DE69722821T2

DE69722821T2 - Vorrichtung zur behandlung von bewegungsstörungen durch gehirn-stimulation mit einer rückkopplung

Info

Publication number: DE69722821T2
Application number: DE69722821T
Authority: DE
Inventors: T. Mark RISE; W. Gary KING
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: WO1997039796A1; AU2606097A; EP0959942B1; DE69722821D1; US5716377A; EP0959942A1; US5833709A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Gehirnstimulationstechniken und insbesondere auf derartige Techniken zum Behandeln von Bewegungsstörungen.
Patienten mit neurodegenerativen Leiden oder Traumata wie etwa Gehirninfarkt oder Rückenmarkverletzung können verschiedenartige Bewegungs- und Muskelsteuerungsprobleme haben wie etwa ruhebedingten, haltungsbedingte Intentions- oder Aktionstremor, Dystonie (fehlerhaften Spannungszustand von Muskeln, Myoklonie), Spastik (unerwünschte Bewegungen oder Muskelkontraktion), Dyskinesie (schwach ausgeprägte Bewegungen) oder unfreiwillige Bewegungen wie etwa Ballismus, choreiforme Bewegungen oder Torticollis (ungeeignete Bewegungen oder Steuerung der Gliedmaßen). Viele dieser Probleme können als Hyperkinesien bezeichnet werden. Obwohl sie chronisch oder noch schlimmer, fortschreitend sein können, können sie zeitweise auch ein gewisses Nachlassen erfahren. Solche Probleme sind in bestimmten Stadien bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, multipler Sklerose, Gehirnlähmung, sekundären Schmerzen bis hin zu Deafferenzierungsschmerzen, nach einem Schlaganfall, nach einem Gehirnschlag oder einer Anoxie, nach einer Kopf- oder Wirbelsäulenverletzung, nach einer Vergiftung, mit einer Erkrankung des Kleinhirns usw. festgestellt worden. Dyskinesie kann auch von einer Langzeitanwendung von Levodopa bei Parkinson-Patienten oder von anderen Medikamenten herrühren.
Spastik ist als Zustand übermäßiger muskulärer Spannung (Hypertonus) und erhöhter spinaler Reflexe definiert. Dieser Zustand tritt ein, wenn die kortikospinalen Wege unterbrochen sind. Eine Unterbrechung kann von einem Schlaganfall herrühren, der zu einer Verletzung der Fasern, da sie durch die innere Schale bzw. Kapsel führen, oder einer degenerativen Störung oder einem physischen Trauma des Kortex oder des Rückenmarks führt. Ein Ausfall dieses Weges führt zu einer fehlenden Hemmung der unteren Motoneuronen, die dann aktiver und für Reflexe zugänglicher sind. In manchen Fällen unterbricht eine Verletzung des prämotorischen Kortex die Funktion des primären motorischen Kortex, was zu den gleichen Phänomenen führt.
Eine Form der Dyskinesie ist als Ballismus bekannt, der typischerweise zu heftigen, ausschlagenden Bewegungen der Gliedmaßen führt. Die Bewegungen betreffen häufig nur eine Seite des Körpers, wobei die Störung in diesem Fall als Hemiballismus bekannt ist.
Bei Patienten, die an essentiellem Tremor oder an Tremor infolge der Parkinson-Krankheit leiden, ist das vorherrschende Symptom der gestörten Bewegung das Zucken oder Zittern. Tremor wird häufig danach unterschieden, ob das Zittern des Gliedmaßes eintritt, wenn dieses in Ruhe ist, oder wenn eine Muskelkontraktion eintritt.
Abgesehen davon, daß der Tremor von einer degenerativen Krankheit oder einer Kopfverletzung herrührt, kann er unbekannten Ursprungs sein. Ein Syndrom des idiopathischen Tremors wird als essentieller Tremor bezeichnet.
Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen oder Traumata der basalen Ganglien wie etwa Gehirninfarkt können verschiedenartige Bewegungs- und Muskelsteuerungsprobleme wie etwa Akinesie, Rigor oder Bradykinesie haben. Diese motorischen Störungen können als hypokinetische Probleme, der Unfähigkeit sich zu bewegen, bezeichnet werden. Diese Probleme können chronisch, oder noch schlimmer, fortschreitend sein, jedoch können sie auch zeitweise, insbesondere dann, wenn Medikamente wirksam sind, ein gewisses Nachlassen erfahren. Solche Probleme treten in bestimmten Stadien bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, multipler Sklerose, Gehirnlähmung, sekundären Schmerzen bis hin zur Deafferenzierung, nach einem Schlaganfall, nach einem Gehirnschlag oder einer Anoxie, nach einer Kopf- oder Wirbelsäulenverletzung, nach einer Vergiftung und bei Patienten einer Erkrankung des Kleinhirns usw. auf. Dyskinesie ist häufig eine Nebenwirkung von medikamentösen Behandlungen, die bei bestimmten Symptomen (wie etwa Tremor, Akinesie, Rigor) angewandt werden, insbesondere von Levodopa.
Neurochirurgen sind in der Lage gewesen, die Symptome der obengenannten Bewegungsstörungen infolge krankhafter Veränderungen bestimmter Gehirnbereiche abzuschwächen. Außerdem wurde nachgewiesen, daß Deep-Brain-Stimulation (DBS = Tiefe Gehirnstimulation) bestimmter Gehirnstrukturen bei hohen Frequenzen (100 Hz oder mehr) die Tremor-, Rigor-, Akinesie- oder Hemiballismus-Symptome mildern, abschwächen oder vollständig beseitigen kann. Veröffentlichte Ziele der Stimulation umfassen den VIM (Ventral Intermediate Thalamus), den Subthalamuskern und den inneren Globus Pallidum.
Es wird angenommen, daß viele Symptome der obengenannten Bewegungsstörungen durch eine Fehlfunktion der basalen Ganglien oder des Thalamus bedingt sind. Die Fehlfunktion kann eine übermäßige Aktivität der Ausgangsneuronen der Ganglien, die eine starke Hemmung des Thalamus bewirkt, oder eine zu schwache Aktivität der Ganglien, die zu einer zu geringen Hemmung des Thalamus führt, hervorrufen. Wenn eine zu geringe Ausgangsaktivität der basalen Ganglien oder eine zu geringe Hemmung des Thalamus be steht, ergibt sich ein Zustand wie etwa Ballismus oder Dystonie. Wenn eine zu hohe Ausgangsaktivität der basalen Ganglien (eine zu starke Hemmung) besteht, ergibt sich ein Zustand wie etwa Hypokinesie.
US-A-3 918 461 offenbart ein System mit Gehirnelektroden, die vom Patienten über Antennen aktiviert werden.
Der Lancet-Band 337, 16. Februar 1991, Seiten 403–406 offenbart eine experimentelle Gehirnstimulation bei Parkinson-Krankheit, wobei der Patient die Aktivität der Gehirnelektroden steuert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Behandeln einer Bewegungsstörung, die in einem anomalen motorischen Verhalten resultiert, bereit, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Eine bevorzugte Form der Erfindung kann eine Bewegungsstörung, die aus einer anomalen motorischen Reaktion resultiert, mittels eines implantierbaren Signalgenerators und einer implantierbaren Elektrode, die ein mit dem Signalgenerator gekoppeltes proximales Ende und einen Stimulationsabschnitt zum therapeutischen Stimulieren des Gehirns aufweist, behandeln. Die Elektrode wird so in das Gehirn eingepflanzt, daß der Stimulationsabschnitt in der Nähe einer vorgegebenen Stelle in den basalen Ganglien oder im Thalamus des Gehirns liegt. Der Signalgenerator wird betrieben, um der Elektrode Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz und Amplitude zu senden. Durch Verwendung des obigen Systems können die Symptome hypokinetischer Störungen wie etwa Akinesie, Bradykinesie oder Rigor und hyperkinetischer Störungen wie etwa Ballismus, Hemiballismus, Chorea, Torticollis, Spastik oder Dystonie beseitigt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Stimulation die Reizung des Thalamus ab schwächen oder die Hemmung des Thalamus verstärken. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Stimulation die Reizung des Thalamus verstärken oder die Hemmung des Thalamus abschwächen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet zum Behandeln einer Bewegungsstörung, die aus einem anomalen motorischen Verhalten resultiert, einen Sensor in Kombination mit einem Signalgenerator und einer Stimulationselektrode. In dieser Form der Erfindung erzeugt der Sensor ein auf das Ausmaß des anomalen motorischen Verhaltens bezogenes Signal. Steuermittel, auf das Sensorsignal reagieren, steuern bzw. regeln den Signalgenerator so, daß die Stimulation in Reaktion auf eine Zunahme des anomalen motorischen Verhaltens erhöht wird und in Reaktion auf eine Abnahme des Ausmaßes des anomalen motorischen Verhaltens erniedrigt wird.
Durch Anwendung der obigen Techniken können die Symptome hypokinetischer Störungen wie etwa Akinesie, Bradykinesie oder Rigor und hyperkinetischer Störungen wie etwa Ballismus oder Hemiballismus, Chorea, Athetose, Spastik oder Dystonie beseitigt werden.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung, die lediglich beispielhalber gegeben wird und sich auf die begleitende Zeichnung bezieht, in der gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen und worin:
1 eine schematische Darstellung einer in ein Gehirn implantierten Elektrode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines mit der Elektrode gekoppelten Signalgenerators ist;
2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Nervensystems des menschlichen Körpers ist, in den eine bevorzugte Form von Bewegungssensor, Signalgenerator und Elektrode implantiert worden ist;
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Mikroprozessors und der zugehörigen Schaltungsanordnung ist, die in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden; und die 4–8 Ablaufpläne sind, die eine bevorzugte Form eines Mikroprozessorprogramms für die Erzeugung von dem Gehirn zu verabreichenden Stimulationsimpulsen veranschaulichen.
Mit Bezug auf 1, kann ein gemäß der bevorzugten Ausführungsform ausgeführtes System oder eine Vorrichtung 10 unter der Haut eines Patienten eingepflanzt sein bzw. werden. Eine Zuleitung 22A ist angeordnet, um eine spezifische Stelle in einem Gehirn (B) zu stimulieren. Die Vorrichtung 10 kann die Form eines abgewandelten Signalgenerators, Modell 7424, der von Medtronic Inc. unter dem Warenzeichen Itrel II^® hergestellt wird, besitzen. Die Zuleitung 22A kann die Form einer der mit dem Modell 7424 verkauften Zuleitungen für die Stimulation des Gehirns besitzen und ist über einen herkömmlichen Leiter 22 mit der Vorrichtung 10 verbunden.
Das distale Ende der Zuleitung 22A endet in vier, allgemein mit 115 bezeichneten Stimulationselektroden, die durch konventionelle stereotaktische chirurgische Techniken in einen Abschnitt der basalen Ganglien des Gehirns eingepflanzt worden sind. Jedoch kann für verschiedene Anwendungen eine andere Anzahl von Elektroden, etwa zwei oder sechs, verwendet werden. Jede der vier Elektroden ist über eine Zuleitung 22A und einen Leiter 22 einzeln mit der Vorrichtung 10 verbunden. Die Zuleitung 22A ist chirurgisch durch ein Loch in der Schale 123 eingesetzt worden, während der Leiter 22 zwischen die Schale und die Kopfhaut eingesetzt worden ist, wie in 1 gezeigt ist. Der Leiter 22 ist in der gezeigten Weise an die implantierte Vorrichtung 10 angeschlossen.
Mit Bezug auf 2 ist die Vorrichtung 10 an der gezeigten Stelle in einem menschlichen Körper eingesetzt. Der Körper 120 besitzt Arme 122 und 123. Alternativ kann die Vorrichtung 10 in dem Abdomen eingepflanzt sein.
Der Leiter 22 kann in Doppelzuleitungen 22A und 22B unterteilt sein, die, wie gezeigt ist, bilateral in das Gehirn eingepflanzt sind. Alternativ kann die Zuleitung 22B mit Stimulationsimpulsen von einem getrennten Leiter und einem getrennten Signalgenerator versorgt werden. Die Zuleitungen 22A und 22B könnten 1) zwei Elektroden in zwei separaten Nuklei, deren Wirkungen sich gegenseitig verstärken, oder 2) in Nuklei mit entgegengesetzten Wirkungen, wobei die Stimulation zur Feinabstimmung der Reaktion durch entgegengesetzte Kräfte angewandt wird, sein.
Ein Sensor 130 ist an einem Körperabschnitt eines Patienten angebracht oder in diesen eingepflanzt, der geeignet ist, Symptome der zu behandelnden Bewegungsstörung wie etwa einer motorischen Reaktion oder eines motorischen Verhaltens zu erfassen. In dieser Beschreibung und in den Patentansprüchen schließt "motorisches Verhalten" "motorische Reaktion" ein. Der Sensor 130 kann ein Attribut des zu steuernden Symptoms oder ein eng damit in Beziehung stehendes Symptom erfassen. Bei Bewegungsstörungen, die zu einer anomalen Bewegung eines Arms wie etwa des Arms 122 führen, kann der Sensor 130 ein Bewegungsdetektor sein, der wie gezeigt in den Arm 122 im plantiert ist. Der Sensor 130 kann beispielsweise wie ein Bewegungsmesser eine dreidimensionale oder eine zweidimensionale Bewegung (eine lineare Dreh- oder Gelenkbewegung) messen. Ein solcher für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeigneter Sensor ist in dem US-Patent Nr. 5.293.879 (Vonk) beschrieben. Ein weiterer geeigneter Bewegungsmesser läßt sich in Herzschrittmachern finden, die von Medtronic Inc. hergestellt werden und in dem Patent Nr. 5.674.258, erteilt am 8. März 1995 und auf James Sikorski und Larry R. Larson lautend, mit dem Titel "Package Integrated Accelerometer" beschrieben sind. Der Sensor 130 kann auch in der Vorrichtung 10 angeordnet sein, um eine anomale Bewegung, die aus der zu behandelnden Bewegungsstörung herrührt, zu erfassen.
Der Sensor 130 kann außerdem für die Erfassung der Schwerkraftrichtung oder Relativbewegung zu einem entweder implantierten oder in der Nähe angebrachten Objekt (z. B. einem Magneten) geeignet sein. Der Sensor 130 kann auch die Form einer Vorrichtung besitzen, die die Kraft in Muskeln oder Gelenken oder den Druck erfassen kann.
Der Sensor 130 kann ein Muskel-EMG in einem Muskel oder in zwei Muskeln oder in wechselseitig wirkenden Muskeln an einem Gelenk erfassen. Für eine solche Erfassung kann der Sensor 130 die Form einer in den interessierenden Muskel eingesetzten Registrierelektrode besitzen.
Ein Gehirn-EEG (z. B. Potentiale des motorischen Kortex, die über den spezifische Muskelgruppen steuernden Motoneuronen aufgezeichnet werden) kann ebenfalls von dem Sensor 130 erfaßt werden.
Eine nochmals weiter Form des Sensors 130 würde eine Vorrichtung umfassen, die Nervenverbundwirkungspotentiale (z. B. entweder sensorisch afferente Informationen vom Muskel oder von Hautrezeptoren oder einen interessierenden Muskel steuernde efferente motorische Potentiale) erfassen kann.
Bei bestimmten Patiententypen kann der Sensor 130 die Form einer Vorrichtung besitzen, die die Haltung des Patienten erfassen kann.
Der Sensor 130 kann auch die Form einer Vorrichtung besitzen, die die Nervenzellen- oder Axonaktivität, die mit den Wegen an der Ursache des Symptoms in Beziehung steht oder die Wahrnehmungen wiedergibt, die durch das Symptom hervorgerufen werden. Ein solcher Sensor kann tief im Gehirn angeordnet sein. Für ein solches Erfassen kann der Sensor 130 die Form einer Elektrode besitzen, die in die innere Schale des Gehirns oder an andere Stellen, die Teil der basalen Ganglien sind, eingesetzt ist. Signale, die von dem Sensor empfangen werden, können vor dem Senden an die in der Vorrichtung 10 enthaltene Schaltungsanordnung verstärkt werden.
Der Sensor 130 kann die Form eines Meßwandlers besitzen, der aus einer Elektrode mit einer aufgebrachten ionenselektiven Beschichtung besteht, die die Menge einer bestimmten Transmittersubstanz oder deren Nebenprodukte, in die sie zerfällt und die in dem Interstitialraum eines Bereichs des Gehirns wie etwa des ventrolateralen Thalamus festgestellt werden, direkt umwandelt. Das Niveau der interstitiellen Transmittersubstanz ist ein Indikator für die relative Aktivität des Gehirnbereichs. Ein Beispiel dieses Typs von Meßwandler ist in dem Artikel "Multichannel semiconductor-based electrodes for in vivo electrochemical and electrophysiological studies in rat CNS" von Craig G. van Horne, Spencer Bement, Barry J. Hoffer und Greg A. Gerhardt, veröffentlicht in Neuroscience Letters, 120 (1990) 249–252 beschrieben.
Bei Tremor kann die Relativbewegung eines Gelenk- oder Gliedmaßen- oder Muskel-EMG unmittelbar erfaßt werden. Das Erfassen der elektrischen Aktivität von Neuronen an verschiedenen Stellen der motorischen Schaltkreise ist ebenfalls hilfreich. Das Aufzeichnen der elektrischen Aktivität in dem Thalamus oder dem Kleinhirn enthüllt eine charakteristisch schwingende elektrische Aktivität, wenn Tremor vorhanden ist.
Bei Ballismus, Hemiballismus oder Tremor kann der Sensor 130 die Form eines Bewegungsmessers, der die Relativbewegung eines Gelenk- oder Glied- oder Muskel-EMG erfaßt, besitzen.
Bei Dystonie kann der Sensor 130 die Form einer Vorrichtung zum Erfassen eines Gelenk- oder Gliedmaßen- oder Muskel-EMG besitzen.
In den 2 und 3 ist der Ausgang bzw. die Ausgabe des Sensors 130 über ein Kabel 132, das die Leiter 134 und 135 umfaßt, mit dem Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers 206 in der Vorrichtung 10 gekoppelt. Alternativ würde der Ausgang eines externen Sensors mit dem implantierten Impulsgenerator über eine Telemetrie-Abwärtsstrecke kommunizieren.
Die restlichen, in 3 gezeigten Komponenten sind in der Vorrichtung 10 enthalten. Der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 206 ist über einen Peripheriebus 202, der Adreß-, Daten- und Steuerleitungen umfaßt, mit einem Mikroprozessor 200 verbunden. Der Mikroprozessor 200 verarbeitet die Sensordaten auf verschiedene Weise, die von dem verwendeten Meßwandler abhängt. Wenn das Signal des Sensors 130 einen vom Arzt programmierten und in einem Speicher 204 gespeicherten Pegel überschreitet, werden durch einen Ausgangstreiber 224 höhere Stimulationswerte aufgebracht.
Die Stimulationsimpulsfrequenz wird gesteuert, indem unter Verwendung des Busses 202 ein Wert in einen programmierbaren Frequenzgenerator 208 einprogrammiert wird. Der programmierbare Frequenzgenerator liefert stets dann, wenn ein Stimulationsimpuls zu erzeugen ist, ein Unterbrechungssignal über eine Unterbrechungsleitung 210 an den Mikroprozessor 200. Der Frequenzgenerator kann durch das von Harris Corporation vertriebene Modell CDP1878 ausgeführt sein.
Die Amplitude für einen Stimulationsimpuls wird unter Verwendung des Busses 202 in einen Digital-Analog-Umsetzer 218 einprogrammiert. Das analoge Ausgangssignal wird über einen Leiter 220 zu einer Ausgangstreiberschaltung 224, die die Stimulationsamplitude steuert, befördert.
Der Mikroprozessor 200 programmiert unter Verwendung des Busses 202 außerdem ein Impulsbreite-Steuermodul. Die Impulsbreitensteuerung liefert über einen Leiter 216 einen Freigabeimpuls mit einer Dauer, die gleich der Impulsbreite ist. Von der Vorrichtung 10 werden dann über das Kabel 22 und die Zuleitung 22A Impulse mit der gewählten Charakteristik an die basalen Ganglien, den Thalamus oder einen anderen Bereich des Gehirns geliefert.
Der Mikroprozessor 200 führt einen in den 4–8 gezeigten Algorithmus aus, um für eine Stimulation mit Closed-Loop-Regelung zu sorgen. Nachdem die Stimulationsvorrichtung 10 implantiert ist, programmiert der Arzt bzw. Klinikmitarbeiter über Telemetrie bestimmte Schlüsselparameter in den Speicher der implantierten Vorrichtung. Diese Parameter können nachträglich wie erforderlich aktualisiert werden. Der Schritt 400 in 4 gibt den Prozeß des ersten Wählens, ob die neurale Aktivität an der Stimulationsstelle zu blockieren oder zu fördern ist (Schritt 400(1)) und ob der Sensorort ein Ort ist, an dem eine Zunahme der neuralen Aktivität gleichbedeutend mit einer Zunahme der neuralen Aktivität am Stimulationsziel ist oder vice versa (Schritt 400(2)). Als nächstes muß der Arzt zur Optimierung der Therapie den Wertebereich für die Impulsbreite (Schritt 400(3)), die Amplitude (Schritt 400(4)) und die Frequenz (Schritt 400(5)), die die Vorrichtung 10 verwenden kann, programmieren. Der Arzt kann außerdem die Reihenfolge, in der die Parameteränderungen durchgeführt werden, wählen (Schritt 400(6)). Alternativ kann der Arzt die Verwendung von Vorgabewerten wählen.
Der Algorithmus für das Auswählen von Parametern unterscheidet sich in Abhängigkeit davon, ob der Arzt das Blockieren der neuralen Aktivität am Stimulationsziel oder das Fördern der neuralen Aktivität gewählt hat. 4 detailliert die Schritte des Algorithmus für die Durchführung von Parameteränderungen.
Der Algorithmus verwendet die vom Arzt programmierte Angabe, ob die Neuronen an der bestimmten Stelle der Stimulationselektrode zu fördern oder zu blockieren sind, um die neurale Aktivität in dem Subthalamuskern zu verringern, für die Entscheidung, welcher Pfad des Parameterauswahlalgorithmus zu verfolgen ist (Schritt 420, 5). Wenn die neurale Aktivität zu blockieren ist, liest die Vorrichtung 10 zuerst im Schritt 421 den Rückkopplungssensor 130 ab. Wenn die Sensorwerte angeben, daß die Aktivität unter den glutaminergen Neuronen zu hoch ist (Schritt 422), erhöht der Algorithmus in dieser Ausführungsform zuerst im Schritt 424 die Stimulationsfrequenz, unter der Voraussetzung, daß dieses Erhöhen den vom Arzt voreingestellten Maximalwert nicht überschreitet. Der Schritt 423 prüft diese Bedingung. Wenn der Frequenzparameter nicht am Maximum ist, kehrt der Algorithmus über den Pfad 421A zum Schritt 421 zurück, um das Rückkopplungssignal vom Sensor 130 zu überwachen. Wenn der Frequenzparameter am Maximum ist, erhöht der Algorithmus als nächstes im Schritt 426 (6) die Impulsbreite, wiederum mit der Einschränkung, daß dieser Parameter den Maximalwert nicht überschritten hat, was durch den Pfad 423A im Schritt 425 geprüft wird. Wenn die maximale Impulsbreite nicht erreicht worden ist, kehrt der Algorithmus zum Schritt 421 zurück, um das Rückkopplungssignal vom Sensor 130 zu überwachen. Sollte die Impulsbreite erreicht worden sein, erhöht der Algorithmus als nächstes in einer ähnlichen Weise, wie sie in den Schritten 427 und 428 gezeigt ist, die Amplitude. Falls alle Parameter das Maximum erreichen, wird im Schritt 429 eine Benachrichtigungsmeldung gesetzt, die durch Telemetrie an den Arzt zu senden ist und angibt, daß die Vorrichtung 10 nicht in der Lage ist, die neurale Aktivität auf das gewünschte Niveau zu reduzieren.
Wenn die Stimulationselektroden andererseits an einer Stelle plaziert ist, die der Arzt zu aktivieren wünscht, um das Hemmen des Subthalamuskerns zu verstärken, würde der Algorithmus einem anderen Ereignisablauf folgen. In der bevorzugten Ausführungsform wäre der Frequenzparameter auf einen vom Arzt zur Förderung der neuronalen Aktivität im Schritt 430 (7) über den Pfad 420A gewählten Wert festgelegt. In den Schritten 431 und 432 verwendet der Algorithmus die Werte des Rückkopplungssensors 130, um zu bestimmen, ob die neuronale Aktivität angemessen gesteuert wird. In diesem Fall gibt eine nicht angemessene bzw. inadäquate Steuerung an, daß die neuronale Aktivität des Stimulationsziels zu niedrig ist. Die neuronale Aktivität wird erhöht, indem zuerst die Stimulationsamplitude erhöht wird (Schritt 434), unter der Voraussetzung, daß sie den Maximalwert nicht überschreitet, was im Schritt 433 geprüft wird. Wenn die maximale Amplitude erreicht worden ist, erhöht der Algorithmus in den Schritten 435 und 436 (8) die Impulsbreite auf ihren Maximalwert. Ein Ausbleiben einer angemessenen Reduktion der neuronalen Aktivität in dem Subthalamuskern, selbst dann, wenn maximale Parameter verwendet worden sind, wird dem Arzt im Schritt 437 angegeben. Nach den Schritten 434, 436 und 437 kehrt der Algorithmus über den Pfad 431A zum Schritt 431 zurück und wird wieder der Rückkopplungssensor abgelesen.
Die Parameterwerte sollten auf den zum Herstellen des geeigneten Niveaus neuronaler Aktivität in dem Subthalamuskern erforderlichen Mindestpegel reduziert werden. Dem soeben beschriebenen Algorithmus ist ein Zusatzalgorithmus für das tiefstmögliche Neueinstellen sämtlicher Parameterpegel übergeordnet. In 4 bilden die Schritte 410 bis 415 das dazu notwendige Verfahren. Wenn die Parameter verändert worden sind, wird im Schritt 415 ein Zeitgeber zurückgesetzt. Wenn keine Notwendigkeit besteht, Stimulationsparameter zu verändern, bevor der Zeitgeber abgelaufen ist, kann es infolge der Veränderung der neuronalen Aktivität möglich sein, die Parameterwerte zu verkleinern und dennoch die geeigneten Niveaus neuronaler Aktivität unter den Zielneuronen aufrechtzuerhalten. Am Ende des programmierten Zeitintervalls versucht die Vorrichtung 10 im Schritt 413 einen Parameter zu verkleinern, um zu bestimmen, ob die Steuerung aufrechterhalten ist. Wenn dem so ist, werden die verschiedenen Parameterwerte soweit heruntergestuft, bis die Sensorwerte wieder eine Notwendigkeit, diese zu erhöhen, angegeben. Obwohl der Algorithmus in 4 der angegebenen Parameterauswahlreihenfolge folgt, können vom Arzt andere Abläufe programmiert werden.
Die vorliegende Erfindung kann ausgeführt werden, indem Impulse an die Zuleitung 22A geschickt werden, die Amplituden von 0,1 bis 20 Volt, Impulsbreiten, die zwischen 0,02 und 1,5 Millisekunden liegen, und Wiederholungsraten, die zwischen 2 und 2500 Hz liegen, besitzen. Die geeigneten Stimulationsimpulse werden durch die Vorrichtung 10 auf der Grundlage des in den 4–8 gezeigten Computeralgorithmus, der die Ausgangsgröße des Umsetzers 218 liest und die geeignete Analyse trifft, erzeugt.
Bei manchen Typen von Bewegungsstörungen ist kein Mikroprozessor und kein Analog-Digital-Umsetzer erforderlich. Das Ausgangssignal des Sensors 130 kann durch ein geeignetes elektronisches Filter gefiltert werden, um ein Steuersignal für die Vorrichtung 10 zu liefern.
Der durch die Vorrichtung 10 gesteuerte Typ von Stimulation an das Gehirn hängt von der spezifischen Stelle, an der die Elektroden 115 der Zuleitung 22A chirurgisch eingepflanzt sind, ab. Die geeignete Stimulation für den Abschnitt der basalen Ganglien oder des Thalamus, in dem die Zuleitung 22A endet, gemeinsam mit der Wirkung der Stimulation auf jenen Teil des Gehirns bei hyperkinetischen Bewegungsstörungen ist in der folgenden Tabelle I angegeben: TABELLE I
Die geeignete Stimulation zur Verwendung in Verbindung mit dem Abschnitt der basalen Ganglien oder des Thalamus, in dem die Zuleitung 22A endet, gemeinsam mit der Wirkung der Stimulation auf jenen Abschnitt des Gehirns für hypokinetische Bewegungsstörungen ist in der folgenden Tabelle II angeführt: TABELLE II
In den vorangehenden Tabellen I und II bedeutet VL Thalamus ventrolateraler Thalamus; GPi bedeutet inneres Segment des Globus Pallidum; SNr bedeutet substantia nigra pars reticulata, STN bedeutet Subthalamuskern; und GPe bedeutet externes Segment des Globus Pallidum; LT bedeutet Lenticulus-Thalamus-Faserweg und AL bedeutet ansa lenticularis. Typische stereotaktische Koordinaten für die in den Tabellen I und II beschriebenen Abschnitte eines normalen Gehirns sind in der folgenden Tabelle III identifiziert: TABELLE III
In der vorangehenden Tabelle: sind die medial-lateralen Dimensionen auf die Mittellinie des Gehirns bezogen; die anterior-posterioren Dimensionen sind auf den Mittelpunkt zwischen den anterioren Nervensträngen und den posterioren Nervensträngen bezogen, wobei die posteriore Richtung negativ angegeben ist; die dorsal-ventralen Dimensionen sind auf eine Linie bezogen, die die Mittelpunkte der anterioren und der posterioren Nervenstränge verbindet, wobei negativ ventral zur Linie ist; sämtliche Dimensionen sind in Zentimetern angegeben.
Der Mikroprozessor 200 in der Vorrichtung 10 kann so programmiert werden, daß die gewünschte Stimulation an die in den Tabellen I und II beschriebenen spezifischen Gehirnsstellen geliefert werden kann. Alternativ kann der Sensor 130 mit einem Closed-Loop-Rückkopplungssystem verwendet werden, um den Typ der Stimulation zu bestimmen, der zur Beseitigung der Symptome einer motorischen Störung, wie sie im Zusammenhang mit den 4 und 5 beschrieben worden sind, erforderlich ist. Durch Anwendung der obigen Techniken können motorische Störungen mit einem zuvor nicht erreichbaren Grad an Genauigkeit gesteuert werden.
Der Fachmann erkennt, daß die bevorzugten Ausführungsformen verändert und ergänzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie in den begleitenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

System zum Behandeln einer Bewegungsstörung, die zu einem anomalen motorischen Verhalten führt, wobei das System in Kombination aufweist: einen implantierbaren Signalgenerator (10); eine oder mehrere implantierbare Elektroden (115), die mit dem Signalgenerator gekoppelt sind und eine oder mehrere vorgegebene Stellen in einem Gehirn stimulieren können; einen Sensor (130), der ein mit dem anomalen motorischen Verhalten in Beziehung stehendes Signal erzeugt, gekennzeichnet durch Steuer- bzw. Regelmittel (200), die in Reaktion auf das Sensorsignal die Stimulation steuern, wobei der Sensor (130) ein Signal erzeugen kann, das durch Vergleich den Betrag der Zunahme oder Abnahme des Ausmaßes des anomalen motorischen Verhaltens angibt; und wobei die Steuermittel mit dem Sensor verbunden sind und in Reaktion auf das Signal eine Regelung der Stimulation in der Weise bereitstellen, dass die Stimulation in Reaktion auf eine Zunahme des Ausmaßes des anomalen motorischen Verhaltens erhöht wird und in Reaktion auf eine Abnahme des Ausmaßes des anomalen motorischen Verhaltens erniedrigt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem die Elektroden (115) eine oder mehrere vorgegebene Stellen in einem Gehirn stimulieren können, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Pallidum-Thalamus-Neuraxonen (AL) dem Lenticulus-Thalamus-Faserweg (LT), dem Substantia Nigra Pars Reticulata (SNr), dem externen Segment des Globus Pallidum (GPe), den Subthalamus-Pallidum-Fasertrakten, dem Putamen und den vom Putamen zum GPe verlaufenden Fasern.
System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor einen Bewegungsdetektor aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor Mittel aufweist, die Potenzialänderungen oder elektromagnetische Wellen, die von Muskeln oder Nervengewebe erzeugt werden, erfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuermittel einen Mikroprozessor (200) aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steuermittel ein elektrisches Filter umfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bewegungsstörung eine hyperkinetische Störung oder eine hypokinetische Störung ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor (130) mit den Steuermitteln (200) über eine telemetrische Abwärtsstrecke kommuniziert.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der implantierbare Signalgenerator (10) Stimulationsimpulse mit einer Wiederholungsrate von 2 bis 2500 Hz erzeugt.