NL9301064A - Implanteerbare neurostimulator. - Google Patents

Description

Implanteerbare neurostimulator.

Ing. J.H.L. Hogen Esch

De uitvinding heeft betrekking op een implanteerbare neurostimulator voor het in vivo stimuleren van zenuwbanen. Deze neurostimulator kan worden toegepast voor therapeutische doeleinden, bijvoorbeeld bij het bestrijden van pijn.

Ook is een combinatie van stimulator en sensor mogelijk. Bij de bekende traditionele neurostimulatoren, bijvoorbeeld voor pijnbestrijding via ruggemerg stimulatie, wordt een stimulator geïmplanteerd, voorzien van batterij, met hieraan verbonden één of meerdere, eventueel gecombineerde, stimulatieëlectroden. De instelling van de diverse parameters voor de stimulatie geschiedt hierbij, via een inductieve koppeling, door een extern regelapparaatje.

Het nadeel van deze systemen is, dat de stimulatoren tamelijk groot zijn, waardoor zij niet op alle gewenste locaties kunnen worden toegepast en dat de ingebouwde batterij een beperkte levensduur van bijvoorbeeld enkele jaren heeft.

Ook zijn deze geïmplanteerde stimulatoren tamelijk kostbaar, waardoor hun toepassingsmogelijkheden eveneens worden beperkt. Bij een tweede bekende uitvoeringsvorm, zoals bijvoorbeeld volgens het USA patent nummer 5,002,053 van Garcia-Rill, Skinner en Atsuta vindt wel een contactloze overdracht van de signalen plaats, maar hierbij wordt de energieoverdracht en daarmee de stimulatiespanning en de signaalvorm volledig bepaald door de kwaliteit van de contactloze koppeling. Tevens is hierbij geen terugkoppeling mogelijk.

De onderhavige uitvinding, die in het vervolg aan de hand van enkele figuren zal worden beschreven, beoogt voor deze problematiek een oplossing te bieden.

Figuur 1 toont schematisch en vergroot een voorbeeld van een implanteerbare neurostimulator volgens de uitvinding;

Figuur 2 toont een voorbeeld van een electrisch blokschema van een neurostimulator volgens de uitvinding.

Kenmerkend voor de neurostimulator volgens de uitvinding is, dat zowel de voeding, als het stimulatieritme via een regelschakeling extern wordt geregeld. Op deze wijze kan een zeer compacte stimulator worden gerealiseerd, die vanaf enige afstand aangestuurd kan worden.

De implanteerbare stimulator volgens de uitvinding kan behalve alleen de stimulatiefunktie nog worden uitgebreid met een voorziening om bijvoorbeeld de stroom die loopt tijdens de stimulatie te meten alsmede eventueel de eigen aktiviteit in de vorm van spanningsimpulsen, indien niet actief gestimuleerd wordt. Ook kunnen gelijktijdig meerdere stimulatoren worden aangestuurd door de instrukties voor deze stimulatoren vergezeld te doen gaan van een identificatiecode, zodat alléén de aangesproken stimulator reageert op de gegeven stimulatie-instrukties.

Figuur 2 toont schematisch een electronisch circuit (1) voor een neurostimulator volgens de uitvinding. Het electronisch circuit omvat een ingangskring (2) met een al dan niet met behulp van een condensator afgestemde spoel (3). De spoel (3) kan van een ferrietkern (4) zijn voorzien en vormt tevens een antenne. De ingangskring (2) is verbonden met een gelijkrichtschakeling (5), die een bij voorkeur gestabiliseerde voedingsspanning vormt, uitgaande van de in de ingangskring in bedrijf door een wisselend electromagnetisch veld geïnduceerde spanning. De voedingsspanning wordt toegevoerd aan de diverse actieve componenten van het stimulatorcircuit (1).

Voorts wordt uitgaande van de voedingsspanning, de in bedrijf benodigde stimulatie-spanning gevormd, door een schakeling (6), bestaande uit een geheugen, dat digitale informatie kan bevatten, met daaraan gekoppeld een digitaal naar analoog omzetter om op deze wijze een variabele stimulatiespanning te kunnen genereren en een schakelorgaan om deze spanning in en uit te schakelen en aan de electrode aan te bieden, afhankelijk van de gewenste pulsduur. Het stimulatiecircuit kan voorts een klokpulsgenerator (13) omvatten, die klokpulsen voor de besturing van de digitale circuits kan verschaffen.

Het is in beginsel ook mogelijk om de toppen van de in de ontvangkring geïnduceerde wisselspanning als kloksignalen te gebruiken. Indien het stimulatorcircuit van een identificatiecode is voorzien, is deze opgeslagen in een geheugen (7). Het geheugen kan eveneens langs electromagnetische weg draadloos programmeerbaar zijn, door dit geheugen bijvoorbeeld uit te voeren met EEPROM-cellen, die elektrisch programmeerbaar zijn en hun geheugeninhoud ook bewaren indien de voedingsspanning wordt verbroken. Hiervoor is tussen de ontvangkring en het geheugen een demodulator (12) aangebracht, die tevens dient om de instructies, zoals het gewenste spanningsniveau en de pulsduur aan schakeling (6) aan te bieden. Ook is een analoog naar digitaal omzetter (8) getoond, die de door de stimulatieëlectrode (9) verschafte signalen ontvangt en omzet in binaire signalen, die in het geheugen (7) of een deel daarvan kunnen worden opgeslagen. Ook kan op dezelfde wijze de stroom tijdens een stimulatie worden gemeten. De uitgangssignalen van het geheugen worden in bedrijf toegevoerd aan een modulatieorgaan (11), dat bijvoorbeeld een schakelorgaan kan zijn, dat de electrische eigenschappen van de ontvangkring en daardoor de energie-absorptie van de ontvangkring kan moduleren.

Het beschreven stimulatorcircuit is een passief circuit, hetgeen betekent, dat de benodigde voedingsenergie aan het cndervragingsveld wordt onttrokken, waarmee tevens de levensduur van de stimulator niet begrensd is. Het is echter ook mogelijk in de capsule een extra batterij of een buffer condensator (14) aan te brengen, zodat continue energie kan worden overgedragen voor de relatief kortstondige stimulatiepulsen.

De neurostimulator kan geactiveerd worden door een, bij voorkeur draagbaar uitgevoerde, zend/ontvanger in de nabijheid van de geïmplanteerde neurostimulator te brengen en een electromagnetisch veld op te wekken met een voor de desbetreffende neurostimulator geschikte frequentie.

De stimulatie-electroden (9) en (10) kunnen rechtreeks aan de implanteerbare neurostimulator worden bevestigd, of eventueel via korte flexibele geïsoleerde draden hiermee zijn verbonden. Uiteraard kunnen ook meerdere electroden per stimulator worden toegepast, hetgeen in figuur 2 via stippellijnen schematisch is aangegeven.

Om afstotingsreacties tegen te gaan, kan de implanteerbare neurostimulator zijn voorzien van een biocompatibele coating. De stimulatiepulsen worden bij de neurostimulator volgens de uitvinding geïnitieerd door de externe zender/ontvanger, die tezamen met enkele bedieningsorganen zijn samengebouwd in het externe regelapparaat. Het initiëren van deze pulsen gebeurt door het geven van gecodeerde instrukties aan de geïmplanteerde neurostimulator, waarbij tevens een aantal, doch tenminste twee parameters worden meegezonden, die worden verwerkt in schakeling (6).

De eerste parameter die met de stimulatieinstruktie wordt meegezonden is de amplitude waarmee gestimuleerd wordt.

De amplitude moet door het geïmplanteerde circuit worden bepaald, omdat de sterkte van het, door de neurostimulator van de zender/ontvanger, ontvangen radio-frequente signaal uitermate afhankelijk is van condities zoals afstand en antenneposities.

De tweede parameter die minimaal wordt meegezonden is de tijdsduur van de stimulatiepuls. Om te kunnen volstaan met een gering z endervermogen, wordt bij voorkeur een smalbandig, met behulp van een condensator, afgestemd ontvangercircuit toegepast, zodat het niet mogelijk is nauwkeurig snelle signaalwisselingen via instrukties over te dragen.

Optioneel kunnen eventueel nog meer parameters worden toegepast, zoals bijvoorbeeld golfvorm en polariteit van de electroden. Ook kan als parameter een identificatiecode worden meegezonden, waardoor alléén de neurostimulator met een overeenkomende identificatiecode de gegeven instruktie zal uitvoeren. Hiermee wordt tevens bereikt, dat de geïmplanteerde neurostimulatoren niet reageren op stoorsignalen afkomstig van andere bronnen.

Aangezien het ook mogelijk is om informatie over te zenden van de geïmplanteerde neurostimulator naar de zender/ontvanger, kan de funktie van de stimulator worden uitgebreid met een mogelijkheid om de stroom te meten tijdens het geven van stimulatiepulsen. Ook zou de normale, niet gestimuleerde aktiviteit van de zenuwbaan kunnen worden bepaald door de spanning te meten over de stimulatieëlectroden.

De stroomsterkte of de spanning wordt hierbij door de A/D-converter (8) omgezet in een digitaal signaal, dat al dan niet samen met een binaire code wordt gebruikt om de energie-absorptie van de ontvangkring te moduleren. Deze modulatie wordt door de zender/ontvanger gedetecteerd en omgezet in een meetwaarde.

Opgemerkt wordt, dat na het voorgaande diverse modificaties voor de deskundige voor de hand liggen. Zo zijn diverse uitvoeringsvormen van de neurostimulator mogelijk.

Dergelijke modificaties worden geacht binnen het kader van de uitvinding te vallen.

Claims (8)

1. Implanteerbare neurostimulator, met bijbehorend extern regelapparaat, voor het in vivo stimuleren van zenuwbanen, in het menselijk of dierlijk lichaam, gekenmerkt door een geminiaturiseerde electronische stimulator, die in een electromagnetisch veld contactloos gecodeerde informatie kan ontvangen van het regelapparaat, dat als zender fungeert, welke stimulator in een gesloten huis van biocompatibel materiaal, of voorzien van een biocompatibele coating, is geplaatst, voorzien van tenminste twee, door de wand van het huis gevoerde electrische verbindingen, die buiten het huis electroden vormen, waarbij de energievoorziening van de stimulator plaats vindt via de contactloze electromagnetische koppeling met de zender en waarbij de stimulatiepulsen worden geïnitieerd door een gecodeerde instruktie, die vanuit de zender contactloos naar de stimulator worden overgezonden en waarbij de amplitude van de stimulatiepuls wordt bepaald door informatie, die vooraf of tegelijkertijd met de instructie contactloos vanuit de zender naar de stimulator wordt overgezonden.

2. Implanteerbare neurostimulator volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de pulsduur van de stimulatiepulsen van deze neurostimulator eveneens wordt bepaald door informatie, die vooraf of tegelijkertijd met de stimulatie instruktie contactloos vanuit de zender naar de stimulator wordt overgezonden en daarmee niet afhankelijk is van de snelheid van communicatie tussen de zender en de neurostimulator.

3. Implanteerbare neurostimulator volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat meerdere stimulatoren via één externe zender aangestuurd kunnen worden, door vanuit de zender tezamen met de gecodeerde instruktie voor het geven van de stimulatiepuls, of tezamen met informatie bestemd voor het bepalen van andere parameters, ook informatie kan worden meegezonden over de identiteit van de neurostimulator waarvoor deze instruktie of informatie bestemd is, zodat na vergelijking van de identiteit, alléén de neurostimulator met overeenkomende identiteit de betreffende stimulatieinstruktie kan uitvoeren of de betreffende informatie kan ontvangen.

4. Implanteerbare neurostimulator volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tijdelijke accumulatie van energie wordt verkregen door het toepassen van een condensator, zodat de energie benodigd voor de relatief kortstondige stimulatieimpulsen ook gedurende de tijd, dat geen stimulatieimpulsen worden afgegeven kan worden overgedragen.

5. Implanteerbare neurostimulator volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de externe zender eveneens voorzien is van een ontvanginrichting, zodat tevens informatie vanuit een geheugen in de geïmplanteerde neurostimulator, zoals bijvoorbeeld de identiteit van de neurostimulator of een terugmelding van een ontvangen instruktie of ontvangen informatie, naar deze ontvanginrichting kan worden overgedragen.

6. Implanteerbare neurostimulator volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat behalve informatie ook meetwaarden afkomstig van de stimulatieëlectroden, zoals bijvoorbeeld spanning en stroom, die via een analoog naar digitaal omzetter worden vertaald naar getalswaarden en zodoende naar de ontvanger kunnen worden overgezonden.

7. Implanteerbare neurostimulator volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat behalve 10 parameters voor de spanning van de stimulatiepuls en eventueel de duur van de stimulatiepuls ook een parameter wordt overgezonden, die de golfvorm van de stimulatiepuls bepaald, door te kiezen uit meerdere vooraf vastgelegde golfvormen.

8. Implanteerbare neurostimulator volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat behalve parameters voor de spanning van de stimulatiepuls en eventueel de duur van de stimulatiepuls ook een parameter wordt overgezonden, die de polariteit van de electroden ten opzichte van elkaar bepaald.