CN104968260B - 具有用于确定阻抗和基于所述阻抗选择刺激的构件的可植入刺激器 - Google Patents

具有用于确定阻抗和基于所述阻抗选择刺激的构件的可植入刺激器 Download PDF

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Abstract

公开了用于确定具有植入的神经刺激器的患者的姿势，和基于所确定的姿势调整将要由神经刺激器传送的刺激的电路。在神经刺激器的电极(140)处进行患者的组织的阻抗测量(130)。所述阻抗测量可以与刺激疗法交错进行并用于确定阻抗指纹(150)。该阻抗指纹可以与特定的刺激程序相关联的、存储的阻抗指纹相比较。当测量的指纹与存储的指纹相匹配时，自动地选择与该存储的指纹相关联的刺激程序用于患者治疗。当遇到不同的测量指纹时，可以获悉和存储对于该指纹的新的刺激程序，刺激参数为由患者选择的、用于确定指纹的那些。

Description

具有用于确定阻抗和基于所述阻抗选择刺激的构件的可植入 刺激器
交叉引用相关申请
本国际申请要求于2013年9月11日提交的美国专利申请序列号14/024276，以及于2012年12月7日提交的美国临时申请序列号61/734629的优先权，这两者都通过引用并入本文。
发明领域
本发明涉及可植入刺激器设备，如脊髓刺激器。
背景技术
可植入刺激设备是对神经和组织产生和递送电刺激以治疗各种生物学病症的设备，例如治疗心律失常的心脏起搏器，治疗心脏纤维性颤动的除颤器，治疗耳聋的耳蜗刺激器，治疗失明的视网膜刺激器，产生协调的肢体运动的肌肉刺激器，治疗慢性疼痛的脊髓刺激器，治疗动力和心理障碍的皮质和脑深部刺激器，和治疗尿失禁、睡眠呼吸暂停、肩半脱位等等的其它神经刺激器。以下描述将大体上集中于在脊髓刺激(SCS)系统内使用本发明以治疗下腰痛，诸如在美国专利6516227中公开的。然而，本发明可适用于任何可植入刺激器设备。
如图1A-1C所示，SCS系统通常包括可植入脉冲发生器(IPG)10，其包括由例如导电材料(诸如钛)形成的生物相容的设备壳体12。壳体12通常持有IPG发挥功能所必需的电路和电池14(图2B)，尽管IPG还可以通过外部RF能量供电而无需电池。IPG 10经由一个或多个电极引线18连接到电极16，使得电极16形成电极阵列。电极16装在柔性体20上，柔性体20还容纳连接到每个电极的单独的信号线22。在所示的实施方案中，引线18上有八个电极，标记为E1-E8。然而，引线上电极的数量以及引线的数量是应用特有的因此可以变化。引线18用引线连接器24连接到IPG 10，引线连接器24被固定在非导电的标题材料26中，非导电的标题材料26可包括例如环氧树脂。
如图2B的横截面所示，IPG 10通常包括电子基板组件，所述电子基板组件包括含有各种电子元件32的印刷电路板(PCB)30。两个线圈(更通常地，天线)通常存在于IPG 10中：用于发送数据到外部控制器50/从外部控制器50接收数据的遥测线圈34；利用外部充电器充电或者再充电IPG的电池14的充电线圈36(未示出)。(图1B示出壳体12被移除的IPG 10以容易地观察两个线圈34和36)。
图2A示出外部控制器50的平面图，并且图2B示出与IPG 100相关的外部控制器50，外部控制器50与IPG 100通信。示出外部控制器50为传统的手持患者控制器，尽管其也可以包括在临床医生的办公室中常用的临床医生编程器。(如本领域的技术人员所理解的，临床医生外部控制器可能看起来不同并且通常包括计算机)。外部控制器50用于发送数据到IPG10和从IPG 10接收数据。例如，例如，外部控制器50可以发送诸如治疗设置的编程数据到IPG 10以指示IPG 10将提供给患者的治疗。另外，外部控制器50可以充当来自IPG 10的数据的接收器，诸如报告IPG的状态的各种数据。
如图2B所示，外部控制器50，如IPG 100，还包含PCB52，在其上放置电子元件54以控制外部控制器50的操作。外部控制器50由电池56供电，但也可以通过例如将其插入墙壁电源插座供电。
外部控制器50通常包括与便携式计算机，手机，或其他手持电子设备的用户界面类似的用户界面60。用户界面60通常包括可触摸按钮62和显示器64，其允许患者或临床医生发送治疗方案到IPG 10，以及查阅IPG 10报告的任何有关的状态信息。
IPG 10和外部控制器50之间的无线数据传输优选通过感应耦合发生。这通常利用公知的频移键控(FSK)协议发生，其中逻辑“0”位被调制在第一频率(例如，121kHz)，和逻辑“1”位被调制在第二频率(例如，129kHz)。为了实现这种通信，IPG 10和外部控制器50分别具有通信线圈34和58。任一线圈均可以充当发送器或接收器，因此允许这两个设备之间的双向通信。该通过感应耦合的通信手段是经皮的，这意味着它可以通过患者的组织70发生。
如图3中的横截面所示，SCS应用中的引线18通常插入到患者脊髓内的与硬脑膜82接近的硬膜外腔80内。引线18的近端部分穿过患者通道，在那里它被连接到IPG 10的导线连接器24，其被植入在稍微远离引线的位置，诸如植入在患者的臀部的上部中。通常在SCS应用中，有两个引线植入在脊柱的左侧和右侧，以便刺激治疗可通过IPG 10从硬脑膜82输送到左和右分支神经。但是，为了简化，只有一个这种引线示于图3中。
一旦植入，通常使患者进行拟合过程以确定有效的治疗来治疗患者的症状。这通常发生在临床医生的办公室中，并且可能是稍微有些试验性质的。(在外部试验刺激阶段中全面植入IPG 10之前也可能发生一些方面的拟合，例如在美国专利公开2010/0228324中讨论的)。
一般而言，拟合过程中，IPG 10施用各种刺激参数以确定什么感觉最适合患者，然后这样的刺激参数可被存储在IPG 10中作为刺激程序。刺激参数可包括引线18上的哪些电极16是有源的(active)，有源电极(active electrode)的极性(即，无论它们用作阳极(电源)或阴极(电流吸收器))，有源电极上施加的电流脉冲的幅度(其可以包括电压或电流幅度)，脉冲的持续时间，脉冲的频率，以及其它参数。这些刺激参数可以通过外部控制器50(临床医生编程器或手持患者控制器，其与IPG 10中的遥感线圈34无线通信以改变和存储IPG 10中的参数)改变。在由临床医生设定刺激程序，并且患者已经离开临床医生的办公室之后，患者可以利用他的手持患者控制器改变该程序的刺激参数。
本领域已经认识到，患者可能受益于在不同的时间使用不同的刺激，特别是根据患者的体位或活动。这是因为引线18的位置可以随着患者改变移动，例如从仰卧(卧病在床)，到站立，到俯卧(趴在床上)，而在硬膜外腔50中移动。这由图3中的箭头示出。可以看出，当患者移动时，电极16和硬脑膜82之间的距离可以改变。这种距离改变可以保证治疗的改变。
在现有技术中，患者体位或活动的这种改变由IPG 10中的加速计感测。众所周知，加速计可通过评估重力检测其在三维(3D)空间中的位置，因此可以检测其所植入的患者的三维位置。根据该技术，当改变体位时，稍微减轻了患者手动调整他的刺激参数的义务，因为IPG可以识别身体体位的变化并且记住所需刺激的水平。因此，在现有技术中，当患者改变体位时IPG 100可感测；从以往的经验中获悉并记住患者的最近的对该体位的舒服设定；并且通过自动调整刺激对患者为该体位所选择的设定作出响应。
附图说明
图1A-1B示出可植入医疗设备，具体来说可植入脉冲发生器(IPG)的不同视图。
图2A-2B示出用于与IPG通信的外部控制器。
图3，图4A和4B示出定位在患者的脊髓内的硬膜外腔中的电极引线，并显示引线的定位如何可以基于患者的体位而改变。
图5示出了根据本发明的实施方案的用于测量IPG的两个电极之间的阻抗的阻抗监测电路的图示，包括阻抗算法。
图6示出阻抗算法可以如何将阻抗测量编译到指示各种电极组合之间的组织阻抗的阻抗指纹内。
图7示出对给定电极组合的图6中的阻抗测量如何以超过一个的频率进行的实施例。
图8示出阻抗算法如何与包括已知阻抗指纹的指纹数据库和指示患者体位的相关联的刺激程序接口，以及如何与包括测量的指纹的指纹日志(log)接口。
图9A和9B示出与包括阻抗监视电路的IPG通信的外部控制器的显示器，以及示出用户如何查看和重新命名由IPG识别的体位，并且如何改变与识别的体位相关联的刺激程序。
图10A和10B示出在刺激程序的操作过程中如何以及何时可以进行包括阻抗指纹的阻抗测量。
详细说明
本发明人看到利用IPG中的加速计感测患者体位并由此确定用于患者的适当的刺激程序的基于现有技术的方法的缺点。举例来说，现有技术没有考虑到除了加速的(例如，重力的)力之外的力可能以指示体位从而影响治疗的方式冲击患者。这可能导致误导关于患者体位的误导的假设。例如，IPG中的加速计可能得出结论：患者俯卧和患者站立但向前弯身处于相同的体位，而现实并非如此。同样，加速计可能得出结论：患者站立起来和患者坐下处于同一体位，这也是不正确的。
本发明人将这种区别视为显著，特别是当意识到引线18上的电极的定位可以以不可预测和不均匀的方式相对于硬脑膜82变化时。考虑图4A和4B。在图4A中，假定患者俯卧，其结果是引线18已大体上以恒定距离d，沿其整个长度移离硬脑膜82。与此相反，在图4B中，假定患者站立但向前弯身。当患者以这种方式弯曲时，硬膜外腔80和硬脑膜82也将弯曲而引线18保持相对直，其结果是电极和硬脑膜80之间的距离不是恒定的，一些电极较近并且一些较远。此外，当患者弯曲时，引线18也可以在硬膜外腔80中横向移动，如图4B中的箭头所示。这也改变了电极相对于硬脑膜50的定位。例如，考虑引起患者疼痛并且需要神经刺激的神经分支84。在图4A中，电极E2的活化将最有可能复原和治疗神经分支84。然而，图4B中的引线的横向移动现在使电极E1更接近神经分支84，这表明激活该电极而不是E2将为患者提供最佳治疗。
尽管这些体位的差异，基于加速计的方法可以确定图4A和4B中的患者体位是一样的，因此，可以得出结论：单一刺激程序对于这两种体位是合适的，当在现实中时，对于每个体位的不同的刺激程序可能是有益的。
当认识到这一事实，发明人确定患者的体位，从而确定什么刺激程序是有效的方法取决于在电极处进行的测量。具体地，并且如将在下面进一步详细讨论的，在电极处进行患者的组织的阻抗测量，该测量可以包括在不同的频率下进行的复阻抗测量(幅度和相位)。这种阻抗测量，其可以与刺激治疗交叉进行，用于确定“阻抗指纹”。该指纹可以与IPG中存储的其他已知指纹比较，该已知指纹与特定刺激程序相关联。当测得的指纹与IPG中存储的指纹匹配时，自动选择与所存储的指纹相关联的刺激程序用于患者的治疗。如果为给定体位改变刺激程序，那么这种改变将与其相关的指纹一起存储从而记住这些改变以用于下一次患者处于相关体位。此外，随着与所存储的指纹不匹配的新的指纹被测量，通过在遇到这种指纹时记住患者所选择的刺激参数，IPG可以获悉并为这种新的指纹存储新的刺激程序。因此，随着刺激发生，以及随着患者度过他的一天，IPG可以“在运行时(on the fly)”获悉新的体位和新的刺激程序。
讨论技术的细节之前，根据该技术的可以用在IPG 10中的阻抗监测电路100的实施例在图5中公开。为了简化，电路100只示出为用于单个电极E，但是这种电路可在实际实施中被复制或共享，使得可以监测所有电极上的阻抗。所描绘的阻抗监测电路是能够实施阻抗测量的电路的一个实施例，而不应被视为具有限制意义。
电极E相对于另一参比电极，Ref而示出，该参比电极(如随后将讨论的)可以包括引线18上的另一电极或者IPG导电壳体12(图1A)。介于电极和参照之间的患者的组织作为R-C网络建模102，具有并联的电容器C和电阻器R1，并且该并联的组合耦接至串联电阻器R2。一般而言，组织液由R2建模，而组织中的细胞膜由C和R1的并联连接建模。组织模型102可以用不同的电阻和电容进一步细化，以更好地适应组织的现实环境，但简单的三组件模型102用于说明的目的。借助于电容，组织的阻抗Z将是复杂的，如图5中的方程式所示。因此，响应于穿过组织的恒定AC电流在整个组织产生的AC电压V将相对于电流相移(θ)，如波形中所示。
在一个实施例中，用于阻抗测量的测量信号由AC恒定电流源105提供。产生的电流的幅度|I|和频率f由微控制器110中操作的阻抗算法120控制，该算法将在下面进一步详细讨论。微控制器110可以包括通常在IPG 100中或者更一般地说任何逻辑电路中存在的任何已知的中央处理器或者控制器。整个电流源的电压降可以由恒流制输出电压调节器(compliance voltage regulator)115，其用于产生足以提供所需的电流I而无载荷的恒流制输出电压V+，并且以考虑来自IPG的电池14的功率损耗的有效方式进行监测。合适的恒流制输出电压调节电路115可在于2012年6月1日提交的美国专利申请序列号61/654606中找到，其通过引用并入，并且假设读者熟悉。通常，用于阻抗测量的恒定电流的幅度|I|将远远低于用于治疗电流的典型幅度，因此将不被患者察觉。例如，|I|的范围可以从1微安到100微安。电流源105，取决于其复杂性，也可用于对患者产生治疗性刺激脉冲(参照图10)，或者可以与用于产生刺激脉冲的源分开。
在微控制器110中操作的阻抗算法120的控制下进行组织阻抗的监测，该算法，如将在后面进一步讨论的，可以在IPG 10对患者提供刺激的同时操作。在测量的适当的时间，阻抗算法120将测量信号I的幅度|I|和频率f发送到电流源105。然后在模拟到数字(A/D)转换器125中数字化响应于测量信号I产生的电极E上的所得AC电压V，模拟到数字(A/D)转换器125以适当的速度(例如每10度)和适当的次数(诸如超过180度)采集电压以允许阻抗算法120辨别相对于电流的波形的幅度|V|和相位θ。(这里假定该阻抗算法120凭借其对电流源105的控制理解电压和电流之间的相对相位θ，然而，如果必要的话，还可以监测电流I的相位，并且与相位检测器的电压比较，从而为阻抗算法提供相对相位θ)。
一旦阻抗算法75已经确定电压幅度|V|和相位θ，组织的复阻抗Z可以基于阻抗算法75的电流幅度|I|的先验知识计算。具体地，并且如图5中的等式所示：
Z＝V/I＝|V|/|I|*E-Jθ＝|Z|*E-Jθ
其中阻抗的幅度|Z|包括电压的幅度和电流的幅度之间的比率(即|Z|＝|V|/|I|)。阻抗算法120在给定频率下存储阻抗130的幅度|Z|和相位θ。这种存储可以在微控制器110中的存储器内，或者在与微控制器相关并且由微控制器控制的独立的存储器内。在优选的实施方案中，阻抗测量130可以以其他频率在电极E上重复，从而允许新的幅度|Z|和相位θ被确定并存储，如下面进一步讨论的。
图6示出如何通过阻抗算法120编译和处理这种阻抗测量130以确定该组织的阻抗指纹150。对于其阻抗被测量的任何特定的电极，不同的电极可充当参比电极(Ref；图5)。例如，在电极组合140a中，导电壳体12相对于每一个测量电极充当参比电极(例如，接地)。可以理解的是每个电极的阻抗是相对于与系统接地类似的某物，其中大壳体电极基本上在患者的组织的相对导电环境中提供。
在电极组合140b中，相对于每个电极的相邻物(E2相对于E1，E3相对于E2等等)测量其阻抗，因此这种相邻物充当参照。这是可取的，因为电极可以具有到相关结构的不同距离。例如，并且再次参照其中组织相对于引线18弯曲的图4B，如果硬膜外腔80和硬脑膜82的阻抗不同，则可以预期E4和E3(其相对接近硬脑膜82)和电极E8和E7(其相对远离硬脑膜)之间的阻抗将显著不同。简而言之，由电极组合140a和140b所提供的组合信息应该提供相对于电极的组织阻抗的可靠评估。然而，其他的电极组合也是可能的，并且更多数量的电极组合阻抗测量会增加所得指纹的解析度(resolution)，并因此增加了最终基于体位变化自动选择适当的刺激程序的可能性。此外，电极组合140还可以包括多于仅仅一对的两个电极，并且反而可以包括由三个或更多的电极限定的更复杂的组织网络之间所进行的阻抗测量。
在不同的频率下进行测量允许阻抗算法120计算有待确定的组织模型102中的两个电极之间的各种组件R1，R2和C的值。因为组织模型102包含三个未知值，测量是在至少三个频率下进行，因此得出方程组，阻抗算法120可以由其推断出给定的电极组合140之间的R1，R2，和C。
图7示出了三个这种测量的简单实施例，这三种测量以低，中间，和高的频率(f低，f中间，和f高)进行，并假设无去耦电容器103(图5)包括在测量中。(下面进一步讨论去耦电容器103)。该模拟假设R2＝100欧姆，R1＝900欧姆，且C＝1μF，虽然可能需要实验以确定更指示患者的实际组织的值。如果f低的频率足够小(例如，数十赫兹)，那么电容器C可以被假定是组织模型102中的开放电路，这意味着所测量的阻抗幅度(|Z|低)由R1和R2的总和支配。同样地，如果f高的频率足够高(例如，几十千赫)，那么电容器C可以被假定是短路，意味着所测量的阻抗幅度(|Z|高)由R2独自支配。换句话说，可以仅仅使用在这两个频率下的阻抗幅度确定或者至少估计R1和R2的值。第三阻抗测量，f中间，在一些中间频率下进行，其可以是实验所教导的导致阻抗幅度是预期的最大幅度的约一半(例如，1/2(R1+R2)的测量。该第三测量呈现|Z|中间和θ中间的阻抗，然后可以用于确定电容器C的值。具体地，并且利用列于图5的等式：
|Z|int*e-jθint＝R2+(R1/(1+R1*Cj2πf中间))
它可以求解C。然而，这种简单的方法，由此R1和R2可以通过对电容进行简单假设而确定，不是绝对必要的。可以使用在任意的三个频率下的测量，导致方程组，由此R1，R2，和C可从(|Z|1，θ1，f1)，(|Z|2，θ2，f2)和(|Z|3，θ3，f3)求解。
虽然此处特定的组织模型102假设三个未知值，然而其他或多或少复杂的组织模型102可以存在，保证不同数量的最小频率测量以允许这些模型中的值被求解。纳入在多于最小数量的频率下的测量允许未知的组织模型值以增加的可靠性来确定。在一个实施例中，阻抗测量可以在约20赫兹到50千赫的频率范围内进行。
本领域已知的是可植入神经刺激器连接去耦电容器103(图5)以刺激电极防止DC电流直接注入患者组织内，这可能是安全问题。如果存在的话，这种去耦电容器103可以被包括在阻抗测量中，得到总测量阻抗
|Z|*e-Jθ＝(2/Cdej2πf)+R2+(R1/(1+R1*Cj2πf))
其中，(2/Cdej2πf)包括两个去耦电容器103的串联阻抗。由于去耦电容器的电容Cde是已知的,它们将不会影响通过在三个不同的频率下测量辨别R1，R2和C的未知组织值的能力。(但是请注意，在阻抗测量中纳入去耦电容器103不允许在高频和低频下的R1和R2的简单近似，如图7所示)。
再次参照图6，一旦阻抗算法120已经为每个电极组合140计算出组织模型值(R1，R2和C)，合起来的这些值包括阻抗指纹(FP)150。虽然指纹150包括组织模型102中的电子组件的已求解的值是有益的，然而这不是绝对必要的。相反，指纹150可以由指示各种电极组合140的复阻抗的任何其它合适的指标(metric)或多个指标(metrics)组成。例如，对于任何给定的电极组合140的阻抗指纹150的部分可以包括在各种频率下测量的原始阻抗幅度和相位(|Z|，θ)，或者不能求解组织模型值的该原始信息的一些其他处理。实际上，因为它不是严格地需要求解组织模型值，因此不是严格地必需指纹150包括在任何特定数量的频率下采集的信息。经验可能教导在单一频率下测量的复阻抗可以足以可靠地辨别患者体位。此外，阻抗指纹150可涉及处理每个电极组合的阻抗测量或组织模型值，其合在一起成为新的指标。
阻抗指纹150由阻抗算法120存储在指纹数据库200中，如图8所示。指纹数据库200，如阻抗测量130，可以存储在IPG 10中的任何合适的存储器中。数据库200中的指纹150均与刺激程序(SP)160相关联，其可以在拟合过程中由临床医生确定，或者其可以是在运行时获悉到的新的指纹，如下面讨论的。
在图8的示出的实施例中假定刺激程序SPa-SPf将在拟合过程中确定。例如，临床医生会要求患者站立，然后使用外部控制器50指示IPG 100采集和存储阻抗指纹150(FPa)。仍然站立时，临床医生将使用外部控制器50调整刺激参数-其再次可以包括哪些电极是有源的，有源电极的极性，对有源电极施加的电流脉冲的幅度、持续时间和频率，或其他参数中的一种或者多种-从而确定为处于直立状态(SPa)的患者提供期望的治疗的刺激程序160。指纹(FPa)和刺激程序(SPa)然后在指纹数据库200中相关联。此后，临床医生将使患者采取新的体位，并重复上述步骤，以确定各种指纹(FPx)和刺激程序(SPx)并在指纹数据库200中存储和关联它们。
在拟合过程中用体位相关的指纹150和相关联的刺激程序160预填充指纹数据库200不是严格必需的，因为系统可以在运行时获悉和存储新的指纹和刺激程序，如下面进一步讨论的。据说在拟合期间获悉的指纹和确定的指纹两者都一旦存储在数据库200中就被预确定。
应当注意的是，存储在指纹数据库200中的指纹150可能不时需要更新。当人们认识到IPG 10和引线18周围的生理可能在其使用寿命的过程中发生变化时，这种更新是非常有用的。例如，疤痕组织可能围绕引线18上的电极16或壳体12发展，或者引线18可随时间沉降到硬膜外腔80中的特定位置，任何一种情况都可能需要改变数据库200中的指纹150。因此，应该理解的是数据库200中的指纹150将不时被更新，无论是在如上所述的临床医生的办公室，或在患者的控制下。例如，当更新存储在数据库200中的各种指纹是合理的时，可以控制IPG 10中的微控制器110以传送到外部控制器50，也许每半年左右。当外部控制器50如此通知患者时，可以编程外部编程器50的用户界面60以使患者通过于上述类似的拟合过程，从而允许新的阻抗测量在由数据库200理解的不同体位中进行，以及更新与这些体位相关联的存储的指纹150。然而，如果在运行时指纹被获悉和存储在数据库200中，那么指纹数据库200的这种周期性重新拟合和预填充不是严格必要的，如下面进一步的讨论。
数据库200可以可选地存储体位的文本描述170，其再次可以由临床医生在拟合过程中输入到外部控制器50中。这可用于允许外部控制器50查询在指纹数据库200中存储的各种体位。例如，通过传送当前运行的刺激程序160的文本描述170到外部控制器50，患者可以验证该程序符合患者的实际体位。在外部控制器50显示体位的文本描述170也可以用于允许患者修改该刺激程序，或选择不同的刺激程序，如图9A中的外部控制器50的示例显示器64所示。在优选的实施方案中，如果患者操纵外部控制器50的用户界面60来为IPG 10中当前工作的刺激程序160修改任何的模拟参数时，如由用户选择66识别的，那么指纹数据库200中的刺激程序160将由新的参数自动更新从而当IPG 10感测与该刺激程序160相关联的指纹150时这些新的参数将被应用。这允许IPG10基于患者反馈来获悉用于刺激程序的新参数。
一旦指纹数据库200已被以这种方式填充或更新，阻抗算法120仅需要不时地进行指纹测量，如果可能的话使它们与存储在数据库200中的那些相匹配，并从数据库200选择相关联的刺激程序160以提供患者治疗。在这点上，如图8中所示，测得的指纹180可以存储在与时间戳(timestamp)，和(任选地)当时运行的刺激程序190相关联的指纹日志210中。之前的日志210可以存储在IPG10中的任何合适的存储器中。虽然所公开的技术只严格地需要存储当前测量的指纹180，但是在日志210中存储带时间戳的指纹历史将允许阻抗算法120可能识别数据库200目前未知的新的体位，如下面进一步的解释。日志210可能容量有限从而只存储合理数量的指纹测量180，例如，在过去的一天中发生的那些。
在给定的时间(例如，t3)，阻抗算法120确定日志210中当前测量的指纹180(例如，FPc)。如果阻抗算法120可以使该测量指纹180和存储在数据库200中的指纹150(例如，FPc)匹配，那么阻抗算法120会导致与数据库200中的FPc相关联的刺激程序SPC施加到患者。如果阻抗算法120不能使测量指纹180和数据库200中的指纹150匹配，那么阻抗算法120可以对改变当前施加给患者的治疗不采取任何行动。或者，未识别的测量指纹180，一旦在运行时获悉，可以存储在数据库200中并且与适当的刺激程序相关联，如在接下来的段落中描述的。本领域的技术人员将明白，使日志210中的测量的指纹和数据库200中存储的指纹150匹配可能需要在一些误差范围内可接受的比较，因为不能期望任何给定的测量指纹180将精确地匹配在数据库200中存储的指纹。例如，在两个指纹180和150中的所有值(R1，R2，C)在20％内匹配，或者它们的85％在10％内匹配，或者基于常规实验和经验数据可能合适的这种其他统计指标可能是足够的。
指纹数据库200中的其他体位，如“体位1”，可能目前是未知的，但可以基于IPG100在运行时获悉的新的阻抗指纹确定。前面讨论过的指纹日志210是在这方面是有用的。阻抗算法120可以不时地检查日志210中的指纹测量180以看出是否特定的指纹以相关的频率发生。例如，假设特定的患者喜欢右侧卧-在拟合过程中未提及的体位-睡觉。阻抗算法120可注意到与日志210中的该体位相关联的测量指纹180(例如，FPg)，其经常发生但是对于阻抗算法120是未知的，因为其不与存储在数据库200中的任何指纹150匹配。当评估测量指纹180以确定其发生的频率时，不能假定日志210中的任何两个(或者更多个)测量指纹180将精确地匹配，而且再次地阻抗算法120可能需要使用统计指标来作出该确定。
当可预测但未知的指纹(例如，FPg)存在于日志210中时，阻抗算法120可以确定新的体位，并且可以添加该新的指纹(或许在它不同地出现在日志180中的情况下作为平均)到数据库200中。如果该测量指纹180与日志210中的(多个)刺激程序190相关，该刺激程序可能是由于患者的变化引起，那么相关联的(多个)刺激程序190的一些指示也可以被存储在数据库200中。
例如，如果与FPg相关联的刺激程序在日志210中不统一(例如，SPw-SPz)，那么阻抗算法120可以以某种方式将它们平均以确定和存储与数据库200中的FPg相关的单一刺激程序(SPg)。或者，阻抗算法120可简单地在日志210中存储与数据库200中的FPg相关联的最新的刺激程序(例如，SPz，其可以简单地默认为在前刺激程序SPd)。如果日志210的回顾导致没有有关与新的指纹相关联的刺激的重要信息-例如，如果在遇到新的指纹时SPw-z没有指示患者的一些变化超过所施加的最新刺激程序-那么SPg可以简单地与系统默认值(default)或者数据库200中的目前待定的刺激参数相关联。一旦在数据库200中输入，当处于该体位时，即，当FPg目前正在由IPG 10施加时，与新指纹FPg相关联的刺激程序SPg可以基于患者修改刺激参数进行更新，如前面所解释的。
此后，一旦新的指纹FPg由日志210中的阻抗算法120识别和获悉并且存储在数据库200中，当遇到现在预确定的该指纹时，IPG 10可以自动将治疗转换成其在数据库200中的相关程序(SPg)，即使IPG 10基于拟合没有患者体位的先验理解。如果体位的文本描述170提供在数据库200中，那么IPG 10可以给这种新的和未确定的体位(即“体位1”)分配普通文本描述。
在未来的某一时刻，IPG 10可以尝试与外部控制器50进行通信以通知患者新的体位已被确定，并且允许患者命名该新体位。这在图9B中示出。如图所示，外部控制器50的显示器64确定，患者的当前体位通常被描述为“体位1”，并且允许患者将该体位的描述重新命名成每个用户选择67均对患者有意义的某物，例如，“右侧”。如果该文本描述由患者更新，那么外部控制器50将遥测发送该新的文本描述170到数据库200以覆盖为相关存储的指纹150(FPG)在数据库200中临时分配的“体位1”占位符。如果患者不选择更新每个选择67的文本描述，那么对患者治疗没有后果：阻抗算法120仍然可以基于其对指纹FPg的检测改变刺激程序，包括与其关联的刺激程序160内捕获的任何患者修改。
未知的指纹FPg被确定以及最终与指纹数据库200中的刺激程序SPg相关联的上述实施例说明前面描述的拟合过程并非绝对必要-也就是说，没有必要用在已知体位下采集的指纹和在已知的患者体位下采集的相关刺激程序预填充数据库200。正如患者右侧卧睡眠对于IPG 10最初是未知的，图8中表示的所有体位可以是未知但是最终被发现的。例如，阻抗算法可能会注意到，与站立的患者相关联的指纹经常发生(FPa)，并且随着时间的推移-以及处于该姿势时基于刺激参数的患者调整-可以最终获悉和存储刺激程序(SPa)以关联于数据库200中的该指纹。因此，阻抗算法120可完全自填充指纹数据库200从而允许IPG10获悉对于给定的测量阻抗指纹来说哪些刺激程序最适合患者。
即使生理变化(疤痕)最终导致所获悉的指纹的变化，这样的变化可以被跟踪和自动更新。例如，与站立姿势相关联的初始指纹FPa可能随时间变化，在这种情况下，阻抗算法120将认识到这种变化，并且可能最终为该姿势确定新的指纹(例如，FPh)，其被存储在指纹数据库200中并且与其刺激程序相关联(例如，SPh)。对于这个姿势的较早的指纹FPa可能因此随着时间的推移变得毫无意义，在这种情况下，它将永远不会匹配当前测量的指纹，并且因此与其相关的刺激程序SPa将永远不会被阻抗算法120选择用于患者治疗。在这方面，阻抗算法120可以监测数据库200中的指纹200与当前正在测量的那些匹配的频率，如果一段时间内特定指纹未被匹配，那么阻抗算法可能从数据库200最终删除此类现在没有实际意义的指纹和其相关联的刺激程序。
所公开的技术因为其依赖电测量是进一步有利的，这意味着可以根据影响电极阻抗的任何因子调整治疗，不论是否基于患者的体位。在这方面，“体位”应被理解为包括能够影响患者中的电极的定位或阻抗的任何事物，包括静态体位，活动体位(例如步行或跑步)，重力，加速力等。
公开的技术所基于的组织阻抗测量130(图6)优选在对患者提供刺激程序期间进行，图10A和10B示出其可能发生的各种方式。示出的是被施加到特定的电极的电流脉冲，其包括在当前运行的刺激程序中的有源电极。本领域技术人员将认识到，一些其他电极将充当这些电流脉冲的返回路径，但是为了简化这未示出。另外，多于两个的电极可能是有源的以对患者提供更复杂的治疗，但这也未示出。
本实施例中的治疗性刺激脉冲是二相的，这意味着它们具有相反的极性的部分。这在神经刺激领域是常见的以促进从组织恢复电荷。为了进一步促进这种恢复，脉冲后跟着无源(passive)恢复期。美国临时专利申请序列号61/654603中进一步详细地解释了双相脉冲和恢复期，假设读者熟悉该专利申请。
恢复期之后是没有电极对患者提供治疗的静默期。这些静默期是进行前述阻抗测量130的逻辑次数，其可以以不同的方式发生。在静默期是否可以进行阻抗测量而不中断或延迟脉冲取决于这种静默期的持续时间，而这又取决于脉冲的频率，f脉冲，以及脉冲和恢复期的持续时间。在静默期是否可以进行阻抗测量而不中断或延迟脉冲还取决于进行阻抗测量时的频率f。由于给定的阻抗测量可能需要在其周期的一些重要部分(例如，如前所述的180度)抽样在整个组织所产生的电压V，如果该180度时间表可以控制在静默期的持续时间内，那么可以进行测量而无需中断-即，如果1/(2f)≤t静默-当阻抗测量的频率更高时更容易满足的条件。如果满足该条件，在每个静默期期间可以进行对至少一个电极组合140的阻抗测量130x，如图10A所示。
在具有八个电极的IPG 10中先前讨论的实施例中，将需要进行45个阻抗测量130以包括在三个频率下采集的十五个电极组合140(八个从每个电极到壳体，以及七个在最接近的相邻物之间)中的每一个的完整的指纹150。这样的测量通常不会很难地在合理的时间内进行以用于更新日志210中的指纹180，这只需要每分钟或更长的时间发生。例如，在f脉冲＝200赫兹下发生的脉冲，45个阻抗测量可以在小于半秒内进行。当然，更多数量的电极，电极组合140，或测量频率会增加此时间。虽然指纹180周期性地被测量和存储在日志210中，这种测量不需要以一致的时间间隔发生。
如果不能使给定的阻抗测量纳入给定的静默期内-例如，当在较低频率下测量阻抗时-然后一些脉冲可能需要延迟或者删除，如图10B所示。如图所示，静默期已经被延迟以适应进行阻抗测量所需的时间，其取决于测量频率和脉冲序列(pulse train)的其他定时考虑，可能仅需要稍微延迟下一脉冲的发送，或者其可能需要删除该序列中的一个或者多个脉冲。由于延迟或者删除脉冲影响患者治疗，因此，阻抗测量可能在测量期250期间只进行一次，所述测量期应该足够长以允许许多未中断的治疗脉冲260在它们的指定频率(f脉冲)下发生。对于典型的定时，不预期的是图10B中的延迟周期将是足够显著，从而患者会注意到治疗的任何变化。此外，对于典型的定时，测量周期250通常足够短以使得合理时间内的测量(45)的所需数量更新日志210中的指纹180(再次，至少每分钟左右)。
本文中描述的具体实施细节可以进行各种改变。例如，恒定的AC电压源可以用于代替恒定AC电流源105，在这种情况下，可监测所产生的通过组织的电流以确定阻抗。
虽然假定不同频率下的多个测量信号施加在任何两个电极之间以确定组织模型中的组件值，然而这不是绝对必要的。例如，单一测量信号I(t)＝|I1|*ej2πf1t+|I2|*ej2πf2t+|I3|*ej2πf3t可以使用，其包括三个频率组件f1，f2和f3。这将允许阻抗算法确定任何电极组合之间的复阻抗，以及它们之间的组织模型中的组件的值，利用单一的测量信号。在这方面，仅由确定复阻抗所需的频率组成的测量信号不是严格必要的：从傅立叶变换角度来看提供合适数量的频率的任何周期信号将足够，即使这样的测量信号包含其他显著频率，如果它们是不必要的其可以被过滤掉。包括必要数量的频率的合适的单一测量信号的供给将需要更复杂的电流源105，但这种在本领域的技术范围内。
虽然所公开的技术特别适用于SCS应用中使用的IPG，但是该技术并不局限于此，并且可以与用于任何目的的在患者身体的其他部分中使用的任何多电极可植入神经刺激一起使用。在一个附加的实施例中，公开的技术也可以与已知的脑深部刺激器(DBS)一起使用。
尽管本发明的具体实施例已被示出和描述，但是应该理解的是，上面的讨论不旨在限制本发明于这些实施例。对于本领域的技术人员显而易见的是可以进行各种变化和修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在覆盖可能落入权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替换，修改和等同物。

Claims (20)

1.一种可植入刺激器设备，包括：
被配置成对患者提供电刺激的多个电极；和
被配置成当第一频率的电刺激没有发生时，在静默期，以多个不同频率，确定所述电极的多个组合之间的阻抗，以及从所确定的阻抗确定测量的阻抗指纹的阻抗算法，
其中，所述阻抗算法被进一步配置成根据所述测量的阻抗指纹选择要提供给所述电极的刺激程序。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所确定的阻抗是复阻抗。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括被配置成存储多个预确定的阻抗指纹和多个相关联的刺激程序的数据库，
其中，所述测量的阻抗指纹与预确定的阻抗指纹比较以选择所述刺激程序。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，在拟合过程中所述多个预确定的阻抗指纹存储在所述数据库中。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述多个预确定的阻抗指纹在给患者提供所述电刺激时获悉。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所选择的刺激程序包括一个或多个刺激参数，其包括哪些电极是有源的，有源电极的极性，所述有源电极上的电刺激的幅度，所述电刺激的持续时间，和所述电刺激的频率。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述阻抗算法向所述电极的多个组合提供测量信号，并评估对所述测量信号的响应，以确定所述电极的多个组合之间的阻抗。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述测量信号包括AC电流，并且所述响应包括所述电极的多个组合之间的AC电压。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述测量的阻抗指纹包括在所述电极的多个组合之间的组织模型中的电子组件的值。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述测量的阻抗指纹指示患者的体位。
11.一种可植入刺激器设备，包括：
被配置成对患者提供电刺激的多个电极；
被配置成当第一频率的电刺激没有发生时，在静默期，以多个不同频率，确定所述电极的多个组合之间的阻抗，以及从所确定的阻抗确定测量的阻抗指纹的阻抗算法；和
被配置成存储多个预确定的阻抗指纹和多个相关联的刺激程序的数据库，
其中，所述阻抗算法被进一步配置成使所述测量的阻抗指纹和所述数据库中的所述预确定的阻抗指纹相匹配，以及选择要提供给所述电极的与所述预确定的指纹相关联的刺激程序。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所确定的阻抗是复阻抗。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个预确定的阻抗指纹和所述多个相关联的刺激程序在拟合过程中存储在数据库中。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个预确定的阻抗指纹和所述多个相关联的刺激程序在向患者提供所述电刺激时获悉。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，所选择的刺激程序包括一个或多个刺激参数，其包括哪些电极是有源的，有源电极的极性，所述有源电极上的电刺激的幅度，所述电刺激的持续时间，和所述电刺激的频率。
16.根据权利要求11所述的设备，其中，所述阻抗算法向所述电极的多个组合提供测量信号，并评估对所述测量信号的响应，以确定所述电极的多个组合之间的阻抗。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述测量信号包括AC电流，并且所述响应包括所述电极的多个组合之间的AC电压。
18.根据权利要求11所述的设备，其中，所述测量的阻抗指纹和所述预确定的阻抗指纹包括在所述电极的多个组合之间的组织模型中的电子组件的值。
19.根据权利要求11所述的设备，其中，所述测量的阻抗指纹和所述预确定的阻抗指纹指示患者的体位。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述数据库还存储体位的文本描述与至少一些所述预确定的阻抗指纹。
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