DE69209324T2

DE69209324T2 - Servosteuerung für Muskeln

Info

Publication number: DE69209324T2
Application number: DE69209324T
Authority: DE
Inventors: Michael J Kallok; Brian Lee
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1991-01-09
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2012-01-10
Also published as: EP0494787A1; US5300094A; EP0494787B1; DE69209324D1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die elektrische Stimulierung von Muskeln.
Seit den Anfängen des Ausführens von Versuchen mit Elektrizität ist es bekannt, Muskelkontraktionen elektrisch zu stimulieren. Seit jüngerer Zeit wird die elektrische Stimulierung von Muskelgewebe therapeutisch verwendet. Die wirkungen einer chronischen Stimulierung wurden von Ciske und Faulkner in "Chronic Electrical Stimulation of Nongrafted and Grafted Skeletal Muscles in Rats", in Journal of Applied Physiology, Vol 59(5), 5. 1434 - 1439 (1985) untersucht. Bernotas et al haben die Grundzüge einer adaptiven Regelung in "Adaptive Control of Electrically Stimulated Muscle" in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME 34, No. 2, 5. 140 - 147 (Februar 1987) vorgeschlagen.
Ein Überblick über frühe Versuche betreffend elektrische Stimulierung in Verbindung mit dem Atmungssystem findet sich in "Diaphragm Pacing: Present Status" von William W. L. Glenn in Pace, Vol 1, S. 357 - 370 (Juli - September 1978). Viel Arbeit wurde in elektrische Stimulierung innerhalb des Herz-Kreislauf-Systems mittels Herzschrittmacherbetrieb investiert.
Es wurde auch die Behandlung obstruktiven Atemstillstands im Schlaf unter Verwendung elektrischer Stimulierung erörtert. "Laryngeal Pacemaker, II Electronic Pacing of Reinnervated Posterior Crcoarytenoid Muscles in the Canine" von Broniatowski et al in Laryngoscope, Vol 95, S. 1.194 - 1.198 (Oktober 1985); "Assessment of Muscle Action on Upper Airway Stability in Anesthetized Dogs" von Strohl et al in Journal of Laboratory Clinical Medicine, Vol 110, S. 221 - 301 (1987); das für Meer erteilte US-Patent Nr. 4,830,008 und das für Durkan erteilte US-Patent Nr. 4,570,631 erörtern alle die elektrische Stimulierung der oberen Luftwege zum Behandeln des obstruktiven Atemstillstands im Schlaf.
Die Erfindung schafft ein elektromedizinisches Gerät mit einer Einrichtung zum Überwachen des Atemzyklus eines Patients zum Bestimmen des Einatmungsabschnitts; einer Einrichtung zum Erzeugen von Stimulierimpulsen während des Einatmungsabschnitts des Atmungszyklus und einer Einrichtung zum Einstellen der Intensität der Stimulierimpulse, um die normale Durchgängigkeit der oberen Luftwege aufrecht zu erhalten; gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Überwachen der Durchgängigkeit der oberen Luftwege des Patients während des Einatmungsabschnitts des Atmungszyklus.
Die Erfindung überwindet die Nachteile des Stands der Technik dadurch, daß sie ein System zur elektrischen Stimulierung von Muskelgewebe schafft, das der Art nach selbstanpassend ist. Sensoren werden innerhalb des Stimuliersystems verwendet, um Parameter zu verändern, wie die Stimulierimpulsamplitude und die Impulsfrequenz abhängig vom gemessenen Verhalten bei der gewünschten Therapie.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung auf die Behandlung obstruktiven Atemstillstands im Schlaf angewendet. Sensoren werden dazu verwendet, die Druckdifferenz zwischen der distalen Seite des Schlunds und der Umgebung zu bestimmen, um den Druckabfall über die oberen Luftwege zu ermitteln. Die Stimulierintensität wird erhöht, wenn die relative Druckdifferenz zunimmt, und sie wird verringert, wenn die relative Druckdifferenz abnimmt. Die Intensität kann durch Erhöhen der Impulsfrequenz und/oder der Impulsamplitude und/oder der Impulsbreite erhöht werden. Zusätzliche Messungen sind erforderlich, um eine Anpassung an den Atmungszyklus zu erzielen, damit das System unabhängig von normalen Zyklusänderungen eine Anpassung vornehmen kann.
Es besteht eine Anzahl wichtiger Ergebnisse in Zusammenhang mit dem selbstanpassenden System. Die erforderliche Gesamtenergie ist verringert, da die Stimulierintensität nur auf demjenigen Pegel gehalten wird, der dazu erforderlich ist, das gewünschte klinische Verhalten aufrecht zu erhalten. Die Gefahr einer Muskelermüdung ist stark verringert, da die Muskeln der oberen Luftwege nicht überstimuliert werden. Auf ähnliche Weise verschafft das Fehlen von Überstimulierung dem Patient eine leichter verträgliche Therapie, insbesondere dann, wenn sie dauerhaft verwendet wird.
Andere Aufgaben der Erfindung und viele der zur Erfindung gehörigen Vorteile werden leicht erkennbar, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen gleiche Bezugszahlen in allen ihren Figuren gleiche Teile bezeichnen, und in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm der normalen Funktion des Atmungssystems eines Patients während des Einatmens ist;
Fig. 2 eine schematisches Diagramm desselben Patients mit obstruktivem Atemstillstand im Schlaf ist;
Fig. 3 eine graphische Wiedergabe der Leitfähigkeit der Luftwege über dem Stimulierpegel für einen Patient mit obstruktivem Atemstillstand im Schlaf ist;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines Patients mit einem die Erfindung verwendenden elektrischen Stimuliersystem ist;
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen dauerhaft implantierbaren Drucksensoren ist;
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen implantierbaren Impulsgenerators ist; und
Fig. 7 eine graphische Wiedergabe von Schlüsselsignalen innerhalb des implantierten elektrischen Stimuliersystems ist.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm des Atmungssystems eines Patients 10 während des Einatmens. Wenn das Zwerchfell 18 das Volumen des Brustraums 16 erhöht, entsteht eine Druckdifferenz, die bewirkt, daß Luft in die oberen Luftwege 12 eintritt und in der Richtung des Pfeils 14 läuft.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Atmungssystems des Patients 10 während eines obstruktiven Atemstillstandereignisses. Beim Einatmen neigen die oberen Luftwege 12 zum Einfallen, wodurch die Luftströmung am Punkt 21 blockiert wird. Die oben angegebene Literatur beschreibt die physiologischen Prozesse, die in Zusammenhang mit dem Einfallen der oberen Luftwege 12 stehen, im Detail.
Fig. 3 ist eine graphische Wiedergabe 52 der Leitfähigkeit 54 der Luftwege als Funktion der Stimulierfrequenz 56 bei einem Patient 10, der unter obstruktivem Atemstillstand im Schlafleidet. Bei einem Einzelimpuls (57) oder bei einer relativ niedrigen Stimulierfrequenz 59 ist das Luftweg-Leitvermögen 54 unzureichend, wie es entlang der entsprechenden Abschnitte der Kurve dargestellt ist. Ein einzelner Impuls und Stimulierung mit niedriger Frequenz halten keine Leitvermögensänderung (d.h. ausreichende Spannung) aufrecht und führen zu Spannungsplateaus, die zu niedrig ist, um einen offenen Luftweg beizubehalten. Normale Durchgängigkeit entspricht einem Luftweg-Leitvermögen zwischen den Niveaus 64 und 66. Um normale Durchgängigkeit zu erzielen, muß die Stimulierfrequenz zumindest eine solche wie die am Punkt 61 sein.
Bei Stimulierfrequenzen über der für normale Durchgängigkeit (d.h. mit einem Luftweg-Leitvermögen 54 über dem Niveau 64) kann nur eine sehr kleine Verbesserung beobachtet werden. Der Abschnitt 60 der Kurve repräsentiert diesen Zustand. Wenn das System entlang dem Abschnitt 60 arbeitet, ist die Stimulierfrequenz übermäßig, was zu vergeudeter Energie und erhöhter Gefahr einer Muskelermüdung führt.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines Patients 10, das die Implantierung eines elektrischen Stirnuliersystems zum Behandeln obstruktiven Stillstands im Schlaf zeigt. Ein implantierbarer Impulsgenerator 20 wird subkutan an einer zweckentsprechenden Position angebracht. Die Funktion des Zwerchfells 18 wird mittels einer mit einer Zuleitung 22 verbundenen Elektrode 24 überwacht.
Die Durchgängigkeit der oberen Luftwege 12 wird mittels eines Drucksensors 36 und eines Drucksensors 30 überwacht, die über Kabel 34 bzw. 32 mit dem implantierbaren Impulsgenerator verbunden sind. Eine Stimulierung der Muskulator der oberen Luftwege 12 wird über eine mit einer Elektrode 28 verbundene Zuleitung 26 erzielt. Alle anderen gekennzeichneten Elemente wurden bereits beschrieben.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen dauerhaft implantierbaren Druckwandler 40, ähnlich dem, der als Drucksensor 30 und 36 implantiert ist (siehe auch Fig. 4). Das distale Ende 42 des dauerhaft implantierbaren Druckwandlers 40 enthält ein Halbleiter-Meßelement, das zweckentsprechend für dauerhafte Implantation in ein Gehäuse eingebaut ist. Ein Zuleitungskörper 44 enthält wahlweise einen Druck-Bezugshohlraum 46, der mit einer Druckentlüftung 48 verbunden ist. Ein elektrischer Verbinder 50 nimmt die Verbindung zum implantierbaren Impulsgenerator 20 vor. Für zusätzliche Konstruktionseinzelheiten kann das US-Patent Nr. 4,407,296 zu Rate gezogen werden.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines implantierbaren Impulsgenerators 20, der gemäß der Erfindung hergestellt ist. Die mit den Drucksensoren 30 und 36 verbundenen Kabel 32 bzw. 34 liefern die Eingangssignale an einen Differenzverstärker 68. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 68 ist demgemäß für die Druckdifferenz zwischen dem Schlund und dem Mund repräsentativ (siehe auch Fig. 4).
Das Druckdifferenzsignal wird durch einen Integrierer 70 integriert, um ein geglättetes Signal zu erzeugen. Das Signal wird durch eine Abschneideschaltung 72 abgeschnitten, um es anzupassen. Ein Detektor 74 ist eine Schwellenwertvorrichtung. Das Ausgangssignal des Detektors 74 ist im wesentlichen ein binäres Rückkopplungssignal 76, das anzeigt, ob die oberen Luftwege 12 ausreichende Durchgängigkeit aufweisen. Das binäre Rückkopplungssignal 76 wird dazu verwendet,- eine Impulsfrequenzsteuerung 78 zu steuern. Auf diese Weise wird die Impulsfrequenz der Stimulierimpulse kontinuierlich erhöht, bis ausreichende Durchgängigkeit erkannt wird. Die Impulsfrequenzsteuerung 78 kann auch die Ausgangsamplitude der Stimulierimpulse ändern. Die Stimulierimpulse werden von einem Stimuliergenerator 80 erzeugt, von einem Verstärker 82 verstärkt und über die Zuleitung 26 an die Muskulatur der oberen Luftwege gekoppelt.
Die erzeugten Stimulierimpulse werden durch eine Synchronisierschaltung 84 mit dem Atmungszyklus synchronisiert. Diese Schaltung informiert auch die Abschneideschaltung 72 über das zeitliche Fenster, in dem sich der Patient 10 im Einatmungszyklus befindet. Die Synchronisierung 84 arbeitet angesteuert durch einen Oszillator 86, der den Hauptzeitstandard innerhalb des implantierbaren Impulsgenerators 20 bildet.
Die Position innerhalb des Atmungszyklus wird durch die mit der Leitung 22 verbundene Elektrode 24 überwacht (siehe auch Fig. 4). Es kann auch eine andere Einrichtung dazu verwendet werden, den Einatmungsvorgang zu erfassen, wie Widerstands- Volumpuls-Kurvenaufzeichnung. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist es das ENG, das tatsächlich erfaßt wird. Das EMG wird durch einen Verstärker 90 verstärkt und durch einen Integrierer 92 integriert. Dies glättet das Signal beträchtlich. Das integrierte Signal wird einem Trigger 88 zugeführt, der ein monostabiler Multivibrator mit Schwellenwert ist. Das Ausgangssignal des Triggers 88 ist ein Signal mit festgelegter Länge mit einer Vorderkante, die zu Beginn eines Einatmungszyklus auftritt. Wie vorstehend erläutert, synchronisiert die Synchronisierung 84 das Ausgangssignal des Triggers 88 mit dem Ausgangssignal des Oszillators 86 und erzeugt Zeitfenster für die Abschneideschaltung 72 und den Stimuliergenerator 80.
Fig. 7 ist eine graphische Wiedergabe 94 verschiedener Schlüsselsignale des implantierbaren Impulsgenerators 20. Eine Kurve 96 zeigt die zu überwachenden Druckdifferenzen für zwei Atmungszyklen, wobei der erste Zyklus eine wesentliche Blockierung innerhalb der oberen Luftwege 12 enthält und der zweite Zyklus normale Durchgängigkeit als Ergebnis elektrischer Stimulierung mit ausreichender Intensität zeigt. Der Teil 98 der Kurve 96 ist die Druckdifferenz, wie sie von einem Einatmungsvorgang bei blockiertem oberen Luftweg herrührt.
Einer Druckdifferenz 106 erfolgt eine Nuliperiode 104. Die Druckdifferenz 106 zeigt einen Einatmungsvorgang bei normaler Durchgängigkeit, da die Stimulierintensität erhöht wurde.
Impulse 112 und 114 sind Ausgangssignale des Triggers 88 (siehe auch Fig. 6). Sie erstellen das zeitliche Fenster, das dem Einatmungsabschnitt des Atmungszyklus zugeordnet ist. Stimulierimpulse 116, 118, 120, 122, 124 und 126 werden während des ersten Einatmungsvorgangs geliefert. Wie aus dem obigen ersichtlich, ist die Frequenz dieser Stimulierimpulse nicht dafür ausreichend, normale Durchgängigkeit der oberen Luftwege zu erzeugen. Das Rückkopplungssystem gewährleistet, daß die Impulsfrequenz folgender Stimulierimpulse 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138 und 139 größer ist. In diesem Fall reicht die Stimulierfrequenz aus, um normale Durchgängigkeit zu erzielen, wie es aus der Druckdifferenz 106 erkennbar ist.
Die Kurve 140 zeigt das Ausgangssignal des Integrierers 92 (siehe auch Fig. 6). Aus der Kurve 140 ist ersichtlich, daß der Trigger 88 Impulse 112 und 114 erzeugt. Peaks 142 und 152 entsprechen den Einatmungsperioden. Auf ähnliche Weise entsprechen negative Peaks 146 und 156 Ausatmungsperioden. Nuilperioden 144, 148 und 154 trennen Abschnitte des Atmungszyklus. Es ist zu beachten, daß die Steigung 150 durch die Zunahme der Stimulierintensität vom Atmungszyklus 1 zum Atmungszyklus 2 beeinflußt ist.
Nachdem die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung auf diese Weise beschrieben wurden, erkennt der Fachmann leicht andere Variationen, die innerhalb der hier aufzufindenden Lehren und innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche möglich sind.

Claims

1. Elektromedizinisches Gerät mit einer Einrichtung (24) zum Überwachen des Atmungszyklus eines Patients (10) zum Bestimmen des Einatmungsabschnitts; einer Einrichtung (20, 80) zum Erzeugen von Stimulierimpulsen während des Einatmungsabschnitts des Atmungszyklus; und einer Einrichtung (78) zum Einstellen der Intensität der Stimulierimpulse, um normale Durchgängigkeit der oberen Luftwege (12) aufrecht zu erhalten; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 36) zum Überwachen der Durchgängigkeit der oberen Luftwege des Patients (10) während des Einatmungsabschnitts des Atmungszyklus.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Überwachen der Durchgängigkeit der oberen Luftwege ferner eine Einrichtung (30, 36) zum Messen der Druckdifferenz während des Einatmungsabschnitts des Atmungszyklus aufweist.

3. Gerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Einstelleinrichtung (78) ferner eine Einrichtung zum Ändern der Impulsfrequenz der Stimulierimpulse aufweist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Einstelleinrichtung (78) ferner eine Einrichtung zum Ändern der Amplitude der Stimulierimpulse aufweist.

5. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Überwachen des Atmungszyklus eine Elektrode (24) zum Messen eines Elektromyogramms aufweist.

6. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Überwachen der Durchgängigkeit der oberen Luftwege ein Paar Druckwandler (40) aufweist, die an den distalen Enden jeweiliger elektrischer Zuleitungen (44) angebracht sind.

7. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Paar Druckwandler (40), die so ausgebildet sind, daß sie jeweilige elektrische Drucksignale erzeugen, einer Komparatorschaltungseinrichtung (68), die so angeordnet ist, daß sie die Drucksignale empfängt und ein Differenzdrucksignal erzeugt, und einer Steuerschaltungseinrichtung (78), die so ausgebildet ist, daß sie die Intensität der Stimulierimpulse abhängig vom Ausgangssignal der Komparatorschaltungseinrichtung (68) während des Einatmungsabschnitts steuert.