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Die Erfindung betrifft eine Stimulationselektrode, eine Vorrichtung mit einer Stimulationselektrode und ein Verfahren zur Verabreichung von Stimulationssignalen mittels einer Stimulationselektrode.
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Erkrankungen des Zentralnervensystems, z. B. Epilepsie, Parkinsonsche Erkrankung oder Zwangserkrankungen, haben ihre Ursache in einer stark synchronen Aktivität von Neuronenpopulationen. In diesem Fall bildet eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d. h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Beim Gesunden hingegen feuern die Neuronen in den betroffenen Hirngebieten qualitativ anders, z. B. auf unkorrelierte Weise. Die gezielte Unterdrückung oder Desynchronisation dieser Aktivität führt zu einer Reduktion der krankhaften Symptomatik und kann bei optimaler Applikation der Stimulation auch zu einer dauerhaften Reduktion der Symptomatik führen. Diese therapeutische Desynchronisation kann durch gezielte Stimulation der Neuronenpopulationen mit elektrischen Reizen hervorgerufen werden. Da eine Reizung benachbarter Areale zu unerwünschten Nebenwirkungen führen kann, sollen die elektrischen Reize derartig appliziert werden, dass nur die Zielpopulation stimuliert wird.
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Vor diesem Hintergrund wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1A und 1B schematische Darstellungen einer Vorrichtung 100 mit einer Generatoreinheit und einer Stimulationselektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2A und 2B schematische Darstellungen einer Vorrichtung 200 mit einer Generatoreinheit und einer Stimulationselektrode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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3 schematische Darstellungen der von der Stimulationselektrode während des Betriebs erzeugten elektrischen Felder gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4A und 4B schematische Darstellungen der von unterschiedlich angesteuerten Stimulationselektroden während des Betriebs erzeugten elektrischen Felder;
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5 eine schematische Darstellung einer Stimulationselektrode mit ringförmigen Stimulationskontaktflächen und des von ihr während des Betriebs erzeugten elektrischen Felds;
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6A und 6B Benennungen der einzelnen Stimulationskontaktflächen der Stimulationselektrode;
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7 bis 16 schematische Darstellungen unterschiedlicher Sequenzen von Stimulationssignalen;
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17 eine schematische Darstellung von mittels der Stimulationselektrode erzeugten elektrischen Felder zur Desynchronisation einer krankhaften Neuronenpopulation;
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18 eine schematische Darstellung von Sequenzen von mittels der Stimulationselektrode erzeugten Stimulationssignalen;
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19 eine schematische Darstellung von Sequenzen von mittels der Stimulationselektrode erzeugten elektrischen Pulszügen;
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20 eine schematische Darstellung eines elektrischen Pulszugs;
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21 eine schematische Darstellung einer Variation der in 18 gezeigten Stimulation;
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22 eine schematische Darstellung einer weiteren Variation der in 18 gezeigten Stimulation;
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23 eine schematische Darstellung der Vorrichtung 100 bzw. 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs.
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In 1A und 1B ist schematisch eine Vorrichtung 100 dargestellt, die zur elektrischen Stimulationen von Neuronen im Gehirn und/oder Rückenmark eines Patienten eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 100 besteht aus einer Generatoreinheit 10 und einer Stimulationselektrode 11. Die Generatoreinheit 10 erzeugt während des Betriebs elektrische Stimulationssignale (Reize) und führt diese, beispielsweise über ein oder mehrere Kabel 12, der Stimulationselektrode 11 zu.
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Die Stimulationselektrode 11 weist einen Elektrodenschaft 14 und eine Mehrzahl von freiliegenden Stimulationskontaktflächen 15 auf, die von einander isoliert sein können. Sowohl der Elektrodenschaft 14 als auch die Stimulationskontaktflächen 15 können aus biokompatiblen Materialien hergestellt sein. Nach der Implantation der Stimulationselektrode 11 in den Körper des Patienten befinden sich die Stimulationskontaktflächen 15 in direktem Kontakt mit dem Gewebe und können so die Stimulationssignale applizieren.
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Der Elektrodenschaft 14 erstreckt sich entlang einer Richtung 16 und kann zumindest teilweise rotationssymmetrisch zur Richtung 16 sein. Beispielsweise kann der Elektrodenschaft zumindest teilweise die Form eines Kreiszylinders haben.
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Die Stimulationskontaktflächen 15 sind in einem ersten Abschnitt 17 des Elektrodenschafts 14 als Ringsegmente bzw. Ringabschnitte in Umfangsrichtung des Elektrodenschafts 14 angeordnet. In 1B ist ein Querschnitt der Stimulationselektrode 11 senkrecht zur Richtung 16 und entlang der in 1A eingezeichneten Linie A-A' dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Stimulationskontaktflächen 15 entlang des Umfangs der Stimulationselektrode 11 angeordnet und weisen jeweils einen Abstand d1 voneinander auf. Der Abstand d1 ist nicht größer als 10% oder 20% oder 19% oder 18% oder 17% oder 16% oder 15% oder 14% oder 13% oder 12% oder 11% oder 9% oder 8% oder 7% oder 6% oder 5% oder 4% oder 3% oder 2% oder 1% des Umfangs des Elektrodenschafts 14 im ersten Abschnitt 17. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Abstand d1 nicht mehr als 1 mm oder 0,9 mm oder 0,8 mm oder 0,7 mm oder 0,5 mm oder 0,4 mm oder 0,3 mm oder 0,2 mm oder 0,1 mm beträgt. Der Abstand d1 von zwei benachbarten Stimulationskontaktflächen 15 bezeichnet beispielsweise die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Stimulationskontaktflächen 15. Der Umfang des Elektrodenschafts 14 im ersten Abschnitt 17 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die äußere kreisförmige Umfangslinie des in 1B gezeigten Querschnitts der Stimulationselektrode 11.
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Eine Weiterbildung der Vorrichtung 100 ist die in 2A und 2B schematisch dargestellte Vorrichtung 200. Im Unterschied zur Vorrichtung 100 weist die Vorrichtung 200 in mehreren Abschnitten des Elektrodenschafts 14 Stimulationskontaktflächen 15 auf, die in den jeweiligen Abschnitten als Ringsegmente bzw. Ringabschnitte in Umfangsrichtung angeordnet sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Stimulationselektrode 11 insgesamt vier Abschnitte 17, 18, 19 und 20 auf, in denen die Stimulationskontaktflächen angeordnet sind. Anstelle von vier mit Stimulationskontaktflächen 15 belegten Abschnitten ist auch eine andere Anzahl derartiger Abschnitte vorstellbar, z. B. 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 usw.
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Die Stimulationskontaktflächen 15 können aus einem geeigneten Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise Platin/Iridium, hergestellt sein. Die Stimulationskontaktflächen 15 können eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise können sie rechteckig, quadratisch, kreisförmig ausgeführt sein oder eine andere geeignete geometrische Form aufweisen. Die Stimulationskontaktflächen 15 können wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die freiliegenden Oberflächen von Plättchen sein, die im äußeren Bereich des Elektrodenschafts 14 angeordnet sind. Alternativ können die Stimulationskontaktflächen 15 aber auch die freiliegenden Oberflächen von Metallkörpern sein, die tiefer in den Elektrodenschaft 14 hineinreichen.
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Die in 1 und 2 gezeigten Stimulationselektroden 11 weisen pro Abschnitt vier identische Stimulationskontaktflächen 15 mit gleichen Abständen voneinander auf. Alternativ ist es auch denkbar, eine beliebige Zahl von Stimulationskontaktflächen 15 pro Abschnitt vorzusehen, z. B. 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 usw. Ferner können die einzelnen Stimulationskontaktflächen 15 unterschiedliche Größen, Geometrien und Abstände voneinander aufweisen.
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Die Stimulationselektrode 11 kann einen geeigneten Durchmesser haben, z. B. im Bereich von 0,5 bis 3 mm, insbesondere etwa 1,27 mm. In letzterem Fall hat der Elektrodenschaft 14 bei einem kreisförmigen Querschnitt einen Umfang von 3,99 mm, was bedeutet, dass bei einem maximalen Abstand d1 von 10% des Umfangs benachbarte Stimulationskontaktflächen 15 nicht mehr als 0,399 mm voneinander entfernt sein dürfen.
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Die Stimulationskontaktflächen 15 können in der Richtung 16 eine beliebige Ausdehnung aufweisen, z. B. etwa 1,5 mm. Darüber hinaus kann der Abstand zwischen den einzelnen Reihen von in den Abschnitten 17 bis 20 angeordneten Stimulationskontaktflächen 15 geeignet gewählt werden. Abstände zwischen benachbarten Reihen von beispielsweise 0,5 oder 1,5 mm sind denkbar.
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Die Stimulationselektrode 11 kann so ausgestaltet sein, dass zumindest ein Teil der Stimulationskontaktflächen 15 oder aber auch jede der Stimulationskontaktflächen 15 eine eigene elektrische Zuleitung besitzt, d. h. separat von der Generatoreinheit 10 angesteuert werden kann. Dies ermöglicht es beispielsweise, benachbarte Stimulationskontaktflächen 15 mit elektrischen Potentialen so zu beaufschlagen, dass die Stimulationskontaktflächen 15 unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Als Beispiel ist in 2B gezeigt, dass eine Stimulationskontaktfläche 15 des ersten Abschnitts 17 als Kathode (erste Polarität) geschaltet ist und die beiden benachbarten Stimulationskontaktflächen 15 als Anoden (zweite Polarität). Dadurch ergibt sich das in 2B gezeigte gerichtete elektrische Feld 21, das im Wesentlichen im Bereich vor der als Kathode geschalteten Stimulationskontaktfläche 15 zu einer neuronalen Aktivierung des umgebenden Gewebes führt. Die Segmentierung der Stimulationskontaktflächen 15 in den Abschnitten 17 bis 20 ermöglicht daher eine gezielte Stimulation des die Stimulationselektrode 11 umgebenden Gewebes. Alternativ zu der oben beschriebenen Wahl von Kathode und Anode könnte die mittlere Stimulationskontaktfläche 15 als Anode (erste Polarität) und die dieser Stimulationskontaktfläche 15 benachbarten Stimulationskontaktflächen 15 als Kathoden (zweite Polarität) geschaltet sein.
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Da die neuronalen Zielstrukturen häufig einen sehr kleinen Durchmesser haben, z. B. hat die Zielstruktur Subthalamischer Nucleus (STN) beispielsweise einen Durchmesser von ca. 4 mm und eine Höhe von ca. 8 mm, kann eine Stimulation mit einer zu groß ausgelegten Stimulationskontaktfläche bereits zu einer Stimulation führen, die über den Bereich der Zielstruktur hinausgeht und zu unerwünschten Nebenwirkungen führen kann. Die segmentierten Stimulationskontaktflächen 15 der Stimulationselektrode 11 ermöglichen demgegenüber eine Stimulation in einem sehr begrenzten Gebiet.
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Darüber hinaus können mittels der Stimulationselektrode 11 verschiedene Stimulationsbereiche unabhängig voneinander und evtl. mit unterschiedlichen Stimulationssignalen stimuliert werden. Beispielhaft ist in 3 die Applikation einer Sequenz von Stimulationssignalen dargestellt. Dabei werden die Stimulationskontaktflächen 15 zumindest eines der Abschnitte 17 bis 20 sukzessive in einer rotierenden Abfolge als zentrale Kathode und jeweils benachbarte abschirmende Anoden geschaltet. Dadurch ergibt sich eine sequentielle Stimulation der umgebenden Areale.
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Aufgrund der Vielzahl der Stimulationskontaktflächen 15 ist es möglich, nicht nur elektrische Felder unterschiedlicher Richtung sondern auch unterschiedlicher Ausdehnung zu erzeugen. 4A zeigt die elektrischen Felder 21, die sich ergeben, wenn bei der Rotation der Kathode über die vier Stimulationskontaktflächen 15 nur jeweils eine Stimulationskontaktfläche 15 als Kathode beschaltet ist. Dadurch werden relativ schlanke Aktivierungsfelder erzeugt, die sich nicht überlappen. Breitere Aktivierungsfelder können erzeugt werden, indem beispielsweise jeweils zwei benachbarte Stimulationskontaktflächen 15 als Kathoden geschaltet werden. Wie in 4B gezeigt ist, wird durch eine breitere Aktivierungsfunktion eine gleichmäßigere Aktivierung des umgebenden neuronalen Gewebes erreicht, wobei Überlappungen der Aktivierungsgebiete entstehen.
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Sofern sämtliche Stimulationskontaktflächen 15 eines Abschnitts 17 bis 20 mit dem gleichen elektrischen Potential beaufschlagt werden, ergibt sich aufgrund der geringen Abstände der Stimulationskontaktflächen 15 von nicht mehr als 10% des Umfangs des jeweiligen Abschnitts 17 bis 20 ein um die Achse 16 rotationssymmetrisches elektrisches Feld 21, das beispielhaft in 5 dargestellt ist. Das so erzeugte elektrische Feld 21 ist weitgehend identisch mit dem elektrischen Feld, das von einer Stimulationselektrode erzeugt wird, die wie in 5 gezeigt Ringelektroden enthält, die sich jeweils über den gesamten Umfang der Abschnitte 17 bis 20 erstrecken.
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In den 7 bis 16 ist eine Auswahl von verschiedenen möglichen Beschaltungen der Stimulationskontaktflächen 15 als Kathode und Anode gezeigt. Dabei sind die Stimulationskontaktflächen 15 der Stimulationselektrode 11 der Vorrichtung 200 in einer zweidimensionalen Matrix dargestellt. 6A und 6B verdeutlichen die im Folgenden verwendeten Benennungen der einzelnen Stimulationskontaktflächen 15. So werden die Stimulationskontaktflächen der Abschnitte 17 bis 20 mit C0, C1, C2 bzw. C3 bezeichnet, und die Stimulationskontaktflächen eines Abschnitts werden durch die Buchstaben a, b, c bzw. d unterschieden. Ferner sind in 6B die in den 7 bis 16 verwendeten Schraffierungen für die Unterscheidung von Kathode und Anode dargestellt. Die in den 7 bis 16 nicht als Kathode oder Anode gekennzeichneten Stimulationskontaktflächen 15 sind entweder mit keinem Potential beaufschlagt oder mit einem festen Referenzpotential, beispielsweise einem Massepotential.
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In 7A und 7B ist eine unipolare Stimulation gezeigt, bei der eine oder zwei (oder mehrere) Stimulationskontaktflächen als Kathode beschaltet werden. Beispielhaft werden die Stimulationskontaktflächen C1a bzw. C0a und C1a in den 7A bzw. 7B als Kathoden zur Applikation der Stimulationssignale verwendet. Als Anode kann beispielsweise das Gehäuse der Generatoreinheit 10 dienen. Obwohl in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Stimulationskontaktfläche als Anode geschaltet ist, wird aufgrund der relativ geringen Ausdehnung der Stimulationskontaktflächen nur das Gewebe in der Umgebung der jeweils als Kathode verwendeten Stimulationskontaktflächen stimuliert.
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Eine andersartig fokussierte Stimulation wird bei einer bipolaren Applikation der Stimulationssignale bewirkt, bei welcher die der als Kathode verwendeten Stimulationskontaktfläche benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden beschaltet werden, wie dies beispielhaft in 8A bis 8C gezeigt ist. In 8A ist die Stimulationskontaktfläche C1b die Kathode, und die in der gleichen Reihe benachbarten Stimulationskontaktflächen C1a und C1c sind die Anoden. In 8B sind die in den Reihen über und unter der Kathode C1b liegenden Stimulationskontaktflächen C0b und C2b die Anoden. In 8C werden alle vier der Kathode C1b direkt benachbarten Stimulationskontaktflächen C0b, C1a, C2b und C1c als Anoden verwendet. Ferner kann bei der bipolaren Stimulation ein Masse- bzw. Referenzpotential vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise an das Gehäuse der Generatoreinheit 10 angelegt werden.
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In den 9 bis 16 sind jeweils Sequenzen von vier sukzessive applizierten Stimulationssignalen dargestellt. In den 9 und 10 wird bei der Applikation jedes Stimulationssignals jeweils eine Stimulationskontaktfläche als Kathode verwendet. Für das nachfolgende Stimulationssignal wird eine benachbarte Stimulationskontaktfläche als Kathode verwendet. Die Anode kann beispielsweise das Gehäuse der Generatoreinheit 10 sein. In 9 wird entlang einer Reihen stimuliert (Kathodensequenz: C1a, C1b, C1c, C1d) und in 10 entlang einer Spalte (Kathodensequenz: C0b, C1b, C2b, C3b).
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Die in den 11 und 12 gezeigten Stimulationssequenzen entsprechen im Wesentlichen der in 9 gezeigten Stimulationssequenz, wobei hier die der Kathode benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden beschaltet sind. In 11 werden die der Kathode in der gleichen Reihe benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden verwendet, und in 12 werden die der Kathode in der gleichen Spalte benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden verwendet.
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Die in den 13 und 14 gezeigten Stimulationssequenzen entsprechen im Wesentlichen der in 10 gezeigten Stimulationssequenz, wobei hier die der Kathode benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden beschaltet sind. In 13 werden die der Kathode in der gleichen Reihe benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden verwendet, und in 14 werden die der Kathode in der gleichen Spalte benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden verwendet.
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Die in den 15 und 16 gezeigten Stimulationssequenzen entsprechen im Wesentlichen den in 9 und 10 gezeigten Stimulationssequenzen, wobei hier alle vier der Kathode benachbarten Stimulationskontaktflächen als Anoden geschaltet sind.
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Die Vorrichtungen 100 und 200 können zur Behandlung von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen, z. B. Epilepsie, Parkinsonsche Erkrankung, Zwangserkrankungen, essentiellem Tremor, Dystonie, Tremor infolge von Multipler Sklerose sowie anderen pathologischen Tremores, Depression, Bewegungsstörungen, Kleinhirnerkrankungen, Tourette-Syndrom, Funktionsstörungen nach Schlaganfall, Spastik, Tinnitus, Schlafstörungen, Schizophrenie, Suchterkrankungen, Persönlichkeitsstörungen, Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom, Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Syndrom, Spielsucht, Neurosen, Fresssucht, Burnout-Syndrom, Fibromyalgie, Migräne, Cluster-Kopfschmerz, allgemeiner Kopfschmerz, Neuralgie, Ataxie, Tic-Störung oder Hypertonie, aber auch anderen Krankheiten verwendet werden.
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Die vorstehend genannten Krankheiten können durch eine Störung der bioelektrischen Kommunikation von Neuronenverbänden, die in spezifischen Schaltkreisen zusammengeschlossen sind, verursacht werden. Hierbei generiert eine Neuronenpopulation anhaltend krankhafte neuronale Aktivität und möglicherweise eine damit verbundene krankhafte Konnektivität (Netzwerkstruktur). Dabei bilden eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d. h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Hinzu kommt, dass die kranke Neuronenpopulation eine oszillatorische neuronale Aktivität aufweist, d. h. die Neuronen feuern rhythmisch. Im Fall von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz der krankhaften rhythmischen Aktivität der betroffenen Neuronenverbände etwa im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Bei gesunden Menschen feuern die Neuronen hingegen qualitativ anders, z. B. auf unkorrelierte Weise.
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In 17 ist die Stimulationselektrode 11 im Betrieb dargestellt. Die einzelnen Stimulationskontaktflächen eines Abschnitts sind in 17 mit den Bezugszeichen 31, 32, 33 und 34 gekennzeichnet. Während des Betriebs applizieren die Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 elektrische Stimulqationssignale an das Gehirn und/oder Rückenmark des Patienten. Mindestens eine Neuronenpopulation im Gehirn oder Rückenmark des Patienten weist eine wie vorstehend beschriebene krankhaft synchrone neuronale Aktivität auf. Die Stimulationselektrode 11 ist operativ derart im Gehirn oder im Bereich des Rückenmarks des Patienten platziert worden, dass die Stimulationssignale der krankhaft aktiven Neuronenpopulation verabreicht werden oder zumindest an Bereiche des Gehirns oder Rückenmarks, von wo aus die Stimulationssignale über das Nervensystem an die krankhaft aktive Neuronenpopulation weitergeleitet werden. Die Stimulationssignale sind so ausgestaltet, dass sie zumindest eine Senkung der Koinzidenzrate der kranken Neuronen bewirken oder gar zu einer Desynchronisation der Neuronenpopulation führen.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden der Neuronenpopulation, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische Aktivität aufweist, mittels der Stimulationselektrode 11 elektrische Stimulationssignale verabreicht, welche in der Neuronenpopulation ein Zurücksetzen, einen sogenannten Reset, der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z. B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert. Ferner ist es aufgrund der Mehrzahl von Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 möglich, die krankhafte Neuronenpopulation an unterschiedlichen Stellen zu stimulieren. Dies ermöglicht es, die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückzusetzen. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten, die in 17 schematisch dargestellt sind und mit den Bezugszeichen 41, 42, 43 und 44 gekennzeichnet sind. Innerhalb einer der Subpopulationen 41 bis 44 sind die Neuronen nach einem Zurücksetzen der Phase weiterhin synchron und feuern auch weiterhin mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen 41 bis 44 weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den Stimulationsreiz aufgezwungen wurde. Dies bedeutet, dass die neuronalen Aktivitäten der einzelnen Subpopulationen 41 bis 44 nach dem Zurucksetzen ihrer Phasen weiterhin einen in etwa sinusförmigen Verlauf mit derselben pathologischen Frequenz haben, aber unterschiedliche Phasen.
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Beispielsweise können die Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 derart auf oder in dem Hirn- oder Rückenmarkgewebe des Patienten platziert sein, dass die von der Stimulationskontaktfläche 31 applizierten Stimulationssignale die Subpopulation 41 reizen und deren neuronale Phase zurücksetzen und die von der Stimulationskontaktfläche 32 applizierten Stimulationssignale die Subpopulation 42 reizen und deren neuronale Phase zurücksetzen. Analoges gilt für die Stimulationskontaktfläche 33 bzw. 34 in Bezug auf die Subpopulation 43 bzw. 44.
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Bedingt durch die krankhafte Interaktion zwischen den Neuronen ist der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen instabil, und die gesamte Neuronenpopulation nähert sich schnell einem Zustand kompletter Desynchronisation, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern. Der gewünschte Zustand, das heißt die komplette Desynchronisation, ist somit nach der Applikation der Stimulationssignale über die Stimulationselektrode nicht sofort vorhanden, sondern stellt sich meist innerhalb weniger Perioden oder gar in weniger als einer Periode der pathologischen Frequenz ein.
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Eine Theorie zur Erklärung des Stimulationserfolgs basiert darauf, dass die letztlich gewünschte Desynchronisation durch die krankhaft gesteigerte Interaktion zwischen den Neuronen erst ermöglicht wird. Hierbei wird ein Selbstorganisationsprozess ausgenutzt, der für die krankhafte Synchronisation verantwortlich ist. Derselbe bewirkt, dass auf eine Aufteilung einer Gesamtpopulation in Subpopulationen 41 bis 44 mit unterschiedlichen Phasen eine Desynchronisation folgt.
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Darüber hinaus kann durch die elektrische Stimulation mit der Vorrichtung 100 bzw. 200 möglicherweise eine Neuorganisation der Konnektivität der gestörten neuronalen Netzwerke erzielt werden, sodass lang anhaltende therapeutische Effekte bewirkt werden können. Der erzielte synaptische Umbau ist von großer Bedeutung für die wirksame Behandlung neurologischer oder psychiatrischer Erkrankungen.
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Um durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen der Subpopulationen 41 bis 44 der krankhaft synchronen Neuronenpopulation eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation zu erzielen, kann auf verschiedene Arten vorgegangen werden. Beispielsweise können Stimulationssignale, die ein Zurücksetzen der Phase von Neuronen bewirken, zeitversetzt über die unterschiedlichen Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 an das jeweils stimulierte Nervengewebe abgegeben werden. Des Weiteren können die Stimulationssignale z. B. phasenversetzt oder mit unterschiedlicher Polarität appliziert werden, sodass sie im Ergebnis auch zu einem zeitversetzten Zurücksetzen der Phasen der unterschiedlichen Subpopulationen 41 bis 44 führen.
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Die Vorrichtung 100 bzw. 200 kann beispielsweise in einem sogenannten „open loop”-Modus betrieben werden, bei welchem die Generatoreinheit 10 vorgegebene Stimulationssignale erzeugt und diese über die Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 an das Nervengewebe abgegeben werden. Des Weiteren kann die Vorrichtung 100 bzw. 200 auch zu einem sogenanntem „closed loop”-System weitergebildet werden. In diesem Fall enthält die Vorrichtung 100 bzw. 200 zusätzlich noch eine Messeinheit, welche ein oder mehrere am Patienten aufgenommene Messsignale bereitstellt und diese an die Generatoreinheit 10 weiterleitet. Insbesondere kann mittels der Messeinheit die neuronale Aktivität in dem stimulierten Zielgebiet oder einem damit verbundenen Gebiet gemessen werden.
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Die Messeinheit kann in Form eines oder mehrerer Sensoren in den Körper des Patienten implantiert sein. Als invasive Sensoren können beispielsweise Tiefenhirnelektroden, sub- oder epidurale Hirnelektroden, subkutane EEG-Elektroden und sub- oder epidurale Rückenmarkselektroden dienen. Des Weiteren können an peripheren Nerven zu befestigende Elektroden als Sensoren eingesetzt werden. Der invasive Sensor kann beispielsweise aus ein oder mehreren Kontaktflächen der Stimulationselektrode 11 bestehen, die auch zur Applikation der Stimulationssignale eingesetzt wird.
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Zusätzlich zu den invasiven Sensoren oder alternativ dazu können auch ein oder mehrere nicht-invasive Sensoren eingesetzt werden, wie z. B. Elektroenzephalographie(EEG)-Elektroden, Magnetenzephalographie(MEG)-Sensoren und Elektromyographie(EMG)-Elektroden. Ferner kann z. B. über ein Akzelerometer die krankhaft oszillatorische Aktivität im Tremor-Frequenzbereich oder die Bewegungsarmut (im Sinne einer Verminderung der Gesamtbewegungen) gemessen werden.
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Mit Hilfe der von der Messeinheit aufgenommenen Messsignale kann eine bedarfsgesteuerte Stimulation durchgeführt werden. Hierzu detektiert die Generatoreinheit 10 anhand der von der Messeinheit aufgenommenen Messsignale das Vorhandensein und/oder die Ausprägung eines oder mehrerer krankhafter Merkmale. Beispielsweise kann die Amplitude oder der Betrag der neuronalen Aktivität gemessen werden, mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden und je nach Ergebnis des Vergleichs ein bestimmter Betriebsmodus ausgewählt werden. Die Generatoreinheit 10 kann so ausgestaltet sein, dass eine Stimulation gestartet wird, sobald der vorgegebene Schwellwert überschritten wird. Ferner kann anhand der von der Messeinheit aufgenommenen Messsignale beispielsweise die Stärke der Stimulationssignale eingestellt werden. Z. B. können ein oder mehrere Schwellwerte vorgegeben werden, und bei einem Überschreiten der Amplitude oder des Betrags der Messsignale über einen bestimmten Schwellwert wird eine bestimmte Stärke der Stimulationssignale eingestellt.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit aufgenommenen Messsignale direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten als Stimulationssignale eingesetzt werden und von der Generatoreinheit 10 in die Stimulationselektrode 11 eingespeist werden. Beispielsweise können die Messsignale verstärkt und gegebenenfalls nach mathematischer Verrechnung (z. B. nach Mischung der Messsignale) mit einer Zeitverzögerung und linearen und/oder nichtlinearen Verrechnungsschritten und Kombinationen prozessiert und in die Stimulationselektrode 11 eingespeist werden. Der Verrechnungsmodus wird hierbei so gewählt, dass der krankhaften neuronalen Aktivität entgegengewirkt wird und das Stimulationssignal mit abnehmender krankhafter neuronaler Aktivität ebenfalls verschwindet oder zumindest deutlich in seiner Stärke reduziert wird.
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Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren, das beispielsweise mit einer der Vorrichtung 100 oder 200 durchgeführt werden kann, ist in 18 schematisch dargestellt. Dort sind untereinander die über die Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 applizierten Stimulationssignale 50 gegen die Zeit t aufgetragen. Der in 18 gezeigte Zeitraum stellt einen Ausschnitt aus einem Zeitabschnitt Δt1 dar. Die dargestellte Stimulation kann bis zum Ende des Zeitabschnitts Δt1 fortgesetzt werden.
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Bei dem in 18 dargestellten Verfahren verabreicht jede der Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 das Stimulationssignal 50 periodisch an den jeweiligen Bereich des Gewebes, auf dem die Stimulationskontaktfläche 31 bis 34 platziert ist. Die Frequenz f1, mit welcher die Stimulationssignale 50 pro Stimulationskontaktfläche 31 bis 34 wiederholt werden, kann im Bereich von 1 bis 30 Hz und insbesondere im Bereich von 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 5 bis 20 Hz oder im Bereich von 10 bis 30 Hz liegen, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen.
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Gemäß der in 18 gezeigten Ausgestaltung erfolgt die Verabreichung der Stimulationssignale 50 über die einzelnen Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den einzelnen Stimulationskontaktflächen 31 bis 34. Beispielsweise kann der Beginn zeitlich aufeinander folgender und von unterschiedlichen Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 applizierten Stimulationssignale 50 um eine Zeit ΔTj,j+1 verschoben sein.
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Im Fall von N Stimulationskontaktflächen kann die zeitliche Verzögerung ΔTj,j+1 zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Stimulationssignalen 50 beispielsweise im Bereich eines N-tels der Periode 1/f1 liegen. In dem in 18 gezeigten Ausführungsbeispiel (N = 4) beträgt die Verzögerung ΔTj,j+1 dann 1/(4 × f1).
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Die Frequenz f1 kann beispielsweise im Bereich der mittleren Frequenz der krankhaft rhythmischen Aktivität des Ziel-Netzwerks liegen. Bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz typischerweise im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz, mit welcher die betroffenen Neuronen bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen synchron feuern, üblicherweise nicht konstant ist, sondern durchaus Variationen aufweisen kann und darüber hinaus bei jedem Patienten individuelle Abweichungen zeigt.
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Als Stimulationssignale 50 können beispielsweise strom- oder spannungskontrollierte Pulse verwendet werden. Ferner kann ein Stimulationssignal 50 ein wie in 19 dargestellter aus mehreren Einzelpulsen 51 bestehender Pulszug sein. Die Pulszüge 50 können jeweils aus 1 bis 100, insbesondere 2 bis 10, elektrischen ladungsbalancierten Einzelpulsen 51 bestehen. Die Pulszüge 50 werden z. B. als Sequenz mit bis zu 20 oder auch mehr Pulszügen appliziert. Innerhalb einer Sequenz werden die Pulszüge 50 mit der Frequenz f1 im Bereich von 1 bis 30 Hz wiederholt.
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Beispielhaft ist ein Pulszug 50, der aus drei Einzelpulsen 51 besteht, in 20 gezeigt. Die Einzelpulse 51 werden mit einer Frequenz f2 im Bereich von 50 bis 500 Hz, insbesondere im Bereich von 100 bis 150 Hz, wiederholt. Die Einzelpulse 51 können strom- oder spannungskontrollierte Pulse sein, die sich aus einem anfänglichen (kathodischen) Pulsanteil 52 und einem sich daran anschließenden, in entgegengesetzter Richtung fließenden (anodischen) Pulsanteil 53 zusammensetzen, wobei die Polarität der beiden Pulsanteile 52 und 53 gegenüber der in 20 gezeigten Polarität auch vertauscht werden kann. Die Dauer 54 des Pulsanteils 52 liegt im Bereich zwischen 1 μs und 450 μs. Die Amplitude 55 des Pulsanteils 52 liegt im Falle von stromkontrollierten Pulsen im Bereich zwischen 0 mA und 25 mA und im Fall von spannungskontrollierten Pulsen im Bereich von 0 bis 20 V. Die Amplitude des Pulsanteils 53 ist geringer als die Amplitude 55 des Pulsanteils 52. Dafür ist die Dauer des Pulsanteils 53 länger als die des Pulsanteils 52. Die Pulsanteile 52 und 53 sind idealerweise so dimensioniert, dass die Ladung, welche durch sie übertragen wird, bei beiden Pulsanteilen 52 und 53 gleich groß ist, d. h. die in 20 schraffiert eingezeichneten Flächen sind gleich groß. Im Ergebnis wird dadurch durch einen Einzelpuls 51 genauso viel Ladung in das Gewebe eingebracht, wie aus dem Gewebe entnommen wird.
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Die in 20 dargestellte Rechteckform der Einzelpulse 51 stellt eine ideale Form dar. Je nach der Güte der die Einzelpulse 51 erzeugenden Elektronik wird von der idealen Rechteckform abgewichen.
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Anstelle von pulsförmigen Stimulationssignalen kann die Generatoreinheit 10 beispielsweise auch anders ausgestaltete Stimulationssignale erzeugen, z. B. zeitlich kontinuierliche Reizmuster. Die oben beschriebenen Signalformen und deren Parameter sind nur beispielhaft zu verstehen. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass von den oben angegebenen Signalformen und deren Parametern abgewichen wird.
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Von dem in 18 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster kann auf unterschiedliche Art und Weise abgewichen werden. Beispielsweise braucht die zeitliche Verzögerung ΔTj,j+1 zwischen zwei aufeinander folgenden Stimulationssignalen 50 nicht notwendigerweise stets gleich groß zu sein. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Stimulationssignalen 50 unterschiedlich gewählt werden. Ferner können die Verzögerungszeiten auch während der Behandlung eines Patienten variiert werden. Auch können die Verzögerungszeiten hinsichtlich der physiologischen Signallaufzeiten adjustiert werden.
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Ferner können während der Applikation der Stimulationssignale 50 Pausen vorgesehen werden, während derer keine Stimulation erfolgt. Eine solche Pause ist beispielhaft in 21 gezeigt. Die Pausen können beliebig lang gewählt werden und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periode T1 (= 1/f1) betragen. Ferner können die Pausen nach einer beliebigen Anzahl von Stimulationen eingehalten werden. Z. B. kann eine Stimulation während n aufeinander folgender Perioden der Länge T1 durchgeführt werden und anschließend eine Pause während m Perioden der Länge T1 ohne Stimulation eingehalten werden, wobei n und m kleine ganzen Zahlen sind, z. B. im Bereich von 1 bis 10. Dieses Schema kann entweder periodisch fortgesetzt werden oder stochastisch und/oder deterministisch, z. B. chaotisch, modifiziert werden.
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Eine weitere Möglichkeit, von dem in 18 gezeigten streng periodischen Stimulationsmuster abzuweichen, besteht darin, die zeitliche Abfolge der einzelnen Stimulationssignale 50 stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastischdeterministisch zu variieren.
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Des Weiteren kann pro Periode T1 (oder auch in anderen Zeitschritten) die Reihenfolge, in welcher die Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 die Stimulationssignale 50 applizieren, variiert werden, wie dies beispielhaft in 22 gezeigt ist. Diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
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Ferner kann pro Periode T1 (oder in einem anderen Zeitintervall) nur eine bestimmte Anzahl von Stimulationskontaktflächen 31 bis 34 zur Stimulation herangezogen werden und die an der Stimulation beteiligten Stimulationskontaktflächen können in jedem Zeitintervall variiert werden. Auch diese Variation kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch-deterministisch erfolgen.
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In 23 ist die Vorrichtung 100 bzw. 200 während ihres bestimmungsgemäßen Betriebs schematisch dargestellt. Dazu ist mindestens eine Stimulationselektrode 11 in einer oder beiden Seiten des Gehirns eines Patienten implantiert worden. Die in einem oder mehreren der oben genannten Zielgebiete platzierten Stimulationselektroden 11 sind jeweils mit einem Kabel 60 über einen Konnektor 61 und ein weiterführendes Kabel 62 mit der Generatoreinheit 10 verbunden. Die verbindenden Kabel 60 und 62 sowie der Konnektor 61 sind unter der Haut implantiert. Alternativ kann statt einer wie in 23 dargestellten pektoral implantierten Generatoreinheit 10 auch ein kleinerer Generator direkt im Bohrloch implantiert werden. Dadurch kann die Infektionsrate in der Generatortasche verringert werden und Brüche der verbindenden Kabel 60 und 62 können vermieden werden. Ferner kann anstelle eines Vollimplantats auch ein Halbimplantat mit einer Funkverbindung verwendet werden. Im Falle einer „closed loop”-Stimulation enthält die Vorrichtung 100 bzw. 200 eine zusätzliche Messeinheit.
