DE60116551T2

DE60116551T2 - Elektrodenleitungen zur Rückenmarkstimulation

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Publication number: DE60116551T2
Application number: DE60116551T
Authority: DE
Inventors: William N. North Miami Beach Borkan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: ATE315420T1; US20020156513A1; DE60116551D1; EP1181947B1; EP1181947A2; EP1181947A3; US6510347B2; ES2254297T3

Description

HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein implantiertes Gewebestimulationssystem und Katheter.
Die Methode des Einsatzes elektronischer Stimulationssysteme zur Steuerung von Nerven oder Muskeln ist weithin bekannt. Derartige Systeme arbeiten normalerweise mit einem implantierbaren oder einem externen Impulsgeber. Die externen Systeme weisen einen Sender mit Antenne auf, der Energie und/oder Stimulationssignale transkutan durch die Haut eines Patienten an einen implantierten Empfänger sendet. Der Empfänger übernimmt die Signalverarbeitung der empfangenen Impulse und gibt die daraus abgeleitete Energie weiter, um Elektroden zu aktivieren, die neben bestimmten zu stimulierenden Gewebearten implantiert sind. Ein System wie das vorstehend beschriebene ist bereits früher in US-Patent 3,727,616 offen gelegt worden. Außerdem gibt es Systeme nach dem Stand der Technik, bei denen wie in US-Patent 3,449,768 mehr als ein Elektrodenpaar aktiviert wird.
Bei diesen Systemen nach dem Stand der Technik treten Probleme in Bezug auf die Platzierung der Elektrode auf, so dass die gewünschte physikalische Reaktion nicht erzielt wird. Dies kann auch später durch eine Veränderung des Zustands des Patienten oder eine Änderung der Elektrodenposition geschehen. Darüber hinaus kann dieser Fehler durch eine falsche Polarität der stimulierten Elektroden im Verhältnis zueinander verursacht werden. Ferner müssen die Elektroden häufig chirurgisch neben einer oder mehreren Nervenfasern implantiert werden. Diese Verfahrensweise birgt aufgrund der Tatsache, dass der Eingriff oft sehr nahe am Gehirn oder Rückenmark oder an anderen empfindlichen Nerven oder Geweben durchgeführt wird, einige Risiken. Daher ist es wünschenswert, die Elektrodenimplantation nur einmal durchzuführen, um die Operationsrisiken für den Patienten und die finanzielle Belastung so gering wie möglich zu halten. Auch wenn mehrere Elektroden eingesetzt wurden, so dass wiederholte chirurgische Eingriffe nicht erforderlich waren, ermöglichten die Systeme nach dem Stand der Technik vor der Erteilung des US-Patents 4,459,989 an Borkan außerdem keine dynamische Programmierung und Neuprogrammierung der verschiedenen Elektroden nach dem Eingriff.
Im US-Patent 4,459,989 von Borkan wurde ein externes Stimulationssystem beschrieben, das eine nicht invasive Programmierung der stimulierten Elektroden erlaub te. Dabei konnte jede Elektrode im Verhältnis zu den anderen Elektroden einen positiven, negativen oder Leerlauf-Leitungszustand annehmen. Auf diese Weise ließen sich die Elektroden in der Tat nicht invasiv „neu positionieren". Die gleiche Programmiermöglichkeit (Plus/Minus/Aus) wurde später auch bei vollständig implantierbaren Systemen angewendet. Darüber hinaus wies das System eine Mono-/Biphasen-Steuerung auf. Weitere Verbesserungen sind ebenfalls von Borkan im US-Patent 4,612,934 beschrieben.
Die Anwendung der Rückenmarkstimulation hat sich in der Schmerzbehandlung als wirksam erwiesen und wird derzeit in mehreren Studien für verschiedene andere Erkrankungen untersucht. Anfangs wurden die Leitungen mittels Laminektomie implantiert und im Epiduralraum an die Dura (harte Rückenmarkhaut) angelegt. Die nächste Elektrodengeneration wurde durch perkutane Implantation positioniert. Diese Elektroden wurden entweder im Intrathekalraum oder im Epiduralraum platziert.
Ein Beispiel für eine Katheteranordnung mit mehreren Elektroden zur Rückenmarkstimulation ist im US-Patent 4,379,462 von Borkan beschrieben.
Aufgrund der seit kurzem verwendeten vollständig implantierbaren Stimulationssysteme mit ebenfalls implantierter Stromquelle steht die zur Erzeugung eines wirksamen Stimulationsschemas erforderliche Strommenge im Mittelpunkt des Interesses. Zudem beansprucht der Einsatz von Mehrfach-Elektrodensystemen die begrenzte Kapazität einer implantierten Stromzelle in noch stärkerem Maße.
Verschiedene Stimulationskatheterleitungen zur Anordnung längs eines Gewebes und zu dessen Stimulation werden beschrieben. Die Elektroden an den Leitungen weisen unterschiedliche Größen auf, um die Batterie zu schonen und einen besser definierten Stimulationsbereich zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die Katheterelektrodenanordnung mehrere Kanäle oder Durchführungen für die Abgabe von Medikamenten, Wärme- oder Photonenenergie umfassen.
In US-Patent 5,649,970 ist eine Stimulationsleitung mit den im ersten Teil von Anspruch 1 enthaltenen Merkmalen beschrieben.
Das US-Patent 5,423,877 beschreibt eine Stimulationsleitung zur Anordnung längs Gewebe und zu dessen Stimulation mit mindestens drei Inline-Elektroden, die im Abstand voneinander längs der Außenseite des distalen Endes eines Mantels angeordnet sind.
Eine Ausführungsform sieht epidurale, Nervenwurzel- oder intrathekale Stimulationsleitungen mit einem Mantel vor, der mindestens drei Inline-Elektroden aufweist, die im Abstand voneinander längs der Außenseite eines distalen Endes des Mantels so angeordnet sind, dass sei längs des Gewebes in einer Linie liegen. Bei dieser Ausfüh rungsform verlaufen die Elektroden über höchstens 270° um die Außenseite des Mantels. Die Elektroden können in einem Bereich von 30° bis 270° verlaufen. Der Radius der Elektrode kann kleiner als der des Mantels sein. Dies verringert die Oberfläche der Elektroden und somit die von der Batterie benötigte Strommenge. Es ermöglicht außerdem, dass die Elektroden eine genauere oder örtlich begrenztere Stimulation bewirken. Verlaufen die Elektroden über weniger als 360° um die Außenseite des Mantels, sollte die Länge jeder der drei längs des Mantels angeordneten Elektroden normalerweise mindestens 3 mm betragen. Besteht der Elektrodenkontakt auf einem Umfang von 360° um den Mantel, sollten die längs des Mantels angeordneten Elektroden normalerweise höchstens 3 mm lang sein. Die an jede Elektrode gelieferte Energie verteilt sich über die gesamte Oberfläche der Elektrode.
Bei der epiduralen Rückenmarkstimulation geht ein großer Teil der Energie verloren, weil das zu behandelnde Nervengewebe nur in einer Richtung liegt. Die Verwendung einer Elektrode mit begrenztem Kontaktumfang wird eine bessere Ausnutzung und Ausrichtung der Stimulationsenergie ermöglichen. Die derzeit bevorzugte Elektrodenkontaktlänge beträgt 2 mm bis 4 mm. Zum Beispiel lässt sich mit einer 180°-Elektrode dasselbe Stimulationsfeld mit der Hälfte der für einen Standardelektrodenkontakt derselben Länge erforderlichen Strommenge erzeugen. Anders ausgedrückt, der längere Elektrodenkontakt (4 mm) kann mit demselben Stromverbrauch wie eine kleinere Elektrode (2 mm) benutzt werden. Die größeren Elektroden sind in Bezug auf eine präzise Positionierung weniger empfindlich und daher besser geeignet, werden jedoch aufgrund des notwendigen Kompromisses zwischen der Lebensdauer der implantierten Batterie und der Größe der Leitung häufig nicht eingesetzt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist eine zusätzliche Elektrode längs des Mantels in einem Abstand zu mindestens drei Inline-Elektroden am distalen Ende des Mantels vorgesehen. Durch die Anordnung der zusätzlichen Elektrode auf dem Mantel befindet sich diese näher an den distalen Elektroden und verkürzt somit den Stromweg im Vergleich zur Verwendung des Stimulatorgehäuses als zusätzliche Elektrode in einem monopolaren Betriebsmodus. Die zusätzliche Elektrode weist auf dem Mantel eine größere Oberfläche als jede der mindestens drei Elektroden auf. Die zusätzliche Elektrode weist normalerweise mindestens die zweifache Oberfläche jeder der mindestens drei Elektroden auf und kann zum Beispiel in einem Abstand von mindestens 10 mm von den anderen Elektroden angeordnet sein. Die Vergrößerung der Oberfläche lässt sich durch Verändern der Länge der Elektroden längs des Mantels oder durch Verringern des Umfangs der Elektroden um den Mantel erreichen.
Die Stimulationsleitung kann entweder unter Verwendung von zwei der mindestens drei Elektroden in einem bipolaren Betriebsmodus oder mit der zusätzlichen Elektrode als gemeinsamer Anode und mindestens einer der anderen Elektroden als Kathode aktiviert werden.
Der Mantel kann ein Befestigungselement zum Fixieren der Elektroden längs des Gewebes umfassen. Bei dem Befestigungselement kann es sich um mindestens eines der folgenden Elemente handeln: aufblasbare Ballons, Nitinol, Zinken oder die Mantelform.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Ausführungsform, bei der die Elektroden über weniger als 60° um die Außenseite des Mantels verlaufen und längs der Nervenwurzel angeordnet sind, wo sie in das Rückenmark (Eintrittszone der dorsalen Rückenmarkswurzel) eintritt. Alternativ können die Elektroden, sofern sie über weniger als 90° um die Außenseite des Mantels verlaufen, zur Stimulation nur der Längsnervenfasern und nicht der Beugungsnervenfasern längs der Mittellinie des Rückenmarks angeordnet werden.
Außerdem kann der Mantel eine Durchführung umfassen, die von einem Einlass am proximalen Ende des Mantels zu einem oder mehreren Auslässen am distalen Ende des Mantels verläuft. Die Auslässe können an einer oder mehreren Stellen angeordnet sein, einschließlich unter anderem der Spitze des distalen Endes, der Fläche zwischen den Elektroden und an den Elektroden. Diese Durchführung kann zur Abgabe von Medikamenten oder anderen Flüssigkeiten wie zum Beispiel medizinischem Kleber verwendet werden. Sie kann auch als optischer Kanal oder für ein Stilett bei der Positionierung der Leitung benutzt werden. Dies kann ohne Befestigungselement benutzt werden.
Alternativ können einer oder mehrere optische Kanäle vorgesehen sein, die von einem Anschluss am proximalen Ende des Mantels zu einem Anschluss am distalen Ende des Mantels verlaufen. Der Anschluss für den optischen Kanal am distalen Ende kann an einer oder mehreren der Spitzen am distalen Ende, auf der Fläche zwischen den Elektroden und an den Elektroden angeordnet sein. Der optische Kanal kann Photonenenergie in das Gewebe leiten sowie als Linse für eine externe Kamera fungieren. Die Durchführung, die vom Einlass am proximalen Ende des Mantels zu einem oder mehreren Auslässen am distalen Ende des Mantels verläuft, kann zusammen mit mindestens einer Elektrode längs der Außenseite des Mantels zur Anordnung längs des zu stimulierenden Gewebes eingesetzt werden.
Weitere Ziele, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Wirbelsäule und des Rückenmarks.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit 270°-Elektroden nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit auf dem Rückenmark platzierten 90°-Elektroden.
3A zeigt eine perspektivische Ansicht der 90°-Elektrode.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einer auf dem Rückenmark platzierten 60°-Elektrode.
4A zeigt eine perspektivische Ansicht der 60°-Elektrode.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einer zusätzlichen gemeinsamen Anode nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Katheterleitung mit einer zusätzlichen gemeinsamen Anode.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einer Durchführung mit einem Auslass an der Spitze der Leitung und einem Ballon-Befestigungselement. Ebenfalls gezeigt ist eine Vorkehrung für ein optionales Stilett.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einem Auslass zwischen den Elektroden und einem Nitinol-Befestigungselement nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
8A zeigt das Nitinol-Befestigungselement vor seiner Platzierung.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einer Durchführung mit einem Auslass an einer Elektrode und einem Zinken-Befestigungselement nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung, bei der sich die Durchführung außerhalb des Mantels befindet, nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einer Durchführung sowie zwei optischen Kanälen nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine Nervenmanschettenleitung mit einer gemeinsamen Anode nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Katheterleitung mit einer 90°-Elektrode, die eine kleinere Oberfläche aufweist, nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Katheterleitung mit einem gebogenen distalen Ende nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Elektroden zur Rückenmarkstimulation werden normalerweise im Epiduralraum 23 zwischen dem Wirbel 24 und der Dura 22 implantiert, wie in 1 gezeigt. Dies geschieht aus verschiedenen Gründen, darunter der weniger komplizierte chirurgische Eingriff, die geringere Anzahl möglicher Komplikationen und die größere Haltbarkeit des Implantats. Eine Implantation im Epiduralraum erfordert jedoch eine erhebliche Menge zusätzlicher Stimulationsenergie, da das Signal durch die Dura 22, den Epiduralraum 23 und die Zerebrospinalflüssigkeit übertragen werden muss, um die gewünschten neuralen Ziele im Rückenmark 20 zu erreichen. Außerdem sind die Vorderwurzeln 25 und die Hinterwurzeln 26 des Rückenmarks 20 sowie die Rami communicantes 27 gezeigt. Im Intrathekalraum 21 zwischen dem Rückenmark 20 und der Dura 22 ist eine Stimulationsleitung 28 gezeigt.
Eine Stimulationsleitung nach der vorliegenden Erfindung soll die Lebensdauer bekannter implantierbarer Stimulatoren erheblich verlängern. Derzeitige Neurostimulationsleitungen werden im Epiduralraum platziert, und die zur Erzeugung der funktionalen Stimulation benötigte Energie ist direkt abhängig von der Größe, Form, Konfiguration und Ausrichtung der aktiven Elektrodenkontakte. Eine Verringerung der Oberfläche der Elektrode bewirkt aufgrund der höheren Felddichte einen geringeren Strombedarf des Stimulators zur Erzielung derselben funktionellen Wirkung. Daher könnte eine Elektrode mit 2 mm-Kontakten (im Gegensatz zu den derzeit verwendeten 3 mm- oder 4 mm-Kontakten) entwickelt werden, sofern ausreichend Elektroden zur Verfügung stehen, die eine exakte Platzierung an einer bestimmten Position ermöglichen (hierfür sind Elektroden mit acht oder sechzehn Kontakten geeignet). Alternativ lassen sich mit Elektroden, die die Stimulationsleitung nicht umgeben, jedoch weniger und größere Kontakte aufweisen, ähnliche Ergebnisse erzielen.
Eine erste Ausführungsform ist in 2 gezeigt. Eine Katheterleitung 30 umfasst einen Mantel 32 mit mehreren Elektroden 34 am distalen Ende 36 der Katheterleitung 30. Am proximalen Ende 38 der Katheterleitung 30 befinden sich Kontakte 39 zum Anschluss an einen nicht gezeigten Stimulator. Für jede Elektrode 34 ist ein Kontakt 39 vorgesehen. Die Länge der Elektroden L₁ beträgt im Allgemeinen 2 bis 4 mm. Der Abstand D₁ zwischen den Elektroden beträgt in der Regel zum Beispiel 6 mm. Die Elektroden verlaufen wie gezeigt über 270° um den Umfang der Katheterleitung.
Zur Erzielung einer längeren Batterielebensdauer muss die Oberfläche der aktiven Elektrodenkontakte verringert werden. Eine Elektrode mit einer bestimmten Aus richtung zum Rückenmark würde im Gegensatz zu den 360°-Elektroden, die bei allen derzeitigen Katheterleitungen verwendet werden, den Einsatz einer 30°- bis 270°-Elektrode erlauben. Außerdem könnte dadurch die bevorzugte Länge der Elektroden von 3 mm oder 4 mm beibehalten werden, was es den Ärzten erleichtert, das gewünschte Ziel zu treffen, und an der Leitung wären weniger Elektrodenkontakte nötig (was auch eine geringere Leitungsgröße ermöglichen würde). Zum Fixieren der Elektrode in ihrer Position könnten verschiedene Mittel eingesetzt werden, unter anderem (1) aufblasbare Ballons, (2) Nitinol, (3) Elektroden mit neuartiger Form, (4) ein mechanisches System, bei dem nach Herausziehen des Stiletts Zinken platziert werden, und (5) ein mechanisches System mit flexiblen Zinken.
2 zeigt eine 270°-Elektrode, 3A eine 90°-Elektrode und 4A eine 60°-Elektrode.
Die Elektrode mit kleinem Radius, zum Beispiel 90° oder weniger, erzeugt ein fokussiertes elektrisches Stimulationsfeld entlang der physiologischen Mittellinie PM_L des Rückenmarks 20 und reduziert das effektive Stimulationsfeld im Bereich der gekrümmten Beugungsfasern. Wie in 3 gezeigt, kann die Elektrode 34 auch auf der Mittellinie der Nervenwurzel NRM_L angeordnet werden. Es ist allgemein bekannt, dass im Vergleich zu Längsfasern vorzugsweise Beugungsfasern stimuliert werden. Daher wird durch die Platzierung der Leitung neben den gewünschten Längsfasern eine fokussierte Stimulation der Längsfasern bewirkt. Die Leitungsausführung mit Elektroden, die die Leitung nicht umgeben, begünstigt die Platzierung längs einer Nervenbahn zum Beispiel zur Stimulation von peripheren Nerven, Sakralnerven oder des Phrenikus, da der aktive Kontakt direkt am neuralen Ziel anliegt.
Auch die kleinen Elektroden mit einem Radius zwischen 30° und 60° ermöglichen eine selektive Aktivierung der Fasern. Dies ist an den Stellen besonders nützlich, wo der Nerv in das Rückenmark eintritt. In 4 ist eine derartige Platzierung gezeigt, wobei die 60°-Elektrode 34 neben den Nervenwurzeln 25 und 26 angeordnet ist.
Bei jeder der vorstehenden Leitungsausführungen besteht ein zusätzliches Verfahren zur Senkung des Stromverbrauchs im Einsatz der monopolaren Stimulation. Eine gemeinsame Anode mit großer Oberfläche wird zusammen mit einer einzelnen Elektrode im gewünschten Stimulationsbereich an der Elektrodenkontaktanordnung verwendet. Die monopolare Stimulation ist nicht neu, bietet jedoch die Möglichkeit, den Stromverbrauch für eine effektive Stimulation zu senken.
Der Einsatz einer Anode mit großer Oberfläche in einem bestimmten Abstand von den aktiven Elektroden an derselben Katheterleitung oder längs der Länge eines Katheters oder einer Laminektomieleitung ist bislang noch nie durchgeführt oder ver sucht worden. Bei den bisherigen Systemen diente das Gehäuse des Stimulators im monopolaren Betriebsmodus als Anode. Ihr Abstand zu den distalen Elektroden bedingte einen langen Stromweg. Der vorliegende neue und neuartige Ansatz verkürzt jedoch den Stromweg, erzeugt ein anderes Feld und ermöglicht außerdem ein einziges Elektrodensystem, so dass der Stimulator selbst nicht in zwei verschiedenen Konfigurationen (eine mit einer aktiven Gehäuseanode und eine ohne) hergestellt werden muss. Daher kann die Wahl zwischen bipolarer und monopolarer Stimulation nach der Implantation mit einem Stimulator (Impulsgenerator) erfolgen, der bislang normalerweise nur eine bipolare Stimulation zuließ.
Wie in 5 gezeigt, ist eine zusätzliche Elektrode 35 in einem Abstand von den anderen Elektroden 34 vorgesehen. Bei den gezeigten Elektroden 34 handelt es sich um 360°-Elektroden. Wie in 6 gezeigt, umfasst die Katheterleitung 40 einen Mantel 42 mit mehreren Inline-Elektroden 44 und einer zusätzlichen Elektrode 45 auf der vom distalen Ende oder Paddel 46 verlaufenden Draht- oder Mantelverlängerung 47. Das proximale Ende 48 weist Kontakte 49 auf, die mit den einzelnen Elektroden und einem Stimulator verbunden sind.
Die Elektroden 34 und 44 haben jeweils die Länge L₁ und die zusätzlichen Elektroden 35 und 45 haben die Länge L₂. L₂ ist länger als L₁, und zwar mindestens doppelt so lang. Somit beträgt zum Beispiel die Länge L₂ 4 mm, wenn L₁ 2 mm ist. Die Länge L₂ kann zwischen zwei- und viermal so groß sein wie L₁. Außerdem ist zu beachten, dass die zusätzlichen Elektroden 35 und 45 zu den nächstgelegenen Elektroden 34 und 44 einen Abstand D₂ aufweisen. Ist D₁ etwa 6 mm, beträgt der Abstand D₂ mindestens 10 mm und kann bis zu 20 mm betragen. Bei diesem Abstand dient die Elektrode, wenn sie in Verbindung mit einer zweiten Elektrode benutzt wird, als Punktquelle. Die Elektroden 34 und 44 fungieren als Punktquelle, wenn sie in Verbindung mit den zusätzlichen Elektroden 35 und 45 mit der größeren Oberfläche benutzt werden.
Alternativ kann eine gemeinsame Anode oder zusätzliche Elektrode 35 genauso lang sein wie die anderen Elektroden 34, jedoch einen größeren Umfang als die Elektrode 34 aufweisen. Dadurch würde sich die Oberfläche der zusätzlichen Elektrode 35 im Verhältnis zu den anderen Elektroden 34 vergrößern. Daher können die Elektroden 34 in der zuvor beschriebenen Konfiguration von 30° bis 270° angeordnet werden. Der Unterschied im Abstand zwischen den Elektroden 34 und der Elektrode 35 erlaubt den anhand von 5 und 6 beschriebenen Betrieb. Eine solche Leitung ist in 12 gezeigt, die später noch beschrieben wird.
Elektroden zur Rückenmarkstimulation werden normalerweise im Epiduralraum 23 implantiert. Dies geschieht aus verschiedenen Gründen, darunter der weniger kom plizierte chirurgische Eingriff, die geringere Anzahl möglicher Komplikationen und die größere Haltbarkeit des Implantats. Obwohl die Erfindung hier in erster Linie für den Einsatz zur Rückenmarkstimulation im Epiduralraum beschrieben ist, ist dies in keiner Weise als Einschränkung zu verstehen. Es wird erwartet, dass diese Ausführung auch bei anderen Anwendungen, wie zum Beispiel bei intrathekalen Platzierungen, benutzt werden kann.
Bei anderen Anwendungen könnten das Gehirn oder andere Nervengewebe mittels neuer Stimulationsschemata stimuliert werden. Diese Stimulationsschemata könnten auch komplizierte Programme umfassen, die die Stimulation zwischen mehreren Elektroden langsam (über Sekunden oder Minuten, Stunden oder Tage) umschalten, um eine Gewöhnung an den Reiz zu vermeiden, oder die schnell ablaufen könnten (etwa mit derselben Geschwindigkeit wie die elektrische Aktivität der Neuronen im Rückenmark), indem längs des Rückenmarks künstlich neurale Signale erzeugt werden, die wie jede andere sensorische Funktion mit durch das Rückenmark weitergeleiteten Signalen wahrgenommen werden könnten. Zum Beispiel könnte ein Signal erzeugt werden, das der Einwirkung von Wärme am großen Zeh eines Patienten oder dem Ausüben von Druck auf den Fuß eines Patienten entspricht oder das das Gefühl vermittelt, eine Gliedmaße befinde sich in einer anderen Position als es tatsächlich der Fall ist.
Theoretisch könnten auf diese Weise Geschmack, Gerüche, Bilder oder sogar Gedanken erzeugt werden, wodurch verschiedene künstliche Prothesen (bezogen auf Augen, Gehör usw.) mit dem menschlichen Körper verbunden werden könnten.
In 7 bis 11 ist eine Katheterleitung zur elektrischen Stimulation sowie zur Abgabe von Medikamenten gezeigt. Die Katheterleitung 50 umfasst einen Mantel 52 mit Inline-Elektroden 54, die im Abstand voneinander längs des distalen Endes 56 angeordnet sind. Am proximalen Ende 58 sind die Anschlusskontakte 59 im Inneren mit jeder der gezeigten Elektroden verbunden. Im Mantel 52 ist eine Durchführung 60 vorgesehen. In 7 ist an der Spitze des distalen Endes 56 ein Auslass 62 vorgesehen und ein Ballon-Befestigungselement 63 gezeigt. Außerdem ist ein optionales herausnehmbares Stilett vorgesehen, das beim Platzieren der Katheterleitung hilfreich sein kann. Bei diesen Leitungen können verschiedene Stilette 61 mit unterschiedlichen Formen und Eigenschaften benutzt werden.
In 8 ist der Auslass 64 zwischen den Elektroden 54 gezeigt; außerdem ist ein Nitinol-Befestigungselement 65 im entfalteten Zustand gezeigt. In 8A ist das Nitinol-Befestigungselement 65 vor dem Einbringen durch die Öffnung 53 im Mantel 52 gezeigt. In 9 sind der Auslass 64 in oder an der Elektrode 54 und ein Zinken-Befestigungselement 67 gezeigt.
Das Medikament kann mit den Elektroden 54 durch elektrische Energie oder über den optischen Kanal 70 durch Photonenenergie stimuliert werden. Wärme kann entweder durch die Elektroden 54 oder den optischen Kanal 70 erzeugt werden. Kälte kann durch einen Peltier-Effekt-Chip oder mit anderen Mitteln wie zum Beispiel Gas oder Flüssigkeiten erzeugt werden. Reagiert das Medikament auf Lichtenergie einer bestimmten Wellenlänge, erfolgt die Stimulation mittels Lichtenergie dieser Wellenlänge.
Die in 12 gezeigte Leitung 50 ist an ihrem distalen Ende 56, das die Elektroden 54 umfasst, gebogen. Der Mantel 52 weist eine Drahtverlängerung 57 auf, die die zusätzliche Anode 55 und den elektrischen Kontakt 59 umfasst. Das gebogene distale Ende 56 wird um das Rückenmark oder die Nerven gelegt. Dies stellt eine weitere Form der Fixierung dar. Das Stilett 61 kann durch die Durchführung 60 eingeführt werden, um das distale Ende 56 gerade zu halten, bis es neben dem Nerv oder dem Rückenmark liegt. Die Durchführung 60 kann dann zur Einleitung von Flüssigkeiten benutzt werden.
Zur besseren Steuerbarkeit beim Platzieren der Katheterleitung können, wie in 14 gezeigt, auch anders geformte Stilette (zum Beispiel mit gebogener Spitze) benutzt werden.
Eine modifizierte 90°-Elektrode ist im Querschnitt in 13 gezeigt. Die Elektrode 54 weist einen Radius oder Durchmesser A auf, der kleiner als der Radius oder Durchmesser B des Mantels 52 ist. Der Durchmesser A beträgt zum Beispiel 1,15 mm (0,045 Zoll) und der Durchmesser B 1,65 mm (0,065 Zoll). Die Form von Mantel und Elektrode erlaubt das Einführen durch eine Standard-Einführkanüle, bietet dennoch eine Elektrode 54 mit kleinerer Oberfläche und kann dank ihrer stabilisierenden Form mit oder ohne Zinken oder andere Befestigungselemente eingesetzt werden.
Die zusätzliche Elektrode 55 weist längs des Mantels 52 oder der Drahtverlängerung 57 die gleiche Länge L₁ auf wie die Elektroden 54. Der Unterschied besteht darin, dass es sich bei den gezeigten Elektroden 54 um 270°-Elektroden handelt, während die zusätzliche Elektrode 55 eine 180°-Elektrode ist. Dieser Unterschied im Umfangsmaß ermöglicht unterschiedlich große Oberflächen. Daraus ergibt sich, wie vorstehend erläutert, ein Oberflächenverhältnis von mindestens 2 zu 1. Offensichtlich ist der Abstand D₁ zwischen den Elektroden 54 erheblich kleiner als der Abstand D₂ zwischen den Elektroden 54 und 55.
Obwohl die einzelnen Befestigungselemente jeweils nur in bestimmten Abbildungen gezeigt sind, kann jedes Befestigungselement bei allen Katheterleitungen eingesetzt werden. Zusätzlich zu den hier gezeigten Befestigungsmethoden können auch Verfahren benutzt werden, bei denen (zum Beispiel mit einem Stilett) aktiv entfaltete und/oder eingezogene Befestigungselemente zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann das Befestigungselement an beliebigen oder mehreren Positionen längs der Katheterleitung angeordnet werden. Bei der Platzierung der Katheterleitung im Intrathekalraum empfiehlt sich die Verwendung eines Befestigungselements. Bei anderen Anwendungen können die Katheterleitungen ohne Befestigungselemente verwendet werden.
Während 7 bis 9 die im Mantel 52 vorgesehene Durchführung 60 zeigen, kann zur Abgabe von Medikamenten auch eine externe Durchführung 68 benutzt werden, wie in 10 gezeigt.
Die Elektrodenkatheterleitung 50 kann auch einen einzigen oder zwei optische Kanäle 70 und 72 mit Auslässen oder Anschlüssen am distalen Ende aufweisen. 11 zeigt die faseroptischen Kanäle und die Lichtenergie, die durch einen klaren lichtdurchlässigen Bereich in der Katheterleitung geleitet wird. Einer der Kanäle kann als Lichtquelle dienen, die als weitere Stimulationsquelle benutzt wird. Der andere Kanal bildet eine Linse für eine Kamera oder andere Überwachungsgeräte. Die Kamera kann beim Platzieren der Elektrode oder des distalen Endes eingesetzt werden. Ebenfalls gezeigt ist die Durchführung 60 mit einem Auslass 64 zur Abgabe von Medikamenten.
Zu beachten ist, dass nur ein einziger optischer Kanal als Lichtquelle für eine Photonenstimulation ohne die Durchführung 60 oder den Auslass 64 benutzt werden kann. Weiter ist zu beachten, dass die Durchführung 60 oder die externe Durchführung 68 für die Abgabe von Medikamenten in Verbindung mit dem optischen Kanal 70 ohne die Elektroden 54 benutzt werden kann. Obwohl zwei optische Kanäle 70 und 72 gezeigt sind, könnte eine beliebige Anzahl von Kanälen benutzt werden, einschließlich einer Kombination von verschiedenen Arten von Kanälen – Arbeitskanäle für Instrumente, optische Kanäle für Licht oder eine Kamera, Stilette usw.
Die in 7 bis 11 gezeigte Katheterleitung kann zur perkutanen medikamentösen Behandlung eingesetzt werden. Das Medikament wird dem Patienten verabreicht, und die Stimulationskathode wird neben dem Gewebe angeordnet, das mit dem Medikament behandelt werden soll. Sodann wird das Gewebe mittels der Katheterleitung stimuliert. Dies erlaubt eine selektive und örtliche Behandlung mit dem betreffenden Medikament. Bestimmte Verbindungen erfahren durch die Stimulation eine chemische Veränderung. Die Abgabe der Verbindungen kann auch auf elektrophoretischem Wege erfolgen. Außerdem kann die Erzeugung von Wärme in einem Gewebe dieses für die Aufnahme eines Medikaments empfänglicher machen. Das Medikament kann systematisch oder durch die Durchführung 60 oder 68 verabreicht werden. Die Quelle der Stimulation und/oder der Medikamente kann außerhalb des Körpers liegen oder vollständig implantiert sein. Das implantierbare System könnte zum Beispiel einen Mikroprozessor, eine Pumpe, einen Anschluss und einen externen Anschluss zum Nachfüllen der Pumpe oder zur Auswahl eines anderen Medikaments oder einer Flüssigkeit umfassen.
Das Medikament kann mit den Elektroden 54 durch elektrische Energie oder über den optischen Kanal 70 durch Photonenenergie stimuliert werden. Wärme kann entweder durch die Elektroden 54 oder den optischen Kanal 70 erzeugt werden. Kälte kann durch einen Peltier-Effekt-Chip oder mit anderen Mitteln wie zum Beispiel Gas oder Flüssigkeiten erzeugt werden. Reagiert das Medikament auf Lichtenergie einer bestimmten Wellenlänge, erfolgt die Stimulation mittels Lichtenergie dieser Wellenlänge.
Obwohl die Erfindung hier für den Einsatz mit einem implantierten (extern oder intern mit Strom versorgten) Stimulationssystem beschrieben wurde, ist zu beachten, dass die gleiche Art der Stimulationsbehandlung auch mit einem nicht implantierbaren System durchgeführt werden kann. Zu den Anwendungen für solche nicht implantierbaren Systeme gehört unter anderem die intraoperative Prüfung vor einer Implantation. Um festzustellen, ob eine Implantation durchgeführt werden sollte, wird ein externes Stimulationssystem für die Dauer einer Probestimulation mit einer implantierbaren Elektrode verbunden. Außerdem kann die Erfindung in Verbindung mit einem völlig externen System benutzt werden, bei dem die Elektroden zur Stimulation außerhalb des Körpers angeordnet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung hier ausführlich beschrieben und gezeigt worden ist, ist zu beachten, dass dies nur zur Illustration und als Beispiel dient und nicht als Einschränkung anzusehen ist.

Claims

Stimulationsleitung zur Anordnung längs Gewebe und zu dessen Stimulation, mit: einem Mantel (32; 52) mit einem distalen Ende (36; 56) und einem proximalen Ende (38; 58), mindestens drei in einer Linie angeordneten Elektroden (34; 54), die in Abstand voneinander längs der Außenseite des distalen Endes (36; 56) des Mantels (32; 52) so angeordnet sind, dass sie längs Gewebe in einer Linie liegen, und einer zusätzlichen Elektrode (35; 55), die längs der Außenseite des Mantels (32; 52) in Abstand von den mindestens drei Elektroden (34; 54) angeordnet ist und auf dem Mantel eine größere Oberfläche einnimmt als jede der mindestens drei Elektroden (34; 54), dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Elektrode (35; 55) längs der Außenseite des Mantels (32; 52) in einer Linie mit den mindestens drei Elektroden (34; 54) liegt.
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei der Mantel (32; 52) einen Verlängerungsdraht (57) aufweist, der von seinem distalen Ende zu seinem proximalen Ende verläuft, und die zusätzliche Elektrode (35; 55) an dem Verlängerungsdraht (34; 54) vorgesehen ist.
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die zusätzliche Elektrode (35; 55) eine mindestens doppelt so große Oberfläche hat wie jede der mindestens drei Elektroden (34; 54).
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die zusätzliche Elektrode (35; 55) eine größere Länge hat als jede der mindestens drei Elektroden (34; 54).
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die zusätzliche Elektrode (35; 55) ein größeres Umfangsmaß hat als jede der mindestens drei Elektroden (34; 54).
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die zusätzliche Elektrode (35; 55) von den mindestens drei Elektroden (34; 54) einen Abstand von mindestens 10 mm hat.
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die längs des Mantels (32; 52) gemessene Elektrodenlänge jeder der mindestens drei Elektroden (34; 54) weniger als 4 mm beträgt.
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (34; 54) die Außenseite des Mantels (32; 52) auf jeweils 360° umgeben.
Stimulationsleitung nach Anspruch 1 mit mindestens sechs, vorzugsweise acht, in einer Linie angeordnete Elektroden (34; 54).
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (34; 54) die Außenseite des Mantels (32; 52) auf jeweils 270° umgeben.
Stimulationsleitung nach Anspruch 10, wobei die Elektroden (34; 54) die Außenseite des Mantels (32; 52) auf jeweils höchstens 180° und vorzugsweise mindestens 30° umgeben
Stimulationsleitung nach Anspruch 1, wobei der Mantel (32; 52) ein Befestigungselement (63, 65, 67) aufweist, das so gestaltet ist, dass es die Elektroden (34; 54) an dem Gewebe an Ort und Stelle hält.
Stimulationsleitung nach Anspruch 12, wobei das Befestigungselement in mindestens einer der folgenden Gestaltungen besteht: aufblasbarer Ballon (63), Nitinol (65), Zinken (67), Mantelform (12).
Stimulationsleitung nach Anspruch 12, wobei das Befestigungselement in einer Krümmung des distalen Endes des Mantels (32; 52) besteht.