CN109562274A - 前庭系统的光声选择性机械刺激 - Google Patents

Abstract

可植入前庭假体系统包括光源的可植入光学阵列，所述可植入光学阵列被构造成与紊乱的前庭系统接合，以将光刺激信号传送至所述紊乱的前庭系统的骨性或膜性迷路内的目标刺激位置。可植入刺激处理器被连接到所述光学阵列，并被构造成利用所述光源来生成所述光刺激信号，以便在内淋巴液内产生定向压力波，所述定向压力波被引导至所述目标刺激位置，用于通过残余的前庭功能进行前庭感知。

Description

前庭系统的光声选择性机械刺激

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月19日提交的美国临时专利申请62/363,872的优先权，其通过引用被整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于治疗局部前庭紊乱的植入物系统和电极阵列装置。

背景技术

如图1中所示，正常的耳朵引导来自外耳廓101的声音通过大致圆柱形的耳道110，以振动鼓膜102(耳膜)。鼓膜102移动中耳103的使耳蜗104振动的骨骼(锤骨、砧骨和镫骨)，耳蜗104又起到换能器的作用，以向大脑产生被解译为声音的电脉冲。

大脑的平衡感觉功能也是基于来自内耳的前庭结构的神经信号而发展的，身体的每个横向侧上各有一个内耳的前庭结构。平衡感觉前庭系统包括：前庭迷路，该前庭迷路的三个相连的且相互正交的半规管：上(前)半规管106、后半规管107、和水平(横向)规管108——它们感觉旋转移动；以及椭圆囊和球囊中的斑器官116，斑器官116感觉线性移动。前庭迷路的规管106、107、108和耳石器官116在粘性内淋巴117中包含毛细胞118，毛细胞118感觉头部定向和头部移动，从而激活前庭神经纤维119，前庭神经纤维119向大脑105发送电平衡信号。

当头部静止时，前庭系统以一定速率产生神经活动，通过前庭神经将该神经活动传送到大脑。当头部以给定的方向移动时，前庭系统改变前庭神经的受影响的神经分支上的与头部移动相关联的神经活动速率。不幸的是，一些人受苦于破损的或受损的前庭系统或者影响完好的前庭系统的各种疾病，例如梅尼埃病。前庭系统的功能失调会引起诸如失稳、眩晕(感觉到旋转)以及视觉不稳定的问题。为了治疗这些问题，前庭系统的电刺激能够帮助恢复平衡功能，并且当前正在开发前庭植入物，以提供这样的人工平衡信号。

图1也示出了诸如美国专利8,751,012(其通过引用被整体并入本文中)中描述的前庭植入物系统的一些部件。(来自未示出的一个或多个传感器的)外部移动信号由外部处理器111处理，以生成前庭刺激信号。外部发送器线圈112将刺激信号通过皮肤耦合至植入的接收器线圈113。植入的前庭刺激器114然后将该刺激信号通过电极引线109传送至前庭刺激器电极115，该前庭刺激器电极115电刺激目标神经组织(例如半规管106、107、108、一个或两个耳石器官和/或前庭神经105或神经节)，以便患者将其前庭感觉为平衡信号。

美国专利7,488,341和美国专利公开2007/0100263(这二者均通过引用被整体并入本文中)描述了有创式前庭植入物系统，该前庭植入物系统使用基于压电材料的致动器、可充气气囊或活塞来机械地刺激膜性迷路，并由此在内淋巴间隙中的产生压力波。这些参考文献也公开了前庭系统的无创式机械刺激，其中，致动器被置于与外淋巴间隙相邻的骨内膜层上，并且机械刺激该骨内膜，以在前庭腔内产生压力波。尽管这是无创的，但在不使骨内膜破裂的情况下施加的压力可能不足以成功地刺激斑器官。

美国专利7,488,341和美国专利公开2007/0100263中提出的机械致动器装置都暗含了移动部件，该移动部件会易于损坏和故障，并且也会破坏内耳的精细结构。另外，通过单个致动器的机械刺激受限于引发壶腹状感官结构的选择性机械刺激以及前庭系统的全局响应的可能性。然而在椭圆囊和球囊之间的相互选择性刺激的意义上来说这不能选择性地刺激斑器官，并且不能内部选择性地(intra-selectively)在给定的斑器官(例如球囊)内刺激斑器官。

对于完全的双侧前庭丧失来说，美国专利公开20150039057(其通过引用被整体并入本文中)描述了通过将电极阵列置于斑器官内并提供选择性的电刺激来使用电刺激。但电流扩散基本是非选择性的，并且将会固有地且无意地刺激斑器官中的非目标神经元群。

发明内容

本发明的实施例涉及可植入前庭假体系统和方法。光源的可植入光学阵列被构造用于与紊乱的前庭系统接合，以将光刺激信号传送至所述紊乱的前庭系统的骨性或膜性迷路内的目标刺激位置。可植入刺激处理器被连接到光学阵列，并被构造成利用光源来生成光刺激信号序列，以便在内淋巴液内产生定向压力波，该定向压力波被引导至目标刺激位置，用于通过残余的前庭功能进行前庭感知。

所述光学阵列尤其可以被构造成抵靠前庭骨的外表面放置，以由通过该前庭骨的光传输来传送光刺激信号，或者被构造成放置在膜性迷路外侧的外淋巴间隙内，或者放置在膜性迷路内的内淋巴间隙内且不会使外淋巴与内淋巴混合。

一个或多个目标刺激位置可以在半规管、椭圆囊或球囊内，并且可以包括目标静纤毛。所述光学阵列可以是光源的线性阵列、二维阵列或圆形阵列，所述光源尤其可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。所述光刺激信号可以包括光脉冲。

附图说明

图1示出了植入了前庭植入物系统的人耳的解剖细节。

图2示出了根据本发明的实施例的光声前庭刺激电极的侧截面图。

图3示出了根据本发明的实施例的圆形阵列的原理。

图4示出了根据本发明的实施例的二维阵列的原理。

图5示出了根据本发明的实施例的、前庭系统处的用于放置可植入光学阵列的位置。

具体实施方式

本发明的实施例涉及不具有移动部件的无创式机械前庭刺激器，其能够被无创地使用并且能够使用由光刺激引起的光声效应来选择性地刺激斑器官。使用处于特定频率、能量和峰值功率的短聚焦脉冲的利用多个光源的光刺激能够加热目标组织，使得由于该加热引起的膨胀(克服热应力约束)产生压力波。与电流扩散一样，这种压力波从源头起是全方向的，并且能够用于机械地刺激前庭系统中的感觉上皮。这种利用一些残余的毛细胞和静纤毛的系统对于具有部分前庭紊乱的患者来说是有益的。

为了膜性迷路内的内淋巴液的有效机械刺激，现有方法(例如参见美国专利7,488,341和美国专利公开2007/0100263)暗含了进入前庭内部中的开口，以便直接刺激膜性迷路。相比之下，光源可以置于前庭管外侧，并且如果骨足够薄(天然的或者通过仔细的手术准备以保持所述管的完整性)，能够通过所述骨经由光传输将光刺激信号传送至部分紊乱的前庭系统的骨性或膜性迷路内的位置处，以在内淋巴液内产生定向压力波，用于经由残存的前庭功能进行前庭感知。在骨较厚的情况下，刺激位置例如可以在骨性迷路内。在该情况下，由光刺激信号直接产生的定向压力波在外淋巴液内。该压力波使在骨性迷路与膜性迷路之间的软膜组织偏转，这又使内淋巴液位移，使得在内淋巴液内间接产生了定向压力波。与现有的无创理念相比(在现有的无创理念中，致动器直接作用在骨内膜上，从而具有使膜破裂并且残余功能随之丧失的风险)，这种新的无创式刺激方法不需要有移动部件。

例如，可以在图1所示的可植入前庭刺激器114中实施可植入前庭假体系统和方法，该可植入前庭刺激器114通过刺激处理器将控制信号提供到可植入阵列上的光源115，该可植入阵列被构造成放置在多个可能的位置上，包括以下位置：例如在骨足够薄而允许光线透过时，靠在液体间隙外侧的前庭骨的外表面上或在该外表面的外侧；靠在位于外淋巴间隙内但不在膜性迷路内的前庭骨的内表面上或在该内表面的内侧；在不引起导致外淋巴液和内淋巴液混合的损伤的情况下在膜性内淋巴液间隙内，并且光源115被构造成经由光传输通过前庭骨和/或前庭液(即内淋巴液或外淋巴液)将光刺激信号传送到部分紊乱的前庭系统的膜性或骨性迷路中的刺激位置，以在内淋巴液内产生定向压力波，用于经由例如半规管(106、107、108)和/或耳石器官116中的残余的前庭功能进行前庭感知。图5中示出了一些示例性位置并将其编号为1至3。在一个实施例中，光信号产生过程(例如，在前庭刺激器114内的刺激处理器上运行的软件过程)控制光源115来生成作为光脉冲序列的光刺激信号，以在前庭液内产生定向压力波，所述定向压力波被引导至紊乱的前庭系统内的一个或多个目标感觉上皮位置，用于经由残余的前庭功能进行前庭感知。在一个实施例中，光源115可以包括会聚透镜，以便将光刺激信号聚焦在骨性或膜性迷路内，例如在外淋巴液或内淋巴液内。

利用单个光源的刺激将会实现与现有机械系统相同的全方向性的结果。然而，如图2中所示，如果将多个光源202放置在光学阵列201中，则能够通过前庭骨203和外淋巴205将光刺激信号204传送至内淋巴206内的目标位置207，并随时间在指定方向上顺序地被刺激。一旦第一光源202被刺激，则在内淋巴206内的目标位置207处产生第一全向压力波。当初始的压力波经过第二光源202的第二目标位置207，则第二光源202被刺激并且产生第二压力波，该第二压力波与第一压力波相加，使得在顺序刺激的方向上所得到的压力波的总和促进内淋巴206在该方向上朝着目标静纤毛208移动，以引起目标静纤毛208偏转并向前庭神经209产生神经信号。通过使用聚焦透镜能够增强光刺激信号204在目标位置207处的聚焦，该聚焦透镜将能量聚焦在目标位置处，即光刺激信号仅加热并膨胀该聚焦区域中的液体，并且允许更好地控制压力波的产生，从而允许目标位置的更高分辨率。另外，将光刺激信号204聚焦在目标位置207处可以减少驱动该光源202以产生与未聚焦时相同的期望量级的压力波所需的能量。尽管在膜性迷路中示出了目标位置207，但应理解并且如前文所述，目标位置207可以在骨性迷路中的外淋巴205内。

这样的布置允许将光学阵列201放置成距目标静纤毛208较远，但仍提供方向指定的刺激。这不同于采用直接光刺激的现有方法(在采用直接光刺激的现有方法中，企图进行这种方向性将造成较大的植入创伤风险并且由于有许多移动部件而易于发生故障)。

对于椭圆囊和球囊来说，选择性也是一个问题。在电刺激的情况下，如果功率足够，则电流扩散将刺激邻近的任意神经而不管电流扩散的移动方向如何。相反，在机械刺激的情况下，响应该刺激的是毛细胞，并且毛细胞及其静纤毛通常以特定的方式组织和排列，使得它们对在特定的平面内和方向上的移动敏感。例如，在半规管的壶腹中，所有毛细胞排列成使得它们仅对在该规管的平面内的移动敏感。在此情况下，假定刺激信号没有延伸至其它壶腹，一个刺激源就足够了(与电刺激的情况一样)。然而在椭圆囊和球囊的情况下，毛细胞和静纤毛被布置成多方向模式，使得它们对方向的敏感性随位置而变化(如图3中的箭头所示)。在此情况下，将单个刺激源放置在任意位置均将产生趋近毛细胞和静纤毛的压力波，但仅有排列在该方向上的那些毛细胞和静纤毛会引起神经中的刺激。由于毛细胞和静纤毛的多方向排列组织，因此该单个刺激源缺乏方向性。替代地，可以使用多个刺激源的阵列来控制哪些毛细胞应该进行响应(对应于头部的移动)。在此情况下，一个或多个源将被同时地和/或顺序地刺激，以便实现由于压力波引起的前庭液的移动的、所期望的净方向和幅度，并因此偏转在该指定方向上排列的目标静纤毛。

如果光源与目标位置之间的骨足够薄而允许足够的光线穿过，则可以将这样的多源阵列放置在膜性迷路内(有创的)、外淋巴间隙中或整个前庭的外侧(二者都是无创的)。如前所述，所述光源可以包括会聚透镜，以便将光刺激信号聚焦在骨性或膜性迷路内，例如聚焦在外淋巴液或内淋巴液内。

图3示出了围绕斑器官302呈圆形地布置的多个光源的线性阵列301。在这种阵列中，压力波总和效应(pressure wave summation effects)将导致多个所期望的方向被同时激起。相比之下，如图4中所示的光源的二维阵列401将产生导致如图2中所示的单个方向上的方向性的压力波总和效应。

在具体实施例中，所述光源尤其可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)、LED或光纤。在VCSEL的情况下，顺序刺激避免了VCSEL的过度使用并因此减少了过热和故障的风险。顺序的VCSEL刺激也暗示了每个VCSEL的功率需求的降低，这则进一步暗示了能够使用更小尺寸的VCSEL，从而产生更少的热量，且因此需要减少的冷却时间。

将理解的是，对于将光源放置在前庭骨的表面上来说，该骨需要足够薄以允许足够的光线穿过。实施例仅在毛细胞和静纤毛保有至少一些残余的前庭功能时是有用的，所以仅有具有部分前庭丧失的患者可以受益。所述光源可能随时间失效，并且可以监测光源的输出水平并因此调整控制信号。

在前文中，对前庭植入物系统的提及应该被广义地理解为包括所有提供影响平衡感觉系统的刺激信号的可植入装置。具体地，这种装置可以包括或可以不包括运动传感器，无论是内部的或外部的运动传感器。例如，不具有运动感觉信号的前庭植入物系统可以用于关于梅尼埃病的治疗，并且可以被认为是梅尼埃植入物。而且，前庭植入物装置也可以与其它相关的可植入系统集成在一起，例如中耳植入物、耳蜗植入物、骨传导植入物、听觉脑干植入物等。

尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的实际范围的情况下，可以进行将实现本发明的一些优点的各种修改和变型。

Claims (24)

1.一种可植入的前庭假体系统，包括：

可植入的光学阵列，所述光学阵列包括多个光源，所述光学阵列被构造成与紊乱的前庭系统接合，以将光刺激信号传送至所述紊乱的前庭系统的骨性或膜性迷路内的目标刺激位置；以及

可植入的刺激处理器，所述刺激处理器连接到所述光学阵列，并且被构造成利用所述光源生成所述光刺激信号，以便在内淋巴液内产生定向压力波，所述定向压力波被引导至所述目标刺激位置，用于通过残余的前庭功能进行前庭感知。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学阵列被构造成抵靠前庭骨的外表面放置，以利用通过所述前庭骨的光传输来传送所述光刺激信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学阵列被构造成放置在所述膜性迷路外侧的外淋巴间隙内。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学阵列被构造成放置在所述膜性迷路内而不会使外淋巴与内淋巴混合。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个目标刺激位置包括所述紊乱的前庭系统的静纤毛。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个目标刺激位置在所述紊乱的前庭系统的半规管内。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个目标刺激位置在所述紊乱的前庭系统的椭圆囊内。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个目标刺激位置在所述紊乱的前庭系统的球囊内。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学阵列是光源的线性阵列。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学阵列是光源的二维阵列。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学阵列是光源的圆形阵列。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光刺激信号包括光脉冲。

13.一种前庭刺激方法，包括：

向可植入的光学阵列的多个光源生成光刺激信号的序列，所述光学阵列与紊乱的前庭系统接合；

将所述光刺激信号从所述光源通过定向压力波传送至紊乱的前庭系统的膜性迷路中的目标刺激位置，用于通过残余的前庭功能进行前庭感知。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光学阵列被抵靠着前庭骨的外表面接合，并且其中，利用通过所述前庭骨的光传输来传送所述光刺激信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光学阵列被接合在所述膜性迷路外侧的外淋巴间隙内。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光学阵列被接合在所述膜性迷路内而不会使外淋巴与内淋巴混合。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个目标刺激位置包括所述紊乱的前庭系统的静纤毛。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个目标刺激位置在所述紊乱的前庭系统的半规管内。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个目标刺激位置在所述紊乱的前庭系统的椭圆囊内。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个目标刺激位置在所述紊乱的前庭系统的球囊内。

21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光学阵列是光源的线性阵列。

22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光学阵列是光源的二维阵列。

23.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光学阵列是光源的圆形阵列。

24.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光刺激信号包括光脉冲。