DE60122028T2 - Elektronisches Stimulationsimplantat - Google Patents

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DE60122028T2
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Mohamad Sawan
Mostafa Elhilali
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36007Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of urogenital or gastrointestinal organs, e.g. for incontinence control

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Funktionsstörungen des unteren Harntraktes und Vorrichtungen zur Behebung derselben, und genauer einen implantierbaren elektronischen Stimulator, um eine Detrusor-Sphinkter-Dyssynergie zu verhindern und die Detrusorhyperreflexie zu reduzieren, um Dringlichkeit und Häufigkeit der Blasenentleerung zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter einen Schaltkreis zum Messen eines Elektroden-Gewebe-Kontaktwiderstandes und der Rückmeldung darauf durch Übermitteln des Impedanzwertes oder Zustandes an eine externe Implantat-Steuerung oder zum Regeln einer Amplitude des von dem Implantat erzeugten Stroms.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Normales Kontrollieren und Entleeren der Blase sind das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen der weichen Muskulatur, der gestreiften Muskulatur, zerebraler Unterdrückung und des autonomen Nervensystems (ANS). Diese Wechselwirkungen werden im Folgenden anhand der 1 beschrieben.
  • Die Blase B ist eine dehnbare Kammer, die von der Muskulatur des Beckenbodens begrenzt wird, die eine Wand aus dem glatten Detrusor-Muskel M enthält, die Dehnungsrezeptoren enthält, die mit parasympathischen Neuronen P der autonomen Nervenfasern A innerviert werden. Der Boden der Blase B, der sogenannte innere Harnröhrensphinkter I, ist Teil des Detrusor-Muskels M und öffnet sich automatisch bei einer Kontraktion der Blase B. Ein äußerer Harnröhrensphinkter-Skelettmuskel E umgibt die Harnröhre U am Blasenausgang und wird von somatischen Neuronen S innerviert. Die Nerven, die den Detrusor-Muskel steuern, steuern auch den äußeren Harnröhrensphinkter E. Die somatischen Nervenfasern S und die autonomen Nervenfasern A stammen aus den Sakralsegmenten S2, S3 und S4 in einer Dorsalwurzel D und einer vorderen Spinalwurzel V. Die Dorsalwurzel D leitet Empfindungen von der Blase B zum Rückenmark, während die vordere Spinalwurzel V Impulse vom Rückenmark zur Blase B leitet. Die vordere Spinalwurzel V setzt sich aus somatischen A-Alpha-Fasern zusammen, die den externen Harnröhrensphinkter E innervieren, und aus parasympathischen A-Delta-Fasern, die den Detrusor-Muskel M innervieren. Das sympathische System spielt insbesondere im Bereich des Blasenhalses und der proximalen Harnröhre eine Rolle bei Kontinenz, was den Blasenentleerungswiderstand erhöht.
  • Beim Urinieren oder bei der Blasenentleerung handelt es sich um einen spinalen Reflex unter Einbeziehung der neurologischen Kontrolle in der Blasenwand oder im äußeren Sphinkter, im autonomen Zentrum des Rückenmarks und im zentralen Nervensystem (ZNS) in der Höhe des pontinen Miktionszentrums (PMC) im Großhirn, das von der Großhirnrinde gesteuert wird.
  • Ist die Blase leer, ist der Detrusor-Muskel entspannt, die Dehnungsrezeptoren sind passiv und der äußere Harnröhrensphinkter ist kontrahiert und geschlossen. Die Blase dehnt sich aus, während sie sich mit Harn aus den Nieren füllt, und die Dehnungsrezeptoren werden bis zu einer Schwelle angeregt. Die Dehnungsrezeptoren stimulieren Neuronen zum Sakralmark in einem spinalen Reflexbogen. Die Dehnungsrezeptoren stimulieren auch die parasympathischen Neuronen über einen aufsteigenden Weg zum PMC. Die Großhirnrinde erzeugt durch das PMC Impulse über einen absteigenden Weg, um den spinalen Reflexbogen zu unterdrücken.
  • Die Blasenentleerung wird willkürlich durch Unterbrechung des absteigenden Wegs von der Großhirnrinde eingeleitet, die die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters unterdrückt, wodurch mit dem afferenten Weg von den Blasendehnungsrezeptoren zur. Großhirnrinde zusammengearbeitet wird, was zur Entspannung des äußeren Harnröhrensphinkters, einer Kontraktion des Detrusor-Muskels führt und die Blasenentleerung auslöst. Die Blasenentleerung wird durch Aktivieren des absteigenden Wegs von der Großhirnrinde verzögert, was die Kontraktion des Detrusor-Muskels hemmt und die Kontraktion des äußeren Sphinkters stimuliert, wodurch der aufsteigende Weg von den Blasendehnungsrezeptoren zur Großhirnrinde außer Kraft gesetzt wird.
  • Eine Dysfunktion des unteren Harntraktes, etwa eine neurogene Blasendysfunktion zeigt sich durch teilweise oder vollständige Restharnbildung, Inkontinenz oder häufige Blasenentleerung. Häufige damit verbundene Probleme sind Harnwegsinfektionen, Nierensteine, Nierenschäden, Detrusor-Sphinkter-Dyssynergie oder eine gleichzeitige Kontraktion des Detrusor-Muskels und des äußeren Harnröhrensphinkters, was zu überhöhtem Blasendruck, Inkontinenz und schließlich Nierenversagen führt. Ursachen für eine neurogene Blasendysfunktion können sein: (1) kongenitale Anomalien, etwa Myelomeningocele, Filum-terminale-Syndrom und andere Verletzungen des Rückmarks und der Cauda equina, (2) Erkrankungen wie Syphilis, Diabetes Mellitus, Hirn- oder Rückmarktumore, zerebrovaskuläre Erkrankungen, Bandscheibenvorfall und Demyelinisierung oder degenerative Erkrankungen, etwa Multiple Sklerose und amyotrophische Lateralsklerose, oder (3) Verletzungen des Hirns, des Rückmarks oder der lokalen Nervenversorgung der Blase und ihres Ausgangs, etwa bei der Querschnittlähmung und Durchtrennung des Rückenmarks.
  • Die häufigste Ursache für eine schwere neurogene Blasendysfunktion ist die Verletzung des Rückenmarks (RMV) oder eine Durchtrennung, die zu einer Querschnittlähmung oder Tetraplegie führen. Patienten mit Querschnittlähmung oder Tetraplegie haben keine Kontrolle über die Blasen- und Sphinkterfunktionen. Bei Patienten mit Rückenmarkver letzungen kann das Hirn keine Informationen in den Bereich unter der Höhe der Verletzung senden und Informationen von Organen, die von Bereichen unter der Höhe der Verletzung innerviert werden, können das Hirn nicht erreichen. Umgehend nach der Rückenmarkverletzung wird die Blase atonisch, gedehnt und entwickelt bei Nichtbehandlung ein ständiges Überlauftropfen in der Phase des „spinalen Schocks". Verletzungen des unteren Rückenmarks (Sakral- und Lumbalbereiche) erzeugen eine schlaffe Blasenlähmung mit deren Überfüllung, während Verletzungen im oberen Rückmarksbereich (Thorax- und Zervikalverletzungen) eine automatische oder spastische Reflexblase erzeugen, die sich spontan oder aufgrund somatischer Stimuli mit Detrusor-Muskel-Hyperreflexie und Detrusor-Sphinkter-Dyssynergie entleert. Die Hyperreflexie besteht aus einer Hyperaktivität der ANS. Sie tritt auf, wenn die übervolle Blase Impulse zum Rückenmark sendet, von wo sie nach oben geschickt werden, bis sie durch die Verletzung in der Höhe der Verletzung blockiert werden. Da die Impulse das Hirn nicht erreichen können, bleibt der Reflexbogen aktiviert, was die Aktivität des sympathischen Teils der ANS erhöht und Spasmen erzeugt.
  • Einige Behandlungsmöglichkeiten stehen Patienten mit neurogener Blasendysfunktion zur Verfügung, etwa der Verweilkatheter (Dauerkatheter) oder der intermittierende Einmalkatheterismus zur Vermeidung einer Überdehnung des Detrusor-Muskels. Die Katheterisierung eines männlichen Patienten kann jedoch zur Entzündung der Harnröhre, einer Entzündung des periurethralen Gewebes, Abzessbildung und einer Harnröhrenfistel führen. Somit ist häufig eine Durchtrennung des äußeren Harnröhrensphinkters oder eine Sphinkterektomie erforderlich, um den Abgabewiderstand zu minimieren und das Entleeren der Blase mit einem Kondomabfluss zu minimieren, wenn der Patient inkontinent wird.
  • Die pharmakologische Medikation mit krampflösender oder anticholinerischen Wirkung auf die Blase kann alternativ eingesetzt werden, um spastische Reflexe und unwillkürliche Kontraktionen des Detrusor-Muskels mit unerwünschten Nebenwirkungen zu verringern.
  • Weiter können chirurgische Eingriffe, etwa die künstliche Harnableitung, eingesetzt werden, um das Risiko einer Nierenschädigung zu verringern. Die Ableitung im oberen Harntrakt erfolgt durch einen Ileum- oder Colonconduit. Die suprapubische Zystostomie führt nur bei einigen Patienten zu einer Blasenkontrolle und die kutane Vesikostomie mit externer Aufbringung eignet sich nur bei Patienten ohne Schädigung der oberen Harnwege. Andere chirurgische Eingriffe, etwa die Ureterosigmoidostomie, die kutan intubierte Ureterostomie und Nephrostomien sind nicht empfohlen, da die meisten Patienten auch die Kontrolle über den rektalen Sphinkter verlieren und Dauerkatheter die Gefahr der Bildung von Nierensteinen und von Infektionen erhöhen.
  • Vorrichtungen wie künstliche Sphinkter, die um die Harnröhre implantiert sind, wurden bei einigen Patienten ebenfalls zur Kontrolle der Inkontinenz verwendet.
  • Die vollständige Wiederherstellung der Funktionen in jeder Form der neurogenen Blase mit den vorhergehend beschriebenen Verfahren blieb selten.
  • Die elektrische Stimulation von Organen, etwa mit Schrittmachern und dem Cochlea Implantat wurde zur Wiederherstellung der Funktion von Organen mit neurologischen Störungen oder nach einem Versagen entwickelt. Die elektrische Stimulation kann zur Schmerzlinderung, zum Erhalten oder Verbessern der Bewegungsfreiheit, zur Stärkung eines Muskels oder zum Erleichtern willkürlicher motorischer Funktion eingesetzt werden. Die funktionelle Elektrostimulation (FES) oder funktionelle neuromuskuläre Stimulation (FNS) versucht, die neuromuskuläre Funktion durch Anlegen von Elektroimpulsen an die Neuralbahnen oder an die Muskeln wieder herzustellen. Bei der FES werden der Nerv oder der Muskel durch Anlegen elektrischen Stroms depolarisiert, wodurch der Ionenstrom im Gewebe den Nerven oder den Muskel auf eine Schwelle depolarisiert, bei der es zu einer Kontraktion kommt. Unterschiedliche Arten elektrischer Impulse oder Wellenformen, etwa monophasige oder biphasige Impulse, können angelegt werden. Bei implantierten Elektroden werden Ladungsausgleichsimpulse verwendet, um eine Nettoladung ungleich Null und eine Elektrolyse im Gewebe zu vermeiden.
  • In den zurückliegenden vier Jahrzehnten wurde versucht, die vorhergehend beschriebenen Katheter und chirurgischen Eingriffe durch Elektrostimulation zu ersetzen. Verschiedene mögliche Gebiete für die Elektrostimulation wurden ausprobiert, einschließlich des Rückmarks, der spinalen Sakralnerven, der peripheren Beckenbodennerven und des Blasenmuskels selbst. Die direkte Muskelstimulation zeigte jedoch einige Nachteile, darunter einen hohen Energiebedarf, hohe mechanische Beanspruchung der Elektroden des Muskelbereichs im Kontakt mit der Elektrode und die große Anzahl von Elektroden, die erforderlich sind, um eine gleichmäßige Kontraktion zu erhalten. Mit der Sakralwurzelstimulation konnte eine kontrollierte Blasenentleerung erreicht werden. Jedoch haben die A-Alpha-Fasern, die den äußeren Harnröhrensphinkter innervieren, eine niedrigere Stimulationsschwelle als die A-Delta-Fasern, die den Detrusormuskel innervieren. Folglich ist ein höherer Strom erforderlich, um den Detrusormuskel zu stimulieren und die Blase zu kontrahieren, wodurch der äußere Harnröhrensphinkter gleichzeitig stimuliert und kontrahiert wird, was zu einer Dyssynergie führt. Die Stimulation der ventralen Sakralwurzel führte zu keiner zufriedenstellenden Blasenentleerung aufgrund des erhöhten Harnröhrenwider standes einhergehend mit einem hohen Blasendruck. Die Sakralwurzelstimulation wurde verfeinert, um die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters während der Neurostimulation zu reduzieren. Die Entleerung nach der Stimulierung basiert auf unterschiedlichen Entspannungszeiten zwischen dem Detrusormuskel und dem äußeren Harnröhrensphinkter.
  • Jedoch erfolgt die induzierte Entleerung stoßweise und nicht fortlaufend mit einem hohen Entleerungsdruck, der den oberen Harntrakt gefährdet. Weiter ist das Entleeren nach dem Stimulus das Ergebnis der Dyssynergie, die das Überwinden des Harnröhrenwiderstandes durch eine Pudendusneurektomie oder Rhizotomie erforderlich macht, die die Anal- und Sexualfunktionen des Patienten beeinträchtigen.
  • Die US-Patentschrift Nr. 4,771,779 an Tanagho et al vom 20. September 1988, legt ein System zum Kontrollieren der Blasenentleerung und Kontinenz mit einem ersten und einem zweiten implantierten Stimulationssystem, die mit Elektroden ausgestattet sind, die jeweils an den Nerven angelegt werden, die den äußeren Harnröhrensphinkter und den Blasenmuskel kontrollieren, und einer elektronischen Steuerung offen, die den äußeren Harnröhrensphinkter durch das erste Stimulationssystem stimuliert. Zum Entleeren der Blase wird ein Schalter eingeschaltet, der bewirkt, dass die elektronische Steuerung die Stimulation des äußeren Harnröhrensphinkters unterbricht und nach einer vorher festgelegten Verzögerung den Blasenmuskel durch das zweite Stimulationssystem stimuliert. Nach einer vorher festgelegten Zeit wird die Blasenstimulation automatisch angehalten. Nach einer weiteren vorher festgelegten Verzögerung nimmt die elektronische Steuerung die Sphinkterstimulation durch das erste Stimulationssystem wieder auf.
  • Andere Verfahren zum Ermüden des äußeren Harnröhrensphinkters durch Einsetzen hochfrequenten Stroms werden beschrieben. Ausgewählte Blöcke basieren auf der Differenz zwischen Erregungs- oder Blockierschwellen der A-Delta- und A-Alpha-Fasern. Der Kollisionsblock des Pudendusnervs und der Anodenblock durch die Sakralwurzelstimulation und der Hochfrequenzblock des Pudendusnervs wurden in einem Versuch, eine ausgewählte Neurostimulation zu erhalten, beschrieben.
  • Mit der ausgewählten Stimulation sollte die Dyssynergie minimiert und eine Neurektomie oder Rhizotomie vermieden werden. Bei der ausgewählten Stimulation gibt eine bipolare Elektrode zwei unterschiedliche Formen elektrischer Stimuli ab, um die Stimulationsschwelle der somatischen Fasern zu erreichen, die den äußeren Harnröhrensphinkter mit einem hochfrequenten Signal und einer niedrigen Amplitude aktivieren, um die somatischen Fasern zu blockieren und ihre Kontraktion zu unterdrücken, während sie unter dem Schwellenwert für die autonomen Fasern bleiben, die den Detrusormuskel erreichen. Die Stimuli mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude aktivieren die Blasenkontraktion durch die autonomen Fasern.
  • Das System des ausgewählten Stimulierens besteht aus einem internen Stimulator, der in den Patienten implantiert ist und mit einer externen Handsteuerung betätigt wird. Das Implantat enthält einen Signalgeber mit einer Wellenform mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude, die den Detrusormuskel stimuliert, und einer Wellenform mit hoher Frequenz und niedriger Amplitude, die die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters unterdrückt. Die beiden Wellenformen werden zu einem einzigen Signal zusammengefasst. Der Geber wird mit einer bipolaren Manschettenelektrode verbunden, die an den Sakralnerv S2 angelegt wird. Die Elektrode wird mit dem internen Stimulator verbunden, der eine Spule enthält. Die externe Steuerung enthält ebenfalls eine Spule, die eine hochfrequente elektromagnetische Verbindung mit der Spule des internen Stimulators herstellt, wenn sie sich in der Nähe befindet, um ihr Strom zuzuführen. Die Steuerung wird von Hand durch einen Schalter betätigt. Wenn die Steuerung eingeschaltet ist und das Signal erzeugt wird, unterdrückt die hochfrequente Wellenform das somatische Innervieren des äußeren Harnröhrensphinkters, während der Detrusormuskel durch die niederfrequente Wellenform stimuliert werden kann und die Blasenkontraktion zur Entleerung führt.
  • Obwohl die Blasenentleerung bei Patienten mit Rückenmarkverletzungen mit der FES nun gesteuert werden kann, bleibt das Problem der Blasenatonie und der Detrusor-Muskel-Hyperreflexie durch die fehlende zerebrale Hemmung und die Signalunterbrechung zwischen der Blase und der Großhirnrinde über das Rückmark bestehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wiederherstellung des Detrusormuskels zu verbessern, die Blasenatonie und die Detrusor-Muskel-Hyperreflexie zu korrigieren. Das wird durch Abgabe eines Stroms mit niedriger Amplitude und niedriger Frequenz durch einen implantierbaren elektronischen Stimulator erreicht. Das niederfrequente Signal mit niedriger Amplitude, im Folgenden Tonussignal genannt, wirkt sich leicht stimulierend auf den äußeren Sphinktermuskel aus, um einen gewünschten Effekt zur Verringerung der Detrusor-Muskel-Hyperreflexie zu bewirken.
  • Erfindungsgemäß ist ein elektronisches Stimulations-Implantat zur Verbesserung der Blasenentleerung und zur Vermeidung der Blasen-Hyperreflexie bei einem Patienten bereitgestellt. Der implantierbare elektronische Stimulator umfasst einen Tonussignalgeber, der ein Tonussignal abgibt, um eine Blasen-Hyperreflexie zu vermeiden, eine eigenständige Stromversorgung, die mit dem Tonussignalgeber verbunden ist, um den Tonussignalgeber mit Strom zu versorgen, einen Entleerungssignalgeber, der mit dem Tonussignalgeber verbunden ist, der ein Entleerungssignal zum Entleeren der Blase abgibt, einen kraftaufnehmenden Schaltkreis, der mit dem Entleerungssignalgeber verbunden ist, der eine Empfängerspule enthält, um den Entleerungssignalgeber anzutreiben, und einen Ausgang zu einer Elektrode, die mit einem ersten Ende zum Verbinden mit dem Implantat und einem zweiten Ende zum Verbinden mit einem Sakralnerv ausgestattet ist, wobei, wenn der Entleerungssignalgeber in Betrieb ist, das Entleerungssignal erzeugt wird, das die Kontraktion des Detrusormuskels auslöst, wodurch die Blasenentleerung ausgelöst wird.
  • Das Tonussignal stellt eine Basalstimulation bereit, die erforderlich ist, um den Blasentonus durch Modulieren der afferenten Tätigkeit des Beckenbodenmuskels zu erhalten und eine weitere Verschlechterung aufgrund fehlender normaler Stimulation von der Großhirnrinde zu vermeiden. Das Tonussignal hält eine niederfrequente Stimulation des äußeren Harnröhrensphinkters und verbessert damit die Kontinenz und erhöht die Blasenkapazität. Beispielsweise weist das Tonussignal einen Frequenzbereich von 15 Hz bis 40 Hz und einen Amplitudenbereich von 500 μA bis etwa 1000 μA auf. Die Blasenstimulation durch das Tonussignal kann konstant sein und während der Blasenentleerung unterbrochen werden. Das Tonussignal kann alternativ intermittierend sein. In diesem Fall kann das Tonussignal in einem Zeitintervall erzeugt werden, etwa in einem Arbeitszyklus von 20 % bis etwa 80 einer Dauer von etwa 1 Sekunde bis etwa 30 Sekunden. Beispielsweise kann das Tonussignal während einer Dauer von etwa 5 Sekunden bei einem Zeitintervall von etwa 15 Sekunden abgegeben werden.
  • Die Energieversorgung des Tonussignalgebers kann im Implantat in der Form einer Batterie enthalten sein, etwa in einem Gehäuse. Der Tonussignalgeber kann von einer externen Steuerung betätigt werden, die von Hand von dem Patienten betätigt werden kann. Die externe Steuerung kann ein Steuersignal zum Steuern des Tonussignalgebers abgeben und das elektronische Stimulationsimplantat kann weiter einen Befehlsinterpreter enthalten, um das Steuersignal zum Tonussignalgeber zu übermitteln. Die Aktivierung des Tonussignalgebers kann durch einen Befehl gesteuert werden, der von dem leistungs- und datenempfangenden Schaltkreis aufgenommen wird.
  • Das Entleerungssignal kann die Kontraktion des Detrusormuskels aktivieren, ohne die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters zu aktivieren, und die Blasenentleerung kann ohne Dyssynergie erreicht werden. Das kann mit der Dual-Wellenform eines hochfrequenten Signals mit niedriger Amplitude, wodurch die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters unterdrückt wird, ohne den Detrusormuskel zu kontrahieren, und einem niederfrequenten Signal mit einer hohen Amplitude erreicht werden, wodurch die Kontraktion des Detrusormuskels ausgelöst wird, ohne die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters auszulösen, da das hochfrequente Signal diese Kontraktion unterdrückt.
  • Der Tonus- und der Entleerungssignalgeber können durch einen Schalter verbunden sein, der zwischen Tonus- und Entleerungssignalen umschaltet.
  • Das elektronische Stimulationsimplantat der vorliegenden Erfindung kann bei Patienten mit einer Blasendysfunktion, etwa bei Patienten mit einer Rückenmarkverletzung (RMV), verwendet werden, oder bei Patienten mit Restharnbildung unbekannter Ursache, und insbesondere bei Patienten, die ein implantierbares FES-System verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt vorzugsweise eine Vorrichtung bereit, um zu bestätigen, dass das Implantat störungsfrei arbeitet. Gemäß diesem Gedanken der Erfindung misst das Implantat einen Elektroden-Gewebe-Kontaktimpedanzwert. Die Mess- und Überwachungsergebnisse werden von dem Implantat übermittelt, um dem Patienten oder dem Betreuer die störungsfreie Arbeit oder Fehlfunktion des Implantats anzuzeigen. Die Übertragung kann durch Modulation eines induktiven Stromversorgungssignals erfolgen. Das Implantat kann das Messen und Überwachen des Elektroden-Gewebe-Impedanzwertes auch über einen erweiterten Zeitraum ausführen, beispielsweise durch intermittierendes Unterbrechen der Zufuhr eines Tonussignals und Zuführen eines aktiven Prüfsignals oder Messen eines Gewebepotentials und Aufzeichnen der Ergebnisse dieser Überwachung. Die zusammengestellten Ergebnisse der Überwachung können dem Patienten oder dem Betreuer dann übermittelt werden.
  • Das Implantat kann weiter ein Rückmeldesystem zum Übermitteln eines Status der Elektroden-Gewebekontaktimpedanz an eine externe Steuerung oder einen Schaltkreis zum Anpassen des Stimulationssignalgebers umfassen, um entsprechend der Impedanz eine vorbestimmte Lasteingabehöhe in das Gewebe zu halten. Vorzugsweise ist die Elektrode eine bipolare Manschettenelektrode, und bei zunehmender Impedanz wird der Elektrode eine größere Strommenge zugeführt. Diese Überwachung der Elektroden-Gewebeimpedanz ist auf verschiedene Implantate, nicht nur auf Harnwegs-Implantate, etwa Darm- oder Hirnimplantate anwendbar.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nach der allgemeinen Beschreibung der Art der Erfindung werden im Folgenden die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die mittels technischer Darstellung ihre bevorzugte Ausführungsform zeigen, wobei gleiche Bezugszahlen gleichen Bauelementen zugeordnet sind und wobei:
  • 1 schematisch das Nervensystem für die Steuerung der Blasenentleerung und der damit zusammenhängenden Funktionen zeigt;
  • 2 schematisch ein elektronisches Stimulationsimplantat in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit einem elektronischen Stimulator zum Halten der Blasenstabilität und einen Stimulusgeber für eine gezielte Stimulation der Blase zeigt;
  • 3 in einer Querschnittansicht das elektronische Stimulationsimplantat zeigt, das in 2 gezeigt ist, in einem Patienten implantiert und in einem FES-System integriert;
  • 4 die Wellenform zeigt, die von dem Entleerungssignalgeber des elektronischen Stimulators erzeugt wird, der in 2(a) gezeigt ist, im Vergleich zu der Wellenform, die durch den Tonussignalgeber (2(b)) erzeugt wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß ist ein elektronisches Stimulationsimplantat bereitgestellt, um die Blasenentleerung zu verbessern und eine Blasen-Hyperreflexie bei einem Patienten zu verhindern, und das eine Detrusor-Sphinkter-Dyssynergie und Hyperreflexie beheben kann, und den Tonus der Beckenbodenmuskulatur der Blase, wie in 1 gezeigt, erhalten kann.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes elektronisches Stimulationsimplantat zum Unterstützen der Blase mit der Bezugszahl 10. Ein Tonussignalgeber 12 ist in dem elektronischen Stimulationsimplantat 10 enthalten. Der Tonussignalgeber 12 erzeugt ein Tonussignal, das eine Blasen-Hyperreflexie verhindert, indem der Tonus des Beckenbodenmuskels der Blase unterstützt wird. Seine Wirkung auf den Reflexbogen verlangsamt die Kontraktionen des Detrusormuskels, was normalerweise bei ausbleibender Rückmeldestimulation vom Gehirn erfolgt, wodurch eine Hyperreflexie verhindert wird. Eine Batterie 13 ist mit dem Tonussignalgeber 12 verbunden, um diesen mit Strom zu versorgen.
  • Ein Entleerungssignalgeber 14 ist ebenfalls in dem elektronischen Stimulationsimplantat 10 enthalten. Der Entleerungssignalgeber 14 erzeugt ein funktionales Elektrostimulationssignal (FES), um den Blasenentleerungsvorgang auf Befehl einzuleiten. Der Entleerungssignalgeber 14 erzeugt ein einzelnes Signal, das eine erste Wellenform mit einer niedrigen Frequenz und einer hohen Amplitude, die die Kontraktion des Detrusormuskels aktiviert, und eine zweite Wellenform mit einer hohen Frequenz und einer niedrigen Amplitude verbindet, die die Kontraktion des äußeren Harnröhrensphinkters der Blase unterdrückt, und dadurch eine Blasenentleerung ohne Dyssynergie erhalten wird.
  • Ein AC/DC-Spannungswandler und Regler 15 ist mit dem Entleerungssignalgeber 14 verbunden, um eine Gleichstromleistung darauf abzugeben. Eine Empfängerspule 16 ist mit dem Leistungswandler 15 verbunden. Die Spule 16 empfängt ein Wechselstromsignal von der Spule 30 durch eine Induktionskupplung. Der AC/DC-Spannungswandler und Regler 15 richtet ein Spannungssignal gleich und reguliert es. Das Steuersignal wird über das Wechselstromsignal durch den Geber 28 moduliert. Ein Steuersignal- und Rückmeldeschaltkreis 19 ist durch den Regler 15 mit der Spule 16 verbunden. Ein moduliertes Informationssignal, das von dem Schaltkreis 28 erzeugt wurde, wird erfasst, demoduliert und von dem Schaltkreis 19 decodiert. Der Schaltkreis 19 überträgt so ein Steuersignal an den Tonussignalgeber 12, wie es im Folgenden beschrieben wird. Während der Entleerungssignalgeber 14 automatisch arbeiten kann, wenn Strom von dem Schaltkreis 15 zugeführt wird, liefert vorzugsweise der Schaltkreis 19 ein Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des Entleerungssignals.
  • Ähnlich kann der Schaltkreis 19 eine Impedanz der Spule 16 verändern, so dass die Veränderung der Impedanz von dem Schaltkreis 28 erfasst wird, um die Rückmeldeinformation von dem Implantat zur Vorrichtung 26 zu übertragen.
  • Die Elektroden-Gewebekontaktimpedanz kann durch den Geber 14 oder den Geber 12 überwacht werden. Beispielsweise kann der Stromfluss zur Elektrode während der Zuführung des Entleerungssignals gemessen und dieser gemessene Stromwert mit gespeicherten Werten verglichen werden. Der Status der Kontaktimpedanz kann zur Vorrichtung 26 übermittelt werden, und eine Anzeige (nicht gezeigt), die mit dem Schaltkreis 28 verbunden ist, kann den Status des Elektroden-Gewebekontaktes anzeigen.
  • Vorzugsweise wird die Impedanz mit einem Spannungs-Frequenzwandler gemessen, der die Spannung an der Elektrode in eine Frequenz umwandelt. Das Frequenzsignal wird dann über ein Zeitfenster abgetastet und mit einer Frequenzzählerschaltung umgewandelt, die ein 8-Bit-Wort entsprechend der Frequenz ausgibt, d.h. der gemessenen Spannung an der Elektrode. Die gemessene Spannung wird zur Elektroden-Nerven-Impedanz in Beziehung gesetzt. Die Impedanz/Frequenzumwandlung und die Frequenz/8-Bit-Wort-Umwandlungsschaltung wird ebenfalls beschrieben in: „Implementierbares Messverfahren zum Überwachen des Elektroden-Nerven-Kontaktes bei Blasenstimulatoren", Med. Biol. Eng. Comput., 2000, 38, 465–468. Die Impedanzmessung erfolgt zunächst, um die Amplitude der Signalgeber 12, 14 anzupassen, um sicherzustellen, dass die in die Nerven injizierte Ladung im Zeitablauf der Tonus- und Entleerungs signale konstant bleibt. Der Impedanzwert (d.h. das 8-Bit-Wort) wird ebenfalls zur Vorrichtung 26 übermittelt, wie es vorhergehend beschrieben wurde, wobei beispielsweise eine Frequenzmodulation in dem Signal zwischen der Vorrichtung 26 und dem Implantat verwendet wird.
  • Die Ausgänge der Tonus- und Entleerungssignalgeber 12, 14 sind durch einen Wählschalter 17 verbunden. Der Wählschalter 17 lässt normalerweise das Signal vom Geber 12 durch. Auf Befehl wird der Wählschalter 17 abgeschaltet, um das Tonussignal zu unterbrechen, wenn der Geber 14 arbeitet. Dieses wird bevorzugt, ist aber nicht erforderlich.
  • Eine bipolare Elektrode ist mit einem ersten Ende 18, das an dem Wählschalter 17 angeschlossen ist, und einem zweiten Ende 20 zum Anschließen an einen Sakralnerven, etwa an das Sakralsegment S2, ausgestattet. Eine Manschette 22 ist an dem zweiten Ende 20 angeordnet, um an dem Sakralnerven befestigt zu werden. Die Manschette 22 ist vorzugsweise aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) hergestellt und mit Silastic isoliert, das gekühlt wird, um sich vor und während des Anlegens am Nerv zu öffnen. Die Manschette 22 erwärmt sich auf Körpertemperatur und fasst den Nerven elastisch sicher mit genau dem gewünschten Druck. Die Elektrode umfasst zwei mit TeflonTM beschichtete Edelstahldrähte, die mit Platinkontakten mit einer Dicke von 25 μm verbunden sind. Die Kontakte sind in der axialen Richtung des Nervens um etwa 1 bis 2 mm getrennt und mit einer Elastomerhülle umgossen, die aus Silastic hergestellt ist, und stellen eine elektrische Verbindung zum Nerven her. Verschiedene Verfahren zum Umhüllen der Kontakte um den Nerven können eingesetzt werden, wobei die SMA-Manschettenelektrode bevorzugt wird.
  • Das elektronische Stimulationsimplantat 10 wird durch eine externe Steuerung 26 betätigt. Die externe Steuerung 26 enthält einen Stromgeber 28. Eine Übertragungsspule 30 ist an dem Stromgeber 28 angeordnet. Eine Batterie 32 ist mit dem Stromgeber 28 verbunden, um diesen mit Strom zu versorgen. Ein Schalter 34 ist mit dem Stromgeber 28 verbunden, damit der Patient den Stromgeber 28 manuell betätigen kann. Beim Betätigen des Schalters 34 stellt der Stromgeber 28 Strom am Entleerungssignalgeber 14 bereit, wobei er die elektromagnetische Kupplung zwischen der Übertragungsspule 30 und der Empfängerspule 16 des Implantats 10 verwendet. Die Übertragungsspule 30 baut eine elektromagnetische Wechselstromkupplung mit der Empfängerspule 16 des Implantats 10 auf, wenn sie sich in ihrer Nähe befindet, um Strom darauf zu geben und ein Steuersignal zum Implantat 10 zu übertragen. Jedoch können zusätzlich zu der Hochfrequenz-Magnetinduktionskupplung auch andere Kupplungstechniken verwendet werden, etwa ein optischer Empfänger oder Infrarot. Eine technisch ausgereifte Steuerung enthält eine Tastatur, ein Display und erlaubt das Programmieren aller Stimulusparameter. Die externe Steuerung zum Programmieren von Stimulusparametern ist somit vorzugsweise ausgereifter als die Einheit 26, wobei letztere von dem Patienten verwendet wird.
  • Eine Verarbeitungseinheit 36 ist in der externen Steuerung 26 enthalten und mit dem Stromgeber 28 verbunden. Das Steuersignal vom Stromgeber 28 setzt die erforderlichen Parameter, etwa Frequenz und/oder Amplitude des Entleerungssignals, und bestimmt einen durchgehenden oder intermittierenden Modus für das Tonussignal. Das von der Verarbeitungseinheit 36 erzeugte Steuersignal der externen Steuerung 26 wird von dem Entleerungssignalgeber 14 (durch den Schaltkreis 19) aufgenommen.
  • 4 zeigt die Wellenformen, die von dem Tonussignalgeber 12 (unten) erzeugt werden, im Vergleich zur Wellenform, die von dem Entleerungssignalgeber 14 (oben) erzeugt wird. Bei der von dem Entleerungssignalgeber 14 erzeugten Wellenform ist LFA die niederfrequente Amplitude, LFW die niederfrequente Impulsweite, LFP die niederfrequente Periode, HFA die hochfrequente Amplitude, HFW die Hochfrequenz-Impulsweite und HFP die Hochfrequenz-Periode. Die Hochfrequenzsignalamplitude kann zwischen 0 und 3 mA variieren und die Impulsweite des Hochfrequenzsignals zwischen 10 und 900 μsek.
  • Die Amplitude des Tonussignals liegt bei etwa 25% bis 50% der Amplitude des Entleerungssignals. Der untere erforderliche Leistungspegel macht es sinnvoll, eine eigenständige Stromquelle, etwa eine Batterie 13, zu verwenden, um den ersten Signalgeber 12 mit Strom zu versorgen.
  • In einem chirurgischen Eingriff wird das Implantat 10 in eine subkutane Tasche nahe der Hautoberfläche eines Patienten implantiert, während eine Elektrode auf der Oberfläche im subkutanen Raum eingesetzt wird. Das zweite Ende der Elektrode 20 wird durch die Manschette 22 mit der Sakralwurzel verbunden. Das Implantat 10 erzeugt durchgehend oder stoßweise das Tonussignal, um eine Basalstimulation des äußeren Harnröhrensphinkters und der Beckenbodenmuskulatur zu erhalten. Das Tonussignal erfordert ein Minimum an Energie von der Batterie 13 in dem Implantat 10.
  • Zum Aktivieren der Blasenentleerung nimmt der Patient die externe Steuerung 26 und bringt sie in die Nähe des Hautbereichs des Körpers, der das Implantat 10 bedeckt. Der Patient betätigt dann den manuellen Schalter 34 der externen Steuerung 26. Ein Steuersignal wird durch die Verarbeitungseinheit 36 der externen Steuerung 26 erzeugt, das durch die hochfrequente elektromagnetische Kupplung von der Übertragungsspule 30 zur Empfängerspule 16 in dem Implantat 10 übertragen wird. Bei Eingang des Steuersignals erzeugt der Entleerungssignalgeber eine kombinierte FES-Wellenform, wie sie vorhergehend beschrieben wurde, die durch die Elektrode 22 zum Sakralnerven übertragen wird. Die hochfrequente Wellenform des Entleerungssignals unterdrückt das Innervieren der somatischen Fasern des äußeren Harnröhrensphinkters der Blase, während der Detrusormuskel durch die niederfrequente Wellenform stimuliert werden kann, wodurch die Blase entleert wird.
  • Der Entleerungssignalgeber 14 kann von einem FPGA bereitgestellt werden. Der Geber kann durch eine Mikrosteuerung mit geringem Stromverbrauch bereitgestellt sein, etwa durch ein MicrochipTM-PIC auf der Basis eines oberflächenmontierten Bauelementes, und beide Geberschaltkreise können durch eine optimierte kundenspezifische integrierte Schaltung (IC) bereitgestellt sein. Vorzugsweise wird eine einzelne anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) zum Bereitstellen der beiden Signalgeberfunktionen mit sehr geringem Stromverbrauch verwendet.
  • Die Erfindung wurde hier unter besonderer Berücksichtigung der gezeigten Ausführungsform beschrieben, aber der Durchschnittsfachmann weiß, dass zahlreiche Veränderungen möglich sind. Die vorhergehende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen gelten somit als erläuternd und nicht als begrenzend.

Claims (15)

  1. Elektronisches Stimulationsimplantat zum Verbessern der Blasenentleerung und zum Verhindern einer Blasen-Hyperreflexie bei einem Patienten, wobei das elektronische Stimulationsimplantat umfasst: a) einen Tonussignalgeber, der ein Tonussignal zum Verhindern der Blasen-Hyperreflexie erzeugt; b) eine eigenständige Stromquelle, die mit dem Tonussignalgeber verbunden ist, um den Tonussignalgeber anzutreiben; c) einen Entleerungssignalgeber, der ein Entleerungssignal abgibt, um die Blase zu entleeren; d) einen leistungsaufnehmenden Schaltkreis, der mit dem Entleerungssignalgeber verbunden ist, wobei der leistungsaufnehmende Schaltkreis eine Empfängerspule enthält, um den Entleerungssignalgeber anzutreiben; e) eine Elektrode, die mit einem ersten Ende zum Anschließen an das Implantat und einem zweiten Ende zum Anschließen an einen Sakralnerven ausgestattet ist, um das Tonussignal und das Entleerungssignal zum Sakralnerv zu übertragen; wobei das Entleerungssignal, wenn der Entleerungssignalgeber betätigt wird, abgegeben wird, wodurch die Kontraktion des Detrusormuskels ausgelöst wird, wodurch die Blasenentleerung bewirkt wird.
  2. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 1, wobei ein Betriebszustand des Tonussignalgebers von einer externen Steuerung gesteuert wird, die durch den Patienten manuell betätigt wird, wobei die externe Steuerung ein Steuerungssignal zum Steuern des Tonussignalgebers erzeugt, das elektronische Stimulations- Implantat weiter einen Befehlsinterpreter umfasst, um das Steuersignal zu dem Tonussignalgeber zu übertragen.
  3. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 1, wobei der Tonus- und der Entleerungssignalgeber durch einen Wählschalter zum Umschalten zwischen den Tonus- und den Entleerungssignalen verbunden sind.
  4. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 1, wobei das Entleerungssignal eine Wellenform mit einer niederfrequenten Komponente und einer hochfrequenten Komponente enthält, die miteinander verbunden sind, um die Detrusormuskel-Kontraktion zu bewirken, ohne die Kontraktion des externen Harnröhrensphinkters zu bewirken, so dass eine Blasenentleerung ohne Dyssynergie erreicht wird.
  5. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 3, wobei das Tonussignal einen Frequenzbereich von etwa 15 Hz bis etwa 40 Hz und einen Amplitudenbereich von etwa 500 μA bis etwa 1000 μA aufweist.
  6. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 5, wobei das Tonussignal eine Amplitude von etwa 25% bis 50% der des Entleerungssignals aufweist.
  7. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 6, wobei das Tonussignal intermittierend erzeugt wird.
  8. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 7, wobei das Tonussignal mit einem Arbeitszyklus von etwa 20% bis etwa 80% einer Dauer von etwa 1 Sekunde bis etwa 30 Sekunden erzeugt wird.
  9. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 1, wobei das zweite Ende der Elektrode eine FGL-Manschette umfasst, die sich ausdehnt, wenn sie abgekühlt ist, um das Anlagen an den Sakralnerv zu erleichtern, und sich bei Körpertemperatur zusammenzieht, um den Sakralnerv zu fassen.
  10. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 2, wobei die externe Steuerung stimulusparametereinstellende Steuersignale abgibt, und der Befehlsinterpreter die Einstellsteuersignale übersetzt, um die signalkennzeichnenden Parameter mindestens des Tonussignalgebers und des Entleerungssignalgebers einzustellen.
  11. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 2, das weiter ein Rückmeldeübermittlungssystem zum Übertragen eines Status einer Elektroden-Gewebekontaktimpedanz an die externe Steuerung enthält.
  12. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 11, wobei die Elektroden-Gewebekontaktimpedanz von einem Messschaltkreis gemessen wird, der eine Spannung an der Elektrode in eine Frequenz und die Frequenz in ein digitales Wertsignal umwandelt.
  13. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 12, wobei das Rückmeldesystem das digitale Wertsignal direkt zur externen Steuerung überträgt.
  14. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 1, das weiter einen Schaltkreis zum Messen der Elektroden-Gewebekontaktimpedanz und einen Schaltkreis zum Einstellen des Stimulationssignalgebers umfasst, um eine vorher festgelegte Ladungsinjektionshöhe in das Gewebe entsprechend der Impedanz zu halten.
  15. Elektronisches Stimulationsimplantat nach Anspruch 14, wobei die Elektrode eine bipolare Manschettenelektrode ist und der Elektrode mit zunehmender Impedanz eine größere Strommenge zugeführt wird.
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