專利名稱：組織刺激方法和設備的制作方法
組織刺激方法和設備本發(fā)明涉及神經(jīng)刺激療法，并且尤其涉及深度腦刺激。其還應用于 對肌肉和其他組織的電刺激。治療神經(jīng)性疾病和其他障礙(disorder )的傳統(tǒng)技術已經(jīng)包括了使 用藥物和切除手術(即，得病的腦部/神經(jīng)組織的手術去除)。然而不 幸的是，這些治療有各種缺點。例如，藥物療法可產(chǎn)生顯著的副作用， 并且不是所有的病人都對治療有反應(例如，大約百分之三十(30%)的 癲癇癥病人具有抗藥性)。切除手術可能帶來相對高的風險。此外， 切除手術是不可逆的，并且不是所有的病人都符合條件。神經(jīng)性障礙的一種替代治療是神經(jīng)刺激療法，其中使用外部或植入 裝置來將電或磁刺激施加到神經(jīng)組織上。神經(jīng)刺激可用于治療多種不 同的疾病，包括帕金森氏癥、癲癇癥、慢性疼痛、抑郁癥、阿爾茨海 默氏癥、強迫癥、甚至肥胖癥。當藥物療法無效和/或手術不可能時， 神經(jīng)刺激療法也可成為最后采取的治療方法。例如，研究者已經(jīng)估計 到所有癲癇癥病人中至少百分之十五(15W僅僅能夠通過神經(jīng)刺激來 得到幫助。然而，為實現(xiàn)醫(yī)療目的，必須在組織中的適當目標位置處給予刺激。 在對組織的電刺激的情況下，經(jīng)常將具有電極的引導體(lead)放置到 目標附近。通過經(jīng)電極(多個)給予電流，在體內(nèi)產(chǎn)生電場。在實際 系統(tǒng)中，這已經(jīng)通過將引導體小心地定位到目標附近來實現(xiàn)。在更復 雜的系統(tǒng)中，已經(jīng)使用了場操縱(steering)來調整電場的位置。更具 體地，通過位于刺激目標附近的多個電極來施加電流?？赏ㄟ^調整電 流平衡來操縱所得到的電場。參見授予Gijsbers等人的美國專利第 5， 843， 148號,y^/g力Weso/wf/< /7 5ra//7 i7/邁w/af/'o/z a/ ^ y^ef力od ^ye;授予Barreras等人的美國專利第5， 895， 416號，a;^予Hrdlicka等人的美國專利第6， 038， 480號，Z/>//^ 7Y^"eJ"2Ve57^s;King的美國專利公開第2004/0186544A1號，Wec"/ca/77s^we 5Y/yzw/a〃o/ ^7/7ara"s a/7</#e^od; Heruth的美國專利公開 第2005/0070982號，尸2'e/d57e""/ei7e"r/ca/ 57/肌/a〃oz 戶a薪e， 5y"e邁'a/ d船(l .ca/ // coi7 ( ra 〃/7g 7力e 5^邁e; Love 11等人的 57/z7w/"/o/2 C尸"《3//(5/ 6Wre/zf //7ye"/o/ 尸or ^fe /// a 「/"'o/7Proceedings of the 2nd International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering, Arlington, Virginia, March 16 —19， 2005，第458-461頁。但是，仍然有改善的空間。例如，期望在定位引導體和調整刺激電 場時提供更多的靈活度。本發(fā)明的各個方面針對這些問題以及其他問題。根據(jù)一個方面， 一種組織刺激設備包括具有縱長軸的刺激引導體和 多個由該引導體承載并以二維陣列圍繞縱長軸布置的電極。該引導體 能在基本平行于縱長軸的方向上插入要刺激的組織中。能在至少三個 維度上操縱由電極生成的刺激場。根據(jù)另一方面， 一種組織刺激方法包括以下步驟在感興趣的組織 中插入刺激引導體；激勵第一刺激電極以便生成刺激電場；以及改變 施加到至少第一和第二屏蔽電極的電刺激以便在三個空間維度中改變 刺激電場的分布。引導體包括圍繞縱長軸按角度布置的多個電極。根據(jù)另 一方面， 一種組織刺激設備包括具有縱長軸的刺激引導體。 該引導體包括基本旋轉對稱的外橫截面。該引導體還包括多個刺激電 極，這些刺激電極由該引導體承載并以二維緊密陣列而圍繞縱長軸布 置。他方面本發(fā)明可采取各種部件和部件組合、各種步驟和步驟組合的形式。 附圖僅僅用于說明優(yōu)選實施例的目的，而不應被理解為限制本發(fā)明。 圖l描繪了刺激設備。 圖2描繪了刺激引導體的一部分。， 圖3描繪了由刺激設備生成的場分布。 圖4A和4B描繪了電刺激方案。圖5A和5B描繪了時變電刺激方案。 圖6A、 6B和6C描繪了時變電刺激方案。 圖7A、 7B和7C描繪了時變電刺激方案。 圖8A和8B描繪了時變電刺激方案。閎OA "frr QR厶力U21旦/太AA;恭；m閎H岳茲A;iGI閱圖IO是描繪刺激引導體的構造的橫截面視圖。 圖ll描繪了刺激方法。參考

圖1，可植入式組織刺激引導體102包括遠側端104、縱長軸 106、近側端108以及主體110。如圖1所示，主體110具有大體圓柱 狀的外形。為有助于引導體102關于其縱向軸或z軸106的定位，至少一部分 的引導體102攜帶(一個或多個)基準標記122，其用來標識引導體 102的旋轉定向。如圖1所示，主體110的近側部分包括平板、溝槽、 突起、標記或其他非旋轉對稱的標識符，其有助于對引導體102的旋 轉定向的纟見覺或觸覺標識。引導體102的遠側端104被植入到感興趣的組織或目標區(qū)域111 的內(nèi)部或者附近，例如，腦部、脊柱或肌肉組織中。引導體102還帶 有在主體110的遠側部分周圍布置的電極112的陣列。電極112可包 括刺激電極、信號檢測電極、兩用電極或它們的期望組合。另外參考圖2，電極112以二維(2D)緊密陣列布置，其具有多個在 角度上間隔開的列113和在縱向方向上間隔開的行115。相鄰列113在 z方向上的偏移量是電極112縱向陣列間隔的一半。類似地，相鄰行 115在角度上的偏移量是電極112角度陣列間隔的一半?？蓞⒄請A柱坐標系統(tǒng)來表述每個電極112的角度位置，該圓柱坐標 系統(tǒng)包括相對于縱向軸106的縱向位置Z、角度位置0和徑向位置R。 這樣，應注意電極112和基準標記122 (多個)具有已知的角度關系。 在圓柱引導體的示例情況中，電極112具有共同的徑向位置R。如所述，電極112具有大體六邊形的形狀，并因此呈現(xiàn)出關于它們 各自形心117的六重(fold)對稱。如下面將更詳細描述的那樣，可才艮 據(jù)各種電刺激方案來驅動電極112，以便按時間且以三個空間維度來提 供對刺激電場118的受控操縱。7通過近側端108而在引導體102和外部環(huán)境之間提供電和機械連 接。刺激信號生成器106向電極112供應電能，以便在目標區(qū)域111 中生成期望的刺激電場118。信號檢測器120包括必要的放大、信號調 節(jié)和用于從電極112接收信號的其他功能。在一個實現(xiàn)方式中，用于 產(chǎn)生刺激和/或感測信號的電路中的一些或全部被集成到引導體102 中。在另一實現(xiàn)方式中，電路包含在信號生成器116和/或信號檢測器 120中，或者在中間位置。在這方面，應該注意到，相對更接近電極 112地定位放大和其他信號調節(jié)電路趨于減少電噪聲的影響。可選的信號復用器114復用在電極112、刺激信號生成器116和/ 或信號檢測器120之間的電信號。信號復用器114和其他期望的信號 調節(jié)、控制器等電路可由引導體102所攜帶、在外部安裝到引導體102 附近、或接近刺激信號生成器116或檢測器120來安裝。圖3是示出在引導體102具有多個行的情況下所生成的刺激電場 302的刺激結果，其中所述行包含沿著圓周均勻隔開的十二 ( 12)個電 極112 (即，電極之間具有三十度(30。)的中心到中心角度)。后面的 行沿著圓周偏移十五度(15。)，產(chǎn)生圍繞引導體102的六邊形圖案 (pattern)。中心電極112c用于進行陰極刺激，而六(6)個周圍電極 112a用于迸行1/6陰極幅值的陽極刺激(因而陰極和陽極幅值的總和 等于0)。由此，陰極電極112c可被認為是刺激電極，而陽極電極112A被認 為是屏蔽電極。更具體地，由陽極電極112A生成的場用于將陰極電極 112c生成的刺激場限制到比不這樣的情況下的刺激場更小的區(qū)域。盡管圖3描繪了在方位角平面中的場分布302，但本領域技術人員 將意識到刺激場也在z方向上延伸?？赏ㄟ^改變施加到各個電極112上的相對電刺激來改變刺激場的 空間分布。例如，可改變施加到陽極電極112A上的相對電刺激，以提 供其他更低階的對稱或非對稱場分布302。從引導體102的觀點來看， 改變相對電刺激會在角度和縱向兩個方向上改變場分布。改變施加到 各個電極112上的電刺激的量值同樣改變了在徑向維度上的分布。因 此，電極112的場成形性質可用于提供三個空間維度上的、對刺激電 場118的受控操縱。在圖4A中示意性地示出了涉及多個陰極或刺激電極112c的雙極性電刺激方案的例子。如所示，陰極電極112c與陽極或屏蔽電極112a迸 行協(xié)作以生成基本任意形狀的刺激電場402。在圖4B中示意性地示出了涉及多個陰極或刺激電極112c的單極性 電刺激方案的例子。如所示，陰極電極112c生成呈現(xiàn)出圍繞引導體的 縱向軸106的旋轉對稱性的刺激電場404。還可使用各種單極性或雙極性時變電刺激方案來提供在時間維度 上的場操縱。圖5描繪了時變電刺激方案的第一例子，其中圖5A描繪了在時刻 t。施加到各個電極112的電刺激，而圖5B描繪了在時刻L施加到各個 電極的電刺激。如將理解的那樣，可以按期望重復電刺激序列，以使 得刺激電場相對于探針縱向軸106在第一和第二位置之間交替。還能 容易地設計出可生成旋轉激勵場的電極方案和時間步驟的組合。要注 意到的是，在所示例子中，電極112N中的某些基本未被激勵，由此基 本不刺激或屏蔽所施加的刺激場。還注意，刺激模式呈現(xiàn)出旋轉對稱 性。在圖6中示出了時變電刺激方案的另一例子，其中圖6A示出了時 刻t。處施加的電刺激，圖6B示出了時刻t處施加的電刺激，圖6C示 出了時刻"處施加的電刺激等。注意，所得到的刺激場同樣呈現(xiàn)出旋 轉對稱性。在圖7中示出了另一時變雙極性電刺激方案，其中圖7A示出了時 刻t。處施加的電刺激，圖7B示出了時刻t,處施加的電刺激，圖7C示 出了時刻t2處施加的電刺激。注意，刺激電場呈現(xiàn)出旋轉和縱向不對 稱性。圖8A和8B中分別示出了在時刻t。和L處的另一時變雙極性電刺 激方案。注意，所得的刺激電場呈現(xiàn)出旋轉而不是縱向對稱性。也可 重復該序列，以便在其他縱向位置處提供刺激場。前文僅僅是可能的靜態(tài)和時變電刺激方案以及所得刺激場的一些 例子，并且可使用其他雙極性和/或單極性電刺激方案來生成基本任意 的空間和/或時間范圍(extent)的刺、激電場。在這方面，應注意，還可 通過改變施加到一個或多個陰極112c或陽極112A電極的量級和/或相 關電刺激來生成時變刺激場。在圖3中，例如，可改變施加到一個或 多個陽極電極112A中的電刺激，以使得刺激場包括圍繞陰極電極112c9的形心117旋轉的凸起或突起。作為另一例子，可改變電刺激的量級，
以便作為時間的函數(shù)來改變刺激場的空間范圍。當然，可以按協(xié)作或
另外的期望方式來一起改變絕對和相對電刺激這兩者。
作為再一例子，可以相對高的速率來施加時變電刺激，以便調制刺 -銀樣A裙閎乂田，v卜；jf A;山Diil力l田払免由.切 119西 .荖臺&企柳M擊，l
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激場。例如，這通過時變激勵模式在被激勵組織上的時間平均效果來 實現(xiàn)。這樣的調制技術的特殊優(yōu)勢是可提供相對更高的空間分辨率。
從另一角度來看，可利用相對簡化的引導體102來獲得期望的空間分 辨率。
注意，盡管已經(jīng)在陰極刺激的語境中描述了各個電極112的極性， 但可通過逆轉所施加的電刺激的極性來獲得等效而極性相反的場分布。
可預期到其他的引導體102和電極112配置。例如，主體110可采 取各種非圓形橫截面，其具有或不具有旋轉對稱性。電極112還可采 取圓形、方形、不規(guī)則的或其他非六邊形形狀。在一個實施方式中， 電極112呈現(xiàn)出圍繞它們各自形心117的n重對稱性，其中n是大于 或等于三(3)的整數(shù)。電極112陣列的各行115和各列113不需要偏 移。電極113還可按不規(guī)則陣列排列，例如，其中，電極112中的一 (1 )個或多個具有不同的形狀、尺寸或間距。作為再一例子，可重復 多個電極112的一個或多個配置。
在圖9A和9B中示出了具有非圓形橫截面的引導體102的例子。如 所示，主體110采取大體星形或十字形外橫截面。同樣如所示，電極 112具有圓形形狀；陣列的行和列不偏移。
基準標記122也可采取各種形式。例如，引導體的遠側部分104 也可呈現(xiàn)出旋轉非對稱性。因為遠側部分104 —般被插入到病人的組 織111中，由此在使用期間可能看不到，所以優(yōu)選地，基準標記(多 個)122被配置為能在期望的一個或者多個成像形式中看到，這些成像 形式如x射線、計算機斷層照相術、磁共振或核成像。因此，遠側部 分104可包括一個或多個平板、溝槽、無材料區(qū)域等。引導體102也 可包括一個或者多個這樣的區(qū)域，所述區(qū)域包含在期望的成像形式中 具有相對更強(或更弱)對比度的材料。
基準標記(多個)122還可用于便于引導體在立體定向頭架或其他外部支撐裝置中的定位。根據(jù)這樣的布置，引導體102的近側部分108 包括嚙合外部支撐裝置上的相應結構的縫、溝槽、扁溝等。為提供定 位靈活性，引導體102和支撐裝置之一或兩者可被配置為允許用戶根 據(jù)期望來選擇性地調整引導體102的位置?？商鎿Q機械定位方法的是， 還可使用各種感測方法來提供基準標記，如光學、磁學、電學、化學 等。
圖IO描繪了提供電極112和電路的改進集成的示例引導體構造。 用鉑、鉑/銥、鉑黑或其他已知的生物兼容材料制成的電極112由柔性 電路襯底1002承載。用聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚酯或其他合適的材料 制成的襯底還承載提供到電極112的必要電連接的電路線(trace)。
當引導體102包含信號調節(jié)、復用、控制或其他集成電子裝置時， 還可提供柔性單片電路1003。在授予Fock等人的發(fā)明名稱為尸/en'We // ^r"ed 6V徹"的美國專利第6， 762， 510 B2號(該
專利全文通過引用明確合并于此)中更完整地討論了這樣的電路的細 節(jié)。通過垂直互聯(lián)1004和/或線路聯(lián)結1006，提供各個層之間的相互 連接。還可在單一襯底上組合電極112和電路1003。
這樣的配置的一個特別優(yōu)點是其機械靈活性，其允許部件遵循曲 面。還注意，也可使用(例如，通過垂直互聯(lián)和/或線路聯(lián)結)適當?shù)?電連接到襯底1002的傳統(tǒng)硬芯片來實現(xiàn)電子裝置。這樣的配置特別適 合于以下情形芯片小到足夠允許襯底1002形成具有期望的半徑或其 他曲率的引導體。
現(xiàn)在將參照圖ll描述設備的操作。
在步驟1102處，將引導體102插入目標組織中。為利用引導體102 的三維空間場操縱能力的全部優(yōu)點，有利的是，將引導體102置于組 織中，以使得要刺激的組織至少圍繞引導體的縱向部分?？墒褂糜|覺、 視覺或其他可識別的基準標記122 (如果有的話)作為旋轉定位輔助。 還可通過使用立體定向框架或其他定位裝置(引導體鎖定在其上或者 將引導體固定在適當?shù)奈恢?來輔助定位。
在步驟1104,可選地檢驗或記錄(register)引導體102的定位。 當引導體102包含在成像形式下可見的基準標記(多個)122時，可使 用適當?shù)某上駲z查來檢驗定位。還可通過激勵一個或多個電極112并 使用諸如功能磁共振成像(fMRI)或正電子放射斷層照相術(PET)之類的功能成像形式來觀察響應，來檢驗位置。當引導體102包含一個或 多個專用或復用的感測電極時，可使用電極感測到的生物信號來理解 或者檢驗引導體102的位置。如將理解的，確定引導體102的縱向和 旋轉位置，這固定了每個電極112相對于病人解剖結構的絕對位置。 可使用該信息來選擇最優(yōu)的刺激模式。
在步驟1106，施加期望的電刺激以便生成期望的刺激場。如上所 注意到的，刺激可以是基本靜態(tài)的或隨時間變化的；也可施加時變電 刺激。
在步驟1108，當引導體102包含一個或多個專用或復用的感測電 極時，也可檢測和/或監(jiān)視生物信號。
在步驟1110,根據(jù)需要重復定位1104、刺激1106和檢測1108步 驟中的一個或多個。注意，可按期望的順序執(zhí)行各個步驟；也可同時 執(zhí)行幾個或全部。
已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。在閱讀和理解前述詳細描述之 后，他人可進行修改和替換。意圖將本發(fā)明構造為包括所有這樣的修 改和替換，只要這些修改和替換落入所附權利要求或其等價物的范圍 內(nèi)的話。
1權利要求
1.一種組織刺激設備，包括刺激引導體(102)，具有縱向軸(106)，其中所述引導體能在基本平行于所述縱向軸的方向上插入要刺激的組織(111)中；多個電極(112)，由所述引導體承載，并以二維陣列圍繞所述縱向軸布置，其中能在至少三個維度上操縱由電極生成的刺激場。
2. 如權利要求l所述的設備，其中刺激場能在時間維度上進行操縱。
3. 如權利要求l所述的設備，其中所述電極呈現(xiàn)出n重對稱性， n是大于或等于3的整數(shù)，并且所述二維陣列包括緊密陣列。
4. 如權利要求3所述的設備，其中n是大于或等于6的整數(shù)。
5. 如權利要求l所述的設備，其中所述二維陣列包括規(guī)則陣列。
6. 如權利要求1所述的設備，其中所述二維陣列包括不規(guī)則陣列。
7. 如權利要求l所述的設備，包括由所述引導體承載的基準標記 (122)，其中所述基準標記標識所述引導體的旋轉定向。
8. 如權利要求7所述的設備，其中當所述引導體被植入所述組織 中時，在對所處理的對象的內(nèi)部的診斷成像檢查中，所述基準標記是 可見的。
9. 如權利要求7所述的設備，其中所述基準標記包括適合于嚙合 立體定向頭架的旋轉非對稱部分。
10. 如權利要求l所述的設備，包括用于根據(jù)空間和時間變化電刺 激方案來電刺激所述電極的部件(114， 116)。
11. 如權利要求IO所述的設備，其中所述刺激方案是縱向非對稱的。
12. 如權利要求1所述的設備，包括用于根據(jù)單極性和雙極性電 刺激模式來選擇性地激勵所述電極的部件(114， 116)。
13. 如權利要求1所述的設備，包括柔性電路襯底(1002),并且 其中由所述襯底承載電極。
14. 如權利要求1所述的設備，包括柔性單片電路(1003)，其由 所述引導體承載并與電極進行可操作的電通信。
15. 如權利要求1所述的設備，其中所述引導體包括基本圓形的外橫截面，并且所述組織是神經(jīng)組織。
16. 如權利要求1所述的設備，其中所述陣列包括第一和第二縱 向位移的列(113)，所述第一和第二列包括縱向節(jié)距，并且第一和第二 列偏移了小于該節(jié)距的距離。
17. —種組織刺激方法，包括在感興趣的組織中插入剌激引導體(102)，其中所述引導體(102) 包括圍繞縱向軸(106)按角度布置的多個電極(112);將電刺激施加到第一刺激電極(112J以便生成刺激電場(118);改變施加到至少第一和第二屏蔽電極(112A)的電刺激以便改變刺 激電場在三個空間維度中的分布。
18. 如權利要求17所述的方法，其中所述引導體包括六邊形電極。
19. 如權利要求18所述的方法，其中所述引導體包括以緊密二維 陣列布置的多個六邊形電極。
20. 如權利要求17所述的方法，其中所述電極以二維陣列布置， 其包括至少第一和第二相鄰、縱向位移的行(115)，所述第一和第二行 包括角度間距，并且所述第一和第二行角度偏移了該角度陣列間距的 非零分數(shù)。
21. 如權利要求17所述的方法，包括改變施加到第一和第二屏蔽 電極中的至少一個上的電刺激以便改變所述刺激電場的時間分布。
22. 如權利要求17所述的方法，包括改變施加到電極的電刺激以 生成圍繞縱向軸旋轉的刺激電場，其中該刺激電場呈現(xiàn)出旋轉對稱性。
23. 如權利要求17所述的方法，其中所述引導體承載標識所述引 導體的旋轉定向的基準標記(122)，并且其中該方法包括使用醫(yī)學成像 掃描儀來確定所述基準標記的位置。
24. 如權利要求17所述的方法，所述引導體的近側部分承載提供 所述引導體的旋轉定向的觸覺和視覺指示中的至少一個的基準標記， 并且中該方法包括使用所述基準標記來相對于組織定位所述引導體。
25. 如權利要求17所述的方法，包括使用電極來感測生物信號。
26. 如權利要求17所述的方法，其中所述組織是腦組織。
27. 如權利要求17所述的方法，其中該方法包括確定所述引導體 相對于所述感興趣的組織的旋轉定向，并使用所確定的定向來選擇所 述第一刺激電極。
28. —種組織刺激設備，包括刺激引導體(102)，具有縱向軸(106)，其中所述引導體包括基本旋轉對稱的外橫截面，多個刺激電極(112)，由所述引導體承載，并以二維緊密陣列圍繞 所述縱向軸來布置。
29. 如權利要求28所述的設備，其中所述電極的形狀是六邊形。
30. 如權利要求28所述的設備，包括基準標記部件，用于指示所述引導體的旋轉定向。
31. 如權利要求28所述的設備，包括用于確定電極相對于感興趣 的組織的位置、并基于所確定的位置而將電刺激選擇性地施加到所述 電極的部件。
全文摘要
一種刺激設備包括刺激引導體(102)、復用器(114)、刺激信號生成器(116)和信號檢測器(120)。刺激引導體(102)包括多個刺激電極(112)，這些刺激電極以圍繞引導體主體(110)的遠側部分的陣列來布置。電極(112)的布置有助于以三維對刺激電場(118)的受控操縱。還可提供四維場操縱。
文檔編號A61N1/05GK101516439SQ200780035680
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權日2006年9月26日
發(fā)明者E·坎塔托爾, H·C·F·馬滕斯, M·M·J·德克雷 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司