DE69837481T2 - Vorrichtung zur einstellung des stimulationsortes von elektrisch erregbarem gewebe - Google Patents

Vorrichtung zur einstellung des stimulationsortes von elektrisch erregbarem gewebe Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Mittel zum Stimulieren von elektrisch erregbarem bzw. anregbarem Gewebe und bezieht sich insbesondere auf Mittel zur Einstellung des Orts, in dem in derartigem Gewebe Aktionspotentiale induziert werden.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Zwei entscheidende praktische Probleme vermindern die Wirksamkeit einer epiduralen Rückenmarkstimulation (SCS) zur Beherrschung von Schmerz. Das eine ist die Schwierigkeit, die stimulations-induzierte Parästhesie auf den gewünschten Körperteil zu richten, und das andere besteht in dem Problem unangenehmer Empfindungen oder motorischer Reaktionen auf die Stimulation, wodurch der Bereich angenehmer Amplituden der Stimulation verringert wird. Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass bei der SCS für chronischen Schmerz die Parästhesie die gesamte Schmerzregion abdecken sollte. Mit den derzeitigen Verfahren und Geräten für die Stimulation ist nur der sehr kundige und erfahrene Praktiker in der Lage, eine Stimulationsleitung auf eine solche Weise zu positionieren, dass die gewünschte Überschneidung erreicht wird und im Zeitablauf erwünschte Ergebnisse bei minimalen Nebenwirkungen erzielt werden. Es erfordert viel Zeit und intensive Bemühungen, die Stimulation während eines chirurgischen Eingriffs auf die gewünschte Körperregion zu konzentrieren, und bei Ansätzen mit einem einzelnen Kanal ist es schwierig, sie danach umzuleiten, auch wenn durch Auswahl einer unterschiedlichen Kontaktkombination, Pulsrate, Pulsbreite oder Spannung einige Neueinstellungen vorgenommen werden können.
  • Ein Umleiten der Parästhesie nach einem chirurgischen Eingriff ist sehr wünschenswert. Auch wenn die Parästhesie die Schmerzregion während eines chirurgischen Eingriffs vollständig abdeckt, verändert sich das erforderliche Parästhesiemuster später häufig auf Grund einer Leitungsmigration oder von histologischen Veränderungen (wie etwa des Wachstums von Bindegewebe um die Stimulationselektrode) oder des Fortschreitens einer Krankheit. Das Problem der Leitungsplatzierung wird vom US-Patent Nr. 5.121.754 unter Verwendung einer Leitung mit einer deformierbaren distalen Form behandelt. Diese Probleme sind nicht nur bei der SCS anzutreffen, sondern auch bei der Periphernerven-Stimulation (PNS), der Tiefenhirnstimulation (DBS), der Hirnrindenstimulation und auch der Muskel- oder Herzstimulation.
  • Ein System, das eine gewisse Einstellung der Rückenmarkerregung zulässt, ist in der internationalen PCT-Veröffentlichung Nr. WO 95/19804 beschrieben (Gegenstück zum US-Patent Nr. 5 501 703 von Holsheimer u. a.). Jedoch erfordert dieses System drei optimal beabstandete Elektroden, was während des zum Platzieren dieser Elektroden im Körper notwendigen chirurgischen Eingriffs eine starke Behinderung darstellt. Dieses System steuert den Ort der Erregung, indem es die Potentiale zwischen den Elektroden variiert, die auf einer Linie optimal beabstandet sind.
  • Die Elektroden bei diesem System nach dem Stand der Technik werden tatsächlich als "In-line"-Elektroden bezeichnet, die entlang einer Linie "symmetrisch" angeordnet sind. Das elektrische Feldmuster über dieser Linie wird durch Variieren des elektrischen Felds eingestellt, das zwischen diesen Elektroden entlang dieser Linie erzeugt wird. Der Ort der Erregung wird entsprechend mit dieser Variation im elektrischen Feldmuster variiert.
  • Daher wird, da das US-Patent Nr. 5 501 703 von Holsheimer u. a. mehrere Elektroden erfordert, die auf einer Linie optimal symmetrisch beabstandet sind, zum Anbringen der mehreren Elektroden an den optimal beabstandeten Positionen eine Leitung wie etwa ein Blatt verwendet. Diese Leitung wird dann in einen Patienten in der Nähe des Gewebes eingeführt, das mit der auf die Leitung aufgebrachten elektrischen Erregung erregt werden soll. Bedauerlicherweise kann die Platzierung einer Leitung wie etwa des Blatts in einem Patienten schwierig sein, da es schwierig sein kann, das Blatt bei der Operation nahe am Rückenmark zu handhaben.
  • Daher ist es wünschenswert, den Ort der Erregung in elektrisch erregbarem Gewebe ohne Verwendung optimal beabstandeter Elektroden einstellen zu können.
  • Die Druckschriften EP-A-0557562, WO 94/17855 und US 5 370 665 lehren sämtlich Nerven- und Gewebestimulatoren, die mehrere Elektroden zum Aufbringen elektrischer Pulse aufweisen.
  • Aufgaben der Erfindung
  • Dementsprechend ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Einstellung des Orts der Erregung in elektrisch erregbarem Gewebe zu schaffen, wobei Elektroden verwendet werden, die nicht auf einer Linie optimal beabstandet sein müssen.
  • Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gebiete einer Sub-Schwellwert-Erregung einzustellen, um ein Gebiet der Überlagerung derartiger Gebiete einer Sub-Schwellwert-Erregung einzustellen. Das Gebiet der Überlagerung bestimmt den Ort der Erregung von elektrisch erregbarem Gewebe.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Induzierung bzw. Aufnehmen von Aktionspotentialen an einem einstellbaren Ort eines elektrisch erregbaren bzw. anregbaren Gewebes eines Organismus, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel zum Erzeugen eines ersten Pulses einschließlich Mitteln zur Einstellung einer ersten Amplitude und zur Einstellung einer ersten Pulsbreite des ersten Pulses; Mittel zum Erzeugen eines zweiten Pulses einschließlich Mitteln zur Einstellung einer zweiten Amplitude und zur Einstellung einer zweiten Pulsbreite des zweiten Pulses; eine Return- bzw. Rückkehrelektrode, die mit dem Organismus gekoppelt ist; eine erste Elektrode, die mit den Mitteln zum Erzeugen des ersten Pulses gekoppelt ist und eingerichtet ist, um benachbart bzw. angrenzend zu dem Gewebe implantiert zu werden, wobei die erste Elektrode mittels des ersten Pulses bezüglich der Return-Elektrode angetrieben wird, wobei die Mittel zum Erzeugen des ersten Pulses die erste Amplitude und die erste Pulsbreite zur Bestimmung einer entsprechenden Einstellung eines ersten Sub-Schwellwert-Potentialgebiets einstellen, das in dem Gewebe von der Anwendung bzw. Aufbringung des ersten Pulses auf die erste Elektrode bezüglich der Return-Elektrode erzeugt wird; und einer zweiten Elektrode, die mit den Mitteln zum Erzeugen des zweiten Pulses gekoppelt ist und eingerichtet ist, um benachbart zu dem Gewebe implantiert zu werden, wobei die zweite Elektrode durch den zweiten Puls bezüglich der Return-Elektrode angetrieben wird, wobei die Mittel zum Erzeugen des zweiten Pulses die zweite Amplitude und die zweite Pulsbreite zur Bestimmung einer entsprechenden Einstellung eines zweiten Sub-Schwellwert-Potentialgebiets in dem Gewebe von der Anwendung des zweiten Pulses auf die zweite Elektrode bezüglich der Return-Elektrode einstellen, wobei eine Superposition bzw. Überlagerung des ersten Sub-Schwellwert-Gebiets und des zweiten Sub-Schwellwert-Gebiets in einem Supra-Schwellwert-Potentialgebiet des einstellbaren Orts resultiert, wo die Aktionspotentiale induziert werden, und wobei die Return-Elektrode in einer unterschiedlichen Ebene oder entfernt von den ersten und zweiten Elektroden angeordnet bzw. plaziert wird.
  • Die Anwendung des ersten Pulses erzeugt ein erstes Sub-Schwellwert-Potentialgebiet im Gewebe, und die Aufbringung des zweiten Pulses erzeugt ein zweites Sub-Schwellwert-Potentialgebiet. Das erste Sub-Schwellwert-Gebiet wird durch die erste Amplitude und die erste Pulsbreite des ersten Pulses bestimmt, und das zweite Sub-Schwellwert-Gebiet wird durch die zweite Amplitude und die zweite Pulsbreite des zweiten Pulses bestimmt. Eine Überlagerung des ersten und des zweiten Sub-Schwellwert-Gebiets führt zu einem Supra-Schwellwert-Potentialgebiet des einstellbaren Orts, in dem die Aktionspotentiale induziert werden.
  • Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mit einem bestimmten Vorteil angewendet werden, wenn der Ort eingestellt wird, in dem die Aktionspotentiale induziert werden. Die erste Amplitude oder die erste Pulsbreite des ersten Pulses kann für eine entsprechende Einstellung des ersten Sub-Schwellwert-Gebiets und damit des Supra- Schwellwert-Potentialgebiets eingestellt werden. Ähnlich kann die zweite Amplitude oder die zweite Pulsbreite des zweiten Pulses für eine entsprechende Einstellung des zweiten Sub-Schwellwert-Gebiets und damit des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets eingestellt werden. Dadurch können die Größe und die Positionierung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets gesteuert werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Zeitverzögerung zwischen der Aufbringung des ersten und des zweiten Pulses für eine entsprechende Einstellung von Größe und Positionierung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets variiert werden. Die Zeitverzögerung zwischen der Aufbringung des ersten und des zweiten Pulses kann von der Endzeit des ersten Pulses bis zur Startzeit des zweiten Pulses gemessen werden. Zusätzlich kann diese Verzögerung als eine Differenz zwischen einer ersten gewichteten Durchschnittszeit des ersten Pulses und einer zweiten gewichteten Durchschnittszeit des zweiten Pulses oder zwischen einer ersten Spitzenzeit des ersten Pulses und einer zweiten Spitzenzeit des zweiten Pulses gemessen werden.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die nachfolgende ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung betrachtet wird, die mit der beigefügten Zeichnung geboten wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Diese und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlich beim Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Teile bezeichnen und in der:
  • 1 eine graphische Darstellung eines Patienten zeigt, in den eine bevorzugte Form der in Übereinstimmung mit der Erfindung angefertigten Vorrichtung zur SCS implantiert wurde;
  • 2 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wirbelsäule und eine typische Position zeigt, an der Elektroden, die in Übereinstimmung mit der bevorzugten Durchführung der Erfindung gefertigt wurden, im Epiduralraum implantiert wurden;
  • 3 eine der 2 ähnliche Querschnittsansicht und den Ort von Potentialänderungen zeigt, die in Zellen des Rückenmarks durch einen Puls induziert werden, der auf eine erste von zwei Elektroden aufgebracht wird;
  • 4 eine der 3 ähnliche Ansicht des Orts von Potentialänderungen und den Ort von Potentialänderungen zeigt, die in Zellen des Rückenmarks durch die Aufbringung eines Pulses auf die zweite der Elektroden induziert werden;
  • 5 eine der 4 ähnliche Ansicht und die kombinierten Orte im Rückenmark zeigt, an denen Potentialänderungen durch Pulse induziert werden, die auf die erste und die zweite Elektrode aufgebracht werden;
  • 6 eine der 5 ähnliche Ansicht und die Änderung der Orte infolge einer Zunahme in der Amplitude des auf die erste Elektrode aufgebrachten Pulses und einer Abnahme in der Amplitude des auf die zweite Elektrode aufgebrachten Pulses zeigt;
  • 7 eine der 6 ähnliche Ansicht und die Änderung der Orte infolge einer Zunahme in der Amplitude des auf die zweite Elektrode aufgebrachten Pulses und einer Abnahme in der Amplitude des auf die erste Elektrode aufgebrachten Pulses zeigt;
  • 8 einen Zeitablaufplan zeigt, der Pulse, die auf die in 2 veranschaulichte erste und zweite Elektrode aufgebracht werden, in ihrer Beziehung zu den Potentialänderungen zeigt, die in Gewebe induziert werden, das den Elektroden benachbart ist;
  • 9 und 10 Zeitablaufpläne zeigen, die alternative Formen von Pulsen veranschaulichen, die auf die in 2 veranschaulichten Elektroden aufgebracht werden; und
  • 11 einen Zeitablaufplan zeigt, der eine bevorzugte Form von Pulsen veranschau licht, die auf die in 2 gezeigten Elektroden aufgebracht werden.
  • 12 das Supra-Schwellwert-Potentialgebiet zeigt, das durch Aufbringung von zwei Pulsen auf zwei Elektroden erzeugt wird, wobei die zwei Pulse eine erste Zeitverzögerung zwischen dem Ende des ersten Pulses und dem Start des zweiten Pulses aufweisen.
  • 13 das Supra-Schwellwert-Potentialgebiet zeigt, das durch Aufbringung von zwei Pulsen auf zwei Elektroden erzeugt wird, wobei die zwei Pulse eine zweite Zeitverzögerung zwischen dem Ende des ersten Pulses und dem Start des zweiten Pulses aufweisen und wobei die zweite Zeitverzögerung größer als die erste Zeitverzögerung von 12 ist.
  • 14 das Supra-Schwellwert-Potentialgebiet zeigt, das durch Aufbringung von zwei Pulsen auf zwei Elektroden erzeugt wird, wobei die zwei Pulse eine dritte Zeitverzögerung zwischen dem Ende des ersten Pulses und dem Start des zweiten Pulses aufweisen und wobei die dritte Zeitverzögerung größer als die zweite Zeitverzögerung von 13 ist.
  • 15 das Supra-Schwellwert-Potentialgebiet zeigt, das durch Aufbringung von zwei Pulsen auf zwei Elektroden erzeugt wird, wobei die zwei Pulse eine vierte Zeit verzögerung zwischen dem Ende des ersten Pulses und dem Start des zweiten Pulses aufweisen und wobei die vierte Zeitverzögerung größer als die dritte Zeitverzögerung von 14 ist.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Wie in 8 gezeigt ist, kann ein einzelner elektrischer Puls P1 eine Depolarisation nahe einer Katode in elektrisch erregbarem Gewebe, das Nervengewebe oder Muskelgewebe umfasst, hervorrufen. Nervengewebe umfasst periphere Nerven, Ganglien, die Rückenmarkoberfläche, tiefes Rückenmarkgewebe, Tiefenhirngewebe und Hirnoberflächengewebe. Muskelgewebe umfasst (roten) Skelettmuskel, (weißen) glatten Muskel und Myocard. Ein Ort umfasst einen Satz von Punkten im dreidimensionalen Raum und bezieht sich auf ein Volumen von Zellen oder von Teilen von Zellen. Auf Grund der elektrischen Eigenschaften des dreidimensionalen Volumenleiters wie auch der Membraneigenschaften reagieren die Potentiale außerhalb und innerhalb eines Neurons auf die Depolarisation, gewöhnlich mit einer exponential-artigen Zunahme und anschließender Abschwächung mit zunehmender Zeit. Die Zeitkonstante beträgt bei einer isolierten Neuronenmembran gewöhnlich 5–15 Millisekunden (Nerve, Muscle and Synapse von Bernard Katz, um 1972). Bei Axonen der weißen Substanz oder bei Muskelzellen kann sie wesentlich geringer sein.
  • Eine lebende Zelle weist über ihrer Membran zu jedem Zeitpunkt ein Transmembranpotential auf. Dieses Transmembranpotential ist üblicherweise als das Potential im Inneren der Zelle bezüglich des Äußeren der Zelle definiert. Im Ruhezustand hat eine lebende Zelle ein konstantes Transmembranpotential, das Ruhepotential genannt wird und etwa –60 mV bis –90 mV beträgt, wobei das Innere der Zelle stär ker negativ ist als das Äußere der Zelle. Eine Vielfalt von Änderungen in der Umgebung der lebenden Zelle kann zu einer entsprechenden Änderung im Transmembranpotential führen.
  • Eine Änderung in der Umgebung, die dazu führt, dass das Innere der Zelle schwächer negativ wird, wird als "Depolarisation" der Zelle bezeichnet, und eine Depolarisation ist dann eine positive Änderung im Transmembranpotential. Ähnlich wird eine Änderung in der Umgebung, die dazu führt, dass das Innere der Zelle stärker negativ wird, als "Hyperpolarisation" der Zelle bezeichnet, und eine Hyperpolarisation ist eine negative Änderung im Transmembranpotential. Eine beispielhafte Änderung in der Umgebung einer lebenden Zelle tritt auf, wenn in der Nähe der Zelle ein Spannungspuls aufgebracht wird. Abhängig von der Richtung des von diesem Stimulationspuls hervorgerufenen elektrischen Stroms kann der Puls entweder polarisierend oder hyperpolarisierend wirken.
  • 8 zeigt einen beispielhaften Puls P1, der in einer Zelle eine Depolarisation hervorrufen kann, wobei diese Depolarisation durch die Aufbringung des Pulses P1 in der Nähe der Zelle zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 zu einem Transmembranpotential TPA in der Zelle führen kann. Eine weitere Aufbringung eines anderen Pulses P2 in der Nähe der Zelle führt zu einem Abschnitt der Kurve TPA zwischen den Zeitpunkten T3 und T7. Dieser Abschnitt der Kurve besteht aus der Überlagerung der vom Puls P2 hervorgerufenen Depolarisation und der verbleibenden Depolarisation durch die frühere Aufbringung des Pulses P1. Diese verbleibende Depolarisation durch die frühere Aufbringung des Pulses P1 ist als gestrichelte Kurve zwischen den Zeitpunkten T3 und T7 dargestellt.
  • Das Transmembranpotential TPA zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 besteht aus zwei Komponenten. Die erste Komponente ist das Ruhepotential der Zelle. Diese Komponente ist ein konstanter Gradient, der über der Membran der Zelle besteht. Zu dieser ersten Komponente ist die Depolarisation addiert, die aus der Aufbringung des Pulses P1 resultiert. Dadurch ist das Transmembranpotential TPA während der Zeit zwischen T1 und T3 die Gesamtsumme des Ruhepotentials und der durch die Aufbringung des Pulses P1 bewirkten Depolarisation.
  • Das Gesamtsummen-Transmembranpotential TPA muss jederzeit einen Transmembranpotential-Schwellwert erreichen, damit die elektrisch erregbare Zelle ein in ihr induziertes Aktionspotential erhält. Der Spitzenwert des Potentials TPA liegt unter dem Transmembranpotential-Schwellwert TPT, und das Potential TPA kann als ein Sub-Schwellwert-Potential beschrieben werden. Folglich kann das Potential TPA in dieser Zelle kein Aktionspotential erzeugen.
  • Das Aktionspotential ist ein nichtlineares Alles-oder-Nichts-Phänomen, das durch Öffnen von Natriumkanälen, einen Zustrom von Natriumionen und eine verzögerte Öffnung von Kaliumkanälen sowie eine Wiederherstellung des Membranpotentials hervorgerufen wird. Im allgemeinen muss an den Elektroden eine bestimmte Ladungsmenge übertragen werden (Amplitude [Volt]/Widerstand [Ohm] × Pulsbreite [Zeit]), damit eine ausreichende Depolarisation hervorgerufen wird, um ein Aktionspotential entstehen zu lassen. Zwischen der Amplitude und der Pulsbreite besteht eine reziproke Beziehung: Das Produkt muss einen bestimmten Wert erreichen, bevor der Transmembranpotential-Schwellwert erreicht wird. Diese Beziehung erreicht nicht die Achse Volt = 0. Es ist eine bestimmte, als Rheobase bezeichnete Minimalspannung erforderlich, bevor ein Aktionspotential auftreten kann.
  • Elementare neurophysiologische Prinzipien, "Elektrotonus" genannt, zeigen, dass in irgendeinem Volumen von elektrisch erregbarem Gewebe, in dem zwei oder mehrere depolarisierende Pulse, die dazu tendieren, Aktionspotentiale zu induzieren, und von denen jeder allein nicht ausreicht, um die Zellen auf den Schwellwert zu bringen, zeitlich eng benachbart ankommen, wenigstens ein Teil von deren Wirkung additiv ist, d. h. die Erinnerung an den ersten Puls noch vorliegt, wenn der zweite Puls ankommt. Wenn die Summe der Potentiale (verzerrt durch ohmsche und kapazitive Eigenschaften der Umgebungen und der Zellmembranen) erreichen kann, dass irgendwelche Zellen bis zum Schwellwert depolarisiert werden, dann entsteht in diesen Zellen ein Aktionspotential. Ein Literaturhinweis zur Erläuterung dieser Prinzipien des "Elektrotonus" einschließlich der Erzeugung von Sub-Schwellwert-Potentialen ist Medical Physiology, 13. Auflage, Bd. 1, von Vernon B. Mountcastle, C. V. Mosby Co., 1974.
  • Ebenfalls in 8 ist die Induzierung eines Aktionspotentials in einer Zelle durch ein Transmembranpotential TPB veranschaulicht, das den Transmembranpotential-Schwellwert TPT zum Zeitpunkt T4 erreicht. TPB kann als ein Supra-Schwellwert-Potential beschrieben werden, und im Nervengewebe entsteht ein Aktionspotential, wenn TPB (zum Zeitpunkt T4) den Transmembranpotential-Schwellwert erreicht. Das Transmembranpotential TPB besteht aus dem konstanten Ruhepotential und einer Depolarisation, die ausreicht, das gesamte Transmembranpotential TPB über den Transmembranpotential-Schwellwert zu treiben. TPB zum Zeitpunkt T4 weist eine Depolarisation auf, die ausreicht, den Transmembranpotential-Schwellwert zu überschreiten, da die Amplitude des Pulses P2 größer gewesen sein kann als im Fall des Sub-Schwellwert-Transmembranpotentials TPA.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Patienten 10 mit einem Implantat eines neurologischen Stimulationssystems, das eine bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung nutzt, um das Rückenmark 12 des Patienten zu stimulieren. Das bevorzugte System nutzt einen implantierbaren Pulsgenerator 14, um eine Anzahl unabhängiger Stimulationspulse zu erzeugen, die durch isolierte Leitungen 16 und 18, die mit dem Rückenmark durch Elektroden 16A und 18A (2) gekoppelt sind, dem Rückenmark 12 zugeführt werden. Die Elektroden 16A und 18A können auch an separaten Leitern befestigt sein, die in einer einzigen Leitung enthalten sind.
  • Der implantierbare Pulsgenerator 14 ist vorzugsweise ein bei Medtronic Inc. erhältlicher modifizierter implantierbarer Pulsgenerator ITREL II mit Einrichtungen für mehrfache Pulse, die entweder gleichzeitig auftreten oder bei denen ein Puls gegen den anderen zeitlich verschoben ist, und die unabhängig veränderliche Amplituden und Pulsbreiten aufweisen. Dieses bevorzugte System nutzt einen Programmierer 20, der über einen Leiter 22 mit einer Hochfrequenzantenne 24 gekoppelt ist. Dieses System ermöglicht es dem bedienenden medizinischen Personal, nach der Implantation die verschiedenen Pulsausgabe-Optionen mittels Hochfrequenzkommunikation auszuwählen. Obwohl das bevorzugte System vollständig implantierte Elemente nutzt, können bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung auch Systeme (z. B. ähnlich den von Medtronic Inc. unter den Warenzeichen X-trel und Mattrix vertriebenen Produkten) verwendet werden, die teilweise implantierte Generatoren und eine Hochfrequenzverbindung nutzen.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Wirbelsäule 12 und zeigt die Implantation des distalen Endes von isolierten Leitungen 16 und 18, die in Elektroden 16A und 18A innerhalb des Epiduralraums 26 enden. Die Elektroden können konventionelle perkutane Elektroden sein, wie etwa des von Medtronic Inc. vertriebenen Modells PISCES® 3487A. Außerdem sind der mit zerebrospinaler Flüssigkeit (cfs) gefüllte Subduralraum 28, der knöcherne Wirbelkörper 30, der Wirbelbogen 31 und die Dura mater 32 gezeigt. Die Wirbelsäule umfasst auch graue Substanz 34 und Hinterhörner 36 und 37 sowie weiße Substanz, zum Beispiel Hintersäulen 46 und Seitensäulen 47.
  • Stimulationspulse werden auf Elektroden 16A und 18A (die üblicherweise Katoden sind) bezüglich einer Return-Elektrode (die üblicherweise eine Anode ist) aufgebracht, um ein gewünschtes Gebiet einer Erregung in der Wirbelsäule 12 zu induzieren, die Nervengewebe aufweist, das in der Lage ist, Aktionspotentiale zu erzeugen. (Eine Katode hat bezüglich einer Anode ein stärker negatives Potential, und der von der Katode bewirkte elektrische Strom tendiert dazu, ein Aktionspotential zu induzieren, während der von der Anode bewirkte elektrische Strom dazu tendiert, ein Aktionspotential zu hemmen.) Die Return-Elektrode, beispielsweise eine Erdungs- oder eine anderer Referenzelektrode, ist ebenfalls vorhanden, ist jedoch in der Querschnittsansicht der Wirbelsäule 12 nicht gezeigt, da die Return-Elektrode üblicherweise in einer anderen Ebene als der von 2 gezeigte Querschnitt angeordnet ist. Beispielsweise kann die Return-Elektrode in der Nähe eines Punkts, der sich weiter oben oder weiter unten an der Linie entlang der Wirbelsäule 12 befindet, oder an einem weiter entfernten Teil des Körpers 10 angeordnet sein, der die Wirbelsäule trägt, wie etwa am metallischen Gehäuse des Pulsgenerators 14. Alternativ kann im Körper mehr als eine Return-Elektrode vorhanden sein. Für jede Katode kann jeweils eine Return-Elektrode vorhanden sein, so dass für jede Katode ein getrenntes Katode/Anode-Paar ausgebildet ist.
  • Wie in 8 gezeigt ist, wird der Puls P1 auf die Elektrode 18A (2) aufgebracht, und der Puls P2 wird auf die Elektrode 16A (2) aufgebracht. Die Pulse P1 und P2 stehen in einer zeitlichen Beziehung zueinander. Für einen optimalen Betrieb der vorliegenden Erfindung mit der Anwendung des Prinzips des "Elektrotonus" sollten sich die Pulse P1 und P2 zeitlich nicht überschneiden. Beispielsweise sind das Ende des Pulses P1 zum Zeitpunkt T2 und der Start des Pulses P2 zum Zeitpunkt T3 in 8 um eine vorgegebene Zeitperiode von weniger als 500 Mikrosekunden und vorzugsweise von weniger als 50 Mikrosekunden gegeneinander verschoben. Die Amplitude A1 von P1 ist unabhängig von der Amplitude A2 des Pulses P2 einstellbar. Die Pulsbreiten der Pulse P1 und P2 sind ebenfalls unabhängig einstellbar. Eine Verbreiterung der Pulsbreite jedes Pulses (d. h. von P1 und P2) kann auch die Orte von Depolarisationen ausdehnen, ebenso wie eine zunehmende Amplitude, sei es eine Spannungs- oder eine Stromamplitude.
  • Der Pulse P1 und P2 können auch andere Zeitverzögerungs-Beziehungen aufweisen, damit die Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Wie in 9 gezeigt ist, können Pulse P3 und P4 mit unterschiedlichen Anstiegszeiten verwendet werden. P3 hat eine Anstiegszeit von T1 bis T8, und P4 hat eine Anstiegszeit von T1 bis T9. Wie in 10 gezeigt ist, können Pulse P5 und P6 mit unterschiedlichen Abfallszeiten verwendet werden. P5 hat eine Abfallszeit von T10 bis T11, und P6 hat eine Abfallszeit von T10 bis T12. Die gewichtete Durchschnittszeit WA3 des Pulses P3 (9) ist gegenüber der gewichteten Durchschnittszeit WA4 des Pulses P4 um eine vorgegebene Zeitperiode von weniger als 500 Mikrosekunden und vorzugsweise von weniger als 50 Mikrosekunden verschoben. Eine gewichtete Durchschnittszeit ist das Integral eines Pulses über das Pulsintervall, divi diert durch die Pulsamplitude des Pulsintervalls. Die Anstiegszeit und die Abfallszeit eines Pulses können die gewichtete Durchschnittszeit des Pulses beeinflussen.
  • Ähnlich ist der Spitzenwert PK3 des Pulses P3 gegenüber dem Spitzenwert PK4 des Pulses P4 um eine vorgegebene Zeitperiode von weniger als 500 Mikrosekunden und vorzugsweise von weniger als 50 Mikrosekunden verschoben. Die Anstiegszeit eines Pulses kann die Spitzenzeit des Pulses beeinflussen. Aufgaben der Erfindung können auch erfüllt werden, indem Kombinationen der obigen zeitlichen Beziehungen verwendet werden. Beispielsweise kann die Zeitverzögerung zwischen dem ersten Puls und dem zweiten Puls die Zeitdifferenz zwischen einer ersten gewichteten Durchschnittszeit des ersten Pulses und einer zweiten gewichteten Durchschnittszeit des zweiten Pulses sein. Alternativ kann die Zeitverzögerung die Zeitdifferenz zwischen einer ersten Spitzenzeit des ersten Pulses und einer zweiten Spitzenzeit des zweiten Pulses sein.
  • Wie in 3 und 8 gezeigt ist, stellt die Linie L1 den Rand eines dreidimensionalen Orts L1A dar, in dem der auf die Elektrode 18A aufgebrachte Puls P1 zu einem Transmembranpotential führt, das durch die Transmembranpotential-Kurve TPA von 8 (diesen Teil der Kurve TPA zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 sowie die gestrichelte Kurve zwischen den Zeitpunkten T3 und T7) dargestellt werden kann. Dieses Transmembranpotential ist geringer als der Transmembranpotential-Schwellwert TPT für in diesem Ort interessierende Zellen. Dieses Transmembranpotential besteht aus einem konstanten Ruhepotential und einer durch Aufbringung des Pulses P1 auf die Elektrode 18A hervorgerufenen Depolarisation. Dadurch ist der Ort L1A, der aus dem Aufbringen des Pulses P1 auf die Elektrode 18A hervorgeht, ohne dass auf die Elektrode 16A ein neuer Puls aufgebracht wird, ein Gebiet mit einem Sub-Schwellwert-Potential, da TPA geringer als der Transmembranpotential-Schwellwert ist.
  • Ähnlich stellt, wie in 4 und 8 gezeigt ist, die Linie L2 den Rand eines anderen dreidimensionalen Orts L2A dar, in dem die Aufbringung des Pulses P2 auf die Elektrode 16A zu einem Transmembranpotential führt, das ebenfalls durch die Transmembranpotential-Kurve TPA von 8 (diesen Teil der Kurve TPA zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 sowie die gestrichelte Kurve zwischen den Zeitpunkten T3 und T7) dargestellt werden kann. Dieses Transmembranpotential ist geringer als der Transmembranpotential-Schwellwert TPT für in diesem Ort interessierende Zellen. Dieses Transmembranpotential besteht aus einem konstanten Ruhepotential und einer durch Aufbringen des Pulses P2 auf die Elektrode 16A hervorgerufenen Depolarisation. Dadurch ist der Ort L2A, der aus dem Aufbringen des Pulses P2 auf die Elektrode 16A hervorgeht, ohne dass auf die Elektrode 18A ein neuer Puls aufgebracht wird, ebenfalls ein Gebiet mit einem Sub-Schwellwert-Potential, da TPA geringer als der Transmembranpotential-Schwellwert ist.
  • 5 veranschaulicht einen Ort L3A, der die Durchdringung der Orte L1A und L2A darstellt, wobei die im Ort L3A von den Pulsen P1 und P2 induzierten kombinierten Potentiale in interessenden Zellen im Ort L3A ein Aktionspotential erzeugen, wie es durch das Transmembranpotential TPB in 8 veranschaulicht ist. Das gesamte Potential im Ort L1A außerhalb des Orts L3A ist durch das Transmembranpotential TPA (diesen Teil der Kurve TPA zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 sowie die gestrichelte Kurve zwischen den Zeitpunkten T3 und T7 in 8) veranschaulicht. Da TPA geringer ist als der Transmembranpotential-Schwellwert TPT, ist das gesamte Potential ein Sub-Schwellwert-Potential, und es liegt kein im Ort L1A au ßerhalb von L3A erzeugtes Aktionspotential vor. Das gesamte im Ort L2A außerhalb von L3A erzeugte Potential ist auch durch das Transmembranpotential TPA (diesen Teil der Kurve TPA zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 sowie die gestrichelte Kurve zwischen den Zeitpunkten T3 und T7 in 8) veranschaulicht. Das gesamte Potential ist ein Sub-Schwellwert-Potential, und es liegt kein im Ort L2A außerhalb des Orts L3A erzeugtes Aktionspotential vor.
  • Das im Ort L3A induzierte Supra-Schwellwert-Potential rührt von einer Überlagerung der Sub-Schwellwert-Potentiale her, die in diesem Gebiet infolge der Erregung durch einen Puls, der auf die Elektrode 16A aufgebracht wird, und durch einen weiteren Puls erzeugt werden, der auf die Elektrode 18A aufgebracht wird. Der Ort L3A weist Nervengewebe auf, das Aktionspotentiale erhält, die von diesem in diesem Ort induzierten Supra-Schwellwert-Potential herrühren. Das gesamte Potential im Ort L3A ist durch das Transmembranpotential TPB von 8 veranschaulicht. Dieses Transmembranpotential besteht aus dem konstanten Ruhepotential und der Überlagerung von Depolarisationen aus der Aufbringung des Pulses P1 auf die Elektrode 18A und des Pulses P2 auf die Elektrode 16A.
  • In 6 und 8 stellt die Linie L4 den Rand eines weiteren dreidimensionalen Orts L4A dar, der ein Sub-Schwellwert-Potential aufweist, das von der Aufbringung eines Pulses P1 auf die Elektrode 18A herrührt, der eine höhere Amplitude als die Amplitude A1 hat. Die Linie L5 stellt den Rand eines weiteren dreidimensional Orts L5A dar, der ein Sub-Schwellwert-Potential aufweist, das von der Aufbringung eines Pulses P2 auf die Elektrode 16A herrührt, der eine geringere Amplitude als die Amplitude A2 hat. Die Durchdringung der Orte L4A und L5A erzeugt einen Ort L6A, in dem ein Supra-Schwellwert-Aktionspotential von einer Überlage rung von Sub-Schwellwert-Potentialen herrührt, die durch Aufbringung von Pulsen P1 und P2 erzeugt werden. Der Ort L6A ist relativ zu dem in 5 gezeigten Ort L3A größtenteils nach rechts verschoben. Außerhalb des Orts L6A werden keine Aktionspotentiale induziert, da das Gebiet außerhalb dieses Orts ein Sub-Schwellwert-Potential aufweist.
  • In 7 und 8 stellt die Linie L8 den Rand eines weiteren dreidimensionalen Orts L8A dar, der ein Sub-Schwellwert-Potential aufweist, das von der Aufbringung eines Pulses P2 auf die Elektrode 16A herrührt, der eine höhere Amplitude als die Amplitude A2 hat. Die Linie L7 stellt den Rand eines weiteren dreidimensional Orts L7A dar, der ein Sub-Schwellwert-Potential aufweist, das von der Aufbringung eines Pulses P1 auf die Elektrode 18A herrührt, der eine geringere Amplitude als die Amplitude A1 hat. Die Durchdringung der Orte L7A und L8A erzeugt einen Ort L9A, in dem ein Supra-Schwellwert-Aktionspotential durch eine Überlagerung von Sub-Schwellwert-Potentialen induziert wird, die durch Aufbringung des Pulses P1 wie auch des Pulses P2 erzeugt werden. Es ist anzumerken, dass der Ort L9A relativ zu dem in 5 gezeigten Ort L3A nach links verschoben ist. Außerhalb des Orts L9A werden keine Aktionspotentiale induziert, da das Gebiet außerhalb dieses Orts ein Sub-Schwellwert-Potential aufweist.
  • Ein Nutzen der Verwendung des neurophysiologischen Prinzips des "Elektrotonus" besteht darin, dass das Gebiet mit einem Supra-Schwellwert-Potential gesteuert werden kann, indem die Zeitverzögerung zwischen der Aufbringung der zwei Pulse auf die jeweilige angetriebene Elektrode zum Erzeugen der Gebiete mit einem Sub-Schwellwert-Potential variiert wird. Wie in 8 gezeigt ist, kann diese Zeitverzögerung die Zeitperiode zwischen dem Ende des Pulses P1 zum Zeitpunkt T2 und dem Start des Pulses P2 zum Zeitpunkt T3 sein.
  • Prinzipien des "Elektrotonus" geben an, dass bei irgendeiner Nervenzelle ein Potential nach einem Stimulationspuls, der auf diese Nervenzelle aufgebracht wurde, mit einer RC-Zeitkonstanten abfällt. Dabei ist R ein Widerstandswert, der durch die ohmsche Charakteristik dieser Nervenzelle bestimmt ist, und C ist ein Kapazitätswert, der durch die kapazitive Charakteristik dieser Nervenzelle bestimmt ist.
  • Wegen dieses Gedächtniseffekts des Elektrotonus beginnt das Transmembranpotential, das in einer Nervenzelle durch einen Puls erzeugt wird, am Ende des Erregungspulses abzufallen, sodass dieses Transmembranpotential eine Funktion der Zeit ist. Durch Ausnutzen dieser zeitlichen Variation des Transmembranpotentials kann das Gebiet mit einem Supra-Schwellwert-Potential eingestellt werden, indem die Zeitverzögerung zwischen den Pulsen entsprechend variiert wird, die auf die zwei Elektroden aufgebracht werden, die jeweils ein Sub-Schwellwert-Gebiet erzeugen.
  • Dieser Nutzen ist in 1215 weiter veranschaulicht, in denen Elemente, die Elementen in den vorangehenden Figuren entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. 12 veranschaulicht den Fall, in dem die auf die zwei Katoden aufgebrachten Pulse zeitlich eng aufeinander folgen. Element 12 ist eine vereinfachte Veranschaulichung von elektrisch erregbarem Gewebe wie etwa Wirbelsäulengewebe. Der Puls P2 folgt unmittelbar nach dem Ende des Pulses P1, und die Zeitverzögerung zwischen dem Ende des Pulses P1 bei T2 und dem Start des Pulses P2 bei T3 ist in diesem Fall gering.
  • Die Linie L10 stellt die Isopotential-Linie dar, die ein Sub-Schwellwert-Gebiet L10A definiert, das durch Aufbrin gung des Pulses P1 auf die Elektrode 18A erzeugt wird. Die Linie L11 stellt die Isopotential-Linie dar, die ein anderes Sub-Schwellwert-Gebiet L11A definiert, das durch Aufbringung des Pulses P2 auf die Elektrode 16A erzeugt wird. (In 1215 ist keine Return-Elektrode gezeigt, da diese Elektrode üblicherweise in einer anderen Ebene als der gezeigten Gewebe-Ebene 12 oder an einer weiter entfernten, das Gewebe 12 tragenden Position im Körper angeordnet ist, wie etwa am metallischen Gehäuse des Pulsgenerators 14 von 1.) Jede der Isopotential-Linien variiert zeitlich und schreitet von der Elektrode weg fort, die während der Aufbringung eines Pulses auf diese Elektrode die Isopotential-Linie erzeugt, und weicht nach der Vervollständigung des Pulses auf Grund des Prinzips des "Elektrotonus" zu dieser Elektrode hin zurück. In 12 sind die Isopotential-Linien L10 und L11 das, was am Ende des Pulses P2 zum Zeitpunkt T4 resultiert. Diese einzelnen Sub-Schwellwert-Gebiete haben von sich aus keine ausreichenden Potentialänderungen, um im Gewebe 12 ein Aktionspotential zu induzieren. Jedoch erzeugt eine Überlagerung der Sub-Schwellwert-Potentialgebiete zum Zeitpunkt T4 ein Gebiet L12A mit einem Supra-Schwellwert-Potential, das höher ist als der Transmembranpotential-Schwellwert, sodass Nervenzellen in diesem Gebiet ein darin induziertes Aktionspotential aufweisen.
  • 13 zeigt einen Fall, in dem die zwei Pulse P1 und P2 zeitlich stärker voneinander getrennt sind als bei dem in 12 veranschaulichten Fall. Die Transmembranpotentiale in 13, die in elektrisch erregbarem Gewebe 12 erzeugt werden, sind jene, die am Ende des Pulses P2 zum Zeitpunkt T4 verbleiben. Zu diesem Zeitpunkt war die Aufbringung des Pulses P1 bereits zum Zeitpunkt T2 vervollständigt. Die Isopotential-Linie L13 definiert das Sub-Schwellwert-Gebiet L13A, das von der Aufbringung des Pulses P1 auf die Elek trode 18A zum Zeitpunkt T4 verbleibt. Die Isopotential-Linie L14 definiert das Sub-Schwellwert-Gebiet L14A, das durch Aufbringung des Pulses P2 auf die Elektrode 16A zum Zeitpunkt T4 erzeugt wird.
  • Diese einzelnen Sub-Schwellwert-Gebiete haben von sich aus keine ausreichenden Potentialänderungen, um ein Aktionspotential zu induzieren. Jedoch erzeugt eine Überlagerung der Sub-Schwellwert-Potentialgebiete ein Gebiet L15A mit einem Supra-Schwellwert-Potential, das höher ist als der Transmembranpotential-Schwellwert, sodass Nervenzellen in diesem Gebiet ein darin induziertes Aktionspotential aufweisen. Es ist anzumerken, dass sich das Gebiet L15A von 13 mit einem Supra-Schwellwert-Potential von dem Gebiet L12A von 12 mit einem Supra-Schwellwert-Potential unterscheidet, da die Zeitverzögerung zwischen dem Ende des Pulses P1 bei T2 und dem Start des Pulses P2 bei T3 in 13 größer ist als in 12.
  • Ähnlich zeigt 14 einen Fall, in dem die zwei Pulse P1 und P2 zeitlich noch stärker voneinander getrennt sind als jene von 13. 14 zeigt die Isopotential-Linien, die von den Pulsen P1 und P2 am Ende des Pulses P2 zum Zeitpunkt T4 erzeugt werden. Die Isopotential-Linie L16 definiert das Sub-Schwellwert-Gebiet L16A, das durch die Aufbringung des Pulses P1 auf die Elektrode 18A zum Zeitpunkt T4 erzeugt wird, und die Isopotential-Linie L17 definiert das Sub-Schwellwert-Gebiet L17A, das durch die Aufbringung des Pulses P2 auf die Elektrode 16A zum Zeitpunkt T4 erzeugt wird.
  • Die einzelnen Sub-Schwellwert-Gebiete innerhalb der Isopotential-Linien L16 und L17 haben von sich keine ausreichenden Potentialänderungen, um ein Aktionspotential zu induzieren. Jedoch erzeugt eine Überlagerung von Sub- Schwellwert-Potentialgebieten ein Gebiet L18A mit einem Supra-Schwellwert-Potential, das höher ist als der Transmembranpotential-Schwellwert, sodass Nervenzellen in diesem Gebiet ein darin induziertes Aktionspotential aufwiesen. Es ist anzumerken, dass die Isopotential-Linie L16 am Ende des Pulses P2 zum Zeitpunkt T4 auf Grund der längeren Verzögerung zwischen den Pulsen P1 und P2 zur Elektrode 18A hin weiter zurückgewichen ist und dass das Gebiet L18A mit einem Supra-Schwellwert-Potential kleiner geworden und weiter zur Elektrode 18A hin verschoben ist.
  • Schließlich zeigt 15 einen Fall, in dem Pulse P1 und P2 eine ausreichend lange Zeitverzögerung haben, sodass im elektrisch erregbaren Gewebe 12 kein Gebiet mit einem Supra-Schwellwert-Potential erzeugt wird. Die Isopotential-Linie L19 ist das Ergebnis der Aufbringung des Pulses P1 auf die Elektrode 18A am Ende des Pulses P2 zum Zeitpunkt T4, und die Isopotential-Linie L20 ist das Ergebnis der Aufbringung des Pulses P2 auf die Elektrode 16A zum Zeitpunkt T4. wegen der langen Verzögerung zwischen den Pulsen P1 und P2 ist die Isopotential-Linie L19 zur Elektrode 18A hin so weit zurückgewichen, dass kein Gebiet mit einer Überlagerung der zwei Sub-Schwellwert-Gebiete vorliegt, die durch die Isopotential-Linien L19 und L20 im Gewebe 12 erzeugt werden.
  • Die Fähigkeit, den Ort, in dem Aktionspotentiale erzeugt werden, durch Steuerung des Gebiets einer Überlagerung von Sub-Schwellwert-Potentialgebieten zu verschieben, ist ein wichtiges Merkmal. Bei vielen Therapien kommt es darauf an, ein Induzieren von Aktionspotentialen in grauer Substanz 34 oder Hinterhörnern 36 und 37, Hinterwurzeln 38 und 40, Seitensäulen 47 oder peripheren Nerven 42 und 44 zu verhindern, um die Möglichkeit des Hervorrufens von Schmerz, motorischen Effekten oder unangenehmer Parästhesie zu mini mieren. Mit den beschriebenen Verfahren kann der Ort, in dem Aktionspotentiale induziert werden (z. B. L3A, L6A, L9A, L12A, L15A oder L18A), so beeinflusst werden, dass er in ein gewünschtes Gebiet der Hintersäulen 46 fällt, ohne dass Aktionspotentiale in Hinterhörnern 36 und 37, grauer Substanz 34 oder Seitensäulen 47 oder Spinalganglien 38 und 40 induziert werden. Außerdem vermindert die Fähigkeit, den Ort, in dem Aktionspotentiale induziert werden, zu verschieben, drastisch die beim chirurgischen Implantieren der Elektroden 16A und 18A erforderliche Genauigkeit und kann die Notwendigkeit chirurgischer Leitungsrevisionen beseitigen.
  • Eine weitere vorteilhafte Folge der Fähigkeit, den Ort der Erregung durch Steuerung des Gebiets mit einem Supra-Schwellwert-Potential durch die Überlagerung von Sub-Schwellwert-Potentialgebieten zu bestimmen, besteht darin, dass die Positionierung der zwei angetriebenen Elektroden 16A und 18A und der Return-Elektrode relativ zueinander beim Durchführen dieser Erfindung nicht kritisch ist. Im Gegensatz zur von Holsheimer u. a. im US-Patent Nr. 5 501 703 offenbarten Erfindung sind die zwei angetriebenen Elektroden und die Return-Elektrode in der vorliegenden Erfindung nicht auf einer Linie optimal voneinander beabstandet. Tatsächlich kann die Return-Elektrode der vorliegenden Erfindung von den angetriebenen Elektroden 16A und 18A entfernt und nahe bei einem Punkt, der sich an der Wirbelsäule weiter oben oder weiter unten befindet, oder nahe am einem anderen Teil des Körpers angeordnet sein, der die zu erregende Wirbelsäule enthält. Alternativ kann im Körper mehr als eine Return-Elektrode vorhanden ein.
  • 11 veranschaulicht eine bevorzugte zeitliche Beziehung zwischen dem auf die Elektrode 18A aufgebrachten Puls P7 und dem auf die Elektrode 16A aufgebrachten Puls P8.
  • Derzeit verfügbare Pulsgeneratoren verwenden einen zweiphasigen Puls, um sicherzustellen, dass kein Netto-Gleichstrom in das Gewebe fließt. Dies wird als ladungsausgeglichenes Pulsieren bezeichnet und wird erzielt, indem der Puls für eine bestimmte Zeitdauer ins Negative getrieben wird. Beispielsweise weist der Puls P8 in 11 eine übertragene Nettoladung auf, die proportional zu A2·(T4 – T3) ist. Diese eingeführte Ladung wird durch den negativen Puls P10 ausgeglichen, dessen Ladung proportional zu A3·(T5 – T4) ist, wobei A3 << A2 und (T5 – T4) >> (T4 – T3) ist. Ähnliche Prinzipien gelten auch dann, wenn der erste und der zweite Impuls keine konstante Amplitude haben.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Puls P7 mit einem abfallenden negativen Puls P9 vom Zeitpunkt T4 bis zum Zeitpunkt T5 erzeugt werden, sodass die Ausgabe an der Elektrode 18A bis zur Beendigung des Pulses P8 zum Zeitpunkt T4 im Wesentlichen ein neutrales oder 0-Potential ist. Mit dieser Verzögerung beim Ladungsausgleich wird der Verlust an Potential in angrenzendem Gewebe verhindert, der andernfalls auftritt, wenn der Puls P9 unmittelbar auf den Puls P7 folgt und sich mit dem Puls P8 überschneidet, wodurch der Vorteil des Pulses P8 aufgehoben wird. Zum Zeitpunkt T4 beginnen beide negativen Pulse P9 und P10, damit der Ladungsausgleich in dem Gewebe aufrecht erhalten wird, das an die Elektrode 16A bzw. 18A angrenzt.
  • Die Vorteile der hierin beschriebenen Erfindung können auf Anwendungen zum Erregen irgendeines elektrisch erregbaren Gewebes verallgemeinert werden, außerdem auf derartiges Gewebe in einer Wirbelsäule. Außerdem kann die Erfindung auf die Verwendung von mehr als zwei katodischen Elektroden verallgemeinert werden, um mehr als zwei Sub-Schwellwert-Gebiete zu erzeugen, die beim Erzeugen des Supra-Schwellwert-Gebiets zu überlagern sind. Dementsprechend ist die voranstehende Beschreibung lediglich beispielhaft und nicht dazu bestimmt, einschränkend zu sein. Die Erfindung ist lediglich so eingeschränkt wie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert.

Claims (14)

  1. Eine Vorrichtung zur Induzierung von Aktionspotentialen an einem einstellbaren Ort eines elektrisch erregbaren bzw. anregbaren Gewebes eines Organismus, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel (14) zum Erzeugen eines ersten Pulses einschließlich Mitteln zur Einstellung einer ersten Amplitude und zur Einstellung einer ersten Pulsbreite des ersten Pulses; Mittel (14) zum Erzeugen eines zweiten Pulses einschließlich Mitteln zur Einstellung einer zweiten Amplitude und zur Einstellung einer zweiten Pulsbreite des zweiten Pulses; eine Return- bzw. Rückkehrelektrode, die mit dem Organismus gekoppelt ist; eine ersten Elektrode (164), die mit den Mitteln zum Erzeugen des ersten Pulses gekoppelt ist und eingerichtet ist, um benachbart bzw. angrenzend zu dem Gewebe implantiert zu werden, wobei die erste Elektrode mittels des ersten Pulses bezüglich der Return-Elektrode angetrieben wird, wobei die Mittel zum Erzeugen des ersten Pulses eingerichtet sind zur Einstellung der ersten Amplitude und der ersten Pulsbreite zur Bestimmung einer entsprechenden Einstellung eines ersten Sub-Schwellwert-Potentialgebietes, das in dem Gewebe von der Anwendung bzw. Aufbringung des ersten Pulses auf die erste Elektrode bezüglich der Return-Elektrode erzeugt wird; und eine zweite Elektrode (184), die mit den Mitteln zum Erzeugen des zweiten Pulses gekoppelt ist und eingerichtet ist, um benachbart zu dem Gewebe implantiert zu werden, wobei die zweite Elektrode durch den zweiten Puls bezüglich der Return-Elektrode angetrieben wird, wobei die Mittel zum Erzeugen des zweiten Pulses eingerichtet sind zur Einstellung der zweiten Amplitude und der zweiten Pulsbreite zur Bestimmung einer entsprechenden Einstellung eines zweiten Sub-Schwellwert-Potentialgebietes in dem Gewebe von der Anwendung des zweiten Pulses auf die zweite Elektrode bezüglich der Return-Elektrode, wobei die Mittel zum Erzeugen des ersten Pulses und die Mittel zum Erzeugen des zweiten Pulses eingerichtet sind zur Einstellung der ersten Amplitude, der zweiten Amplitude, der erste Pulsbreite und der zweiten Pulsbreite derart, dass eine Superposition bzw. Überlagerung des ersten Sub-Schwellwert-Gebiets und des zweiten Sub-Schwellwert-Gebiets in einem Supra-Schwellwert-Potentialgebiet des einstellbaren Ortes resultiert, wo die Aktionspotentiale induziert werden, und wobei die Return-Elektrode eingerichtet ist um in einer unterschiedlichen Ebene oder entfernt von den ersten und zweiten Elektroden angeordnet bzw. plaziert zu werden.
  2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Anstieg in der ersten Amplitude und/oder der ersten Pulsbreite in einem Anstieg bzw. einer Vergrößerung des ersten Sub-Schwellwert-Gebiets und einem Anstieg des Supra-Schwellwert-Gebiets hin zur zweiten Elektrode resultiert.
  3. Die Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Zunahme in der zweiten Amplitude und/oder der zweiten Pulsbreite des zweiten Pulses in einem Anstieg des zweiten Sub-Schwellwert-Gebiets und einem Anstieg des Supra-Schwellwert-Gebiets hin zur ersten Elektrode resultiert.
  4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der eine Zunahme in der ersten Amplitude und/oder der ersten Pulsbreite und eine Abnahme der zweiten Amplitude und/oder der zweiten Pulsbreite in einer Verschiebung des Supra-Schwellwert-Gebiets hin zur zweiten Elektrode resultiert.
  5. Die Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Zunahme in der zweiten Amplitude und/oder der zweiten Pulsbreite und eine Abnahme der ersten Amplitude und/oder der ersten Pulsbreite in einer Verschiebung des Supra-Schwellwert-Gebiets hin zur ersten Elektrode resultiert.
  6. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der erste Puls eine erste Startzeit und eine erste Endzeit, und der zweite Puls eine zweite Startzeit und eine zweite Endzeit aufweist, und wobei die Mittel zum Erzeugen weiter Mittel zur Einstellung einer Zeitverzögerung zwischen der ersten Endzeit des ersten Pulses und der zweiten Anfangszeit des zweiten Pulses aufweisen, wobei die Zeitverzögerung eine Größe und eine Positionierung bzw. einen Ort des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets bestimmt.
  7. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Pulsbreite eine erste Anfangszeit und eine erste Endzeit, und der zweite Puls eine zweite Anfangszeit und eine zweite Endzeit aufweist und wobei die Mittel zum Erzeugen ferner Mittel zur Einstellung einer Zeitverzögerung zwischen der ersten Endzeit des ersten Pulses und der zweiten Anfangszeit des zweiten Pulses aufweisen, wobei die Zeitverzöge rung eine Größe und eine Positionierung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets bestimmt.
  8. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der erste Puls eine erste gewichtete Durchschnittszeit und der zweite Puls eine zweite gewichtete Durchschnittszeit aufweist, wobei die Mittel zum Erzeugen ferner Mittel zur Einstellung einer Zeitverzögerung zwischen der ersten und der zweiten gewichteten Durchschnittszeit aufweisen, wobei die Zeitverzögerung eine Größe und eine Positionierung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets bestimmt.
  9. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Puls eine erste Spitzen- bzw. Peakzeit, und der zweite Puls eine zweite Peakzeit aufweist, wobei die Mittel zum Erzeugen ferner Mittel zur Einstellung einer Zeitverzögerung zwischen der ersten und der zweiten Peakzeit aufweisen, wobei die Zeitverzögerung eine Größe und eine Positionierung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets bestimmt.
  10. Die Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der ein Anstieg der Zeitverzögerung zu einer Abnahme der Größe des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets und zu einer Verschiebung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets hin zur ersten Elektrode führt.
  11. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der eine Zunahme der Zeitverzögerung zu einer Abnahme der Größe des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets und einer Verschiebung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets hin zur ersten Elektrode führt.
  12. Die Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der eine Zunahme der Zeitverzögerung zu einer Abnahme der Größe des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets und zu einer Verschiebung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets hin zur ersten Elektrode führt.
  13. Die Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der eine Zunahme der Zeitverzögerung zu einer Abnahme der Größe des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets und zu einer Verschiebung des Supra-Schwellwert-Potentialgebiets hin zur ersten Elektrode führt.
  14. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Puls mit einem zurückhängenden bzw. abfallenden negativen Puls erzeugt wird, und wobei der zweite Puls in einem Intervall zwischen dem Ende des ersten Pulses und dem zurückhängenden bzw. abfallenden negativen Puls erzeugt wird.
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