CN104203338B - 用于刺激脊髓以抑制疼痛传输的装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过以使脊髓对有害或非期望有的感官输入传输耐受的方式刺激脊髓而控制背痛的新技术。电刺激包括采用规则或复杂的模式或者在微处理器控制下随机产生的高频脉冲。直接向在脊髓管内部的脊髓表面施加刺激，这提供优越于先前技术的重要益处。该刺激缓解背痛症状和体征，同时使诸如感觉异常的副作用风险最小化，并且可能地使对运动神经元传输和本体感觉的影响最小化。

Description

用于刺激脊髓以抑制疼痛传输的装置和系统

相关申请的引用

本申请权利要求2012年1月30日提交的美国临时专利申请61/592,520的优先权。该临时专利申请和公布的PCT申请W0 2012/065125的全部内部以参考的方式并入本文中用于所有目的。

技术领域

本发明总体上涉及医疗器械和疼痛控制的领域。具体地，本发明涉及用于向脊髓施加高频电刺激的结构、电极阵列和电子器件。

背景技术

慢性疼痛是一种常见的无法忍受的脊髓损伤或疾病的后遗症。它会影响患者的基本活动、有效康复、和生活质量。脊髓损伤患者中的疼痛经常对治疗具有抗性。此问题由于有效药物治疗和非药物治疗选择的有限可利用性而放大。

在具有脊髓损伤的患者中疼痛的发生率较高：在一些研究中，在患者的约62％至84％范围内。背痛也是其它损伤和疾病的特征。例如，帕金森氏病中的体位异常和肌张力增加会引起背痛，背痛的发生率可以高达74％。与背痛相关的其它疾病包括充血性心力衰竭和骨关节病。

因为在目前的临床治疗谱中背痛常常是难对付的，所以对于被设计用来控制疼痛的新技术存在着需求。

发明内容

本发明提供一种用于向在脊髓管内部的脊髓表面直接施加刺激的新技术。该刺激缓解背痛的症状和体征，同时使发生副反应(诸如感觉异常)的风险最小化。

本发明的一个方面是一种用于对易受沿脊髓所传输有害神经信号影响的受试者的脊髓进行刺激的方法、装置和系统。该方法包括：将电极阵列植入受试者的脊髓管内部使得电极与脊髓接合；然后，通过阵列中的电极直接地向脊髓施加电刺激，以便该电刺激抑制有害神经信号沿脊髓的传输。该电刺激具有足够高的频率以便抑制感觉异常。

本发明的另一方面是一种用于刺激受试者脊髓从而抑制疼痛传输的方法。该方法包括通过与脊髓直接接触的多个电极施加电刺激，从而使脊髓内部的感觉神经元对在脊髓内部产生的同步动作电位的传输是耐受的。

本发明的另一方面是一种用于刺激受试者脊髓从而抑制疼痛传输的装置。该装置可以包括以下部件：(a)构造成与在硬脊膜内部的脊髓的一个区域相配的柔顺衬背；(b)沿衬背的内表面配置的多个电极；和(c)电路，其用于将电刺激通过多个电极传输至脊髓由此使脊髓内部的感觉神经元对在脊髓内部产生的同步动作电位的传输是耐受的。

本发明的另一方面是一种用于刺激受试者的脊髓从而抑制疼痛传输的系统。该系统可以包括以下部件：(a)构造成与脊髓的区域的表面相配的植入式信号接收器，该信号收发器具有构造成电联接到所述区域中的相应位置的多个触点；和(b)包括被编程生成电刺激信号的微处理器的信号发生器。信号接收器可以构造成接收来自信号发生器的所述信号，并且将信号发送至在脊髓的所述区域中的相应位置。这可以使脊髓内部的感觉神经元对在脊髓内部产生的同步动作电位的传输是耐受的。

本发明的另一方面是一种用于对容易受沿脊髓传输的有害神经信号影响的受试者的脊髓进行刺激的系统。该系统可以包括以下部件：(a)电刺激装置，该装置包括构造成与脊髓的区域相配的柔顺衬背、和设置在衬背内表面内部的电刺激表面，该电刺激装置构造成被植入受试者硬脊膜的内部以便刺激接合脊髓；和(b)联接到电刺激表面的信号发生器。该发生器可以是微处理器控制的，并且构造和被编程为以足够高的频率将来自电刺激表面的电刺激直接地施加至脊髓以便抑制明显的由刺激引起的感觉异常。

在这些方法、装置或系统的任意一项中，电刺激都是用来促进脊髓内部感觉神经元的随机去极化。电刺激可具有以高频率(诸如1,000至9,000赫兹)交替变换的电位。电刺激可以具有按照非均匀模式变化或者以随机的间隔变化的电位。可以通过与脊髓直接接触的10个以上电极的阵列向脊髓施加电刺激。该装置可以构造成通过阵列中的不同电极传输不同的刺激。

本发明的装置或系统也可具有：用于对通过脊髓的同步动作电位传输进行监测的装置、和用于调节电刺激从而进一步抑制同步动作电位通过脊髓传输的装置。因此，使用者可对同步动作电位通过脊髓的传输进行监测，并且调节电刺激从而进一步抑制同步动作电位通过脊髓的传输。可以施加刺激，从而抑制疼痛的感觉，或者抑制帕金森氏病、脊髓损伤或充血性心力衰竭的症状。

基于下面的描述本发明的其它方面将变得显见。

附图说明

图1是从背衬中延伸出的电极的示意性剖视图，其中电极配置在背衬上。

图2示出了配置在衬背中从而提供一定程度移动性的电极。

图3(a)和图3(b)示出了被植入在脊髓上的电极阵列。导线202从脊髓管中引出，用以将功率和控制信号传送至电极阵列。

图4(a)和图4(b)示出了其中导线适合于通过硬脊膜的细节。图4(c)、(d)和(e)示出了被安装和胶粘以防止经过硬脊膜泄漏的配件。

图5示出了适合于以无线方式接收功率和控制信号的电极阵列。

图6是被植入在脊髓上的无线阵列的斜视图。

图7是阵列在植入后的侧视图，其中将硬脊膜去掉。

图8是具有植入阵列的脊髓的纵向剖视图。阴影环表示从阵列向下输送至治疗的目标区域的电刺激。

图9是在提供功率和控制信号的发射器和与电极阵列相邻的接收器线圈之间的感应耦合的示意图。

图10(a)和图10(b)示出了采用环绕式结构的、构造成附着到脊髓的电极阵列。

图11示出了神经外科医生可以使用以便将环绕式电子阵列植入脊髓的装置。

图12示出了人脊髓及其周围组织的剖视图。

图13示出了构造成被夹持到在脊髓各侧上的齿状韧带的电极阵列。插图示出了将阵列的延伸部固定到韧带的夹具的细节。

图14(a)和图14(b)示出了构造成附着到齿状韧带的另一个电极阵列。在这种情况下，用于固定阵列的钩子或突片是阵列的衬背材料的另一个延伸部。

具体实施方式

本发明提供一种通过以使脊髓对有害或非期望有的感官输入的传输是耐受的方式刺激脊髓而治疗背痛、腿痛和其它病情的治疗新技术。电刺激包括采用规则或复杂的模式或者在微处理器控制下随机产生的高频脉冲。将刺激从脊髓管内直接施加到脊髓表面，这提供比先前技术优越的重要益处。这些刺激缓解背痛的症状和体征，同时抑制副反应(诸如感觉异常)的危险或者使其最小化，并且可能地使对基础神经过程(诸如运动神经元传输和本体感觉)的副作用最小化。

理论基础

本节论述可构成部分本发明益处的基础的某些神经生理学现象。提供该论述是为了读者的利益并且有助于推动本技术领域。它不应被看作是对本发明的实施施加任何限制。读者可在不理解或证实这里所提出的任何现象的情况下实施和改进本发明的装置和方法。

对脊髓的高频刺激可通过诱发伪膜性轴突激发的状态而有益于本发明。感觉轴突的束被认为当不传输感觉刺激时随机地激发。当提供感觉刺激时，轴突束内相当部分的轴突或者路径将以同步方式放电从而在大致相同的时间激发轴突电位。这导致沿轴突束中的轴突传输感官输入，使得受试者可体验感觉。换句话说，感觉缺失的特征是在轴突束内部轴突激发的随机时序，而感官知觉的特征是全体轴突的同步激发。

本发明的假设是患有腿痛和背痛的患者使轴突束以同步方式(或者一些其它的非随机方式)自发地激发，而不是以正常的随机方式激发。电脉冲将导致轴突激发。被传输至轴突束的单个脉冲将导致它们都同步地激发。如果脉冲串中各电击之间的时间间隔比轴突束中的轴突的不应期长，那么各随后的电击也将同步地激发所有轴突，受试者将体验感觉。施加到背部的低频交流电流(50Hz)可以有效地降低疼痛的感觉，但该刺激会产生神经副作用，诸如感觉异常(麻刺感或麻木)。

高频电刺激(亦即约5,000Hz)具有比轴突的不应期短的时间间距。单独的轴突直到其膜电位已从第一电击的影响中恢复才能响应于第二电击再次激发，并且这会耗用时间。不同的轴突具有不同的不应期。通过在高频率下传输电脉冲，轴突束内部单独轴突的激发的相对时序变成几乎是随机的，其中不同的轴突再次在不同的时间变成可激发。在通过脊髓的感觉神经中，可以通过向脊髓施加高频脉冲来恢复主动静止的状态。

本文中使用的有关轴突束的术语“静止”是指在轴突束内部轴突的随机去极化或激发的状态。静止是一种自然状态，其中神经系统可以主动地发信号表示没有感官输入被作为整体的轴突束传输。可以通过以这里所描述的适当方式施加有效的高频电脉冲模式，而由伪膜性神经刺激引起“静止”。

益处

本发明提供一种直接向脊髓施加高频电刺激的新技术。该技术代表了背痛治疗中的重要进步，因为可以在不使背侧神经束暴露于阈上水平电流的情况下对作为目标的轴突施加电刺激。

除了为临床医生提供新的用于疼痛控制的方式，该技术包括以下特性。

1)低功率消耗。因为本发明装置将刺激直接传输至脊髓，所以相比于从脊髓管外部治疗背部的装置功率消耗低。本发明装置所需的功率可以低至标准硬膜外电极所需功率的30％、10％、或者甚至5％或更低。在一些实施方式中，植入电池电源的本发明装置可提供数天的疼痛缓解，经常达到一周或远大于一周的时间。

2)可变波形和频率。由于脑脊髓液(CSF)和其它软组织的作用，所以在电脉冲到达脊髓时，经过这些组织所传输的高频方波形将被显著地减弱和失真。到达脊髓的脉冲将具有不同的谱成分，亦即，是具有可能不同的频率成分的不同波形。来自本发明装置的电刺激不应被失真和减弱到此程度，因为在刺激电极与目标轴突之间没有介入的体液或组织。当被直接地传输至脊髓时，根据复杂模式或者以随机方式改变脉冲振幅会是更有效的。

3)插入脊髓。根据本发明的直接接触电极阵列可允许使用者在远深入脊髓的位置(表面以下超过0.5或1.0mm)施加刺激。将这与标准硬膜外电极进行比较，其可有效地被限制在改变邻近与前硬脊膜相邻的脊髓表面的信号传输。因为可在一系列深度处至少部分地由神经元传递神经信号，所以这可有助于较难用其它技术治疗的疾病的治疗。

4)空间选择性刺激。正常的脊髓发信号对于使受试者能感觉地面和使他们的腿移动是必不可少的。所需的神经路径涉及到同步激发的全体轴突。由于此原因，如果电刺激无差别地与脊髓内部动作电位的协调发生相互作用(例如，在硬脊膜外传输刺激)，那么被治疗的受试者会具有在本体感觉和动觉中的不足。这相应地会引起蹒跚或者步态异常。本发明的技术通过更精确地设定传递疼痛感觉的神经路径而有助于避免此问题。具体地，将该装置配置在脊髓的侧面，因而靠近脊髓的白质。另外，可以策略性地放置这些电极阵列，以使疼痛缓解和对传递基本信息的神经路径的干扰之间的任何协调性最大化。

本发明的具体特征

本发明总体上提供一种用于刺激受试者脊髓的方法，例如可在疼痛控制或者若干其它病况的治疗中是临床期望得到的。患者易受到沿脊髓传输的有害神经信号的影响或者对其敏感，或者需要治疗。将电极阵列植入脊髓管内部使得电极与脊髓接合。使电刺激经过阵列中的电极直接到达脊髓，从而抑制有害神经信号沿脊髓的传输。电刺激具有足够高的频率，以便抑制感觉副作用，诸如感觉异常(麻木或麻刺感)。

换句话说，通过直接地向脊髓施加电刺激而刺激脊髓从而抑制疼痛传输，该电刺激使感觉神经元对在脊髓内部产生的同步动作电位的传输是耐受的。这抑制由于局部感官输入所造成的背痛、和副作用(诸如可在局部治疗的过程中引起的感觉异常)。电刺激被认为促进脊髓内部感觉神经元的随机去极化，因此引起神经静止的状态。

为达到此目的，电刺激包括以高频率交替变化的电位。无论使电位可随时间推移而变化的方式如何，均可以通过测定每单位时间正-负变更的数量来计算频率。有效频率范围取决于电极阵列的放置位置、阵列的特征、放置阵列的组织的性质和健康状态、以及治疗目的。一般目的是引起脊髓对传递有害信号或者局部激发的同步去极化事件的耐受性。这可以凭经验通过确定神经活性并记录患者所经历的症状而加以调节。

根据采用该技术的治疗目的和方式，有效的脉冲重复频率或频率可以是或者超过：100Hz(脉冲/秒)、200Hz、500Hz、2,000Hz、或5,000Hz，约1,000Hz、4,000Hz、或10,000Hz的频率，或者约500至50,000Hz、1,000至9,000Hz、3,000至8,000Hz、2,000至20,000Hz、或者5,000至15,000Hz的频率范围。

电位可按规则的频率以正弦波形或方波的形式变化。可替代地，波形可以是更复杂的模式，其中脉冲根据计算的或重复模式而以变化的间隔和强度出现。这种模式包括导致脊髓内部神经的大致连续激活的脉冲串，并且可包括不规则的脉冲间隔、不规则的脉冲振幅、多种波形(例如，单相、双相、矩形、正弦、以及不对称或不规则的波形)、或者其任意组合。电位可产生基本上是宽带的噪声，在合适的计算算法或微处理器中的自动控制程序的控制下，该噪声以随机或基本上随机的间隔和强度而变化。

关于伪膜性神经刺激的其它信息描述于U.S专利No.6,295,472和6,631,295，以及JT Rubenstein等人，Hearing Res.127(1)，108-118，1999，它们的全部内容以参考的方式并入本文中用于所有目的。

让高频刺激传输通过的电极通常是配置在易弯的基底上，该基底是以能直接地与脊髓保持相配的材料和形状制成。多个电极可包括至少10、至少20、至少30、或至少50个电极。可将电极以网格、线性模式、或者有效的任何其它布置方式配置在衬背上。任选地，所述技术可配置成经过阵列中的不同电极施加不同的刺激。

根据本发明的背痛治疗可包括：给予脊髓有效电子刺激，监测同步动作电位经过脊髓的传输，然后调节电刺激从而进一步抑制同步动作电位经过脊髓的传输。该目的可以是临床有价值的任何目的，诸如减轻受试者的疼痛(特别是背痛感觉)，诸如可在脊髓损伤、脊髓的疾病或扭伤、帕金森氏病、骨关节病、或充血性心力衰竭的过程中发生。

可在频率或其它波形参数以及施加方式方面对电刺激进行调节，从而使诸如感觉异常之类的副作用最小化，并且使传输对基础神经动作(包括运动神经元活性)以及与本体感觉和动觉有关的神经的影响最小化。任选地，可为临床医生或使用者提供输入装置，以便根据感知的症状选择模式、调节频率、以及调节强度。

本发明的装置和系统还具有构造成将电刺激经过电极传输至脊髓的电路。可将电路与电极设置在相同的衬背中。可利用从硬脊膜中引出的电导线向电路和电极提供功率和控制信号。可替代地，该装置可具有诸如天线之类的接收装置，通过该天线以无线方式从外部源接收功率和控制信号。“一个尺寸适合所有”的设计是理想的，由此，标准装置可以适应患者中的全部的脊髓解剖结构变体。当这不是切实可行的时，固定在脊髓上或周围的电极阵列和特征物可以按不同的尺寸制作以适合不同的患者。

技术平台

这里描述的本发明包括亦描述于W0 2012/065125中的特征物。该专利申请提供用于直接脊髓刺激的、遥控且侧向支撑的装置。就以持续方式使用的被植入脊髓中的电极阵列而言，将所述装置加以固定以便它保持与脊髓的期望区域直接接触。

该技术平台在疼痛控制中在一些方面提供优越于先前装置和方法的改进。包括以下方面：

●密集阵列的电极触点将高度局部的、空间-时间同步的、和位置选择性电刺激传输至脊髓的任何目标区域；

●植入式电极组件具有不妨碍也不改变脊髓周围脑脊髓液(CSF)的流动形式的超薄实际轮廓；

●装置与脊髓之间的接触力是稳定和不变的，因此患者运动不影响这些接触特性，这导致电极触点与脊髓组织之间的最佳电联接；

●装置材料的柔性性质在不产生任何有害的反作用的或耗散的反力的情况下适应脊髓的脉动；

●用于植入装置的外科手术是得到确认和安全的，并且当由本领域技术人员实施时，手术中CSF瘘管形成的危险是极小的，并且可以大概在30分钟内完成；

●装置的制造不复杂并且具有成本效益。

该技术的各方面示于图1至图14，如下面所述。

图1示意性地示出了从衬背或衬底的内表面突出的电极。可以通过在脊髓自身的目标导电路径中使电流密度最大化同时使被CSF分流的电流密度最小化，从而增加治疗的益处。如图所示，将电极接合并抵靠在脊髓表面上，其中托脚柱220在电极34的暴露部与植入衬底体222的下侧之间延伸。这可以支撑植入体偏离脊髓表面达约100μm以适应脊髓22的脉动。通过将托脚柱220的表面绝缘，可以使CSF的分流作用最小化，因为电极的暴露部将只与脊髓的软膜表面24接触，而不是与CSF自身接触。电极产生的轻柔的向内压力导致软膜表面略微向内的“凹陷”。结果，电极的有效暴露表面被包围触点的突出部的脊髓组织“密封”。小间隙将阵列的电性无源部分隔离，提供脊髓组织可随心脏脉动周期而扩张和收缩的空间。

图2示意性地示出了利用软弹性材料232柔软地安装在衬背或衬底230上的单独电极34从而允许电极弹性地相对于衬底径向地和/或侧向地浮动或移动达到至少与脊柱22的表面24的脉动一样大的距离。各电极的该运动可抑制脉动期间电极抵靠脊髓表面的滑动配合。在一些实施方案中，电极阵列直接与脊髓接合的仅有部分是电极触点。这些可用作装置的机械锚固点。它们施加足够大的压力以保持与脊髓表面的良好电接触。例如通过使电极从有轮廓的附着臂174中略微突出而对所有触点所施加的压力通常应是均匀的。此位置均在期望的位置与脊髓表面接触。触点的向外和向内运动(例如随着脉动和呼吸)被半刚性附着臂的运动所适应。

各触点是可移动的并且经由弹性或弹簧状的界面附着到衬背。各触点从附着臂中延伸出来的程度取决于在各接触位置附着臂与脊髓表面间隔的距离。各触点与附着臂之间连接的弹性性质使各触点能独立地从所述装置中突出，直到获得期望的组织接触力界面。这样，在电极触点与脊髓之间形成有效界面，即使臂与脊髓形状没有完全保持相配也如此。

如附图中所示，电极体234延伸穿过衬底230中的孔238，其中衬底是柔韧的并且具有适合于支撑薄膜电路部件的弹性。软弹性材料236跨越从衬底230到电极体的孔，其中这里弹性材料包括粘附到衬底外表面的材料片。可替代地，电极可相互相对支撑，其中衬底具有直接地跨越在电极与孔的壁之间的软弹性材料。可替代地，弹性材料可形成柱220。柔性导体(未图示)可在衬底与在弹性材料的内部或外部电极体之间延伸，其中这些导体任选地是蛇形的，具有环，或者构造成适应各电极体相对于衬底的运动。

图3和图4示出了利用导线接收来自外部源的功率和控制信号的阵列装置的部件。导线沿一个齿状韧带延伸并附着到该齿状韧带并且在延伸穿过硬脊膜的位置被密封。装置200具有延伸穿过硬脊膜21的柔性导线，其中导线优选地沿一个韧带附着臂174延伸。导线侧向地和背侧地延续，紧靠硬脊膜21的内表面，任选地由钩环、夹片、缝合线、或夹210固定。导线202可沿中线经过切口211离开硬脊膜21。通过放置卷边夹片176将具有导线的阵列附着臂174固定到齿状韧带160，而减小应变，这有助于防止导线作用于阵列上扭转，扭转可能引起对脊髓的损伤。横越硬脊膜的导线配件212可以有助于抑制导线迁移并且促进水密性硬脊膜封闭，其中在利用标准技术将大部分的切口闭合之后使导线任选地沿再逼近中线硬脊膜切开(re-approximated mid-line durotomy)而设置。压缩夹片216可以与配件214接合以帮助硬脊膜瓣相互密封在配件214的周围，也可将组织胶218放置在压缩夹片上和周围以实现封闭

图5示出了构造成以无线方式接收功率和控制信号的阵列结构元件28。微加工线圈30的圈构造成用作射频接收器，该射频接收器电感耦合到在配对的发射器元件上的对应线圈，因此使该阵列能接收功率、信息、和控制信号。电路32构成控制元件，该控制元件调节尺寸、时序和作用于电极34的刺激的分配。柔性附着臂36从中心体的任一侧延伸出，中心体通常至少部分地由上面安装有电路部件32的衬底或衬背材料形成。

图6示出了接收装置28在脊髓表面上的布置。在这种情况下，接收装置28的延伸部臂36部分地包围脊髓主体，因此轻柔地将该装置夹持在合适位置。延伸臂设置成位于背侧神经束25之间，并且不与它们接触。可将一些背侧神经束切断以适应放置。

图7示出了分别在硬脊膜21和脊髓22的表面上的发射器40与接收器28部件的相对位置的侧视图。电导线410将发射器40连接到电池和控制盒。发射器40(硬膜内功率和信号传送电路膜)与接收器28贴片通过电磁场相互电感耦合，该电磁场通过由发射器40与接收器28贴片各自表面上的绕组中的电流产生。可以通过调整电流强度来调节耦合的强度。这样，功率、信息、和控制信号可以跨越存在于硬脊膜内表面与脊髓外表面之间的CSF 26的区域。

图8示出了分别在硬脊膜21的表面和脊髓22的表面24上的发射器40与接收器28装置的相对位置的剖视图。通过将阵列直接地定位在脊髓表面上，可以驱动电极使得刺激场贯穿经过整个所研究的治疗区并且不被CSF减弱。刺激场集中有助于确保不发生侧神经束的寄生激励以及所造成的相关疼痛。在刺激区中的瞬时电场E的粗略近似值将由E＝σ/2κε₀给出，其中σ是在电极表面形成的表面电荷密度，κε₀是脊髓衬底的介电常数与自由空间的介电常数的乘积。与各单独刺激电极的几何形状相关的边端效应将修正此简单模型，因为由于同时激发一个或多个相邻电极将使场叠加。

图9是在发射器40与接收器28之间发生的感应耦合的示意图。由系统硬脊膜侧上的发射器装置所产生的功率、信息、和控制信号经过CSF液被电感耦合到接收装置，其中它们是由机载控制器操控，并且将刺激信号分配至电极。感应耦合取决于两组绕组之间的互感。

为了防止装置在脊髓脉动或受试者每日运动过程中被移动，可将装置固定到脊髓或相邻组织。此节中描述了如何通过使衬背延伸而环绕脊髓或者附着到齿状韧带来固定电极阵列。

图10示出了利用环绕式设计直接固定到脊髓22的电极阵列。将密集阵列的电极触点62嵌入从装置主体中延伸出且能够完全外接脊髓的柔性带64。将此柔性带64插入硬脊膜与脊髓之间的空间中并且轻柔地前进直到可在脊髓的相对侧可见前缘。然后，将电极带的前缘压接或扣在融合点68或者利用卷边装置66固定到主组件。柔韧带将电极触点定位在覆盖脊髓整个圆周的不间断的线性阵列中。

图11示出了用于植入的、具有环绕脊髓的延伸部的电极阵列的装置的一个实例。这里涉及品名“I-贴片施加器90”的装置。IPA 90使外科医生能保持刚性，但可逆地附着到接收器28的阵列主组件。虽然保持阵列与IPA 90的主组件的刚性附着，但外科医生可以递增的、精确受控的、和可逆的方式来定位阵列的柔韧附着臂。在把电极阵列放置在脊髓上并且柔性附着臂处在它们的最终位置之后，外科医生可以安全有效地将电极阵列与IPA分离。

在IPA 90中，稳定板94附着到杆92的端部。稳定板94是有轮廓的以便与阵列装置28的曲率相配，该阵列装置相应地是有轮廓的以便与脊髓(SC)的曲率相配。阵列主组件容纳收发器天线和控制电路并且适度地配合到IPA稳定板94中。阵列柔性附着臂36从主组件中延伸出，并且是有轮廓的从而仿效(follow)脊髓表面(S)的曲率。在插入步骤期间，这些柔性臂36的远端可以可逆地延伸以便将电极阵列放置在脊髓上。通过经过位于柔性臂终止点的眼孔96固定缝合线而实现此功能。

然后，使双股缝合线98通过一系列的岛100直到固定到具有旋钮102的缝合线张力调节杆。外科医生旋转此调节杆以调节延伸臂的构型。当把阵列插入到脊髓上时，将调节杆旋转入位置，由此实现期望程度的柔性臂延伸部。一旦阵列处在期望位置，外科医生旋转调节杆直到柔性臂返回到它们的预先成形的位置，从而实现整个阵列装置与脊髓表面的均匀、轻柔的直接接触。然后，外科医生通过切断张力缝合线而使IPA与阵列分离。轻轻地取出切断的缝合线，接着取出IPA。整个插入步骤可以在约15秒内完成。

可替代地或者另外，可将本发明的电极阵列固定到齿状韧带。这是有效的，因为齿状韧带的正常功能是将脊髓悬挂在脊髓管内部。此方法以不使机械栓系造成对脊髓损伤的方式使电极阵列稳定。

图12是人脊髓22的剖视图，显示齿状韧带160在脊髓与周围的硬脊膜之间侧向地延伸。背侧神经束162和腹侧神经束164也可从脊柱中从齿状韧带160的背侧和腹侧延伸出，其中齿状韧带通常将脊髓的左和右侧部沿硬脊膜21的内表面附着到左和右区域。在DSNicholas等人；J.Neurosurg 69:276-282(1988)和RS Tubbs等人；J.Neurosurg 94:271-275(2001)中提供了脊髓解剖结构的其它细节。

图13示出了适合于被夹持到齿状韧带的电极阵列。装置170具有被包括柔性衬底或衬背的主体172支撑的电极阵列11，其中阵列构造成与脊髓的背侧部接合。诸如柔性臂174之类的齿状韧带附着特征物从主体172的左侧和右侧侧向延伸，其中臂任选地包括与形成主体的材料相同的衬底或衬背材料。这些延伸部构造成在脊髓治疗区域的任一侧附着到左和右齿状韧带160以固定与脊髓接合的阵列11。附着臂174可以具有比阵列衬背更强的弹性，其侧向地从电极阵列中延伸出。附着臂在邻近与阵列相反的端部处可扩大到较大的宽度，或者可在这些端部处或附近具有略微突起的槽或纹理以便于将臂夹持、压接或者用胶粘剂结合到齿状韧带。插图示出了用于将臂174附着到齿状韧带160的夹具176的细节。

图14(A)和图14(B)示出了完全由高度柔性的衬背制成的装置190，从而避免在原位限制正常的脊髓脉动。在各展延性或可塑性变形的附着臂194的端部存在简单的钩子192。各附着臂194的端部直接地固定到齿状韧带160。

技术应用

当确定患者将会得益于根据本发明的装置的电刺激时，临床医生将会首先将装置植入脊髓上。通过使脊柱成像和/或进行神经学研究，可预先确定位置，然后选择将会传送期望益处的位置。通过使电极阵列与脊髓的区域相配以便电极直接地接触脊髓，然后将该装置固定在合适位置，从而将该装置植入。一旦被固定在合适位置，在手术封闭后它仍然与脊髓接触，尽管有脊髓的正常脉动和移动性和患者在普通日常活动中的运动。装置的固定优选地是可逆的，以便之后在需要时可以取出该装置或者重新定位，同时造成对组织的最小损伤。

在所述装置包括构造成附着到齿状韧带的延伸部的情况下，可以如图7中所示布置该装置。将阵列170放置并且居中于脊髓的暴露的背侧柱上。任选地，可将少量的神经束切断以形成用于附着臂的空间。可以将各附着臂的扩张端部悬挂在脊髓任一侧上的齿状韧带上。在患者处于倾斜位置时，重力导致在背侧脊髓上的阵列的带电极部分的轻柔的配合。重力影响将不会闭塞表面血管。利用微夹片176或者其它固定或卷边装置将附着臂固定到齿状韧带。由于齿状韧带薄的、网状性质，因此宽阔的附着表面是有利的。简单地将该装置悬挂在背侧脊髓表面和齿状韧带上并且固定。

一旦装置处于合适位置，可利用它将电刺激传输至脊髓的目标区域。电刺激通常包括预先确定或凭经验确定的电脉冲的模式，从而为患者提供期望的益处。刺激可用于抑制疼痛的感觉，或者抑制非期望的或对患者是破坏性的症状或感官输入。这可在诸如帕金森氏病、脊髓损伤、或充血性心力衰竭等疾病中发生。可响应于反馈数据利用该装置以本构方式向脊髓提供刺激，或者该刺激可以经受患者的有意识控制。

本公开中引用的各个和每个出版物和专利文件的其全部内容以参考的方式并入本文中用于所有的目的，其引用程度与将上述各出版物或文件被具体和单独地指明为以参考的方式并入本文中这样的程度相同。

虽然已参考具体实施方式描述了本发明，但可以作出变化并且可以用等同方案代替以适应于具体上下文或者预期用途，由此在不背离申请专利所主张的保护范围的前提下获得本发明的益处。

Claims (28)

1.一种用于刺激受试者的脊髓从而抑制疼痛传导的装置，该装置包括：

a)构造成与硬脊膜内部的脊髓的软膜表面的区域相配的柔顺衬背，所述衬背具有内表面和外表面；

b)沿所述衬背的内表面排布的多个电极；和

c)电路，其用于通过所述多个电极将电刺激传输至所述脊髓，其中所述电刺激包含以足够高频率交替变化的电位以便促进随机去极化，由此使脊髓内部的感觉神经元对在所述脊髓内部产生的同步动作电位的传输是耐受的。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述高频率为500至50,000赫兹。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述高频率为1,000至9,000赫兹。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述电刺激包括按照非均匀模式变化的电位。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述电刺激包括以随机间隔变化的电位。

6.如权利要求1所述的装置，包括将所述电刺激传输至所述脊髓的10个或10个以上电极的阵列。

7.如权利要求6所述的装置，构造成使得通过所述阵列中的不同电极传输不同的刺激。

8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，还包括用于将所述装置固定到脊髓或相邻组织使得所述电极保持与所述脊髓的软膜表面的直接接触的构件，从而防止所述装置在脊髓脉动或受试者每日运动过程中被移动。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述装置的衬背被延伸，从而将其构造成环绕脊髓或者附着到脊髓的齿状韧带。

10.如权利要求1至7中任一项所述的装置，还包括用于对通过所述脊髓的同步动作电位的传输进行监测的构件、和用于调节所述电刺激从而进一步抑制同步动作电位通过所述脊髓的传输的构件。

11.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其用于促进脊髓内部感觉神经元的随机去极化。

12.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其用于抑制所述受试者的疼痛感觉。

13.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其用于抑制所述受试者的帕金森氏病、脊髓损伤、或充血性心力衰竭的症状。

14.一种用于刺激受试者脊髓从而抑制疼痛传输的系统，该系统包括：

a)构造成与硬脊膜内部的所述脊髓的区域的表面相配的植入式信号接收器，所述接收器具有构造成电联接到所述区域中相应位置的多个触点；和

b)信号发生器，其包括被编程生成以500Hz以上的频率脉冲的电刺激信号的微处理器，由此促进所述脊髓内部感觉神经元的随机去极化；

其中所述接收器构造成接收来自所述信号发生器的信号，并且将所述信号传递至在所述脊髓的所述区域中的相应位置，由此使所述脊髓内部的感觉神经元对在所述脊髓内部产生的同步动作电位的传输是耐受的。

15.如权利要求14所述的系统，还包括用于将所述信号接收器固定到脊髓或相邻组织使得所述触点保持与所述脊髓的软膜表面的直接接触的构件，从而防止所述信号接收器在脊髓脉动或受试者每日运动过程中被移动。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述信号接收器具有衬背，所述衬背被延伸，从而将其构造成环绕脊髓或者附着到脊髓的齿状韧带。

17.如权利要求14至16中任一项所述的系统，还包括用于对通过所述脊髓的同步动作电位的传输进行监测的构件、和用于调节所述电刺激从而进一步抑制同步动作电位通过所述脊髓的传输的构件。

18.一种用于对易受沿脊髓传输的有害神经信号影响的受试者的脊髓进行刺激的系统，该系统包括：

a)包括构造成与脊髓的区域相配的柔顺衬背、和设置在所述衬背的内表面内的电刺激表面的电刺激装置，所述电刺激装置构造成植入所述受试者的硬脊膜内部以便所述刺激接合所述脊髓；

b)联接到所述电刺激表面的信号发生器，所述发生器构造成向所述电刺激表面提供能量从而以500至50,000赫兹的频率将来自电刺激表面的电刺激直接施加到所述脊髓，以促进随机去极化并抑制明显的由刺激引起的感觉异常。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述频率为1,000至9,000赫兹。

20.如权利要求18所述的系统，其中所述电刺激包括按照非均匀模式变化的电位。

21.如权利要求18所述的系统，其中所述电刺激包括以随机间隔变化的电位。

22.如权利要求18所述的系统，包括将所述电刺激传输至所述脊髓的10个以上电极的阵列。

23.如权利要求22所述的系统，构造成使得通过所述阵列中的不同电极传输不同的刺激。

24.如权利要求18至23中任一项所述的系统，还包括用于将所述装置固定到脊髓或相邻组织使得所述电刺激表面保持与所述脊髓的软膜表面的直接接触的构件，从而防止所述装置在脊髓脉动或受试者每日运动过程中被移动。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述装置的衬背被延伸，从而将其构造成环绕脊髓或者附着到脊髓的齿状韧带。

26.如权利要求18至23中任一项所述的系统，还包括用于对通过所述脊髓的同步动作电位的传输进行监测的构件、和用于调节所述电刺激从而进一步抑制同步动作电位通过所述脊髓的传输的构件。

27.如权利要求18至23中任一项所述的系统，其用于抑制所述受试者的疼痛感觉。

28.如权利要求18至23中任一项所述的系统，其用于抑制所述受试者的帕金森氏病、脊髓损伤、或充血性心力衰竭的症状。