CN110267705A - 用于体内平滑肌刺激的递送系统 - Google Patents

Abstract

一种电刺激系统包括具有至少一个电极的刺激器和电源。电极可连接至电源，并且电源将电刺激能量以电容放电电压的形式通过刺激器和电极递送至目标解剖结构附近的组织，从而在医学程序期间在目标解剖结构中引起可观察的响应。

Description

用于体内平滑肌刺激的递送系统

相关申请的交叉引用

本申请要求以下在先临时申请的权益：于2017年5月25日提交的美国临时申请号62/511,301(代理人案号51010-703.104)；于2017年4月24日提交的美国临时申请号62/489,389(代理人案号51010-703.103)；以及于2016年11月28日提交的美国临时申请号62/426,974(代理人案号51010-703.102)，它们的全部公开内容通过引用并入于此。

发明背景

1.发明领域。本发明总体上涉及医学设备和方法，更具体地涉及用于刺激体内平滑肌收缩的系统。

微创手术领域已经存在相当长的时间，但仅在过去的二十年中，诸如胆囊移除和阑尾移除等较常见的程序才转换成微创方法作为金标准。为了适应这种对患者进行手术的新方法，器械需要从传统配置转变为截然不同的形状和参数。此外，由于触觉反馈大幅丧失，而需要更多地依赖于结构和组织一致性的视觉指示器，因此与人胸部和腹部内的组织进行远程对接还需要程序不仅改变传统的修复方法，甚至还要改变组织鉴别方法。

人腹部和骨盆内具有两种不同类型的肌肉。骨骼肌是可以随意控制的肌肉组织，并将骨结构连接在一起以便运动。平滑肌是不随意的(自主控制)，并且存在于胃肠组织例如胃、结肠和小肠中。平滑肌还存在于泌尿系统例如输尿管和膀胱的部分区域以及包括食道在内的胸腔中。在输尿管和肠道中，这些组织在神经系统控制下以脉冲的方式收缩。在输尿管以及肠的情况下，身体在近端点(例如，胃或肾)自发地产生初始信号，然后组织自然地继续沿着器官的整个长度向下传播这种收缩。在亚细胞水平上，这种在肠组织中触发的收缩阈值被称为慢波阈值，并且启动通常开始于被称为起搏点区域的组织中。输尿管则与众不同，其全长收缩的传播始于肾盂，响应于尿液填充在输尿管肾盂连接处有环状收缩。

在生理状态下，身体的肌肉(平滑肌和骨骼肌)通常由神经和神经组织触发和控制。通过电信号传导，肌肉组织作出响应。这种响应以及通过刺激神经刺激肌肉的能力在非侵入性方法以及传统的开放式(非微创和非机器人)手术中被广泛使用，其医疗重点几乎全部在神经和骨骼肌组织上。在麻醉领域，通过手动施加到皮肤的电极进行面神经刺激是一种确定化学麻痹剂是否处于有效水平的方式。在整形外科和耳鼻喉科领域，将手持刺激器应用于暴露的前臂或手中的神经，以鉴别该神经控制的肌肉，并且应用于颈部中的神经，以便在神经被解剖出来时鉴别哪些肌肉被该神经支配。

在开放式设置、微创式设置或机器人设置中尚未实施用于手术中进行解剖学鉴别的平滑肌电刺激。如今，存在其他平滑肌刺激应用，包括刺激骶神经(并且通过扩展延伸刺激膀胱)以减少目标组织的活动过度的植入装置，以及植入以中断向胃的神经信号传导，从而减轻胃轻瘫患者的恶心和呕吐的装置。在其他方面，电平滑肌刺激作为鉴别目标组织(或确认目标组织身份)，或区分平滑肌与周围组织，或区分功能与非功能组织的位置，或产生组织响应的一种方式是既未在手术领域中在开放式、微创式或机器人方法中被教导，也未在手术领域中在开放式、微创式或机器人方法中应用的技术。

在微创手术期间，外科医生严重依赖视觉指示器来确定组织类型、预期纹理和密度，并且依赖体内标志来确定在何处进行切口和切除或是否进行切口和切除。将实时图像投影到视频监视器上时，存在许多观看限制，例如固定视野、二维图像，而外科医生需要知道投影到视频屏幕上的区域之外的关键组织和结构。因此，外科医生依赖于其安全组织处理的实际操作能力、异常结构/解剖学的操作经验，以及其助手安全地投射使其能够从患者的角度有效地操作的视野。

肠组织易于在微创环境中鉴别和操作，因为它们不被其他组织如腹膜覆盖，对于其他平滑肌结构例如胃也是如此。输尿管在微创环境中提出了一系列独特的挑战，因为其位于腹膜后方，穿过解剖区域如骨盆边缘(其在此处在组织层下方下行，处于即时视野之外)，并且其上下都有若干个其他关键结构(包括主要的脉管系统、结肠和妇科解剖结构)，从而难以对其进行直接鉴别，该关键结构往往需要对它们的病理学进行手术处理或临时缩回以获得可及性。

因此，在这种独特的环境中，输尿管的鉴别可能很快变得具有挑战性，特别是在外科医生依靠于较长的器械来操纵和切割关键组织的微创环境中。目前，在微创手术中仅有两种主要方法用于鉴别和保护人输尿管。第一，可将另一位医学专家-泌尿科医生-召入手术室，将较硬的塑料支架逆行穿过膀胱进入输尿管，使输尿管变硬，以便在手术过程中在视频屏幕上更加明显。塑料支架还是颜色鲜艳的，因此如果输尿管被切割或横切，则会导致在视频屏幕上看到该塑料，从而可以在同一手术期间解决该损伤。第二，另一种方法是外科医生进行仔细和细致的解剖，以明显地暴露输尿管，使其与周围组织分离。这种方法可能存在风险，特别是如果存在疤痕或炎症而进一步使输尿管变得模糊，此时输尿管难以可视化或鉴别，因此，解剖本身就有损伤的风险。

存在对其中可以尽可能减少解剖并且替代方案如支架放置可能不可行或并非经济上优选的独特情况下鉴别输尿管的需求。协同地，在身体的任何主要腔(胸腔、腹腔、骨腔)中的微创环境中进行直接平滑肌刺激是一个这样的过程，其可以使操作医师在目标组织鉴别、减少手术时间和患者发病率方面大大受益，并且是一种迄今为止尚未在手术情景中作为辅助手术技术实施的方法。

这些目的至少部分通过与本申请具有共同发明人的WO2015/123441中描述的探头和方法解决。该探头在其端头具有双极电极，用于向患者输尿管附近的组织施加刺激电流。通过观察输尿管响应于所施加的刺激电流的收缩，可以在视觉上确定输尿管的位置。虽然相对于先前用于观察和保护输尿管的先前方法有如上所述的显著进步，但WO2015/123441中描述的探头和方法仅代表第一代技术。将会期望提供与另外的程序和解剖结构以及另外的腹腔镜和其他手术工具兼容并且以更可控和有效的方式执行的改进方法和装置。

2.背景技术说明。WO2015/123441如上所述。还参见US2009247817；US8954153；US7877152；和US6292701。

援引并入

本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入于此，其程度如同特别地且单独地指出每个单独的出版物、专利或专利申请通过引用而并入。

发明内容

本发明的系统使用直接施加至目标肌肉的简短电脉冲来引起平滑肌中的收缩波传播，平滑肌常见于体内的胸部、腹部或骨盆空间，如输尿管组织中。如上文背景所详述的，所有肌肉组织在根本上都基于体内天然存在的电信号而收缩。本发明的系统部分依赖于以下发现，即，在某些平滑肌如输尿管中，收缩波传播不一定与其在自然生理情况下一样是单向的。本发明的系统通过直接刺激平滑肌的自主神经功能来起作用，而非直接神经刺激，从而触发收缩的肌肉响应。通过直接刺激肌肉，本发明的系统和方法可以在目标解剖结构如输尿管中实现高度特异性的响应。

在第一方面，本发明提供了用于通常在医学程序(medical procedure)期间在目标解剖结构中引起可观察的响应的方法。所述方法包括提供电刺激器，通常是具有轴杆的探头型刺激器，所述轴杆的远端处具有至少一个电极。电刺激能量从所述刺激器递送至所述目标解剖结构附近的组织，其中这样的刺激能量包括初始电压的电容放量。可以通过视觉地或其他方式检测所述组织中由所述刺激能量引起的响应，通常是收缩响应，来观察所述目标解剖结构，其中可以观察到所述目标解剖结构移动或以其他方式改变其在视场中的取向。以这种方式，受到伤害的脆性解剖结构如输尿管可以在手术程序中被可视化和避开。或者，在一些情况下，可能期望鉴别所述目标解剖结构以有利于手术或其他治疗。

尽管本发明的方法将会经常采用独立式探头或其他装置，但应当理解，电极和其他电刺激元件可以并入手术装置中，使得所述手术装置本身可以用于在进行外科程序之前检测所述目标解剖结构。在其他情况下，可以能够在不使用固体电极的情况下，例如通过使用导电流体、等离子体等来提供刺激能量。

所述电容放电可以被“驱动”，例如控制成不考虑组织电阻的特定衰减形状，或可以是“未驱动”(undriven)的。优选实施方式是未驱动的电容放电。“未驱动”电容放电是指初始电荷以指数波形放电，其时间常数等于受控电容和不受控组织电阻的乘积，如图4所示，标签为“电容器放电波”。

在本文方法的示例性实施方式中，所述未驱动的电容放电将具有在5 V至500 V范围内，优选6 V至60 V的峰值电压。所述电容放电将进一步优选地具有小于1 A，通常在5mA至125mA的范围内的所得可变电流。实际值将是电压和电荷与刺激点处的实际组织电阻相结合的结果。更进一步地，所述未驱动的电容放电通常将大于30μC，优选地在40μC至450μC的范围内。所述未驱动的电容放电还将进一步优选地具有大于约0.05mJ，优选地在0.05mJ至9mJ的范围内的总所得能量。实际值将是电压和电荷与刺激点处的实际组织电阻相结合的结果。在更进一步的情况下，所述电容性放电通常将具有在10μs至20ms范围内，通常在100μs至1.5ms的范围内的持续时间。另外，当所述未驱动的电容放电以连续的脉冲串递送时，其通常在0.1Hz至2 Hz的范围内，优选0.5 Hz至1 Hz的范围内递送。

示例性目标解剖结构是输尿管，其在膀胱内和膀胱附近的各种腹腔镜和开放式手术程序中应受到保护。其他目标解剖结构包括食道、胃、膀胱和肠，这是由于它们的平滑肌组成，其中所述程序可用于区分器官内的功能性组织与病变组织，等等。

在本文方法的其他具体实施方式中，所述未驱动的电容性放电的参数可由使用者在程序之前和手术期间调节。在其他情况下，将会预设所述未驱动的电容放电的参数，使得使用者将不能在程序之前或期间调节这些参数。在许多情况下，所述电容放电将会是双极的，而在其他情况下，所述电容放电可以是单极的，通常由单个电极施加，同时患者在远离手术场所的位置佩戴传统的分散或接地电极(图9)。在其他情况下，刺激器可以包括轴杆，所述轴杆可以通常在腹腔镜手术中通过套管推进，或通常在其他内窥镜手术中通过工作内窥镜的工作通道推进，或通常在其他导管程序中通过导管内腔推进。在某些替代的情况下，所述刺激器的轴杆或其他组件可以通过手术工具推进或与手术工具共同推进，而在其他情况下，可以在开放式和腹腔镜程序中使用抓紧器或其他常规手术工具抓握和推进所述轴杆。在更进一步的实例中，所述刺激器的轴杆或其他组件可以在机器人手术程序中由机器臂或其他组件推进。

在本发明的第二方面，电刺激系统包括刺激器和电源。所述刺激器包括至少一个电极，在双极程序中常包括两个电极，并且所述电源可连接到所述至少一个电极并且配置用于通过所述刺激器将电刺激能量递送到接近目标组织解剖结构的组织。由所述电源产生的刺激能量包括电容放电波形，并且所述电刺激系统可用于根据上述任何方法在目标解剖结构中引起可观察的响应。

在特定情况下，所述电源被配置成当所述至少一个电极被定位成将所述刺激能量递送到输尿管附近的组织时在输尿管中引起蠕动或收缩响应。

在优选实施方式中，所述电源被配置用于递送未驱动的电容放电，并且所述未驱动的电容放电具有在5V至500V范围内，优选6V至60V的峰值电压。所述未驱动的电容放电进一步优选地具有小于1A，通常在5mA至125mA的范围内的所得可变电流。实际值将是电压和电荷与刺激点处的实际组织电阻相结合的结果。更进一步地，所述未驱动的电容放电通常将大于30μC，通常地在40μC至450μC的范围内。通常，每个未驱动的电容放电将会递送大于约0.05mJ，通常在0.05mJ至9mJ的范围内的总所得能量。实际值将是电压和电荷与刺激点处的实际组织电阻相结合的结果。更进一步地，所述未驱动的电容性放电通常将具有在10μs至20ms范围内的持续时间，通常开始于100μs至1.5ms的范围。所述电刺激系统可以被配置成允许以0.1 Hz至2 Hz，优选0.5 Hz至1 Hz的频率手动或自动电容放电。

所述电刺激系统可以被配置成允许使用者调节放电参数，但在其他情况下，可以被配置成使得所有放电参数都是预设的，使用者没有调节机会。

相对于本文的方法，所述刺激器自身可以以任何上述布置配置。特别地，所述电极可以是单极的、双极的，并且所述刺激器可以被配置成通过套管(trocar)、插管(cannula)、内窥镜或导管(catheter)推进，通过手术工具推进或与手术工具共同推进，被配置成使用抓紧器推进，被配置成通过机器臂或系统推进，等等。

更进一步地，所述电刺激器可以包括手柄，并且所述电源可以安设在所述手柄内，其中功率由可再充电电池或其他电池提供。或者，所述电源可以配置在桌面单元内，所述桌面单元通过连接线连接至探头或其他电刺激器。

附图说明

图1-示出输尿管的刺激点和随后远离新装置的功能端头顺行和逆行前进的传播收缩的图像。

图2-使用计算机视觉对输尿管路径和传播收缩波进行数字跟踪和识别。软件系统可以追踪输尿管的路径，并提供图形叠加，从而即使在收缩消退后也可显示此路径。

图3-具有用于功率和脉冲递送的视觉指示器以及用于递送脉冲的按钮的系统的手柄细节。

图4-单个刺激电脉冲的单相方形波形和电容器放电波形。

图5-单个刺激电脉冲的正弦波形、对称波形和不对称波形以及单相电容器放电波形。

图6-与输尿管对接以进行刺激的双极装置端头。端部效应器电极由非导电材料分开。

图7-双极装置端头变体，各极具有阴极组件和阳极组件。

图8-集成到现有电外科工具中并且用手柄上的杠杆可伸展/可伸缩的装置，用于确保向组织中的刺激脉冲递送与电灼能量递送之间的清晰分离。

图9-通过远程发电机供电的单极装置配置，和具有连接的手持组件和分散或接地垫的控制器。

图10-具有较小端部效应器的装置实施方式，该端部效应器可被抓握、操纵或集成到机器臂中。

图11-具有并入到电外科手术工具、抓紧器工具和/或解剖器工具中的刺激器的装置实施例。

图12A和图12B-具有抓紧器/解剖器工具的装置实施方式，其中器械远端的钳口用作阳极和阴极。

图13-装置实施方式，其中手柄、按钮和具有位于远侧端头的端部效应器的器械轴杆通过插入式系统连接至场外发电机并由其供电。

图14A和图14B-装置实施方式，其中电极彼此分开，具有最大表面积以供向组织中的优化脉冲递送，并且远侧端头缺少尖锐边缘。

具体实施方式

利用本发明的系统，沿着输尿管长度的任何点在体内对输尿管进行电刺激导致可靠且可再现的双向可见收缩波(图1)，其允许操作者在微创手术期间以及在腹部开放手术区域内直接可视化下快速可靠地可视化其在操作视频屏幕上的路径。无论在输尿管的哪个位置施加刺激效应，都会发生在两个方向(顺行和逆行)上从刺激点传播的全长收缩波。这种输尿管运动的波传播提供了结构位置和功能的直接视觉指示。

特别是在曲折或通常非线性输尿管路径(其结构在手术操作期间或由于病理状态暂时偏离其自然位置)的情况下，输尿管运动的可视化以及因此输尿管所采用的路径的知识可视化是对患者安全至关重要，因为它允许外科医生在手术期间鉴别和避免对该结构的损伤。这种独特的组织响应明显是非生理性的，因为输尿管的平滑肌收缩波传播通常是单向的；从肾脏传出并向膀胱前进。

串联地，双向前进的收缩的传播波(从新刺激的点开始)将以大约每秒2至6厘米的速度发生。这是输尿管组织收缩波传播的独特特征。通过这种理解，在本发明的系统的一个版本中，计算机视觉系统可以自动识别这些速度下的组织收缩，并且在由操作医师使用的视频监视器上数字地投射组织所采用的路径，以观察操作区域(图2)。在这种方法中，输尿管位置和路径的数字表示将在屏幕上用于该组织的直观定位。这可能需要或可能不需要本发明的系统的手持部分连接到手术区域外的数字处理组件。输尿管路径的数字追踪将保持在屏幕上一段时间以在外科医生继续其操作时作为结构所在位置的视觉提醒，然后消失以最小化操作视野的潜在模糊。

本发明的系统还以在微创环境中独特地起作用的这种方式设计，并且还可以容易地用于组织被直接可视化的手术程序中。该系统既可以由操作者握持，也可以由操作助手(人或机械)抓握，因为它是具有延伸轴杆的线性装置以确保容易通过腹腔镜端口，该腹腔镜端口穿过人体壁并且作为进入封闭腹部的气密接入点。为了在体型较大的患者中使用，轴杆长度可长达45厘米。器械轴杆的宽度将小于6毫米。这允许装置在胸部、腹部和骨盆空间中起作用以在微创环境中刺激目标组织，以及容易适用于具有较短轴杆长度的开放式手术以便于操作。轴杆可以是刚性的、弯曲的、柔性的或可延展的，以在临床使用期间由医生成形。

由操作者或操作助手握持的器械的端部以铅笔握法或手掌握法自然地握持。在一个优选实施例中，该端部将以类似于标记物或大铅笔的管状方式成形。触发电压和电流脉冲递送的致动按钮以使得能够用左手或右手的手指或拇指按压的方式定位(图3)。按下按钮递送短持续时间的电脉冲，因为系统设计用于触发目标平滑肌(如输尿管)的非生理性双向收缩波传播。这确保了脉冲峰值将达到预设脉冲宽度的目标电压和电流。脉冲可由新系统以设定的间隔递送，以允许使用者保持致动按钮按下，同时将系统的功能端头接触腹壁的一部分，直到目标组织足够接近以刺激出可见的收缩。

在优选实施方式中，系统通常将在单次激活时产生约10微秒至20毫秒(但可能长达500毫秒)的总信号持续时间的短电流脉冲。通过压下触发器，系统将继续以0.5至1赫兹的增量连续释放脉冲直至松开。系统的波形可以根据实施方式而变化。在系统可能被供电并且连接至发电机的实施方式中，波形可以是正弦的，频率为1至600千赫兹(优选地低于100千赫兹以优化组织反应性)，并且总信号持续时间还是在10微秒到20毫秒的范围(最多500毫秒)，这对于肌肉收缩是理想的，而不会导致组织损伤。

为了降低组织损伤的风险，系统的峰值电压将保持在500伏特或以下，电流在1安培或以下，负荷设置为550欧姆。在相同负荷下电压通常将至少为5伏特，因为这将不足以用于触发平滑肌组织中的收缩波传播。与其他刺激系统不同，这些刺激系统通常是电压控制的，以有效地递送能够产生可见的平滑肌收缩的脉冲。骨骼神经刺激通常在电流作为主要控制因素(例如电流驱动)的情况下进行，以产生如前所述的神经/骨骼肌响应，其中所经历的组织电阻大于1000欧姆。针对较低的体内组织电阻(例如小于1000欧姆)操作的这些神经/骨骼肌刺激装置将不会提供足以引起平滑肌收缩的电压。相反，通过使用电压控制，本发明的系统确保将足够的电压递送到在体内平滑肌组织中发现的较低组织电阻，以引起可见的反应。当设定为大约550欧姆负荷时，本发明装置的系统可以用电容器放电波形递送至少6伏特，7毫安，大于30微库仑的电荷，大于0.05毫焦耳的能量(图4)。

双极型系统中的电压和电流可以安全地应用于目标组织而不用担心心律失常刺激，因为电脉冲仅在彼此相隔距离较短(毫米级)的电极之间行进并且具有非常短暂的持续时间。在单极系统设计中，电功率通过接地垫从装置的手持部分快速扩散，同样提供电信号的安全通过。

在一个实施方式中，为手持系统供电的电流将是DC电流，而在一个优选实施方式中，该系统将是电池供电的，单次使用的并且是完全一次性的。在连接的系统中，预期电流最初将是AC，随后在脉冲放电到目标组织之前进行信号转换。

在该实施方式或其他实施方式中，脉冲可以具有类似于电容器放电(单相)的曲线消退。脉冲波形还可以具有其方波分量，并且因此可以形成平衡或不平衡、对称或不对称的双相波形。由新系统产生的波形将不限于此，并且可以根据其响应范围、远离脉冲放电的距离以及目标组织与提出的系统之间组织的厚度/质量/电阻而定制，以用于靶向不同类型的目标组织(图5)。

在优选实施方式中，波形将是一种电容器放电，因为这非常类似于肌肉和神经内的生理动作电位。由于方波脉冲不太符合生理学，因此应用方波来进行平滑肌刺激需要增加的电压并且不太优选。使用电容放电波形进行平滑肌刺激的最小电压通常为6伏，信号持续时间为2.2毫秒衰减常数(到达1/e放电或36.8％初始电压的时间)。相反，使用方波波形进行平滑肌刺激的最小电压通常为15伏，信号持续时间为1000微秒。随着信号持续时间的减少，电压电平也需要增加。对称双相波形和非对称双相波形存在相同的要求。

已经发现电容器放电波形需要比其他测试波形更低的电压，从而导致比其他波形更低的电流和功率要求。这对于如本文所述的电池驱动设计以及将该技术集成到另一个器械(其中用于使刺激布线绝缘的空间可能有限)中是特别有利的。“未驱动”电容器放电波形依赖于闭合电路中从电容器的电压降低/时间常数的固有放电，并且发现其在引发响应方面比使用“驱动电容器放电”波形更有效(例如使用函数发生器匹配特定的电压降低曲线)。

另一种优选的“电压驱动”电路确保作为主要影响因素的电压引起平滑肌响应并且始终在优选范围内，并且确保所得电流根据负荷(组织)电阻而变化。现有技术的神经刺激器使用“电流驱动”电路设计，当用于常见于潮湿体内组织的低负荷(组织)电阻时，该电路设计导致所得电压的显著下降。

下表1提供了采用单相、未驱动电容器放电波形的组织刺激的示例性和优选操作参数：

表1

下表2提供了采用单相方波波形的电压驱动的组织刺激的示例性和替代性操作参数：

表2

在优选实施方式中，电压和电流发生器以及系统的所有其他电气设置将通常不是用户可调节的，并且将处于锁定设置以确保系统功效并且确保患者安全。这些设置以及按钮、LED和其他电子组件将被设置到嵌入系统手柄的印刷电路板中。在一个优选实施方式中，系统将由至少一个电池(12伏或其他)供电，不仅满足发生器要求，而且还保持手柄的小轮廓圆柱形状。具有内部电源还保持独立式系统，该系统在该实施方式中不需要任何电缆或软线用于接地或供电。由于该系统将意在一次性使用，因此将不存在断电开关，并且在一个优选实施方式中，将通过移除非导电拉片来激活系统，该拉片在系统在使用前被储存时用作物理边界以完成系统手柄中的电路。

在优选实施方式中，该系统将提供视觉提示，该视觉提示不仅关于电源状态，而且还关于何时在装置的功能端头处施加电刺激。这些可以是由操作者或操作助手握持的系统端部上可见的发光二极管(LED)。在一个优选实施方式中，当系统被致动时，一个LED将打开，使得LED将在脉冲递送期间打开，然后关闭。第二个LED将在系统供电的整个时间内保持打开，并且当DC电源不再能够产生指定电压和电流的脉冲时将关闭。

与平滑肌目标对接的本发明系统的端部由不少于两个电极组成，使得该系统具有双极设计。接触组织完成电路，并且电脉冲从系统的主体递送，沿着轴杆向下，通过腹壁和由操作者触动的物质中的组织。当系统与目标平滑肌(如输尿管)足够紧密接触，并且电脉冲被发送到该组织时，系统将产生输尿管的双向全长收缩，该收缩将在视频屏幕上对操作者可见，或在开放式手术程序的视野中直接可见。

利用本发明的系统，通过产生电场引起的电刺激有足够的组织穿透以引发目标组织收缩。即使没有深层组织解剖，操作者也可以在视频监视器上看到这种效果，因为输尿管的路径可以看作是转移到覆盖组织的运动。在这种情况下对可视化的主要限制是这些覆盖组织的厚度，因为电刺激具有可能超过可见移动转移的穿透深度。此外，微创手术的独特设置是患者的骨骼肌被化学麻痹以允许现在瘫痪的腹壁的最大扩张。手术室中使用的麻痹剂不会影响肠道和输尿管等平滑肌。因此，本发明的系统在刺激，及随后视觉鉴别诸如输尿管等平滑肌方面非常有特异性，因为所有附近的骨骼肌都不能响应系统的刺激信号。这是我们系统的独特特征和应用，对于本领域技术人员而言不是容易理解的。

由于患者的骨骼肌和神经系统反应，例如，手术台上的不随意反射(痉挛、跳动或抽搐)，更高电压脉冲刺激(例如高于50V)例如在四肢、整形外科、ENT或其他开放手术中在临床上是不合需要的。使用如本文所述的更高电压脉冲刺激在腹腔镜、机器人、NOTES或其他微创手术中是临床上可接受的，因为同时施用麻痹麻醉剂用于松弛骨骼肌和神经，并且通过这样做，抑制了它们对更高的电压刺激的响应。由于平滑肌结构不受这些药剂的影响，来自较高电压刺激的视觉响应确保其是响应的平滑肌结构，从而最小化关于所询问的解剖结构化的任何混淆。

为了确保成功的目标组织刺激，并保持作为潜在的独立式系统，本发明的系统的功能端头具有不少于两个间隔最小1毫米的电极。电极将彼此绝缘并与系统的其余部分绝缘，并且在一个实施方式中通过非导电的合成聚合物基材料向近端分离，以防止电弧。在一个优选实施方式中，这些电极通过导线连接到电路板和系统手柄中的电源，导线分别被屏蔽以防止电短路或电弧(不仅与每根电线，还与系统的轴杆)。系统的轴杆将由刚性的非导电管状材料如聚酰胺，或绝缘金属(如具有聚合物涂层的不锈钢)构成，以防止意外的电信号传递。

人体输尿管平均宽度为3毫米，因此在一个优选实施方式中，本发明系统的端头上的电极间隔大约3毫米并垂直于输尿管的线性路径定向。这导致电刺激在横向平面中穿过输尿管，电场在双极布置的电极端头之间产生，并且因此在与生理信号传播匹配的平面中触发平滑肌(图5)。

进一步参考图5，根据本发明的用于平滑肌刺激的兴奋性电流可以在示波器上观察时以各种不同的波形或形状递送。可以调整所描述的波形以引起输尿管收缩响应以及其他器官和身体部位的平滑肌收缩。

根据本发明的适合于平滑肌刺激的正弦波形通常将具有低于100kHz的频率(高于该值的频率通常是无效的并且可能有害)。该波形可以调整为无害的参数，并针对平滑肌刺激进行优化，以便于器械集成。

根据本发明，具有呈匹配方波形式的限定的正和负分量的对称平衡波形也可用于平滑肌刺激。示例性波将具有正方波脉冲，和随后的相等的负方波脉冲，从而提供完全受控的平衡波形，这将避免净电荷的有害累积，避免潜在的烧伤和对接合组织的伤害。

具有限定的正和负分量的非对称平衡波形，例如，一个方波和作为平衡分量的电容器放电波形，也可以用于根据本发明的平滑肌刺激。这种平衡波形还可以最小化或避免净电荷的累积。这种双相脉冲优选地具有活动相，其具有正振幅，其中电流穿过阴极进入组织，其中平衡相将具有通过阳极的电流返回。这种不对称的平衡波形不仅可以优化平滑肌刺激，还可以优化神经刺激(因为神经元更容易响应负电流信号)。

另外，单相波形，例如前面描述的电容器放电和方波信号，当以短暂的爆发方式放电时，将有效地引发目标组织收缩，具有可以被优化成设定的脉冲持续时间的净电荷，并且呈现出对目标组织的最小损伤风险。

在其他方面，本发明的系统的功能端头可以没有角点、针或切割边缘以避免医源性损伤，并且还允许该系统用作钝性解剖器或探头。端头可以是配置有圆形外部特征的一对电极，由用于流线型无创伤端头的环形电极和点电极组成，其具有刺激目标组织的全方向能力，或者在Y构型中物理分离，这些全部是在设计成配合通过5毫米套管轴杆的任何其他潜在配置中的双极设计的情况下(图6)。电极的表面积足以维持适当的电流密度，以便对目标组织有所需的刺激。在端头设计的任何可能的排列中，当电路通过组织接触完成时，将总是存在电子从一个电极流到另一个电极的能力，从而导致期望的组织响应。在一个实施方式中，双极设计将确保安全的电脉冲控制和定位。

本发明的系统可以串联安装，或集成到用于微创手术或机器人手术的相机系统中。本发明的系统还可以用柔性、可延展、可操纵的和/或刚性的线性或弯曲轴杆实现，以便用于内窥镜手术、基于导管的经皮手术、自然孔手术方法，或者以其他方式被并入程序室或手术室中使用的机器人系统中。器械的轴杆可以具有柔性颈部段，或者可以是完全柔性的。本发明的系统还可以与其他现有的手术器械组合，作为可以根据用户的要求推进或缩回的可互换端头，或者作为随后可以由使用者激活的现有器械的集成部分保持在适当的位置，或者可以并入到器械的现有特征中。

为了提高外科医生的效率并提供更接近实时的输尿管检测方法，本发明的系统还可以集成到电外科和其他用于开放式或微创手术的器械中，如抓紧器、剪刀、抽吸冲洗器或其他解剖器械。这些实施方式通常将具有与用于电外科工具的切割或烧灼效果的部署和激活机构分开的刺激控制，以确保医师可以安全地区分刺激与治疗。在一个实施方式中，具有双极端头的探头可以从具有杠杆的电外科器械的功能端可逆地延伸，并且按下按钮以产生刺激效果。这将确保刺激与切割/烧灼之间的有目的和安全的区分(图7)。在另一个实施方式中，双极端头由抓紧器的两个指状物中的每一个实现，两个指状物充当在使用期间在空间上分离的单独电极，以模仿所需的分离距离以便正确使用。

在装置连接到手术场之上或之外的发电机(即，与另一个电外科器械平台配对或连接)的本发明系统的一个实施方式中，装置的功能端头可以还是无创伤的单电极。由于患者将会已经具有附接到其身体的接地垫以供其他电外科器械的使用，因此可以以单极方式进行对目标组织的刺激，因为电路将通过身体完成。在该形式中，装置的功能端头优选为阴极。在一个实施方式中，如果需要，装置的功能端头可以保持双极(即使集成到单极电外科器械平台中)以用于更集中的脉冲输送，这可能需要更少的能量和功率(图8)。在任一实施方式中，刺激信号可以通过开关或使用诸如脚踏板等交替开关在系统的手持组件上触发。

通过理解新颖的限定能量参数和系统功能端头的要求，本发明的系统可以集成到微创或开放式手术装置和系统中，这些装置和系统具有内在动力，或者可以具有针对该刺激功能为其供电的附件。在护理提供者在控制台处或以间接方式操作的自动化或机器人设置中，本发明的系统可以基于硬件设计以可逆或不可逆的方式放置在操作设备的一个臂之中或之上。它也可以是机器人平台抓握的独立组件(图10)。在该实施方式中，端头配置将类似于系统的手持形式，但是可以缩短轴杆长度以允许更大的体内可操纵性(特别是当在诸如骨盆等空间中操作时)。如果操作设备已经需要将接地垫放置在患者身上，则本发明系统的功能端头可以以具有单个电极端头的单极方式构造。刺激启动将通过基于外科医生界面的手控制器或脚踏控制器触发。还将存在音频和/或视觉提示以通知操作者正在递送电脉冲。

利用旨在用于平滑肌刺激的功率分布，本发明的系统不仅可适用于对输尿管产生非生理的可见收缩反应，而且可适用于包含平滑肌组织的其他结构。在帮助将胃起搏器电极放置在胃壁的关键部分内时，该系统可以首先用于确保胃的预期受神经支配的(或神经支配较差的)部分能够并且将如预期的那样响应电刺激。然后该系统可用于促进更多永久性电极准确地放入胃中和胃上。

在结肠缺乏对某些部分的神经支配的肠道疾病如先天性巨结肠症的情况下，可以使用体内刺激器来确定结肠对兴奋性刺激做出响应的水平或结肠不对兴奋性刺激作出响应的部分。这可以帮助操作者确定可能需要进行任何潜在手术干预的水平，并且可以允许更精确的切除和最大化的组织保存。相同的方法也可用于食道的平滑肌部分，以鉴别有功能反应性和反应性较低的组织或部分。

系统还有能力帮助鉴别神经组织(例如，组织平面由于肿瘤或瘢痕形成而变形时骨盆程序中的闭孔神经)在体内环境中也可能采取的位置和途径。利用来自系统的组织穿透信号，神经组织还可以在非麻痹的环境中被刺激，从而让操作者知道其可能想要避开的神经组织的定位，甚至没有直接可视化。

如图11所示，本发明的刺激器可以并入到手术器械中，如动力电外科工具和/或抓紧器/解剖器工具中。当并入到电外科/电烙器工具中时，刺激器可以在轴杆的远侧区域或端头之上或之处具有端部效应器，该轴杆是绝缘的并且可以与器械的其他机电组件平行或合并。端部效应器可以固定在适当位置，或者更优选地能够通过杠杆或其他致动机构延伸和缩回。这为外科医生提供了在单个装置中具有多个动力手术器械特征的灵活性，并且由于在操作期间不需要多次进行器械交换，因此将提高操作效率。

如图12A和图12B所示，本发明的刺激器可以替代地并入到抓紧器/解剖器工具中，其中钳口用作阳极和阴极，从而允许器械的效应器端递送刺激性电脉冲并提供所需的手术功能。在该实施方式中，新型刺激器的功率和脉冲发生组建可以可逆地或不可逆地附接。刺激器还可以集成到机器人手术平台的器械中或由机器人手术平台的器械抓握。由于外科医生将从控制台操作机器人平台，因此通常由机器人手术平台的臂抓握、操纵刺激器并以其他方式定位刺激器。

如图13所示，手持组件可以通过场外可编程发电机供电。使用这种远程发生器的优点包括它们通常存在于大多数手术室中并且能够将线电压转换成可编程的波形和可调节的信号强度。当由远程发电机供电时，手持组件可以做得更轻，外形更薄，并且更具成本效益，因为封闭的电池和电路组件将不再需要完全容纳在手柄中。用发电机为本发明的系统供电还可以便于改变使用者可调节的脉冲频率、强度、波形和信号持续时间，而非连接的实施方式通常具有固定的特征。

如图14A和图14B所示，端部效应器可以是双极的，允许本发明的系统以独立模式操作或者用远程发生器供电，潜在地消除对患者的接地或分散垫附件的需要。端头通常具有不大于6mm的直径，以允许通过其他器械、套管等的工作通道或管腔引入。这种双极器械的端部效应器可以具有两个由非导电材料和/或空间物理隔开的钝/扁平电极。这确保了所传递的电脉冲被最佳地递送到目标组织中。根据实施方式，电极可以包围装置的远侧端头的圆周的一部分，或者以其他方式遵循装置端部的轮廓以使角度最小化，允许在脆弱组织周围安全操纵，并且已经针对可制造性进行了优化。

所描述的系统可以应用于其中器械通过体壁插向目标组织的任何微创过程(以及应用于开放的胸腔或腹部程序)。微创过程可以由持有该器械的操作者在站在手术室中的患者旁边时直接进行，或者由与手术系统(该系统与患者对接)对接的操作者进行。

Claims (52)

1.一种用于在医学程序期间在目标解剖结构中引起可观察的响应的方法，所述方法包括：

提供电刺激器；

将电刺激能量从刺激器递送至所述目标解剖结构附近的组织，其中所述刺激能量包括电容放电；以及

观察所述组织，以检测所述目标解剖结构中由所述电刺激能量引起的响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电容放电包括未驱动的电容放电。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述未驱动的电容放电具有5V至500V范围内的峰值电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述峰值电压在6V至60V的范围内。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述未驱动的电容放电具有小于1A的所得可变电流。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述所得可变电流在5mA至125mA的范围内。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述未驱动的电容放电大于30μC。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述未驱动的电容放电在40μC至450μC的范围内。

9.根据权利要求7所述的方法，其中每个未驱动的电容放电具有大于0.05mJ的总所得能量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中每个未驱动的电容放电具有0.05mJ至9mJ范围内的总所得能量。

11.根据权利要求9所述的方法，其中每个未驱动的电容放电具有10μs至20ms范围内的衰减常数时段。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述时段在100μs至4ms的范围内。

13.根据权利要求11所述的方法，其中连续的未驱动电容放电以0.1Hz至2Hz的频率递送。

14.根据权利要求13所述的方法，其中连续的未驱动电容放电以0.5Hz至1Hz的频率递送。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述目标解剖结构选自以下组，该组包括：输尿管、膀胱、胃、食道和肠。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述电刺激器包括具有至少一个电极的轴杆，并且递送电刺激包括推进所述轴杆，以使所述至少一个电极抵靠着所述目标解剖结构附近的所述组织而接合。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述未驱动的电容放电的参数可由使用者调节。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述未驱动的电容放电的参数是预先设定的。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述电容放电是双极的。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述电容放电是单极的。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述轴杆被推进通过套管、插管、内窥镜或导管。

22.根据权利要求15所述的方法，其中所述轴杆被推进通过手术工具，或与所述手术工具一起推进。

23.根据权利要求15所述的方法，其中使用抓紧器推进所述轴杆。

24.根据权利要求15所述的方法，其中通过机器人推进所述轴杆。

25.根据权利要求13所述的方法，其中所述目标解剖结构包括输尿管，所述方法还包括视觉观察组织的收缩以确定所述组织中输尿管的路径。

26.一种用于在医学程序期间在目标解剖结构中引起可观察的响应的电刺激系统，所述电刺激器包括：

刺激器，其具有至少一个电极；以及

电源，其可连接至所述至少一个电极并且被配置用于将电刺激能量通过所述刺激器递送至所述目标解剖结构附近的组织，其中所述刺激能量包括电容放电。

27.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述电源被配置成当所述至少一个电极被定位成便于将所述刺激能量递送至输尿管附近的组织时，引发来自所述输尿管的蠕动响应。

28.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述电源被配置用于递送未驱动的电容放电。

29.根据权利要求27所述的电刺激系统，其中所述未驱动的电容放电具有5V至500V范围内的峰值电压。

30.根据权利要求28所述的电刺激系统，其中所述峰值电压在6V至60V的范围内。

31.根据权利要求28所述的电刺激系统，其中所述未驱动的电容放电具有小于1A的所得可变电流。

32.根据权利要求30所述的电刺激系统，其中所述所得可变电流在5mA至125mA的范围内。

33.根据权利要求30所述的电刺激系统，其中所述未驱动的电容放电大于30μC。

34.根据权利要求32所述的电刺激系统，其中所述未驱动的电容放电在40μC至450μC的范围内。

35.根据权利要求33所述的电刺激系统，其中每个未驱动的电容放电具有大于0.05mJ的总所得能量。

36.根据权利要求33所述的电刺激系统，其中每个未驱动的电容放电具有0.05mJ至9mJ范围内的总所得能量。

37.根据权利要求35所述的电刺激系统，其中每个未驱动的电容放电具有10μs至20ms范围内的衰减常数时段。

38.根据权利要求35所述的电刺激系统，其中所述时段在100μs至4ms的范围内。

39.根据权利要求37所述的电刺激系统，其中连续的未驱动电容放电以0.1Hz至2Hz的频率递送。

40.根据权利要求37所述的电刺激系统，其中所述电源被配置成以0.5Hz至1Hz的频率递送连续的未驱动电容放电。

41.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述电刺激器包括具有至少一个电极的轴杆，所述至少一个电极被配置成推进以接合所述目标解剖结构附近的组织。

42.根据权利要求27所述的电刺激系统，其中所述未驱动的电容放电的参数可由使用者调节。

43.根据权利要求27所述的电刺激系统，其中所述未驱动的电容放电的参数是预先设定的。

44.根据权利要求40所述的电刺激系统，其中所述刺激器具有在所述轴杆上的一对电极，所述电极被配置用于递送双极电容放电。

45.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述刺激器具有在所述轴杆上的单个电极，并且所述系统还包括分散垫，所述分散垫被配置用于递送单极电容放电。

46.根据权利要求40所述的电刺激系统，其中所述轴杆被配置成推进通过套管、插管、内窥镜或导管。

47.根据权利要求40所述的电刺激系统，其中所述轴杆被配置成推进通过手术工具，或与所述手术工具一起推进。

48.根据权利要求40所述的电刺激系统，其中所述轴杆被配置成使用抓紧器推进。

49.根据权利要求40所述的电刺激系统，其中所述轴杆被配置成通过机器人推进。

50.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述电刺激器包括手柄并且所述电源安设在所述手柄中。

51.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述电源是桌面电源，其通过连接线连接至所述电刺激器。

52.根据权利要求25所述的电刺激系统，其中所述刺激器包括选自以下组的手术器械，该组包括：抓紧器、剪刀、抽吸冲洗器和解剖器械。