WO2005094669A1 - System und in ein gewebe von lebewesen implantierbare vorrichtung zur erfassung und beeinflussung von elektrischer bio-aktivität - Google Patents

System und in ein gewebe von lebewesen implantierbare vorrichtung zur erfassung und beeinflussung von elektrischer bio-aktivität Download PDF

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Klaus Pawelzik
David Rotermund
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Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting electrical bioactivity which can be implanted into a tissue of living beings and to a device which can be implanted into a tissue of living beings for influencing electrical bioactivity according to the preamble of claim 10.
  • a north direction according to the preamble of claim 1 is known from US 2003/0114769 AI and a north direction according to the preamble of claim 10 is known from WO 00/13585.
  • the known directions are quite large, so that the density of the directions in a biological system, such as in a central nervous system, is insufficient.
  • the invention is therefore based on the object of providing a miniaturization of devices for signal exchange between biological systems and devices located outside of them, such as measuring, monitoring and control devices, so-called stimulators or effectors.
  • this object is achieved in the device according to the preamble of claim 1 in that the energy receiver and the transmitter are designed for simultaneous operation and a voltage-sensitive switch is provided which is connected between the two measuring electrodes and the transmitter and for switching the
  • the transmitter is designed in such a way that the information about the temporal run or a change in the electrical bio-activity in the form of a change in one or more transmission properties of the transmitter and the information about the identity of the transmitter in the form of one or more transmission properties ( en) of the transmitter are encoded analogously.
  • the temporal run of the voltage difference in a change for example, in the transmission amplitude, wavelength, frequency, and alternatively also in the form and height of individual pulses, etc., can be coded or mapped analogously.
  • the energy receiver and the control information receiver are designed for simultaneous operation and a voltage-sensitive switch is provided which is connected between the control information receiver and the two electrodes and for the control information receiver Controlled switching of an electrical current flow from the energy receiver to the electrodes is designed, the identity of the control information receiver and the magnitude of the influence on the electrical bioactivity being coded analogously by means of frequency and / or amplitude of the control information signals.
  • the tissue can of course be a tissue inside or outside of an animal or human being.
  • they can be devices for implantation in the brain, heart and muscles, so that an application in the field of medical diagnostics, neurophysiology and in the control of prostheses is conceivable.
  • Electrical bioactivity is intended to mean the membrane tension (or its change over time) of cells, for example nerve cells.
  • the transmission property (s) is / are the transmission amplitude and / or the transmission frequency for the detection of electrical bioactivity.
  • the switch is designed such that it switches the transmitter on or off when the detected voltage difference exceeds or falls below a predeterminable voltage threshold value.
  • the transmitter comprises a closed resonant circuit, in particular for microwaves and radio waves.
  • the transmitter can comprise a photodiode, in particular for IR, UV and visible light.
  • the transmitter comprises an LED.
  • the transmitter comprises a quantum well structure.
  • it can be a quantum laser.
  • the transmitter comprises a quantum line structure.
  • At least two transmitters are advantageously provided, which can be distinguished on the basis of different analog transmission properties (transmission amplitude and / or transmission frequency). On the one hand, this allows an even higher density of the directions in a tissue and a clear identification of the transmitter without a large amount of components and signal processing.
  • the switch can be controlled by the control information receiver in such a way that a voltage pulse is generated between the electrodes. If the voltage pulse is sufficiently strong and short, surrounding cells can be stimulated to bioactivity.
  • a voltage pulse instead of a voltage pulse, a voltage curve controlled from outside the tissue is released or induced into the surrounding tissue.
  • control information receiver comprises a closed resonant circuit, in particular for micro and radio waves.
  • control information receiver comprises a photodiode, in particular for IR, UN and visible light.
  • At least two control information receivers are advantageously provided, which can be addressed separately on the basis of different analog reception properties (amplitude and / or frequency). This makes it possible to achieve an even higher density of the control information receivers and to control them separately.
  • the energy receiver advantageously comprises a closed resonant circuit, in particular for microwaves and radio waves.
  • the energy receiver comprises a photodiode, in particular for IR, UN and visible light.
  • the energy receiver comprises a piezo crystal for sound waves.
  • the voltage-sensitive switch can comprise a voltage-sensitive resistor.
  • the voltage-sensitive switch comprises a chain of open field-effect transistors.
  • the voltage-sensitive switch comprises an electro-optical switch.
  • the electro-optical switch comprises an LED and a photodiode.
  • the devices are advantageously designed as an integrated circuit (IC).
  • the entire devices with the exception of contact points of the measuring electrodes or electrodes, are advantageously provided with an electrically insulating material, in particular lacquer. This is to minimize irritation to the tissue, particularly brain tissue.
  • the measuring electrodes or electrodes are expediently designed as an extension. This should further minimize tissue irritation.
  • the measuring electrodes or electrodes can be designed as a capacitor or as an extension with a capacitor.
  • a system for detecting and / or influencing electrical bioactivity comprising at least two devices according to one of the preceding claims, which are implanted in a tissue or living being.
  • at least one energy transmission device and at least one bioactivity detection device and / or at least one bioactivity influencing device are provided outside the tissue or living being.
  • the bioactivity control sends the control information signals.
  • the invention is based on the surprising finding that by providing a voltage-sensitive switch and by designing the energy receiver and transmitter or control information receiver, with an analog coding of the information in the transmission properties (transmission amplitude and / or transmission frequency) of the transmitter or properties of the control information signals and / or the control information receiver in such a way that a temporally parallel operation of the energy receiver and the transmitter or control information receiver is possible, a miniaturization of the devices for detecting or influencing electrical bioactivity can be realized.
  • the separation of the function of the energy receiver from the function of the transmitter or control information receiver also enables unambiguous identification of the devices with one another or separate activation of the devices if only one transmitter or control information receiver is provided for each device, and unambiguous identification of transmitters or separate ones Activation of control information receiver if more than one transmitter or more than one control information receiver is provided for each implantable device.
  • Figure 1 is a schematic representation of a device for detecting electrical bioactivity according to a particular embodiment of the invention
  • FIG. 1 details of the structure of the device of Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic representation of a device for influencing electrical bioactivity according to a particular embodiment of the invention.
  • a device 10 for the detection of electrical bioactivity which can be implanted in a living being, according to a particular embodiment of the invention comprises an energy receiver 12, a voltage-sensitive switch 14, two measuring electrodes 16a and 16b, which are shown in FIG are summarized by reference numeral 16, and a transmitter 18.
  • the energy receiver 12 receives electromagnetic waves 20 from outside a tissue (not shown) and converts them into electrical energy.
  • the electrical energy is stored as electrical energy, for example in one or more capacitors (not shown), and then passed on as required, for example when the transmitter 18 is to transmit information.
  • the electrical energy received by the energy receiver 12 to be forwarded directly to the transmitter 18 without intermediate storage.
  • the voltage-sensitive switch 14 is arranged between the measuring electrodes 16 and the transmitter 18.
  • the voltage-sensitive switch 14 can be, for example, a voltage-sensitive resistor or a capacitor.
  • the device 10 is used to register the electrical bioactivity, for example of nerve tissue (not shown) in the vicinity of the measuring electrodes 16, and to transmit this information to the transmitter 18.
  • switch 14 turns transmitter 18 on.
  • the transmitter 18 will be influenced by the switch 14 in such a way that the voltage change detected in the surrounding nerve tissue by means of the measuring electrodes 16 can be taken from the information transmission signal of the transmitter 18.
  • the task of the transmitter 18 is to convert electrical current from the energy receiver 12 into electromagnetic waves 22.
  • the electromagnetic waves contain information about, for example, action potentials or changes in voltage differences, which are detected by means of the measuring electrodes 16, and thus supply an information transmission signal.
  • the transmitter 18 comprises an open resonant circuit (not shown). If more than one such device or more than one transmitter are used, these can be designed to be distinguishable, for example, by different wavelengths or pulsed signals.
  • the device 10 can be manufactured as an integrated circuit (IC) and by nano / microsystem technology.
  • the device 10 comprises a head region 24, in which the energy receiver 12, the voltage-sensitive switch 14 and the transmitter 18 are located on a board-like structure 26, and an extension 28, which is thin and is located away from the head region 24 stretched away.
  • Said extension has the two measuring electrodes 16a and 16b each with a contact point 30 and 32, respectively. Except for these contact points 30 and 32, the complete device 10 is provided with an electrically insulating lacquer (not shown).
  • the lacquer should have properties such that irritation of the surrounding tissue (not shown) is reduced.
  • the device 10 advantageously has barbs (not shown) in order to prevent them from slipping.
  • the extension 28 should advantageously have no components.
  • a plurality of such devices 10 can be placed close to one another and at variable intervals and yet stationary in a tissue, such as in the brain.
  • the device 10 enables a timely detection, for example, of the activity of nerve cells and the transmission of a corresponding information signal from the transmitter 18.
  • the device 34 shown in FIG. 3 for influencing electrical bioactivity comprises an energy receiver 12, a voltage-sensitive switch 14, two electrodes, which are combined with the reference symbol 36, and a control information receiver 38.
  • the energy receiver 12 receives electromagnetic waves 20 from outside and converts them into electrical energy.
  • This absorbed energy can be stored as electrical energy, for example, in one or more condenser (s) (not shown) and then passed on when required, for example if the electrical bioactivity of a tissue or living being is to be influenced.
  • the absorbed electrical energy is passed on directly to the electrodes 36 without intermediate storage.
  • energy is supplied by the body's own metabolism.
  • the control information receiver receives control information in the form of electromagnetic waves 40 and converts it into electrical current. This current is used to control the voltage sensitive switch 14. If more than one device 34 or more than one control information receiver 38 is used, it can be provided that the control information receiver 38 is designed such that it responds, for example, only to a very specific wavelength of the electromagnetic waves 40 that is different from the others.
  • the voltage sensitive switch 14 can be a resistor or a capacitor, for example. It is controlled by a control signal from the control information receiver 38 in order to control a current flow from the energy receiver 12 to the electrodes 36 in the tissue, for example by converting the control signal into a resistance value.
  • the control signal depends on the control information transmitted by means of the electromagnetic waves 40.
  • a plurality of energy receivers 12, voltage-sensitive switches 14 and control information receivers 38 can also be present in one device 34, so that, for example, the local bioactivity can be influenced spatially.
  • the density of devices 34 is limited by the separability of the various control signals, the various control information receivers, and the size of devices 34.
  • Devices for influencing electrical bio-activity have a wireless

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Abstract

In Gewebe von Lebewesen implantierbare Vorrichtungen zur Erfassung und Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität, und ein System zur Erfassung und/oder Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität, umfassend mindestens zwei derartige Vorrichtungen.

Description

SYSTEM UND IN EIN GEWEBE VON LEBEWESEN IMPLANTIERBARE VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG UND BEEINFLUSSUNG VON ELEKTRISCHER BIO-AKTIVITÄT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine in ein Gewebe von Lebewesen implantierbare Vorrichtung zur Erfassung von elektrischer Bio-Aktivität gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine in ein Gewebe von Lebewesen implantierbare Norrichtung zur Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Eine Norrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US 2003/0114769 AI und eine Norrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 ist aus der WO 00/13585 bekannt. Die bekannten Norrichtungen sind jedoch recht groß, so dass die Dichte der Norrichtungen in einem biologischen System, wie zum Beispiel in einem zentralen Nervensystem, unzureichend ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Miniaturisierung von Einrichtungen für den Signalaustausch zwischen biologischen Systemen und außerhalb davon befindlichen Geräten, wie zum Beispiel Meß-, Überwachungs- und Steuergeräten, sogenannten Stimulatoren oder Effektoren, zu liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Norrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß der Energieempfänger und der Sender für einen zeitlich parallelen Betrieb gestaltet sind und ein spannungssensitiver Schalter vorgesehen ist, der zwischen den beiden Meßelektroden und dem Sender angeschlossen und zum Schalten des Senders in einer Weise, derart gestaltet ist, daß die Information über den zeitlichen Nerlauf oder eine Änderung der elektrischen Bio-Aktiviät in Form einer Änderung einer oder mehrerer Sendeeigenschaften des Senders und die Information über die Identität des Senders in Form von einer oder mehreren Sendeeigenschaft(en) des Senders analog kodiert werden. Beispielsweise kann dadurch der zeitliche Nerlauf der Spannungsdifferenz in eine Änderung zum Beispiel der Sendeamplitude, -Wellenlänge, -frequenz, sowie alternativ auch in der Form und Höhe von einzelnen Pulsen etc., analog kodiert bzw. abgebildet werden.
Weiterhin wird diese Aufgabe bei der Norrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 dadurch gelöst, daß der Energieempfänger und der Steuerinformationsempfänger für einen zeitlich parallelen Betrieb gestaltet sind und ein spannungssensitiver Schalter vorgesehen ist, der zwischen dem Steuerinformationsempfänger und den beiden Elektroden angeschlossen ist und zum vom Steuerinformationsempfanger gesteuerten Schalten eines elektrischen Stromflusses vom Energieempfänger zu den Elektroden gestaltet ist, wobei die Identität des Steuerinforaiationsempfangers und Größe der Beeinflussung der elektrischen Bio-Aktivität mittels Frequenz und/oder Amplitude der Steuerinformationssignale analog kodiert sind.
Bei dem Gewebe kann es sich selbstverständlich um ein Gewebe innerhalb oder außerhalb eines tierischen oder menschlichen Lebewesens handeln. Insbesondere kann es sich um Norrichtungen zur Implantation im Gehirn, Herz und in der Muskulatur handeln, so dass damit eine Anwendung im Bereich der medizinischen Diagnostik, der Νeurophysiologie und bei der Steuerung von Prothesen denkbar ist.
Mit elektrischer Bio-Aktivität soll die Membranspannung (bzw. deren zeitliche Änderung) von Zellen, beispielsweise Nervenzellen, gemeint sein.
Insbesondere kann bei der Norrichtung zur Erfassimg von elektrischer Bio-Aktivität vorgesehen sein, daß die Sendeeigenschaft(en) die Sendeamplitude und/oder die Sendefrequenz ist/sind. Bei der Vorrichtung zur Erfassung von elektrischer Bio-Aktivität kann vorgesehen sein, daß der Schalter derart gestaltet ist, daß er den Sender ein- bzw. ausschaltet, wenn die erfaßte Spannungsdifferenz einen vorab festlegbaren Spannungsschwellenwert über- bzw. unterschreitet. Dadurch läßt sich das Norliegen eines Aktionspotentials, das heißt eine sprunghafte Änderung einer Membranspannung, wie insbesondere bei Nervenzellen innerhalb und außerhalb des Gehirns, detektieren und weiterleiten. Der Schalter wirkt dann wie ein 1- Bit-Schalter.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der Sender einen geschlossenen Schwingkreis, insbesondere für Mikro- und Radiowellen, umfaßt.
Alternativ kann der Sender eine Photodiode, insbesondere für IR-, UV- und sichtbares Licht, umfassen.
Wiederum alternativ kann vorgesehen sein, daß der Sender eine LED umfaßt.
Auch ist denkbar, daß der Sender eine Quantenwell-Struktur umfaßt. Beispielsweise kann es sich um einen Quanten-Laser handeln.
Ebenfalls ist denkbar, daß der Sender eine Quantenline-Struktur umfaßt.
Günstigerweise sind mindestens zwei Sender vorgesehen sind, die aufgrund unterschiedlicher analoger Sendeeigenschaften (Sendeamplitude und/oder Sendefirequenz) unterscheidbar sind. Dadurch kann zum einen eine noch höhere Dichte der Norrichtungen in einem Gewebe sowie eine eindeutige Identifikation der Sender ohne einen großen Bauteile- und Signalverarbeitungsaufwand erzielt werden. Bei der Norrichtung zur Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität, die auch als Mikroeffektor bzw. -stimulator bezeichnet werden kann, kann vorgesehen sein, daß der Schalter derart vom Steuerinformationsempfänger ansteuerbar ist, daß ein Spannungspuls zwischen den Elektroden erzeugt wird. Wenn der Spannungspuls ausreichend stark und kurz ist, lassen sich damit umgebende Zellen zur Bio-Aktivität reizen. Selbstverständlich ist aber auch denkbar, daß anstelle eines Spannungspulses ein von außerhalb des Gewebes gesteuerter Spannungsverlauf in das umgebende Gewebe abgegeben bzw. induziert wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Steuerinformationsempfänger einen geschlossenen Schwingkreis, insbesondere für Mikro- und Radio wellen, umfaßt.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß der Steuerinformationsempfänger eine Photodiode, insbesondere für IR-, UN- und sichtbares Licht, umfaßt.
Günstigerweise sind mindestens zwei Steuerinfoπnationsempfanger vorgesehen, die aufgrund unterschiedlicher analoger Empfangseigenschaften (Amplitude und/oder Frequenz) getrennt ansprechbar sind. Dadurch wird eine noch höhere Dichte der Steuerinformationsempfänger und eine getrennte Ansteuerung derselben erzielbar.
Günstigerweise umfaßt der Energieempfänger einen geschlossenen Schwingkreis, insbesondere für Mikro- und Radiowellen.
Alternativ kann vorgesehen sein daß der Energieempfänger eine Photodiode, insbesondere für IR-, UN- und sichtbares Licht, umfaßt.
Wiederum alternativ kann vorgesehen sein, daß der Energieempfänger einen Piezokristall für Schallwellen umfaßt. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann der spannungssensitive Schalter einen spannungssensitiven Widerstand umfassen.
Alternativ kann vorgesehen sein, der spannungssensitive Schalter eine Kette offener Feldeffekt-Transistoren umfaßt.
Wiederum alternativ ist denkbar, daß der spannungssensitive Schalter einen elektrooptischen Schalter umfaßt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß der elektro-optische Schalter eine LED und eine Photodiode umfaßt.
Günstigerweise sind die Vorrichtungen als integrierter Schaltkreis (IC) ausgebildet.
Vorteilhafterweise sind die gesamten Vorrichtungen mit Ausnahme von Kontaktstellen der Meßelektroden bzw. Elektroden mit einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Lack, versehen. Dadurch soll eine Reizung des Gewebes, insbesondere Hirn-Gewebes, minimiert werden.
Günstigerweise sind die Meßelektroden bzw. Elektroden als ein Ausläufer ausgebildet. Dadurch sollen Gewebereizungen weiter minimiert werden.
Alternativ können die Meßelektroden bzw. Elektroden als ein Kondensator oder als Ausläufer mit Kondensator ausgebildet sein.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein System zur Erfassung und/oder Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität, umfassend mindestens zwei Vorrichtungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, die in ein Gewebe bzw. Lebewesen implantiert sind, vorgeschlagen. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß außerhalb des Gewebes bzw. Lebewesens mindestens eine Energiesendeeinrichtung und mindestens eine Bioaktivitätserfassungseinrichtung und/oder mindestens eine Bioaktivitätsbeeinflussungs- einrichtung vorgesehen sind. Die Bioaktivitätsbeeinflussung sendet die Steuerinformationssignale.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch das Vorsehen eines spannungssensitiven Schalters sowie durch Gestaltung von Energieempfänger und Sender bzw. Steuerinformationsempfänger, mit einer analogen Kodierung der Information in den Sendeeigenschaften (Sendeamplitude und/oder Sendefrequenz) des Senders bzw. Eigenschaften der Steuerinformationssignale und/oder des Steuerinformationsempfängers in der Weise, daß ein zeitlich paralleler Betrieb des Energieempfangers und des Senders bzw. Steuerinformationsempfängers möglich ist, eine Mmiaturisierung der Vorrichtungen zur Erfassung bzw. Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität realisierbar ist. Die Trennung der Funktion des Energieempfangers von der Funktion des Senders bzw. Steuerinformationsempfängers ermöglicht darüber hinaus eine eindeutige Identifikation der Vorrichtungen untereinander bzw. getrennte Ansteuerung der Vorrichtungen, wenn je Vorrichtung nur ein Sender bzw. Steuerinformationsempfänger vorgesehen ist, und eindeutige Identifikation von Sendern bzw. getrennte Ansteuerung von Steuerinformationsempfänger, wenn je implantierbare Vorrichtung mehr als ein Sender bzw. mehr als ein Steuerinformationsempfänger vorgesehen ist.
Da zudem, unter anderem auf Grund der Verwendung der Sendeeigenschaften des Senders bzw. Eigenschaften der Steuerinformationssignale (Amplitude und oder Frequenz) und/oder des Steuerinformationsempfängers für eine analoge Kodierung der übertragenen Information eine äußerst geringe Anzahl an Baugruppen an der Signalverarbeitung beteiligt ist, sind die erfmdungsgemäßen Vorrichtungen äußerst reaktionsschnell und ermöglichen sie somit eine noch zeitnähere Erfassung bzw. Beeinflussung der elektrischen Bio-Aktivität. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der zwei Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung von elektrischer Bio-Aktivität gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 Details der Struktur der Vorrichtung von Figur 1 ; und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung.
Wie sich aus den Figuren 1 und 2 ergibt, umfaßt eine in ein Lebewesen implantierbare Vorrichtung 10 zur Erfassimg von elektrischer Bio-Aktivität gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung einen Energieempfänger 12, einen spannungssensitiven Schalter 14, zwei Meßelektroden 16a und 16b, die in Figur 1 durch das Bezugszeichen 16 zusammengefaßt sind, und einen Sender 18. Der Energieempfänger 12 empfängt von außerhalb eines Gewebes (nicht gezeigt) elektromagnetische Wellen 20 und wandelt diese in elektrische Energie um. Die elektrische Energie wird im vorliegenden Beispiel als elektrische Energie, zum Beispiel in einem oder mehreren Kondensator(en) (nicht gezeigt), gespeichert und dann bei Bedarf, zum Beispiel wenn der Sender 18 Informationen übertragen soll, weitergegeben. Alternativ ist auch denkbar, daß die vom Energieempfanger 12 empfangene elektrische Energie direkt ohne Zwischenspeichern an den Sender 18 weitergeleitet wird. Selbstverständlich ist grundsätzlich auch daran denkbar, daß statt über den Energieempfänger 12 eine Energieversorgung durch einen körpereigenen Stoffwechsel erfolgt. Der spannungssensitive Schalter 14 ist zwischen den Meßelektroden 16 und dem Sender 18 angeordnet. Bei dem spannungssensitiven Schalter 14 kann es sich beispielsweise um einen spannungssensitiven Widerstand oder um einen Kondensator handeln.
Mittels der Vorrichtung 10 soll die elektrische Bio- Aktivität zum Beispiel von Nervengewebe (nicht gezeigt) in der Umgebung der Meßelektroden 16 registriert und diese Information an den Sender 18 weitergeleitet werden. Wenn die Spannungsdifferenz im Nervengewebe einen bestimmten Spannungsdifferenzschwellenwert erreicht, schaltet der Schalter 14 den Sender 18 ein. Im Falle eines Kondensators als spannungssensitiver Schalter 14 wird der Sender 18 vom Schalter 14 so beeinflußt werden, daß die mittels der Meßelektroden 16 in dem umgebenden Nervengewebe erfaßte Spannungsänderung dem Informationsübertragungssignal des Senders 18 entnommen werden kann.
Die Aufgabe des Senders 18 besteht darin, elektrischen Strom vom Energieempfänger 12 in elektromagnetische Wellen 22 umzuwandeln. Die elektromagnetischen Wellen enthalten Informationen über zum Beispiel Aktionspotentiale bzw. Änderungen von Spannungsdifferenzen, die mittels der Meßelektroden 16 erfaßt werden, und liefern somit ein Informationsübertragungssignal, n vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt der Sender 18 einen offenen Schwingkreis (nicht gezeigt). Wenn mehr als eine derartige Vorrichtung bzw. mehr als ein Sender eingesetzt werden, so können diese zum Beispiel durch unterschiedliche Wellenlängen bzw. gepulste Signale unterscheidbar gestaltet werden.
Prinzipiell können auch mehrere Energieempfänger, spannungssensitive Schalter und Sender auf einer derartigen Vorrichtung zur Erfassung von elektrischer Bio-Aktivität vorhanden sein. Dadurch lassen sich zum Beispiel Informationen über die räumliche Verteilung der lokalen Bio-Aktivität erhalten (zum Beispiel Tetroden). Die Dichte der Vorrichtungen wird dabei im wesentlichen von der Trennbarkeit der verschiedenen Informationssignale der Sender (mit zum Beispiel unterschiedlichen Wellenlängen) und von der Fertigungsgröße der Vorrichtungen begrenzt. Die Vorrichtung 10 kann als integrierter Schaltkreis (IC) und durch Nano- /Mikrosystemtechnik gefertigt sein.
Wie sich aus Figur 2 ergibt, umfaßt die Vorrichtung 10 einen Kopfbereich 24, in dem sich auf einer platinenartigen Struktur 26 der Energieempfänger 12, der spannungssensitive Schalter 14 und der Sender 18 befinden, und einen Ausläufer 28, der dünn ist und sich vom Kopfbereich 24 weg langerstreckt. Besagter Ausläufer weist die beiden Meßelektroden 16a und 16b jeweils mit einer Kontaktstelle 30 bzw. 32 auf. Bis auf diese Kontaktstellen 30 und 32 ist die komplette Vorrichtung 10 mit einem elektrisch isolierenden Lack (nicht gezeigt) versehen. Der Lack sollte derartige Eigenschaften aufweisen, daß eine Reizung des umgebenden Gewebes (nicht gezeigt) reduziert wird. Günstigerweise weist die Vorrichtung 10 Widerhaken (nicht gezeigt) auf, um ein Verrutschen derselben zu vermeiden. Vorteilhafterweise sollte der Ausläufer 28 abgesehen von den Meßelektroden 16a und 16b sowie Kontaktstellen 30 und 32 keine Bauteile aufweisen.
Es können mehrere derartige Vorrichtungen 10 dicht nebeneinander und in variablen Abständen und dennoch ortsfest in einem Gewebe, wie zum Beispiel im Gehirn, plaziert werden.
Mit der Vorrichtung 10 ist eine zeitnahe Erfassung zum Beispiel der Aktivität von Nervenzellen und Aussendung eines entsprechenden Informationssignals vom Sender 18 möglich.
Wenn mehrere derartige Vorrichtungen 10 verwendet werden, kann zum Beispiel eine Frequenz für die elektromagnetischen Wellen zur Energieversorgung sowie eine eigene Frequenz (ein eigener Kanal) für die vom Sender 18 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen je Vorrichtung verwendet werden. Dadurch ist eine zumindest nahezu kontinuierliche Informationsübertragung von jeder Vorrichtung zur Außenwelt, das heißt ohne Sendepause und nahezu ohne Reaktionszeit möglich. Die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung 34 zur Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität umfaßt einen Energieempfänger 12, einen spannungssensitiven Schalter 14, zwei Elektroden, die mit dem Bezugszeichen 36 zusammengefaßt sind, und einen Steuerinformationsempfanger 38.
Genau wie bei der Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2 empfängt der Energieempfänger 12 elektromagnetische Wellen 20 von außerhalb und wandelt er diese in elektrische Energie um. Diese aufgenommene Energie kann als elektrische Energie zum Beispiel in einem oder mehreren Kondensator(en) (nicht gezeigt) gespeichert und dann bei Bedarf, zum Beispiel wenn eine Beeinflussung der elektrischen Bio-Aktivität eines Gewebes bzw. Lebewesens vorgenommen werden soll, weitergegeben werden. Alternativ ist auch denkbar, daß die aufgenommene elektrische Energie direkt ohne Zwischenspeichern an die Elektroden 36 weitergeleitet wird. Es ist auch alternativ denkbar, daß eine Energieversorgung durch den körpereigenen Stoffwechsel erfolgt.
Der Steuerinformationsempfänger empfängt Steuerinformationen in Form von elektromagnetischen Wellen 40 und wandelt diese in elektrischen Strom um. Dieser Strom wird zur Steuerung des spannungssensitiven Schalters 14 verwendet. Bei der Verwendung von mehr als einer Vorrichtung 34 bzw. von mehr als einem Steuerinformationsempfänger 38 kann vorgesehen sein, daß die Steuerinformationsempfänger 38 so gestaltet sind, daß sie zum Beispiel nur auf eine ganz bestimmte, von den anderen verschiedene Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen 40 anspricht.
Der spannungssensitive Schalter 14 kann zum Beispiel ein Widerstand oder ein Kondensator sein. Er wird durch ein Steuersignal des Steuerinformationsempfängers 38 angesteuert, um einen Stromfluß vom Energieempfänger 12 zu den Elektroden 36 im Gewebe zu steuern, zum Beispiel durch die Umsetzung des Steuersignals in einen Widerstandswert. Das Steuersignal hängt dabei von den mittels der elektromagnetischen Wellen 40 übermittelten Steuerinformationen ab. Prinzipiell können auch mehrere Energieempfänger 12, spannungssensitive Schalter 14 und Steuerinformationsempfänger 38 bei einer Vorrichtung 34 vorhanden sein, so daß zum Beispiel die Beeinflussung der lokalen Bio- Aktivität räumlich erfolgen kann.
Die Dichte der Vorrichtungen 34 wird von der Trennbarkeit der verschiedenen Steuersignale, der verschiedenen Steuerinformationsempfänger und von der Größe der Vorrichtungen 34 beschränkt.
Sowohl die Vorrichtung zur Erfassung von elektrischer Bio-Aktivität als auch die
Vorrichtung zur Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität weisen eine drahtlose
Energiezufuhr, drahtlose Steuersignalübertragung und kleine Abmessungen auf und ermöglichen eine hohe Dichte an Erfassungs- bzw. Beeinflussungspunkten.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Ansprüche
1. In ein Gewebe von Lebewesen implantierbare Vorrichtung (10) zur Erfassung von elektrischer Bio- Aktivität, umfassend mindestens:
- zwei Meßelektroden (16) zur Erfassimg einer Spannungsdifferenz in einem Gewebe bzw. Lebewesen,
- einen Sender (18), der zur Informationsübertragung nach außerhalb vom Gewebe bzw. Lebewesen zum kabellosen Senden von Informationen über die elektrische Bio- Aktivität anhand der mittels der Meßelektroden (16) erfaßten Spannungsdifferenz gestaltet ist, und
- einen Energieempfänger (12), der zur Versorgung des Senders (18) mit elektrischer Energie von außerhalb des Gewebes bzw. Lebewesens zum kabellosen Empfangen von Energie gestaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieempfänger (12) und der Sender (18) für einen zeitlich parallelen Betrieb gestaltet sind und ein spannungssensitiver Schalter (14) vorgesehen ist, der zwischen den beiden Meßelektroden (16) und dem Sender (18) angeschlossen und zum Schalten des Senders (18) in einer Weise gestaltet ist, daß die Information über den zeitlichen Verlauf oder eine Änderung der elektrischen Bio-Aktiviät in Form einer Änderung einer oder mehrerer Sendeeigenschaften des Senders (18) und die Information über die Identität des Senders (18) in Form von einer oder mehreren Sendeeigenschaft(en) des Senders (18) analog kodiert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeigenschaft(en) die Sendeamplitude und/oder die Sendefrequenz ist/sind.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (14) derart gestaltet ist, daß er den Sender (18) ein- bzw. ausschaltet, wenn die erfaßte Spannungsdifferenz einen vorab festlegbaren Spannungsschwellenwert über- bzw. unterschreitet.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) einen geschlossenen Schwingkreis, insbesondere für Mikro- und Radiowellen, umfaßt.
5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) eine Photodiode, insbesondere für IR-, UN- und sichtbares Licht, umfaßt.
6. Norrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) eine LED umfaßt.
7. Norrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) eine Quantenwell-Struktur umfaßt.
8. Norrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) eine Quantenline-Struktur umfaßt.
9. Norrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Sender (18) vorgesehen sind, die aufgrund unterschiedlicher Sendeeigenschaften unterscheidbar sind.
0. In ein Gewebe von Lebewesen implantierbare Norrichtung (34) zur Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität, umfassend mindestens:
- zwei Elektroden (36) zum Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Gewebe bzw. Lebewesen zur Beeinflussung der elektrischen Bio-Aktivität,
- einen Energieempfänger (12), der zur Versorgung der zwei Elektroden (36) mit elektrischer Energie von außerhalb des Gewebes bzw. Lebewesens zum kabellosen Empfangen von Energie gestaltet ist, und
- einen Steuerinformationsempfänger (38), der zum kabellosen Empfangen von Steuerinformationssignalen von außerhalb des Gewebes bzw. Lebewesens für eine Beeinflussung der elektrischen Bio-Aktivität gestaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Energieempfänger (12) und der Steuerinformationsempfänger (38) für einen zeitlich parallelen Betrieb gestaltet sind und ein spannungssensitiver Schalter (14) vorgesehen ist, der zwischen dem Steuerinformationsempfänger (38) und den beiden Elektroden (36) angeschlossen ist und zum vom Steuerinformationsempfänger (38) gesteuerten Schalten eines elektrischen Stromflusses vom Energieempfänger (12) zu den Elektroden (36) gestaltet ist,
wobei die Identität des Steuerinformationsempfangers und Größe der Beeinflussung der elektrischen Bio-Aktivität mittels Frequenz und/oder Amplitude der Steuerinformationssignale analog kodiert sind.
11. Vorrichtung (34) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (14) derart vom Steuerinformationsempfänger (38) ansteuerbar ist, daß ein Spannungspuls zwischen den Elektroden erzeugt wird.
12. Vorrichtung (34) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerinformationsempfänger (38) einen geschlossenen Schwingkreis, insbesondere für Mikro- und Radiowellen, umfaßt.
13. Vorrichtung (34) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerinformationsempfänger (38) eine Photodiode, insbesondere für IR-, UV- und sichtbares Licht, umfaßt.
14. Vorrichtung (10, 34) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Steuerinformationsempfanger vorgesehen sind, die aufgrund unterschiedlicher Empfangseigenschaften getrennt ansprechbar sind.
15. Vorrichtung (10, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieempfänger (12) einen geschlossenen Schwingkreis, insbesondere für Mikro- und Radiowellen, umfaßt.
16. Vorrichtung (10, 34) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieempfänger (12) eine Photodiode, insbesondere für IR-, UV- und sichtbares Licht, umfaßt.
17. Vorrichtung (10, 34) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieempfänger (12) einen Piezokristall für Schallwellen umfaßt.
18. Vorrichtung (10, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungssensitive Schalter (14) einen spannungssensitivem Widerstand umfaßt.
19. Vorrichtung (10, 34) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungssensitive Schalter (14) eine Kette offener Feldeffekt- Transistoren umfaßt.
20. Vorrichtung (10, 34) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungssensitive Schalter (14) einen elektrooptischen Schalter umfaßt.
21. Vorrichtung (10, 34) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeiclmet, daß der elektrooptische Schalter eine LED und eine Photodiode umfaßt.
22. Vorrichtung (10, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als integrierter Schaltkreis (IC) ausgebildet ist.
23. Vorrichtung (10, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme von Kontaktstellen der Meßelektroden (16) bzw. Elektroden (36) die gesamte Vorrichtung (10, 34) mit einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Lack, versehen ist.
24. Vorrichtung (10, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (16) bzw. Elektroden (36) als ein Ausläufer (28) ausgebildet sind.
25. Vorrichtung (10, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (16) bzw. Elektroden (36) als ein Kondensator oder als Ausläufer mit Kondensator (28) ausgebildet sind.
26. System zur Erfassung und oder Beeinflussung von elektrischer Bio-Aktivität, umfassend mindestens zwei Vorrichtungen (10 und/oder 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die in ein Gewebe bzw. Lebewesen implantiert sind.
27. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Gewebes bzw. Lebewesens mindestens eine Energiesendeeinrichtung und mindestens eine Bioaktivitätserfassungseinrichtung und/oder mindestens eine Bioaktivitätsbeeinflussungseinrichtung vorgesehen sind.
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