DE60123889T2

DE60123889T2 - Elektronische Mehrkanalschaltungsanordnung für Gewebestimulator

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Publication number: DE60123889T2
Application number: DE60123889T
Authority: DE
Inventors: William N. North Miami Beach Borkan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: DE60123889D1; US6662053B2; US20020022866A1; ATE342750T1; EP1181949A3; EP1181949B1; EP1181949A2; ES2273767T3

Description

HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gewebestimulationssystem.
Das Konzept der Verwendung von elektronischen Stimulationssystemen zum Zwecke des Steuerns von Nerven oder Muskeln ist allgemein bekannt. Bei diesen Systemen wird in der Regel ein implantierbarer oder ein externer Impulsgenerator verwendet. Die externen Systeme bestehen aus einem Sender und einer Antenne zum Übertragen von Energie und/oder Stimulationssignalen transkutan durch die Haut des Patienten zu einem implantierten Empfänger. Der Empfänger führt an den erhaltenen Impulsen eine Signalverarbeitung aus und überträgt die daraus abgeleitete Energie an Elektroden, die angrenzend an bestimmte Arten von zu stimulierenden Gewebe implantiert sind, um diese zu aktivieren. Ein System wie dieses ist im US-Patent 3 727 616 beschrieben. Es ist auch bereits bekannt, mehr als ein Paar von Elektroden zu aktivieren, etwa aus dem Patent 3 449 768.
Bei diesen bekannten Systemen gibt es Probleme, wenn die Elektrodenanordnung nicht zu der gewünschten Reaktion des Körpers führt. So etwas kann auch später noch auftreten, wenn sich der Zustand des Patienten oder die Position der Elektrode verändert. Ein solcher Fehler kann darüberhinaus durch eine falsche Polarität der stimulierten Elektroden relativ zueinander ausgelöst werden. Oft ist es auch erforderlich, die Elektroden chirurgisch in der Nähe einer oder mehrerer Nervenfasern einzusetzen. Dadurch ergeben sich unvermeidlich Risiken durch die Tatsache, daß dies oft in unmittelbarer Nähe zum Gehirn oder zum Rückenmark oder anderen empfindlichen Nerven oder Geweben erfolgt. Es ist deshalb wünschenswert, die Elektrodenimplantation nur einmal durchführen zu müssen, um die chirurgischen Risiken für den Patienten und auch die finanzielle Belastung gering zu halten.
Auch wenn eine Mehrzahl von Elektroden verwendet wird, damit keine wiederholten chirurgischen Eingriffe erforderlich sind, war bei den bekannten Systemen bis zum US-Patent 4 459 989 an Borkan keine dynamische Programmierung und Umprogrammierung von verschiedenen Elektroden vorgesehen. Das Borkan-Patent '989 beschreibt ein externes Stimulatorsystem mit der Möglichkeit der nichtinvasiven Programmierung der stimulierten Elektroden. Jede Elektrode kann bezüglich der anderen Elektroden einen positiven, negativen oder offenen Verbindungsstatus annehmen. Dadurch können die Elektroden effektiv nichtinvasiv "neu positioniert" werden. Die gleiche Programmiermöglichkeit (Plus/Minus/Aus) wurde später auch bei insgesamt implantierbaren Systemen angewendet. Das System weist auch eine ein/zweiphasige Steuerung auf.
Im US-Patent 4 612 934, ebenfalls an Borkan, sind weitere Verbesserungen beschrieben. Das Borkan-Patent '934 sieht eine Programmierung des chirurgisch implantierten Stimulatorempfängers zur Definition der Elektrodenauswahl und der Polarität und der Stimulationsimpulsparameter vor. Die Impulsparameter umfassen die Frequenz, die Amplitude und die Impulsbreite. Die Impedanz der Elektroden wird gemessen und dazu ver wendet, um die programmierten Stimulationsimpulse entsprechend den Eingaben von gemessenen physikalischen Parametern zu modifizieren. Es wird dabei ein einziger Stimulationsimpuls entwickelt und an eine oder alle der ausgewählten Elektrodenkombinationen abgegeben. Es besteht nicht die Möglichkeit, gleichzeitig individuelle Impulse an verschiedene ausgewählte Elektroden abzugeben. Auch wird nicht die Impedanz der einzelnen Elektroden gemessen, sondern nur die der Elektroden als Gruppe.
Im US-Patent 5 895 415 ist eine Vorrichtung zum Kontrollieren und Steuern eines elektrischen Feldes für eine Nervenstimulation mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen beschrieben.
Im US-Patent 5 913 882 ist eine andere neurale Stimulationstechnik mit Rückkopplung beschrieben.
Im US-Patent 5 649 970 ist eine Kanteneffektelektrode beschrieben, die in volumenleitenden Medien eine räumlich gesteuerte Verteilung des elektrischen Potentials erzeugt. Dabei ist in Abständen eine Anzahl von Elektroden längs einer langgestreckten Stimulationsleitung angeordnet.
Das erfindungsgemäße Gewebestimulationssystem ist im Patentanspruch 1 definiert. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen angegeben. Andere, im folgenden beschriebene Ausführungsformen sind nicht von der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Ein Gewebestimulationssystem umfaßt eine Elektrodenanordnung mit wenigstens drei im Abstand angeordneten, zu stimulierenden Elektroden in einem Patienten. Ein programmierbarer Stimulator ist mit der Elektrodenanordnung verbunden und gibt an diese Stimulationsimpulse ab. Programmierdaten im Stimulator legen für jede der Elektroden individuelle Stimulationsimpulse fest, die in der Polarität und wenigstens einer der Größen Amplitude, Frequenz, Impulsbreite und Impulsform variieren.
Der Stimulator kann für jede der Elektroden einen Impulsgenerator oder einen gemeinsamen Impulsgenerator für alle Elektroden und eine Schaltung mit variabler Impedanz für jede der Elektroden enthalten. Die Schaltung mit variabler Impedanz kann zum Beispiel einen Spannungsteiler oder einen Analogschalter enthalten. Der Stimulator steuert die Amplitude und Impulsbreite mittels der Schaltung mit variabler Impedanz individuell.
Der Stimulator kann die Impedanz jeder der Elektroden messen und modifiziert den von den Programmierdaten festgelegten Stimulationsimpuls für jede Elektrode in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz der jeweiligen Elektrode.
Der Stimulator kann physikalische oder physiologische Parameter messen und modifiziert die von den Parameterdaten festgelegten Stimulationsimpulse für jede Elektrode in Abhängigkeit von den gemessenen Parametern. Die gemessenen Parameter können aus einer EMG-, EKG- oder EEG-Messung sein. Die Meßschaltung kann chemische oder biochemische Sensoren umfassen. Der Stimulator weist einen Signaleingang auf und modifiziert die Stimulationsimpulse in Abhängigkeit von den am Signaleingang eingegebenen Signalen. Die eingegebenen Signale können aufbereitete visuelle oder Audio-Signale sein.
Der Stimulator kann die Position der Elektroden aus den gemessenen Parametern bestimmen und modifiziert die Stimulationsimpulse in Abhängigkeit von der festgestellten Position. Für die Anzeige der festgestellten Position ist ein Display vorgesehen.
Im Abstand von den wenigstens drei Elektroden ist eine zusätzliche Elektrode vorgesehen. Die zusätzliche Elektrode hat eine größere Oberfläche als jede der wenigstens drei Elektroden. Die Oberfläche der zusätzlichen Elektrode ist mindestens doppelt so groß wie die jeder der wenigstens drei Elektroden. Die zusätzliche Elektrode hat zu den wenigstens drei Elektroden einen Abstand von mindestens 10 Millimetern.
Die Programmierdaten legen eine Stimulation im Bipolarmodus, im Monopolarmodus oder im gleichzeitigen Bipolar/Monopolarmodus fest. Im Bipolarmodus werden wenigstens zwei der wenigstens drei Elektroden verwendet und im Monopolarmodus die zusätzliche Elektrode als Anodenelektrode und wenigstens eine der wenigstens drei Elektroden als Kathodenelektrode.
Das vorliegende Gewebestimulationssystem kann dazu verwendet werden, dadurch ein Gewebestimulationsverfahren durchzuführen, daß die Elektrodenanordnung mit den entlang des zu stimulierenden Gewebes liegenden Elektroden im Patienten positioniert und der Stimulator mit den Elektroden verbunden wird. Vom Stimulator werden dann an die wenigstens drei Elektroden Stimulationsimpulse mit einer unabhängigen Zuordnung der Polarität und wenigstens einer der Größen Amplitude, Frequenz, Impulsbreite und Impulsform abgegeben. Der Stimulator kann ein externer Stimulator sein, vorzugsweise ist er ein implantierter Stimulator.
Das Verfahren kann des weiteren das Messen der Serienimpedanz jeder der Elektroden und das Modifizieren der Stimulationsimpulse für jede Elektrode in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz der jeweiligen Elektrode umfassen.
Außerdem können physikalische oder physiologische Parameter gemessen und die Stimulationsimpulse für jede Elektrode in Abhängigkeit von den gemessenen Parametern modifiziert werden. Die gemessenen Parameter können aus EMG-, EKG oder EEG-Messungen stammen. Von einem Lungen-, Herz- und/oder Nervenmonitor können Informationen erhalten werden und die Stimulationsimpulse in Abhängigkeit von den Informationen und den gemessenen Parametern modifiziert werden.
Darüberhinaus kann die relative Position der Elektroden zu dem gewünschten zu stimulierenden Gewebe aus den gemessenen Parametern bestimmt werden. Die bestimmte relative Position der Elektroden kann angezeigt werden. Die Anzeige kann eine Überlagerung einer Abbildung der gewünschten Elektrodenposition und/oder Elektrodenverschiebung in einem Röntgenbild sein. Das System gibt bei einer Verschiebung der Elektrode dem Arzt eine Rückmeldung in Echtzeit.
Die Stimulationsimpulse können in Abhängigkeit von der relativen Position modifiziert werden. Die Messung kann EMG-Messungen von bestimmten Muskeln umfassen. Die Stimulationsimpulse werden modifiziert, um die relative Position von einer oder mehr der einzelnen Elektroden zu bestimmen.
Das Verfahren kann auch das gleichzeitige Abgeben von Stimulationsimpulsen an wenigstens zwei der wenigstens drei Elektroden im Bipolarmodus und an eine zusätzliche Elektrode als Anode und wenigstens eine der wenigstens drei Elektroden als Kathode im Monopolarmodus umfassen.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Blockdarstellung eines Stimulatorsystems.
2 ist eine Blockdarstellung einer ersten Ausführungsform von Teilen des Stimulatorsystems mit eigenen Impulsgeneratoren für jede Elektrode.
3 ist eine Blockdarstellung eines Teils des Stimulators mit einem gemeinsamen Impulsgenerator mit einer individuellen Impulsbreiten- und Amplitudenmodifikation für jede Elektrode.
4 ist eine Blockdarstellung einer Ausgangsschaltung.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Polaritätsschalters.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Leitung mit einer zusätzlichen Elektrode.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gegenwärtig werden Neurostimulationsleitungen im oder in der Nähe des Rückenmarks, des Gehirns oder einzelner Nerven angeordnet. Die Energie, die zum Hervorrufen einer funktionellen Stimulation erforderlich ist, wird direkt durch die Größe, die Form, das Material, die Ausgestaltung und die Orientierung der aktiven Elektrodenkontakte bestimmt. Eine Verringerung der Oberfläche der Elektroden ergibt wegen der erhöhten Felddichte verringerte Energieanforderungen an den Stimulator für das Erhalten der gleichen funktionellen Wirkung.
Für die Rückenmarkstimulation verwendete Elektroden werden in der Regel in den Epiduralraum implantiert. Dies erfolgt aus mehreren Gründen, die eine einfachere chirurgische Behandlung, die verringerte Gefahr von Komplikationen und eine erhöhte Stabilität des Implantats einschließen. Die Implantation in den Epiduralraum erfordert jedoch eine wesentlich größere Stimulationsenergie, da das Signal die Dura und die Zerebrospinalflüssigkeit durchdringen muß, um das gewünschte neurale Zielgebiet im Rückenmark zu erreichen.
Die Grenzen der gegenwärtig verfügbaren Systeme hinsichtlich einer Verbesserung des Stimulationsfeldes führen oft zu einer unwirksamen Therapie und/oder zu weiteren chirurgischen Interventionen. Gegenwärtig wird bei den bekannten Systemen die relative Elektrodenpolarität umprogrammiert, um das Stimulationsfeld nichtinvasiv zu "verschieben". Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine wirkungsvolle Therapie zusätzli che und empfindlichere Methoden für eine Verschiebung des Stimulationsfeldes (und damit der aktivierten Nervenfasern und des aktivierten Gewebes) bereitzustellen.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Größe, Form und Position des elektrischen Feldes dadurch verändert, daß die relative Amplitude oder Impedanz der Stimulationsimpulse für die stimulierten Elektroden individuell geändert wird. Wenn zum Beispiel vier Elektroden aktiviert werden – zwei als Kathoden und zwei als Anoden – kann das elektrische Feld dadurch verändert werden, daß die relative Amplitude, die Impulsbreite und/oder die Impulsform der an die einzelnen Elektroden abgegebenen Impulse geändert wird.
Bei vielen Anwendungen elektrischer Stimulation in Nervengewebe (einschließlich dem Gehirn, dem Rückenmark, Hör- und Sehnervenfasern) ist eine sehr genaue Positionierung des elektrischen Feldes erforderlich, um die gewünschte Wirkung zu erhalten. Fortschritte in der Behandlung von Verletzungen des Rückenmarks und von gelähmten Gliedern werden ebenfalls stark verfeinerte Methoden für die Aktivierung von bestimmtem Gewebe und bestimmten Nervenfasern erfordern.
Die vorliegende Erfindung führt zu stark verfeinerten Möglichkeiten für die Auswahl des Zielgebietes und damit zu optimalen therapeutischen Ergebnissen. Die unabhängige Amplitudensteuerung erlaubt eine Umprogrammierung einer Elektrodenanordnung, um eine relativ zu den ins Auge gefaßten Nervenfasern nicht optimale Position zu kompensieren. Zum Beispiel können zwei Katheter, die neben der Mittellinie des Rückenmarks plaziert sind, auf dem Pegel, der zum Aktivieren der gewünschten Längsfasern erforderlich ist, Nervenwurzeln unerwünscht stimulieren, wodurch es unmöglich wird, mit einem herkömmlichen Stimulator ein akzeptables therapeutisches Ergebnis zu erhalten. Durch Verändern der relativen Amplitude der Stimulationsimpulse für die einzelnen Elektroden kann das Stimulationsfeld verschoben werden, um eine Aktivierung der unerwünschten Fasern zu vermeiden.
Einige Nervenfasern reagieren auf bestimmte Impulsformen oder Impulsbreiten empfindlicher als andere. Eine Änderung dieser Parameter für die einzelnen Elektroden ermöglicht eine selektive Aktivierung der erwünschten neuralen Zielgebiete, während eine unerwünschte Aktivierung von anderen Strukturen weitgehend unterbleibt.
Das Verfahren kann des weiteren das Messen von bestimmten physikalischen oder physiologischen Parametern und das Modifizieren der Stimulationsimpulse auf der Basis dieser Messungen umfassen. Zum Beispiel ist bei der Implantation eines Rückenmarkstimulators die Anordnung der Elektrode an einer bestimmten dermatomalen Stelle und/oder seitlichen Position relativ zum Rückenmark kritisch. Es können Messungen der durch eine Reihe von einzeln erzeugten Stimulationsimpulsen induzierten Muskelkontraktionen derart erfolgen, daß sich ein System ergibt, das auf der Basis von physiologischen Messungen anzeigt, wann die gewünschte Stelle erreicht ist. Ohne die Parametersteuerung einzelner Impulse ist dieser Vorgang zeitaufwendig, unpraktisch und in vielen Fällen unmöglich.
Der in der 1 gezeigte Stimulator 10 umfaßt eine Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20, in der Programmierdaten 22 gespeichert sind. Die Programmierdaten bestimmen, welche Elektroden zu stimulieren sind, die Polarität der Elektroden relativ zueinander und die an jede der einzelnen Elektroden abzugebenden Stimulatorimpulse. Es ist zwar gezeigt, daß die Programmierdaten in der Schaltung gespeichert sind, sie können jedoch auch extern gespeichert werden oder von einer externen Quelle über ein Interface 25 heruntergeladen werden. Die Daten können auf der Basis von Impuls zu Impuls heruntergeladen werden, zum Beispiel bei einer Anwendung als Hör- oder Sehhilfe.
Die Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 kann auch Meßschaltungen enthalten, um über eine Elektrodenimpedanz-Meßschaltung 24, die die Impedanz jeder der einzelnen Elektroden erfaßt, die Impedanz jeder Elektrode zu messen. Sie kann auch mit einer Meßschaltung 26 physikalische oder physiologische Parameter überwachen. Die Meßschaltung 26 kann chemische oder biochemische Sensoren umfassen. Die physikalischen Parameter können biologische Parameter oder andere Informationen sein. Die gemessenen Parameter können Parameter von EMG-, EKG- oder EEG-Messungen umfassen, die über das Interface 25 aufgenommen werden. Über das Interface 25 können auch Informationen von einem Lungen-, Herz- und/oder Neuromonitor erhalten werden.
Die relative Position der Elektroden zu dem zu stimulierenden Gewebe kann anhand der gemessenen Parameter bestimmt werden. Die Stimulationsimpulse können als Funktion der relativen Position modifiziert werden. Die Messung kann eine EMG-Messung von bestimmten Muskeln umfassen. Die Stimulationsimpulse werden modifiziert, um die relative Position von einer oder mehr der Elektroden einzeln zu bestimmen. Die bestimmte relative Position der Elektroden kann angezeigt werden. Das Display 27 kann die Überlagerung einer Abbildung der gewünschten Elektrodenposition und/oder der Verschiebung in einem Röntgenbild zeigen. Das System gibt dem Arzt, wenn die Elektroden bewegt werden, eine Rückmeldung in Echtzeit.
Die Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 kann die Programmierdaten 22 auf der Basis eines oder aller der gemessenen Parameter sowie der festgestellten Position modifizieren. Dadurch ändert sich, welche Elektroden zu stimulieren sind, deren Polarität relativ zueinander und auch der Stimulationsimpuls für jede der einzelnen Elektroden. Die gemessenen Parameter können gespeichert und/oder über das Interface 25 übertragen werden.
Von der Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 werden für jede Elektrode Steuerinformationen über eine Leitung 28 zu einem Impulsgenerator 30 und über eine Leitung 29 zu einer Ausgangsschaltung 40 ausgegeben. Der Impulsgenerator 30 gibt über eine Leitung 31 einen Stimulationsimpuls an die Ausgangsschaltung 40 ab. Die Ausgänge 50 der Ausgangsschaltungen 40 sind mit den einzelnen Elektroden verbunden. Für jede der Elektroden ist ein Impulsgenerator 30 und eine Ausgangsschaltung 40 vorhanden. Zur besseren Darstellung sind jeweils drei davon gezeigt. Bei dem System hat jede der einzelnen Elektroden ihren eigenen, nur für sie vorgesehenen Impulsgenerator.
Die 2 zeigt den Impulsgenerator 30 und die Ausgangsschaltung 40 genauer. Der Impulsgenerator 30 umfaßt eine Schaltung 32 für die Impulsamplitude, eine Schaltung 34 für die Impulsform, eine Schaltung 36 für die Frequenz und eine Schaltung 38 für die Impulsbreite. Die Steuerung dieser Schaltungen erfolgt durch die Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 über die Leitung 28.
Die Ausgangsschaltung 40 umfaßt eine Schaltung 42 für die Elektrodenpolarität, die über die Leitung 29 von der Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 gesteuert wird. Der Ausgang der Schaltung 42 für die Elektrodenpolarität ist über eine Leitung 41 mit dem Ausgangsschalter 44 verbunden. Ein Impuls auf der Leitung 31 vom Impulsgenerator 30 wird abhängig von der Polarität oder hohen Impedanz, die von der Schaltung 42 für die Elektrodenpolarität festgelegt wird, über den Ausgangsschalter 44 am Ausgang 50 an die Elektrode abgegeben. Die Elektrode befindet sich entweder in einem positiven oder negativen Zustand oder in einem Zustand hoher Impedanz.
Eine Modifikation ist in der 3 gezeigt. Ein gemeinsamer Impulsgenerator, der die Schaltungen 34 und 36 der 2 umfaßt, gibt auf der Leitung 35 an die Ausgangsschaltung 44 einen Impuls mit einer Form und Frequenz aus, die von der Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 über die Leitung 28 gesteuert wird. Die Schaltung 32 für die Impulsamplitude gibt auf der Leitung 33 ein Ausgangssignal an die Ausgangsschaltung 44 ab und die Schaltung 38 für die Impulsbreite auf der Leitung 39 ein solches Signal.
Die Schaltung 32 für die Impulsamplitude und die Schaltung 38 für die Impulsbreite modifizieren den auf der Leitung 35 erhaltenen gemeinsamen Impuls durch Steuern des Ausgangsschalters 44. Die auf der Leitung 33 eingegebene Amplitude kann ein variables Impedanznetzwerk steuern, das eine Widerstandsteileranordnung sein kann, die von einem Multiplexer gesteuert wird. Die auf der Leitung 39 eingegebene Impulsbreite steuert zur Bestimmung der Impulsbreite den Ein/Aus-Zustand des Schalters. Dadurch kann auch eine zeitliche Änderung der abgegebenen Impulse erzeugt werden (durch späteres Beginnen und früheres Beenden als bei anderen Ausgangssignalen). Die Polarität wird nach wie vor von der Schaltung 42 für die Elektrodenpolarität bestimmt.
Anhand der 4 wird der Ausgangsschalter 44 genauer erläutert. Ein Digital-Analog-Konverter 43 nimmt über die Leitung 33 das Impulsamplitudensignal und über die Leitung 39 das Impulsbreitensignal auf. Diese Signale werden in ein analoges Signal auf der Leitung 45 umgewandelt. Das analoge Signal auf der Leitung 45 wird zu einer variablen Impedanzschaltung 46 geführt, die auf der Leitung 35 auch den gemeinsamen Impuls zugeführt erhält, und steuert zur Modifikation des gemeinsamen Impulses die variable Impedanzschaltung 46. Die individuell ausgestalteten Impulse werden dann über die Leitung 47 zu dem Polaritätsschalter 48 geführt, der auf der Leitung 41 das Steuersignal für die Polarität aufnimmt. Das Ausgangssignal wird über den Ausgang 50 zu der jeweiligen Elektrode geführt. Alternativ kann die Impulsbreitensteuerung auf der Leitung 39 zur Steuerung des Polaritätsschalters 48 logisch erfolgen.
Das variable Impedanznetzwerk kann ein Schalter sein, zum Beispiel ein im analogen Bereich arbeitender FET. Die Impedanz des analogen Schalters kann von EIN mit weniger als 10 Ω bis aus mit größer als 1 MΩ reichen. Die variable Impedanz liegt in der Regel im Bereich von einigen Hundert bis zu einigen Tausend Ohm. Dadurch ergibt sich ein Spannungsteilereffekt, da das zu stimulierende Nervengewebe eine nominale Impedanz von 500 bis 1200 Ω hat.
Die Meßschaltungen 24, 26 können so ausgeführt sein, daß sie mit der implantierten Mikroprozessor- und Steuerschaltung 20 zusammenwirken, um die Stimulationsparameter automatisch umzuprogrammieren. Dadurch wird der Stimulationsablauf in Reaktion auf die gemessenen Parameter dynamisch auf einen vorgegebenen Pegel umprogrammiert. Die hier beschriebenen Verfahren können auch ausgeführt werden, wenn der Stimulator 10 extern vom Patienten ist.
Der Polaritätsschalter ist in der 5 gezeigt. Er umfaßt zwei komplementäre Feldeffekttransistoren 52 und 54, die parallel geschaltet sind und die auf der Leitung 39 einen analogen Stimulationsimpuls aufnehmen, der in Abhängigkeit von den Eingangssignalen Q_P und
an den jeweiligen Gates übertragen wird. Das Ausgangssignal wird über den Kondensator 49 zum Elektrodenausgang 50 geführt. Zwischen den Kondensator 49 und Masse ist ein dritter FET 56 geschaltet, der an seinem Gate durch das Eingangssignal
gesteuert wird. Wenn Q_N auf dem hohen Pegel liegt, ist die Ausgangspolarität positiv. Wenn Q_P auf dem hohen Pegel liegt, ist der Ausgang negativ. Wenn sowohl Q_N als auch Q_P auf dem hohen Pegel liegen, ist der Ausgang offen oder liegt auf der hohen Impedanz.
Für eine genauere Erläuterung der Schaltung siehe die US-Patente 4 459 989 und 4 612 934, beide an Borkan, die hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen werden.
Auch wenn das vorliegende Stimulatorsystem dafür vorgesehen ist, für jede der Elektroden individuell gestaltete Stimulationsimpulse abzugeben, kann das System auch als herkömmliches Neurostimulatorsystem betrieben werden, das an ausgewählte Elektroden einen gemeinsamen Stimulationsimpuls abgibt.
Wie in der 6 gezeigt, umfaßt eine Stimulationsleitung 60 eine Umhüllung 62 mit einer Anzahl von in einer Reihe angeordneten Elektroden 64, die voneinander den Abstand D₁ haben, und mit einer zusätzlichen Elektrode 65 an einer Umhüllungsdrahtverlängerung 67, die sich vom distalen Ende 66 weg erstreckt. Das proximale Ende 68 weist Kontakte 69 auf, die mit den Elektroden und den Stimulatorausgängen 50 verbunden sind. Die zusätzliche Elektrode 65 hat eine größere Oberfläche auf der Umhüllung/dem Draht als jede der Elektroden 64 auf der Umhüllung.
Die Elektroden 64 können alle die Länge L₁ haben, während die zusätzliche Elektrode 65 die Länge L₂ hat. Die Länge L₂ ist größer als L₁, wenigstens das zweifache davon. Wenn zum Beispiel die Länge L₁ gleich 2 mm ist, ist die Länge L₂ gleich 4 mm. Die Länge L₂ kann irgendwo zwischen dem 2- bis 4-fachen der Länge L₁ liegen. Auch kann die zusätzliche Elektrode 65 einen größeren Umfang haben als jede der Elektroden 64. Die zu sätzliche Elektrode 65 kann zum Beispiel einen Umfang von 360° abdecken und die Elektroden 64 einen Umfang von 180° oder weniger.
Es ist anzumerken, daß die zusätzliche Elektrode 65 zur nächsten Elektrode 64 einen Abstand D₂ aufweist. Wenn D₁ etwa 6 mm beträgt, beträgt der Abstand D₂ wenigstens 10 mm und kann bis zu 20 mm und mehr betragen. Bei einem solchen Abstand wirken die Elektroden 64, wenn sie in Verbindung mit der zusätzlichen Elektrode 65 mit vergrößerter Fläche verwendet werden, jeweils als Punktquelle.
In der 6 ist zwar eine spezielle Elektrode dargestellt, es können jedoch mit dem Stimulatorsystem der vorliegenden Erfindung auch andere Elektroden verwendet werden. Es ist dies ein Beispiel für eine Elektrode, die gleichzeitig in einem Bipolarmodus und einem Monopolarmodus betrieben werden kann und auch in jedem Modus allein. Im Bipolarmodus werden wenigstens zwei der Elektroden 64 verwendet und im Monopolarmodus wird die zusätzliche Elektrode 65 als Anode verwendet, während wenigstens eine der Elektroden 64 als Kathode verwendet wird. Dies wird durch die individuelle Programmierung der Stimulationsimpulse ermöglicht.
Das Stimulationsmuster kann komplizierte Programme umfassen, die bei der Stimulation langsam (über Sekunden und Minuten oder Stunden und Tage) zwischen einer Anzahl von Elektroden umschalten, um eine Gewöhnung an die Stimulation zu vermeiden oder um mehrere neurale Zielgebiete zu behandeln, oder die schnell umschalten (mit etwa der gleichen Geschwindigkeit wie der der elektrischen Aktivität von Neuronen im Rückenmark), um so längs des Rückenmarks oder eines Nervs künstlich neurale Signale zu erzeugen, die wie jede andere sensorische Funktion mit Signalen wahrgenommen werden kann, die sich durch das Rückenmark oder den Nerv bewegen. Zum Beispiel kann ein Signal erzeugt werden, das einer Hitzeinwirkung auf den großen Zeh des Patienten entspricht oder dem Druck auf den Fuß des Patienten oder dem Gefühl, daß sich ein Glied in einer anderen Stellung befindet als es tatsächlich ist.
Theoretisch können auf diese Weise ein Geschmack, ein Geruch, eine Ansicht und sogar Gedanken erzeugt werden, wodurch es möglich wird, daß verschiedene künstliche Prothesen (Seh- und Hörhilfen usw.) mit dem menschlichen Körper zusammenwirken.
Die beschriebene und gezeigte detaillierte Darstellung der Erfindung ist nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.

Claims

Gewebestimulationssystem mit einer Elektrodenanordnung (60) mit wenigstens drei innerhalb eines Patienten zu stimulierenden Elektroden (64), einem mit der Elektrodenanordnung (60) verbundenen und dieser Stimulationsimpulse zuführenden programmierbaren Stimulator (10), und mit Programmierdaten (22) in dem Stimulator (10), die für jede der wenigstens drei Elektroden (64) individuelle Stimulationsimpulse festlegen, die in der Polarität und mindestens einer der Größen Amplitude, Frequenz, Impulsbreite und Impulsform variieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimulator (10) für jede Elektrode (64) eine separate Schaltung (46) mit variabler Impedanz und einen gemeinsamen Impulsgenerator (30) für die Zuführung eines gemeinsamen Stimulations-Spannungsimpulses an jede der Schaltungen (46) mit variabler Impedanz (46) umfaßt, und daß der Stimulator (10) die Amplitude und die Impulsbreite des gemeinsamen Stimulations-Spannungsimpulses für jede Elektrode (64) individuell modifiziert.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung (46) mit variabler Impedanz für jede Elektrode (64) einen Spannungsteiler aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung (46) mit variabler Impedanz für jede Elektrode (64) einen Analogschalter aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der Stimulator (10) die Serienimpedanz jeder der Elektroden (64) mißt und den durch die Programmierdaten festgelegten Stimulationsimpuls für jede Elektrode (64) als Funktion der gemessenen Impedanz der betreffenden Elektrode (64) modifiziert.
System nach Anspruch 1, wobei der Stimulator (10) physikalische Parameter mißt und den durch die Programmierdaten festgelegten Stimulationsimpuls für jede Elektrode (64) als Funktion der gemessenen Parameter modifiziert.
System nach Anspruch 1, mit einer im Abstand von den wenigstens drei Elektroden (64) angeordneten zusätzlichen Elektrode (65), die eine größere Oberfläche hat als jede der wenigstens drei Elektroden (64).
System nach Anspruch 6, wobei die zusätzliche Elektrode (65) eine mindestens doppelt so große Oberfläche hat wie jede der wenigstens drei Elektroden (64).
System nach Anspruch 6, wobei die zusätzliche Elektrode (65) von den wenigstens drei Elektroden (64) einen Abstand von mindestens 10 mm hat.
System nach Anspruch 6, wobei die Programmierdaten (22) eine simultane Stimulation in einem Bipolarmodus unter Verwendung von mindestens zwei der wenigstens drei Elektroden (64) und in einem Monopolarmodus unter Verwendung der zusätzlichen Elektrode (65) als Anodenelektrode und mindestens einer der wenigstens drei Elektroden (64) als Kathodenelektrode festlegen.
System nach Anspruch 6, wobei die Programmierdaten (22) eine Stimulation in einem Bipolarmodus festlegen.
System nach Anspruch 6, wobei die Programmierdaten (22) eine Stimulation in einem Monopolarmodus unter Verwendung der zusätzlichen Elektrode (65) als gemeinsame Anodenelektrode mit mindestens einer der wenigstens drei Elektroden (64) als Kathodenelektrode festlegen.
System nach Anspruch 1 mit einer Meßschaltung (26) zur Messung bestimmter physiologischer Parameter, wobei der Stimulator (10) die Stimulationsimpulse als Funktion der gemessenen Parameter modifiziert.
System nach Anspruch 12, wobei zu den gemessenen Parametern EMG-, EKG-, oder EEG-Meßdaten gehören.
System nach Anspruch 12, wobei die Meßschaltung (26) chemische oder biochemische Sensoren aufweist.
System nach Anspruch 12, wobei der Stimulator (10) einen Signaleingang aufweist und die Stimulationsimpulse als Funktion der Eingangssignale am Signaleingang modifiziert.
System nach Anspruch 15, wobei zu den Eingangssignalen aufbereitete Hör- oder Sehsignale gehören.
System nach Anspruch 12, wobei der Stimulator (10) die Position der Elektrode (64) aus den gemessenen Parametern ermittelt und die Stimulationsimpulse als Funktion der ermittelten Position modifiziert.
System nach Anspruch 17, mit einem Display (27) zur Anzeige der ermittelten Position.