CN101516436A - 用于脑部监控和调制的引线及方法 - Google Patents

Abstract

用于调制和监控组织的装置、系统和方法包括具有近端和远端的细长构件以及沿该细长构件轴向排列的多个环形刺激电极。刺激电极被设置在远端附近并且适于使电流传递到组织中。至少一个环形刺激电极上具有至少三个独立的刺激点。该装置还包括适于测量局部组织电位的多个记录电极以及与记录电极和刺激电极耦合的多条导线。任选的多触点连接端子可与导线耦合并被放置在细长构件的近端附近。

Description

用于脑部监控和调制的引线及方法

发明背景

1.发明领域。本发明一般涉及医疗装置及方法，尤其涉及用于电学地和/或化学地调制和监控脑组织的引线。

将诸如探针或引线之类的医疗设备植入头盖骨内是用于治疗诸如帕金森病、特发性震颤和张力失常之类的疾病的日益重要的途径。植入可用于治疗一系列失常，诸如抑郁、癫痫症、张力失常、强制性障碍、肥胖症和慢性痛。这些设备中的大多数通过电极施加电流与脑相互作用。另外，通过长期植入的引线向患有阿耳茨海默病和帕金森病等的患者注入药剂已在医学文献中被提议作为电刺激的基本治疗或附属治疗。

当前可植入探针通常被配置为小直径圆柱或管，其在远端附近有若干圆形金属环，以及电学上无源的中心轴向腔。金属环用于提供电刺激，而中心轴向腔可用于在植入过程期间通过导丝或通管丝传递探针。

在大多数治疗方案中，一系列电脉冲被施加到探针上的一个或多个导电环。通常使用导电环的单极或双极刺激。在单极刺激中，用电荷平衡的两相电脉冲刺激单个圆环，其在远地具有电流返回路径，比如电池组或控制模块。在双极刺激中，用相反极性的电荷平衡的两相电脉冲刺激环的组合。对导电环的刺激产生关于探针或多或少对称的作用场，同时因邻近神经或脑组织的电气性质的各向异性而出现一些不对称。

关于探针轴线对称的电场并不总是合乎需要的。例如，当探针未被植入调制目标的中心时或者当脑目标的形状不对称或不规则时。另外，目标区附近经常存在神经元域，而它们不应受到调制。调制非目标区可引起非期望的副作用，包括躯体感觉、不随意运动以及视觉损伤等。

不仅需要调制脑活动，而且需要将其与生理学和病理生理学状态一起监控。监控获得关于刺激部位附近神经元活动的信息，包括场电位和细胞外记录的动作电位。在用于治疗的电刺激的过程中以及在被设计为评估人脑及脑-电极界面的特殊的刺激和响应实验的过程中可在正在进行的基础上观测这些电位。从间隔监控获得的信息可用于由患者在正在进行的、每日的基础上控制和调整治疗，或者用于随后在保健专家处的就诊。由监控获得的信息还可用于通过自动化的控制系统或控制算法以及通过更新控制器的参数来动态调整治疗。

间隔监控可用于跟踪响应于刺激的、因变于刺激量的脑中的变化。临床决定可基于估计参数，比如仅仅产生响应的阈刺激水平以及仅仅使观测到的响应饱和的刺激水平。刺激响应函数的形状，例如它是上凹、下凹还是线性的，还可通知治疗作调整。在刺激部位附近测得的从阈值到饱和的动态范围可与临床效果的动态范围直接对应，或者它可与其相关。在这两种情况下，局部测量的动态范围提供可加速初始拟合并引导正在进行的治疗方案作调整的信息。可通过动态范围的变化跟踪响应于治疗的脑可塑性。

考虑将间隔监控应用于治疗帕金森病。众所周知，在启动刺激方案之后对帕金森患者的电刺激在几分钟或几小时内并不会出现有益效果。如果该方案在睡眠期间中止并在醒来时恢复，则治疗的有益效果可能在多个小时内都不再出现。间隔监控提供跟踪响应于刺激的变化的机会，使得可在一个方案期间施加刺激以便产生有益效果，以及在另一更保守的方案下施加刺激以便仅仅维持有益效果。这种策略能节约电池电源，并且还能减少副作用。

通过不时地监控，调制治疗可依据所观测到的病理学或正常生理学状态与自然脑节律动态地同步，或者由自动控制系统或控制算法控制。

当前执行的大多数过程监控患者运动、行为或在远离电刺激探针部位的部位处的脑活动，并且该信息用于调整脑刺激参数。在短的时间尺度上调整参数以产生期望效果并使副作用最小化，并且在较长的时间尺度上调整参数以考虑脑可塑性。脑可塑性归因于脑对干预的自适应响应，并且众所周知，脑对诸如调制治疗之类的干预的正在进行的响应经常与初始响应有所不同。有用的信息还可通过监控电刺激部位附近的电位来获得，因此在电刺激位置处监控脑活动是合乎需要的。监控允许疾病过程和痊愈过程与针对各种治疗选择的预后一起被评估。

由于这些以及其它原因，提供用于调制和监控诸如脑之类的组织的经改进的探针是合乎需要的。提供用于产生定向电场的有效设计是特别合乎需要的，其中该定向电场可被转向为朝着预定目标和/或离开其它脑区域。提供具有有效数量和大小的电极以及连接器引线的探针也是合乎需要的，其结合了电记录和刺激或调制两种能力，其中来自记录的信息在邻近治疗位置处获得并且可用于限定刺激方案。随后可静态或动态地修改方案，并且随着疾病状态的改变，也可调整疗法。对脑电活动的记录和监控还用于确定何时应用刺激方案，或者是否应将其保留用于其更有效的时候，从而帮助节约电力。

2.背景技术描述。描述脑调制探针及方法的现有专利和专利申请公开包括：美国专利申请公开No.2006/0047325、2006/0004422、2005/0015130、2004/0039434和美国专利No.7,051,419、7,047,082、7,006,872、6,094,598、6,038,480、6,011,996、5,843,148以及5,716,377。

发明概要

本发明一般提供能够调制或刺激组织并且测量和记录作为调制结果的局部组织响应的可植入探针或引线。术语“调制”和“刺激”可互换地使用以指代提供激发或抑制组织中的活动的刺激。术语“探针”和“引线”也可互换使用以指代可用于调制组织和/或测量并记录局部组织响应的任何设备。对组织的调制可包括对组织的电学和/或化学刺激以及对组织活动的抑制。测量和记录组织响应经常需要测量响应于刺激的局部组织电位，但是还可包括测量和记录内源性组织电位以及组织中的化学活性。通常，探针用于脑组织中，通常被植入深部脑结构中或者植入大脑或小脑中。

本发明还提供可在诸如神经结构之类的组织内更有效地且使非期望副作用最小化地引导治疗调制的方法。本发明还包括电学地和/或化学地监控组织活动使得可更改治疗干预以提高其有效性或节约诸如试剂或电荷之类的有限资源的方法。

探针具有用于刺激诸如脑之类的组织和/或用于通过测量局部组织电位来记录组织活动的电极。刺激电极被安排为使得它们可被单独地或组合地激活。或者它们可被同时或顺序协调地激活以便使受刺激的脑组织的体积成形并调节受刺激脑部中活动的量和定时。探针通常具有多个沿探针轴向放置的环形刺激电极。为了最有效地使用探针，每个环形电极上设置有三个独立的刺激部位，但是每个环形区域可使用更多数量的刺激部位。“独立的刺激部位”是指电极可分为通常设置在环形电极的120°的弧度中的三个隔离区域，其中每个区域可从外部或其它能量源独立地激发。

在本发明的第一方面中，用于刺激和监控脑组织的装置包括具有近端和远端的细长构件以及沿细长构件轴向排列的多个环形刺激电极，这些电极被设置在远端附近，但是它们还可被设置在其它轴向位置。细长构件通常在近端附近的各个部分可以是柔性的，而远端附近的各个部分还可以是刚性的。环形刺激电极适于将电流传递到组织中并且至少一个环形刺激电极具有至少三个独立的刺激区域或点。该装置通常但不一定还包括设置为邻近刺激电极的多个测量或记录电极，并且一些记录电极可被安排在环形刺激电极之间且记录电极适于测量局部组织电位。记录电极可关于细长构件周向地设置并且有时具有圆形表面。在装置的尖端处或附近还可存在用于记录和/或刺激的表面。该装置通常将包括与环形刺激电极和环形记录电极中的至少一些相耦合的多条导线，并且任选多触点连接端子可被设置在细长构件的近端附近并与这些导线相耦合。该装置的每一刺激电极可具有一条导线和/或每一记录区域具有一条导线。通常该装置还具有轴向设置在近端和远端之间的空腔并且有时该空腔适于容纳导丝或通丝管。

通常所治疗的组织是脑组织，但是其它组织也可通过本发明的方法和系统进行治疗。另外，该装置通常包括沿着细长构件或在细长构件内轴向设置的空腔。在一些情况下空腔适于容纳导丝或通丝管，该导丝或通丝管从细长构件的远端附近的孔穿过空腔。在其它情况下，与空腔互通的一个或多个孔被设置在细长构件的远端附近并且适于将治疗剂或其它物质输送到组织和/或从组织接收化学物质。在一些情况下，这些孔被设置在环形刺激电极之间，而在其它情况下，至少一个孔被设置在细长构件的远端。在一些实施例中，孔可包括适于允许选择性地启用孔的选通构件。选通构件可以是半渗透膜并且诸如当选通构件是化学活性的水凝胶时可被化学地控制。

在一些实施例中，附加的刺激电极可被设置在空腔中，并且通常该附加电极是线。治疗剂也可通过空腔输送。在其它实施例中，附加刺激电极可被放置在细长构件的远端并且该电极还能够将电流传递到组织。治疗剂还可用于该实施例或本文描述的其它实施例。通常，导线沿着细长构件缠绕成螺旋状。第一组导线可与刺激电极耦合，并且第二组导线可与记录电极耦合。第一组导线可被缠绕成具有第一螺距的螺旋线，并且第二组导线可被缠绕成具有第二螺距的螺旋线。在一些情况下，第一螺距与第二螺距不同。导线通常由不锈钢、MP35N或钨组成，这是因为它们与MRI成像系统的生物适应性和相容性，但是诸如铂铱合金之类的其它材料也是可能的。通常，多个环形刺激电极以及记录电极也可与磁共振成像(MRI)相容。如果物体在存在磁场的情况下没有显著地使图像质量失真、因热量导致组织损伤并且不移动，那么它就与MRI相容。

在本发明的第二方面中，治疗组织的方法包括将探针植入组织。探针可与磁共振成像相容并且通常具有多个环形刺激电极以及多个记录电极。至少一个环形刺激电极上具有至少三个独立的刺激点或区域。随后可用来自环形刺激电极的治疗电流刺激组织，并且通常可响应于记录电极的刺激来测量局部组织电位。还可收集来自组织的化学物质以便提供关于刺激有效性的反馈，并且这可包括控制选通构件以便选择性地开或关设置在探针上的一个或多个孔。这些孔还可适于控制治疗剂向组织的传递和/或从组织接收化学物质。可分析测得的局部组织电位以提供关于刺激有效性的反馈，并且随后可响应于反馈调整刺激。通常所治疗的组织是脑组织，并且该方法还可包括用治疗剂刺激组织。该方法还可包括用锚将探针可释放地耦合到组织。

在本发明的第三方面中，用于治疗组织的系统包括与磁共振成像相容且通常具有适于测量局部组织电位的多个环形刺激电极以及多个记录电极的组织探针。至少一个环形刺激电极上具有至少三个独立的刺激点或区域，并且这些区域适于将电流传递到组织中。该系统还可包括与记录电极和刺激电极耦合的多触点连接器以及适于经由多触点连接器向组织探针提供电刺激的可植入和可控制的脉冲发生器。通常所治疗的组织是脑组织，并且该系统通常可包括锚固设备。锚固设备适于将组织探针可移除地固定到患者的头部。该系统通常还包括适于控制脉冲发生器的患者编程器。

在与附图相关的以下描述中更详细地描述了这些及其它实施例。

附图简述

图1示出组织监控与调制引线的一个实施例。

图2示出组织监控与调制引线的另一实施例。

图3示出组织监控与调制引线的又一实施例。

图4示出组织监控与调制引线的再一实施例。

图5示出组织监控与调制引线的横截面。

图6示出监控与调制引线的替换实施例的横截面。

图7示出监控与调制引线的又一实施例的横截面。

图8示出监控与调制引线的再一实施例的横截面。

图9示出监控与调制引线的另一实施例的另一横截面。

图10示出监控与调制引线的一个实施例的又一横截面。

图11示出监控与调制引线的另一实施例的再一横截面。

图12示出监控与调制引线的另一实施例的另一横截面。

图13A到图13C突出显示监控与调制引线的示例性实施例的记录与刺激区域。

图14示出分隔开90°的四个刺激部位所产生的偶极子的量值的模型。

图15示出与图14中的模型相比分隔开120°的三个刺激部位所产生的偶极子的量值的模型。

图16示出脑部监控与调制引线的一个实施例的立体图。

图17示出植入患者头部中的脑部监控与调制引线。

图18A到图18C示出来自两个记录电极的对脑电位的样本记录。

图19A到图19C示出来自两个记录电极的对脑电位的附加样本记录。

发明详述

在附图中相同的标记描述实质上类似的组件。探针的远端上通常具有环形电极。被分为两个刺激部位的电极能够将偶极子沿着一条轴线定向。当环形电极被分为三个刺激部位时，可在平面内沿任何方向产生偶极子。因此，每个环形电极有三个刺激部位是有利的，因为这是沿平面内任一方向定向偶极子所需的每个电极的刺激部位的最小数量。使用最小数量的刺激部位也是有利的，因为它使必须穿过探针的导线的数量最小化并且允许最大电流密度通过任何记录部位来调制脑组织。

当电流密度受到脑组织容限限制时，刺激部位的开口环可在一些方向上传递比其它方向更大的刺激。例如，考虑被排列为围绕圆柱形探针的开口环的四个刺激部位，其中两个部位与横向轴(X)对准，并且另两个部位与正交横向轴(Y)对准。通过将因为在相对的刺激部位对之间通过电流而产生的两个偶极子线性相加，该配置可产生在刺激部位的平面内任意定向的电偶极子。为了产生量值为(m)且相对于轴(X)定向为θ的偶极子，量值为(m/d)cosθ的电流通过与(X)对准的刺激部位，并且量值为(m/d)sinθ的电流通过与(Y)对准的刺激部位，其中d是离原点的距离。随着θ的变化，偶极子量值的轨迹呈一个圆。可能需要将任何单个电极处的电流密度限制为小于某最大值，从而可限制刺激的热量或其它非期望副作用。在这种约束之下，四个刺激部位的开口环可产生的、因变于角度θ的最大偶极子的迹线呈正方形243，如图14所示。最大的偶极子量值是在轴(X)和(Y)之间的中间定向、并处于正方形的拐角处，因为两对刺激部位携带最大允许电流。最小的偶极子量值是沿着轴(X)和(Y)的定向，因为仅有一对刺激部位携带非零电流。

将以上情况与具有三个刺激部位的实施例相比较，其中该三个刺激部位被排列为围绕圆柱形探针的开口环或圆环。如果电极环的轴向长度和最大电流密度与先前示例中的相同，则通过任何电极的电流的最大量值要大1/3倍。当最大电流通过一个电极时，返回电流在其它两个电极之间按不同比例分开。可由三个电极的环产生的、因变于θ的最大偶极子的迹线呈六边形246，与图15所示的类似。对于刺激场的大多数定向，由三个刺激部位的开口环所产生的最大偶极子的量值比由四个刺激部位的开口环所产生的偶极子大，如图14的正方形243叠加到图15中所示。

图14和图15示出阐明使用诸如三个之类的质数个刺激部位的优点的简化模型。图1的优选实施例中的开口环上有三个刺激部位。图14示出排列在圆230周围的点处的四个电单极234a、234b、234c和234d的情况。单极234a和234c电荷大小相等方向相反，从而产生一偶极子，单极234b和234d亦是如此。正方形234上的点的径向位置表示可由两个偶极子234a、234c与234b、234d的和所产生的最大净偶极子，其所受的约束是单极上的最大电荷的量值为一。四个单极的电荷总和是零。

图15示出排列在圆230周围的点处的三个电单极235a、235b和235c的情况。在此叠加图15的最大净偶极子正方形243用于参考。三个电单极更有效地产生定向偶极子，如最大净偶极子六边形所描绘。具有一个极性的一个单极和具有相反极性或零电荷的两个单极产生两个偶极子。所有三个单极的电荷总和是零。六边形246上的点的径向位置表示可由两个偶极子的和所产生的最大净偶极子，其所受的约束是任何单极上的最大电荷不能超过量值1.2。在此使用较大的最大电荷约束是因为每个部分占据圆周的1/3的情况与在每个部分占据圆周的1/4的情况相比具有固定轴向长度的每个刺激部位的表面积较大。离电极235a、235b、235c最近的六边形的各边在约束电极具有正极性的情形下产生，而与这些边相对的六边形各边在约束电极具有负极性的情形下产生。可以看出，在大多数方向中六边形246的径向位置离原点的距离比正方形243离原点的距离远。对于轴向长度固定的开口环，三个刺激部位与四个刺激部位相比可传递更大的有效刺激。或者，对于固定的有效刺激，三个刺激部位的开口环的轴向长度可比四个刺激部位的开口环的短。本发明的优选实施例优于其它探针的优点是在最大电流密度受到约束的情形下支持对电流的更佳可操纵性。对本发明的这种描述并不排除使用同时或协调地刺激不同开口环上的刺激部位的刺激方案。

对本领域的技术人员显而易见的是具有六个刺激部位(或3的任何其它倍数)的开口环的刺激探针可按获得本发明优点的方式使用。这可通过将具有六个刺激部位的环像三个刺激部位一样来控制而实现，其中每个部位都包括一对相邻刺激部位。

因此，在任一轴向位置上，刺激部位的数量是质数。质数产生同时使用所有电极表面以实现不同刺激定向的更多组合可能性。使用所有电极表面使电流密度保持尽可能地小。在优选实施例中，刺激部位的数量是3。在另一实施例中，刺激部位的数量是5。具有2、5或7个刺激部位的配置可实现电流密度优点(这也是本发明所寻求实现的优点)，尽管其程度较小。

现在参考图1，其示出组织调制与监控探针。图1示出探针的优选实施例。它是圆柱形探针，具有柔性探针体10和任选多触点连接端子20a。关于多触点连接端子的附加细节在美国临时专利申请No.60/820,914中公开，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。可使用本领域公知的其它连接器。在探针的远端30a有刺激部位的一个或多个开口圆环。刺激部位可与所有环上的匹配角位置对准，或者可偏置到不同环上的不同角位置。还有适于记录局部场电位的一个或多个环形电极带，以及在最远端的点处或附近的记录电极。在该优选实施例中，多触点端子20a的最大直径与柔性探针体10的直径相同。

在该实施例中，在四个轴向位置上，三个刺激部位33a、33b、33c、34a、34b、34c、35a、35b、35c、36a、36b、36c被排列为开口环，总共有12个刺激部位。这在图5到图12的横截面图中可更好地看出。在该实施例中还有三个记录带37、38、39排列在开口环之间的间隙中。记录部位的大小适于记录局部场电位，其外露面积的范围为从约0.0005mm²到约0.5mm²，但是该面积可达到约0.8mm²。一些实施例具有较小的记录部位，其可改善对动作电位的细胞外记录。这些记录部位的外露面积的范围为从约1.9x 10^-5mm²到约0.002mm²，但是它们可大到约0.1mm²。记录部位的形式可以是绝缘线的裸露端、薄膜、金属焊盘或者其一部分绝缘体被移除以在设备的壁内暴露电导线的绝缘区域。替换实施例可不具有记录环，或者可具有更多的记录环。附加的记录环或点电极可沿着探针体10或在探针尖端32处定位。该实施例没有限制记录电极(带和/或点)相对于刺激部位的对准。

在刺激表面与记录表面之间以及在各记录表面之间必须有至少100μm的不导电间隙，以便减少分流并改善已记录信号的绝缘。通过探针的电信号不相互干扰是合乎需要的。高电平电刺激信号不与低电平记录信号干扰是尤其合乎需要的。因此，优选携带记录信号的导线置为内螺旋形，而携带刺激信号的导线置为外螺旋形。两个螺旋线的螺距可以相同或者可以不同，从而没有刺激与记录导线对穿过明显距离的相邻路径。这使任何刺激导线和任何记录导线之间的电容耦合最小化。在其它实施例中，可将导电涂层施加到记录导线的螺旋线的外部。可将其接地以减小两类导线之间的电磁干扰。在又一实施例中，可接地的金属箔被包裹在内螺旋线和外螺旋线之间。

在其它实施例中，携带已记录信号的导线置于携带电刺激信号的导线之间。该实施例的优点在于导线置为单个薄片并且可以更加致密和更加柔韧，但是在一些情况下该实施例可能具有的缺点在于当刺激电流调制刺激导线时，刺激信号可耦合到相邻的记录导线中。注意，并不是所有的刺激导线都需要在任何时刻携带电流。在使用探针的很多场合中，一些记录导线因此将在任何时刻都与活动的刺激导线良好地隔离。在另一实施例中，刺激线和记录线作为相邻的导线组螺旋形地穿行。

这些线应当在机械上是坚固的并且导电。合适的材料包括合金MP35N(钴铬合金)、不锈钢以及钨或已被镀金以促进与刺激部位及颅外连接器的连续性的钨合金线。材料具有最低程度的磁性以使MRI相容性最大是重要的。

刺激部位由使安全电荷转移最大化的相对惰性的材料制成，比如铂、铱或铂与铱的合金。探针体由生物相容的聚合物涂敷，比如硅酮橡胶或聚氨基甲酸酯，其支持在探针退出头盖骨处以短的曲率半径弯曲。

图2示出探针30b的替换实施例。探针30b类似于图1的探针30a，不同之处在于其添加了可允许化学物质进入或离开探针空腔的孔40。孔40可由半渗透膜覆盖。或者诸如化学活性的水凝胶之类的以化学方法控制的选通机构可放置在这些孔附近。这种水凝胶取决于邻近媒介的化学成分可以膨胀或收缩。选通机构可基于孔的体积膨胀和闭塞来操作，或者水凝胶可用机械附属结构形成。这种结构的示例包括双压电晶片束，如R.Bashir、J.Z.Hilt、O.Elibol、A.Gupta和N.A.Peppas在2002年出版的Applied Physics Letters(应用物理学通讯)81(16)第3091-3093页的“Micromechanical Cantilever as an Ultrasensitve pHMicrosensor(作为超灵敏pH值微传感器的微机械悬臂)”所述。另一示例包括开有微孔的表面覆层，如A.Baldi、M.Lei、Y.Gu、R.A.Siegel和B.Ziaie在2006年出版的Sensor and Actuators B(传感器和传动器B)114(1)第9-18页题为“A Microstructured Silicon Membrane with Entrapped Hydrogels forEnvironmentally Sensitive Fluid Gating(用于环境灵敏流体选通的具有俘获的水凝胶的微观结构硅薄膜)”的文章中所公开的，或者另一示例包括替代适于形成闭塞密封的元件的覆板，如A.Baldi、Y.Gu、P.E.Loftness、R.A.Siegel和B.Ziaie在2003年出版的Microelectromechanical Systems(微型机电系统)期刊12(5)第613-621页“A Hydrogel-Actuated Environmentally SensitiveMicrovalve for Active Flow Control(用于活动流控制的水凝胶驱动环境灵敏微型阀)”所述。这些参考文献的全部内容通过引用结合于此。

因为水凝胶可被配置为使得它们的体积具有不同的化学依赖性，所以不同的水凝胶可与引线上不同预定位置处的孔相关联，从而药剂可被选择性地传递到探针上的预定位置。同样，可从探针上的预定位置获得细胞外空间或大脑髓液(CSF)的样本。根据pH值直接控制的化学选通机构的示例包括先前在“MicromechanicalCantilever as an Ultrasensitve pH Microsensor(作为超灵敏pH值微传感器的微机械悬臂)”中描述的那些。经由与pH值的关系由二氧化碳的存在性所控制的选通机构包括如R.Steege、H.Sebastiaan、W.Olthuis、P.Bergveld、A.Berg和J.Kolkman在2007年出版的Clinical Monitoring and Computing(临床监控和计算)期刊21(2)第83-90页“Assessment of a New Prototype Hydrogel CO2 Sensor；Comparison withAir Tonometry(对新原型水凝胶CO₂传感器的评估；与空气张力测量法的比较)”所描述的那些。由葡萄糖的存在性所控制的选通机构的其它示例被Theeuwes等人在美国专利No.6,997,922中公开。以上所列出的参考文献的全部内容通过引用结合于此。

图3示出其中探针尖端32a导电的探针30c的替换实施例，其用作附加的刺激部位。这可用作常规的刺激部位，其支持单极和双极刺激。通过结合刺激部位36a-c的远端环，它形成以四面体的顶点为中心的一组刺激部位，从而支持在三维空间中操纵尖端附近的电流。图3的实施例还在刺激电极36a-36c和远端刺激电极32a之间具有附加的记录电极42。同样，如美国临时专利申请No.60/820,914所进一步公开地，多触点连接端子20c具有沿着两个半圆柱形或D形连接器轴向间隔的多个电触点，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。

图4示出探针30d的替换实施例，其说明多触点端子20d不需要具有与探针体10相同的直径。在此，触点端子20d是较大直径圆柱形插头，其具有用于使探针30d和监控与调制系统的其余部分相耦合的插座。该实施例示出记录电极的表面不需要是圆形的，但是可被配置为记录点43。替换实施例可包括多个记录部位，一些被配置为环，并且其它的则被配置为点。在其它实施例中，记录电极可采用其它形状，包括正方形、矩形或不规则形状。在又一替换实施例中，多触点端子可允许用于探针内通道流体的空腔或管道。流体可通过一个或多个空腔，并且可流进或流出脑，或者两者兼有。

图5示出优选实施例沿图1的剖面线101的轴向横截面图。在该优选实施例中，中心空腔70被由诸如聚氨基甲酸酯、硅酮橡胶或聚酰胺之类的生物相容聚合物制成的管72包围。在替换实施例中，空腔是聚合物涂层，并且绝缘的记录导线60可驻留于内空腔中。记录导线60从记录部位到它们在触点端子20处的终端被缠绕成螺旋形。同样，刺激导线50从刺激部位到它们在触点端子20处的终端被缠绕成螺旋形。在优选实施例中，刺激导线50的尺寸比记录导线60的尺寸大，因为电阻损耗对刺激导线50的影响更大，但是在替换实施例中所有导线可以具有相同或相似尺寸。在优选实施例中，记录螺旋线和刺激螺旋线的螺距不同以减少各线之间的平均电容耦合。在替换实施例中这些螺旋线可具有相同的螺距。这两个螺旋线可具有相同或相反的取向(一个顺时针，另一个逆时针)。导线50、60被嵌入柔性聚合物中，并且在优选实施例中是绝缘的，但是在替换实施例中可以或者可以不依赖于绝缘用的包围聚合物。在该优选实施例中，一层导电材料74插入在记录导线和刺激导线之间，其可被附连到低阻抗电基准。替换实施例可将层74或中心空腔72的中心衬里用作内部刺激电极。替换实施例可省略该层74以简化制造。刺激部位33a-c位于探针表面上，它们之间具有不导电材料的间隙41。刺激部位33a-c可具有附着于探针的管的分段的形式，并且被焊接或铆接到导线50，或者可利用薄膜技术制造。可用于制造探针的薄膜技术的示例在例如美国专利No.7,051,419和No.7,047,082中有所描述，这些专利的全部内容通过引用结合于此。图5中的导线50、60被示为具有圆形轮廓以显出横向切割的圆线，但是替换形式可使用成形线，比如具有正方形、矩形或椭圆横截面的那些，或者薄膜技术可用于这些导线。图5示出与该优选实施例相应的12条刺激导线50和3条记录导线60，但是替换实施例可具有更多或更少的导线来支持不同数量的电极。

图6示出替换实施例，其中刺激导线50被成组地排列，而不是环绕探针的周边均匀地间隔开。示出四个一组共三组，但是可选择地这些导线可被排列成三个一组共四组。这种实施例可允许中心空腔70和探针外部之间互通的孔，或者允许探针改善的柔性与导线组之间减小的壁厚相结合。

图7示出替换实施例沿图1的剖面线101的轴向横截面图。在该实施例中，刺激导线和记录导线在探针的同一环形空间中，与导线分开的先前的实施例不同。因为该实施例将两导线置于同一环形空间中，所以中心空腔70可以较大。在优选实施例中，刺激导线50和记录导线60交替缠绕成螺旋线，但是在替换实施例中刺激导线和记录导线可作为分开的组穿行。在替换实施例中，在刺激导线50和记录导线60之间可以有附加的导线，该导线可连接到电中性的点。在替换实施例中，管72可用导电材料涂敷，其可连接到电中性的点。

图8示出其中记录导线60和刺激导线50被分成多个组的替换实施例。与图7示出的实施例相比，本实施例的优点在于可减小刺激导线与记录导线之间的非期望电容耦合的机会，但是其增加了分开的记录导线之间的非期望电容耦合的机会。

图9示出具有中心空腔70和环形空腔71双空腔以允许递送或取样流体(气体或液体)物质或药剂、或者取样液体或挥发性物质的实施例。这些空腔可与孔互通，如图2和图13A-13C中的40所示，并且这种互通可以电学或化学地选通。这些空腔的远端可以是封闭的、可渗透的、可选择性渗透的或打开的以释放空腔内容或空腔内容的一些片段或部分。这两个空腔的远端可以彼此相通，从而一个空腔递送含有诸如左旋多巴之类的药剂的液体或者诸如一氧化碳或一氧化二氮之类的具有生物活性作用的气态媒介，而另一空腔在有与孔40或探针中的其它开口附近的媒介交换一种或多种物质的机会后取回该媒介。可被递送的其它治疗剂在本领域内是公知的，比如在美国专利No.6,094,598和No.6,227,203中公开的那些，这两个专利的全部内容通过引用结合于此，并且通常诸如大脑髓液(CSF)之类的细胞外流体被取样。在该实施例中，用于电刺激和记录的导线在由探针中的附加壁78形成的附加环带79内一起穿行。

图10示出与图9类似的排列，其不同之处在于用于刺激和记录的导线穿过两个分开的圆环76和77并且这两个环都与内部两个空腔70和71同心。在其它实施例中，可以有两个以上空腔，并且这些空腔不需要是同心的。

图11示出与图9类似的排列，其不同之处在于其有单个空腔72。另外，导线50和60被随机地定向，因此与具有限定图案导线的探针相比可允许更容易地制造探针。

图12示出没有用于任一种导线或用于支持质块传递的空腔的排列。这些导线一起穿过探针中心。

图13A-13C示出用于刺激导线和记录导线的排列，其与图2示出的实施例类似。图13A示出具有刺激电极36a-36c、35a-35c、34a-34c和33a-33c的四个区域的探针，且每个区域具有三个独立的刺激部位。另外，图13A中的探针具有记录电极37、38和39以及孔40。图13A的探针在图13B-13C中被示为探针的周边被打开，使得导线的上缘和下缘实际上彼此连续。在探针尖端的区域中，导线在轴向上穿行，并且沿着探针体旋转形成螺旋绕组。图13B示出在探针尖端附近沿轴向穿行并且随后沿探针体旋转形成螺旋绕组的记录电极导线90a、90b和90c。图13C示出刺激电极导线92a、92b、92c、94a、94b、94c、96a、96b、96c和98a、98b、98c的类似图案。

图16示出监控与调制引线的立体图。在图16中，引线上的四个刺激区域中的每一个都包含三个独立的刺激电极。仅在最远端区域上可看到全部三个刺激电极36a、36b、36c。在引线的其它区域中可看到两个刺激电极，包括35a、35b、34a、34b、33a、33b。另外，引线具有三个记录电极37、38和39以及在远端引线尖端32附近的附加记录电极52。内轴53被包含在引线体10内并且可适于容纳本文前述的导丝、通丝管、空腔等。

图17示出利用固定物16固定到患者11的头盖骨且植入到脑组织14中的监控与调制探针或引线12。延长引线18将探针12与可控脉冲发生器19耦合。引线通常在患者的皮肤之下延伸，但是它可以不是这样并且可控脉冲发生器19可被植入或者它可保持在患者11的体外。用于将探针固定到头盖骨的固定物的附加细节在美国临时专利申请No.60/908,367中公开，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。

下面的表1归纳所收集的数据，其证明通过刺激圆环周围的不同刺激部位可实现不同的功能性刺激作用。与图16示出的引线类似的引线被插入到被麻醉的猫的基底神经节中。最远端圆环中的刺激部位(36a、36b和36c)被一起和独立地通电以电刺激脑部。地线被置于颞肌肌肉中。足够大的电刺激诱发同侧的或对侧的或者两个面肌中的响应。刺激量值以电压阶跃传递，并且马达响应按照等级次序的尺度分级(NR-没有响应；THR，响应阈值；较大的数字与阈上响应的较大量值相对应)。当单独刺激部位36a时，同侧运动的响应阈值比对侧运动的低。当单独刺激部位36b时，同侧和对侧运动的响应阈值相同。当单独刺激部位36c时，对侧运动的阈值比同侧运动的低。当同时刺激全部三个部位时，同侧运动的阈值比对侧运动的低，但是同侧运动和对侧运动两者的阈值比刺激任何单个部位时都要低。在下面的表1中总结来自该测试的数据，并且这种模式的有差别的刺激阈值证明刺激圆环内的不同部位可操纵脑内的电流。

图18A-18C证明引线可记录场电位，并且不同的记录部位记录不同的电位。从如上所述的图16所示的同一引线并利用相同安置获得记录。通过在眼前挥动闪光灯由视觉路径的感官刺激诱发响应。在图18A中，迹线T1从记录部位38记录，并且在图18B中迹线T2从记录部位39记录。对这些迹线的光谱分析揭示180Hz和300Hz上的振荡，其被认为是与电力网的非预期耦合所导致的。应用Christiano-Fitzgerald滤波器来除去这些频率附近的信号能量，并且经过滤的迹线被标示为T1a和T2a，如图18A-18C所示。图18C中的迹线△是算术差T1a-T2a。这些迹线看起来相似，但是它们不成比例，如果它们主要由电串扰产生则它们可能成比例。在位置A，T1/T1a与T2/T2a相比具有更持续的正性。在位置B，迹线T1/T1a和T2/T2a中的正性几乎相同。在迹线T1/T1a和T2/T2a中位置B和C之间的三相波的振幅相当地不同。该记录电位的振幅比最佳记录的场电位的振幅稍小，从而反映引线的位置在视束附近但不在视束中。

图19A-19C证明引线可记录表征灰质核中安置的自发性活动场电位。该记录从背离(dorsal to)获得图18A-18C中记录的位置3mm的位置获得。因为该记录的振幅比来自电力网的干扰的振幅大得多，所以Christiano-Fitzgerald滤波不是必需的。在图19A中迹线T1从记录部位38记录，而在图19B中迹线T2从记录部位39记录。图19C中的迹线△是算术差T1-T2。这些迹线看起来相似，但其具有表征场电位记录的时程和振幅。差值迹线△具有表征动作电位波形的、持续时间为0.5到3.5毫秒且振幅为几十毫伏的若干瞬态波。与图18A-18C所示的记录一起，这些数据证明如图16所示的引线可从白质和灰质记录场电位，并且利用适当的信号处理还可记录动作电位尖峰。

表1

激活表面	刺激(V)	同侧面肌响应等级	对侧面肌响应等级
				36a、36b、36c	1.02.02.22.62.7	NRNRTHR11	NRNRNRNRTHR
36a	1.02.03.03.64.04.34.5	NRNRNRTHR112	NRNRNRNRNRNRTHR
				36b	1.02.02.44.0	NRNRTHR2	NRNRTHR2
36c	1.02.03.03.54.04.55.0	NRNRNRNRTHR12	NRNRNRTHR112

尽管为了理解清楚起见并且作为示例相当详细地描述了示例性实施例，但是对本领域内的技术人员而言各种附加修改、调整和改变是清楚的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限制。

Claims (40)

1.一种用于刺激和监控组织的装置，所述装置包括：

具有近端和远端的细长构件；

沿所述细长构件轴向排列且被设置在所述远端附近的多个环形刺激电极，所述环形刺激电极适于使电流传递到组织中，并且其中至少一个环形刺激电极上具有至少三个独立的刺激点；

被设置为邻近所述刺激电极的多个记录电极，所述记录电极适于测量局部组织电位；以及

与所述环形刺激电极和所述记录电极耦合的多条导线。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述细长构件在所述近端附近的一部分是柔性的。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述细长构件在所述远端附近的一部分是刚性的。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个记录电极中的至少一些被设置在环形刺激电极之间。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述组织是脑组织。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括轴向设置在所述细长构件的所述近端和所述远端之间的空腔。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述空腔适于容纳导丝或通丝管。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括在所述细长构件的所述远端附近的一个或多个孔，所述孔与所述空腔互通并且适于将治疗剂输送到所述组织和/或从所述组织接收化学物质。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述治疗剂包括左旋多巴。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述孔被设置在所述环形刺激电极之间。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述孔中的至少之一被设置在所述细长构件的所述远端。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述孔包括适于允许选择性地启用所述孔的选通构件。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述选通构件是半渗透膜。

14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述选通构件是以化学方法控制的。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述选通机构是化学活性的水凝胶。

16.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括设置在所述空腔中的刺激电极。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，设置在所述空腔中的所述刺激电极是线。

18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括在所述细长构件的所述远端的刺激电极，所述刺激电极适于使电流传递到所述组织中。

19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多条导线沿所述细长构件缠绕成螺旋状。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导线中的第一组与刺激电极耦合并且所述导线中的第二组与所述记录电极耦合，并且其中所述第一组导线形成具有第一螺距的螺旋线，所述螺旋线缠绕在也形成具有第二螺距的螺旋线的所述第二组导线周围。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述第一螺距与所述第二螺距不同。

22.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导线由从包括不锈钢、MP35和钨的组中选择的材料组成。

23.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个环形刺激电极与磁性共振成像是相容的。

24.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述多条导线中的至少一些相耦合且被设置在所述细长构件的所述近端附近的多触点连接端子。

25.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述记录电极被环绕所述细长构件周向设置。

26.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述记录电极具有圆形表面。

27.一种治疗组织的方法，包括：

将探针植入组织中，所述探针具有多个记录电极和多个环形刺激电极，其中所述环形刺激电极中的至少之一上具有至少三个独立的刺激点；

用来自所述环形刺激电极的治疗电流刺激所述组织；

响应于所述刺激用所述记录电极测量局部组织电位；

分析所测得的局部组织电位以提供关于所述刺激有效性的反馈；以及

响应于所述反馈调整所述刺激。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述组织是脑组织。

29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括用治疗剂刺激所述组织。

30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括用锚将所述探针可释放地耦合到所述组织。

31.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述探针与磁共振成像是相容的。

32.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括从所述组织收集化学物质以提供关于所述刺激有效性的反馈。

33.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括控制选通构件以选择性地打开或关闭设置在所述探针上的一个或多个孔。

34.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述孔适于控制治疗剂向所述组织的输送和/或从所述组织接收化学物质。

35.一种用于治疗组织的系统，所述系统包括：

具有多个适于测量局部组织电位的记录电极和多个环形刺激电极的刺激与记录探针，其中所述环形刺激电极中的至少之一上具有至少三个独立的刺激点并且所述刺激电极适于使电流传递到组织中；以及

可植入且可控制的脉冲发生器，所述发生器适于向所述探针提供电刺激。

36.如权利要求35所述的系统，其特征在于，所治疗的组织是脑组织。

37.如权利要求35所述的系统，其特征在于，还包括锚固设备，所述锚固设备适于将所述探针可移除地固定到患者的头部。

38.如权利要求35所述的系统，其特征在于，还包括患者编程器，所述患者编程器适于控制所述脉冲发生器。

39.如权利要求35所述的系统，其特征在于，还包括与所述记录电极和所述刺激电极电耦合的多触点连接器。

40.如权利要求35所述的系统，其特征在于，所述组织探针与磁共振成像是相容的。

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