SK286262B6

SK286262B6 - Zariadenie na stimuláciu svalového tkaniva dvojfázovými pulzmi

Info

Publication number: SK286262B6
Application number: SK1790-2000A
Authority: SK
Inventors: Morton M. Mower
Original assignee: Morton M. Mower
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2008-06-06
Also published as: CN1309575A; US6141587A; ID27941A; EP1079892B1; NO20005958D0; IL139917A; EA004166B1; EP1079892A1; PL344394A1; EA200001226A1; JP2002516161A; HUP0102736A3; BR9910731A; KR100433089B1; AU749212B2; NO20005958L; AU4095299A; CN1217718C; PL193803B1; CA2333360A1

Abstract

Prvá stimulačná fáza (102, 202, 302, 402, 502) mápolaritu, amplitúdu a dobu trvania prvej fázy. Prvou stimulačnou fázou, ktorá má účinok upravujúci stav, sa pôsobí vždy nie s väčšou ako maximálnou podprahovou amplitúdou. Druhá stimulačná fáza (108,208, 308, 408, 510) má druhú polaritu, amplitúdu a dobu trvania. Obe fázy sa aplikujú bezprostrednepo sebe. Na rozdiel od doterajšej praxe sa v prvej fáze najprv pôsobí anodickou stimuláciou, po ktorej nasleduje druhá fáza stimulácie katodickej. Tým sa dosiahne zlepšené vedenie pulzu svalom sprevádzané zvýšením kontraktility. Zariadenie možno použiť na stimuláciu kostrových (priečne pruhovaných)svalov, srdcového svalu aj svalov hladkých.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka zariadenia na stimuláciu svalového tkaniva, a zvlášť sa týka zariadenia na stimuláciu svalového tkaniva dvojfázovými stimulačnými impulzmi, ktoré vedú ku zníženiu množstva elektrickej energie potrebnej na vyvolanie kontrakcie.

Doterajší stav techniky

Činnosť kardiovaskulárneho systému je životne dôležitá. Cirkuláciou krvi získavajú telesné tkanivá živiny a kyslík a zbavujú sa odpadových látok. Pokiaľ sa cirkulácia zastaví, začínajú v bunkách nezvratné zmeny, ktoré vedú až k smrti. Hnacou silou cirkulácie krvi je svalová kontrakcia srdca.

Svalové vlákna sú v srdcovom svale prepojené do rozvetvených sietí, ktoré srdcom prechádzajú vo všetkých smeroch. Keď sa jedna časť tejto siete stimuluje, šíri sa z miesta stimulácie do všetkých ostatných častí depolarizačná vlna, a celá štruktúra sa sťahuje ako celok. Predtým, ako je možné svalové vlákna na kontrakciu stimulovať, musí sa ich membrána polarizovať. Svalové vlákna zostávajú vo všeobecnosti polarizované až do stimulácie, ktorou môže byť nejaká zmena v ich prostredí. Membrána sa môže stimulovať elektricky, chemicky, mechanicky alebo zmenou teploty. Najmenší účinok stimulácie potrebný na vyvolanie kontrakcie je známy ako prahový podnet. Maximálna stimulačná amplitúda, akou je možné pôsobiť bez vyvolania stimulácie, sa potom nazýva maximálna podprahová amplitúda.

V prípade, že sa membrána stimuluje elektricky, závisí amplitúda impulzu potrebného na vyvolanie reakcie od niekoľkých faktorov. Prvým faktorom je čas trvania prechodu prúdu. Pretože celkový odovzdaný náboj sa rovná súčinu amplitúdy prúdu a doby trvania pulzu, predĺženie doby trvania podnetu je sprevádzané zmenšením prahovej amplitúdy prúdu. Po druhé, percento aplikovaného prúdu, ktorý skutočne prejde na membránu, sa mení nepriamo úmerne veľkosti elektródy. Po tretie, percento aplikovaného prúdu, ktorý skutočne prejde na membránu, sa mení priamo úmerne vzdialenosti elektródy od tkaniva. A nakoniec po štvrté, amplitúda impulzu potrebného na vyvolanie reakcie závisí od načasovania stimulácie vzhľadom na cyklus vzrušivosti.

Prevažnou časťou srdca prechádzajú zhluky a pletence špecializovaného tkaniva. Toto tkanivo tvorí srdcový systém šírenia impulzov a slúži na inicializáciu a distribúciu depolarizačných vín po celom myokarde. Interferencia alebo blokáda vo vedení srdcových impulzov môže spôsobiť arytmiu alebo znateľnú zmenu v pulzovej frekvencii alebo srdcovom rytme.

Niekedy sa dá pacientovi, ktorý trpí poruchami vodivosti, pomôcť umelým kardiostimulátorom. Také zariadenie obsahuje elektrický stimulátor napájaný malou batériou. Pri inštalácii umelého kardiostimulátora sa obvykle elektródy zavedú žilami do pravej komory, prípadne do pravej predsiene a pravej komory, a stimulátor sa uloží pod kožu na ramene alebo na bruchu. Vodiče sa umiestnia do tesného kontaktu so srdcovým tkanivom. Kardiostimulátor potom k srdcu vysiela rytmické elektrické impulzy a myokardium odpovedá rytmickými sťahmi. Implantovateľné zariadenia na stimuláciu srdca sú odborníkom dobre známe a v humánnej medicíne sa používajú zhruba od polovice šesťdesiatych rokov.

Na stimuláciu myokardu možno použiť tak katodický, ako aj anodický prúd. Anodický prúd je však na klinické použitie považovaný za nevhodný. Katodický prúd tvorí elektrické pulzy zápornej polarity. Tento typ prúdu depolarizuje bunkovú membránu vybitím kondenzátora membrány a priamo znižuje potenciál membrány smerom k prahovej hodnote. Katodický prúd má pri znižovaní potenciálu pokojovej membrány k prahovej hodnote v neskorej diastole o jednu polovicu až o jednu tretinu nižší prahový prúd, než je anodický. Anodický prúd tvorí elektrické pulzy kladnej polarity. Účinkom anodického prúdu je hyperpolarizácia pokojovej membrány. Pri náhlom skončení anodického pulzu sa potenciál membrány vracia k pokojovej hodnote, zotrvačnosťou prekročí prah a dôjde k šíreniu depolarizačnej vlny. Použitie anodického prúdu na stimuláciu myokardu sa všeobecne kvôli vyššiemu stimulačnému prahu, ktorý vedie k použitiu väčších prúdov, rýchlejšiemu vybíjaniu batérie implantovaného zariadenia a následne k skráteniu jej životnosti, neodporúča. Navyše existuje podozrenie, že použitie anodického prúdu na stimuláciu myokardu môže, najmä pri vyšších napätiach, prispievať k arytmogenéze.

Takmer všetky umelé kardiostimulátory pracujú so stimulačnými pulzmi zápornej polarity, v prípade bipolámych systémov je katóda bližšie myokardu než anóda. Tam, kde sa použitie anodického prúdu pripúšťa, ide obvykle o náboj zanedbateľnej veľkosti slúžiaci len na rozptýlenie zvyškového náboja na elektróde. Takýto anodický prúd neovplyvňuje samotné myokardium. Podrobnosti možno nájsť v U. S. patente č. 4 543 956 (Herscovici).

Trojfázová vlna bola opísaná Whighamom a kol. v U. S. patentoch č. 4 903 700 a 4 821 724, a Calsom a kol. v U. S. patente č. 4 343 312. Prvá a tretia fáza nemajú nič spoločné s vlastným myokardom, ale slúžia iba na ovplyvnenie povrchu elektródy. Teda, náboj privádzaný v týchto fázach má veľmi malú amplitúdu.

SK 286262 Β6

Nakoniec, dvojfázovú stimuláciu opisuje Duggan v U. S. patente č. 4 402 322. Podstatou tohto vynálezu je zdvojenie napätia bez toho, aby bol potrebný veľký kondenzátor vo výstupnom obvode. Obe fázy dvojfázovej stimulácie majú rovnakú veľkosť a čas trvania.

Je žiaduce vynájsť zlepšený prostriedok na stimuláciu svalového tkaniva, ktorý bude vyvolávať zlepšenú kontrakciu pri obmedzení poškodenia tkaniva, s ktorým elektróda susedí.

Zlepšená činnosť myokardu sa dosiahne dvojfázovou stimuláciou podľa vynálezu. Kombinácia katodických a anodických pulzov buď stimulujúcej alebo stav upravujúcej povahy si zachováva zlepšenú vodivosť a kontraktilitu anodickej stimulácie a zároveň odstraňuje nevýhodu zvýšenia stimulačného prahu. Výsledkom je depolarizačná vlna so zvýšenou rýchlosťou Šírenia. Zvýšenie rýchlosti šírenia depolarizačnej vlny má za následok lepšiu kontrakciu srdca, ktorá vedie k zlepšeniu krvného obehu. Zlepšenie stimulácie na nízkych napäťových úrovniach vedie tiež ku zníženiu spotreby energie a následnému predĺženiu životnosti zdrojov kardiostimulátora.

Rovnako ako srdcový sval je možné elektricky, chemicky, mechanicky alebo zmenou teploty stimulovať priečne pruhované svalstvo. Tam, kde sa svalové vlákno stimuluje motorickým neurónom, vyšle neurón impulz, ktorý aktivuje všetky svalové vlákna vo svojom dosahu, t. j. svalové vlákna vo svojej motorickej jednotke. Depolarizácia v jednej oblasti membrány stimuluje k depolarizácii aj oblasti priľahlé, takže od miesta stimulácie sa po membráne šíri do všetkých smerov depolarizačná vlna. Teda, keď motorický neurón vyšle impulz, sú všetky vlákna v jeho motorickej jednotke stimulované na to, aby sa stiahli zároveň.

Najmenšia sila, ktorá vyvolá kontrakciu, sa nazýva prahový podnet. Všeobecne sa usudzuje, že zvýšenie úrovne podnetu nad prahovú hodnotu kontrakciu nijako nezvýši. Ďalej, pretože svalové vlákna sú v rámci každého svalu organizované do motorických jednotiek a každá motorická jednotka je riadená jediným motorickým neurónom, stimulujú sa všetky svaly v motorickej jednotke zároveň. Ale, sval ako celok je riadený mnohými rôznymi motorickými jednotkami, ktoré reagujú na rôzne stimulačné prahy. Inými slovami, ak pôsobí na sval daný podnet, môžu niektoré motorické jednotky reagovať a iné nemusia.

Kombinácia katodických a anodických pulzov podľa vynálezu slúži tiež na zaistenie zlepšenej svalovej kontrakcie v prípadoch, keď je elektrická svalová stimulácia predpísaná kvôli nervovému alebo svalovému poškodeniu. Ak dôjde k poškodeniu nervových vlákien poranením alebo ochorením, majú svalové vlákna v oblasti príslušnej k poškodenému nervovému vláknu sklon atrofovať a zanikať. Sval, ktorý nemôže byť namáhaný, sa môže zmenšiť na polovicu obvyklej veľkosti za niekoľko málo mesiacov. Tam, kde nie je stimulácia, sa svalové vlákna nielen zmenšujú, ale aj rozpadajú a degenerujú a sú nahradzované spojivovým tkanivom. Pomocou elektrickej stimulácie je možné udržovať tonus svalu, takže po uzdravení alebo regenerácii nervového vlákna je príslušné svalové tkanivo zachované a celkový proces regenerácie prebieha rýchlejšie a ľahšie.

Stimulácia priečne pruhovaného svalu môže slúžiť aj na zachovanie neurónovej cesty, takže po uzdravení nervových vlákien príslušných k stimulovanému tkanivu si pacient „pamätá“, ako daný sval sťahovať. Zlepšená kontrakcia priečne pruhovaného svalu sa dosiahne dvojfázovou stimuláciou podľa vynálezu. Kombinácia katodických a anodických pulzov buď stimulujúcej alebo stav upravujúcej povahy vedie ku kontrakcii väčšieho počtu motorických jednotiek pri nižšej úrovni napätia a teda k lepšej reakcii svalu.

Nakoniec, dvojfázovú stimuláciu podľa vynálezu je možné použiť i na stimuláciu hladkého svalového tkaniva, napríklad svalov zodpovedných za pohyb, ktorým sa posunuje potrava tráviacou trubicou, zužujú sa krvné cievy alebo vyprázdňuje močový mechúr. Vhodná stimulácia môže napríklad napraviť ťažkosti spojené s inkontinenciou.

Dokument US 3 946 745 sa týka zariadenia na generovanie kladného a záporného elektrického pulzu na aplikáciu na živé telo na terapeutické účely. Tento dokument neopisuje zariadenie, ktoré je vhodné na stimuláciu svalového tkaniva, ako je to v predkladanom vynáleze, s vopred určenou výstupnou amplitúdou „prvej fázy“. Toto zariadenie je iba signálnym zdrojom, ktorý pôsobí na telo iba topicky použitím elektrických svoriek, akupunktúrnych ihiel, kovových diskov a pod. Stimulácia znecitlivenia svalov tu nie je opísaná.

Dokument WO 93/01861 opisuje zariadenie na stimuláciu srdca sériou pulzov cez kožu, ktoré sú vytvorené tak, aby zredukovali stimuláciu svalov a nervov. Dokument sa netýka dvojfázovej stimulácie, ako je to v predloženom vynáleze, a neuvádza maximálne napätie pre pulzy. Kladné pulzy majú aspoň takú veľkosť ako negatívne pulzy a v niektorých prípadoch väčšiu.

Táto patentová prihláška vychádza a je sčasti pokračovaním U. S. patentovej prihlášky nazvanej „Zvýšenie elektrickej vodivosti a kontraktility dvojfázovou srdcovou stimuláciou vykonávanou cez srdcovú krvnú náplň“, seriálového čísla 09/008,636, podanej 16. januára 1998, ktorá vychádza a je sčasti pokračovaním U. S. patentovej prihlášky nazvanej „Zvýšenie elektrickej vodivosti a kontraktility dvojfázovou srdcovou stimuláciou“, seriálové číslo 08/699 552, podanej 8. augusta 1996.

Podstata vynálezu

Cieľom vynálezu je zaistiť zlepšenú elektrickú stimuláciu svalového tkaniva.

Ďalším cieľom vynálezu je predĺžiť životnosť batérie implantovateľného elektrického stimulačného zariadenia.

Ďalším cieľom vynálezu je zaistiť účinnú svalovú stimuláciu pri nižších napäťových úrovniach.

Ďalším cieľom vynálezu je zaistiť zlepšenú stimuláciu svalového tkaniva, zvlášť priečne pruhovaného svalstva.

Ďalším cieľom vynálezu je zaistiť kontrakciu väčšieho počtu svalových motorických jednotiek pri nižších napäťových úrovniach.

Ďalším cieľom vynálezu je zaistiť kontrakciu väčšieho počtu svalových motorických jednotiek pri nižších úrovniach elektrického prúdu.

Zariadenie na svalovú stimuláciu podľa vynálezu poskytuje aplikáciu dvojfázovej stimulácie na svalové tkanivo, kde stimulačný podnet sa skladá z tak katodických, ako aj anodických pulzov.

Podľa vynálezu sa stimuláciou pôsobí na svalové tkanivo na vyvolanie svalovej reakcie. Stimulácia môže byť buď priama alebo nepriama, nepriamou stimuláciou sa rozumie napríklad stimulácia cez kožu. Pri stimulácii podľa vynálezu stačí v porovnaní s doterajšími konvenčnými stimulačnými metódami na dosiahnutie stimulačného prahu nižšie množstvo elektrickej energie (napätia a/alebo prúdu). Svalové tkanivo, ktoré je možné stimulovať podľa vynálezu, môže byť kostrový (priečne pruhovaný) sval, srdcový sval alebo hladký sval.

Elektronika implantovateľných stimulačných zariadení potrebná na realizáciu spôsobu podľa vynálezu je odborníkom dobre známa. Elektronické obvody existujúcich implantovateľných stimulačných zariadení je možné naprogramovať tak, aby dávali rôzne usporiadania pulzov vrátane tých, ktoré sú opísané v tejto prihláške. Taktiež elektronika na nepriamu stimuláciu svalov je odborníkom známa a na uskutočňovanie spôsobu podľa vynálezu ju je možné ľahko upraviť.

V prvom aspekte sa vynález týka zariadenia na stimuláciu svalového tkaniva dvojfázovými pulzmi, ktoré zahŕňa elektronické obvody generátora pulzov, upravené na generovanie dvojfázových pulzov, kde pulz je definovaný prvou stimulačnou fázou a druhou stimulačnou fázou, pričom prvá stimulačná fáza má polaritu prvej stimulačnej fázy, amplitúdu prvej stimulačnej fázy, tvar prvej stimulačnej fázy a čas trvania prvej stimulačnej fázy na prípravu svalového tkaniva na prijatie následnej stimulácie a kde druhá stimulačná fáza má polaritu opačnú, ako je polarita prvej stimulačnej fázy, má amplitúdu druhej stimulačnej fázy v absolútnej hodnote väčšiu, než je amplitúda prvej stimulačnej fázy, tvar druhej stimulačnej fázy a čas trvania druhej stimulačnej fázy; a ďalej zahŕňa vodiče spojené s elektronickými obvodmi generátora pulzov, upravené na zavedenie prvej stimulačnej fázy a druhej stimulačnej fázy do svalového tkaniva za sebou, pričom svalové tkanivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z priečne pruhovaných svalov, hladkých svalov a zmiešaných svalov, pričom polarita prvej stimulačnej fázy je kladná, amplitúda prvej stimulačnej fázy sa rovná alebo menšia než maximálna podprahová hodnota amplitúdy a maximálna podprahová hodnota amplitúdy je menšia než 3,5 V.

V druhom aspekte sa vynález týka zariadenia na stimuláciu svalového tkaniva dvojfázovými pulzmi, ktoré zahŕňa elektronické obvody generátora pulzov, upravené na generovanie dvojfázových pulzov, pulz je definovaný prvou stimulačnou fázou a druhou stimulačnou fázou, pričom prvá stimulačná fáza má kladnú polaritu, amplitúdu prvej stimulačnej fázy, tvar prvej stimulačnej fázy a čas trvania prvej stimulačnej fázy, kde amplitúda prvej stimulačnej fázy je od 0,5 do 3,5 V a čas trvania stimulačnej fázy je od 1 do 9 ms, a druhá stimulačná fáza má zápornú polaritu, amplitúdu druhej stimulačnej fázy, ktorá je v absolútnej hodnote väčšia ako amplitúda prvej stimulačnej fázy, tvar druhej stimulačnej fázy a čas trvania druhej stimulačnej fázy, pričom amplitúda druhej stimulačnej fázy je od 2 V do 20 V a čas trvania druhej stimulačnej fázy je od 0,2 do 0,9 ms, a ďalej zahŕňa vodiče pripojené ku generátoru pulzov upravené na zavedenie prvej stimulačnej fázy a druhej stimulačnej fázy za sebou do svalového tkaniva, pričom svalové tkanivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z priečne pruhovaných svalov, hladkých svalov a zmiešaných svalov, a pričom stimulácia svalov je vybraná zo skupiny obsahujúcej priamu stimuláciu svalov a nepriamu stimuláciu svalov.

Zariadenie podľa vynálezu teda generuje dvojfázové pulzy definované prvou a druhou stimulačnou fázou, pričom každá stimulačná fáza má polaritu, amplitúdu, priebeh alebo tvar a čas trvania. V prvom uskutočnení majú prvá a druhá stimulačná fáza rôzne polarity a rôzne amplitúdy. V ďalšom uskutočnení sa amplitúda prvej stimulačnej fázy zväčšuje postupne od základnej hodnoty na druhú hodnotu. V ďalšom uskutočnení sa absolútna hodnota druhej hodnoty rovná absolútnej hodnote amplitúdy druhej stimulačnej fázy. V ešte ďalšom uskutočnení sa prvá stimulačná fáza skladá zo série niekoľkých samostatných stimulačných pulzov s vopred stanovenou amplitúdou, polaritou a časom trvania. Ďalej amplitúda druhej stimulačnej fázy sa môže pohybovať od 2 do 20 V. V ďalšom uskutočnení zariadenia podľa vynálezu je čas trvania prvej stimulačnej fázy aspoň taký dlhý ako čas trvania druhej stimulačnej fázy, pričom čas trvania prvej stimulačnej fázy je od 1 do 9 ms. V ešte ďalšom uskutočnení je čas trvania prvej stimulačnej fázy aspoň taký dlhý ako čas trvania druhej stimulačnej fázy, pričom čas trvania druhej stimulačnej fázy je od 0,2 do 0,9 ms. V ešte ďalšom uskutočnení majú prvá a druhá stimulačná fáza rôzne časy trvania. V prednostnom uskutočnení je prvou fázou stimulácie anodický pulz s maximálnou podprahovou amplitúdou s dlhým časom trvania a druhou fázou stimulácie je kratší katodický pulz s veľkou amplitúdou. Rozumie sa, že uvedené alternatívne uskutočnenia sa môžu rôznymi spôsobmi kombinovať. Rozumie sa tiež, že alternatívne uskutočnenia slúžia iba ako príklad, a vynález sa na ne v žiadnom prípade neobmedzuje.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je schematické znázornenie dvojfázovej stimulácie s prvou fázou anodickou.

Na obr. 2 je schematické znázornenie dvojfázovej stimulácie s prvou fázou katodickou.

Na obr. 3 je schematické znázornenie prvej anodickej stimulácie s nízkou úrovňou a dlhým časom trvania, po ktorom nasleduje obvyklá katodická stimulácia.

Na obr. 4 je schematické znázornenie prvej anodickej stimulácie s postupne nabiehajúcou amplitúdou nízkej úrovne a s dlhým časom trvania, po ktorom nasleduje obvyklá katodická stimulácia.

Na obr. 5 je schematické znázornenie prvej anodickej stimulácie s nízkou úrovňou a krátkym časom trvania rozdelenej do série niekoľkých pulzov, po ktorej nasleduje obvyklá katodická stimulácia.

Na obr. 6 je graf závislosti vodivosti naprieč vláknami od času trvania stimulačného pulzu dvojfázovej stimulácie s prvou fázou anodickou.

Na obr. 7 je graf závislosti vodivosti pozdĺž vlákien od času trvania stimulačného pulzu dvojfázovej stimulácie s prvou fázou anodickou.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Vynález sa týka dvojfázovej elektrickej stimulácie svalového tkaniva.

Na obr. 1 je znázornená dvojfázová elektrická stimulácia, ktorej prvou fázou 102 je anodický podnet s amplitúdou 104 a časom trvania 106. Po prvej stimulačnej fáze 102 bezprostredne nasleduje druhá stimulačná fáza 108, ktorou je katodická stimulácia s rovnakou intenzitou a časom trvania.

Na obr. 2 je znázornená dvojfázová elektrická stimulácia, ktorej prvou fázou 202 je katodický podnet s amplitúdou 204 a časom trvania 206. Po prvej stimulačnej fáze 202 bezprostredne nasleduje druhá stimulačná fáza 208, ktorou je anodická stimulácia s rovnakou intenzitou a časom trvania.

Na obr. 3 je znázornené prednostné uskutočnenie vynálezu, v ktorom prvú stimulačnú fázu 302 tvorí nízko úrovňová a dlho trvajúca anodická stimulácia s amplitúdou 304 a časom trvania 306. Na prvú stimulačnú fázu 302 bezprostredne nadväzuje druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou s obvyklou intenzitou a časom trvania. V alternatívnom uskutočnení vynálezu má prvá stimulačná fáza 302 s anodickou stimuláciou maximálnu podprahovú amplitúdu. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má prvá stimulačná fáza 302 s anodickou stimuláciou amplitúdu menšiu než 3 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má prvá stimulačná fáza 302 s anodickou stimuláciou čas trvania 2 až 8 ms. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou krátky čas trvania. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou čas trvania približne 0,3 až 0,8 ms. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou veľkú amplitúdu. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou amplitúdu v približnom rozsahu 3 až 20 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou čas trvania kratší než 0,3 ms a napätie väčšie než 20 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení má druhá stimulačná fáza 308 s katodickou stimuláciou čas trvania celých 6,0 ms a napätie iba 200 mV. Podľa týchto uskutočnení, prípadne ich alternatív a úprav zrejmých z uvedeného opisu, sa v prvej fáze stimulácie dosiahne maximálny potenciál membrány, ale bez jej aktivácie.

Na obr. 4 je znázornené alternatívne prednostné uskutočnenie vynálezu, v ktorom prvú stimulačnú fázu 402 tvorí anodická stimulácia s postupne sa zväčšujúcou intenzitou 406 a časom trvania 404. Priebeh stúpajúcej intenzity 406 môže byť lineárny alebo nelineárny, sklon sa môže meniť. Na anodickú stimuláciu bezprostredne nadväzuje druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou s obvyklou intenzitou a časom trvania. V alternatívnom uskutočnení vynálezu prvá stimulačná fáza 402 s anodickou stimuláciou stúpa k maximálnej podprahovej amplitúde. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu prvá stimulačná fáza 402 s anodickou stimuláciou stúpa k maximálnej amplitúde, ktorá je menšia než 3 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má prvá stimulačná fáza 402 s anodickou stimuláciou čas trvania 2 až 8 ms. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou krátky čas trvania. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou čas trvania približne 0,3 až 0,8 ms. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou veľkú amplitúdu. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou amplitúdu v približnom rozsahu 3 až 20 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou čas trvania kratšiu než 0,3 ms a napätie väčšie než 20 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení má druhá stimulačná fáza 408 s katodickou stimuláciou čas trvania celých 6,0 ms a napätie iba 200 mV. Podľa týchto uskutočnení, prípadne ich alternatív a úprav zrejmých z uvedeného opisu, sa v prvej fáze stimulácie dosiahne maximálny potenciál membrány, ale bez jej aktivácie.

Na obr. 5 je znázornená dvojfázová elektrická stimulácia, ktorej prvú stimulačnú fázu 502 tvoria série anodických pulzov s amplitúdou 504. V jednom uskutočnení je pokojová perióda pulzu 506 rovnako dlhá ako stimulačná perióda pulzu 508 a jej amplitúda má základovú (nulovú) hodnotu. V alternatívnom uskutočnení sa dĺžka pokojovej periódy pulzu 506 líši od dĺžky stimulačnej periódy pulzu 508 a jej amplitúda má základovú hodnotu. Pokojová perióda pulzu 506 nasleduje za každou stimulačnou periódou pulzu 508 s výnimkou poslednej stimulačnej periódy, za ktorou bezprostredne nasleduje druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou s obvyklou intenzitou a časom trvania. V alternatívnom uskutočnení vynálezu má celkový náboj odovzdaný cez série prvej stimulačnej fázy 502 s anodickou stimuláciou maximálnu podprahovú úroveň. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou krátky čas trvania. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou čas trvania približne 0,3 až 0,8 ms. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou veľkú amplitúdu. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou amplitúdu v približnom rozsahu 3 až 20 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení vynálezu má druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou čas trvania kratší než 0,3 ms a napätie väčšie než 20 V. V ďalšom alternatívnom uskutočnení má druhá stimulačná fáza 510 s katodickou stimuláciou čas trvania celých 6,0 ms a napätie iba 200 mV.

Príklad 1

Stimulácia a vodivosť myokardu boli študované na oddelenom srdci s použitím pulzov rôznych polarít a fáz. Experimenty sa uskutočňovali na piatich oddelených králičích srdciach pripravených podľa Langendorffa. Vodivosť (rýchlosť šírenia vlny) na epikarde sa merala pomocou radu bipolámych elektród. Meralo sa v rozmedzí medzi šiestimi a deviatimi milimetrami od stimulovaného miesta. Transmembránový potenciál sa zaznamenával pomocou plávajúcej vnútrobunkovej mikroelektródy. Skúmané boli nasledujúce protokoly: jednofázový katodický pulz, jednofázový anodický pulz, dvojfázový pulz začínajúci katodickou fázou a dvojfázový pulz začínajúci anodickou fázou.

V tabuľke 1 sú pre každý stimulačný protokol uvedené rýchlosti šírenia v smere priečnom k vláknam na stimulácie tromi, štyrmi a piatimi voltmi a s časom trvania pulzov dve milisekundy.

Tabuľka 1

Rýchlosť šírenia [cm/sj v smere priečnom k vláknam, trvanie 2 ms
	3V	4V	5V
Katodický j edno fázový	18,9 ±2,5	21,4 ±2,6	23,3 ±3,0
Anodický jednofázový	24,0 ±2,3	27,5 ±2,1	31,3 ±1,7
Dvojfázový, prvý katodický	27,1 ±1,2	28,2 ±2,3	27,5 ±1,8
Dvojfázový, prvý anodický	26,8 ±2,1	28,5 ±0,7	29,7 ±1,8

V tabuľke 2 sú pre každý stimulačný protokol uvedené rýchlosti šírenia v smere pozdĺžnom s vláknami na stimulácie tromi, štyrmi a piatimi voltmi a časom trvania pulzov dve milisekundy.

Tabuľka 2

Rýchlosť šírenia [cm/s	v smere pozdĺžnom s vláknami, trvanie 2 ms
	3V	4V	5V
Katodický jednofázový	45,3 ±0,9	47,4 ±1,8	49,7 ±1,5
Anodický jednofázový	48,1 ±1,2	51,8 ±0,5	54,9 ±0,7
Dvojfázový, prvý katodický	50,8 ±0,9	52,6 ±1,1	52,8 ±1,7
Dvojfázový, prvý anodický	52,6 ±2,5	55,3 ±1,5	54,2 ±2,3

Rozdiely v rýchlosti šírenia (vodivosti) medzi jednofázovým katodickým pulzom, jednofázovým anodickým pulzom, dvojfázovým pulzom začínajúcim katodickou fázou a dvojfázovým pulzom začínajúcim anodickou fázou sú významné (p < 0,001). Pri meraní transmembránového potenciálu sa zistilo, že maximálny gradient ((dV/dt)max) akčného potenciálu dobre zodpovedá zmenám rýchlosti šírenia v pozdĺžnom smere.

Pre 4 V pulz s časom trvania 2 ms bolo (dV/dt)max pre katodické pulzy 63,5 ±2,4 V/s a pre anodické pulzy 75,5 ±5,6 V/s.

Príklad 2

Vplyv rôznych stimulačných protokolov na srdcovú elektrofyziológiu bol skúmaný na oddelených králičích srdciach pripravených Langendorffovou metódou. Stimuláciu tvorili obdĺžnikové pulzy s konštantným napätím. Skúmali sa nasledujúce protokoly: jednofázový anodický pulz, jednofázový katodický pulz, dvojfázový pulz začínajúci anodickou fázou a dvojfázový pulz začínajúci katodickou fázou. Použité napätie sa menilo v rozmedzí od jedného do piatich voltov s krokom jeden volt pre anodickú aj katodickú stimuláciu. Čas trvania pulzu sa menil v rozmedzí od dvoch do desiatich milisekúnd s krokom dve milisekundy. Epikardiálne rýchlosti šírenia sa merali pozdĺž a naprieč smeru svalových vlákien ľavej komory medzi vzdialenosťami tri a šesť milimetrov od voľnej steny ľavej komory. Na obr. 6 a 7 je ukázaný vplyv času trvania stimulačného pulzu a typu stimulačného protokolu na rýchlosti šírenia.

Na obr. 6 sú rýchlosti merané medzi tromi a šiestimi milimetrami priečne na smer vlákien. V tejto oblasti vykazuje v celom skúšanom rozsahu dĺžok pulzu najmenšiu rýchlosť šírenia jednofázová katodická stimulácia 602. Potom nasleduje jednofázová anodická stimulácia 604 a dvojfázová stimulácia s prvou katodickou fázou 606. Najrýchlejšie šírenie vlny (najlepšiu vodivosť) vykazuje dvojfázová stimulácia s prvou anodickou fázou 608.

Na obr. 7 sú rýchlosti šírenia merané medzi tromi a šiestimi milimetrami rovnobežne so smerom vlákien. V tejto oblasti vykazuje v celom skúšanom rozsahu dĺžok pulzu najmenšiu vodivosť jednofázová katodická stimulácia 702. Výsledky dosiahnuté jednofázovou anodickou stimuláciou 704 a dvojfázovou stimuláciou s prvou katodickou fázou 706 sú prakticky zhodné, jednofázová anodická stimulácia vykazuje nepatrne väčšiu vodivosť. Najrýchlejšie šírenie vlny vykazuje dvojfázová stimulácia s prvou anodickou fázou 708.

V jednom aspekte vynálezu sa elektrickou stimuláciou pôsobí na srdcový sval. Anodická zložka dvojfázovej elektrickej stimulácie zvyšuje kontraktilitu srdca hyperpolarizáciou tkaniva pred excitáciou, čo vedie k rýchlejšiemu šíreniu impulzu a k uvoľneniu väčšieho množstva vnútrobunkového vápnika a tým nakoniec k lepšej kontrakcii. Katodická zložka stimulácie eliminuje nedostatky anodickej stimulácie. Výsledkom je účinná srdcová stimulácia pri napätí nižšom, než by bolo potrebné iba s anodickou stimuláciou. Tým sa ďalej jednak šetria batérie kardiostimulátora a tiež sa zmenšuje poškodenie tkaniva.

V druhom aspekte vynálezu sa dvojfázová elektrická stimulácia podáva do srdcovej krvnej náplne, t. j. krvi, ktorá vstupuje do srdca a obklopuje ho. Tým je umožnená stimulácia srdca bez priameho styku elektród so srdcovým tkanivom, čím sa riziko poškodenia tohto tkaniva minimalizuje. Stimulačný prah dvojfázovej stimulácie uskutočňovanej cez krvnú náplň leží v rovnakom rozsahu ako pre štandardné podnety uskutočňované priamo do srdcového svalu. Využitím dvojfázovej elektrickej stimulácie uskutočňovanej do srdcovej krvnej náplne je teda možné dosiahnuť zlepšenú kontrakciu srdca bez sťahov kostrových svalov, poškodenia srdcového svalu aj nepriaznivých vplyvov na krvnú náplň.

V treťom aspekte vynálezu sa dvojfázovou elektrickou stimuláciou pôsobí na priečne pruhované svalstvo. Kombinácia anodickej a katodickej stimulácie vedie ku kontrakcii väčšieho počtu svalových motorických jednotiek pri menšom napätí a/alebo menšom elektrickom prúde, t. j. lepšej svalovej reakcii. Túto výhodu vynálezu možno pozorovať tak pri priamej stimulácii, ako aj stimulácii nepriamej (cez kožu). Vynález je možné použiť pri fyzikálnej terapii i rehabilitácii svalov, napríklad stimuláciou svalov počas doby, kým sa zregenerujú poškodené nervy.

V štvrtom aspekte vynálezu sa dvojfázovou elektrickou stimuláciou pôsobí na hladké svalstvo. Vnútorné (viscerálne) hladké svalstvo tvorí steny vnútorných dutých orgánov, ako je žalúdok, črevá, močový mechúr a maternica. Vlákna hladkých svalov sú schopné sa stimulovať navzájom. Teda, hneď ako sa stimuluje jedno vlákno, depolarizačná vlna, ktorá sa pohybuje po jeho povrchu, môže stimulovať vlákna susediace, z ktorých sa potom šíri ďalej. Stimulácia môže byť prínosná napríklad v situáciách, keď v dôsledku poranenia alebo choroby dochádza k inkontinencii.

Z opísaného základného konceptu vynálezu je iste odborníkom zrejmé, že uvedený opis uskutočnení vynálezu je iba príkladný, nie obmedzujúci. Odborníkom sú iste zrejmé mnohé možné zmeny, zlepšenia či úpravy, ktoré v tejto patentovej prihláške priamo nie sú opísané. Všetky také zmeny, zlepšenia či úpravy by preto mali byť posúdené v duchu a rozsahu pripojených patentových nárokov. Ďalej, stimulačné pulzy podľa vynálezu sú v možnostiach správne naprogramovanej existujúcej elektroniky stimulačných prístrojov a zariadení. Dvojfázová stimulácia podľa vynálezu môže byť užitočná aj v ďalších situáciách, v ktorých sa elektrická stimulácia predpisuje, napríklad ako stimulácia nervového tkaniva a stimulácia kostného tkaniva. Preto je vynález vymedzený iba nasledujúcimi nárokmi a ich ekvivalentmi.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zariadenie na stimuláciu svalového tkaniva dvojfázovými pulzmi, vyznačujúce sa tým, že zahŕňa elektronické obvody generátora pulzov, upravené na generovanie dvojfázových pulzov, kde pulz je definovaný prvou stimulačnou fázou (102, 202, 302, 402, 502) a druhou stimulačnou fázou (108, 208, 308, 408, 510), pričom prvá stimulačná fáza (102, 202, 302, 402, 502) má polaritu prvej stimulačnej fázy, amplitúdu prvej stimulačnej fázy, tvar prvej stimulačnej fázy a čas trvania prvej stimulačnej fázy na prípravu svalového tkaniva na prijatie následnej stimulácie a kde druhá stimulačná fáza (108, 208, 308, 408, 510) má polaritu opačnú, ako je polarita prvej stimulačnej fázy (102, 202, 302, 402, 502), má amplitúdu druhej stimulačnej fázy v absolútnej hodnote väčšiu, nezje amplitúda prvej stimulačnej fázy, tvar druhej stimulačnej fázy a čas trvania druhej stimulačnej fázy; a ďalej zahŕňa vodiče spojené s elektronickými obvodmi generátora pulzov, upravené na zavedenie prvej stimulačnej fázy (102, 202, 302, 402, 502) a druhej stimulačnej fázy (108, 208, 308, 408, 510) do svalového tkaniva za sebou, pričom svalové tkanivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z priečne pruhovaných svalov, hladkých svalov a zmiešaných svalov, pričom polarita prvej stimulačnej fázy je kladná, amplitúda prvej stimulačnej fázy sa rovná alebo menšia než maximálna podprahová hodnota amplitúdy a maximálna podprahová hodnota amplitúdy je menšia než 3,5 V.
2. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, (402) sa zväčšuje postupne od základnej hodnoty na druhú hodnotu.
3. Zariadenie podľa nároku 2, vyznačujúce sa tým, sa rovná absolútnej hodnote amplitúdy druhej stimulačnej fázy.
4. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, obsahuje sériu stimulačných pulzov (506, 508) s vopred stanovenou amplitúdou, polaritou a časom trvania.
5. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že čas trvania prvej stimulačnej fázy (302) je najmenej taký dlhý, ako čas trvania druhej stimulačnej fázy (308) a čas trvania prvej stimulačnej fázy je od 1 do 9 ms.
6. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že čas trvania prvej stimulačnej fázy (302 je najmenej taký dlhý, ako čas trvania druhej stimulačnej fázy (308) a čas trvania druhej stimulačnej fázy je od 0,2 do 0,9 ms.
7. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce (108, 208, 308, 408, 510) je od 2 do 20 V.
8. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce (108, 208, 308, 408, 510) je menší než 0,3 ms a amplitúda druhej stimulačnej fázy je väčšia než 20 V.
9. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že je upravené na priamu stimuláciu svalov alebo na nepriamu stimuláciu svalov cez kožu.
10. Zariadenie na stimuláciu svalového tkaniva dvojfázovými pulzmi, vyznačujúce sa tým, že zahŕňa elektronické obvody generátora pulzov, upravené na generovanie dvojfázových pulzov, pulz je definovaný prvou stimulačnou fázou a druhou stimulačnou fázou, pričom prvá stimulačná fáza (102, 302, 402, 502) má kladnú polaritu, amplitúdu prvej stimulačnej fázy, tvar prvej stimulačnej fázy a čas trvania prvej stimulačnej fázy, kde amplitúda prvej stimulačnej fázy je od 0,5 do 3,5 V a čas trvania stimulačnej fázy je od 1 do 9 ms, a druhá stimulačná fáza (108, 308, 408, 510) má zápornú polaritu, amplitúdu druhej stimulačnej fázy, ktorá je v absolútnej hodnote väčšia ako amplitúda prvej stimulačnej fázy, tvar druhej stimulačnej fázy a čas trvania druhej stimulačnej fázy, pričom amplitúda druhej stimulačnej fázy je od 2 V do 20 V a čas trvania druhej stimulačnej fázy je od 0,2 do 0,9 ms, a ďalej zahŕňa vodiče pripojené ku generátoru pulzov upravené na zavedenie prvej stimulačnej fázy a druhej stimulačnej fázy za sebou do svalového tkaniva, pričom svalové tkanivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z priečne pruhovaných svalov, hladkých svalov a zmiešaných svalov, a pričom stimulácia svalov je vybraná zo skupiny obsahujúcej priamu stimuláciu svalov a nepriamu stimuláciu svalov.