JP2010504792A - 組織刺激方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
刺激装置は、刺激リード（１０２）、マルチプレクサ（１１４）、刺激信号生成器（１１６）、及び信号検出器（１２０）を有する。刺激リード（１０２）は、リード本体（１１０）の遠端の近くに配列に配置された複数の刺激電極（１１２）を有する。電極（１１２）の構成は、刺激電界（１１８）の三次元での操作を制御する。四次元電界操作も提供される。
Description
本発明は、神経刺激治療法、特に脳深部刺激法に関する。本発明は、筋肉及びその他の組織の電気的刺激法にも適用される。
神経系疾患及び他の疾患を治療するための従来の技術は、薬物の使用、切除手術（つまり、病変した脳／神経組織の外科切除）を含む。しかしながら、残念なことにこれらの治療法は種々の不利点を有する。例えば、薬物治療は、深刻な副作用を生じ、全ての患者が治療に応じるとは限らない（例えば、てんかん患者の約３０％は薬物に抵抗力を持っている）。切除手術は、比較的危険度が高い。更に、切除手術は可逆的でなく、全ての患者に適するとは限らない。
神経系疾患の別の治療法は、神経外科治療である。神経外科治療では、外部又は移植装置が用いられ、神経組織に電気又は磁気刺激を印加する。神経刺激は、パーキンソン病、てんかん、慢性疼痛、鬱病、アルツハイマー病、強迫性障害、及び肥満症さえも含む多数の異なる疾患を治療するために用いることができる。薬物治療が失敗し、及び／又は手術が可能でない場合には、神経刺激治療が最後の治療手段となる。例えば、研究者等は、全てんかん患者の少なくとも１５％が神経刺激により救済されうると推測している。
しかしながら、治療的有効性を達成するために、刺激は、組織内の適切な目標位置に分配されなければならない。組織の電気刺激の場合には、屡々、目標の近くに電極を備えたリードが配置される。電極を通じて電流を供給することにより、体内に電界が生成される。実際のシステムでは、これは、目標の近くに注意深くリードを配置することにより達成される。更に高度なシステムでは、電界の位置を調整するために、電界操作が用いられる。更に特定のシステムでは、電流は、刺激目標の近辺に位置付けられた複数の電極を通じて印加される。結果として生じる電界は、電流の平衡を調整することにより操作される。
参考文献として、Gijsbers他による特許文献１（発明の名称「High Resolution Brain Stimulation Lead and Method of Use」）、Barreras他による特許文献２（発明の名称「Method and Apparatus for Controlling and Steering an Electric Field」）、Hrdlicka他による特許文献３（発明の名称「Living Tissue Stimulation and Recording Techniques with Local Control of Active Sites」）、Kingによる特許文献４（発明の名称「Electrical Tissue Stimulation Apparatus and Method」）、Heruthによる特許文献５（発明の名称「Field Steerable Electrical Stimulation Paddle, LeadSystem, and Medical Device Incorporating The Same」）、及び非特許文献１がある。
Lovell、Simulation of Parallel Current Injection for Use in a Vision Prosthesis、Proceedings of the ２nd International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering、Arlington、Virginia、２００５年３月１６−１９日、ｐ．４５８-４６１
しかしながら、依然として改良の余地がある。例えば、リードの位置決め及び刺激するための電界の調整には更なる柔軟性を提供することが望ましい。
本願の態様は、これらの事柄及び他の事柄を解決する。
ある態様では、組織刺激装置は、長手方向軸を有する刺激リード、及び前記リードにより保持され前記長手方向軸の周りに二次元配列に配置された複数の電極、を有する。リードは、刺激されるべき組織へ、前記長手方向軸と実質的に平行な方向に挿入可能でありる。電極により生成される刺激電界は、少なくとも３つの次元に操作可能である。
別の態様では、組織刺激方法が提供される。当該方法は、目標の組織へ、長手方向軸の周りに角度を付けて配置された複数の電極を有する刺激リードを挿入する段階；刺激電界を生成するように、第１の刺激電極に電気刺激を印加する段階；前記刺激電界の分布を３つの空間的次元で変化させるように、少なくとも第１及び第２の遮蔽電極に印加される電気刺激を変化する段階；を有する。リードは、長手方向軸の周りに角度を付けて配置された複数の電極を有する。
別の態様では、組織刺激装置は、長手方向軸を有する刺激リードを有する。リードは、実質的に回転対称の外郭断面を有する。リードは、リードにより保持され長手方向軸の周りに二次元最密配列で配置された複数の刺激電極も有する。
本発明の更に別の態様及び利益は、当業者に明らかであり、以下の好適な実施例の詳細な説明を読むことにより理解されるだろう。
本発明は、種々の構成要素及び構成要素の配置、並びに種々の段階及び段階の配置の形式を取って良い。図は、好適な実施例の説明のみを目的とし、従って、本発明を限定するものと見なされるべきではない。
図１を参照する。移植可能な組織刺激リード１０２は、遠端１０４、長手方向軸１０６、近端１０８、及び本体１１０を有する。図１に示すように、本体１１０は、全体的に円筒状の外形を有する。リード１０２をリード１０２の長手方向又はｚ軸１０６に対する位置決めを実現するために、少なくともリード１０２の一部は、リード１０２の回転配向を識別する基準マーカー又はマーカー１２２を有する。
図１に示すように、本体１１０の近位部分は、平面、溝、突起、リード１０２の回転配向の視覚的若しくは触覚的識別を実現するマーキング又は他の回転非対称識別子を有する。リード１０２の遠端１０４は、対象となる組織若しくは対象領域１１１の近辺に又はその他の場所に、例えば脳内に、脊髄に、又は筋組織に移植される。リード１０２は、本体１１０の遠端部分の辺りに配置される電極１１２の配列を有する。電極１１２は、刺激電極、信号検出電極、二重目的電極、又はこれらの所望の組み合わせを有する。
図２を併せて参照する。電極１１２は、複数の角度を付けて、間隔の空けられた列１１３と長手方向に間隔の空けられた行１１５を有する２次元（２Ｄ）最密配列に構成される。隣接する列１１３は、ｚ軸方向に、長手方向に間隔の空けられた配列の半電極分１１２だけずれている。隣接する行１１５は、同様に、傾斜方向に、角度を付けて間隔の空けられた配列の半電極分１１２だけずれている。
各電極１１２の角度位置は、長手方向位置Ｚ、角度位置θ、及び長手方向軸１０６に対する半径位置Ｒを有する円柱座標系で表現できる。これに関し留意すべき点は、電極１１２及び基準マーカー１２２が既知の角度関係を有することである。円筒リードの例では、電極１１２は、共通の半径位置Ｒを有する。
図示したように、電極１１２は、全体的に六角形であり、従ってそれぞれの六角形は個々の中心１１７に対し６回対称である。以下に更に詳細に説明するように、電極１１２は、種々の電気刺激方式に従い駆動され、時間的に及び３つの空間次元の両方で刺激電界１１８の操作を制御する。
リード１０２と外部環境との間の電気的及び機械的接続は、近端１０８を通じて提供される。刺激信号生成器１１６は、目標領域１１１内の所望の刺激電界１１８を生成するために、電極１１２に電気エネルギーを供給する。信号検出器１２０は、必要な増幅、信号調整、及び電極１１２から信号を受信する他の機能を有する。ある実施例では、刺激及び／又は検知信号を生成するために用いられる電気回路の一部又は全ては、リード１０２内に統合される。
別の実施例では、電気回路は、信号生成器１１６、及び／又は信号検出器１２０、又は中間の位置に含まれる。これに関し、留意すべき点は、増幅の配置、及び電極１１２に比較的近い他の信号調整回路の配置は、電気的雑音の影響を低減する傾向があることである。任意の信号マルチプレクサ１１４は、電極１１２、刺激信号生成器１１６及び／又は信号検出器１２０の間の電気信号を多重する。信号マルチプレクサ１１４及び他の所望の信号調整、制御装置、及び類似の回路は、リード１０２に含まれ、リード１０２の外部にリード１０２の近くに取り付けられ、又は刺激信号生成器１１６又は検出器１２０の近くに取り付けられる。
図３は、刺激の結果であり、円周に沿って等しく間隔を空けられた（つまり電極間の中心同士の角度が３０度の）１２個の電極１１２を含む行を有するリード１０２の場合に生成された刺激電界３０２を示す。後段の行は、円周に沿って１５度だけずれている。結果としてリード１０２の周囲に六角形のパターンを生じている。中央の電極１１２Ｃは、陰極刺激のために設けられる。６個の周囲の電極１１２Ａは、陰極の振幅の１／６の陽極刺激のために設けられる（従って、陰極刺激と陽極刺激の和は０に等しい）。
従って、陰極電極１１２Ｃは刺激電極として、陽極電極１１２Ａは遮蔽電極として考えられる。更に、陽極電極１１２Ａにより生成された電界は、当該電界が存在しない場合よりも小さい範囲に、陰極電極１１２Ｃにより生成される刺激電界を制限する。図３は方位角の面内の電界分布３０２を示すが、当業者は刺激電界がｚ方向にも延在することを理解するだろう。
刺激電界の空間的分布は、種々の電極１１２に印加される対応する電気刺激を変化させることにより変化する。例えば、陽極電極１１２Ａに印加される対応する電気刺激は、他のより低次の対称性又は非対称性電界分布３０２を提供するよう変化する。リード１０２の斜視図から分かるように、対応する電気刺激を変化することにより、角度及び長手方向の両方で電界の空間的分布が変化する。種々の電極１１２に印加される電気刺激の大きさが変化することにより、同様に、半径方向の分布が変化する。従って、電極１１２の電界形状の特性は、３次元空間の刺激電界１１８の操作の制御を提供するために用いられる。
図４Ａは、複数の陰極又は刺激電極１１２Ｃを有する双極電気刺激方式の例を示す。図示したように、陰極電極１１２Ｃは、陽極又は遮蔽電極１１２Ａと協働し、実質的に任意の形状の刺激電界４０２を生成する。
図４Ｂは、複数の陰極又は刺激電極１１２Ｃを有する単極電気刺激方式の例を示す。図示したように、陰極電極１１２Ｃは、リードの長手方向軸１０６に関し回転対称を示す刺激電界４０４を生成する。
種々の単極又は双極の時間に伴い変化する電気刺激方式も、時間的な電界操作を提供するために用いられる。
図５Ａ及び図５Ｂは、時間と共に変化する電気刺激方式の第１の例を示す。図５Ａは、時刻ｔ０に種々の電極１１２に印加された電気刺激を示す。図５Ｂは、時刻ｔ１に種々の電極１１２に印加された電気刺激を示す。理解されるように、電気刺激シーケンスは、必要に応じて繰り返され、刺激電界が第１及び第２の位置の間で、プローブの長手方向軸１０６に対し交番するようにする。電極方式と回転励起電界を生成する時間段階の組み合わせも直ちに考え出される。留意すべき点は、図示した例では、特定の電極１１２Ｎが実質的に励起されず、従って印加された刺激電界を実質的に刺激又は遮蔽しないことである。留意すべき点は、刺激パターンが回転対称を示すことである。
図６Ａ乃至図６Ｃは、時間と共に変化する電気刺激方式の別の例を示す。図６Ａは時間ｔ０に印加された電気刺激を示す。図６Ｂは時間ｔ１に印加された電気刺激を示す。図６Ｃは時間ｔ２に印加された電気刺激を示す。留意すべき点は、結果として生じる刺激電界が再び回転対称を示すことである。
図７Ａ乃至図７Ｃは、時間と共に変化する双極電気刺激方式の別の例を示す。図７Ａは時間ｔ０に印加された電気刺激を示す。図７Ｂは時間ｔ１に印加された電気刺激を示す。図７Ｃは時間ｔ２に印加された電気刺激を示す。留意すべき点は、刺激電界が回転非対称且つ長手方向にも非対称であることである。
図８Ａ及び図８Ｂは、時間と共に変化する双極電気刺激方式の更に別の例を示す。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ時間ｔ０及びｔ１に印加された電気刺激を示す。留意すべき点は、結果として生じる刺激電界が再び回転対称であるが長手方向には対称でないことである。シーケンスは繰り返され、刺激電界を更に追加の長手方向の位置に供給する。
以上に可能な静的及び時間的に変化する電気刺激方式、及び結果として生じる刺激電界の幾つかの例を示した。しかしながら、他の双極及び／又は単極電気刺激方式を用い、実質的に任意の空間的及び／又は時間的範囲の刺激電界を生成してもよい。これに関し、留意すべき点は、時間と共に変化する刺激電界が、１又は複数の陰極電極１１２Ｃ又は陽極電極１１２Ａに印加される大きさ及び／又は対応する電気刺激を変化することにより生成されうることである。図３では、例えば、１又は複数の陽極電極１１２Ａに印加される電気刺激は、刺激電界が陰極電極１１２Ｃの中心１１７の周りを回転するローブ又は突起を有するよう変化する。
別の例では、電気刺激の大きさは、刺激電界の空間的広がりを時間の関数として変化するよう変化する。勿論、絶対的な又は相対的な電気刺激の両方とも、協調して又は他の所望の方法で一緒に変化してもよい。
更に別の例では、時間と共に変化する電気刺激は、比較的高いレートで印加され、刺激電界の広がりを調整し、調整され場合には所与の電極１１２の構成で達成されない刺激電界を近似する。これは、例えば、励起された組織上で時間と共に変化する励起パターンを時間平均した効果により達成される。このような調整技術は、比較的高い空間解像度を提供するので、特に有利である。別の観点からは、所望の空間解像度は比較的簡略化されたリード１０２で得られる。
留意すべき点は、種々の電極１１２の極性を陰極刺激の場合に説明したが、等価であるが反対の極性を有する電界分布が、印加する電気刺激の極性を反転させることにより得られることである。
更に別のリード１０２及び電極１１２の構成も考えられる。例えば、本体１１０は、種々の非円形断面を有し、回転対称であっても回転対称でなくてもよい。電極１１２は、円形、方形、不規則、又は他の非六角形であってもよい。ある実施例では、電極１１２は、それぞれの電極のそれぞれの中心１１７に関してｎ回対称である。ここで、ｎは３以上の整数である。電極１１２の種々の行１１５及び列１１３は、ずれている必要はない。電極１１２は、不規則な配列に構成されてもよい。例えば、１又は複数の電極１１２は、異なる形状、大きさ、又は間隔を有する。更に別の例では、複数の電極１１２の１又は複数の構成が繰り返される。
図９Ａ及び９Ｂは、非円形断面を有するリード１０２の例を示す。図示したように、本体１１０は、全体的に星形の又は十字型の外郭断面形状を有する。図示したように、電極１１２は円形であり、配列の行及び列はずれていない。
基準マーカー１２２は種々の形状を有する。例えば、リードの遠端１０４は、回転非対称であってよい。遠端１０４は標準的に患者の組織１１１に挿入され、使用中は見えないので、基準マーカー１２２は、Ｘ線、コンピューター断層撮像法、磁気共鳴法、又は核撮像法のような所望の画像診断法で見えるように構成されることが望ましい。従って、遠端１０４は、１又は複数の平面、溝、材料のない領域、又は類似のものを有する。リード１０２は、所望の様式の比較的強い（又は弱い）コントラストの材料を含む１又は複数の領域を有する。
基準マーカー１２２は、定位固定ヘッド・フレーム又は他の外部支持装置内のリードの位置決めを実現するために用いられてよい。このような構成によると、リード１０２の近端１０８は、スロット、溝、キー溝、又は外部支持装置の対応する構造と係合する同様のものを含む。位置決めの柔軟性を提供するため、リード１０２の一方又は両方、及び支持装置は、ユーザーがリード１０２の位置を選択的に調整することを可能にする。機械的位置決め方法の代わりに、光学的、磁気的、電気的、化学的、などのような基準マーカーを提供するために、種々の検知方法も用いられる。
図１０は、改良され統合された電極１１２と電気回路を提供するリードの構成の例を示す。電極１１２は、プラチナ、プラチナ／インジウム、プラチナ・ブラック（白金黒）、又は他の知られている生体適合性材料を有し、可撓性回路基板１００２により保持される。基板は、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、又は他の適切な材料を有し、電極１１２との必要な電気的接続を提供する回路トレースを保持する。
リード１０２は、信号の調整、多重、制御、又は他の集積電子機器を有し、可撓性のモノリシック電気回路１００３が設けられてもよい。このような回路の詳細は、米国特許第６,７６２,５１０B２号明細書、発明者Ｆｏｃｋ他、発明の名称「Flexible Integrated Monolithic Circuit」により詳細に記載されている。当該特許明細書は、参照されることにより本願明細書に全体が組み込まれる。
種々の層の間の相互接続は、対直方向の相互接続１００４及び／又はワイヤー・ボンディング１００６を通じて提供される。電極１１２及び電気回路１００３は、単一の基板上で結合される。このような構成の利点は、特に、機械的柔軟性である。この利点により、組立体は湾曲した表面を可能になる。留意すべき点は、電子機器が、例えば垂直方向の相互接続及び／又はワイヤー・ボンディングを通じて基板と適切に電気的に接続される従来の堅いチップを用いて実施されてもよいことである。このような構成は、基板１００２に所望の半径若しくは他の曲率を有するリードを形成させるのに十分なだけチップが小さい場合に、特に良好に適する。
図１１を参照して、装置の動作を説明する。段階１１０２で、リード１０２は、目標組織に挿入される。リード１０２の３次元の空間電界操作能力を最大限に利用するために、リード１０２は、有利なことに、少なくともリードの長手方向の部分の周囲の組織が刺激されるよう、組織内に位置付けられる。触覚的に、視覚的に、又は他の方法で識別可能な基準マーカー１２２は、回転位置決めを支援するために用いられる。位置決めは、リードが位置に固定又は保持されると、定位固定フレーム又は他の位置決め装置の使用を通じて支援されてもよい。
段階１１０４で、リード１０２は、任意的に検証されるか、又は登録される。リード１０２が、撮像モダリティで見える基準マーカー１２２を有する場合、位置決めは適切な撮像の検査を用いて変更されうる。位置は、１又は複数の電極１１２を励起することにより、及び機能的磁気共鳴撮像方法（ＭＲＩ）又は陽電子放出断層撮像方法（ＰＥＴ）のような機能的な撮像モダリティを用いて観察することにより検証される。リード１０２が１又は複数の専用の又は多重化された検知電極を有する場合、当該電極により検知された生体信号は、リード１０２の位置を理解するため、又は検証するために用いられる。理解されるように、リード１０２の長手方向及び回転方向の位置の決定により、患者の組織に関して、各電極１１２の絶対位置が定まる。この情報は、最適な刺激パターンを選択するために用いられる。
段階１１０６で、所望の電気刺激が印加され、所望の刺激電界が生成される。上述のように、刺激は、実質的に静的又は時間と共に変化しないが、時間と共に変化する刺激が印加されてもよい。
段階１１０８で、リード１０２が１又は複数の専用又は多重化された検知電極を有する場合、生体信号が検出及び／又は監視される。
段階１１１０で、位置決め１１０４、刺激１１０６、及び検出１１０８の１又は複数の段階が必要に応じて繰り返される。留意すべき点は、種々の段階が所望の順序で、一部又は全ての段階が同時に実行されうることである。
本発明は、本発明の好適な実施例に関連して説明された。
以上の詳細な説明を読み理解した者は、修正及び変更をなしうる。本発明は、このような修正及び変更が特許請求の範囲又はその等価物の範囲に属する場合、それらの修正及び変更を包含すると見なされる。
Claims (31)
- 組織刺激装置であって：
刺激されるべき組織へ長手方向軸と実質的に平行な方向に挿入可能な、前記長手方向軸を有する刺激リード；
前記リードにより保持され、前記長手方向軸の周りに二次元配列に配置される複数の電極、を有し、
電極により生成される刺激電界は、少なくとも三次元で操作可能である、装置。 - 刺激電界は、時間次元で操作可能である、請求項１に記載の装置。
- 前記電極はｎ回対称であり、ｎは３以上の整数であり、前記二次元配列は最密配列を有する、請求項１に記載の装置。
- ｎは６以上の整数である、請求項３に記載の装置。
- 前記二次元配列は規則的配列を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記二次元配列は不規則的配列を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記リードに保持される基準マーカーを更に有し、前記基準マーカーは、前記リードの回転配向を識別する、請求項１に記載の装置。
- 前記基準マーカーは、前記リードが前記組織内に移植されるときに処置される対象物の内部の画像診断検査のときに目に見える、請求項７に記載の装置。
- 前記基準マーカーは、定位固定ヘッド・フレームと係合する回転非対称部分を有する、請求項７に記載の装置。<
- 空間的及び時間的に変化する電気刺激方法に従い、前記電極を電気的に刺激する手段、を有する請求項１に記載の装置。
- 前記刺激方法は、長手方向に非対称である、請求項１０に記載の装置。
- 単極及び双極電気刺激パターンに従い、前記電極を選択的に励起する手段、を有する請求項１に記載の装置。
- 可撓性回路基板を有し、前記基板により電極が保持される、請求項１に記載の装置。
- 電極と電気通信可能な前記リードにより保持される可撓性モノリシック電気回路を有する請求項１に記載の装置。
- 前記リードは、実質的に円形の外郭断面を有し、前記組織は神経組織である、請求項１に記載の装置。
- 前記配列は、長手方向に配置された第１及び第２の列を有し、前記第１及び第２の列は、長手方向に間隔を有し、前記第１及び第２の列は前記間隔より短い距離だけずれている、請求項１に記載の装置。
- 組織刺激方法であって：
目標の組織へ、長手方向軸の周りに角度を付けて配置された複数の電極を有する刺激リードを挿入する段階；
刺激電界を生成するように、第１の刺激電極に電気刺激を印加する段階；
前記刺激電界の分布を３つの空間的次元で変化させるように、少なくとも第１及び第２の遮蔽電極に印加される電気刺激を変化する段階；を有する方法。 - 前記リードは六角形の電極を有する、請求項１７に記載の方法。
- 前記リードは、最密二次元配列に配置された複数の六角形の電極を有する、請求項１８に記載の方法。
- 前記電極は、二次元配列に配置され、少なくとも隣接する長手方向に配置された第１及び第２の行を有し、前記第１及び第２の行は、角度を付けて間隔を空けられ、前記第１及び第２の行は、角度を付けた配列の間隔のゼロでない分数分だけ角度を付けてずれている、請求項１７に記載の方法。
- 前記刺激電界の時間的分布を変化するよう、前記第１及び第２の遮蔽電極の少なくとも１つに印加される前記電気刺激を変化する段階、を有する請求項１７に記載の方法。
- 前記長手方向軸の周りを回転する刺激電界を生成するために、前記電極に印加される電気刺激を変化する段階、を有し、前記刺激電界は回転対称を有する、請求項１７に記載の方法。
- 前記リードは、前記リードの回転配向を識別する基準マーカーを保持し、前記方法は、前記基準マーカーの位置を決定するために医療撮像スキャナーを用いる段階を有する、請求項１７に記載の方法。
- 前記リードの近位部分は、前記リードの回転配向の触覚的表示及び視覚的表示の１つを提供する基準マーカーを有し、前記方法は、前記組織に対して前記リードの位置決めをする前記基準マーカーを用いる段階を有する、請求項１７に記載の方法。
- 生体信号を検知するために電極を用いる段階、を有する請求項１７に記載の方法。
- 前記組織は脳組織である、請求項１７記載の方法。
- 前記方法は、前記目標の組織に関して前記リードの回転配向を決定する段階、及び前記第１の刺激電極を選択するために前記決定した回転を用いる段階、を有する請求項１７に記載の方法。
- 組織刺激装置であって：
実質的に回転対称の外郭断面を有する、長手方向軸を有する刺激リード；
前記リードにより保持され前記長手方向軸の周りに二次元最密配列で配置される複数の刺激電極、を有する組織刺激装置。 - 前記電極は六角形である、請求項２８に記載の装置。
- 前記リードの回転配向を示す基準マーカー手段を有する、請求項２８に記載の装置。
- 目標の組織に関して電極の位置を決定し、及び前記決定した位置に基づき前記電極に電気刺激を選択的に印加する手段、を有する請求項２８に記載の装置。
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