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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf implantierbare medizinische
Vorrichtungen und insbesondere auf ein System und eine Vorrichtung zur
Wechselwirkung mit einem vorbestimmten bzw. gewünschten Gewebe eines Patienten.
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Implantierbare
medizinische Vorrichtungen (IMDs) sind Vorrichtungen, die innerhalb
eines Körpers
angeordnet werden, um bestimmte physiologische Signale zu überwachen
und eine Therapie für ein
Organ oder Gewebe in Reaktion auf die physiologischen Signale vorzusehen
oder zu ermöglichen. Beispiele
von IMDs umfassen Herzüberwachungseinrichtungen,
Therapieabgabevorrichtungen, Herzschrittmacher, implantierbare Impulsgeneratoren, Schrittmacher-Kardio-Defibrillatoren,
implantierbare Kardio-Defibrillatoren, Kardiomyo-Stimulatoren, Nervenstimulatoren,
Magenstimulatoren, Gehirnstimulatoren und Arzneimittelabgabevorrichtungen.
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Implantierbare
medizinische Vorrichtungen des derzeitigen Standes der Technik sind
beispielsweise in US-B1-6248080 und in WO-A-03/033070 offenbart.
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Im
derzeitigen Stand der Technik werden die Erfassungs- und/oder Stimulationsfunktionen
der IMD von einem implantierbaren Modul gesteuert, das typischerweise
eine Leistungsquelle, ein Kommunikationsmittel, das die Steuerung des
Moduls ermöglicht,
wie z. B. durch Telemetrie, eine Logikschaltung, die die Funktion
des Moduls unabhängig
von Eingängen über Telemetrie
steuert, und die Elektronik zum Modulieren der Eingänge und
Ausgänge
in das und aus dem Modul aufnimmt. Die Erfassungs- und/oder Stimulationsfunktionen
werden typischerweise durch Zuleitungen durchgeführt, die nahe einer interessierenden
Stelle oder dem "vorbestimmten
Gewebe" implantiert
werden und die Gewebewechselwirkungselemente wie z. B. Stimulationselektroden,
Arzneimittelkanäle,
Sensoren und Erfassungselektroden und dergleichen umfassen. Die
Gewebewechselwirkungselemente stehen mit dem implantierbaren Modul über zweckgebundene
Leiter, die sich auf der Strecke vom vorbestimmten Gewebe zum implantierbaren
Modul erstrecken, in elektrischer Kommunikation. Typischerweise
ist jede Gewebewechselwirkungsvorrichtung mit ihrem eigenen zweckgebundenen
Leiter verbunden. Jeder zweckgebundene Leiter erfordert einen Durchführungszugang
vom Steuermodul, einen Drahtleiter zum Übertragen von elektronischen
Signalen, Mittel zum Isolieren des Drahtleiters vom Körper und
von anderen Drahtleitern und Mittel zum Verbinden der Drahtleiter
mit den Gewebewechselwirkungsvorrichtungen. Da sich die zweckgebundenen
Leiter für
relativ lange Strecken, wie beispielsweise vom Bauch zum Rückenmark,
erstrecken können,
sind die Leiter typischerweise so konfiguriert, dass sie signifikanten
Zug- und Biegeanforderungen standhalten, die durch den langen Verlauf
impliziert sind. Die Leiter sind typischerweise auch so eingerichtet,
dass sie den Energieverlust aufgrund der Impedanz minimieren. Ferner
sollten die langen Leiter so konfiguriert sein, dass das gefährliche
Aussetzen des Patienten der Kopplung von Energie in die Leiter von
externen Wechselmagnetfeldern in solchen Umgebungen wie z. B. magnetischer
Resonanzabbildung, Diathermie und Diebstahlerfassung verringert
oder beseitigt wird. Folglich sind zum Erfüllen dieser Bedürfnisse
und Anforderungen die Leiter häufig
beachtlich.
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Obwohl
es vorteilhaft sein kann, zehn, zwanzig, fünfzig oder mehr Gewebewechselwirkungsvorrichtungen
an einer vorbestimmten Stelle zu verwenden, war die Verwendung dieser
vielen Gewebewechselwirkungsvorrichtungen auf Grund der durch den
Körper
auferlegten Größenbegrenzungen
für die Anzahl
von beachtlichen Leitern, die implantiert werden können, insbesondere
durch Arterien- oder Venenblutgefäße, nicht durchführbar. Außerdem erfordern
die langen Leiterverläufe
in Kombination mit den Rauschabstandanforderungen bestimmter Erfassungs-
und/oder Stimulationssysteme eine anspruchsvolle Konstruktion der
Zuleitungen, die die Gewebewechselwirkungsvorrichtungen aufnehmen, um
das Rauschen zu minimieren und um die Isolation der Leiter voneinander
und von der Umgebung zu maximieren.
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Folglich
ist es erwünscht,
ein verbessertes medizinisches System und eine verbesserte medizinische
Vorrichtung zur Wechselwirkung mit Gewebe eines Patienten zu schaffen.
Ferner werden andere erwünschte
Merkmale und Eigenschaften der Erfindung aus der anschließenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangehenden
technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Wechselwirkung mit vorbestimmtem
Gewebe eines Patienten werden offenbart. Die Vorrichtung umfasst ein
zentrales Steuermodul, ein Satellitenmodul und eine Leitung bzw.
Zuleitung. Das zentrale Steuermodul ist für die subkutane Implantation
ausgelegt und ist mit dem Satellitenmodul gekoppelt. Das Satellitenmodul
umfasst einen Prozessor, ein Kommunikationsmodul, ein Umschaltmodul,
einen Speicher, einen Leseverstärker
und einen A/D-Umsetzer. Das Kommunikationsmodul ist mit dem Prozessor
zur Kommunikation mit dem zentralen Steuermodul gekoppelt. Das Umschaltmodul
ist mit dem Prozessor gekoppelt. Der Speicher ist mit dem Kommunikationsmodul und
dem Prozessor gekoppelt. Der A/D-Umsetzer ist mit dem Leseverstärker und
dem Speicher gekoppelt. Das Satellitenmodul ist zur subkutanen Implantation
ausgelegt und ist mit der Zuleitung gekoppelt. Die Zuleitung ist
zur subkutanen Implantation ausgelegt und besitzt mindestens ein
Gewebewechselwirkungselement.
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Ein
Verfahren zur Kommunikation zwischen einem zentralen Steuermodul
und einem Satellitenmodul zur Wechselwirkung mit vorbestimmtem Gewebe
eines Patienten wird offenbart. Ein Programmierwort mit einer zum
Satellitenmodul zu sendenden Information wird geschaffen. Das Programmierwort
wird in identifizierbare Gruppen von Impulsen bzw. Pulsen umgesetzt,
die Bits des Programmierworts entsprechen. Die identifizierbaren
Gruppen von Impulsen werden zum Satellitenmodul gesandt. Die identifizierbaren
Gruppen von Impulsen werden in eine Information zum Bereitstellen
einer Therapie für
den Patienten umgesetzt. Die Energie von den identifizierbaren Gruppen
von Impulsen wird gespeichert, um das Satellitenmodul zu speisen.
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Die
Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren
beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten
und
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1 ein
System zur Wechselwirkung mit einem vorbestimmten Gewebe eines Patienten
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
darstellt;
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2 ein
Blockdiagramm des in 1 dargestellten Systems ist;
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3 eine
aufgeschnittene Ansicht eines Satellitensteuermoduls gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
ist;
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4 ein
System zur Wechselwirkung mit einem vorbestimmten Gewebe eines Patienten
gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
darstellt;
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5 ein
Blockdiagramm des in 4 dargestellten Systems ist;
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6 ein
Blockdiagramm eines zentralen Steuermoduls, das mit zwei Satellitenmodulen
gekoppelt ist, gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
ist; und
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7 ein
Beispiel eines Programmierworts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung ist lediglich beispielhafter Art und soll die Erfindung
oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung nicht begrenzen.
Ferner besteht keine Absicht, an irgendeine ausgedrückte oder
implizierte Theorie gebunden zu sein, die im vorangehenden technischen Gebiet,
Hintergrund, in der kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden
ausführlichen
Beschreibung dargestellt ist.
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1 stellt
eine Vorrichtung 20 zur Wechselwirkung mit einem vorbestimmten
Gewebe eines Patienten 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Vorrichtung 20 kann eine beliebige
geeignete Erfassungs- oder
Therapieabgabevorrichtung, wie beispielsweise ein Rückenmark-Stimulationssystem,
eine EEG-Erfassungs- und Stimulationsvorrichtung für das tiefe
Gehirn, eine Arzneimittelabgabe-Therapievorrichtung und dergleichen,
die vorzugsweise unter die Haut des Patienten 10 implantiert
wird, umfassen. Die Vorrichtung 20 umfasst ein zentrales
Steuermodul 12 und mindestens ein Satellitensteuermodul 14,
das mit dem zentralen Steuermodul 12 über einen oder mehrere erste Leiter 18 gekoppelt
ist. Das zentrale Steuermodul 12 und das Satellitensteuermodul 14 sind
beide hermetisch abgedichtete Komponenten, die bioverträgliche Oberflächen für das vorbestimmte
Gewebe und Umgebungsgewebe präsentieren.
Eine oder mehrere Zuleitungen 16 sind mit dem Satellitensteuermodul 14 über einen
oder mehrere zweiter Leiter 22 gekoppelt.
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Die
Zuleitung 16 umfasst mindestens ein Gewebewechselwirkungselement 24,
das eine Stimulationselektrode, eine Aufzeichnungselektrode, eine Arzneimittelabgabevorrich tung,
ein Sensor wie z. B. ein chemischer oder Drucksensor oder irgendeine andere
Art von Element oder Kombination von Elementen, die dazu ausgelegt
sind, mit einem vorbestimmten Gewebe eines Patienten in Wechselwirkung
zu treten, sein kann. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff "in Wechselwirkung
treten" die Erfassung
von physiologischen Signalen von einem vorbestimmten Gewebe und/oder
das Liefern einer Therapie, wie z. B. elektrische Stimulation, Arzneimittel
und dergleichen, zum vorbestimmten Gewebe. Die Zuleitung 16 kann
eine Paddelzuleitung umfassen. Alternativ kann die Zuleitung 16 eine
beliebige andere herkömmliche
Zuleitung, die in der medizinischen Industrie bekannt ist und verwendet
wird, umfassen. Der Ort des (der) Gewebewechselwirkungselements
(Gewebewechselwirkungselemente) 24 wird durch die Art der
Behandlung oder Überwachung,
die gewünscht
ist, bestimmt.
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Mehrere
Satellitensteuermodule 14 und Zuleitungen 16 können auch
in einer beispielhaften Vorrichtung verwendet werden, um die Erfassung
von Signalen oder Daten von verschiedenen Bereichen, einem Abschnitt
oder Bereichen des Körpers
zu ermöglichen
oder zu erleichtern und/oder die Verteilung einer Therapie zu verschiedenen
Bereichen, Abschnitten oder Bereichen des Körpers zu ermöglichen
oder zu erleichtern. In einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Zuleitung 16 ein Gewebewechselwirkungselement 24 wie
z. B. einen Druck- oder Temperatursensor. In einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Zuleitung 16 mehrere oder eine
Kette von gleichen oder ungleichen Gewebewechselwirkungselementen,
die entlang der Länge
der Zuleitung 16 angeordnet sind, so dass jedes Gewebewech selwirkungselement
mit Gewebe an einer Stelle in, an oder nahe einem Abschnitt des
Körpers
in Wechselwirkung steht, das von jenem Gewebe verschieden ist, mit
dem ein angrenzendes Gewebewechselwirkungselement in Wechselwirkung
steht. Folglich können
andere Zuleitungskonfigurationen als die explizit in den Zeichnungen
gezeigten ausgeführt
werden.
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Obwohl
die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
hierin mit Bezug auf Rückenmark-Stimulationsprozeduren
(SCS-Prozeduren) und/oder tiefe Gehirnstimulationsprozeduren (DBS-Prozeduren)
beschrieben werden, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung
in anderen Anwendungen als SCS- und DBD-Prozeduren Nutzen findet,
wie z. B. peripherer Nerven- oder Nerbenknotenstimulation, Intraspinalstimulation,
Sakralwurzelstimulation oder intraventrikulärer Zerebralstimulation. Außerdem kann
die Erfindung auch verwendet werden, um eine Stimulation oder Überwachung
verschiedener Muskeln des Körpers
wie z. B. des Herzmuskels zu schaffen. Die Erfindung findet auch
für die
Arzneimitteltherapie Nutzen, bei der elektrische Komponenten gegen
Kanäle
und Katheter zum Leiten von Arzneimittelmaterial zur Therapiestelle
ausgetauscht werden. Ferner kann die Erfindung auch verwendet werden,
um physiologische Signale wie z. B. den Fluiddruck oder die Temperatur
innerhalb des Schädels
zu überwachen.
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Das
zentrale Steuermodul 12 einer SCS-Vorrichtung kann programmiert
werden, um eine vorbestimmte Stimulationsdosis hinsichtlich der
Impulsamplitude, Impulsbreite, Impulsfrequenz oder des Tastgrades
zum Satellitensteuer modul 14 zu liefern. In einer beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung kann ein Programmierer 26 verwendet werden,
um Stimulationsparameter zum zentralen Steuermodul 12 über Telemetrie
zu liefern. Eine beliebige einer Anzahl von geeigneten Programmier-
und Telemetriemethodologien, die auf dem Fachgebiet bekannt sind,
kann verwendet werden, solange die gewünschte Information zum und
vom zentralen Steuermodul 12 übertragen wird. Während die
Komponenten der Vorrichtung 20 typischerweise subkutan implantiert
werden, befindet sich der Programmierer 26 vorzugsweise
außerhalb
des Körpers
eines Patienten. Folglich ist der Programmierer 26 mit
einer Antenne 28 gekoppelt. Alternativ können das
zentrale Steuermodul 12 und der Programmierer 26 Daten oder
Informationen durch beliebige andere geeignete Mittel wie z. B.
elektrische, telemetrische, Funk-, Infrarot- oder andere Mittel,
die Fachleuten gut bekannt sind, austauschen.
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2 stellt
eine beispielhafte Ausführungsform
der Vorrichtung der Erfindung mit einem zentralen Steuermodul 12,
das in den Magen eines Patienten implantiert wird, einem Satellitensteuermodul 14, das
in das Rückenmark
oder nahe diesem implantiert wird, und mehreren Gewebewechselwirkungselementen 24,
die in dieser Ausführungsform
Elektroden sind, die in das oder nahe dem vorbestimmten Gewebe des
Rückenmarks
implantiert werden, dar. Die Funktionalität und die Merkmale des zentralen
Steuermoduls 12 können
in der Ausgereiftheit variieren, wobei sie im Bereich zwischen einfach
(z. B. nur Liefern von Leistung zu den Gewebewechselwirkungselementen 24 und
Weiterleiten von Informationen, die von diesen gesammelt werden,
zum Programmierer 26) bis komplex (z. B. Verar beitung und/oder
Speicherung von erfassten Signalen durch einen Mikroprozessor, eine
Steuereinheit, einen Digitalsignalprozessor oder eine andere Rechenvorrichtung,
Bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung oder ein vorbestimmter
Zustand im Patienten existiert, Auslösen einer Therapie in Reaktion
auf die Erfassung einer solchen Bedingung oder eines solchen Zustandes) liegen.
Ebenso kann die Ausgereiftheit der Funktionalität und der Merkmale des Satellitensteuermoduls 14 im
Bereich zwischen einfach (z. B. lediglich Wirkung als Schaltmechanismus
für die
Gewebewechselwirkungselemente 24) bis sehr komplex (z.
B. Erfassung, Verarbeitung und/oder Speicherung von Signalen von
den Gewebewechselwirkungselementen, Feststellung, ob eine vorbestimmte
Bedingung oder ein vorbestimmter Zustand im Patienten existiert, Auslösen einer
Therapie in Reaktion auf die Erfassung einer solchen Bedingung oder
eines solchen Zustandes) liegen.
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Ferner
können
die Funktionalität
und die Merkmale der Vorrichtung 20 zwischen dem zentralen
Steuermodul 12 und dem Satellitensteuermodul 14 in
Abhängigkeit
von solchen Faktoren wie der Größe der verschiedenen
Komponenten, die zum Durchführen
der gewünschten
Funktionen erforderlich sind, und der Art und Zeitsteuerung der
Behandlung, die durch die Gewebewechselwirkungselemente 24 bereitgestellt
werden muss, aufgeteilt werden. Folglich können sich in einer beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung voluminöse
Komponenten, die relativ große
Mengen an Nutzfläche
verbrauchen, im zentralen Steuermodul befinden, das entfernt vom vorbestimmten
Gewebe angeordnet sein kann, und kleine Komponenten, die relativ
kleine Mengen an Nutzfläche
verbrauchen, können
sich im Satellitensteuer modul befinden, das nahe dem oder im vorbestimmten
Gewebe angeordnet sein kann. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung können,
wenn die Erfassung des vorbestimmten Gewebes mit einer relativ sofortigen
Behandlung des Gewebes auf der Basis von erfassten Signalen erforderlich
ist, Komponenten, die die Erfassung, eine Daten- oder Signalverarbeitung
und Therapieabgabe durchführen,
am Satellitensteuermodul angeordnet sein. Durch Anordnen einer bestimmten Funktionalität und bestimmter
Merkmale, die im Stand der Technik typischerweise vom zentralen Steuermodul
durchgeführt
werden, im Satellitensteuermodul, können die Anzahl und Größe von Verbindungselementen
zwischen dem zentralen Steuermodul 12 und dem Satellitensteuermodul 14 minimiert werden.
Ferner können
die Drahtverbindungselemente zwischen dem Satellitensteuermodul 14 und den
Gewebewechselwirkungselementen 24, da sie nur auf einem
relativ begrenzten Abstand zwischen dem Satellitensteuermodul 14 und
den Gewebewechselwirkungselementen 24 verlaufen, aus feineren
Materialien gebildet werden und kleine Geometrien aufweisen, die
die Verwendung einer dichteren Konzentration von Gewebewechselwirkungselementen 24 am
vorbestimmten Gewebe ermöglichen
können.
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Mit
Bezug auf 2, in der die Vorrichtung 20 ein
SCS-System umfassen
kann, ist das zentrale Steuermodul 12 mit einem Programmierer 26 vorzugsweise über Antennen 28 und 30 gekoppelt.
Folglich kann das zentrale Steuermodul 12 ein Transceiver-Modul 32 umfassen,
das die Abgabe und den Empfang von Informationen und Daten an den
und von dem Programmierer 26 steuert. Das zentrale Steuermodul 12 umfasst
vorzugsweise eine geeignete implantierbare Quelle für elektrische
Energie (Leistungsquelle) 34, um das Satellitensteuermodul 14, die
Zuleitungen 16 und die Schaltungsanordnung des zentralen
Steuermoduls 12 zu speisen. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Leistungsquelle 34 eine beliebige
geeignete Quelle für
elektrische Energie gemäß der üblichen
Praxis auf dem Fachgebiet sein und kann eine beliebige einer primären Batterie,
einer sekundären
Batterie, eines Kondensators und dergleichen sein. Das zentrale
Steuermodul 12 umfasst auch einen Steuerprozessor 36. Der
Steuerprozessor 36 kann einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer
oder einen anderen Mikrocontroller, eine Steuereinheit oder einen
Digitalsignalprozessor umfassen. Der Steuerprozessor 36 ist
dazu ausgelegt, die Gewebewechselwirkungselemente 24 auszuwählen und
zu speisen, die Schaltungsanordnung des zentralen Steuermoduls 12 zu
steuern, und kann auch dazu ausgelegt sein, Signale vom Satellitensteuermodul 16 zu
empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Das zentrale Steuermodul 12 umfasst
ferner einen Signalgenerator 38, der durch den Steuerprozessor 36 gesteuert
wird und dazu ausgelegt ist, Stimulationssignale zum Satellitensteuermodul 16 zu
senden, die von den Elektroden 24 zum vorbestimmten Gewebe
verteilt werden. Das zentrale Steuermodul 12 kann ferner
ein Kommunikationsmodul 54 umfassen, das für die Übertragung
von Befehlen und Daten, die durch das zentrale Steuermodul 12 vom
Programmierer 26 empfangen werden, zum Satellitensteuermodul 14 und
zum Empfangen von Signalen und Daten, die vom Satellitensteuermodul 14 übertragen
werden, und zum Weiterleiten derselben zur entsprechenden Komponente
zur Verarbeitung oder Übertragung
zum Programmierer 26 verantwortlich ist.
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Das
zentrale Steuermodul 12 ist mit dem Satellitensteuermodul 16 durch
einen Leiter 22 gekoppelt, der in dieser Ausführungsform
ein Kommunikationsverbindungselement 40 und ein Masseverbindungselement 42 umfasst,
die zum Liefern von Leistung und Informationen zum Satellitensteuermodul 16 dienen.
Leistung kann vom zentralen Steuermodul 12 zum Satellitensteuermodul 16 entlang
des Kommunikationsverbindungselements 40 über ein Wechselspannungs-
oder Impuls-Gleichspannungs-Lieferverfahren geliefert werden, das
digitale Kommunikationssignale besitzt, die mit dem Leistungssignal
verschachtelt oder auf dieses überlagert werden.
Wenn die entlang des Kommunikationsverbindungselements 40 gelieferte
Leistung nicht ausreicht, um die Schaltungen des Satellitensteuermoduls 16 zu
speisen und Stimulationsenergie zu den Elektroden 24 zu
liefern, dann können
ein oder mehrere zusätzliche
Verbindungselemente wie z. B. Stimulationsverbindungselemente 44 und 46 verwendet werden,
um Stimulationssignale zum Satellitensteuermodul 16 zu
liefern. Wie in 2 dargestellt, kann das Stimulationsverbindungselement 44 ein
Signal STIM. 1 mit einem ersten Spannungspegel zum Satellitensteuermodul 16 liefern
und das Stimulationsverbindungselement 46 kann ein Signal
STIM. 2 mit einem zweiten Spannungspegel zum Satellitensteuermodul 16 liefern.
Das zentrale Steuermodul 12 ist eine Leistungsquelle und
ein Kommunikationskern zwischen dem Programmierer 26 und
dem Satellitenmodul 14. Dies ermöglicht, dass die voluminösen Komponenten
des Systems in einem zweckmäßigen Bereich
des Patienten angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst der Leiter 22 so
wenig Verbindungselemente wie möglich,
um die gewünschte
Leistung und die Stimulationssignale zu übertragen. In dieser Weise
kann nur eine begrenzte Anzahl von Verbindungselementen verwendet
werden, um den vollen Abstand zwischen dem zentralen Steuermodul 12 und
dem Satellitensteuermodul 14 zu durchlaufen, und folglich
kann nur diese begrenzte Anzahl von Verbindungselementen dazu ausgelegt
sein, den vollen Zug- und Biegeanforderungen, die durch den relativ
langen Verlauf zwischen dem Bauch und dem Rückenmark impliziert sind, standzuhalten
und das Rauschen und die Signalverringerung zu minimieren. In einer
alternativen beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung können
verschiedene Therapiestimulationssignale zu den Elektroden unter
Verwendung des zentralen Steuermoduls 12, um ein einziges
Signal zum Satellitensteuermoduls 14 zu übertragen, und
unter Verwendung des Satellitensteuermoduls 14, um das
Signal auf die gewünschten
Therapiestimulationspegel zu modulieren, geliefert werden.
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Das
Satellitensteuermodul 14 umfasst ein Kommunikationsmodul 56,
einen Prozessor 48 und ein Umschaltmodul 50. Das
Satellitensteuermodul 14 steuert lokal eine Behandlungsmethodologie,
die auf den Patienten angewendet wird. Mit anderen Worten, die Wechselwirkung
mit den Elektroden 24 wird innerhalb des Satellitenmoduls 14 auf
der Basis der darin gespeicherten Programmierung bestimmt. Daten und
Programmierinformationen werden durch das Steuermodul 12 zum
Satellitenmodul 14 hin und her geleitet. Das Kommunikationsmodul 56 ist
dazu ausgelegt, mit dem Kommunikationsmodul 54 des zentralen
Steuermoduls 12 zu kommunizieren. Der Satellitenprozessor 48 kann
einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer oder einen anderen Mikrocontroller,
eine Steuereinheit oder einen Digitalsignalprozessor umfassen. Der
Prozessor 48 ist für
das Empfangen und Verarbeiten von Befehlen und Informationen vom
zentralen Steuermodul 12 über das Kommunikationsmodul 56 verantwortlich
und steuert das Umschaltmodul 50, das die vom zentralen
Steuermodul 12 empfangenen Signale verteilt und polarisiert.
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Das
Satellitensteuermodul 14 ist mit den Elektroden 24 über zweckgebundene
Elektrodenverbindungselemente 52 gekoppelt. Typischerweise wird
das Satellitensteuermodul 14 in einen Patienten an einem
Ort nahe der Stelle oder den Stellen der Elektroden 24 implantiert.
Durch Anordnen der Elektrodenumschalt-, Speise- und Polarisationsfunktionen
am Satellitensteuermodul 14 können folglich die zweckgebundenen
Elektrodenverbindungselemente 52 kleinere Geometrien aufweisen,
als wenn sie sich auf der Strecke zwischen den Elektroden 24 und
dem zentralen Steuermodul 12 erstrecken müssten. Folglich
kann eine größere Anzahl
von Elektroden 24 am vorbestimmten Gewebe verwendet werden.
Da der Verlauf der zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente 52 verringert
werden kann, kann sich außerdem
eine Verringerung des Signalverlusts und der Dämpfung entlang der zweckgebundenen
Elektrodenverbindungselemente 52 ergeben.
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3 ist
eine aufgeschnittene Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform
des Satellitensteuermoduls 14. Das Satellitensteuermodul 14 kann
ein Keramik-Hybridschaltungssubstrat 60 umfassen, das die
Schaltungsanordnung der verschiedenen Komponenten des Moduls 14 trägt, einschließlich des Prozessors 48,
des Kommunikationsmoduls 56, des Umschaltmoduls 50 und
irgendeiner zusätzlichen Schaltungsanordnung.
Das Satellitensteuermodul 14 umfasst vorzugsweise einen
IC-Chip 64, der an einer Oberfläche des Substrats 60 angebracht
ist und mit elektrischen Leiterbahnen 66 beispielsweise
durch Drahtbonden verbunden ist. Die elektrischen Leiterbahnen 66 sind
wiederum an Drahtverbindungselementen wie z. B. den Verbindungselementen 40, 42, 44 und 46 angebracht,
um das Satellitensteuermodul 14 mit dem zentralen Steuermodul 12 (nicht
dargestellt) zu koppeln. Die Elektroden (nicht dargestellt) sind
mit dem Satellitensteuermodul 14 über zweckgebundene Elektrodenverbindungselemente 52 gekoppelt,
die mit mit Metall gefüllten
Löchern 68 verbunden
sind, die wiederum mit dem IC-Chip 64 durch Drahtbondstellen 70 gekoppelt
sind. Es ist zu erkennen, dass eine beliebige Anzahl von Verfahren
verwendet werden könnte,
um den IC-Chip 64 mit zweckgebundenen
Elektrodenverbindungselementen 52 und/oder Verbindungselementen 40–46 zu verbinden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann
der IC-Chip 64 beispielsweise ein Flip-Chip sein, der mit
den Verbindungselementen durch Metallleitungen gekoppelt ist, die
auf dem oder im Substrat 60 ausgebildet sind. Die Komponenten
des Satellitensteuermoduls 14 sind von der Umgebung unter
Verwendung einer metallischen Abdeckung 72 hermetisch abgedichtet,
die an das Substrat 60 gelötet sein kann, jedoch von den
elektrischen Leiterbahnen 66 beispielsweise durch eine
dielektrische Beschichtung getrennt sein kann, so dass die metallische
Abdeckung 72 und das Lötmittel
die Leiterbahnen 66 nicht kurzschließen. Es ist selbstverständlich, dass
irgendein anderes Verfahren zum Erreichen der hermetischen Abdichtung
verwendet werden kann, wie z. B. Schweißen, Hartlöten und dergleichen. In einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung können
die Komponenten des Satellitensteuermo duls 14 wie z. B.
der IC-Chip 64 mit der metallischen Abdeckung 72 verbunden
sein. Externe Verbindungen können
dann mit der metallischen Abdeckung 72 zur Kommunikation
mit den Komponenten des Moduls 14 hergestellt werden. Andere
auf dem Fachgebiet bekannte Mittel können auch verwendet werden,
um Signale von den Komponenten des Satellitensteuermoduls 14 zu
senden oder Signale von diesen zu empfangen. Eine gegenseitige Induktivität kann beispielsweise
mit einer Spule, die auf der Außenseite eines
Keramiknetzes 60 strukturiert ist, und einer Spule, die
auf der Innenseite des Keramiknetzes 60 strukturiert ist,
verwendet werden. Alternativ kann eine kapazitive Kopplung mit einer
kapazitiven Platte, die an der Außenseite des Keramiknetzes 60 angeordnet
ist, und einer kapazitiven Platte, die an der Innenseite des Keramiknetzes 60 angeordnet
ist, verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können Antennen
verwendet werden, um Signale über
das Keramiknetz 60 zu übertragen.
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Es
ist selbstverständlich,
dass das Kommunikationsprotokoll und die Mittel, die zum Koppeln des
Satellitensteuermoduls 14 und des zentralen Steuermoduls 12 verwendet
werden, ein unabhängiges
digitales Kommunikationsmittel und ein unabhängiges Wechselspannungsschaltungsmittel,
die sich in einem oder beiden des zentralen und des Satellitensteuermoduls
befinden, umfassen können.
Alternativ kann das zentrale Steuermodul 12 eine herkömmliche
Nerven- oder Herzstimulationsvorrichtung umfassen, die so modifiziert
wurde, dass Kommunikationssignale vom zentralen Steuermodul durch
die Stimulationsmaschinenelektronik dieser Vorrichtung erzeugt werden
könnten.
Bei dieser letzteren Methode könnte
das zentrale Steuermodul 12 durch den Programmierer 26 programmiert
werden, um die Stimulationsmaschinenelektronik zu induzieren, um
Folgen von Impulsen auf einem gewählten Leiter auszugeben, die
vom Satellitensteuermodul als 1-en und 0-en interpretiert werden
würden.
Das Satellitensteuermodul 14 könnte dann die Impulse verarbeiten,
um die Kommunikationen zu entschlüsseln. Das Satellitensteuermodul 14 kann
wiederum mit dem zentralen Steuermodul 12 durch eine beliebige
Anzahl von Mitteln kommunizieren, die bereits im zentralen Steuermodul 12 existieren.
Bestätigungs-
und Fehlerprüfantworten
vom Satellitensteuermodul 14 könnten beispielsweise vom zentralen Steuermodul 12 durch
Halten eines Leiters wie z. B. des Leiters 40 auf einem
festgelegten Impedanzpegel, der von der existierenden Impedanzerfassungselektronik
im zentralen Steuermodul 12 erfasst werden könnte, empfangen
werden. Alternativ könnte ein
festgelegter Spannungspegel, der von der existierenden Spannungserfassungselektronik
oder einer anderen existierenden Erfassungselektronik im zentralen
Steuermodul 12, wie z. B. einer Leseverstärkerschaltung
in Herzschrittmachern, erfasst werden könnte, auf dem Leiter 40 aufrechterhalten
werden.
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Mit
Bezug auf 4 kann in einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung ein System ein EEG-Erfassungs-
und Stimulationssystem für
das tiefe Gehirn für
die Erfassung und Beendung von epileptischen Anfällen umfassen. In dieser Ausführungsform
verwendet eine Vorrichtung 80 ein zentrales Steuermodul 84,
das nahe dem Schlüsselbein
eines Patienten 10 implantiert ist. Die Vorrichtung 80 umfasst
ferner ein anspruchsvolleres Satellitensteuermodul 82,
das in oder nahe den Schädel implantiert
ist und mit dem zentralen Steuermodul 84 durch einen Leiter 90 gekoppelt
ist. Eine oder mehrere tiefe Gehirnstimulationszuleitungen 86 mit
mehreren Gewebeschnittstellenelementen, die in dieser Ausführungsform
Erfassungs- und Stimulationselektroden 88 sind, sind mit
dem Satellitensteuermodul 82 elektrisch gekoppelt und sind
in das oder nahe dem vorbestimmten Gewebe des Gehirns eingesetzt.
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Mit
Bezug auf 5 ist das zentrale Steuermodul 84 mit
einem Programmierer 92 vorzugsweise über Antennen 94 und 96 gekoppelt.
Folglich kann das zentrale Steuermodul 84 ein Transceiver-Modul 98 umfassen,
das die Lieferung und den Empfang von Informationen und Daten an
den bzw. vom Programmierer 92 steuert. Das zentrale Steuermodul 84 umfasst
vorzugsweise eine geeignete implantierbare Quelle für elektrische
Energie (Leistungsquelle) 100, um das Satellitensteuermodul 82,
die Zuleitungen 86 und die Schaltungsanordnung des zentralen
Steuermoduls 84 zu speisen. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Leistungsquelle 100 eine beliebige
geeignete Quelle für
elektrische Energie gemäß der üblichen
Praxis auf dem Fachgebiet sein und kann eine beliebige einer primären Batterie,
einer sekundären
Batterie, eines Kondensators und dergleichen sein. Das zentrale
Steuermodul 84 umfasst auch einen Steuerprozessor 102.
Der Steuerprozessor 102 kann einen Mikroprozessor, einen
Mikrocomputer, eine Steuereinheit oder einen Digitalsignalprozessor
umfassen. Der Steuerprozessor 102 kann dazu ausgelegt sein,
die Schaltungsanordnung des zentralen Steuermoduls 84 zu
steuern und Signale vom Satellitensteuermodul 82 und Befehle
vom Programmierer 92 zu empfangen und zu verar beiten. Von
den Elektroden 88 empfangene Signale und vom Programmierer 92 empfangene
Befehle und Signale können
in einem Speicher 104 gespeichert werden. Das zentrale
Steuermodul 84 kann ferner ein Kommunikationsmodul 106 umfassen,
das für
das Übertragen
von Befehlen und Daten, die durch das zentrale Steuermodul 84 vom
Programmierer 92 empfangen werden, zum Satellitensteuermodul 82 und
für das
Empfangen von Signalen und Daten, die vom Satellitensteuermodul 82 übertragen
werden, und für das
Weiterleiten derselben zur entsprechenden Komponente zur Verarbeitung
oder Übertragung
zum Programmierer 92 verantwortlich ist. Im Allgemeinen ist
das zentrale Steuermodul 84 eine Leistungsquelle und ein
Kommunikationskern für
das System.
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Das
zentrale Steuermodul 84 ist mit dem Satellitensteuermodul 82 durch
einen Leiter 90 gekoppelt, der in dieser Ausführungsform
ein Kommunikationsverbindungselement 108 und ein Masseverbindungselement 110 umfasst,
die zum Liefern von Leistung und Informationen zum Satellitensteuermodul 82 dienen.
Leistung kann vom zentralen Steuermodul 84 zum Satellitensteuermodul 82 entlang
des Verbindungselements 108 über ein Wechselspannungs- oder
Impuls-Gleichspannungslieferverfahren geliefert werden, das digitale
Kommunikationssignale aufweist, die mit dem Leistungssignal verschachtelt
oder auf dieses überlagert
werden. Wenn die entlang des Verbindungselements 108 gelieferte
Leistung nicht ausreicht, um die Schaltungen des Satellitensteuermoduls 82 zu
speisen und Stimulationsenergie zu den Elektroden 88 zu
speisen und zu liefern, dann können
ein oder mehrere zusätzliche
Verbindungselemente wie z. B. Stimulationsverbindungselemente 112 und 114 verwendet
werden, um Stimulationssignale zum Satellitensteuermodul 82 zu
liefern. Wie in 5 dargestellt, kann das Stimulationsverbindungselement 112 ein
Signal STIM. 1 mit einem ersten Spannungspegel zum Satellitensteuermodul 82 liefern
und das Stimulationsverbindungselement 114 kann ein Signal
STIM. 2 mit einem zweiten Spannungspegel zum Satellitensteuermodul 82 liefern.
Es ist zu erkennen, dass eine beliebige Anzahl von zusätzlichen
Verbindungselementen verwendet werden kann, um gewünschte Therapiestimulationssignale gleichzeitig
zum Satellitensteuermodul 82 zu liefern. Vorzugsweise umfasst
jedoch der Leiter 90 so wenig Verbindungselemente wie möglich, um
die gewünschte
Leistung und die Stimulationssignale zu übertragen. In dieser Weise
kann nur eine begrenzte Anzahl von Verbindungselementen verwendet
werden, um den vollen Abstand zwischen dem zentralen Steuermodul 84 und
dem Satellitensteuermodul 82 zu durchlaufen, und folglich
kann nur diese begrenzte Anzahl von Verbindungselementen dazu ausgelegt sein,
den vollen Zug- und Biegeanforderungen, die durch den relativ langen
Verlauf zwischen dem Schlüsselbein
und dem Schädel
impliziert sind, standzuhalten und das Rauschen und die Signalverringerung
zu minimieren. In einer alternativen Ausführungsform können verschiedene
Therapiestimulationssignale zu den Elektroden unter Verwendung des
Satellitensteuermoduls 82 geliefert werden, um ein Signal
auf die gewünschten
Therapiestimulationspegel zu modulieren.
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Das
Satellitensteuermodul 82 umfasst ein Kommunikationsmodul 116,
das dazu ausgelegt ist, Leistung, Signale und Daten, die vom zentralen
Steuermodul 84 übertragen
werden, zu empfangen, und auch dazu ausgelegt ist, Signale und Daten
zum Kommunikationsmodul 106 des zentralen Steuermoduls 84 zu übertragen.
Das Satellitensteuermodul 84 steuert die zum Patienten
gelieferte Therapie unter einem normalen Betrieb. Eine lokale Wechselwirkung ermöglicht eine
bessere Steuerung und schnellere Reaktionszeiten für den Patienten.
Signale und Daten, die vom zentralen Steuermodul 84 empfangen werden,
können
unter Verwendung des Satellitenprozessors 120, des Logikmoduls 128 und
des Puffers 130 gespeichert und/oder verarbeitet werden.
Das Satellitensteuermodul 82 umfasst auch einen Leseverstärker 118,
der zum Verstärken
von Signalen, die von den Elektroden 88 empfangen werden,
zur Verwendung bei der anschließenden
Digitalsignalanalyse, Speicherung und/oder Datenübertragung oder Telemetrie
ausgelegt ist. Signale von den Elektroden 88 können durch
den A/D-Umsetzer 124 zur Speicherung unter Verwendung des
Puffers 130 und Speichers 126 in digitale Mehrbitsignale
umgesetzt werden. Der Prozessor 120 oder ein anderer Mikrocontroller,
eine Steuereinheit oder ein Digitalsignalprozessor kann Digitalsignal-Analyseverfahren
verwenden, um die im Speicher 126 gespeicherten digitalisierten
Signale zu charakterisieren. Alternativ kann diese Charakterisierung
durch die Logik 128 durchgeführt werden. Das Satellitensteuermodul 82 kann
auch einen Signalgenerator 132 umfassen, der die Therapiestimulationssignale
erzeugt, die durch die Elektroden zum vorbestimmten Gewebe verteilt werden.
Die Auswahl der Elektroden zum Erfassen und/oder zur Stimulation
wird vorzugsweise durch den Prozessor 120 über das
Umschaltmodul 122 gesteuert, wobei die Auswahl nach Wunsch
verändert werden
kann. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Satellitensteuermodul 82 auch
eine Leistungsversorgung (nicht darge stellt) aufweisen, die dazu
konfiguriert sein kann, die Elektroden 88 zu speisen und/oder
die Schaltungsanordnung des Satellitensteuermoduls 82 zu
speisen.
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Das
Satellitensteuermodul 82 kann mit den Elektroden 88 über zweckgebundene
Elektrodenverbindungselemente (nicht dargestellt) gekoppelt sein, die
sich durch die Zuleitungen 86 erstrecken können. Vorzugsweise
wird das Satellitensteuermodul 82 in einen Patienten an
einem Ort nahe der Stelle oder den Stellen der Implantation der
Zuleitungen 86 implantiert. Durch Anordnen der Erfassungsschaltungsanordnung
und der Elektrodenumschalt-, Speise- und Polarisationsfunktionen am Satellitensteuermodul 82 können folglich
die zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente kleinere Geometrien
aufweisen, als wenn sie sich auf der Strecke zwischen den Elektroden 88 und
dem zentralen Steuermodul 84 erstrecken müssten. Folglich
kann eine größere Anzahl von
Elektroden 88 am vorbestimmten Gewebe verwendet werden.
Außerdem
kann der Verlauf der zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente verringert
werden, folglich kann eine Verringerung des Signalverlusts und der
Dämpfung
entlang der Elektrodenverbindungselemente verwirklicht werden. Ferner
ermöglicht
die Signalverarbeitung am Satellitensteuermodul 82 eine
direkte Wirkung des Softwarealgorithmus, der vom Programmierer 92 geliefert
wird, auf das analoge Signal, das von den Elektroden 88 empfangen
wird, was den Bedarf für
eine digitale Hochgeschwindigkeits-Kommunikation zwischen dem Satellitenmodul 82 und
dem zentralen Steuermodul 84, um dasselbe Ergebnis zu erzielen, beseitigt.
Die Anordnung der Signalverarbeitung am Satellitenmodul kann auch
das Risiko für
den Patienten durch die Kopplung von Energie von externen Wechselmagnetfeldern
verringern.
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Es
ist zu erkennen, dass das Satellitensteuermodul 82, die
Elektroden 88 und die zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente
eine beliebige Anzahl von geeigneten Formen annehmen können. In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann das Satellitensteuermodul 82 beispielsweise
eine eigenständige
Vorrichtung sein, die sich in einer von den Elektroden 88 entfernten
Position befindet. Obwohl es von den Elektroden 88 entfernt
ist, ist das Satellitensteuermodul 82 vorzugsweise nahe
den Elektroden 99 angeordnet, um die zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente,
die das Modul 82 und die Elektroden 88 koppeln,
zu minimieren. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das
Satellitensteuermodul 82 in dieselbe Struktur oder Zuleitung
wie die Elektroden 88 integriert sein, wie z. B. an einer
Paddelzuleitung konfiguriert. In dieser Ausführungsform kann sich das Satellitensteuermodul 82 an
derselben Struktur wie die Elektroden 88 befinden, aber
an einer zu diesen anderen Stelle an der Struktur angeordnet sein,
wobei folglich die Länge
der zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente minimiert wird.
Alternativ kann das Satellitensteuermodul 82 unter den
Elektroden 88 angeordnet sein, wobei somit die Länge der
zweckgebundenen Elektrodenverbindungselemente weiter minimiert wird.
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Mit
dem in 4 und 5 dargestellten vorstehend beschriebenen
System könnten,
wenn das Satellitensteuermodul 82 ein interessierendes EEG-Ereignis
erfassen würde,
die analogen EEG-Signale von den Elektroden 88 über den A/D-Umsetzer 124 in
ein digitales Signal umgesetzt werden. Der Puffer 130 und
der Speicher 126 könnten
verwendet werden, um die ausgewählte
digitalisierte Wellenform zu speichern, die dann zum zentralen Steuermodul 84 mit
einer Taktrate gesandt werden könnte,
die der Fähigkeit
der seriellen digitalen Verbindung zwischen den zwei Modulen entspricht.
Alternativ könnten
die analogen Signale vom Satellitensteuermodul 82 zum zentralen
Steuermodul 84 in analoger Form übertragen werden und die analogen
Signale könnten
am zentralen Steuermodul zur Weiterverarbeitung oder für Übertragungen
zum Programmierer 92 in eine digitale Form umgesetzt werden.
Das Satellitensteuermodul 82 könnte auch so konfiguriert sein,
dass es nur Zustands- und Warnungssignale (die beispielsweise angeben,
dass der Beginn eines Anfalls erfasst wird oder nicht erfasst wird)
zum zentralen Steuermodul 84 sendet, wie durch Vorgabeeinstellungen
im Satellitensteuermodul 82 und/oder im zentralen Steuermodul 84 bestimmt
oder wie gemäß durch
einen Arzt programmierten Befehlen bestimmt.
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Unter
Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform des in 4 und 5 dargestellten Systems
könnte
ein Arzt die Anordnung der Zuleitungen überprüfen und könnte Stimulationsstellen unter Verwendung
einer Benutzerschnittstellensoftware des Programmierers 92 einstellen,
um Befehle zum zentralen Steuermodul 84 hochzusenden, um
bestimmte Elektroden zu adressieren, die am distalen Ende der Zuleitungen
angeordnet sind. Vorzugsweise besitzt jede Elektrode ihre eigene
Adresse, die individuell festgelegt werden könnte. Die Befehle des Arztes
könnten
telemetrisch vom Programmierer 92 zum zentralen Steuermodul 84 übertragen
werden, das die Befehle in Signale verarbeiten könnte, die vom Satellitensteuermodul 82 verstanden
werden könnten.
Beim Empfang der Signale kann das Satellitensteuermodul 82 Stimulationssignale
erzeugen und die Stimulationssignale zu einer festgelegten Elektrode übertragen.
Folglich könnte
irgendeine mechanische Bewegung der Zuleitungen nach der Anordnung,
die beispielsweise durch Nähen
der Wunde, Verriegelung der Zuleitung in einer Bohrlochkappe oder
andere Störungen,
die während
oder nach der Operation verursacht werden, verursacht werden können, zu
einer Zeit nach der Anordnung der Zuleitungen durch Befehle vom
Programmierer 92 korrigiert werden, der so programmiert
werden kann, dass er die Kombination der Stimulations- und Erfassungselektroden ändert, so
dass auf gewünschte
Positionen im Gehirn abgezielt werden kann. Außerdem kann ein Arzt zahlreiche
Elektroden programmieren, die voneinander beabstandet sind, um mehrere
vorbestimmte Stellen des Gehirns abzutasten und/oder zu stimulieren.
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Es
wird auch in Erwägung
gezogen, dass eine geeignete Therapie zum Gehirn durch das System
in Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung oder einen vorbestimmten
Zustand wie z. B. die Erfassung des Beginns eines Anfalls geliefert
werden kann. Ein beispielhaftes System mit einem Programmierer 92,
einem zentralen Steuermodul 84, einem Satellitensteuermodul 82 und
einer oder mehreren Stimulations- und Erfassungselektroden 88,
die in das oder nahe dem vorbestimmten Gewebe des Gehirns implantiert
sind und mit dem Satellitensteuermodul 82 verbunden sind,
ist beispielsweise vorzugsweise in der Lage, bei der Erfassung oder
Feststellung der Anwesenheit einer vorbestimm ten Bedingung oder
eines vorbestimmten Zustandes im Schädel (wie z. B. elektronische
Impulse, die den Beginn eines Anfalls angeben), zu veranlassen,
dass das Satellitensteuermodul 82, das zentrale Steuermodul 84,
der Programmierer 92 und/oder eine andere externe Vorrichtung
eine geeignete Therapie bereitstellt oder liefert. Die geeignete
Therapie kann zu jenem Bereich des Gehirns geliefert werden, in
dem die Therapie optimalerweise in Reaktion auf solche erfassten
vorbestimmten Bedingungen bereitgestellt werden sollte, wie z. B.
durch Übertragen
von regulierenden Stimulationssignalen zum Gehirn, um einen Anfall
zu verhindern. Alternativ kann das System dazu ausgelegt sein, eine
oder mehrere andere Therapien anstelle von oder gleichzeitig mit
der Übertragung
von elektronischen Signalen zu liefern, wie beispielsweise die Abgabe
von Arzneimitteln an den Patienten.
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Das
System kann bei einem Patienten gemäß dem folgenden Verfahren verwendet
werden. Mindestens ein Gewebewechselwirkungselement wird in einen
Patienten an oder nahe einem vorbestimmten Gewebe implantiert. Das
Gewebewechselwirkungselement kann mit einem Satellitensteuermodul
gekoppelt werden, das in den Patienten an einem Ort implantiert
wird, der vorzugsweise nahe dem Gewebe liegt, auf das durch das
Gewebewechselwirkungselement abgezielt werden soll. Das Gewebewechselwirkungselement
kann mit dem Satellitensteuermodul über ein zweckgebundenes Verbindungselement
gekoppelt werden, dessen physikalische Abmessungen durch Minimieren
des Abstandes zwischen dem Satellitensteuermodul und der Gewebewechselwirkungsvorrichtung
verringert werden können.
Das Satellitensteuermodul kann mit einem zentralen Steuermodul gekoppelt werden,
das in den Patienten an einem Ort, der vom Satellitensteuermodul
entfernt ist, implantiert wird. Das Satellitensteuermodul kann mit
dem Satellitensteuermodul durch einen oder mehrere Leiter oder Verbindungselemente
gekoppelt werden. Vorzugsweise sind die Leiter oder Verbindungselemente
so ausgelegt, dass sie den Zug- und Biegeanforderungen standhalten, die
durch den Verlauf zwischen dem Satellitensteuermodul und dem zentralen
Steuermodul impliziert sind. Das Gewebewechselwirkungselement kann dann
durch Aktivierung des zentralen Steuermoduls veranlasst werden,
mit dem vorbestimmten Gewebe in Wechselwirkung zu treten. Es ist
zu erkennen, dass das (die) Gewebewechselwirkungselement(e), das
Satellitensteuermodul und das zentrale Steuermodul in den Körper in
einer beliebigen Reihenfolge implantiert werden können, wobei
die jeweiligen Kopplungsverbindungen während oder nach der Implantation
der entsprechenden Vorrichtungen hergestellt werden.
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6 ist
ein Blockdiagramm eines zentralen Steuermoduls 200, das
mit zwei Satellitenmodulen gekoppelt ist, gemäß noch einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform.
Das zentrale Steuermodul 200 ist mit einem Satellitenmodul 205 und
einem Satellitenmodul 206 durch Drähte 201, 202, 203 und 204 gekoppelt.
In einer Ausführungsform
des Systems sind die Drähte 201 und 202 Leistungs-
bzw. Massedrähte.
Die Drähte 203 und 204 sind
ein Kanal 1 bzw. ein Kanal 2 des Systems zum Vorsehen eines Reizes
zum Ansteuern der Elektroden. In einer alternativen Ausführungsform
sind nur die Drähte 201 und 202 zum
Liefern von Leistung und des Reizes erforderlich. In beiden Fällen wird
die Verdrahtung zwischen dem zentralen Steuermodul 200 und
den Satellitenmodulen 205 und 206 auf einem Minimum
gehalten.
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Das
Satellitenmodul 205 koppelt mit den Elektroden 207.
Ebenso koppelt das Satellitenmodul 206 mit den Elektroden 208.
Die Elektroden 207 und 208 werden am vorbestimmten
Gewebe eines Patienten angeordnet, um eine Therapie bereitzustellen. Die
Satellitenmodule 205 und 206 werden so nahe wie
möglich
am vorbestimmten Gewebe angeordnet. Idealerweise sind die Satellitenmodule 205 und 206 im
Maß klein,
was die nahe Anordnung am vorbestimmten Gewebe ermöglicht.
Die Anordnung der Satellitenmodule 205 und 206 in
der Nähe
zum vorbestimmten Gewebe lockert die Anforderungen der elektrischen
Verbindungen und der physikalischen Abmessung, beispielsweise den
Drahtdurchmesser, was folglich ermöglicht, dass die Anzahl von
verwendeten Elektroden wesentlich erhöht wird. In einer Ausführungsform
des Systems werden die Satellitenmodule 205 und 206 nicht
gleichzeitig aktiviert, sondern werden selektiv aktiviert, um eine
Therapie zu ihrem entsprechenden vorbestimmten Gewebe zu liefern.
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Die
Satellitenmodule 205 und 206 werden durch Spannungsimpulse
gespeist, die vom zentralen Steuermodul 200 geliefert werden.
Die Spannungsimpulse sind auch in einer Weise beschaffen, dass sie
mit den Satellitenmodulen 205 und 206 kommunizieren.
Im Allgemeinen nimmt die zuerst gesandte Information die Form von
einem oder mehreren Programmierworten an. Das Programmierwort kann
beispielsweise von einem außerhalb
des Patienten liegenden Programmierer erzeugt werden. Das Programmierwort
wird durch ein Hochfrequenzsignal zum zentralen Steuermodul 200 gesandt.
Das Programmierwort wird dann durch das zentrale Steuermodul 200 in
Gruppen von Impulsen umgesetzt, die an den Draht 201 angelegt
werden. Die Gruppen von Impulsen werden in einer Weise gesandt,
dass sie vom entsprechenden Satellitenmodul derart empfangen und
umgesetzt werden können,
dass die Information wiedergewonnen wird.
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Wie
vorher erwähnt,
haben die auf dem Draht 201 gesandten Gruppen von Impulsen
einen doppelten Zweck, neben der Kommunikation speisen sie die Satellitenmodule 205 und 206.
Die Energie von den Impulsen wird beispielsweise in einem Kondensator
gespeichert, um die Satellitenmodule 205 und 206 zu
speisen. Folglich erfordert die Kommunikationsmethodologie, dass
genügend
Impulse kontinuierlich gesandt werden, um eine stabile Leistung für die Satellitenmodule 205 und 206 unter
allen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Das zentrale Steuermodul 200 liefert
Impulse selbst dann, wenn keine Kommunikation stattfindet, um die
Satellitenmodule 205 und 206 zu speisen. Eine
effiziente Kommunikationsmethodologie kann genügend Leistung zu den Satellitenmodulen 205 und 206 liefern,
was die Drähte 203 und 204 unnötig macht.
In diesem Fall würden
die Satellitenmodule 205 und 206 Stimulationssignale
intern erzeugen, um die Elektroden 207 und 208 anzusteuern.
Alternativ werden, wie gezeigt, Drähte 203 und 204 hinzugefügt, um verschiedene Reize
zu liefern, wodurch die Flexibilität der Therapie, die bereitgestellt
werden kann, erhöht
wird und auch die Belastung für
die Leistungsübertragung
auf dem Draht 201 verringert wird. Die Begrenzung der Verbindung
zwischen dem zentralen Kernmodul 200 und den Satellitenmodulen 205 und 206 auf
vier oder weniger Drähte
verringert Probleme, die mit langen Drahtverläufen, die subkutan im Patienten
angeordnet sind, verbunden sind.
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Ein
Beispiel einer Betriebssequenz stellt die Flexibilität des Systems
dar, um mit den Bedürfnissen des
Patienten zurechtzukommen. Elektroden 207 werden aktiviert,
um die Aktivität
am vorbestimmten Gewebe des Patienten zu erfassen. Ein von einer Elektrode
empfangenes Signal ist ein analoges Signal. Die analogen Signale
werden vom Satellitenmodul 20 empfangen, verstärkt, durch
einen Analog-Digital-Umsetzer umgesetzt und im Speicher gespeichert.
Die Umsetzung der analogen Signale ermöglicht, dass mehrere Signale
von mehreren Elektroden der Elektroden 207 empfangen und
zu einer späteren Zeit
verarbeitet werden. Die digitale Umsetzung ist für die Verarbeitung und die Übertragung
der Informationen vorteilhaft. Die Satellitenmodule 205 und 206 sind
in der Lage, eine Therapie zu steuern und zum vorbestimmten Gewebe
zu liefern. Die von den Elektroden 207 empfangenen Informationen
werden im Satellitenmodul 205 analysiert und eine geeignete Therapie
wird vom Satellitenmodul 205 implementiert.
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Eine
weitere Option besteht darin, die Informationen zum zentralen Steuermodul 200 zu
senden. Die Informationen werden dann zu einem Programmierer außerhalb
des Patienten durch Hochfrequenzübertragung
vom zentralen Steuermodul 200 gesandt. Der Programmierer
analysiert auch die Informationen und entwickelt eine Modifikation
für die Therapie
auf der Basis von wesentlich mehr Behandlungsdaten, die extern zur
Verfügung
stehen. Der Programmierer überträgt die modifizierte
Therapie durch Hochfrequenz übertragung
zum zentralen Steuermodul 200. Das zentrale Steuermodul 200 sendet
dann die Modifikation für
die Therapie zum Sattelitenmodul 205. Die Modifikation
für die
Therapie wird im Speicher gespeichert und durch das Satellitenmodul 205 implementiert.
Folglich kann eine lokale Reaktion sehr schnell von den Satellitenmodulen 205 und 206 mit
der Fähigkeit,
Therapien für
den Patienten zu erfassen, zu analysieren und zu implementieren,
durchgeführt
werden. Alternativ können die
Informationen zum zentralen Steuermodul 200 oder zu einem
externen Programmierer für
eine weitere Analyse übertragen
werden.
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7 ist
ein Beispiel eines Programmierworts 300 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung. Im Allgemeinen besitzt das Programmierwort 300 eine
feste Anzahl von Bits, die ausgewählt wird, um die erforderlichen
Informationen bereitzustellen. Ein Beispiel wird bereitgestellt,
um darzustellen, wie das Programmierwort 300 Informationen überträgt. Das
Programmierwort 300 umfasst vier Abschnitte von Bits, die
für verschiedene
Funktionen bei der Kommunikation von Informationen vom zentralen
Steuermodul 200 zu den Satellitenmodulen 205 und 206 von 6 (oder
umgekehrt) zweckgebunden sind. Ein Abschnitt 301 enthält die Startbits Sn bis S0, die den
Beginn des Programmierworts 300 identifizieren. Ein Abschnitt 302 des
Programmierworts 300 enthält die Satellitenmoduladresse
An bis A0, die identifiziert,
welches Satellitenmodul (205, 206) die Informationen
empfängt.
Wenn beispielsweise nur die Satellitenmodule 205 und 206 mit
dem zentralen Steuermodul 200 gekoppelt wären, wäre ein einzelnes
Moduladressenbit erforderlich, um zwischen den beiden zu unterscheiden.
Ein Abschnitt 303 des Pro grammierworts 300 enthält die Elektrodeneinstellungen
En bis E0 dafür, wie jede
Elektrode eingestellt wird. In einer Ausführungsform des Systems, wie
in 6 gezeigt, besitzt jede Elektrode vier mögliche Zustände. Zwei
Bits sind erforderlich, um den Zustand jeder Elektrode zu identifizieren.
Eine Elektrode befindet sich beispielsweise in einem schwebenden
Zustand, wenn sich die entsprechenden Bits des Programmierworts 300 in
einem 00-Zustand
befinden. Die Elektrode ist eine Katode, wenn sich die entsprechenden
Bits des Programmierworts 300 in einem 01-Zustand befinden.
Die Elektrode wird mit dem Kanal 1 gekoppelt, wenn sich die entsprechenden
Bits des Programmierworts 300 in einem 10-Zustand befinden.
Schließlich
wird die Elektrode mit dem Kanal 2 gekoppelt, wenn sich die entsprechenden
Bits des Programmierworts 300 in einem 11-Zustand befinden.
Wenn 20 Elektroden mit jedem der Satellitenmodule 205 und 206 gekoppelt sind,
wären folglich
vierzig Bits im Abschnitt 303 erforderlich, wobei jede
Elektrode zwei der vierzig Bits hat, um ihren Zustand zu identifizieren.
Schließlich enthält der Abschnitt 304 den
zyklischen Redundanzcode Cn bis C0 entsprechend den gesandten Informationen.
Der zyklische Redundanzcode wird verwendet, um zu prüfen, ob
das Programmierwort korrekt gesandt wurde. Im Allgemeinen wird ein
Polynom auf den gesandten Datenblock angewendet, das den zyklischen
Redundanzcode erzeugt. Die Empfangsentität wendet ebenso das Polynom
auf den empfangenen Datenblock an und vergleicht den erzeugten Code
mit dem im Datenblock gesandten angehängten zyklischen Redundanzcode.
Die Daten sind korrekt, wenn die Codes übereinstimmen. Dagegen deuten
nicht übereinstimmende
Codes auf einen Fehler in der Übertragung
hin.
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Ein
Umsetzungsprozess des Programmierworts 300 wird implementiert,
um Informationen auf dem Draht 201 zu senden. Das Programmierwort 300 wird
durch das zentrale Steuermodul 200 in Gruppen von Impulsen
umgesetzt, die durch Satellitenmodule 205 und 206 identifiziert
werden können.
In einer Ausführungsform
des Systems wird das Programmierwort 300 mit X Bits auf
einmal gelesen. Die X Bits werden in eine entsprechende Dezimalzahl
umgesetzt. Eine Anzahl von Impulsen gleich der entsprechenden Dezimalzahl
wird durch das zentrale Steuermodul 200 ausgegeben, gefolgt
von einer vorbestimmten Verzögerung.
Die nächsten
X Bits des Programmierworts 300 werden dann gelesen und
in eine Anzahl von Impulsen umgesetzt, gefolgt von der vorbestimmten
Verzögerung.
Dies wird wiederholt, bis alle Bits gelesen sind. Um diese Methodologie
darzustellen, soll angenommen werden, dass drei Bits gelesen werden
und 1 zu den drei Bits addiert wird, um die Anzahl von ausgelesenen
Impulsen zu bestimmen. Ein Beispiel eines Programmierworts ist eine Folge
der Bits 111110001010011110001. Die Unterteilung dieser Folge von
Bits in Gruppen von drei ergibt 111, 110, 001, 010, 011, 110, 001.
Die Umsetzung von jeder dieser Gruppen von drei Bits in dezimal
und Addieren von Eins ergibt die folgende Dezimalfolge, 8, 7, 2,
3, 4, 7, 2. Folglich würde
das zentrale Steuermodul 200 eine Folge von 8 Impulsen,
7 Impulsen, 2 Impulsen, 3 Impulsen, 4 Impulsen, 7 Impulsen und 2
Impulsen ausgeben. In einer Ausführungsform
würden
die Impulsfolgen dann wieder in das Programmierwort umgesetzt werden
und die darin enthaltenen Informationen vom Satellitenmodul verwendet
werden. Diese Methodologie dient für Erläuterungszwecke und es sollte
erkannt wer den, dass ein breiter Bereich von Variationen in dieses Schema
fällt,
so dass genügend
Impulse geliefert werden, um die Satellitenmodule zu speisen.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangehenden
ausführlichen Beschreibung
dargestellt wurde, sollte erkannt werden, dass eine sehr große Anzahl
von Variationen existieren. Obwohl die Erfindung beispielsweise
mit Bezug auf ein Rückenmark-Stimulationssystem
und ein tiefes Gehirnstimulationssystem beschrieben wurde, ist es
selbstverständlich,
dass die Erfindung in anderen Erfassungs- und/oder Stimulations- und/oder
Therapieabgabesystemen Nutzen findet. Obwohl die Erfindung unter
Verwendung von Elektroden als Gewebewechselwirkungselemente beschrieben
wurde, ist es außerdem
selbstverständlich,
dass eine beliebige Vielfalt von Sensoren, Stimulatoren, Therapieabgabevorrichtungen
und dergleichen verwendet werden können. Es sollte auch erkannt
werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften
Ausführungsformen
nur Beispiele sind und den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder Konfiguration
der Erfindung in keiner Weise begrenzen sollen. Vielmehr versieht
die vorangehende ausführliche
Beschreibung Fachleute mit einer zweckmäßigen Straßenkarte zum Implementieren
der beispielhaften Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen.
Es sollte selbstverständlich sein,
dass verschiedene Änderungen
in der Funktion und Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne
vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt,
abzuweichen.