DE19944649C2 - Vorrichtung einer elektronischen Impulsauswertung zur Steuerung von Elektroden zum Einsatz in Muskeln, Nerven und Organen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuer-Vorrichtung zur Wieder-Aktivierung menschlicher Muskulatur, nämlich eines gelähmten Körperteils, insbesondere eines gelähmten Beines, wobei mindestens eine Elektrode zur Abgabe eines elektrischen Impulses vorgesehen ist, wobei eine Impulsauswerte-Einheit in Form einer elektronischen Schaltung auf einem Mikrochip vorgesehen ist und wobei die Elektrode über einen Impulssender aktivierbar ist.

Im Stand der Technik sind unterschiedlich ausgebildete Steuer-Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt. Zunächst ist aus der DE 42 29 330 A1 eine entsprechende Steuer- Vorrichtung zur Wieder-Aktivierung menschlicher Muskulatur bekannt. Hierzu gehört zunächst eine Elektrode zur Abgabe eines elektrischen Impulses, bzw. weitere elektronische Bausteine bzw. eine entsprechend ausgebildete Schaltung, die auf einem Mikrochip vorgesehen ist, wobei eine Impulsauswerte-Einheit vorgesehen ist, welche die Impulse eines Impulssenders auswertet, wobei die Elektrode schließlich dann entsprechend aktivierbar ist, also einen elektrischen Impuls absetzt bzw. "feuert", so dass die entsprechende Nervenbahn bzw. die Muskelfaser "aktiviert" wird.

Weiterhin sind Steuer-Vorrichtungen in der Zeitschrift "Biomedizinische Technik" (Band 44, Heft 5/1999, S. 114 ff.) bzw. aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on biomedical engineering" (Nr. 7, Juli 1987, S. 499 ff.) bekannt, bei denen entsprechende Elektroden zumeist teilweise in den menschlichen Körper oder in das menschliche Gewebe implantierbar sind, allerdings alle mit Kabeln bzw. mit Drähten entsprechend angesteuert werden, insbesondere nämlich mit einer Impulsauswerte-Einheit über Kabel bzw. Drähte verbunden sind.

Die im Stand der Technik bekannten Steuer-Vorrichtungen sind noch nicht optimal ausgebildet. Zum einen werden mehrere Elektroden über entsprechende Kabel- bzw. Drahtverbindungen angesteuert, teilweise existiert für mehrere Elektroden eine einzige Impulsauswerte-Einheit sowie der Impulssender immer nahe im Bereich der Impulsauswerte- Einheit zumeist vom Benutzer getragen werden muss. Für einen Benutzer ist die bekannte Steuer-Vorrichtung daher noch nicht optimal und auch nicht sehr komfortabel zu tragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Steuer-Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass diese für einen Benutzer leichter zu tragen ist, insbesondere die Ansteuerbarkeit der Elektroden sowie die Ausbildung der gesamten Steuer-Vorrichtung vereinfacht sind.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist nun dadurch gelöst, dass die Steuer-Vorrichtung so ausgebildet ist, dass diese als hochintegrierte Gesamteinheit von Stimulationselektrode oder Sensingelektrode und Impulsauswerte-Einheit ohne jegliche Kabelverbindungen zwischen oder in Muskelfaser und/oder Nerven implantierbar und positionierbar ist und dass eine Vielzahl von Gesamteinheiten drahtlos von außen, nämlich von dem externen Impulssender ansteuerbar sind, wobei die Energiezufuhr der Gesamteinheiten mittels einer induktiven Kopplung erfolgt. Durch diese Ausbildung der Steuer-Vorrichtung, die zwischen oder in Muskelfasern bzw. Nerven entsprechend positionierbar ist, werden die eingangs beschriebenen Nachteile vermieden, da nun sämtliche Bestandteile mit Ausnahme des externen Impulssenders innerhalb des menschlichen Gewebes implantiert sind. Insbesondere dadurch, dass die Impulsauswerte-Einheit nun drahtlos ansteuerbar ist, entfallen auch die bisher erforderlichen Kabel bzw. Drähte. Hierdurch ist der Komfort für den Benutzer erheblich erhöht, sowie die gesamte Steuer-Vorrichtung und deren Handhabung wesentlich vereinfacht.

Im folgenden soll nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden:
Zur Reizung von Muskelfasern oder Nerven ist eine Vielzahl Elektroden erforderlich. Die im folgenden beschriebene elektronische Vorrichtung ermöglicht es, Elektroden sowohl selektiv anzusteuern als auch über eine Impulsabgabe zu entscheiden. Die Steuerung teilt der Elektrode mit, wann sie "dran" ist und ob sie "feuern" soll oder nicht.

Durch eine hohe Integration der elektronischen Bausteine der Vorrichtung, z. B. auf einem Microchip, ließen sich Elektroden entwickeln, die so klein sind, daß sie zwischen oder in Muskelfasern oder Nerven platziert werden können.

Auch Drüsenzellen oder Hirnareale ließen sich hierdurch selektiv stimulieren. Gleiches gilt für andere Organe.

Da die Ansteuerung der Schaltung von extern über einen Impulssender erfolgt, entfallen die sonst üblichen Zuführungskabel.

Funktionsprinzip

Ein Impulssender überträgt drahtlos über eine kurze Entfernung (Zentimeter bis einige Meter) Impulse in ein Gebiet des Körpers, in den Elektroden implantiert wurden. Diese Elektroden enthalten die nachfolgend beschriebene Vorrichtung zur Impulsauswertung:
Eine Impulsformerstufe (z. B. Schmitt-Trigger) empfängt die von einem Impulssender übertragenen Impulse und bereitet sie zu Rechteckimpulsen auf und leitet die Impulse zu einem Zähler weiter.

Die Anzahl der Zählerstufen bemißt sich nach dem Einsatzgebiet bzw. der anzusteuernden Elektroden.

4096 Elektroden lassen sich mit einem 12 Bit Binärzähler ansteuern. Über 16000 Elektroden lassen sich über einen 16 Bit Zähler ansteuern.

Über einen 7-Bit Zähler können 128 Elektroden angesteuert werden, 1 bis 16 Elektroden bei einem 4 Bit Zähler, 256 Elektroden bei einem 8 Bit Zähler. Gleiches gilt für synchron arbeitende Zähler Welcher Binärzählertyp (synchron oder asynchron, 1-stufig oder bis 20-stufig) eingesetzt wird, bemißt sich nach dem Einsatzgebiet.

Die den Zählerausgängen nachfolgende Beschaltung muß der Anzahl der Binärstufen angepasst werden (weniger oder mehr Eingänge des Nand-Gatters, weniger oder mehr Inverter vor den Eingängen des Nand-Gatters), ist vom Prinzip her jedoch für alle Zähler gleich:
Die Ausgänge eines Zählers werden mit einem Nand- Gatter verbunden. Entsprechend der Nummer der Elektrode werden nur die Zählerausgänge mit dem Nand-Gatter verbunden, die für die Elektrode binär kodieren. Durch diese Schaltung wird der Elektrode mitgeteilt, daß sie "dran" ist.

Verwendet man einen Zähler mit positiver Ausgangslogik gilt 1 = High und 0 = Low. Da die Ausgänge des Zählers Schaltzustände im Binärcode liefern, müssen die Low- Zustände zur Ankoppelung an ein Nand-Gatter invertiert werden. Soll beispielsweise Elektrode Nr. 81 angesteuert werden, ergibt sich im Binärcode 1010001. Für Elektrode 106 ergibt sich 1101010.

Zum Durchschalten des Nand Gatters der Elektrode beispielsweise Nr. 81 werden die drei H = 1 Ausgänge des Zählers direkt mit dem Nand-Gatter verbunden. Die Low = 0 Ausgänge müssen einzeln über Inverter dem Nand-Gatter zugeführt werden. Für jede Elektrode ergibt sich entsprechend dem zugehörigen Binärcode ein anderes Muster aus direkter Verbindung und Verbindung über Inverter zwischen Zähler und Nand- Gatter. Gleiches würde gelten, wenn man anstelle des Nand-Gatters ein Und-Gatter verwenden würde. In den Zeichnungen der Steuerungsvarianten sind die Verbindungen zwischen Zählerstufen und Nand- Gatter (direkte Verbindungen und Inverter) als Schalter dargestellt. Dies dient nur der Verdeutlichung des Prinzips. Bei der Herstellung der Impulsauswertervorrichtung werden die Verbindungen entsprechend dem Binärcode der Elektrode ohne Schalter ausgeführt.

Der Ausgang des Nand-Gatters wird über einen Inverter auf eine Torstufe geschaltet.

(Bei Verwendung eines Und-Gatters anstelle des Nand-Gatters entfällt der Inverter).

Die Torstufe dient zur Laufzeitmessung des Impulssignals. Die Torstufe wird gebildet aus einem Verzögerungsglied und zwei Invertern, die mit den jeweiligen Eingängen eines Und-Gatters verbunden werden. Anstelle des Verzögerungs- Gliedes können auch mehrere Inverter in Serie als Laufzeit­ verzögerer eingesetzt werden (Variante).

Aus der Kombination des Und-Gatters mit dem Verzögerungsglied (bzw. Inverterkettte) am zweiten Eingang des Und-Gatters und den Invertern am ersten Eingang des Und-Gatters wird eine Torstufe gebildet, die der Elektrode mitteilt, ob sie "feuern" soll oder nicht.

Durch die Veränderung der Impulsbreite des übertragenden Impulssenders kann nach durchlaufen von Impulsformer und Zähler die Impulsbreite bzw. Impulsdauer des Nand-Gatters gesteuert werden.

Ein kurzer Impuls aus dem Nand-Gatter bewirkt, daß am ersten Eingang des Und-Gatters der Impuls nur kurze Zeit zur Verfügung steht, und bereits wieder erloschen ist, wenn er Impuls über die Laufzeitverzögerung am zweiten Eingang des Und-Gatters ankommt.

Dann schaltet das Und-Gatter nicht durch.

Ein langer Impuls aus dem Nand-Gatter bewirkt, daß an beiden Eingängen des Und-Gatters das gleiche Potential anliegt. Da der Nand-Gatter Impuls nach Durchlaufen des Verzögerungsgliedes am zweiten Eingang des Und-Gatters anliegt, und der Impuls des Nand-Gatters am ersten Eingang des Und-Gatters bei verlängerter Impulsdauer noch anliegt, schaltet das Und-Gatter durch.

Dem Und-Gatter ist eine Treiberstufe nachgeschaltet.

Im Falle des Durchschaltens des Und-Gatters wird in der Treiberstufe der Impuls solange verstärkt, wie er am Ausgang des Und-Gatters anliegt.

Dieser verstärkte Impuls wird an die nachgeschaltete Elektrode weitergegeben und zur Stimulation eines Muskels, Nerven, Hirnareals, Drüse oder anderen Organs verwendet. Anstelle der Stimulationselektrode kann die vorgestellte Impulsauswerteeinheit auch an eine Sensingeinheit ange­ koppelt werden, die über die Impulsauswerteeinheit adressiert werden kann und in einem Zeitintervall Informationen tele­ metrisch übermitteln kann.

Beispiel

Rechtes Bein gehfähig, dort 1000 Impulsauswerte- Einheiten mit Sensingeinheiten verkoppelt und implantiert. Diese Impulsauswerteeinheiten werden vom externen Impulssender nacheinander angeprochen und abgefragt. Hierdurch ergibt sich ein Bewegungsschema von Muskeln. Wenn nun das linke Bein gelähmt ist, können zeitversetzt Impulse in 1000 Impulsauswerte­ einheiten übermittelt werden, die mit Stimulationselektroden im gelähmten Bein verkoppelt sind. Hierdurch ließe sich Gehfähigkeit wiederherstellen.

Das Reset der Schaltung wird durch den Impulssender von extern ausgelöst. Dies hat drei Vorteile:

• - Die Menge der angesprochenen Elektroden kann begrenzt werden. Wird in allen Impulsauswerteeinheiten von Elektroden z. B. ein Zähler verwendet, der bis 4096 oder gar 16348 zählen kann, sollen aber nur die ersten 200 Elektroden angesprochen werden, wird der Resetimpuls nach der 200-sten Elektrode ausgelöst.
• - Eine Erweiterung des Systems ist allein durch Implantation von weiteren Impulsauswerteeinheiten mit Elektroden möglich. Es kann der Resetimpuls nach z. B. der 485-sten oder X-ten Elektrode ausgelöst werden.
  Eine Änderung des Elektrodensystems ist nicht nötig. Es muß lediglich der Resetimpuls im Steuersender programmiert und auf die Impulsauswerteinheiten und Elektroden übertragen werden.
• - Alle Elektroden können auf einen Schlag synchronisiert werden, wenn ein Übertragungsfehler eintreten sollte.

Die Resetschaltung besteht aus einer Torstufe, wie sie bereits oben beschrieben wurde (Verzögerungsglied bzw. Inverterkette am zweiten Eingang eines Und-Gatters und zwei Inverter am ersten Eingang des Und-Gatters).

Die Impulsüberleitungszeit (Verzögerung) muß so gewählt, werden daß sie länger ist als die Zeit, die zum Durchschalten der Torstufe benötigt wird, die das "feuern" der Impulsauswerteeinheit betrifft.

Der aus der Impulsformerstufe kommende Impuls gelangt auf den Eingang der ersten Zählerstufe. Der gleiche Impuls wird auf die beiden Eingänge des Und-Gatters geschaltet.

Hierbei wird der Impuls über ein Verzögerungsglied (oder Inverterkette) auf den zweiten Eingang des Und-Gatters gegeben. Der erste Eingang des Und-Gatters ist über zwei Inverter mit dem Ausgang der Impulsformerstufe verbunden.

Der Ausgang des Und-Gatters steuert die Reseteingänge der Zählerstufen, die miteinander verbunden sind.

Nur ein Impuls, der länger ist als die Summe aus positiver Halbwelle (positiver Rechteckimpuls ("ob dran ist") und Modulation ("feuern"), kann den Resetimpuls auslösen.

Anwendungsgebiete

Verringerung von Ausfällen in Muskeln, Nerven. Drüsenzellen, Hirnarealen, Rückenmark und anderer Organe durch den hier beschriebenen elektronischen Impulsauswerter.

Figuren

Beantragt ist der Schutz einer Gruppe von Impulsauswertern von 1 bis 20 Bit. Es werden schwerpunktmäßig die Unter­ schiede der Impulsauswerter dargestellt. Die Darstellung von Impulsauswertern mit J-K Flip-Flops gilt sinngemäß auch für RS Flip-Flops, da sich beide Arten bezüglich des Anschlußbildes nicht unterscheiden.

Impulsauswerter mit weniger oder mehr Zählstufen als der dargestellten 12 Bit und 16 Bit Zähler unterscheiden sich außer der Anzahl der Zähler in der Größe des Nand Gatters bzw. in der Größe des Und Gatters und der Anzahl der Inverter. Ein prinzipieller Unterschied besteht hier nicht. Auf eine Einzeldarstellung soll daher verzichtet werden.

• 1. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Nand Gatter und Verzögerungsglied.
• 2. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Nand Gatter und Inverterkette.
• 3. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Verzögerungsglied.
• 4. 12 Bit T-Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Inverterkette.
• 5. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Nand-Gatter und Verzögerungsglied.
• 6. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Nand-Gatter und Inverterkette.
• 7. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Verzögerungsglied.
• 8. 16 Bit J-K Flip-Flop-Zähler mit Und Gatter und Inverterkette.
• 9. Kombination eines Verzögerungsgliedes und einer Inverterkette am Beispiel eines 16 Bit J-K Flip-Flop-Zählers. Entsprechend kann anstelle des Verzögerungsgliedes eine Inverterkette gesetzt werden und umgekehrt.

Claims (1)

1. Steuer-Vorrichtung zur Wieder-Aktivierung menschlicher Muskulatur, nämlich eines gelähmten Körperteils, insbesondere eines gelähmten Bei­ nes, wobei mindestens eine Elektrode zur Abgabe eines elektrischen Im­ pulses vorgesehen ist, wobei eine Impulsauswerte-Einheit in Form einer elektronischen Schaltung auf einem Mikrochip vorgesehen ist und wobei die Elektrode über einen Impulssender aktivierbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuer-Vorrichtung so ausgebildet ist, daß diese als hochintegrierte Gesamteinheit von Stimulationselektrode oder Sen­ singelektrode und Impulsauswerte-Einheit ohne jegliche Kabelverbin­ dungen zwischen oder in Muskelfasern und/oder Nerven implantierbar und positionierbar ist und daß eine Vielzahl von Gesamteinheiten draht­ los von außen, nämlich von dem externen Impulssender ansteuerbar sind, wobei die Energiezufuhr der Gesamteinheiten mittels einer induk­ tiven Kopplung erfolgt.