DE60215130T2

DE60215130T2 - Verfahren und vorrichtung zum dauerhaften verändern einer neuralen funktion eines patienten

Info

Publication number: DE60215130T2
Application number: DE60215130T
Authority: DE
Inventors: D. Andrew New Canaan FIRLIK; Jeffrey Allison Park BALZER; E. Bradford Sammamish GLINER; J. Alan Bellevue LEVY; B. Carlton Bainbridge Island MORGAN
Original assignee: Northstar Neuroscience Inc
Current assignee: Northstar Neuroscience Inc
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: CA2440260C; US7577481B2; EP1368091B1; US20080161881A1; US20030097161A1; EP1738794A1; US20120316630A1; WO2002072194A3; US20060195155A1; US7010351B2; CA2440260A1; US20020087201A1; US20080215112A1; US20080161879A1; ES2274014T3; AU2002247293B2; JP2009202020A; JP2004538041A; US20120022611A1; DE60215130D1

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Anmeldung mit der Nr. 60/217,981, eingereicht am 31. Juli 2000, die hierin in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Mehrere Ausführungsformen von Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Erfindung betreffen ein elektrisches Stimulieren eines Bereichs in der Hirnrinde oder eines anderes Bereichs des Gehirns, um eine dauerhafte Veränderung in einer physiologischen Funktion und/oder einem mentalen Prozess eines Patienten herbeizuführen.
HINTERGRUND
Eine große Vielzahl an mentalen und physikalischen Verfahren ist dafür bekannt, durch eine neurale Aktivität in bestimmten Bereichen des Gehirns gesteuert oder beeinflusst zu werden. In einigen Bereichen des Gehirns, wie in der sensorischen oder motorischen Hirnrinde, ähnelt die Organisation des Gehirns einem Plan des menschlichen Körpers; dies bezieht sich auf die "somatopische Organisation des Gehirns". Es gibt mehrere andere Bereiche des Gehirns, die so erscheinen, ausgeprägte Funktionen zu haben, die in spezifischen Bereichen des Gehirns bei den meisten Individuen lokalisiert sind. Beispielsweise beziehen sich Bereiche der Hinterkopflappen auf die Sicht, Bereiche der linken Untervorderlappen auf die Sprache bei der Mehrzahl der Menschen und Bereiche der Großhirnrinde erscheinen, konsistent mit Bewusstsein, Gedächtnis und Intellekt involviert zu sein. Diese Art einer ortspezifischen funktionellen Organisation des Gehirns, bei der einzelne Stellen des Gehirns statistisch wahrscheinlich bestimmte mentale oder physikalische Funktionen bei normalen Individuen steuern, wird hierin als die "funktionelle Organisation des Gehirns" bezeichnet.
Viele Probleme oder Abnormalitäten von Körperfunktionen können durch Schädigung, Erkrankung und/oder Störungen des Gehirns verursacht werden. Ein Schlaganfall ist beispielsweise ein sehr häufiger Zustand, der das Gehirn schädigt. Schlaganfälle werden im allgemeinen durch Embolien (z. B. Einengung eines Gefäßes), Hämorrhagen (z. B. Riss eines Gefäßes) oder Thromben (z. B. Verklumpung) im Gefäßsystem eines spezifischen Bereichs der Hirnrinde verursacht, die wiederum einen Verlust oder eine Verschlechterung einer neuralen Funktion (z. B. neurale Funktionen, die mit Gesichtsmuskeln, Gliedern, Sprache etc. verbunden sind) verursacht. Schlaganfallpatienten werden typischerweise unter Verwendung einer physikalischen Therapie behandelt, um den Funktionsverlust einer Gliedmaße oder eines anderen beeinträchtigten Körperteils zu rehabilitieren. Für die meisten Patienten kann wenig getan werden, um die Funktion der beeinträchtigten Gliedmaße über die Wiedergewinnung, die normalerweise ohne Intervention natürlicherweise stattfindet, zu verbessern. Eine vorhandene physikalische Therapiemethode zur Behandlung von Schlaganfallpatienten beeinschränkt oder behindert die Verwendung eines arbeitenden Körperteils des Patienten, um den Patienten zu drängen, das beeinträchtigten Körperteil zu verwenden. Beispielsweise wird der Verlust der Verwendung einer Gliedmaße durch Einschränkung der anderen Gliedmaße behandelt. Obwohl diese Art der physikalischen Therapie eine gewisse experimentelle Effizienz gezeigt hat, ist sie teuer, zeitintensiv und wird wenig verwendet. Schlaganfallpatienten können ebenfalls unter Verwendung einer physikalischen Therapie plus verbundener Therapien behandelt werden. Beispielsweise erscheinen einige Arzneimittelarten, wie Amphetamine, die die Aktivierung von Neuronen im allgemeinen erhöhen, neurale Netzwerke zu verbessern; diese Arzneimittel weisen jedoch begrenzt Effizienz auf, da sie sehr selektiv in ihren Wirkungsmechanismen sind und nicht in hohen Konzentrationen direkt an die Stelle geliefert werden können, wo sie benötigt werden. Daher gibt es eine Notwendigkeit, effektive Behandlungen zur Rehabilitation von Schlaganfallpatienten und Patienten, die andere Arten einer Hirnschädigung aufweisen, zu entwickeln.
Andere Hirnstörungen und -erkrankungen sind ebenfalls schwierig zu behandeln. Für die Alzheimerkrankheit ist beispielsweise bekannt, Bereiche der Hirnrinde zu beeinträchtigen, jedoch wird der Grund der Alzheimerkrankheit und wie sie die neurale Aktivität in der Hirnrinde ändert, nicht vollständig verstanden. In ähnlicher Weise ist die neurale Aktivität von Hirnstörungen (z. B. Depression und obzessiv-kompulsives Verhalten) nicht vollständig verstanden. Daher gibt es ebenfalls eine Notwendigkeit, effektivere Behandlungen für andere Hirnstörungen- und erkrankungen zu entwickeln.
Die neurale Aktivität im Gehirn kann durch elektrische Energie beeinflusst werden, die von einer äußeren Quelle außerhalb des Körpers bereitgestellt wird. Verschiedene neurale Funktionen können somit durch Beaufschlag eines elektrischen Stroms an die Hirnrinde oder einen anderen Bereich des Gehirns gefördert oder unterbrochen werden. Als ein Ergebnis hat das Bestreben zur Behandlung eines Schadens, einer Erkrankung und von Fehlstörungen im Gehirn zu einer Forschung geführt, die auf die Verwendung von Elektrizität und Magnetismus gerichtet ist, um Gehirnfunktionen zu steuern.
Eine Behandlungsart ist die elektrische Transschädelstimulation (TES), die ein Anordnen einer Elektrode auf der Außenseite der Kopfhaut und ein Liefern eines elektrischen Stroms an das Gehirn durch die Kopfhaut und den Schädel einschließt. Patente, die auf TES gerichtet sind, schließen ein: US 5,540,736 , ausgegeben an Haimovich et al. (zur Bereitstellung von Analgesie); US 4,140,133 , ausgegeben an Katrubin et al. (zur Bereitstellung von Anästhesie); US 4,646,744 , ausgegeben an Capel (zur Behandlung von Arzneimittelabhängigkeit, Appetitstörungen, Stress, Schlaflosigkeit und Schmerz); und US 4,844,075 , ausgegeben an Liss et al. (zur Behandlung von Schmerz und motorischer Fehlfunktion, die mit einer Cerebrallähmung verbunden sind). TES wird jedoch nicht im großen Maßstab verwendet, da die Patienten einen großen Schmerzumfang erfahren und das elektrische Feld schwierig genau zu richten oder zu fokussieren ist.
Eine andere Behandlungsart ist die magnetische Transschädelstimulation (TMS), die ein Herstellen eines magnetischen Feldes hoher Energie angrenzend an die Außenseite der Kopfhaut über einen Bereich der Hirnrinde einschließt. TMS bewirkt nicht die schmerzhaften Nebeneffekte von TES. Seit 1985 ist TMS hauptsächlich für Forschungszwecke bei Gehirnkartierungsbemühungen verwendet worden. Kürzlich sind jedoch potentielle therapeutische Anwendungen, hauptsächlich für die Behandlung von Depression, vorgeschlagen worden. Eine kleine Anzahl klinischer Tests haben TMS als effektiv bei der Behandlung von Depression gefunden, wenn es verwendet wird, um den linken präfrontalen Kortex zu stimulieren.
Die TMS-Behandlung von wenigen anderen Patientengruppen ist mit viel versprechenden Ergebnissen durchgeführt worden, wie Patienten mit Parkinsonkrankheit und angeborener spinocerebellarer Degeneration. Patente und veröffentlichte Patentanmeldungen, die auf TMS gerichtet sind, schließen ein: Veröffentlichte internationale Patentanmeldung WO 98/06342 (beschreibend einen magnetischen Transschädelstimulator und seine Verwendung bei Gehirnkartierungsuntersuchungen und bei der Behandlung von Depression); US 5,885,976 , ausgegeben an Sandyk (beschreibend die Verwendung einer magnetischen Transschädelstimulation, um eine Vielzahl von Störungen zu behandeln, die vermeintlich mit einer Defizienzserotoninneurotransmission und verschlechterten Zirbeldrüsenmelatoninfunktionen verknüpft sind), und US 5,092,835 , ausgegeben an Schurig et al. (beschreibend die Behandlung neurologischer Störungen (wie Autismus), Behandlung von Lernschwierigkeiten und Vergrößerung der mentalen und physikalischen Fähigkeiten "normaler" Leute durch eine Kombination einer magnetischen Transschädelstimulation und einer elektrischen Peripherstimulation).
Unabhängige Untersuchungen haben ebenfalls demonstriert, daß TMS in der Lage ist, eine dauerhafte Veränderung der neuralen Aktivität innerhalb der Hirnrinde zu erzeugen, die für eine Zeitdauer nach Beendigung der TMS-Behandlung ("Neuroplastizität") auftritt. Beispielsweise offenbaren Ziemann et al., Modulation of Plasticity in Human Motor Cortex after Forearm Ischemic Nerve Block, 18, J Neuroscience 1115 (Februar 1998), daß TMS bei Untergrenzwertgehalten (z. B. Gehalten, bei denen eine Bewegung nicht induziert wurde) in Neuro-Block-Modellen, die eine Amputation nachahmen, in der Lage war, die dauerhaften Änderungen in der neuralen Aktivität, die normalerweise eine Amputation begleiten, modifiziert. In ähnlicher Weise offenbaren Pascual-Leone et al. (eingereicht zur Veröffentlichung), daß eine Anwendung von TMS über den kontralateralen Motorkortex bei normalen Subjekten, die einer Immobilisierung einer Hand in einem Gips für 5 Tage unterlagen, die herabgesetzte Motorkortexanregbarkeit, die normalerweise mit einer Immobilisierung verbunden ist, vermeiden kann. Andere Forscher haben vorgeschlagen, daß die Fähigkeit von TMS, um gewünschte Änderungen im Kortex zu erzeugen, eines Tages nutzbar gemacht werden kann, um eine Neuro-Rehabilitation nach einer Hirnverletzung, wie einem Schlaganfall, zu verbessern, jedoch gibt es bis heute keine veröffentlichten Untersuchungen.
Andere, auf TMS bezogene Veröffentlichungen schließen Cohen et al. Studies of Neuroplasticity With Transcranial Magnetic Stimulation, 15 J. Clin. Neurophysiol. 305 (1998); Pacual-Leone et al., Transcranial Magnetic Stimulation and Neuroplasticity, 37 Neuropsychologia 207 (1999); Stefan et al., Induction of Plasticity in the Human Motor Corex by Paired Associative Stimulation, 123 Brain 572 (2000); Sievner et al, Lasting Cortical Activation after repetitive TMS of the Motor Cortex, 54 Neurology 956 (Februar 2000); Pascual-Leone et al., Study and Modulation of Human Cortical Excitability With Transcranial Magnetic Stimulation, 15 J. Clin. Neurophysiol. 333 (1998); and Boylan et al., Magnetoelectric Brain Stimulation in the Assessment Of Brain Physiology And Pathophysiology, 111 Clin. Neurophysiology 504 (2000) ein.
Obwohl TMS so erscheint, um in der Lage zu sein, eine Veränderung in der unterliegenden Hirnrinde über die Zeit der aktuellen Stimulation hinaus zu erzeugen, ist TMS gegenwärtig nicht zur Behandlung vieler Patienten effektiv, da die existierenden Liefersysteme nicht zur Beaufschlagung einer Stimulation über eine adäquate Zeitdauer praktisch sind. TMS Systeme sind beispielsweise verhältnismäßig komplex und erfordern Stimulationsbehandlungen, die durch ein geschultes Pflegepersonal in einem Krankenhaus oder einer Arztpraxis durchgeführt werden müssen. TMS-Systeme sind ebenfalls nicht für längerzeitige Therapien verlässlich, da es schwierig ist (a) genau den Bereich der Stimulation in einer reproduzierbaren Art und Weise zu lokalisieren und (b) die Vorrichtung in der korrekten Position über dem Schädel für eine lange Dauer zu halten, insbesondere wenn sich ein Patient bewegt oder während der Rehabilitation. Ferner richten sich gegenwärtige TMS-Systeme im allgemeinen nicht ausreichend auf die elektromagnetische Energie an dem gewünschten Bereich der Hirnrinde für viele Anwendungen aus. Als solches ist der potentielle therapeutische Nutzen von TMS unter Verwendung der existierenden Ausrüstung verhältnismäßig begrenzt.
Eine direkte und indirekte elektrische Stimulation des zentralen Nervensystems ist ebenfalls vorgeschlagen worden, um eine Vielzahl von Störungen und Zuständen zu behandeln. Beispielsweise bemerkt die US 5,938,688 , ausgegeben an Schiff, daß das Phänomen der Neuroplastizität nutzbar und vergrößert werden kann, um kognitive Störungen, die mit Gehirnverletzungen verbunden sind, die durch Trauma oder Schlaganfall bewirkt werden, zu behandeln. Das Implantat von Schiff ist ausgelegt, um den Umfang einer Erregung eines Komapatienten durch Stimulation tiefer Gehirnzentren, die in dem Bewusstsein involviert sind, zu erhöhen. Um dies durchzuführen, schließt die Erfindung von Schiff eine elektrische Stimulation wenigstens eines Bereichs der intralaminaren Kerne des Patienten (d. h. das Tiefhirn) unter Verwendung von beispielsweise einer implantierbaren multipolaren Elektrode und entweder eines implantierbaren Pulsgenerators oder einen Impuldgenerator, der durch eine äußere Radiofrequenz gesteuert wird, ein. Das Tiefhirnimplantat von Schiff ist jedoch hoch invasiv und könnte schwere Komplikationen für den Patienten einschließen.
Ebenfalls bestätigt die US 6,066,163 , ausgegeben an John, die Fähigkeit des Gehirns, einige der Ergebnisse einer Verletzung durch Neuroplastizität zu überwinden. John zitiert ebenfalls eine Reihe von Artikeln als Nachweis, daß eine direkte elektrische Stimulation des Gehirns Defekte einer traumatischen Verletzung oder eines Schlaganfalls auf das Bewußtseinsniveau zurücksetzen kann. Das in John offenbarte System stimuliert den Patienten und modifiziert die Parameter der Stimulation basierend auf dem Ausgang des Vergleichs des gegenwärtigen Zustands des Patienten mit einem Bezugszustand in einer Anstrengung, um diese Ergebnisse zu optimieren. Wie bei Schiff ist jedoch die Erfindung in John auf ein hoch invasives Tiefhirnstimulationssystem gerichtet.
Eine weitere Vorrichtung zur Stimulation eines Bereichs des Gehirns wird von King in der US 5,713,922 offenbart. King offenbart eine Vorrichtung zur Hirnrindenoberflächenstimulation, wobei Elektroden auf einem Paddel montiert sind, das unter dem Schädel des Patienten implantiert ist. Die Elektroden werden auf der Oberfläche des Gehirns in einer festen Position implantiert. Die Elektroden in King können sich demzufolge nicht bewegen, um Veränderungen in der Form des Gehirns aufzunehmen. King offenbart ebenfalls, daß die elektrischen Impulse durch einen Pulsgenerator erzeugt werden, der im Patienten entfernt vom Schädel implantiert ist (z. B. eine subklaviculäre Implantation). Der Pulsgenerator ist nicht direkt mit den Elektroden verbunden, sondern ist vielmehr elektrisch mit den Elektroden über ein Kabel gekoppelt, das sich von dem entfernt implantierten Pulsgenerator zu den im Schädel implantierten Elektroden erstreckt. Das in King offenbarte Kabel erstreckt sich von dem Paddel, um den Schädel und hinunter zum Hals der subklavikulären Stelle des Pulsgenerators.
King offenbart das Implantieren der Elektroden in Kontakt mit der Oberfläche der Hirnrinde, um Paresthesie zu erzeugen, was ein Gefühl einer Vibration oder eines „Summens" in einem Patienten ist. Insbesondere offenbart King das Induzieren von Paresthesie in großen Bereichen durch Beaufschlagung elektrischer Stimulation an ein höheres Element des zentralen Nervensystems (z. B. der Hirnrinde). Als solches offenbart King die Anordnung der Elektroden gegenüber den bestimmten Bereichen des Gehirns, um die gewünschte Paresthesie zu induzieren. Der Zweck zur Erzeugung von Paresthesie über einen Körperbereich liegt darin, einen ablenkenden Stimulus zu erzeugen, der effektiv eine Schmerzempfindung im Körperbereich reduziert. Somit erscheint King so, eine Stimulation über Aktivierungsniveaus zu erfordern.
Obwohl King ebenfalls eine Vorrichtung offenbart, die einen Bereich auf der Hirnrindenoberfläche stimuliert, wird von dieser Vorrichtung erwartet, mehrere Nachteile zu haben. Zunächst ist es teuer und zeitintensiv, den Pulsgenerator und das Kabel im Patienten zu implantieren. Zweitens erscheint es, daß die Elektroden an einer festen Erhebung gehalten werden, die nicht anatomische Änderungen in der Form des Gehirns relativ zum Schädel kompensiert, was es schwierig macht, eine elektrische Stimulation an eine gewünschte Zielstelle der Hirnrinde in einer fokussierten, spezifischen Art und Weise zu beaufschlagen. Drittens offenbart King das direkte Aktivieren der Neuronen, um eine Paresthesie zu bewirken, die nicht erwartet wird, um die Mitnahme der Aktivität in die stimulierte Population der Neuronen mit anderen Formen der Therapie oder eines adoptiven Verhaltens, wie einer physikalischen oder Okkupationstherapie, zu bewirken. Somit erscheint King, mehrere Nachteile zu haben.
Von King und den anderen vorangehenden Verweisen wird ebenfalls erwartet, Nachteile bei der Herstellung der gewünschten neuralen Aktivität zu haben, da diese Verweise sich im allgemeinen auf die Therapie auf den Bereich des Gehirns beziehen, der für die physiologische Funktion oder das mentale Verfahren gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns verantwortlich ist. Im Falle einer Hirnverletzung oder -erkrankung kann jedoch der Bereich des Hirns, der mit der beeinflußten physiologischen Funktion oder dem kognitiven Verfahren verbunden ist, nicht auf Stimulationstherapien ansprechen. Somit können vorhandene Methoden nicht adäquate Resultate produzieren, die über die Stimulationsperiode hinausgehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten, die mit einer ersten Stelle des Gehirns des Patienten verbunden ist, bereitgestellt, welche umfaßt:
ein diagnostisches System, das eine Stimulationsstelle an der Hirnrinde des Patienten durch Bestimmen eines Bereichs des Gehirns identifizieren kann, wo eine beabsichtigte neurale Aktivität in Ansprechung auf eine Erzeugung der beabsichtigten neuralen Aktivität entfernt von der ersten Stelle des Gehirns vorliegt; und
ein Stimulationssystem, welches ein flexibles oder kompressierbares Trägerelement, eine Elektrode auf dem Trägerelement, die konfiguriert ist, um an der Stimulationsstelle zwischen dem Schädel und der Piafläche des Gehirns implantiert zu werden, und einen Impulsgenerator, um ein elektrisches Potential für die Elektrode bereitzustellen, einschließt.
Weitere Erscheinungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen, die hier angefügt sind, dargelegt.
Der folgende Abschnitt der Beschreibung (bis zu „kurze Beschreibung der Zeichnungen") ist zusätzliches Material und soll nicht als Teil der beanspruchten Erfindung genommen werden.
Die vorliegende Offenbarung ist auf mehrere Vorrichtungen und Verfahren zum Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten gerichtet. Eine Erscheinung der Offenbarung ist gerichtet auf eine Vorrichtung zum Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten, die mit einer ersten Stelle des Gehirns des Patienten verbunden ist. Die Vorrichtung umfaßt ein diagnostisches System, das eine Stimulationsstelle durch Bestimmen eines Bereichs des Gehirns identifizieren kann, wo eine beabsichtigte neurale Aktivität in Ansprechung auf eine Erzeugung der beabsichtigten neuralen Aktivität entfernt von der ersten Stelle des Gehirns vorliegt. Diese Vorrichtung kann ebenfalls ein Stimulationssystem einschließen, welches eine Elektrode, die konfiguriert ist, um an der Stimulationsstelle implantiert zu werden, und einen Impulsgenerator, um ein elektrisches Potential für die Elektrode bereitzustellen, einschließt.
Eine weitere Erscheinung der Offenbarung ist auf eine Vorrichtung zum Behandeln eines Verlusts einer Neuralfunktion an einer ersten Hirnrindenstelle in einem Gehirn eines Patienten gerichtet. Mehrere Beispiele dieser Erscheinung schließen ein diagnostisches System ein, das in der Lage ist zum Auswählen einer Stimulationsstelle an einem Hirnrindenbereich des Gehirns, wo erwartet wird, daß eine neurale Aktivität stattfindet, um den Verlust der Neuralfunktion an der ersten Hirnrindenstelle des Gehirns zu kompensieren. Diese Beispiele können ebenfalls ein Stimulationssystem mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode einschließen. Das Stimulationssystem ist im allgemeinen konfiguriert, um im Patienten nach Erhalt der Pia-Mater im Hirnrindenbereich implantiert zu werden, so daß die erste Elektrode an einem ersten Bereich der Stimulationsstelle ist und die zweite Elektrode an einer zweiten Fläche der Stimulationsstelle ist.
Eine weitere Erscheinung der Offenbarung ist auf eine Vorrichtung zur Behandlung einer Neuralfunktion in einem Gehirn eines Patienten gerichtet. In dieser Erscheinung schließt eine Ausführungsform ein diagnostisches System ein, das einen elektrischen Stimulationsgrenzwert zum Induzieren einer Ansprechung in Zellen an einer Stimulationsstelle im Hirnrindenbereich des Gehirns des Patienten bestimmt. Diese Vorrichtung kann ebenfalls ein Stimulationssystem mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Steuervorrichtung, die an die ersten und zweiten Elektroden gekoppelt ist, einschließen. Die ersten und zweiten Elektroden sind konfiguriert, um nahe der Pia-Mater des Gehirns des Patienten implantiert zu werden. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um eine elektrische Stimulation zwischen den ersten und zweiten Elektroden mit einer Intensität kleiner als der Stimulationsgrenzwert zu beaufschlagen. Die Steuervorrichtung kann daher eine Stimulation an einer Untergrenzwertintensität unterhalb des Aktivierungsgrenzwerts für eine Population von Neuronen an der Stimulationsstelle beaufschlagen.
Andere Erscheinungen der Vorrichtung in dieser Offenbarung sind auf verschiedene Merkmale von Stimulationssystemen gerichtet. Eine Erscheinung ist auf eine Vorrichtung zum Beaufschlagen einer elektrischen Stimulation auf einen Bereich eines Gehirns eines Patienten gerichtet. In einem Beispiel schließt die Vorrichtung ein implantierbares Trägerelement ein, das konfiguriert ist, um in den Patienten wenigstens teilweise innerhalb des Schädels des Patienten implantiert zu werden. Diese Vorrichtung kann ebenfalls ein Impulssystem einschließen, das durch das Trägerelement getragen wird, eine erste Elektrode, die durch das Trägerelement getragen wird, und ein zweite Elektrode, die ebenfalls durch das Trägerelement getragen wird. Die ersten und zweiten Elektroden sind an das Impulssystem angekoppelt.
Ein weiteres Beispiel ist auf eine Vorrichtung gerichtet, die ein implantierbares Trägerelement einschließt, das konfiguriert ist, um im Patienten nahe des Schädels des Patienten implantiert zu werden. Das Trägerelement kann ein Anfüigungselement einschließen, um das Trägerelement am Schädel zu fixieren. Die Vorrichtung kann ebenfalls ein Impulssystem, das durch das Trägerelement getragen wird, und erste und zweite Elektroden, die in ersten und zweiten Bereichen des Trägerelements lokalisiert sind, einschließen. Die ersten und zweiten Elektroden sind mit dem Impulssystem gekoppelt.
Weitere Beispiele der Vorrichtung dieser Offenbarung weisen erste und zweite Elektroden auf, die direkt an das Impulssystem innerhalb des Trägerelements gekoppelt sind, so daß das Stimulationssystem eine integrierte Einheit ist, die vollständig innerhalb oder auf dem Schädel des Patienten implantiert werden kann. Andere Erscheinungen schließen eine Vorrichtung ein, bei welcher das Trägerelement ein Vorspannungselement aufweist und die Elektroden durch das Vorspannungselement getragen werden.
Mehrere Erscheinungen von Verfahren in dieser Offenbarung sind auf das Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten gerichtet. Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten, die mit einer ersten Stelle des Gehirns verbunden ist, schließt ein Identifizieren einer Stimulationsstelle durch Erzeugen entfernt von der ersten Stelle einer beabsichtigten neuralen Aktivität ein und dann Bestimmen eines Bereichs des Gehirns, wo die erzeugte neurale Aktivität vorliegt. Dieses Verfahren kann fortfahren durch Positionieren wenigstens einer ersten Elektrode an der Stimulationsstelle und dann Beaufschlagen eines elektrischen Potentials, um einen Strom durch die Elektrode zu führen.
Ein weiteres Beispiel eines Verfahrens zum Herbeiführen einer neuralen Funktion bei einem Patienten schließt ein Identifizieren einer Stimulationsstelle in und/oder an dem Gehirn ein, wo neurale Aktivität sich in Ansprechung auf eine Veränderung in der neuralen Funktion in der ersten Stelle des Gehirns geändert hat. Dieses Verfahren kann ein Positionieren von ersten und zweiten Elektroden an der Stimulationsstelle einschließen, und dann ein Beaufschlagen eines elektrischen Potentials zwischen den ersten und den zweiten Elektroden.
Andere Erscheinungen von Verfahren sind auf Verfahren zum Behandeln eines Verlustes einer neuralen Funktion an einer ersten Hirnrindenstelle im Gehirn eines Patienten gerichtet. Ein Beispiel schließt ein Auswählen einer Stimulationsstelle in einem Hirnrindenbereich des Gehirns ein, wo für neurale Aktivität erwartet wird, aufzutreten, um den Verlust der neuralen Funktion an der ersten Hirnrindenstelle des Gehirns zu kompensieren. Diese Beispiele können ferner ein Positionieren einer ersten Elektrode an einem ersten Bereich der Stimulationsstelle nahe der Pia-Mater im Hirnrindenbereich und ebenfalls ein Positionieren einer zweiten Elektrode an einem zweiten Bereich der Stimulationsstelle nahe der Pia-Mater im Hirnrindenbereich einschließen. Das Verfahren kann ferner ein Beaufschlagen eines elektrischen Potentials zwischen den ersten und zweiten Elektroden einschließen.
Noch weitere Erscheinungen von Verfahren in dieser Offenbarung sind auf ein Behandeln einer neuralen Funktion in einem Gehirn eines Patienten unter Verwendung einer Untergrenzwertstimulation gerichtet. In einem Beispiel schließt das Verfahren ein Auswählen einer Stimulationsstelle in einem ersten Hirnrindenbereich des Gehirns und dann ein Bestimmen eines elektrischen Stimulationsgrenzwerts zum Induzieren einer Ansprechung in Zellen an der Stimulationsstelle ein. Dieses Verfahren schließt ferner ein Beaufschlagen einer elektrischen Stimulation zwischen den ersten und zweiten Elektroden an einer Stelle nahe der Pia-Mater des ersten Hirnrindenbereichs des Gehirns und in einer Intensität kleiner als der Stimulationsgrenzwert ein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Ansicht von Neuronen.
1B ist ein Graph, der einen Abschuß eines „Aktionspotentials" veranschaulicht, das mit normaler neuraler Aktivität verbunden ist.
1C ist ein Fließschema eines Verfahrens zum Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten, die mit einer Stelle im Gehirn verbunden ist.
2 ist eine Aufsicht eines Bereichs eines Gehirns, die eine neurale Aktivität in einem ersten Bereich des Gehirns, die mit der neuralen Funktion des Patienten gemäß der Somatotopenorganisation des Gehirns verbunden ist, veranschaulicht.
3 ist eine Aufsicht eines Bereichs des Gehirns, die einen Verlust der neuralen Aktivität, die mit der neuralen Funktion des Patienten verbunden ist, veranschaulicht.
4 ist eine Aufsicht des Gehirns nach 3, die eine Änderung in der Stelle der neuralen Aktivität, die mit der neuralen Funktion des Patienten verbunden ist, zeigt.
5A und 5B sind schematische Veranschaulichungen eines Implantierungsverfahrens.
5C ist ein Graph, der einen Abschuß eines „Aktionspotentials" zeigt, das mit stimulierter neuraler Aktivität verbunden ist.
6 ist eine isometrische Ansicht einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung.
7 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Teil einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung zeigt.
8 ist eine schematische Veranschaulichung eines Impulssystems.
9 ist eine schematische Veranschaulichung einer implantierten Stimulationsvorrichtung und einer äußeren Steuervorrichtung.
10 ist eine schematische Veranschaulichung einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung mit einem Impulssystem und einer äußeren Steuervorrichtung.
11 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Teil einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung zeigt.
12 ist eine schematische Veranschaulichung einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung mit einem Impulssystem und einer äußeren Steuervorrichtung.
13 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Teil einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung mit einem Impulssystem und einer äußeren Steuervorrichtung zeigt.
14 ist eine Bodenansicht und
15 eine Querschnittsansicht, die eine Elektrodenkonfiguration für eine Implantierbare Stimulationsvorrichtung veranschaulichen.
16 ist eine Bodenansicht und
17 eine Querschnittsansicht einer Elektrodenkonfiguration für eine implantierbare Stimulationsvorrichtung.
18 ist eine Bodenansicht und
19 eine Querschnittsansicht einer Elektrodenkonfiguration.
20 ist eine Bodenansicht einer Elektrodenkonfiguration für eine implantierbare Stimulationsvorrichtung.
21 ist eine Bodenansicht einer Elektrodenkonfiguration für eine implantierbare Stimulationsvorrichtung.
22 ist eine Bodenansicht einer noch weiteren Elektrodenkonfiguration.
23 ist eine Bodenansicht und
24 eine Querschnittsansicht einer Elektrodenkonfiguration.
25 ist eine isometrische Ansicht, die schematisch ein Teil einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung mit einem mechanischen Vorspannungselement zeigt.
26 ist eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung mit einem mechanischen Vorspannungselement, das in einen Schädel eines Patienten implantiert worden ist.
27 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Teil einer Stimulationsvorrichtung mit einem Vorspannungselement zeigt.
28 ist eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung mit einem Vorspannungselement.
29 ist eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung mit einem Vorspannungselement.
30 ist eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung mit einem Vorspannungselement.
31 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Bereich einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung mit einer äußeren Energiequelle und Impulsgenerator zeigt.
32 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Bereich einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung mit einer äußeren Energiequelle und Impulsgenerator zeigt.
33 ist eine Querschnittsansicht, die im größeren Detail einen Bereich der implantierbaren Stimulationsvorrichtung nach 31 zeigt.
34 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Bereich einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung und einer äußeren Steuervorrichtung zeigt.
35 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Bereich einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung und einer äußeren Steuervorrichtung zeigt.
36 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Bereich einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
37 ist eine isometrische Ansicht und
38 eine Querschnittsansicht, die eine implantierbare Stimulationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.
39 ist eine Querschnittsansicht, die eine implantierbare Stimulationsvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
40 ist eine schematische Veranschaulichung einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung beschreibt mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur elektrischen Intracranialstimulation, um eine Änderung von neuralen Funktionen eines Patienten zu behandeln oder anderenfalls herbeizuführen. Mehrere Ausführungsformen von Verfahren sind auf eine verbesserte oder anderweitige Induzierung von Neuroplastizität gerichtet, um eine bestimmte neurale Funktion herbeizuführen. Neuroplastizität bezieht sich auf die Fähigkeit des Gehirns, sich mit der Zeit zu ändern oder anzupassen. Es wurde einmal angenommen, daß Gehirne von Erwachsenen relativ „hart verdrahtet" werden, so daß sich funktionell bedeutende neurale Netzwerke nicht beträchtlich über die Zeit oder in Ansprechung auf eine Verletzung ändern können. Es ist zunehmend offensichtlich geworden, daß diese neuralen Netzwerke sich mit der Zeit ändern und anpassen können, so daß eine bedeutsame Funktion in Reaktion auf eine Hirnverletzung zurückgewonnen werden kann. Ein Aspekt von mehreren Ausführungsformen von Verfahren ist, die geeigneten Auslöser zur adaptiven Neuroplastizität bereitzustellen. Diese Geeigneten Auslöser erscheinen eine erhöhte Synchronizität von funktionell wichtigen Populationen von Neuronen in einem Netzwerk zu bewirken oder zu ermöglichen.
Eine elektrisch verstärkte oder induzierte neurale Stimulation gemäß mehreren Ausführungsformen der Erfindung regt einen Bereich eines neuralen Netzwerkes an, der in einer funktionell signifikanten Aufgabe involviert ist, so daß eine ausgewählte Population von Neuronen fester mit dem Netzwerk assoziiert wird. Da ein solches Netzwerk einer funktionell bedeutsamen Aufgabe dienen wird, wie einem motorischen Neulernen, sind die Änderungen wahrscheinlicher lang andauernd, da sie kontinuierlich durch natürliche Verwendungsmechanismen verstärkt werden. Die Natur der Stimulation gemäß mehreren Ausführungsformen der Erfindung gewährleistet, daß die stimulierte Population von Neuronen sich mit anderen Neuronen im funktionalen Netzwerk verbindet. Es wird angenommen, daß dies stattfindet, da Aktionspotentiale nicht tatsächlich durch die Stimulation verursacht werden, sondern vielmehr durch Wechselwirkungen mit anderen Neuronen im Netzwerk verursacht werden. Mehrere Erscheinungen der elektrischen Stimulation gemäß ausgewählten Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen, daß dies einfach mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit passieren kann, wenn das Netzwerk durch günstige Aktivitäten, wie Rehabilitation oder Gliedmaßenverwendung aktiviert wird.
Die Verfahren können verwendet werden, um einen Hirnschaden (z. B. Schlaganfall, Trauma, etc.), Hirnerkrankung (z. B. Alzheimer, Pick, Parkinson, etc.) und/oder Hirnstörungen (z. B. Epilepsie, Depression, etc.) zu behandeln. Die Verfahren können ebenfalls verwendet werden, um Funktionen von normalen, gesunden Hirnen (z. B. Lernen, Gedächtnis, etc.) zu verbessern oder sensorische Funktionen (z. B. Schmerz) zu steuern.
Bestimmte Ausführungsformen von Verfahren stimulieren elektrisch das Gehirn an einer Stimulationsstelle, wo eine Neuroplastizität auftritt. Die Stimulationsstelle kann verschieden sein von dem Bereich in dem Gehirn, wo neurale Aktivität typischerweise vorliegt, um die bestimmte Funktion gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns durchzuführen. In einer Ausführungsform, in der Neuroplastizität, die mit der neuralen Funktion verbunden ist, im Gehirn stattfindet, kann das Verfahren ein Identifizieren der Stelle einschließen, wo eine solche Neuroplastizität vorhanden ist. Diese besondere Vorgehensweise kann demzufolge eine Änderung in der neuralen Aktivität verbessern, um dem Gehirn beim Durchführen der bestimmten neuralen Funktion zu helfen. In einer alternativen Ausführungsform, bei der Neuroplastizität nicht im Gehirn auftritt, ist eine Erscheinung, Neuroplastizität an einer Stimulationsstelle zu induzieren, wo von ihr erwartet wird, daß sie auftritt. Dieses bestimmte Verfahren kann somit eine Änderung in der neuralen Aktivität induzieren, um eine Durchführung der neuralen Funktion anzuregen. Von mehreren Ausführungsformen dieser Verfahren wird erwartet, einen langanhaltenden Effekt auf die beabsichtigte neurale Aktivität an der Stimulationsstelle zu erzeugen.
1A-40 liefern ein gründliches Verständnis dieser Ausführungsformen an einen Fachmann auf diesem Gebiet. Insbesondere wird die Erfindung anfänglich unter Bezugnahme auf Figuren 1-5C beschrieben, und dann werden mehrere Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Stimulation der Hirnrinden- und/oder Tiefhirnbereiche des Gehirns unter Bezugnahme auf 6-40 beschrieben. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird verstehen, daß die vorliegende Erfindung zusätzliche Ausführungsformen haben kann, oder daß die Erfindung ohne mehrere der unten beschriebenen Details durchgeführt werden kann.
A. Verfahren zum elektrischen Stimulieren von Bereichen des Gehirns
1. Ausführungsformen zum elektrischen Verstärken neuraler Aktivität
1A ist eine schematische Darstellung mehrerer Neuronen N1-N3, und 1B ist ein Graph, der ein „Aktionspotential" zeigt, das mit neuraler Aktivität in einem normalen Neuron verbunden ist. Neurale Aktivität wird durch elektrische Impulse bestimmt, die in Neuronen erzeugt werden. Beispielsweise kann Neuron N1 anregende Eingaben an Neuron N2 senden (z. B. Zeiten t₁, t₃ und t₄ in 1B), und Neuron N₃ kann anregende Eingaben an Neuron N2 senden (z. B. Zeit t₂ in 1B). Die Neuronen empfangen/senden anregende und inhibitierende Eingaben von/zu einer Population von anderen Neuronen. Die anregenden und inhibierenden Eingaben können „Aktionspotentiale" in den Neuronen erzeugen, welches elektrische Impulse sind, die durch Neuronen durch Veränderung des Flusses von Natrium (Na)- und Kalium (K)-Ionen über die Zellmembran gelangen. Ein Aktionspotential tritt auf, wenn das ruhende Membranpotential des Neurons einen Grenzwert übertrifft. Wenn dieser Grenzwert erreicht ist, kann ein „alles-oder-nichts"-Aktionspotential erzeugt werden. Wie beispielsweise in 1B gezeigt ist, bewirkt die anregende Eingabe zur Zeit t₅, daß Neuron N2 ein Aktionspotential „abschießt", da die Eingabe den Grenzwert zum Erzeugen des Aktionspotential überschreitet. Die Aktionspotentiale verbreiten sich hinab über die Länge des Axons (das lange Verfahren des Neurons, das Nerven oder neuronale Trakte bildet), um die Freisetzung von Neurotransmittern aus diesem Neuron zu bewirken, die weiter benachbarte Neuronen beeinflussen.
1C ist ein Fließschema, das ein Verfahren 100 zum Herbeiführen einer neuralen Funktion in einem Patienten veranschaulicht Die neurale Funktion kann beispielsweise ein spezifisches mentales Verfahren oder eine physiologische Funktion steuern, wie eine bestimmte motorische Funktion oder sensorische Funktion (z. B. Bewegung einer Gliedmaße), die normalerweise mit neuraler Aktivität an einer „normalen" Stelle im Gehirn gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns verbunden ist. In mehreren Ausführungsformen des Verfahrens 100 kann wenigstens eine gewisse neurale Aktivität, die mit der neuralen Funktion in Beziehung steht, an einer Stelle im Gehirn auftreten. Die Stelle der neuralen Aktivität kann an der normalen Stelle sein, wo neurale Aktivität typischerweise auftritt, um die neurale Funktion gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns durchzuführen, oder die Stelle der neuralen Aktivität kann an einer unterschiedlichen Stelle sein, wo das Gehirn Material erneuert hat, um die neurale Aktivität durchzuführen. In jeder Situation ist eine Erscheinung von mehreren Ausführungsformen des Verfahrens 100, die Stelle im Gehirn zu bestimmen, wo diese neurale Aktivität vorhanden ist.
Das Verfahren 100 schließt ein diagnostisches Vorgehen 102 ein, das ein Identifizieren einer Stimulationsstelle an einer Stelle des Gehirns einschließt, wo eine beabsichtigte neurale Aktivität, die mit der neuralen Funktion in Beziehung steht, vorhanden ist. Mit einer Ausführungsform schließt das diagnostische Vorgehen 102 ein Erzeugen der beabsichtigten neuralen Aktivität im Gehirn aus einer „peripheren" Stelle ein, die von der normalen Stelle entfernt ist, und dann ein Bestimmen, wo die beabsichtigte neurale Aktivität tatsächlich im Gehirn vorhanden ist. In einer alternativen Ausführungsform kann das diagnostische Vorgehen 102 durchgeführt werden durch Identifizieren einer Stimulationsstelle, wo sich neurale Aktivität in Reaktion auf eine Änderung in der neuralen Funktion geändert hat. Das Verfahren 100 fährt mit einem Implantationsverfahren 104 fort, das ein Positionieren erster und zweiter Elektroden an der identifizierten Stimulationsstelle einschließt, und einem Stimulationsverfahren 106, das eine Beaufschlagung eines elektrischen Stroms zwischen den ersten und zweiten Elektroden einschließt. Viele Ausführungsformen des Implantationsverfahrens 104 positionieren zwei oder mehr Elektroden an der Stimulationsstelle, jedoch schließen andere Ausführungsformen des Implantationsverfahrens ein Positionieren lediglich einer Elektrode an der Stimulationsstelle und einer anderen Elektrode entfernt von der Stimulationsstelle ein. Als solches kann das Implantationsverfahren 104 des Verfahrens 100 ein Implantieren wenigstens einer Elektrode an der Stimulationsstelle einschließen. Die Verfahren 102-106 werden im größeren Detail unten beschrieben.
2-4 veranschaulichen eine Ausführungsform des diagnostischen Verfahrens 102. Das diagnostische Verfahren 102 kann verwendet werden, um den Bereich des Gehirns zu bestimmen, wo eine Stimulation wahrscheinlich die gewünschte Funktion herbeiführen wird, wie eine Rehabilitierung eines Verlustes einer neuralen Funktion, der durch Schlaganfall, Trauma, Erkrankung oder andere Umstände verursacht wurde. 2 ist spezifischer ein Bild eines normalen, gesunden Gehirns 200 mit einem ersten Bereich 210, wo die beabsichtigte neurale Aktivität auftritt, um eine spezifische neurale Funktion gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns herbeizuführen. Beispielsweise ist die neurale Aktivität im ersten Bereich 210, der in 2 gezeigt ist, im allgemeinen mit der Bewegung eines Fingers des Patientens verbunden. Der erste Bereich 210 kann einen Hochintensitätsbereich 212 und einen Niederintensitätsbereich 214 aufweisen, in denen unterschiedliche Niveaus an neuraler Aktivität auftreten. Es ist nicht notwendig, ein Bild der neurale Aktivität im ersten, in 2 gezeigten Bereich 210 zu erhalten, um das diagnostische Verfahren 102 durchzuführen, sondern vielmehr wird es bereitgestellt, um ein Beispiel einer neuralen Aktivität zu zeigen, die typischerweise an einer „normalen Stelle" gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns 200 für einen großen Prozentanteil von Menschen mit normaler Gehirnfunktion auftritt. Es wird verstanden, daß die tatsächliche Stelle des ersten Bereichs 210 im allgemeinen zwischen einzelnen Patienten variieren wird.
Die neurale Aktivität im ersten Bereich 210 kann jedoch beeinträchtigt werden. In einer typischen Anwendung beginnt das diagnostische Verfahren 102 durch Aufnahme eines Bildes des Gehirns 200, das in der Lage ist zum Detektieren neuraler Aktivität, um zu bestimmen, ob die beabsichtigte neurale Aktivität, die mit der bestimmten neuralen Funktion von Interesse verbunden ist, im Bereich des Gehirns 200 auftritt, wo sie normalerweise gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns auftritt. 3 ist ein Bild des Gehirns 200, nachdem der erste Bereich 210 beeinträchtigt worden ist (z. B. durch Schlaganfall, Trauma oder aus anderem Grund). Wie in 3 gezeigt ist, tritt die neurale Aktivität, die durch die neurale Funktion zum Bewegen der Finger gesteuert wird, nicht länger im ersten Bereich 210 auf. Der erste Bereich 210 ist daher „inaktiv", so daß erwartet wird, daß dies in einem korrespondierenden Verlust der Bewegung und/oder Empfindung in den Fingern resultiert. In einigen Fällen kann die Schädigung des Gehirns 200 in lediglich einem teilweisen Verlust der neuralen Aktivität im geschädigten Bereich resultieren. Im anderen Falle ermöglicht das in 3 gezeigte Bild, daß der Verlust der neuralen Funktion mit der verschlechterten neuralen Aktivität im ersten Bereich 210 in Beziehung steht. Das Gehirn 200 kann demzufolge andere Neuronen heranziehen, um eine neurale Aktivität für die beeinträchtigte neurale Funktion durchzuführen (d. h. Neuroplastizität), oder die neurale Aktivität kann an irgendeiner Stelle im Gehirn vorhanden sein.
4 ist ein Bild des Gehirns 200, das eine Vielzahl von potentiellen Stimulationsstellen 220 und 230 zum Herbeiführen der neuralen Funktion zeigt, die ursprünglich im ersten Bereich 210, der in 2 gezeigt ist, durchgeführt wurde. 3 und 4 zeigen ein Beispiel von Neuroplastizität, bei dem das Gehirn einen Verlust der neuralen Funktion in einem Bereich des Gehirns durch Heranziehen anderer Bereiche des Gehirns kompensiert, um neurale Aktivität zum Durchführen der beeinträchtigten neuralen Funktion durchzuführen. Das diagnostische Verfahren 102 verwendet die Neuroplastizität, die im Gehirn auftritt, um die Stelle einer Stimulationsstelle zu identifizieren, von der erwartet wird, ansprechender auf die Ergebnisse eines elektrischen, magnetischen Schallwellen-, genetischen, biologischen und/oder pharmazeutischen Verfahrens zu sein, um die gewünschte neurale Funktion herbeizuführen.
Eine Ausführungsform des diagnostischen Verfahrens 102 schließt ein Erzeugen der beabsichtigten neuralen Aktivität entfernt vom ersten Bereich 210 des Gehirns ein, und dann ein Detektieren oder Messen der Stelle im Gehirn, wo die beabsichtigte neurale Aktivität erzeugt worden ist. Die beabsichtigte neurale Aktivität kann durch Beaufschlagen einer Eingabe erzeugt werden, die ein Signal verursacht, das an das Gehirn zu senden ist. Beispielsweise im Falle eines Patienten, der die Verwendung einer Gliedmaße verloren hat, wird die beeinträchtigte Gliedmaße bewegt und/oder stimuliert, während das Gehirn unter Verwendung einer bekannten Bildgebungsmethode gescannt wird, die neurale Aktivität detektieren kann (z. B. funktionelle MRI, Positronemissionstomographie, etc.). In einer spezifischen Ausführungsform kann die beeinträchtigte Gliedmaße durch einen Benutzer oder den Patienten bewegt werden, stimuliert durch sensorische Tests (z. B. Pricking), oder Gegenstand einer peripheren elektrischen Stimulation sein. Die Bewegung/Stimulation der beeinträchtigten Gliedmaße erzeugt ein peripheres neurales Signal aus der Gliedmaße, von dem erwartet wird, eine Reaktion neurale Reaktionsaktivität im Gehirn zu erzeugen. Die Stelle im Gehirn, wo diese Reaktion neuraler Reaktionsaktivität vorliegt, kann unter Verwendung des Bildgebungsverfahrens identifiziert werden. Beispielsweise kann 4 erzeugt werden durch Bewegen der beeinträchtigten Finger und dann Beobachten, wo neurale Aktivität in Reaktion auf den peripheren Stimulus auftritt. Durch peripheres Erzeugen der beabsichtigten neuralen Aktivität kann diese Ausführungsform akkurat identifizieren, wo das Gehirn herangezogenes Material (d. h. Stellen 220 und 230) hat, um die beabsichtigte neurale Aktivität, die mit der neuralen Funktion verbunden ist, durchzuführen.
Eine alternative Ausführungsform des diagnostischen Verfahrens 102 schließt ein Identifizieren einer Stimulationsstelle an einer zweiten Stelle des Gehirns ein, wo die neurale Aktivität sich in Reaktion auf eine Änderung in der neuralen Funktion des Patienten verändert hat. Diese Ausführungsform des Verfahrens erfordert nicht notwendigerweise, daß die beabsichtigte neurale Aktivität durch peripheres Betätigen oder Stimulieren eines Körperteils erzeugt wird. Beispielsweise kann das Gehirn bezüglich der neuralen Aktivität, die mit der verschlechterten neuralen Funktion verbunden ist, gescannt werden, wenn ein Patient die Verwendung einer beeinträchtigten Gliedmaße wiedergewinnt oder eine Aufgabe über eine Zeitdauer lernt. Diese Ausführungsform kann jedoch ebenfalls ein peripheres Erzeugen der beabsichtigten neuralen Aktivität entfernt vom Gehirn, wie oben erklärt, einschließen.
In noch einer weiteren Ausführungsform schließt das diagnostische Verfahren 102 ein Identifizieren einer Stimulationsstelle an einer Stelle des Gehirns ein, wo die beabsichtigte neurale Aktivität sich entwickelt, um die neurale Funktion durchzuführen. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu den anderen Ausführungsformen des diagnostischen Verfahrens 102, sie kann jedoch verwendet werden, um eine Stimulationsstelle bei (a) dem normalen Bereich des Gehirns, wo für die beabsichtigte neurale Aktivität erwartet wird, gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns aufzutreten, und/oder (b) einem unterschiedlichen Bereich, wo die neurale Aktivität auftritt, da das Gehirn zusätzliches Material heranzieht, um die neurale Funktion zu leisten, zu identifizieren. Diese besondere Ausführungsform des Verfahrens schließt ein Überwachen der neuralen Aktivität an einer oder mehreren Stellen ein, wo die neurale Aktivität in Reaktion auf die bestimmte neurale Funktion von Interesse auftritt, um beispielsweise die Fähigkeit zu verbessern, eine bestimmte Aufgabe zu lernen (z. B. das Spielen eines Musikinstruments, Gedächtnistraining, etc.), die neurale kann Aktivität überwacht werden, während eine Person die Aufgabe durchführt oder über das Durchführen der Aufgabe nachdenkt. Die Stimulationsstellen können durch die Bereiche des Gehirns definiert werden, wo die neurale Aktivität die höchste Intensität, die größten Zunahmen und/oder Parameter aufweist, die Bereiche des Gehirns anzeigen, die verwendet werden, um die bestimmte Aufgabe durchzuführen.
5A und 5B sind schematische Veranschaulichungen des Implantierungsverfahrens 104, das oben unter Bezugnahme auf 1C beschrieben wird, zum Positionieren der ersten und zweiten Elektroden relativ zu einem Bereich des Gehirns eines Patienten 500. Unter Bezugnahme auf 5A wird eine Stimulationstelle 502 gemäß einer Ausführungsform des diagnostischen Verfahrens 102 identifiziert. In einer Ausführungsform wird ein Schädelabschnitt 104 vom Patienten 500 benachbart zur Stimulationsstelle 502 entfernt. Der Schädelabschnitt 504 kann durch Bohren eines Loches in den Schädel in einer auf dem Fachgebiet bekannten Art und Weise entfernt werden, oder ein viel kleineres Loch kann im Schädel unter Verwendung von Bohrungsmethoden gebildet werden, die ebenfalls auf dem Fachgebiet bekannt sind. Im allgemeinen kann das Loch im Durchmesser von 0,2-4,0 cm sein. Unter Bezugnahme auf 5B kann eine implantierbare Stimulationsvorrichtung 510 mit ersten und zweiten Elektroden 520 im Patienten 500 implantiert werden. Geeignete Methoden, die mit dem Implantationsverfahren verbunden sind, sind Fachpraktikern auf dem Gebiet bekannt. Nachdem die Stimulationsvorrichtung 510 im Patienten 500 implantiert worden ist, erzeugt ein Impulssystem elektrische Impulse, die zur Stimulationsstelle 502 durch die ersten und zweiten Elektroden 520 überführt werden. Die Stimulationsvorrichtungen, die zum Durchführen der vorangehenden Ausführungsformen von Verfahren geeignet sind, werden in größerem Detail unter Bezugnahme auf die 6-40 beschrieben.
Von mehreren Ausführungsformen von Verfahren zum Verbessern der neuralen Aktivität wird erwartet, lang andauernde Ergebnisse bereitzustellen, die die gewünschte neurale Funktion fördern. Vor der vorliegenden Erfindung stimulierten elektrische und magnetische Stimulationsmethoden typischerweise die normalen Stellen des Gehirns, wo neurale Aktivität, die sich auf die neuralen Funktionen bezog, gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns stattfand. Solche herkömmlichen Methoden können jedoch nicht effektiv sein, da die Neuronen in den "normalen Stellen" des Gehirns nicht in der Lage sein müssen, die neurale Aktivität durchzuführen, aufgrund einer Hirnschädigung, Erkrankung, Störung und/oder aufgrund von Variationen der Stelle, die für einzelne Patienten spezifisch ist. Mehrere Ausführungsformen von Verfahren zum Verbessern der neuralen Aktivität überwinden diesen Nachteil durch Identifizieren einer Stimulationsstelle basierend auf einer neuroplastischen Aktivität, die erscheint, um mit der neuralen Funktion in Verbindung zu stehen. Durch zunächst Identifizieren einer Stelle im Gehirn, die herangezogen wird, um die neurale Aktivität durchzuführen, wird erwartet, daß Therapien (z. B. elektrisch, magnetisch, genetisch, biologisch und/oder pharmazeutisch), die auf diese Stelle angewendet werden, effektiver als herkömmliche Methoden sind. Dies liegt daran, daß die Stelle, die das Gehirn für die neurale Aktivität heranzieht, nicht die „normale Stelle" sein muß, wo die Neuroaktivität normalerweise gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns auftreten würde. Daher wird von mehreren Ausführungsformen von Verfahren zum Verbessern der neuralen Aktivität erwartet, langanhaltende Ergebnisse bereitzustellen, da die Therapien auf den Bereich des Gehirns angewendet werden, wo neurale Aktivität zum Durchführen der neuralen Funktion tatsächlich im bestimmten Patienten auftritt.
2. Elektrisches Induzieren einer gewünschten neuralen Aktivität
Das Verfahren 100 zum Herbeiführen einer neuralen Funktion kann ebenfalls verwendet werden, um eine neurale Aktivität in einem Bereich des Gehirns zu induzieren, wo eine solche neurale Aktivität nicht vorhanden ist. Entgegengesetzt zu Ausführungsformen des oben beschriebenen Verfahrens 100 zum Verbessern der vorhandenen neuralen Aktivität initiieren die Ausführungsformen des Verfahrens 100 zum Induzieren neuraler Aktivität die neurale Aktivität an einer Stimulationsstelle, wo angenommen wird, daß Neuroplastizität auftreten wird. In dieser bestimmten Situation kann ein Bild des Gehirns, das lokalisieren soll, wo Neuroplastizität auftritt, ähnlich sein zu 3. Eine Erscheinung der Induktion neuraler Aktivität ist daher, ein Verfahren zu entwickeln, um zu bestimmen, wo Neuroplastizität wahrscheinlich auftritt.
Eine Stimulationsstelle kann durch Abschätzen identifiziert werden, wo das Gehirn wahrscheinlich Neuronen zum Durchführen der neuralen Funktion heranziehen wird. In einer Ausführungsform wird der Ort der Stimulationsstelle durch Definition eines Bereichs des Gehirns abgeschätzt, der nahe der normalen Stelle ist, wo neurale Aktivität, die auf die neurale Funktion bezogen ist, im allgemeinen gemäß der funktionellen Organisation des Gehirns vorhanden ist. Eine alternative Ausführungsform zum Anordnen der Stimulationsstelle schließt ein Bestimmen ein, wo Neuroplastizität typischerweise bei Patienten mit ähnlichen Symptomen aufgetreten ist. Wenn beispielsweise das Gehirn typischerweise einen zweiten Bereich der Hirnrinde heranzieht, um den Verlust neuraler Aktivität im normalen Bereich der Hirnrinde zu kompensieren, kann dann der zweite Bereich der Hirnrinde als die Stimulierungsstelle entweder mit oder ohne Bildgebung der neuralen Aktivität im Gehirn ausgewählt werden.
Von mehreren Ausführungsformen von Verfahren zum Induzieren neuraler Aktivität wird ebenfalls erwartet, langanhaltende Ergebnisse bereitzustellen, die eine gewünschte neurale Funktion initiieren und fördern. Durch zuerst Abschätzen des Orts einer Stimulationsstelle, wo gewünschte Neuroplastizität erwartet auftritt, können Therapien, die auf diese Stelle angewendet werden, effektiver sein als herkömmliche Verfahren aus den Gründen, die ähnlich sind zu denjenigen, die oben in Bezug auf eine Verbesserung der neuralen Aktivität erklärt worden sind. Zusätzlich können Verfahren zum Induzieren neuraler Aktivität leichter und kostengünstiger sein, um implementiert zu werden, da sie keine Erzeugung neuraler Aktivität und/oder eine Bildgebung des Gehirns erfordern, um zu bestimmen, wo die beabsichtigte neurale Aktivität vor der Anwendung der Therapie auftritt.
3. Anwendungen von Verfahren zur elektrischen Stimulation von Bereichen des Gehirns
Für die vorangehenden Verfahren zum Verbessern einer existierenden neuralen Aktivität oder zum Induzieren einer neuen neuralen Aktivität wird erwartet, für viele Anwendungen geeignet zu sein. Wie oben erklärt, schließen mehrere Ausführungsformen des Verfahrens 100 ein Bestimmen einer wirksamen Stelle des Gehirns ein, um eine beabsichtigte neurale Aktivität zu verbessern oder zu induzieren, die bewirkt, daß die gewünschten neuralen Funktionen auftreten. Zusätzliche Therapien können ebenfalls in Kombination mit den oben beschriebenen elektrischen Stimulationsverfahren implementiert werden. Mehrere spezifische Anwendungen unter Verwendung von Ausführungsformen von Verfahren zur elektrischen Stimulation, entweder allein oder mit verbundenen Therapien, werden nun beschrieben, jedoch wird erkannt, daß die Verfahren in vielen zusätzlichen Anwendungen eingesetzt werden können.
a. Allgemeine Anwendungen
Für die Ausführungsformen der oben beschriebenen elektrischen Stimulationsverfahren wird erwartet, insbesondere zur Rehabilitation eines Verlustes von Mentalfunktionen, motorischen Funktionen und/oder sensorischen Funktionen geeignet zu sein, die durch eine Schädigung des Gehirns verursacht werden. In einer typischen Anwendung ist das Gehirn durch einen Schlaganfall oder ein Trauma (z. B. Automobilunfall) beschädigt worden. Das Ausmaß der bestimmten Hirnschädigung kann unter Verwendung funktioneller MRI oder einer anderen geeigneten Bildgebungsmethode, wie oben in Bezug auf 3 erklärt wird, eingeschätzt werden. Eine Stimulationsstelle kann dann identifiziert werden durch: (a) peripheres Stimulieren eines Körperteils, der durch den Hirnschaden beeinträchtigt wurde, um die beabsichtigte neurale Aktivität zu induzieren, und Bestimmen der Stelle, wo eine Reaktion neuraler Aktivität auftritt; (b) Bestimmen, wo die neurale Aktivität sich verändert hat, wenn ein Patient mehr Verwendung des beeinträchtigten Körperteils gewinnt; und/oder (c) Abschätzen der Stelle, wo das Gehirn Neuronen heranziehen kann, um die neurale Aktivität durchzuführen, die zuvor durch den geschädigten Bereich des Gehirns geleistet worden ist. Eine elektrische Stimulationstherapie kann dann auf die ausgewählte Stimulationsstelle durch Anordnen der ersten und zweiten Elektroden relativ zu der Stimulationsstelle beaufschlagt werden, um einen elektrischen Strom in diesem Bereich des Gehirns zu beaufschlagen. Wie in größerem Detail unten erklärt, wird erwartet, daß eine Beaufschlagung eines elektrischen Stroms auf den Bereich des Gehirns, der herangezogen worden ist, um die neurale Aktivität durchzuführen, die mit dem beeinträchtigten Körperteil in Beziehung steht, einen langandauernden neurologischen Effekt zur Rehabilitation des beeinträchtigten Körperteils erzeugen wird.
Für mehrere spezifische Anwendungen wird erwartet, eine Stimulationsstelle in der Hirnrinde zu haben, da neurale Aktivität in diesem Teil des Gehirns motorische Funktionen und/oder sensorische Funktionen auslöst, die typischerweise durch einen Schlaganfall oder ein Trauma beeinträchtigt werden. In diesen Anwendungen kann die elektrische Stimulation direkt auf die Pia-Fläche des Gehirns oder wenigstens nahe der Pia-Fläche (z. B. der Dura-Mater, dem Fluid, das die Hirnrinde umgibt, oder Neuronen innerhalb der Hirnrinde) beaufschlagt werden. Geeignete Vorrichtungen zum Beaufschlagen der elektrischen Stimulation an die Hirnrinde werden im Detail unter Bezugnahme auf 6-40 beschrieben.
Die elektrischen Stimulationsverfahren können ebenfalls in verbundenen Therapien verwendet werden, um beschädigte Bereiche des Gehirns zu rehabilitieren. In einer Ausführungsform können die elektrischen Stimulationsverfahren mit physikalischer Therapie und/oder Arzneimitteltherapien kombiniert werden, um eine beeinträchtigte neurale Funktion zu rehabilitieren. Wenn beispielsweise ein Schlaganfallpatient die Verwendung einer Gliedmaße verloren hat, kann der Patient durch Anwendung der elektrischen Therapie an einer Stimulationsstelle, wo die beabsichtigten neurale Aktivität vorliegt, während die beeinträchtigte Gliedmaße ebenfalls Gegenstand einer physikalischen Therapie ist, behandelt werden. Eine alternative Ausführungsform kann die Anwendung der elektrischen Therapie an die Stimulationsstelle und eine chemische Behandlung des Patienten unter Verwendung von Amphetaminen oder anderen geeigneten Arzneimitteln einschließen.
Für die oben beschriebenen Ausführungsformen der elektrischen Stimulationsverfahren wird ebenfalls erwartet, bei der Behandlung von Hirnerkrankungen, wie Alzheimer, Parkinson und anderen Gehirnerkrankungen, geeignet zu sein. In dieser Anwendung kann die Stimulationsstelle durch Überwachen der neuralen Aktivität unter Verwendung funktioneller MRI oder anderer Bildgebungsmethoden über eine Zeitdauer identifiziert werden, um zu bestimmen, wo das Gehirn Material heranzieht, um die neurale Aktivität zu leisten, die durch die Erkrankung beeinträchtigt ist. Es kann ebenfalls möglich sein, die Stimulationsstelle dadurchzu identifizieren, daß der Patient versucht, eine Bewegung durchzuführen, die die bestimmte Erkrankung beeinträchtigt hat, und durch Überwachen des Gehirns, um zu bestimmen, wo irgendeine Reaktion neuraler Aktivität in dem Gehirn vorliegt. Nach Identifizieren, wo das Gehirn zusätzliches Material heranzieht, kann die elektrische Stimulation auf diesem Bereich des Gehirns angewendet werden. Es wird erwartet, daß das elektrische Stimulieren der Bereiche des Gehirns, die herangezogen worden sind, um die neurale Aktivität zu leisten, die durch die Erkrankung beeinträchtigt worden ist, das Gehirn beim Ausgleichen des Schadens, der durch die Erkrankung verursacht wurde, zu unterstützen.
Für die oben beschriebenen Ausführungsformen der elektrischen Stimulationsverfahren wird ebenfalls erwartet, bei der Behandlung neurologischer Störungen, wie Depression, Passiv- Agressiv-Verhalten, Gewichtskontrolle und anderen Störungen, geeignet zu sein. Bei diesen Anwendungen kann die elektrische Stimulation auf eine Stimulationsstelle in der Hirnrinde beaufschlagt werden, oder auf einen anderen geeigneten Teil des Gehirns, wo neurale Aktivität, die mit der bestimmten Störung in Beziehung steht, vorliegt. Die Ausführungsformen der elektrischen Stimulationsverfahren zum Durchführen der bestimmten Therapie können angepasst werden, um entweder die bestimmte neurale Aktivität in einer Weise zu erhöhen oder abzusenken, die die gewünschten Ergebnisse liefert. Beispielsweise kann ein Amputierter Phantomempfindungen spüren, die mit der amputierten Gliedmaße in Verbindung stehen. Dieses Phänomen kann behandelt werden durch Anwendung eines elektrischen Impulses, der die Phantomempfindungen reduziert. Die elektrische Therapie kann so angewendet werden, daß sie die Fähigkeit der Neuronen in diesem Teil des Gehirns moduliert, um sensorische Funktionen auszuführen.
b. Impulsformen und – potentiale
Die elektrischen Stimulationsverfahren können mehrere unterschiedliche Impulsformen verwenden, um die gewünschte Neuroplastizität auszulösen. Die Impulse können ein zweiphasiger oder monophasiger Stimulus sein, der beaufschlagt wird, um ein gewünschtes Potential in einem ausreichenden Prozentanteil einer Population von Neuronen an der Stimulationsstelle zu erzielen. In einer Ausführungsform weist die Impulsform eine Frequenz von etwa 2-1.000 Hz auf, jedoch kann die Frequenz besonders geeignet sein im Bereich von etwa 40-200 Hz. Beispielsweise wird für anfängliche klinische Versuche erwartet, eine Frequenz von etwa 50-100 Hz zu verwenden. Die Impulse können ebenfalls Pulsbreiten von etwa 10 μs-100 ms aufweisen, oder spezifischer kann die Pulsbreite etwa 20-200 μs sein. Beispielsweise kann eine Pulsbreite von 50-100 μs nützliche Ergebnisse liefern.
Es wird erwartet, daß eine besonders geeignete Anwendung der Erfindung ein Vergrößern oder Induzieren von Neuroplastizität durch Anheben des ruhenden Membranpotentials von Neuronen einschließt, um die Neuronen näher an den Grenzwert zum Abschießen eines Aktionspotentials zu bringen. Da die Stimulation das ruhende Membranpotential der Neuronen anhebt, wird erwartet, daß die Neuronen wahrscheinlicher ein Aktionspotential in Reaktion auf eine anregende Eingabe auf einem unteren Niveau „abgeben".
5C ist ein Graph, der die Anwendung eines Untergrenzwertpotentials auf die Neuronen N1-N3 aus 1A zeigt. Zu Zeiten t₁ und t₂ überbrücken die anregenden/inhibierenden Eingaben von anderen Neuronen nicht den Spalt vom Ruhepotential bei –X mV zum Grenzwertpotential. Zur Zeit t₃ wird die elektrische Stimulation auf das Gehirn beaufschlagt, um das Ruhepotential der Neuronen in der stimulierten Population so anzuheben, daß das Ruhrpotential bei –Y mV ist. Zur Zeit t₄, wenn Neuronen eine weitere anregende Eingabe aufnehmen, überschreitet sogar eine kleine Eingabe den Spalt zwischen dem angehobenen Ruhepotential –Y mV und dem Grenzwertpotential, um Aktionspotentiale in diesen Neuronen zu induzieren. Wenn beispielsweise das Ruhepotential etwa –70 mV und das Grenzwertpotential etwa –50 mV ist, kann dann die elektrische Stimulation angewendet werden, um das Ruhepotential auf einer ausreichenden Anzahl von Neuronen auf etwa –52 bis –60 mV anzuheben.
Das tatsächliche elektrische Potential, das auf die Elektroden beaufschlagt wird, die im Gehirn implantiert sind, um eine Untergrenzwertpotentialstimulation zu erreichen, wird gemäß dem individuellen Patienten, der Therapieart, der Art der Elektroden und anderen Faktoren variieren. Im allgemeinen wird die Impulsform der elektrischen Stimulation (z. B. die Frequenz, Pulsbreite, Wellenform und Spannungspotential) ausgewählt, um das Ruhepotential in einer ausreichenden Anzahl von Neuronen an der Stimulationsstelle auf ein Niveau anzuheben, das kleiner ist als ein Grenzwertpotential für einen statistischen Teil der Neuronen in der Population. Die Impulsform kann beispielsweise so ausgewählt werden, daß die beaufschlagte Spannung des Stimulus eine Änderung des Ruhepotentials von etwa 10 %-95 % und spezifischer 60 % bis 80 % des Unterschiedes zwischen dem nicht stimulierten Ruhepotential und dem Grenzwertpotential erreicht.
In einem spezifischen Beispiel einer Untergrenzwertanwendung zur Behandlung einer Hand eines Patienten wird die elektrische Stimulation nicht anfänglich auf die Stimulationsstelle beaufschlagt. Obwohl eine physikalische Therapie, die sich auf die Hand eines Patienten bezieht, eine gewisse Aktivierung einer bestimmten Population von Neuronen bewirken kann, die dafür bekannt ist, in der „Handfunktion" involviert zu sein, kann lediglich ein geringer Umfang an Aktivierung auftreten, da physikalische Therapie lediglich einen geringen Umfang an Aktionspotentialerzeugung in dieser Population von Neuronen erzeugt. Wenn jedoch die elektrische Untergrenzwertstimulation beaufschlagt wird, werden die ruhenden Membranpotentiale der Neuronen in der stimulierten Population angehoben. Diese Neuronen sind nun viel näher am Grenzwert zur Aktionspotentialbildung, so daß, wenn die gleiche Art der physikalischen Therapie gegeben wird, diese Population ein höhere Niveau an Aktivierung aufweisen wird, da diese Zellen wahrscheinlicher sind, um Aktionspotentiale abzugeben.
Untergrenzwertstimulation kann bessere Ergebnisse als eine einfache Stimulation der Neuronen mit ausreichenden Energieniveaus erzeugen, um den Grenzwert zur Aktionspotentialbildung zu überschreiten. Eine Erscheinung der Untergrenzwertstimulation ist, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß Aktionspotentiale als Reaktion auf die gewöhnlichen Ursachen der Aktivierung – wie einer physikalischen Therapie – auftreten werden. Dies wird es den Neuronen in diesem funktionellen Netzwerk ermöglichen, miteinander eingekuppelt zu werden, oder zu „lernen", um mit diesen Aktivierungsarten in Verbindung zu kommen. Wenn Neuronen soviel Elektrizität gegeben wird, daß sie kontinuierlich Aktionspotentiale ohne zusätzliche anregende Eingaben (über Grenzwertstimulation) abgeben, wird dies „Rauschen" und eine Disorganisation erzeugen, die wahrscheinlich keine Verbesserung der Funktion verursachen wird. Tatsächlich verarmen Neuronen, die „übersteuert" sind, bald an ihren Neurotransmittern und werden effektiv ruhig.
Die Anwendung einer Untergrenzwertstimulation ist stark verschieden von einer Übergrenzwertstimulation. Eine Untergrenzwertstimulation gemäß mehreren Ausführungsformen der Erfindung ist beispielsweise nicht beabsichtigt, um direkt Abschußpotentiale für Neuronen mit der elektrischen Stimulation in einer signifikanten Population der Neuronen an der Stimulationsstelle zu machen. Stattdessen versucht eine Untergrenzwertstimulation, die erforderliche „Aktivierungsenergie", um einen großen Bereich der Neuronen an der Stimulationsstelle zu aktivieren, abzusenken. Für eine Untergrenzwertstimulation gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird als solche erwartet, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß die Neuronen in Reaktion auf die gewöhnlichen intrinsischen Auslöser abschießen werden, wie um zu probieren, eine Gliedmaße zu bewegen, physikalische Therapien, oder um einfach über eine Bewegung einer Gliedmaße zu denken, etc. Ferner wird für eine zusammenfallende Stimulation, die mit physikalischer Therapie verbunden ist, erwartet, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß die Aktionspotentiale, die mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit aufgrund der Untergrenzwertstimulation auftreten, mit aussagekräftigen Auslösern in Verbindung stehen und nicht lediglich „Rauschen" sind.
Die oben dargelegten Stimulusparameter, wie Frequenzauswahl von etwa 50-100 Hz und eine Amplitude, die ausreichend ist, um eine Zunahme von 60 % bis 80 % des Unterschieds zwischen dem Ruhepotential und dem Grenzwertpotential zu erzielen, werden spezifisch ausgewählt, so daß sie das Ruhemembranpotential der Neuronen erhöhen werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, daß sie Aktionspotentiale abschießen, ohne direkt Aktionspotentiale in den meisten der Neuronenpopulationen zu verursachen. Zusätzlich, und wie im größeren Detail unten unter Bezugnahme auf 6-40 erklärt, sind mehrere Ausführungsformen der Stimulationsvorrichtung so ausgelegt, um genau eine Impulsform zu beaufschlagen, die eine Untergrenzwertstimulation durch selektives Stimulieren von Bereichen der Hirnrinde von etwa 1-2 cm (die geschätzte Größe einer „funktionellen Einheit" der Hirnrinde), direkt kontaktierend die Pia-Oberfläche mit den Elektroden, um konsistent die gleichen Änderungen im Ruhemembranpotential zu erzeugen, und/oder ein Vorspannen der Elektroden gegen die Pia-Oberfläche, um eine positive Verbindung zwischen den Elektroden und der Hirnrinde bereitzustellen, erzeugt.
B. Vorrichtungen zur elektrischen Stimulation von Bereichen des Gehirns
6-40 veranschaulichen Stimulationsvorrichtungen zum elektrischen Stimulieren von Bereichen des Gehirns gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Verfahren. Die in 6-40 veranschaulichten Vorrichtungen werden im allgemeinen verwendet, um einen Bereich der Hirnrinde nahe der Pia-Fläche des Gehirns (z. B. die Dura-Mater, die Pia-Mater, das Fluid zwischen der Dura-Mater und der Pia-Mater, und eine Tiefe in der Hirnrinde außerhalb des weißen Materials des Gehirns) zu stimulieren. Die Vorrichtungen können ebenfalls zum Stimulieren anderer Bereiche des Gehirns in anderen Ausführungsformen angepasst werden.
1. Implantierbare Stimulationsvorrichtungen mit integrierten Pulssystemen
6 ist eine isometrische Ansicht und 7 eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 600 zum Stimulieren eines Bereichs der Hirnrinde nahe der Pia-Fläche. In einer Ausführungsform schließt die Stimulationsvorrichtung 600 ein Trägerelement 610, ein integriertes Impulssystem 630 (schematisch gezeigt), das durch das Trägerelement 610 getragen wird, und erste und zweite Elektroden 660 (einzeln identifiziert durch Bezugszeichen 660a und 660b) ein. Die ersten und zweiten Elektroden 660 sind elektrisch mit dem Impulssystem 630 gekoppelt. Das Trägerelement 610 kann konfiguriert sein, um im Schädel oder einem anderen Intracranialbereich eines Patienten implantiert zu werden. In einer Ausführungsform schließt beispielsweise das Trägerelement 610 ein Gehäuse 612 und ein Anfügungselement 614, das mit dem Gehäuse 612 verbunden ist, ein. Das Gehäuse 612 kann ein geformtes Gehäuse sein, das aus einem biokompatiblen Material gebildet ist, das einen inneren Hohlraum zum Tragen des Impulssystems 630 aufweist. Das Gehäuse kann alternativ ein biokompatibles Metall oder anderes geeignetes Material sein. Das Gehäuse 612 kann einen Durchmesser von etwa 1-4 cm aufweisen, und in vielen Anwendungen kann das Gehäuse 612 1,5-2,5 cm im Durchmesser sein. Das Gehäuse 612 kann ebenfalls andere Formen (z. B. rechteckig, oval, elliptisch) und andere Oberflächenabmessungen aufweisen. Die Stimulationsvorrichtung 600 kann 35 g oder weniger wiegen und/oder ein Volumen von 20 cc oder weniger besetzen. Das Anfügungselement 614 kann eine flexible Abdeckung, eine starre Platte, eine konturierte Kappe oder ein anderes geeignetes Element zum Halten des Trägerelements 610 relativ zum Schädel oder einem anderen Körperteil des Patienten sein. In einer Ausführungsform ist das Anfügungselement 614 ein Gewebe, wie ein biokompatibles polymeres Gewebe, Metallgewebe oder anderes geeignetes gewebtes Material. Das Anfügungselement 614 kann alternativ ein flexibler Bogen aus Mylar, ein Polyester, oder ein anderes geeignetes Material sein.
7 ist spezifischer eine Querschnittsansicht der Stimulationsvorrichtung 600, nachdem sie in einem Patienten implantiert worden ist. Die Stimulationsvorrichtung 600 wird in den Patienten durch Bilden einer Öffnung in der Kopfhaut 702 und Schneiden eines Loches 704 durch den Schädel 700 und durch die Dura-Mater 706 implantiert. Das Loch 704 sollte von einer Größe sein, um das Gehäuse 612 des Trägerelements 610 aufzunehmen, und in den meisten Anwendungen sollte das Loch 704 kleiner als das Anfügungselement 614 sein. Ein Praktiker insertiert das Trägerelement 610 in das Loch 704 und sichert dann das Anfügungselement 614 am Schädel 700. Das Anfügungselement 614 kann am Schädel unter Verwendung einer Vielzahl von Befestigungsmitteln 618 (z. B. Schrauben, Dornen, etc.) oder eines Haftmittels befestigt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann eine Vielzahl von nach unten stehenden Dornen integral mit dem Anfügungselement 614 gebildet werden, um Anker zu definieren, die in den Schädel 700 getrieben werden können.
Die Ausführungsform der Stimulationsvorrichtung 600, die in 7 gezeigt ist, ist konfiguriert, um in einem Patienten implantiert zu werden, so daß die Elektroden 660 einen gewünschten Bereich des Gehirns an der Stimulationsstelle berühren. Das Gehäuse 612 und die Elektroden 660 können aus dem Anfügungselement 614 um einen Abstand „D" hervorstehen, so daß die Elektroden 660 wenigstens nahe der Pia-Mater 708, die die Hirnrinde 709 umgibt, positioniert sind. Die Elektroden 660 können aus einem Gehäuse 612, das in 7 gezeigt ist, hervorstehen, oder die Elektroden 660 können mit der inneren Fläche des Gehäuses 612 bündig sein. In der in 7 gezeigten bestimmten Ausführungsform weist das Gehäuse 612 eine Dicke „T" auf, und die Elektroden 660 stehen aus dem Gehäuse 612 um einen Abstand „P" hervor, so daß die Elektroden 660 gegen die Oberfläche der Pia-Mater 708 drücken. Die Dicke des Gehäuses 612 kann etwa 0,5-4 cm sein und ist im allgemeinen etwa 1-2 cm. Die Konfiguration der Stimulationsvorrichtung 600 ist nicht auf die in 6 und 7 gezeigte Ausführungsform begrenzt, sondern das Gehäuse 612, das Anfügungselement 614 und die Elektroden 660 können vielmehr konfiguriert sein, um die Elektroden in mehreren unterschiedlichen Bereichen des Gehirns zu positionieren. In einer alternativen Ausführungsform können das Gehäuse 612 und die Elektroden 660 beispielsweise konfiguriert werden, um die Elektroden tief innerhalb der Hirnrinde 709 und/oder einem Tiefhirnbereich 710 zu positionieren. Im allgemeinen können die Elektroden mit dem Gehäuse bündig sein oder sich um 0,1 mm bis 5 cm von dem Gehäuse erstrecken. Spezifischere Ausführungsformen des Impulssystem und der Elektrodenkonfigurationen für die Stimulationsvorrichtung werden unten beschrieben.
Für mehrere Ausführungsformen der Stimulationsvorrichtung 600 wird erwartet, effektiver als existierende transcraniale elektrische Stimulationsvorrichtungen und transcraniale magnetische Stimulationsvorrichtungen zu sein. Es wird erkannt, daß viel der für transcraniale Therapien erforderlichen Energie in der Kopfhaut und dem Schädel verschwindet, bevor sie das Gehirn erreicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen transcranialen Stimulationsvorrichtungen wird die Stimulationsvorrichtung 600 so implantiert, daß die Elektroden wenigstens nahe der Pia-Fläche des Gehirns 708 sind. Mehrere Ausführungsformen der hierin offenbarten Verfahren können die Stimulationsvorrichtung 600 verwenden, um eine elektrische Therapie direkt an der Pia-Mater 708, der Dura-Mater 706 und/oder einem anderen Bereich der Hirnrinde 709 bei beträchtlich geringeren Energieniveaus als bei existierenden transcranialen Therapien zu beaufschlagen. Beispielsweise kann ein Potential von etwa 1 mV bis 10 mV auf die Elektroden 660 beaufschlagt werden; in vielen Fällen kann ein Potential von 100 mV bis 5 V auf die Elektroden 660 für ausgewählte Anwendungen beaufschlagt werden. Es wird ebenfalls erkannt, daß andere Potentiale auf die Elektroden 660 der Stimulationsvorrichtung 600 gemäß anderen hierin offenbarter Verfahren beaufschlagt werden können.
Ausgewählte Ausführungsformen der Stimulationsvorrichtung 600 sind ebenfalls in der Lage, eine Stimulation auf eine genaue Stimulationsstelle zu beaufschlagen. Da wiederum die Stimulationsvorrichtung 600 die Elektroden 660 wenigstens nahe der Pia-Fläche 708 positioniert, werden genaue Stimulationsniveaus mit guter Pulsformgenauigkeit genau auf die Stimulationsstelle im Gehirn überführt. Es wird erkannt, daß transcraniale Therapien nicht in der Lage sein müssen, eine Stimulation auf eine genaue Stimulationsstelle zu beaufschlagen, da die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Kopfhaut und des Schädels von einem Patienten zu einem anderen variieren können, so daß eine identische Stimulation durch die transcraniale Vorrichtung einen unterschiedlichen Umfang an Stimulation an den Neuronen bei jedem Patienten erzeugen kann. Ferner ist die Fähigkeit, die Stimulation auf einen genauen Bereich zu fokussieren, durch transcraniales Liefern der Stimulation behindert, da die Kopfhaut, der Schädel und die Dura alle die Energie aus einer transcranialen Vorrichtung verteilen. Mehrere Ausführungsformen der Stimulationsvorrichtung 600 überwinden diese Nachteile, da die Elektroden 660 unter dem Schädel 700 positioniert werden, so daß die durch die Stimulationsvorrichtung 600 erzeugten Impulse nicht durch die Kopfhaut 702 und den Schädel 700 verteilt werden.
2. Integrierie Impulssysteme für implantierbare Stimulationsvorrichtungen
Das in 6 und 7 gezeigte Impulssystem 630 erzeugt und/oder überträgt elektrische Impulse auf die Elektroden 660, um ein elektrisches Feld an einer Stimulationsstelle an einem Bereich des Gehirns zu erzeugen. Die bestimmte Ausführungsform des in 7 gezeigten Impulssystems 630 ist eine „integrierte" Einheit, die durch das Trägerelement 610 gestützt wird. Das Impulssystem 630 kann beispielsweise innerhalb des Gehäuses 612 aufgenommen sein, so daß die Elektroden 660 direkt mit dem Impulssystem 630 ohne Anschlüsse außerhalb der Stimulationsvorrichtung 600 verbunden sein können. Der Abstand zwischen den Elektroden 660 und dem Impulssystem 630 kann kleiner als 4 cm sein und ist im allgemeinen 0,10-2,0 cm. Die Stimulationsvorrichtung kann demzufolge elektrische Impulse für die Stimulationsstelle bereitstellen, ohne daß Tunnel chirurgisch erzeugt werden müssen, die durch den Patienten laufen, um die Elektroden 660 mit einem Impulsgenerator zu verbinden, der entfernt von der Stimulationsvorrichtung 600 implantiert ist. Es wird jedoch erkannt, daß alternative Ausführungsformen der Stimulationsvorrichtung ein Impulssystem einschließen können, das getrennt von der Stimulationsvorrichtung 600 im Schädel implantiert ist, oder ein äußeres Impulssystem. Mehrere bestimmte Ausführungsformen der Impulssysteme, die zur Verwendung mit der Stimulationsvorrichtung 600 geeignet sind, werden nun im größeren Detail beschrieben.
8 und 9 zeigen schematisch ein integriertes Impulssystem 800 zum Implantieren im Schädel innerhalb der Stimulationsvorrichtung 600. Unter Bezugnahme auf 8 kann das Impulssystem 800 eine Energiequelle 810, eine integrierte Steuervorrichtung 820, einen Impulsgenerator 830 und einen Impulstransmitter 840 einschließen. Die Energiequelle 810 kann eine Primärbatterie sein, wie eine wiederaufladbare Batterie, oder jede andere geeignete Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie. In alternativen Ausführungsformen kann die Energiequelle 810 ein RF-Transducer oder ein magnetischer Transducer sein, der Rundfunkwellenenergie, die von einer externen Energiequelle emittiert wird, aufnimmt und die Rundfunkenergie in Energie für die elektrischen Komponenten- des Impulssystem 800 umwandelt. Die integrierte Steuervorrichtung 820 kann eine drahtlose Vorrichtung sein, die auf Kommandosignale anspricht, die durch eine externe Steuervorrichtung 850 gesendet werden. Die integrierte Steuervorrichtung 820 kann beispielsweise mit der äußeren Steuervorrichtung 850 durch RF- oder magnetische Verknüpfungen 860 in Verbindung stehen. Die integrierte Steuervorrichtung 820 stellt Steuersignale für den Impulsgenerator 830 in Ansprechung auf die Kommandosignale bereit, die von der externen Steuervorrichtung 850 gesendet werden. Der Impulsgenerator 830 kann eine Vielzahl von Kanälen aufweisen, die geeignete elektrische Impulse zum Impulstransmitter 840 senden, der mit den Elektroden 660 gekoppelt ist. Geeignete Komponenten für die Energiequelle 810, die integrierte Steuervorrichtung 820, den Impulsgenerator 830 und den Impulstransmitter 840 sind Fachleuten auf dem Gebiet von implantierbaren medizinischen Vorrichtungen bekannt.
Unter Bezugnahme auf 9 kann das Impulssystem 800 durch das Trägerelement 610 der Stimulationsvorrichtung 600 in der oben unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschriebenen Weise getragen werden. Die externe Steuervorrichtung 850 kann extern zum Patienten 500 angeordnet sein, so daß die externe Steuervorrichtung 850 verwendet werden kann, um das Impulssystem 800 zu steuern. In einer Ausführungsform können mehrere Patienten, die eine gemeinsame Behandlung benötigen, gleichzeitig unter Verwendung einer einzelnen externen Steuervorrichtung 850 durch Positionieren der Patienten innerhalb der Betriebsnähe der Steuervorrichtung 850 behandelt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die externe Steuervorrichtung 850 eine Vielzahl von Betriebscodes enthalten, und die integrierte Steuervorrichtung 820 für einen bestimmten Patienten kann einen individuellen Betriebscode aufweisen. Eine einzelne Steuervorrichtung 850 kann somit verwendet werden, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Patienten durch Eingeben des geeigneten Betriebscodes in die Steuervorrichtung 850 entsprechend dem bestimmten Betriebscodes der integrierten Steuervorrichtung 820 für die Patienten zu behandeln.
10 ist eine schematische Ansicht, die ein Impulssystem 1.000 und eine externe Steuervorrichtung 1.010 zur Verwendung mit der Stimulationsvorrichtung 600 zeigt. Die externe Steuervorrichtung 1.010 schließt eine Energiequelle 1.020, eine Steuervorrichtung 1.022, die mit der Energiequelle 1.020 gekoppelt ist, und eine Verwenderschnittstelle 1.024, die mit der Steuervorrichtung 1.022 gekoppelt ist, ein. Die externe Steuervorrichtung 1.010 kann ebenfalls einen Impulsgenerator 1.030, der mit der Energiequelle 1.020 gekoppelt ist, einen Impulstransmitter 1.040, der mit dem Impulsgenerator 1.030 gekoppelt ist, und eine Antenne 1.042, die mit dem Impulstransmitter 1.040 gekoppelt ist, einschließen. Die externe Steuervorrichtung 1.010 erzeugt die Energie und das Impulssignal, und die Antenne 1.042 übermittelt ein Impulssignal 1.044 an das Impulssystem 1.000 in der Stimulationsvorrichtung 600. Das Impulssystem 1.000 empfängt das Impulssignal 1.044 und liefert einen elektrischen Impuls an die Elektroden. Das Impulssystem 1.000 schließt daher nicht notwendigerweise eine integrierte Energiequelle, Steuervorrichtung und Impulsgenerator innerhalb des Gehäuses 610 ein, da diese Komponenten in der externen Steuervorrichtung 1.010 sind.
11 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform des Impulssystem 1.000 im größeren Detail zeigt. In dieser Ausführungsform wird das Impulssystem 1.000 durch das Trägerelement 610 der Stimulationsvorrichtung 600 getragen. Das Impulssystem 1.000 kann eine Antenne 1.060 und ein Impulslieferungssystem 1.070, das mit der Antenne 1.060 gekoppelt ist, einschließen. Die Antenne 1.060 empfängt das Impulssignal 1.044 von der externen Steuervorrichtung 1.010 und sendet das Impulssignal 1.044 zum Impulslieferungssystem 1.070, das das Impulssignal 1.044 in elektrische Impulse umwandelt. Demzufolge können die Elektroden 660 mit dem Impulslieferungssystem 1.070 gekoppelt sein. Das Impulslieferungssystem 1.070 kann einen Filter einschließen, um Rauschen von dem Impulssignal 1.044 zu entfernen, und einen Impulsformer, der einen elektrischen Impuls von dem Impulssignal 1.044 erzeugt. Der Impulsformer kann durch die Energie in dem Impulssignal 1.044 angetrieben werden, oder, in einer alternativen Ausführungsform, kann das Impulssystem 1.040 eine integrierte Energiequelle ebenfalls einschließen, um den Impulsformer anzutreiben.
12 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform des Impulssystems 1.200 zur Verwendung in einer Ausführungsform der Stimulationsvorrichtung 600 und eine externe Steuervorrichtung 1.210 zum Steuern des Impulssystems 1.200 entfernt vom Patienten unter Verwendung von RF-Energie zeigt. In dieser Ausführungsform schließt die externe Steuervorrichtung 1.210 eine Energiequelle 1.220, eine Steuervorrichtung 1.222, die mit der Energiequelle 1.220 gekoppelt ist, und einen Impulsgenerator 1.230, der mit der Steuervorrichtung 1.222 gekoppelt ist, ein. Die externe Steuervorrichtung 1.210 kann ebenfalls einen Modulator 1.232, der mit dem Impulsgenerator 1.230 gekoppelt ist, und einen RF-Generator 1.234, der mit dem Modulator 1.230 gekoppelt ist, einschließen. Bei Betrieb überträgt die externe Steuervorrichtung 1.210 Impulse von RF-Energie über eine Antenne 1.242.
Das Impulssystem 1.200 kann innerhalb der Stimulationsvorrichtung 600 (nicht gezeigt) aufgenommen sein. In einer Ausführungsform schließt das Impulssystem 1.200 eine Antenne 1.260 und ein Impulslieferungssystem 1.270 ein. Die Antenne 1.260 integriert eine Diode (nicht gezeigt), die die übertragene RF-Energie von der Antenne 1.042 demoduliert. Das Impulslieferungssystem 1.270 kann einen Filter 1.272 und einen Impulsformer 1.274, der elektrische Impulse bildet, die mit der RF-Energie, die von der Antenne 1.242 übertragen wird, korrespondieren, einschließen. Das Impulssystem 1.200 wird demzufolge durch die RF-Energie in dem Impulssignal aus der externen Steuervorrichtung 1.210 mit Energie versorgt, so daß das Impulssystem 1.200 keine separate Energiequelle, die durch die Stimulationsvorrichtung 600 getragen wird, erfordert.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Impulssystems 1.300 zur Verwendung in einer weiteren Ausführungsform der implantierbaren Stimulationsvorrichtung 600, zusammen mit einer externen Steuervorrichtdung 1.310 zum Fernsteuern des Impulssystems 1.300 extern vom Patienten unter Verwendung magnetischer Energie. In dieser Ausführungsform schließt die externe Steuervorrichtung 1.310 eine Energiequelle 1.320, eine Steuervorrichtung 1.322, die mit der Energiequelle 1.320 gekoppelt ist, und eine Benutzerschnittstelle 1.324, die mit der Steuervorrichtung 1.322 gekoppelt ist, ein. Die externe Steuervorrichtung 1.310 kann ebenfalls einen Impulsgenerator 1.330, der mit der Steuervorrichtung 1.332 gekoppelt ist, einen Impulstransmitter 1.340, der mit dem Impulsgenerator 1.330 gekoppelt ist, und einen magnetischen Koppler 1.350, der mit dem Impulstransmitter 1.340 gekoppelt ist, einschließen. Der magnetische Koppler 1.350 kann ebenfalls einen Ferritkern 1.352 und eine Spule 1.354, die um einen Bereich des Ferritkerns 1.352 gewickelt ist, einschließen. Die Spule 1.354 kann ebenfalls elektrisch mit dem Impulstransmitter 1.340 verbunden sein, so daß elektrische Impulse, die auf die Spule 1.354 beaufschlagt werden, Veränderungen in einem korrespondierenden magnetischen Feld erzeugen. Der magnetische Koppler 1.350 kann ebenfalls eine flexible Kappe 1.356 einschließen, um den magnetischen Koppler 1.350 über der implantierten Stimulationsvorrichtung 600 zu positionieren.
Das Impulssystem 1.300 kann eine Ferritkern 1.360 und eine Spule 1.362, die um einen Bereich des Ferritkerns 1.360 gewickelt ist einschließen. Das Impulssystem 1.310 kann ebenfalls ein Impulslieferungssystem 1.370 einschließend einen Gleichrichter und einen Impulsformer einschließen. Im Betrieb wandeln der Ferritkern 1.360 und die Spule 1.362 die Änderungen im magnetischen Feld, die durch den magnetischen Koppler 1.350 erzeugt werden, in elektrische Impulse um, die zum Impulslieferungssystem 1.370 gesendet werden.
Die Elektroden 660 sind mit dem Impulslieferungssystem 1.370 so gekoppelt, daß elektrische Impulse korrespondierend zu den elektrischen Impulsen, die in dem Impulsgenerator 1.330 in der äußeren Steuervorrichtung 1.310 erzeugt werden, zur Stimulationsstelle im Patienten geliefert werden.
3. Elektrodenkonfigurationen
14-24 veranschaulichen Elektroden, die mit der hier offenbarten Stimulationsvorrichtung verwendet werden können. 14-22 veranschaulichen Ausführungsformen von Elektroden, die konfiguriert sind, um einen elektrischen Strom auf eine Stimulationsstelle wenigstens nahe der Pia-Fläche der Hirnrinde zu beaufschlagen, und 23 und 24 veranschaulichen Ausführungsformen von Elektroden, die konfiguriert sind, um einen elektrischen Strom nahe der Hirnrinde oder unterhalb der Hirnrinde zu beaufschlagen. Es wird erkannt, daß andere Konfigurationen von Elektroden ebenfalls mit anderen implantierbaren Stimulationsvorrichtungen verwendet werden können.
14 ist eine Bodenansicht und 15 eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 1.400. Die Stimulationsvorrichtung 1.400 schließt eine erste Elektrode 1.410 und eine zweite Elektrode 1.420, die die erste Elektrode 1.410 konzentrisch umgibt, ein. Die erste Elektrode 1.410 kann mit den positiven Anschluß eines Impulsgenerators 1.430 gekoppelt werden, und die zweite Elektrode 1.420 kann mit dem negativen Pol des Impulsgenerators 1.430 gekoppelt werden. Unter Bezugnahme auf 15 erzeugen die ersten und zweiten Elektroden 1.410 und 1.420 ein elektrisches Ringfeld 1.440.
16 ist eine Bodenansicht und 17 eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 1.600. Die Stimulationsvorrichtung 1.600 schließt eine erste Elektrode 1.610, eine zweite Elektrode 1.620, die die erste Elektrode 1.610 umgibt, und eine dritte Elektrode 1.630, die die zweite Elektrode 1.620 umgibt, ein. Die erste Elektrode 1.610 kann mit den negativen Polen eines ersten Impulsgenerators 1.640 und einem zweiten Impulsgenerator 1.642 gekoppelt werden; die zweite Elektrode 1.620 kann mit dem positiven Pol des ersten Impulsgenerators 1.640 gekoppelt werden; und die dritte Elektrode 1.630 kann mit dem positiven Pol des zweiten Impulsgenerators 1.642 gekoppelt werden. Bei Betrieb erzeugen die ersten Elektrode 1.610 und die dritte Elektrode 1.630 ein erstes elektrisches Ringfeld 1.650, und die erste Elektrode 1.610 und die zweite Elektrode 1.620 erzeugen ein zweites elektrisches Ringfeld 1.660. Das zweite elektrische Ringfeld 1.660 kann manipuliert werden, um die Tiefe zu variieren, mit welcher das erste elektrische Ringfeld 1.650 sich weg von der Basis der Stimulationsvorrichtung 1.600 erstreckt.
18 ist eine Bodenansicht und 19 eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 1.800. Die Stimulationsvorrichtung 1.800 schließt eine erste Elektrode 1.810 und eine zweite Elektrode 1.820, die von der ersten Elektrode 1.810 beanstandet ist, ein. Die ersten und zweiten Elektroden 1.810 und 1.820 sind lineare Elektroden, die mit gegenüberliegenden Polen eines Impulsgenerators 1.830 gekoppelt sind. Unter Bezugnahme auf 19 können die ersten und zweiten Elektroden 1.810 und 1.820 ein ungefähr lineares elektrisches Feld erzeugen.
20 ist eine Bodenansicht einer Stimulationsvorrichtung 2.000. Die Stimulationsvorrichtung 2.000 schließt eine erste Elektrode 2.010, eine zweite Elektrode 2.020, eine dritte Elektrode 2.030 und eine vierte Elektrode 2.040 ein. Die ersten und zweiten Elektroden 2.010 und 2.020 sind mit einem ersten Impulsgenerator 2.050 gekoppelt, und die dritten und vierten Elektroden 2.030 und 2.040 sind mit einem zweiten Impulsgenerator 2.060 gekoppelt. Insbesondere ist die erste Elektrode 2.010 mit dem positiven Pol gekoppelt, und die zweite Elektrode 2.020 ist mit dem negativen Pol des ersten Impulsgenerators 2.050 gekoppelt und die dritte Elektrode 2.030 ist mit dem positiven Pol und die vierte Elektrode 2.040 mit dem negativen Pol des zweiten Impulsgenerators 2.060 gekoppelt. Für die ersten und zweiten Elektroden 2.010 und 2.020 wird erwartet, ein erstes elektrisches Feld 2070. zu erzeugen, und für die dritten und vierten Elektroden 2.030 und 2.040 wird erwartet, ein zweites elektrisches Feld 2.072 zu erzeugen. Es wird erkannt, daß die Ionen sich verhältnismäßig frei durch das Gehirn bewegen, so daß eine Anzahl von Ionen zwischen den ersten und zweiten elektrischen Feldern 2.070 und 2.072 queren, wie es durch Pfeile 2.074 gezeigt ist. Diese Ausführungsform liefert eine Steuerung von elektrischen Feldgradienten an den Stimulationsstellen.
21 ist eine Bodenansicht einer weiteren Ausführungsform der Stimulationsvorrichtung 2.000. In dieser Ausführungsform ist die erste Elektrode 2.010 mit dem positiven Pol und die zweite Elektrode 2.020 mit dem negativen Pol des ersten Impulsgenerators 2.050 gekoppelt. Im Gegensatz zu der in 20 gezeigten Ausführungsform ist die dritte Elektrode 2.030 mit dem negativen Pol und die vierte Elektrode 2.040 mit dem positiven Pol des zweiten Impulsgenerators 2.070 gekoppelt. Es wird erwartet, daß diese Elektrodenanordnung in einer Vielzahl von elektrischen Feldern zwischen den Elektroden resultieren wird. Dies ermöglicht eine Steuerung der Ausrichtung oder Orientierung des elektrischen Feldes.
22 ist eine Bodenansicht, die schematisch eine Stimulationsvorrichtung 2.200 zeigt. Die Stimulationsvorrichtung 2.200 schließt eine erste Elektrode 2.210, eine zweite Elektrode 2.220, eine dritte Elektrode 2.230 und eine vierte Elektrode 2.240 ein. Die Elektroden sind an einen Impulsgenerator 2.242 durch einen Schaltstromkreis 2.250 gekoppelt. Der Schaltstromkreis 2.250 kann einen ersten Schalter 2.252, der mit der ersten Elektrode 2.210 gekoppelt ist, einen zweiten Schalter 2.254, der mit der zweiten Elektrode 2.220 gekoppelt ist, einen dritten Schalter 2.256, der mit der dritten Elektrode 2.230 gekoppelt ist, und einen vierten Schalter 2.258, der mit der vierten Elektrode 2.240 gekoppelt ist, einschließen. Bei Betrieb können die Schalter 2.252-2.258 geöffnet und geschlossen werden, um verschiedene elektrische Felder zwischen den Elektroden 2.210-2.240 zu begründen. Beispielsweise können der erste Schalter 2.052 und der vierte Schalter 2.258 in Koordination mit einen Impuls aus dem Impulsgenerator 2.242 geschlossen werden, um ein erstes elektrisches Feld 2.260 zu erzeugen, und/oder der zweite Schalter 2.254 und der dritte Schalter 2.256 können in Koordination mit einem weiteren Impuls aus dem Impulsgenerator 2.242 geschlossen werden, um ein zweiten elektrisches Feld 2.270 zu erzeugen. Die ersten und zweiten elektrischen Felder 2.260 und 2.270 können mit dem gleichen Impuls erzeugt werden, um simultane Felder zu erzeugen, oder durch alternierende Impulse, um alternierende oder sich drehende Felder zu erzeugen.
23 ist eine Bodenansicht und 24 eine Seitenansicht einer Stimulationsvorrichtung 2.300. Die Stimulationsvorrichtung 2.300 weist eine erste Elektrode 2.310, eine zweite Elektrode 2.320, eine dritte Elektrode 2.330 und eine vierte Elektrode 2.340 auf. Die Elektroden 2.310-2.340 können in irgendeiner der oben unter Bezugnahme auf 14-22 dargelegten Anordnungen konfiguriert sein. Die Elektroden 2.310-2.340 schließen ebenfalls elektrisch leitfähige Stifte 2.350 und/oder 2.360 ein. Die Stifte 2.350 und 2.360 können konfiguriert sein, um sich unterhalb der Pia-Fläche der Hirnrinde zu erstrecken. Da beispielsweise die Länge des Stifts 2.350 kleiner ist als die Dicke der Hirnrinde 709, wird die Spitze des Stifts 2.350 demzufolge die elektrischen Impulse zu einer Stimulationsstelle innerhalb der Hirnrinde 709 unterhalb der Pia-Fläche leiten. Die Länge des Stifts 2.360 ist größer als die Dicke der Hirnrinde 709, um die elektrischen Impulse zu einem Bereich des Gehirns unterhalb der Hirnrinde 709, wie einem Tiefhirnbereich 710, zu leiten. Die Längen der Stifte werden ausgewählt, um die elektrischen Impulse zu Stimulationsstellen unterhalb der Pia-Mater 708 zu leiten. Die Länge der Stifte 2.350 und 2.360 kann die gleiche sein für Elektroden oder unterschiedlich für individuelle Elektroden. Zusätzlich kann lediglich ein ausgewählter Bereich der Elektroden und der Stifte einen exponierten leitfähigen Bereich aufweisen. Beispielsweise können die Elektroden 2.310-2.340 und ein Bereich der Stifte 2.350 und 2.360 mit einem dielektrischen Material bedeckt sein, so daß lediglich exponiertes leitfähiges Material an den Spitzen der Stifte vorliegt. Es wird ebenfalls erkannt, daß die Konfigurationen der in 14-22 dargelegten Elektroden angepaßt werden kann, um einen elektrischen Strom auf Stimulationsstellen unterhalb der Pia-Mater durch Bereitstellung von Stift-artigen Elektroden in einer ähnlichen Weise zu den Elektroden, die in 23 und 24 gezeigt sind, zu beaufschlagen.
Für mehrere Ausführungsformen in der oben unter Bezugnahme auf 6-24 beschriebenen Stimulationsvorrichtungen wird erwartet, effektiver als vorhandene transcraniale oder subcraniale Stimulationsvorrichtungen zu sein. Zusätzlich zum Positionieren der Elektroden unter dem Schädel fokussieren viele Ausführungsformen der oben beschriebenen Stimulationsvorrichtungen ebenfalls genau die elektrische Energie in gewünschten Mustern relativ zur Pia-Mater 708, der Dura-Mater 706 und/oder der Hirnrinde 709. Es wird erkannt, daß transcraniale Vorrichtungen nicht akkurat die Energie fokussieren müssen, da die Elektroden oder anderen Arten von Energieemittern relativ entfernt von den Stimulationsstellen positioniert sind und der Schädel etwas der Energie verteilt. Ebenfalls ordnen vorhandene subcraniale Vorrichtungen im allgemeinen lediglich die Elektroden nahe eines spezifischen Nervs an, jedoch stellen sie keine Elektrodenkonfigurationen bereit, die ein elektrisches Feld in einem Muster erzeugen, das für die Stimulationsstelle entwickelt worden ist. Mehrere Ausführungsformen der oben unter Bezugnahme auf 6-24 beschriebenen Stimulationsvorrichtungen überwinden diesen Nachteil, da die Elektroden gegenüber den Neutronen an der gewünschten Stimulationsstelle angeordnet werden können. Zusätzlich können die Elektrodenkonfigurationen der Stimulationsvorrichtung konfiguriert werden, um ein gewünschtes elektrisches Feld bereitzustellen, das nicht durch den Schädel 700 verteilt wird. Daher wird für mehrere Ausführungsformen der Stimulationsvorrichtung gemäß der Erfindung erwartet effektiver zu sein, da sie die Energie an der Stimulationsstelle genau fokussieren können.
4. Implantierbare Stimulationsvorrichtungen mit Vorspannungselementen
25-30 veranschaulichen mehrere Ausführungsformen von Stimulationsvorrichtungen mit einem Vorspannungselement. Die in 25-30 gezeigten Stimulationsvorrichtungen können ähnlich zu denjenigen sein, die oben unter Bezugnahme auf 6-24 beschrieben worden sind. Daher können die Ausführungsformen der in 25-30 gezeigten Stimulationsvorrichtungen die gleichen Impulssysteme, Trägerelemente und Elektrodenkonfigurationen aufweisen, die oben unter Bezugnahme auf 6-24 beschrieben worden sind.
25 ist eine isometrische Ansicht und 26 eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 2.500. Die Stimulationsvorrichtung 2.500 schließt ein Trägerelement 2.510, ein Impulssystem 2.530, das durch das Trägerelement 2.510 getragen wird, und erste und zweite Elektroden 2.560, die mit dem Impulssystem 2.530 gekoppelt sind, ein. Das Trägerelement 2.510 kann identisch oder ähnlich zu dem oben unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschriebenen Trägerelement 610 sein. Das Trägerelement 2.510 kann demzufolge ein Gehäuse 2.512, das konfiguriert ist, um im Schädel 700 implantiert zu werden, und ein Anfügungselement 2.514, das konfiguriert ist, um mit dem Schädel 700 durch Befestigungsvorrichtungen 2.518 (2) verbunden zu werden, ein Haftmittel und/oder einen Anker einschließen. Das Impulssystem 2.530 kann identisch oder ähnlich zu irgendeinem der Impulssysteme sein, die oben unter Bezugnahme auf 6-13 beschrieben worden sind, und die ersten und zweiten Elektroden 2.560 können irgendeine der Elektrodenkonfigurationen aufweisen, die oben unter Bezugnahme auf 14-24 beschrieben worden sind. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Stimulationsvorrichtungen schließt jedoch die Stimulationsvorrichtung 2.500 ein Vorspannungselement 2.550, das mit den Elektroden 2.560 gekoppelt ist, um mechanisch die Elektroden 2.560 weg von dem Trägerelement 2.510 zu spannen, ein. In einer alternativen Ausführungsform kann das Vorspannungselement 2.550 zwischen dem Gehäuse 2.512 und dem Anfügungselement 2.514 positioniert sein, und die Elektroden 2.560 können direkt am Gehäuse 2.512 angefügt sein. Wie unten im größeren Detail erklärt, kann das Vorspannungselement 2.550 ein zusammendrückbares Element, eine mit Fluid gefüllte Blase, eine Feder oder irgend ein anderes geeignetes Element sein, das elastisch die Elektroden 2.560 weg von dem Trägerelement 2.510 antreibt.
26 veranschaulicht eine Ausführungsform der Stimulationsvorrichtung 2.500, nachdem sie im Schädel 700 eines Patienten implantiert worden ist. Wenn die Befestigungsvorrichtungen 2.518 an dem Schädel 700 angefügt sind, sollte das Vorspannungselement 2.550 leicht zusammengedrückt werden, so daß die Elektroden 2.560 die Stimulationsstelle berühren. In der in 26 gezeigten Ausführungsform drückt das zusammengedrückte Vorspannungselement 2.550 sanft die Elektroden 2.560 gegen die Oberfläche der Pia-Mater 708. Es wird erwartet, daß das Vorspannungselement 2.550 einen einheitlichen, konsistenten Kontakt zwischen den Elektroden 2.560 und der Pia-Fläche der Hirnrinde 709 bereitstellt. Für die Stimulationsvorrichtung 2.500 wird erwartet, insbesondere geeignet zu sein, wenn die implantierbare Vorrichtung an den Schädel und die Stimulationsstelle an der Pia-Mater 708 oder der Dura-Mater 706 angefügt wird. Es kann schwierig sein, die Kontakte gegenüberliegend der Pia-Mater 708 zu positionieren, da der Abstand zwischen dem Schädel 700, der Dura-Mater 706 und der Pia-Mater 708 innerhalb des Schädels variiert, wenn sich das Gehirn relativ zum Schädel bewegt, und da ebenfalls die Tiefe von einem Patienten zu einem anderen variiert. Die Stimulationsvorrichtung 2.500 mit dem Vorspannungselement 2.550 kompensiert die unterschiedlichen Abstände zwischen dem Schädel 700 und der Pia-Mater 708, so daß eine einzelne Vorrichtungsart inhärent für mehrere unterschiedliche Patienten passen kann. Ferner paßt die Stimulationsvorrichtung 2.500 mit dem Vorspannungselement 2.550 sich Veränderungen an, wenn sich das Gehirn innerhalb des Schädels bewegt. Im Gegensatz zu der Stimulationsvorrichtung 2.500 mit dem Vorspannungselement 2.550 kann sich eine implantierbare Vorrichtung, die kein Vorspannungselement 2.550 aufweist, nicht an einen bestimmten Patienten anpassen oder nicht konsistent einen elektrischen Kontakt mit der Pia-Mater bereitstellen.
27 und 28 sind Querschnittsansichten einer Stimulationsvorrichtung, bei der die Vorspannungselemente zusammendrückbare Elemente sind. 27 veranschaulicht spezifischer eine Stimulationsvorrichtung 2.700 mit einem Vorspannungselement 2.750. Die Stimulationsvorrichtung 2.700 kann ein integriertes Impulssystem 2.530 und Elektroden 2.560, die an dem Impulssystem 2.530 in einer ähnlichen Weise wie die Stimulationsvorrichtung 2.500 gekoppelt sind, aufweisen. Das Vorspannungselement 2.750 in dieser Ausführungsform ist ein zusammendrückbarer Schaum, wie ein biokompatibler, geschlossenzelliger Schaum oder offenzelliger Schaum. Wie am besten in 27 erkannt wird, drückt sich das Vorspannungselement 2.750 zusammen, wenn die Stimulationsvorrichtung 2.700 an dem Schädel angefügt wird. 28 veranschaulicht eine Stimulationsvorrichtung 2.800 mit einem Vorspannungselement 2.850. Das Vorspannungselement 2.850 kann ein zusammendrückbarer Feststoff sein, wie Silikonkautschuk, oder andere geeignete zusammenpreßbare Materialien. Die Elektroden 2.560 werden an dem Vorspannungselement 2.850 angefügt.
29 ist eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 2.900 mit einem Vorspannungselement 2.950. Die Stimulationsvorrichtung 2.900 kann ebenfalls ein Trägerelement 2.910 einschließend einen inneren Durchgang 2.912 und ein Diaphragma 2.914 aufweisen. Das Vorspannungselement 2.950 kann eine flexible Blase 2.952 einschließen, die an dem Trägerelement 2.910 angefügt ist, und die Elektroden 2.560 können an der flexiblen Blase 2.952 angefügt sein. Bei Betrieb wird die flexible Blase 2.952 mit einem Fluid 2.954 gefüllt, bis die Elektroden 2.560 gegen die Stimulationsstelle drücken. In einer Ausführungsform wird die flexible Blase 2.952 durch Einsetzen einer Nadel einer Spritze 2.956 durch das Diaphragma 2.914 und Injizieren des Fluids 2.954 in den inneren Durchgang 2.912 und die flexible Blase gefüllt.
30 ist eine Querschnittsansicht einer Stimulationsvorrichtung 3.000 mit einem Vorspannungselement 3.050. Das Vorspannungselement 3.050 ist eine Feder, und die Elektroden 2.560 sind an der Feder angefügt. Das Vorspannungselement 3.050 kann eine Wellenfeder, eine Blattfeder oder irgendeine andere geeignete Feder sein, die mechanisch die Elektroden 2.560 gegen die Stimulationsstelle vorspannen kann.
Obwohl mehrere Ausführungsformen der in 25-30 gezeigten Vorrichtung ein Vorspannungselement und irgendeines der oben unter Bezugnahme auf 6-13 dargelegten Impulssysteme aufweisen können, ist es nicht notwendig, ein Impulssystem aufzuweisen, daß innerhalb des Trägerelements enthalten ist. Daher können bestimmte Ausführungsformen von implantierbaren Stimulationsvorrichtungen ein Impulssystem und/oder ein Vorspannungselement in irgendeiner Kombination der oben in bezog auf 6-30 dargelegten Ausführungsformen aufweisen.
5. Implantierbare Stimulationsvorrichtungen mit externen Impulssystemen
31-35 sind schematische Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen von implantierbaren Stimulationsvorrichtungen mit externen Impulssystemen. 31 veranschaulicht spezifischer eine Ausführungsform einer Stimulationsvorrichtung 3.100 mit einem Vorspannungselement 3.150, an dem eine Vielzahl von Elektroden 3.160 in einer Weise ähnlich zu der oben unter Bezugnahme auf 25-30 beschriebenen Stimulationsvorrichtung angefügt sind. Es wird erkannt, daß die Stimulationsvorrichtung 3.100 kein Vorspannungselement 3.150 einschließen muß. Die Stimulationsvorrichtung 3.100 kann ebenfalls einen externen Anschluß 3.120 mit einer elektrischen Anschlußdose 3.122 und einer implantierten Anschlußleitung 3.124, die Elektroden 3.160 an Kontakte (nicht gezeigt) in der Anschlußdose 3.122 koppelt, einschließen. Die Anschlußleitung 3.124 kann in einem subkutanen Tunnel oder einem anderen Durchgang in einer Weise, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, implantiert werden.
Die Stimulationsvorrichtung 3.100 kann jedoch ein inneres Impulssystem aufweisen, das durch den Bereich der Vorrichtung getragen wird, der im Schädel 700 des Patienten 500 implantiert ist. Die Stimulationsvorrichtung 3.100 empfängt elektrische Impulse von einem äußeren Impulssystem 3.130. Das externe Impulssystem 3.130 kann einen elektrischen Verbinder 3.132 mit einer Vielzahl von Kontakten 3.134 aufweisen, die konfiguriert sind, um mit den Kontakten innerhalb des Anschlusses 3.120 in Eingriff zu sein. Das externe Impulssystem 3.130 kann ebenfalls eine Energiequelle, eine Steuervorrichtung, einen Impulsgenerator und einen Impulstransmitter aufweisen, um die elektrischen Impulse zu erzeugen. Bei Betrieb sendet das externe Impulssystem 3.130 elektrische Impulse an die Stimulationsvorrichtung 3.100 über den Verbindung 3.132, die Anschlußdose 3.120 und die Anschlußleitung 3.124.
32 und 33 veranschaulichen eine Ausführungsform einer Stimulationsvorrichtung 3.200 zur Verwendung mit einem externen Impulssystem. Unter Bezugnahme auf 33 kann die Stimulationsvorrichtung 3.200 eine Trägerstruktur 3.210 mit einer Anschlußdose 3.212, einer Vielzahl von Kontakten 3.214, die in der Anschlußdose 3.212 angeordnet sind, und ein Diaphragma 3.216, das die Anschlußdose 3.212 abdeckt, einschließen. Die Stimulationsvorrichtung 3.200 kann ebenfalls ein Vorspannungselement 3.250 und eine Vielzahl von Elektroden 3.260, die an dem Vorspannungselement 3.250 angefügt sind, einschließen. Jede Elektrode 3.260 ist direkt mit einem der Kontakte 3.214 innerhalb der Trägerstruktur 3.210 gekoppelt. Es wird erkannt, daß eine alternative Ausführungsform der Stimulationsvorrichtung 3.200 das Vorspannungselement 3.250 nicht einschließt.
Unter Bezugnahme auf 32 und 33 zusammen empfängt die Stimulationsvorrichtung 3.200 die elektrischen Impulse von einem externen Impulssystem 3.230, das eine Energiequelle, eine Steuervorrichtdung, einen Impulsgenerator und einen Impulstransmitter aufweist. Das externe Impulssystem 3.230 kann ebenfalls einen Stecker 3.232 mit einer Nadel 3.233 (33) und einer Vielzahl von Kontakten 3 (33), die auf der Nadel 3.233 angeordnet sind, um die inneren Kontakte 3.214 in der Anschlußdose 3.212 zu kontaktieren, einschließen. Bei Betrieb wird die Nadel 3.233 in die Anschlußdose 3.212 eingesteckt, um die Kontakte 3.234 mit den Kontakten 3.214 in Eingriff zu bringen, und dann wird das Impulssystem 3.230 aktiviert, um elektrische Impulse an die Elektroden 3.260 zu übertragen.
34 und 35 veranschaulichen weitere Ausführungsformen einer Stimulationsvorrichtung zur Verwendung mit externen Impulssystemen. 34 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Stimulationsvorrichtung 3.400 mit Elektroden 3.410, die an einer Anschlußleitung 3.420 gekoppelt sind, die sich unter der Kopfhaut 702 des Patienten 500 erstreckt. Die Anschlußleitung 3.420 ist an ein externes Impulssystem 3.450 gekoppelt. 35 veranschaulicht eine Ausüihrungsform einer Stimulationsvorrichtung 3.500 mit einem Trägerelement 3.510, Elektroden 3.512, die an das Trägerelement 3.510 gekoppelt sind, und einem externen Anschluß 3.520, der auf der Kopfhaut 702 montiert ist. Der äußere Anschluß 3.520 kann ebenfalls mit dem Trägerelement 3.510 verbunden sein. Der externe Anschluß 3.520 kann eine Anschlußdose 3.522 mit Kontakten (nicht gezeigt) aufweisen, die elektrisch mit den Elektroden 3.512 gekoppelt sind. Die Stimulationsvorrichtung 3.500 kann mit dem oben unter Bezugnahme auf 31 beschriebenen externen Impulssystem 3.130 durch Insertieren des Steckers 3.132 in die Anschlußdose 3.522, bis die Kontakte 3.134 auf dem Stecker 3.132 mit den Kontakten innerhalb der Anschlußdose 3.522 in Eingriff sind, verwendet werden.
6. Alternative Ausführungsformen von implantierbaren Stimulationsvorrichtungen
36 ist eine schematische Querschnittsansicht einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung 3.600 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einer Ausführungsform weist die Stimulationsvorrichtung 3.600 eine Trägerstruktur 3.610 und eine Vielzahl von Elektroden 3.620, die mit der Trägerstruktur 3.610 gekoppelt sind, auf. Die Trägerstruktur 3.610 kann konfiguriert sein, um unter dem Schädel 700 zwischen einer inneren Fläche 701 des Schädels 700 und der Pia-Fläche des Gehirns implantiert zu werden. Die Trägerstruktur 3.610 kann ein flexibler oder zusammendrückbarer Körper sein, so daß die Elektroden 3.620 die Pia-Mater 708 berühren, wenn die Stimulationsvorrichtung 3.600 unter dem Schädel 700 implantiert wird. In anderen Ausführungsformen kann die Trägerstruktur 3.610 die Elektroden 3.620 so positionieren, daß sie benachbart sind zur Pia-Mater 708, die sie jedoch nicht berühren.
In einer Ausführungsform kann die Stimulationsvorrichtung 3.600 elektrische Impulse von einer externen Steuervorrichtung 3.630 empfangen. Beispielsweise kann die externe Steuervorrichtung 3.630 elektrisch mit der Stimulationsvorrichtung 3.600 über eine Anschlußleitung 3.632, die durch ein Loch 711 in den Schädel 700 gelangt, elektrisch gekoppelt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Stimulationsvorrichtung 3.600 ein integriertes Impulssystem einschließen, das ähnlich ist zu den oben unter Bezugnahme auf 6-13 beschriebenen Impulssystemen. Eine solche Ausführungsform der Stimulationsvorrichtung 3.600 kann demzufolge eine drahtlose äußere Steuereinheit verwenden. Es wird erkannt, daß die Elektroden 3.620 der Stimulationsvorrichtung 3.600 mehrere der oben unter Bezugnahme auf 14-24 beschriebenen Elektrodenkonfigurationen aufweisen können.
37 und 38 veranschaulichen eine Ausführungsform der implantierbaren Stimulationsvorrichtung 3.600. Unter Bezugnahme auf 37 kann die Trägerstruktur 3.610 ein flexibles Substrat sein, und die Elektroden 3.620 können leitfähige Elemente sein, die auf dem flexiblen Substrat gedruckt sind. Die Stimulationsvorrichtung 3.600 kann beispielsweise in einer Weise hergestellt werden, die ähnlich ist zu flexiblen Druckschaltkreisanordnungen, die in elektrischen Komponenten verwendet werden. Die Stimulationsvorrichtung 3.600 kann unter dem Schädel 700 unter Verwendung eines Insertionswerkzeugs 3.700 implantiert werden. In einer Ausführungsform weist das Insertionswerkzeug 3.700 einen Griff 3.702 und einen Schaft 3.704 auf, der von dem Griff 3.702 hervorsteht. Der Schaft 3.704 kann einen Schlitz 3.706 aufweisen, der konfiguriert ist, um einen flachen Bereich des Trägerelements 3.610 aufzunehmen. Unter Bezugnahme auf 38 wird das Trägerelement 3.610 um den Schaft 3.704 gewickelt, und dann wird die Stimulationsvorrichtung 3.600 zu einer Röhre 3.720 geführt, die in dem Loch 711 durch den Schädel 700 und die Dura-Mater 706 positioniert ist. Nachdem die Stimulationsvorrichtung 3.600 durch die Röhre 3.720 geführt worden ist, wird sie abgewickelt, um die Elektroden 3.620 wenigstens nahe der Pia-Mater 708 anzuordnen. Die Elektroden 3.620 können mit einer externen Steuervorrichtung durch die Anschlußleitungen 3.632 gekoppelt werden.
39 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer implantierbaren Stimulationsvorrichtung 3.900, die ebenfalls konfiguriert ist, um zwischen dem Schädel 700 und der Pia-Mater 708 positioniert zu werden. In einer Ausführungsform kann die Stimulationsvorrichtung 3.900 ein Trägerelement 3.910 und eine Vielzahl von Elektroden 3.920, die mit dem Trägerelement 3.910 gekoppelt sind, einschließen. Die Elektroden 3.920 können mit einzelnen Anschlußleitungen 3.922 gekoppelt sein, um die Elektroden 3.920 an ein externes Impulssystem anzubinden. In einer alternativen Ausführungsform kann ein integriertes Impulssystem 3.930 durch das Trägerelement 3.910 getragen werden, so daß die Elektroden 3.920 direkt mit dem integrierten Impulssystem 3.930 ohne äußere Anschlußleitungen 3.922 gekoppelt wird. Das Trägerelement 3.910 kann ein elastisches zusammendrückbares Element, eine aufblasbare, ballonartige Vorrichtung oder ein im wesentlichen fester nicht zusammendrückbarer Körper sein. In der in 39 gezeigten bestimmten Ausführungsform ist das Trägerelement 3.910 eine aufblasbare, ballonartige Vorrichtung, die die Elektroden 3.920 trägt. Bei Betrieb wird die Stimulationsvorrichtung 3.900 durch Passieren des distalen Endes des Trägerelements 3.910 durch das Loch 711 im Schädel 700 implantiert, bis die Elektroden 3.920 an der gewünschten Stimulationsstelle positioniert sind.
40 ist eine schematische Veranschaulichung einer Stimulationsvorrichtung 4.000 zusammen mit einem internen Impulssystem 4.030 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Stimulationsvorrichtung 4.000 kann ein Trägerelement 4.010, ein Vorspannungselement 4.015, das durch das Trägerelement 4.010 getragen wird, und eine Vielzahl von Elektroden 4.020, die durch das Vorspannungselement 4.015 getragen werden, einschließen. Das interne Impulssystem 4.030 kann ähnlich sein zu irgendeinem der oben unter Bezugnahme auf 6-13 beschriebenen integrierten Impulssysteme, jedoch ist das interne Impulssystem 4.030 kein integriertes Impulssystem, da es nicht durch das Gehäuse 4.010 getragen wird. Das interne Impulssystem 4.030 kann mit den Elektroden 4.020 durch ein Kabel 4.034 gekoppelt werden. In einer typischen Anwendung wird das Kabel 4.034 subkutan in einem Tunnel von einem subclavikulären Bereich, entlang der Rückseite des Halses, und um den Schädel implantiert. Die Stimulationsvorrichtung 4.000 kann ebenfalls irgendeine der oben unter Bezugnahme auf 14-24 beschriebenen Elektrodenkonfigurationen einschließen.
Aus dem vorangehenden wird erkannt, daß spezifische Ausführungsformen der Erfindung hierin zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden sind, daß jedoch verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist die Erfindung nicht begrenzt, außer durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

Vorrichtung zum Herbeiführen einer neuralen Funktion eines Patienten, die mit einer ersten Stelle des Gehirns des Patienten verbunden ist, welche umfaßt: ein diagnostisches System, das eine Stimulationsstelle an der Hirnrinde des Patienten durch Bestimmen eines Bereichs des Gehirns identifizieren kann, wo eine beabsichtigte neurale Aktivität in Ansprechung auf eine Erzeugung der beabsichtigten neuralen Aktivität entfernt von der ersten Stelle des Gehirns vorliegt; und ein Stimulationssystem, welches ein flexibles oder kompressierbares Trägerelement, eine Elektrode auf dem Trägerelement, die konfiguriert ist, um an der Stimulationsstelle zwischen dem Schädel und der Piafläche des Gehirns implantiert zu werden, und einen Impulsgenerator, um ein elektrisches Potential für die Elektrode bereitzustellen, einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement implantierbar ist und konfiguriert ist, um in dem Patienten zumindest teilweise innerhalb des Schädels des Patienten implantiert zu werden; wobei das Stimulationssystem umfaßt: ein Impulssystem, das durch das Trägerelement getragen wird; eine erste Elektrode, die durch das Trägerelement getragen wird, wobei die erste Elektrode mit dem Impulssystem gekoppelt ist; und eine zweite Elektrode, die durch das Trägerelement getragen wird, wobei die zweite Elektrode beabstandet von der ersten Elektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode mit dem Impulssystem gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement implantierbar ist und konfiguriert ist, um in dem Patienten nahe des Schädels des Patienten implantiert zu werden, wobei das Trägerelement ein Anfügungselement einschließt, um das Trägerelement am Schädel zu befestigen; und wobei das Stimulationssystem umfaßt: ein Impulssystem, das durch das Trägerelement getragen wird; eine erste Elektrode an einem ersten Bereich des Trägerelements, wobei die erste Elektrode mit dem Impulssystem gekoppelt ist; und eine zweite Elektrode an einem zweiten Bereich des Trägerelements beabstandet von der ersten Elektrode, wobei die zweite Elektrode mit dem Impulssystem gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement implantierbar ist und konfiguriert ist, um im Patienten nahe des Schädels des Patienten implantiert zu werden; und wobei das Stimulationssystem umfaßt: ein Impulssystem, das durch das Trägerelement getragen wird; eine erste Elektrode an einem ersten Bereich des Trägerelements, wobei die erste Elektrode direkt mit dem Impulssystem innerhalb der Trägerelemente gekoppelt ist; und eine zweite Elektrode an einem zweiten Bereich des Trägerelements beabstandet von der ersten Elektrode, wobei die zweite Elektrode direkt mit dem Impulssystem innerhalb des Trägerelements gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement implantierbar ist und konfiguriert ist, um im Patienten nahe des Schädels des Patienten implantiert zu werden; und wobei das Stimulationssystem umfaßt: ein mechanisches Spannungselement, das durch das Trägerelement getragen wird, wobei das mechanische Spannungselement elastisch deformierbar ist; und eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei das Spannungselement konfiguriert ist, um die ersten und zweiten Elektroden gegen das Gehirn des Patienten zu drücken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement implantierbar ist und konfiguriert ist, um im Patienten nahe des Schädels des Patienten implantiert zu werden; und wobei das Stimulationssystem umfaßt: ein Impulssystem innerhalb des Trägerelements; ein Spannungselement, das durch das Trägerelement getragen wird; und eine Elektrode, die an dem Spannungselement angefügt ist und elektrisch mit dem Impulssystem gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Stimulationssystem eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfaßt, wobei das Stimulationssystem konfiguriert ist, um im Patienten nahe der Pia mater im kortikalen Bereich implantiert zu werden, so daß die erste Elektrode bei einem ersten Bereich der Stimulationsstelle und die zweite Elektrode an einem zweiten Bereich der Stimulationsstelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das diagnostische System einen elektrischen Stimulationsschwellenwert zum Induzieren einer Ansprechung in Zellen an einer Stimulationsstelle im kortikalen Bereich des Gehirns des Patienten bestimmt; und das Stimulationssystem eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Steuervorrichtung einschließt, die mit den ersten und zweiten Elektroden gekoppelt ist, wobei die ersten und zweiten Elektroden konfiguriert sind, um nahe der Pia mater des Gehirns des Patienten implantiert zu werden, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um eine elektrische Stimulation zwischen den ersten und zweiten Elektroden mit einer Intensität zu beaufschlagen, die geringer ist als der Stimulationsschwellenwert.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei das Trägerelement ein Anfügungselement und ein Gehäuse, das durch das Anfügungselement getragen wird, umfaßt, wobei das Anfügungselement an den Schädel anfügbar ist und das Gehäuse die ersten und zweiten Elektroden trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Anfügungselement ein Gewebe umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Anfügungselement eine Platte umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei das Trägerelement ein Anfügungselement und ein Gehäuse umfaßt, wobei das Anfügungselement ein Gewebe ist und das Gehäuse eine proximale Seite, die an dem Anfügungselement angefügt ist, eine distale Seite, an der die ersten und zweiten Elektroden angefügt sind, und einen Hohlraum, in dem das Impulssystem aufgenommen ist, aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei das Trägerelement ein Anfügungselement zum Anfügen an den Schädel und ein Gehäuse umfaßt, das konfiguriert ist, um in einem Loch im Schädel implantiert zu werden, wobei das Gehäuse eine proximale Seite angefügt an dem Anfügungselement, eine distale Seite, an der die ersten und zweiten Elektroden angefügt sind, und einen Hohlraum, in dem das Impulssystem aufgenommen ist, umfaßt, und wobei das Gehäuse eine Tiefe von etwa 1-2 cm aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei das Trägerelement ein kompressierbares Element umfaßt, das konfiguriert ist, um zwischen dem Schädel und der Dura mater oder der Pia-Oberfläche des Gehirns positioniert zu werden.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei: das Trägerelement ein Gehäuse umfaßt, das konfiguriert ist, um wenigstens teilweise innerhalb des Schädels implantiert zu werden, das Gehäuse einen Hohlraum aufweist; und das Impulssystem eine Energieversorgung und einen Impulsgenerator innerhalb des Hohlraums des Gehäuses umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei: das Trägerelement ein Gehäuse umfaßt, das konfiguriert ist, um wenigstens teilweise innerhalb des Schädels implantiert zu werden, das Gehäuse einen Hohlraum aufweist; und das Impulssystem einen Impulsgenerator innerhalb des Hohlraums des Gehäuses umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei: das Trägerelement ein Gehäuse umfaßt, das konfiguriert ist, um wenigstens teilweise innerhalb des Schädels implantiert zu werden, und wobei das Gehäuse einen Hohlraum aufweist; und das Impulssystem ein Impulsversorgungssystem innerhalb des Hohlraums des Gehäuses umfaßt, wobei das Impulsversorgungssystem einen Aufnehmer zum Aufnehmen eines Impulses von Radiowellenenergie erzeugt durch einen äußeren Impulsgenerator und einen Impulsformer zum Umwandeln der Radiowellenenergie in einen elektrischen Impuls innerhalb des Trägerelements aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei: das Trägerelement ein Gehäuse umfaßt, das konfiguriert ist, um wenigstens teilweise innerhalb des Schädels implantiert zu werden, und wobei das Gehäuse einen Hohlraum aufweist: das Impulssystem ein Impulsversorgungssystem innerhalb des Hohlraums des Gehäuses umfaßt, das Impulsversorgungssystem eine magnetische Aufnahmespule zur Aufnahme eines Impulses magnetischer Energie erzeugt durch einen äußeren Impulsgenerator aufweist; und die ersten und zweiten Elektroden elektrisch mit dem Impulssystem innerhalb des Gehäuses gekoppelt sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei: das Trägerelement ein Gehäuse umfaßt, das konfiguriert ist, um wenigstens teilweise innerhalb des Schädels implantiert zu werden, und wobei das Gehäuse einen Hohlraum aufweist; das Impulssystem ein Impulsversorgungssystem innerhalb des Hohlraums des Gehäuses umfaßt, das Impulsversorgungssystem eine Antenne aufweist, die RF-Energie aufnehmen kann, und einen Impulsformer, der mit der Antenne gekoppelt ist; und die ersten und zweiten Elektroden elektrisch mit dem Impulssystem innerhalb des Gehäuses gekoppelt sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei die ersten und zweiten Elektroden leitfähige Elemente an einer distalen Fläche des Trägerelements zum Positionieren gegenüber der Pia-Oberfläche des Gehirns oder wenigstens nahe der Pia-Oberfläche sind, und wobei die erste Elektrode eine im allgemeinen kreisförmige Form und die zweite Elektrode eine im allgemeinen kreisförmige Form, die die erste Elektrode umgibt, aufweisen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei die ersten und zweiten Elektroden leitfähige Elemente an einer distalen Fläche des Trägerelements zum Positionieren gegenüber der Pia-Oberfläche des Gehirns oder wenigstens nahe der Pia-Oberfläche sind, und wobei die erste Elektrode durch ein erstes leitfähiges Polster an einem ersten Bereich der distalen Fläche definiert ist, und die zweite Elektrode durch ein zweites leitfähiges Polster an einem zweiten Bereich der distalen Fläche definiert ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, weiter umfassend eine dritte Elektrode und eine vierte Elektrode, die mit dem Impulssystem gekoppelt sind, und wobei die ersten, zweiten, dritten und vierten Elektroden leitfähige Elemente an einer distalen Fläche des Trägerelements zum Positionieren gegenüber der Pia-Oberfläche des Gehirns oder wenigstens nahe der Pia-Oberfläche sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, weiter umfassend einen Schaltkreis mit einer Vielzahl von Schaltern, die zwischen den Elektroden und dem Impulssystem gekoppelt sind, um selektiv elektrische Felder zwischen den ersten, zweiten, dritten und vierten Elektroden zu erzeugen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei die ersten und zweiten Elektroden implantierbare Stifte umfassen, die von einer distalen Fläche des Trägerelements zum Durchdringen in einen kortikalen Bereich oder einen Tiefhirnbereich des Gehirns hervorstehen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, weiter umfassend ein mechanisches Spannungselement, das durch das Trägerelement getragen wird und mit den ersten und zweiten Elektroden gekoppelt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5, 6 und 25, wobei das Spannungselement einen kompressierbaren Schaum umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5, 6 und 25, wobei das Spannungselement eine Feder umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5, 6 und 25, wobei das Spannungselement eine aufblasbare Blase umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei das Trägerelement ein Gehäuse mit einer inneren Fläche umfaßt und die ersten und zweiten Elektroden durch das Gehäuse getragen werden, um an der inneren Oberfläche exponiert zu werden, und wobei die innere Fläche eine maximale Abmessung von nicht größer als 4 cm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei das Gehäuse eine innere Fläche aufweist und die ersten und zweiten Elektroden durch das Gehäuse getragen werden, um an der inneren Fläche exponiert zu werden, und wobei die innere Fläche eine maximale Abmessung von nicht größer als etwa 1-2 cm aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, wobei das Trägerelement ein Gehäuse mit einer äußeren Fläche umfaßt, die konfiguriert ist, um von dem Schädel wegzuzeigen, und einer inneren Fläche, die konfiguriert ist, um in Richtung auf das Gehirn zu zeigen, und wobei die innere Fläche eine maximale Abmessung von nicht größer als cm aufweist und eine Tiefe des Gehäuses zwischen der äußeren Fläche und der inneren Fläche etwa 1-2 cm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter umfassend ein Impulssystem, das durch das Trägerelement getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Trägerelement, das Impulssystem, das Spannungselement und die Elektrode ein Gesamtgewicht von nicht größer als 35 g aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Trägerelement und das Impulssystem ein Volumen von nicht größer als 20 Kubikzentimeter besetzen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, wobei das diagnostische System eine Bildgebungsvorrichtung umfaßt, die neurale Aktivität bestimmen kann.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, wobei das diagnostische System eine funktionelle MRI-Vorrichtung umfaßt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, wobei das Stimulationssystem eine integrierte Einheit umfaßt, in der der Impulsgenerator direkt mit der Elektrode gekoppelt ist, und wobei die integrierte Einheit konfiguriert ist, um benachbart und/oder innerhalb des Schädels des Patienten implantiert zu werden.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, wobei das Stimulationssystem ein flexibles Substrat, eine erste Elektrode auf einem Bereich des Substrats und eine zweite Elektrode auf einem weiteren Bereich des Substrats aufweist; und wobei das flexible Substrat sich zwischen einer Insertionskonfiguration, um die Elektrode durch ein kleines Loch in den Schädel zu insertieren, und einer eingesetzten Konfiguration, die größer als die Insertionskonfiguration ist, bewegt, um die ersten und zweiten Elektroden wenigstens nahe der Hirnrinde des Patienten zu positionieren.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, wobei: das diagnostische System einen Sensor umfaßt, der einen Schwellenwert zum Erzeugen elektrophysiologischer Signale, die mit der neuralen Funktion in Verbindung stehen, messen kann; und der Impulsgenerator konfiguriert ist, um ein elektrisches Potential an der Elektrode zu beaufschlagen, das kleiner ist als der Schwellenwert, der durch den Sensor bestimmt wird.