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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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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.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Daher
ist es wünschenswert,
den Ort der Erregung in elektrisch erregbarem Gewebe ohne Verwendung
optimal beabstandeter Elektroden einstellen zu können.
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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.
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Aufgaben der Erfindung
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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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:
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1 eine
graphische Darstellung eines Patienten zeigt, in den eine bevorzugte
Form der in Übereinstimmung
mit der Erfindung angefertigten Vorrichtung zur SCS implantiert
wurde;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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9 und 10 Zeitablaufpläne zeigen, die
alternative Formen von Pulsen veranschaulichen, die auf die in 2 veranschaulichten
Elektroden aufgebracht werden; und
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11 einen
Zeitablaufplan zeigt, der eine bevorzugte Form von Pulsen veranschau licht,
die auf die in 2 gezeigten Elektroden aufgebracht
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dieser
Nutzen ist in 12–15 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.
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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 12–15 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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11 veranschaulicht
eine bevorzugte zeitliche Beziehung zwischen dem auf die Elektrode 18A aufgebrachten
Puls P7 und dem auf die Elektrode 16A aufgebrachten Puls
P8.
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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.
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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.
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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.