DE60204451T2

DE60204451T2 - Feststellung von neurologischen zuständen mittels reizevozierten potentialen

Info

Publication number: DE60204451T2
Application number: DE60204451T
Authority: DE
Inventors: Wytse Wadman; L. Frans GIELEN
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2022-04-06
Also published as: US6671555B2; US20030181955A1; WO2002087438A3; US7006872B2; EP1385426B1; ATE296576T1; US20020188330A1; DE60204451D1; WO2002087438A2; EP1385426A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die Behandlung neurologischer Störungen und insbesondere Techniken für die Behandlung epileptischer Anfälle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Epilepsie ist ein durch wiederholte Anfälle, welche die äußere Manifestation einer übermäßigen und/oder hypersynchronen abnormen elektrischen Aktivität neuronaler Strukturen des Gehirns sind, charakterisierter Zustand. Ein Anfall tritt auf, wenn die elektrische Aktivität von Gehirnstrukturen oder sogar des ganzen Gehirns abnormal "synchronisiert" wird. Dies ist die operationale Definition eines epileptischen Anfalls.
Ein Anfallspatient kann unter einer Kombination verschiedener Anfallstypen leiden. Große Epilepsieanfälle sind die häufigste Epilepsieform, und sie sind durch Krämpfe mit tonisch-klonischen Kontraktionen der Muskeln gekennzeichnet. Abortive Anfälle (früher als "kleine Anfälle" bezeichnet) sind durch einen kurzen und plötzlichen Bewusstseinsverlust gekennzeichnet. Die psychomotorische Form von Anfällen ist durch eine Bewusstseinstrübung für eine oder zwei Minuten gekennzeichnet. Ein komplexer Teilanfall ist durch einen vollständigen Bewusstseinsverlust gekennzeichnet. Der er fahrene Anfallstyp hängt typischerweise von dem Abschnitt der Hirnrinde ab, in dem eine hypersynchrone Aktivität auftritt. Viele Anfallstypen betreffen im allgemeinen das gesamte Gehirn, während bestimmte Typen, wie Teilanfälle, in einem Teil des Gehirns beginnen und lokal bleiben können.
Unabhängig vom Epilepsietyp begrenzen Anfälle in erheblichem Maße die Autonomie des Patienten. Wenn ihn ein Anfall trifft, verliert der Patient typischerweise ein gewisses Maß an Kontrolle über seinen Körper. In den meisten Fällen treten Anfälle ohne eine Vorwarnung für den Patienten auf. Daher stellen epileptische Anfälle ein erhebliches Sicherheitsrisiko für den Patienten und andere, die den Patienten umgeben, dar. Beispielsweise kann ein Patient, den ein plötzlicher Anfall trifft, während er Auto fährt, seine eigene Sicherheit sowie die Sicherheit anderer gefährden. Anfallspatienten unterliegen auch dem Risiko körperlicher Schädigungen, wenn sie Maschinen betreiben, und auch bei täglichen Aktivitäten, wie beim Überqueren einer Straße oder beim Herabsteigen von Treppen. Zusätzlich zu diesem Sicherheitsrisiko schädigt jeder Anfall Gehirnstrukturen weiter, was häufig zu einem zunehmenden Verlust der Gehirnfunktion im Laufe der Zeit führt.
Forscher haben eine Anzahl von Techniken zum Behandeln von Anfallsstörungen und ihren Symptomen entwickelt. Beispielsweise hat die Forschung gezeigt, dass die Schwelle für das Auftreten von Anfällen durch das Hemmen (nämlich durch das Verringern der Erregung von Neuronen) der Substantia nigra im Gehirn erhöht wird. Forscher haben auch herausgefunden, dass das Erhöhen der Aktivität von Neuronen im externen Globus Pallidum (GPe) das Hemmen von Neuronen im Nucleus subthalamicus verstärkt, wodurch wiederum die neuronale Aktivität in der Substantia nigra gehemmt wird.
Neurochirurgen waren auch in der Lage, die Symptome vieler neuronaler Störungen durch Beschädigung bestimmter Gehirnbereiche zu verringern. Beispiele umfassen das Beschädigen des ventralen lateralen Abschnitts des inneren Globus Pallidus und des Vim Thalamus zum Behandeln von Bewegungsstörungen. Es wurde auch eine elektrische Stimulation des Nervensystems verwendet, um Anfälle zu unterdrücken. Schließlich kann die Infusion bestimmter Arzneimittel in einen Gehirnbereich die Erregbarkeit der Neuronen an der Infusionsstelle beeinflussen, wie in dem US-Patent Nr. 5 713 923 (Ward u.a.) offenbart ist, das auf Medtronic, Inc. übertragen wurde.
Andere haben die Wirkungen einer elektrischen Stimulation des Vagusnervs als ein Mittel zum Unterdrücken der epileptischen Aktivität untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Stimulation des Vagusnervs mit bestimmten Parametern eine Desynchronisation der elektrischen Aktivität des Gehirns in Tiermodellen hervorruft. Diese Konzepte wurden von Zabara in den US-Patenten Nr. 4 867 164 und 5 025 807 offenbart.
Bei einem anderen Ansatz haben Forscher Algorithmen zum Erfassen des Einsetzens eines Anfalls entwickelt. Qu und Gotman haben über ein System berichtet, bei dem Muster einer elektrischen Aktivität ähnlich einer anhand der Aufzeichnung eines wirklichen Anfalls entwickelten Schablone erkannt werden. Siehe H. Qu und J. Gotman "A Seizure Warning System for Long-term Epilepsy Monitoring", Neurology, 1995; 45: 2250–2254. Siehe auch I. Osario, M. Frei, D. Lerner, S. Wilkinson "A Method for Accurate Automated Realtime Seizure Detection", Epilepsia, Band 36, Suppl. 4, 1995. Bei jeder dieser Techniken zum Erkennen des Einsetzens eines Anfalls verwenden die Entwickler zwei Prozesse. Der erste Prozess besteht im Extrahieren bestimmter Merkmale aus den Signalen, die die elektrische Aktivität des Ge hirns darstellen. Beispiele der Signalmerkmale umfassen die Signalleistung oder das Frequenzspektrum der Signale. Der zweite Prozess besteht in der Erkennung eines Musters oder eines Wertesatzes für diese Merkmale, die einen Gehirnzustand charakterisieren, der zuverlässig zu einem Anfall führt.
Unter Verwendung von Mustererkennungstechniken wurden auch in einer geschlossenen Regelschleife angeordnete Protokolle zum Reagieren auf das Einsetzen eines epileptischen Anfalls vorgeschlagen. Beispielsweise sind in den US-Patenten Nr. 6 128 538 und 6 134 474 in einer geschlossenen Regelschleife arbeitende Systeme für das Identifizieren einer neurologischen Krankheit in der Art einer Epilepsie und das Reagieren auf diese mitgeteilt. Diese Systeme identifizieren jedoch neurologische Vorfälle, die bereits begonnen haben, und reagieren auf diese. Sobald sie einmal begonnen haben, können diese Vorfälle schwer zu korrigieren sein. Daher besteht weiter ein Bedarf an effizienteren und wirksameren Behandlungen neurologischer Vorfälle. In Tabelle 1 sind Dokumente angeführt, in denen Systeme und Verfahren offenbart sind, die das Erfassen von Anfällen ermöglichen.
TABELLE 1
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, zumindest einige der Nachteile der vorstehend erwähnten Systeme zu überwinden, indem ein System bereitgestellt wird, das den erregbaren Zustand des Gehirns oder eines spezifischen Unterbereichs des Gehirns prüft und eine durch die Sonde erfasste Messung in bezug auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines bevorstehenden neurologischen Vorfalls setzt.
Zusätzlich besteht ein Ziel der Erfindung darin, ein implantierbares System zur Abgabe elektrischer Anregungen bzw. Stimulationsimpulse und zum Analysieren von Antwortfeldpotentialen vom Gehirn bereitzustellen, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer neurologischen Störung und/oder eines Vorfalls vor Beginn des Vorfalls vorherzusagen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein System zur Signalanalyse bereitzustellen, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines bevorstehenden epileptischen Anfalls vorherzusagen.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Niveau der funktionalen Interkonnektivität in Gehirnstrukturen zu bestimmen und das Niveau bei der Vorhersage bevorstehender neurologischer Störungen zu verwenden.
Die Erfindung sieht ein System nach Anspruch 1 vor.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können ein oder mehrere Merkmale besitzen, welche die vorstehenden Ziele erfüllen können. An Stelle des Erfassens eines neurologischen Vorfalls, der bereits begonnen hat, und des Reagierens auf diesen werden gemäß der vorliegenden Erfindung Vorläufer eines bevorstehenden neurologischen Vorfalls erfasst und wird auf diese reagiert. Es kann dann eine Therapie ausgeführt werden, um das Einsetzen des neurologischen Vorfalls abzuwenden. Eine Therapie zur Verhinderung eines bevorstehenden neurologischen Vorfalls kann für den Patienten weniger traumatisch sein und geringere Ansprüche an Systembetriebsmittel, beispielsweise Batterieenergieniveaus, zur Behandlung des Vorfalls stellen.
Die Erfindung betrifft die Vorhersage der Wahrscheinlichkeit des Auftretens neurologischer Störungen innerhalb des Gehirns durch chronisches Messen und Analysieren des erregbaren Zustands des Gehirns in bezug auf ein Gleichgewicht zwischen den Erregungs- und Hemmungsniveaus in bestimmten Teilen des Gehirns, die durch elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse hervorgerufen werden, die an Gehirnstrukturen abgegeben werden. Die für dieses Gleichgewicht relevanten Strukturen können die Gehirnstrukturen sein, die direkt am Einsetzen der neurologischen Störung innerhalb des Gehirns beteiligt sind, oder dies kann nicht der Fall sein. Dennoch wird das Gleichgewicht zwischen der Erregung und der Hemmung als ein Indikator für die Wahrscheinlichkeit verwendet, dass eine neurologische Störung in der Art eines Anfalls kurz bevorsteht.
Bei einer Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse vor, die an eine Gehirnstruktur abzugeben sind. Antwortfeldpotentiale für die Anregungen bzw. Stimulationsimpulse werden erfasst und analysiert, um das Auftreten einer neurologischen Störung vorherzusagen. Ein Beispiel einer solchen Störung ist ein epileptischer Anfall.
Kurze elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse werden an den untersuchten Gehirnbereich abgegeben. Diese Anregungen bzw. Stimulationsimpulse aktivieren die Nervenfasern, die die Gehirnstrukturen auf natürliche Weise aktivieren. Die Aktivität der Nervenzellen geht mit einem elektrischen Feld in ihrer unmittelbaren Umgebung, dem lokalen Feldpotential, einher, das mit eingepflanzten Elektroden und unter den rechten Umständen, die zum Ableiten der Zellenaktivität verwendet werden, gemessen werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung können einzelne elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse verwendet werden. Es kön nen jedoch auch komplexe räumlich und zeitlich organisierte Sätze von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen verwendet werden, um den erregbaren Zustand der lokalen neuronalen Schaltung zu testen.
Die Verwendung von Kombinationen zeitlich gut abgestimmter Anregungen bzw. Stimulationsimpulse bringt die Struktur in hochspezifische Erregbarkeitszustände und ermöglicht unter anderem das Extrahieren des Gleichgewichts zwischen der Erregung und Hemmung. Das typische und einfachste Beispiel besteht darin, zwei aufeinander folgende Anregungen bzw. Stimulationsimpulse abzugeben, wobei der erste den Bereich in einen erregbaren Zustand (der gemessen werden kann) versetzt, so dass der zweite verwendet werden kann, um das relative Hemmungsniveau zu messen.
Die an das Gehirn abgegebenen elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse können Paare von zwei oder mehr elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen einschließen. Beispielsweise kann ein solches Impulsmuster ein wiederholt abgegebenes Paar von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen mit einer ersten und einer zweiten Anregung bzw. einem ersten und einem zweiten Stimulationsimpuls aufweisen. Die Antwortfeldpotentiale des Gehirns für die erste und die zweite Anregung bzw. den ersten und den zweiten Stimulationsimpuls werden erfasst, und es werden Messungen der Änderung der Antworten bzw. Reaktionen vorgenommen. Die Änderung der Antwortfeldpotentiale wird verwendet, um das Niveau der funktionalen Interkonnektivität in Gehirnstrukturen zu bestimmen, die von den gegebenen Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen beeinflusst werden.
Das Niveau der funktionalen Interkonnektivität kann durch Berechnen des Verhältnisses der Antwortfeldpotentiale bestimmt werden, die von den Paaren der ersten und der zwei ten Anregung bzw. des ersten und des zweiten Stimulationsimpulses herrühren. Eine Auftragung des Verhältnisses gibt das Niveau der funktionalen Interkonnektivität in von den Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen beeinflussten Gehirnstrukturen an. Merkmale der Auftragung des Verhältnisses können angeben, wann ein neurologischer Vorfall bevorsteht. Mögliche Merkmale der Auftragung umfassen beispielsweise die zunehmende (positive) oder die abnehmende (negative) Steigung der Antwort, Unter- oder Überschwinger, die Zeit bis zur Spitze, die Halbwertsbreite der Antwort bzw. Reaktion, die Beschreibung der Antwort bzw. Reaktion mit einer Alfafunktion oder eine Reihe von Exponentialfunktionen mit einer beliebigen Potenz, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Wenn diese Merkmale identifiziert werden, kann eine Therapie abgegeben werden, um den bevorstehenden neurologischen Vorfall zu behandeln. Sowohl die erfassenden als auch die therapeutischen Aspekte der Erfindung können durch eine implantierbare Vorrichtung, die vom Patienten zur fortlaufenden Verwendung getragen wird, verwirklicht oder ausgeführt werden.
Die vorstehende Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung ist nicht dafür vorgesehen, jede einzelne Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder jedes einzelne Merkmal der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Vorteile und Fortschritte werden zusammen mit einem vollständigeren Verständnis der Erfindung beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die nur als Beispiel dienen, in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung verständlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein Flussdiagramm, in dem eine Technik zum Vorhersagen des Auftretens einer neurologischen Störung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
2 zeigt eine Schemazeichnung hervorgerufener Feldpotentialsignale als Funktion der Zeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Schemazeichnung eines Indikators der Interkonnektivität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Schemazeichnung eines Querschnitts eines Hippocampus.
5 zeigt schematisch eine Zellenstruktur innerhalb eines Hippocampus.
6 zeigt einen Graphen, in dem aufgezeichnete hervorgerufene Feldpotentialsignale als Funktion der Zeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
7 zeigt einen Graphen, in dem ein Indikator der Interkonnektivität dargestellt ist, der das Verhältnis der Amplituden vieler hervorgerufener Feldpotentiale, die an zwei Orten im Gehirn als Funktion der Zeit gemessen wurden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
8 zeigt ein Diagramm eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Systems aus 8 gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft Techniken zum Analysieren erfasster Antwortfeldpotentiale zum Vorhersagen der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines neurologischen Vorfalls. Bei einer Ausführungsform beruht die Vorhersage auf Messungen und der Analyse eines Gleichgewichts zwischen dem Erregungsniveau und dem Hemmungsniveau in einer Gehirnstruktur. Das Gleichgewicht kann als ein Maß für die lokale Erregbarkeit der Gehirnstruktur angesehen werden. Merkmale dieses Maßes der lokalen Erregbarkeit korrelieren wiederum stark mit bevorstehenden, jedoch noch nicht auftretenden neurologischen Vorfällen. Bei einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich beim Vorhersagen des Einsetzens eines epileptischen Anfalls.
Gehirnzellen sind in der Lage, Einflüsse auf andere Gehirnzellen zu erzeugen. Diese Einflüsse umfassen erregende Einflüsse und hemmende Einflüsse. Jede Gehirnzelle weist eine große Anzahl erregender und hemmender Eingaben von vielen verschiedenen Gehirnzellen auf. Jede Zelle addiert diese erregenden und hemmenden Eingaben. Die Summe der erregenden und hemmenden Eingaben verursacht entweder eine erhöhte oder eine verringerte Aktivität in der Zelle. Wenn ein Schwellenniveau der erregenden Einflüsse erreicht wird, wenn beispielsweise das Gleichgewicht zwischen erregenden und hemmenden Signalen zur Erregung verschoben wird, erzeugen die Zellen ein Aktionspotential, das erregende und/oder hemmende Informationen zu verbundenen Gehirnzellen transportiert. Auf diese Weise beeinflusst das Aktivitätsniveau in jeder Zelle das Aktivitätsniveau, d.h. erregend oder hemmend, einer verbundenen Gehirnzelle. Dieser Einfluss jeder Gehirnzelle auf verbundene Gehirnzellen kann daher als ein Gleichgewicht zwischen den erregenden oder hemmenden Einflüssen auf die Gehirnzellen angesehen werden.
Die vorliegende Erfindung misst Änderungen des Gleichgewichts zwischen den erregenden oder hemmenden Einflüssen auf die Gehirnzellen. Diese Informationen werden dann verwendet, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines neurologischen Vorfalls zu beurteilen und vorherzusagen. Zum Gewinnen dieser Informationen werden elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse in eine Gehirnstruktur eingeleitet. Antwortfeldpotentiale auf die eingeleiteten elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse werden erfasst und analysiert. Der Betrag der Antwortfeldpotentiale liefert einen Hinweis auf das Gleichgewicht in den Gehirnzellen, die an der Übertragung der in die Gehirnstruktur eingeleiteten elektrischen Signale beteiligt sind. Dieser induzierte Effekt reflektiert die funktionale Interkonnektivität zwischen der Gehirnstruktur, in die die elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse eingeleitet werden, und den Gehirnstrukturen, an denen die Antwortfeldpotentiale erfasst werden.
Herkömmliche Prozeduren zum Vorhersagen einer Epilepsie bestimmen, ob ein erfasstes Elektroenzephalogramm (EEG), im Gegensatz zu den normalen stochastischen Merkmalen, eine Synchronität zu zeigen beginnt. Auf diese Weise wird der Anfall erst erkannt, nachdem er begonnen hat. Dagegen verwendet die vorliegende Erfindung die Messungen der funktionalen Interkonnektivität der Gehirnstrukturen zum Erkennen der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines bevorstehenden epileptischen Anfalls, der jedoch noch nicht begonnen hat. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher das Bereitstellen einer Therapie für das Gehirn, um die Ursache des bevorstehenden epileptischen Anfalls zu beseitigen oder den Anfall abzuschwächen. Es wird angenommen, dass das Beseitigen der Ursache des Anfalls auf diese Weise viel einfacher ist als das Unterbrechen eines bereits existierenden Anfalls.
Wenngleich viele der nachstehend präsentierten Beispiele auf die Erfassung und Behandlung eines epileptischen Anfalls gerichtet sind, ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Erfassung und Behandlung epileptischer Anfälle beschränkt ist. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine beliebige Anzahl von Zuständen innerhalb des Gehirns vorherzusagen und zu behandeln. Beispiele dieser Zustände umfassen Migränekopfschmerzen, die Parkinsonsche Krankheit, Schizophrenie, Depression, Manie oder andere neurologische Störungen, bei denen Änderungen des Gleichgewichts der erregenden oder hemmenden Einflüsse auf die Gehirnzellen Hinweise auf einen bevorstehenden pathologischen Vorfall bereitstellen können, sie sind jedoch nicht darauf beschränkt.
1 zeigt ein Flussdiagramm, in dem ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Bei 110 werden elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse auf eine Gehirnstruktur übertragen. Bei einer Ausführungsform umfassen die Gehirnstrukturen für das Abgeben der Anregungen bzw. Stimulationsimpulse ein afferentes Fasersystem und/oder ein efferentes Fasersystem im Nucleus subthalamicus, im Hippocampus, im medialen Thalamus und/oder im Temporallappen des Gehirns. Weil neurologische Störungen, wie eine Epilepsie, jedoch in einer großen Vielzahl von Gehirnstrukturen erzeugt werden können, muss möglicherweise der genaue Ort, an den die elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse abgegeben werden, für jeden individuellen Fall bestimmt werden.
Die elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse werden in einem Pulsmuster bzw. Impulsmuster an die Gehirnstruktur abgegeben. Das Pulsmuster bzw. Impulsmuster elektrischer Anregungen bzw. Stimulationsimpulse kann Paare von zwei oder mehr elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen aufweisen, die an die Gehirnstruktur abgegeben werden. Alternativ kann das Pulsmuster bzw. Impulsmuster elektrischer Anregungen bzw. Stimulationsimpulse ein kurzer Zug oder Burst einer vorgegebenen Anzahl von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen sein. Das genaue Muster und die genaue Anzahl der elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse in dem Pulsmuster bzw. Impulsmuster wird teilweise auf der Grundlage der Gehirnstruktur, an die die Anregungen bzw. Stimulationsimpulse abgegeben werden, ausgewählt. Bei einer Ausführungsform wird das Pulsmuster bzw. Impulsmuster so wiederholt, dass die elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse fortlaufend an den Patienten abgegeben werden.
Bei einer Ausführungsform ist das Pulsmuster bzw. Impulsmuster ein Paar von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen für die Gehirnstruktur. In diesem Beispiel umfasst das Paar der Anregungen bzw. Stimulationsimpulse eine erste und eine zweite Anregung bzw. einen ersten und einen zweiten Stimulationsimpuls, wobei die Anregungen bzw. Stimulationsimpulse durch ein vorgegebenes Zeitintervall getrennt sind. Bei einer Ausführungsform ist das vorgegebene Zeitintervall ein programmierbarer Wert von 21 Millisekunden, dieses Intervall kann jedoch von 5 bis 100 Millisekunden reichen. Bei einer weiteren Ausführungsform weist das vorgegebene Zeitintervall einen programmierbaren Wert im Bereich von 5 bis 2.000 Millisekunden auf. Das verwendete spezifische Zeitintervall hängt von der auf die funktionale Interkonnektivität analysierten Gehirnstruktur ab.
Es sind auch zusätzliche elektrische Anregungsparameter bzw. Stimulationsimpulsparameter programmierbar. Exakte Parameterwerte sind für die beteiligte Gehirnstruktur spezi fisch. Beispielsweise kann die Dauer jeder Anregung bzw. jedes Stimulationsimpulses in einem Bereich von 30 Mikrosekunden bis 10 Millisekunden programmiert werden. Zusätzlich kann auch die Wellenform der Anregungen bzw. Stimulationsimpulse programmiert werden. Die Wellenformen können rechteckige, sinusförmige und/oder rampenförmige Wellenformen aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Andere bekannte Wellenformen können auch verwendbar sein. Der Betrag jeder Anregung bzw. jedes Stimulationsimpulses des ersten Pulsmusters bzw. Impulsmusters ist auch ein programmierbarer Wert in einem Bereich von 10 Mikroampere bis 10 Milliampere. Schließlich wird das Pulsmuster bzw. Impulsmuster elektrischer Anregungen bzw. Stimulationsimpulse typischerweise zwei oder mehrere Male abgegeben. Bei einer Ausführungsform wird das Pulsmuster bzw. Impulsmuster wiederholt an den Patienten abgegeben, um den Patienten auf einen bevorstehenden neurologischen Vorfall zu überwachen. Die wiederholte Abgabe des Pulsmusters bzw. Impulsmusters weist eine Wiederholungsfrequenz auf, wobei die Wiederholungsfrequenz im Bereich von 1 Sekunde bis 30 Minuten programmiert ist.
Bei 120 werden Antwortfeldpotentiale für die an die Gehirnstruktur abgegebenen elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse erfasst. Bei einer Ausführungsform werden diese Antwortfeldpotentiale innerhalb derselben Gehirnstruktur erfasst, an die die elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse abgegeben wurden, oder zumindest wo die von den Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen aktivierten Fasern herausstehen und Kontakt herstellen. Beispielsweise werden eine oder mehrere derselben oder zusätzlicher Elektroden, die nachstehend detailliert erörtert werden, zum Erfassen der elektrischen Antwortpotentiale verwendet. Alternativ werden in eine Gehirnstruktur, die von der Gehirnstruktur getrennt ist, an die die elektrischen Anregungen bzw. Sti mulationsimpulse abgegeben wurden, implantierte Elektroden verwendet, um die elektrischen Antwortpotentiale für an anderer Stelle abgegebene Anregungen bzw. Stimulationsimpulse zu erfassen. Beispiele von zwei Gehirnstrukturen, an denen die Elektroden angeordnet werden können, umfassen eine identifizierte epileptogene Gehirnstruktur und eine nicht epileptogene Gehirnstruktur. Ein Beispiel einer üblichen epileptogenen Gehirnstruktur ist der Hippocampus.
Wie erörtert wurde, kann das an die Gehirnstruktur abgegebene Pulsmuster bzw. Impulsmuster Paare von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen (beispielsweise eine erste und eine zweite Anregung bzw. einen ersten und einen zweiten Stimulationsimpuls) enthalten. Ein wichtiger Aspekt der Erfassung der Antwortfeldpotentiale für diese Anregungspaare bzw. Stimulationsimpulspaare besteht in der Messung aller Änderungen, die in den Antworten bzw. Reaktionen auf die zweite Anregung bzw. den zweiten Stimulationsimpuls, verglichen mit der Antwort bzw. der Reaktion auf die erste Anregung bzw. den ersten Stimulationsimpuls, auftreten. Bei einer Ausführungsform wird die Messung der Änderung in den Antwortfeldpotentialen durch Messen der Feldpotentiale der Antwort auf die ersten Anregungen bzw. Stimulationsimpulse und der Feldpotentiale der Antwort auf die zweiten Anregungen bzw. Stimulationsimpulse erreicht. Die Differenzen in den Feldpotentialen, die durch die erste und die zweite Anregung bzw. den ersten und den zweiten Stimulationsimpuls hervorgerufen werden, werden dann verwendet, um den Zustand der funktionalen Interkonnektivität überwachter Strukturen innerhalb des Gehirns zu bestimmen.
Ein Weg zum Bestimmen der funktionalen Interkonnektivität der Gehirnstrukturen besteht darin, ein Betragsverhältnis der von der ersten Anregung bzw. vom ersten Stimulationsimpuls und von der zweiten Anregung bzw. vom zweiten Stimu lationsimpuls hervorgerufenen Feldpotentiale zu bilden. Es können auch andere relevante Messungen der Feldpotentiale verwendet werden. Bei einer Ausführungsform wird das Verhältnis zwischen den von der ersten Anregung bzw. vom ersten Stimulationsimpuls P1 hervorgerufenen Antwortfeldpotentialen und den von der zweiten Anregung bzw. vom zweiten Stimulationsimpuls P2 hervorgerufenen Antwortfeldpotentialen gebildet. Die Änderungen des Verhältnisses P1/P2 über die Zeit werden dann analysiert, weil sie die funktionale Interkonnektivität der Gehirnstrukturen darstellen können. Bei einer Ausführungsform werden spezielle Änderungen oder Trends der Steigung des Verhältnisses als Indikatoren für einen bevorstehenden neurologischen Vorfall angenommen.
Bei 130 aus 1 werden die erfassten Antwortfeldpotentiale analysiert, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer neurologischen Störung vorherzusagen. Bei einer Ausführungsform werden die Antwortfeldpotentiale analysiert, um einen bevorstehenden neurologischen Vorfall anzugeben. Beispielsweise werden die Antwortfeldpotentiale der erfassten Antwort verwendet, um die funktionale Interkonnektivität der Gehirnstruktur zu bestimmen, über die die Anregungen bzw. Stimulationsimpulse des ersten Pulsmusters bzw. Impulsmusters abgegeben wurden. Bei einer Ausführungsform erfolgt dies durch Bilden des Verhältnisses der Signale, wie vorstehend beschrieben wurde, und durch Analysieren des Änderungsverhältnisses der Signale. Sobald ein wahrscheinlicher neurologischer Vorfall identifiziert wird, wird eine Therapie zum Behandeln und/oder Verhindern der neurologischen Störung an den Patienten abgegeben.
Bei einer Ausführungsform kann, wenn ein Hinweis vorliegt, dass ein epileptischer Anfall kurz bevorsteht, die an den Patienten abgegebene Therapie das Abgeben elektrischer Therapieimpulse bei einer hohen Frequenz umfassen, um das Auf treten des Anfalls zu verhindern. Alternativ könnte der Hinweis auf einen Anfall die Verabreichung von Medikamenten an den Patienten hervorrufen. Bei einer Ausführungsform werden die Arzneimittel durch die Verwendung einer automatischen implantierbaren Arzneimittelpumpe mikroprozessorgesteuert verabreicht, wobei ein Signal, dass ein Anfall bevorsteht, bewirkt, dass die Arzneimittelpumpe die Medikamente verabreicht.
2 zeigt einen Graphen, in dem durch viele Wiederholungen der Anregungen bzw. Stimulationsimpulse erzeugte wiederholende Feldpotentialantworten als Funktion der Zeit dargestellt sind. In dem in 2 dargestellten Beispiel wurden Anregungspaare bzw. Stimulationsimpulspaare im Laufe von Stunden wiederholt bei ihrer Wiederholungsfrequenz abgegeben. Die Antwortfeldpotentiale umfassen ein erstes Signal 210, das die Antwortfeldpotentiale für die ersten Impulse darstellt, und ein zweites Signal 220, das die Antwortfeldpotentiale für die zweiten Impulse darstellt. Bei einer Ausführungsform ist die Differenz des Signalbetrags zwischen dem ersten Signal 210 und dem zweiten Signal 220 ein Indikator für das Gleichgewicht zwischen der Erregung und Hemmung der Gehirnstruktur, in der die Feldpotentiale erzeugt und erfasst werden. Bei einer Ausführungsform wird die funktionale Interkonnektivität bestimmt, indem das Betragsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Antwortfeldpotential für den ersten bzw. den zweiten Impuls gebildet wird.
3 zeigt ein Beispiel eines Indikators der funktionalen Interkonnektivität 300 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zum Erreichen dieser Darstellung wird das Verhältnis berechnet, indem die maximalen Feldpotentialamplituden für die von den ersten Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen hervorgerufene Antwort und die maximalen Feldpotential amplituden für die von den zweiten Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen hervorgerufene Antwort dividiert werden. 3 zeigt diese gegen die Zeit aufgetragenen Werte. 3 stellt auch Indikatoren 310 dafür bereit, wo neurologische Vorfälle (in diesem Fall epileptische Anfälle) im Laufe der Zeit aufgetreten sind. Wie erwähnt wurde, stellen die in den 2 und 3 aufgetragenen Signale den Betrag von vielen Feldpotentialen dar, die von ebenso vielen Sätzen von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen hervorgerufen werden. Wie für ein Beispiel erörtert wurde, wird das Pulsmuster bzw. Impulsmuster wiederholt an den Patienten abgegeben, wobei das Pulsmuster bzw. Impulsmuster eine Wiederholungsfrequenz aufweist, deren Zeit typischerweise länger ist als die Zeit für die Abgabe der Anregungen bzw. Stimulationsimpulse des Impulsmusters. Demgemäß sind in den 2 und 3 viele (beispielsweise tausende) Antwortfeldpotentiale dargestellt.
Bei einer Ausführungsform ist die funktionale Interkonnektivität 300 kurz vor dem Indikator 310 des neurologischen Vorfalls ein wichtiger Aspekt des vorliegenden Erfindungsgegenstands. Wie 3 zeigt, tritt kurz vor jedem neurologischen Vorfall 310 eine Verringerung 320 der funktionalen Interkonnektivität 300 auf. Bei einer Ausführungsform gibt diese Verringerung 320 der funktionalen Interkonnektivität 300 die Wahrscheinlichkeit an, dass ein neurologischer Vorfall, wie beispielsweise ein epileptischer Anfall, kurz bevorsteht. Wie 3 zeigt, hat die Verringerung 320 in der funktionalen Interkonnektivität eine negative Steigung. Bei einer Ausführungsform nimmt der Wert der negativen Steigung kurz vor dem neurologischen Vorfall 310 zu. Vorhersagen in bezug auf das Einsetzen eines bevorstehenden neurologischen Vorfalls können auf die Grundlage der Erfassung und Analyse dieser Intervalle der funktionalen Interkonnektivität 300, die eine negative Steigung aufwei sen, gestellt werden.
Bei einer Ausführungsform wird ein wahrscheinlicher neurologischer Vorfall angegeben, wenn ein Schwellenwert der negativen Steigung erreicht wird. Dieser Indikator kann allein oder in Kombination mit anderen aus den aufgezeichneten Feldpotentialen extrahierten Parametern verwendet werden, um festzustellen, dass ein neurologischer Vorfall kurz bevorsteht. Beispielsweise kann zusätzlich zu einer negativen Steigung eine positive Steigung, ein Unterschwinger oder ein Überschwinger, eine Spitzenzeit, eine Halbwertsbreite der Antwort, eine Beschreibung der Antwort mit einer Alfafunktion oder eine Reihe von Exponentialfunktionen in einer beliebigen Potenz verwendet werden, um einen wahrscheinlichen neurologischen Vorfall zu identifizieren. Zusätzlich kann das Lokalisieren des Schwellenwerts auch ein Selbstlernprozess sein, bei dem das System versucht, durch eine Therapie mit bestimmten Gehirnstrukturen zu interagieren. Abhängig von der Anzahl der falschen Positiven oder falschen Negativen kann das System seine Therapie anpassen.
3 gibt auch an, dass in der Interkonnektivität eine positive Steigung 330 auftritt, die dem Ende des neurologischen Vorfalls 310 folgt. Diese positive Steigung 330 kann als ein Rücksetzen der Interkonnektivität der überwachten Gehirnstrukturen angesehen werden. Es wird angenommen, dass die Ausführung einer Therapie während der negativen Steigung 320 diese positive Steigung 330 in der Interkonnektivität 300 erzeugt. Es wäre daher möglich, ein Gleichgewicht zwischen negativen und positiven Steigungen in dem Signal der Interkonnektivität 300 zu erhalten. Durch Aufrechterhalten eines ausgeglichenen Niveaus der Interkonnektivität wird das Einsetzen eines Anfalls verhindert. Daher wird angenommen, dass das Rücksetzen der Interkonnektivität ein wichtiger Aspekt zum Verhindern der neurologischen Vorfälle in der Art von Anfällen ist.
Es wurden Tierexperimente ausgeführt, um die vorliegende Erfindung zu testen und zu untermauern. In dem vorliegenden Beispiel wurden Ratten für ein epileptisches Modell verwendet. Ratten wurden unter Verwendung eines anerkannten Modells der Temporallappenepilepsie ("self sustained limbic seizure epilepsy", selbsterhaltende limbische Anfallsepilepsie SSLSE) epileptisch gemacht. In diesem Modus wird in der Ratte nach etwa einer Stunde einer tetanischen Stimulation ein epileptischer Zustand hervorgerufen. Der Zustand wurde dann unterbrochen, und es wurde zugelassen, dass sich die Ratte erholt hat. Während der Erholung entwickelt die Ratte eine Temporallappenepilepsie mit spontanen Anfällen. Dieses Modell und die Techniken sind gut getestet und wurden veröffentlicht. Es sei auf Lothman u.a., Epilepsie Res., 1989, 3: 107–119 und J. Neurophysiol. 1995, 74: 2, 829–840 verwiesen.
Ein Elektrodensatz wurde in die Schaffer-Kollateralen im Hippocampus der Ratte implantiert und zur Abgabe elektrischer Impulse verwendet. Aufzeichnungselektroden wurden in einem Bereich CA1 im Stratum pyramidale (sP) sowie im Stratum Radiatum (sR) implantiert. Beide Elektroden haben die Feldpotentiale gemessen, die von strukturierten Anregungs- bzw. Stimulationsimpulsen hervorgerufen wurden, die von der Elektrode in den Schaffer-Kollateralen abgegeben wurden. Zusätzlich wurden diese Elektroden verwendet, um die normale und die epileptische Hirnaktivität fortlaufend aufzuzeichnen.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Hippocampus 400 der Ratte und der Hauptstrukturen der Pyramidenzellen 410. 5 zeigt den schematischen Aufbau einer lokalen Schaltung 500 innerhalb des Hippocampus der Ratte. Die lo kale Schaltung 500 weist Stimulationselektroden 510 und Aufzeichnungselektroden 520 auf. Während der Experimente wurden die Stimulationselektroden 510 in der Nähe der Eingangsfasern 530 in den Hippocampus der Schaffer-Kollateralen angeordnet. Die Aufzeichnungselektroden wurden im Stratum pyramidale (sP) 540 und im Stratum radiatum (sR) 550 positioniert.
6 zeigt in einem Graphen den durch wiederholt abgegebene Impulsmuster bei dem vorstehend beschriebenen Rattenexperiment hervorgerufenen Betrag von Feldpotentialaufzeichnungen. In diesem Beispiel weist das abgegebene Impulsmuster Paare elektrischer Anregungen bzw. Stimulationsimpulse auf, die wiederholt über einen Zeitraum von 24 Stunden abgegeben werden, wobei die erste und die zweite elektrische Anregung bzw. der erste und der zweite elektrische Stimulationsimpuls von jedem Paar von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen 20 Millisekunden getrennt waren und jedes Paar von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen über die 24 Stunden mit einem Intervall von 10 Sekunden wiederholt wurde. Die Amplitude jeder Anregung bzw. jedes Stimulationsimpulses lag im Bereich von 4 bis 10 Millivolt, und die Dauer jeder Anregung bzw. jedes Stimulationsimpulses lag im Bereich von 4 bis 8 Millisekunden.
In 6 umfassen die Antwortfeldpotentialsignale ein an einer ersten Position gemessenes erstes Signal 600 und ein an einer zweiten Position innerhalb des Rattengehirns gemessenes zweites Signal 610. In dem vorliegenden Beispiel wurde das erste Signal 600 im Stratum Pyramidale (sP) aufgezeichnet und das zweite Signal 610 im Stratum Radiatum (sR) aufgezeichnet. Wie 6 zeigt, ist das erste Signal 600 der Betrag der Antwortfeldpotentiale für die ersten elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse und das zweite Signal 610 der Betrag der Antwortfeldpotentiale für die zweiten elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse des wiederholt abgegebenen Impulsmusters. Über den Zeitraum von 24 Stunden wurden epileptische Anfälle 630 durch Sichtbetrachtung erfasst.
7 zeigt eine Messung der anhand Feldpotentialsignalen 600 und 610 für das Beispiel aus 6 bestimmten funktionalen Interkonnektivität 700. Die funktionale Interkonnektivität 700 des erfassten Feldpotentialsignals wird durch Bilden eines Verhältnisses zwischen der Amplitude der vielen Feldpotentiale für das erste Signal 600 und den vielen Feldpotentialen für das zweite Signal 610 bestimmt, wie vorstehend erörtert wurde. Das anhand des Verhältnisses der Feldpotentialwerte berechnete Niveau der funktionalen Interkonnektivität 700 liefert einen Hinweis auf die Wahrscheinlichkeit, dass ein neurologischer Vorfall in der Art eines epileptischen Anfalls 710 kurz bevorsteht. 7 zeigt auch Verringerungen 730 in der funktionalen Interkonnektivität 700 kurz vor jedem der Anfälle 710.
Bei einer Ausführungsform gibt diese Verringerung 730 der funktionalen Interkonnektivität 700 die Wahrscheinlichkeit an, dass ein neurologischer Vorfall, wie beispielsweise ein epileptischer Anfall, kurz bevorsteht. Wie 7 angibt, hat die Verringerung 730 der Interkonnektivität eine negative Steigung. Bei einer Ausführungsform nimmt diese negative Steigung kurz vor dem epileptischen Anfall 710 zu. Vorhersagen in bezug auf das Einsetzen eines wahrscheinlichen epileptischen Anfalls 710 können auf der Grundlage der Erfassung und der Analyse jener Intervalle der funktionalen Interkonnektivität 700, die eine negative Steigung und insbesondere eine abrupte Erhöhung der negativen Steigung aufweisen, gemacht werden.
7 zeigt auch eine positive Steigung 740 in der funk tionalen Interkonnektivität, die dem Ende des neurologischen Vorfalls 710 folgt. Diese positive Steigung 740 kann als ein Rücksetzen der Interkonnektivität der überwachten Gehirnstrukturen angesehen werden. Es wird angenommen, dass das Ausführen der Therapie während der negativen Steigung 730 diese positive Steigung 740 in der funktionalen Interkonnektivität 700 erzeugt. Es wäre daher möglich, ein Gleichgewicht zwischen der negativen und der positiven Steigung in dem Signal der funktionalen Interkonnektivität 700 aufrechtzuerhalten. Durch Aufrechterhalten eines ausgeglichenen Niveaus der Interkonnektivität wird das Einsetzen eines Anfalls verhindert. Daher wird angenommen, dass das Rücksetzen der Interkonnektivität ein wichtiger Aspekt für das Verhindern der neurologischen Vorfälle in der Art von Anfällen ist.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Systems 800 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einer Ausführungsform können Abschnitte des Systems 800 unter die Haut eines Patienten implantiert werden. Das System weist im allgemeinen eine oder mehrere Elektroden 810 auf, die in eine Gehirnstruktur implantierbar sind. Die Elektroden 810 können dazu dienen, elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse, vom Signalprozessor/-generator 820 gesteuert, an die Gehirnstruktur abzugeben. Der Signalprozessor/-generator 820 verwendet auch Elektroden 810 zum Empfangen von Antwortfeldpotentialen für die an das Gehirn abgegebenen elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse.
Die Elektroden 810 können in eine oder mehrere Gehirnstrukturen implantiert werden, wie vorstehend beschrieben ist. In dem in 8 dargestellten Beispiel sind die Elektroden 810 durch eine Leitung 830 mit dem Signalprozessor/-generator 820 gekoppelt. Die Elektroden 810 können die Form einer Vorrichtung annehmen, die in der Lage ist, die Aktivität von Nervenzellen oder Axonen zu erfassen. Bei einer Ausführungsform werden die Elektroden 810 in einer oder mehreren Strukturen des Gehirns tief im Gehirnparachyma angeordnet, wie vorstehend beschrieben wurde. Alternativ können die Elektroden in den Anfallsherd oder in den Teil des Zentralnervensystems, in dem Anfälle beginnen, eingeführt werden. Eine Programmier-/Steuereinrichtung 840 für medizinische Vorrichtungen wird auch zum Kommunizieren mit dem Signalprozessor/-generator 820 und zum Programmieren von diesem verwendet. Bei einer Ausführungsform sendet die Programmier-/Steuereinrichtung 840 für medizinische Vorrichtungen Daten zum Signalprozessor/-generator 820 und empfängt Daten von diesem und kommuniziert mit dem implantierten Impulsgenerator über eine Telemetrieverbindung. Solche Telemetriesysteme können beispielsweise Hoch- bzw. Funkfrequenzen, Ultraschall, Infrarot oder andere entsprechende Kommunikationsmittel verwenden.
Bei einer Ausführungsform dienen die eine oder die mehreren Elektroden 810 an der Leitung 830 nicht nur zum Abgeben der elektrischen Anregungen bzw. Stimulationsimpulse, sondern auch zum Empfangen der Antwortfeldpotentiale. Jede Elektrode 810 ist über einen Drahtleiter in der Leitung 830 einzeln mit dem Signalprozessor/-generator 820 verbunden. Abhängig von der Situation, können eine oder mehrere Leitungen mit einer beliebigen Anzahl von Elektroden verwendet werden. Es kann das von Medtronic, Inc. aus Minneapolis, Minnesota, vertriebene Leitungsmodell 3387 DBS.TM verwendet werden. Weitere Leitungsmodelle umfassen die Modelle 3389 und 3388, die auch von Medtronic, Inc. vertrieben werden.
Der Signalprozessor/-generator 820 weist einen elektrischen Impulsgenerator und einen Signalanalysator auf. Der elektrische Impulsgenerator erzeugt elektrische Impulse und gibt sie an Elektroden 810 ab. Der Signalanalysator verar beitet von den Elektroden 810 empfangene Signale und sagt das Auftreten einer neurologischen Störung vorher.
9 zeigt ein Blockdiagramm, in dem der Signalprozessor/-generator 820 der vorliegenden Erfindung in größeren Einzelheiten dargestellt ist. Mit Elektroden 810 erfasste Antwortfeldpotentiale werden durch einen Verstärker 900 und ein Filter 910 verstärkt bzw. gefiltert. Die Antwortfeldpotentialsignale werden dann durch einen Analog-Digital-Wandler 920 in eine digitale Darstellung umgewandelt. Die Antwortfeldpotentiale können dann durch einen Signalanalysator 930 weiterverarbeitet werden oder zur Verarbeitung in einen Mikroprozessor 940 eingegeben werden.
Bei einer Ausführungsform wird der Signalanalysator 930 zum Verarbeiten von Elektroden 810 empfangener Antwortfeldpotentiale und zum Vorhersagen des Auftretens einer neurologischen Störung auf der Grundlage der erfassten Antworten verwendet. Alternativ könnte der Mikroprozessor 940 zum Verarbeiten der von Elektroden 810 empfangenen Antwortfeldpotentiale und zum Vorhersagen des Auftretens der neurologischen Störung auf der Grundlage der erfassten Potentiale verwendet werden. Bei einer Ausführungsform werden das Verarbeiten der Feldpotentiale und das Vorhersagen des Auftretens der neurologischen Störung durch die Verwendung eines in einem Speicher 945 gespeicherten Algorithmus erreicht. Der Algorithmus kann als ein Programmcode verwirklicht sein, der aus dem Speicher 945 abgerufen wird und vom Mikroprozessor 940 ausgeführt wird.
Der Mikroprozessor 940 ist auch mit einem elektrischen Impulsgenerator 950 gekoppelt. Der elektrische Impulsgenerator 950 gibt elektrische Anregungen bzw. Stimulationsimpulse an die in der Gehirnstruktur implantierten Elektroden 810 vom Mikroprozessor 940 gesteuert ab. Der elektrische Impulsgenerator 950 wird zum Abgeben von Anregungen bzw. Stimulationsimpulsen mit dem vorstehend beschriebenen Impulsmuster verwendet. Beispielsweise kann das Impulsmuster Paare einer ersten Anregung bzw. eines ersten Stimulationsimpulses und einer zweiten Anregung bzw. eines zweiten Stimulationsimpulses aufweisen, die wiederholt an den Patienten abgegeben werden.
Der Signalanalysator 930 wird dann zum Messen von Änderungen in den Antworten auf die zweiten Anregungen bzw. Stimulationsimpulse im Vergleich zu den Antworten auf die ersten Anregungen bzw. Stimulationsimpulse verwendet, wie vorstehend erörtert wurde. Bei einer Ausführungsform misst der Signalanalysator 930 das Feldpotential der von einem ersten und einem zweiten Ort innerhalb des Gehirns empfangenen Antworten. Der Signalanalysator 930 bestimmt das Niveau der funktionalen Interkonnektivität anhand eines Verhältnisses zwischen den am ersten und am zweiten Ort gemessenen Antwortfeldpotentialen, wie vorstehend beschrieben wurde. Der Signalanalysator 930 gibt einen wahrscheinlichen epileptischen Vorfall an, wenn das Niveau der Interkonnektivität beispielsweise eine negative Steigung angibt. Zusätzlich zur negativen Steigung gibt der Signalanalysator 930 den bevorstehenden epileptischen Vorfall an, wenn die negative Steigung beispielsweise einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Wenn eine wahrscheinliche neurologische Episode identifiziert wurde, steuert der Mikroprozessor 940 die Abgabe einer Therapie an den Patienten. Bei einer Ausführungsform umfasst die Therapie die Verwendung eines elektrischen Impulsgenerators 950 zur Abgabe einer Therapie in Form elektrischer Impulse für die neurologische Störung, wenn die Änderung der Antwortfeldpotentiale einen Schwellenwert übersteigt. Bei einer Ausführungsform kann das Lokalisieren des Schwellenwerts ein Selbstlernprozess sein, bei dem das System versucht, durch eine Therapie mit bestimmten Gehirnstrukturen zu interagieren.
Die Therapieimpulse elektrischer Energie können an Elektroden 810 und/oder zusätzliche in das Gehirn implantierte Elektroden abgegeben werden. Bei einer Ausführungsform werden die Therapieimpulse bei einer hohen Frequenz abgegeben, um das Auftreten der neurologischen Störung zu verhindern. Andere Therapieimpulsmuster sind auch möglich. Abhängig von der Anzahl falscher Positiver oder falscher Negativer, kann das System die Therapie anpassen. Zusätzliche Therapietechniken und -prozesse könnten in den Signalprozessor/-generator aufgenommen werden, um den Patienten zu behandeln. Beispielsweise könnten vom Signalprozessor/-generator gesteuerte Therapien Arzneimittelpumpen zur Abgabe von Medikamenten gegen Anfälle an den Patienten einschließen.
Zu der Zeit, zu der die vorliegende Erfindung in den Patienten implantiert wird, kann der Kliniker bestimmte Schlüsselparameter in den Speicher der implantierten Vorrichtung programmieren, oder er kann dies durch Telemetrie vornehmen. Diese Parameter können anschließend nach Bedarf aktualisiert werden. Alternativ kann der Kliniker die Verwendung von Standardwerten wählen. Der Kliniker programmiert gewöhnlich den Wertebereich für die Impulsbreite, den Impulsbetrag und die Impulsfrequenz. Der Kliniker kann die Parameter der elektrischen Impulse durch Telemetrie mit einer Programmiereinrichtung für medizinische Vorrichtungen einstellen. Um die Interkonnektivität des Gehirns zu beurteilen, können die erfassten Signale über die Zeit im Speicher 945 gespeichert werden und zur Beurteilung durch den Arzt durch Telemetrie abgerufen werden. Der Arzt kann die gespeicherten Daten verwenden, um Therapie- oder Überwachungsmerkmale im System 820 zurückzusetzen.
Die vorstehenden spezifischen Ausführungsformen erläutern die Verwirklichung der Erfindung. Es ist daher zu verstehen, dass andere Maßnahmen, die Fachleuten bekannt sind, oder hier offenbart wurden, eingesetzt werden können, ohne von der in den Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Vorhersage des Einsetzens eines epileptischen Anfalls beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch nicht auf die Vorhersage des Einsetzens eines neurologischen Vorfalls an sich beschränkt, sondern kann weitere Anwendung bei dem Vorhersagen von Migränekopfschmerzen, der Parkinsonschen Krankheit, einer Schizophrenie, einer Depression, einer Manie oder bei anderen neurologischen Störungen finden, bei denen Änderungen des Gleichgewichts zwischen erregenden oder hemmenden Einflüssen auf die Gehirnzellen Hinweise auf einen bevorstehenden pathologischen Vorfall liefern können.

Claims

System mit: einer oder mehreren Elektroden (810), die in eine Gehirnstruktur implantierbar ist bzw. sind, einem Signalprozessor/-generator (820), der mit den Elektroden gekoppelt ist, wobei der Signalgenerator aufweist: einen elektrischen Impulsgenerator (950) mit einem ersten Pulsmuster, um elektrische Reize bzw. Anregungen an das Gehirn über die Elektroden zu geben, die in der Gehirnstruktur implantiert sind, wobei das erste Pulsmuster eine erste Anregung und eine zweite Anregung umfasst, einen Signalanalysator (930), um über die Elektroden Ansprech- bzw. Antwortfeldpotentiale auf die elektrischen Anregungen zu empfangen, die mit dem elektrischen Impulsgenerator abgegeben werden, wobei der Signalanalysator Antwortfeldpotentiale durch die Elektroden empfängt und Änderungen in den Antwortfeldpotentialen auf den zweiten Impuls gegenüber den Antwortfeldpotentialen auf den ersten Impuls misst und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer neurologischen Störung basierend auf den erfassten Antwortfeldpotentialen voraussagt, und wobei der elektrische Impulsgenerator eine Therapie für die neurologische Störung liefert, wenn die Änderung in den Antwortfeldpotentialen einen Schwellenwert übersteigt.
System nach Anspruch 1, bei dem der elektrische Impulsgenerator (950) Paare von zwei oder mehr elektrischen Anregungen abgibt.
System nach Anspruch 2, bei dem der elektrische Impulsgenerator ein Abgeben einer zweiten Anregung relativ zu einer ersten Anregung um einen Zeitraum von 5 bis 2.000 Millisekunden verzögert.
System nach Anspruch 2, bei dem der elektrische Impulsgenerator wiederholt ein erstes Pulsmuster bei einer Wiederholfrequenz von 1 Sekunde bis 3 Minuten abgibt.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Signalanalysator (930) das Feldpotential der Antwortfeldpotentiale misst, die von einem ersten Ort und einem zweiten Ort innerhalb des Gehirns empfangen werden, und einen Grad einer funktionalen Zusammenschaltung bzw. Interkonnektivität anhand eines Verhältnisses der Antwortfeldpotentiale bestimmt, die an dem ersten und zweiten Ort gemessen werden.
System nach Anspruch 5, bei dem der Signalanalysator (930) einen wahrscheinlichen epileptischen Vorfall anzeigt, wenn der Grad einer funktionalen Zusammenschaltung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
System nach Anspruch 5, bei dem der Signalanalysator (930) einen wahrscheinlichen epileptischen Anfall anzeigt, wenn der Grad einer funktionalen Zusammenschaltung eine negative Steigung hat.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Impulsgenerator (950) Therapieimpulse bei einer hohen Frequenz abgibt, um das Auftreten der neurologischen Störung zu verhindern.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Signalanalysator (930) die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines epileptischen Anfalls basierend auf den Antwortfeldpotentialen anzeigt.