WO2017125343A1 - System zur regeneration wenigstens einer durchtrennten nervenleitung - Google Patents

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WO2017125343A1
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Trutz Podschun
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Trutz Podschun
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Definitions

  • the invention relates to a system for regenerating at least one severed nerve conduction in a living human or animal
  • Such severed nerve leads may be the result of trauma, for example as a result of an accident or failed surgery, a central nervous system tumor, an infection, or a
  • the nerve leads passing from the control centers to the peripheral target tissues will be referred to as “motor nerve conduction” and the nerve tracts returning from the peripheral target tissues as "sensory
  • Each of these levels consists of a number of sub-levels.
  • the most important underlying part is formed by anatomical components of the body, the joints, muscles, tendons, nerve cells and nerves, of which the nerves play a special role as they are due to physiological
  • Processes transport cybernetic information in the form of nerve stimuli from one point of the body, one control center, to another, the controlled element, and back. They are the biological information conductors analogous to electrical cables or optical fibers in the art.
  • Nerves consist of individual nerve fibers, the "inlets and outlets" of a nerve cell (neuron) .
  • nerve cell ie cell processes that transport a stimulus away from the cell body to the end of the extension of the nerve cell ("derive”).
  • efferent where it is then transmitted to other nerve cells or muscles;
  • These lines are surrounded by an insulating layer of glial cells (“Schwann cells”) similar to the plastic sheath of power lines, they are called axons, see Fig. 6.
  • axons see Fig. 6.
  • one nerve cell has multiple dendrites but only one neurite or axon, however, the length of the dendrites can be very different and sometimes similar in length to an axon (Fig. sensory nerve fibers of the spinal nerves), which can be up to 1 meter long in humans Neurites end in "synapses", non-contact connections between a nerve cell and a cell, eg. B. one another nerve, but also glandular or muscle cell; The transition from a nerve fiber to a muscle fiber is often referred to as a "motor end plate.” The uptake of the dendrites also takes place via synapses.
  • Nervous system on muscles or muscle groups in the periphery ", one speaks of motor signals; the nerves that transmit them are called “motor nerves,” their nerve cells are motor neurons, and the nerve fibers are “motor nerve fibers.” They are of type A, subtype a.
  • nerve cells that transmit signals about the successful conversion of a motor signal of type Aa from the periphery back into the central nervous system (sensory neurons). They are, from the point of view of
  • Stretching state of a muscle can give information. These sensory signals are relayed by sensory nerve cells. A feedback mechanism formed from such motor and sensory nerve cells becomes complex in terms of control technology, since the sensitivity of such sensors depends on the muscle stretch and thus on the basis of the strain state
  • a nerve can not only motor but also sensory
  • Nerve fibers run. And different types of motor (Aa and ⁇ [muscles] and B and C [organs]) and sensory fibers (type la
  • Nerves can become individual Muscles go or groups of muscles, then the nerve divides into different branches.
  • the lowest functional level is then the muscles, tendons and joints, which are responsible for the implementation In between is the spinal cord, which on the one hand can autonomously initiate movements (reflexes), on the other hand serves as a "switching point" between brain and muscle.
  • This mediating level is of particular importance to the invention.
  • the functional level is realized by biological control circuits. At the lowest sub-level, this is a simple "reflex arc.”
  • the most well-known example of such a reflex arc is the Patellar tendon reflex (patellar tendon reflex.)
  • a light hit on the patellar tendon with a reflex hammer briefly overstretches the underlying skeletal muscle (S). This is registered by a sensor in the muscle, the muscle spindle (MS), which sends a signal from the muscle to the spinal cord via a sensory nerve in response to overexpansion, which represents one half of a reflex arc
  • a motor neuron of type a
  • a signal is transmitted to a skeletal muscle via a nerve-muscle connection called the motor end plate, which causes it to contract in response and in response.
  • Motor end plate a nerve-muscle connection
  • a simple control loop similar to the reflex arc is used.
  • a motor neuron controls the activities of a motor neuron of a reflex arc to cause a muscle contraction. It receives feedback about a second sensory neuron, in turn receives its information from the sensory neuron of the reflex arc or from another sensory source.
  • Movement at the functional level is the interconnection of at least two
  • the cybernetic level is immaterial. If anatomical, physiological and functional levels are the “hardware” of any movement, the cybernetic part is the “software” that leads to movement.
  • the complexity of the process is only simplified.
  • other organs of the human are involved in the phenomenon of movement, eg.
  • the cerebellum which has a major function in coordinating and performing exercise
  • the coccygmeal organ or spinal cord which makes it possible to perform movements in life-threatening special situations without any intervention by the brain, with the goal of getting people out of the dangerous situation as quickly as possible bring to.
  • Movement is the result of a learning process. This aspect is important. And like every learning process, what you learn is stored in memory. This "movement memory” is subordinated to the cerebellum, which unconsciously refers back to it, so movement is for the most part an unconscious process, even if it was deliberately initiated: one can consciously get up from the table and go to the kitchen, and then so What then becomes necessary to physically implement this plan is completely beyond our consciousness and control: we neither know which
  • Muscles / muscle groups need to be activated and relaxed when, and in what order, and in which strength, and whether this actually happens. We only notice from other sensory perceptions (eye, ear) that we change our point of view according to our intention. Even information that our position and balance organ contributes to it, we are not aware. Movement is thus a complex process based on stored movement patterns that have been developed and optimized as part of a self-learning process in childhood. The complexity can also be recognized by the effort we spend on comparatively modest results in order to teach walking robots a human-like gait. A simple replacement of "hardware" in the form of stem cells,
  • Nerve cell transplantation or reactivation of compromised nerve cells and "simple" rehabilitation as used today can not achieve healing because it repairs the damage at the anatomical and functional level but ignores the other levels.
  • Anatomical / physiological level and exercise training are not coordinated and do not take into account the specifics of control circuits: action and feedback.
  • action and feedback To make matters worse, that, unlike in childhood, the basic anatomical and physiological prerequisites under the rehabilitation measure must be re-involved, since they are functionally not yet functional. A suitable rehabilitation measure is therefore desirable.
  • Movement memory removed This is shown for. For example, when interventions at the motor centers in the brain had to be made or after
  • a low-level control loop that can deliver signals to muscles. This is realized in humans and animals in the form of reflex arcs, which consist of at least one motor and one sensory
  • Nerve cell consist: On the one hand, the motor nerve cell ("Second
  • the muscle and / or tendon sensor sends the feedback now via the sensory nerve fiber, which is here formed by the dendrites of the sensory nerve cell, and the part of the above mentioned ocular spinal ganglion is located in the immediate vicinity of the spinal column.
  • the axon enters the spine into the gray matter of the "sensory posterior horn” as part of the spinal nerve Spinal cord. It is now in the simplest case directly, so only one
  • This control circuit also requires a sensory part for feedback. Therefore, there is also a sensory nerve cell, which establishes the connection between the control loop in the spinal cord and the higher movement centers. It can obtain its information from two sources: Either via the use of interneurons in the interconnection of the components of the basic control loop. Or via an additional sensory nerve cell, which also has its origin in muscle and / or tendon, but is not connected to the LMN and
  • the spinal cord is thus a complex system with its own, albeit primitive intelligence (“reflexes”), which from the outside for targeted movements over the
  • Nerve connections to the brain can be used.
  • Plegia paralysis
  • Herniated disc a tumor of the central nervous system or
  • Nerve tissue sinking as a result of infection or autoimmune disease eg, multiple sclerosis
  • autoimmune disease eg, multiple sclerosis
  • Nerve stimuli from the control centers (brain, spinal cord) to the target tissue in the periphery (motor: skeletal muscles, muscles of the bladder and rectum), to organs (vegetative: urinary bladder, rectum, circulation) and back
  • parent brain centers are functionally and physiologically interrupted.
  • spinal cross-sectional syndrome plexias of whole limbs or limb segments occur.
  • Limb section (e.g., forearm)
  • Shoulders may still be movable, the upper body with hands and arms or even the trunk above the pelvis. If it is higher ("neck break"), this is usually incompatible with life, since then u , a the respiratory muscles are paralyzed.
  • Plegie is thus a highly individual condition that can not be treated adequately by means of standardized procedures. Depending on the cause, more individual
  • Treatment methods if necessary in combination, are used.
  • An essential and often underestimated factor here is the psyche of the patient: he must want to overcome the condition.
  • Breakthrough cells such as olfactory support cells are used to help nerve cells find their way into the target area. These attempts have been partially successful, but have not brought the expected breakthrough to date.
  • orthoses which are used in stroke patients who can no longer raise their own foot.
  • Known orthoses have electrodes that stimulate the muscles responsible for lifting the foot while walking.
  • Artificial exoskeletons are external support structures that may be purely mechanical, but which may also be considered as wearable robots that support the wearer's movements, such as by driving joints of the exoskeleton by servomotors. Such exoskeletons are used at least in the context of studies for the rehabilitation of paralyzes.
  • Motion brain area are detected, which are generated in the presentation, planning, execution or control of a movement.
  • the signals are classified and used, for example, to generate signals for the functional
  • Stimulation of their own body parts used whose neural connection to the brain is interrupted. It is also possible to transmit feedback from the body part back to the brain by using sensor signals, e.g. intact endogenous pressure or strain receptors or by artificial sensors, as stimulation data are returned to the brain.
  • sensor signals e.g. intact endogenous pressure or strain receptors or by artificial sensors
  • the invention has for its object to provide a system for the regeneration of at least one severed nerve conduction in a living human or animal body, ie the system should not only be a tool for coping with everyday life, especially for paraplegic patients, but rather the regeneration of the severed nerve conduction serve with the aim of being able to do without long-term aids.
  • the solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1.
  • the solution according to the invention for the regeneration of at least one severed nerve conduction in a living human or animal body comprises a movement device, with which a body part of the human or animal body is movable, which contains at least one skeletal muscle otherwise innervatable with the severed nerve line.
  • a movement device with which a body part of the human or animal body is movable, which contains at least one skeletal muscle otherwise innervatable with the severed nerve line.
  • Moving device and the signal generator unit so coordinated controls that the signal generator unit, the first stimulation signal via a first applicator on the separated from the skeletal muscle
  • Movement device moves the body part.
  • Signal generator unit via the first applicator or a second applicator temporally during or after the movement of the body part, the second
  • Stimulation signal on the nerve cable part separated from the skeletal muscle Stimulation signal on the nerve cable part separated from the skeletal muscle.
  • the application of the second stimulation signal takes place, in particular, with a time offset from the first stimulation signal in such a way that the time sequence of the corresponding natural signals is reproduced.
  • the stimulation signals are chosen in terms of their amplitude and waveform so that they cause on the corresponding nerve conduction signals in the strength and shape, which are similar to the natural signals on this nerve conduction.
  • this part of the nerve conduction contains the vom
  • the part of the nerve conduction to be understood by the skeletal muscle or with the
  • Nerve signals originating from the skeletal muscle are those signals which are produced by contraction or expansion of the muscle, for example by the muscle spindles or the Golgi tendon apparatus.
  • neurons can only be stimulated by nerve signals that arrive at their dendrites. Therefore, the location of the application of the first stimulation signal must be chosen such that an artificial nerve signal generated by the stimulation signal reaches at least one dendrite of the last neuron lying before the physical interruption or separation point of the motor nerve conduction part and thus stimulates this neuron.
  • the application site of the second stimulation signal can be made only at the dendrites of the first neuron, after the physical interruption or the
  • Stimulation signal the neuron closest to the separation site is stimulated to grow back into the area due to the transection no longer supplied.
  • the sensory nerve cells are a special form of nerve cells, the so-called. pseudounipolar neurons, in which the cell body is located as spinal ganglion directly to the spine. In this case, the dendrite to the skeletal muscle is the long process, the axon in the spinal cord very short. Therefore, in the case of a
  • the signal generator unit generates a third electrical
  • the evaluation and control unit is designed such that it controls the signal generator unit so that the third stimulation signal in time with the first stimulation signal or while the movement device moves the body part applied to the skeletal muscle. It is both a
  • Stimulation signals and the movement by means of the movement device timed to each other such that the movement with their healthy patients associated natural nerve signals can be replicated, so as to promote the regeneration of the severed nerve conduction.
  • the stimulation of the skeletal muscle is preferably also adapted to the mediated by the movement device movement of the body part.
  • the system has an injector system, which can also be controlled via the evaluation and control unit and at least one active ingredient in the Applied area of the severed nerve line.
  • the active substances are preferably applied in the region of the cell bodies of those neurons which adjoin the interruption and / or which were applied in the area of the interruption for the purpose of restoring the nerve conduction in order to induce them to grow or integrate and thus contribute to the regeneration of the nerve conduction ,
  • specific nerve growth factors or messengers can be injected to promote nerve growth, such as the growth of new axons, or the integration of implanted nerve cells.
  • nerve growth such as the growth of new axons, or the integration of implanted nerve cells.
  • the evaluation and control unit is preferably designed such that it can control the delivery of the active ingredients by means of the injector both in time and in terms of quantity.
  • the system comprises at least one memory unit in which data are stored, on the basis of which the evaluation and control unit controls the movement device and the signal generator unit, and particularly preferably also the injector system.
  • data can be stored in the memory unit in the form of a plurality of different data records which are specifically adapted or adaptable to the patient
  • first applicator has an electrode arrangement and / or that the second applicator has an electrode arrangement.
  • Electrode arrangements are directly or indirectly with the
  • the first applicator can be designed such that both the first and the second stimulation signals can be applied via it.
  • an electrode arrangement with at least two electrodes is suitable, wherein the first or the second stimulation signal can be applied via in each case one of the at least two electrodes.
  • the respective electrode arrangements may each comprise only one electrode.
  • the electrodes themselves may be in the form of electrodes that can be arranged on the skin.
  • the electrodes may also be comprised of a combination of an implanted electrode and a surface electrode disposed on the skin, where the implanted electrode causes immediate stimulation of the motor or sensory nerve conduction member and is wirelessly connected, for example, to the surface electrode
  • Signal generator unit is in communication.
  • the third applicator preferably also has an electrode arrangement in order to move the skeletal muscle to a contraction by means of electrical signals.
  • Elongation of the skeletal muscle is achieved by stimulation of the "antagonist" belonging to the skeletal muscle, i.e. when it is being moved to a contraction
  • Stimulation current by means of one or more applicable on the skin over the muscle electrodes, or by stimulation of the leading to the skeletal muscle motor nerve conduction part.
  • the movement device preferably has an orthosis or an exoskeleton.
  • the exoskeleton can be both a partial skeleton with which only a paralyzed
  • Body part such as arm or leg
  • a complete exoskeleton can also have a support function in addition to a pure movement function, ie the exoskeleton takes on additional tasks such as weight reduction of the body or parts of the body or holding the body Balance.
  • complete exoskeletons can enable a person to walk upright.
  • the evaluation and control unit, the signal generator unit and / or the memory unit are arranged on the orthosis or the exoskeleton and form a self-sufficient unit. It is also preferred that a power supply unit is arranged on the orthosis or exoskeleton, for example in the form of a
  • the energy can be guided by means of lines and / or hoses to the movement device.
  • the movement device has at least two components connected to one another via a joint and at least one actuator, by means of which the components can be moved relative to one another.
  • the at least one actuator can be controlled by means of the evaluation and control unit.
  • Suitable actuators are, for example, linear drives and / or rotary drives.
  • at least one rotary drive and a joint can be integrated in one unit.
  • the system particularly preferably has a motion sensor which is provided on the movement device and which detects at least the relative spatial position of the components.
  • the motion sensor system may for example be an integral part of the joint and / or the actuator, and the state of the joint and / or the actuator, for example via corresponding encoder (angle encoder, encoders, position sensor, etc.) capture.
  • the motion sensor could also have optical sensors to detect the relative spatial position of the components.
  • the motion sensor system generates at least a first motion sensor signal, which is connected by means of the evaluation and control unit, which is directly or indirectly connected to the motion sensor system. can be evaluated, so that at least the relative spatial position of the components can be determined.
  • the system is displaceable in an operating state in which the movement device without support of the actuator and / or without
  • Actuation by the evaluation and control unit is movable, wherein the
  • Evaluation and control unit in this operating state based on the motion sensor generated by the first motion sensor signals generated motion data and stored in the memory unit.
  • This operating state in which the movement device is virtually idle, is used for this purpose
  • Motion data is to apply the movement device of a healthy person, who performs the desired movement.
  • the evaluation and control unit then generates movement data, which can be stored in the memory unit, from the relative spatial positions of the at least two components detected by the motion sensor system.
  • the movement device can also be applied to the patient and the corresponding body part passive
  • Movement data are obtained. This movement data can then serve as a basis for the data, based on which the evaluation and control unit controls the movement device and the signal generator unit during normal operation.
  • the movement sensor system preferably also detects forces and / or torques occurring on the movement device and generates at least one second movement sensor signal, which is comparable to reference data by means of a comparator unit.
  • the comparator unit is such
  • Motion sensor signals may result, for example, from the regenerating nerve conduction.
  • new data may be used to drive the system so that the extent of support / passive movement of the patient through the exoskeleton or the orthosis and / or extent of stimulation of the motor and / or sensory nerve conduction or skeletal muscle as the regeneration of the nerve conduction progresses.
  • the signal can also indicate a need for repair of the system.
  • a detector unit which detects electrical brain signals and generates a detector signal which is transferred to the evaluation and control unit connected to the detector unit.
  • the evaluation and control unit evaluates the detector signal and controls the movement device and the signal generator unit in accordance with data stored in the memory unit. In this case, a hypnotic state of the brain should be particularly detectable, during which then a
  • predetermined sequence of movements is passed through with the associated stimulation signals.
  • a sensor system which detects a quantifiable change of state at the motor nerve conduction part, at the sensory nerve conduction part, at the skeletal muscle and / or at the body part and generates a sensor signal.
  • the sensor is connected to the evaluation and control unit, which evaluates the sensor signal.
  • it serves to detect an incipient regeneration or improvement of the nerve conduction in order to provide, according to the progress, for example new data for controlling the control unit, in which the provision of external stimuli, the external support of the patient by means of the movement device and / or the
  • the goal is to be able to successively omit the exoskeleton or the orthosis and the external stimuli.
  • the evaluation and control unit has an interface via which the evaluation and control unit with at least one external
  • Memory unit and / or at least one external evaluation and control unit wired or wirelessly connected are provided.
  • the advantage is that, especially in the case that the system is designed as a self-sufficient unit, this can be formed as easily as possible.
  • computing power that is not directly the driving of the moving device and the
  • Serving signal control unit and / or data that does not necessarily have to be stored on the local memory unit, outsourced.
  • external (expert) knowledge for example from other patient data, experiments, comparison cases or other data sets of the patient, can be stored in an external database.
  • the external evaluation and control unit allows, for example, the generation of new data records or a review of data records, for example from the external database, to concrete
  • a first sensor unit is provided, which is a natural electrical stimulation for the skeletal muscle
  • the first sensor unit is connected to the evaluation and control unit, which evaluates the first sensor signal and the signal generator unit based on the
  • the first Sensor unit detected signals are preferably filtered by means of at least one filter to isolate the driving serving natural nerve signal from the detected noise and other interference signals, and possibly this filtered out isolated signal by means of a signal conditioning unit so
  • Nerve signal corresponding third stimulation signal can be generated.
  • Nerve signal here are both arbitrary nerve signals that run from the brain along the spinal cord, as well as reflexive signals that are within the
  • a second sensor unit which is an electrical nerve signal of the skeletal muscle
  • Skeletal muscle detected and generates at least a second sensor signal.
  • the second sensor unit is connected to the evaluation and control unit, which evaluates the second sensor signal and the signal generator unit based on the evaluated second sensor signal for generating the second
  • the evaluation and control unit Activates stimulation signal. This is a replica of the nerve conduction is possible, which conducts nerve signals from the muscle to the spinal cord or to the brain.
  • the evaluation and control unit it is preferable for the evaluation and control unit to comprise corresponding filters and signal conditioning units which are required for generating a suitable second stimulation signal.
  • the first and the second sensor unit can also be used to, in the case of an external movement of the movement device in the context of
  • the stimulation data corresponding to the movement data for the motor nerve conduction part, the sensory nerve conduction part and / or the skeletal muscle can then be determined by means of the evaluation and control unit so that a complete set of data can be generated.
  • the evaluation and control unit is connected at least to the movement device and the signal generator unit.
  • the evaluation and control unit is connected to the injector system.
  • the signal generator unit in turn is connected to the first and the second applicator, and optionally to the third applicator.
  • a connection enables in each case at least one wired and / or one wireless transmission of signals.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the
  • Fig. 2 is a schematic sketch of a preferred embodiment
  • Fig. 3 is a schematic sketch of a simple
  • Fig. 4 is a schematic representation of possible places where the
  • Fig. 5 is a schematic sketch of a preferred embodiment
  • Fig. 1 shows a simplified schematic diagram of a severed nerve line 1 with a separation point 5.
  • Under the separation point 5 is not necessarily to understand the location of a lesion in the strict sense, but rather an area of functional disruption or disruption of the
  • Nerve conduction along which at least one irritation occurs in the nervous signal transmission, through which the natural nerve signal transmission is disturbed.
  • Nerve conduction 1 comprises a motor nerve conduction member 2 and a sensory nerve conduction member 3 which originally innervated the skeletal muscle S, i.
  • the skeletal muscle S was stimulated to contract via the motor nerve conduction part 2, and via the sensory nerve conduction part 3 the signals generated by the muscle, for example at least one muscle spindle and / or at least one Golgi tendon apparatus, were transmitted via the reflex arch back to the spinal cord and from there to the brain H or to the corresponding lower motor neuron as the feedback indicating feedback signal.
  • the motor nerve conduction part 2 and / or the sensory nerve conduction part 3 has been divided into a nerve conduction part 2 ', 3' separated from the skeletal muscle and a nerve conduction part 2 ", 3" connected to the skeletal muscle.
  • nerve signals via the motor nerve conduction part 2 to
  • the sensory nerve conduction member 3 'separated from the skeletal muscle S also receives no feedback signals from the skeletal muscle S, for example from the muscle spindle and / or Golgi tendon apparatus, so that neither the spinal cord (lower motor neuron, etc.) nor the brain receives the contraction of the skeletal muscle S, and an associated movement, be "informed".
  • the interruption of this closed system may result in further degeneration of the nerve conduction or loss of random drive, i. the ability of the brain to emit appropriate nerve signals to initiate muscle movement.
  • the invention described below is based on the recognition that a damaged neuron, which is to grow again into the separated area or a Although restored or prepared nerve connection, which is to be integrated, this requires a stimulus.
  • the system according to the invention has a movement device 20 moving the body part as well as a signal generator unit 30 which has a first 31 and a second 32
  • Nerve conduction part 2 ' is applied, wherein the first stimulation signal 31 in amplitude and waveform is in particular designed so that it along the of
  • Skeletal muscle S separated motor nerve conduction part 2 'generates a nerve signal corresponding to the natural nerve signal that occurs there for the voluntary or involuntary control of the skeletal muscle S.
  • the second stimulation signal 32 is either also applied via the first applicator (see FIG. 2) or via a second applicator 34 (see FIG. 1) to the sensory nerve conduction part 3 'separated from the skeletal muscle S.
  • the dendrites of the neuron of the sensory nerve conduction part which is closest to the separation point or from which the nerve signal artificially generated by means of the second nerve stimulation signal is forwarded as a feedback signal in the direction of the spinal cord or brain must be regarded as the first suitable point for the stimulation. In this way ultimately receives the last neuron of the
  • the system according to the invention further has an evaluation and control unit 10, which is connected to the movement device 20 and the signal generator unit 30 and controls them in such a way that the first stimulation signal 31 is in temporal coincidence with the movement device 20 Movement of the body part 4 is applied and that temporally during or after the movement of the body part 4, the second stimulation signal 32 is applied.
  • the second stimulation signal 32 is at least offset in time from the first stimulation signal 31, as it is in the natural system.
  • Apply application of the second stimulation signal 32 via the first applicator 31 further preferred developments of the system.
  • These include a third applicator 40, by means of which a generated by the signal generator unit 30 third electrical stimulation signal 41 to the skeletal muscle S can be administered.
  • the third applicator 40 as shown in Fig. 2 directly stimulate the skeletal muscle S, i. to stimulate contraction, or indirectly, i. via stimulation of a still functional part of the motor nerve conduction part 2 "(not shown), which is still connected to the skeletal muscle, and the evaluation and control unit 10 controls the signal generator unit 30 in such a way that the third
  • Stimulation signal 41 simultaneously with the first stimulation signal 31 or while the movement device 20 moves the body part 4, is applied to the skeletal muscle S. It means at the same time that a possible time offset between the stimulation of the separated from the skeletal muscle S motor
  • Nerve conduction part 2 'and the skeletal muscle S possibly the natural, time-related time offset and possibly its biological
  • an injector system 50 is further indicated by means of the active ingredients in the
  • Area of the severed nerve line 1 can be applied. It is the
  • the injector system 50 is connected to the evaluation and control unit 10 and controllable via this, ie, in particular, the delivery of the active ingredients can be influenced in terms of time and quantity.
  • nerves send out their processes on the basis of gradients of certain messenger substances, ie it may well be necessary, certain growth factors in the apply directly to the damaged area, but also in the target area.
  • the application of the active ingredients or growth factors directly on the cell body may be useful.
  • FIG. 2 also shows a preferred memory unit 60 in which the data D are stored, on the basis of which the evaluation and control unit 10 stores the data
  • the data D preferably comprise movement data BD for controlling the
  • Movement device as well as stimulation data SD for controlling the
  • Signal control unit which in turn generates at least a first 31, second 32 and third 41 stimulation signal according to the stimulation data.
  • the data D may also include data ID relating to drug delivery via the injector system.
  • the movement data BD, the stimulation data SD and optionally the injector system data ID form a data record.
  • the memory unit 60 may also store a plurality of such data records.
  • a power supply unit 130 is indicated, the
  • Moving device 20 the signal generator unit 30, the injector system 50 and / or the storage unit 60 directly or indirectly powered.
  • FIG. 2 also shows a preferred embodiment of a detector unit 70, which is designed such that it detects electrical brain signals and generates a detector signal 71 which is evaluated in the evaluation and control unit 10 connected to the detector unit 70.
  • the evaluation and control unit 10 is designed such that it the movement device 20 and the
  • Signal generator unit 30 in response to the evaluated detector signal 71 in accordance with data stored in the memory unit 60 data D drives.
  • the detector unit 70 is designed such that a hypnotic state of the brain is detected, and that during the duration of the hypnotic state, a predeterminable movement is carried out by means of the movement device 20.
  • 3 shows schematically a movement device 20 with two components 21, 22 connected to one another via a joint 23.
  • the components 21, 22 can be moved relative to one another by means of the actuator 24, wherein the actuator 24 can be actuated by means of the evaluation and control unit 10 in accordance with predetermined movement data is.
  • the movement device 20 may have substantially more components 21, 22, which are movable relative to one another, with respectively associated actuators 24.
  • a complete exoskeleton has a large number of components 21, 22 and actuators 24, with which, for example, rotational or bending movements are possible with the actuators through which the actuator 24 connects directly or indirectly
  • Components can be twisted or angled to each other.
  • the movement device 20 is preferably displaceable into a passive operating state in which the components 21, 22 are indeed movable relative to one another but are not actively moved by means of the actuator 24.
  • a motion sensor 25 which is provided on the movement device 20
  • the relative spatial position of the components 21, 22 can be detected, in particular even when the movement device 20 is set in the above-described passive operating state.
  • first movement sensor signals 26 can then be generated by means of the movement sensor system 25, which can be evaluated by means of the evaluation and control unit 10 and which reflect the passively executed movement sequence in the form of movement data BD.
  • the external memory unit 91 and / or the external evaluation and control unit 92 are connected wirelessly or by wire to the evaluation and control unit 10, for example, with the interface 90 arranged on the evaluation and control unit 10.
  • Movement device 20 is arranged on a body part 4 of a healthy person or is created in the case of an exoskeleton of a healthy person.
  • the healthy person performs a movement whose course is in the form of
  • Movement data BD should be stored.
  • the captured Motion sensor 25 the relative spatial position of the components 21, 22 and generates corresponding first motion sensor signals 26, which are transmitted to the connected to the motion sensor 25 evaluation and control unit 10.
  • Movement or a detailed illustrated motion in the form of motion data BD are stored.
  • the motion sensor 25 preferably also detects forces and / or torques occurring during movement on the movement device and generates at least one second motion sensor signal 28
  • Comparator unit 120 which compares the second motion sensor signal 28 with reference data R and generates a signal 29 at a deviation which exceeds a predefinable threshold. This is evaluated by the evaluation and control unit 10 connected to the comparator unit 120. In the simplest case, the appearance of the threshold of exceeding forces and / or moments is then displayed by means of an optical or an acoustic display 121.
  • Exceeding the predeterminable threshold which may indicate, for example, an increased voluntary movement of the body part by the patient, the further treatment is based on other data D. These can either already be stored on the memory unit 60 or the external memory unit 91 or can be determined by means of the evaluation and control unit 10. Exceeding the predetermined threshold can also be used as an indication of a defect of the movement device or a need for repair of
  • FIG. 4 shows a sensor system 80, by means of which a quantifiable change of state at the motor nerve conduction part 2, at the sensory nerve conduction part 3, at the
  • Skeletal muscle S and / or on the body part 4 can be detected.
  • the sensor system 80 generates a sensor signal 81, which is evaluated by the evaluation and control unit 10 connected to the sensor system 80.
  • Fig. 4 are
  • FIG. 4 a display module 11 connected to the evaluation and control unit 10 and an input module 12 are also shown in each case.
  • the evaluation and control unit 10 is a computer, the display module 1 1 a screen and the input module 12, a keyboard and / or a computer mouse.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment with a first sensor unit 100, which detects a natural, electrical nerve signal 101 intended for stimulating the skeletal muscle S and generates at least one first sensor signal 102, which is evaluated by means of the evaluation and detection means connected to the first sensor unit 100 Control unit 10 is evaluated.
  • the evaluation comprises at least one filtering, amplification and / or processing of the at least first sensor signal 102.
  • the evaluation of the sensor signal 102 makes it possible to filter out the natural nerve signal for controlling the skeletal muscle S from the noise or interfering signals, and one to this nerve signal
  • corresponding third stimulation signal 41 can be generated by means of the signal generator unit, which is applied by means of the applicator 40 on the skeletal muscle. Due to the interaction of the first sensor unit 100, evaluation and
  • Control unit 10 signal generator unit 30 and applicator 40 is virtually bridged by the motor nerve conduction part 2 interrupted by the separation point.
  • a second sensor unit 1 10 is provided for bridging the interrupted by the separation point sensory nerve conduction part 3, which detects an electrical nerve signal 1 1 1 connected to the skeletal muscle S sensory nerve 3 "and / or activity of the skeletal muscle S and at least a second Sensor signal 1 12 generated, which with the second
  • Sensor unit 1 10 evaluates connected evaluation and control unit 10. Here too As described above, the evaluation serves to obtain a second stimulation signal 32 corresponding to the natural signal.
  • the system according to the solution allows the damaged area in the reflex arc to be bridged in such a way that the reflex arc functionally remains in operation.
  • stem cells can be spent in the spinal cord, which differentiate in the nervous environment to nerve cells. In this case they replace the original nerve cell. The "waxing" of the new
  • Nerve cell can be favorably influenced by the administration of suitable messenger substances and / or growth factors.
  • Another possibility is to transplant nerve or "backer cells” from other tissues into the spinal cord, which in turn cause the
  • the system is characterized in that it can maintain the natural function of a reflex arc despite and after damage via the signal generator unit 30 and brings the damaged or replacing them new components in an environment that is conducive to regeneration and a natural degradation of biological structures as a result of a lack of intercellular
  • the signal generator unit 30 generates a first stimulation signal 31 that it applies via a first applicator 33 at a suitable location to the LMN. Furthermore, a second stimulation signal 32 is generated as feedback and via a second applicator 34 at a suitable location on the
  • Reflective arches which are causally related to the movement, are preferably considered (motor neurons of the type ⁇ ).
  • Applicator 40 at the same time as the first stimulation signal 31 or during the movement of the body part due to the activity of the movement device 20 is delivered to the muscle.
  • the contraction of the muscle now generates a sensory signal via the muscle spindle, which possibly runs dead due to the damaged reflex arc, but can be replaced by the second stimulation signal 32. However, it also generates all the other signals that have meaning in the context of other unaffected control loops. This prevents these secondary dependent control circuits from degenerating due to nonuse.
  • the regeneration of the corrugated reflex arc can, as described above, be positively supported by applying suitable factors such as messengers and / or growth factors.
  • the system takes this into account by having an injector system 50 that can spend it at the appropriate site of action. This site of action is to be individually identified.
  • the tasks of the control unit 10 are complex. Above all, the temporal sequence of the stimuli and the reactions to them are highly individual. The stimuli themselves are preferably complex, they are not just short on-off pulses. Rather, in the signals further coded information is transmitted to the nerve cells concerned, z. For example, in the case of the signal of the muscle spindle information about the degree of contraction of the muscle. From this information the LMN will then normally calculate the necessity and type of another signal to be transmitted.
  • the system is preferably able to adapt to current situations. This is done by being realized in the context of a learning neural network or a comparable adaptive approach of data processing. For this purpose, it stores data in a local storage unit 60.
  • the type of movement device 20 with which the movement of the body part is performed depends on the degree and type of damage. If it is z. B. affects an arm or the paralysis are not complete, a suitable orthosis 130 can be used. However, it may also be necessary to use a whole exoskeleton to z. B. in immobility immobility to be able to learn how to walk again. Exoskeleton and orthosis are controlled by the control unit 10 and the signal unit 30.
  • the movement patterns used for this purpose are likewise stored in the memory unit 60 and, if appropriate, are adapted to the respective current situation via the adaptive neural network. Modifications are stored in the memory unit in the form of type and reason. Preferably, due to these mutual
  • Control unit 10, signal generator unit 30 and the memory unit 60 are arranged, thus forming a self-sufficient unit.
  • the evaluation and control unit 10 and the storage unit 60 associated with it can be accessed by external systems. This can be wired or wireless. It enables data exchange with an external evaluation and control unit 92 and its external storage unit 91. In this way, not only data for evaluation purposes can be retrieved from the self-sufficient unit, but also be transferred to them to z. B. to compare the current movement patterns with those of other self-sufficient units and modify if necessary. In this way, not only can one learn a system that learns from local current situations, but also one that can take into account experiences from other systems. Multiple systems can thus form a mutually supportive network that becomes more effective the more subscribers it has.
  • the movement devices 20, which make up the orthosis or exoskeleton, can be activated by the evaluation and control unit 10, by which a signal can be given to an actuator 24, the two movably connected parts 21 and 22 of the orthosis or the exoskeleton relative to each other moves, z. B. over
  • Servomotors They also have a motion sensor 25, which detects this current relative position to each other and a first
  • Motion sensor signal 26 can be transmitted to the evaluation and control unit.
  • the motion sensor 25 will be able to work in the
  • the combination of both motion signals can then be used to describe the motion being performed and e.g. compare with reference data via a comparator unit 120. As a result of this comparison, the evaluation and control unit 10 can make an assessment of the signal 29 thus generated and respond to it.
  • the treatment of paralysis is highly individual, since the anatomical and physiological conditions are highly individual. It is thus necessary for the system to be able to learn the motion patterns to be performed, which it then has to perform as part of the reaction to the activities of the reflex arcs. Therefore, the system must have a mode of operation in which the orthosis or the exoskeleton can be moved passively, but it generates all sensor signals and transmits them to the evaluation and control unit. In this way, a sequence of sensor signals can be created, which allow the flow of a flowing,
  • Movement takes place with suitable therapeutic measures, eg. B. the Feldenkraisethode and / or the movements of healthy subjects. These signal sequences are stored as "movement patterns" in the memory unit 60.
  • Nerve impulses originating from the motor cortex or other parts of the brain responsible for the motor system can be assigned to these movement patterns and, if necessary, executed. Similar to the situation in the reflex arc, it is important that the motor centers in the brain receive feedback about a movement that has taken place. This feedback is not only required to keep the movement flowing, based on the resulting changes in actions. It also serves to preserve this essential information in the movement memory, how the movement is to be triggered. If this is not done, as it is the case with current measures, this could be the reason why the pure restoration of nerve cells in the spinal cord, by whatever method, has not yet shown the success one had expected. That could also explain why, on the other hand, in
  • the system should preferably have a mechanism which, even in the case of compromised pacing excitation, sends feedback to the brain centers involved in an initiated movement.
  • a first sensor unit 100 which can detect signals 101, which passes on the brain via the medulla oblongata to the spinal cord, and forwards them as detector signals 102 to the evaluation and control unit 10.
  • the latter analyzes the signals inter alia on the basis of the data D stored in the storage unit 60 and assigns them to a movement pattern which has also been "learned.” In this way, it can attribute a stored movement of the orthosis or the exoskeleton 130 to a clear stimulus of the brain Simultaneously, a third stimulation signal 41 is transmitted to the skeletal muscle (S) via the signal generator unit 30 and the applicator 40. This synchronizes the Simulation of the activity of the motor part of the reflex arc with the movement to be performed.
  • the feedback to the brain areas is in the form of a second sensor unit 1 10, which can detect a signal 1 1 1 of an intact sensory nerve SP, the sensor itself MS or an activity of the muscle S and generates a second sensor signal 1 12, via the evaluation and control unit 10 causes the stimulation unit 30 to trigger the second stimulation signal 32.
  • a second sensor unit 1 10 which can detect a signal 1 1 1 of an intact sensory nerve SP, the sensor itself MS or an activity of the muscle S and generates a second sensor signal 1 12, via the evaluation and control unit 10 causes the stimulation unit 30 to trigger the second stimulation signal 32.
  • Mechanism synchronizes the movement to be performed, in this case with the activity of the sensory part of the reflex arc.
  • the generated signals 26 to 29 of the motion sensor 25 can be brought into a relationship with the signals 101. This not only helps to provide feedback to the motor centers of the brain, but also to determine the type and timing of the first 31 and second 32 stimulation signals required to stimulate the reflex arc.
  • the neural network can define a basic setting with which the system can work, and then on to the patient concerned is adjusted by the self-learning system recognizes and makes necessary adjustment needs.
  • the data exchange 90 with others
  • Systems and controllers 91 and their storage systems 92 can then check the individual characteristics of other patients to see if they could be helpful to the current patient - and then appropriate ones
  • Hypnosis is possible. This condition can be determined by the derivation of the brain waves (EEG), since their frequency and amplitude are a measure of the activities of the brain. In the state of trance, the patient is still responsive;
  • the brainwaves referred to as theta waves in this state indicate that much of the cerebrum's activity has stopped - including movement.
  • the implementation of therapy under hypnosis / meditation thus seems to facilitate the analysis of the necessary signals, at least in a "learning phase" of the system.
  • Hypnosis / meditation is also beneficial for another reason.
  • the learning of movements is an unconscious process and thus deprived of arbitrary influence.
  • movements can be carried out arbitrarily; however, this is limited to a higher level of movement.
  • Muscles / muscle groups when, in which sequence and with what intensity are to be controlled, eludes the consciousness as well as the storage of the resulting motion patterns in the movement memory.
  • a detector 70 which can detect electrical brain signals, with which an evaluation of the current degree of consciousness is possible and this information via a detector signal 71 to the evaluation and
  • Control unit 10 transmitted. This can now make their ratings and resulting activities depending on the state of consciousness. It is conceivable, especially in the learning phase of the system, to allow movements only if the patient is in hypnosis.
  • the system must be able to span the full range from the complete execution of a movement (ideally) due to a brain signal without further natural activities (condition immediately after the onset of paralysis) to a purely supervising function (at the end of therapy ) to capture and estimate. This requires that the system be self-learning.
  • This information is important because it allows the system to
  • At least one sensor 80 which determines the activity of the nerve cell to be integrated or regenerating and generates a sensor signal 81 which is made available to the evaluation and control unit 10.
  • the number and location of these sensors 80 are individually dependent on the particular case. If only the motor part is corrupted, it has to sit at the LMN at a location that allows an assessment of whether the cell is alive and can send nerve impulses via an axon. If the sensory part is corrugated, this is analogous to the spinal ganglia.
  • Signals generated in this manner may also be used to control the injector system 50.
  • the solution-based system is primarily not intended to be used in the long term as a technical tool for improving the quality of life;
  • the system has primarily therapeutic significance with the aim of avoiding the system in the short to medium term, as long as it is no longer possible to restore it by using it as part of a therapy. Ideally, this will be the case once the function is fully restored.
  • the application of the invention serves for the widest possible restoration by plegia of lost abilities for movement, but also the therapy of incomplete paralysis ("paresis", eg peroneusparesis)
  • the patient With the exoskeleton / orthosis in a passive mode of operation, the patient performs the movements that the patient is to exercise by taking suitable measures such as the Feldenkrais method with / without hypnosis.
  • suitable measures such as the Feldenkrais method with / without hypnosis.
  • Motion sensor 25 on the movement device 20 detects the position of the components 21, 22 relative to one another as well as others occurring during the movement Changes, eg. For example, linear and angular accelerations (see Fig. 3) and gives them as the first movement signals 26 to the control unit 10, which this
  • Control unit 10 can be presented for consideration.
  • the movement data determined in this phase also serve as reference data R with which the comparator unit 120 later compares the second movement signal 28 in an active operating mode and possibly generates the signal 29.
  • control unit 10 also detects the signals 81 of the sensors 80 (see Fig. 4). It can thus determine which components of the
  • Control circuit, motor and / or sensory information are naturally still generated during movements and in what quality. In this way it is possible to decide which of the stimulation signals 31, 32 must be generated by the signal generator unit 30 in the later active phase and in which strength (see FIG. 1).
  • the signal 101 possibly coming from the UMN is detected via the first sensor unit 100 and sent to the first sensor signal 102
  • Control unit 10 transmitted.
  • the feedback signal 1 1 1 which is intended for the feedback to the sensory nerve cell in the brain and, so present, detected by the second sensor unit 1 10 and transmitted in the form of the second sensor signal 1 12 to the control unit 10.
  • the control unit 10 can detect the interplay of the two interlocking control circuits and, if necessary, generate via the signal generator unit 30 the signals 32 and 41 which are required for the maintenance of the superordinate control circuit and the preservation of the movement memory (see Fig. 5).
  • the motion patterns determined in the passive learning phase are now used to be executed either individually or in any context.
  • the processes to be learned can be repeated as often as desired. You will either have suitable inputs and
  • Output devices 1 1 and 12 selected (see Fig. 4) or, as possible, by
  • control unit 10 controls the movement unit 20 and specifically the actuator 24, which moves the components 21 and 22 about the hinge 23 relative to each other (Fig. 3).
  • the data is detected by the motion sensor 25 and returned via the first motion sensor signal 26 to the control unit 10 as feedback.
  • the comparator unit 120 is caused to supply the data with the stored reference values R via the second motion sensor signal 28
  • Changes occurring here of the movement pattern carried out are stored in the storage unit 60 in order, if necessary, simultaneously or later on the
  • Interface 90 to be forwarded to the external control unit 92 for evaluation, which also stores them in the external memory unit and
  • Stimulation signals 31, 32 and 44 possible. The goal is to be able to do without it in the long term.
  • the active learning phase is a cyclic process consisting of the execution of stored movement patterns, the associated movement, the detection of the resulting sensor signals, their evaluation and the resulting adaptation of the movement patterns and signals as well as their storage in external databases. It is complete, if not
  • Adaptations are more necessary and the system has all the necessary data. It also serves to analyze the complex patterns detected as the first sensor signal 102 by the first sensor 100 and to filter out the signals corresponding to the drive of the desired muscle.
  • the training phase differs from the active learning phase only in the sense that the system no longer makes changes to the motion / signal patterns.
  • the sensor signals 81 are also detected and evaluated; however, the evaluation at this stage merely serves to determine how far the system can withdraw from the coercive and later assistive operations. It is terminated when either no stimulation signals 31, 32 and / or 41 are required (restitutio ad

Abstract

Beschrieben wird ein System zur Regeneration wenigstens einer durchtrennten Nervenleitung (1) in einem lebenden menschlichen oder tierischen Körper, mit einer Bewegungsvorrichtung (20), mit der ein Körperteil (4) des menschlichen oder tierischen Körpers bewegbar ist, das wenigstens einen mit der durchtrennten Nervenleitung (1) ansonsten innervierbaren Skelettmuskel (S) enthält, mit einer Signalgeneratoreinheit (30), die ein erstes elektrisches Stimulationssignal (31) und ein zweites elektrisches Stimulationssignal (32) erzeugt,sowie mit einer Auswerte- und Steuereinheit (10), die die Bewegungsvorrichtung (20) sowie die Signalgeneratoreinheit (30) derart aufeinander abgestimmt ansteuert, dass die Signalgeneratoreinheit (30) das erste Stimulationssignal (31) über einen ersten Applikator (33) an den vom Skelettmuskel (S) separierten Nervenleitungsteil(2) appliziert und in zeitlicher Koinzidenz dazu die Bewegungsvorrichtung (20) das Körperteil (4) bewegt und dass zeitlich während oder nach der Bewegung des Körperteils (4) die Signalgeneratoreinheit (30) das zweite Stimulationssignal (32) über den ersten (33) oder einen zweiten Applikator (34) an den vom Skelettmuskel (S) separierten Nervenleitungsteil(3) appliziert.

Description

System zur Regeneration wenigstens einer durchtrennten Nervenleitung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Regeneration wenigstens einer durchtrennten Nervenleitung in einem lebenden menschlichen oder tierischen
Körper. Solche durchtrennten Nervenleitungen können Resultat eines Traumas sein, beispielsweise in Folge eines Unfalls oder eines missglückten chirurgischen Eingriffs, eines Tumors des zentralen Nervensystems, einer Infektion oder einer
Autoimmunerkrankung auftreten, die sich in einem Ausfall oder zumindest einer Störung der Weiterleitung von Nervenreizen aus den Steuerzentren (Gehirn,
Rückenmark) zum Zielgewebe in der Peripherie, z.B. Muskeln oder Organe, und/oder von dort zurück äußert und einen vollständigen oder zumindest teilweisen Funktionsausfall des betreffenden Zielgewebes zur Folge hat.
Im Folgenden werden die von den Steuerzentren zu den peripheren Zielgeweben verlaufenden Nervenleitungen als„motorische Nervenleitungsteile" und die von den peripheren Zielgeweben zurücklaufenden Nervenbahnen als„sensorische
Nervenleitungsteile" bezeichnet. Stand der Technik
Der menschliche Bewegungsablauf umfasst einen komplexen Vorgang, der sich auf drei Ebenen abspielt:
1 . der anatomischen/physiologischen Ebene
2. der funktionellen Ebene und der
3. kybernetischen Ebene
Jede dieser Ebenen besteht wiederum aus einer Anzahl von Sub-Ebenen. Die anatomische/physiologische Ebene
Der wichtigste zugrundeliegende Teil wird von anatomischen Komponenten des Körpers gebildet, den Gelenken, Muskeln, Sehnen, Nervenzellen und Nerven, wovon den Nerven eine besondere Rolle zukommt, da sie aufgrund physiologischer
Prozesse kybernetische Informationen in Form von Nervenreizen von einer Stelle des Körpers, einer Steuerzentrale, zu einer anderen, dem gesteuerten Element, und zurück transportieren. Sie sind die biologischen Informationsleiter analog zu elektrischen Leitungen oder Glasfasern in der Technik.
Nerven bestehen aus einzelnen Nervenfasern, den„Zu- und Ableitungen" einer Nervenzelle (Neuron). Man kennt zwei grundsätzliche Arten: Zum einen Neurite, also Zellfortsätze, die einen Reiz vom Zellkörper weg an das Ende des Fortsatzes der Nervenzelle transportieren („ableiten"; efferent), wo er dann auf andere Nervenzellen oder Muskeln übertragen wird; sind diese Leitungen von einer isolierenden Schicht aus Gliazellen („Schwann'sche Zellen") ähnlich der Kunststoffummantelung von Stromleitungen umgeben, nennt man sie Axone, siehe Fig. 6. Zum anderen Dendrite, die der Aufnahme eines Reizes von einer anderen Nervenzelle oder einer
Sensorzelle dienen und ihn in Richtung Zellkörper leiten („zuleiten", afferent). In der Regel hat eine Nervenzelle mehrere Dendriten aber nur einen Neuriten bzw. ein Axon. Allerdings kann die Länge der Dendriten sehr unterschiedlich und manchmal ähnlich lang sein wie ein Axon (sensorische Nervenfasern der Spinalnerven), das beim Menschen bis zu 1 Meter lang sein kann. Neuriten enden in„Synapsen", kontaktfreien Verbindungen zwischen einer Nervenzelle und einer Zelle, z. B. einer weiteren Nerven-, aber auch Drüsen- oder Muskelzelle; der Übergang von einer Nerven- auf eine Muskelfaser wird oft auch als„motorische Endplatte" bezeichnet. Auch die Reizaufnahme durch die Dendriten erfolgt über Synapsen.
Dienen Nervenzellen der Übertragung von Anweisungen aus dem„zentralen
Nervensystem" an Muskeln oder Muskelgruppen„in der Peripherie", spricht man von motorischen Signalen; die sie weiterleitenden Nerven heißen„motorische Nerven", ihre Nervenzellen Motoneurone (engl.: motor neuron) und die Nervenfasern „motorische Nervenfasern". Sie sind vom„Typ A, Subtyp a".
Daneben gibt es auch Nervenzellen, die Signale über die erfolgreiche Umsetzung eines motorischen Signals des Typs Aa aus der Peripherie zurück in das zentrale Nervensystem weiterleiten (Sensorische Neurone). Sie sind, aus Sicht der
Kybernetik, ebenso bedeutungsvoll wie die Motoneurone, da sie einen Feedback auf die Aktion vermitteln. So befinden sich in und an Muskeln spezielle anatomische Strukturen, Sensoren wie z. B. die Muskelspindeln (MS) oder die Golgi- Sehnenorgane, die eine Muskelkontraktion feststellen und über den aktuellen
Dehnungszustand eines Muskels Auskunft geben können. Diese sensorischen Signale werden von sensorischen Nervenzellen weitergeleitet. Steuerungstechnisch komplex wird ein aus solchen motorischen und sensorischen Nervenzellen gebildeter Rückkoppelungsmechanismus, da die Empfindlichkeit solcher Sensoren von der Muskeldehnung abhängig ist und damit anhand des Dehnungszustandes
„nachjustiert" werden muss („Vorspannung"). Für diese Aufgabe gibt es andere motorische Nervenzellen (Typ A, Subtyp γ)
In einem Nerven können nicht nur motorische sondern auch sensorische
Nervenfasern verlaufen. Und es können unterschiedliche Typen von motorischen (Aa und Αγ [Muskeln] sowie B und C [Organe]) und sensorischen Fasern (Typ la
[Muskelspindel], Ib [Golgi-Sehnenorgan], II [Berührung, Druck, Vibration], III
[Temperatur,„schneller" Schmerz; Reflexauslösung] oder IV [„langsamer" Schmerz; Schmerzwahrnehmung]) in ihm zusammengefasst sein. Nerven können zu einzelnen Muskeln gehen oder zu Muskelgruppen, wobei sich dann der Nerv in verschiedene Äste aufteilt.
Die funktionelle Ebene
Der„motorische Cortex", also die Hirnregionen in der Großhirnrinde, in dem die Planungen über bewusste und unbewusste Bewegungen erfolgen, stellt die oberste funktionelle Ebene der Bewegung dar. Die unterste funktionelle Ebene sind dann die Muskeln, Sehnen und Gelenke, die für die Durchführung dessen zuständig sind, was als Bewegung bezeichnet wird. Dazwischen befindet sich das Rückenmark, das einerseits eigenständig Bewegungen initiieren kann (Reflexe), andererseits als „Schaltstelle" zwischen Gehirn und Muskel dient. Diese vermittelnde Ebene ist für die Erfindung von besonderer Bedeutung.
Die funktionelle Ebene wird durch biologische Regelkreise realisiert. Auf der niedrigsten Sub-Ebene handelt es sich hierbei um einen einfachen„Reflexbogen". Bekanntestes Beispiel für einen solchen Reflexbogen ist der Patellasehnenreflex (Kniescheibensehnenreflex). Durch einen leichten Schlag auf die Patellasehne mit einem Reflexhammer wird der ansitzende Skelettmuskel (S) kurzzeitig überdehnt. Dies wird von einem Sensor im Muskel, der Muskelspindel (MS), registriert. Als Reaktion auf die Überdehnung sendet diese Spindel über einen sensorischen Nerv ein Signal vom Muskel ins Rückenmark. Dieser sensorische Nerv stellt die eine Hälfte eines Reflexbogens dar. Die zweite Hälfte wird durch einen motorischen Nerv gebildet. Durch die Reizung eines Motoneurons (vom Typ a) wird ein Signal über eine als motorische Endplatte bezeichnete Nerven-Muskel-Verbindung auf einen Skelettmuskel übertragen, was diesen in der Folge und als Reaktion kontrahieren lässt. Motorische Nerven„innervieren" damit einen Muskel.
Auch auf der obersten Sub-Ebene kommt ein einfacher Regelkreis ähnlich dem Reflexbogen zum Einsatz. Hier steuert ein motorisches Neuron die Aktivitäten eines motorischen Neurons eines Reflexbogens, um eine Muskelkontraktion zu bewirken. Es erhält einen Feedback über ein zweites sensorisches Neuron, dass wiederum seine Information vom sensorischen Neuron des Reflexbogens oder aber einer anderen sensorischen Quelle erhält.
Bewegung auf funktioneller Ebene ist die Verschaltung mindestens zweier
Regelkreise miteinander.
Die kybernetische Ebene
Mit diesen beiden Ebenen alleine aber lässt sich Bewegung nicht durchführen. Daher gibt es noch die dritte Ebene: die kybernetische. Sie besteht in einer Sammlung von Informationen („Bewegungsmuster"), wann welche anatomischen und
physiologischen Prozesse in welcher Abfolge wie stark zu erfolgen haben und über die funktionellen Regelkreise auszuführen sind.
Die kybernetische Ebene ist immaterieller Art. Bilden anatomische, physiologische und funktionelle Ebenen die„Hardware" jeglicher Bewegung, ist der kybernetische Teil die„Software", die zu Bewegung führt.
Mit diesen drei Teilaspekten von Bewegung ist die Komplexizität des Vorgangs nur vereinfachend dargestellt. So sind neben Großhirn und seinen motorischen Zentren, motorischen und sensorischen Nervenfasern und Muskeln, Gelenken und Sensoren noch weitere Organe des Menschen in das Phänomen Bewegung involviert, z. B. das Kleinhirn, das eine Hauptfunktion bei der Koordinierung und Durchführung von Bewegung hat, das Gelichgewichtsorgan oder das Rückenmark, das es ermöglicht, in lebensbedrohlichen Sondersituationen ohne jegliches Eingreifen des Gehirns Bewegungen durchzuführen, die das Ziel haben, den Menschen schnellstmöglich aus der gefährlichen Situation zu bringen.
Wie komplex Bewegung und die dabei ablaufenden Prozesse sind, erkennt man deutlich daran, wie Menschenkinder lernen, sich zu bewegen. Vor allem das laufen lernen ist ein langwieriger und komplizierter Prozess, da sich Menschen auf zwei Beinen fortbewegen und auf zwei Beinen senkrecht entgegen den Regeln der Mechanik stabil und zuverlässig stehen können. So ist das Laufen im Prinzip nichts anderes als eine kontrollierte Bewegung des Massenschwerpunkts über einen „stabilen" Punkt, dem Standpunkt der Beine und Füße liegt, hinweg: Dieser Beginn eines Falls muss abgefangen werden, um einen Sturz zu verhindern. Gleichzeitig muss der Schwung, der dafür erforderlich ist, zunächst erzeugt und solange aufrechterhalten werden, bis die Bewegung zu Ende ist. Soll nun auch noch die Geschwindigkeit verändert werden, mit der das passiert, wird die Sache noch komplizierter.
Auch das Stehen ist nicht trivial. Keines der involvierten Gelenke verfügt über einen Einrastmechanismus, der Stabilität gewährleistet. Beim Stehen muss also dafür gesorgt werden, dass Abweichungen der Gelenkstellungen, aus welcher Ursache auch immer, exakt so durch Muskelkontraktionen kompensiert werden, dass sich keine physikalischen Momente ergeben, die Ursache für eine ungewollte Bewegung sein könnten. Auch vermeintlich starre Bewegungslosigkeit ist danach,
mikroskopisch betrachtet, eine kontinuierliche Folge von Mikroaktivitäten von
Muskeln und Gelenken. All dies zeigt sich deutlich, wenn man Menschenkinder in der Phase beobachtet, in der sie Stehen, Laufen und Rennen lernen. Entsprechend lange Zeit dauert es, bis sie das flüssig können.
Bewegung ist das Ergebnis eines Lernprozesses. Gerade dieser Aspekt ist wichtig. Und wie jeder Lernprozess wird das Gelernte in einem Gedächtnis abgelegt. Dieses „Bewegungsgedächtnis" untersteht dem Kleinhirn. Dieses greift unbewusst darauf zurück. So ist Bewegung zum weitaus überwiegenden Teil ein unbewusster Vorgang, auch wenn er bewusst initiiert wurde: Man kann zwar bewusst von Tisch aufstehen und in die Küche gehen wollen; und dies dann auch initiieren. Was dann aber erforderlich wird, diesen Plan rein physisch umzusetzen, entzieht sich vollständig unserem Bewusstsein und unserer Kontrolle: Wir wissen weder, welche
Muskeln/Muskelgruppen wann und in welcher Reihenfolge in welcher Stärke aktiviert und entspannt werden müssen noch ob das dann auch tatsächlich erfolgt. Wir merken lediglich anhand anderer Sinneswahrnehmungen (Auge, Ohr), dass wir unseren Standpunkt gemäß unserem Vorhaben verändern. Selbst Informationen, die unser Lage- und Gleichgewichtsorgan dazu beiträgt, werden uns nicht bewusst. Bewegung ist somit ein komplexer Vorgang, der auf abgespeicherten Bewegungsmustern basiert, die im Rahmen eines selbstlernenden Prozesses im Kindesalter erarbeitet und optimiert wurden. Die Komplexität lässt sich auch daran erkennen, welchen Aufwand wir bei vergleichsweise bescheidenen Resultaten betreiben, um Laufrobotern einen menschenähnlichen Gang beizubringen. Ein einfacher Ersatz von„Hardware" in Form von Stammzellen,
Nervenzelltransplantation oder Reaktivierung kompromittierter Nervenzellen und „einfachen" Rehabilitationsmaßnahmen, wie sie heute angewandt werden, kann keine Heilung erzielen, da er den Schaden zwar auf anatomischer und funktioneller Ebene repariert, die anderen Ebenen aber unberücksichtigt lässt.
Für eine Wiederherstellung von Bewegung nach einer Plegie oder auch nur einer Parese muss ein erneuter Lernprozess wie im Kleinkindalter hinzukommen: Dies sind die bislang durchgeführten Maßnahmen im Rahmen eine Rehabilitation. Das Problem aus kybernetischer Sicht ist hierbei, dass„Reparatur" auf
anatomischer/physiologischer Ebene und Bewegungstraining nicht koordiniert erfolgen und nicht die Besonderheiten von Regelkreisen berücksichtigen: Aktion und Feedback. Erschwerend hinzu kommt, dass, anders als im Kindesalter, die grundlegenden anatomischen und physiologischen Voraussetzungen unter der Rehabilitationsmaßnahme neu eingebunden werden müssen, da sie funktionell noch nicht funktionsfähig sind. Eine geeignete Rehabilitationsmaßnahme ist daher wünschenswert.
Wie alles Gelernte kann auch Bewegung wieder verlernt werden. So wie
Schulwissen, das man lange nicht mehr„gebraucht" hat, irgendwann einmal gelöscht, zumindest aber verdrängt wird, können auch Bewegungsmuster wieder gelöscht oder verdrängt werden. Ist das erfolgt, müssen sie ersetzt werden.
Gemäß der Komplexität von Bewegung ist auch dieser Prozess sehr komplex. Denn einmal erlernte Bewegungsmuster lassen sich durchaus auch nach langer Zeit der Nichtnutzung wieder abrufen (Autofahren,„Fahrradfahren verlernt man nicht", etc.) Allerdings nur dann, wenn dabei die Art und Abfolge der im Bewegungsmuster abgelegten kybernetischen Informationen, die auf den anatomischen/physischen Voraussetzungen basieren, die gleichen geblieben sind und sich problemlos verwenden lassen. Ist das nicht der Fall, z. B. weil Nerven und oder Muskeln entfernt werden mussten, wird die entsprechende Information aus dem
Bewegungsgedächtnis entfernt. Dies zeigt sich z. B., wenn Eingriffe an den motorischen Zentren im Gehirn vorgenommen werden mussten oder nach
Schlaganfällen. Häufig müssen hier die Patienten einzelne Bewegungen wieder neu lernen: durch andauernde Übung und Versuch und Irrtum - den Elementen selbstlernender Systeme. Im Unterschied zu den klassischen
Rehabilitationsmaßnahmen werden hierbei die Bewegungsmuster, die„Software", anhand der funktionellen Regelkreise neu aufgebaut („programmiert").
Zusammengefasst bedeutet das, dass für die Ausführung von Bewegung auf der anatomischen Ebene erforderlich ist:
1 . Ein Regelkreis auf niedrigster Ebene, mit dem Signale an Muskeln abgegeben werden können. Dieser ist bei Mensch und Tier in Form von Reflexbögen realisiert, die aus mindestens einer motorischen und einer sensorischen
Nervenzelle bestehen: Zum einen die motorische Nervenzelle („Zweites
Motoneuron", LMN nach englisch lower motor neuron), deren Zellkörper in der Grauen Substanz des„Motorischen Vorderhorns" im Rückenmark sitzt und deren signalübermittelnde Nervenfaser, ihr„Axon", das Rückenmark als Teil eines „Spinalnerven" verlässt, um zusammen mit der sensorischen Nervenfaser und weiteren motorischen und sensorischen Nerven als„Nerv" in die Peripherie zu dem Muskel zu gehen. Zum anderen die sensorischen Nervenzelle, deren
Zellkörper als„Spinalganglion" in unmittelbarer Nähe der Wirbelsäule an ihrer Außenseite angesiedelt ist. Der an Muskel und/oder Sehne sitzende Sensor übermittelt den Feedback nun über die sensorische Nervenfaser, die hier vom Dendriten der Sensorischen Nervenzelle gebildet wird, und die Teil des o. g.
„Nerven" ist, an diesen Zellkörper. Deren Axon tritt als Teil des Spinalnerven in die Wirbelsäule in die Graue Substanz des„Sensorischen Hinterhorns" in das Rückenmark ein. Es wird nun im einfachsten Fall direkt, also über nur eine
Synapse („monosynaptisch"), in vielen Fällen aber auch indirekt unter
Zwischenschaltung von„Interneuronen" („polysynaptisch") mit dem Dendriten des LMN verbunden: Der Regelkreis ist damit anatomisch und physiologisch
geschlossen. Über diesen Regelkreis sind„Reflexe" möglich, d. h. Bewegungen, die sich jeglicher Willkür und Einflussnahme durch höhere Bewegungszentren entziehen. Evolutionär handelt es sich um die primitivsten Bewegungsabläufe von Wirbeltieren. Sie stellen die Basis jeder Bewegung dar. Ein Regelkreis, über den von höheren Bewegungszentren aus Einfluss auf diese grundlegenden Regelkreise nach 1 . genommen werden kann. Dieser funktioniert nach demselben Prinzip: Es gibt eine motorische Nervenzelle (Erstes Motoneuron, UMN nach englisch upper motor neuron) im Gehirn, z. B. in den für Bewegungen zuständigen motorischen Hirnzentren. Sie entsendet ihr Axon über Hirnstamm und verlängertes Mark in die Wirbelsäule. Dort ist es über eine Synapse entweder direkt oder unter Mitwirkung von zwischengeschalteten verstärkenden oder hemmenden Interneuronen mit dem LMN berührungsfrei verbunden. Auf diese Weise kann der Regelkreis aus 1 . von außen angesteuert werden.
Auch dieser Regelkreis benötigt einen sensorischen Teil für ein Feedback. Daher existiert auch hier eine sensorische Nervenzelle, die die Verbindung zwischen dem Regelkreis im Rückenmark und den höheren Bewegungszentren herstellt. Sie kann ihre Information aus zwei Quellen beziehen: Entweder über die Nutzung von Interneuronen bei der Verschaltung der Komponenten des Basisregelkreises. Oder über eine zusätzliche sensorische Nervenzelle, die ihren Ursprung auch an Muskel und/oder Sehne hat, nicht aber mit dem LMN verschaltet ist und
ausschließlich der Information höherer Zentren dient (z. B.„Schmerzbahnen"). „Absteigende, motorische Nervenfasern" von den Ersten Motoneuronen und „Aufsteigende, sensorische Nervenfasern" bilden die„Weiße Substanz" des Rückenmarks. Die motorischen Nervenfasern bilden hierbei die„Pyramidalen" und „Extrapyramidalen" Bahnen des„Vorder-" und„Seitenstrangs" aus, die
sensorischen die„Hinter-" und„Vorderseitenstrangbahnen". Das Rückenmark ist somit ein komplexes System mit eigener, wenn auch primitiver Intelligenz („Reflexe"), das von außen für gezielte Bewegungen über die
Nervenverbindungen zum Gehirn genutzt werden kann.
Plegie („Lähmung") ist nun ein Zustand nach Verletzung von Nervenbahnen infolge eines Traumas, missglückter chirurgischer Eingriffe (z. B. Korrektur eines
Bandscheibenvorfalls), eines Tumors des Zentralen Nervensystems oder
Nervengewebeuntergangs infolge einer Infektion oder einer Autoimmunerkrankung (z. B. Multiple Sklerose), der sich in Störung bis Ausfall der Weiterleitung von
Nervenreizen aus den Steuerzentren (Gehirn, Rückenmark) zum Zielgewebe in der Peripherie (motorisch: Skelettmuskeln, Muskeln von Harnblase und Enddarm), zu Organen (vegetativ: Harnblase, Enddarm, Kreislauf) und von dort zurück
(sensorisch) äußert und einen vollständigen Funktionsausfall („Paralyse") des betreffenden Zielgewebes zur Folge hat. Er beruht letztlich auf einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung mindestens einer beteiligten Nervenzelle und/oder ihrer Fortsätze, sodass der Regelkreis und/oder seine Ansteuerung aus den
übergeordneten Hirnzentren funktionell und physiologisch unterbrochen sind.
Dabei spielt der Ort dieser Zerstörung eine entscheidende Rolle: Die moderne Medizin ist heute oft in der Lage, periphere Nerven, also die motorischen und sensorischen Nervenfasern solcher Regelkreise, in der Peripherie chirurgisch zu restaurieren. Das ist die Grundlage von erfolgreichen Retransplantationen
abgetrennter Gliedmaßen nach neurochirurgischen Operationen. Auch
Sinneswahrnehmungen nach Durchtrennung von peripheren sensorischen
Nervenbahnen, z. B. bei Brüchen, lassen sich häufig wiederherstellen; oft erfolgt dies auch spontan, da der Körper die Fähigkeit hat, Nervenbahnen neu aufzubauen, wenn die betroffenen Nervenzellen ansonsten noch weitgehend intakt sind.
Erforderlich hierzu sind jedoch die geeignete Stimulation der entsprechenden Nervenzelle und eine ansonsten intakte Umgebung, in der die Regeneration ungestört verlaufen kann. Dies ist aber umso seltener möglich, je näher der Schaden an der Wirbelsäule besteht und, zumindest neurochirurgisch, praktisch unmöglich, wenn er im
Rückenmark auftritt. Vor allem die Zerstörung des Zweiten Motoneurons, aber auch das Kappen der Verbindung zwischen UMN und LMN führen in der Regel zu einer irreparablen„Denervierung" der Muskeln oder Muskielgruppen, die vom LMN innerviert werden. Das Ergebnis ist eine Paralyse einzelner Muskeln oder
Muskelgruppen mit dem Effekt, dass keine Bewegung mehr ausgelöst wird (werden kann). Beim„spinalen Querschnittsyndrom" („Querschnittslähmung") treten so Plegien ganzer Gliedmaßen oder Gliedmaßenabschnitte auf.
Infolge der großen Bedeutung der Extrapyramidal- und Pyramidenbahn des
Rückenmarks (Verbindungen zwischen UMN und LMN) kommen Plegien auch bei Schäden des motorischen Cortex (Rinde von Groß- und/oder Kleinhirn) vor. Die Schädigung der Nerven des Plexus brachialis (Geflecht aus verschiedenen
Spinalnerven des Hals- und Brustwirbelbereichs [C4-Th2], die die oberen
Extremitäten und die Brustwand innervieren) und Plexus lumbosacralis (Geflecht aus verschiedenen Spinalnerven des Lenden- und Sakralbereiches [Th12-S5], die die unteren Extremitäten, die Bauchwand und das Becken innervieren) kann ebenfalls zum Ausfall einzelner Muskelgruppen führen.
Anhand der Symptome nach solchen Nervenschädigungen kennt man folgende Formen von Plegien:
• Monoplegie: vollständige Lähmung einer Gliedmaße oder eines
Gliedmaßenabschnitts (z.B. Unterarm)
• Hemiplegie: vollständige Lähmung einer Körperhälfte
• Paraplegie: vollständige Lähmung der unteren oder oberen Extremitäten
• Tetraplegie: vollständige Lähmung aller Extremitäten
Welche dieser Formen nach einer Schädigung des Nervengewebes auftritt, ist definiert durch den Ort, an dem sie stattgefunden hat. So nehmen die
Ausfallerscheinungen von kaudal („unten" beim Menschen) nach kranial („in Richtung Kopf") zu. Eine Verletzung der Halswirbelsäule, unmittelbar in der Gegend der ersten Halswirbel, kann zu Tetraplegie, der schwersten Form der Paralyse führen, da hier das gesamte Rückenmark unterhalb des Kopfes von steuernden Impulsen aus dem Gehirn abgeschnitten und somit keinerlei Körpermuskel mehr innerviert ist. Liegt der „Querschnitt" des Schadens tiefer (kaudal), spricht man vulgo von
„Querschnittslähmung". Dann sind ggf. noch Schultern beweglich, der Oberkörper samt Händen und Armen oder sogar der Rumpf oberhalb des Beckens. Liegt er höher („Genickbruch"), ist das in der Regel mit dem Leben nicht mehr vereinbar, da dann u. a die Atemmuskulatur gelähmt wird.
Plegie ist damit ein höchst individueller Zustand, der nicht mittels standardisierter Verfahren adäquat behandelt werden kann. Je nach Ursache, individueller
Ausprägung, Lokalisation und Schwere des Schadens sowie physischer und psychischer Verfassung des Betroffenen müssen unterschiedliche
Behandlungsmethoden, ggf. in Kombination miteinander, eingesetzt werden. Ein wesentlicher und oft unterschätzter Faktor ist hierbei die Psyche des Patienten: Er muss den Zustand überwinden wollen.
Kompliziert wird die Situation, wenn der Ort der Zerstörung nahe an oder
schlimmstenfalls in der Wirbelsäule liegt. Neurochirurgische Eingriffe an oder in der Wirbelsäule, im Rahmen derer einzelne Nervenbahnen restauriert werden können, sind nach aktuellem Stand der Wissenschaft praktisch unmöglich. Dies ist der Grund, warum Plegien bislang als unheilbar gelten und medizinisches Handeln lediglich darin besteht, die Lebensqualität des Patienten zu verbessern. Dies erfolgt, indem durch geeignete Rehabilitationsmaßnahmen das nach heutigem Stand physisch Maximale an Beweglichkeit hergestellt wird. Die verbliebenen Ausfälle werden dann so gut es geht mit medizintechnischen Möglichkeiten kompensiert. Dazu gehören Gehilfen, Rollstühle, Exoskelette aber auch Orthesen oder Reizstromgeneratoren, die Teilbewegungsabläufe durchführen, indem sie messen, wann eine
„übergeordnete" Muskelkontraktion erfolgt und dann zeitlich geeignet versetzt einen anderen Muskel stimulieren oder die zusätzliche Bewegung durch die Orthese ausführen lassen (z. B. Fußhebeorthesen, FES - funktionelle Elektrostimulation). Ermöglicht durch Erkenntnisse aus neueren wissenschaftlichen Disziplinen wie Zellbiologie, Biochemie und Biotechnologie und aufgrund der Fortschritte in den Neurowissenschaften (funktionelle bildgebende Verfahren) versucht man seit einigen Jahren, Plegien auf adäquatere Art zu behandeln, indem man für eine Restauration des betroffenen Regelkreises sorgt. Dies führte zu den bis heute entwickelten Verfahren, noch vorhandene, verletzte Nervenzellen über die Anwendung von Botenstoffen und Wachstumsfaktoren dazu zu bringen, erneut in Richtung des Zielgewebes auszusprießen und die kompromittierte Nervenfaser so zu ersetzen. Hierbei kommen neuerdings auch aufgrund neuerer Erkenntnisse sog.
bahnbrechende Zellen wie olfaktorische Stützzellen zum Einsatz, die Nervenzellen helfen sollen, ihren Weg in das Zielgebiet zu finden. Diese Versuche sind teilweise erfolgreich verlaufen, brachten allerdings bis heute nicht den erwarteten Durchbruch.
Andere Ansätze ersetzen die zerstörte Nervenzelle durch neue. Dies erfolgt vor allem, wenn die ursprüngliche Zelle nicht mehr reaktiviert werden kann - weil sie irreparabel zerstört wurde oder die Zeit zwischen Schaden und Therapiemaßnahmen zu lang ist. Hierbei kommen Stammzellen zum Einsatz, die sich unter geeigneten Bedingungen und in geeigneter Umgebung zu Nervenzellen differenzieren. Alternativ werden auch andere Nervenzellen transplantiert. Ziel ist, die anatomischen und physiologischen Voraussetzungen für einen intakten Regelkreis wiederherzustellen. Das ist in Einzelfällen auch schon geglückt. Aber auch hier konnte bislang kein bahnbrechender Erfolg gezeigt werden.
Grund ist, dass es mit einer solchen reinen„Reparatur" der anatomischen und physiologischen Voraussetzungen nicht getan ist: Die Regelkreise müssen funktionell wieder in Gang gesetzt und gehalten werden, was bedeutet, dass das Zusammenspiel zwischen Aktion (motorischer Impuls) und Reaktion (sensorischer Feedback) wiederhergestellt werden muss. Dies aber erfolgt erst mit teilweise großen zeitlichen Abstand zum Eingriff, wenn überhaupt: Nervenfasern müssen erst (wieder) in das Zielgebiet wachsen, die synaptischen Verbindungen innerhalb des Reflexbogens selbst, aber auch zu Interneuronen und den höheren Gehirnzentren müssen wiederhergestellt werden usw.
Ob der Schaden also nach einem o. g. Eingriff überhaupt funktionell wieder behoben werden kann, und wenn, in welchem Ausmaß, hängt entscheidend davon ab, dass die Funktion des betreffenden Reflexbogens über den Zeitraum, bis die
physiologischen Voraussetzungen dafür wieder bestehen, erhalten bleibt. Die natürliche Funktionsweise des Reflexbogens muss daher möglichst weitgehend simuliert werden.
Bislang werden Patienten, die eine Schädigung/Durchtrennung einer Nervenleitung oder eine Querschnittslähmung erlitten haben mit Hilfsmitteln wie Rollstühlen, Orthesen oder künstlichen Exoskeletten versorgt.
Als Beispiel seien Orthesen genannt, die bei Schlaganfallpatienten eingesetzt werden, die ihren Fuß nicht mehr selbst anheben können. Bekannte Orthesen weisen Elektroden auf, über die die für die Anhebung des Fußes verantwortlichen Muskeln während des Gehens stimuliert werden.
Künstliche Exoskelette sind äußere Stützstrukturen, die rein mechanisch ausgebildet sein können, die jedoch auch als am Körper tragbare Roboter betrachtet werden können, die die Bewegungen des Trägers unterstützen beziehungsweise verstärken, indem zum Beispiel Gelenke des Exoskeletts durch Servomotoren angetrieben werden. Solche Exoskelette werden zumindest im Rahmen von Studien für die Rehabilitation bei Lähmungen eingesetzt.
Die genannten Vorrichtungen ermöglichen zwar eine bessere Bewältigung des Alltags, jedoch eignen sie sich nicht, um eine Regeneration einer durchtrennten geschädigten Nervenleitung herbeizuführen.
Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Lebensqualität von gelähmten Personen bzw. von Personen, die beispielsweise eine Hand oder einen Arm verloren haben, und die auf eine Orthese oder eine Prothese angewiesen ist, ist aus DE 10 2006 008 495 A1 bekannt. Danach soll die Bewegungsfähigkeit des Patienten dadurch verbessert werden, dass er willentlich ein allgemein als Effektor
bezeichnetes eigenes Körperteil oder eine Prothese ansteuert. Hierzu ist eine
Ableitelektrode vorgesehen, mittels der Signale aus einem für die gewünschte
Bewegung zuständigen Gehirnareal erfasst werden, die bei der Vorstellung, Planung, Ausführung oder Steuerung einer Bewegung erzeugt werden. Die Signale werden klassifiziert und beispielsweise zur Erzeugung von Signalen zur funktionellen
Stimulation eigener Körperteile verwendet, deren neuronale Verbindung zum Gehirn unterbrochen ist. Möglich ist auch die Übermittlung eines Feedbacks vom Körperteil zurück zum Gehirn, indem Sensorsignale, z.B. intakte körpereigene Druck- oder Dehnungsrezeptoren oder von künstlichen Sensoren, als Stimulationsdaten an das Gehirn zurückgegeben werden.
Die Druckschriften US 2015/0057723 A1 sowie DE 10 2009 057 962 A1 offenbaren jeweils ein System zur Behandlung einer durchtrennten Nervenleitung mittels einer elektrischen Stimulation.
Aus dem Stand der Technik ist jedoch kein System bekannt, das nicht nur eine funktionelle Unterstützung des Patienten, sondern auch eine Regeneration einer durchtrennten Nervenleitung und eine„Reparatur" auf kybernetischer Ebene ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein System zur Regeneration wenigstens einer durchtrennten Nervenleitung in einem lebenden menschlichen oder tierischen Körper anzugeben, d.h. das System soll nicht nur ein Hilfsmittel zur Bewältigung des Alltags, insbesondere für querschnittsgelähmte Patienten, sein, sondern vielmehr der Regeneration der durchtrennten Nervenleitung dienen, mit dem Ziel, langfristig auf Hilfsmittel verzichten zu können. Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Das lösungsgemäße System zur Regeneration wenigstens einer durchtrennten Nervenleitung in einem lebenden menschlichen oder tierischen Körper, weist eine Bewegungsvorrichtung auf, mit der ein Körperteil des menschlichen oder tierischen Körpers bewegbar ist, das wenigstens einen mit der durchtrennten Nervenleitung ansonsten innervierbaren Skelettmuskel enthält. Darüber hinaus weist das
lösungsgemäße System eine Signalgeneratoreinheit auf, die ein erstes elektrisches Stimulationssignal und ein zweites elektrisches Stimulationssignal erzeugt. Ferner ist lösungsgemäß eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen, die die
Bewegungsvorrichtung sowie die Signalgeneratoreinheit derart aufeinander abgestimmt ansteuert, dass die Signalgeneratoreinheit das erste Stimulationssignal über einen ersten Applikator an dem vom Skelettmuskel separierten
Nervenleitungsteil appliziert und in zeitlicher Koinzidenz dazu die
Bewegungsvorrichtung das Körperteil bewegt. Lösungsgemäß appliziert die
Signalgeneratoreinheit über den ersten Applikator oder einen zweiten Applikator zeitlich während oder nach der Bewegung des Körperteils das zweite
Stimulationssignal an dem vom Skelettmuskel separierten Nervenleitungsteil.
Die Applikation des zweiten Stimulationssignals erfolgt dabei insbesondere derart zeitlich versetzt zu dem ersten Stimulationssignal, dass die zeitliche Abfolge der entsprechenden natürlichen Signale nachgebildet ist. Die Stimulationssignale sind dabei bezüglich ihrer Amplitude und Signalform derart gewählt, dass sie auf der entsprechenden Nervenleitung Signale in der Stärke und Form bewirken, die den natürlichen Signalen auf dieser Nervenleitung ähneln.
Durch die Durchtrennung der Nervenleitung wird der Teil der Nervenleitung, der nicht mehr direkt mit dem Skelettmuskel verbunden ist, als vom Skelettmuskel separiert bezeichnet. Insbesondere enthält dieser Teil der Nervenleitung den vom
Skelettmuskel separierten motorischen bzw. sensorischen Nervenleitungsteil. Als motorischer Nervenleitungsteil ist im Sinne dieser Erfindung der Teil der
Nervenleitung aufzufassen, der vom Hirn bzw. dem Rückenmark ausgehende Signale zur Ansteuerung des Skelettmuskels leitet.
Entsprechend ist als sensorischer Nervenleitungsteil im Sinne dieser Erfindung der Teil der Nervenleitung aufzufassen, der vom Skelettmuskel oder von mit dem
Skelettmuskel in funktionellem Kontakt stehenden biologischen Sensoren
ausgehende Signale, die zum Rückenmark oder zum Hirn gelangen sollen, leitet. Unter den vom Skelettmuskel ausgehenden Nervensignalen sind solche Signale zu verstehen, die bei Kontraktion oder Dehnung des Muskels, beispielsweise von den Muskelspindeln oder dem Golgi-Sehnenapparat, erzeugt werden.
Grundsätzlich können Neuronen nur über Nervensignale, die an ihren Dendriten ankommen, stimuliert werden. Daher muss der Ort der Applikation des ersten Stimulationssignals derart gewählt sein, dass ein durch das Stimulationssignal erzeugtes künstliches Nervensignal wenigstens einen Dendriten des letzten, vor der physischen Unterbrechung bzw. Trennstelle des motorischen Nervenleitungsteils liegenden, Neurons erreicht und somit dieses Neuron stimuliert.
Entsprechendes gilt für den Applikationsort des zweiten Stimulationssignals; hier kann die Applikation des zweiten Stimulationssignals erst an den Dendriten des ersten Neurons erfolgen, das nach der physischen Unterbrechung bzw. der
Trennstelle liegt.
Der Vorteil des lösungsgemäßen Systems besteht darin, dass mittels der Stimulation des vom Muskel separierten motorischen Nervenleitungsteils mit dem ersten
Stimulationssignal sowie durch das Feedback in Form des zweiten
Stimulationssignals das am nächsten zur Trennstelle gelegene Neuron dazu angeregt wird, wieder in das aufgrund der Durchtrennung nicht mehr versorgte Gebiet zu wachsen. Bezogen auf den motorischen Nervenleitungsteil bedeutet dies ein Wachstum in Richtung Skelettmuskel, da hier der Zellkörper, der die eigentliche "Zelle" ist und daher Wachstum veranlassen und durchführen kann, im motorischen Vorderhorn des Rückenmarks liegt. Wachstum erfolgt daher längs des motorischen Nervenleitungsteils stets in Richtung des Skelettmuskels. Bei den sensorischen Nervenzellen handelt es sich um eine Spezialform von Nervenzellen, den sog. pseudounipolare Nervenzellen, bei denen der Zellkörper als Spinalganglion direkt an der Wirbelsäule liegt. In diesem Fall ist der Dendrit zum Skelettmuskel der lange Fortsatz, das Axon in das Rückenmark sehr kurz. Daher muss im Falle einer
Durchtrennung hier der Dendrit wachsen, der ebenfalls in Richtung des
Skelettmuskels wächst.
Ebenso ist es denkbar, durch die Stimulation des motorischen Nervenleitungsteils eine zwar äußerlich wiederhergestellte, jedoch noch nicht wieder funktionsfähige Nervenbahn bzw. Nervenzellen, die im Bereich der Trennstelle implantiert wurden, derart zur Integration zu bewegen, dass die vormals unterbrochene Nervenleitung regeneriert wird.
Vorzugsweise erzeugt die Signalgeneratoreinheit ein drittes elektrisches
Stimulationssignal, das mittels eines dritten Applikators an dem Skelettmuskel applizierbar ist. Dabei ist die Auswerte- und Steuereinheit derart ausgebildet, dass sie die Signalgeneratoreinheit so ansteuert, dass das dritte Stimulationssignal zeitlich mit dem ersten Stimulationssignal oder während die Bewegungsvorrichtung das Körperteil bewegt an dem Skelettmuskel appliziert. Dabei ist sowohl eine
unmittelbare Stimulation des Skelettmuskels über einen dort platzierten Applikator oder eine mittelbare Stimulation des Skelettmuskels durch Stimulation des zum Muskel führenden, noch mit dem Muskel verbundenen und funktionsfähigen Teil des motorischen Nervenleitungsteils möglich. Insbesondere sind die drei
Stimulationssignale sowie die Bewegung mittels der Bewegungsvorrichtung zeitlich derart aufeinander abgestimmt, dass die Bewegung mit ihren beim gesunden Patienten dazugehörigen natürlichen Nervensignalen nachbildbar ist, um so die Regeneration der durchtrennten Nervenleitung zu fördern. Der Umfang,
insbesondere die Amplitude, der Stimulation des Skelettmuskels ist bevorzugt auch an die durch die Bewegungsvorrichtung vermittelte Bewegung des Körperteils angepasst.
Besonders bevorzugt weist das System ein Injektorsystem auf, das ebenfalls über die Auswerte- und Steuereinheit ansteuerbar ist und wenigstens einen Wirkstoff im Bereich der durchtrennten Nervenleitung appliziert. Bevorzugt werden die Wirkstoffe dabei im Bereich der Zellkörper jener Neuronen appliziert, die an die Unterbrechung angrenzen und/oder die im Bereich der Unterbrechung zur Wiederherstellung der Nervenleitung appliziert wurden, um diese zum Wachstum bzw. zur Integration zu bewegen und so zur Regeneration der Nervenleitung beitragen. Insbesondere können spezifische Nervenwachstumsfaktoren oder Botenstoffe injiziert werden, um das Nervenwachstum, beispielsweise das Wachstum neuer Axone, oder aber auch die Integration implantierter Nervenzellen zu fördern. Alternativ können auch
Wirkstoffe injiziert werden, die im Falle einer Stammzelltherapie zur körperlichen Wiederherstellung der Nervenleitung die Stammzellen zur Differenzierung anregen. Die Auswerte- und Steuereinheit ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die Abgabe der Wirkstoffe mittels des Injektorsystems sowohl zeitlich als auch mengenmäßig ansteuern kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das System wenigstens eine Speichereinheit, in der Daten abgespeichert sind, auf Basis derer die Auswerte- und Steuereinheit die Bewegungsvorrichtung und die Signalgeneratoreinheit, und besonders bevorzugt auch das Injektorsystem, ansteuert. Insbesondere sind in der Speichereinheit Daten in Form von mehreren unterschiedlichen Datensätzen abspeicherbar, die an den Patienten spezifisch angepasste bzw. anpassbare
Bewegungen bzw. Bewegungsmuster mit jeweils dazu passenden
Stimulationssignalen bzw. Wirkstoffapplikationen widerspiegeln.
Bevorzugt ist, dass der erste Applikator eine Elektrodenanordnung aufweist und/oder, dass der zweite Applikator eine Elektrodenanordnung aufweist. Die
Elektrodenanordnungen sind unmittelbar oder mittelbar mit der
Signalgeneratoreinheit verbunden und zur Weiterleitung elektrischer Ströme oder zur Erzeugung elektrischer, magnetischer oder elektromagnetischer Felder ausgebildet. Der erste Applikator kann dabei derart ausgebildet sein, dass über ihn sowohl die ersten als auch die zweiten Stimulationssignale applizierbar sind. In diesem Fall bietet sich eine Elektrodenanordnung mit wenigstens zwei Elektroden an, wobei das erste bzw. das zweite Stimulationssignal über jeweils eine der wenigstens zwei Elektroden applizierbar ist.
Möglich ist jedoch auch, dass das erste Stimulationssignal über den ersten
Applikator und das zweite Stimulationssignal über den zweiten Applikator
applizierbar ist. In diesem Fall können die entsprechenden Elektrodenanordnungen jeweils nur eine Elektrode umfassen.
Die Elektroden selbst können in Form von auf der Haut anordenbaren Elektroden ausgebildet sein. Alternativ können die Elektroden auch aus einer Kombination einer implantierten Elektrode und einer auf der Haut angeordneten Oberflächenelektrode bestehen, wobei die implantierte Elektrode eine unmittelbare Stimulation des motorischen oder sensorischen Nervenleitungsteils bewirkt und beispielsweise drahtlos mit der Oberflächenelektrode verbunden ist, die wiederum mit der
Signalgeneratoreinheit in Verbindung steht.
Bevorzugt weist auch der dritte Applikator eine Elektrodenanordnung auf, um mittels elektrischer Signale den Skelettmuskel zu einer Kontraktion zu bewegen. Die
Dehnung des Skelettmuskels wird durch Stimulierung des zu dem Skelettmuskel gehörenden„Gegenspielers" erreicht, d.h. wenn dieser zu einer Kontraktion bewegt wird. Die Stimulierung des Skelettmuskels kann beispielsweise in Form von
Reizstrom mittels einer oder mehrerer auf der Haut über dem Muskel applizierbare Elektroden, oder mittels Stimulation des zu dem Skelettmuskel hinführenden motorischen Nervenleitungsteils erfolgen.
Die Bewegungsvorrichtung weist bevorzugt eine Orthese oder ein Exoskelett auf. Das Exoskelett kann sowohl ein Teilskelett sein, mit dem nur ein gelähmtes
Körperteil, z.B. Arm oder Bein, bewegt wird, als auch ein komplettes Exoskelett sein. Ein derartiges Exoskelett kann neben einer reinen Bewegungsfunktion auch noch eine Stützfunktion aufweisen, d.h. das Exoskelett übernimmt weitere Aufgaben wie Gewichtsentlastung des Körpers bzw. von Körperteilen oder Halten des Gleichgewichts. So können komplette Exoskelette beispielsweise den aufrechten Gang einer Person ermöglichen.
Bevorzugt sind an der Orthese oder dem Exoskelett die Auswerte- und Steuereinheit, die Signalgeneratoreinheit und/oder die Speichereinheit angeordnet und bilden eine autarke Einheit. Ebenso ist bevorzugt, dass an der Orthese oder Exoskelett eine Energieversorgungseinheit angeordnet ist, beispielsweise in Form einer
wiederaufladbaren Akkumulatoreinheit, um eine freie Bewegung ohne Einschränkung durch Kabel oder Schläuche zu ermöglichen. Alternativ oder in Kombination kann eine von der Bewegungsvorrichtung separate Energieversorgungseinheit
vorgesehen sein. Im Falle einer separaten, beispielsweise elektrischen oder pneumatischen, Energieversorgung kann die Energie mittels Leitungen und/oder Schläuchen zur Bewegungsvorrichtung geführt werden.
Vorzugsweise weist die Bewegungsvorrichtung wenigstens zwei über ein Gelenk miteinander verbundene Komponenten sowie wenigstens einen Aktor auf, mittels dem die Komponenten relativ zueinander bewegbar sind. Der wenigstens eine Aktor ist dabei mittels der Auswerte- und Steuereinheit ansteuerbar. Als Aktoren kommen beispielsweise Linearantriebe und/oder Drehantriebe in Betracht. Insbesondere können wenigstens ein Drehantrieb und ein Gelenk in einer Einheit integriert sein.
Das System weist besonders bevorzugt eine Bewegungssensorik auf, die an der Bewegungsvorrichtung vorgesehen ist und die wenigstens die relative räumliche Lage der Komponenten erfasst. Die Bewegungssensorik kann beispielsweise integraler Teil des Gelenkes und/oder des Aktors sein, und den Zustand des Gelenks und/oder des Aktors, beispielsweise über entsprechende Geber (Winkelgeber, Drehgeber, Positionsgeber, etc.) erfassen. Alternativ oder in Kombination könnte die Bewegungssensorik auch optische Sensoren aufweisen, um die relative räumliche Lage der Komponenten zu erfassen. In jedem Fall generiert die Bewegungssensorik wenigstens ein erstes Bewegungssensorsignal, das mittels der Auswerte- und Steuereinheit, die mittel- oder unmittelbar mit der Bewegungssensorik verbunden ist, auswertbar ist, so dass wenigstens die relative räumliche Lage der Komponenten bestimmbar ist.
Besonders bevorzugt ist das System in einem Betriebszustand versetzbar, bei der die Bewegungsvorrichtung ohne Unterstützung des Aktors und/oder ohne
Ansteuerung durch die Auswerte- und Steuereinheit bewegbar ist, wobei die
Auswerte- und Steuereinheit in diesem Betriebszustand auf Basis der von der Bewegungssensorik erzeugten ersten Bewegungssensorsignale Bewegungsdaten generiert und in der Speichereinheit abspeichert. Dieser Betriebszustand, in dem die Bewegungsvorrichtung quasi im Leerlauf bewegbar ist, dient dazu um
Bewegungsdaten zu generieren, die dem natürlichen Bewegungsablauf entsprechen, der von dem Körperteil bei (natürlicher) Stimulation des wenigstens einen
Skelettmuskels durchgeführt wird. Eine Möglichkeit zur Gewinnung solcher
Bewegungsdaten besteht darin, die Bewegungsvorrichtung einer gesunden Person anzulegen, die den gewünschten Bewegungsablauf vollführt. Die Auswerte- und Steuereinheit generiert dann aus den mittels der Bewegungssensorik erfassten relativen räumlichen Lagen der wenigstens zwei Komponenten Bewegungsdaten, die in der Speichereinheit ablegbar sind. Alternativ kann die Bewegungsvorrichtung auch dem Patienten angelegt werden und das entsprechende Körperteil passiv
entsprechend dem gewünschten Bewegungsablauf bewegt werden, wobei wiederum mittels der Bewegungssensorik und der Auswerte- und Steuereinheit die
Bewegungsdaten gewonnen werden. Diese Bewegungsdaten können dann als Grundlage für die Daten dienen, auf Basis derer die Auswerte- und Steuereinheit im normalen Betrieb die Bewegungsvorrichtung sowie die Signalgeneratoreinheit ansteuert.
Vorzugsweise erfasst die Bewegungssensorik während der Bewegung auch noch an der Bewegungsvorrichtung auftretende Kräfte und/oder Drehmomente und generiert wenigstens ein zweites Bewegungssensorsignal, das mittels einer Komparatoreinheit mit Referenzdaten vergleichbar ist. Die Komparatoreinheit ist dabei derart
ausgebildet, dass sie bei einer Abweichung zwischen dem wenigstens einen zweiten Bewegungssensorsignal und den Referenzdaten, die eine vorgebbare Schwelle überschreitet, ein Signal generiert und an die mit der Komparatoreinheit verbundene Auswerte- und Steuereinheit übergibt, die das Signal bewertet. Ursache für Kräfte und/oder Drehmomente, die zu von den Referenzdaten abweichenden
Bewegungssensorsignalen führen können, können beispielsweise von der sich regenerierenden Nervenleitung herrühren. In diesem Fall können beispielsweise neue Daten der Ansteuerung des Systems zugrunde gelegt werden, so dass das Ausmaß an Unterstützung/passiver Bewegung des Patienten durch das Exoskelett oder die Orthese und/oder das Ausmaß der Stimulation der motorischen und/ oder sensorischen Nervenleitungsteile bzw. des Skelettmuskels in dem Maße reduziert werden, wie die Regeneration der Nervenleitung fortschreitet. Andererseits kann das Signal aber auch auf eine Reparaturbedürftigkeit des Systems hinweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems ist eine Detektoreinheit vorgesehen, die elektrische Hirnsignale erfasst und ein Detektorsignal generiert, das an die mit der Detektoreinheit verbundene Auswerte- und Steuereinheit übergeben wird. Die Auswerte- und Steuereinheit bewertet das Detektorsignal und steuert die Bewegungsvorrichtung sowie die Signalgeneratoreinheit nach Maßgabe von in der Speichereinheit abgespeicherten Daten an. Besonders bevorzugt soll dabei ein hypnotischer Zustand des Hirns erfassbar sein, während dem dann ein
vorgegebener Bewegungsablauf mit den dazugehörigen Stimulationssignalen durchlaufen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Sensorik vorgesehen, die eine quantifizierbare Zustandsänderung am motorischen Nervenleitungsteil, am sensorischen Nervenleitungsteil, am Skelettmuskel und/oder am Körperteil erfasst und ein Sensorsignal generiert. Die Sensorik ist mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden, die das Sensorsignal bewertet. Sie dient insbesondere dazu, eine beginnende Regeneration bzw. eine Verbesserung der Nervenleitung zu detektieren, um entsprechend des Fortschritts, beispielsweise neue Daten zur Ansteuerung der Steuereinheit vorzusehen, in denen die Bereitstellung externer Stimuli, die externe Unterstützung des Patienten mittels der Bewegungsvorrichtung und/oder die
Applikation von Wirkstoffen mittels des Injektorsystems entsprechend dem Regenerationserfolg zurückgefahren/angepasst wird. Diese neuen Daten sind durch die Auswerte- und Steuereinheit oder durch eine neue Lernphase generierbar.
Weitere Einzelheiten sind den weiter unten stehenden Ausführungen zu entnehmen.
Ziel ist, das Exoskelett bzw. die Orthese und die externen Stimuli sukzessive weglassen zu können.
Besonders bevorzugt weist die Auswerte- und Steuereinheit eine Schnittstelle auf, über die die Auswerte- und Steuereinheit mit wenigstens einer externen
Speichereinheit und/oder wenigstens einer externen Auswerte- und Steuereinheit drahtgebunden oder drahtlos verbindbar ist. Der Vorteil besteht darin, dass insbesondere im Falle, dass das System als autarke Einheit ausgebildet ist, diese möglichst leicht ausgebildet werden kann. Insbesondere kann Rechenleistung, die nicht unmittelbar der Ansteuerung der Bewegungsvorrichtung und der
Signalsteuereinheit dienen, und/oder Daten, die nicht notwendig auf der lokalen Speichereinheit abgespeichert sein müssen, ausgelagert werden. Insbesondere kann in einer externen Datenbank externes (Experten-)Wissen, beispielsweise aus anderen Patientendaten, Experimenten, Vergleichsfällen oder anderer Datensätze des Patienten bevorratet werden. Die externe Auswerte- und Steuereinheit ermöglicht beispielsweise die Generierung neuer Datensätze oder eine Überprüfung von Datensätzen, beispielsweise aus der externen Datenbank, auf konkrete
Anwendbarkeit bzw. Eignung für den Patienten.
Besonders bevorzugt ist, dass eine erste Sensoreinheit vorgesehen ist, die ein natürliches zur Stimulierung des Skelettmuskels bestimmtes elektrisches
Nervensignal erfasst und wenigstens ein erstes Sensorsignal generiert. Die erste Sensoreinheit ist dabei mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden, die das erste Sensorsignal auswertet und die Signalgeneratoreinheit auf Grundlage des
ausgewerteten ersten Sensorsignals zur Erzeugung des dritten Stimulationssignals ansteuert. Hierdurch wird eine künstliche Nachbildung der
unterbrochenen/durchtrennten Nervenleitung, insbesondere des Teils, der für die Ansteuerung des Muskels vorgesehen ist, ermöglicht. Die von der ersten Sensoreinheit erfassten Signale werden bevorzugt mittels wenigstens eines Filters gefiltert, um das der Ansteuerung dienende natürliche Nervensignal aus dem miterfassten Rauschen und anderen Störsignalen zu isolieren, und eventuell dieses herausgefilterte, isolierte Signal mittels einer Signalaufbereitungseinheit so
aufzubereiten, dass mittels der Signalgeneratoreinheit ein dem natürlichen
Nervensignal entsprechendes drittes Stimulationssignal generierbar ist. Als natürliches zur Stimulierung des Skelettmuskels bestimmtes elektrisches
Nervensignal sind hierbei sowohl willkürliche Nervensignale, die vom Hirn entlang des Rückenmarks laufen, als auch reflexhafte Signale, die innerhalb des
Rückenmarks zum unteren Motorneuron laufen, umfasst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Sensoreinheit vorgesehen, die ein elektrisches Nervensignal des mit dem Skelettmuskel
verbundenen sensorischen Nervenleitungsteils und/oder eine Aktivität des
Skelettmuskels erfasst und wenigstens ein zweites Sensorsignal generiert. Die zweite Sensoreinheit ist mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden, die das zweite Sensorsignal auswertet und die Signalgeneratoreinheit auf Grundlage des ausgewerteten zweiten Sensorsignals zur Erzeugung des zweiten
Stimulationssignals ansteuert. Hiermit ist eine Nachbildung der Nervenleitung möglich, die Nervensignale vom Muskel zum Rückenmark bzw. zum Hirn leitet. Auch hier ist bevorzugt, dass die Auswerte- und Steuereinheit entsprechende Filter und Signalaufbereitungseinheiten umfasst, die zur Erzeugung eines passenden zweiten Stimulationssignals erforderlich sind.
Die erste und die zweite Sensoreinheit können auch dazu eingesetzt werden, um im Falle einer externen Bewegung der Bewegungsvorrichtung im Rahmen der
Gewinnung von Bewegungsdaten gleichzeitig auch noch die zugehörigen natürlichen Stimulationssignale zu erfassen. Aus diesen sind dann mittels der Auswerte- und Steuereinheit die zu den Bewegungsdaten korrespondierenden Stimulationsdaten für den motorischen Nervenleitungsteil, den sensorischen Nervenleitungsteil und/oder den Skelettmuskel ermittelbar, so dass ein kompletter Satz von Daten generierbar ist. Die Auswerte- und Steuereinheit ist zumindest mit der Bewegungsvorrichtung und der Signalgeneratoreinheit verbunden. Optional ist die Auswerte- und Steuereinheit mit dem Injektorsystem verbunden. Die Signalgeneratoreinheit ihrerseits ist mit dem ersten und dem zweiten Applikator, und optional mit dem dritten Applikator, verbunden. Eine Verbindung ermöglicht jeweils wenigstens eine drahtgebundene und/oder eine drahtlose Übertragung von Signalen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Skizze einer Ausführungsform des
lösungsgemäßen Systems,
Fig. 2 eine schematische Skizze einer bevorzugten
Ausführungsform des lösungsgemäßen Systems,
Fig. 3 eine schematische Skizze einer einfachen
Bewegungsvorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung möglicher Orte, an denen die
bevorzugte Sensorik angeordnet werden kann,
Fig. 5 eine schematische Skizze einer bevorzugten
Ausführungsform mit einer ersten und einer zweiten
Sensoreinheit und
Fig. 6 Schematische Darstellung einer Nervenzelle mit zuleitenden
(Dendriten) und ableitenden (Neurit, Axon) Zellfortsätzen.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt in einer stark vereinfachten schematischen Skizze eine durchtrennte Nervenleitung 1 mit einer Trennstelle 5. Unter der Trennstelle 5 ist nicht notwendigerweise der Ort einer Läsion im engeren Sinne zu verstehen, sondern vielmehr ein Bereich einer funktionellen Unterbrechung oder Störung der
Nervenleitung, längs dem zumindest eine Irritation in der Nervensignalübertragung auftritt, durch die die natürliche Nervensignalübertragung gestört ist. Die
Nervenleitung 1 umfasst einen motorischen Nervenleitungsteil 2 und einen sensorischen Nervenleitungsteil 3, die ursprünglich den Skelettmuskel S innerviert haben, d.h. der Skelettmuskel S wurde über den motorischen Nervenleitungsteil 2 zur Kontraktion angeregt und über den sensorischen Nervenleitungsteil 3 wurden die vom Muskel, beispielsweise von wenigstens einer Muskelspindel und/oder wenigstens einem Golgi-Sehnenapparat, erzeugten Signale über den Reflexbogen zurück zum Rückenmark und von dort zum Hirn H bzw. zu dem entsprechenden unteren Motoneuron als die Kontraktion anzeigendes Feedback-Signal geleitet.
Durch die Trennstelle 5, die eine funktionelle Unterbrechung darstellt, wurde der motorische Nervenleitungsteil 2 und/oder der sensorische Nervenleitungsteil 3 in jeweils einen vom Skelettmuskel separierten Nervenleitungsteil 2', 3' und jeweils einen mit dem Skelettmuskel verbundenen Nervenleitungsteil 2", 3" geteilt. Somit kommen Nervensignale, die über den motorischen Nervenleitungsteil 2 zum
Skelettmuskel S übertragen werden sollten, dort nicht mehr an. Entsprechend erhält auch der vom Skelettmuskel S separierte sensorische Nervenleitungsteil 3' keine Feedback-Signale vom Skelettmuskel S, beispielsweise von der Muskelspindel und/oder vom Golgi-Sehnenapparat, mehr, so dass weder Rückenmark (u.a. Unteres Motoneuron) noch Hirn über die Kontraktion des Skelettmuskels S, und eine damit verbundene Bewegung,„informiert" werden.
Die Unterbrechung dieses geschlossenen Systems kann zur weiteren Rückbildung der Nervenleitung bzw. zum Verlust der willkürlichen Ansteuerung, d.h. der Fähigkeit des Hirns für die Initiierung der Muskelbewegung geeignete Nervensignale auszusenden, führen.
Die nachfolgend beschriebene Erfindung geht von der Erkenntnis, dass ein geschädigtes Neuron, das wieder in das abgetrennte Gebiet wachsen soll bzw. eine zwar wiederhergestellte oder vorbereitete Nervenverbindung, die integriert werden soll, hierfür einen Stimulus benötigt.
An dieser Stelle setzt das lösungsgemäße System an, d.h. es ermöglicht eine
Bewegung des Körperteils in Kombination mit Nervenstimulationssignalen, die denen entsprechen, die natürlicherweise mit der Bewegung des Körperteils, insbesondere mit der Kontraktion des Skelettmuskels S korreliert sind. Entsprechend weist das lösungsgemäße System eine das Körperteil bewegende Bewegungsvorrichtung 20 sowie eine Signalgeneratoreinheit 30, die ein erstes 31 und ein zweites 32
Stimulationssignal erzeugt, auf. Dabei wird das erste Stimulationssignal 31 mittels des ersten Applikators 33 am vom Skelettmuskel S separierten motorischen
Nervenleitungsteil 2' appliziert, wobei das erste Stimulationssignal 31 in Amplitude und Signalform insbesondere so ausgebildet ist, dass es entlang des vom
Skelettmuskel S separierten motorischen Nervenleitungsteils 2' ein Nervensignal erzeugt, das dem natürlichen Nervensignal entspricht, das dort für die willkürliche oder unwillkürliche Ansteuerung des Skelettmuskels S auftritt. Dadurch wird das letzte Neuron vor der Trennstelle, insbesondere dessen Dendriten, künstlich stimuliert. Das zweite Stimulationssignal 32 wird entweder ebenfalls über den ersten Applikator (siehe Fig. 2) oder über einen zweiten Applikator 34 (siehe Fig. 1 ) an dem vom Skelettmuskel S separierten sensorischen Nervenleitungsteil 3' appliziert. Dabei sind als erste geeignete Stelle für die Stimulation die Dendriten des Neurons des sensorischen Nervenleitungsteils anzusehen, die der Trennstelle am nächsten liegt bzw. von der aus das mittels des zweiten Nervenstimulationssignals künstlich erzeugte Nervensignal als Feedbacksignal in Richtung Rückenmark bzw. Hirn weitergeleitet wird. Auf diese Weise erhält letztlich das letzte Neuron des
motorischen Nervs vor der Trennstelle 5 über den Umweg Reflexbogen bzw.
Rückenmark - Hirn - Rückenmark ein Feedback-Signal.
Das lösungsgemäße System weist darüber hinaus eine Auswerte- und Steuereinheit 10 auf, die mit der Bewegungsvorrichtung 20 und der Signalgeneratoreinheit 30 verbunden ist und diese derart ansteuert, dass das erste Stimulationssignal 31 in zeitlicher Koinzidenz zur von der Bewegungsvorrichtung 20 durchgeführten Bewegung des Körperteils 4 appliziert wird und dass zeitlich während oder nach der Bewegung des Körperteils 4 das zweite Stimulationssignal 32 appliziert wird. Das zweite Stimulationssignal 32 ist jedoch zumindest zeitlich versetzt zum ersten Stimulationssignal 31 , wie dies auch im natürlichen System ist.
In Fig. 2 sind neben der oben erwähnten lösungsgemäßen Variante für die
Applikation des zweiten Stimulationssignals 32 über den ersten Applikator 31 weitere bevorzugte Weiterbildungen des Systems zu entnehmen. Zu diesen gehört ein dritter Applikator 40, mittels dem ein von der Signalgeneratoreinheit 30 erzeugtes drittes elektrisches Stimulationssignal 41 an den Skelettmuskel S applizierbar ist. Dabei kann der dritte Applikator 40 wie in Fig. 2 angedeutet den Skelettmuskel S direkt stimulieren, d.h. zur Kontraktion anregen, oder indirekt, d.h. über Stimulation eines noch mit dem Skelettmuskel verbundenen, noch funktionsfähigen Teils des motorischen Nervenleitungsteils 2" (nicht dargestellt). Dabei steuert die Auswerte- und Steuereinheit 10 die Signalgeneratoreinheit 30 derart an, dass das dritte
Stimulationssignal 41 zeitgleich mit dem ersten Stimulationssignal 31 oder während die Bewegungsvorrichtung 20 das Körperteils 4 bewegt, an dem Skelettmuskel S appliziert wird. Dabei bedeutet zeitgleich, dass ein eventueller Zeitversatz zwischen der Stimulation des vom Skelettmuskels S separierten motorischen
Nervenleitungsteils 2' und des Skelettmuskels S allenfalls dem natürlichen, laufzeitbedingten Zeitversatz und gegebenenfalls seiner biologischen
Verarbeitungszeit entspricht.
In Fig. 2 ist ferner ein Injektorsystem 50 angedeutet, mittels dem Wirkstoffe im
Bereich der durchtrennten Nervenleitung 1 applizierbar sind. Dabei ist der
Applikationsort vorzugsweise so zu wählen, dass die Wirkstoffe von den Neuronen bzw. Zellen aufgenommen werden können, die zum Wachstum bzw. zur Integration angeregt werden sollen. Vorzugsweise ist das Injektorsystem 50 mit der Auswerte- und Steuereinheit 10 verbunden und über diese ansteuerbar, d.h. insbesondere kann die Abgabe der Wirkstoffe zeitlich und mengenmäßig beeinflusst werden. So senden Nerven ihre Fortsätze anhand von Gradienten bestimmter Botenstoffe aus, d.h. es kann durchaus erforderlich werden, bestimmte Wachstumsfaktoren an der unmittelbaren Schadensstelle anzuwenden, aber auch im Zielgebiet. Auch die Anwendung der Wirkstoffe bzw. Wachstumsfaktoren direkt am Zellkörper kann sinnvoll sein.
In Fig. 2 ist weiter eine bevorzugte Speichereinheit 60 dargestellt, in der die Daten D abgespeichert sind, auf Basis derer die Auswerte- und Steuereinheit 10 die
Bewegungsvorrichtung 20 und die Signalgeneratoreinheit 30 ansteuert. Die Daten D umfassen bevorzugt Bewegungsdaten BD zur Ansteuerung der
Bewegungsvorrichtung als auch Stimulationsdaten SD zur Ansteuerung der
Signalsteuereinheit, die wiederum entsprechend der Stimulationsdaten wenigstens ein erstes 31 , zweites 32 und drittes 41 Stimulationssignal generiert. Ebenso können die Daten D auch Daten ID enthalten, die sich auf die Wirkstoffabgabe über das Injektorsystem beziehen. Die Bewegungsdaten BD, die Stimulationsdaten SD sowie optional die Injektorsystemdaten ID bilden einen Datensatz. In der Speichereinheit 60 können auch mehrere solche Datensätze abgelegt sein.
In Fig. 2 ist auch eine Energieversorgungseinheit 130 angedeutet, die die
Systemkomponenten, d.h. die Auswerte- und Steuereinheit 10, die
Bewegungsvorrichtung 20, die Signalgeneratoreinheit 30, das Injektorsystem 50 und/oder die Speichereinheit 60direkt oder indirekt mit Energie versorgt.
In Fig. 2 ist ferner als bevorzugte Ausführungsform eine Detektoreinheit 70 abgebildet, die derart ausgebildet ist, dass sie elektrische Hirnsignale erfasst und ein Detektorsignal 71 generiert, das in der mit der Detektoreinheit 70 verbundenen Auswerte- und Steuereinheit 10 bewertet wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 ist derart ausgebildet, dass sie die Bewegungsvorrichtung 20 sowie die
Signalgeneratoreinheit 30 in Abhängigkeit vom bewerteten Detektorsignal 71 nach Maßgabe von in der Speichereinheit 60 abgespeicherten Daten D ansteuert.
Insbesondere ist die Detektoreinheit 70 so ausgebildet, dass ein hypnotischer Zustand des Hirns erfasst, und dass während der Dauer des hypnotischen Zustands eine vorgebbare Bewegung mittels der Bewegungsvorrichtung 20 ausgeführt wird. Fig. 3 zeigt schematisch eine Bewegungsvorrichtung 20 mit zwei über ein Gelenk 23 miteinander verbundene Komponenten 21 , 22. Die Komponenten 21 ,22 sind mittels des Aktors 24 relativ zueinander bewegbar, wobei der Aktor 24 mittels der Auswerte- und Steuereinheit 10 gemäß vorgegebener Bewegungsdaten ansteuerbar ist. Die Bewegungsvorrichtung 20 kann wesentlich mehr relativ zueinander bewegliche Komponenten 21 , 22 mit jeweils zugehörigen Aktoren 24 aufweisen. Insbesondere weist ein komplettes Exoskelett eine Vielzahl von Komponenten 21 , 22 und Aktoren 24 auf, wobei mit den Aktoren beispielsweise Dreh- oder Beugebewegungen möglich sind, durch die über den Aktor 24 mittelbar oder unmittelbar verbundenen
Komponenten zueinander verdreht oder angewinkelt werden können.
Die Bewegungsvorrichtung 20 ist bevorzugt in einen passiven Betriebszustand versetzbar, in dem die Komponenten 21 , 22 zwar zueinander beweglich sind, jedoch nicht aktiv mittels des Aktors 24 bewegt werden. Mittels einer Bewegungssensorik 25, die an der Bewegungsvorrichtung 20 vorgesehen ist, kann die relative räumliche Lage der Komponenten 21 , 22 erfasst werden, insbesondere auch dann, wenn die Bewegungsvorrichtung 20 in dem oben beschriebenen passiven Betriebszustand versetzt ist. Bei Durchführung einer passiven Bewegung der Bewegungsvorrichtung 20 können dann mittels der Bewegungssensorik 25 erste Bewegungssensorsignale 26 generiert werden, die mittels der Auswerte- und Steuereinheit 10 auswertbar sind, und die den passiv durchgeführten Bewegungsablauf in Form von Bewegungsdaten BD widerspiegeln. Diese sind dann in der Speichereinheit 60 oder alternativ in der externen Speichereinheit 91 abspeicherbar. Die externe Speichereinheit 91 und/oder die externe Auswerte- und Steuereinheit 92 sind mit der beispielsweise an der Auswerte-und Steuereinheit 10 angeordneten Schnittstelle 90 mit der Auswerte- und Steuereinheit 10 drahtlos oder drahtgebunden verbunden.
Besonders vorteilhaft ist die Erfassung der Bewegungsdaten BD, wenn die
Bewegungsvorrichtung 20 an einem Körperteil 4 einer gesunden Person angeordnet ist oder im Falle eines Exoskelettes einer gesunden Person angelegt ist. Die gesunde Person vollführt eine Bewegung, deren Ablauf in Form von
Bewegungsdaten BD abgelegt werden soll. Während der Bewegung erfasst die Bewegungssensorik 25 die relative räumliche Lage der Komponenten 21 , 22 und generiert entsprechende erste Bewegungssensorsignale 26, die an die mit der Bewegungssensorik 25 verbundene Auswerte- und Steuereinheit 10 übermittelt werden. Diese bewertet diese ersten Bewegungssensorsignale 26 und generiert hieraus Bewegungsdaten BD, die den Bewegungsablauf, im einfachsten Fall durch eine Anfangs- und eine Endposition charakterisiert, abbilden. Durch Aufnahme einer Vielzahl von relativen räumlichen Lagen der Komponenten 21 , 22 und Generierung entsprechender erster Bewegungssensorsignale 26 kann ein komplexerer
Bewegungsablauf bzw. ein detaillierter dargestellter Bewegungsablauf in Form von Bewegungsdaten BD abgelegt werden. Alternativ ist es möglich die Bewegungen mit dem Patienten auszuführen, wobei ein Therapeut die Bewegungen ausführt, bspw. nach Art von Feidenkrais.
Die Bewegungssensorik 25 erfasst bevorzugt auch während der Bewegung an der Bewegungsvorrichtung auftretende Kräfte und/oder Drehmomente und generiert wenigstens ein zweites Bewegungssensorsignal 28. Dieses wird einer
Komparatoreinheit 120 zugeführt, die das zweite Bewegungssensorsignal 28 mit Referenzdaten R vergleicht und bei einer Abweichung, die eine vorgebbare Schwelle überschreitet, ein Signal 29 generiert. Dieses wird von der mit der Komparatoreinheit 120 verbundenen Auswerte- und Steuereinheit 10 bewertet. Im einfachsten Fall wird dann mittels einer optischen oder einer akustischen Anzeige 121 das Auftreten die Schwelle überschreitender Kräfte und/oder Momente angezeigt.
Alternativ kann durch die Auswerte- und Steuereinheit 10 aber auch bei
Überschreiten der vorgebbaren Schwelle, das beispielsweise auf eine verstärkte willkürliche Bewegung des Körperteils durch den Patienten hinweisen kann, der weiteren Behandlung andere Daten D zugrunde liegen. Diese können entweder bereits auf der Speichereinheit 60 oder der externen Speichereinheit 91 bereits bevorratet sein oder mittels der Auswerte- und Steuereinheit 10 ermittelt werden. Ein Überschreiten der vorgebbaren Schwelle kann aber auch als Hinweis auf einen Defekt der Bewegungseinrichtung bzw. eine Reparaturbedürftigkeit der
Bewegungsvorrichtung gewertet werden. Fig. 4 zeigt eine Sensorik 80, mittels der eine quantifizierbare Zustandsänderung am motorischen Nervenleitungsteil 2, am sensorischen Nervenleitungsteil 3, am
Skelettmuskel S und/oder am Körperteil 4 erfasst werden kann. In diesem Fall generiert die Sensorik 80 ein Sensorsignal 81 , das von der mit der Sensorik 80 verbundenen Auswerte- und Steuereinheit 10 bewertet wird. In Fig. 4 sind
verschiedene Erfassungsorte angedeutet, an denen die Sensorik 80 einzeln oder in Kombination Zustandsänderungen erfassen kann. In Fig. 4 sind ferner noch jeweils ein mit der Auswerte- und Steuereinheit 10 verbundenes Anzeigemodul 1 1 und ein Eingabemodul 12 dargestellt. Im einfachsten Fall ist die Auswerte- und Steuereinheit 10 ein Computer, das Anzeigemodul 1 1 ein Bildschirm und das Eingabemodul 12 eine Tastatur und/oder eine Computermaus.
In Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform mit einer ersten Sensoreinheit 100 dargestellt, die ein natürliches, zur Stimulierung des Skelettmuskel S bestimmtes, elektrisches Nervensignal 101 erfasst und wenigstens ein erstes Sensorsignal 102 generiert, das mittels der mit der ersten Sensoreinheit 100 verbundenen Auswerte- und Steuereinheit 10 ausgewertet wird. Die Auswertung umfasst wenigstens eine Filterung, eine Verstärkung und/ oder eine Aufbereitung des wenigstens ersten Sensorsignals 102. Die Auswertung des Sensorsignals 102 ermöglicht, das natürliche Nervensignal zur Ansteuerung des Skelettmuskels S aus dem Rauschen bzw. aus Störsignalen herauszufiltern und ein zu diesem Nervensignal
korrespondierendes drittes Stimulationssignal 41 mittels der Signalgeneratoreinheit erzeugen zu können, das mittels des Applikators 40 am Skelettmuskel appliziert wird. Durch das Zusammenwirken von erster Sensoreinheit 100, Auswerte- und
Steuereinheit 10, Signalgeneratoreinheit 30 und Applikator 40 wird quasi der durch die Trennstelle unterbrochene motorische Nervenleitungsteil 2 überbrückt.
Analog hierzu ist zur Überbrückung des durch die Trennstelle unterbrochenen sensorischen Nervenleitungsteils 3 eine zweite Sensoreinheit 1 10 vorgesehen, die ein elektrisches Nervensignal 1 1 1 des mit dem Skelettmuskel S verbundenen sensorischen Nervs 3" und/oder eine Aktivität des Skelettmuskels S erfasst und wenigstens ein zweites Sensorsignal 1 12 generiert, das die mit der zweiten
Sensoreinheit 1 10 verbundene Auswerte- und Steuereinheit 10 auswertet. Auch hier dient die Auswertung wie oben beschrieben der Gewinnung eines zu dem natürlichen Signal korrespondierenden zweiten Stimulationssignals 32.
Ergänzende Vorteile und Erläuterung weiterer bevorzugter Ausbildungsformen des lösungsgemäßen Systems:
Das lösungsgemäße System ermöglicht die geschädigte Stelle im Reflexbogen derart zu überbrücken, dass der Reflexbogen funktionell in Betrieb bleibt.
Ggf. können zusätzlich Stammzellen in das Rückenmark verbracht werden, die sich in der nervlichen Umgebung zu Nervenzellen ausdifferenzieren. In diesem Fall ersetzen sie die ursprüngliche Nervenzelle. Das„Einwachsen" der neuen
Nervenzelle kann hierbei durch die Verabreichung von geeigneten Botenstoffen und/oder Wachstumsfaktoren günstig beeinflusst werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Nerven- oder„Unterstützerzellen" aus anderen Geweben in das Rückenmark zu transplantieren, die ihrerseits die
Ausbildung neuer Nervenzellen unterstützen. Wie im Fall der Stammzellen auch, ersetzen so integrierte, neue Nervenzellen die alten. Auch in diesem Fall ist die Verabreichung von unterstützenden Faktoren möglicherweise hilfreich.
Das System zeichnet sich dadurch aus, dass es über die Signalgeneratoreinheit 30 die natürliche Funktion eines Reflexbogens trotz und nach einer Schädigung aufrecht erhalten kann und die geschädigten oder die sie ersetzenden neuen Komponenten in eine Umgebung bringt, die einer Regeneration förderlich ist und einen natürlichen Abbau von biologischen Strukturen infolge unterbleibender interzellulärer
Kommunikation verhindert. Dazu erzeugt die Signalgeneratoreinheit 30 ein erstes Stimulationssignal 31 , dass sie über einen ersten Applikator 33 an geeigneter Stelle an die LMN appliziert. Ferner wird als Feedback ein zweites Stimulationssignal 32 erzeugt und über einen zweiten Applikator 34 an geeigneter Stelle an die
sensorische Nervenzelle abgegeben. Durch die alleinige Simulation der Abläufe im Regelkreis Reflexbogen wird aufgrund der unterbrochenen Leitung zum Muskel dieser noch nicht in Bewegung gesetzt, auch wenn das (ggf. neue) LMN wie gewünscht tätig wird. Solange die Verbindung zwischen LMN und Muskel und/oder zwischen Muskelspindel und der sensorischen Nervenzelle nicht wiederhergestellt ist, sorgt das System dafür, dass der Muskel, der normalerweise durch den betreffenden Reflexbogen innerviert wird, auch tatsächlich bewegt wird. Dies erfolgt nicht zuletzt deshalb, da auch andere bestehende
Reflexbögen, die in einem kausalen Zusammenhang mit der Bewegung stehen, vorzugsweise berücksichtigt werden (motorische Neuronen vom Typ Αγ).
Dies stellt die Bewegungseirichtung 20 sicher. Damit dies in einem zeitlichen und kausalen Zusammenhang mit den durch die Signalgeneratoreinheit 30 gesteuerten Abläufen im simulierten Reflexbogen erfolgt, werden beide durch eine Auswerte- und Steuereinheit 10 angesteuert.
Sie veranlasst, dass über ein drittes Stimulationssignal 41 über einen dritten
Applikator 40 zeitgleich mit dem ersten Stimulationssignal 31 oder während der Bewegung des Körperteils aufgrund der Aktivität der Bewegungseinrichtung 20 an den Muskel abgegeben wird. Die Kontraktion des Muskels erzeugt nun über die Muskelspindel ein sensorisches Signal, das sich evtl. aufgrund des geschädigten Reflexbogens totläuft, allerdings durch das zweite Stimulationssignal 32 ersetzt werden kann. Sie erzeugt allerdings auch all die anderen Signale, die im Rahmen anderer, nicht betroffener Regelkreise eine Bedeutung haben. Dies verhindert, dass diese sekundär abhängigen Regelkreise aufgrund von Nichtnutzung degenerieren.
Die Regeneration des korrumpierten Reflexbogens kann, wie oben geschildert, positiv unterstützt werden, indem man geeignete Faktoren wie Botenstoffe und/oder Wachstumsfaktoren appliziert. Das System trägt dem Rechnung, indem es über ein Injektorsystem 50 verfügt, das diese an den geeigneten Wirkort verbringen kann. Dieser Wirkort ist individuell zu identifizieren. Die Aufgaben der Steuereinheit 10 sind komplex. Vor allem die zeitliche Abfolge der Reize und der Reaktionen darauf sind hoch individuell. Auch die Reize selbst sind vorzugsweise komplex, es handelt sich nicht lediglich um kurze Ein-Aus-Impulse. Vielmehr werden in den Signalen weitere codierte Informationen zu den betreffenden Nervenzellen übertragen, z. B. im Falle des Signals der Muskelspindel Informationen über den Kontraktionsgrad des Muskels. Aus diesen Informationen wird dann normalerweise vom LMN die Notwendigkeit und Art eines weiteren zu sendenden Signals berechnet.
Das bedeutet, dass das System vorzugsweise in der Lage ist, sich an aktuelle Situationen anpassen zu können. Dies erfolgt, indem es im Rahmen eines lernfähigen Neuronalen Netzes oder eines vergleichbaren lernfähigen Ansatzes der Datenverarbeitung realisiert ist. Zu diesem Zweck legt es Daten in einer lokalen Speichereinheit 60 ab.
Die Art der Bewegungseinrichtung 20, mit der die Bewegung des Köperteils durchgeführt wird, ist abhängig vom Grad und der Art der Schädigung. Sofern es z. B. einen Arm betrifft oder die Lähmungen nicht vollständig sind, kann eine geeignete Orthese 130 eingesetzt werden. Allerdings kann es auch erforderlich werden, ein ganzes Exoskelett einzusetzen, um z. B. bei lähmungsbedingter Immobilität das Laufen erneut lernen zu können. Exoskelett und Orthese werden dabei durch die Steuereinheit 10 und die Signaleinheit 30 angesteuert. Die dabei zum Einsatz kommenden Bewegungsmuster sind ebenfalls in der Speichereinheit 60 hinterlegt und werden ggf. über das lernfähige Neuronale Netz an die jeweilige aktuelle Situation angepasst. Modifikationen werden dabei in Form von Art und Grund in der Speichereinheit abgelegt. Vorzugsweise sind aufgrund dieser gegenseitigen
Abhängigkeiten an der Orthese oder dem Exoskelett 130 die Auswerte- und
Steuereinheit 10, Signalgeneratoreinheit 30 und die Speichereinheit 60 angeordnet und bilden so eine autarke Einheit. Über eine Schnittstelle 90 kann auf die Auswerte- und Steuereinheit 10 und die mit ihr verknüpfte Speichereinheit 60 von externen Systemen zugegriffen werden. Dies kann kabelgebunden oder kabellos erfolgen. Es ermöglicht den Datenaustausch mit einer externen Auswerte- und Steuereinheit 92 und deren externer Speichereinheit 91 . Auf diese Weise können nicht nur Daten zu Auswertungszwecken von der autarken Einheit abgerufen, sondern auch auf sie übertragen werden, um z. B. die aktuellen Bewegungsmuster mit denen anderer autarker Einheiten zu vergleichen und ggf. abzuändern. Auf diese Weise ist nicht nur ein anhand der lokalen aktuellen Situationen lernendes System realisierbar, sondern auch eines, das Erfahrungen aus anderen Systemen berücksichtigen kann. Mehrere Systeme können auf diese Weise ein sich gegenseitig unterstützendes Netzwerk bilden, das umso effektiver wird, je mehr Teilnehmer es hat.
Die Bewegungsvorrichtungen 20, aus denen Orthese oder Exoskelett bestehen, sind von der Auswerte- und Steuereinheit 10 aus ansteuerbar, indem von ihr ein Signal an einen Aktor 24 gegeben werden kann, der zwei beweglich verbundene Teile 21 und 22 der Orthese oder des Exoskeletts relativ zueinander bewegt, z. B. über
Stellmotoren. Sie verfügen darüber hinaus über eine Bewegungssensorik 25, mit denen diese aktuelle relative Lage zueinander erfasst und über ein erstes
Bewegungssensorsignal 26 an die Auswerte- und Steuereinheit übermittelt werden kann.
Darüber hinaus ist die Bewegungssensorik 25 in der Lage sein, die bei der
Bewegung auftretenden Kräfte und/oder Drehmomente aufzunehmen und als zweites Bewegungssignal 28 zur Verfügung zu stellen. Die Kombination beider Bewegungssignale kann dann dazu verwendet werden, die ausgeführte Bewegung zu beschreiben und z.B. über eine Komparatoreinheit 120 mit Referenzdaten zu vergleichen. Als Ergebnis dieses Vergleichs kann die Auswerte- und Steuereinheit 10 eine Bewertung des so erzeugten Signals 29 vornehmen und darauf reagieren.
Es können weitere Komponenten erforderlich werden, mit denen die Bewegung erzeugt und überwacht wird. So ist es z. B. bei Systemen, die der Fortbewegung dienen sollen, notwendig, neben der relativen Lage der Komponenten 21 und 22 zueinander auch eine absolute Lage des gesamten Systems im Raum feststellen zu können. Auch die beim Laufen auftretenden Beschleunigungen sind sehr wichtig und sollten erfasst und einberechnet werden.
Um dies nachvollziehen und dann z. B. in einem Exoskelett umsetzen zu können, sind gyroskopische Systeme 140 und andere geeignete Sensoren 141 , z. B.
Beschleunigungssensoren, erforderlich, die die Funktion des Lage- und
Bewegungssystems im Gleichgewichtsorgan des Menschen simulieren und lineare und/oder Winkel-Beschleunigungen in allen Raumrichtungen ermitteln und an die Auswerte- und Steuereinheit 10 zur Auswertung übertragen.
Die Therapie einer Lähmung ist höchst individuell, da die anatomischen und physiologischen Voraussetzungen höchst individuell sind. Es ist somit erforderlich, dass das System die durchzuführenden Bewegungsmuster lernen kann, die es dann im Rahmen der Reaktion auf die Aktivitäten der Reflexbögen durchzuführen hat. Daher muss das System über einen Betriebsmodus verfügen, in dem die Orthese oder das Exoskelett passiv bewegt werden kann, wobei sie aber alle Sensorsignale generiert und der Auswerte- und Steuereinheit übermittelt. Auf diese Weise lässt sich eine Folge von Sensorsignalen erstellen, die den Ablauf einer fließenden,
auszuübenden Bewegung darstellen und die bei Bedarf benutzt werden kann, die gelernte Bewegung über die Bewegungseinheit 20 auszuführen. Der passive
Bewegungsvorgang erfolgt mit geeigneten therapeutischen Maßnahmen, z. B. der Feldenkraismethode und/oder über die Bewegungen gesunder Probanden. Diese Signalfolgen werden als„Bewegungsmuster" in der Speichereinheit 60 abgelegt.
Die Funktion des Systems im Rahmen einer Therapie besteht nun darin,
Nervenimpulse, die aus dem motorischen Cortex oder anderen für die Motorik zuständigen Hirnteilen stammen, diesen Bewegungsmustern zuzuordnen und sie ggf. auszuführen. Ähnlich der Situation im Reflexbogen ist es wichtig, dass die motorischen Zentren im Gehirn ein Feedback über eine erfolgte Bewegung bekommen. Dieses Feedback ist nicht nur erforderlich, um den Bewegungsablauf anhand der jeweils resultierenden Veränderungen nach Aktionen fließend zu halten. Es dient auch dazu, diese wesentliche Information im Bewegungsgedächtnis, wie die Bewegung auszulösen ist, zu erhalten. Unterbleibt dies, wie bei aktuellen Maßnahmen, könnte das der, zumindest aber ein Grund sein, warum die pure Restaurierung von Nervenzellen im Rückenmark, über welche Methode auch immer, bislang nicht den Erfolg gezeigt hat, den man erwartet hatte. Das könnte auch erklären, warum andererseits in
Einzelfällen eine Heilung zumindest teilweise erfolgreich war. Bei diesen Patienten lag die Bewegungsinformation offenbar noch vor oder konnte zumindest reaktiviert werden.
Analog zum Erhalten kognitiver Gedächtnisinhalte wie gelerntes Wissen, indem man das Erlernte anwendet oder sich in Erinnerung ruft, ist es erforderlich, die Inhalte des Bewegungsgedächtnisses zu erhalten, indem man die dort gespeicherten
Bewegungen ausführt. Ist das über einen längeren Zeitraum nicht der Fall, werden sie ebenso gelöscht wie Schulwissen, das lange nicht mehr abgefragt wurde. Das System sollte vorzugsweise über einen Mechanismus verfügen, der auch im Falle einer kompromittierten Reizweiterleitung bei Lähmungen den beteiligten Hirnzentren ein Feedback auf eine initiierte Bewegung übermittelt.
Dazu besitzt es eine erste Sensoreinheit 100, die Signale 101 erfassen kann, die das Gehirn über die Medulla oblongata an das Rückenmark weitergibt, und sie als Detektorsignale 102 an die Auswerte- und Steuereinheit 10 weiterleitet. Diese analysiert die Signale u. a. anhand der in der Speichereinheit 60 abgelegten Daten D und ordnet sie einem dort ebenfalls hinterlegten Bewegungsmuster zu, das„gelernt" wurde. Auf diese Weise kann sie auf einen eindeutigen Reiz des Gehirns einen hinterlegten Bewegungsablauf der Orthese oder des Exoskeletts 130 veranlassen. Gleichzeitig wird dem Skelettmuskel (S) über die Signalgeneratoreinheit 30 und den Applikator 40 ein drittes Stimulationssignal 41 übermittelt. Dies synchronisiert die Simulation der Aktivität des motorischen Teils des Reflexbogens mit der auszuführenden Bewegung.
Das Feedback an die Hirnareale erfolgt in Form einer zweiten Sensoreinheit 1 10, die ein Signal 1 1 1 eines intakten sensorischen Nervs SP, des Sensors selbst MS oder einer Aktivität des Muskels S erfassen kann und ein zweites Sensorsignal 1 12 erzeugt, das über die Auswerte- und Steuereinheit 10 die Stimulationseinheit 30veranlasst, das zweite Stimulationssignal 32 auszulösen. Auch dieser
Mechanismus synchronisiert die auszuführende Bewegung, in diesem Fall mit der Aktivität des sensorischen Teils des Reflexbogens.
Dies ist kein trivialer Vorgang, da, ähnlich zu Ableitungen von Gehirnströmen (EEG), die über die Sensoreinheit 100 abgeleiteten Signale des Gehirns eine Mischung aus Hunderten und Tausenden von Signalen einzelner Erster Neuronen (UMN) und deren sensorischer Analoga sind, da man in der Regel nicht in der Lage sein wird, die betreffenden Nervenfasern direkt anzusprechen. Analoges gilt für die zum
Feedback angeleiteten Signale der Sensoreinheit 1 10, da, wie oben bereits dargelegt, es nicht nur eine Quelle sensorischer Informationen pro Muskel gibt.
Daher ist die Fähigkeit des Systems zum Selbstlernen und somit zumindest ein Teil der Realisierung der Auswerte- und Steuereinheit in Form eines neuronalen Netzes oder Vergleichbarem erforderlich.
Hilfreich kann dabei sein, zunächst im passiven Modus einen gesunden Probanden die Bewegungen mit dem System ausführen zu lassen. Die dabei generierten Signale 26 bis 29 des Bewegungssensors 25 können dabei mit den Signalen 101 in eine Beziehung gebracht werden. Dies hilft nicht nur, den motorischen Zentren des Gehirns ein Feedback geben zu können, sondern auch, Art und zeitliche Abfolge der ersten 31 und zweiten 32 Stimulationssignale zu ermitteln, die zur Stimulation des Reflexbogens erforderlich sind.
Das Neuronale Netz kann auf diese Weise eine Grundeinstellung definieren, mit der das System arbeiten kann und die dann im Folgenden an den betreffenden Patienten angepasst wird, indem das selbstlernende System erforderliche Notwendigkeiten zur Anpassung erkennt und vornimmt. Über den Datenaustausch 90 mit anderen
Systemen und Steuereinheiten 91 und deren Speichersystemen 92 kann es hierzu die individuellen Besonderheiten anderer Patienten daraufhin überprüfen, ob sie beim aktuellen Patienten hilfreich sein könnten - und dann entsprechende
Korrekturen vornehmen.
Hilfreich kann weiterhin sein, die Anzahl störender Signale, die das Sensorsystem 100 aufnimmt, deutlich zu reduzieren. Dies kann erreicht werden, indem überflüssige motorische Aktivitäten unterlassen werden. Dies ist am Patienten, der bei
Bewusstsein ist, schwierig. Man kann es allerdings erreichen, wenn man den
Patienten in einen tranceartigen Zustand versetzt, was durch Meditation oder
Hypnose möglich ist. Dieser Zustand lässt sich durch Ableitung der Hirnströme (EEG) feststellen, da deren Frequenz und Amplitude ein Maß für die Aktivitäten des Gehirns sind. Im Zustand der Trance ist der Patient zwar noch ansprechbar;
allerdings zeigen die in diesem Zustand als Theta-Wellen bezeichneten Hirnwellen, dass ein Großteil an Aktivitäten des Großhirns eingestellt wurden - unter anderem auch Bewegungen. Die Durchführung der Therapie unter Hypnose/Meditation scheint also zumindest in einer„Lernphase" des Systems die Analyse der notwendigen Signale zu erleichtern.
Hypnose/Meditation ist auch aus einem weiteren Grund vorteilhaft. Das Lernen von Bewegungen ist ein unbewusster Vorgang und damit willkürlicher Beeinflussung entzogen. Zwar lassen sich Bewegungen willkürlich durchführen; allerdings beschränkt sich das auf eine höhere Ebene des Bewegungsablaufs. Welche
Aktivitäten dabei auf der Ebene der Nervenreize ablaufen, welche
Muskeln/Muskelgruppen wann, in welcher Abfolge und mit welcher Intensität anzusteuern sind, entzieht sich dem Bewusstsein ebenso wie die Ablage der daraus resultierenden Bewegungsmuster im Bewegungsgedächtnis.
Allerdings hat man gute Erfahrungen, das Bewegungszentrum anzusprechen und ggf. zu modifizieren, mit Patienten gemacht, die Ihre Beweglichkeit aufgrund anderer Ursachen verloren hatten. So hat eine Kombination von Hypnose und der Feldenkrais-Methode bei Patienten, denen aufgrund von Tumoren das motorische Zentrum in der Großhirnrinde teilweise oder vollständig entfernt werden musste, zu erstaunlichen Resultaten geführt, die durch klassische Rehabilitationsmaßnahmen nicht erzielt werden konnten. Bei diesen Patienten ist die Problematik ähnlich gelagert. Zwar funktionieren hier die so wichtigen Reflexbögen im Rückenmark immer noch, doch mussten neue Nervenzellen in Arealen des Gehirns, die zuvor nichts mit Bewegung zu tun hatten, die Aufgaben der entfernten übernehmen. Dies ist offenbar möglich, und der Vorgang scheint nur unter Einsatz von Hypnose erfolgversprechender zu sein als ohne.
Teil des Systems ist daher ein Detektor 70, der elektrische Hirnsignale erfassen kann, mit denen eine Auswertung des aktuellen Grades des Bewusstseins möglich ist und diese Information über ein Detektorsignal 71 an die Auswerte- und
Steuereinheit 10 übermittelt. Diese kann nun ihre Bewertungen und daraus resultierende Aktivitäten in Abhängigkeit des Bewusstseinszustands vornehmen. Denkbar ist, vor allem in der Lernphase des Systems, Bewegungen nur zuzulassen, falls sich der Patient in Hypnose befindet.
Um das komplizierte Zusammenspiel gegenseitiger Abhängigkeiten korrekt abzubilden und entsprechende Aktivitäten auszulösen, ist eine Vielzahl von
Informationen erforderlich. Hinzu kommt, dass das System in der Lage sein muss, die gesamte Spannbreite von der vollständigen Ausführung eines Bewegungsablaufs (idealerweise) aufgrund eines Hirnsignals ohne weitere natürlichen Aktivitäten (Zustand unmittelbar nach Eintritt der Lähmung) bis zu einer rein überwachenden Funktion (am Ende der Therapie) erfassen und einschätzen zu können. Dazu ist es erforderlich, dass das System selbstlernend ist.
In den Ansprüchen 1 bis 6 sind Schnittstellen zwischen dem System und dem biologischen System in Form der Applikatoren 33, 34 und 40 definiert, mit denen es Impulse an dieses System abgeben kann. Dadurch werden ausbleibende Signale aus dem Reflexbogen simuliert, wie auch der Feedback an das Gehirn. In den Ansprüchen 16 und 17 sind Schnittstellen zwischen dem System und dem biologischen System in Form der Sensoreinheiten 100 und 1 10 definiert, mit denen Impulse aus dem biologischen System gewonnen werden können, um die Aktivitäten zu steuern. Was dazu fehlt, einen vollständigen Überblick über die aktuelle Situation zu bekommen, sind Sensoren innerhalb des Reflexbogens, die dem System mitteilen, wie reibungslos der Informationsfluss innerhalb dieser unteren Ebene erfolgt.
Diese Informationen sind wichtig, da sie es dem System ermöglichen,
Entscheidungen zu treffen, welche Teilaspekte im Reflexbogen (motorische, sensorische oder motorische und sensorische Simulation) zu simulieren sind, in welchem Maße es dominant, unterstützend oder überwachend tätig werden muss und in welchem Maße die beiden Regelkreise zu synchronisieren sind. So könnte z. B. nach funktioneller Wiederherstellung des Reflexbogens die Notwendigkeit bestehen, dem Gehirn weiterhin Feedback zu schicken, um die alten oder neu erlernten Bewegungsmuster nicht zu vergessen - wichtig vor allem in der
Trainingsphase.
Vorzugsweise existiert dazu mindestens ein Sensor 80, der die Aktivität der zu integrierenden oder sich regenerierenden Nervenzelle feststellt und ein Sensorsignal 81 generiert, das der Auswerte- und Steuereinheit 10 zur Verfügung gestellt wird. Die Anzahl und der Ort dieser Sensoren 80 sind individuell abhängig vom jeweiligen Fall. Falls lediglich der motorische Teil korrumpiert ist, muss er an der LMN an einer Stelle sitzen, die eine Bewertung zulässt, ob die Zelle lebt und Nervenimpulse über ein Axon senden kann. Falls der sensorische Teil korrumpiert ist, betrifft dies analog das Spinalganglion.
Weitere Orte solcher Sensoren sind der Muskel und der Körperteil selbst, um
Muskelaktivitäten zu entdecken.
Signale, die auf diese Weise generiert werden, können auch zur Steuerung des Injektorsystems 50 verwendet werden. Das lösungsgemäße System ist primär nicht dazu gedacht, langfristig als technisches Hilfsmittel zur Verbesserung der Lebensqualität eingesetzt zu werden; das System hat primär therapeutische Bedeutung mit dem Ziel, auf das System kurz- bis mittelfristig zu verzichten, sofern sich durch die Nutzung im Rahmen einer Therapie keine weitere Besserung mehr herstellen lässt. Im Idealfall ist dies nach Erreichen der vollständigen Wiederherstellung der Funktion der Fall.
Sollte dies nicht möglich sein, können die individuellen Informationen
(Bewegungsmuster), die das System im Rahmen der therapeutischen Maßnahmen gesammelt hat, verwendet werden, individuell optimierte, einfachere Ausführungen herzustellen, die als medizintechnisches Hilfsmittel eingesetzt werden. Auf diese Weise sind Exoskelette oder Orthesen mit einer Komplexizität herstellbar, die bislang nicht erreicht werden kann und dem Patienten eine neue Lebensqualität ermöglicht.
Die Anwendung der Erfindung dient der möglichst weiten Wiederherstellung durch Plegie verloren gegangener Fähigkeiten zur Bewegung, aber auch der Therapie unvollständiger Lähmungen („Paresen", z. B. Peroneusparese =
„Fußheberlähmung"). Sie soll erforderlich werdende technische Hilfen wie
Orthesen/Exoskelette überflüssig machen, indem sie beginnend mit erzwungener Bewegung durch die Erfindung durch Training und zunehmendem Rückzug des selbstlernenden Systems (assistierte Bewegung) zu eigenständiger Bewegung führt. Dies erfolgt praktisch in drei Phasen:
1 . Passive Lernphase
An dem Patienten werden bei angelegtem Exoskelett/Orthese in einem passiven Betriebsmodus durch geeignete Maßnahmen wie die Feldenkrais-Methode mit/ohne Hypnose die Bewegungen durchgeführt, die der Patient trainieren soll. Die
Bewegungssensorik 25 an der Bewegungsvorrichtung 20 erfasst dabei die Lage der Komponenten 21 , 22 zueinander sowie andere bei der Bewegung auftretende Änderungen, z. B. lineare und Winkelbeschleunigungen (vgl. Fig. 3) und gibt sie als erste Bewegungssignale 26 and die Steuereinheit 10 weiter, die diese
Bewegungsdaten BD auswertet und in zeitlicher Abfolge als„Bewegungsmuster" BM in der Datenspeichereinheit 60 ablegt. Sie repräsentieren die individuell möglichen Gelenkstellungen zueinander, die bei einer flüssigen Bewegung auftreten.
Bereits in dieser frühen Phase ist es sinnvoll, diese Daten über die Schnittstelle 90 in die externe Datenbank 91 zu überführen und durch die externe Auswerteeinheit 92 auswerten zu lassen. So können sie mit Bewegungsmustern, die bei gesunden Personen mit natürlichen Bewegungen ermittelt wurden, ohne dass ein Therapeut die Bewegung manuell erzwungen hat, verglichen werden. Ergänzend ist der
Vergleich mit Datensätzen möglich, die von andren Patienten stammen. Über den Abgleich all dieser Datensätze mit den aktuell übermittelten des Patienten können Korrekturwerte ermittelt werden, die über die Schnittstelle 90 wieder der
Steuereinheit 10 zur Berücksichtigung vorgelegt werden können.
Die in dieser Phase ermittelten Bewegungsdaten dienen auch als Referenzdaten R, mit denen die Komparatoreinheit 120 später in einem aktiven Betriebsmodus das zweite Bewegungssignal 28 vergleicht und ggf. das Signal 29 generiert.
In dieser Phase erfasst die Steuereinheit 10 auch die Signale 81 der Sensoren 80 (vgl. Fig. 4). Sie kann auf diese Weise feststellen, welche Komponenten des
Regelkreises, motorische und/oder sensorische Informationen, bei Bewegungen natürlicherweise überhaupt noch erzeugt werden und in welcher Qualität. Auf diese Weise ist es möglich, zu entscheiden, welche der Stimulationssignale 31 , 32 durch die Signalgeneratoreinheit 30 in der späteren aktiven Phase generiert werden müssen und in welcher Stärke (vgl. Fig. 1 ).
Schließlich wird in dieser Phase auch das ggf. vom UMN kommende Signal 101 über die erste Sensoreinheit 100 detektiert und als erstes Sensorsignal 102 an die
Steuereinheit 10 übermittelt. Analoges erfolgt mit dem Feedbacksignal 1 1 1 , das für den Feedback an die sensorische Nervenzelle im Hirn gedacht ist und, so vorhanden, mittels der zweiten Sensoreinheit 1 10 erfasst und in Form des Zweiten Sensorsignals 1 12 an die Steuereinheit 10 übermittelt wird. Auf diese Weise kann diese das Zusammenspiel der beiden ineinandergreifenden Regelkreise feststellen und, so erforderlich, über die Signalgeneratoreinheit 30 die Signale 32 und 41 erzeugen, die für die Aufrechterhaltung des übergeordneten Regelkreises und die Erhaltung des Bewegungsgedächtnisses erforderlich sind (vgl. Fig. 5).
2. Aktive Lernphase
In einem aktiven Betriebsmodus werden nun die in der passiven Lernphase ermittelten Bewegungsmuster benutzt, um entweder einzeln oder in einem beliebigen Zusammenhang ausgeführt zu werden. Dabei können die zu lernenden Abläufe beliebig oft wiederholt werden. Sie werden entweder über geeignete Ein- und
Ausgabegeräte 1 1 und 12 ausgewählt (vgl. Fig. 4) oder, so möglich, durch
Auswertung der Signale 101 (vgl. Fig. 5) angestoßen.
In dieser Phase wird die Erfindung auf zwei Arten eingesetzt:
(1 ) Zur aktiven, assistierten oder aufgezwungenen Bewegung. Hierbei steuert die Steuereinheit 10 die Bewegungseinheit 20 und konkret den Aktor 24 an, der die Komponenten 21 und 22 um das Gelenk 23 relativ zueinander bewegt (Fig. 3).
Hierbei werden die Daten über die Bewegungssensorik 25 erfasst und über das erste Bewegungssensorsignal 26 der Steuereinheit 10 als Feedback zurückgegeben. Gleichzeitig wird über das zweite Bewegungssensorsignal 28 die Komparatoreinheit 120 dazu veranlasst, die Daten mit den hinterlegten Referenzwerten R zu
vergleichen und ggf. ein korrigierendes Signal 29 zu erzeugen und an die
Steuereinheit 10 zur Auswertung weiterzuleiten.
Hierbei auftretende Änderungen des durchgeführten Bewegungsmusters werden in der Speichereinheit 60 hinterlegt, um ggf. gleichzeitig oder später über die
Schnittstelle 90 an die externe Steuereinheit 92 zur Bewertung weitergegeben zu werden, die sie in der externen Speichereinheit ebenfalls speichert und
Konsequenzen der Bewertung wieder an die Steuereinheit 10 zurückgibt. (2) Zur aktiven, assistierten oder aufgezwungenen Signalverarbeitung der Regelkreise. Hierbei werden, wie in der passiven Lernphase, die motorischen und sensorischen Sensorsignale 81 vor und hinter der geschädigten Stelle über die Sensorik 80 aufgenommen, soweit sie auftreten. Simultan zu der Durchführung der Bewegung werden nun die fehlenden oder unzureichend ausgeprägten Reize über die Stimulationssignale 31 , 32 und 41 simuliert über die Applikatoren 33, 34 und 40 in den Regelkreis mit dem LMN eingespeist. (Fig. 2). Über die Bewertung der Unterschiede der Art und Qualität der eingehenden Signale 81 bei unterschiedlichen Durchläufen ist die Beeinflussung der Notwendigkeit und der Quantität der
Stimulationssignale 31 , 32 und 44 möglich. Ziel ist es, langfristig auf sie verzichten zu können.
Bei der aktiven Lernphase handelt es sich um einen zyklischen Prozess, bestehend aus der Ausführung von gespeicherten Bewegungsmustern, der damit verbundenen Bewegung, der Erfassung der resultierenden Sensorsignale, ihrer Bewertung und daraus resultierender Adaption der Bewegungsmuster und Signale sowie deren Abspeicherung in externen Datenbanken. Sie ist abgeschlossen, wenn keine
Adaptionen mehr erforderlich sind und das System über alle erforderlichen Daten verfügt. Ferner dient sie dazu, die komplexen Muster, die als erstes Sensorsignal 102 vom ersten Sensor 100 erfasst werden, zu analysieren und die Signale herauszufiltern, die der Ansteuerung des gewünschten Muskels entsprechen.
Da diese aktive Lernphase sehr viele Durchgänge umfasst, lernt das System eigenständig, sich auf den aktuellen Patienten einzustellen, wodurch eine optimale, individuelle Therapie möglich ist. Gleichzeitig kann es durch Vergleich mit ähnlich gelagerten Fällen in der externen Speichereinheit 91 Hinweise geben, welche zusätzlichen Maßnahmen/Änderungen sinnvoll sein könnten. Auch die Änderung einzelner Bewegungsmuster im Rahmen einer zusätzlichen passiven Lernphase während des Trainings ist möglich, da hierzu lediglich die Bewegung von außen (z. B. über die Feldenkrais-Methode)„aufgeprägt" werden muss („Korrektur",„Fine- Tuning"). Alle Abläufe können mit oder ohne Einsatz zusätzlicher Maßnahmen wie Meditation, Hypnose, Stammzelltherapie, Nervenzelltransplantation oder Anregung zu
Nervenwachstum erfolgen. Die Änderungen der Reaktionen auf diese Maßnahmen sowie die Erkenntnisse des Biofeedbacks fließen in die Berechnungen mit ein.
3. Trainingsphase
Die Trainingsphase unterscheidet sich von der aktiven Lernphase nur in der Hinsicht, dass das System Änderungen an den Bewegungs-/Signalmustern nicht mehr vornimmt. In der Trainingsphase werden zwar die Sensorsignale 81 ebenfalls erfasst und ausgewertet; jedoch dient die Bewertung in dieser Phase lediglich dazu, festzustellen, in wieweit sich das System aus dem aufzwingenden und später assistierenden Betrieb zurückziehen kann. Sie ist beendet, wenn entweder keine Stimulationssignale 31 , 32 und/oder 41 mehr erforderlich sind (restitutio ad
integrum), der Patient sich also vollständig selbst wieder bewegen kann, oder sich die erforderliche Reizstärke/-qualität über einen langen Zeitraum nicht mehr reduzieren lässt (zurückbleibender Schaden).
Aus der Trainingsphase kann ggf. wieder in die aktive oder auch passive Lernphase zurückgegangen werden, falls dies erforderlich ist.
Bezugszeichenliste Nervenleitung
Motorischer Nervenleitungsteil
' Vom Skelettmuskel separierter motorischer Nervenleitungsteil " Mit dem Skelettmuskel verbundener motorischer Nervenleitungsteil
Sensorischer Nervenleitungsteil
' Vom Skelettmuskel separierter sensorischer Nervenleitungsteil " Mit dem Skelettmuskel verbundener sensorischer Nervenleitungsteil
Körperteil
Trennstelle, funktionelle Unterbrechung der Nervenleitung0 Auswerte- und Steuereinheit
1 Anzeigemodul
2 Eingabemodul
0 Bewegungsvorrichtung
1 , 22 Komponenten
3 Gelenk
4 Aktor
5 Bewegungssensorik
6 Erstes Bewegungssensorsignal
8 Zweites Bewegungssensorsignal
9 Korrektursignal
0 Signalgeneratoreinheit
1 Erstes Stimulationssignal
2 Zweites Stimulationssignal
3 Erster Applikator
4 Zweiter Applikator
0 Dritter Applikator
1 Drittes Stimulationssignal
0 Injektorsystem
0 Speichereinheit
0 Detektoreinheit 71 Detektorsignal
80 Sensorik
81 Sensorsignal
90 Schnittstelle
91 Externe Speichereinheit
92 Externe Auswerte- und Steuereinheit
100 Erste Sensoreinheit
101 Natürliches, zur Stimulierung des Skelettmuskels bestimmtes,
Nervensignal
102 Erstes Sensorsignal
1 10 Zweite Sensoreinheit
1 1 1 Nervensignal des mit dem Skelettmuskel verbundenen sensorischen
Nervs
1 12 Zweites Sensorsignal
120 Komparatoreinheit
121 Optische oder akustische Anzeige
130 Energieversorgungseinheit
140 Gyroskop
141 Beschleunigungssensoren
S Skelettmuskel
D Daten
MS Muskelspindel
R Referenzdaten

Claims

Patentansprüche
System zur Regeneration wenigstens einer durchtrennten Nervenleitung (1 ), in einem lebenden menschlichen oder tierischen Körper,
mit einer Bewegungsvorrichtung (20), mit der ein Körperteil (4) des
menschlichen oder tierischen Körpers bewegbar ist, das wenigstens einen mit der durchtrennten Nervenleitung (1 ) ansonsten innervierbaren Skelettmuskel (S) enthält,
mit einer Signalgeneratoreinheit (30), die ein erstes elektrisches
Stimulationssignal (31 ) und ein zweites elektrisches Stimulationssignal (32) erzeugt, sowie
mit einer Auswerte- und Steuereinheit (10), die die Bewegungsvorrichtung (20) sowie die Signalgeneratoreinheit (30) derart aufeinander abgestimmt ansteuert, dass die Signalgeneratoreinheit (30) das erste Stimulationssignal (31 ) über einen ersten Applikator (33) an den vom Skelettmuskel (S) separierten Nervenleitungsteil (2') appliziert und in zeitlicher Koinzidenz dazu die Bewegungsvorrichtung (20) das Körperteil (4) bewegt und dass zeitlich während oder nach der Bewegung des Körperteils (4) die
Signalgeneratoreinheit (30) das zweite Stimulationssignal (32) über den ersten (33) oder einen zweiten Applikator (34) an den vom Skelettmuskel (S) separierten Nervenleitungsteil (3') appliziert.
System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinheit (30) ein drittes elektrisches Stimulationssignal (41 ) erzeugt , das mittels eines dritten
Applikators (40) an den Skelettmuskel (S) applizierbar ist, und
dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) die Signalgeneratoreinheit (30) derart ansteuert, dass das dritte Stimulationssignal (41 ), zeitgleich mit dem ersten Stimulationssignal (31 ) oder während die Bewegungsvorrichtung (20) das Körperteils (4) bewegt, an dem Skelettmuskel (S) applizierbar ist.
System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Injektorsystem (50) vorgesehen ist, das über die Auswerte- und Steuereinheit (10) ansteuerbar ist und wenigstens einen Wirkstoff im Bereich der durchtrennten Nervenleitung (1 ) appliziert.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Speichereinheit (60) vorgesehen ist, in der Daten (D) abgespeichert sind, und
dass auf Basis der Daten die Auswerte- und Steuereinheit (10) die
Bewegungsvorrichtung (20) und die Signalgeneratoreinheit (30) ansteuert.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Applikator (33) eine
Elektrodenanordnung aufweist und/oder dass der zweite Applikator (34) eine Elektrodenanordnung aufweist.
6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Applikator (40) eine
Elektrodenanordnung aufweist.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (20) eine Orthese oder ein Exoskelett (130) aufweist.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass an der Orthese oder dem Exoskelett (130) die Auswerte- und Steuereinheit (10), die Signalgeneratoreinheit (30) und/oder die Speichereinheit (60) angeordnet sind und eine autarke Einheit bilden.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (20) wenigstens zwei über ein Gelenk (23) miteinander verbundene Komponenten (21 , 22) sowie wenigstens einen Aktor (24) aufweist, mittels dem die Komponenten (21 , 22) relativ zueinander bewegbar sind, und dass der Aktor (24) mittels der Auswerte- und Steuereinheit (10) ansteuerbar ist.
10. System nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungssensorik (25) an der Bewegungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, die wenigstens die relative räumliche Lage der Komponenten (21 , 22) erfasst und wenigstens ein erstes Bewegungssensorsignal (26) generiert, das mittels der Auswerte- und Steuereinheit auswertbar ist.
1 1 . System nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das System in einen Betriebszustand versetzbar ist, bei dem die Bewegungsvorrichtung (20) ohne Unterstützung des Aktors (24) und/oder ohne Ansteuerung durch die Auswerte- und
Steuereinheit (10) bewegbar ist, und
dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) in diesem Betriebszustand auf Basis der von der Bewegungssensorik (25) erzeugten ersten
Bewegungssensorsignale (26) Bewegungsdaten generiert und in der Speichereinheit (60) abspeichert.
12. System nach Anspruch 10 oder 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungssensorik (25) während der Bewegung an der Bewegungsvorrichtung auftretende Kräfte und/oder Drehmomente erfasst und wenigstens ein zweites Bewegungssensorsignal (28) generiert, und
dass eine Komparatoreinheit (120) vorgesehen ist, die das zweite
Bewegungssensorsignal (28) mit Referenzdaten (R) vergleicht und bei einer Abweichung, die eine vorgebbare Schwelle überschreitet, ein Signal (29) generiert, und
dass die Komparatoreinheit (120) mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) verbunden ist, die das Signal (29) bewertet.
13. System nach einem der Ansprüche 4 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (70) vorgesehen ist, der elektrische Hirnsignale erfasst und ein Detektorsignal (71 ) generiert, dass der Detektor (70) mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) verbunden ist, die das Detektorsignal (71 ) bewertet und die Bewegungsvorrichtung (20) sowie die Signalgeneratoreinheit (30) nach Maßgabe von in der
Speichereinheit (60) abgespeicherten Daten (D) ansteuert.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) eine Schnittstelle (90) aufweist, über die die Auswerte- und Steuereinheit (10) mit wenigstens einer externen Speichereinheit (91 ) und/oder wenigstens einer externen Auswerte- und Steuereinheit (92) drahtgebunden oder drahtlos verbindbar ist.
15. System nach einem der Ansprüche 2 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Sensoreinheit (100) vorgesehen ist, die ein natürliches, zur Stimulierung des Skelettmuskel (S) bestimmtes, elektrisches Nervensignal (101 ) erfasst und wenigstens ein erstes
Sensorsignal (102) generiert,
dass die erste Sensoreinheit (100) mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist, und
dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) das erste Sensorsignal (102) auswertet und die Signalgeneratoreinheit (30) auf Grundlage des
ausgewerteten ersten Sensorsignals zur Erzeugung des dritten
Stimulationssignals (41 ) ansteuert.
16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Sensoreinheit (1 10) vorgesehen ist, die ein elektrisches Nervensignal (1 1 1 ) des mit dem Skelettmuskel (S) verbundenen sensorischen Nervenleitungsteils (3") und/oder eine Aktivität des Skelettmuskels (S) erfasst und wenigstens ein zweites Sensorsignal (1 12) generiert,
dass die zweite Sensoreinheit (1 10) mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) verbunden ist, und
dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) das zweite Sensorsignal (1 12) auswertet und die Signalgeneratoreinheit (30) auf Grundlage des
ausgewerteten zweiten Sensorsignals zur Erzeugung des zweiten
Stimulationssignal (32) ansteuert.
17. System nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine durchtrennte
Nervenleitung (1 ) wenigstens einen motorischen Nervenleitungsteil (2) und/oder wenigstens einen sensorischen Nervenleitungsteil (3) umfasst, und dass die Signalgeneratoreinheit (30) das erste Stimulationssignal (31 ) über den ersten Applikator (33) an den vom Skelettmuskel (S) separierten motorischen Nervenleitungsteil (2') appliziert und in zeitlicher Koinzidenz dazu die Bewegungsvorrichtung (20) das Körperteil (4) bewegt und dass zeitlich während oder nach der Bewegung des Körperteils (4) die
Signalgeneratoreinheit (30) das zweite Stimulationssignal (32) über den ersten (33) oder einen zweiten Applikator (34) an den vom Skelettmuskel (S) separierten sensorischen Nervenleitungsteil (3') appliziert.
18. System nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorik (80) vorgesehen ist, die eine quantifizierbare Zustandsanderung am motorischen Nervenleitungsteil (2), am sensorischen Nervenleitungsteil (3), am Skelettmuskel (S) und/oder am Körperteil (4) erfasst und ein Sensorsignal (81 ) generiert, und
dass die Sensorik (80) mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) verbunden ist, die das Sensorsignal (81 ) bewertet.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3084839A1 (fr) * 2018-08-09 2020-02-14 Mies Appareil d'electrostimulation
CN111698969A (zh) * 2018-03-09 2020-09-22 我自己的动作有限公司 抓握辅助系统和方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109998543A (zh) * 2019-05-07 2019-07-12 黄光� 一种颈运动神经根传导时间测量装置及方法
DE19217281T1 (de) * 2019-12-18 2021-10-14 Onward Medical B.V. System zur Bereitstellung von Stimulation
CN111408043B (zh) * 2020-03-27 2023-10-03 浙江迈联医疗科技有限公司 功能性电刺激和外骨骼设备的协调控制方法、装置、存储介质及系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020161415A1 (en) * 2001-04-26 2002-10-31 Ehud Cohen Actuation and control of limbs through motor nerve stimulation
US20060292187A1 (en) * 2001-12-04 2006-12-28 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Nerve construct containing living stretch-grown nervous tissue
DE102006008495A1 (de) 2006-02-23 2007-09-06 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Vorrichtung und Verfahren zur Echtzeit-Ansteuerung eines Effektors
DE102009057962A1 (de) 2009-12-11 2011-06-16 Karlsruher Institut für Technologie Nervenprothese und Verfahren zur Herstellung einer Nervenprothese
US20110224665A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 Peter Andrew Crosby Modular stimulator for treatment of back pain, implantable rf ablation system and methods of use
US20130304174A1 (en) * 2011-01-14 2013-11-14 The Regents Of The University Of Michigan Peripheral nerve interface devices for treatment and prevention of neuromas
US20150057723A1 (en) 2010-12-20 2015-02-26 The University Of North Carolina Greensboro Method and system of stimulation of nerve tissue with a sequence of spatially distributed resonant sub-threshold electrical stimuli
US20150173918A1 (en) * 2013-10-22 2015-06-25 Massachusetts Institute Of Technology Peripheral Neural Interface Via Nerve Regeneration to Distal Tissues

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6684105B2 (en) * 2001-08-31 2004-01-27 Biocontrol Medical, Ltd. Treatment of disorders by unidirectional nerve stimulation
DE102006008405B4 (de) 2006-02-21 2014-07-24 Rpc Bramlage Gmbh Im Tiefziehverfahren hergestellter Deckel
JP2014533183A (ja) * 2011-11-11 2014-12-11 ニューロイネイブリング テクノロジーズ インコーポレイテッド 運動神経、感覚、自律、性的、血管運動および認知機能の回復を可能にするための非侵襲性神経調節装置
CN102526874A (zh) * 2012-01-06 2012-07-04 上海交通大学 精确控制手指活动的佩戴式辅助电刺激系统
CN102872533B (zh) * 2012-09-11 2015-08-05 上海市东方医院 瘫痪肢体肌肉复能系统
US9114246B2 (en) * 2013-03-15 2015-08-25 University Of Rochester Spinal nerve stimulation rings for rehabilitation of patients with spinal trauma and stroke
EP3285694B1 (de) * 2015-04-20 2021-03-10 Ossur Iceland EHF Elektromyographie mit prothetischen oder orthetischen vorrichtungen

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020161415A1 (en) * 2001-04-26 2002-10-31 Ehud Cohen Actuation and control of limbs through motor nerve stimulation
US20060292187A1 (en) * 2001-12-04 2006-12-28 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Nerve construct containing living stretch-grown nervous tissue
DE102006008495A1 (de) 2006-02-23 2007-09-06 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Vorrichtung und Verfahren zur Echtzeit-Ansteuerung eines Effektors
DE102009057962A1 (de) 2009-12-11 2011-06-16 Karlsruher Institut für Technologie Nervenprothese und Verfahren zur Herstellung einer Nervenprothese
US20110224665A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 Peter Andrew Crosby Modular stimulator for treatment of back pain, implantable rf ablation system and methods of use
US20150057723A1 (en) 2010-12-20 2015-02-26 The University Of North Carolina Greensboro Method and system of stimulation of nerve tissue with a sequence of spatially distributed resonant sub-threshold electrical stimuli
US20130304174A1 (en) * 2011-01-14 2013-11-14 The Regents Of The University Of Michigan Peripheral nerve interface devices for treatment and prevention of neuromas
US20150173918A1 (en) * 2013-10-22 2015-06-25 Massachusetts Institute Of Technology Peripheral Neural Interface Via Nerve Regeneration to Distal Tissues

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALLUIN O ET AL: "Functional recovery after peripheral nerve injury and implantation of a collagen guide", BIOMATERIALS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS BV., BARKING, GB, vol. 30, no. 3, 1 January 2009 (2009-01-01), pages 363 - 373, XP025632723, ISSN: 0142-9612, [retrieved on 20081016], DOI: 10.1016/J.BIOMATERIALS.2008.09.043 *
DECHERCHI P ET AL: "Electromyostimulation et recuperation fonctionnelle d'un muscle denerve", SCIENCE AND SPORTS, ED. SCIENTIFIQUES ELSEVIER, PARIS, FR, vol. 18, no. 5, 1 October 2003 (2003-10-01), pages 253 - 263, XP027514234, ISSN: 0765-1597, [retrieved on 20031001], DOI: 10.1016/S0765-1597(03)00144-8 *
XAVIER NAVARRO ET AL: "A critical review of interfaces with the peripheral nervous system for the control of neuroprostheses and hybrid bionic systems", JOURNAL OF THE PERIPHERAL NERVOUS SYSTEM, vol. 10, no. 3, 1 September 2005 (2005-09-01), US, pages 229 - 258, XP055298492, ISSN: 1085-9489, DOI: 10.1111/j.1085-9489.2005.10303.x *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111698969A (zh) * 2018-03-09 2020-09-22 我自己的动作有限公司 抓握辅助系统和方法
FR3084839A1 (fr) * 2018-08-09 2020-02-14 Mies Appareil d'electrostimulation

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