Volume 49, Issue 4

The use of electrical stimulation to cure diseases is known for more than 2000 years. In ancient times, the Romans used electrical fish to alleviate pain caused by gout and rheumatism. Up to date, it was a long way to come to a scientific understanding of the bioelectrical phenomena in the body, the physiological mechanisms behind our senses and movements and the pathophysiological alterations after lesions of the spinal cord or hearing and vision loss. However, it is still a challenge to transfer this still incomplete knowledge into technical aids to restore lost sensory or motor functions, at least to a certain extent.

Neural prostheses partially restore body functions by technical nerve excitation after trauma or neurological diseases. External devices and implants have been developed since the early 1960s for many applications. Several systems have reached nowadays clinical practice: Cochlea implants help the deaf to hear, micturition is induced by bladder stimulators in paralyzed persons and deep brain stimulation helps patients with Parkinson's disease to participate in daily life again. So far, clinical neural prostheses are fabricated with means of precision mechanics. Since microsystem technology opens the opportunity to design and develop complex systems with a high number of electrodes to interface with the nervous systems, the opportunity for selective stimulation and complex implant scenarios seems to be feasible in the near future. The potentials and limitations with regard to biomedical microdevices are introduced and discussed in this paper. Target specifications are derived from existing implants and are discussed on selected applications that has been investigated in experimental research: a micromachined implant to interface a nerve stump with a sieve electrode, cuff electrodes with integrated electronics, and an epiretinal vision prosthesis.   Neuroprothesen können Funktionen des Körpers nach traumatischer Verletzung oder neurologischer Erkrankung teilweise durch technische Nervenerregung wiederherstellen. Seit den frühen sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden externe Hilfsmittel und Implantate für viele Anwendungen entwickelt. Einige Systeme sind im heutigen klinischen Alltag angekommen: Cochlea Implantate helfen Ertaubten zu hören, Querschnittgelähmte benutzen Blasenstimulatoren zur Miktion, und Tiefenhirnstimulation erlaubt Patienten mit Morbus Parkinson wieder am täglichen Leben teilzunehmen. Bislang sind die Neuroprothesen im klinischen Einsatz feinwerktechnisch hergestellt. Seit die Mikrosystemtechnik die Möglichkeit eröffnet, komplexe Systeme mit einer groβen Anzahl von Elektroden als Schnittstelle zum Nervensystem zu entwerfen und herzustellen, scheint die Umsetzung von selektiver Stimulation und komplexen Szenarien für Implantate in nahe Zukunft gerückt zu sein. In diesem Artikel sollen Chancen und Grenzen biomedizinischer Mikrosysteme gezeigt werden. Gewünschte Spezifikationen werden von vorhandenen Anwendungen abgeleitet und an ausgewählten Beispielen aus der experimentellen Forschung diskutiert: ein Mikroimplantat in Siebform als Schnittstelle zu einem Nervenstumpf, Manschettenelektroden mit integrierter Elektronik und eine epiretinale Sehprothese.

Due to shortcomings of conventional hearing aid technology, such as unsatisfactory sound quality due to limited frequency range and undesired distortion, occlusion of the outer ear canal, and acoustic feedback with high amplification, but also psychological aspects of stigmatization, a significant of patients in need of hearing aids are actually not wearing them. Active hearing implants can be distinguished in: (1) impedance transformation implants (ITI), (2) cochlear amplifier implants (CAI), (3) cochlear implants (CI), and (4) brain stem implants (BSI). Whereas ITI are designed for patients with middle ear hearing loss, CAI are intended to restore hearing in patients with inner ear hearing loss. Advantages of CAI may be: (1) improved sound fidelity, (2) no occlusion of the outer ear canal, (3) no feedback, and (4) invisibility. However, not all features are true for every device. CI replace inner ear function in deaf or almost deaf patients. This article gives an overview on the range of active hearing implants to restore hearing and out lines the future use of computer and robot aided surgery.   Aufgrund gewisser Unzulänglichkeiten konventioneller Hörgerätetechnologie, beispielsweise einer nicht zufriedenstellenden Klangqualität bei begrenztem Frequenzspektrum und unerwünschter Verzerrung, Okklusion des äuβeren Gehörgangs und akustischer Rückkopplung bei höherer Verstärkung, aber auch psychologischer Aspekte der Stigmatisierung, kommt es dazu, daβ ein signifikanter Anteil der Patienten, die eigentlich mit einem Hörgerät versorgt werden müβten, dieses tatsächlich nicht tragen. Aktive Hörimplantate können unterteilt werden in: (1) Impedanztransformationsimplantate (ITI), (2) Kochlea verstärkerimplantate (cochlear amplifier implants, CAI), (3) Kochleaimplantate (cochlear implant, CI) sowie (4) Hirnstammimplantate (brain stem implants, BSI). Vorteile der CAI können sein: (1) verbesserte Klangtreue, (2) keine Okklusion des äuβeren Gehörgangs, (3) keine akustische Rückkopplung und (4) „Unsichtbarkeit“. Allerdings treffen nicht alle Merkmale für jedes Gerät zu. CI ersetzen die Innenohrfunktion bei tauben oder annähernd tauben Patienten. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Bandbreite der zur Verfügung stehenden aktiven Hörimplantate und umreiβt die Möglichkeiten der Computer- und Roboter-assistierten Chirurgie.

The auditory brainstem implant (ABI) does provide auditory sensations, recognition of environmental sounds and aid in spoken communication in about 300 patients worldwide. It is no more an investigative device but widely accepted for the treatment of patients who have lost hearing due to bilateral tumors of the hearing nerve who transmits the acoustic information from the cochlea to the brain. Most of the implanted patients are completely deaf when the implant is switched off. In contrast to cochlear implants, only few of the implanted patients achieve open-set speech recognition without the help of visual cues. On average, the ABI improves communicative functions like speech recognition at about 30% when compared to lip-reading only. The task for the next years is to improve the outcome of ABI further by developing new less invasive operative approaches as well as new hardware and software for the ABI device.   Das auditorische Hirnstammimplantat (auditory brainstem implant. ABI) liefert Höreindrücke, ermöglicht die Erkennung von Umgebungsgeräuschen und hilft bei der gesprochenen Kommunikation seit 1979 über 300 Patienten weltweit. Das Implantat wird eingesetzt bei Patienten, die ihr Gehör aufgrund beidseitiger Tumoren des Hörnervs verloren haben. Die meisten der implantierten Patienten sind vollständig taub, wenn das Implantat ausgeschaltet ist. Im Gegensatz zu Cochleaimplantaten können nur wenige ABI-Patienten ohne visuelle Unterstützung (wie Lippenlesen) Sprache im offenen Gespräch verstehen. Im Durchschnitt verbessert das ABI das Verständnis von Worten um etwa 30% gegenüber reinem Lippenlesen. Allgemeines Ziel der ABI-Forschung ist die Verbesserung des freien Sprachverständnisses durch Optimierung der ABI-Hard- und Software (Spracherkennungsalgorithmen), sowie die Evaluation neuer Zielstrukturen und Zugangswege (z.B. stereotaktische Elektrodenimplantation).

Since 25 years electrical stimulation has become an established and widely acknowledged therapy option. Today, FES is widely employed, e. g. for cardiostimulation, diaphragm stimulation, kinetotherapy, for treatment of tremor in Parkinson patients, and finally for bladder stimulation in patients with bladder voiding dysfunctions. Brindley was the first researcher who succeeded in stimulating the spinal nerves via implanted electrodes in an animal model. In the years 1978/79 Brindley implanted five paraplegic patients with socalled sacral anterior root stimulators; all of them were able to void under stimulation. This method of sacral anterior root stimulation (SARS) proved an alternative to frequent one-way catheterisation for patients with severe voiding dysfunctions, without achieving complete continence, however. The following study is to provide an overview over the latest insights in the context of implanting sacral anterior root stimulators; it discusses the preconditions required for such interventions and presents criteria to decide in which cases there is a contraindication for sacral deafferentation of the posterior roots. Moreover, it contrasts advantages and disadvantages of the intradural and extradural implantation methods and presents the currently available long-term follow-up results with SDAF and SARS for treatment of bladder voiding dysfunctions.   Seit ca. 25 Jahren ist die elektrische Stimulation eine etablierte und anerkannte Therapieform. FES wird heute hauptsächlich auf den Gebieten der Kardiostimulation, der Zwerchfellstimulation, bei der Bewegungstherapie, zur Behandlung des Tremors bei Parkinsonpatienten und schlieβlich zur Blasenstimulation bei Patienten mit Blasenfunktionsstörungen eingesetzt. Brindley war es erstmals 1971 im Tierversuch gelungen, die zur Blase führenden Spinalnerven über implantierte Elektroden zu stimulieren. In den Jahren 1978/79 implantierte Brindley bei fünf querschnittgelähmten Patienten sog. sakrale Vorderwurzelstimulatoren; alle konnten unter Stimulation ihre Blase entleeren. Mit dieser Methode der sakralen Vorderwurzelstimulation (sacral anterior root stimulation: SARS) hatte die Arbeitsgruppe um Brindley Patienten mit schweren Blasenentleerungsstörungen eine Alternative zum Katheterismus eröffnet, allerdings ohne eine vollständige Kontinenz zu erzielen. Die folgende Arbeit gibt einen Überblick über die neuesten Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Implantation von sakralen Vorderwurzelstimulatoren; sie diskutiert die Vorbedingungen für einen solchen Eingriff, stellt Kriterien vor, die über die gleichzeitige Durchführung der Hinterwurzeldeafferentation entscheiden, und stellt die Vor- und Nachteile der intraduralen und der extraduralen Implantationsmethode gegenüber. Ferner vermittelt sie einen Überblick über die derzeitig vorliegenden Langzeitergebnisse mit SDAF und SARS zur Behandlung von Blasenentleerungsstörungen.

Within the last couple of years, partial restoration of lost motor functions in a larger number of spinal cord injured patients has become possible by the introduction of neuroprostheses into the clinical environment. The Freehand system in particular is the first implantable neuroprosthesis from which a certain group of tetraplegic patients with stable shoulder function, but missing or weak grasp and hold function of the hand do benefit. The system is based on the combination of electrical stimulation and operative tendon transfers and thus represents a multicomponent concept for long term restoration of the grasp function. The crucial prerequisites for successful use of an implantable neuroprosthesis are the right indication, careful preoperative muscle stimulation, differentiated planning of the surgery and functional training adopted to the individual residual functions. After successful completion of an extensive rehabilitation program, patients are able to use the system for activities of daily living without the need for special additional aids, which enhances their quality of life and independency. In order to extend the group of potential users of neuroprostheses in the future, new technological developments will have to take into account that nowadays the majority of spinal cord injured patients suffer from an incomplete lesion of the spinal cord. For these particular patients who still possess residual functions, modular, „naturally“ controllable systems for supporting these functions are needed rather than complex systems to substitute them.   In den letzten Jahren ist durch die Einführung von Neuroprothesen im klinischen Umfeld eine – wenn auch eingeschränkte – Wiederherstellung von verlorengegangenen Bewegungsfunktionen bei einer gröβeren Zahl von querschnittgelähmten Patienten möglich geworden. Speziell mit dem Freehand-System steht mittlerweile eine implantierbare Neuroprothese zur Verfügung, von der eine bestimmte Gruppe von Tetraplegikern mit erhaltener Schulterfunktion, aber fehlender oder zu schwacher Greif- und Haltefunktion der Hand profitieren können. Die Kombination aus Elektrostimulationssystem und operativem Transfer von Sehnen bildet ein Gesamtkonzept, das eine alltagstaugliche Wiederherstellung der Greiffunktion in der Langzeitanwendung erlaubt. Die entscheidenden Voraussetzungen für den erfolgreichen Gebrauch einer implantierbaren Neuroprothese sind die richtige Indikationsstellung, eine sorgfältige präoperative Muskelstimulation, eine differenzierte Operationsplanung und ein an die individuellen Restfunktionen des Patienten angepaβtes Funktionstraining. Nach Abschluβ eines aufwendigen Rehabilitationsprogramms sind die Patienten in der Lage, Alltagstätigkeiten ohne spezielle Hilfsmittel auszuführen, was einen wesentlichen Gewinn an Lebensqualität und Unabhängigkeit darstellt. Um den Kreis der zukünftigen Nutzer von Neuroprothesen erweitern zu können, muβ bei Neuentwicklungen die Tatsache beachtet werden, daβ heutzutage die Mehrheit der Querschnittgelähmten eine inkomplette Verletzung des Rückenmarks erleidet. Für diese Patienten mit erhaltenen Restfunktionen werden keine aufwendigen Systeme zum Funktionsersatz, sondern modulare, „natürlich“ steuerbare Unterstützungssysteme benötigt.

Currently, no treatment is available for degenerative diseases of retinal photoreceptors. The patients are faced with a high risk of blindness. Biological approaches failed to prove efficacy. A new concept for the treatment of disorders like retinitis pigmentosa is electrical stimulation at various levels of the visual system. Therefore, devices were fabricated with stimulating electrodes contacting retinal or central neurons to elicit biological activity in these cells. It became possible to fabricate even complex devices with an external power supply encapsulated within biocompatible materials. Animal experiments showed that with implanted prototypes cortical activation could be achieved and first experiments in blind human subject also suggest that vision can be restored, however at present in a very low range of simply identifying spots of light. Further developments and also the continuation of animal experiments are necessary before the clinical application will become a standard procedure.   Für bestimmte Degenerationen der lichtempfindlichen Photorezeptoren in der Netzhaut gibt es keine Behandlungsmöglichkeit. Die betroffenen Patienten haben ein hohes Erblindungsrisiko. Biologische Ansätze zu einer Therapie sind bisher gescheitert. Eine neue Therapiemöglichkeit besteht in der elektrischen Stimulation verschiedener Ebenen des visuellen Systems. Hierzu werden Implantate gefertigt, deren Reiz elektroden an retinalen oder kortikalen Nervenzellen biologische Aktivität auslösen sollen. Fortschritte in der Fertigung solcher Implantate erlauben heute den Aufbau komplexer Systeme mit externer Stromversorgung in biokompatiblen Hüllstrukturen. Tierversuche haben gezeigt, daβ diese Prototypsysteme in der Lage sind, Aktivierungen im visuellen Kortex auszulösen, und erste Implantationen bei Menschen bestätigen, daβ bereits jetzt ein allerdings noch sehr begrenztes Sehvermögen in Form umschriebener Lichtfleckwahrnehmungen erreicht werden kann. Weitere Entwicklungen und tierexperimentelle Erprobungen sind erforderlich, bevor diese Ansätze in eine breite klinische Anwendung gehen können.

8th Vienna International Workshop on Functional Electrical Stimulation. Vienna, September 10–13, 2004. The triennial “Vienna International Workshop on Functional Electrical Stimulation” provides a platform for researchers to present and discuss their recent work whilst visitors can expect a representative and actual overview of the state of FES.