DE4330680A1 - Vorrichtung zur elektrischen Stimulierung von Zellen im Inneren eines lebenden Menschen oder Tieres - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Stimulierung von Zellen im Inneren eines lebenden Menschen oder Tieres, umfassend eine Spannungsquelle, die elek­ trisch leitend mit den Zellen verbunden ist.

Eine solche Vorrichtung ist bekannt. Sie kann zur Anwen­ dung gelangen, wenn die normale Funktion von Muskeln oder Nerven gestört ist. Die erforderliche Betriebsspannung wird dabei durch eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche im Inneren des Körpers angeordnet ist. Die Batterie muß nach Erschöpfung ausgetauscht werden, wozu es eines chirurgischen Eingriffs bedarf. Für den Patienten das eine wenig befriedigende Lösung.

Nach einem anderen Vorschlag ist es vorgesehen, die Vorrichtung unter Verwendung von Drahtleitungen durch eine außerhalb des Körpers angeordnete Spannungsquelle zu versorgen. Dabei muß ein erhebliches Infektionsrisiko in­ kauf genommen werden. Zusätzlich resultiert eine erheb­ liche Beeinträchtigung der körperlichen Entfaltungsmög­ lichkeiten des Patienten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß im langfristigen Gebrauch eine verbesserte Zuverlässigkeit erreicht wird ohne daß es chirurgischer Eingriffe bedarf und ohne daß sich nennenswerte Beeinträchtigungen der körperlichen Entfaltungsmöglichkeiten des Patienten ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausge­ staltungen nehmen die Unteransprüche bezug.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, daß die Spannungsquelle aus zumindest einem piezoelek­ trischen Generator besteht, der im Inneren des Körpers in einem akustischen Wechselfeld einer außerhalb des Körpers liegenden Schallquelle angeordnet ist und daß der Körper und die Schallquelle durch eine schalleitende Schicht aus einer Flüssigkeit verbunden sind. Der Generator kann in geringer Tiefe unter der Oberfläche der den Körper umschließenden Haut angeordnet und durch Drahtleitungen mit den zu stimulierenden Zellen oder der Zellgruppe verbunden sein, was eine gute Energieübertragung von der Schallquelle ermöglicht. Mengenmäßig ausreichende Ener­ giebeträge können von dem Generator problemlos bereitge­ stellt werden, wenn seine Anordnungsposition 1 bis 10 cm unter der Köperoberfläche liegt und akustische Wechsel­ felder einer Intensität zur Anwendung gelangen, die von dem lebenden Zellgewebe gut ertragen wird. Die Eindring­ tiefe ist maßgeblich von der verwendeten Frequenz der Schallwellen abhängig. Die vorstehend angegebene Ein­ dringtiefe wird am besten mit einer Frequenz unterhalb von 2 MHz erreicht. Größere Eindringtiefen bis zu etwa 20 cm lassen sich mit Schallwellen einer noch höheren Frequenz erreichen. Die Aktivierung des Zellgewebes kann im erfor­ derlichen Maße von außen erfolgen durch eine dem jewei­ ligen Verwendungszweck entsprechende Veränderung der Intensität und Generatorfrequenz. Die dazu erforderliche Steuerung kann im einfachsten Falle unter Verwendung eines Schalters erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, elek­ trische Impulse noch intakten Körpergewebes, beispiels­ weise an dessen Hautoberfläche, zu erfassen und gegebe­ nenfalls unter Verwendung eines Mikroprozessors zur Steuerung der Schallquelle und damit des Generators zu verwenden, um das gestörte Körpergewebe zu steuern. Ein diesbezügliches Anwendungsbeispiel ist beispielsweise die Steuerung der Bewegung eines Beins beim Gehen durch das andere Bein. Im Normalfalle sind die Bewegungsabläufe beider Beine völlig gleich, wenn man davon absieht, daß eine Zeitverschiebung hinsichtlich der Aktivierung nötig ist. Diese läßt sich leicht realisieren. Die benötigten Signale und Energiemengen lassen sich somit auch in einem solchen Falle mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Vermeidung von die Körperoberfläche durchdringenden Drahtleitungen übertragen.

Die von dem Generator bereitgestellte Wechselspannung kann der weiteren Modifizierung bedürfen, um die für die Stimulierung einer bestimmten Körperzelle oder -zellgruppe benötigten Werte zu erhalten. Dazu kann eine elektrische Schaltung dienen, die in den Generator integriert ist und die beispielsweise einen Gleichrichter, einen Kondensator und eine Impulsschaltung umfaßt. Die zu stimulierenden Zellen eines Muskels oder Nervs sind hiermit leitend verbunden, beispielsweise durch einen isolierten Draht mit freiliegender Spitze, die in das Zellgewebe implantiert ist.

Die Schaltung kann auf an sich bekannte Weise erzeugt und unmittelbar mit dem Generator verbunden sein, was die Herstellung, Lagerung und Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich vereinfacht.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß mehrere Generatoren vorgesehen sind, die voneinander abweichenden Zellen oder Zellgruppen des Körpers zugeord­ net sind. Jeder dieser Generatoren kann durch ein eigenes Schallfeld versorgbar sein, was es gestattet, die ein­ zelnen Zellen oder Zellgruppen den Gegebenheiten entsprechend zu aktivieren und hierdurch die Vorausset­ zungen für einen natürlichen Heilungsprozeß, ein natür­ liches Zellwachstum oder einen natürlichen Bewegungsablauf zu erhalten.

Die Schallquelle kann zumindest ein Piezoelement als Sender umfassen. Die Bauhöhe, senkrecht zur Schallab­ strahlfläche des akustischen Feldes, ist bei solchen Ausführungen gering, was die verliersichere Anbringung auf der Körperoberfläche wesentlich vereinfacht und die Möglichkeiten, sich körperlich zu betätigen, nicht nen­ nenswert beeinträchtigt. Das Piezoelement kann beispiels­ weise unmittelbar auf der den Körper außenseitig um­ schließenden Haut angeordnet und gegebenenfalls auf der von der Haut abgewandten Seite durch einen Reflektor oder ein Dämpfungselement abgedeckt sein, um eine gerichtete Schalleinstrahlung in den Körper zu erhalten. Um dabei mit einer besonders geringen Intensität arbeiten zu können ist es vorgesehen, daß die Schallquelle und die Haut eine schalleitende Schicht aus einer Flüssigkeit verbunden sind. Die Schicht besteht im Idealfall (akustisch be­ trachtet) aus einer newtonschen Flüssigkeit, ist dann jedoch schwierig zu handhaben und daher normalerweise durch ein hochwasserhaltiges Kontaktgel ersetzt.

Die Belastung der Umgebung des Körpers läßt sich auf ein Minimum reduzieren, wenn als Schallquelle eine Ultra­ schallquelle der vorstehend angegebenen Art zur Anwendung gelangt. Hierbei ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die Reichweite nicht besonders groß sein muß. Eine uner­ wünschte Aktivierung von andern in der Umgebung des Körpers befindlichen Empfängern ist dadurch weitestgehend ausgeschlossen.

Eine wesentliche Verbesserung der Funktionssicherheit der Vorrichtung läßt sich erreichen, wenn dem Generator ein Akkumulator nachgeschaltet ist. Dieser kann beispielsweise durch einen Kondensator gebildet sein und besitzt bei einer solchen Ausbildung eine besonders gute Dauerhalt­ barkeit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen besonders einfachen und betriebssicheren Aufbau aus. Sie läßt sich dadurch kostengünstig erzeugen und problemlos verwenden.

Die Vorrichtung eignet sich insbesondere für Verwendungen bei Verfahren zur Heilbehandlung von Knochenbrüchen. Durch die natürliche Stimulierung der noch vorhandenen Körper­ zellen wird hierbei erreicht, daß der Heilungsprozeß beschleunigt einsetzt und zum beschleunigt zum Abschluß gelangt.

Es besteht auch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Verfahren zur Stimulierung von Muskeln oder Muskelgruppen lebender Menschen oder Tiere zu verwenden, wenn andauernde Fehlfunktionen auftreten. Derartige Gegebenheiten liegen beispielsweise vor, wenn der Blasenschließmuskel bei älteren Patienten nicht mehr in wünschenswerter Weise in Schließstellung bringbar ist, was nicht nur in hygienischer sondern auch in psychischer Hinsicht mit einer erheblichen Belastung des Patienten verbunden sein kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich in ausge­ zeichneter Weise zur Verwendung bei einem Verfahren zur Schmerzlinderung, beispielsweise durch gezielte Nervenstimulierung. Belastungen des Patienten durch chemische Therapierungen werden dabei vermieden.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht:

Die Zeichnung zeigt in schematischer, längsgeschnittener Darstellung eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur elektrischen Stimulierung von Zellen oder Zellgruppen im Inneren eines lebenden Menschen oder Tieres bestimmt ist. Die Vorrich­ tung umfaßt eine Spannungsquelle, die zumindest einen piezoelektrischen Generator 5 umfaßt, der im Inneren des Köpers 13 in einem elektrischen oder akustischen Wechsel­ feld einer außerhalb des Köpers 13 liegenden Schallquelle 3 angeordnet und elektrisch leitend mit dem Zellgewebe 10 verbunden ist.

Beispielsweise das Zellgewebe eines Muskel befindet sich normalerweise in einem polarisierten Zustand, der durch fortgesetzte Einspeisung von Spannungsimpulsen einer Amplitude von 90 mV aufgehoben werden kann mit der Folge, daß Ca-Ionen ausgeschüttet werden und sich eine Kon­ traktion des Muskels ergibt. Diese hält solange an, wie die Einspeisung der Wechselspannung fortgesetzt wird und gelangt anschließend in Wegfall. Die Spannungsfrequenzen und -amplituden, die zur Depolarisierung der einzelnen Zellen und Zellgruppen lebender Menschen oder Tiere benötigt werden sind bekannt, leicht ermittelbar und nicht Gegenstand der Erfindung. Sie werden durch die Erfindung lediglich den zu versorgenden Zellen oder Zellgruppen auf eine besonders unkomplizierte, praxisgerechte und zuver­ lässige Weise zugeführt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es hierzu vorgesehen, daß als Schallquelle 3 eine Schallquelle zur Anwendung gelangt, die im Ultraschallbereich zwischen 30 000 Hz und dem Mega-Hz-Bereich arbeitet und ein Piezoelement umfaßt. Dieses ist durch Zwischenschaltung eines Kontaktgels 12 mittels eines Heftpflasters 11 auf die Außenseite des Körpers 13 aufgeklebt und trägt auf seiner Rückseite, durch eine elektrisch isolierende und schallreflektierende Schicht 4 getrennt, eine Batterie 1 und eine elektrische Schaltung 2, die einstückig mit dem Piezoelement verbunden sind. Die Anbringung und Entfernung ist dadurch denkbar einfach.

Im Körperinneren ist innerhalb des akustischen Wechsel­ feldes des Piezoelementes ein piezoelektrischer Generator 5 angeordnet, der einstückig und durch eine elektrische Isolierschicht 7 getrennt mit einem in eine elektrische Schaltung 9 integrierten Gleichrichter und Kondensator verbunden ist sowie mit einer Impulsschaltung 8, in der die von dem piezoelektrischen Generator 5 erzeugte Energie die zu einer sachgerechten Stimulierung des Zellgewebes 10 erforderlichen Spannungsimpulse erzeugt werden. Für die Einspeisung der Spannung sind Elektroden vorgesehen, die in dem Zellgewebe 10 enden. Der piezoelektrische Generator wird nicht nur durch die außerhalb des Köpers 13 liegende Schallquelle versorgt sondern ausgehend von dieser zu­ sätzlich gesteuert. Dazu kann die Schallquelle mit einem Mikroprozessor ausgestattet sein, der in die Schaltung 2 integriert ist und eine dem gewünschten Zweck entspre­ chende Modifizierung des von der Schallquelle erzeugten elektrischen oder akustischen Wechselfeldes bewirkt. Die an das zu aktivierende Zellgewebe abgegebene Leistung beträgt etwa das 10-15fache des erforderlichen Mindest­ wertes, um sich im langzeitigen Gebrauch ergebende Über­ tragungsverluste zwischen dem Ende der Elektroden und dem Zellgewebe auszugleichen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur elektrischen Stimulierung von Zellen im Inneren eines lebenden Menschen oder Tieres, umfassend eine Spannungsquelle, die elektrisch leitend mit der Zelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle aus zumindest einem piezoelektrischen Generator (5) besteht, der im Inneren des Körpers (13) in einem akustischen Wechselfeld einer außerhalb des Körpers (13) liegenden Schallquelle (3) liegt und daß der Körper (13) und die Schallquelle (3) durch eine schalleitende Schicht (12) aus einer Flüssigkeit verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Generatoren (5) vorgesehen sind, die voneinander abweichenden Zellen oder Zellgruppen zugeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Generatoren (5) jeweils durch eine eigene Schallquelle versorgbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallquelle zumindest ein Piezoelement umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement auf der den Körper (13) außenseitig umschließenden Haut angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schalleitende Schicht (12) aus einem Kontaktgel besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallquelle eine Ultraschallquelle ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (5) ein Akkumulator nachgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator durch einen Kondensator gebildet ist.

10. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 bei einem Verfahren zur Heilbehandlung von Knochenbrüchen.

11. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 bei einem Verfahren zur Stimulierung von Muskeln oder Muskelgruppen lebender Menschen oder Tiere.

12. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 bei einem Verfahren zur Schmerzlinderung.