DE2437346A1 - Vorrichtung zur oertlich und zeitlich variablen stimulation von nerven und muskeln - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur örtlich und zeitlich variablen Stimulation von Nerven und Muskeln Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur örtlich und zeitlich variablen Stimulation von Nerven und Muskeln.
• Elektrische Vorgänge im Bereich des Nerves und Muskels sind seit über hundert Jahren bekannt, obælohl genauere Untersuchungen erst mit der Erfindung des Kathodenstrahlrohres möglich waren. Ebenso ist die k u r z z e i t i g e Reizung von Nerv und Muskel für diagnostische und therapeutiscbe Zwecke im Bereich der "medizinischen Physik" seit Jahrzehnten standardisiert. Eine gezielte elektrische Reizung zur Aufreobterbaltung einer Körperfunktion insbesondere motorischer Art, wie z.B. Herzsoblag und Atmung wird jedoch erst seit relativ kurzer Zeit durchgeführt, über längere Zeit ist meute nur die elektrische Stimulation des Herzens möglich.
• Die Ursache dafür liegt darin, daß das Herz ein spezielles Reizleitungssystem besitzt, so daß zur Auslösung einer ganzen Herzaktion nur ein einziger elektrischer Impuls genügt. In diesem Bereich der Stimulation sind auch Regler zur automatischen Einstellung des Schwellwertes bekannt.-Der Herzmuskel ist hervorragend durchblutet, so daß die Langzeirbedingungen für die Elektrode besser als üblich sind. Weiterhin sind Stimulationsgeräte zur Blutdruckbeeinflussung bekannt. Diese Stimulation erfolgt üblicherweise aber nur sporadisch, ansonsten nur intermittierend.
• Es ist bekannt, daß bei der elektrischen Reizung eines Muskels - mit Ausnahme des Herzens - nach einiger Zeit eine Ermüdung eintritt, die später zur totalen Disfunktion führt. Eine Analyse der Reizleitungsmechanismen zeigte, daß der Ort der Ermüdung mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb des nerval-muskulären Überganges zu finden ist und nicht, wie zunächst vermutet, an der eigentlichen Kontaktierungsetelle. Diese bergangsstellen vom Nerv zum Muskel heißen "motorische Endplatten" und sind besonders empfindlich. Hier liegt offenbar die lösung des scheinbaren Widerspruches zwischen der Mögliobkeit der Elektrostimulation des Herzens und der "Unmöglichkeit" der permanenten Elektrostimulation eines Muskels: das Reizleitungssystem des Herzens arbeitet n i c h t über motorische Endplatten.
• Der Begriff der permanenten oder Dauerstimulation darf im folgenden nicht mit Dauerkontraktion eines Muskels verweobselt werden, es ist ja bekannt, daß der querge streifte Muskel überhaupt nicht dauerkontrahierbar ist.
• Die Frage, warum nur bei der elektrischen Stimulation eine Ermüdung der motorisoben Endplatten eintritt, ist neurophysiologisch eindeutig zu beantworten: Bei der natürlichen (zentralnervösen) Reizung des Muskels werden nicht immer alle Nervfasern depolarisiert, sondern verteilt über den Querschnitt des Nerves immer nur eine Gruppe von Fasern, die sich gegenseitig ablösen. Demgegenüber werden bei der bekannten Eleitrostimulation alle Fasern depolarisiert, zumindest immer die gleiche Gruppe von Fasern.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur örtlich und zeitlich variablen Stimulation von Nerven und Muskeln, bestehend-aus einem elektrischen Stromgenerator und mehr als zwei Elektrodenausgängen, vorgesehen ist. Diese ist gekennzeichnet durch in Serie oder parallel zum Reizobjekt liegende Relaiskontakte einer Relaiskette, weiterhin durch eine von einem kontinuierlich laufenden Ringzähler gesteuerte Schaltlogik, vorzugsweise in Form einer Diodenmatrix, zur Steuerung. der Relaiskette.
• Ein bevorzugtes Ausfübrungsbeispiel ist in der Zeichnung näher erläutert, Hierbei sind in Serie oder parallel zum Reizobjekt 10 Relaiskontakte einer Relaiskette 4 angeordnet. Die Schaltlogik 3 ist einem Ringzäbler 2 naohgeschaltet und steuert die Relaiskette 4. Der beispielsweise den Atemzyklus simulierende Impulsgeber 1 dient zur Steuerung sowohl des Ringzählers 2 ais auch der Amplitude des Reizstromgenerators 6. Eine Anzahl von Stromreglern 7 dient zur Einstellung des Stimulationsstromes, entspreobend der Anzahl der möglichen Elektrodenkombinationen. Die Elektroden 9 können in ibren Abmessungen dem Reizobjekt etwa gleich und in der Form angepaßt sein. Sie können als dünne, biegsame, vorzugsweise hqhle Katheder ausgebildet sein, an deren Spitze in geringer Entfernung axial voneinander isolierte Elektrodenringe angeordnet sind. Anstelle galvanisober Elektroden 9 können auch elektromagnetische Geber und/oder anstelle der Relaiskette 4 können elektronische Sohalter verwendet werden. Anstelle des Ringzäblers 2 kann auch ein multipolarer statistischer Generator vorgesehen werden, Weiterhin kann zur Selektion nicht affektiver Elektrodenkombinationen ein Impulsgenerator 5 vorgeseher sein, welcher den Ringzähler 2 um sinen oder mehrere vorwählbare Schritte weitersählen läßt. Zur Erhöhung der Anzahl der Schaltkombinationen in der Schaltlogik 3 im Rahmen des Schaltprogramms können mehrere Geber, vorzugsweise Elektroden 9 an gleickes Potential anlegbar und/ oder manohe Elektroden mit einem Teil des jsweiligen Gesamtstromes beschlokbar sein.
• Bei der Anwendung der erfaudungsgemäßen Vorrightung werden worzugsweise drei oder mehr Elektroden zirkular nahe am Nerv positioniere und wsohselweise mit elektrischen Stromimpulsen versorgl.
• Besonderes Kriterium der Erfindung ist ein über dem Schwellwart nur gering erböhter Stimulationsstrom, welcher unter Umstanden auch vom Effelt her daß heißt im geschlossenen Regelzreis automatisch geregelt wird. Dieses verfabren ermögliob@ sine ähnliob wie bei der natürlichen Reisung gelchmäg@ge Belastung des gesamten Nervquerschnittes, da durch abwechselnds Beschaltung der Elektroden ö r t l i c h und z e i t l i c h unterschiedliche elektrische Feldlinisndichten im Nerv entstehen. Aufgrund des erfandungsgermaß nur garing über dem Schwellwert eingestellten Stimulationesstromes werden im Nerv nur jare Fasern depohs@laiert, die eine besonders Konzentration von @@p@bentialidnien aufweisen.
• Mit Hilfe dieser Methods kounde @s wieremperimentellen Untersuchungen über die Phrenikuskaizung (Streuerun der Atmung) bisher keine Ermüdung Pesge@tellt werden. Das erfindungsgemäße Varfahr en @ Sirakte Reizung eines Muskels in analogen K@am @reon. Bei dieser Anwendung werden die Elsktmoden entlang des Muskels verteilt.
• Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel dient insbesondere zur Reizung-des Nervus Phrenicus.
• Die zur elektrischen Simulation der Atmung notwendigen Impulse werden im Impulsgeber 1 erzeugt. Impulsdauer und Frequenz des Impulsgebers 1 bestimmen die Einatmungsdauer und die Atemfrequenz, Die Parameter sind im Bereich physiologischer Werte einstellbare Die elektrischen Impulse werden über Relaiskontakte der Relaiskette 4 den Elektroden 9 zugeführt. Mit Hilfe dieser Relaiskontakte, die im Prinzip auoh duroh elektronische Schalter ersetzt werden können, erfolgt vor jedem Atemzyklus automatisob die Wahl der neuen Elektrodenkombination. Diese Kombinationen wurden in der Schaltlogik 3, welche die Relaiskette 4 steuert9 fix programmiert. Der vom Impulsgeber 1 gesteuerte Ringzähler 2 betreibt die Sobaltlogik 30 Im Prinzip kann die Schaltlogik 3, welche die Umsobaltung der Elektrodenkombination vornimmt, auch von einem statistischen Generator, einem fixen Generator oder vom Stimulationsimpuls selbst gesteuert werden. Je nach Anwendungsgebiet ist der ein oder anderen Methode Vorrang zu gebe, Für die Funktion des erfindungsgemäßen Prinzipes ist es notwendig, die Stimulationsstromamplitude für jede Elektrodenkombination exakt einzustellen.
• Eine zu geringe Einstellung wäre ventilatorisob unbefriedigendp ein zu hoher Strom würde den gesamten Querschnitt des Nervs depolarisieren und damit den positiven Effekt der Erfindung verhindern. Die Anzahl der Elektroden und damit die Feldlinienkonfiguration kann erhöht werden, wobei mehrere Elektroden- mit der Gesamtspannung oder auch nur mit einem Teil der Gesamtspannung belegt werden.
• Die optimale Einstellung des Stimulationestromes jeder Elektrodenkombination bedingt insbesondere bei Langzeitanwendung einen erheblichen Bedisnungsaufwand. Zur automatischen Regelung des Stimtlationsstromes, insbesondere bei der Reizung des Nervus Phrenikus, ist deshalb ein den Effekt der Stimulation aufnehmender Wandler 12 vorgesehen, mit einem Atemfühler und einem den Strom des Reizstromgenerators 6 über die Regler 7 aufgrund des vom Wandler abgegebenen Signals in umgekebrtem Sinne beeinflussenden Reglers 13. Der Sollwertgeber 8 dient zur zeitabhängigen Steuerung des Relers 13.
• Eine ähnliche. Methode der automatischen Einstellung eines Schwellenstromes ist in der Hersschrittmacher-Therapie bekannt. Der Unterschied zum s@fjmdungsgemäßen Verfahren liegt darin, daß das Herz dem "Alles oder Nichts"-Gesetz folgend mit einem Einpunktregler aussommt. beim erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch der Sollwert auch durch eine Zeitfunktion vorgegeben werden. Diese Sollwertiunktion muß von einem Proportionalreglen verarbeitet werden.
• Dadurch aber wird eine "esteusrte Kontraktion" des Muskels möglich.
• Die Einkoppelung der Stimulationsimpulse erfolgt üblicherweise über nahe am Nerv angeordnete galvanische Elektroden.
• Die Erfindung erstreckt sich auon auf jene Geber, die auf induktivem Wege Stromimpulse in den Nerv einkoppeln, Bei Verwendung galvandischer Elektroden, deren Funktion bekanntlich durch Bindegewebe gestört werden kann, können die Elektroden auch in ein Gefäß, vorzugsweise eine Arterie, eingeführt werden, wobei dieses Gefäß im Ragmwn einer Autotransplantation dann rund um den Nerv angeordnet wird.
• Das besehriebene Verfabren ermöglicht gegenüber konventionellen Methoden eine weitgehend natürlichere und funktionell bessere elektrische Stimulation von Nerven und Muskeln. Das theoretische Ziel des Verfahrens ist die Langzeitanwendung der elektrischen Stimulation von Muskeln Eine solche Erhaltung der Muskelfunktion bei Fehlen oerebraler Reize ist bei manchen Beiden lebensnotwendig, bei anderen, beispielsweise manchen Querschnittslähmungen, besteht möglicherweise die Chance auf eine teilweise Erhaltung und Ausübung motorischer Aktivitäten.

Claims (11)

1. P A T E N X A JT S P R Ü C H B

   9 errichtung zur örtlich und zeitlich variablen Stimulation von Nerven und Muskeln, bestehend aus einem elektrisoben Stromgenerator und mehr als zwei Elektrodenausgängen, gekennzeichnet durch in Serie oder parallel zum Reizobjekt (10) liegende Relaiskontakte einer Relaiskette (4), eine von einem kontinuierlich laufenden Ringzäbler (2) gesteuerte Sobaltlogik (3), vorzugsweise in Form einer Diodenmatrix, zur Steuerung der Relaiskette.
2. 2. Vorrichtung T M Ü C nach Anspruch 1, insbesondere zur Reizung des Nervus Pbrenious, gekennzeichnet durch einen niederfrequenten, den Atemzyklus simulierenden Impulsgeber (1) zur Steuerung sowohl des Ringzäblers (2) als auch der Amplitude des Reizstromgenerators (6).
3. 30 Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Stromreglern (7) zur individuellen Einstellung des Stimulationsstromes, entspreobend der Anzahl der Möglichen Elektrodenkombinationen.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüohen 1 bis 3, gekennzeichnet durch Elektroden (9), deren Abmessungen dem Reizobjekt etwa gleich und in der Form angepaßt sind.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden dünne, biegsame, vorzugsweise hohle Katheder dienen, an deren Spitze in geringer Entfernung axial voneinander isolierte Elektro denringe angeordnet sind.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch elektromagnetische Geber anstatt galvanischer Elektroden (9) und/oder Verwendung elektronischer Schalter anstatt der Relaiskette (4).
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen multipolaren statistischen Generator anstatt des Ringzählers.
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator (5), zur Selektion nicht effektiver Elektrodenkombinationen, welcher den Ringzähler um einen oder mehrere vorwählbare Schritte weiterzählen läßt.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeic-hnet, daß zur Erhöhung der Anzahl der Schaltkombinationen in der Schaltlogik im Rahmen des Schaltprogramms auch mehrere Geber, vorzugsweise Elektroden, an gleiches Potential anlegbar sind und/oder daß manche Elektroden mit einem Teil des jeweiligen Gesamtstromes beschickbar sind.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen, den Effekt der Stimulation aufnehmenden Wandler (12) zur automatischen Regelung des Stimulatiönsstromes jeder Elektrodenkombination, insbesondere bei der Reizung des Nervus Phrenicus, mit einem Atemfühler und einem den Strom des Reizgenerators auf Grund des vom Wandler abgegebenen Signals in umgekehrtem Sinne beeinflussenden Regler (13).
11. 11. Vorriohtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Sollwertgeber (8) zur zeitabhängigen Steuerung des Reglers (13-).