DE69224388T2 - Verbesserung der muskeltätigkeit - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein implantierbare medizinische Geräte und insbesondere implantierbare medizinische Geräte, die eine unterschwellige Stimulation von Muskelgewebe liefern.
• Die medizinischen Eigenschaften einer Schlafapnoe sind seit einiger Zeit bekannt. Es gibt zwei allgemein anerkannte Formen der Krankheit. Die erste ist die zentrale Schlafapnoe, die mit dem Versagen des Körpers, automatisch die zum Einleiten und Steuern eines Atemzyklus erforderliche neuromuskuläre Stimulation zur richtigen Zeit zu erzeugen, einhergeht. Mit der Verwendung einer elektrischen Stimulation zum Behandeln dieses Zustands verbundene Arbeit ist in "Diaphragm Pacing: Present Status" von William W. L. Glenn, in Pace, Band 1 auf den Seiten 357 - 370 (Juli - September 1978) erörtert.
• Der zweite Zustand ist als obstruierende Schlafapnoe bekannt. Er ist in einiger Länge in "Obstructive Sleep Apnea: Diagnosis and Treatment" von Dr. Cook und Dr. Osguthorpe in Journal of South Carolina Medical Association, 81 (12): 647 - 651 (Dezember 1985), erörtert. Weitere den Gegenstand behandelnde Entgegenhaltungen sind u. a. "Physiologic Basis of Therapy for Sleep Apnea" von K. P. Strohl, N. S. Cherniack und B. Gothe in American Review of Respiratory Disease, Band 134, S. 791 - 802 (1986), und "Obstructive Sleep Apnea Syndrome" von J. Kaplan und B. A. Staats in Mayo Clinic Proceedings, Band 65, S. 1087 - 1094 (1990).
• Eine elektrische Stimulation von Muskelgewebe wurde seit einiger Zeit verwendet. Auf diesem Gebiet wurde beispielsweise beim Herzschrittmachen viel Arbeit aufgewendet. Paul E. Ciske und John A. Faulkner erörtern in "Chronic Electrical Stimulation of Nongrafted and Grafted Skeletal Muscles in Rats" in Journal of Applied Physiology, Band 59(5), S. 1434 - 1439 (1985), einige physiologische Wirkungen einer chronischen Stimulation.
• Gegenwärtig ist eine Tracheostomie möglicherweise die beste Behandlungsmöglichkeit für eine Anzahl von Patienten mit einer schweren obstruierenden Schlafapnoe. Es wurde jedoch einiges Interesse an einer während des Atmens geschehenden elektrischen Stimulation des entlang des oberen Luftwegs verlaufenden Muskelgewebes gezeigt. Im Meer erteilten US- Patent 4 830 008 ist eine Technik zur synchron mit dem Atemzyklus erfolgenden elektrischen Stimulation der Muskeln des oberen Luftwegs erörtert. Im Durkan erteilten US-Patent 4 506 666 ist eine solche Stimulation in Zusammensetzung mit einer von einem Beatmungsgerät gelieferten Druckluftströmung erörtert. Eine ähnliche Vorgehensweise ist von Miki u. a. in "Effects of Submental Electrical Stimulation During Sleep on Upper Airway Patency in Patients with Obstructive Sleep Apnea" in American Review of Respiratory Disease, Band 140, S. 1285 - 1289 (1989), erörtert.
• In EP-A-0 036 742 ist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Patienten zur Operation durch Anwenden einer elektrischen Stimulation in Kombination mit Anästesiemitteln offenbart.
• Die elektrische Stimulation aus dem Stand der Technik betrifft jedoch in erster Linie das Bewirken einer Kontraktionsbewegung des stimulierten Muskels. Dies bedeutet, daß die Stimulationsenergie relativ hoch sein muß und daß die Wirkungen der Stimulation durch den Patienten direkt erkennbar sind.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät vorgesehen, welches aufweist:
• a. eine Einrichtung zur Stimulation eines Muskels und
• b. eine an den Muskel angekoppelte Einrichtung zur Wahrnehmung von Muskelspannung, gekennzeichnet durch
• c. eine Einrichtung zur Bestimmung einer Mitnahmeschwelle aus der wahrgenommenen Muskelspannung und
• d. eine mit der Stimuliereinrichtung und der Wahmehmeinrichtung gekoppelte Einrichtung zur Justierung der Stimulationsamplitude entsprechend der Wahmehmeinrichtung, um sicherzustellen, daß die Stimulation eine unterschwellige Stimulation unterhalb der Mitnahmeschwelle ist.
• Die vorliegende Erfindung überwindet auf diese Weise die Nachteile des Stands der Technik durch Vorsehen eines Geräts zur Behandlung medizinischer Zustände, wie einer obstruierenden Schlafapnoe, durch eine unterschwellige Stimulation.
• Diese Stimulation wird durch Impulse erreicht, deren Amplitude einzeln oder in Kombination nicht ausreichend ist, um eine direkte Kontraktion der stimulierten Muskeln zu bewirken. Das Ergebnis ist eine Verbesserung des allgemeinen Muskeltonus des stimulierten Muskels ohne Verwendung einer zu hohen Stimulationsenergie und ohne eine übermäßige sensonsche Stimulation des Patienten. Es ist dieses allgemeine Anspannen der Muskulatur, das dem Patienten mit einer obstruierenden Schlafapnoe die Erleichterung verschafft.
• Die Stimulationsimpulse werden durch einen Stimulationsgenerator übertragen, der über isolierte elektrische Leitungen an sich in Kontakt mit dem zu stimulierenden Gewebe befindende Elektroden gekoppelt ist.
• Statt dessen kann die Spannung des stimulierten Muskelgewebes durch den Stimulationsgenerator wahrgenommen werden. Eine spezielle elektronische Schaltung kann die Mitnahmeschwelle erfassen und die Stimulationsamplitude zur Verhinderung einer Kontraktion verringern.
• Die Technik kann durch Stimulation an einer oder an mehreren Stellen praktisch verwendet werden. Um eine Stimulation an zahlreichen Stellen zu erleichtern, kann die Ausgabe des Stimulationsgenerators in geeigneter Weise demultiplexiert werden.
• Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der damit verbundenen Vorteile werden leicht erkennbar werden, wenn diese mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen in allen Figuren die gleichen Teile bezeichnen, besser verstanden wird, wobei
• FIG. 1a eine graphische Darstellung der Muskelspannung bei einer Stimulation mit 10 Hertz ist;
• FIG. 1b eine graphische Darstellung der Muskelspannung bei einer Stimulation mit 50 Hertz ist;
• FIG. 1c eine graphische Darstellung der Muskelspannung bei einer Stimulation mit 100 Hertz ist;
• FIG. 2 eine Darstellung einer typischen Anordnung von Stimulations- und Wahrnehmungselektroden ist;
• FIG. 3 eine graphische Darstellung der wahrgenommenen Muskelspannung bei oberhalb und unterhalb der Mitnahmeschwelle gelegenen Stimulationsimpulsen ist;
• FIG.4 eine graphische Darstellung der Stimulationsausgaben und der integrierten wahrgenommenen Eingaben eines multiplexierten Systems zur unterschwelligen Stimulation ist;
• FIG. 5 ein Blockdiagramm eines Stimulationsgenerators mit multiplexierten Eingängen und Ausgängen ist und
• FIG. 6 eine graphische Darstellung des allgemeinen Muskeltonus gegenüber der Zeit bei Verwendung einer chronischen unterschwelligen Stimulation ist.
• FIG. 1a ist eine graphische Darstellung 10 einer Muskelspannung 13 als Funktion der Zeit 14 bei einer unterschwelligen Stimulation mit einer Rate von 10 Impulsen pro Sekunde. Die hervorgerufene Reaktion wird als langsames Zucken bezeichnet.
• Es ist ersichtlich, daß die mit jedem Stimulationsimpuls verbundene relative Spitze auffallend hervortritt, wenngleich die erzeugte Spannung zum Kumulieren neigt. Da Stimulationsimpulse 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i und 15j bewirken, daß der betroffene Muskel zuckt, werden relative Spitzen 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h, 11i bzw. 11j erzeugt. Relative Täler 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 12i bzw. 12j sind die entsprechenden Täler zwischen den Stimulationsimpulsen. Die Spannung 16 ist das Niveau der zum Hervorrufen einer Kontraktion erforderlichen Spannung.
• FIG. 1b ist eine graphische Darstellung 17 der Muskeispannung 13 als Funktion der Zeit 14 bei einer unterschwelligen Stimulation mit einer Rate von 50 Impulsen pro Sekunde. Der dieser Reaktion gegebene Begriff ist nichtzusammenhängender Tetanus. Es ist ersichtlich, daß die kumulative Muskelreaktion bei Erzeugung jedes der Stimulationsimpulse 18a-18n schwach hervortretende relative Maxima und Minima enthält.
• FIG. 1c ist eine graphische Darstellung 19 einer zusammenhängenden Tetanusreaktion des betroffenen Muskels. Die Muskelspannung 13 als Funktion der Zeit 14 führt zu einer glatten kumulativen Kurve. Stimulationsimpulse 20a-20n werden bei einer Rate von 100 pro Sekunde erzeugt. Bei dieser Stimulationsrate sind keine relativen Maxima und Minima vorhanden.
• In FIG. 2 ist die typische Anordnung 30 von Stimulations- und Wahrnehmungselektroden in einem System mit multiplexierten Eingängen und Ausgängen dargestellt. Einzelne Muskeln 32, 34, 36 und 38 stellen die Muskulatur des oberen Luftwegs beim Patienten mit einer obstruierenden Schlafapnoe dar. Typische Muskelgruppen umfassen den Kinn-Zungen-Muskel, den Schildknorpel-Zungenbein-Muskel, den Brustbein-Zungenbein-Muskel, den Schulterblatt-Zungenbein-Muskel, den Kinn-Zungenbein- Muskel, den Unterkiefer-Zungenbein-Muskel, den Unterzungenmuskel, den Griffelfortsatz-Zungen-Muskel usw.
• Elektroden 56, 58, 60 und 62 sind Einstechelektroden beispielsweise vom Modell 4951 von Medtronic. Jede ist durch eine andere der isolierten Leitungen 64, 66, 68 bzw. 70 mit dem Stimulationsgenerator gekoppelt (siehe auch FIG. 5).
• Mit isolierten Leitungen 48, 50, 52 und 54 gekoppelte Elektroden 40, 42, 44 bzw. 46 können ein ähnliches Aussehen und eine ähnliche Konstruktion aufweisen. Jede der Elektroden 40, 42, 44 und 46 nimmt die Spannung des entsprechenden Muskels 32, 34, 36 und 38 wahr.
• FIG. 3 ist eine graphische Darstellung von Stimulationsimpulsen, die größer und kleiner sind als die Mitnahmeschwelle, sowie des entsprechenden wahrgenommenen und integrierten Spannungsignals. Die Stimulationsamplitude besteht aus einzelnen Impulsen 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86 und 88. Jeder hat eine Impulsbreite von etwa einer Millisekunde. Einzelne Impulse 74, 76, 78 und 80 haben eine kleinere Amplitude als die durch eine Kurve 90 wiedergegebene Mitnahmeschwelle. In ähnlicher Weise überschreitet jeder der einzelnen Impulse 82, 84, 86 und 88 die Amplitude der Kurve 90.
• Eine Kurve 92 zeigt das vom stimulierten Muskel wahrgenommene und zu einer glatten Kurve integrierte Spannungssignal. Der Bereich vor dem Anstieg 94 gibt das integrierte Spannungssignal mit der unterschwelligen Stimulation der einzelnen Impulse 74, 76, 78 und 80 wieder. Der Bereich der Kurve 92 zwischen dem Anstieg 94 und dem Abfall 96 bezeichnet das integrierte Spannungssignal mit den einzelnen zum Stimulieren einer Kontraktion ausreichenden Impulsen 82, 84, 86 und 88.
• FIG. 4 ist eine graphische Darstellung der Arbeitsweise eines multiplexierten Systems mit vier separaten Eingängen und Ausgängen. Eine Kurve 98 zeigt an eine erste Stimulationselektrode (siehe auch Fig. 2) angelegte Stimulationsimpulse 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118 und 120.
• In ähnlicher Weise zeigen Kurven 100, 102 und 104 die an die zweite, die dritte bzw. die vierte Stimulationselektrode angelegten Stimulationsimpulse. Eine Kurve 154 zeigt das integrierte zeitmultiplexierte Spannungssignal von den entsprechenden Wahrnehmungselektroden.
• Die Amplitude der Stimulationsimpulse 106, 108, 110 und 112 überschreitet jeweils eine die Mitnahmeschwelle wiedergebende Kurve 122. Daher bezeichnet ein Bereich 158 der Kurve 154 eine Mitnahme, da seine Amplitude höher ist als eine Wahrnehmungsschwelle 156. Diese Daten werden durch den weiter unten in näheren Einzelheiten beschriebenen Stimulationsgenerator verwendet, um die Amplitude der Stimulationsimpulse für das entsprechende Muskelgewebe zu verringern.
• Die Amplitude der Stimulationsimpulse 124, 126, 128 und 130 ist niedriger als ein Mitnahmeschwellenpegel 132. In ähnlicher Weise sind Impulse 134, 136, 138 und 140 niedriger als ein Pegel 142 und Impulse 144, 146, 148 und 150 niedriger als ein Pegel 152.
• FIG. 5 ist ein Blockdiagramm eines Stimulationsgenerators 160, der die Stimulationsimpulse aus FIG. 4 liefert und auch die Wahmehmungsfunktion ausführt. Wahmehmungseingaben werden von den isolierten Leitungen 48, 50, 52 und 54 empfangen, und Stimulationsimpulse werden über die isolierten Leitungen 66, 68, 70 und 72 (siehe auch Fig. 2) ausgegeben.
• Die einzeln wahrgenommenen Spannungssignale werden durch Leseverstärker 164, 166, 168 bzw. 170 verstärkt. Ein Eingangsmultiplexer 162 multiplexiert die Signale in Übereinstimmung mit der Ausgabe eines durch die Zehn- Millisekunden-Ausgabe einer Zeitsteuerung 202 angesteuerten wiedergewinnenden Zwei-Bit-Zählers 204 zeitlich.
• Andererseits wird jedes der verstärkten Spannungssignale vom Eingangsmultiplexer 162 an ein Bandpaßfilter 172 ausgegeben. Die Ausgabe des Bandpaßfilters 172 schwächt oberhalb eines Kilohertz liegende Komponenten stark ab. Die Ausgabe wird durch einen Integrator 174 integriert, um das obenerörterte glatte Signal zu liefern (siehe auch Kurve 92 aus Fig. 3). Ein Multivibrator 176 vergleicht dieses Signal mit einem Schwellenwert, um zu bestimmen, ob die wahrgenommene Amplitude, wie oben erklärt, eine Mitnahme anzeigt. Falls dies der Fall ist, wird ein Dekrementierer 180 aktiviert, um das entsprechende der Register 184, 186, 188 und 190 über einen Multiplexer 182 zu dekrementieren. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Dekrementierer 180 nicht aktiviert.
• Ein Multiplexer 192 liefert den Inhalt des richtigen der Register 184, 186, 188 und i90, um die Ausgabe eines digital gesteuerten Verstärkers 194 zu steuern. Dies gewährleistet, daß die entsprechenden ausgegebenen Stimulationsimpulse unterschwellig sind. Die Impulse werden auf der Grundlage der Zeitsteuerung 202, die eine Synchronität mit der Aktivität des Multiplexers ermöglicht, durch einen Impulsgenerator 200 erzeugt. Ein Ausgangsverstärker 196 ist ein die richtige Ausgangsamplitude liefernder Linearverstärker. Ein Ausgangsmultiplexer 198 wählt die richtige Stimulationselektrode für die Stimulationsimpulse.
• FIG. 6 ist eine graphische Darstellung 206 des allgemeinen is Muskeltonus 210 als Funktion der Periode der unterschwelligen Stimulation 208. Es sei bemerkt, daß der allgemeine Muskeltonus nach einer Periode einer unterschwelligen Stimulation 208 nicht merklich ansteigt und daß die fortgesetzte unterschwellige Stimulation dazu dient, das Niveau des Muskeltonus zu erhalten.
• Nachdem die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf diese Weise beschrieben wurden, werden Fachleute leicht die weiteren nützlichen Ausführungsformen verstehen, die verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (5)

1. Gerät mit

a. einer Einrichtung (160) zur Stimulation eines Muskels und

b. einer an den Muskel angekoppelten Einrichtung (48, 50, 52, 54) zur Wahrnehmung von Muskelspannung; gekennzeichnet durch

c. eine Einrichtung zur Bestimmung einer Mitnahmeschwelle aus der wahrgenommenen Muskelspannung, und

d. eine mit der Stimuliereinrichtung (160) und der Wahmehmeinrichtung (48, 50, 52, 54) gekoppelte Einrichtung (192, 194, 196) zur Justierung der Stimulationsamplitude entsprechend der Wahmehmeinrichtung, um sicherzustellen, daß die Stimulation eine unterschwellige Stimulation unterhalb der Mitnahmeschwelle ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Justiereinrichtung eine Einrichtung aufweist, die bewirkt, daß die Stimuliereinrichtung die Amplitude der Muskelstimulation verringert, um sicherzustellen, daß die Stimulation unterschwellig ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stimuliereinrichtung eine Einrichtung zum Stimulieren mehrerer Stellen des Muskels umfaßt.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung obstruierender Schlafapnoe, mit

einer an Muskelgewebe des oberen Luftwegs eines Patienten angekoppelten Elektrode (48, 50, 52, 54),

wobei die Einrichtung (160) zum Stimulieren eines Muskels an die Elektrode gekoppelt ist, um dem Muskelgewebe über die Elektrode Stimulationsimpulse zuzuführen; und wobei die Einrichtung (192, 194, 196) zur Justierung der Amplitude der Stimulierimpulse auf die Stimuliereinrichtung anspricht, um sicherzustellen, daß die Stimulierimpulse keine zusammenhängende tetanische Kontraktion stimuliert.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit mehreren an die Stimuliereinrichtung angekoppelten Elektroden.