Vorrichtung zur Stimulierung von Arealen des menschlichen Gehirns

In der DE 2056603 Al wird eine Vorrichtung zur Behandlung oder Diagnose von Bereichen des menschlichen Gehirnes vorgeschlagen. Dabei wird der Schädelbereich der zu behandelnden Person durch eine darum angeordnete Teilkugelschale umgeben, an welcher Applikatoren bzw. Sensoren wie Elektroden, Spulen etc. in verstellbarer Lage befestigt sind. Je nachdem, wo diese Geräte befestigt sind, wirken bzw. detektieren sie an bestimmten Arealen des Gehirnes mehr oder weniger. Zwischen der als "Helm" bezeichneten Teilkugelschale und der Kopfhaut liegen 5 bis 20 cm Abstand. Die Vorrichtung ist also sehr groß und im Alltagsleben damit kaum einsetzbar.

Auch entsprechend der EP 0 497 672 Bl wird ein sogenannter Helm verwendet, an welchem Applikatoren zur Beaufschlagung des Schädelbereiches mit elektromagnetischen Wellen angebracht sind. Durch Hochfrequenzwellen soll die Haut positiv beeinflusst werden. Die Vorrichtung ist stationär; der Helm ist ähnlich wie manche Trockenhauben an einer Vorrichtung befestigt mit der er um den Kopf herum ausgerichtet und stabilisiert werden kann, ohne am Kopf anzuliegen.

In der DE 41 39 535 Al werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stimulation mittels vorzugsweise im Kopfbereich an der Haut anliegenden Elektroden beschrieben, die mit einem elektrischen Signal mit variabler Frequenz beaufschlagt sind.

Die EP 0 655 261 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren um Haarausfall zu bekämpfen. Am Schädelbereich ist mittels verzweigter, gurtartiger Halterungen eine in Schlangenlinienform verlaufende, isolierte elektrische Leitung angelegt, welche Stromdurchflossen ist.

In der WO 2007103475 A2 wird ein Helm vorgeschlagen in dessen Polsterung von pulsierendem elektrischem Strom durchflossene Spulen zwecks transkranieller magnetischer Stimulierung eingebaut sind. Ebenso sind in dem Helm Sensoren und Elektroden zwecks EEG- Messung und Messung von ohmschem Widerständen am Kopfbereich eingebaut. Abhängig von Messergebnissen wird die magnetische Stimulierung eingestellt. Dazu ist der Helm über Kabel und erforderlichenfalls Funk mit Energieversorgung und Steuerung verbunden.

In der DE 10 2004 058 722 Al wird ein Sitz vorgeschlagen in dessen Lehne von Strom durchflossene Spulen eingebaut sind, deren Magnetfeld eine auf die den Sitz benützende Person wohltuende

Wirkung habe, beispielsweise auf Langstreckenflügen die Leistungsfähigkeit von Besatzungsmitgliedern steigere. Ergänzend wird vorgeschlagen, den Sitz mit Messvorrichtungen auszustatten um einen Parameter des physiologischen Zustandes der den Sitz benutzenden Person zu messen und die Spulen dementsprechend optimiert anzusteuern.

In der EP 71 342 Bl wird ein textiles, also aus einem Verbund von Fasern gebildetes, eine geschlossene Schleife bildendes Band beschrieben, welches zumindest auf der innen liegenden Mantelfläche als elektrisch leitfähige Kontaktfläche ausgebildet ist. Das Band weist Fasern aus einem elektrisch leitfähigen Material, Fasern aus einem elektrisch isolierenden Material und Fasern aus einem Elastomer auf, welche allesamt so miteinander verwoben bzw. verflochten sind, dass das Band in einem weiten Bereich elastisch dehnbar ist. Das Band kann durch elastische Vorspannung dauerhaft satt an einem Körperteil eines Menschen anliegen, denn es umringt. Das Band ist mit einem elektrisch leitenden Verbindungsdraht ausgestattet, welcher zur Bodenfläche des Raumes reichen soll. Es dient dazu, statische Aufladung des Menschen gegenüber dem Bodenpotential zu verhindern.

Die WO 2005079910 Al zeigt eine aus einem herkömmlichen, elastischen, textilen Material gebildete Bandage welche örtlich mit zueinander beabstandeten, flächigen Anschlusselektroden ausgestattet ist, über welche elektrischer Strom auf die die Bandage tragende Person geleitet werden kann. Die Anschlussdrähte an die E- lektroden sind im textilen Material geführt. Zur Verbesserung des Anpressdrucks einer Elektrode an die Person ist an der der Elektroden gegenüberliegenden Querschnittsflächenseite der Bandage ein Kissen an der Bandage befestigt.

Die US 2006167526 Al beschreibt eine Vorrichtung für medizinische Zwecke. über ein Band, welches mit streifenförmigen Permanentmagneten ausgestattet ist, werden Leitungen zu Elektroden geführt, welche an der Haut eines Menschen anliegen und worüber ein gesundheitsfördernder elektrischer Reiz abgegeben werden soll.

In der WO 2007078889 A2 wird vorgeschlagen eine Rasteranordnung von optisch gepumpten Magnetometern unter anderem zur Messung von Gehirnaktivität zu verwenden.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine auf einer stromdurchflossenen Spule basierende elektromagnetische Vorrichtung zu schaffen, welche zur Stimulierung von Arealen des menschlichen Gehirns mittels magnetischer Signalmuster dient. Bei möglichst hohem Nutzen soll die neu zu schaffende Vorrichtung ge-

genüber bisher dazu vorgeschlagenen Vorrichtungen besser alltäglich verwendbar sein.

Zum Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen die Spule als Teil eines flachen, elastischen Bandes auszubilden, welches nach Art eines Stirnbandes unter elastischer Vorspannung am Kopf eines Menschen angelegt werden kann.

Damit ist die Vorrichtung an einer dafür sehr bedeutenden Körperzone einfach anlegbar und verwendbar. Durch die Flachheit kann über dem Band im Bedarfsfall auch noch ein Helm oder eine andere Kopfbedeckung getragen werden. Indem auch der Leiter der Spule flach ausgebildet ist, kann die magnetische Wirkung in sehr effizienter auf den Menschen übertragen werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Spule nur eine einzige Windung. Es hat sich gezeigt, dass damit bei gleichem Aufwand bessere Wirkungen erzielbar sind, als mittels Spulen, welche eine größere Anzahl von Windungen aufweisen und dementsprechend zum Erzeugen einer vorgegebenen magnetischen Induktion mit einem geringeren Strom durchflössen werden müssen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Vorrichtung in Kombination mit Sensoren und einer Steuerung verwendet, wodurch Parameter des physiologischen Zustandes der behandelten Person erfasst werden und der Stromfluss durch die Spule entsprechend dem Sensorergebnis angepasst wird.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren an dem elastischen Band angeordnet. Damit sind die Sensoren schon an einem solchen Bereich des Körpers angeordnet, an dem die messbaren physiologische Parameter viele für das Stimulationsverfahren wertvolle Informationen beinhalten. Zudem ergibt sich durch die Anordnung der Sensoren an dem elastischen Band eine kompakte und gut handhabbare Bauweise.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind Sensoren als Kontaktelektroden zur Haut der behandelten Person ausgebildet, wobei diese Kontaktelektroden als voneinander isolierte Flächenbereiche an der der behandelten Person zugewandten Seite des e- lastischen Bandes ausgebildet sind.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden als Sensoren optisch gepumpte Magnetometer eingesetzt. Diese sind als kleine leichte Bauteile ausführbar und sie können kleinste Schwankungen eines Magnetfeldes, wie sie beispielsweise durch die Aktivität eines in Nahbereich befindlichen menschlichen Gehirns hervorgeru-

fen werden, detektieren ohne dabei selbst auf das Gehirn zu wirken.

Bevorzugt wird die erfindungsgemäßen Vorrichtung in Fahrzeugen angewendet welche durch die behandelnde Person gesteuert werden. Bevorzugt ist dazu jene Steuerung, welche von Sensoren Messdaten über den physiologischen Zustand der behandelten Person empfängt, in der Lage, nicht nur auf die Spule, sondern auch auf das von der behandelten Person gesteuerte Fahrzeug zu wirken. Damit können Sicherheitsfunktionen verwirklicht werden. Beispielsweise kann durch die Steuerung die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges begrenzt werden, wenn auf Grund des Sensorergebnisses darauf zu schließen ist, dass die behandelte Person übermüdet ist.

Die Erfindung wird an Hand von stilisierenden Skizzen veranschaulicht:

Fig. 1: zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung im überblick.

Fig. 2: zeigt in Schnittansicht ein beispielhaftes Band, welches Teil einer beispielhaften erfindungsgemäße Vorrichtung ist .

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besteht zumindest aus einem, eine geschlossene Schleife bildenden Band 1, welches zumindest eine Spule 2 und eine Isolierung 3 aufweist, sowie einer Steuerelektronik 11, welche die Spule des Bandes über eine Versorgungsleitung 10 mit elektrischem Strom beaufschlagt.

Die wesentlichsten Teile des Bandes 1 sind eine Spule 2 und eine Isolierung 3 dieser Spule.

Für die Auslegung des Bandes ist von grundsätzlicher Bedeutung dass das Band in seiner Längsrichtung in einem weiten Bereich e- lastisch dehnbar ist und dass sowohl die Querschnittsfläche des Bandes 1 als Ganzes, also auch die Querschnittsfläche der Spule 2 breit und flach sind.

Indem das Band in seiner Längsrichtung in einem weiten Bereich elastisch dehnbar ist, kann es wie ein herkömmliches Stirnband einfach um den Kopf herum angelegt werden. Es hält zufolge Reibung in der jeweiligen Position, ohne dass es dazu weiterer Mittel bedarf. Es liegt auf seiner ganzen Länge satt am Kopf an. Wenn an der dem Benutzer zugewandten Seite des Bandes 1 Elektroden 4 zwecks Kontaktierung von Hautflächen des Benutzers ange-

bracht sind, so werden diese Elektroden 4 durch die elastische Wirkung des Bandes gut an die Haut angedrückt.

Bei der Auslegung des Bandes 1 kann man sich bezüglich der Länge und eines guten Kraft-Weg-Verlaufes bei Dehnung an herkömmlichen textilen Stirnbändern orientieren. Beispielsweise kann sich die Länge des Bandes bei einer Zugkraft von 5 N um ca. 20 Prozent gegenüber der Länge in entspanntem Zustand vergrößern.

Indem die Querschnittform des Bandes flach ist, liegt es gut am Kopf an ohne störend aufzutragen und ohne sich zu verdrillen. Indem auch die Querschnittsform der Spule 2 flach ist, kann sich jeder Querschnittsbereich der Spule nahe am Kopf der zu behandelnden Person befinden und die Querschnittsfläche des Leiters der Spule kann dennoch relativ groß sein.

Bei einer sehr gut tauglichen, beispielhaften Dimensionierung betragen die Querschnittsabmessungen des Bandes etwa 8 * 1 mm ² . Die Spule 2 hat dabei nur genau eine einzige, aus Kupfer gebildete Windung, wobei die Leiterquerschnittsfläche 1 bis 1,5 mm ² beträgt und die Breite des Leiterquerschnittes bei knapp unter 8 mm liegt .

Da das Band in seiner Längsrichtung durch geringe Zugkraft (weniger als 10 N) um mindestens etwa 5 % gegenüber seiner Länge in entspanntem Zustand elastisch dehnbar sein muss, muss natürlich auch die Spule 2 durch geringe Kraft elastisch dehnbar sein. Um dies realisieren zu können gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, von denen hier ohne Anspruch auf Vollständigkeit drei Möglichkeiten genannt seien:

Der Leiterquerschnitt der Spule 2 kann durch ein Gewebe aus dünnen, Drähten gebildet sein, wobei die in Bandlängsrichtung verlaufenden Drähte in Schleifen geführt sind.

Der Leiterquerschnitt der Spule 2 kann durch ein dünnes Blechband gebildet sein, welches im Band 1 in einer Wellenlinie oder einer Zickzacklinie verläuft. Dabei liegt die Amplitude der Wellenlinie bzw. Zickzacklinie parallel zur Richtung der kleineren Abmessung der Querschnittsfläche des Bandes. Auf diese Weise ist das Blechband wie ein Faltenbalg dehnbar.

Die Spule 2 kann durch einen Verbund von unterschiedlichen Fäden gebildet sein, wobei eine Fadenart aus einem Elastomer besteht und die zweite Fadenart ein leitfähiger Draht ist und wobei zumindest die zweite Fadenart in Kurven, Wellen oder Schleifen geführt ist.

In dem Fall, dass die Spule 2 aus einer einzigen Windung mit einem Leiter mit "ungeteilter" Querschnittsfläche gebildet ist, kann und muss die Isolierung 3 - wie dargestellt - die Querschnittsfläche der Spule nur 2 von außen umhüllen. Wenn die Querschnittsfläche des Leiters der Spule 2 auf mehreren Einzellitzen eines leitfähigen Materials zusammengesetzt ist, können auch schon die einzelnen Litzen ausreichend gut durch eine Isolierung ummantelt sein, sodass nicht zwangsweise eine gemeinsame umhüllende Isolierung erforderlich ist. Jedenfalls muss auch die Isolierung die notwendige elastische Verformbarkeit aufweisen, damit das Band in seiner Längsrichtung ausreichend elastisch dehnbar ist. Die Isolierung 3 kann dazu beispielsweise durch einen Schlauch aus einem Elastomer oder ein Gewebe aus Fäden eines E- lastomers gebildet sein.

Bei der Stimulierung von Arealen des menschlichen Gehirns handelt es sich um transkranielle Magnetstimulation. Dabei werden Magnetfelder dazu benutzt, Stromflüsse im Gehirn nach bestimmten Mustern, die ähnlich den Gehirnrhythmen sind, hervorzurufen. Die Muster sind aus Signalfrequenzen von 0,5 Hz bis 10 kHz (elektrische Synapsenaktivität) zusammengesetzt. Auf Grund der Querschnittsform des Bandes 1 und der Spule 2 geschieht die Impulsabgabe sehr nahe an der Oberfläche des Kopf der zu behandelnden Person. Dadurch kann schon mit vergleichsweise geringem Energieaufwand ein gutes Ergebnis erzielt werden. Wenn die Spule 2 nur eine einzige Windung aufweist liegen typische Stromstärken mit denen schon sehr gute Ergebnisse erzielt werden, bei 40 bis 250 mA. Durch die Anwendung von nur einer einzigen Windung und die Anwendung eines breiten flachen Leiterquerschnittes, können auf Grund der damit verbundenen niedrigen Leitungsinduktivität rasche Stromänderungen und kurze hohe Stromspitzen deutlich besser realisiert werden, als bei ansonsten vergleichbarer Anwendung von mehreren Windungen und Runddrähten.

Für die genauere Bemessung der Induktionsvorrichtung und ihrer optimalen Ansteuerung hinsichtlich magnetischer Flussdichte, Strom, Frequenz, sowie änderungen dieser Größen, gelten im übrigen die gleichen, den betreffenden Fachleuten bewussten Regeln, wie für stationär angewendete Geräte zur Stimulierung von bestimmten Arealen des menschlichen Gehirns. Deswegen wird hier nicht weiter auf diese Regeln eingegangen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gut dazu verwendet werden, die Konzentrationsfähigkeit der damit behandelten Person zu verbessern. Damit ist die Anwendung der Vorrichtung für solche

Personen besonders wertvoll, welche Tätigkeiten verrichten, bei denen mangelnde Konzentration in hohem Maß gefährliche Situationen bedingen. Typischerweise betrifft das das Steuern von Fahrzeugen über einen längeren Zeitraum oder auch das Arbeiten an gefährlichen Maschinen oder Vorrichtungen wie Sägen, öfen etc. über einen längeren Zeitraum. Wenn bei derartigen Tätigkeiten ein Helm getragen wird kann man ein erfindungsgemäß ausgeführtes Band wie ein Stirnband anlegen und einen herkömmlichen Helm darüber aufzusetzen. Es ist aber auch möglich und durchaus sinnvoll, schon den Helm selbst, welcher im übrigen als mechanischer Schutz gegen Verletzungen in potentiell gefährlichen Situationen getragen wird, mit einem erfindungsgemäßen Band auszustatten. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Band dazu an der Innenmantelfläche des Innengurtes des Helm angebracht, jenes Gurtes also, welcher entlang der sog. Hutlinie um den Kopf der den Helm tragenden Person herum verläuft und zur Größenanpassung verwendet wird. Die zur Ansteuerung der Spule erforderliche Steuerungselektronik 11 kann dann im hinteren Teil des Helmes untergebracht sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vom Helm abnehmbar, sodass sie auch ohne Helm anwendbar ist.

Eine vorteilhafte Stelle für die Anbringung einer Erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch der obere Teil der Lehne oder die Kopfstütze des Fahrersitzes eines Fahrzeuges. Die Steuerelektronik 11 kann in die Lehne oder die Kopfstütze eingebaut sein und beispielsweise über das Boardnetz des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt werden. Es ist aber auch eine davon unabhängige Energieversorgung mittels Batterie bzw. Akku möglich. Das Band 1 kann - sofern es nicht benutzt wird - an der Lehne bzw. der Kopfstütze aufgehängt sein.

Idealerweise wirkt die Steuerungselektronik 11 mit einem oder mehreren Sensoren zusammen, durch welche physiologische Parameter der behandelten Person erfasst werden können. Im einfachsten Anwendungsfall dazu kann die Vorrichtung in Abhängigkeit davon automatisch ein bzw. ausgeschaltet werden, ob sich eine Person an dem betreffenden Gerät befindet oder nicht.

In weiter entwickelten Anwendungsfällen wird nicht nur gemessen, ob sich ein Mensch an der Vorrichtung befindet, sondern auch, wie einzelne Parameter seines Zustandes, beispielsweise seine Gehin- aktivität, gerade beschaffen sind und dementsprechend wird die Stimulierung optimal eingestellt.

Bevorzugt sind dazu Sensoren bzw. Sensorteile schon am Band 1 angeordnet. Gemäß Fig. 2 können dies beispielsweise elektrische Kontaktelektroden 4 sein, über welche der elektrische Widerstand bei Stromfluss über den menschlichen Körper gemessen werden kann. Gemäß Fig. 2 können die Leitungen 5, über welche diese Kontaktelektroden 4 mit der Steuerung zu verbinden sind, im Band 1 mitgeführt werden. Selbstverständlich müssen diese Leitungen damit auch gemäß den weiter oben ausgeführten Regeln in Längsrichtung des Bandes 1 elastisch dehnbar sein.

Damit die Kontaktelektroden 4 gut an der Haut des die Vorrichtung benutzenden Menschen - typischer Weise an der Stirn - anliegen, sind sie in dem dargestellten Beispiel nicht einfach an der Innenmantelfläche der durch das Band 1 gebildeten geschlossenen Schleife angeordnet, sondern davon durch ein zwischen dem Band 1 und der Kontaktelektrode 4 angeordnetes Kissen 6 etwas abgehoben.

Man kann als Sensoren auch die erst in jüngerer Zeit in ausreichender Kleinheit und einfacher Anwendbarkeit erhältlichen optisch gepumpten Magnetometer verwenden. Diese können kleinste Schwankungen eines Magnetfeldes, wie sie beispielsweise durch die Aktivität eines in Nahbereich befindlichen menschlichen Gehirns hervorgerufen werden, detektieren ohne dabei selbst auf das Gehirn zu wirken.

Für die Anwendung empfiehlt es sich, mehrere derartige Messsensoren zu verwenden, wobei ein oder mehrere erste Sensoren nahe am Gehirn eines Menschen, also typischerweise an der Innenseite eines Helms oder an der Vorderseite einer Kopfstütze anzubringen sind und ein oder mehrere weitere Sensoren an der Außenseite des Helms bzw. an der Rückseite der Kopfstütze. Durch datentechnische Auswertung der von beiden Sensoren bzw. Sensorgruppen gemessenen Signale kann man die Größe von Umgebungsmagnetfeldern auf das Messergebnis eines einzelnen Sensors - die durchaus deutlich stärker sein können als die vom Gehirn ausgesandten Magnetfelder - weitgehend erkennen und das Messergebnis davon bereinigen.

Aus den Messergebnissen - sowohl von optisch gepumpten Magnetometer als auch von herkömmlichen Widerstandsmessungen - kann an Hand von medizinischen Erfahrungswerten auf Gehirnaktivitäten und/oder auf andere Körperfunktionen zurückgeschlossen werden und dementsprechend die Spule 2 in optimiert angepasster Weise angesteuert werden.

In einer Weiterentwicklung davon können in Abhängigkeit von den Messergebnissen auch Funktionen anderer Geräte als der Spule 2

beeinflusst werden. Typischer Weise könnte man bei erkennbarer hoher Müdigkeit einer auf dem Fahrersitz eines Autos sitzenden Person eine Inbetriebnahme des Autos verhindern oder in einem weniger schweren Fall zumindest durch Einwirkung auf die Motorsteuerung die erreichbare Höchstgeschwindigkeit beschränken. Ebenso können Arbeitsmaschinen ausgeschaltet werden, oder ein Warnsignal ausgeben werde. Außer Müdigkeit können beispielsweise auch überaktivität des Gehirnes, durch Drogen oder mentale überlastung verursachte Hyperaktivität, altersbedingte mentale Schwankungen erkannt werden.