DE102007051847B4

DE102007051847B4 - Vorrichtung zur Stimulation von Neuronen mit einer krankhaft synchronen und oszillatorischen neuronalen Aktivität

Info

Publication number: DE102007051847B4
Application number: DE102007051847.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Sturm; Athanasios Koulousakis; Peter Tass
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Universitaet zu Koeln
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: US20100280570A1; WO2009056107A1; EP2214774A1; DE102007051847A1

Abstract

Vorrichtung (100–300) zur Stimulation von Neuronen, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische neuronale Aktivität aufweisen, umfassend: – eine Generatoreinheit (1) zum Erzeugen von elektrischen Stimulationssignalen, und – eine Rückenmarksstimulationseinheit (2) mit einer Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen (11–14), die von der Generatoreinheit (1) mit den Stimulationssignalen gespeist werden, wobei – mindestens zwei der Stimulationskontaktflächen (11–14) in Querrichtung zum Verlauf des Rückenmarks versetzt angeordnet sind und – die Generatoreinheit (1) derart ausgestaltet ist, dass sie die Stimulationskontaktflächen (11–14) derart mit Stimulationssignalen speist, dass N der Stimulationskontaktflächen (11–14) die Stimulationssignale zeitversetzt oder phasenversetzt abgeben und der Versatz zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Stimulationssignalen im Mittel 1/(f1 × N) beträgt und f1 die mittlere Frequenz der krankhaft synchronen und oszillatorischen neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen ist, wobei die Frequenz f1 im Bereich von 1 bis 20 Hz liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulation des Rückenmarks mittels elektrischer Stimulationssignale.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Stimulationsvorrichtung zur Behandlung von Schmerzerkrankungen, Angina pectoris und arterieller Verschlusskrankheit.
Bekannte Vorrichtungen zur Stimulation des Rückenmarks sind in den Schriften US 2006/0 095 088 A1 , US 2007/0 179 579 A1 und US 6 516 227 B1 beschrieben.
Vor diesem Hintergrund wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung von mittels mehrerer Stimulationskontaktflächen applizierten Stimulationssignalen;
5 eine schematische Darstellung von mittels mehrerer Stimulationskontaktflächen applizierten Sequenzen von Pulszügen;
6 eine schematische Darstellung eines Pulszugs;
7 eine schematische Darstellung einer Variation der in 4 gezeigten Stimulation;
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Variation der in 4 gezeigten Stimulation;
9 eine schematische Darstellung einer Rückenmarksstimulationseinheit 900 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Darstellung einer Rückenmarksstimulationseinheit 1000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
11 eine schematische Darstellung einer Rückenmarksstimulationseinheit 1100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
12 eine schematische Darstellung einer Rückenmarksstimulationseinheit 1200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
13 eine schematische Darstellung einer implantierten Rückenmarksstimulationseinheit 2; und
14A und 14B schematische Darstellungen einer implantierten Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 100 dargestellt. Die Vorrichtung 100 besteht aus einer Generatoreinheit 1 und einer mit der Generatoreinheit 1 verbundenen Rückenmarksstimulationseinheit 2. Die Rückenmarksstimulationseinheit 2 beinhaltet mindestens zwei Stimulationskontaktflächen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Rückenmarksstimulationseinheit 2 vier Stimulationskontaktflächen 11, 12, 13 und 14 auf. In 1 sind ferner eine erste Richtung 3 sowie eine im Wesentlichen dazu senkrechte zweite Richtung 4 angegeben. Bei der Implantation der Rückenmarksstimulationseinheit 2 wird diese so in den Körper des Patienten eingesetzt, dass die Richtung 3 im Wesentlichen dem Verlauf des Rückenmarks entspricht. Die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 sind entlang der Richtung 4, die im Wesentlichen die Querrichtung zum Verlauf des Rückenmarks darstellt, versetzt angeordnet.
Während des Betriebs der Vorrichtung 100 erzeugt die Generatoreinheit 1 Stimulationssignale, die in die Rückenmarksstimulationseinheit 2 eingespeist werden und von den Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 an die Segmente des Rückenmarks abgegeben werden, mit welchen die jeweiligen Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 in Kontakt stehen. Mit den Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 werden somit jeweils unterschiedliche Neuronen stimuliert.
In der Vorrichtung 100 sind die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 in einer Reihe und voneinander beabstandet angeordnet. Ein dazu alternatives Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt. In der dort gezeigten Vorrichtung 200 sind die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 in zwei Reihen angeordnet und die Stimulationskontaktflächen 12 und 14 der unteren Reihe sind entlang der Richtung 4 versetzt zu den Stimulationskontaktflächen 11 und 13 der oberen Reihe angeordnet.
Die Anordnung der Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 ermöglicht es, die Fasern von unterschiedlichen Segmenten des Rückenmarks über die einzelnen Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 separat zu stimulieren. Die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 können so angeordnet sein, dass die auf die Fasern des Rückenmarks applizierten Stimulationssignale über das Rückenmark an unterschiedliche Zielgebiete, die z. B. im Rückenmark selbst oder im Hirn liegen, weitergeleitet werden. Folglich können mittels der Vorrichtungen 100 und 200 verschiedene Zielgebiete im Rückenmark und/oder Hirn während desselben Stimulationszeitraums mit eventuell unterschiedlichen und/oder zeitversetzten Reizen stimuliert werden.
Die Vorrichtungen 100 und 200 können insbesondere zur Behandlung von schweren therapieresistenten Schmerzerkrankungen, Angina pectoris und arterieller Verschlusskrankheit, aber auch anderen Krankheiten verwendet werden.
Bei schweren Schmerzerkrankungen können durch eine Störung der bioelektrischen Kommunikation von Neuronenverbänden, die in spezifischen Schaltkreisen zusammengeschlossen sind, verursacht werden. Hierbei generiert eine Neuronenpopulation anhaltend krankhafte neuronale Aktivität und eine damit verbundene krankhafte Konnektivität (Netzwerkstruktur). Dabei bilden eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d. h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Hinzu kommt, dass die kranke Neuronenpopulation eine oszillatorische neuronale Aktivität aufweist, d. h. die Neuronen feuern rhythmisch. Im Fall von schweren Schmerzerkrankungen liegt die mittlere Frequenz der krankhaften rhythmischen Aktivität der betroffenen Neuronenverbände etwa im Bereich von 1 bis 20 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Bei gesunden Menschen feuern die Neuronen hingegen qualitativ anders, z. B. auf unkontrollierte Weise.
Bei einer Hypothese zur Erklärung von schweren Schmerzerkrankungen wird davon ausgegangen, dass es in der Substantia gelatinosa zu pathologischen Synchronisationsphänomenen von Neuronen kommt. Dabei werden periphere Schmerzreize über das C- und Aδ 2-Fasersystem zunächst in peripheren Nerven zum Spinalganglion und von dort über die Hinterwurzeln in das Rückenmark geleitet. Die Umschaltung der Schmerzimpulse auf die Vorderseitenstränge (Tractus spinothalamicus) erfolgt in der Substantia gelatinosa an der Basis der Hinterhörner. Hier kommt es offensichtlich zu pathologischen Synchronisationsphänomenen von Neuronen, d. h. einer Schmerzverstärkung. Durch eine elektrische Reizung der Hinterstränge des Rückenmarks, über welche die Tiefensensibilität, also nicht die eigentlichen Schmerzimpulse geleitet werden, kann die Umschaltzone, d. h. die Substantia gelatinosa, beeinflusst werden und dadurch eine Blockade der Schmerzleitung erreicht werden.
Eine Hypothese zur Erklärung der Wirksamkeit der Rückenmarksstimulation ist die sogenannte ”Gait Control Theory”. Sie beruht auf der Tatsache, dass Fasern, die Berührungsempfindungen leiten, deutlich stärker myelinisiert sind und damit Errungen wesentlich schneller leiten als das nahezu marklose, sogenannte protopathische C-Faser-System, das für die Schmerzleitung entscheidend ist. Elektrische Hinterstrangstimulation betrifft vornehmlich das schnell leitende B-Fasersystem und blockiert auf dem Niveau der Substantia gelatinosa die mit größerer zeitlicher Latenz eintreffenden (protopathischen) Schmerzimpulse. Zusätzlich werden durch Hinterstrangstimulation aufsteigende Fasern und Leitungsbahnen aktiviert, die auf thalamischem Niveau ebenfalls eine Blockade der Schmerzleitung bewirken. Auch absteigende Fasern können durch elektrische Aktivierung im Hinterstrangbereich schmerzlindernd wirksam werden. Hier scheinen vor allem bestimmte Peptide, besonders Endorphine und Enkephaline sowie Substanz P, wirksam zu sein.
Die versetzte Anordnung der Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 in Querrichtung zum Rückenmark ermöglicht bei der Stimulation des Rückenmarks die Erfassung von Fasern, die aus benachbarten Segmenten stammen. Hierdurch wird die ”Treffsicherheit” des Verfahrens, d. h. die Beeinflussung der der räumlichen Schmerzverteilung somatotopisch entsprechenden Rückenmarkssegmente, deutlich erhöht. Ferner können die unterschiedlichen Segmente des Rückenmarks separat stimuliert werden.
Die Vorrichtungen 100 bzw. 200 können beispielsweise in einem sogenannten ”open loop”-Modus betrieben werden, bei welchem die Generatoreinheit 1 vorgegebene Stimulationssignale erzeugt und diese über die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 an das Rückenmark abgegeben werden. Des Weiteren können die Vorrichtungen 100 bzw. 200 auch zu einer in 3 gezeigten Vorrichtung 300 weitergebildet werden, welche ein sogenanntes ”closed loop”-System darstellt. Die Vorrichtung 300 enthält zusätzlich noch eine Messeinheit 5, welche Messsignale von Nervenzellen aufnimmt und diese an die Generatoreinheit 1 weiterleitet. Es kann vorgesehen sein, dass die Generatoreinheit 1 anhand der von der Messeinheit 4 aufgenommenen Messsignale die Stimulationssignale generiert. Die Messeinheit 4 kann in Form eines oder mehrerer Sensoren in den Körper des Patienten implantiert werden. Die Sensoren können beispielsweise als Elektroden zur Messung von neuronaler und/oder vegetativer Aktivität, insbesondere als intrazerebrale Elektroden, epikortikale Elektroden oder subkutane Elektroden ausgeführt sein. Insbesondere kann mittels der Messeinheit 5 die physiologische Aktivität in dem stimulierten Zielgebiet oder einem damit verbundenen Gebiet gemessen werden.
Hinsichtlich des Zusammenwirkens der Generatoreinheit 1 mit der Messeinheit 5 sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise kann von der Generatoreinheit 1 eine bedarfsgesteuerte Stimulation durchgeführt werden. Hierzu detektiert die Generatoreinheit 1 anhand des von der Messeinheit 5 aufgenommenen Messsignals das Vorhandensein und/oder die Ausprägung eines oder mehrerer krankhafter Merkmale. Beispielsweise kann die Amplitude oder der Betrag der neuronalen Aktivität gemessen werden und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Die Generatoreinheit 1 kann so ausgestaltet sein, dass eine Stimulation eines oder mehrerer der oben genannten Zielgebiete gestartet wird, sobald der vorgegebene Schwellwert überschritten wird. Alternativ zum Steuern der Zeitpunkte der Stimulation anhand der von der Messeinheit 5 aufgenommenen Messsignale oder zusätzlich dazu kann von der Generatoreinheit 1 anhand der Ausprägung der krankhaften Merkmale beispielsweise die Stärke der Stimulationssignale eingestellt werden. Z. B. können ein oder mehrere Schwellwerte vorgegeben werden, und bei einem Überschreiten der Amplitude oder des Betrags des Messsignals über einen bestimmten Schwellwert stellt die Generatoreinheit 1 eine bestimmte Stärke der Stimulationssignale ein.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit 5 aufgenommenen Messsignale direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten als Stimulationssignale verwendet werden und von der Generatoreinheit 1 in die Rückenmarksstimulationseinheit 2 eingespeist werden. Beispielsweise können die Messsignale verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nichtlinearen Verrechnungsschritten und Kombinationen prozessiert und in mindestens eine Stimulationskontaktfläche der Rückenmarksstimulationseinheit 2 eingespeist werden. Der Verrechnungsmodus wird hierbei so gewählt, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und das Stimulationssignal mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwindet oder zumindest deutlich in seiner Stärke reduziert wird.
Aufgrund der versetzten Anordnung der Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 können nicht nur unterschiedliche Segmente des Rückenmarks stimuliert werden, sondern es können auch andere Stimulationsformen eingesetzt werden, als dies bei der Verwendung beispielsweise nur einer Stimulationskontaktfläche möglich wäre. Bei einer Ausgestaltung werden über die Rückenmarksstimulationseinheit 2 Stimulationssignale in das Rückenmark eingespeist, die, wenn sie über das Rückenmark zu einer Neuronenpopulation mit einer krankhaft synchronen und oszillatorischen Aktivität geleitet werden, in der Neuronenpopulation ein Zurücksetzen, einen sogenannten Reset, der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z. B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert. Ferner ist es aufgrund der Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen möglich, die krankhafte Neuronenpopulation an unterschiedlichen Stellen zu stimulieren. Dies ermöglicht es, die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückzusetzen. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten. Innerhalb einer Subpopulation sind die Neuronen weiterhin synchron und feuern auch weiterhin mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den Stimulationsreiz aufgezwungen wurde.
Bedingt durch die krankhafte Interaktion zwischen den Neuronen ist der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen instabil, und die gesamte Neuronenpopulation nähert sich schnell einem Zustand kompletter Desynchronisation, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern. Der gewünschte Zustand, das heißt die komplette Desynchronisation, ist somit nach der Applikation der Stimulationssignale über die Rückenmarksstimulationseinheit 2 nicht sofort vorhanden, sondern stellt sich meist innerhalb weniger Perioden oder gar in weniger als einer Periode der pathologischen Frequenz ein.
Bei der vorstehend beschriebenen Art der Stimulation wird die letztlich gewünschte Desynchronisation durch die krankhaft gesteigerte Interaktion zwischen den Neuronen erst ermöglicht. Hierbei wird ein Selbstorganisationsprozess ausgenutzt, der für die krankhafte Synchronisation verantwortlich ist. Derselbe bewirkt, dass auf eine Aufteilung einer Gesamtpopulation in Subpopulationen mit unterschiedlichen Phasen eine Desynchronisation folgt. Im Gegensatz dazu würde ohne krankhaft gesteigerte Interaktion der Neuronen keine Desynchronisation erfolgen.
Darüber hinaus wird durch die Stimulation mit den Vorrichtungen 100 bis 300 eine Neuorganisation der Konnektivität der gestörten neuronalen Netzwerke erzielt, sodass lang anhaltende therapeutische Effekte bewirkt werden.
Würden anstelle der Stimulationssignale, mit welchen die Phasen der stimulierten Neuronen kontrolliert werden können, anders ausgestaltete Stimulationssignale eingesetzt, z. B. hochfrequente, kontinuierlich applizierte Hochfrequenzpulszüge, könnten die vorstehend beschriebenen lang anhaltenden therapeutischen Effekte eventuell nicht erzielt werden, was zur Folge hätte, dass dauerhaft und mit vergleichsweise hohen Stromstärken stimuliert werden müsste. Im Gegensatz dazu wird für die hier beschriebenen Stimulationsformen nur wenig von außen in das Neuronensystem eingebrachte Energie benötigt, um einen therapeutischen Effekt zu erzielen.
Eine Elektrostimulation des Rückenmarks kann beim Patienten unangenehme Dysästhesien bzw. Parästhesien (schmerzhafte Missempfindungen) hervorrufen oder auch von heftigen Schmerzen begleitet sein, die insbesondere dann auftreten, wenn die epidural (also zwischen der das Rückenmark umgleitenden harten Hirnhaut und dem knöchernen Wirbelkanal) platzierten Elektroden in Kontakt mit Nervenwurzeln kommen. Die Missempfindungen sind um so stärker je höher die verwendete Spannung bzw. Stromstärke ist. Aufgrund des oben beschriebenen vergleichsweise geringen Energieeintrags in das Rückenmark und die häufig sehr schnell erzielten Stimulationsergebnisse, können mit den Vorrichtungen 100 bis 300 die mit der Stimulation einhergehenden Dys- bzw. Parästhesien erheblich reduziert werden.
Ferner wird bei der hier beschriebenen Stimulation vergleichsweise wenig Strom benötigt, wodurch ein operativer Wechsel der Generatoreinheit 1 nur selten durchgeführt werden muss.
Um durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phase von Subpopulationen einer krankhaft synchronen Neuronenpopulation eine Desychronisation der gesamten Neuronenpopulation zu erzielen, kann auf verschiedene Art und Weise vorgegangen werden. Beispielsweise können Stimulationssignale, die ein Zurücksetzen der Phase von Neuronen bewirken, zeitversetzt über die unterschiedlichen Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 an die jeweils stimulierten Segmente des Rückenmarks abgegeben werden. Des Weiteren können die Stimulationssignale z. B. phasenversetzt oder mit unterschiedlicher Polarität appliziert werden, sodass sie im Ergebnis auch zu einem zeitversetzten Zurücksetzen der Phasen der unterschiedlichen Subpopulationen führen.
Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren, das beispielsweise mit einer der Vorrichtungen 100 bis 300 durchgeführt werden kann, ist in 4 schematisch dargestellt. In 4 sind untereinander die über die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 applizierten Stimulationssignale 400 gegen die Zeit t aufgetragen.
Bei dem in 4 dargestellten Verfahren appliziert jede der Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 das Stimulationssignal 400 periodisch an das jeweilige Segment des Rückenmarks. Die Frequenz f₁, mit welcher die Stimulationssignale 400 pro Stimulationskontaktfläche 11 bis 14 wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 30 Hz und insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen.
Gemäß der in 4 gezeigten Ausgestaltung erfolgt die Verabreichung der Stimulationssignale 400 über die einzelnen Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den einzelnen Stimulationskontaktflächen 11 bis 14. Beispielsweise kann der Beginn zeitlich aufeinander folgender und von unterschiedlichen Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 applizierten Stimulationssignalen um eine Zeit ΔT_j,j+1 verschoben sein.
Im Fall von N Stimulationskontaktflächen kann die zeitliche Verzögerung ΔT_j,j+1 zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Stimulationssignalen 400 beispielsweise im Bereich eines N-tels der Periode 1/f₁ liegen. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die zeitliche Verzögerung ΔT_j,j+1 dann 1/(4 × f₁).
Die Frequenz f₁ kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz der krankhaft rhythmischen Aktivität des Ziel-Netzwerks liegen. Bei schweren therapieresistenten Schmerzerkrankungen liegt die mittlere Frequenz typischerweise im Bereich von 1 bis 20 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz, mit welcher die betroffenen Neuronen bei den genannten Krankheiten synchron feuern, üblicherweise nicht konstant ist, sondern durchaus Variationen aufweisen kann und darüber hinaus bei jedem Patienten individuelle Abweichungen zeigt.
Das vorstehend beschriebene Stimulationsverfahren, bei dem zeitversetzt die Phase an unterschiedlichen Stellen einer Neuronenpopulation zurückgesetzt wird, kann auch zur Behandlung von Angina pectoris oder arterieller Verschlusskrankheit eingesetzt werden. Gemäß einer Hypothese zum Wirkmechanismus des Stimulationsverfahrens bei diesen Krankheiten wird durch die Stimulation der Teufelskreis (circulus vitiosus), bestehend aus Schmerz, der eine Sympathikus-Aktivierung hervorruft, und dadurch eine Gefäßverengung verursacht, welche wiederum Schmerz hervorruft, unterbrochen. Ferner wird angenommen, dass die Stimulation eine desynchronisierende Wirkung auf sympathische Zellen des Seitenstrangs des Rückenmarks (Th1 – L4) ausübt, durch welche dann direkt der Gefäßverengung entgegengewirkt wird.
Als Stimulationssignale 400 können beispielsweise strom- oder spannungskontrollierte Pulse verwendet werden. Ferner kann ein Stimulationssignal 400 ein wie in 5 dargestellter aus mehreren Einzelpulsen 401 bestehender Pulszug sein. Die Pulszüge 400 können jeweils aus 1 bis 100, insbesondere 2 bis 10, elektrischen ladungsbalancierten Einzelpulsen 401 bestehen. Die Pulszüge 400 werden z. B. als Sequenz mit bis zu 20 oder auch mehr Pulszügen appliziert. Innerhalb einer Sequenz werden die Pulszüge 400 mit der Frequenz f₁ im Bereich von 1 bis 30 Hz wiederholt.
Beispielhaft ist ein Pulszug 400, der aus drei Einzelpulsen 401 besteht, in 6 gezeigt. Die Einzelpulse 401 werden mit einer Frequenz f₂ im Bereich von 50 bis 500 Hz, insbesondere im Bereich von 100 bis 150 Hz, wiederholt. Die Einzelpulse 401 können strom- oder spannungskontrollierte Pulse sein, die sich aus einem anfänglichen Pulsanteil 402 und einem sich daran anschließenden, in entgegengesetzter Richtung fließenden Pulsanteil 403 zusammensetzen, wobei die Polarität der beiden Pulsanteile 402 und 403 gegenüber der in 6 gezeigten Polarität auch vertauscht werden kann. Die Dauer 404 des Pulsanteils 402 liegt im Bereich zwischen 1 μs und 450 μs. Die Amplitude 405 des Pulsanteils 402 liegt im Falle von stromkontrollierten Pulsen im Bereich zwischen 0 mA und 25 mA und im Fall von spannungskontrollierten Pulsen im Bereich von 0 bis 20 V. Die Amplitude des Pulsanteils 403 ist geringer als die Amplitude 405 des Pulsanteils 402. Dafür ist die Dauer des Pulsanteils 403 länger als die des Pulsanteils 402. Die Pulsanteile 402 und 403 sind idealerweise so dimensioniert, dass die Ladung, welche durch sie übertragen wird, bei beiden Pulsanteilen 402 und 403 gleich groß ist, d. h. die in 6 schraffiert eingezeichneten Flächen sind gleich groß. Im Ergebnis wird dadurch durch einen Einzelpuls 401 genauso viel Ladung in das Gewebe eingebracht, wie aus dem Gewebe entnommen wird.
Die in 6 dargestellte Rechteckform der Einzelpulse 401 stellt eine ideale Form dar. Je nach der Güte der die Einzelpulse 401 erzeugenden Elektronik wird von der idealen Rechteckform abgewichen.
Anstelle von pulsförmigen Stimulationssignalen kann die Generatoreinheit 1 beispielsweise auch anders ausgestaltete Stimulationssignale erzeugen, z. B. zeitlich kontinuierliche Reizmuster. Die oben beschriebenen Signalformen und deren Parameter sind nur beispielhaft zu verstehen. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass von den oben angegebenen Signalformen und deren Parametern abgewichen wird.
Von dem in 4 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster kann auf unterschiedliche Art und Weise abgewichen werden. Beispielsweise braucht die zeitliche Verzögerung T_j,j+1 zwischen zwei aufeinander folgenden Stimulationssignalen 400 nicht notwendigerweise stets gleich groß zu sein. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Stimulationssignalen 400 unterschiedlich gewählt werden. Ferner können die Verzögerungszeiten auch während der Behandlung eines Patienten variiert werden. Auch können die Verzögerungszeiten hinsichtlich der physiologischen Signallaufzeiten adjustiert werden.
Ferner können während der Applikation der Stimulationssignale 400 Pausen vorgesehen werden, während derer keine Stimulation erfolgt. Eine solche Pause ist beispielhaft in 7 gezeigt. Die Pausen können beliebig lang gewählt werden und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periode T₁ (= 1/f₁) betragen. Ferner können die Pausen nach einer beliebigen Anzahl von Stimulationen eingehalten werden. Z. B. kann eine Stimulation während n aufeinander folgender Perioden der Länge T₁ durchgeführt werden und anschließend eine Pause während m Perioden der Länge T₁ ohne Stimulation eingehalten werden, wobei n und m kleine ganzen Zahlen sind, z. B. im Bereich von 1 bis 10. Dieses Schema kann entweder periodisch fortgesetzt werden oder stochastisch und/oder deterministisch, z. B. chaotisch, modifiziert werden.
Eine weitere Möglichkeit, von dem in 4 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster abzuweichen, besteht darin, die zeitliche Abfolge der einzelnen Stimulationssignale 400 stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch zu variieren.
Des Weiteren kann pro Periode T₁ (oder auch in anderen Zeitschritten) die Reihenfolge, in welcher die Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 die Stimulationssignale 400 applizieren, variiert werden, wie dies beispielhaft in 8 gezeigt ist. Diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Ferner kann pro Periode T₁ (oder in einem anderen Zeitintervall) nur eine bestimmte Anzahl von Stimulationskontaktflächen 11 bis 14 zur Stimulation herangezogen werden und die an der Stimulation beteiligten Stimulationskontaktflächen können in jedem Zeitintervall variiert werden. Auch diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
Alle vorstehend beschriebenen Stimulationsformen können mittels der Vorrichtung 300 auch in einem ”closed loop”-Modus durchgeführt werden. Bzgl. der in 7 gezeigten Stimulationsform kann der Startzeitpunkt und die Länge der Pause beispielsweise bedarfsgesteuert gewählt werden.
Ferner ist es denkbar, dass die Stimulation durch den Patienten gestartet wird, beispielsweise durch eine telemetrische Aktivierung. In diesem Fall kann der Patient z. B. mittels eines externen Senders die Stimulation für einen vorgegebenen Zeitraum von z. B. 5 Minuten aktivieren oder der Patient kann die Stimulation selbsttätig starten und beenden.
In 9 ist schematisch die Vorderansicht einer Elektrode 900 dargestellt, wie sie beispielsweise als Rückenmarksstimulationseinheit 2 eingesetzt werden kann. Die Elektrode 900 besteht aus einem elektrisch isolierten Elektrodenschaft 901 und mindestens zwei Stimulationskontaktflächen 902, die in den Elektrodenschaft 901 eingebracht worden sind. Die Stimulationskontaktflächen 902 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, gefertigt und befinden sich nach der Implantation in direktem elektrischen Kontakt mit dem Nervengewebe des Rückenmarks. Jede der Stimulationskontaktflächen 902 kann über eine eigene Zuleitung angesteuert werden bzw. es können über die Zuleitungen die aufgenommenen Messsignale abgeführt werden. Die Zuleitungen sind in 9 nicht dargestellt. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr der Stimulationskontaktflächen 902 über eine einzige Zuleitung angesteuert werden.
Entlang der ersten Richtung 3 weist die Elektrode 900 in dem vorliegenden Beispiel vier Reihen von Stimulationskontaktflächen 902 auf. Im implantierten Zustand entspricht die Richtung 3 im Wesentlichen dem Verlauf des Rückenmarks. Jede der vier Reihen weist drei Stimulationskontaktflächen 902 auf, die entlang der zweiten Richtung 4 voneinander beabstandet angeordnet sind.
Die in 9 gezeigte Ausführung ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Die Anzahl der Reihen sowie die Anzahl der pro Reihe vorgesehenen Stimulationskontaktflächen 902 können anders gewählt werden.
Die Elektrodenspitze 903, d. h. das eine Ende der Elektrode 900 entlang der Richtung 3, ist abgerundet, um eine Schädigung des Gewebes zu vermeiden. Die Elektrode 900 kann perkutan, d. h. über eine Punktion des Epiduralraums, minimal invasiv implantiert werden. Die in 9 gezeigte Oberfläche der Elektrode 900 kann planar oder auch gebogen ausgeführt sein. Nach der Implantation sollen alle Stimulationskontaktflächen 902 mit dem Gewebe des Rückenmarks in Kontakt stehen.
Neben ihrer Funktion als Rückenmarksstimulationseinheit 2 kann die Elektrode 900 auch als Messeinheit 5 eingesetzt werden. In diesem Fall werden über mindestens eine der Kontaktflächen 902 Messsignale aufgenommen.
Die Stimulationskontaktflächen 902 können mit der Generatoreinheit 1 über Kabel oder über telemetrische Verbindungen verbunden sein.
Die Länge der Elektrode 900 (in Richtung 3) beträgt z. B. 2,5 bis 4 cm und der Querdurchmesser der Elektrode 900 (in Richtung 4) beträgt zum Beispiel 1 bis 4 mm. Die Breite der Stimulationskontaktflächen 902 beträgt z. B. 0,3 bis 1 mm, die Länge z. B. 2 bis 3 mm. Die Abstände zwischen den Stimulationskontaktflächen 902 einer Reihe in Richtung 4 betragen z. B. 0,1 bis 0,5 mm, die Abstände zwischen den voneinander beabstandeten Reihen in Richtung 3 betragen z. B. 0,1 bis 1 mm.
Sowohl die Anzahl als auch die Anordnung der Stimulationskontaktflächen 902 können abweichend von der in 9 gezeigten Ausgestaltung gewählt werden. Lediglich in Richtung 4 senkrecht zum Verlauf des Rückenmarks sollten mindestens zwei der Stimulationskontaktflächen 902 versetzt angeordnet sein, sodass unterschiedliche Segmente des Rückenmarks mit unterschiedlichen Stimulationssignalen beaufschlagt werden können. Bei der Elektrode 900 sind die Stimulationskontaktflächen 902 innerhalb einer Reihe versetzt und beabstandet angeordnet. Die versetzte Anordnung der Stimulationskontaktflächen 902 in Richtung 4 quer zum Verlauf des Rückenmarks ermöglicht es, unterschiedliche Fasern des Rückenmarks, welche die Tiefensensibilität leiten, separat zu stimulieren.
Des Weiteren kann die Geometrie der Stimulationskontaktflächen 902 abweichend von 9 gewählt werden. Beispielsweise brauchen die Stimulationskontaktflächen 902 nicht rechteckförmig ausgestaltet sein, sondern können z. B. eine runde oder andere geometrische Form aufweisen.
Eine Variation der Elektrode 900 ist in 10 gezeigt. Die Stimulationskontaktflächen 902 der unteren beiden Reihen der in 10 schematisch dargestellten Elektrode 1000 sind versetzt zu den Stimulationskontaktflächen 902 der oberen beiden Reihen angeordnet. Beispielsweise sind die Stimulationskontaktflächen 902 der unteren beiden Reihen jeweils mittig zwischen zwei Stimulationskontaktflächen 902 der oberen Reihen angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass die Elektrode 1000 noch weitere Stimulationskontaktflächen 902 aufweist und dass das in 10 gezeigte Muster periodisch fortgesetzt wird. Wie in 10 gezeigt ist, können die unteren beiden Reihen mit einer geringeren Anzahl von Stimulationskontaktflächen 902 ausgestattet sein.
Im Vergleich zur Elektrode 900 können mit der Elektrode 1000 die einzelnen horizontalen, zu verschiedenen Körperteilen gehörenden Rückenmarksanteile noch gezielter – d. h. mit um die Hälfte besserer horizontaler räumlicher Auflösung – stimuliert werden. Es ist durchaus möglich, dass die Stimulationskontaktflächen der unteren beiden Reihen in Richtung 4 jeweils einen Überlapp mit den Stimulationskontaktflächen 902 der oberen beiden Reihen aufweisen.
Je nach Wahl der Referenz kann entweder unipolar zwischen einem einzelnen Stimulationskontakt 902 und einem elektrischen Referenzpotential, z. B. dem Potential der Generatoreinheit 1, oder bipolar zwischen zwei verschiedenen Stimulationskontakten stimuliert werden. Bei der Elektrode 1000 wird jeweils über zwei, in benachbarten Reihen übereinander angeordnete Stimulationskontaktfläche 902 bipolar stimuliert. Durch entsprechende Schraffierungen sind in 10 zwei solcher Paare gekennzeichnet.
11 zeigt eine schematische Zeichnung der Vorderansicht einer Multikontakt-Elektrode 1100, die mittels Hemilaminektomie (teilweiser Entfernung der Wirbelbögen) oder Laminektomie (Entfernung der Wirbelbögen) unter mikroskopischer Kontrolle implantiert und direkt auf der harten Hirnhaut fixiert wird. Die Länge der Elektrode 1100 beträgt z. B. 2,5 bis 4 cm. Der Querdurchmesser der Elektrode 1100 beträgt z. B. 7 bis 12 mm. Die einzelnen Stimulationskontaktflächen 902 können wie bei der in 9 gezeigten Elektrode 900 ausgestaltet sein. In 9 sind vier Reihen mit Stimulationskontaktflächen 902 gezeigt. Die Multikontakt-Elektrode 1100 kann jedoch eine beliebige Anzahl von Reihen mit Stimulationskontaktflächen 902 aufweisen, z. B. 6 oder 8 Reihen.
In 12 ist die Vorderansicht einer Elektrode 1200 gezeigt, bei welcher zwei Reihen von Stimulationskontaktflächen 902 versetzt zu anderen Reihen angeordnet sind. Beispielsweise können die unteren beiden Reihen um einen halben horizontalen Kontaktabstand zu den oberen beiden Reihen versetzt sein, um noch gezielter – d. h. mit um die Hälfte besserer horizontaler räumlicher Auflösung – die einzelnen horizontalen, zu verschiedenen Körperteilen gehörenden Rückenmarksanteile zu stimulieren. Hierbei kommt es nicht darauf an, ob die oberen oder unteren Reihen versetzt werden. Ferner sind in 12 durch unterschiedliche Schraffierungen zwei Paare von Stimulationskontaktflächen gekennzeichnet, über die jeweils bipolar stimuliert werden kann.
In 13 ist ein schematischer Querschnitt durch das Halsmark und Lage einer Rückenmarksstimulationseinheit 2 gezeigt. Die Rückenmarksstimulationseinheit 2, beispielsweise eine der Elektroden 900 bis 1200, liegt im Epiduralraum 911, d. h. zwischen dem Sack aus harter Hirnhaut (Dura mater) 912 und der bindegewebigen Auskleidung des Knochenkanals 910. Zwischen der Rückenmarksstimulationseinheit 2 und dem Rückenmark 914 befindet sich der von den Hirnhäuten begrenzte, liquorgefüllte Subarachnoidalraum 913, der das Rückenmark 914 umspült. Die perpendikulär zur Längsachse der Rückenmarksstimulationseinheit 2 angeordneten Stimulationskontaktflächen 902 erreichen in einer Höhe mehrere benachbarte Rückenmarkssegmente 915 bis 918, die – wie schematisch dargestellt – im Fall des Halsmarks einen großen Teil der aus allen Rückenmarkssegmenten aufsteigenden Fasern erreichen können. Die Pfeile 915 bis 918 symbolisieren die von medial nach lateral angeordneten Faserschichten aus dem Sakralmark 915, dem Lumbalmark 916, dem Thorakalmark 917 und dem Sakralmark 918. In dem für die Rückenmarksstimulation am häufigsten in Frage kommenden oberen Lumbal- und dem unteren Thorakalmark erreicht man in einer Höhe mit dieser Anordnung nicht nur die Fasern aus dem eigentlichen Schmerzareal, sondern auch zusätzlich Fasern aus den benachbarten Segmenten.
In den 14A (Vorderansicht des Patienten, dessen linke und rechte Körperhälfte mit ”L” bzw. ”R” gekennzeichnet sind) und 14B (Rückansicht des Patienten) ist die Vorrichtung 100 (oder 200) während ihres bestimmungsgemäßen Betriebs dargestellt. Die Generatoreinheit 1 befindet sich in einer subkutanen Tasche zwischen Faszie und Haut. Die Narbe 7 zum operativen Einbringen der Generatoreinheit 1 befindet sich ca. 3 bis 4 cm unterhalb des linken Rippenbogens 6. Die Generatoreinheit 3 ist über ein oder mehrere Verbindungskabel 8 mit der Rückenmarksstimulationseinheit 2 verbunden. Die Rückenmarksstimulationseinheit 2 befindet sich beispielsweise im unteren Zervikalbereich 9 oder im unteren Thorakalbereich 10. Die Verbindungskabel 8 verlaufen unter der Haut zur Generatoreinheit 1, gegebenenfalls sind sie über einen Konnektor mit der Generatoreinheit 1 verbunden. Ferner kann eine perkutane (durch die Haut führende) Reizextension (ausleitendes Kabel) für die Testphase nach der Implantation der Rückenmarksstimulationseinheit 2 und vor der Implantation der Generatoreinheit 1 vorgesehen sein. Im Falle einer ”closed loop”-Stimulation. enthält die Vorrichtung 900 noch mindestens einen Sensor.
Die Generatoreinheit 1 kann eine Steuerelektronik enthalten, welche die Stimulationsverfahren realisiert. Als Energiequelle kann die Generatoreinheit 1 über eine langlebige Batterie oder einen aufladbaren Akkumulator verfügen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Generatoreinheit 1 ein Halbimplantat mit einer außerhalb des Körpers befindlichen Energiequelle sein. Steuerelemente können bei dieser Ausführungsform sowohl im implantierten Teil als auch im externen Teil des Halbimplantats lokalisiert sein. Die Generatoreinheit 1 kann über eine Sicherheitsschaltung verfügen, die bewirkt, dass dem Fachmann bekannte Sicherheitsgrenzen, wie z. B. ein maximal verträglicher Ladungseintrag, eingehalten werden.

Claims

Vorrichtung (100–300) zur Stimulation von Neuronen, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische neuronale Aktivität aufweisen, umfassend: – eine Generatoreinheit (1) zum Erzeugen von elektrischen Stimulationssignalen, und – eine Rückenmarksstimulationseinheit (2) mit einer Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen (11–14), die von der Generatoreinheit (1) mit den Stimulationssignalen gespeist werden, wobei – mindestens zwei der Stimulationskontaktflächen (11–14) in Querrichtung zum Verlauf des Rückenmarks versetzt angeordnet sind und – die Generatoreinheit (1) derart ausgestaltet ist, dass sie die Stimulationskontaktflächen (11–14) derart mit Stimulationssignalen speist, dass N der Stimulationskontaktflächen (11–14) die Stimulationssignale zeitversetzt oder phasenversetzt abgeben und der Versatz zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Stimulationssignalen im Mittel 1/(f₁ × N) beträgt und f₁ die mittlere Frequenz der krankhaft synchronen und oszillatorischen neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen ist, wobei die Frequenz f₁ im Bereich von 1 bis 20 Hz liegt.
Vorrichtung (100–300) nach Anspruch 1, wobei die Stimulationssignale derart ausgestaltet sind, dass sie bei der Stimulation der Neuronen die Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen zurücksetzen.
Vorrichtung (100–300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Generatoreinheit (1) nach einer Anzahl von in die Rückenmarksstimulationseinheit (2) eingespeisten Stimulationssignalen für einen Zeitabschnitt, der mindestens 1/f₁ beträgt, das Speisen der Rückenmarksstimulationseinheit (1) mit Stimulationssignalen aussetzt.
Vorrichtung (100–300) nach Anspruch 3, wobei der Zeitabschnitt, in dem das Speisen der Rückenmarksstimulationseinheit mit Stimulationssignalen ausgesetzt ist, ein ganzzahliges Vielfaches von 1/f₁ beträgt.
Vorrichtung (100–300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenfolge der Stimulationskontaktflächen (11–14), in welche die Stimulationssignale nacheinander eingespeist werden, variiert wird.
Vorrichtung (100–300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der Stimulationskontaktflächen (11–14) ausgewählt wird, in welche die Stimulationssignale eingespeist werden, und die ausgewählten Stimulationskontaktflächen (11–14) variiert werden.
Vorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (300) eine Messeinheit (5) zum Aufnehmen von Messsignalen von Neuronen umfasst.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 7, wobei die Generatoreinheit (1) die Messsignale als Stimulationssignale in die Rückenmarksstimulationseinheit (2) einspeist oder die Messsignale weiterverarbeitet und die weiterverarbeiteten Messsignale als Stimulationssignale in die Rückenmarksstimulationseinheit (2) einspeist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Generatoreinheit (1) in Abhängigkeit von den Messsignalen entscheidet, ob Stimulationssignale in die Rückenmarksstimulationseinheit (2) eingespeist werden.
Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Generatoreinheit (1) in Abhängigkeit von den Messsignalen einen Parameter der Stimulationssignale bestimmt.
Vorrichtung (100–300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stimulationssignale jeweils Pulszüge sind.
Vorrichtung (100–300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stimulationskontaktflächen (11–14) in einer Mehrzahl von Reihen angeordnet sind und die Reihen von Stimulationskontaktflächen (11–14) in Richtung des Verlaufs des Rückenmarks voneinander beabstandet angeordnet sind.