DE69108251T2

DE69108251T2 - Trainingsgerät für einen muskel.

Info

Publication number: DE69108251T2
Application number: DE69108251T
Authority: DE
Inventors: Maurice Hubertus J Tilmans
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-02
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2011-10-03
Also published as: WO1992005813A1; EP0551388B1; ATE119788T1; US5683455A; CA2093822A1; AU8741391A; ES2072626T3; DE69108251D1; JPH06505887A; EP0551388A1; AU665175B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Trainingsgerät für einen Muskel zum Ersetzen der Herzmuskelfunktion zur internen Anwendung.
In "The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery" 92; 733-746, 1986 "An autologous biologic pump motor" von Michael A. Acker et al. und in der gleichen Zeitschrift von 1987, 94; 163-174 "Skeletal muscle ventricles in circulation", ebenfalls von Michael A. Acker et al. finden sich Beschreibungen eines Trainingsgeräts für einen Muskel, das nach einem Trainingsprogramm zumindest einen Teil der Herzfunktion übernehmen muß. In diesem Fall weist das Trainingsgerät einen harten Kern auf, um den der zu trainierende Muskel gewunden wird. Der Muskel wird mittels elektrischer Impulse aktiviert, woraufhin er sich isometrisch mit einer bestimmten Frequenz um den harten Kern kontrahiert. Da in diesem Fall ein harter Kern benutzt wird, wird der Muskel nicht in optimaler Weise trainiert, da dies nur eine unzureichende Simulation der Tätigkeit darstellt, die der Muskel nachfolgend auszuführen hat.
Aus US-A-4 530 496 ist Trainingsgerät zur extemen Anwendung bekannt. Dieses Trainingsgerät weist eine komprimierbare Kammer auf, die zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Gemäß einer Ausführungsform von US-A-4 530 496 ist ein Stab mit jener Kammer verbunden und diese mit einer Skala versehen. Die durch Volumenminderung der Kammer in den Stab gepumpte Flüssigkeitsmenge ist eine Anzeige der auf die Kammer ausgeübten Kraft. Diese Kraft kann über die auf dem Stab befindliche Skala abgelesen werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Trainingsgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die oben erwähnten Nachteile vermieden werden und das zum Trainieren eines Muskels, welcher die Herzmuskelfunktion ersetzen soll, benutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Trainingsgerät eine erste Kammer aufweist, die mit einem Fluid zu füllen und mit elastisch verformbaren Wänden versehen ist, wobei die Kammer zwischen einem ersten Zustand, in welchem die Kammer ein maximales Volumen einnimmt, und einem zweiten Zustand verformt werden kann, in dem die Kammer ein kleineres Volumen als in dem ersten Zustand hat, sowie mindestens eine zweite Kammer aufweist, die mit der ersten Kammer in Fluidverbindung steht, wobei die zweite Kammer mit einer Anordnung versehen ist, die ein Vergrößern des Volumens der zweiten Kammer und ein Steigern des Druckes in beiden Kammern erlaubt, wenn sich die erste Kammer in dem zweiten Zustand befindet.
Auf diese Weise wird ein realistischer Pumpvorgang simuliert, so daß der Muskel optimal für seine nachfolgende Funktion trainiert und auf diese vorbereitet werden kann. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die Umwandlung eines schnellen (weißen) Muskels, der ermüdet und seine Energie im wesentlichen anaeroben Prozessen entnimmt, in einen sogenannten langsamen (roten) Muskel zu erreichen, der nicht ermüdet und seine Energie im wesentlichen aeroben Prozessen entnimmt (Typ II zu Typ I).
Diese Anordnung weist vorzugsweise eine elastisch verformbare Wand auf, die im ersten Zustand der ersten Kammer ein erstes Volumen bestimmt, und die in dem zweiten Zustand der ersten Kammer ein zweites größeres Volumen der zweiten Kammer bestimmt.
Auf diese Weise kann der zum Trainieren des Muskels erforderliche Gegendruck sehr einfach erzeugt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Anordnung einen Behälterraum auf, der von einer verformbaren Wand von dem Inhalt der zweiten Kammer getrennt und kompressibel ist. Vorzugsweise ist der Behälter mit einem komprimierbaren Medium, wie z.B. Gas, gefüllt.
Diese letzte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn in diesem Fall die zweite Kammer vollständig innerhalb der ersten Kammer ausgebildet ist und die zweite Kammer mit einer starren Wand versehen ist, welche die Abtrennung zwischen der ersten und der zweiten Kammer bildet.
Auf diese Weise kann ein Trainingsgerät geschaffen werden, das durch die Muskeltätigkeit komprimiert werden kann und bei dem ein ausreichender Gegendruck erzeugt wird, bei dem jedoch diese Komprimierung keine externe Bewegung erzeugt, die zu einer möglichen Reizung oder zu Schmerz in dem Bereich führt, welcher das implantierte Trainingsgerät umgibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer eine erhöhten Strömungswiderstand auf. Auf diese Weise kann während des Trainings der Widerstand simuliert werden, der auftritt, wenn eine Flüssigkeit mittels eines Muskels gepumpt wird, wie z.B. jener, der sich bei einem pumpenden Herzmuskel ergibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das eingebrachte Fluid eine Flüssigkeit. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine der Kammern mit einer Einlaßanordnung für Fluid versehen. In anderen Worten kann während des Trainings des Muskels eine steigende Menge von Fluid, z.B. von Flüssigkeit, eingelassen werden, so daß der Muskel einer zunehmend größer werdenden Last ausgesetzt und im Verlauf dessen zunehmend weiter trainiert werden kann. Um den Trainingszustand des Muskels beobachten zu können, ist gemäß der Erfindung eine der Kammern mit einer Druckbeobachtungsanordnung versehen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher auf die anhängenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen:
FIG. 1 ein schematischer Querschnitt einer ersten Ausführungsform des Trainingsgeräts gemäß der Erfindung ist;
FIG. 2 ein schematischer Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Trainingsgeräts gemäß der Erfindung ist; und
FIG. 3a bis 3d schematische Darstellungen der unterschiedlichen Phasen der Implantation des Trainingsgeräts in den menschlichen Körper sind.
Das in FIG. 1 gezeigte Trainingsgerät weist eine erste Kammer 3 auf, die mit einer elastisch verformbaren Wand 4 versehen ist, welche aus einem elastischen Kunststoff, wie z.B. Silikonkautschuk oder Polyurethan, gefertigt ist. Die Kammer 3 hat die Form eines Weinfasses mit zwei Stirnseiten 5 und 6, an welchen die erste Kammer 3 einen kleineren Querschnitt hat. Nahe den Stirnseiten 5 und 6 verfügt die Kammer 3 außerdem über eine größere Wandstärke, so daß der Verformungswiderstand der Kammer 3 von der Mitte in Richtung auf die Stirnseiten 5 und 6 ansteigt. In beiden Stirnseiten befinden sich Öffnungen 7 und 8.
An jeder der Stirnseiten 5 und 6 ist eine zweite Kammer 10 bzw. 11 ausgebildet, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die erste Kammer 3 gefertigt ist. Um die Form der aus den Kammern 3, 10 und 11 bestehenden Baugruppe zu gewährleisten, kann um die Kammern auf der Höhe der Stirnseiten 5 und 6 ein Ring 13, 14 aus beispielsweise Filzmaterial angebracht werden, der dazu dient, die Übergangsstellen während des Betriebs des Trainingsgeräts an Ort und Stelle zu halten. Die Kammern 3, 10 und 11 sind teilweise oder vollständig mit einem Fluid gefüllt, z.B. mit Wasser oder einer Flüssigkeit, die für den menschlichen Körper verträglich ist, wie z.B. Silikonöl. Im Fall einer Teilfüllung mit Flüssigkeit wird der Rest des Volumens mit einem Gas gefüllt, das mit menschlichem Gewebe kompatibel ist, wie z.B. Luft, Sauerstoff oder Helium.
Das Trainingsgerät gemäß FIG. 1 arbeitet wie folgt. Wenn die Kammer 3 z.B. durch den zu trainierenden Muskel komprimiert wird, wird das darin befindliche Fluid in Richtung der Öffnungen 7 und 8 weggedrückt. Im Falle einer Teilfüllung mit Gas wird das Gas bei dem Prozeß komprimiert. Durch den Anstieg des Innendrucks in den Kammern 10 und 11 wird sich die Wand jener Kammern zu einem bestimmten Zeitpunkt ausdehnen bis sich der von den Wänden ausgeübte Druck und jeglicher vorherrschende Gasdruck mit der von dem Muskel ausgeübten Kraft im Gleichgewicht befindet. Wenn der Muskel seine Tätigkeit einstellt, wird der so aufgebaute Druck gewährleisten, daß jegliches vorhandene Fluid zurück zu der Kammer 3 strömt, wobei gleichzeitig die Wände der Kammern 10 und 11 in den in FIG. 1 gezeigten Gleichgewichtszustand zurückkehren. Jegliches komprimierte Gas wird im Laufe des Prozesses wieder den Gleichgewichtsdruck erreichen. Das Trainingsgerät ist dann bereit für die nächste Kontraktion des zu trainierenden Muskels.
Das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Verbindungsröhre, die in freier Verbindung mit der Kammer 3 steht und die mittels eines Ventils mit einer außerhalb des Körpers befindlichen Fluidquelle verbunden werden kann. Während des Trainingsprogramms kann die Menge der Flüssigkeit in den Kammern durch dieses Röhre vergrößert werden, so daß die mit dem zu trainierenden Muskel aufzubringende Kraft erhöht werden kann. Falls erforderlich kann dies auch durch eine Steigerung des Drucks des innerhalb der Kammern befindlichen Gases erfolgen. In der Röhre 17 befindet sich eine Leitung 18 eines Druckmeßsensors 19. Es ist möglich, die Röhre 17 mittels eines sogenannten Portakatheders mit der Umgebung zu verbinden. Solch ein Katheder wird unter der Haut plaziert. Unter Verwendung einer Subkutankanüle kann Fluid in die Röhre 17 eingeleitet werden. Auf diese kann das Infektionsrisiko reduziert werden. Es ist möglich, die Verbindungsröhre 17 statt mit Kammer 3 mit den Kammern 10 oder 11 zu verbinden. Es ist auch möglich, den Drucksensor 19 mit einem Sender auszustatten, so daß die Leitung 18 wegfallen kann. Die Ringe 13 und 14 können lose sein, oder sie können an dem Gerät gemäß der Erfindung fixiert sein. Außerdem können sie dazu benutzt werden, daß Muskelgewebe an diesen anzunähen. Nachdem der Muskel trainiert wurde, kann die Gefäßprothese in einfacher Weise an jenen Ringen fixiert werden. Zu diesem Zweck können die Ringe 13 und 14 ferner mit einer weiteren Fixieranordnung versehen sein.
Bei der in FIG. 2 gezeigten Ausführungsform weist das Trainingsgerät eine ovale Kammer 23 mit einer Wand 24 auf. Die Wand 24 verfügt nahe den kurzen Enden der Kammer 23 über verdickte Bereiche 26 und 27, an welchen Ringe 22 angebracht sind. In diesem Fall hat das Ende 27 die Form einer Abdeckung mittels deren das Innere der Kammer 23 falls erwünscht inspiziert werden kann. Die Wand 24 ist aus einem elastisch verformbaren Werkstoff, wie z.B. Silikonkautschuk, gefertigt.
Innerhalb der Kammer 23 ist eine zweite Kammer 30 ausgebildet, die eine starre Wand 31 aufweist, die im wesentlichen konzentrisch mit Bezug auf die Wand 24 ist. Die Kammern 23 und 30 stehen über nahe den Enden 26 und 27 vorgesehenen Öffnungen 32, 33, 34 und 35 in offener Verbindung miteinander, wobei die Enden der Wand 31, in welchen die Öffnungen vorgesehen sind, in Form von zylindrischen Röhren ausgebildet sind, die mit den Teilen 26 und 27 verbunden sind. An der Innenseite der Wand 31 ist eine elastisch verformbare gasdichte Wand 38 vorgesehen. Der Behälterraum zwischen den Wänden 31 und 38 ist vollständig mit einem unter Druck stehenden Gas gefüllt. Sowohl die Kammer 30 als auch die Kammer 23 sind mit einem Fluid gefüllt, z.B. mit einer Flüssigkeit, möglicherweise mit einem Gemisch aus einem Gas und einer Flüssigkeit.
Die Funktionsweise ist im wesentlichen identisch zu jener, die unter Bezugnahme auf FIG. 1 beschrieben wurde. Wenn die Wand 24 komprimiert wird, wird das Fluid in die Kammer 30 gedrückt und wird dort Gas in dem Behälter zwischen den Wänden 31 und 38 verdichten bis ein Gleichgewichtszustand eintritt. Bei Beendigung der Komprimierung wird der Gasdruck das Fluid zurückbringen und folglich auch die Form der Kammern zu der in FIG. 2 gezeigten Situation wiederherstellen. Auch bei der hier gezeigten Ausführungsform ist eine Röhre 17 vorgesehen, um nachfolgend Fluid, wie z.B. Wasser einzuleiten, um die Effizienz des Muskels zu steigern, und es ist ein Drucksensor 19 vorgesehen, um den Zustand des Muskels zu beobachten.
Um das Trainingsgerät zum Trainieren eines Muskels so einzusetzen, daß es zumindest einen Teil der Herzfunktion übernimmt, wird wie folgt verfahren:
Die Implantation des Trainingsgeräts ist in den FIG. 3a, 3b und 3d schematisch gezeigt. Es wird hier von den bei Herzoperationen üblichen Techniken Gebrauch gemacht.
Nach erfolgter Anästhesie des Patienten wird der Brustkorb in der Nähe des Herzens geöffnet. Sodann wird ein Skelettmuskel mobilisiert, was bedeutet, daß er an drei Seiten freigelegt wird, während er an einer Seite mit dem Körper verbunden bleibt, wobei entlang dieser Seite die Verbindung zum Nervensystem und zu den Blutgefäßen aufrechterhalten wird. Vorzugsweise wird von dem Musculus latissimus dorsi Gebrauch gemacht, der wie in FIG. 3a gezeigt mobilisiert wird, bis ein im wesentlichen trapezförmiger Strang erzeugt ist. Dann werden wie in FIG. 3b gezeigt die in Längsrichtung verlaufenden Ränder des mobilisierten Muskels aufeinander zu gefaltet, wodurch eine Art Röhre erzeugt wird, in welchen die Nerven und Blutgeftiße Platz finden können. In der nächsten Phase wird die so geformte Röhre vom freien Ende aus aufgerollt, wie in FIG. 3c schematisch veranschaulicht ist. Schließlich wird das Trainingsgerät in dem aufgerollten Muskel untergebracht, wie in FIG. 3d gezeigt ist, und die geformte Rolle wird mittels chirurgischen Techniken, z.B. mittels Nähen, fixiert.
Gleichzeitig zu der Mobilisierung des Muskels werden Elektroden an den Muskel angeschlossen, mit deren Hilfe elektrische Signale an den Muskel angelegt werden können, die eine Kontraktion desselben bewirken. Die Anschlußdrähte jener Elektroden werden ferner an einen sogenannten Myostimulator angeschlossen, mittels dessen die elektrischen Impulse erzeugt werden können. Während der Körper geschlossen wird, wird der Myostimulator direkt unter der Haut plaziert. Gleichzeitig wird eine Verbindungsröhre eingebracht, die an einer Seite mit dem Inneren des Trainingsgeräts verbunden wird und deren andere Seite nach außen heraussteht, wo sie an eine Quelle für in dem Trainingsgerät zu benutzendes Fluid angeschlossen werden kann.
Vorzugsweise wird das Trainingsgerät während dem Schließen der Wunde so ausgerichtet, daß der aufgerollte Muskelteil nahe dem Herzen liegt und mehr oder weniger die Position einnimmt, die er später einnehmen muß, wenn er einen Teil der Herzfunktion übernehmen muß. Der Myostimulator wird dann mit einer sehr niedrigen Frequenz aktiviert, und der Trainingsprozeß für den Muskel beginnt. Das Ziel ist, einen schnellen Muskel, der ermüden kann und seine Energie hauptsächlich aus anaeroben Prozessen bezieht, in einen langsamen Muskel umzuwandeln, der nicht ermüdet und seine Energie aus aeroben Prozessen bezieht. Bekannterweise stellt der Herzmuskel ein Mittelding zwischen diesen beiden Muskelarten dar, und infolgedessen ist dies die Aufgabe des Trainingsprogrammes.
Direkt nach dem Einbringen des Geräts in den Körper kann das Training beginnen, in dessen Folge eine Verschlechterung des Muskelgewebes verhindert wird. Unter normalen Umständen wird das Trainingsprogramm etwa sechs Wochen dauern, wobei zuerst die Frequenz und dann die zu erzeugende Kraft durch das Einleiten von mehr Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, gesteigert werden, bis der Muskel in einem Rhythmus von beispielsweise 60 Kontraktionen pro Minute und einem Gegendruck von 130 mmHg arbeiten kann, wobei die genannten Umstände normalerweise im menschlichen Körper auftreten. Dieser Prozeß kann falls erforderlich durch ein Druckaufzeichnungsgerät verfolgt werden, mittels dessen die erforderlichen Messungen durchgeführt werden können.
Nachdem der erwünschte Zustand erreicht ist, wird der Patient erneut operiert, und das Trainingsgerät wird entfernt. Der Muskel hat die Form eines Hohlzylinders angenommen, dessen Innenraum im wesentlichen dem Umfang der ersten Kammer entspricht. Unter Anwendung gewöhnlicher Herzchirurgietechniken wird eine Öffnung an der Stirnseite des Muskels mittels einer Rückflußsperre mit dem linken Atrium des Herzens verbunden. Die andere Öffnung wird ebenfalls mittels einer Rückflußsperre mit der Aorta verbunden, wobei die Verbindung vorzugsweise an die Aorta descendens erfolgt. Dies ist die bevorzugte Anwendung, aber es ist klar, daß andere die Herzfunktion überbrückende Verbindungen ebenfalls hergestellt werden können. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Pumpwirkung der linken Kammer zuerst zu versagen beginnt, da sie den höchsten Druck erzeugen muß. Bei korrekter Ausrichtung der Rückflußsperren kann der Muskel nun einen Teil der Herzfunktion übernehmen, und das Blut wird direkt von dem linken Atrium zu der Aorta gepumpt und von dort weiter in den Körper. Natürlich bedeutet der Gebrauch dieses Verfahrens, daß der Bedarf an Ersatzherzen, von denen häufig nur wenige vorrätig sind, beträchtlich gesenkt werden kann, da der Patient selbst in der Lage ist, das erforderliche Organ bereitzustellen.

Claims

1. Trainingsgerät für einen Muskel zum Ersetzen der Heumuskelfunktion für interne Anwendung, mit einer ersten Kammer (3, 23), die mit einem Fluid zu füllen und mit elastisch verformbaren Wänden (4, 24) versehen ist, wobei die Kammer (3) zwischen einem ersten Zustand, in welchem die Kammer ein maximales Volumen einnimmt, und einem zweiten Zustand verformt werden kann, in dem die Kammer ein kleineres Volumen als in dem ersten Zustand hat, sowie mit mindestens einer zweiten Kammer (10, 11, 30), die mit der ersten Kammer in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer mit einer Anordnung (38) versehen ist, die ein Vergrößern des Volumens der zweiten Kammer und ein Steigern des Druckes in beiden Kammern erlaubt, wenn sich die erste Kammer in dem zweiten Zustand befindet.

2. Trainingsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Anordnung (38) eine elastisch verformbare Wand aufweist, die in dem ersten Zustand der ersten Kammer ein erstes Volumen bestimmt und in dem zweiten Zustand der ersten Kammer ein zweites, größeres Volumen der zweiten Kammer vorgibt.

3. Trainingsgerät nach Anspruch 1, bei dem die zweite Kammer einen Behälterraum aufweist, der von einer starren Wand (31) und einer elastisch verformbaren Wand (38) gebildet wird und der von dem Inhalt der zweiten Kammer getrennt und kompressibel ist.

4. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Kammer (3) tonnenförmig ausgebildet ist.

5. Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Kammer (10, 11) am einen Ende der ersten Kammer ausgebildet ist.

6. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine zweite Kammer (10, 11) an jedem Ende der Tonnenform ausgebildet ist.

7. Trainingsgerät nach Anspruch 3, bei dem die zweite Kammer (30) vollständig innerhalb der ersten Kammer ausgebildet ist und die zweite Kammer mit einer starren Wand (31) versehen ist, welche die Abtrennung zwischen der ersten und der zweiten Kammer bildet.

8. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Verbindung (13, 14) zwischen der ersten und der zweiten Kammer eine Fluiddrossel aufweist.

9. Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluid eine Flüssigkeit ist.

10. Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine der Kammern mit einer Einlaßanordnung (17) für Fluid versehen ist.

11. Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine der Kammern mit einer Druckbeobachtungsanordnung (19) versehen ist.