter Verwendung der externen
HF-Signale enthalten. Zum Beispiel können die durch die
Spulen 922 empfangenen HF-Signale über den HF-Identitäts-
und HF-Auslöseimpulsdemodulator 913 in elektrische
Signale umgesetzt werden, um ausreichend Strom und Spannung für
die Stimulation der peripheren Nerven bereitzustellen. Somit leitet
der HF-Identitäts- und HF-Auslöseimpulsdemodulator 913 Leistung
von einem HF-Trägersignal ab, um den Stimulustreiber 920 mit
Leistung zu versorgen, der elektrische Signale liefert, die für
die Stimulation von Nervenleitungsgewebe wie etwa Axonen geeignet
sind. Dies kann verwendet werden, um Nerven zu behandeln, die beschädigt
sind oder die auf andere Weise physiologisch mangelhaft sind.
-
Selbstverständlich
kann die Minimalgröße für die Mikrotransponder
in bestimmten Ausführungsformen durch die Größe
der für die Leistungsinduktion verantwortlichen Mikrospule
und zweitens durch die Größe der für
die Abstimmung der Leistungsspeicherung und Zeiteinstellung notwendigen
Kondensatoren beschränkt sein. Daher können Mikrospulenentwürfe
die die komplexen integrierten Schaltungen minimieren, mit einer äußerst
kleinen Größe (wie etwa weniger als 1 Mikrometer)
und äußerst leistungsarmer Technologie hergestellt
werden. Die Größen- und Leistungsvorteile ermöglichen
es, zu dem kleinsten Transponder verhältnismäßig
komplexe Digitalelektronik hinzuzufügen.
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9 ist
ein Funktionsschema eines vollständigen Mikrotransponders
zum Abtasten und/oder Stimulieren der Nervenaktivität in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform. Die Schaltung ist für die abhängige
Auslöseoperation (synchrone Stimulation) ausgelegt. Die
Schaltung 900 enthält elektrische Bauelemente,
die als elektrische Schnittstelle mit Neuronen peripherer Nerven
ausgelegt sind. Ferner enthält die Schaltung 900 elektrische
Bauelemente, die ermöglichen, dass der Mikrotransponder
mit gegenüber dem Mikrotransponder externen Systemen in
drahtlose Wechselwirkung tritt. Diese Systeme können andere
in den Körper implantierte Transponder oder externe Spulen
und/oder einen Empfänger enthalten. Die drahtlosen Fähigkeiten
der Schaltung 900 ermöglichen die Lieferung elektrischer
Signale zu und/oder von den peripheren Nerven. Diese enthalten elektrische
Signale, die Nervenspitzensignale und/oder zum Stimulieren überall
in dem subkutanen Gewebe verteilter peripherer Nerven konfigurierte
Signale angeben.
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Dementsprechend
enthält die Schaltung 900 die um eine Mittelachse 912 gewickelte
Mikrospule 922. Die Mikrospule 922 ist zu einem
Kondensator 911 und über einen Schalter 915 zu
einem HF-Identitätsmodulator 917 parallelgeschaltet.
Der HF-Identitätsmodulator 917 ist mit einem HF-Identitäts-
und HF-Auslöseimpulsdemodulator 913 gekoppelt,
der wiederum mit einem Gleichrichter 914 gekoppelt ist. Der
Gleichrichter 914 ist mit einem Spitzensensorauslöser 916 und
mit einem Stimulustreiber 920 gekoppelt. Der Gleichrichter 914 und
der Spitzensensor 916 sind beide zu einem Kondensator 918 parallelgeschaltet.
Außerdem ist der Spitzensensor 916 mit einer Nervenspitzenelektrode 919 gekoppelt
und verbindet dadurch elektrisch den Spitzensensor 916 mit Nervenleitungsgewebe
(Neuronen). Ähnlich verbindet auch die Nervenstimuluselektrode 921 den
Stimulustreiber 920 mit Nervenleitungsgewebe (Axonen).
Der Spitzensensor 916 besteht aus einem oder aus mehreren
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET). Wie der Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet würdigen wird, kann der JFET Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) enthalten.
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Die
Sensoren, Treiber und anderen elektronischen Bauelemente, die in
der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind, können unter
Verwendung von Standard-Hochintegrations- oder -Höchstintegrationsverfahren
(VLSI-Verfahren) hergestellt werden. Ferner ist der Spitzensensor 916 mit
dem HF-Identitätsmodulator 917 gekoppelt, der
so ausgelegt ist, dass er ein ankommendes/HF-Trägersignal in
Reaktion auf durch den Spitzensensor 916 erfasste Nervenspitzensignale
moduliert. In einer Ausführung können die Nervenelektroden
(d. h. die Nervenspitzenelektrode 919 und die Nervenstimuluselektrode 921),
mit denen der Spitzensensor 916 bzw. der Stimulustreiber 920 verbunden
ist, gebündelt und als Schnittstelle mit dem Nervenleitungsabschnitt
(Axonenabschnitt) eines peripheren Nervs konfiguriert sein.
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Eine
wie durch 9 gezeigte Konfiguration der
obigen Bauelemente ermöglicht, dass der Mikrotransponder
als eine autonome drahtlose Einheit arbeitet, die durch periphere
Nerven erzeugte Spitzensignale erfassen und diese Signale zur Weiterverarbeitung
an externe Empfänger weiterleiten kann. Selbstverständlich
führt der Mikrotransponder diese Operationen aus, während
er durch externe elektromagnetische HF-Signale mit Leistung versorgt
wird. Die oben erwähnten Fähigkeiten werden durch
die Tatsache erleichtert, dass Magnetfelder nicht leicht durch menschliches
Gewebe gedämpft werden. Dies ermöglicht, dass
die elektromagnetischen HF-Signale ausreichend in den menschlichen
Körper eindringen, sodass Signale durch den Mikrotransponder empfangen
und/oder gesendet werden können. Mit anderen Worten, die
Mikrospule 922 ist für die magnetische Wechselwirkung
mit dem HF-Feld, dessen Magnetfluss innerhalb des von der Mikrospule 922 umgebenden
Raums schwankt, ausgelegt und konfiguriert. Da die Mikrospulen 922 Leiter
sind, setzen sie die Schwankungen des Magnetflusses des externen
HF-Felds in elektrische Wechselströme um, die innerhalb
der Mikrospule 922 und der Schaltung 910 fließen.
Der Wechselstrom wird z. B. in den Gleichrichter 914 geleitet,
der den Wechselstrom in Gleichstrom umsetzt. Der Gleichstrom kann
daraufhin zum Laden des Kondensators 918 verwendet werden, wodurch
eine Potentialdifferenz über den JFET des Spitzensensors 916 erzeugt
wird.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Gate des
Spitzensensor-916-JFET über die Nervenspitzenelektrode 919 mit
dem Nervenübertragungsgewebe (Neuronen) gekoppelt sein.
Das Gate des Spitzensensor-916-JFET kann so gewählt
sein, dass es eine Schwellenspannung aufweist, die innerhalb eines
Spannungsbereichs jener durch die Nervenaxonen erzeugten Signale
liegt. Auf diese Weise wird das Gate des Spitzensensors 916 während
Spitzenphasen der Nervenaxonen offen, wodurch die Schaltung 910 schließt.
Wenn die Schaltung 910 schließt, erzeugt das externe
elektromagnetische HF-Feld eine LC-Antwort in der gekoppelten Induktionsspule 922 und
dem Kondensator 918, die daraufhin mit dem externen elektromagnetischen
HF-Feld in Resonanz gelangen, wobei ihre Resonanz an die Modulationsfrequenz
des elektromagnetischen HF-Felds angepasst ist. Die LC-Charakteristik
der Schaltung 910 sowie die Schwellenspannung des Gates
des Spitzensensor-916-JFET können so gewählt
werden, dass innerhalb der gekoppelten Mikrospule (d. h. der Induktionsspule) 922 und
des Kondensators 918 eine eindeutige Modulation bestimmt wird,
wodurch ein Identifikationssignal für den Mikrotransponder
bereitgestellt wird. Dementsprechend stellt der Spitzensensor-16-JFET
für den HF-Identitätsmodulator 917 ein
eindeutiges Auslösesignal zum Erzeugen gewünschter
HF-Signale bereit. Das Identitätssignal kann das Wesen
der Nervenaktivität in der Nähe des Mikrotransponders
sowie den Ort der Nervenaktivität innerhalb des Körpers,
wie er aus der spezifizierten identifizierten Mikrotransponderposition
abgeleitet wird, angeben.
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Es
sollte gewürdigt werden, dass die HF-Fähigkeiten,
wie oben in Bezug auf die Schaltung 910 diskutiert wurde,
den Mikrotransponder zu einer passiven Vorrichtung machen können,
die mit ankommenden HF-Trägersignalen reagiert. Das heißt,
die Schaltung 910 emittiert nicht aktiv irgendwelche Signale,
sondern reflektiert und/oder streut vielmehr die elektromagnetischen
Signale der HF-Trägerwelle, um Signale mit einer spezifischen
Modulation bereitzustellen. Dabei entnimmt die Schaltung 910 Leistung
aus einer Hochfrequenz-Trägerwelle (HF-Trägerwelle),
um die elektrischen Bauelemente, die die Schaltung 910 bilden,
mit Leistung zu versorgen.
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Obgleich
die in 9 veranschaulichten oben erwähnten Bauelemente
verwendet werden können, um in Reaktion auf durch periphere
Nerven erzeugte Spitzensignale Signale von dem Mikrotransponder
zu empfangen, können andere Bauelemente der Schaltung 910 des
Mikrotransponders Bauelemente zum Stimulieren der peripheren Nerven
unter Verwendung der externen HF-Signale enthalten. Zum Beispiel
können die durch die Mikrospule 922 empfangenen
HF-Signale über den HF-Identitäts- und HF-Auslöseimpulsdemodulator 913 in
elektrische Signale umgesetzt werden, um ausreichend Strom und Spannung
für die Stimulation der peripheren Nerven bereitzustellen.
Somit leitet der HF-Identitäts- und HF-Auslöseimpulsdemodulator 913 Leistung
von einem HF-Trägersignal ab, um den Stimulustreiber 920 mit
Leistung zu versorgen, der elektrische Signale liefert, die für
die Stimulation von Nervenleitungsgewebe (Axonen) geeignet sind.
Dies kann verwendet werden, um Nerven zu behandeln, die beschädigt
sind oder die auf andere Weise physiologisch mangelhaft sind. Wegen
des Wesens des Identifikationssignals kann ein Mikrotransponder wahlweise
aktiviert werden, um eine Elektrostimulation bereitzustellen.
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Selbstverständlich
kann die Minimalgröße für die Mikrotransponder
in bestimmten Ausführungsformen durch die Größe
der für die Leistungsinduktion verantwortlichen Mikrospule
und zweitens durch die Größe der für
die Abstimmung der Leistungsspeicherung und Zeitgebung notwendigen
Kondensatoren beschränkt sein. Somit können Mikrospulenentwürfe,
die die komplexen integrierten Schaltungen minimieren, in einer äußerst
kleinen Größe (wie etwa kleiner als 1 Mikrometer)
und mit einer äußerst leistungsarmen Technologie
hergestellt werden. Die Größen- und Leistungsvorteile
ermöglichen, zu dem kleinsten Transponder verhältnismäßig
komplexe Digitalelektronik hinzuzufügen.
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10 ist
eine Veranschaulichung einer Laminarspiralmikrofolie, die in der
Konstruktion einer Mikrotransponderplattform zum Stimulieren der
Nervenaktivität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
verwendet wird. Wie hier gezeigt ist, enthält der Mikrotransponder
eine Laminarspiralmikrospule (LT) 1002, die mit einem Kondensator
(CT) 1004 gekoppelt ist, der wiederum mit einer Mikroelektronikplatine 1006 gekoppelt
ist. Die Mikroelektronikplatine 1006 enthält ein
Leistungskondensatorelement 1008, das mit einem Kondensatorelement
(CDUR-Element) 1010 gekoppelt ist, das wiederum mit einem Nervenstimulationschipelement 1012 gekoppelt
ist.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Mikrotransponderplattform
ist die Mikrospule nicht mehr als 500 Mikrometer lang mal 500 Mikrometer breit
und beträgt die kombinierte Dicke der Laminarspiralmikrospule
(LT) 1002, des Kondensators (CT) 1004 und des
Mikroelektronikchips 1006 nicht mehr als 100 Mikrometer.
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11 ist
eine Veranschaulichung einer Gold-Laminarspiralmikrospule, die auf
einem Substrat galvanisch beschichtet ist, in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform. Wie in den Photomikrobildern gezeigt
ist, sind anfangs Goldstromleitungen in einem engen Spiralmuster
auf einem nicht reagierenden Substrat (z. B. Glas, Silicium usw.)
galvanisch beschichtet. In einer Ausführungsform kann die Gold-Laminarspiralmikrospule
Goldstromleitungen 1102 enthalten, die etwa 10 Mikrometer
breit sind, wobei der Abstand 1104 zwischen den Stromleitungen
auf etwa 10 Mikrometer eingestellt ist. In einer weiteren Ausführungsform
kann die Gold-Laminarspiralmikrospule Goldstromleitungen 1102 enthalten, die
etwa 20 Mikrometer breit sind, wobei der Abstand 1104 zwischen
den Stromleitungen auf etwa 20 Mikrometer eingestellt ist. Allerdings
können die Breiten der Goldstromleitung 1102 und
der Leiterabstand 1104 zwischen ihnen selbstverständlich
auf irgendeinen Wert eingestellt sein, solange die resultierende Mikrospule
für die gewünschte Anwendung den gewünschten
induzierten Strom erzeugen kann.
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In
bestimmten Ausführungsformen wird dann, wenn die Gold-Spiralmikrospule
auf dem Substrat galvanisch beschichtet worden ist, auf den Mikrospulen
eine Schicht auf Polymergrundlage rotationsbeschichtet, um eine
Schutzschicht gegen Korrosion und Zerfall nach der Implantation
bereitzustellen. Langzeitstudien an Tieren mit SU-8-Implantaten haben
die Biokompatibilität des Kunststoffs SU-8 nachgewiesen,
indem sie gezeigt haben, dass diese SU-8-Implantate ohne Anzeichen
einer Gewebereaktion oder Materialverschlechterung für
die Dauer dieser Studien funktional geblieben sind. Somit umfasst die
Schicht auf Polymergrundlage üblicherweise einen Kunststoff
SU-8 oder eines äquivalenten Typs mit einer Dicke von näherungsweise
30 Mikrometern.
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Anhand
von 12 zeigt ein Stromlaufplan eine Depolarisations-Mikrotransponder-Treiberschaltung 1200 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Zwischen die Eingangsknoten 1202 und 1204 der
Treiberschaltung 1200 kann eine Oszillationsauslösespannung
(VT und -VT) angelegt werden. Ein selbstauslösender Mikrotransponder
kann einen bistabilen Schalter 1212 nutzen, der zwischen
der Ladephase, die auf dem Stimuluskondensator CSTIM 1210 eine
Ladung aufbaut, und der Entladephase, die ausgelöst werden
kann, wenn die Ladung die gewünschte Spannung erreicht
hat und den Schalter 1212 zum Entladen des Kondensators 1210 über
die Stimuluselektroden 1218 und 1220 schließt, oszilliert.
-
Ein
Widerstand 1206 reguliert die Stimulusfrequenz durch Begrenzen
der Laderate. Die Stimulusspitze und -amplitude sind weitgehend
durch den effektiven Gewebewiderstand 1228 bestimmt, der
mit einem Widerstand 1224 und einer Kapazität 1226 modelliert
wird. Somit ist der Stimulus allgemein unabhängig von der
angelegten HF-Leistungsstärke. Andererseits kann das Erhöhen
der HF-Leistung die Stimulationsfrequenz durch Verringern der Zeit,
die das Aufladen bis auf die Stimulusspannung dauert, erhöhen.
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Wenn
an lebendes Gewebe ein Stimulussignal mit Frequenzen höher
als zwei Hertz angelegt wird, wird das Gewebe üblicherweise
polarisiert, wobei es durch Speichern einer anhaltenden elektrischen
Ladung eine inhärente Kapazität 1226 zeigt. Um
die Polarisationswirkung zu verringern, ist zwischen die Elektroden 1218 und 1220 ein
Depolarisationsschalter 1222 geschaltet. Der Gate-Anschluss des
Depolarisationsschalters 1222 ist in der Weise mit der
oszillierenden Auslösespannung VT verbunden, dass der Depolarisationsschalter
die Elektroden 1218 und 1220 einmal in jedem Zyklus
kurzschließt und die in der inhärenten Gewebekapazität 1226 gespeicherte
Ladung verringert. Die Zeiteinstellung des Depolarisationsschalters 122 lässt
zu, dass der Stimulationsimpuls im Wesentlichen entladen wird, bevor
sich der Depolarisationsschalter 122 schließt
und die Elektroden 118 und 120 kurzschließt. Ähnlich
ist die Zeiteinstellung des Depolarisationsschalters 122 derart,
dass er öffnet, bevor ein nachfolgender Stimulationsimpuls
ankommt. Die Zeiteinstellung des Depolarisationsschalters 122 kann
relativ zu der Zeiteinstellung des Stimulationsimpulses erzeugt
werden. Die Zeiteinstellung kann unter Verwendung digitaler Verzögerungen,
analoger Verzögerungen, Taktgeber, Logikvorrichtungen oder
irgendeines anderen geeigneten Zeiteinstellungsmechanismus ausgeführt
werden.
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In
einer wie in 1 dargestellten Stimulatorschaltung
kann ein einfaches Zenerdiodenbauelement enthalten sein. Unter Verwendung
der Zenerdiode können asynchrone Stimulationen ausgeführt werden,
um Spannungspegel für die Selbstauslösung zu erreichen.
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Anhand
von 13 zeigt eine graphische Darstellung eine beispielhafte
Stimulusentladung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform.
Wenn ein Auslösesignal empfangen wird, entlädt
der Stimuluskondensator Strom zwischen den Elektroden. In Abhängigkeit
von dem Gewebewiderstand kehrt die Spannung schnell auf einen Ruhespannungspegel, näherungsweise
auf den Anfangsspannungspegel, zurück. Wenn die Frequenz
des Auslösesignals erhöht wird, veranlasst eine
Polarisationswirkung, dass die Ruhespannung auf eine Polarisationsspannung über
der Anfangsspannung steigt. Mit einem Depolarisationsschalter zwischen
den Elektroden veranlasst jedes Auslösesignal, dass die
Ruhespannung wiederhergestellt wird und etwa auf den Anfangsspannungspegel
abgesenkt wird.
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Anhand
von 14 zeigt ein Blockschaltplan ein Depolarisationsmikrotranspondersystem 1400 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Ein Steuerbauelement setzt ein
externes Resonatorelement 1404, das relativ zu einer Grenze 1418 der
organischen Schicht extern positioniert ist, unter Strom. Das unter
Strom gesetzte externe Resonatorelement 1404 bringt Energie
bei einer Resonanzfrequenz wie etwa einer ausgewählten
HF in Resonanz. Das interne Resonatorelement 1406, das
relativ zu einer Grenze 1418 der organischen Schicht intern positioniert
ist, ist so abgestimmt, dass es bei derselben Resonanzfrequenz oder
bei einer harmonisch verwandten Resonanzfrequenz wie das externe
Resonatorelement 1404 in Resonanz tritt. Das durch die Resonanzenergie
unter Strom gesetzte interne Resonatorelement 1406 erzeugt
Impulse von Energie, die durch einen Gleichrichter 1418 gleichgerichtet werden.
Die Energie kann üblicherweise in Abhängigkeit
von Zeiteinstellungssteuerungen oder anderen Formen der Steuerung
gespeichert und erzeugt werden. Die Energie wird für den
Depolarisationstreiber 1410 bereitgestellt. Eine erste
Elektrode 1412 wird in Bezug auf eine zweite Elektrode 1416 in
der Weise polarisiert, dass durch das Gewebe 1414, das stimuliert
wird, in der Nähe der Elektrode 1412 und 1416 Strom
entnommen wird. Die erste Elektrode 1412 wird in Bezug
auf die zweite Elektrode 1416 in der entgegengesetzten
Polarisation polarisiert, um durch das Gewebe 1414 einen
entgegengesetzt gerichteten Strom zu entnehmen, der das Gewebe 1414 depolarisiert.
Die Elektroden 1412 und 1416 können üblicherweise
aus Gold oder Iridium oder aus irgendeinem anderen geeigneten Material
hergestellt sein.
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Anhand
von 15 zeigt ein Stromlaufplan eine Depolarisationstreiberschaltung 1500 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Zwischen die Elektroden 1502 und 1504 wird
ein Auslösesignal angelegt. Eine Ladekapazität 1514 wird
geladen, bis die Ladung auf der Ladekapazität 1514 die
Durchbruchspannung einer Schottky-Diode 1512 erreicht. Die
Laderate wird durch die Widerstände 1510, 1506 und 1508 reguliert.
Die Widerstände 1506 und 1508 bilden
einen Spannungsteiler, sodass ein Teil des Auslösesignals
die bipolaren Schalter 1520 und 1522 betreibt.
Das Auslösesignal schließt den CMOS 1518 über
den Widerstand 1516 und verbindet die Impulse zwischen
den Elektroden 1526 und 1528. Zwischen die Elektroden 1526 und 1528 ist
ein Depolarisationswiderstand 1524 geschaltet, um die in
dem Gewebe zwischen den Elektroden 1526 und 1528 gespeicherte
Ladung zwischen den Impulsen auszugleichen.
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Anhand
von 16 zeigt ein Stromlaufplan eine Depolarisationstreiberschaltung 1600 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Zwischen die Elektroden 1602 und 1604 wird
ein Auslösesignal angelegt. Auf die Ladekapazität 1614 wird
eine Ladekapazität 1614 geladen. Die Schottky-Dioden 1612 und 1611 können
eine Gleichrichtung bereitstellen. Die Laderate wird durch die Widerstände 1610, 1606, 1634 und 1608 reguliert.
Die Widerstände 1606 und 1608 bilden
einen Spannungsteiler, sodass ein Teil des Auslösesignals
die bipolaren Schalter 1620 und 1622 betreibt.
Das Auslösesignal schließt den CMOS 1618 über
den Widerstand 1616 und verbindet die Impulse zwischen
den Elektroden 1626 und 1628. Die Depolarisationswiderstände 1624 und 1638 sind mit
einem Depolarisations-CMOS 1640 zwischen den Elektroden 1626 und 1628 verbunden,
um die in dem Gewebe zwischen den Elektroden 1626 und 1628 gespeicherte
Ladung zwischen den Impulsen auszugleichen.
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Anhand
von 17 zeigt ein Stromlaufplan eine Depolarisationstreiberschaltung 1700 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Zwischen die Elektroden 1702 und 1704 wird
ein Auslösesignal angelegt. Auf die Ladekapazität 1714 wird
eine Ladekapazität 1714 geladen. Die Schottky-Dioden 1712 und 1711 können
eine Gleichrichtung bereitstellen. Die Laderate wird durch die Widerstände 1710, 1706 und 1708 reguliert.
Die Widerstände 1706 und 1708 bilden
einen Spannungsteiler, sodass ein Teil des Auslösesignals
die bipolaren Schalter 1720 und 1722 betreibt.
Das Auslösesignal schließt den Schalter 1718 über
den Widerstand 1716, der den Impuls zwischen den Elektroden 1726 und 1728 verbindet.
Ein Depolarisationswiderstand 1724 ist mit einem bipolaren
Schalter 1730 zwischen den Elektroden 1726 und 1728 verbunden,
um die in dem Gewebe zwischen den Elektroden 1726 und 1728 gespeicherte
Ladung zwischen den Impulsen auszugleichen.
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Anhand
von 18A zeigt ein Stromlaufplan eine
Depolarisationstreiberschaltung 1800 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Zwischen die Elektroden 1802 und 1804 wird
ein Auslösesignal angelegt. Auf die Ladekapazität 1814 wird
eine Ladekapazität 1814 geladen. Die Schottky-Dioden 1812 und 1811 können
eine Gleichrichtung bereitstellen. Die Laderate wird durch die Widerstände 1810, 1806 und 1808 reguliert.
Die Widerstände 1806 und 1808 bilden
einen Spannungsteiler, sodass ein Teil des Auslösesignals
die CMOS-Schalter 1830, 1832, 1834, 1836, 1838 und 1840 betreibt.
Das Auslösesignal schließt die CMOS 1830, 1834 und 1836 und verbindet
die Impulse zwischen den Elektroden 1826 und 1828.
Zwischen die Elektroden 1826 und 1828 ist ein
Depolarisations-CMOS 1842 geschaltet, um die in dem Gewebe
zwischen den Elektroden 1826 und 1828 gespeicherte
Ladung zwischen den Impulsen auszugleichen.
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Anhand
von 35 zeigt ein Stromlaufplan ein Gewebemodell. Die
Depolarisation wird wichtig, da sich das Gewebe wie eine nichtlineare
Last verhält, die wie gezeigt modelliert werden kann. Ein
Widerstand 3502 ist mit einem Widerstand 3504 parallel zu
einer Kapazität 3506 in Reihe. Diese Anordnung ist
parallel zu einer zweiten Kapazität 3508. Diese Kapazitäten 3506 und 3508 führen
dazu, dass in der Schaltung eine Ladung gespeichert wird, wenn ein intermittierendes
Signal angelegt wird, wie es in dem Gewebe, das durch intermittierende
Stimulationssignale stimuliert wird, geschieht.
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19A ist eine Veranschaulichung eines Einsatzes
einer Mehrzahl drahtloser Mikrotransponder, die überall über
die subkutanen Gefäßbetten und Nervus-Terminalis-Felder
verteilt sind, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform.
Wie gezeigt ist, sind über den Bereich, der von dem chronischen Schmerz
betroffen ist, subkutan in einem verteilten Muster unter der Haut 1904 eine
Mehrzahl unabhängiger drahtloser Mikrotransponder 1908 implantiert. Jeder
Mikrotransponder ist in der Nähe und/oder mit einer Schnittstelle
mit einem Ast der subkutanen sensorischen Nerven 1901 positioniert,
um für diese Nerven eine Elektrostimulation bereitzustellen.
In einer Ausführungsform sind nur synchrone Mikrotransponder
eingesetzt. In einer anderen Ausführungsform sind nur asynchrone
Mikrotransponder eingesetzt. In einer abermals anderen Ausführungsform
ist eine Kombination aus synchronen und asynchronen Mikrotranspondern
eingesetzt.
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Nach
dem Einsatz der Mikrotransponder kann durch Positionieren einer
HF-Leistungsspule 1902 in der Nähe des Orts, wo
die Mikrotransponder implantiert sind, eine Elektrostimulation angelegt werden.
Die Parameter für die wirksame Elektrostimulation können
von mehreren Faktoren abhängen, einschließlich:
der Größe des Nervs oder der Nervenfaser, der/die
stimuliert wird, des effektiven Elektroden/Nerv-Schnittstellenkontakts,
der Leitfähigkeit der Gewebematrix und der geometrischen
Konfiguration der stimulierenden Felder. Während klinische
und empirische Studien für herkömmliche Elektrodentechniken
einen allgemeinen Bereich geeigneter elektrischer Stimulationsparameter
bestimmt haben, unterscheiden sich die Parameter für die
Mikroskalenstimulation weit verteilter Felder sensorischer Nervenfelder
sowohl in Bezug auf die Stimulationsstromstärken als auch
auf die durch diese Stimulation erzielte subjektive sensorische
Erfahrung wahrscheinlich wesentlich.
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Die
Parameter für die effektive wiederholte Impulsstimulation
unter Verwendung herkömmlicher Elektrodentechniken werden üblicherweise
mit Amplituden im Bereich bis zu etwa 10 V (oder bis zu etwa 1 mA),
die bis zu etwa als 1 Millisekunde dauern, für Perioden,
die jeweils mehrere Sekunden bis zu einigen Minuten dauern, bis
zu etwa 100 Impulse/s wiederholt, berichtet. In einer beispielhaften
Ausführungsform kann eine wirksame wiederholte Impulsstimulation
mit einer Amplitude von weniger als 100 μA erzielt werden,
wobei die Stimulationsimpulse weniger als 100 μs dauern.
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19B ist eine Veranschaulichung eines Einsatzes
drahtloser Mikrotransponder, um eine Kopplung mit tiefen Mikrotransponderimplantaten
zu ermöglichen, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform.
Wie hier gezeigt ist, führen zwei einfache elektrische
Drähte 1903 von der subdermalen/subkutanen Spule 1907 zu
der tieferen Stelle, wo ein Feld von Mikrotranspondern 1908 implantiert
ist. Das Fädeln der Drähte 1903 durch
die Zwischenräume zwischen den Muskeln und der Haut umfasst
minimalinvasive Routineeingriffe, die so einfach sind wie das Leiten
der Drähte durch eine hypodermale Röhre ähnlich
endoskopischen Routineverfahren, die Katheter umfassen. Die minimalen
Risiken solcher interstitiellen Drähte 1903 sind
umfassend akzeptiert.
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Eine
tiefe Spule 1905 wird implantiert, um mit dem tief implantierten
Feld von Mikrotranspondern 1908 zu koppeln, das sich nach
Bedarf zur Behandlung einer Vielzahl klinischer Anwendungen in der Nähe
tiefer Ziele der Mikrostimulation wie etwa tiefer peripherer Nerven,
Muskeln oder Organe wie etwa der Blase oder des Magens befindet.
Die tiefe Spule 1905 wird für maximale Kopplungseffizienz
so abgestimmt, dass die Resonanz der externen Spule 1909 auf
die unmittelbare Nähe der implantierten Mikrotransponder 1908 ausgedehnt
wird. Außer dem Ausdehnen des effektiven Bereichs der Mikrotransponder-1908-Implantate
stellt die tiefe Spule 1905 eine weitere drahtlose Verbindung
bereit, die die Integrität irgendeiner weiteren Schutzsperre
um die Zielstelle erhalten kann. Zum Beispiel kann die tiefe Spule 1905 Mikrotransponder 1908 aktivieren,
die innerhalb eines peripheren Nervs eingebettet sind, ohne das
Epineurium zu schädigen, das das empfindliche Gewebe in
einem Nerv schützt. Um optimale Abstimmung der Übertragungsspulen
(z. B. der subdermalen Spule 1907) sicherzustellen, werden
zu der subdermalen Spule 1907 ein veränderlicher
Kondensator oder andere Abstimmelemente in einem Resonanzabstimmkreis 1911 hinzugefügt,
wo sie mit minimalen Risiko einer Gewebeschädigung implantiert werden
können.
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19C ist eine Veranschaulichung eines Einsatzes
drahtloser Mikrotransponder, um die Kopplung mit tiefen Nervenmikrotransponderimplantaten zu
ermöglichen, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform.
Wie hier gezeigt ist, ist eine extraneurale Schnittstellenspule 1905,
die in der Nähe (oder mit einer Schnittstelle mit) einer
Nervenfaser oder eines Zellhaufens 1901 positioniert ist, über
ein einfaches Paar Zuleitungen 1903, die alle Signale und
die Leistung, die für den Betrieb der irgendwo in dem Körper
implantierten Mikrotransponder 1908 notwendig sind, über
den direkt wirksamen Bereich irgendeiner externen Spule 1909 (z.
B. Epidermisspule usw.) hinaus übermitteln, mit einer subkutanen
Weiterleitungsspule 1907 verbunden. In bestimmten Ausführungsformen
wird die subdermale Weiterleitungsspule 1907 für
eine maximale drahtlose magnetische Nahfeldkopplung auf die externe
Spule 1909 abgestimmt und unmittelbar unter der externen
Spule 1909 direkt unter der Oberfläche der Haut 1904 implantiert.
Dies ermöglicht ohne Langzeitschädigung für die
Haut 1904 und das Risiko einer Infektion, dass die durch
die externe Spule 1909 erzeugten HF-Wellen in den Körper
eindringen. In anderen Ausführungsformen wird die subdermale
Weiterleitungsspule 1907 auf die externe Spule 1909 abgestimmt
und subkutan tiefer in das Gewebe implantiert.
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20 zeigt
ein beispielhaftes Injektionssystem 2000, das eine beschickte
Kanüle 2005 und ein Stilett 2003, das
durch die Kanüle 2005 geschoben werden kann, umfasst.
Um einen Mikrostimulator/Mikrotransponder an einem Körperort
sicher einzuführen, ist die Kanüle 2005 quadratisch
und mit einem kleinen Durchmesser ausgelegt wie der Intubator mit abgeschrägtem
Dilatator, der keine scharfen Kanten aufweist. Die Vorderspitze 2001 der
Kanüle 2005 kann eine herausgezogene Kante 2007 enthalten, die
beschickte Mikrotransponder 2009 zu einem Zielkörperort
führt, wo die Platzierung der Mikrotransponder oder der
Anordnung von Mikrotranspondern wahrscheinlich eine Hinabfallplatzierung
ist. Die Mikrotransponder werden abgelagert, während sie durch
das Stilett 2003 geschoben werden und die Nadel/Kanüle 2005 zurückgezogen
wird.
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Die
Kanüle 2005 kann außerdem die Fähigkeit
aufweisen, eine Mikrovorrichtungsanordnung unmittelbar oder während
der nächsten 8–10 Tage ohne einen Einschnitt oder
eine erneute Einführung zurückzugewinnen.
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20 ist
eine Veranschaulichung, wie drahtlose Mikrotransponder unter Verwendung
einer abgeschrägten rechteckigen Nadel zur subkutanen Injektion
in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform implantiert
werden können. Wie gezeigt ist, ist die Nadel 2005 in
der Weise gekrümmt, dass sie an die Querzervixkrümmung
angepasst ist (konkav abgeschrägt) und ohne weitere Dissektion
quer in den subkutanen Raum über der Basis des betroffenen peripheren
Nervengewebes geführt wird. Wenn der Chirurg mit der Technik
vertraut wird, beseitigt die schnelle Einführung üblicherweise
die Notwendigkeit sogar einer kurzen aktiven Allgemeinanästhesie. Nach
der Platzierung der Mikrotransponder 2009 in der Nadel 2005 wird
die Nadel 2005 sorgfältig zurückgezogen
und die Elektrodenplatzierung und -konfiguration unter Verwendung
intraoperativer Tests bewertet. Unter Verwendung eines temporären HF-Senders,
der in der Nähe desjenigen Orts platziert wird, wo die
Mikrotransponder 1003 implantiert werden, wird eine Elektrostimulation
angelegt, sodass der Patient über den Stimulationsort,
die Stimulationsstärke und die Gesamtempfindung berichten kann.
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21 ist
eine Veranschaulichung einer Herstellungsfolge für drahtlose
Mikrotransponder vom Spiraltyp in Übereinstimmung mit einer
Ausführungsform. In Schritt 2102 wird auf einem
Substrat (üblicherweise einem Material auf Pyrex®-Grundlage, wobei aber andere Materialien
ebenfalls verwendet werden können, solange sie mit dem
für die Spiralspule verwendeten leitenden Material und
mit der besonderen Anwendung, auf die der resultierende Mikrotransponder
angewendet wird, kompatibel sind) eine Schicht einer Goldspiralspule
galvanisch beschichtet. Als das Leitermaterial wird wegen seiner hohen
Leitfähigkeit, seiner Oxidationsbeständigkeit und
seiner erwiesenen Fähigkeit, lange Zeitdauern in biologisches
Gewebe implantiert zu werden, galvanisch beschichtetes Gold verwendet.
Allerdings sollte gewürdigt werden, dass andere leitende
Materialien ebenfalls verwendet werden können, solange
das Material die von der besonderen Anwendung, auf die die Mikrotransponder
angewendet werden, geforderten Leitfähigkeits- und Oxidationsbeständigkeitseigenschaften
zeigt. Üblicherweise haben die Goldspiralspulenleiter eine
Dicke zwischen näherungsweise 5 μm bis näherungsweise
25 μm.
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In
einer Ausführungsform nimmt die Goldspiralspule eine erste
Konfiguration an, in der der Goldleiter näherungsweise
10 μm breit ist und in der es zwischen den Wicklungen einen
Abstand von näherungsweise 10 μm gibt. In einer
anderen Ausführungsform nimmt die Goldspiralspule eine
zweite Konfiguration an, in der der Goldleiter näherungsweise
20 μm breit ist und in der es zwischen den Wicklungen einen
Abstand von näherungsweise 20 μm gibt. Wie der
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet würdigen wird, ist
der Umfang der vorliegenden Erfindung aber nicht nur auf diese beispielhaften
Goldspiralspulenkonfigurationen beschränkt, sondern umfasst
vielmehr irgendeine Kombination aus Leiterbreiten und Wicklungsabstand,
die für die besondere Anwendung, auf die die Spule angewendet
wird, geeignet ist.
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In
Schritt 2104 werden die erste Schicht aus Photoresist und
die Keimschicht entfernt. In einer Ausführungsform wird
die Photoresistschicht unter Verwendung eines herkömmlichen
flüssigen Resiststrippers entfernt, um den Photoresist
chemisch in der Weise zu verändern, dass er nicht mehr
an dem Substrat haftet. In einer anderen Ausführungsform wird
der Photoresist unter Verwendung eines Plasmaveraschungsprozesses
entfernt.
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In
Schritt 2106 wird eine Trennschicht aus einem SU-8-Photoresist
rotationsbeschichtet und so strukturiert, dass sie jeden Spiralleiter
vollständig bedeckt. Üblicherweise hat die SU-8-Schicht
eine Dicke von näherungsweise 30 μm. In Schritt 2108 wird
auf der SU-8-Trennschicht unter Verwendung eines herkömmlichen
Prozesses der Abscheidung aus der Dampfphase (PVD-Prozesses) wie
etwa Zerstäuben eine oberste Keimschicht abgelagert. In
Schritt 2110 wird auf der obersten Keimschicht und auf
der SU-8-Trennschicht eine oberste Schicht aus einer positiven Photoresistbeschichtung
strukturiert und in Schritt 2112 wird unter Verwendung
eines herkömmlichen Galvanisierungsprozesses eine Schicht
aus Platin aufgetragen. In Schritt 2114 werden an der leitenden
Platinschicht unter Verwendung von Epoxid ein Chipkondensator und
ein RFID-Chip befestigt und durch Drahtkontaktieren die elektrischen
Verbindungen hergestellt. In bestimmten Ausführungsformen
hat der Kondensator einen Kapazitätsnennwert von bis zu
10.000 Pikofarad (pF).
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Es
ist möglich, so kleine Mikrotransponder einfach dadurch
zu implantieren, dass sie in das subkutane Gewebe injiziert werden.
Der Patient kann unter Verwendung einer Lokalanästhesie
an der Injektionsstelle in Abhängigkeit von dem Einschnitteintrittspunkt
seitlich oder auf dem Bauch positioniert werden. Die subkutanen
Gewebe unmittelbar seitlich von dem Einschnitt werden scharf unterhöhlt,
um eine Schleife der Elektrode aufzunehmen, die nach der Platzierung
und nach dem Tunneln erzeugt wird, um eine Elektrodenwanderung zu
verhindern. Eine Tuohy-Nadel ist sanft gekrümmt, um sich
an die seitliche hintere Zervixkrümmung anzupassen (konkav
abgeschrägt), und wird ohne weitere Dissektion quer in den
subkutanen Raum über die Basis der betroffenen peripheren
Nerven geführt. Wenn der Chirurg die Technik mühelos
beherrscht, beseitigt die schnelle Nadeleinführung üblicherweise
die Notwendigkeit selbst einer kurz wirkenden Allgemeinanästhesie. Nach
dem Platzieren der Elektrode in der Tuohy-Nadel wird die Nadel zurückgezogen
und die Elektrodenplatzierung und -konfiguration unter Verwendung intraoperativer
Tests bewertet. Nach der Zuleitungsplatzierung wird unter Verwendung
eines temporären HF-Senders an verschiedene ausgewählte
Elektrodenkombinationen eine Stimulation angelegt, die ermöglicht,
dass der Patient auf dem Operationstisch über den Stimulationsort,
die Stimulationsstärke und die Gesamtempfindung berichtet.
Auf der Grundlage früherer Erfahrung mit verdrahteten Transpondern sollten
die meisten Patienten bei Spannungseinstellungen von 1 bis 4 Volt
mit mittleren Impulsbreiten und Frequenzen eine sofortige Stimulation
in der ausgewählten peripheren Nervenverteilung berichten.
Ein Bericht über brennenden Schmerz oder Muskelziehen sollte
den Chirurgen warnen, dass die Elektrode wahrscheinlich entweder
zu nahe an der Faszie oder intramuskulär platziert worden
ist.
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Eine
beispielhafte Mikrotransponderanordnung ist vorzugsweise eine Anordnung
verknüpfter Mikrotransponder. Die verknüpfte Anordnung
ist aus einem Material hergestellt, das die Adsorption und die Haftung
an einwachsendem Gewebe verhindert. Ein Vorteil der verknüpften
Anordnung ist, dass die Entfernung der Anordnung einfacher als bei
unverknüpften Mikrotranspondern ist, die einen umfangreichen
Einschnitt an angrenzenden, haftenden Geweben erfordern würde.
Das Konzept ist flexibel, da die Anordnung eine verknüpfte
Anordnung medizinischer Vorrichtungen umfassen kann.
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Die
verknüpfte Anordnung kann aus mehreren Materialien hergestellt
sein. Beispielhafte Materialien, die für die entfernbare
Anordnung geeignet sind, enthalten festes Silikon, poröses
Silikon (sofern die Porengröße das Zelleneinwachsen
nicht fördert) und SU-8 (falls die Mikrotransponderanordnung
in einer Streifenform hergestellt ist). Falls das Material, aus
dem die Anordnung besteht, an eingewachsenem Gewebe haften kann,
kann es eine Oberflächenbeschichtung erhalten, um der Haftung
an eingewachsenem Gewebe zu widerstehen. Beispiele generischer oder
kommerzieller Materialien, die zum Verhindern der Gewebehaftung
an der Anordnung verwendet werden können, enthalten PEG
(Polyethylenglycol), Greatbatch Biomimetic Coating (
US-Patent 6.759.388 B1 )
und Trillium Biosurface von Medtronic. PGE ist ein sehr generisches
Polymer, das der Zellen/Protein-Haftung widersteht.
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Die
Biokompatibilität der Anordnung ist sehr wichtig. Die verknüpfte
Anordnung kann eine Beschichtung in Form einer Monoschicht oder
einer dünnen Schicht aus biokompatiblem Material enthalten.
Vorteile, die Beschichtungen bieten, enthalten die Fähigkeit
zum Verknüpfen von Proteinen mit der Beschichtung. Die
verknüpften Proteine können beschränken,
welche Zelltypen an der Anordnung haften können. Die Beschichtung
kann die Proteinadsorption verhindern und erhöht die Größe
der Vorrichtung nicht wesentlich. Beschränkungen enthalten die
Unfähigkeit zum Lagern von Proteinen für die Langzeitfreisetzung,
um diffusionsfähige Proteine zu verwenden oder Gradienten
zu erzeugen, zur festen Integration mit dem umgebenden Gewebe und
zu fördern, dass Zellen Implantate umgeben oder die Narbenbildung
mildern.
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Poröse
3D-Materialien sollen das Zelleneinwachsen und die Zellenorganisation
fördern. Das poröse 3D-Material kann als ein Puffer
zwischen dem Gewebe und Mikrotranspondern wirken, um eine Reaktionsmikrobewegung
zu verhindern. Beschränkungen enthalten die Schwierigkeit,
die Vorrichtung zu entfernen, wenn Gewebe integriert worden ist,
und die Möglichkeit, dass die Größe des
Implantats deutlich erhöht wird.
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Um
das Lokalisieren der Anordnung während der Entfernung zu
erleichtern, kann die Anordnung markiert werden. Dies kann einen
Marker enthalten, der global an der oder in die Vorrichtung inkorporiert
ist. Ein Fluoreszenzmarker, der dann unter geeigneten Lichtquellen
durch die Haut sichtbar wird, ist eine akzeptable Technik, oder
es kann ein einfaches Chromogen sein.
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Die
Anordnung von Mikrotranspondern wird während des Herstellungsprozesses
in das Injektionssystem beschickt. 22 zeigt
ein Beispiel des Vorladens der Mikrotransponderanordnung 2203 in die
Kanüle 2201 mit oder ohne die Befestigung des Stiletts 2205. 23 zeigt
ein weiteres Beispiel eines vorgepackten Injektionssystems, bei
dem ein Stilett 2303 an einer spritzenartigen Vorrichtung
befestigt ist, bei der ein Griffhalter 2309, eine Feder 2307 und ein
Griff 2305 für die Injektion vorhanden sind. Die gesamte
Packung ist sterilisiert. Das vorbeschickte Zufuhrsystem kann ein
Einwegsystem sein und nur einmal verwendet werden. Nachdem der Herstellungsprozess
abgeschlossen ist, ist die Anordnung 2301 nach Entfernen
aus der Verpackung für die Implantation bereit.
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Die
innere Druckfeder 2307 verhindert, dass das Injektionssystem
die Anordnung während des Versands und der Handhabung versehentlich
abgibt. Um die versehentliche Abgabe zu verhindern und den Schutz
zu verschärfen, kann eine Nadelkappe verwendet werden.
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24(a) zeigt ein vorbeschicktes Injektionssystem
mit einer entspannten Feder. 24(b) zeigt,
dass der Griff 2413 nach Einführen der Nadel/Kanüle 2405 in
das Gewebe geschoben wird, wobei die Feder 2415 zusammengedrückt
wird und das Stilett 2403 die Mikrotransponderanordnung 2401 in das
Gewebe schiebt. Nach der Injektion in das Gewebe wird der Griffhalter 2409 zum
Zurückziehen der Kanüle 2405 verwendet,
wobei die Injektionsanordnung in dem Gewebe verbleibt. 25 zeigt
ein beispielhaftes Aussehen des Injektionssystems unmittelbar nach
dem Mikrotransponderausstoß.
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Die
Materialien für die Konstruktion des Injektionssystems
sind biokompatibel, wobei z. B. die Kanüle und das Stilett
rostfreier Stahl sein können und der Griff und der Griffhalter
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat oder Polyurethan
sein können. Das Stilett kann ebenfalls aus biokompatiblen
Kunststoffen hergestellt sein. Die Sterilisation kann in Übereinstimmung
mit der Standard-GMP-Prozedur durchgeführt und überprüft
werden, die von der FDA für die beabsichtige Produktionsumgebung,
für die beabsichtigen Prozesse und für die beabsichtigten
Zwecke gefordert wird.
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Während
des Vorbeschickungsprozesses müssen die Kanüle
und das Stilett möglicherweise aus einem nutzerspezifischen
extrudierten Material hergestellt werden, sodass es zwischen der
Anordnung und den Wänden der Kanüle beschränkten Raum
gibt. Um die Reibung zwischen der Anordnung und der Kanüle
zu verringern, kann ein biokompatibles Gleitmaterial wie etwa Polyethylenglycol
(PEG) verwendet werden.
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Die
Fremdkörperreaktion (FBR) ist eine der Hauptausfallarten
für elektrische Implantate. Im Allgemeinen wird diese Reaktion
durch die Adsorption und Denaturierung von Proteinen an dem implantierten
Substrat, gefolgt von der Aktivierung von neutrophilen Granulozyten
und Makrophagen, ausgelöst. Makrophagen, die das Implantat
nicht durch Phagozytose abbauen können, beginnen zu verschmelzen, um
Fremdkörperriesenzellen zu bilden, die freie Radikale freisetzen,
die die implantierte Vorrichtung schädigen können.
Häufig folgt darauf die Bildung einer Faser- oder Glianarbe,
die die Vorrichtung kapselt und sie von dem Zielgewebe trennt.
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Es
ist gezeigt worden, dass sowohl poröse Gerüstmaterialien
als auch eine nichtfaulende Beschichtung die Wirts-FBR verringern
können. Für diesen Zweck sind eine Mehrzahl einzigartiger
Materialien und Entwürfe getestet worden. Es ist erwünscht, nicht
nur die FBR zu verringern, sondern auch den engen Kontakt zwischen
den implantierten Vorrichtungen und den Zielgeweben zu fördern.
Der Hauptnachteil bei früheren Strategien, die die Gewebeintegration
mit Implantaten fördern, ist, dass sie nur durch Ausschneiden
von tatsächlichem Gewebe entfernt werden konnten. Diese
Anmeldung offenbart einen neuen Entwurf, um sowohl die Gewebeintegration
zu fördern als auch die Entfernung von Vorrichtungen im
Fall eines Ausfalls, einer Patientenparanoia oder des Abschlusses
der Therapie zu ermöglichen.
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Wie
in 26 und 27 gezeigt
ist, können zu diesem Zweck eine Mehrzahl einzelner Mikrotransponder 2605 durch
ein haltbares, nichtfaulendes Material, z. B. SU8, miteinander verknüpft
werden, um eine Anordnung und einen Kernstreifen 2603 zu
bilden, wobei die Oberfläche mit einem gleitfähigen,
die Proteinabsorption verhinderten ”Tarnkappen”-Material
beschichtet wird. Der Kernstreifen wird daraufhin in ein poröses
Gerüst 2601 eingebettet. Das Kernmaterial wird
aus einem Material hergestellt (oder mit ihm beschichtet), das die
Haftung mit dem Gerüst und das Einwachsen von Gewebe minimiert.
Für das Gerüst, das in der Weise ausgelegt ist,
dass es sowohl die FBR minimiert als auch das Eindringen von Endothelialzellen
und Neuraxonen fördert, wird ein biokompatibles Material
verwendet, das das Wachstum von umgebendem Gewebe bis zu den implantierten Vorrichtungen
und zu dem freiliegenden SU8 fördert. Durch Trennen des
Gewebeintegrationsgerüstbildung von dem festen Kern kann
die Entfernung der tatsächlichen Vorrichtungen einfach
dadurch ausgeführt werden, dass ein Einschnitt vorgenommen
wird, der das Ende des Kerns freilegt, das ergriffen wird und daraufhin
aus dem Gerüst herausgeschoben wird.
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In 28 und 29 ist eine weitere Ausführungsform
der Mikrotransponderanordnung gezeigt. Der Kernstreifen 2803 ist
ein fester Streifen, der eine eingebettete Anordnung einzelner Mikrotransponder enthält,
wobei die obenliegende und die untenliegende Elektrode der Mikrotransponder
durch ”Fenster” 807 freiliegen. Die Elektrodenoberflächen
und der Streifen können mit einem gleitfähigen,
die Proteinabsorption verhindernden ”Tarnkappen”-Material
beschichtet sein. Der Kernstreifen wird daraufhin in ein poröses
Gerüst/eine poröse Matrix 2801 eingebettet, sodass
die Gerüstbildung in die ”Fenster” verläuft.
Es kann ein anderes haltbares und biegsameres Material als SU8 verwendet
werden und die eingebetteten Mikrotransponder können besser
geschützt werden. Die Elektroden der Mikrotransponder 2805 können vollständig
von Proteinen/Geweben isoliert werden, die Ionen in der Lösung
aber weiter beeinflussen.
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Andere
für Anwendungen wie etwa die Hirnnervstimulation geeignete
Entwürfe (die auf periphere Nerven allgemein angewendet
werden können) können ebenfalls angenommen und
angepasst werden. Ein in 30 gezeigter
Entwurf besteht aus einer biegsamen Spirale, die auf der Innenoberfläche freiliegende
Mikrotransponder enthält, die in einer Weise angeordnet
sind, dass alle Spulen parallel zu der darüber liegenden
Haut liegen. Die Anordnung von Mikrotranspondern kann verknüpfte
Elektroden aufweisen, sodass sie als ein einzelner Stimulator wirken,
um die Stimulation um den gesamten Umfang des Nervs zu maximieren.
Die Größen der Mikrotransponder können
in quadratischen Formfaktoren der Größen (Mikrometer)
wie etwa 500 × 500; 1000 × 1000; 2000 × 2000,
in rechteckigen Formfaktoren der Größen (Mikrometer)
wie etwa 200 × 500; 250 × 750; 250 × 1000
geformt sein.
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Anhand
von 31 zeigt ein Blockschaltplan einen einzeln adressierbaren
drahtlosen Mikrotransponder 3100 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Der einzeln adressierbare drahtlose Mikrotransponder 3100 kann üblicherweise
einen resonanten Empfänger 3102 enthalten. Der
resonante Empfänger 3102 kann eine Induktivitäts-Kapazitäts-Schaltung
(LC-Schaltung) wie etwa ein Parallelschwingkreis sein. Der resonante
Empfänger 3102 kann mit einem adressierbaren Treiber 3104 verbunden
sein. Der adressierbare Treiber 3104 kann Leistung, Anweisungen
und/oder Adresseninformationen von dem resonanten Empfänger 3102 empfangen. Der
adressierbare Treiber 3104 kann Anweisungen und/oder Adresseninformationen
von einer anderen externen Quelle als von dem resonanten Empfänger 3102 empfangen.
Der adressierbare Treiber 3104 kann in Übereinstimmung
mit den durch den adressierbaren Treiber 3104 empfangenen
Adresseninformationen einen elektrischen Strom durch die Elektroden 3106 liefern.
Der Durchgang des elektrischen Stroms zwischen den Elektroden 3106 stimuliert
das Gewebe 3114 in der Nähe der Elektroden 3106.
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In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform ist der einzeln adressierbare
drahtlose Mikrotransponder 3100 in menschliches Gewebe 3114 unter
einer Hautschicht 3112 eingebettet. Eine resonante Leistungsquelle 3108 kann
so abgestimmt werden, dass ihre elektromagnetische Energie bei einer
Frequenz, die in dem resonanten Empfänger 3102 des einzeln
adressierbaren drahtlosen Mikrotransponders 3100 Leistung
erzeugt, in Resonanz ist. Ein Adressierungssteuermodul 3110 kann
mit der resonanten Leistungsquelle 3108 kommunikationstechnisch
verbunden sein und kann adressierte Anweisungen für die
resonante Leistungsquelle 3108 zur Weiterleitung zu dem
resonanten Empfänger 3102 bereitstellen. Die Adressierungssteuerung 3110 kann direkt
mit dem adressierbaren Treiber kommunizieren.
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Anhand
von 32 zeigt ein Blockschaltplan ein adressierbares
drahtloses Mikrotranspondersystem 3200 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform. Ein Adressierungssteuermodul 3202 bestimmt
Anweisungen für jeden der implantierten Mikrotransponder 3216, 3218, 3220, 3222, 3224, 3226, 3228 und 3230.
Die Anweisungen werden in Verbindung mit den richtigen Mikrotransponderadressen
zu einer oder zu mehreren resonanten Quellen 3204, 3206, 3208, 3210 und 3212 in
der Nähe der adressierten Mikrotransponder 3216, 3218, 3220, 3222, 3224, 3226, 3228 und 3230 übermittelt.
Zum Beispiel bestimmt das Adressierungssteuermodul 3202,
dass ein Stimulationsimpuls vom Mikrotransponder 3222 mit
einer Adresse = 003 zu senden ist. Das Adressierungssteuermodul 3202 kann
eine Anweisung für die resonante Quelle C 3208 zum
Bereitstellen eines Signals, das die Adresse = 003 enthält, senden.
Obgleich die Mikrotransponder 3220 und 3224 ausreichend
nahe bei der aktivierten resonanten Quelle C 3208 sein
können, erzeugt nur der Mikrotransponder 3222 mit
einer Adresse = 3 den Stimulationsimpuls.
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Anhand
von 33 zeigt ein Blockschaltplan einen adressierbaren
Mikrotransponder 3300. Ein Einheitsresonator 3302 empfängt
an einen Demodulator 3304 ausgegebene Resonanzenergie. Der
Demodulator 3304 entscheidet die Dateninhaltsausgabe an
eine Steuerschaltung 3308. Die Steuerschaltung 3308 verwendet
Adressierungsdaten 3306 zum Filtern von an einen Stimulationstreiber 3310 ausgegebenen
Stimulationsanweisungen. Der Stimulationstreiber 3310 gibt
einen Stimulationsimpuls an eine Elektrode 3312 aus.
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Anhand
von 34 zeigt ein Blockschaltplan ein adressierbares
Mikrotranspondersystem 3400. Ein Resonator 3402 sendet
in Übereinstimmung mit Anweisungen, die durch eine Steuerung 3404 bereitgestellt
werden, Resonanzenergie. Die Mikrotransponder 3406, 3408, 3410, 3412, 3416, 3418, 3420, 3422, 3424 und 3426 können
in adressierbaren Gruppen angeordnet sein. Zum Beispiel können
die Mikrotransponder 3406, 3408, 3410 und 3412 eine
erste Gruppe bilden, die durch eine Gruppenadresse adressierbar
ist. Die Mikrotransponder 3414, 3416, 3418 und 3420 können
eine zweite Gruppe bilden, die durch eine zweite Gruppenadresse
adressierbar ist. Die Mikrotransponder 3422, 3424 und 3426 können
eine dritte Gruppe bilden.
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Anhand
von 36 ist eine drahtlose Mikroimplantatplattform 3600 gezeigt.
Die Plattform 3600 hält an einem Ende der Plattform 3600 und üblicherweise
sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite Oberflächenelektroden 3602.
Ein LC-Resonanzkreis ist mit einer Spiralmikrospule 3604 und mit
einer Kapazität 3606 gebildet. Die Gleichrichterdioden 3608 sind
zwischen dem Resonanzkreis und den Elektroden 3602 positioniert.
Die Oberflächenelektroden 3602 können
für die Nervenstimulation oder für irgendeine
andere geeignete Verwendung verwendet werden.
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Anhand
von 37 ist eine drahtlose Mikroimplantatplattform 3700 gezeigt.
Die Plattform enthält an einem Ende der Plattform 3700 einen ASIC-Sockel 3710.
Ein LC-Resonanzkreis ist mit einer flachen Spiralmikrospule 3704 und
mit einer Kapazität 3706 gebildet. Die Gleichrichterdioden 3708 können
zwischen dem Resonanzkreis und den Elektroden 3702 positioniert
sein.
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Anwandlungen und Änderungen
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Wie
der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, können die in der
vorliegenden Anmeldung beschriebenen innovativen Konzepte über
einen weiten Bereich von Anwendungen abgewandelt und geändert werden,
sodass der Umfang des patentierten Gegenstands nicht auf irgendeine
der spezifischen beispielhaften gegebenen Lehren beschränkt
ist. Er soll alle solche Alternativen, Abwandlungen und Änderungen,
die in dem Erfindungsgedanken und weiten Umfang der beigefügten
Ansprüche liegen, umfassen.
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Obgleich
die vorliegenden Ausführungsformen in der Weise beschrieben
worden sind, dass sie zahlreiche Merkmale und Vorteile schaffen,
könnten sie z. B. als eine mit einem Kondensator und mit
einem Gleichrichter verbundene Spule minimale Transponderschaltungen
enthalten.
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Unmittelbar
nach dem Gleichrichterelement 318 kann eine Spannungserhöhungsschaltung
eingefügt sein, um die für die Stimulation und
den Betrieb der integrierten Elektronik verfügbare Versorgungsspannung über
die Grenzen derjenigen, die durch eine miniaturisierte LC-Schwingkreisschaltung erzeugt
werden könnte, hinaus zu erhöhen. Die Spannungserhöhungsschaltung
kann unter Verwendung der kleinstmöglichen LC-Bauelemente,
die eine zu kleine Spannung, z. B. weniger als 0,5 Volt, erzeugen
können, Elektrostimulation und andere Mikrotransponderoperationen
ermöglichen.
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Beispiele
hocheffizienter Spannungserhöhungsschaltungen enthalten
Ladungspumpen und Schalterhöhungsschaltungen unter Verwendung
von Schottky-Dioden mit niedrigem Schwellenwert. Allerdings kann
selbstverständlich irgendein Typ einer herkömmlichen
hocheffizienten Spannungserhöhungsschaltung in dieser Kapazität
genutzt werden, solange sie die von der besonderen Anwendung, auf die
der Mikrotransponder angewendet wird, geforderte Spannung erzeugen
kann.
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Während
die Mikrotransponder innerhalb der Kanüle sind, brauchen
sie nicht physikalisch verknüpft zu sein und können
bei niedriger Temperatur wie etwa um 40 C gelagert werden; die physikalisch verknüpfte
Anordnung kann nach der Injektion durch ein biokompatibles gelartiges
Material wie etwa MatrigelTM (ein Produkt
der BD Biosciences, Inc) gebildet werden, das erstarrt, wenn es
höherer Temperatur wie etwa der Körpertemperatur
ausgesetzt wird, wobei der Raum zwischen jedem Mikrotransponder durch
die Schubgeschwindigkeit eingestellt werden kann.
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Die
Form der Kanüle, die Breite, die Dicke und die Länge
variieren für verschiedene Zwecke und klinische Verwendungen,
wobei die Kanüle z. B. für die tiefe Gewebeinjektion
aus einem festeren Material mit einem schärferen Rand mit
einem lang verlängerten Körper hergestellt sein
kann.
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Zum
Beispiel können die verknüpften Mikrotransponder
in einer Ausführungsform eher als ein lang gestreckter
Streifen sowohl longitudinal als auch quer verknüpft werden,
um eine geometrische Form zu bilden. Die Formen können
Quadrate, Sechsecke, Rechtecke, Ovale und Kreise enthalten.
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Die
Anordnung kann außerdem auf einem einzelnen Substrat gebildet
werden, wobei vorübergehend eine Kette oder Gruppe von
Anordnungen konstruiert wird, um eine einzelne integrierte Struktur zu
bilden. Außerdem kann es möglich sein, unter Verwendung
einer Monofilleitung verknüpfte Anordnungen wie etwa einen
Strang von Anordnungen zu konstruieren.
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Eine
solche spezifische Änderung verzichtet auf die subdermale/äußere Übertragungsspule,
um eine Dreispulen-Leistungserzeugungsanordnung zu verwenden. Die
Leistung von der externen Spule würde an die subkutane/innere Übertragungsspule übertragen,
die die Mikrotranspondermikrospule mit Leistung versorgen würde.
Die Schnittstelle zwischen den zwei Übertragungsspulen
kann Hochfrequenz-, Niederfrequenz- oder Gleichstromleistung umfassen.
Die verdrahtete Verbindung zwischen den zwei Übertragungsspulen
kann üblicherweise koaxial oder eine erdsymmetrische Leitungsverbindung
sein. Die externe Spule und die subdermale/äußere Übertragungsspule
können parallele Spulen auf der Hautoberfläche
umfassen. Ferner kann es mehrere interne Treiber für die
Leistungsversorgung der Mikrotransponder geben. Die Konfiguration
kann die räumliche Auflösung nutzen. Schließlich
ist die beschriebene Ausführungsform eine einzelne Leistungsübertragung
durch eine interne Gewebegrenze, während sich die Erfindung
ebenfalls auf eine doppelte durch zwei interne Grenzen oder potentiell mehr
erstreckt.
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Außerdem
ist es in der Erfindung möglich, die Leistungsquelle zu ändern.
Die Verbindung zwischen der subdermalen Spule (oder äußeren Übertragungsspule)
und der subkutanen Spule (oder inneren Übertragungsspule)
braucht nicht notwendig eine Verbindung bei der Resonanz-HF-Frequenz
aufzuweisen. In alternativen Ausführungsformen wird betrachtet,
dass diese Leistungsübertragungsverbindung Gleichstrom
oder Wechselstrom mit einer niedrigeren Frequenz als HF oder mit
einer nichtresonanten Wechselstrom-Frequenz der Mikrotranspondermikrospulen
sein kann. Falls die Verbindung Gleichstrom ist, wäre in
der äußeren Übertragungsspulenschaltungsanordnung
eine Leistungsumsetzungsstufe enthalten, um die empfangene HF-Leistung
in Gleichstrom umzusetzen. Dies kann ganz ähnlich wie bei
der Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzung sein, die normalerweise zum
Aufladen des Speicherkondensators für Stimulationsimpulse
verwendet wird. In diesem Fall müsste die innere Übertragungsspule
einen Oszillator derselben Sorte enthalten oder mit ihm kombiniert
sein, um aus der empfangenen Gleichstromleistung ein Wechselstromsignal
(für die drahtlose Kopplung) zu erzeugen. Eine ähnliche
Anpassung wird verwendet, falls das Verbindungsglied bei einer niedrigeren
Wechselstromfrequenz an einer nichtresonanten Wechselstromfrequenz
arbeitet, wobei eine Umsetzerschaltung ein Wechselstromsignal erzeugt,
das mit den Mikrotransponder-Mikrospulen und -Leistungsschaltungen
kompatibel ist.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Stimulationssystem
geschaffen, das umfasst: einen Stimulationstreiber, der Bioschnittstellenelektroden
mit einer Impulsform ansteuert, die mehr als 2/3 der Gesamtenergie
des Impulses sendet, bevor 1/3 der Gesamtdauer des Impulses verstrichen
sind.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Stimulationssystem
geschaffen, das umfasst: einen Stimulationstreiber, der Bioschnittstellenelektroden,
die mit Gewebe in Kontakt stehen, mit einem Impuls intermittierend
ansteuert; wobei der Stimulationstreiber eine Quellimpedanz aufweist,
die weniger als die Hälfte der Größe der
Impedanz ist, die bei den Elektroden gesehen wird, wenn der Impuls
auf die Hälfte seiner Spitzenspannung gestiegen ist.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Stimulationssystem
geschaffen, das umfasst: einen Stimulationstreiber, der Bioschnittstellenelektroden,
die mit Gewebe in Kontakt stehen, mit einem Impuls intermittierend
ansteuert; wobei der Impuls nach der Spitze davon näherungsweise
in Übereinstimmung mit einer Zeitkonstanten abfällt;
wobei der Stimulationstreiber den Impuls in der Weise ansteuert,
dass er eine Anstiegszeit aufweist, die weniger als die Hälfte
der Zeitkonstanten ist.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird eine Stimulation
geschaffen, die umfasst: einen Stimulationstreiber, der Bioschnittstellenelektroden,
die mit Gewebe in Kontakt stehen, mit einem Impuls intermittierend
ansteuert; wobei der Impuls eine Form aufweist, die für
die Übertragung von Energie durch einen Reihenkondensator
optimiert ist.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren
für die Nervenstimulation geschaffen, wobei das Verfahren
umfasst: Ansteuern von Bioschnittstellenelektroden mit einer Impulsform,
die mehr als 2/3 der Gesamtenergie des Impulses sendet, bevor 1/3
der Gesamtdauer des Impulses verstrichen sind.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Stimulationsverfahren
geschaffen, das umfasst: intermittierendes Ansteuern von Bioschnittstellenelektroden,
die mit Gewebe in Kontakt stehen, mit einem Impuls durch einen Stimulationstreiber;
wobei der Stimulationstreiber eine Quellimpedanz aufweist, die weniger
als die Hälfte der Größe der Impedanz
ist, die bei den Elektroden gesehen wird, wenn der Impuls auf die
Hälfte seiner Spitzenspannung gestiegen ist.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Stimulationsverfahren
geschaffen, das umfasst: intermittierendes Ansteuern von Bioschnittstellenelektroden,
die mit Gewebe in Kontakt stehen, mit einem Impuls; wobei der Impuls nach
einer Spitze davon näherungsweise in Übereinstimmung
mit einer Zeitkonstanten abfällt; wobei der Impuls eine
Anstiegszeit aufweist, die weniger als die Hälfte der Zeitkonstanten
beträgt.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen wird ein Stimulationsverfahren
geschaffen, das umfasst: intermittierendes Ansteuern von Bioschnittstellenelektroden,
die mit Gewebe in Kontakt stehen, mit einem Impuls; wobei der Impuls eine
Form aufweist, die für die Übertragung von Energie
durch einen Reihenkondensator optimiert ist.
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In Übereinstimmung
mit verschiedenen Ausführungsformen werden ein Stimulationssystem
und -verfahren geschaffen, die einen Stimulationstreiber enthalten,
der Bioschnittstellenelektroden mit einer Impulsform ansteuert,
die mehr als 2/3 der Gesamtenergie des Impulses sendet, bevor 1/3
der Gesamtdauer des Impulses verstrichen sind.
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Die
folgenden Anmeldungen können zusätzliche Informationen
und alternative Abwandlungen enthalten: Aktenzeichen des Anwalts
Nr. MTSP-29P, lfd. Nr. 61/088.099, eingereicht am 12.8.2008 und
mit dem Titel ”In Vivo Tests of Switched-Capacitor Neural Stimulation
for Use in Minimally-Invasive Wireless Implants; Aktenzeichen des
Anwalts Nr. MTSP-30P, lfd. Nr. 61/088.774, eingereicht am 15.8.2008
und mit dem Titel ”Micro-Coils to Remotely Power Minimally Invasive
Microtransponders in Deep Subcutaneous Applications”; Aktenzeichen
des Anwalts Nr. MTSP-31P, lfd. Nr. 61/079.905, eingereicht am 8.7.2008
und mit dem Titel ”Microtransponders with Identified Reply
for Subcutaneous Applications”; Aktenzeichen des Anwalts
Nr. MTSP-33P, lfd. Nr. 61/089.179, eingereicht am 15.8.2008 und
mit dem Titel ”Addressable Micro-Transponders for Subcutaneous
Applications”; Aktenzeichen des Anwalts Nr. MTSP-36P, lfd.
Nr. 61/079.004, eingereicht am 8.7.2008 und mit dem Titel ”Microtransponder
Array with Biocompatible Scaffold”; Aktenzeichen des Anwalts
Nr. MTSP-38P, lfd. Nr. 61/083.290, eingereicht am 24.7.2008 und
mit dem Titel ”Minimally Invasive Microtransponders for
Subcutaneous Applications”; Aktenzeichen des Anwalts Nr.
MTSP-39P, lfd. Nr. 61/086.116, eingereicht am 4.8.2008 und mit dem
Titel ”Tintinnitus Treatment Methods and Apparatus”; Aktenzeichen
des Anwalts Nr. MTSP-40P, lfd. Nr. 61/086.309, eingereicht am 5.8.2008
und mit dem Titel ”Wireless Neurostimulators for Refractory
Chronic Pain”; Aktenzeichen des Anwalts Nr. MTSP-41P, lfd. Nr.
61/086.314, eingereicht am 5.8.2008 und mit dem Titel ”Use
of Wireless Microstimulators for Orofacial Pain”; Aktenzeichen
des Anwalts Nr. MTSP-42P, lfd. Nr. 61/090.408, eingereicht am 20.8.2008
und mit dem Titel ”Update: In Vivo Tests of Switched-Capacitor
Neural Stimulation for Use in Minimally-Invasive Wireless Implants”;
Aktenzeichen des Anwalts Nr. MTSP-43P, lfd. Nr. 61/091.908, eingereicht
am 26.8.2008 und mit dem Titel ”Update: Minimally Invasive
Microtransponders for Subcutaneous Applications”; Aktenzeichen
des Anwalts Nr. MTSP-44P, lfd. Nr. 61/094.086 eingereicht am 4.9.2008
und mit dem Titel ”Microtransponder MicroStim System and
Method”; Aktenzeichen des Anwalts Nr. MTSP-28, lfd. Nr.
..., eingereicht am ... und mit dem Titel ”Implantable
Transponder Systems and Methods”; Aktenzeichen des Anwalts
Nr. MTSP-30, lfd. Nr. ..., eingereicht am ... und mit dem Titel ”Transfer
Coil Architecture”; Aktenzeichen des Anwalts Nr. MTSP-31,
lfd. Nr. ..., eingereicht am ... und mit dem Titel ”Implantable
Driver with Charge Balancing”; Aktenzeichen des Anwalts
Nr. MTSP-32, lfd. Nr. ..., eingereicht am ... und mit dem Titel ”A
Biodelivery System for Microtransponder Array”; Aktenzeichen
des Anwalts Nr. MTSP-46, lfd. Nr. ..., eingereicht am ... und mit
dem Titel ”Implanted Driver with Resistive Charge Balancing”;
und Aktenzeichen des Anwalts Nr. MTSP-47, lfd. Nr. ..., eingereicht
am ... und mit dem Titel ”Array of Joined Microtransponders
for Implantation”, wobei diese hier sämtlich durch
Literaturhinweis eingefügt sind.
-
Nichts
in der Beschreibung in der vorliegenden Anmeldung soll so gelesen
werden, dass es bedeutet, dass irgendein bestimmtes Element, irgendein
bestimmter Schritt oder irgendeine bestimmte Funktion ein wesentliches
Element ist, das in dem Anspruchsumfang enthalten sein muss: DER
UMFANG DES PATENTIERTEN GEGENSTANDS IST LEDIGLICH DURCH DIE ZULÄSSIGEN
ANSPRÜCHE DEFINIERT. Darüber hinaus soll sich
keiner dieser Ansprüche auf den Paragraphen sechs der 35 USC,
Abschnitt 112, berufen, es sei denn, dass auf die genauen Wörter ”Mittel
zum” ein Partizip folgt.
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Die
Ansprüche wie eingereicht sollen so umfassend wie möglich
sein und KEIN Gegenstand ist absichtlich aufgebeben, dediziert oder
fallengelassen worden.
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Zusammenfassung
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Ein
Stimulationssystem und ein Verfahren enthalten einen Stimulationstreiber,
der Bioschnittstellenelektroden mit einer Impulsform ansteuert,
die mehr als 2/3 der Gesamtenergie des Impulses sendet, bevor 1/3
der Gesamtdauer des Impulses verstrichen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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Zitierte Patentliteratur
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