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Angaben zum Forschungsprojekt

Funktionelle Organrehabilitation durch Elektronik; Entwicklung neuer Verfahren zur Behandlung von querschnittgelähmten Patienten - Neurobiologische Grundlagen, autoadaptive Neurostimulation, minimalinvasive Implantationstechniken

Eine Querschnittlähmung des Rückenmarks führt bei den betroffenen Patienten zu einer Störung aller Funktionen unterhalb der Schädigungsebene. Davon betroffen sind, neben der verlorengegangenen Willkürmotorik der Extremitäten, die Funktionen der Harnblase, des Enddarms und des Geschlechtstrakts. Unkalkulierbar, nicht mehr zu kontrollierender Urinverlust durch eine teilweise oder vollständige Blasenlähmung, ebenso wie Stuhlentleerungsstörungen sind meist die Folge. Neben der akuten Problematik mit Eintreten des Traumas, bergen die durch den Funktionsausfall bedingten neurologischen Probleme eine Reihe von Risiken in sich, die zu sekundären, vielfach irreversiblen Schäden des Harntraktes führen.

Durch die verlorengegangene zentrale Steuerung entstehen pathologische Drucksteigerungen in der Blase, die zu anatomischen und funktionellen Störungen des Harntraktes bis hin zur Zerstörung der Harnblase und bis zum Nierenversagen führen können. Die häufig wiederkehrenden Entzündungen der Harnwege sind ein Zeichen für die gestörte Speicherfunktion der Harnblase. Darüberhinaus können unkoordinierte Harnblasenplastiken vegetative Falschreflexe auslösen, die zu Blutungskrisen bis zum Schlaganfall führen können. Diese neurologischen Probleme beeinflussen nicht nur das soziale Leben des Betroffenen in kaum gekanntem Umfang, sondern bestimmen in erheblichem Ausmaß Lebensqualität und Gesundheit.

In der Bundesrepublik Deutschland erleiden jährlich über 1000 Patienten einen traumatischen Querschnitt, von denen 80% die zuvor genannten neurologischen Probleme entwickeln. Ein großer Teil der Arbeiten in Rehabilitationszentren ist diesem Problem gewidmet. Therapeutisch bleiben aufgrund der eingeschränkten medikamentösen Behandlungsmöglichkeiten meist nur unterstützende, mechanische Hilfsmittel oder aufwendige operative Eingriffe, denen die Harnblase teilweise oder gänzlich zum Opfer fällt.

Ein völlig entgegengesetzter, organerhaltender Therapieansatz ist durch den Eingriff in die Steuerungssysteme möglich. Zu diesem Zweck müssen die zur Harnblase ziehenden Nervenfasern durch ein implantierbares elektronische Nervenreizgerät aktiviert und deaktiviert werden, was durch ein vom Patienten zu bedienendes externes Steuergerät kontrolliert wird. Dieser sog. Blasenstimulator muß allerdings in seiner Gesamtheit eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, um das Ziel der Wiederherstellung der Speicher- und Entleerungsfunktion der Harnblase zu ermöglichen. Diesem Problemkreis ist das vorliegende Forschungsvorhaben gewidmet.
Zur Rehabilitation der Speicherfunktion der Harnblase müssen die Nervensignale für das Auslösen der Spastik erkannt und blockiert werden. Zur Blasenentleerung muß der Stimulator eine spezielle, auf den Patienten abgestimmte Signalform abgeben, die die Blase optimal entleert, den Harnröhrenverschlussmuskel allerdings daran hindert den Entleerungsvorgang zu beeinflussen. Durch die Entwicklung eines komplexen Signalanalysesystems zur Funktionszustandserkennung einzelner glattmuskulärer Organe (Harnblase) soll an den weiteren Einbau einer Mikroprozessorsteuerung in das Stimulationsgerät gedacht werden, die durch Auswertung charakteristischer Signale den Grad der Blasenfüllung dem Patienten mitteilen und ihm so die Möglichkeit der optimalen Stimulation des Organs geben sowie ihn vor einer schädlichen Blasenüberdehnung warnen kann. Schließlich soll die Elektronik so ausgerichtet sein, daß Signalform und -stärke selbstregulierend sich dem jeweiligen Blasenfüllungszustand angleichen können (autoadaptiver Nervenstimulator).

Durch weitere Miniaturisierung der Stimulatoreinheit und Entwicklung von Elektroden mit Mikrostruktur soll die Implantation unter neuroendoskopischer Kontrolle erfolgen. Der Einsatz der Lasertechnologie erlaubt die gezielte Durchtrennung der Nervenfasern, die zu unerwünschten Begleitreaktionen während des Stimulationsvorganges führen. Untersucht werden soll auch, inwieweit durch eine Nerventransplantation in die Blasenmuskulatur bzw. den Kontinenzapparat und deren spätere Elektrostimulation die Steuerung der Blasenentleerung respektive Harnkontinenz nach infrasakraler Schädigung möglich ist.
Neben einer Reihe elektrotechnischer und signalanalytischer Fragestellungen zur Durchsetzung zuvor genannter Entwicklungsziele, sind eine Reihe neurobiologischer und neurochemischer Grundlagenforschungen erforderlich, sowohl die Reflexblase nach Querschnittrauma betreffend, als auch die Veränderungen unter chronischer Stimulation.

Nicht nur spinalgeschädigte Patienten können von einem solchen interaktiven Nervenstimulator profitieren. In ersten experimentellen und später klinischen Untersuchungen sollen die Möglichkeiten, Vorteile und Risiken der zwerchfellstimulierten Atmung bei beatmeten Patienten mit Schädel-Hirn-Trauma untersucht werden.

Zur Lösung dieser Aufgaben sowie Erarbeitung weitergehender Anwendungsmöglichkeiten interaktiver Stimulationssysteme zur Rehabilitation unterschiedlicher, gestörter oder verloren gegangener Organfunktionen bei querschnittgelähmten Patienten, wurde der Forschungsverbund 'Funktionelle Organrehabilitation durch Elektronik' gegründet. Das beabsichtigte Forschungsvorhaben dient der Etablierung eines Forschungsschwerpunktes im Bereich Neurotraumatologie/Neuralprothetik, der sich mit dem Einsatz interaktiver, mikroprozessorgesteuerter Systeme zur Organsteuerung bei neurogen geschädigten Patienten beschäftigt. Ziel ist durch innovative biotechnologische Entwicklungen die diagnostischen Methoden zu verbessern, nicht zuletzt um Sekundärschäden bei diesem Patientengut abzuwenden, und neue therapeutische Ansätze zu finden.

Teilvorhaben 1:
Prof. Dr. K.-P. Jünemann, Urologische Klinik, Fakultät f. Klinische Medizin Mannheim der Universität Heidelberg
'Entwicklung eines autoadaptiven Neurostimulationssystems zur Blasensteuerung: Elektrophysiologische Optimierung, Implantatentwicklung und klinische Erprobung. Weiterentwicklung des Elektromyogramms der Harnblase als Diagnostikum für Blasenfunktionsstörungen, elektromyographische Grundlagen und klinische Erprobung'.

Teilvorhaben 2:
Dr. V. Grünewald, Urologische Klinik der MHH
'Selektive Induktion von synerger Miktion, Erektion und Defäkation sowie Deafferentation mittels elektrischer Stimulation bzw. Blockade von Nervenfasern der sakralen Spinalnerven. Objektivierung histomorphologischer und funktioneller Auswirkungen chronischer Neurostimulation auf die Harnblasenmuskulatur.'

Teilvorhaben 3:
Prof. Dr. S. Mense, Institut für Anatomie und Zellbiologie III der Medizinischen Fakultät der Universität Heidelberg
'Die Neurobiologie der Reflexblase nach einem Rückenmarktrauma: Neuroanatomische und neurophysiologische Untersuchungen der Veränderungen im Rückenmark und in der Harnblase als Grundlage therapeutischer Stimulationsverfahren.'

Teilvorhaben 4:
Prof. Dipl.-Ing. A. Zwick, Institut für Analog- und Hybridtechnik der Fachhochschule für Technik Mannheim
'Entwicklung einer intraoperativen Testeinheit, Weiterentwicklung und Realisierung des Blasenstimulators, Kryothermode; Ultraschall-Volumetrie, Bioelektrisches Meß- und Analysesystem.'

Teilvorhaben 5:
Dr. J. Boschert, Neurochirurgische Klinik, Fakultät für Klinische Medizin Mannheim der Universität Heidelberg
'Klinischer Übergang/Erprobung eines implantierbaren, programmierbaren Neurostimulators. Erster operativer Einsatz der Sphinkterblocktechnik mittels Kryothermode.'



Beginn:

01.04.1995


Abschluss:

30.06.2001


Art:

Gefördertes Projekt / Verbundprojekt


Kostenträger:


Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. - DLR Projektträger des BMBF



Weitere Informationen


Abstract

Functional organ rehabilitation by electronics; development of new procedures for the treatment of paraplegic patients - neurobiological basics, autoadaptive neurostimulation, minimal invasive implantation techniques

In the affected patient paraplegia leads to a disturbance of all functions below the level of the lesion. As well as the lost voluntary movements of the extremeties, the function of the bladder, the terminal bowel and the sex organs are affected. Unpredictable no longer controllable loss of urine through a partial or complete bladder paralysis, as well as problems with passing stools are usually the results. As well as the acute problems with onset of trauma, the neurological problems due to loss of function harbour a series of risks which lead to secondary multiple irreversible damages of the urinary tract. Pathological pressure increases in the bladder due to the loss of central control which can lead to anatomical and functional disturbances of the urinary tract including destruction of the urinary bladder and eventually renal failure. The frequently recurring infections of the urinary tract are a sign of the disturbed storage function of the urinary bladder. In addition to this the uncoordinated cystoplasty can trigger vegetative false reflexes which can lead to hypertensive crises even strokes. These neurological problems not only influence the social life of those affected to an unexpectedly high extent, but also to a large extent determine quality of life and health.
In Germany over 1000 patients suffer a traumatic paraplegia per year; of these 80% develop the above mentioned neurological problems. A large part of the work in rehabilitation centres is dedicated to this area. Because of the limited possibilities of drug treatment, treatment mainly consists of only supportive, mechanical aids or large-scale operative invasive procedures where the bladder is partly or completely sacrificed.
A completely opposite, organ saving treatment procedure is possible with the invasion into the controlling system. For this purpose the nerve fibres leading to the bladder must be activated and deactivated by an implanted electronic nerve stimulation device which is controlled by an external control mechanism activated by the patient. This so-called bladder stimulator must certainly comprise a row of characteristics in order to enable the restoration of the storage and emptying function of the bladder. This research project is dedicated to this problem.
The nerve signals for triggering spasticity must be recognised and blocked for the rehabilitation of the storage function of the bladder. For emptying the bladder the stimulator must produce a signal form specific for the patient which optimally empties the bladder and especially prevents the urethral closure muscles from influencing the emptying of the bladder. The development of a complex signal analysis system for the recognition of the functional condition of individual smooth muscle organs (bladder) should enable the further incorporation of a microprocessor control system into the stimulation device which by evaluating characteristic signals informs the patient about the degree of filling of the bladder and can give the possibility of optimal stimulation of the organ as well as warning about harmful overstretching of the bladder. Finally the electronics should be so designed that the form and strength of the signal can be self-regulated to match each condition of bladder filling (autoadaptive nerve
stimulator).
By further miniaturisation of the stimulation unit and the development of electrodes with a microstructure, the implantation should follow under neuroendoscopic control. The introduction of laser technology allows the targeted lesioning of nerve fibres which lead to unwanted accompanying reactions during the stimulation procedure. It should also be investigated to what extent the controlling of bladder emptying with respect to urethral continence after infrasacral damage is possible by a nerve transplantation into the bladder musculature, or the device for continence and their later electrostimulation.
As well as a list of electronic and signal processing problems about the carrying out of the previously mentioned aims, much basic neurobiological and neurochemical research is needed concerning the reflex bladder after paraplegic trauma as well as the changes of chronic stimulation.
Not only patients with spinal damage can profit from this type of interactive nerve stimulator. First in experimental and later in clinical investigations, the possibilities, advantages and risks of diaphragm stimulated breathing in intubated patients with head injuries will be investigated.
The research group 'Functional organ rehabilitation by electronics' was founded for solving this task as well as developing further application possibilities for interactive stimulation systems for the rehabilitation of different disturbed or lost organ functions in paraplegic patients. The planned research aims serve to establish a research emphasis in the area of neuro-
traumatology/neural prosthetics which is concerned with the use of interactive, microprocessor controlled systems for controlling organs in neurologically damaged patients. The aim is to improve diagnostic methods by innovative biotechnological developments, not least in order to prevent the secondary damage in this group of patients and to find new therapeutic approaches.


Referenznummer:

R/FO1751


Informationsstand: 10.01.2020