DE202019100590U1 - Implantable brain-machine interface - Google Patents
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Abstract
Implantierbare elektronische Einheit (3) zur Elektro-Therapie von Beschwerden in Zusammenhang mit dem zentralen Nervensystem, wobei die implantierbare elektronische Einheit (3) implantierbare Elektroden (1, 2) umfasst und angepasst ist, um drahtlos mit einer Kommunikationseinheit (5) außerhalb des Körpers über einen ISM-Band-Kommunikationslink unter Verwendung von Funkfrequenzen in dem ISM-Band von vorzugsweise 2.4 GHz - 2.5 GHz bei bis zu 5 Mbit/s, vorzugsweise unter Verwendung von 2ms Zeitfenstern zu kommunizieren, in welchen Daten in einer sequenziellen Weise übertragen und empfangen werden können, wobei die elektronische Einheit (3) angepasst ist, um induktiv über ein Kopfstück (4) außerhalb des Körpers mit Energie versorgt zu werden unter Verwendung eines 130 kHz magnetischen Wechselfeldes, dessen Intensität basierend auf der Anforderung reguliert wird, welche durch die implantierbare elektronische Einheit (3) berichtet wird unter Verwendung des ISM-Band-Kommunikationslinks, um einen sicheren Implantatbetrieb mit minimaler Verlustleistung sicherzustellen. Implantable electronic unit (3) for electro-therapy of complaints in connection with the central nervous system, wherein the implantable electronic unit (3) comprises implantable electrodes (1, 2) and is adapted to be wireless with a communication unit (5) outside the body to communicate in which data is transmitted and received in a sequential manner via an ISM band communication link using radio frequencies in the ISM band of preferably 2.4 GHz - 2.5 GHz at up to 5 Mbit / s, preferably using 2 ms time windows The electronic unit (3) is adapted to be inductively supplied with energy via a head piece (4) outside the body using a 130 kHz alternating magnetic field, the intensity of which is regulated based on the requirement imposed by the implantable electronic unit (3) is reported using the ISM band communication link to ei Ensure safe implant operation with minimal power loss.
Description
Diese Erfindung liegt auf dem Gebiet der medizinischen Vorrichtungen, mit dem Fokus auf dem Gebiet der elektronischen Gehirnimplantate, die für die Elektro-Therapie für mit dem zentralen Nervensystem in Zusammenhang stehenden Beschwerden zu verwenden sind und auf dem Gebiet von implantierbaren Gehirn-Maschine-Schnittstellen, die eine elektronische Kommunikation zwischen dem menschlichen Gehirn und technischen Systemen erlauben.This invention is in the field of medical devices, with a focus in the field of electronic brain implants to be used for electro-therapy for central nervous system complaints and in the field of implantable brain-machine interfaces. that allow electronic communication between the human brain and technical systems.
Eine Elektro-Therapie des menschlichen Gehirns wird durch Tiefenhirn-Stimulation (DBS) dominiert, welche kontinuierlich das Gehirn unter Verwendung eines elektrischen Musters stimuliert, welches durch den Kliniker definiert wird. Solch ein System bezieht nicht den Zustand des Ziel-Organs mit ein, um die Therapie einzustellen. Es wird als Open-Loop System bezeichnet.Electro-therapy of the human brain is dominated by deep brain stimulation (DBS), which continuously stimulates the brain using an electrical pattern defined by the clinician. Such a system does not take into account the condition of the target organ in order to discontinue therapy. It is called an open loop system.
Responsive neurale Stimulatoren überwachen den Zustand des Gehirns des Patienten unter Verwendung von wenigen (typischerweise 4) Elektrodenkontakten, um einen kritischen Gehirnzustand zu identifizieren, welcher den frühen Beginn eines epileptischen Anfalls kennzeichnet. Sobald dieser Beginn identifiziert wird, initiiert das System ein therapeutisches Stimulationsmuster von der Form und Intensität, welches durch einen Kliniker vordefiniert wird. Diese Therapie wird als durch den Gehirnzustand ausgelöste Stimulation bezeichnet.Responsive neural stimulators monitor the state of the patient's brain using a few (typically 4) electrode contacts to identify a critical brain condition that indicates the early onset of an epileptic seizure. Once this onset is identified, the system initiates a therapeutic stimulation pattern of shape and intensity, which is predefined by a clinician. This therapy is referred to as brain-stimulation.
Probleme in Bezug auf den Stand der Technik
- 1. Eine Open-Loop Stimulation bezieht nicht die Bedürfnisse des Patienten mit ein; z. B. wird das Gehirn während Zeiten stimuliert, wo keine therapeutische Notwendigkeit besteht oder - in einem weiteren Fall - es keine Stimulationsintensität empfängt, die hoch genug für einen optimalen therapeutischen Effekt ist.
- 2. Derzeitige Systeme mit responsiven Gehirnstimulationen werden durch ein vordefiniertes elektrisches Stimulationsmuster ausgelöst, welches auf einem bestimmten Gehirnzustand basiert, welcher unter Verwendung eines kleinen Elektrodensatzes (typischerweise: 4) detektiert wird. Sie können nicht das Stimulationsmuster (z. B. die Stimulationsintensität) entsprechend dem Gehirnzustand modulieren.
- 3. Gehirnstimulatoren aus dem Stand der Technik funktionieren entweder mit primären Zellen (nicht wieder aufladbare Batterien) oder mit sekundären Zellen (wieder aufladbare Batterien). Soweit die primären Zellen aufgebraucht sind oder die maximale Anzahl von Ladezyklen der sekundären Zellen erreicht ist, ist das implantierte System in der Funktion gestört und muss operativ ersetzt werden.
- 1. Open loop stimulation does not address the patient's needs; e.g. B. the brain is stimulated during times when there is no therapeutic need or - in a further case - it does not receive stimulation intensity high enough for an optimal therapeutic effect.
- 2. Current systems with responsive brain stimulations are triggered by a predefined electrical stimulation pattern, which is based on a specific brain state, which is detected using a small set of electrodes (typically: 4). You cannot modulate the stimulation pattern (e.g., the stimulation intensity) according to the state of the brain.
- 3. Prior art brain stimulators work either with primary cells (non-rechargeable batteries) or with secondary cells (rechargeable batteries). As far as the primary cells have been used up or the maximum number of charging cycles of the secondary cells has been reached, the implanted system is malfunctioning and must be replaced surgically.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Systeme bereitzustellen, welche diese Probleme zumindest teilweise mildern.It is an object of the present invention to provide devices and systems which at least partially alleviate these problems.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtungen und Systeme gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the devices and systems according to the independent claims. Further embodiments of the invention are defined in the respective dependent claims.
Somit wird das Problem, welches mit einer Open-Loop und mit einer durch den Gehirnzustand ausgelösten therapeutischen Stimulation assoziiert ist, gelöst durch Bereitstellen von Informationen eines System, welches eine ausreichende Rechenleistung vorsieht, um eine komplexe Analyse zu erlauben. Basierend auf dieser Analyse kann ein Stimulationsmuster von einstellbarer Amplitude, ein Impulsfolgeschema, initiiert werden. Der Stimulationsstrom wird an das ausgewählte Paar von Stimulationselektronen gerichtet. Die Auswahl von diesem Elektrodenpaar ist auch zu jedem gegebenen Zeitpunkt einstellbar.The problem associated with an open loop and with a therapeutic stimulation triggered by the brain state is thus solved by providing information from a system which provides sufficient computing power to permit complex analysis. Based on this analysis, a stimulation pattern of adjustable amplitude, a pulse sequence scheme, can be initiated. The stimulation current is directed to the selected pair of stimulation electrons. The selection of this pair of electrodes can also be set at any given time.
Das System, welches die neuralen Daten analysiert und eine therapeutische Ausgabe erzeugt, ist außerhalb des Körpers angeordnet. Es ist leicht zugänglich zur Visualisierung der neuralen Daten und zum Einstellen der Algorithmen der Analyse und Entscheidungsfindung. Das System besteht aus
- a) einem Kopfstück, welches dem Implantat drahtlos Energie liefert durch induktive Kopplung. Dieses Kopfstück wird auf der Haut des Patienten positioniert, gegenüberliegend dem Implantat. Das Kopfstück wird über ein Kabel durch die Kommunikationseinheit mit Energie versorgt.
- b) einer Kommunikationseinheit, welche drahtlos Informationen mit dem Implantat durch Funkübertragung austauscht. Die Einheit ist auch in der Lage, ein Auslösesignal zu empfangen. Das binäre Auslösesignal wird in den neuralen Datenstrom einspeist, die Kommunikationseinheit empfängt von dem Implantat, was eine Mittelwertbildung des Signals erlaubt, zum Beispiel in hervorgerufenen potentiellen Experimenten, eine Synchronisierung von mehreren Implantatsystemen (alle Systeme empfangen das gleiche Auslösesignal, welches danach in den neuralen Daten identifiziert werden kann), oder um permanent Ereignisse in der Zeit zu markieren, welche parallel zu der neuralen Datenaufzeichnung auftreten. Die Kommunikationseinheit ist mit einem Personal Computer (PC) durch eine Universal-Serial-Bus-(USB)-Schnittstelle verbunden, welche eine bidirektionale Kommunikation mit dem PC vorsieht und den USB Port des PCs verwendet, um die Kommunikationseinheit mit Energie zu versorgen.
- c) einem Personal Computer, auf dem die Software zum Speichern der aufgezeichneten neuralen Daten läuft, zur Analyse der Daten und zur Entscheidungsfindung. Die Software empfängt auch Statusinformation von dem Implantat und kann Befehle an das Implantat senden, zum Beispiel elektrische Gehirnstimulationsmuster initiieren. Der Personal Computer kann zum Steuern von Hilfstechnologien, wie beispielsweise Buchstabierern (eine Kommunikationsschnittstelle, welche virtuelle Tastaturen auf dem Computerbildschirm verwendet), elektrischen Rollstühlen, Entertainment-Systemen, robotischen Gliedmaßen, etc. verwendet werden.
- a) a head piece, which wirelessly supplies the implant with energy by inductive coupling. This headpiece is positioned on the patient's skin, opposite the implant. The head piece is powered by the communication unit via a cable.
- b) a communication unit which wirelessly exchanges information with the implant by radio transmission. The unit is also able to receive a trigger signal. The binary trigger signal is fed into the neural data stream, the communication unit receives from the implant, which allows the signal to be averaged, for example in evoked potential experiments, a synchronization of several implant systems (all systems receive the same trigger signal, which is then in the neural data can be identified), or to permanently mark events in time that occur in parallel with the neural data recording. The communication unit is with a personal computer (PC) through a universal serial bus (USB) interface connected, which provides bidirectional communication with the PC and uses the USB port of the PC to supply the communication unit with energy.
- c) a personal computer running the software for storing the recorded neural data, analyzing the data and making decisions. The software also receives status information from the implant and can send commands to the implant, such as initiating electrical brain stimulation patterns. The personal computer can be used to control assistive technologies such as spelling (a communication interface that uses virtual keyboards on the computer screen), electric wheelchairs, entertainment systems, robotic limbs, etc.
Um die Notwendigkeit zur Explantation zu vermeiden, sobald die Batterie einer implantierten elektronischen Vorrichtung verbraucht ist, weist die implantierte elektronische Einheit keine Batterie oder irgendeinen anderen Energiespeicher auf. Stattdessen empfängt das Implantat seine Energie zum Betrieb induktiv von dem Kopfstück, welches außerhalb des Körpers angeordnet ist.To avoid the need for explanting once the battery of an implanted electronic device is depleted, the implanted electronic device has no battery or any other energy storage device. Instead, the implant receives its energy for operation inductively from the head piece, which is arranged outside the body.
Die Erfindung kann besser mit Bezug auf die Zeichnung verstanden werden, in welcher
-
1 ein Übersichtsschema ist, welches eine beispielhafte Realisierung auf Systemlevel gemäß der Erfindung darstellt; -
2 eine Übersicht ist, welche Teile der Erfindung darstellt.
-
1 Figure 12 is an overview diagram illustrating an exemplary implementation at system level in accordance with the invention; -
2nd is an overview of which parts of the invention.
Ausführungsformen der Erfindung werden unten beschrieben.Embodiments of the invention are described below.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine implantierbare elektronische Einheit
Die elektronische Einheit
Die implantierbare elektronische Einheit
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht ein Kopfstück
Weiterhin wird ein Personal Computer zur Verwendung mit einer implantierbaren elektronischen Einheit
die Kommunikationseinheit über USB mit Energie zu versorgen,
mit der Kommunikationseinheit über USB zu kommunizieren, und eine Applikations-Programmierschnittstelle auszuführen, die eine Software-Schnittstelle bereitstellt, welche die Steuerung des Implantats sowie das Aufzeichnen von neuralen Signalen, insbesondere über die Kommunikationseinheit, erlaubt.Furthermore, a personal computer for use with an implantable electronic unit
to supply the communication unit with energy via USB,
to communicate with the communication unit via USB, and to execute an application programming interface which provides a software interface which allows the control of the implant and the recording of neural signals, in particular via the communication unit.
Darüber hinaus wird ein Implantatsystem bereitgestellt, umfassend
eine implantierbare elektronische Einheit
ein Kopfstück
eine Kommunikationseinheit
und einen Personal Computer
an implantable electronic unit
a headpiece
a
and a
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1:1:
- implantierbare Elektroden (Gitter, Streifen, DBS)implantable electrodes (grid, strips, DBS)
- 2:2:
- Gegenelektrode (Stimulation Rückleitpfad, optional)Counter electrode (stimulation return path, optional)
- 3:3:
- implantierbare elektronische Einheitimplantable electronic unit
- 4:4:
- KopfstückHead piece
- 5:5:
- KommunikationseinheitCommunication unit
- 6:6:
- Personal ComputerPersonal computer
- 7:7:
- keramische Kapselceramic capsule
- 8:8th:
- induktive Spuleinductive coil
- 9:9:
- PermanentmagnetPermanent magnet
- 10:10:
- SilikonüberzugSilicone cover
- 11:11:
- Elektrodenkabel, welche Drähte tragen, die Elektrodenkontakte mit den Durchführungen des hermetischen Gehäuses elektrisch verbinden.Electrode cables that carry wires that electrically connect the electrode contacts to the bushings of the hermetic housing.
Claims (25)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202019100590.4U DE202019100590U1 (en) | 2019-01-31 | 2019-01-31 | Implantable brain-machine interface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202019100590.4U DE202019100590U1 (en) | 2019-01-31 | 2019-01-31 | Implantable brain-machine interface |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202019100590U1 true DE202019100590U1 (en) | 2020-05-04 |
Family
ID=70776598
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202019100590.4U Active DE202019100590U1 (en) | 2019-01-31 | 2019-01-31 | Implantable brain-machine interface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE202019100590U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022103439A1 (en) | 2022-02-14 | 2023-08-17 | Cortec Gmbh | Impact protection for hermetically sealed implant |
-
2019
- 2019-01-31 DE DE202019100590.4U patent/DE202019100590U1/en active Active
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102022103439A1 (en) | 2022-02-14 | 2023-08-17 | Cortec Gmbh | Impact protection for hermetically sealed implant |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |