DE102023126302A1

DE102023126302A1 - Medical implantable device

Info

Publication number: DE102023126302A1
Application number: DE102023126302.1A
Authority: DE
Inventors: Max Eickenscheidt
Original assignee: Neuroloop GmbH
Current assignee: Neuroloop GmbH
Priority date: 2023-09-27
Filing date: 2023-09-27
Publication date: 2025-03-27
Also published as: WO2025068275A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine medizinische implantierbare Anordnung zur Applikation elektrischer Signale längs eines intrakorporalen Gefäßes oder eines Nervenfaserbündels.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Tragstruktur längs wenigstens einer virtuellen Linie in serieller räumlicher Abfolge wenigstens 2·n, mit n ≥ 2 Elektroden angeordnet sind, die drahtgebunden mit einem Stromgenerator verbunden sind, dass der Stromgenerator die 2·n Elektroden mit hochfrequenten Stimulationssignalen derart zeitgleich beaufschlagt, dass eine erste Gruppe von n der Elektroden jeweils mit gleichpolarisierten, hochfrequenten Stimulationssignalen und eine zweite Gruppe von n der Elektroden mit zur ersten Gruppe entgegengesetzt polarisierten hochfrequenten Stimulationssignalen beaufschlagbar sind, und dass die Elektroden der ersten und zweiten Gruppe jeweils in alternierender Abfolge längs der virtuellen Linie angeordnet sind.

The invention relates to a medical implantable device for applying electrical signals along an intracorporeal vessel or a nerve fiber bundle.
The invention is characterized in that on a support structure along at least one virtual line in serial spatial sequence at least 2 n, with n ≥ 2 electrodes are arranged, which are connected by wire to a current generator, that the current generator applies high-frequency stimulation signals to the 2 n electrodes simultaneously in such a way that a first group of n of the electrodes can each be applied with equally polarized, high-frequency stimulation signals and a second group of n of the electrodes can be applied with high-frequency stimulation signals polarized opposite to the first group, and that the electrodes of the first and second groups are each arranged in alternating sequence along the virtual line.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine medizinische implantierbare Anordnung zur Applikation elektrischer Signale längs eines intrakorporalen Gefäßes oder eines Nervenfaserbündels.The invention relates to a medical implantable device for applying electrical signals along an intracorporeal vessel or a nerve fiber bundle.

Stand der TechnikState of the art

Die Druckschrift EP 3 204 105 B1 offenbart eine Manschettenelektrodenanordnung, auch als Cuff-Elektrode bezeichnet, die aus einem flexiblen, biokompatiblen, folienartig ausgebildeten Trägersubstrat besteht. Auf wenigstens einer Oberfläche des Trägersubstrats ist eine Vielzahl einzelner Elektroden angeordnet. Die bekannte Cuff-Elektrode dient der ortsaufgelösten Erfassung neuronaler elektrischer Signale sowie zur selektiven elektrischen Stimulation einzelner in einem Nervenfaserbündel verlaufender Nervenfasern. Hierbei umschließt die zu einer Wickelmanschette geformte Manschettenelektrodenanordnung ein Nervenfaserbündel, vorzugsweise den Vagusnerv, radial von außen in der Form eines geraden Hohlzylinders, an dessen Hohlzylindermantelinnenfläche die Vielzahl der Elektroden angeordnet ist, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Epineurium des Vagusnervs treten. Die Vielzahl der Elektroden ist in eine erste und zweite Elektrodenanordnung unterteilt, von denen die erste Elektrodenanordnung zur ortsselektiven Erfassung neuronaler elektrischer Signale, die sich längs barorezeptiver Nervenfasern ausbreiten, sowie zur selektiven elektrischen Stimulation wenigstens einer Nervenfaser dient. Da die elektrische Stimulation längs der barorezeptiven Nervenfasern isotrop, d.h. ohne Vorgabe einer festgelegten Signalausbreitungsrichtung erfolgt, dient die zweite Elektrodenanordnung zur selektiven Inhibition efferenter, d.h. zum Herzen führender Nervenfasern, um mögliche Nebenwirkungen bedingt durch unkontrollierte Signalausbreitungseffekte zu vermeiden. Hierzu sieht die unmittelbar neben der ersten Elektrodenanordnung auf dem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnete zweite Elektrodenanordnung wenigstens zwei axial voneinander beabstandete und sich in Umfangsrichtung der sich geradzylinderförmig ausbildenden Wickelmanschette erstreckende und jeweils eine Ringform annehmende Elektrodenstreifen vor, zwischen denen wenigstens zwei, vorzugsweise viele in Umfangsrichtung gleich verteilt angeordnete Elektrodenflächen angeordnet sind. Sowohl die ringförmigen Elektrodenstreifen als auch die zwischen den zwei Elektrodenstreifen angeordneten Elektrodenflächen sind mit einem Signalgenerator zu deren aufeinander abgestimmten elektrischen Polarisation verbunden.The printed matter EP 3 204 105 B1 discloses a cuff electrode arrangement, also referred to as a cuff electrode, which consists of a flexible, biocompatible, film-like carrier substrate. A plurality of individual electrodes are arranged on at least one surface of the carrier substrate. The known cuff electrode is used for the spatially resolved detection of neuronal electrical signals and for the selective electrical stimulation of individual nerve fibers running within a nerve fiber bundle. The cuff electrode arrangement, formed into a wound cuff, radially encloses a nerve fiber bundle, preferably the vagus nerve, from the outside in the form of a straight hollow cylinder, on the inner surface of which the plurality of electrodes are arranged, which come into direct contact with the epineurium of the vagus nerve. The plurality of electrodes is divided into a first and a second electrode arrangement, of which the first electrode arrangement is used for the spatially selective detection of neuronal electrical signals propagating along baroreceptive nerve fibers and for the selective electrical stimulation of at least one nerve fiber. Since the electrical stimulation along the baroreceptive nerve fibers occurs isotropically, i.e. without specifying a fixed signal propagation direction, the second electrode arrangement serves to selectively inhibit efferent nerve fibers, i.e. those leading to the heart, in order to avoid possible side effects caused by uncontrolled signal propagation effects. For this purpose, the second electrode arrangement arranged directly next to the first electrode arrangement on the common carrier substrate provides at least two axially spaced-apart electrode strips extending in the circumferential direction of the straight-cylindrical wound sleeve and each assuming a ring shape, between which at least two, preferably many, electrode surfaces are arranged evenly distributed in the circumferential direction. Both the ring-shaped electrode strips and the electrode surfaces arranged between the two electrode strips are connected to a signal generator for their coordinated electrical polarization.

Die Theorie der Inhibition von efferenten Nervenfasern geht auf Versuche von Rattay aus dem Jahre 1986 zurück, siehe Artikel „ High frequency electrostimulation of excitable cells“, (doi:10.1016/S0022-5193(86)80234-X ). In diesem Artikel wurde formuliert, dass eine hochfrequente Anregung von Nervensträngen mit hochfrequenten Anregungssignalen von > 10kHz zu einer Blockierung führen kann, durch anhaltende Depolarisation und nicht durch eine Hyperpolarisation der entsprechenden Nervenmembrane.The theory of inhibition of efferent nerve fibers goes back to experiments by Rattay in 1986, see article “ “High frequency electrostimulation of excitable cells”, (doi:10.1016/S0022-5193(86)80234-X ). In this article it was stated that high-frequency excitation of nerve strands with high-frequency excitation signals of > 10 kHz can lead to a block through sustained depolarization and not through hyperpolarization of the corresponding nerve membrane.

In einem Artikel von K. L. Kilgore, N. Bhadra, „Nerve conduction block utilising high-frequency alternating current“, Medical and Biological Engineering and Computing volume 42, pages 394-406 (2004 ) ist die Idee formuliert, dass eine tonische Depolarisation eines Nervs über einen größeren Bereich entlang des myelinisierten Axons (bis zu 20 Ranvier'sche Schnürringe) zu einem effektivem Block der vorbei propagierenden Aktionspotentiale führt.In an article by KL Kilgore, N. Bhadra, “Nerve conduction block utilizing high-frequency alternating current,” Medical and Biological Engineering and Computing volume 42, pages 394-406 (2004 ) the idea is formulated that a tonic depolarization of a nerve over a larger area along the myelinated axon (up to 20 nodes of Ranvier) leads to an effective block of the action potentials propagating past.

In einer Vielzahl nachfolgender Veröffentlichungen wird die Idee aufgegriffen eine bipolare Anordnung zweier strukturgleicher Elektroden einer monopolaren oder einer tripolaren Elektrode vorzuziehen. Einschlägige Veröffentlichungen, die sich dem Thema mittels Simulationen und Messungen näher beschäftigen betreffen Ackermann et al., Effect of Bipolar Cuff Electrode Design on Block Thresholds in High-Frequency Electrical Neural Conduction Block, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering (Volume: 17, Issue: 5, October 2009 ) oder Aristovich, et al., Model-based geometrical optimisation and in vivo validation of a spatially selective multielectrode cuff array for vagus nerve neuromodulation, J Neurosci Methods, 2021 Mar 15 .In a number of subsequent publications, the idea of preferring a bipolar arrangement of two structurally identical electrodes to a monopolar or tripolar electrode is taken up. Relevant publications that address the topic in more detail using simulations and measurements concern Ackermann et al., Effect of Bipolar Cuff Electrode Design on Block Thresholds in High-Frequency Electrical Neural Conduction Block, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering (Volume: 17, Issue: 5, October 2009 ) or Aristovich, et al., Model-based geometrical optimization and in vivo validation of a spatially selective multielectrode cuff array for vagus nerve neuromodulation, J Neurosci Methods, 2021 Mar 15 .

Die Hypothese, die sich aus den einschlägigen Veröffentlichungen hierzu ableitet, ist, dass die bipolare Antwort durch die nicht-lineare Transferfunktion des Anregungspulses (die „Aktivierungsfunktion“) auf das Membranpotential im Mittel depolarisierend wirkt und diese Depolarisation, wenn sie länger aufrecht gehalten wird, zu einer effektiven Blockierung der Reizweiterleitung im Nerven führt.The hypothesis derived from the relevant publications is that the bipolar response has an average depolarizing effect on the membrane potential due to the non-linear transfer function of the excitation pulse (the “activation function”) and that this depolarization, if maintained for a longer period, leads to an effective blockage of the transmission of impulses in the nerve.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine medizinische implantierbare Anordnung zur Applikation elektrischer Signale längs eines intrakorporalen Gefäßes oder eines Nervenfaserbündels anzugeben, die geeignet ist eine Nervensignalausbreitung wenigstens einer Ausbreitungsrichtung längs eines Nervenfaserbündels oder längs einer oder einzelner Nervenfaser kontrolliert zu unterbinden bzw. zu blockieren, derart auszubilden, so dass die Effizienz der Blockadewirkung gegenüber bekannten gattungsgemäßen Vorkehrungen verbessert sein soll. So gilt es mit gleichen oder geringeren elektrischen Spannungspotenzialen wie sie bisher eine wenigstens unidirektionale Nervensignalausbreitung längs eines Nervenfaserbündels oder längs einer oder einzelner Nervenfaser weitgehend oder vorzugsweise vollständig zu unterbinden bzw. zu unterdrücken.The invention is based on the object of providing a medical implantable arrangement for the application of electrical signals along an intracorporeal vessel or a nerve fiber bundle, which is suitable for preventing or blocking nerve signal propagation in at least one propagation direction along a nerve fiber bundle or along one or individual nerve fiber in a controlled manner, so that The aim is to improve the efficiency of the blocking effect compared to known generic devices. The aim is to largely or preferably completely prevent or suppress at least unidirectional nerve signal propagation along a nerve fiber bundle or along one or more individual nerve fibers using the same or lower electrical voltage potentials as previously used.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie in der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf illustrierte Ausführungsbeispiele angegeben.The solution to the problem underlying the invention is specified in claim 1. Features that advantageously further develop the inventive concept are specified in the subclaims and in the further description with reference to illustrated embodiments.

Die lösungsgemäße medizinische implantierbare Anordnung zur Applikation elektrischer Signale längs eines intrakorporalen Gefäßes oder eines Nervenfaserbündels zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Tragstruktur längs wenigstens einer virtuellen Linie in serieller räumlicher Abfolge wenigstens 2 x n, mit n ≥ 2 Elektroden angeordnet sind, die drahtgebunden mit einem Stromgenerator verbunden sind. Der Stromgenerator beaufschlagt die 2 x n Elektroden mit hochfrequenten Stimulationssignalen zeitgleich derart, so dass eine erste Gruppe von n der Elektroden jeweils mit gleichpolarisierten, hochfrequenten Stimulationssignalen und eine zweite Gruppe von n der Elektroden mit zur ersten Gruppe entgegengesetzt polarisierten hochfrequenten Stimulationssignalen beaufschlagbar sind. Die Elektroden der ersten und zweiten Gruppe sind jeweils in alternierender Abfolge längs der virtuellen Linie angeordnet.The medical implantable arrangement according to the invention for applying electrical signals along an intracorporeal vessel or a nerve fiber bundle is characterized in that at least 2 x n electrodes, with n ≥ 2 electrodes, are arranged on a support structure in serial spatial sequence along at least one virtual line. The electrodes are connected to a current generator by a wire. The current generator simultaneously applies high-frequency stimulation signals to the 2 x n electrodes in such a way that a first group of n electrodes can each receive equally polarized high-frequency stimulation signals, and a second group of n electrodes can each receive high-frequency stimulation signals polarized opposite to the first group. The electrodes of the first and second groups are each arranged in an alternating sequence along the virtual line.

Die der lösungsgemäßen medizinischen implantierbaren Anordnung zugrundeliegende Idee leitet sich aus umfangreichen anmelderseitig durchgeführten Untersuchungen ab, die mit jeweils längs eines Nervenfaserstranges angeordneten Stimulationselektroden durchgeführt worden sind, die jeweils mit hochfrequenten Stimulationssignalen beaufschlagt worden sind. Dabei wurden unterschiedlichen Elektrodenanordnungen untersucht, die zu unterschiedlichen elektrischen Auswirkungen längs der einzelnen Nervenstränge geführt haben, die entscheidenden Einfluss auf die Signalausbreitung bzw. Signalausbreitungsunterdrückung längs eines Nervenstranges besitzen. Zur weiteren Erläuterung der in diesen Vorversuchen gewonnenen Erkenntnissen sei an dieser Stelle auf die 2a bis d sowie 3a bis c verwiesen.The idea underlying the proposed medical implantable device is derived from extensive studies conducted by the applicant, which were carried out with stimulation electrodes arranged along a nerve fiber strand, each of which was subjected to high-frequency stimulation signals. Different electrode arrangements were investigated, which led to different electrical effects along the individual nerve strands, which have a decisive influence on signal propagation or signal propagation suppression along a nerve strand. For further explanation of the findings obtained in these preliminary tests, reference is made to the 2a to d and 3a to c.

Die 2a bis d zeigen jeweils einen Nervenstrang 1, in dessen unmittelbarer Nähe jeweils eine oder mehrere Elektroden 2 angeordnet sind. Im Fall der 2 A ist eine monopolare Elektrodenanordnung vorgesehen, bei der eine einzige Elektrode 2 in unmittelbarer Nähe längs des Nervenstrangs 1 angeordnet ist. Es sei angenommen, dass die Gegenelektrode zum Schließen des Stromkreises sinnbildlich im Unendlichen angeordnet ist. In 2 B ist eine bipolare Elektrodenanordnung mit zwei gleich großen Elektroden 2 vorgesehen, die längs des Nervenstrangs 1 nebeneinander angeordnet sind. Im Falle der 2 C ist eine tripolare Elektrodenanordnung gewählt, mit einer zwischen zwei gleichartig ausgebildeten, jeweils randseitig angeordneten Gegenelektroden 2', mittig angeordneten, kleiner ausgebildeten Treiberelektrode 2", die in gleichem Abstand zu beiden Gegenelektroden 2' angebracht ist. In 2 D ist eine multipolare Elektrodenanordnung gezeigt, die mehrere kleine, gleich groß ausgebildete Elektroden 2 längs des Nervenstrangs 1 angeordnet vorsieht.The 2a to d each show a nerve cord 1, in the immediate vicinity of which one or more electrodes 2 are arranged. In the case of 2 A A monopolar electrode arrangement is provided, in which a single electrode 2 is arranged in close proximity along the nerve cord 1. It is assumed that the counter electrode for closing the circuit is symbolically arranged at infinity. In 2 B A bipolar electrode arrangement with two equally sized electrodes 2 is provided, which are arranged next to each other along the nerve cord 1. In the case of 2 C A tripolar electrode arrangement is selected, with a smaller driver electrode 2" arranged centrally between two similarly designed counter electrodes 2', each arranged at the edge, which is attached at the same distance from both counter electrodes 2'. In 2 D a multipolar electrode arrangement is shown which provides several small, equally sized electrodes 2 arranged along the nerve cord 1.

Die einzelnen Elektroden 2 bzw. 2', 2" sind mit einem in 2 nicht dargestellten Stromgenerator verbunden und werden mit hochfrequenten Stimulationssignalen beaufschlagt. Der jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt an die Elektrode 2 bzw. an die Elektroden 2, 2', 2" applizierte Strom einer Phase ist dabei schematisch als anodal, gekennzeichnet durch „A“, oder als kathodisch, gekennzeichnet mit „K“ bezeichnet. Diese Stromrichtungen stehen symbolisch für die elektrische Polung zu einem Zeitpunkt während einer hochfrequenten Stimulation. Im Falle der monopolaren Elektrodenanordnung gemäß 2a wechselt die Polarität der einzigen Elektrode 2 zwischen einem anodischen und einem kathodischen Potential A bzw. K. Im Falle der bipolaren Elektrodenanordnung, gemäß 2b, werden beide Elektroden 2 mit jeweils unterschiedlichem Potentialen K, A zu jedem Zeitpunkt polarisiert. Im Falle der tripolaren Elektrodenanordnung gemäß 2c werden die beiden jeweils randseitig angeordneten Gegenelektroden 2' mit gleicher Polarisation wohingegen die mittig angeordnete Treiberelektrode 2" mit entgegengesetzter Polarisation beaufschlagt. Im Falle der Multipolelektrodenanordnung gemäß 2d wechseln sich die Polarisationsarten von kathodisch zu anodisch in ihrer seriellen Anordnung jeweils alternierend ab.The individual electrodes 2 or 2', 2" are provided with a 2 connected to a current generator (not shown) and are supplied with high-frequency stimulation signals. The current of a phase applied at a specific time to electrode 2 or to electrodes 2, 2', 2" is schematically designated as anodal, marked by "A", or cathodic, marked by "K". These current directions symbolically represent the electrical polarity at a specific time during a high-frequency stimulation. In the case of the monopolar electrode arrangement according to 2a the polarity of the single electrode 2 changes between an anodic and a cathodic potential A or K. In the case of the bipolar electrode arrangement, according to 2b , both electrodes 2 are polarized with different potentials K, A at any given time. In the case of the tripolar electrode arrangement according to 2c the two counter electrodes 2' arranged at the edges are subjected to the same polarization, whereas the centrally arranged driver electrode 2" is subjected to opposite polarization. In the case of the multipole electrode arrangement according to 2d The polarization types alternate from cathodic to anodic in their serial arrangement.

In den 3a bis c sind die elektrischen Auswirkungen der vier unterschiedlichen Elektrodenanordnungen A-D jeweils auf den Nervenstrang 2 in unterschiedlichen Diagrammdarstellungen illustriert. 3a zeigt die unterschiedlichen elektrischen Spannungsprofile V_ext\, die längs eines Nervenstranges 2 vermittels der jeweiligen Elektrodenanordnungen A bis D zu einem bestimmten Zeitpunkt appliziert werden. Längs der Ordinate sind die an der/den Elektrode(n) applizierte elektrische Spannung V_ext und längs der Abszisse die Längserstreckung des Nervenstranges dargestellt. So entspricht der punktiert dargestellte Potentialverlauf A dem durch die monopolare Elektrodenanordnung längs des Nervenstranges 1 hervorgerufenen Spannungsverlauf. Am Ort der Elektrode 2 in einem Zeitpunkt, bei dem die Elektrode 2 negativ, d.h. kathodisch polarisiert ist, bildet sich in unmittelbarer Nähe des Nervenstrangs 1 eine maximale negative Spannung aus, die sich mit zunehmendem Abstand zur Elektrode beidseitig längs des Nervenstranges 1 dem Nullpotential angleicht.In the 3a to c the electrical effects of the four different electrode arrangements AD on the nerve cord 2 are illustrated in different diagrams. 3a shows the different electrical voltage profiles V _ext\ , which are applied along a nerve cord 2 by means of the respective electrode arrangements A to D at a specific time. The electrical voltage V _ext applied to the electrode(s) is shown along the ordinate, and the longitudinal extent of the nerve cord is shown along the abscissa. Thus, the dotted potential curve A corresponds to the potential profile generated by the monopolar electrode arrangement along the nerve. ven cord 1. At the location of electrode 2 at a time when the electrode 2 is negatively, ie cathodically polarized, a maximum negative voltage is formed in the immediate vicinity of the nerve cord 1, which voltage approaches zero potential on both sides along the nerve cord 1 with increasing distance from the electrode.

Der strichlierte Potentialverlauf B entspricht der bipolaren Elektrodenanordnung gemäß 2b und sieht an jenen Stellen eine kathodische bzw. anodische Spannungsüberhöhung vor, an denen sich die Elektroden 2 mit entsprechender kathodischer und anodischer Polarisation befinden. Entsprechende Spannungsprofile stellen sich auch für die tripolare, siehe strichlierten Potentialverlauf C sowie für die Multipolelektrodenanordnung, siehe durchgezogenen Potentialverlauf D ein.The dashed potential curve B corresponds to the bipolar electrode arrangement according to 2b and provides a cathodic or anodic voltage increase at those points where electrodes 2 with corresponding cathodic and anodic polarization are located. Corresponding voltage profiles also occur for the tripolar arrangement (see dashed potential curve C) and for the multipole electrode arrangement (see solid potential curve D).

In 3b ist stellvertretend für die monopolare Elektrodenanordnung, siehe 2 A, sowie die multipolare Elektrodenanordnung, siehe 2 D, die zweite Ableitung der in 3a gezeigten Spannungsprofile d²V_ext/dx² dargestellt, Die zweite Ableitung dieser Spannungsprofile kann als Aktivierungsfunktion betrachtet werden, die im Falle der monopolaren Elektrodenanordnung A lediglich im Bereich der monopolaren Elektrode 2 ein lokales Aktivierungsfunktionsmaximum zeigt, wohingegen weist die Multipolelektrodenanordnung gemäß 2 D längs des gesamten Nervenstrangverlaufes eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Aktivierungsfunktionsmaxima auf, sowohl positive als auch negative Maxima.In 3b is representative of the monopolar electrode arrangement, see 2 A , as well as the multipolar electrode arrangement, see 2 D , the second derivative of the 3a shown voltage profiles d ² V _ext /dx ² are shown. The second derivative of these voltage profiles can be regarded as an activation function, which in the case of the monopolar electrode arrangement A only shows a local activation function maximum in the area of the monopolar electrode 2, whereas the multipole electrode arrangement according to 2 D Along the entire course of the nerve cord, a multitude of activation function maxima are arranged next to each other, both positive and negative maxima.

In 3c ist die sich längs des Nervenstranges 1 ausbildende Membranpolarisation V_M für den Fall hochfrequenter Stimulationssignale im Bereich von > 1 kHz angegeben. Es zeigt sich, dass sich bei der multipoligen Elektrodenanordnung, gemäß 2 D, eine über die gesamte Erstreckung der Elektrodenanordnung nahezu gleichmäßig ausbildende Membranpolarisation ausbildet. Im Gegensatz dazu ist punktiert die sich mit der Monopolelektrodenanordnung einstellende Membranpolarisation A dargestellt.In 3c The membrane polarization V _M developing along the nerve cord 1 is given for the case of high-frequency stimulation signals in the range of > 1 kHz. It can be seen that with the multipolar electrode arrangement, according to 2 D , a membrane polarization develops that is almost uniform across the entire extension of the electrode array. In contrast, the membrane polarization A that develops with the monopole electrode array is shown in dotted lines.

Mithin kann festgestellt werden, dass im Falle einer multipoligen Elektrodenanordnung D die Blockadefunktion zur Unterbindung einer Nervensignalausbreitung längs eines Nervenstranges ungleich effektiver und vollständiger ist als im Falle aller übrigen, in den 2a bis c dargestellten Elektrodenanordnungen.It can therefore be stated that in the case of a multipolar electrode arrangement D the blocking function for preventing nerve signal propagation along a nerve cord is incomparably more effective and complete than in the case of all other electrode arrangements used in the 2a Electrode arrangements shown in fig. to c.

Basierend auf dieser durch experimentelle Versuche gewonnenen Erkenntnis sieht eine bevorzugte Ausbildung der lösungsgemäßen medizinischen implantierbaren Anordnung eine als Wickelmanschette ausgebildete Tragstruktur vor, die zur unmittelbaren Anbringung um ein strangförmiges Gefäß oder ein Nervenfaserbündel geeignet ist, bei der 2 x n Elektroden, mit n ≥ 2, an einer dem Gefäß oder dem Nervenfaserbündel zugewandt orientierten Manschettenoberfläche angeordnet sind. Dabei nimmt die Wickelmanschette im implantierten Zustand eine geradhohlzylindrische Form an, bei der die Wickelmanschette das strangförmige Gefäß oder das Nervenfaserbündel mit der Mantelinnenfläche vollständig berührt bzw. kontaktiert. An eben dieser Mantelinnenfläche sind wenigstens längs einer virtuellen Linie die wenigstens 2 x n Elektroden in serieller räumlicher Abfolge angeordnet, wobei die Form sowie auch Anordnung der wenigstens 2 n-Elektroden eine der nachfolgenden Ausgestaltungsformen annehmen kann:

Besonders bevorzugt sind die 2 x n Elektroden in Form und Größe identisch ausgebildet. Ferner sind die 2 x n Elektroden längs einer geradlinigen virtuellen Linie sowie parallel zu einer der Wickelmanschette zuordenbaren Wickellängsachse angeordnet. Eine derartige Anordnung geht von der Annahme aus, dass die Vielzahl der innerhalb des Nervenfaserbündels verlaufenden einzelnen Nervenfasern gleichsam möglichst geradlinig und parallel zur Wickellängsachse der Wickelmanschette orientiert sind.

Based on this knowledge gained through experimental testing, a preferred embodiment of the medical implantable device according to the invention provides a support structure designed as a wound cuff, which is suitable for direct attachment around a cord-shaped vessel or a nerve fiber bundle, in which 2 x n electrodes, with n ≥ 2, are arranged on a cuff surface oriented toward the vessel or nerve fiber bundle. In the implanted state, the wound cuff assumes a straight, hollow cylindrical shape, with the wound cuff completely touching or contacting the cord-shaped vessel or nerve fiber bundle with its inner surface. On this inner surface, at least along a virtual line, the at least 2 x n electrodes are arranged in a serial spatial sequence, whereby the shape and arrangement of the at least 2 n-electrodes can assume one of the following configurations:

Particularly preferably, the 2 x n electrodes are identical in shape and size. Furthermore, the 2 x n electrodes are arranged along a straight virtual line and parallel to a longitudinal winding axis associated with the wound sleeve. Such an arrangement is based on the assumption that the multitude of individual nerve fibers running within the nerve fiber bundle are oriented as straight as possible and parallel to the longitudinal winding axis of the wound sleeve.

Ebenso kann es vorteilhaft sein, die 2 x n Elektroden längs einer geradlinigen virtuellen Linie anzuordnen, die jedoch geneigt zu einer der Wickelmanschette zuordenbaren Wickellängsachse orientiert ist. Die Neigung der virtuellen Linie relativ zur Wickellängsachse gilt es entsprechend der räumlichen Lage der jeweils einzelnen, innerhalb des Nervenfaserbündels enthaltenen Nervenfasern, die ebenso nicht notwendigerweise allesamt parallel zueinander verlaufen, anzupassen. It may also be advantageous to arrange the 2 x n electrodes along a straight virtual line, which, however, is oriented at an inclination relative to a longitudinal axis of the winding sleeve. The inclination of the virtual line relative to the longitudinal axis of the winding must be adjusted according to the spatial position of the individual nerve fibers contained within the nerve fiber bundle, which also do not necessarily all run parallel to each other.

Typische Neigungswinkel relativ zur Wickellängsachse sollten ±10° nicht überschreiten.Typical inclination angles relative to the winding longitudinal axis should not exceed ±10°.

Nicht notwendigerweise verlaufen die einzelnen innerhalb eines Nervenfaserbündels enthaltenen Nervenfasern exakt geradlinig. Diese von einer mathematisch exakten Geradlinigkeit abweichenden Natur der Nervenfasern kann sich in der Geometrie der virtuellen Linie widerspiegeln. So sind gekrümmte oder wellenförmige Linienverläufe denkbar, die gleichsam in Richtung der Wickellängsachse oder zu dieser geneigt verlaufend ausgebildet und angeordnet sein können, längs der die 2 x n Elektroden anzuordnen sind .The individual nerve fibers within a nerve fiber bundle do not necessarily run in a perfectly straight line. This deviance from mathematically exact straightness can be reflected in the geometry of the virtual line. Curved or wave-shaped lines are conceivable, which can be designed and arranged either in the direction of the coil's longitudinal axis or inclined to it, along which the 2 x n electrodes are to be arranged.

Vorzugsweise sind die Form und Dimensionierung der längs der virtuellen Linie angeordneten 2 x n Elektroden unter Maßgabe der geometrischen Abstände der längs eines myelinisierten Axons angeordneten Ranvier-Schnürringe, an denen die Zellmembran des jeweiligen Axons frei liegt, entsprechend angepasst angeordnet. Typischerweise können die Abstände zwischen 10 µm ≤ d ≤ 2000 µm aufweisen. Vorzugsweise sind die einzelnen Elektroden gleichförmig und gleich dimensioniert ausgebildet.Preferably, the shape and dimensions of the 2 x n electrodes arranged along the virtual line are determined by the geometric distances of the nodes of Ranvier arranged along a myelinated axon, at which the The electrodes are arranged in a manner that is appropriately adjusted to the cell membrane of the respective axon. Typically, the spacing can be between 10 µm ≤ d ≤ 2000 µm. The individual electrodes are preferably uniform and of the same size.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zusätzlich zur multipoligen Elektrodenanordnung längs einer ersten virtuellen Linie wenigstens eine weitere lateral zu dieser auf der Tragstruktur versetzt angeordnete multipolige Elektrodenanordnung vorgesehen ist, die parallel oder geneigt zur ersten virtuellen Linie gleichfalls eine Vielzahl, vorzugsweise 2 x n Elektroden längs einer weiteren virtuellen Linie vorsieht.A further embodiment provides that in addition to the multipole electrode arrangement along a first virtual line, at least one further multipole electrode arrangement is provided which is arranged offset laterally to this on the support structure and which also provides a plurality, preferably 2 x n electrodes, along a further virtual line parallel or inclined to the first virtual line.

Um sicherzustellen, dass die längs der virtuellen Linie seriell angeordneten n Elektroden der ersten Gruppe stets entgegengesetzt polarisiert werden zu den n Elektroden der zweiten Gruppe und dies unabhängig von der Art und Form des an die 2 x n Elektroden anliegenden Stromsignals, das von einem hochfrequenten Stromgenerator erzeugt wird, sind die der ersten Gruppe zugeordneten elektrischen Elektroden elektrisch miteinander und über eine Verbindungsleitung mit einem Ausgang des Stromgenerators verbunden. In der gleichen Weise sind die Elektroden der zweiten Gruppe untereinander elektrisch sowie und über eine Verbindungsleitung mit dem anderen Ausgang des Stromgenerators verbunden. Der Stromgenerator ist in der Lage, hochfrequente Stromwellenpulse zu generieren, vorzugsweise. in Form von Rechtecksignalen oder ähnlichen HF-Wechselstromsignalen. Je nach Anwendungs- und Einsatz fall kann der Stromgenerator entweder in Form eines extrakorporalen Stromgenerators oder in Form eines implantierbaren Pulsgenerators, kurz IPG, ausgebildet sein.To ensure that the n electrodes of the first group, arranged in series along the virtual line, are always polarized opposite to the n electrodes of the second group, regardless of the type and form of the current signal applied to the 2 x n electrodes, which is generated by a high-frequency current generator, the electrical electrodes assigned to the first group are electrically connected to one another and, via a connecting line, to an output of the current generator. In the same way, the electrodes of the second group are electrically connected to one another and, via a connecting line, to the other output of the current generator. The current generator is capable of generating high-frequency current wave pulses, preferably in the form of square waves or similar RF alternating current signals. Depending on the application and use, the current generator can be designed either in the form of an extracorporeal current generator or in the form of an implantable pulse generator, or IPG for short.

Alternativ zur Ausbildung der Tragstruktur in Form einer Wickelmanschette ist es alternativ ebenso denkbar, die Tragstruktur stabförmig auszubilden und die 2 x n Elektroden längs des Stabes anzuordnen und in der vorstehenden Weise mit einem Stromgenerator zu verbinden. In dieser Ausbildungsform sind die 2 x n Elektroden vorzugsweise ringförmig ausgebildet, so dass die einzelnen Elektroden den Stab ringförmig umfassen und in axialer Orientierung jeweils beabstandet zueinander angeordnet sind.As an alternative to designing the support structure in the form of a wound sleeve, it is also conceivable to design the support structure in a rod-shaped manner and to arrange the 2 x n electrodes along the rod and connect them to a current generator in the manner described above. In this embodiment, the 2 x n electrodes are preferably annular, so that the individual electrodes surround the rod in a ring-shaped manner and are arranged at a distance from one another in an axial orientation.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1 Darstellung einer lösungsgemäßen Ausbildungsform für eine medizinisch implantierbare Anordnung mit einer als Wickelmanschette ausgebildeten Tragstruktur,
2a bis d Illustration verschiedener Elektrodenanordnungen längs eines Nervenbündels, A-monopol-, B-bipolar-, C-tripolar- und D-multipolige Elektrodenanordnung,
3 Diagrammdarstellungen mit unterschiedlichen Potentialverläufen,
4 bis 6 unterschiedliche Ausbildungen für multipolige Elektrodenanordnungen sowie
7 Darstellung einer lösungsgemäßen Ausbildungsform für eine medizinisch implantierbare Anordnung mit einer als Stab ausgebildeten Tragstruktur.

The invention is described below, without limiting the general inventive concept, using exemplary embodiments with reference to the drawings. They show:

1 Illustration of a solution-based design for a medically implantable device with a support structure designed as a wrap-around sleeve,
2a to d Illustration of different electrode arrangements along a nerve bundle, A-monopole, B-bipolar, C-tripolar and D-multipole electrode arrangement,
3 Diagrams with different potential curves,
4 to 6 different designs for multi-pole electrode arrangements and
7 Illustration of a solution-based design for a medically implantable device with a support structure designed as a rod.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche AnwendbarkeitWays of implementing the invention, industrial applicability

1 zeigt eine um ein Nervenfaserbündel 1 angelegte, als Wickelmanschette ausgebildete Tragstruktur 3, an deren das Nervenfaserbündel 1 zugewandten Wickelmanschettenoberfläche längs einer linearen virtuellen Linie 4 sechs Elektroden 2, jeweils in serieller Abfolge gleich beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Elektroden 2 sind allesamt mit einem hochfrequenten Stromgenerator 5, vorzugsweise in Form eines Funktions-Generators verbunden. Der FunktionsGenerator vermag Rechteckstromimpulse mit einer Frequenz von 1 - 100 kHz zu erzeugen. Hierbei ist eine erste Gruppe von n=3 Elektroden 2, die in 1 mit „+“ gekennzeichnet ist, über eine gemeinsame Verbindungsleitung 6 mit einem Ausgang des HF-Stromgenerators 5 verbunden und eine zweite Gruppe, die in 1 mit „-“ gekennzeichnet ist, über eine gemeinsame Verbindungsleitung 7 mit dem anderen Ausgang des HF-Stromgenerators 5 verbunden. Es sei angenommen, dass in dem in 1 dargestellten Polarisationszustand die Elektroden 2 mit den durch „+“ und „-“ angegebenen Polarisationen polarisiert bzw. geladen sind. Grundsätzlich gilt, dass die längs der virtuellen Linie 4 angeordneten Elektroden 2 durch die gegebene Verschaltung mit dem Stromgenerator 5 in serieller Abfolge jeweils abwechselnd polarisiert sind. 1 shows a support structure 3, designed as a wound cuff, placed around a nerve fiber bundle 1, on whose wound cuff surface facing the nerve fiber bundle 1, six electrodes 2 are arranged along a linear virtual line 4, each in serial sequence and equally spaced from one another. The electrodes 2 are all connected to a high-frequency current generator 5, preferably in the form of a function generator. The function generator is capable of generating rectangular current pulses with a frequency of 1 - 100 kHz. Here, a first group of n=3 electrodes 2, which are arranged in 1 marked with “+”, is connected via a common connecting line 6 to an output of the HF current generator 5 and a second group, which is 1 marked with "-", is connected via a common connecting line 7 to the other output of the HF current generator 5. It is assumed that in the 1 In the polarization state shown, the electrodes 2 are polarized or charged with the polarizations indicated by "+" and "-". Basically, the electrodes 2 arranged along the virtual line 4 are alternately polarized in a serial sequence due to the given connection to the current generator 5.

Unabhängig von der gewählten Wechselstromform ist es wesentlich, dass die Wellenform symmetrisch ist oder wenigstens ladungsausgeglichen vorgenommen wird, d.h. in der Summe über sämtliche Elektroden 2 hebt sich die Polarisation längs des Nervenfaserbündels 1 auf.Regardless of the alternating current form chosen, it is essential that the waveform is symmetrical or at least charge-balanced, i.e. the polarization along the nerve fiber bundle 1 is canceled out in the sum over all electrodes 2.

Grundsätzlich gilt es, die Anzahl der Elektroden größer als 2 zu wählen, d.h. die multipolige Elektrodenanordnung erstreckt sich über einen makroskopischen Abstand längs eines Nervenfaserbündels, vorzugsweise von einem oder einigen wenigen Zentimetern.Basically, the number of electrodes should be greater than 2, ie the multi-pole electrode arrangement extends over a macroscopic pical distance along a nerve fiber bundle, preferably one or a few centimeters.

Auf die Erläuterung der 2 und 3 wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.The explanation of the 2 and 3 reference is made to the above description.

In 4 ist eine als Wickelmanschette ausgebildete Tragstruktur 3 mit wenigstens zwei multipoligen Elektrodenanordnungen mit jeweils sechs Elektroden 2 längs zweier virtueller Linien 4 dargestellt. Auf die elektrische Verschaltung der Elektroden 2 ist aus Darstellungsgründen verzichtet. Die virtuellen Linien 4 sind im dargestellten Fall parallel zur Wickellängsachse orientiert. Gleichwohl ist es möglich die virtuellen Linien 4 gegenüber der Wickellängsachse 8 geneigt anzuordnen, bspw. geneigt um einen Winkel α von bis zu ± 10°In 4 1 shows a support structure 3 designed as a winding sleeve with at least two multipole electrode arrangements, each with six electrodes 2 along two virtual lines 4. The electrical interconnection of the electrodes 2 has been omitted for illustrative purposes. In the illustrated case, the virtual lines 4 are oriented parallel to the winding longitudinal axis. However, it is possible to arrange the virtual lines 4 at an angle relative to the winding longitudinal axis 8, for example, at an angle α of up to ± 10°.

In 5 ist eine als Wickelmanschette ausgebildete Tragstruktur 3 mit einer multipoligen Elektrodenanordnungen dargestellt, bei der die virtuelle Linie 4, längs der eine Vielzahl von Elektroden 2 angeordnet ist, die Mantelinnenfläche der Wickelmanschette helikal umläuft.In 5 a support structure 3 designed as a winding sleeve with a multi-pole electrode arrangement is shown, in which the virtual line 4, along which a plurality of electrodes 2 are arranged, helically encircles the inner surface of the winding sleeve.

In 6 ist eine als Wickelmanschette ausgebildete Tragstruktur 3 mit einer multipoligen Elektrodenanordnungen dargestellt, bei der die virtuelle Linie 4, längs der eine Vielzahl von Elektroden 2 angeordnet ist, wellenförmig ausgebildet ist. Im dargestellten Fall ist die der wellenförmigen virtuellen Linie 4 zuordenbaren Wellenbasislinie 9 parallel zur Wickellängsachse 8 orientiert. Selbstverständlich kann die Wellenbasislinie 8 auch geneigt zur Wickellängsachse angeordnet sein.In 6 , a support structure 3 designed as a winding sleeve with a multipole electrode arrangement is shown, in which the virtual line 4, along which a plurality of electrodes 2 are arranged, is wave-shaped. In the illustrated case, the wave base line 9 associated with the wave-shaped virtual line 4 is oriented parallel to the winding longitudinal axis 8. Of course, the wave base line 8 can also be arranged at an angle to the winding longitudinal axis.

In 7 ist eine als Stab ausgebildete Tragstruktur 3 mit einer multipoligen Elektrodenanordnungen mit jeweils sechs Elektroden 2 längs einer virtuellen Linien 4 dargestellt. Auf die elektrische Verschaltung der Elektroden 2 ist aus Darstellungsgründen verzichtet. Die virtuelle Linien 4 entspricht im dargestellten Fall der Stablängsachse 11. Die seriell längs der virtuellen Linie 4 angeordneten Elektroden sind als Ringelektroden ausgebildet.In 7 A support structure 3 designed as a rod is shown with a multipole electrode arrangement, each with six electrodes 2 along a virtual line 4. The electrical interconnection of the electrodes 2 has been omitted for illustrative purposes. In the illustrated case, the virtual line 4 corresponds to the longitudinal axis 11 of the rod. The electrodes arranged serially along the virtual line 4 are designed as ring electrodes.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Nervenfaserbündelnerve fiber bundles
22: Elektrodeelectrode
33: Tragstruktursupporting structure
44: virtuelle Linievirtual line
55: HF-StromgeneratorRF current generator
66: gemeinsames Verbindungskabelcommon connection cable
77: gemeinsames Verbindungskabelcommon connection cable
88: Wickellängsachsewinding longitudinal axis
99: WellenbasislinieWave baseline
1010: Stabrod
1111: StablängsachseRod longitudinal axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 3 204 105 B1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

High frequency electrostimulation of excitable cells", (doi:10.1016/S0022-5193(86)80234-X [0003]
K. L. Kilgore, N. Bhadra, “Nerve conduction block utilizing high-frequency alternating current,” Medical and Biological Engineering and Computing volume 42, pages 394-406 (2004 [0004]
Ackermann et al., Effect of Bipolar Cuff Electrode Design on Block Thresholds in High-Frequency Electrical Neural Conduction Block, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering (Volume: 17, Issue: 5, October 2009 [0005]
Aristovich, et al., Model-based geometrical optimization and in vivo validation of a spatially selective multielectrode cuff array for vagus nerve neuromodulation, J Neurosci Methods, 2021 Mar 15 [0005]

Claims

Medical implantable arrangement for the application of electrical signals along an intracorporeal vessel or a nerve fiber bundle (1), characterized in that on a support structure (3) along at least one virtual line (4) in serial spatial sequence at least 2 n, with n ≥ 2 electrodes (2) are arranged, which are connected by wire to a current generator (5), that the current generator (5) applies high-frequency stimulation signals to the 2 n electrodes (2) simultaneously in such a way that a first group of n of the electrodes (2) can each be applied with equally polarized, high-frequency stimulation signals and a second group of n of the electrodes (2) can be applied with high-frequency stimulation signals polarized opposite to the first group, and that the electrodes (2) of the first and second groups are each arranged in alternating sequence along the virtual line.

Medical implantable device according to Claim 1 , characterized in that the electrodes (2) of the first group are electrically connected to one another and connected to the current generator (5) via a connecting line (6), and in that the electrodes (2) of the second group are electrically connected to one another and connected to the current generator (5) via a connecting line (7).

Medical implantable device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the current generator (5) is capable of generating high-frequency current wave pulses and is designed in the form of an extracorporeal current generator or an implantable pulse generator, IPG for short.

Medical implantable device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the support structure (3) is a wound cuff for attachment around a strand-shaped vessel or the nerve fiber bundle (1), in which the 2·n electrodes (2) are arranged on a cuff surface oriented towards the vessel or the nerve fiber bundle (1).

Medical implantable device according to Claim 4 , characterized in that the wound cuff, in the implanted state, assumes a straight hollow cylindrical shape with an inner surface contacting the cord-like vessel or the nerve fiber bundle (1), and in that the at least one virtual line along which the at least 2 n electrodes are arranged in serial spatial sequence has one of the following shapes and arrangements: - straight and parallel to a winding longitudinal axis (8) assignable to the wound cuff, - straight and inclined to a winding longitudinal axis (8) assignable to the wound cuff, - undulating with a wave base line (9) oriented parallel to a winding longitudinal axis (8) assignable to the wound cuff, - undulating with a wave base line (9) oriented inclined to a winding longitudinal axis (8) assignable to the wound cuff.

Medical implantable device according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the electrodes have a mutual distance d along the virtual line, with 10 µm ≤ d ≤ 2000 µm.

Medical implantable device according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the electrodes are each uniform and of the same dimension.

Medical implantable device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the support structure (3) is rod-shaped and the 2·n electrodes are arranged along the rod shape (10).

Medical implantable device according to Claim 8 , characterized in that the 2·n electrodes (2) are designed and arranged in a ring shape radially enclosing the rod shape (10).