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Hintergrund der Erfindung
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind implantierbare Neurostimulatoren
und insbesondere ein implantierbarer Neurostimulator und ein Verfahren
zur Verwendung eines derartigen implantierbaren Neurostimulators,
um erregbares Muskel oder Nervengewebe auf eine natürlichere
und wirksamere Weise graduell zu rekrutieren.
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Die
Stimulation von erregbaren Geweben, d. h. Nerven- oder Muskelgewebe,
die sich große
Pulsbreiten und niedrige Pulsraten zu Nutze macht, wie sie im Stand
der Technik häufig
eingesetzt werden, tendiert dazu, die Faserpopulationen in der Umgebung
der Elektrode dazu zu zwingen, synchronisiert zu feuern. Beim synchronisierten
Feuern hat es sich tatsächlich
bei vielen dieser Vorrichtungen um das gesetzte Ziel gehandelt,
weil aus historischer Sicht angenommen wurde, dass erregbares Gewebe, wenn
es stimuliert werden soll, dergestalt stimuliert werden sollte,
dass es synchron feuert. Ein derartig synchronisiertes Feuern veranlasst
das erregbare Gewebe, nahezu einheitliche Funktionen der Ein- und
Ausgangsfeuerungsraten aufzuweisen, wodurch eine minimale statistische
Variabilität
aufgewiesen wird. Nachteilig ist jedoch, dass die minimale statistische
Variabilität
unnatürliche
Feuerungseigenschaften induziert. Diese unnatürlichen Feuerungseigenschaften
sind nicht dazu in der Lage, einen ausreichend integrierten elektrodynamischen
Bereich in einem erregbaren Gewebe zur Nachahmung biologischer Rekrutierungsmerkmale
herbeizuführen.
Es ist folglich zu sehen, dass ein Bedarf an einem Neurostimulationssystem
und -verfahren besteht, mit dem den mit dem synchronisierten Feuern
einhergehenden Limitationen begegnet werden kann und das die biologischen
Rekrutierungsmerkmale nachahmt.
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Das
an Jay Rubinstein erteilte
US-Patent
Nr. 6078838 lehrt einen bestimmten Typ des pseudospontanen
Neurostimulationssystems und -verfahrens. Das von Rubinstein im
Patent '838 gelehrte Neurostimulationsverfahren
führt eine
stochastische, unabhängige
Aktivität über eine
erregte Nerven- oder Neuronenpopulation hinweg herbei, um das zu
produzieren, auf das als „pseudospontane
Aktivität" verwiesen wird.
Variierende Raten pseudospontaner Aktivitätsraten werden durch Variieren
der Intensität
des Stimulus einer hochratigen Pulsfolge einer fixen Amplitude,
z. B. von 5000 Pulsen pro Sekunde (pps), geschaffen. Es wird gesagt,
dass die pseudospontane Aktivität
die Nervenfaserpopulation als Behandlung bei Tinnitus desynchronisiert.
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Das
an Albert Maltan et al. erteilte
US-Patent Nr.
6249704 bringt nicht auditorisch-informative Stimuli ebenso wie auditorisch-informative
Stimuli an die gleichen oder benachbarten Elektrodensets in der
Cochlea eines Patienten auf. Die nicht auditorisch-informativen Stimuli
beeinflussen die Eigenschaften und Response-Merkmale des auditorischen Systems
dergestalt, dass wenn die auditorisch-informativen Stimuli aufgebracht
werden, derartige Stimuli beim Evozieren einer gewünschten
auditorischen Response wirksamer sind, d. h. wirksamer sind, indem
sie dem Patienten ermöglichen,
einen Ton wahrzunehmen.
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Ein
im Stand der Technik bekannter Ansatz zum Erweitern des dynamischen
Bereichs, der zum Beispiel mit einem Cochlea-Implantat erreicht
wird, besteht im Aufbringen eines hochratigen Konditionierungssignals,
z. B. einer Pulsfolge von 5000 Hz in Kombination mit einer Analogstimulation
an den Elektrodenkontakten in Kontakt mit dem zu stimulierenden
Innenohrgewebe. Die Pulsfolge von 5000 Hz funktioniert als Konditionierungsmittel.
Siehe Rubinstein et al., Second Quarterly Progress Report N01-DC-6-2111
und
US-Patent 6078838 .
Dieser Ansatz und die damit erreichten Ergebnisse sind in
6A und
6B erläutert. Ein
Nachteil besteht darin, dass der von Rubinstein et al. vorgeschlagene Ansatz
einen peinlich genauen Vorgang zur Bestimmung des Grades der nicht
informativen Pulsfolge des Konditionierungsmittels erforderlich
macht. Da sie mit einer Analogstimulation kombiniert ist, ist der Leistungsverbrauch überdies
maßlos
hoch.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind die vorstehenden und anderen Bedürfnisse
durch Nutzung einer hochratigen pulsatilen Stimulation (z. B. größer als
2000 Hz) zum Stimulieren von erregbarem Gewebe. Diese hochratige
pulsatile Stimulation macht sich die feinen elektrophysiologischen
Unterschiede zwischen erregbaren Gewebezellen zum Desynchronisieren
von Aktionspotenzialen in der Population ebenso wie zum Induzieren
einer breiteren Verteilung von Populationsschwellen und elektrodynamischen
Bereichen zu Nutze.
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Die
vorliegende Erfindung begegnet den Limitationen, die durch synchronisiertes,
unnatürliches Feuern
herbeigeführt
werden. Die erfindungsgemäße Stimulation
ist konfiguriert, um gradierte Muskelkontraktionen ebenso wie breite
dynamische Bereiche herbeizuführen.
Derartige vorteilhaften Ergebnisse werden durch Nutzung von elektrischen
Stimulationsparametern erreicht, die eine Ineffizienz der Faserrekrutierung ähnlich jener
bereitstellen, die für
die synaptische Freisetzung der vesikulär eingeschlossenen Neurotransmitter
gesehen wird.
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Die
erfindungsgemäße Neurostimulation führt viele
verschiedene vorteilhafte Ergebnisse herbei, einschließlich der
funktionellen Extremitätenbewegung,
breiten elektrodynamischen Bereiche für Spiralganglien-Neuronen in
Cochlea-Implantaten, retinalen Ganglien-Feuerungsmuster in visuellen
Prothesen ebenso wie der funktionellen Rekrutierung für jedwedes
erregbare Gewebe. Zusätzliche,
durch die Erfindung ermöglichte
vorteilhafte Zwecke umfassen die folgenden: Erzeugen gradierter
Muskelbewegungen, Targetieren sensorischer Fasern der Klasse C für den Zweck
der Schmerzlinderung, Triggern auditorischer Nervenfasern zur Bereitstellung
der Hörsensation
und/oder Codieren der sensorischen Information, um nur einige wenige
zu nennen.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird die stochastische Feuerung an die erregbaren
Gewebezellen wieder hergestellt, wodurch die Schwellen, der dynamische
Bereich und die psychophysikalische Leistung gefördert werden.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung werden individuelle Neuronen mithilfe
eines Neurostimulatorimplantats bei einer Rate stimuliert, die schneller
ist, als die einzelnen Zellen in der Lage sind zu folgen, was dadurch
bedingt zu einer Randomisierung von Interspike-Intervallen (Feuerungsintervallen)
führt.
Wenn das Neuron nicht mehr an einen Trägerpuls phasenverriegelt ist,
wird die Feuerungswahrscheinlichkeit vorteilhafterweise zu einer
Funktion der Stimulusenergie und wird einer „natürlichen" biologischen Funktion viel ähnlicher.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorstehenden und anderen Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung
gehen aus der folgenden spezielleren Beschreibung davon, zusammen
mit den folgenden dargelegten Zeichnungen, deutlicher hervor, worin:
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1 eine
Stimulationsstrom-Wellenform darstellt, die die Stimulationsrate
(1/T) und die mit den elektrischen Stimuli assoziierte biphasische Pulsbreite
(PW) definiert, so wie diese Begriffe in der vorliegenden Anmeldung
verwendet werden;
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2A und 2B die
Haarzellen in der Cochlea und die Nervenfaser-Synapse, bei der es sich
um den Entstehungsort der stochastischen spontanen Feuerung in der
Cochlea handelt, anhand des Beispiels schematisch erläutern;
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3 die
durchschnittliche Feuerungsrate einer auditorischen Nervenfaser
als eine Funktion der IHC-Spannung zeigt;
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4 erläutert, wie
der dynamische Bereich durch die Größenordnung eines modulierenden
Signals beeinflusst wird;
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5 zeigt,
wie der dynamische Bereich bei Einsatz der üblichen elektrischen Stimulation
signifikant eingeengt wird;
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6A ein
im Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Induzieren der stochastischen
neuronalen Feuerung unter Verwendung eines Cochlea-Implantats erläutert;
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6B zeigt,
wie das Verfahren von 6A den dynamischen Bereich erweitert;
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7A eine
Autokonditionierung mit hochauflösender
Pulsfolge (ACHR) des erfindungsgemäß genutzten Typs erläutert;
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7B ein
funktionelles Blockdiagramm von einem Neurostimulator zeigt, der
zum Erzeugen eines ACHR-Neurostimulationssignals konfiguriert ist;
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8 konzeptionell
veranschaulicht, wie die Autokonditionierung mit hochauflösender Neurostimulation
die stochastische neuronale Feuerung von allen benachbarten Neuronen
induziert; und
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9 ein
Spikezahl-Histogramm für
die erfindungsgemäß bereitgestellte
ACHR-Neurostimulation
veranschaulicht.
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Entsprechende
Bezugszeichen zeigen entsprechende Komponenten durchweg in den verschiedenen
Ansichten der Zeichnungen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die
folgende Beschreibung stellt die beste Form dar, die derzeit zur
Ausführung
der Erfindung in Betracht gezogen wird. Diese Beschreibung darf nicht
im Sinne der Einschränkung
verstanden werden, sondern wird lediglich für den Zweck der Beschreibung
der allgemeinen Prinzipien der Erfindung vorgelegt. Der Umfang der
Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.
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1 zeigt
ein Wellenformdiagramm von einer biphasischen Pulsfolge und definiert
die Stimulationsperiode (T), die Stimulationsrate (1/T), die Amplitude
und die Pulsbreite (PW), wie diese Begriffe in der vorliegenden
Anmeldung verwendet werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer graduellen
Rekrutierung von erregbarem Muskel-/Nervengewebe durch das Aufbringen
eines hochratigen elektrischen Stimulationssignals, das mit der
gewünschten
Kontrollinformation amplitudenmoduliert wird. Die durch diese Stimulation
erreichten vorteilhaften Ergebnisse treten auf, weil das Stimulusmuster
eine stochastische, d. h. zufällige
neuronale Feuerung induziert, welche stochastische neuronale Feuerung
bei der Wiederherstellung der „spontanen" neuronalen Aktivität wirkt.
Das erfindungsgemäß bereitgestellte
hochratige Stimulusmuster stimuliert individuelle Neuronen bei einer
Rate, die tatsächlich
schneller ist als die, der das individuelle Neuron folgen kann.
Dies führt
zu einer Randomisierung von Interspike-Intervallen, wobei das Interspike-Intervall
die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden neuronalen Feuerungen für ein bestimmtes Neuron
darstellt; oder in anderen Worten, die Interspike-Intervalle die „Feuerungsmuster" individueller Nervenfasern
darstellen. Die Interspike-Intervalle oder Feuerungsmuster aller
Nervenfasern in einer ausgewählten
Gruppe von erregbarem Gewebe tendieren dazu, stochastisch (zufällig) zu
sein. Diese Feuerungsmuster sind überdies über die neuronale Population
hinweg stochastisch. Wenn das Neuron nicht mehr an einen Trägerpuls
phasenverriegelt ist, wie dies gewöhnlich der Fall ist, wenn Neurostimulatoren
aus dem Stand der Technik verwendet werden, ist es vorteilhaft,
dass seine Feuerungswahrscheinlichkeit zu einer Funktion der Stimulusenergie
und folglich einer „natürlichen" biologischen Funktion
viel ähnlicher
wird. Eine derartige Randomisierung in einer neuronalen Population
ermöglicht
der Population von Neuronenfasern feine Einzelheiten, die mit der von
einer solchen Population durchgeführten biologischen Funktion
assoziiert sind, besser zu codieren. Dies bedeutet, dass die Population
von Neuronenfasern dazu in der Lage ist zu codieren, was eine einzelne
Neuronenfaser nicht codieren kann.
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Die
durch die Randomisierung der neuronalen Population erhaltenen Verbesserungen
werden anschließend
in Bezug auf die Transduktion und die neuronale Codierung in der
Cochlea veranschaulichend erklärt.
Es sind die Spannungsfluktuationen in einer inneren Haarzelle (IHC) 101 (siehe 2A), die
die über
den auditorischen Nerv an das Hirn gesandten neuronalen Impulse
initiieren, die einer Person ermöglichen,
Töne wahrzunehmen.
Die von der IHC 101 durchgeführte biologische Funktion,
oder korrekter zum Ausdruck gebracht, von der Population von IHC 101,
die sowohl in der linken als auch rechten Cochlea eines Patienten
zu linden sind, stellt die Transduktion von mechanischer Vibration
in einen neuronalen Code dar, der vom Hirn als Hören interpretiert wird. Es
muss betont werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
Verwendung mit einer IHC 101, oder einer Population von
IHC der Cochlea bezogen ist. Das zu stimulierende erfindungsgemäße Target
stellt viel mehr erregbare(s) Muskel- und/oder Nervengewebe einer
Extremität
dar. Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass dort, wo ein
Bündel
von elektrisch zu stimulierenden Muskelfasern oder Muskelgewebe
vorhanden ist, ein sehr enges Fenster von keiner Response bis zu
einer vollständigen
Rekrutierung von Fasern vorliegt. Was in Bezug auf die Muskelstimulation
benötigt
wird, ist eine graduelle Response. Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist die vorteilhafte Bereitstellung einer derartigen graduellen
Response, entweder durch direkte elektrische Stimulation der Muskelfasern
oder des Muskelgewebes oder durch elektrische Stimulation der Nerven,
die die Muskelfasern oder das Muskelgewebe innervieren.
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2A erläutert schematisch
einen Nervenfaserkomplex 100 einer inneren Haarzelle (IHC).
Die IHC 101 stellt die Transduktionszelle oder den sensorischen
Rezeptor der Cochlea dar. An einem Ende der Haarzelle 101 befinden
sich als Stereozilien bekannte winzige Härchen 102, die auf
der inneren Oberfläche
der Cochlea exponiert sind. Diese Härchen 102 bewegen
sich hin und her, so wie sich Flüssigkeit
in der Cochlea hin- und herbewegt, wobei diese Bewegung veranlasst,
dass eine Spannung über die
IHC-Membran hinweg auftritt. (Die Flüssigkeit in der Cochlea bewegt
sich als eine Funktion von Druckwellen, d. h. Tonwellen, die durch
das Außen- und
Mittelohr wahrgenommen werden, oder in einigen Fällen durch die Knochenleitung
wahrgenommen werden, hin und her.) Andere Zell- oder Nervenfasertypen überall im
Körper
weisen analoge Mittel zum Wahrnehmen eines bestimmten Ereignisses oder
einer bestimmten Bedingung auf. Am anderen Ende des Nervenfaserkomplexes 100 befinden
sich Nervenfaser-Synapsen 104. Bei einer Synapse handelt
es sich um einen winzigen Spalt, über den am Ende einer Nervenfaser
die Nervenimpulse von einem Neuron zum nächsten passieren. Bei Erreichen einer
Synapse veranlasst ein Impuls die Freisetzung eines Neurotransmitters,
der über
den Spalt diffundiert und einen elektrischen Impuls im nächsten Neuron
triggert. In einem gesunden Ohr veranlasst die Bewegung der Härchen oder
Stereozilien 102, dass ein Nervenimpuls durch den Faserkomplex 100 an die
Synapse 104 weitergeleitet wird. Die Nervenfaser-Synapse 104 stellt
den Entstehungsort des stochastischen spontanen Feuerns dar. Die
Nervenfaser-Synapsen 104 sind an die individuellen auditorischen
Nervenfasern 108a, 108b, 108c, 108d,
... 108n gekoppelt, welche Nervenfasern wiederum über Ganglien-Zellkörper an
den Cochleanerv gekoppelt sind, der einen Teil des mit dem Hirn
verbundenen vestibulocochlearen Nervs (des VIII. Hirnnervs) bildet.
Es ist technisch nicht korrekt, dass man auf die IHC 101 als „gefeuert" verweist, weil wie
vorstehend angedeutet, das „Feuern" an der Nervenfaser-Synapse 104 und
nicht in der IHC 101 auftritt. Die auditorische Nervenfaser 108 stellt
folglich die „Spike-Zelle" dar, wo die Wirkung
eines Nervenimpulses, der durch eine Synapse 104 passiert,
manifest ist. Es ist nicht ungewöhnlich,
auf die Ereigniskette, die eine auditorische oder andere Nervenfaser
veranlasst, gespikt zu werden, kurz als auf das „Feuern" einer Nervenzelle, z. B. das Feuern
einer Ganglienzelle, oder einfach auf „neuronales Feuern" zu verweisen.
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2B zeigt,
dass so wie sich die Spannung der IHC-Membran ändert, d. h. wie die Stereozilien 102 verschoben
werden, sich die Wahrscheinlichkeit der Transmitterfreisetzung als
eine Funktion der Stimulusenergie auch ändert (aber die Freisetzung noch
zufällig
ist). Zu jedwedem Zeitpunkt feuern die Nervenfaser-Synapsen 104 als
Response auf einen wahrgenommenen Ton, der zum Verschieben der Stereozilien 102 führt oder
als Response auf Stille, wobei die sich die Stereozilien 102 im
Wesentlichen in Ruhe befinden, auf stochastische (zufällige) Weise,
was dazu führt,
dass Nervenimpulse den entsprechenden auditorischen Nervenfasern
entlang gesandt werden. Mit zunehmender Stimulusenergie nimmt die
Wahrscheinlichkeit zu, dass mehr Nervenfasern feuern, aber das Feuern
bleibt stochastisch oder zufällig.
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Wenn
deshalb die elektrische Stimulation durch Verwendung einer Cochlea-Implantatvorrichtung
bereitgestellt wird – und
es ist zu beachten, dass dies in den meisten Fällen, in denen eine Cochlea-Implantatvorrichtung
verwendet wird, deswegen geschieht, weil die IHC verloren ging – eine derartige Implantatvorrichtung,
zur besseren Repräsentation einer „natürlichen" biologischen Funktion,
eine Stimulus-Zufälligkeit
wie die der gesunden IHC induzieren sollte. Die vorliegende Erfindung
konzentriert sich in vorteilhafter Weise auf das Erreichen einer solchen
Zufälligkeit
der Stimulation.
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Die
Kurve 110 in 3 zeigt die durchschnittliche
Feuerungsrate einer auditorischen Nervenfaser als eine Funktion
der IHC-Spannung, wenn sich die IHC in Ruhe befindet (und die IHC-Spannung ca. –60 mV beträgt). Wie
in 3 ersichtlich ist, weist eine derartige durchschnittliche
Feuerungsrate eine Wahrscheinlichkeitsverteilung P(X) um eine mittlere Feuerungsrate
(X) herum auf.
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3 zeigt
auch, als Kurve 112, die durchschnittliche Feuerungsrate
einer auditorischen Nervenfaser als Funktion der IHC-Spannung, wenn
die IHC depolarisiert ist, d. h. wenn die Stereozilien 102 in
eine Richtung verschoben wurden und die IHC-Spannung ca. –25 mV beträgt. Wie
in 3 ersichtlich ist, weist in einer solchen Situation
die durchschnittliche Feuerungsrate (X) eine Wahrscheinlichkeitsverteilung
P(X) auf, die der von Kurve 110 (der IHC in Ruhe) ähnlich ist,
aber die Verteilung wurde nach rechts verschoben, was einen Hinweis auf
eine schnellere mittlere Feuerungsrate liefert.
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3 zeigt
ferner, als Kurve 114, die durchschnittliche Feuerungsrate
einer auditorischen Nervenfaser als eine Funktion der IHC-Spannung,
wenn die IHC hyperpolarisiert ist, d. h. wenn die Stereozilien 102 in
die andere Richtung verschoben wurden und die IHC-Spannung ca. –75 mV beträgt. Wie
in 3 ersichtlich ist, weist in einer solchen Situation die
durchschnittliche Feuerungsrate (X) eine Wahrscheinlichkeitsverteilung
P(X) sehr ähnlich
der von Kurve 110 (der IHC in Ruhe) auf, aber die Verteilung wurde
nach links verschoben, was einen Hinweis auf eine langsamere mittlere
Feuerungsrate liefert.
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Als
Nächstes
wird unter Bezugnahme auf 4 eine grafische
Darstellung gezeigt, die den erreichten dynamischen Bereich des
Systems erläutert,
wenn das stochastische Feuern der auditorischen Nervenfasern 108 intakt
bleibt. Für
eine niederenergetische Stimulation, wie sie in der grafischen Darstellung 120 dargelegt
ist, ist zu sehen, dass die „Spikezahl" (ein Histogramm
oder eine „Zählung" der Anzahl der auftretenden
Feuerungen) einer in etwa S-förmigen
Kurve 120' folgt,
die bei 0 beginnt und Sättigung
erreicht, d. h. sie erreicht eine maximale Feuerungsrate FRM bei einem Energieniveau E1. Für eine höher energetische
akustische Stimulation, wie sie in der grafischen Darstellung 122 dargelegt
ist, folgt die Spikezahl auf ähnliche
Weise einer in etwa S-förmigen
Kurve 122',
die in der Nähe von
0 beginnt und bei einem Energieniveau E2 Sättigung erreicht. Für eine noch
höher energetische akustische
Stimulation, wie in der grafischen Darstellung 124 gezeigt,
folgt die Spikezahl auf ähnliche Weise
einer S-förmigen
Kurve 124',
die in der Nähe von
0 beginnt und bei einem Energieniveau E3 Sättigung erreicht. Für eine sogar
noch höher
energetische akustische Stimulation, die wie in der grafischen Darstellung 126 dargelegt
ist, folgt die Spikezahl auf ähnliche
Weise einer in etwa S-förmigen
Kurve 126', die
in der Nähe
von 0 beginnt und bei einem Energieniveau E4 Sättigung erreicht. Der dynamische
Bereich des Systems stellt im Wesentlichen den Unterschied zwischen
den S-förmigen
Kurven 120' und 126' dar und liegt
in der Regel in der Größenordnung von
ca. 120 dB.
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Ein
Nachteil besteht darin, dass die von den meisten im Stand der Technik
bekannten Neurostimulatoren eingesetzten Stimulationsmuster zu einem sehr
engen dynamischen Bereich des Systems für den Patienten führen. Dies
ist, wie aus 5 hervorgeht, darauf zurückzuführen, dass
die auf den Nerv oder Muskel aufgebrachte elektrische Stimulation
immer mit einer Amplitude eingestellt werden muss, die mindestens
so groß wie
eine zum Feuern des Nervs erforderliche gemessene Mindestschwelle
T ist, damit sie den Nerv immer zum Feuern veranlasst. Sie wird
darüber
hinaus immer zu einem präzisen
Zeitpunkt abgegeben, der gewöhnlich
mit einem phasenverriegelten Taktsignaltyp in einer Form oder der
anderen mit der Frequenz des wahrgenommen Frequenzsignals frequenzverriegelt
ist. Folglich sollte, wie in 5 ersichtlich
ist, ein geringgradiger Stimulus, in der grafischen Darstellung 130 ersichtlich,
der definitionsgemäß noch über der
Mindestschwelle T liegen sollte, den Nerv zu einem kontrollierten
Zeitpunkt, z. B. wie durch das Taktsignal des Systems bestimmt,
zum Feuern veranlassen. Das Ergebnis ist eine Feuerungsratenkurve 130', die für die Schwellen-basierten
Systeme, bei denen das Feuern nur aufzutreten beginnt, wenn die
Schwelle überschritten wird,
und bei der Rate des aufgebrachten Stimulus (der, wie angezeigt,
in der Regel an ein Trägersignal frequenzverriegelt
ist) typisch ist, und danach erreicht die Feuerungsrate bei der
maximalen Feuerungsrate, FRM, schnell Sättigung.
(Die FRM stellt in der Regel die maximale
Rate dar, der eine bestimmte Nervenzelle folgen kann.) Eine ähnliche
Situation ergibt sich, wenn die Energie des aufgebrachten Stimulus
zunimmt, wobei all diese Energien über der Schwelle T liegen,
wie aus den grafischen Darstellungen 132, 134 and 136 hervorgeht,
was zu den Feuerungsratenkurven 132', 134' und 136' führt. Der sich ergebende dynamische
Bereich des Systems ist sehr eng, z. B. in der Größenordnung
von 3–9
dB.
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Im
Gegensatz zu dem von Rubinstein et al. vorgeschlagenen analogen
Ansatz (siehe 6A und 6B) setzt
die vorliegende Erfindung bevorzugt etwas ein, auf das als eine
Autokonditionierung mit einem hochauflösenden Neurostimulationsansatz (ACHR)
verwiesen wird. Ein derartiger ACHR-Ansatz verwendet überhaupt
kein Analogsignal, wodurch signifikant Energie konserviert wird.
Der ACHR-Ansatz beinhaltet das Herbeiführen eines hochratigen pulsatilen
Signals, z. B. einer biphasischen Pulsfolge mit einer Rate von größer als
ca. 2000 Hz (d. h. mit einer Periode T von weniger als ca. 500 μs) und mit
einer ausgewählten
Pulsbreite (PW) im Bereich von ca. 2–3 μs (Mikrosekunden) bis ca. 100 μs. Die Pulsbreite
kann anhand des Beispiels von ca. 11 μs bis ca. 21 μs betragen.
Im Allgemeinen ist bevorzugt, die Pulsbreite so eng zu machen, wie
sie vom entsprechenden Neurostimulatorschaltkreis unterstützt wird.
Die Frequenz der Stimulation andererseits, während sie hoch sein sollte,
z. B. größer als
ca. 2000 Hz, braucht nicht unbedingt viel schneller zu sein, als
welche Rate auch immer als die gewünschte hohe Rate bestimmt wird.
(Wenn die Pulsbreite enger wird und die Frequenz oder Rate im Wesentlichen
gleich bleibt, nimmt der Pflichtzyklus des ACHR-Signals ab, was bei
der Reduktion des Leistungsverbrauchs hilft.) Eine Definition für T und
PW ist in 1 ersichtlich. Das ACHR-Signal
wird durch die Amplitudenmodulation der hochratigen pulsatilen Signale
mit einem geeigneten Kontrollsignal herbeigeführt.
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Obwohl
dies nicht in den Umfang der beanspruchten Erfindung fällt, kann
im Fall eines Cochlea-Stimulators das Kontrollsignal die in einer
angemessenen Weise verarbeitete Toninformation darstellen, die mithilfe
eines externen Mikrophons wahrgenommen wird. Die Frequenz der Stimulation
sollte hoch sein, z. B. mindestens 2000 Hz und bevorzugt 3000 bis
5000 Hz, und die Pulsbreiten sollten weniger als ca. 100 μs betragen.
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Obwohl
dies nicht in den Umfang der beanspruchten Erfindung fällt, kann
das Kontrollsignal im Fall einer visuellen Prothese die in einer
angemessenen Weise verarbeitete visuelle Information darstellen,
die durch eine Anordnung von Lichtsensoren wahrgenommen wird. Elektrische
Kontakte, die in Kontakt mit oder in die Nähe der Retina des Auges gebracht
werden, bringen das ACHR-Signal auf neuronale Fasern in oder in
der Nähe
der Retina auf. Wenn die neuronalen Fasern stimuliert werden, d.
h. wenn die entsprechenden Nervenfaser-Synapsen feuern, wird die
Information aus den gefeuerten Nervenfasern über den optischen Nerv an das
Hirn übertragen.
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Im
Fall einer funktionellen Extremitätenbewegung kann es sich bei
dem Kontrollsignal um ein Signal handeln, das die gewünschte Bewegung
der Extremität
definiert, und die elektrischen Kontakte, über die das ACHR-Signal aufgebracht
wird, befinden sich in Kontakt mit dem entsprechenden Muskelgewebe
oder den entsprechenden Nervenfasern der Extremität.
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Obwohl
dies nicht in den Umfang der beanspruchten Erfindung fällt, kann
es sich im Fall von jedweder anderen funktionellen Rekrutierung
von erregbarem Gewebe bei dem Kontrollsignal um ein Signal handeln,
das die gewünschte
biologische Änderung,
die auftreten soll, definiert.
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Bei
Betrachtung im Rahmen einer großen Zeitskala,
z. B. von mehreren Millisekunden (ms), würde das durch einen Neurostimulator
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung bereitgestellte pulsatile ACHR-Signal
wie in 7A aussehen. In 7A stellt
die Horizontalachse die Zeit und die Vertikalachse die Amplitude
oder die Größenordnung dar.
Die relativ langsam variierende Hülle 140 stellt die
Kontrollinformation oder das Kontrollsignal dar, die oder das durch
welche Sensoren oder andere Mechanismen auch immer zur Kontrolle
des Neurostimulators eingesetzt werden, wahrgenommen wird, wohingegen
die Vertikallinien 142 die individuellen biphasischen Pulse
darstellen, die im ACHR-Signal vorhanden sind. Der horizontale Abstand
der Vertikallinien 142 ist nicht massstabgerecht gezeichnet.
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7B erläutert ein
funktionelles Blockdiagramm von einem erfindungsgemäßen Neurostimulator
170.
Der Neurostimulator
170 schließt einen hochratigen Pulsgenerator
172 ein,
der einen Strom hochratiger Pulse
173 mit einer Rate und
einer Pulsbreite (PW) generiert, die durch angemessene Parametereinstellungen,
wie durch Block
174 definiert, kontrolliert werden. Ein
bevorzugter Pulsgenerator stellt einen Strompulsgenerator des Typs dar,
der in
US-Patent Nr. 6181969 definiert
ist. Der hochratige Pulsstrom
173 wird an einen Ausgangstreiber
176 gerichtet.
Der Ausgangstreiber
176 wandelt den Pulsstrom in biphasische
Pulse um und moduliert die Amplitude der biphasischen Pulse mit
einem geeigneten Kontrollsignal
177. (Als Alternative kann
der Pulsgenerator
172 zum Generieren eines Stroms biphasischer
Pulse bei der spezifizierten Rate und Pulsbreite konfiguriert werden,
und der Ausgangstreiber
176 moduliert die Amplitude eines
derartigen Pulsstroms.) Das Kontrollsignal
177 stammt von
einem Modulationskontrollblock
178, der wiederum in Abhängigkeit
von der bestimmten beteiligten ACHR-Applikation an einen externen
Sensor, z. B. ein externes Mikrofon, gekoppelt werden kann.
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Das
vom Ausgangstreiber
176 generierte ACHR-Signal wird zwischen
einem ausgewählten Paar
einer Multiplizität
von Elektroden E1, E2, E3, ... En aufgebracht, von denen sich jede
in Kontakt mit dem zu stimulierenden Gewebe oder den zu stimulierenden
Nerven, über
einen Ausgangsschalter
180, befindet. Der Ausgangsschalter
wird durch angemessene Programmierungssignale kontrolliert. Wenn
ein Ausgangsstrom-Verstärker
des im vorstehend erwähnten
Patent
6181969 offenbarten
Typs eingesetzt wird, wird der Ausgangsschalter
180 nicht
benötigt,
da jede Elektrode eine(n) programmierbaren Stromanschluss/-quelle
daran angeschlossen besitzt. Das ACHR-Signal kann bipolar zwischen
ein ausgewähltes
Paar der multiplen Elektroden, unipolar zwischen einer der ausgewählten Elektroden
und einer Erdelektrode oder multipolar zwischen einer ersten Gruppe
der multiplen Elektroden (die als Kathode funktionieren) und einer
zweiten Gruppe der multiplen Elektroden (die als Anode funktionieren) aufgebracht
werden.
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8 zeigt
die Wirkung, die erreicht wird, wenn das ACHR-Signal von 7A über multiple Elektrodenkontakte
auf eine Muskel- oder Nervenzelle aufgebracht wird. Die Hülle 140,
die die Amplitude des ACHR-Signals moduliert, wird in 8 unten
gezeigt. Die Wellenformen 144, 146, 148 und 150 stellen
neuronale Feuerungen dar, die auf verschiedenen der Nervenfasern
in der Population der Nervenzellen auftreten, die durch die ACHR-Stimulationswellenform
stimuliert werden, wobei jede individuelle Feuerung durch einen
entsprechenden Spike 149 in der Wellenform dargestellt
ist.
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Wie
in 8 ersichtlich ist, feuert aufgrund des Aufbringens
des ACHR-Signals mehr als eine Nervenzelle. Die Feuerungen sind
stochastisch, womit besser nachgeahmt wird, was natürlich abläuft. Je
intensiver das Kontrollsignal ist, um so mehr Feuerungen treten
auf. Je weniger intensiv das Kontrollsignal ist, um so weniger Feuerungen
treten auf. Die Feuerungen bleiben jedoch immer zufällig.
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9 zeigt
ein repräsentatives
Spikezahl-Histogramm, das sich aus dem Aufbringen der ACHR-Stimulationswellenform
für ausgewählte Nervenfasern
ergibt. Wie aus 9 hervorgeht, wird eine zufällige oder
stochastische neuronale Feuerung erreicht, wodurch die Schwellen,
der dynamische Bereich und die psychophysikalische Leistung verbessert
werden können.
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Ein
wichtiges Merkmal der Erfindung besteht vorteilhafterweise darin,
dass das ACHR-Signal auf ein Bündel
von Muskel- oder Nervenfasern aufgebracht werden kann, um z. B.
die Bewegung einer Extremität
elektrisch zu stimulieren, und die Intensität (oder Amplitude) des Kontrollsignals
(die Hülle 140 – siehe 7A)
kann auf eine angemessene Weise dergestalt moduliert werden, um
die gewünschte
Bewegung herbeizuführen.
Das heißt,
die Intensität
des Kontrollsignals kann graduell erhöht und dann graduell verringert
werden, wodurch die graduelle Rekrutierung des erregbaren Muskel-
oder Nervengewebes ausgelöst
wird, wodurch eine gradierte Bewegung (im Gegensatz zu einer ruckartigen
Bewegung) der Extremität
herbeigeführt
wird.
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Ein
zur praktischen Ausführung
der Erfindung geeigneter Neurostimulator kann in Abhängigkeit
von dem bestimmten zu stimulierenden Muskel oder der Nerven viele
Formen annehmen. So lange der Neurostimulator über die Kapazität zum Generieren
eines hochfrequenten pulsatilen Signals mit der Fähigkeit
zur Modulation der Intensität
der individuellen Pulse im Signal verfügt, könnte er zufriedenstellend zur
praktischen Ausführung
der Erfindung eingesetzt werden.
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Ein
für die
auditorische Nervenstimulation geeigneter repräsentativer Neurostimulator
wird in den
US-Patenten 6219580 oder
6067474 offenbart.
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Ein
für die
Stimulation der Nerven des Rückenmarks
geeigneter repräsentativer
Neurostimulator wird in der US-Patentanmeldung Nr. 09/626010, angemeldet
am 26.07.2000, offenbart.
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Der
in der Patentanmeldung '010
offenbarte Neurostimulator kann leicht angepasst oder modifiziert
werden, um die Erfindung auf die Muskelstimulation, z. B. die funktionelle
elektrische Stimulation (FES) zur Bewirkung der Bewegung der Extremitäten oder
für andere
Zwecke anzuwenden.
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Wie
vorstehend beschrieben wird, ist zu sehen, dass es durch die sachgemäße Verwendung
eines Neurostimulators, d. h. durch Generieren eines angemessenen
hochfrequenten pulsatilen Signals, das mit einem angemessenen Kontrollsignal
amplitudenmoduliert ist, möglich
ist, dass man Populationen von Neuronenfasern bei einer Rate stimuliert
werden lässt,
die schneller ist als eine individuelle Neuronenfaser in der Lage
ist, zu folgen. Vorteilhafterweise führt eine derartig schnelle
Stimulation zu einer Randomisierung der Interspike-Intervalle, oder
einer Randomisierung, wenn die individuellen Neuronenfasern feuern.
Wenn das Neuron nicht mehr an dem Trägerpuls phasenverriegelt ist,
wird seine Feuerungswahrscheinlichkeit zu einer Funktion der Stimulusenergie
und wird folglich einer „natürlichen" neuronalen Feuerung
viel ähnlicher.
Eine solche Randomisierung in einer neuronalen Population ermöglicht der
Population der Neuronenfasern besser, die feinen Einzelheiten der
zu kontrollierenden gewünschten
biologischen Funktion, zu codieren. Das heißt, die Population der Neuronenfasern
ist dazu fähig, das
zu codieren, was eine einzelne Neuronenfaser nicht codieren kann.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist ferner zu sehen, dass durch die Wiederherstellung
der stochastischen Feuerung an die ausgewählten Nerven, die Schwellen,
der dynamische Bereich und die psychophysikalische Leistung signifikant
verbessert sind.
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Während die
hierin offenbarte Erfindung mittels der spezifischen Ausführungsformen
und Anwendungen davon beschrieben wurde, können vom Fachmann gegebenenfalls
zahlreiche Modifikationen und Variationen daran vorgenommen werden,
ohne aus dem Umfang der in den Patentansprüchen dargelegten Erfindung
zu kommen.