DE4229330A1 - Limb function restoration using somatronic device - has microchip which responds to detected movement of sound limb to provide signals for stimulating impaired limb - Google Patents

Limb function restoration using somatronic device - has microchip which responds to detected movement of sound limb to provide signals for stimulating impaired limb

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DE4229330A1
DE4229330A1 DE19924229330 DE4229330A DE4229330A1 DE 4229330 A1 DE4229330 A1 DE 4229330A1 DE 19924229330 DE19924229330 DE 19924229330 DE 4229330 A DE4229330 A DE 4229330A DE 4229330 A1 DE4229330 A1 DE 4229330A1
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    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36003Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of motor muscles, e.g. for walking assistance

Abstract

The function restoration for an impaired limb, eg. a partially amputated limb uses a somatronic device which detects the muscle activity on the healthy side of the body, and provides electrical pulses used to activate the muscles on the impaired side. Pref., the somatronic device uses a microchip detecting the muscle activity via sensors and providing pulses representing the muscle movement to the nerves on the opposite side, e.g. for providing movement of a prosthesis, replacing an amputated limb. USE - Stimulation after amputation of limb to restore limb function.

Description

Beschreibung description

Die Anmeldung betrifft die Wiederherstellung der Funktion eines gelähmten Körpers mit Hilfe einer Elektronik (Mikrochip) nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. The application relates to the restoration of the function of a paralyzed body by means of an electronic (microchip) according to the preamble of claim 1.

Physiologisches Prinzip der Signalübertragung vom Nerven auf den Muskel: Physiological principle of signal transmission from the nerve to the muscle:

Wird eine erregbare Zelle, also eine Nerven- oder Muskelzelle, gereizt, ändern sich an ihrer Membran die Ionenleitfähigkeit und das Potential. Is an excitable cell, which is a nerve or muscle cell, irritated, the ionic conductivity and the potential change in their membrane. Ist der Reiz stark genug, kommt es zu einem sog. Aktionspotential (AF), das im Nerv das weitergeleitete Signal darstellt und am Muskel zur Kontraktion führt. Is the charm strong enough, there is a so-called. Action potential (AF), which is the signal passed in the nerve and results in contraction of the muscle. Beim AP spielen sich folgende Vorgänge ab: Durch den Reiz wird das (negative) Ruhemembranpotential (-90 mV) in Richtung 0 mV verringert (Depolari sation), wobei bald ein kritischer Wert, das sog. Schwellerpotential, erreicht wird. Rocker potential, through the stimulus, the (negative) resting membrane potential (-90 mV) is reduced toward 0 mV (Depolari organization), where soon a critical value, the so-called is achieved: the AP, the following processes occur.. Wird diese Schwelle überschritten, werden Natrium-Kanäle aktiviert, dh es kommt zu einem kurzzeitigen Anstieg der Natrium-Leitfähigkeit. If this threshold is exceeded, sodium channels are activated, ie there is a short-term increase in sodium conductance. Dadurch bricht das Membranpotential sehr rasch zusammen (Depolarisationsphase des AP) und erreicht vorübergehend sogar positive Werte (engl.: Overshoot). This membrane potential breaks very quickly together (depolarization of the AP) and temporarily even reaches positive values ​​(ger .: overshoot). Die Natrium-Leitfähigkeit sinkt schon vor Erreichen des Over shoots wieder (Inaktivation beginnt nach <0,1 ms), und gleichzeitig steigt die Kalium-Leitfähig keit relativ langsam an, was zum Wiederaufbau des Ruhemembranpotentials (Repolarisations phase) beiträgt. The sodium conductivity falls before reaching the Over shoots again (inactivation starts after <0.1 ms), and simultaneously increases the potassium conductivity ness to relatively slowly, which to rebuild the resting membrane potential (repolarization phase) contributes. Wegen der noch anhaltenden Erhöhung der Kalium-Leitfähigkeit kann es anschließend zu einer Hyperpolarisation kommen. Because of the still ongoing increase in potassium conductance can then come to a hyperpolarization.

(Silbernagl/Despopoulos, Taschenatlas der Physiologie, 3. überarbeitete und erweiterte Auflage, S.26). (Silbernagl / Despopoulos, Color Atlas of Physiology, 3rd revised and expanded edition, p.26).

Bei einem Schlaganfall (Apoplexia cerebri, apoplektischer Insult) wird die Steuerung motori scher und sensibler Funktionen beeinträchtigt, was sich in verschieden starken Symptomen äußern kann: von einer sehr geringen Symptomatik bis hin zu einem Totalausfall. At a stroke (cerebral apoplexy, apoplectic stroke) control motori shear and sensitive functions will be affected, which may manifest itself in different strengths symptoms: from a very small symptoms up to a total failure. Ursachen eines Schlaganfalls können erstens Hirninfarkte infolge arterieller Durchblutungsstörungen des Gehirns durch Arteriosklerose, Thrombose oder Thromboembolie sein (vor allem betroffen: Arteria cerebri media). Causes of stroke can firstly brain infarcts due to arterial circulatory disorders of the brain caused by atherosclerosis, thrombosis or thromboembolism be (especially affected: middle cerebral artery). Eine zweite Ursache liegt in Massenblutungen innerhalb des Gehirns nach Riß eines Blutgefäßes im Gehirn aufgrund von Bluthochdruck oder Arteriosklerose. A second cause is mass bleeding within the brain according to tear of a blood vessel in the brain due to high blood pressure or atherosclerosis. Der Altersgipfel des Schlaganfalls liegt im 50. bis 60. Lebensjahr, Frauen und Männer sind gleich häufig betroffen. The peak age of stroke is in the 50th to 60th year, women and men are equally affected.

Die Therapie des Schlaganfalls umfaßt heute eine nur symptomatische Behandlung: vor allem Überwachung von Atmung und Kreislauf, gegebenenfalls Behandlung eines Hirnödems, frühzeitig Krankengymnastik und evtl. neurochirurgische Therapie. The treatment of strokes today includes only symptomatic treatment: mainly monitoring of respiration and circulation, possibly treatment of cerebral edema, early physiotherapy and possibly neurosurgical therapy. (Pschyrembel, de Gruyter-Verlag, 256. Auflage, S.105) (Pschyrembel, de Gruyter-Verlag, 256th edition, p.105)

Nachteile der bestehenden Therapie: Disadvantages of the existing therapy:

Bei leichten Schlaganfällen kann durch die og Therapien der ursprüngliche, gesunde Zustand wieder hergestellt werden, in schweren Fällen ist eine 100%ige Wiederherstellung dieses Zustandes jedoch nicht möglich, so daß der Patient für den Rest seines Lebens an einen Krückstock oder sogar Rollstuhl gebunden ist. In mild strokes of the original, healthy state can be restored by the above therapies in severe cases is a 100% recovery of this state, however, not possible, so that the patient for the rest of his life to a cane or wheelchair is even tied.

Bekannt ist die Verwendung des sogenannten "Reizstroms", der z. It is known to use the so-called "stimulus current," z. B. nach Operationen eingesetzt wird, um lange nicht bewegte Muskeln wieder zu aktivieren. B. is used after surgery to enable long did not move muscles. Solche Reizstromge räte sind in verschiedenen Variationen beim Deutschen Patentamt angemeldet, so z. Such Reizstromge councils are logged in different variations at the German Patent Office, as for. B. die folgenden: As the following:

DE 19 47 10 C3 Implantiertes Reizstromgerät für elektromedizinische Zwecke mit mindestens zwei Batterien DE 19 47 10 C3 Implanted electrical stimulation device for electro-medical purposes with at least two batteries
(DE) 22 36 434.7-33 Implantiertes elektromedizinisches Reizstromgerät (DE) 22 36 434.7-33 Implanted medical electrical stimulation device
DT 23 46 223 Implantiertes Nervenreizgerät (Offenlegungsschrift) DT 23 46 223 Implanted nerve stimulator (Laid-Open)
DE 38 12 478 A1 Reizstromgenerator mit mehreren Reizkanälen zur Erzeugung von Reizpulsen für elektrische Stimulation der Nerven und Muskeln DE 38 12 478 A1 electrical stimulation generator with a plurality of stimulus channels for generating stimulus pulses for electrical stimulation of the nerves and muscles
DE 40 00 893 A1 Mehrkanaliges Gerät zur Elektrostimulation DE 40 00 893 A1 Multichannel device for electrostimulation
AZ 29 03 392.9-33 Reizstromgerät (Offenlegungsschrift) AZ 29 03 392.9-33 Nervstimulator (OLS)
AZ 29 14 546.8 Verfahren und Gerät zum Stimulieren von Nervenbahnen im menschlichen Körper AZ 29 14 546.8 method and apparatus for stimulating nerves in the human body
DE 36 37 800 A1 Reizstromgerät DE 36 37 800 A1 Nervstimulator
DE 33 44 831 C2 Mehrkanaliges Reizstromgerät DE 33 44 831 C2 Multichannel Nervstimulator
DE 27 03 628 C2 Wiederaufladbares, implantiertes Reizimpulsgerät. DE 27 03 628 C2 Rechargeable, implanted Stimulation device.

Desweiteren sind auch schon Mikrochip-gesteuerte Geräte bekannt, die am Körper des Patienten verschiedene Aufgaben mit verschiedenen Zielsetzungen wahrnehmen: EPA 0 001 156 A1 Programmable, implantable body function controller and method for reprogramming said apparatus Furthermore, even microchip controlled devices are known, the different tasks with different objectives perceive the patient's body: EPA 0001156 A1 programmable, implantable body function controller and method for reprogramming Said apparatus
DE 28 03 366 C2 Programmierbarer elektrischer Stimulator für menschliches Gewebe. DE 28 03 366 C2 Programmable electrical stimulator of human tissue.

Das letztgenannte Gerät kommt der hier angeführten Erfindung noch am nächsten, doch liegt der entscheidende Unterschied darin, daß die Elektronik in diesen Fällen nicht dazu da ist, die Aktivität der Muskulatur der gesunden Seite des Körpers zu erfassen und dann entsprechende Impulse an die Muskulatur der gelähmten Seite abzugeben, damit diese wieder so voll funktionsfähig wird wie vor dem Schlaganfall. The latter device is the listed herein nor the next, but the key difference is that the electronics to there is not, in these cases, to capture the activity of the muscles of the healthy side of the body and then appropriate impulses to the muscles of the paralyzed leave aside so it is as fully functional again as before the stroke.

Die folgenden Erfindungen sind eventuell benötigte "Zusatzgeräte": The following inventions may be necessary "accessories":
DE 35 14 210 C1 Paßteil zur elektrischen Behandlung von Körperteilen ("Fußsack"!) DE 35 14 210 C1 mating portion for the electrical treatment of parts of the body ( "footmuff"!)
GM 77 03 530 (U1) Ummantelung für einen implantablen Impulsgenerator (Gebrauchsmuster) GM 77 03 530 (D1) for a sheathing implant ablen pulse generator (Utility Model)
GM 69 109 970.6 Tragbare Vorrichtung zu EMG-getriggerter Muskelstimulation von zentral gelähmten Muskeln: GM 69109 970.6 A portable device for EMG-triggered muscle stimulation of central paralyzed muscles:
EPA 84 901 434.5 Therapeutic method and therapeutic means using sheetlike battery (Background: The present invention relates to therapeutic methode and therapeutic means for curing an affected part by applying a vol tage to the human body). EPO 84,901 434.5 Therapeutic method and therapeutic Means using sheet like battery (Background: The present Invention Relates to therapeutic method and therapeutic Means for curing of affected part by applying a vol day to the human body).

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf den Einsatz der Somatronik beim Schlaganfall. The invention first relates to the use of Somatronik in stroke.

Der Begriff der "Somatronik" beinhaltet die Kombination von Körper (griechisch: σωµα=soma) und Elektronik. The concept of "Somatronik" involves the combination of body (Greek: σωμα = soma) and electronics. Dabei kann die Elektronik zur Unterstützung oder zur voll ständigen Wiederherstellung ausgefallener körperlicher Funktionsabläufe eingesetzt werden. The electronics to support or to fully permanent will restore physical function sequences can be used. Einsatzmöglichkeiten der Somatronik ergeben sich vorzugsweise auf dem Gebiet des Schlag anfalls und der (Arm-oder Bein-) Amputation. Purpose of Somatronik result preferably in the area of ​​shock seizure and the (arm or leg) amputation.

Die erfindungsgemäße Lösung wird an Hand der Abbildungen A, B und C (s. Anlage) be schrieben. The inventive solution is (s. Attachment) to hand the pictures A, B and C be described.

  • A) Die Erfindung besteht aus dem Einsatz einer Elektronik (=Somatronik) 1 , die aufgrund der Messung der Aktivität einzelner Muskelgruppen der nicht gelähmten, gesunden Seite 2 des Körpers die Muskulatur der gelähmten Seite 3 wieder aktiviert. A) The invention consists of the use of electronics (= Somatronik) 1, the muscle of the paralyzed side 3 reactivated due to the measurement of the activity of individual muscle groups of the non-paralyzed, healthy side of the body 2. Da beim Schlaganfall die zentrale Steuerung ausfällt, die Nerven und die Muskeln selbst aber nicht funktionsunfähig sind, kann eine "abhängige" Elektronik die Aufgabe der Steuerung übernehmen. Since the stroke, the central controller fails, the nerves and the muscles themselves but are not inoperable, a "dependent" electronic take on the task of control. "Abhängig", insofern, als daß Sensoren 4 auf der Musku latur der gesunden Seite 2 Impulse über eine elektrische Leitung an die Elektronik übermitteln 5 , die daraufhin die Bewegung selbst (z. B. "Gehen", "Laufen", usw.) und die Intensität sowie die Geschwindigkeit dieser Bewegung erkennt und dementspre chend Impulse auf die Nerven einzelner Muskeln und deren Anteile der gelähmten Seite 3 wiederum über Leitungen weitergibt 6 . "Dependent", in so far as that sensors 4 on the musculature of the healthy side 2 pulses via an electrical line to the electronic transmit 5, which then the movement itself (for. Example, "walking," "running," etc.) recognizes and intensity as well as the speed of this movement and accordingly spre accordingly impulses to the nerves of individual muscles and the units of the paralyzed side 3 again via lines passes. 6 Es ergibt sich daraus eine koordinierte, von der Bewegung der gesunden Seite 2 abhängige Bewegung der gelähmten Seite 3 , so daß z. It results from a coordinated, dependent on the movement of the healthy side 2 movement of the paralyzed side 3, so that, for. B. bei elektronischer Erfassung des Befehls "Gehen" durch entsprechende Bewegung des gesunden Beins 2 die Elektronik exakt gesteuerte Impulse an die korre spondierenden Muskeln 7 des kranken Beins 3 überträgt, so daß auch diese die entsprechende Bewegung "Gehen" ausführen. B. in case of electronic detection "walking" by corresponding movement of the healthy leg 2, the electronics transmits precisely controlled pulses to the muscles korre spondierenden 7 of the diseased leg 3, so that also perform this the corresponding movement of "walking" of the command. Ebenso wird der Befehl "Setzen" von der Elektronik erfaßt, so daß die gelähmte Seite durch die Elektronik veranlaßt wird, die Bewegung "Setzen" auszuführen. Similarly, the command "Set" of the electronics will be detected so that the paralyzed side is caused by the electronics to carry out the movement "set". Dies sind nur zwei Beispiele, doch kann aufgrund der geschickten Programmierung der Elektronik jegliche Bewegung ausgeführt werden. These are just two examples, but can be carried out due to the skillful programming of the electronics any movement.
Beispiel: Bein Example: leg

Operativ werden dem Patienten das gelähmte sowie das gesunde Bein geöffnet, so daß die Muskelanteile gut zugänglich sind. Operationally, the patients are the paralyzed and the healthy leg opened so that the parts of the muscle are easily accessible. Die Sensoren, die die Bewegungen des gesunden Beins erfassen, werden auf die einzelnen Muskeln aufgebracht. The sensors which detect the movements of the healthy leg are applied to the individual muscles. Die Lei tungen, die die Informationen übermitteln, werden durch das Becken zur gelähmten Seite verlegt. The Lei obligations that convey the information to be transferred through the pelvis to the paralyzed side. Dort sitzt, wie ein Herzschrittmacher, im Unterhautfettgewebe die Somatronik, zu der die Leitungen gelangen. There sits, like a pacemaker, in the subcutaneous adipose tissue, the Somatronik to which the lines pass. Von der Somatronik führen Leitungen weg, die an den Nerven der einzelnen Muskelanteile enden und dort über Kontaktflä chen Strom(stöße) abgeben und damit die Nerven erregen, was nach dem oben be schriebenen physiologischen Prinzip der Signalübertragung erfolgt. From the Somatronik lines lead away, ending at the nerve of the individual parts of the muscle and give there chen on Kontaktflä current (bumps) and excite the nerves, which is based on the above be signed physiological principle of signal transmission. Entsprechend werden auch weitere Körperfunktionen erfindungsgemäß ausgeführt. Similarly, other body functions are carried out according to the invention.

  • B) Ein einfacherer Lösungsweg - eventuell als Entwicklungsvorstufe für den gerade beschriebenen - ist die direkte Steuerung durch den Patienten. B) A simpler approach - possibly as a precursor for development just described - is the direct control by the patient. Der Unterschied zu der og Lösung besteht darin, daß die Leitimpulse nicht durch Erfassen der Bewegung durch Sensoren über der Muskulatur der gesunden Seite 1 des Körpers, sondern durch Eingabe eines direkten Befehls 2 (z. B. "Bein heben") seitens des Patienten in die Elektronik 3 durch Drücken des entsprechenden Knopfes 4 der Schaltung der Elektronik umgesetzt werden und dadurch die Handlung ("Bein heben") von dem ge lähmten Bein ausgeführt wird. The difference from the above-mentioned solution is that the conduction pulses not by sensors on the muscles of the healthy side of the body 1, but by a direct input instruction 2 (z. B. "leg lift") by detecting the movement on the part of the patient in the electronics are 3 implemented by pressing the appropriate button 4 of the circuit of the electronics and thus the action ( "leg lift") is executed by the ge paralyzed leg.
  • C) Ein weiterer Einsatz der Somatronik ergibt sich bei dem Ersatz eines amputierten Beins durch eine mit Motoren ausgestattete Prothese. C) A further use of the Somatronik results in the replacement of an amputated leg by an equipped with engines prosthesis.

Das Prinzip entspricht genau dem der Somatronik beim Schlaganfall, wobei sowohl die Lösungsmöglichkeit nach dem Prinzip von A, als auch nach dem von B möglich ist. The principle corresponds exactly to the Somatronik in stroke, both the possible solution according to the principle of A, as is also possible after that of B. Der Unterschied besteht darin, daß die von der Elektronik 1 erfaßten Bewegungen des vorhandenen Beins 2 auf eine mit Motoren ausgestattete Prothese 3 übertragen werden, so daß diese die entsprechende Bewegung ausführt. The difference is that the captured by the electronics 1 movements of the existing leg 2 are transferred to a prosthesis equipped with motors 3 so that the latter performs the corresponding movement.

Beispiel: Bein Example: leg

Operativ wird dem Patienten das gesunde Bein geöffnet, so daß die Muskelanteile gut zugänglich sind. Operatively the patient the healthy leg is opened so that the parts of the muscle are readily accessible. Die Sensoren, die die Bewegungen des gesunden Beins erfassen, werden auf die einzelnen Muskeln aufgebracht. The sensors which detect the movements of the healthy leg are applied to the individual muscles. Die Leitungen, die die Informationen übermitteln, werden durch das Becken zur gelähmten Seite verlegt. The lines that transmit the information is transferred through the pelvis to the paralyzed side. Eventuell braucht man gar nicht das Bein zu öffnen, falls es möglich ist, die Aktivität der Muskeln auch über der Haut abzuleiten und dann die Leitungen sowie den Mikrochip entsprechend auf der Haut zu verlegen. Maybe you need not to open the leg if it is possible to derive the activity of the muscles and the skin, and then route the cables and the microchip according to the skin. Von der Somatronik führen andere elektrische Leitungen weg, die an den Motoren der Prothese enden, die dann die entsprechende Bewegung derselben ausführen. From the Somatronik other electrical lines lead away, ending at the motors of the prosthesis, then the same run the appropriate motion.

Durch den Einsatz der Somatronik wird es vielen Patienten ermöglicht, nach einem Schlaganfall bzw. einer Amputation mit Ersatz durch eine Prothese wieder ein weitge hend normales Leben zu führen, was sicherlich eine große Erleichterung sein wird. By using the Somatronik allowing many patients to live a normal life again weitge starting after a stroke or amputation with replacement by a prosthesis, which will certainly be a great relief.

Claims (6)

1. Die Wieder-Aktivierung der Muskulatur der gelähmten Seite des menschlichen Kör pers wird dadurch gekennzeichnet, daß die Somatronik die Aktivität der Muskulatur der gesunden Seite erfaßt und umsetzt in elektrische Impulse, die die Muskulatur der gelähmten Seite zu Aktivität veranlassen und so durch die Somatronik die gelähmte Seite wieder funktionsfähig und vor allem steuerbar gemacht wird. 1. The re-activation of the muscle of the paralyzed side of the human Kör pers is characterized in that the Somatronik detects the activity of the muscles of the healthy side and converts it into electrical impulses that cause the muscle of the paralyzed side to activity and so by the Somatronik the paralyzed side is made functional and above all controllable again.
2. Die Erfindung gemäß Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Somatronik mit Hilfe des operativen Einsetzens eines Mikrochips bei einem Schlaganfall in Funktion gesetzt wird. 2. The invention according to claim 1 is characterized in that the Somatronik using the operational insertion of a microchip is put into operation at a stroke.
3. Die Erfindung gemäß Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrochip die Aktivität über Sensoren direkt auf der Muskulatur der gesunden Seite des Körpers erfaßt und dieser Bewegung entsprechende Impulse auf Nerven der gelähmten Seite des Körpers, wie im Beispiel "Bein" unter A beschrieben, weitergibt. 3. The invention of claim 2 is characterized in that the microchip directly detect the activity via sensors on the muscle of the healthy side of the body and this movement corresponding pulses to nerves of the affected side of the body, as in the example "leg" under A described , passes.
4. Die Erfindung gemäß Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Somatronik mit Hilfe des operativen Einsetzens eines Mikrochips bei einer Extremitäten-Prothese nach einer Amputation in Funktion gesetzt wird. 4. The invention according to claim 1 is characterized in that the Somatronik using the operational insertion of a microchip is put into operation at a limb prosthesis for an amputation.
5. Die Erfindung gemäß Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrochip die Aktivität über Sensoren direkt auf der Muskulatur der gesunden Seite erfaßt und dieser Bewegung entsprechende Signale auf kleine Motoren in der Prothese, wie im Beispiel "Bein" unter C beschrieben, weitergibt. 5. The invention of claim 4 is characterized in that the microchip directly detect the activity via sensors on the muscle of the healthy side and this movement corresponding signals on small engines in the prosthesis as in the example "leg" to C described, passes.
6. Die Erfindung gemäß der Ansprüche 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß bestimm te Befehle ohne Ableitung über Sensoren auf der Muskulatur der gesunden Seite des Körpers ausgeführt werden, sondern daß der Patient diese Befehle direkt durch Drücken des entsprechenden Knopfes der Schaltung der Elektronik ausführt, wie unter B im Text beschrieben. 6. The invention according to the claims 1 to 5, characterized in that limited hours th instructions are executed without dissipation via sensors on the muscle of the healthy side of the body but that the patient is performing these commands directly by pressing the corresponding button of the electronic circuit as described under B in the text.
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