组织刺激方法和设备.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200780035680.9

申请日:

2007.09.21

公开号:

CN101516439A

公开日:

2009.08.26

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||专利申请权的转移IPC(主分类):A61N 1/05变更事项:申请人变更前权利人:皇家飞利浦电子股份有限公司变更后权利人:沙皮恩斯脑部刺激控制有限公司变更事项:地址变更前权利人:荷兰艾恩德霍芬变更后权利人:荷兰艾恩德霍芬登记生效日:20120129|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

A61N1/05

主分类号:

A61N1/05

申请人:

皇家飞利浦电子股份有限公司

发明人:

H·C·F·马滕斯; M·M·J·德克雷; E·坎塔托尔

地址:

荷兰艾恩德霍芬

优先权:

2006.9.26 US 60/826,918

专利代理机构:

中国专利代理(香港)有限公司

代理人:

谢建云;刘 红

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内容摘要

一种刺激设备包括刺激引导体(102)、复用器(114)、刺激信号生成器(116)和信号检测器(120)。刺激引导体(102)包括多个刺激电极(112),这些刺激电极以围绕引导体主体(110)的远侧部分的阵列来布置。电极(112)的布置有助于以三维对刺激电场(118)的受控操纵。还可提供四维场操纵。

权利要求书

1.  一种组织刺激设备,包括:
刺激引导体(102),具有纵向轴(106),其中所述引导体能在基本平行于所述纵向轴的方向上插入要刺激的组织(111)中;
多个电极(112),由所述引导体承载,并以二维阵列围绕所述纵向轴布置,其中能在至少三个维度上操纵由电极生成的刺激场。

2.
  如权利要求1所述的设备,其中刺激场能在时间维度上进行操纵。

3.
  如权利要求1所述的设备,其中所述电极呈现出n重对称性,n是大于或等于3的整数,并且所述二维阵列包括紧密阵列。

4.
  如权利要求3所述的设备,其中n是大于或等于6的整数。

5.
  如权利要求1所述的设备,其中所述二维阵列包括规则阵列。

6.
  如权利要求1所述的设备,其中所述二维阵列包括不规则阵列。

7.
  如权利要求1所述的设备,包括由所述引导体承载的基准标记(122),其中所述基准标记标识所述引导体的旋转定向。

8.
  如权利要求7所述的设备,其中当所述引导体被植入所述组织中时,在对所处理的对象的内部的诊断成像检查中,所述基准标记是可见的。

9.
  如权利要求7所述的设备,其中所述基准标记包括适合于啮合立体定向头架的旋转非对称部分。

10.
  如权利要求1所述的设备,包括用于根据空间和时间变化电刺激方案来电刺激所述电极的部件(114,116)。

11.
  如权利要求10所述的设备,其中所述刺激方案是纵向非对称的。

12.
  如权利要求1所述的设备,包括用于根据单极性和双极性电刺激模式来选择性地激励所述电极的部件(114,116)。

13.
  如权利要求1所述的设备,包括柔性电路衬底(1002),并且其中由所述衬底承载电极。

14.
  如权利要求1所述的设备,包括柔性单片电路(1003),其由所述引导体承载并与电极进行可操作的电通信。

15.
  如权利要求1所述的设备,其中所述引导体包括基本圆形的外横截面,并且所述组织是神经组织。

16.
  如权利要求1所述的设备,其中所述阵列包括第一和第二纵向位移的列(113),所述第一和第二列包括纵向节距,并且第一和第二列偏移了小于该节距的距离。

17.
  一种组织刺激方法,包括:
在感兴趣的组织中插入刺激引导体(102),其中所述引导体(102)包括围绕纵向轴(106)按角度布置的多个电极(112);
将电刺激施加到第一刺激电极(112C)以便生成刺激电场(118);
改变施加到至少第一和第二屏蔽电极(112A)的电刺激以便改变刺激电场在三个空间维度中的分布。

18.
  如权利要求17所述的方法,其中所述引导体包括六边形电极。

19.
  如权利要求18所述的方法,其中所述引导体包括以紧密二维阵列布置的多个六边形电极。

20.
  如权利要求17所述的方法,其中所述电极以二维阵列布置,其包括至少第一和第二相邻、纵向位移的行(115),所述第一和第二行包括角度间距,并且所述第一和第二行角度偏移了该角度阵列间距的非零分数。

21.
  如权利要求17所述的方法,包括改变施加到第一和第二屏蔽电极中的至少一个上的电刺激以便改变所述刺激电场的时间分布。

22.
  如权利要求17所述的方法,包括改变施加到电极的电刺激以生成围绕纵向轴旋转的刺激电场,其中该刺激电场呈现出旋转对称性。

23.
  如权利要求17所述的方法,其中所述引导体承载标识所述引导体的旋转定向的基准标记(122),并且其中该方法包括使用医学成像扫描仪来确定所述基准标记的位置。

24.
  如权利要求17所述的方法,所述引导体的近侧部分承载提供所述引导体的旋转定向的触觉和视觉指示中的至少一个的基准标记,并且中该方法包括使用所述基准标记来相对于组织定位所述引导体。

25.
  如权利要求17所述的方法,包括使用电极来感测生物信号。

26.
  如权利要求17所述的方法,其中所述组织是脑组织。

27.
  如权利要求17所述的方法,其中该方法包括确定所述引导体相对于所述感兴趣的组织的旋转定向,并使用所确定的定向来选择所述第一刺激电极。

28.
  一种组织刺激设备,包括:
刺激引导体(102),具有纵向轴(106),其中所述引导体包括基本旋转对称的外横截面,
多个刺激电极(112),由所述引导体承载,并以二维紧密阵列围绕所述纵向轴来布置。

29.
  如权利要求28所述的设备,其中所述电极的形状是六边形。

30.
  如权利要求28所述的设备,包括基准标记部件,用于指示所述引导体的旋转定向。

31.
  如权利要求28所述的设备,包括用于确定电极相对于感兴趣的组织的位置、并基于所确定的位置而将电刺激选择性地施加到所述电极的部件。

说明书

组织刺激方法和设备
本发明涉及神经刺激疗法,并且尤其涉及深度脑刺激。其还应用于对肌肉和其他组织的电刺激。
治疗神经性疾病和其他障碍(disorder)的传统技术已经包括了使用药物和切除手术(即,得病的脑部/神经组织的手术去除)。然而不幸的是,这些治疗有各种缺点。例如,药物疗法可产生显著的副作用,并且不是所有的病人都对治疗有反应(例如,大约百分之三十(30%)的癫痫症病人具有抗药性)。切除手术可能带来相对高的风险。此外,切除手术是不可逆的,并且不是所有的病人都符合条件。
神经性障碍的一种替代治疗是神经刺激疗法,其中使用外部或植入装置来将电或磁刺激施加到神经组织上。神经刺激可用于治疗多种不同的疾病,包括帕金森氏症、癫痫症、慢性疼痛、抑郁症、阿尔茨海默氏症、强迫症、甚至肥胖症。当药物疗法无效和/或手术不可能时,神经刺激疗法也可成为最后采取的治疗方法。例如,研究者已经估计到所有癫痫症病人中至少百分之十五(15%)仅仅能够通过神经刺激来得到帮助。
然而,为实现医疗目的,必须在组织中的适当目标位置处给予刺激。在对组织的电刺激的情况下,经常将具有电极的引导体(lead)放置到目标附近。通过经电极(多个)给予电流,在体内产生电场。在实际系统中,这已经通过将引导体小心地定位到目标附近来实现。在更复杂的系统中,已经使用了场操纵(steering)来调整电场的位置。更具体地,通过位于刺激目标附近的多个电极来施加电流。可通过调整电流平衡来操纵所得到的电场。参见授予Gijsbers等人的美国专利第5,843,148号,High Resolution Brain Stimulation Lead and Methodof Use;授予Barreras等人的美国专利第5,895,416号,Method andApparatus for Controlling and Steering an Electric Field;授予Hrdlicka等人的美国专利第6,038,480号,Living TissueStimulation and Recording Techniques with Local Control ofActive Sites;King的美国专利公开第2004/0186544A1号,ElectricalTissue Stimulation Apparatus and Method;Heruth的美国专利公开第2005/0070982号,Field Steerable Electrical Stimulation Paddle,Lead System,and Medical Device Incorporating The Same;Lovell等人的Simulation of Parallel Current Injection for Use in aVision Prosthesis,Proceedings of the 2ndInternational IEEE EMBSConference on Neural Engineering,Arlington,Virginia,March 16-19,2005,第458-461页。
但是,仍然有改善的空间。例如,期望在定位引导体和调整刺激电场时提供更多的灵活度。
本发明的各个方面针对这些问题以及其他问题。
根据一个方面,一种组织刺激设备包括具有纵长轴的刺激引导体和多个由该引导体承载并以二维阵列围绕纵长轴布置的电极。该引导体能在基本平行于纵长轴的方向上插入要刺激的组织中。能在至少三个维度上操纵由电极生成的刺激场。
根据另一方面,一种组织刺激方法包括以下步骤:在感兴趣的组织中插入刺激引导体;激励第一刺激电极以便生成刺激电场;以及改变施加到至少第一和第二屏蔽电极的电刺激以便在三个空间维度中改变刺激电场的分布。引导体包括围绕纵长轴按角度布置的多个电极。
根据另一方面,一种组织刺激设备包括具有纵长轴的刺激引导体。该引导体包括基本旋转对称的外横截面。该引导体还包括多个刺激电极,这些刺激电极由该引导体承载并以二维紧密阵列而围绕纵长轴布置。
本领域技术人员在阅读和理解以下详细描述时将理解本发明的其他方面。
本发明可采取各种部件和部件组合、各种步骤和步骤组合的形式。附图仅仅用于说明优选实施例的目的,而不应被理解为限制本发明。
图1描绘了刺激设备。
图2描绘了刺激引导体的一部分。
图3描绘了由刺激设备生成的场分布。
图4A和4B描绘了电刺激方案。
图5A和5B描绘了时变电刺激方案。
图6A、6B和6C描绘了时变电刺激方案。
图7A、7B和7C描绘了时变电刺激方案。
图8A和8B描绘了时变电刺激方案。
图9A和9B分别是刺激引导体的透视图和横截面视图。
图10是描绘刺激引导体的构造的横截面视图。
图11描绘了刺激方法。
参考图1,可植入式组织刺激引导体102包括远侧端104、纵长轴106、近侧端108以及主体110。如图1所示,主体110具有大体圆柱状的外形。
为有助于引导体102关于其纵向轴或z轴106的定位,至少一部分的引导体102携带(一个或多个)基准标记122,其用来标识引导体102的旋转定向。如图1所示,主体110的近侧部分包括平板、沟槽、突起、标记或其他非旋转对称的标识符,其有助于对引导体102的旋转定向的视觉或触觉标识。
引导体102的远侧端104被植入到感兴趣的组织或目标区域111的内部或者附近,例如,脑部、脊柱或肌肉组织中。引导体102还带有在主体110的远侧部分周围布置的电极112的阵列。电极112可包括刺激电极、信号检测电极、两用电极或它们的期望组合。
另外参考图2,电极112以二维(2D)紧密阵列布置,其具有多个在角度上间隔开的列113和在纵向方向上间隔开的行115。相邻列113在z方向上的偏移量是电极112纵向阵列间隔的一半。类似地,相邻行115在角度上的偏移量是电极112角度阵列间隔的一半。
可参照圆柱坐标系统来表述每个电极112的角度位置,该圆柱坐标系统包括相对于纵向轴106的纵向位置Z、角度位置θ和径向位置R。这样,应注意电极112和基准标记122(多个)具有已知的角度关系。在圆柱引导体的示例情况中,电极112具有共同的径向位置R。
如所述,电极112具有大体六边形的形状,并因此呈现出关于它们各自形心117的六重(fold)对称。如下面将更详细描述的那样,可根据各种电刺激方案来驱动电极112,以便按时间且以三个空间维度来提供对刺激电场118的受控操纵。
通过近侧端108而在引导体102和外部环境之间提供电和机械连接。刺激信号生成器106向电极112供应电能,以便在目标区域111中生成期望的刺激电场118。信号检测器120包括必要的放大、信号调节和用于从电极112接收信号的其他功能。在一个实现方式中,用于产生刺激和/或感测信号的电路中的一些或全部被集成到引导体102中。在另一实现方式中,电路包含在信号生成器116和/或信号检测器120中,或者在中间位置。在这方面,应该注意到,相对更接近电极112地定位放大和其他信号调节电路趋于减少电噪声的影响。
可选的信号复用器114复用在电极112、刺激信号生成器116和/或信号检测器120之间的电信号。信号复用器114和其他期望的信号调节、控制器等电路可由引导体102所携带、在外部安装到引导体102附近、或接近刺激信号生成器116或检测器120来安装。
图3是示出在引导体102具有多个行的情况下所生成的刺激电场302的刺激结果,其中所述行包含沿着圆周均匀隔开的十二(12)个电极112(即,电极之间具有三十度(30°)的中心到中心角度)。后面的行沿着圆周偏移十五度(15°),产生围绕引导体102的六边形图案(pattern)。中心电极112C用于进行阴极刺激,而六(6)个周围电极112A用于进行1/6阴极幅值的阳极刺激(因而阴极和阳极幅值的总和等于0)。
由此,阴极电极112C可被认为是刺激电极,而阳极电极112A被认为是屏蔽电极。更具体地,由阳极电极112A生成的场用于将阴极电极112C生成的刺激场限制到比不这样的情况下的刺激场更小的区域。
尽管图3描绘了在方位角平面中的场分布302,但本领域技术人员将意识到刺激场也在z方向上延伸。
可通过改变施加到各个电极112上的相对电刺激来改变刺激场的空间分布。例如,可改变施加到阳极电极112A上的相对电刺激,以提供其他更低阶的对称或非对称场分布302。从引导体102的观点来看,改变相对电刺激会在角度和纵向两个方向上改变场分布。改变施加到各个电极112上的电刺激的量值同样改变了在径向维度上的分布。因此,电极112的场成形性质可用于提供三个空间维度上的、对刺激电场118的受控操纵。
在图4A中示意性地示出了涉及多个阴极或刺激电极112C的双极性电刺激方案的例子。如所示,阴极电极112C与阳极或屏蔽电极112A进行协作以生成基本任意形状的刺激电场402。
在图4B中示意性地示出了涉及多个阴极或刺激电极112C的单极性电刺激方案的例子。如所示,阴极电极112C生成呈现出围绕引导体的纵向轴106的旋转对称性的刺激电场404。
还可使用各种单极性或双极性时变电刺激方案来提供在时间维度上的场操纵。
图5描绘了时变电刺激方案的第一例子,其中图5A描绘了在时刻t0施加到各个电极112的电刺激,而图5B描绘了在时刻t1施加到各个电极的电刺激。如将理解的那样,可以按期望重复电刺激序列,以使得刺激电场相对于探针纵向轴106在第一和第二位置之间交替。还能容易地设计出可生成旋转激励场的电极方案和时间步骤的组合。要注意到的是,在所示例子中,电极112N中的某些基本未被激励,由此基本不刺激或屏蔽所施加的刺激场。还注意,刺激模式呈现出旋转对称性。
在图6中示出了时变电刺激方案的另一例子,其中图6A示出了时刻t0处施加的电刺激,图6B示出了时刻t1处施加的电刺激,图6C示出了时刻t2处施加的电刺激等。注意,所得到的刺激场同样呈现出旋转对称性。
在图7中示出了另一时变双极性电刺激方案,其中图7A示出了时刻t0处施加的电刺激,图7B示出了时刻t1处施加的电刺激,图7C示出了时刻t2处施加的电刺激。注意,刺激电场呈现出旋转和纵向不对称性。
图8A和8B中分别示出了在时刻t0和t1处的另一时变双极性电刺激方案。注意,所得的刺激电场呈现出旋转而不是纵向对称性。也可重复该序列,以便在其他纵向位置处提供刺激场。
前文仅仅是可能的静态和时变电刺激方案以及所得刺激场的一些例子,并且可使用其他双极性和/或单极性电刺激方案来生成基本任意的空间和/或时间范围(extent)的刺激电场。在这方面,应注意,还可通过改变施加到一个或多个阴极112C或阳极112A电极的量级和/或相关电刺激来生成时变刺激场。在图3中,例如,可改变施加到一个或多个阳极电极112A中的电刺激,以使得刺激场包括围绕阴极电极112C的形心117旋转的凸起或突起。作为另一例子,可改变电刺激的量级,以便作为时间的函数来改变刺激场的空间范围。当然,可以按协作或另外的期望方式来一起改变绝对和相对电刺激这两者。
作为再一例子,可以相对高的速率来施加时变电刺激,以便调制刺激场的范围,并因此近似出否则利用给定电极112配置不能实现的刺激场。例如,这通过时变激励模式在被激励组织上的时间平均效果来实现。这样的调制技术的特殊优势是可提供相对更高的空间分辨率。从另一角度来看,可利用相对简化的引导体102来获得期望的空间分辨率。
注意,尽管已经在阴极刺激的语境中描述了各个电极112的极性,但可通过逆转所施加的电刺激的极性来获得等效而极性相反的场分布。
可预期到其他的引导体102和电极112配置。例如,主体110可采取各种非圆形横截面,其具有或不具有旋转对称性。电极112还可采取圆形、方形、不规则的或其他非六边形形状。在一个实施方式中,电极112呈现出围绕它们各自形心117的n重对称性,其中n是大于或等于三(3)的整数。电极112阵列的各行115和各列113不需要偏移。电极113还可按不规则阵列排列,例如,其中,电极112中的一(1)个或多个具有不同的形状、尺寸或间距。作为再一例子,可重复多个电极112的一个或多个配置。
在图9A和9B中示出了具有非圆形横截面的引导体102的例子。如所示,主体110采取大体星形或十字形外横截面。同样如所示,电极112具有圆形形状;阵列的行和列不偏移。
基准标记122也可采取各种形式。例如,引导体的远侧部分104也可呈现出旋转非对称性。因为远侧部分104一般被插入到病人的组织111中,由此在使用期间可能看不到,所以优选地,基准标记(多个)122被配置为能在期望的一个或者多个成像形式中看到,这些成像形式如x射线、计算机断层照相术、磁共振或核成像。因此,远侧部分104可包括一个或多个平板、沟槽、无材料区域等。引导体102也可包括一个或者多个这样的区域,所述区域包含在期望的成像形式中具有相对更强(或更弱)对比度的材料。
基准标记(多个)122还可用于便于引导体在立体定向头架或其他外部支撑装置中的定位。根据这样的布置,引导体102的近侧部分108包括啮合外部支撑装置上的相应结构的缝、沟槽、扁沟等。为提供定位灵活性,引导体102和支撑装置之一或两者可被配置为允许用户根据期望来选择性地调整引导体102的位置。可替换机械定位方法的是,还可使用各种感测方法来提供基准标记,如光学、磁学、电学、化学等。
图10描绘了提供电极112和电路的改进集成的示例引导体构造。用铂、铂/铱、铂黑或其他已知的生物兼容材料制成的电极112由柔性电路衬底1002承载。用聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯或其他合适的材料制成的衬底还承载提供到电极112的必要电连接的电路线(trace)。
当引导体102包含信号调节、复用、控制或其他集成电子装置时,还可提供柔性单片电路1003。在授予Fock等人的发明名称为FlexibleIntegrated Monolithic Circuit的美国专利第6,762,510B2号(该专利全文通过引用明确合并于此)中更完整地讨论了这样的电路的细节。通过垂直互联1004和/或线路联结1006,提供各个层之间的相互连接。还可在单一衬底上组合电极112和电路1003。
这样的配置的一个特别优点是其机械灵活性,其允许部件遵循曲面。还注意,也可使用(例如,通过垂直互联和/或线路联结)适当地电连接到衬底1002的传统硬芯片来实现电子装置。这样的配置特别适合于以下情形:芯片小到足够允许衬底1002形成具有期望的半径或其他曲率的引导体。
现在将参照图11描述设备的操作。
在步骤1102处,将引导体102插入目标组织中。为利用引导体102的三维空间场操纵能力的全部优点,有利的是,将引导体102置于组织中,以使得要刺激的组织至少围绕引导体的纵向部分。可使用触觉、视觉或其他可识别的基准标记122(如果有的话)作为旋转定位辅助。还可通过使用立体定向框架或其他定位装置(引导体锁定在其上或者将引导体固定在适当的位置)来辅助定位。
在步骤1104,可选地检验或记录(register)引导体102的定位。当引导体102包含在成像形式下可见的基准标记(多个)122时,可使用适当的成像检查来检验定位。还可通过激励一个或多个电极112并使用诸如功能磁共振成像(fMRI)或正电子放射断层照相术(PET)之类的功能成像形式来观察响应,来检验位置。当引导体102包含一个或多个专用或复用的感测电极时,可使用电极感测到的生物信号来理解或者检验引导体102的位置。如将理解的,确定引导体102的纵向和旋转位置,这固定了每个电极112相对于病人解剖结构的绝对位置。可使用该信息来选择最优的刺激模式。
在步骤1106,施加期望的电刺激以便生成期望的刺激场。如上所注意到的,刺激可以是基本静态的或随时间变化的;也可施加时变电刺激。
在步骤1108,当引导体102包含一个或多个专用或复用的感测电极时,也可检测和/或监视生物信号。
在步骤1110,根据需要重复定位1104、刺激1106和检测1108步骤中的一个或多个。注意,可按期望的顺序执行各个步骤;也可同时执行几个或全部。
已经参照优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细描述之后,他人可进行修改和替换。意图将本发明构造为包括所有这样的修改和替换,只要这些修改和替换落入所附权利要求或其等价物的范围内的话。

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一种刺激设备包括刺激引导体(102)、复用器(114)、刺激信号生成器(116)和信号检测器(120)。刺激引导体(102)包括多个刺激电极(112),这些刺激电极以围绕引导体主体(110)的远侧部分的阵列来布置。电极(112)的布置有助于以三维对刺激电场(118)的受控操纵。还可提供四维场操纵。 。

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