DE69221521T2

DE69221521T2 - Vorrichtung für die Erzeugung der Handfunktion

Info

Publication number: DE69221521T2
Application number: DE69221521T
Authority: DE
Inventors: Roger Henry Nathan
Original assignee: Ben Gurion University of the Negev Research and Development Authority Ltd
Current assignee: NESS Neuromuscular Electrical Stimulation Systems Ltd
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2012-03-27
Also published as: ATE156690T1; ZA922233B; AU651675B2; JP3251632B2; EP0506398A1; IL97701A0; DE69221521D1; IE920942A1; IL97701A; HU9201042D0; US5330516A; CA2064151C; IE80437B1; ES2106135T3; AU1384992A; DK0506398T3; EP0506398B1; CA2064151A1; HUT60931A; HU214425B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Erzeugen von Handfunktion.
Paralyse der Handinuskeln kann durch eine Unterbrechung in den Verbindungsleitungen zwischen dem zentralen Nervensystem und den Muskeln verursacht werden. Das kann z.B. von einer Rückenmarkverletzung über dem C7-Niveau oder von anderen Krankheiten oder Verletzungen beim Nervensystem herrühren. Elektrische Stimulierung kann die Muskeln zum Kontrahieren veranlassen, und auf elektrischer Stimulierung beruhende Systeme wurden für die Wiederherstellung von funktionellen Bewegungen für Teile des menschlichen Körpers eingesetzt.
Besonders zum Wiederherstellen von Handfunktion geeignete Systeme können extern oder implantiert sein. Externe Systeme haben verschiedene Probleme, die ihren weit verbreiteten Einsatz außerhalb der Spezialklinik verhindert. Die die Handfunktion steuernden Muskeln sind klein und können infolge der niedrigen Auflösung des Stimulationsfeldes nicht einzeln durch Standard-Stimulationselektroden aktiviert werden. Eine ganze Muskelgruppe wird aktiviert, wenn der Vorderarm durch die Standardelektrode stimuliert wird.
Ein weiteres Problem bei dem Einsatz von externen Stimulationssystemen, insbesondere solchen, die an den oberen Gliedmaßen angewendet wurden, war die Schwierigkeit für den Patienten oder seine Hilfskraft, das System am Arm anzusetzen, d.h. das "Anbringen" des Systems. Das machte beträchtliche Zeit und Erfahrung auf Seiten der Hilfsperson erforderlich; kein System war verfügbar, welches dem Patienten das selbständige Anbringen des Systems erlaubte. Die Abhängigkeit des Patienten von der Geduld und Erfahrung der Hilfsperson war ein weiterer Faktor, der den Heimgebrauch eines Stimulationssystemes für die Hand begrenzte. Die Zeit und die Erfahrung, die zum Anbringen des Systems erforderlich war, und die durch die Standardelektroden erzeugten unnatürlichen Handgestaltungen haben nur wenig oder überhaupt keinen Langzeit-Heimgebrauch von externen Stimulationssystemen für die oberen Gliedmaßen für Handfunktion ergeben.
Petrofsky (US-A-4 580 569; EP-A-0 145 503) spricht das Problem der Aktivierung von tiefliegenden Muskeln des Vorderarms durch die Verwendung von interferierenden Stimulationsströmen an. Das Anlegen und Abnehmen des Systems muß durch eine Hilfsperson ausgeführt werden und kann nicht durch den an allen vier Gliedmaßen Gelähmten selbst erreicht werden. Ein Schultersensor für Eingabebefehle wird im Petrofsky-System angegeben. Ein an den vier Gliedmaßen Gelähmter ist aber unfähig, diesen selbst anzulegen. Eine Manschette mit Reißverschluß nimmt die Elektroden auf. Auch diese kann ein an den vier Gliedmaßen Gelähmter nicht selbst anlegen. Schließlich wird keine besondere Stelle angegeben, an der die Steuerung an- oder unterzubringen wäre. Das ist wichtig, wenn der an den vier Gliedmaßen Gelähmte das System ohne Hilfe anlegen soll. Dieses System ist deswegen nicht zum raschen Anlegen und Abnehmen durch den an den vier Gliedmaßen Gelähmten ohne Unterstützung ausgelegt, sondern muß an den Körper des an den vier Gliedmaßen Gelähmten in modularen Teilen durch seine Hilfsperson angesetzt werden.
Petrofsky beschreibt auch ein unterschiedliches Verfahren zum Anbringen der Elektroden über den Muskeln. Die Manschette selbst wird mit Hilfe von Tätowierungszeichen an der Hautfläche angesetzt. Die Haut neigt dazu, sich mit Bezug auf die darunterliegende Muskulatur zu bewegen, insbesondere, wenn die Muskulatur etwas geschwunden und der Arm etwas abgebogen ist, wie bei Einwärts- und Auswärtsdrehung des Vorderarms.
Die Beschreibung nach Petrofsky legt auch die Verwendung von Standardelektroden (Medtronic Modell 3795) nahe, die relativ groß und von schlechterer Auflösung sind, und die beim Anlegen an die Hand- und Vorderarmmuskulatur dazu neigen, unerwünschtes Über- oder Abströmen zu erzeugen, das nicht angesprochene Muskeln betrifft.
Es ist eines der Ziele der vorliegenden Erfindung, die Nachteile und Mängel bei den Geräten nach dem Stand der Technik zu überwinden und ein Gerät zur Erzeugung von Handfunktion zu schaffen, das es einem Patienten mit paralysierten Händen und Handgelenken erlaubt, nicht nur das eigentliche Gerät ohne übermäßige Anstrengung selbst anzulegen und abzunehmen, sondern es auch ohne Hilfe einzustellen und zu betreiben, und das Elektroden mit kontrollierter Geometrie verwendet, die in hohem Maße das unerwünschte Überströmen von Stimulationsimpulsen auf benachbarte nicht angezielte Muskeln verhindert, durch welche sich unnatürliche Handgestaltungen ergeben können; die an dem Vorderarm und an den Handsegmenten anliegenden Elektroden benützen dabei wirksam zur richtigen örtlichen Verteilung die darunterliegende Knochenstruktur des Vorderarmes und der Hand.
Erfindungsgemäß wird ein Gerät zum Erzeugen von Handfunktion geschaffen, welches umfaßt eine Vielzahl von Elektroden, die mindestens indirekt an einer Schiene in Positionen angebracht sind, in welchen sie eine Berührung mit Hautabschnitten herstellen können, welche direkt über zu stimulierenden Muskeln liegen, welche Elektroden mit einer elektronischen Schaltung verbindbar sind, die ausgelegt ist, bei Beaufschlagung Stimulationsströme zu erzeugen, die über Kombinationen der Elektroden in vorgegebenen zeitlich abgestimmten Folgen zu vorgewählten Muskelgruppen geliefert werden, und mindestens ein durch den Träger des Gerätes betätigbares Schaltermittel, durch welches Mittel die vorgegebenen zeitlich abgestimmten Folgen eingeleitet werden können, dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schiene eine S-artige Schiene umfaßt, die besteht aus einem sich längs der Palmarseite des Unterarmes erstreckenden Unterarmabschnitt, einem palmo-dorsalen Übergangsabschnitt, der zu einem dorsalen Abschnitt führt, welcher sich quer über die dorsale Seite der Handwurzelknochen erstreckt, und einem palmaren Abschnitt, von dem mindestens das Ende die Innenfläche der Hand des Trägers des Gerätes mindestens indirekt berührt.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungen beschrieben mit Bezug auf die folgenden illustrativen Figuren, so daß sie vollständiger verstanden werden kann. Mit besonderem Bezug auf die Figuren im Detail wird betont, daß die gezeigten Einzelheiten nur beispielhaft und zu Zwecken der illustrativen Besprechung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung bestimmt sind und hier vorgestellt werden, um eine sehr nützliche und leicht zu verstehende Beschreibung der Prinzipien und der Konzeptions-Aspekte der Erfindung zu schaffen. In dieser Beziehung wird kein Versuch unternommen, strukturelle Einzelheiten der Erfindung mit mehr Details zu zeigen, als es für das grundsätzliche Verständnis der Erfindung notwendig ist und die Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen dem Fachmann offenkundig macht, wie die verschiedenen Formen der Erfindungen in der Praxis verkörpert werden können.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführung der Erfindung;
Fig. 2 eine gleichartige Ansicht einer zweiten Ausführung, welche willensmäßige oder stimulierte Handgelenkabbiegung ermöglicht;
Fig. 3 eine erste Art von Stimulationsimpulsen zeigt, die in Stößen mit einer Frequenz von 18 Hz ausgebildet sind;
Fig. 4 eine andere Art von Stimulationsimpulsen mit der gleichen Frequenz von 18 Hz zeigt;
Fig. 5 die Betätigungsabfolge im Schlüssel-Greifbetrieb zeigt;
Fig. 6 die Betätigungsabfolge im Zulang-Betrieb zeigt;
Fig. 7 die Betätigungsabfolge im Physiotherapie-Betrieb angibt, und
Fig. 8 eine Oberarm-Manschette darstellt.
In den Zeichnungen ist in Fig. 1 eine S-förmige Schiene 2 aus einem leichtgewichtigen, jedoch starren Material wie Aluminiumrohr zu sehen, die umfaßt einen Vorderarmabschnitt 4, der sich längs der palmaren Seite des Vorderarms erstreckt, einen palmo/dorsalen Übergangsabschnitt 6, der zu einem sich quer über die dorsale Seite der Handgelenkknochen erstreckenden dorsalen Abschnitt 8 führt, und einen palmaren Abschnitt 10. Dieser Schienentyp hält die Hand mit einem festen Winkel der Handgelenkabbiegung von etwa 15º.
Die Schiene kann mit einem weichen zähen ästhetischen Material wie einem hochverdichteten Schwamm bedeckt sein.
Um Bereiche mit hohem örtlichen Druck zwischen der Schiene und der Hand zu entlasten, können halbstarre gepolsterte Platten zwischen die Schiene und die Haut eingesetzt werden. Das ist besonders vorteilhaft für die dorsale Handoberfläche, wo die Kontaktdrücke zwischen Schiene und Haut während des Greifens mit der Hand hoch sind.
Eine dorsale Klappe 12 ist an der Schiene 2 über ein gefedertes Gelenk 14 angebracht. Die Klappe 12 hat zwei Grenzstellungen: eine aktive Stellung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, in der sie als Klemme dient und den Vorderarmabschnitt 4 der Schiene gegen die palmare Seite des Vorderarms andrückt (und über die Reaktionswirkung selbst gegen die dorsale Seite des Vorderarms drückt); und eine offene Position, die durch einen (nicht gezeigten) Zwangsanschlag definiert wird, der einen Teil des Gelenkes 14 bildet, zu dem die Klappe um etwa 180º geschwenkt werden kann, und in der sie als bequemer Handgriff zum Anlegen und Abnehmen des Geräts dient.
Die Klappe 12 kann auch fest gegen den Vorderarm geschlossen gehalten werden mit einer an dem hinteren Ende der Schiene 2 angebrachten Schließenanordnung.
Die Klappe 12 hat zusätzliche Funktionen: sie trägt Elektroden IV und V von den fünf aktiven Elektroden, wie auch eine Zustandsanzeige 20, die alle später besprochen werden. Sie kann auch benutzt werden, um in ihrem hohlen Innenraum gewisse Bestandteile der elektronischen Schaltung wie auch Betätigungsdruckknöpfe oder -schalter aufzunehmen.
Weiter sind zwei fest an den Vorderarmabschnitten 4 bzw. 6 der Schiene angebrachte palmare Klappen 22 und 22a zu sehen, die jeweils Elektroden II bzw. III tragen und gegen die palmare Fläche des Vorderarms andrücken. Die Elektrode I ist am Ende des palmaren Abschnitts 10 der Schiene 2 angebracht.
An dem palmo/dorsalen Abschnitt 6 der Schiene 2 befestigte Druckknöpfe 24, 26 werden zum Steuern der Stimulationsintensität benutzt.
Bei der gezeigten Anordnung aktiviert die Elektrode I die thenare Muskelgruppe, welche eine Abbiegung der carpophalmetacarpophalen und metacarpophalangealen Daumengelenke 28 bzw. 30 ergibt. Die Elektrode II aktiviert den Flexor-Pollicis-Longus- Muskel, der eine Abbiegung der metacarpophalangealen und der interphalangealen Daumengelenke 30 und 32 ergibt. Die Elektrode III aktiviert den Flexor-Digitorum-Superficialis-Muskel, der eine Abbiegung der metacarpophalangealen und proximalen interphalangealen Gelenke 34 und 36 erzeugt. Die Elektroden IV und V ergeben ein Öffnen der Finger und des Daumens. Die Elektrode IV aktiviert den Extensor-Digitorum-Muskel ED, der eine Streckung der metacarpophalangealen Gelenke 34 und der interphalangealen Gelenke 36 und 38 der Finger ergibt. Die Elektrode IV aktiviert in erster Linie den Extensor-Pollicis-Brevis-Muskel EPB. Dieser ergibt eine Streckung des carpophalmetacarpophalangealen Gelenkes 28 und des metacarpophalangealen Gelenkes 30 des Daumens. Die Elektrode IV kann auch, durch Überströmen, den Abductor-Pollicis-Longus-Muskel APL aktivieren, was eine Streckung des metacarpophalangealen Gelenkes 28 und der interphalangealen Gelenke 30 und 32 erzeugt, und auch den Extensor- Pollicis-Longus-Muskel EPL, wodurch eine Streckung der interphalangealen Daumengelenke 30 und 32 hervorgerufen wird.
Andere Muskeln können aktiviert werden; z.B. der erste Interossus-Muskel zum Erzeugen eines Kneifgriffes (in dem ein Gegenstand zwischen den distalen Gliedern des Daumens und des Zeigefingers gehalten wird), den Flexor-Digitorum-Profundus und den Extensor-Indicis zum Verstärken der Fingerabbiegung und -streckung. Die durch die Elektroden I bis V aktivierten Muskeln bilden jedoch die Grundlage der Handfunktion.
Die Elektroden, denen während der Armablenkung ein Gleiten über die Hautfläche und insbesondere während der Vorderarm-Auf- und Abbewegungen zugelassen wird, können aus irgendeinem entsprechenden leitfähigen Material hergestellt werden, wenn auch hier leitfähiges Silikongummi eingesetzt wurde. Die Geometrie (Form und Größe) der Elektroden wird so ausgelegt, daß sie sich den Krümmungen der Hautfläche anpaßt, um die jeweils den Zielmuskel überdeckende Aufnahmefläche zu bedecken, damit ein ausgeglichener Stromfluß zu jedem Zielmuskel ermöglicht wird, der von der Berührungsfläche der Elektrode abhängt, und um Bereiche von hoher sensorischer Empfindlichkeit oder die Beeinflussung zuführender oder abgehender Nerven zu vermeiden. Eine charakteristische Geometrie für jede Elektrode gibt die unterhalb des Zielbereiches liegende neuromuskulare Anatomie wieder. Die Geometrien der Elektroden I bis V sind in Fig. 1 gezeigt. Die Elektrode I ist z.B. so geformt, daß sie im wesentlichen die Flexor-Pollicis-Brevis-Fasern der thenaren Muskelgruppe überdeckt. Sie ist zur Anpassung an die konvexe Form der Daumenbasis gekrümmt, während ein Bereich an ihrem proximalen unteren Ende entfernt ist, um eine Stimulierung der abgehenden Sensornervenfasern zu vermeiden, die längs des zentralen Handflächenbereiches verlaufen. Während des Greifbetriebs der Stimulierung wird der Strom den Elektroden I und II zugeführt und annähernd proportional zu den relativen Flächengrößen der beiden Elektroden aufgeteilt. Dieses Flächenverhältnis gibt die relativen Stimulationsstromanforderungen der beiden Zielmuskeln wieder. Elektroden an anderen Stimulationsstellen besitzen jeweils Kriterien zur Bestimmung ihrer vorgesehenen Geometrien.
Um einen elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode und der Hautfläche sicherzustellen, kann eine leitende Flüssigkeit wie Wasser oder ein leitendes Gel benutzt werden. Elektroden können auch mit einer wasserabsorbierenden Schicht überzogen werden. Jedoch können stattdessen auch mit Gel gefüllte Taschen benutzt werden. Leitendes Gel kann vor dem Anbringen des Systems über die Elektrodenfläche verteilt werden oder von einem dahintergelegenen Behälter durch die Elektrode zugeführt werden.
Jede Elektrode ist an der Schiene 2 zunächst zeitweilig und ggf. permanent innerhalb eines Einstellbereiches angebracht. Während des Anpassens des Geräts an den Benutzer wird die optimale Position jeder Elektrode an dem Glied festgestellt, und die Elektroden werden zeitweilig an der Schiene 2 befestigt, indem man eine klebrige Abstützung an den Elektroden oder "Velcro" (eingetragenes Warenzeichen) benutzt, bis der Arzt mit der Positionierung zufrieden ist, wonach sie permanent mit Benutzung eines Klebers oder eines anderen Befestigungsmittels angebracht wird.
Zuleitungen von jeder Elektrode, die in einem Kabel 46 zusammengeführt sind, treten durch die Rohre der Schiene 2 zu einem Mikroprozessor und der Stimulatorschaltung hindurch, welche z.B. innerhalb der dorsalen Klappe 12, in den Schienenrohren selbst oder in einem beispielsweise an einem Rollstuhl oder an dem Oberarm des Patienten anbringbaren getrennten Gehäuse 47 aufgenommen werden kann.
Der Mikroprozessor erlaubt es, Kombinationen von zwei oder mehr Elektroden zur gleichen Zeit aktiv werden zu lassen. In der gezeigten Ausgestaltung können zwei Griffarten erzielt werden, sowie eine Physiotherapie-Betriebsart, bei der der Mikroprozessor die maßgeschneiderte Programmierung von Elektrodenkombinationen, Stimulationsstärken (Impulsstoß-Breite, -Intensität), die Phasenzeitgebung und die Impulsstoß-Frequenz den Bedürfnissen des Benutzers entsprechend durchführen läßt.

a) Schlüsselgriff:

1) Handöffnen Elektroden III und IV
2) Greifen Elektroden I, II und III
3) Lösen Elektroden III und IV

b) Greifen:

1) Handöffnen Elektroden I, IV und V
2) Greifen Elektroden I, II und III
3) Lösen Elektroden I, IV und V

c) Physiotherapie-Betrieb:

1) Handstrecken Elektroden IV und V
2) Handbiegen Elektroden I, II und III
3) Handstrecken Elektroden IV und V
Jede Greiffolge wird in drei Stufen ausgeführt. Die erste Stufe, z.B. Handöf fnen, kennzeichnet den Griff. Beim Ergreifen werden die Finger gestreckt und der Daumen abgewinkelt und dann gegenüber den Fingern bewegt. Mit diesem Greifen wird das Objekt zwischen die geöffneten Finger und den Daumen in die Hand manövriert. Beim Schlüsselgriff werden jedoch die Finger geschlossen abgebogen und der Daumen bleibt gestreckt. Das Objekt wird nun in den Zwischenraum zwischen dem Daumen und der Seitenkante des Zeigefingers gebracht.
Das Greifen selbst, Stufe zwei, wird sowohl für das Ergreifen wie den Schlüsselgriff unter Benutzung der Elektroden I, II und III erzeugt, welche die Biegemuskeln aktivieren. Die Handgestaltung für das Greifen und für den Schlüsselgriff ist jedoch vollständig verschieden, da die unterschiedlichen Handöffnungsgestaltungen das Objekt unterschiedlich ergreifen lassen. Auch wird die Gestaltung der Hand beim Greifen bestimmt durch die Form des ergriffenen Objekts, und davon, in welchem Teil der Hand es zu halten ist.
Zusätzlich kann die Form des gehaltenen Objekts modifiziert werden, um Ergreifen zu erleichtern: z.B. kann eine Hülse um einen Federhalter gesetzt werden, um ihn zu verbreitern oder seinen Reibkoeffizienten zu erhöhen, und so die Griffstabilität zu verbessern.
Die dritte Stufe, das Lösen, ist grundsätzlich dasselbe wie das Öffnen der Hand, in umgekehrter Reihenfolge. Andere Griffe und Handgestaltungen können erzeugt werden unter Benutzung weiterer Kombinationen der gezeigten Elektroden. Durch Aktivieren zusätzlicher Muskeln mit zusätzlichen Elektroden kann beispielsweise ein "Kneifgriff" erzeugt werden, die Hand kann in einer flachen Gestaltung geöffnet werden oder in einer "Zeige"- Handgestaltung kann der Zeigefinger allein gestreckt werden.
Um den Stromfluß durch die Elektroden I, II und III und damit die Festigkeit des Zusammenziehens der darunterliegenden Muskeln abzugleichen, kann eine Blindelektrode IIIA auf einen neutralen Bereich der Haut aufgesetzt werden. Diese dient dazu, etwas von dem Stimulationsstrom in einen Neutralbereich abzuleiten, wo er keinen Muskel aktiviert, und so den durch die Elektrode III in die Muskeln eintretenden Strom auf das gleiche Niveau zu reduzieren, wie das des durch die Elektroden I und II in die Muskeln eintretenden Stromes. Alternativ kann die Hilfselektrode III als eine zusätzliche Stimulierelektrode benutzt werden, um den einen bereits aktivierten Muskel reizenden Strom zu erhöhen, oder kann benutzt werden, um einen zusätzlichen Muskel in Betrieb zu setzen.
Zusätzlich ist ein variabler Widerstand mit jeder Elektrode in Reihe geschaltet, um die relative Stimulationsintensität für jede Elektrode einzeln einstellen zu können. Ein weiterer veränderbarer Widerstand ermöglicht es, die relative Stärke der beiden Greifarten gegeneinander auszugleichen. Der Ausgangspegel der Stimulationsintensität, zu dem das Gerät zurückkehrt, wenn es ab- oder eingeschaltet wird, ist auch durch eine Reihe von Stellschaltern einstellbar. Die genannten veränderbaren Widerstände und Stellschalter sind in einer abgedeckten Steuertafel innerhalb des Elektronikkastens aufgenommen und sind dazu vorgesehen, daß sie nur durch die verschreibende medizinische Klinik eingestellt und gesetzt werden.
Ein Einzelkanal-Stimulator mit Konstantspannung wird zusammen mit einem Mikroprozessor benutzt, um das Umschalten zwischen den Elektroden auszuführen und die der jeweiligen Elektrode zugeführte Stimulationsintensität zu steuern. Es ist auch möglich, eine Konstantstrom-Stimulation einzusetzen, bei der konstante stromgesteuerte Impulse zwischen den Stimulationselektroden hindurchtreten (statt der konstantspannungs-gesteuerten Impulse), obwohl dies im Falle der Verkleinerung der Kontaktfläche zwischen Elektrode und Haut ein Verbrennungsrisiko für die Haut mit sich bringt.
Eine der Möglichkeiten besteht darin, spannungsgesteuerte zweiphasige symmetrische Rechteckwellenimpulse mit einer Frequenz von 10 kHz in Impulsstößen von ca. 18 Hz vorzusehen, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Anzahl von Impulsen im Impulsstoß (d.h. die Impulslänge) ist der die erzeugte globale Stimulationsintensität steuernde Parameter. Andere Stimulations- Parameter können eingesetzt werden; die Stimulations-Wellenform braucht keine Rechteckform zu sein, und sie kann einphasig kompensiert statt zweiphasig sein. Eine weitere Wahlmöglichkeit ist es, verhältnismäßig lange Einzel- oder Doppelimpulse statt Impulsstößen zu erzeugen und die Spannungsintensität statt der Impulslänge zu modulieren (Fig. 4). Schließlich kann die Frequenz dieser letzteren Impulse oder der Impulsstöße zum Steuern der Stimulationsintensität moduliert werden.
Das System wird durch wiederaufladbare oder Wegwerf-Batterien mit Strom versorgt.
Zwei Druckknöpfe (24, 26) ermöglichen es dem an seinen vier Gliedmaßen Gelähmten, die Stimulationsstärke zu steuern: der Knopf 24 erhöht die Impulsstoßlänge schrittweise um ca. 4%, während der Knopf 26 die Impulsstoßlänge im gleichen Ausmaß bei jedem Drücken vermindert. Sollte das Gerät spannungsintensitätsgesteuert sein, verändern diese Knöpfe die Spannungsintensität schrittweise.
Eine Steuertafel ist für die allgemeine Einstellung des Gerätes durch den Kliniker verfügbar. Hier ermöglicht eine "Original"- Stimulationsintensitäts-Steuerung das Einstellen des Intensitätspegels der Stimulation, wenn das Gerät zum ersten Mal eingeschaltet wird. Danach kann der an seinen vier Gliedmaßen Gelähmte die Steuerung des Pegels während des darauffolgenden Betriebs übernehmen. Eine andere Steuerung erlaubt es, die Stimulationsintensität für jeden Muskel einzustellen. Wiederum wird diese Einstellung allgemein durch den Kliniker beim ersten Anpassen des Gerätes ausgeführt. Eine weitere Steuerung ist an der Tafel vorgesehen zum Einstellen der relativen Intensitäten der Stimulation bei den unterschiedlichen Greifarten. Eine Steuerung der Zeitgabe ist vorgesehen, um es dem Kliniker zu ermöglichen, die Zeitfolge jeder Betätigungsphase des Geräts einzustellen, um den Notwendigkeiten und den Übungsgraden des an den vier Gliedmaßen Gelähmten angepaßt zu sein. Schließlich ist die Steuerung der Spannungsintensität vorgesehen, um es dem Kliniker zu ermöglichen, den Gesamtspannungs-Intensitätspegel in Anpassung an den jeweiligen an den vier Gliedmaßen Gelähmten festzusetzen.
Eine Endstelle (Terminal) ist zum Zugriff durch den Kliniker vorgesehen, um Information zu speichern, wie die Gesamtzeit, in der die Einrichtung in Gebrauch war.
Bei der physiotherapeutischen Stimulationsart wird die Stimulation zyklisch zwischen den Streck- und den Abbiegeelektroden umgeschaltet und die Impulsfrequenz wird auf annähernd die Hälfte der für die Handbetätigungsarten verwendeten herabgesetzt (d.h. auf ca. 10 Hz) mit zwischenliegenden Zeiträumen von Stimulation mit höherer Frequenz. Diese Parameter können ebenfalls einstellbar gemacht werden. Ein anderer möglicher Physiotherapie-Bereich ist das Aufrechterhalten der Stimulation für die Abbiegemuskeln, um dem Streckmuskel aktiven Widerstand entgegenzusetzen, und umgekehrt.
Die Auswahl der Betriebsart wird durch den Druckknopf 18 durchgeführt. Ein Drücken dieses Knopfes läßt das Gerät durch die verfügbaren Betriebsarten schalten: in dieser Gestaltung vom Schlüsselgriff zum Ergreifen zur Physiotherapie und zurück zum Schlüsselgriff. Andere Betriebsmöglichkeiten können, wenn sie enthalten sind, in gleicher Weise aufgerufen werden.
Dünnfilm-Kontaktschalter oder irgendwelche kleinen leichten Schalter, wie Mikroschalter, können benutzt werden. Die Schalter sind dazu bestimmt, durch den gegenüberliegenden Arm des Patienten betrieben zu werden, oder durch Drücken gegen ein bequem erreichbares Objekt wie den Arm des Rollstuhls, den Tisch oder gegen das Kinn des Patienten. Wenn es bequemer ist, so, wenn die Armabbiegung begrenzt ist, können die Steuerschalter für das Gerät an einer getrennten Steuertafel angeordnet werden zur Betätigung durch das gegenüberliegende Glied, die gegenüberliegende Schulter in einer Befehlsstabanordnung oder durch Kopfbewegungen. Andere Möglichkeiten zum Kommandieren des Systems enthalten die Sprachaktivierurig, der Betrieb mit EMG- Signalen von unabhängigen Muskeln unter Willensbeeinflussung des Gelähmten oder durch eine atem-aktivierte "Aus/Ein-Atmungs"-Befehlsschnittstelle. Eine Femsteuereinheit kann ebenfalls benutzt werden, die das Gerät z.B. mit Infrarotstrahlung aktiviert.
Der Schalter 16 leitet die Handbetätigungsfolge ein. Das Drücken des Schalters erzeugt eine Verzögerung von etwa 2 Sekunden, gefolgt von annähernd 3 Sekunden Öffnen der Hand, gefolgt durch das Schließen der Hand zum Griff. Ein weiteres Drücken des Schalters 16 erzeugt eine weitere Verzögerung von 2 Sekunden, läßt dann die Hand etwa 3 Sekunden lang öffnen, wonach der Stimulationsstrom aufhört und die Hand entspannt. Die Zeit, in der die Hand sich im offenen Zustand befindet, kann eingestellt werden. Bei der grundsätzlichen Anordnung, bei der der Schalter den Schlüsselgriff aufruft, ist die Abfolge in Fig. 5 dargestellt.
Das Drücken des Schalters 18 ruft wiederum das Ergreifen auf, wobei die Abfolge in Fig. 6 dargestellt ist.
Wird der Schalter 18 ein weiteres Mal gedrückt, so wird der Physiotherapie-Betrieb aufgerufen, dessen Abfolge in Fig. 7 umrissen ist.
Es ist offensichtlich, daß andere Griffarten und -folgen in das System einprogrammiert werden können.
Während die Schiene 2 nach Fig. 1 das Handgelenk in einem festen Streckwinkel hält, erlaubt die Schiene 2 der Ausführung nach Fig. 2 ein willkürliches oder durch Stimulation erzeugtes Abbiegen und Strecken des Handgelenks. Etwa bei dem palmo/ dorsalen Übergangsabschnitt 6 (Fig. 1) ist ein federbelastetes Scharniergelenk 40 vorgesehen, wodurch die Vorderarmabschnitte 4 und 6 der Schiene gegenüber den dorsal/palmaren Schienenabschnitten 8, 10 gelenkig abgesetzt werden können. Das Gelenk ist gegen Abbiegen durch eine Feder vorbelastet und besitzt einen Anschlag, der die Ruheposition des genannten dorsal/ palmaren Abschnittes bestimmt, d.h. den der Hand des Patienten mit einer Position der Handgelenkstreckung von ca. 15º. Offensichtlich muß die Schwenkachse des Scharniergelenks 40 im wesentlichen in Ausrichtung mit der natürlichen Gelenkachse bei Biegung/Streckung sein (wobei nichts für Abduktion, Adduktion und Zirkumduktion vorgesehen ist).
Verschiedene Ausgangssignale von der Mikroprozessor/Stimulatoreinheit 47 sind vorgesehen. Beide Arme können gleichzeitig, jedoch unabhängig voneinander aktiviert werden, wobei beide die Vorderarmschiene 2 und eine Oberarmmanschette zum Aktivieren von Muskeln des Oberarmes wie dem Trizeps Brachii benutzen.
Fig. 8 zeigt eine entsprechende Oberarmmanschette, die mit dem erfindungsgemäßen Gerät eingesetzt werden kann. Ein Elektrodenpaar 41, 42 ist an der Innenseite einer Manschette 44 angebracht, die um den Oberarm gesetzt wird. Die Elektroden sind an der seitlichen Hinterfläche des Armes etwa in der Mitte des Segmentes positioniert, wo der motorische Punkt des Muskels gelegen ist. Hier ist keine exakte Positionierung der Elektroden erforderlich, da der Muskel groß und von den benachbarten Muskeln getrennt ist.
Die Manschette 44 selbst ist aus einem halbstarren Kunststoffmaterial gefertigt, und kann geöffnet und auf den Arm aufgesetzt werden. Die Flexibilität der Manschette selbst hält die Elektroden fest an der Haut. Andere Manschettengestaltungen und -materialien können stattdessen eingesetzt werden.
Elektrische Stimulation für die Manschettenelektroden 41, 42 wird unabhängig von dem Gerät für Vorderarm und Hand gesteuert, obwohl der gleiche Mikroprozessor/Stimulator zum Zuführen und Steuern der Stimulation durch das Kabel 46 verwendet wird. Die Steuerungen umfassen einen Druckknopf-Ein/Aus-Schalter 48 und zwei Druckknöpfe 50, 52 zum schrittweisen Anheben bzw. Absenken der Stimulationsintensität und damit der Kontraktionsaktivität des Muskels, der dadurch das Strecken des Ellbogengelenks steuert. Der Stimulationspegel kann auf eine Mittelbereichsintensität gestellt werden und der Ellbogen durch willkürliches Zusammenziehen des (nicht paralysierten) Bizeps-Brachii-Muskels gegen den durch den stimulationsaktivierten Trizeps Brachii geschaffenen Widerstand. Das stabilisiert wirksam den Arm, wenn er beispielsweise beim Zuführen einer Tasse zum Mund angehoben wird. Eine Aktivierung des Trizeps Brachii und die dadurch erzeugte resultierende Ellbogenstreckung erhöht die vertikale Reichweite des an den Rollstuhl verwiesenen Benutzers des Gerätes. Schließlich können mit gestrecktem Ellbogengelenk die Arme benutzt werden, um dem Oberkörper des Benutzers Stütze oder Stabilität zu verschaffen, indem es ihm ermöglicht wird, mit seinen Armen nach unten oder nach der Seite an seinen Rollstuhl, sein Bett, an die Wand usw. zu stoßen.
Die Ausgabeanzeige 20, die entweder vom LED- oder Flüssigkristall-Typ und bequemerweise an der dorsalen Klappe 12 beider Ausführungen angebracht ist, bezeichnet den Zustand des Gerätes:
a) EIN/AUS (wobei leeres Feld AUS bezeichnet.)
b) Griffart (Schlüssel-, Greifen usw.)
c) Stimulationsintensität (an einer Skala von z.B. 1 bis 10)
d) Batteriezustand

Claims

1. Gerät zum Erzeugen von Handfunktion, welches umfaßt:

eine Vielzahl von Elektroden (I-V), die mindestens indirekt an einer Schiene in Positionen angebracht sind, in welchen sie eine Berührung mit Hautabschnitten herstellen können, welche direkt über zu stimulierenden Muskeln liegen, welche Elektroden (I-V) mit einer elektronischen Schaltung (47) verbindbar sind, die ausgelegt ist, bei Beaufschlagung Stimulationsströme zu erzeugen, die über Kombinationen der Elektroden (I-V) in vorgegebenen zeitlich abgestimmten Folgen zu vorgewählten Muskelgruppen geliefert werden, und mindestens ein durch den Träger des Gerätes betätigbares Schaltermittel (16), durch welches Mittel die vorgegebenen zeitlich abgestimmten Folgen eingeleitet werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene eine S-artige Schiene (2) umfaßt, die besteht aus einem sich längs der Palmarseite des Unterarms erstreckenden Unterarmabschnitt (4), einem palmo-dorsalen Übergangsabschnitt (6), der zu einem dorsalen Abschnitt (8) führt, welcher sich quer über die dorsale Seite der Handwurzelknochen erstreckt, und einem palmaren Abschnitt (10), von dem mindestens das Ende die Innenfläche der Hand des Trägers des Gerätes mindestens indirekt berührt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Elektroden (I-V) mit Bezug auf die Oberflächengröße, den Umriß und die Oberflächenkrümmung gesteuert wird, um den nötigen Reizstrompegel zu liefern und ein Überströmen auf ungewünschte Muskeln oder auf efferente oder afferente Nerven zu verhindern.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter zweites Schaltermittel (18) für das Einstellen von unterschiedlichen Greif-Betätigungsarten umfaßt.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter Mittel zum Einstellen der Stimulationsintensität umfaßt.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter eine federbelastete dorsale Klappe (12) umfaßt, die gelenkig an dem Unterarmabschnitt (4) der Schiene (2) angebracht ist, welche Klappe (12) in der angebrachten Position des Gerätes den Unterarmabschnitt (4) gegen die palmare Fläche des Unterarms anzieht.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (12) mindestens eine der Mehrzahl von Elektroden (I- V) aufnimmt und wahlweise mindestens eine weitere Komponente, die aus der aus Schaltermittel und elektrischer Stromquelle bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter eine fest an dem Unterarmabschnitt (4) der Schiene angebrachte palmare Klappe (22) umfaßt, die mindestens eine (II) der Vielzahl von Elektroden trägt und in der angebrachten Position des Gerätes die mindestens eine Elektrode (II) gegen die palmare Oberfläche des Unterarms andrückt.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine andere (I) der Vielzahl von Elektroden (I-V) an dem Ende des palmaren Abschnittes (10) der Schiene (2) angebracht ist.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter umfaßt eine zwischen dem Unterarmabschnitt (4) der Schiene (2) und deren dorsalen Abschnitt (8) eingesetzte Gelenkverbindung (40), wodurch der dorsale Abschnitt (8) und der palmare Abschnitt (10) mit dem Unterarmabschnitt (4) schwenkbar gelenkig verbunden sind, wobei die Schwenkachse der Gelenkverbindung (40) sich im wesentlichen mit der Abbiege/Streck-Achse des Handgelenkes des Trägers in Ausrichtung befindet.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindung (40) gegen Abbiegen federnd vorgespannt und mit einem Anschlagmittel versehen ist, welches die Ruhelage des dorsal/palmaren Abschnittes (6) bestimmt, die in einer Abwinkelposition des Handgelenkes um etwa 15º besteht.