DE19758110A1 - Stimulation unit for spinal cord, especially thick afferent nerve fibers in dorsal column - Google Patents

Stimulation unit for spinal cord, especially thick afferent nerve fibers in dorsal column

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    • A61N1/3606Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system adapted for a particular treatment
    • A61N1/36071Pain

Abstract

The unit has a pulse generator (6) connected to a control unit (15,16) and a measuring unit connected to an electrode arrangement (2), to measure the potential evoked by a stimulation pulse or to determine the epidural impedance (REPID) or its time dependence, by measuring the current or voltage during the stimulation pulse or a measurement signal. The control unit is connected to the input of the measuring unit, for automatic matching of the pulse strength.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stimulationsgerät zur Rücken­ markstimulation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a stimulation device for the back Market stimulation according to the preamble of claim 1.

Bei der Rückenmarkstimulation werden über eine an der Hin­ terseite des Rückenmarks implantierte Elektrode elektrische Stimulationsimpulse an das Rückenmark abgegeben, wobei das Hauptziel der Stimulation in der Aktivierung der dicken af­ ferenten Nervenfasern in dem als "Dorsal Column" bekannten Bereich des Rückenmarks besteht. Einerseits muß die Stimu­ lationsspannung hierbei einen bestimmten Schwellwert über­ schreiten, um zu einer Aktivierung der dicken afferenten Nervenfasern zu führen. Andererseits darf die Stimulations­ spannung nicht beliebig erhöht werden, da andernfalls auch andere Nervenfasern, wie zum Beispiel efferente Motorfasern aktiviert werden, was vom Patienten als unangenehm empfun­ den wird. Die Stimulationsspannung muß also innerhalb eines patientenspezifischen Bereichs liegen, der in der Regel sehr schmal ist und dessen Lage darüber hinaus Schwankungen unterliegt. So führt eine postoperative Bindegewebsbildung um die Elektrode zu einem langsamen Anstieg der Elektro­ denimpedanz und damit auch zu einer Erhöhung des Schwell­ werts für eine erfolgreiche Aktivierung der dicken afferen­ ten Nervenfasern. Der Schwellwert wird darüber hinaus auch durch die zwischen Elektrode und Rückenmark befindliche Flüssigkeitsschicht beeinflußt, deren Dicke von der Körper­ lage des Patienten abhängt und im Alltag somit relativ schnellen Schwankungen unterliegt.When stimulating the spinal cord, the Electrode implanted on the back of the spinal cord Stimulation impulses delivered to the spinal cord, the Main goal of stimulation in the activation of the thick af nerve fibers in what is known as the "dorsal column" Area of the spinal cord. On the one hand, the stimu voltage over a certain threshold stride to an activation of the thick afferent To guide nerve fibers. On the other hand, the stimulation voltage may not be increased arbitrarily, otherwise it will other nerve fibers, such as efferent motor fibers activated, which the patient finds uncomfortable that will. The stimulation voltage must therefore be within one patient-specific area, which is usually is very narrow and its location also fluctuates subject to. This is how postoperative connective tissue formation leads around the electrode to a slow rise in electro denimpedance and thus an increase in the threshold worth successful activation of the thick affer nerve fibers. The threshold is also beyond through the one located between the electrode and the spinal cord Fluid layer affects its thickness by the body position of the patient and therefore relative in everyday life is subject to rapid fluctuations.

Es ist deshalb bekannt, die Stimulationsamplitude über ein externes Programmiergerät einzustellen, was im alltäglichen Betrieb jedoch lediglich die Kompensation langsamer Ände­ rungen ermöglicht, die in der Regel von einer Bindegewebs­ bildung um die Elektrode herrühren, wohingegen die durch eine Änderung der Körperlage verursachten schnellen Ände­ rungen des Schwellwerts auf diese Weise nicht berücksich­ tigt werden können.It is therefore known to have a stimulation amplitude of over one external programming device to set what is everyday Operation, however, only the compensation of slow changes  enables, usually from a connective tissue education around the electrode, whereas the through a change in body position caused rapid changes changes in the threshold value are not taken into account in this way can be done.

Aus den US-Patenten 5 031 618 und 5 342 409 ist zur Lösung dieses Problems bekannt, in einer implantierbaren Stimula­ tionseinrichtung zur Rückenmarkstimulation einen Lagesensor vorzusehen, der die Körperlage dem Patienten erfaßt und die Stimulationsamplitude entsprechend anpaßt, um die bei Ände­ rungen der Körperlage auftretende Dickeänderung der zwi­ schen Elektrode und Rückenmark befindlichen Flüssigkeits­ schicht zu kompensieren und unabhängig von der Körperlage eine effektive Stimulation zu gewährleisten.From US Patents 5,031,618 and 5,342,409 is the solution known of this problem in an implantable stimula device for spinal cord stimulation a position sensor to provide the patient's body position and the Adjusting the stimulation amplitude accordingly to the changes at changes in body position occurring thickness change between liquid located in the electrode and spinal cord layer to compensate and regardless of body position to ensure effective stimulation.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 446 271 B1 ist wei­ terhin eine Stimulationseinrichtung zur Muskelstimulation bekannt, die beispielsweise bei querschnittsgelähmten Pati­ enten eine stimulationsgesteuerte Durchführung von einfa­ chen Bewegungsabläufen ermöglicht, indem die für den ge­ wünschten Bewegungsablauf erforderlichen Muskeln in der richtigen Reihenfolge und Intensität stimuliert werden. Problematisch ist hierbei jedoch, daß die Muskeln mit zu­ nehmender Ermüdung schlechter auf die Stimulation anspre­ chen. Die bekannte Stimulationseinrichtung mißt deshalb die elektrische Reizantwort der Muskelfasern, welche die Ermü­ dung der Muskeln widerspiegelt und paßt die Stimulati­ onsamplitude entsprechend an, um die Muskelermüdung zu kom­ pensieren. Diese Stimulationseinrichtung ermöglicht jedoch ausschließlich die Aktivierung von Muskelfasern, wohingegen bei der Rückenmarkstimulation das Ziel in der Aktivierung der dicken afferenten Nervenfasern besteht, wobei die effe­ renten Motorfasern gerade nicht aktiviert werden sollen, da dies von dem Patienten als unangenehm empfunden wird.From the European patent EP 0 446 271 B1 is white furthermore a stimulation device for muscle stimulation known, for example, in paraplegic Pati Enter a stimulation-controlled implementation of simp Chen movements possible by the for the ge desired muscles required movement in the correct order and intensity are stimulated. The problem here, however, is that the muscles with too increasing fatigue respond less to stimulation chen. The known stimulation device therefore measures the electrical stimulus response of the muscle fibers, which Muscle extension reflects and adjusts the stimulation onsamplitude to compensate for muscle fatigue retire. However, this stimulation device enables only the activation of muscle fibers, whereas in spinal cord stimulation, the goal in activation the thick afferent nerve fibers, the effe  pension motor fibers should not be activated because this is perceived as uncomfortable by the patient.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Stimu­ lationseinrichtung zur Rückenmarkstimulation zu schaffen, die unabhängig von einer Bindegewebsbildung um die Elektro­ de und der Körperlage des Patienten stets eine effektive Stimulation sicherstellt, ohne durch eine zu hohe Stimula­ tionsamplitude zu einer als unbequem empfundenen Aktivie­ rung von efferenten Motorfasern zu führen.The invention is therefore based on the object of a stimulus to create a spinal cord stimulation device, which are independent of any connective tissue formation around the electro en and the patient's body position always effective Ensures stimulation without using too high a stimula amplitude to an activation which is perceived as uncomfortable of efferent motor fibers.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Stimulationseinrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The task is based on a stimulation device tion according to the preamble of claim 1, by the kenn Drawing features of claim 1 solved.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, die Aus­ wirkungen der durch eine Bindegewebsbildung oder eine Lage­ änderung des Patienten verursachte Verlagerung der zwischen Elektrode und Rückenmark befindlichen Flüssigkeitsschicht auf die elektrischen Eigenschaften in der Umgebung der Elektrode zu erfassen und die Stimulationsamplitude ent­ sprechend anzupassen.The invention includes the technical teaching, the Aus effects of connective tissue formation or a layer change in patient caused shifting of between Electrode and spinal cord located fluid layer on the electrical properties around the Detect electrode and ent the stimulation amplitude adapting accordingly.

In einer Variante der Erfindung wird bei der Abgabe eines Stimulationsimpulses die elektrische Reizantwort des Rüc­ kenmarks gemessen, um die Effektivität des Stimulationsim­ pulses zu beurteilen und die Stimulationsamplitude für die nachfolgenden Stimulationsimpulse im Kalle eines ineffekti­ ven Stimulationsimpulses zu erhöhen. Hierbei wird von der überraschenden Erkenntnis ausgegangen, daß nicht nur bei einer Stimulation von efferenten Motorfasern, sondern auch bei der Aktivierung der dicken afferenten Motorfasern Po­ tentiale evoziert werden, die Rückschlüsse auf die Effekti­ vität der Stimulation zulassen. So werden bei der Stimula­ tion des Rückenmarks gleichzeitig mehrere Nervenfasern ak­ tiviert, deren Aktionspotentiale sich zu einem Summenpoten­ tial addieren, das als CAP (engl. Compound Action Potenti­ al) bezeichnet wird. Die Amplitude dieses nach einem Stimu­ lationsimpuls als Reizantwort auftretenden CAPs ist propor­ tional der Zahl der aktivierten Nervenfasern und eignet sich somit als Maß für die Effektivität des Stimulationsim­ pulses. Die Stimulationseinrichtung weist deshalb in dieser Variante der Erfindung eine Meßeinrichtung auf, die zur Er­ fassung des CAPs mit der Elektrodenanordnung verbunden ist. Die Messung des CAPs kann hierbei über dieselben Elektroden der Elektrodenanordnung erfolgen, die auch zur Abgabe der Stimulationsimpulse vorgesehen sind, jedoch ist es wegen der nach einem Stimulationsimpuls an den Elektroden auftre­ tenden Polarisationserscheinungen und der dadurch verrin­ gerten Eingangsempfindlichkeit vorteilhaft, zur Messung des CAPs zwei separate Elektroden zu verwenden. In der bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung weist die Elektroden­ anordnung deshalb mindestens vier elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden auf, wobei zwei der Elektroden zur Ab­ gabe von Stimulationsimpulsen dienen, während das CAP über die beiden anderen Elektroden gemessen wird. Das CAP wird dann einer Steuereinheit zugeführt, welche die Stimulati­ onsamplitude steuert und einen Impulsgenerator entsprechend ansteuert.In a variant of the invention, a Stimulation impulse the electrical stimulus response of the back kenmarks measured to determine the effectiveness of the stimulation pulse and the stimulation amplitude for the subsequent stimulation pulses in the calle of an ineffective ven stimulation pulse. Here, the surprising knowledge that not only a stimulation of efferent motor fibers, but also when activating the thick afferent motor fibers Po potentials are evoked, the conclusions on the effects  Allow stimulation to occur. So with the stimula spinal cord at the same time several nerve fibers ak tiviert, whose action potentials to a total potential tial add that as CAP (Compound Action Potenti al) is referred to. The amplitude of this after a stimu CAPs occurring as stimulus responses are proportions tional of the number of activated nerve fibers and suitable thus as a measure of the effectiveness of the stimulation pulses. The stimulation device therefore points in this Variant of the invention on a measuring device to Er CAP version is connected to the electrode arrangement. The CAP can be measured using the same electrodes of the electrode arrangement, which are also used to dispense the Stimulation pulses are provided, however, it is because which occurs on the electrodes after a stimulation pulse polarization phenomena and the resulting polarization The input sensitivity is advantageous for measuring the CAPs to use two separate electrodes. In the before Preferred embodiment of the invention has the electrodes therefore arrange at least four electrically against each other isolated electrodes, with two of the electrodes for Ab serve stimulation impulses while the CAP over the other two electrodes are measured. The CAP will then fed to a control unit, which the stimulati onsamplitude controls and a pulse generator accordingly controls.

In einer anderen Variante der Erfindung wird dagegen die epidurale Impedanz gemessen, die die Dicke der Flüssig­ keitsschicht zwischen Elektrode und Rückenmark sowie die Dicke der Bindegewebsschicht um die Elektrode widerspie­ gelt. In einer Ausführungsform dieser Variante wird hierzu über die Elektrodenanordnung ein Meßsignal mit vorgegebener Spannung abgegeben, während der über die Elektrodenanord­ nung fließende elektrische Strom gemessen wird, woraus sich dann nach dem Ohmschen Gesetz die epidurale Impedanz be­ rechnen läßt. Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Variante weist das Meßsignal dagegen einen vorgegebenen elektrischen Strom auf und es wird die über der Elektroden­ anordnung abfallende Spannung gemessen, was ebenfalls die Berechnung der epiduralen Impedanz ermöglicht. Darüber hin­ aus ist es auch möglich, ein Meßsignal mit einem nicht vor­ herbestimmten Verlauf zu erzeugen und während des Meßsi­ gnals sowohl Spannung als auch Strom zu messen, um daraus die epidurale Impedanz zu berechnen.In another variant of the invention, however, the epidural impedance is measured, which is the thickness of the liquid layer between the electrode and the spinal cord as well as the Thickness of the connective tissue layer around the electrode In one embodiment of this variant  a measurement signal with a predetermined value via the electrode arrangement Voltage released during the over the electrode assembly voltage flowing electrical current is measured, resulting in then, according to Ohm's law, the epidural impedance lets calculate. According to another embodiment of this In contrast, the measurement signal has a predetermined one electrical current on and it becomes the one above the electrodes arrangement measured voltage drop, which is also the Allows calculation of epidural impedance. Beyond that from it is also possible not to provide a measurement signal with a generate determined course and during the Meßsi gnals to measure both voltage and current to get from it to calculate the epidural impedance.

In einer Ausführungsform dieser Variante erfolgt die Be­ stimmung der epiduralen Impedanz jeweils bei der Abgabe ei­ nes Stimulationsimpulses, indem Strom und/oder Spannung des Stimulationsimpulses gemessen werden. Die einzelnen Stimu­ lationsimpulse ermöglichen hierbei also nicht nur die Sti­ mulation von Nervenfasern, sondern dienen zusätzlich auch als Meßsignal für die Bestimmung der epiduralen Impedanz, was vorteilhaft einen einfachen Aufbau der Stimulationsein­ richtung ohne einen zusätzlichen Signalgenerator für die Erzeugung eines Meßsignals ermöglicht.In one embodiment of this variant, the loading takes place matching the epidural impedance each time the egg is delivered nes stimulation pulse by the current and / or voltage of the Stimulation pulse are measured. The individual stimu lation impulses not only enable the Sti mulation of nerve fibers, but also serve additionally as a measurement signal for the determination of the epidural impedance, which is advantageous for a simple structure of the stimulation direction without an additional signal generator for the Generation of a measurement signal enables.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dage­ gen zur Bestimmung der epiduralen Impedanz ein separates Meßsignal erzeugt, was insbesondere bei langen Intervallen zwischen den einzelnen Stimulationen vorteilhaft ist, da Schwankungen des Schwellwerts für eine effektive Stimulati­ on andernfalls erst beim nächsten Stimulationsimpuls er­ kannt würden und dann wahrscheinlich zu einer ineffektiven Stimulation führen würden. Die Erzeugung des Meßsignals er­ folgt hierbei vorzugsweise durch einen Wechselstromgenera­ tor, wobei das Meßsignal vorzugsweise im Hochfrequenzbe­ reich liegt, um eine Aktivierung von Nerven- oder Muskelfa­ sern durch das Meßsignal weitgehend zu verhindern.In the preferred embodiment of the invention, dage a separate one to determine the epidural impedance Measurement signal generated, especially at long intervals between the individual stimulations is advantageous because Fluctuations in the threshold for effective stimulation otherwise, it is not until the next stimulation pulse would be known and then probably ineffective Stimulation. The generation of the measurement signal  preferably follows through an alternating current generator gate, the measurement signal preferably in the Hochfrequenzbe is rich to activate nerve or muscle prevent largely by the measurement signal.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei­ gen:Other advantageous developments of the invention are in the subclaims or are identified below along with the description of the preferred embodiment the invention with reference to the figures. It shows gene:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Stimulationseinrichtung zur Rückenmarkstimula­ tion als Blockschaltbild, bei der zur Anpassung der Stimulationsspannung die epidurale Impedanz gemes­ sen wird, Fig. 1 as a preferred embodiment of the invention, a stimulation device for Rückenmarkstimula tion as a block diagram, wherein the adjusting the stimulation voltage epidural impedance gemes sen,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform einer derartigen Stimulationseinrichtung ebenfalls als Blockschalt­ bild, wobei zur Anpassung der Stimulationsspannung das CAP gemessen wird sowie Fig. 2 shows an alternative embodiment of such a stimulation device also as a block diagram, the CAP being measured to adjust the stimulation voltage and

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Stimulationsein­ richtung zur Rückenmarkstimulation als Blockschalt­ bild, wobei zur Anpassung der Stimulationsspannung die epidurale Impedanz gemessen wird. Fig. 3 shows a further embodiment of a picture Stimulationsein direction for spinal cord stimulation as a block diagram, wherein for adapting the stimulation voltage, the epidural impedance is measured.

Die in Fig. 1 dargestellte Stimulationseinrichtung ermög­ licht eine Stimulation des Rückenmarks 1 und besteht aus einer Elektrodenanordnung 2 zur Implantation an der Hinter­ seite des Rückenmarks 2 sowie einem ebenfalls implantierba­ ren Stimulationsgerät 3, das mit der Elektrodenanordnung 2 über eine 4-polige Leitung verbunden ist. The stimulation device shown in Fig. 1 enables light stimulation of the spinal cord 1 and consists of an electrode arrangement 2 for implantation on the rear side of the spinal cord 2 as well as a likewise implantable stimulation device 3 , which is connected to the electrode arrangement 2 via a 4-pole line .

Die Elektrodenanordnung 2 besteht im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Trägerelement 4 aus elektrisch isolieren­ dem Material, auf dessen Mantelfläche vier ringförmige Elektroden 5.1 bis 5.4 entlang der Längsachse des Träger­ elements 4 äquidistant angeordnet sind, wobei die Kontak­ tierung der einzelnen Elektroden 5.1 bis 5.4 getrennt durch vier im Inneren des Trägerelements 4 verlaufende Zuleitun­ gen erfolgt, so daß die Elektroden 5.1 bis 5.4 getrennt an­ gesteuert werden können. Die beiden inneren Elektroden 5.2, 5.3 dienen hierbei zur Abgabe von Stimulationsimpulsen an das Rückenmark 2, wohingegen die beiden äußeren Elektroden 5.1, 5.4 zur Messung der epiduralen Impedanz verwendet wer­ den, um die Stimulationsamplitude an Änderungen des Schwellwerts für eine effektive Stimulation anpassen zu können.The electrode arrangement 2 consists essentially of a hollow cylindrical support element 4 made of electrically isolating the material, on the outer surface of which four annular electrodes 5.1 to 5.4 are arranged equidistantly along the longitudinal axis of the support element 4 , the contacting of the individual electrodes 5.1 to 5.4 being separated by four in the interior of the carrier element 4 extending supply lines takes place so that the electrodes 5.1 to 5.4 can be controlled separately. The two inner electrodes 5.2 , 5.3 are used to deliver stimulation pulses to the spinal cord 2 , whereas the two outer electrodes 5.1 , 5.4 are used to measure the epidural impedance, in order to be able to adapt the stimulation amplitude to changes in the threshold value for effective stimulation.

Zur Erzeugung der Stimulationsimpulse weist das Stimulati­ onsgerät 3 einen Impulsgenerator 6 mit einem nachgeschalte­ ten Ausgangsverstärker 7 auf, wobei die Abgabe der einzel­ nen Stimulationsimpulse jeweils durch eine Steuereinheit 8 getriggert wird. Die Abgabe der Stimulationsimpulse erfolgt hierbei entsprechend einem in der Steuereinheit 8 gespei­ cherten Programm, das durch ein externes Programmiergerät 9 verändert werden kann. Hierzu weist das externe Program­ miergerät 9 eine Antenne 10 auf, um entsprechende Program­ miersignale über eine in dem Stimulationsgerät 3 angeordne­ te Antenne 11 zu einer Telemetrieeinheit 12 zu übertragen, welche die Programmiersignale dann zur Abspeicherung an die Steuereinheit 8 weiterleitet, um das Stimulationsverhalten zu ändern.To generate the stimulation pulses, the stimulation device 3 has a pulse generator 6 with a downstream output amplifier 7 , the delivery of the individual stimulation pulses being triggered by a control unit 8 . The stimulation pulses are delivered in accordance with a program stored in the control unit 8 , which can be changed by an external programming device 9 . For this purpose, the external programming device 9 has an antenna 10 in order to transmit corresponding programming signals via an antenna 11 arranged in the stimulation device 3 to a telemetry unit 12 , which then forwards the programming signals to the control unit 8 for storage in order to change the stimulation behavior .

Die Stimulationseinrichtung ermöglicht - wie bereits vor­ stehend kurz erwähnt - neben der eigentlichen Stimulation auch die Bestimmung der epiduralen Impedanz, um die Stimu­ lationsamplitude an Schwankungen des Schwellwerts für eine effektive Stimulation anpassen zu können. So erfolgt nach der Implantation der Elektrodenanordnung 2 eine Bindege­ websbildung um die Elektrodenanordnung 2, was zu einer Zu­ nahme der Elektrodenimpedanz führt und damit den Schwell­ wert für eine effektive Stimulation erhöht. Darüber hinaus wird der Schwellwert auch von der Dicke der Flüssigkeits­ schicht zwischen Elektrodenanordnung 2 und Rückenmark 1 be­ einflußt, die von der Körperlage des Patienten abhängt, was im Alltagsbetrieb durch Körperbewegungen zu schnellen Schwankungen des Schwellwerts führt und eine entsprechende Anpassung der Stimulationsamplitude erforderlich macht. So­ wohl die Bindegewebsbildung als auch die Dicke der Flüssig­ keitsschicht zwischen der Elektrodenanordnung und dem Rüc­ kenmark 1 spiegeln sich in der epiduralen Impedanz wider, deren zeitlicher Verlauf sich somit zur Steuerung der Sti­ mulationsamplitude eignet.As already mentioned briefly above, the stimulation device enables, in addition to the actual stimulation, also the determination of the epidural impedance in order to be able to adapt the stimulation amplitude to fluctuations in the threshold value for effective stimulation. Thus, after the implantation of the electrode arrangement 2, a connective weave is formed around the electrode arrangement 2 , which leads to an increase in the electrode impedance and thus increases the threshold value for effective stimulation. In addition, the threshold is also influenced by the thickness of the liquid layer between the electrode arrangement 2 and the spinal cord 1 , which depends on the body position of the patient, which leads to rapid fluctuations in the threshold value in everyday operation due to body movements and requires a corresponding adjustment of the stimulation amplitude. So the connective tissue formation as well as the thickness of the liquid layer between the electrode arrangement and the spinal cord 1 are reflected in the epidural impedance, the course of which is thus suitable for controlling the stimulation amplitude.

Zur Bestimmung der epiduralen Impedanz triggert die Steuer­ einheit 8 einen Wechselstromgenerator 13 zur Abgabe eines Wechselstromsignals an die beiden äußeren Elektroden 5.1, 5.4 der Elektrodenanordnung 2 an, wobei durch eine Span­ nungsmeßeinrichtung 14 die über den beiden Elektroden 5.1, 5.4 abfallende Spannung UMEß gemessen wird. Der Meßwert UMEß wird dann einer Recheneinheit 15 zugeführt, die daraus in Verbindung mit dem vorgegebenen Strom des Wechselstromsig­ nals nach dem Ohmschen Gesetz die epidurale Impedanz REPID. berechnet, die nachfolgend einem Kennlinienglied 16 zuge­ führt wird, das jedem Wert der epiduralen Impedanz REPID. entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie die zugehörige Stimulationsspannung USTIM zuordnet. To determine the epidural impedance, the control triggering unit 8 an AC generator 13 for outputting an alternating current signal to the two outer electrodes 5.1, 5.4 of the electrode assembly 2 to wherein nungsmeßeinrichtung by a tension 14 which is measured across the two electrodes 5.1, 5.4 falling voltage U MEAS . The measured value U MEß is then fed to a computing unit 15 , which in conjunction with the predetermined current of the AC signal according to Ohm's law, the epidural impedance R EPID. calculated, which is subsequently supplied to a characteristic element 16 , which corresponds to each value of the epidural impedance R EPID. assigns the associated stimulation voltage U STIM according to a predetermined characteristic.

Der Kennlinienzusammenhang zwischen der gemessenen epidura­ len Impedanz REPID. und der resultierenden Stimulationsspan­ nung USTIM. kann hierbei über das externe Programmgerät 9 verändert werden. Hierzu begibt sich der Patient in regel­ mäßigen Abständen zu seinem behandelnden Arzt, der im Rah­ men einer Kalibrierung die Kennlinie derart programmiert, daß in allen Körperlagen des Patienten eine effektive Sti­ mulation erreicht wird, ohne daß aufgrund einer übermäßig hohen Stimulationsspannung die efferenten Motorfasern akti­ viert werden, was vom Patienten als unbequem empfunden wür­ de.The relationship between the characteristic curves between the measured epidural impedance R EPID. and the resulting stimulation voltage U STIM. can be changed via the external program device 9 . For this purpose, the patient goes to his treating doctor at regular intervals, who programs the characteristic curve as part of a calibration such that effective stimulation is achieved in all positions of the patient's body without the efferent motor fibers being activated due to an excessively high stimulation voltage what the patient would find uncomfortable.

Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Stimulationseinrichtung zur Rückenmarkstimulation, die ebenfalls aus einer Elektrodenanordnung 2 und einem Stimu­ lationsgerät 17 besteht, wobei die Elektrodenanordnung 2 vollständig mit dem vorstehend erläuterten Ausführungsbei­ spiel übereinstimmt, so daß diesbezüglich auf die Beschrei­ bung zu Fig. 1 verwiesen wird. Fig. 2 shows an alternative embodiment of a stimulation device for spinal cord stimulation, which also consists of an electrode arrangement 2 and a stimulation device 17 , the electrode arrangement 2 completely matching the above-described exemplary embodiment, so that in this regard reference is made to the description of FIG. 1 becomes.

Die Erzeugung der Stimulationsimpulse erfolgt hierbei eben­ falls durch einen Impulsgenerator 18 und einen nachgeschal­ teten Ausgangsverstärker 19, dessen Ausgangsspannung ein­ stellbar ist, um die Stimulationsspannung an Änderungen des Schwellwerts für eine effektive Stimulation anpassen zu können. Die Abgabe der einzelnen Stimulationsimpulse wird ebenfalls durch eine Steuereinheit 20 getriggert, die hier­ zu ausgangsseitig mit dem Impulsgenerator 18 verbunden ist. Die Stimulation erfolgt hierbei entsprechend einem in der Steuereinheit 20 gespeicherten Programm, das durch ein ex­ ternes Programmiergerät 21 verändert kann, indem an dem Programmiergerät 21 die gewünschte Programmierung einge­ stellt wird, die daraufhin über eine mit dem Programmierge­ rät 21 verbundene Antenne 22 an eine in dem Stimulationsge­ rät 17 angeordnete Telemetrieeinheit 23 übertragen wird, wobei die Telemetrieeinheit 23 zum Empfang der Programmier­ signale mit einer Antenne 24 verbunden ist.The generation of the stimulation pulses takes place here if a pulse generator 18 and a downstream output amplifier 19 , the output voltage of which is adjustable in order to be able to adapt the stimulation voltage to changes in the threshold value for effective stimulation. The delivery of the individual stimulation pulses is also triggered by a control unit 20 , which here is connected to the pulse generator 18 on the output side. The stimulation takes place in accordance with a program stored in the control unit 20 , which can be changed by an external programming device 21 by setting the desired programming on the programming device 21 , which is then connected to an antenna 22 connected to the programming device 21 the Stimulationsge advises 17 arranged telemetry unit 23 is transmitted, the telemetry unit 23 for receiving the programming signals is connected to an antenna 24 .

Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispiel ist der Ausgangsverstärker 19 hier jedoch mit den beiden unteren Elektroden 5.3, 5.4 der Elektrodenanord­ nung 2 verbunden, während die beiden oberen Elektroden 5.1, 5.2 zur Erfassung der Reizantwort dienen. So werden bei ei­ ner Stimulation des Rückenmarks 1 gleichzeitig mehrere Ner­ venfasern aktiviert, deren Aktionspotentiale sich zu einem Summenpotential (engl. CAP - Compound Action Potential) ad­ dieren, dessen Amplitude somit ein Maß für die Effektivität des Stimulationsimpulses ist. Die beiden oberen Elektroden 5.1, 5.2 der Elektrodenanordnung 2 sind deshalb zur Messung des CAPs mit einem Eingangsverstärker 25 verbunden, dem ei­ ne Signalanalyseeinheit 26 nachgeschaltet ist, die den Ein­ fluß von Störsignalen unterdrückt und nur solche Signale berücksichtigt, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitfen­ sters nach einem Stimulationsimpuls auftreten. Zur Festle­ gung dieses Zeitfensters ist die Signalanalyseeinheit 26 eingangsseitig mit dem Trigger-Ausgang des Steuereinheit 20 verbunden.In contrast to the embodiment described above, the output amplifier 19 is here, however, connected to the two lower electrodes 5.3 , 5.4 of the electrode arrangement 2 , while the two upper electrodes 5.1 , 5.2 serve to detect the stimulus response. Thus, when stimulating the spinal cord 1, several nerve fibers are activated at the same time, whose action potentials add up to a total potential (CAP - Compound Action Potential), the amplitude of which is thus a measure of the effectiveness of the stimulation pulse. The two upper electrodes 5.1 , 5.2 of the electrode arrangement 2 are therefore connected to the measurement of the CAPs with an input amplifier 25 , the ei ne signal analysis unit 26 is connected downstream, which suppresses the influence of interference signals and only takes into account signals that occur within a predetermined time window a stimulation pulse occur. To determine this time window, the signal analysis unit 26 is connected on the input side to the trigger output of the control unit 20 .

Das von der Signalanalyseeinheit 26 ermittelte CAP wird dann einem Regler 27 zugeführt, der das CAP zur Bestimmung der Effektivität des vorangegangenen Stimulationsimpulses mit einem Schwellwert vergleicht und beim Unterschreiten des Schwellwerts die Stimulationsspannung schrittweise er­ höht, bis der gemessene Wert des CAPs anzeigt, das die Sti­ mulation effektiv war. Bei einem effektiven Stimulationsim­ puls wird die Stirnulationsspannung dagegen langsam verrin­ gert, um übermäßig hohe Stimulationsspannungen zur Schonung der Batterie und zur Vermeidung einer Aktivierung von effe­ renten Motorfasern zu verhindern.The CAP determined by the signal analysis unit 26 is then fed to a controller 27 which compares the CAP with a threshold value to determine the effectiveness of the previous stimulation pulse and increases the stimulation voltage stepwise when the threshold value is undershot until the measured value of the CAP indicates that the sti mulation was effective. With an effective stimulation pulse, on the other hand, the forehead stimulation voltage is slowly reduced in order to prevent excessively high stimulation voltages in order to protect the battery and to avoid activation of efficient motor fibers.

Fig. 3 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stimulationseinrichtung zur Rückenmarkstimulation, die aus einer Elektrodenanordnung 2 und einem Stimulations­ gerät 28 besteht, wobei die Elektrodenanordnung 2 vollstän­ dig mit den bereits vorstehend beschriebenen Elektrodenan­ ordnungen übereinstimmt, so daß diesbezüglich auf die Be­ schreibung zu Fig. 1 verwiesen wird. Fig. 3 finally shows a further embodiment of a stimulation device for spinal cord stimulation, which consists of an electrode arrangement 2 and a stimulation device 28 , the electrode arrangement 2 completely matches the electrode arrangements already described above, so that in this regard the description of FIG. 1 is referred.

Die Erzeugung der Stimulationsimpulse erfolgt hierbei eben­ falls durch einen Impulsgenerator 29 und einen nachgeschal­ teten Ausgangsverstärker 30, dessen Ausgangsspannung ein­ stellbar ist, um die Stimulationsspannung an Schwankungen des Schwellwerts für eine effektive Stimulation anpassen zu können. Die Abgabe der einzelnen Stimulationsimpulse wird hierbei ebenfalls durch eine Steuereinheit 31 getriggert, die hierzu ausgangsseitig mit dem Impulsgenerator 29 ver­ bunden ist. Die Stimulation erfolgt hierbei entsprechend einem in der Steuereinheit 31 gespeicherten Programm, das durch ein externes Programmiergerät 32 verändert werden kann, indem an dem Programmiergerät 32 die gewünschte Pro­ grammierung eingestellt wird, die daraufhin über eine mit dem Programmiergerät 32 verbundene Antenne 33 und eine in dem Stimulationsgerät 28 angeordnete Antenne 34 zu einer Telemetrieeinheit 35 übertragen wird, welche das gewünschte Programm an die Steuereinheit 31 weiterleitet.The generation of the stimulation pulses takes place here if a pulse generator 29 and a downstream output amplifier 30 , the output voltage of which is adjustable in order to be able to adapt the stimulation voltage to fluctuations in the threshold value for effective stimulation. The delivery of the individual stimulation pulses is also triggered by a control unit 31 , which is connected to the output side with the pulse generator 29 . The stimulation takes place in accordance with a program stored in the control unit 31 , which can be changed by an external programming device 32 by setting the desired programming on the programming device 32 , which is then connected via an antenna 33 connected to the programming device 32 and one in which Stimulation device 28 arranged antenna 34 is transmitted to a telemetry unit 35 , which forwards the desired program to the control unit 31 .

Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Stimulations­ einrichtungen können die Stimulationsimpulse hierbei jedoch über beliebige Elektroden 5.1 bis 5.4 der Elektrodenanord­ nung 2 abgegeben werden, um die Feldverteilung in axialer Richtung zu variieren. Hierzu ist der Ausgangsverstärker 30 über ein Schaltelement 36 mit den vier Elektroden 5.1 bis 5.4 der Elektrodenanordnung 2 verbunden, wobei die beiden Ausgänge des Ausgangsverstärkers 30 in beliebiger Weise auf die Elektroden 5.1 bis 5.4 geschaltet werden können. Die durch das Schaltelement 36 eingestellte Elektrodenkonfigu­ ration wird hierbei durch ein von der Steuereinheit 31 übertragenes Steuersignal SWITCH bestimmt, was die Möglich­ keit eröffnet, die Elektrodenkonfiguration auch postopera­ tiv durch eine entsprechende Programmierung zu ändern.In contrast to the stimulation devices described above, the stimulation pulses can, however, be emitted via any electrodes 5.1 to 5.4 of the electrode arrangement 2 in order to vary the field distribution in the axial direction. For this purpose, the output amplifier 30 is connected via a switching element 36 to the four electrodes 5.1 to 5.4 of the electrode arrangement 2 , the two outputs of the output amplifier 30 being able to be connected to the electrodes 5.1 to 5.4 in any way. The electrode configuration set by the switching element 36 is determined here by a control signal SWITCH transmitted from the control unit 31 , which opens up the possibility of changing the electrode configuration postoperatively through appropriate programming.

Das dargestellte Stimulationsgerät 28 ermöglicht darüber hinaus eine Anpassung der Stimulationsspannung an Schwan­ kungen des Schwellwerts für eine effektive Stimulation, die beispielsweise durch eine postoperative Bindegewebsbildung um die Elektrodenanordnung 2 verursacht werden können. Zur Einstellung der Stimulationsamplitude wird deshalb die epi­ durale Impedanz zeitabhängig gemessen, wobei das darge­ stellte Stimulationsgerät 28 ohne eine separaten Signalge­ nerator auskommt, da die epidurale Impedanz jeweils bei der Abgabe eines Stimulationsimpulses bestimmt wird, so daß die Stimulationsspannung von Puls zu Puls optimiert werden kann. Hierzu werden während der einzelnen Stimulationsim­ pulse durch eine im Ausgangskreis des Stimulationsgerätes 28 angeordnete Strommeßeinrichtung 37 und eine mit dem Aus­ gang des Ausgangsverstärkers 30 verbundene Spannungsmeßein­ richtung 38 sowohl Strom ISTIM als auch Spannung USTIM der Stimulationsimpulse gemessen, woraus dann von einer Rechen­ einheit 39 nach dem Ohmschen Gesetz die epidurale Impedanz REPID. berechnet wird. Der durch eine Folge solcher Messun­ gen in vorbestimmten Zeitabständen ermittelte Anstieg der epiduralen Impedanz REPID. wird dann einem Kennlinienglied 40 zugeführt, das jedem Wert der epiduralen Impedanz REPID. den optimalen Wert UOPT der Stimulationsspannung zuordnet und dem Ausgangsverstärker 30 zuführt. Der Kennlinienzusam­ menhang zwischen dem gemessenen Anstieg der epiduralen Im­ pedanz REPID. und der resultierenden Stimulationsspannung UOPT kann hierbei über das externe Programmiergerät 32 in der bereits vorstehend beschriebenen Weise verändert wer­ den.The illustrated stimulation device 28 also enables the stimulation voltage to be adapted to fluctuations in the threshold value for effective stimulation, which can be caused, for example, by postoperative connective tissue formation around the electrode arrangement 2 . To set the stimulation amplitude, the epidural impedance is therefore measured as a function of time, the illustrated stimulation device 28 without a separate signal generator, since the epidural impedance is determined each time a stimulation pulse is emitted, so that the stimulation voltage can be optimized from pulse to pulse . For this purpose, both current I STIM and voltage U STIM of the stimulation pulses are measured during the individual stimulation pulses by means of a current measuring device 37 arranged in the output circuit of the stimulation device 28 and a voltage measuring device 38 connected to the output of the output amplifier 30 , from which a computing unit 39 according to Ohm's law, the epidural impedance R EPID. is calculated. The increase in epidural impedance R EPID determined by a sequence of such measurements at predetermined time intervals . is then fed to a characteristic element 40 which corresponds to each value of the epidural impedance R EPID. assigns the optimal value U OPT to the stimulation voltage and supplies it to the output amplifier 30 . The relationship between the measured increases in the epidural impedance R EPID. and the resulting stimulation voltage U OPT can be changed via the external programming device 32 in the manner already described above.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution the preferred embodiments given above le. Rather, a number of variants are conceivable, which fundamentally different from the solution shown makes use of any type.

Claims (10)

1. Stimulationseinrichtung zur Rückenmarkstimulation, insbesondere zur Stimulation der dicken afferenten Nerven­ fasern im Dorsal Column, mit
einer Elektrodenanordnung (2) zur Implantation im Rücken­ marksbereich und zur Abgabe von Stimulationsimpulsen an das Rückenmark (1),
einem ausgangsseitig mit der Elektrodenanordnung (2) ver­ bundenen Impulsgenerator (6) zur Erzeugung der Stimulati­ onsimpulse sowie
einer ausgangsseitig mit dem Impulsgenerator (6) verbunde­ nen Steuereinheit (15, 16) zur Einstellung der Impulsstärke (USTIM) der einzelnen Stimulationsimpulse zur Kompensation einer Bindegewebsbildung um die Elektrodenanordnung (2) oder einer Dickeänderung der zwischen dem Rückenmark (1) und der Elektrodenanordnung (2) befindlichen Flüssigkeits­ schicht,
gekennzeichnet durch eine eingangsseitig mit der Elektrodenanordnung (2) verbun­ dene Meßeinrichtung (14, 25, 26) zur Messung des durch ei­ nen Stimulationsimpuls evozierten Potentials (CAP) oder zur Bestimmung der epiduralen Impedanz (REPID) und/oder deren Zeitabhängigkeit durch Messung von Strom und/oder Spannung bei der Abgabe des Stimulationsimpulses oder eines Meßsi­ gnals, wobei die Steuereinheit (15, 16) zur automatischen Anpassung der Impulsstärke an den Meßwert eingangsseitig mit der Meßeinrichtung (14, 25, 26) verbunden ist.
1. Stimulation device for spinal cord stimulation, in particular for stimulating the thick afferent nerve fibers in the dorsal column
an electrode arrangement ( 2 ) for implantation in the spinal cord area and for delivering stimulation pulses to the spinal cord ( 1 ),
an output side with the electrode arrangement ( 2 ) connected pulse generator ( 6 ) for generating the stimulation pulses and
a control unit ( 15 , 16 ) connected on the output side to the pulse generator ( 6 ) for adjusting the pulse strength (U STIM ) of the individual stimulation pulses to compensate for connective tissue formation around the electrode arrangement ( 2 ) or a change in thickness between the spinal cord ( 1 ) and the electrode arrangement ( 2 ) liquid layer present,
characterized by an input side to the electrode assembly (2) verbun dene measuring means (14, 25, 26) for measuring the evoked by ei NEN stimulation pulse potential (CAP), or determining the epidural impedance (R EPID) and / or their time-dependence by measuring Current and / or voltage when emitting the stimulation pulse or a Meßsi signal, the control unit ( 15 , 16 ) for automatic adaptation of the pulse strength to the measured value on the input side to the measuring device ( 14 , 25 , 26 ) is connected.
2. Stimulationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung des Meßsignals ein Signal­ generator (13) vorgesehen ist, der zur Abgabe des Meßsig­ nals ausgangsseitig mit der Elektrodenanordnung (2) verbun­ den ist.2. Stimulation device according to claim 1, characterized in that for generating the measurement signal, a signal generator ( 13 ) is provided, which is connected to the electrode assembly ( 2 ) on the output side for emitting the measurement signal. 3. Stimulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Meßsignal einen vorgegebenen elektrischen Strom aufweist und die Meßeinrichtung eine Spannungsmeßeinrichtung (14) ist.3. Stimulation device according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring signal has a predetermined electrical current and the measuring device is a voltage measuring device ( 14 ). 4. Stimulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Meßsignal eine vorgegebene elektrische Spannung aufweist und die Meßeinrichtung eine Strommeßeinrichtung ist.4. stimulation device according to claim 1 or 2, because characterized in that the measurement signal is a predetermined one has electrical voltage and the measuring device Current measuring device is. 5. Stimulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Span­ nungsmeßeinrichtung (38) ist und zur Messung des während der Abgabe des Meßsignals fließenden elektrischen Stroms zusätzlich eine Strommeßeinrichtung (37) vorgesehen ist, wobei die Spannungsmeßeinrichtung (38) und die Strommeßein­ richtung (37) zur Berechnung der epiduralen Impedanz (REPID.) ausgangsseitig mit einer Recheneinheit (39) verbun­ den sind.5. Stimulation device according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring device is a voltage measuring device ( 38 ) and for measuring the electrical current flowing during the delivery of the measuring signal an additional current measuring device ( 37 ) is provided, the voltage measuring device ( 38 ) and the current measuring device ( 37 ) for calculating the epidural impedance (R EPID. ) on the output side is connected to a computing unit ( 39 ). 6. Stimulationseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (13) ein Wechselstromgenerator ist. 6. Stimulation device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the signal generator ( 13 ) is an AC generator. 7. Stimulationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanord­ nung (2) mindestens vier elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden (5.1 bis 5.4) aufweist, wobei zwei der Elektro­ den (5.2, 5.3) zur Abgabe der Stimulationsimpulse mit dem Impulsgenerator (6) und zwei andere der Elektroden (5.1, 5.4) zur Messung des evozierten Potentials (CAP) oder zur Bestimmung der epiduralen Impedanz (REPID.) mit der Meßein­ richtung (14, 25, 26) verbunden sind.7. Stimulation device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode arrangement ( 2 ) has at least four electrodes ( 5.1 to 5.4 ) which are electrically insulated from one another, two of the electrodes ( 5.2 , 5.3 ) for delivering the stimulation pulses to the pulse generator ( 6 ) and two others of the electrodes ( 5.1 , 5.4 ) for measuring the evoked potential (CAP) or for determining the epidural impedance (R EPID. ) With the measuring device ( 14 , 25 , 26 ) are connected. 8. Stimulationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanord­ nung (2) mindestens drei elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden (5.1 bis 5.4) aufweist, wobei zwischen dem Im­ pulsgenerator (29) und/oder der Meßeinrichtung (37, 38) ei­ nerseits und der Elektrodenanordnung (2) andererseits ein steuerbares Schaltelement (36) zur wählbaren Aufschaltung der Meßeinrichtung (37, 38) und/oder des Impulsgenerators (29) auf die Elektroden (5.1 bis 5.4) angeordnet ist.8. Stimulation device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode arrangement ( 2 ) has at least three electrodes ( 5.1 to 5.4 ) which are electrically insulated from one another, the pulse generator ( 29 ) and / or the measuring device ( 37 , 38 ) being located between the On the one hand and the electrode arrangement ( 2 ) on the other hand, a controllable switching element ( 36 ) for selectively connecting the measuring device ( 37 , 38 ) and / or the pulse generator ( 29 ) to the electrodes ( 5.1 to 5.4 ) is arranged. 9. Stimulationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßeinrichtung (14) zur Bestimmung der Stimulationsamplitude (USTIM) in Ab­ hängigkeit von dem Meßwert (REPID.) ein Kennlinienglied (16) nachgeschaltet ist.9. stimulation device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device ( 14 ) for determining the stimulation amplitude (U STIM ) in dependence on the measured value (R EPID. ) A characteristic element ( 16 ) is connected downstream. 10. Stimulationseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Programmierung durch ein extrakorpo­ rales Programmiergerät (9) eine Telemetrieeinheit (12) vor­ gesehen ist, wobei die Telemetrieeinheit (12) zur Program­ mierung des Kennlinienzusammenhangs zwischen dem Meßwert (REPID.) und der Stimulationsamplitude (USTIM) mit dem Kennli­ nienglied (16) verbunden ist.10. Stimulation device according to claim 9, characterized in that for programming by an extracorporeal programming device ( 9 ) a telemetry unit ( 12 ) is seen before, the telemetry unit ( 12 ) for programming the characteristic curve relationship between the measured value (R EPID. ) and the stimulation amplitude (U STIM ) is connected to the characteristic link ( 16 ).
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