JP2011529378A - 神経刺激システムの陰極と陽極の間の相対強度を増加させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

神経刺激システムの陰極と陽極の間の相対強度を増加させるためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】患者に治療を施すための方法および神経刺激システムを提供する。
【解決手段】患者の組織に隣接して複数の電極を配置する。電極は、第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極は第1の組織接触表面積を有し、第2の電極は第1の組織接触表面積より大きい第2の組織接触表面積を有する。第1の電極と第2の電極の一方から組織へ陽極電流が同時に流入し、その一方で、組織から第1の電極と第2の電極の一方へ陰極電流が流出して、患者に治療を施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、組織刺激システム、より詳しくは、神経線維を調節および刺激するためのシステムおよび方法に関する。
埋め込み型神経刺激システムにより、様々な疾患や障害が治療されてきた。ペースメーカーや埋め込み型除細動器(ICD)は、多くの心臓状態(例えば、不整脈)の治療に極めて有効であった。脊髄刺激(SCS)システムは、慢性疼痛症候群の治療のための治療法として長く受け入れられ、組織刺激の適用は、追加の適用、例えば、狭心症や失禁に広がり始めた。脳深部刺激(DBS)もまた、難治性慢性疼痛症候群の治療のために10年をはるかに超えて治療に適用され、DBSは、最近、追加の領域、例えば、運動障害やてんかんにも適用されてきた。更に、最近の研究において、末梢神経刺激(PNS)システムが慢性疼痛症候群や失禁の治療において効力を示し、多くの追加の適用も現在研究中である。更に、機能的電気刺激(FES)システム、例えば、NeuroControl(クリーブランド、オハイオ州)によるフリーハンドシステムも脊髄損傷患者における麻痺した四肢にいくらかの機能を回復させるために適用されている。
これらの埋め込み型神経刺激システムの各々は、典型的には、望ましい刺激部位に埋め込まれる刺激リードを有する１つ以上の電極、および刺激部位から遠くに埋め込まれるが、刺激リードに結合されている神経刺激装置を含む。従って、神経刺激装置から刺激リードへ電気パルスが送出されて、神経組織の容積を刺激するかまたは活性化することができる。特に、少なくとも1つの陰極電極と少なくとも1つの陽極電極の間に伝えられる電気エネルギーが電界を生成し、それが充分に強いときに、閾値を超えてニューロンを脱分極し(あるいは「刺激となり」)、それによって、神経線維に沿って広がる活動電位(AP)の発火が誘導される。
刺激エネルギーは、電極が標的神経要素を刺激していることを証明し且つ最も有効な刺激法を処方するためにリード配置プロセスの間とリード配置プロセスの後に電極に送出され得る。刺激法は、電極のいずれかが電流パルスを流入し(陽極)、電極のどちらかが所定時間に電流パルスを流出する(陰極)ことだけでなく、電流パルスの振幅と持続時間を命令する。刺激法は、典型的には、治療利益を得るために刺激されなければならない標的組織のすべてに刺激エネルギーを与えるが、刺激される対象外の組織の容積を最小限にするものである。SCSの場合、このような治療利益は、「錯感覚」、すなわち、電極によって加えられる電気刺激によって生じるチクチクする感じである。
ニューロンの電気刺激が患者に治療利益を与えるのにほぼ成功してきたが、標的組織が電極に直接隣接していない場合があり、電界強度が電極から距離によって指数的に低下することから、標的神経線維においてAPを生じるように比較的強い電界が生成されなければならない。しかしながら、電界によって、電極と標的神経線維の間の対象外の神経線維にもAPが生じることになる。対象外の神経線維においてAPが生じることにより、次に、患者にとって望ましくない結果(例えば、不快感または不随意運動)につながる場合がある。標的神経組織(すなわち、治療作用と関連している組織)と対象外の神経組織(すなわち、望ましくない副作用と関連している組織)がしばしば並置されていることから、副作用を防止しつつ神経組織を治療的に刺激することは達成しにくいことがあり得る。SCSの関連において、対象外の神経組織の刺激を除去するか、または少なくとも最小限にする少しの方法があり得る。
例えば、電極アレイが中間側面側に整列されている(すなわち、電極が脊髄の神経線維に直角に配置されている)場合には、対象外の神経線維にAPを生じることを防止するために脊髄のAP発生神経領域の形状を制御することが望ましいことになる。例えば、患者内で不随意運動移動を誘導させずに錯感覚の感覚を得るために、感覚神経線維と運動反射神経線維双方を含む、後根における神経線維(DR神経線維)の上の、主に感覚神経線維を含む、脊柱における神経線維(DC神経線維)を優先的に刺激することがしばしば望ましい。DC神経線維が従来のSCSにおいて意図した標的であるが、実際には、幾何学的、解剖学的、および生理的理由のために、DR神経線維がしばしば最初に動員される。例えば、DR神経線維は、最も大きな近くのDC神経線維より大きな直径を有するので、それらが励起される閾値がより低い。DR神経線維を励起するのに必要なより低い閾値に関与する他の因子は、DC神経線維とDR神経線維の異なる方向、DR神経線維の湾曲形状、およびDR神経線維の脊髄への入口における周囲媒質の不均質性と異方性である。従って、DR神経線維は、近くのDC神経線維より低い電圧でAPをなお生じることがあり得る。結果として、刺激されることが望まれるDC神経線維は、DR神経線維より刺激される確率がより低いので、後根の知覚神経線維の中で混ざった反射運動神経線維がしばしば動員され、不快感あるいは筋肉単収縮につながり、それによって、良好な錯感覚適用範囲が妨げられる。
これらのような理由で、対象外の神経組織の励起を最小限にしつつ神経組織が標的神経組織の励起を最大にするようにして; すなわち、DR/DC閾値比を増加させるために、活性化される閾値を変えることがしばしば望ましい。これは、脊髄の中心に位置する陰極電極へ電気パルスを流出して、陰極電極に隣接する標的組織を脱分極し、それによって、DC神経線維に沿ってAPを発生させ、一方、陰極電極の両側の陽極電極へ電気パルスを流入して、陽極電極に隣接する対象外の組織を過分極し、それによって、DR神経線維の閾値を増加させることができることによって達成され得る。
他の例として、電極アレイが吻側尾側に整列される(すなわち、脊髄の神経線維に沿って電極が配置されている)場合には、標的神経線維の束でAPを誘導し、APが対象外の神経線維の束で誘導される程度まで、脳あるいは神経系の他のいかなる部分にも達することを対象外の神経線維の範囲内でAPを遮断することが望ましいことになる。特に、電気パルスを陰極電極へ流出して、陰極電極に隣接する標的組織を脱分極することができ、それによって、神経線維の第1の束に沿ってAPを発生させ、一方電気パルスを陰極電極より上にまたはそれの下で１つ以上の陽極電極へ流入して、陽極電極に隣接する対象外の組織を過分極し、それによって、陰極電極の流出電気パルスによって偶然に誘導された神経線維の第2の束に沿ってAPを遮断する。
流入される電流の量が流出される電流の量に等しくなければならないことから、流出した電流の増加量の結果として潜在的に起こり得る悪影響を最小限にするために流入した電流の量が制限されなければならない。例えば、電極アレイが吻側尾側に整列されるすでに記載された場合には、陽極によって流入される電流の増加の結果として陰極によって流出される電流の増加により、流入した電流によって遮断されない対象外の神経線維にAPが発生され得る。電極アレイが中間側面側に整列されるすでに記載された場合には、陽極によって流入される電流の増加の結果として陰極によって流出される電流の増加により、対象外のDC神経線維にAPが発生され得る。
陰極によって流出される電流の量を制限するために、IPGの場合のような大表面積に陰極電流の一部を再分布することが知られている。このような技術は、米国特許出願公開第2007/0142863 A1号に記載されている。神経組織に対する作用が全くないか、あるいはほとんどない、表面積に陰極電流を分配することによって、神経組織に隣接する陰極へ流出される電気パルスの振幅に相応した増加を避けつつ陽極によって流入される電気パルスの振幅を増加することができる。このようにして、陰極電極へ流出されるので、陰極電極に隣接する神経組織を通って伝えられる電流の増加の結果として生じることがあり得る悪影響を最小限にすることができる。
この電流再分布技術が有益であるが、これは電極のために独立した電流または電圧源を有するIPG内でのみ実施され得る。すなわち、単流または電圧源を有するIPGは、陰極電流の選択された量をIPGケースへ再分布する手段を備えていない。
従って、陽極電流が増加するときに陰極電流の増加になり得る悪影響を最小限にする別の神経刺激法およびシステムが依然として求められている。
本発明の第1の態様によれば、患者に治療を施す方法が提供される。本方法は、患者の組織に隣接して複数の電極を配置することを含む。電極は第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極は第1の組織接触表面積を有し、第2の電極は第1の組織接触表面積より大きい(例えば、少なくとも2倍)第2の組織接触表面積を有する。
本方法は、更に、第1の電極と第2の電極の一方(例えば、第1の電極)から組織へ陽極電流を同時に流入する工程および組織から第1の電極と第2の電極の一方(例えば、第2の電極)へ陰極電流を流出して、患者に治療を施す工程を含む。一方法において、陽極電流と陰極電流は、電気パルスという形をとる。他の方法では、第1組織接触面と第2組織接触面の間のサイズ差は、第1の組織接触面上の電流密度を第2の組織接触面上の電流密度より大きくさせる。
電極が隣接して配置される組織は、例えば、脊髄組織であり得る。一方法において、電極は、脊髄組織に沿って中間側面側に配置される。この場合、第2の電極は、脊髄組織の脊柱神経線維に隣接することができ、第1の電極は、脊髄組織の後根神経線維に隣接することができ、流出した陰極電流は、脊髄組織の脊柱神経線維に活動電位を発生させることができ、流入した陽極電流は、後根神経線維の活動電位閾値を増加させることができる。他の例示的方法において、電極は、脊髄組織に沿って吻側尾側に配置される。この場合、第2の電極は、第1の神経線維束から第1の距離および第2の神経線維束からより大きい第2の距離であり得、流出した陰極電流は、第1神経線維束と第2神経線維束に活動電位を発生させることができ、流入した陽極電流は、第1の神経線維束における活動電位の少なくとも一部を遮断することができる。
本発明の第2の態様によれば、神経刺激システムが提供される。神経刺激システムは、患者の組織に隣接して配置されるように構成される複数の電極を備えている。電極は、第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極は第1の組織接触表面積を有し、第2の電極は第1の組織接触表面積より大きい(例えば、少なくとも2倍)第2の組織接触表面積を有する。
神経刺激システムは、更に、複数の電極に結合される出力刺激回路を備えている。出力刺激回路は、第1の電極と第2の電極の一方(例えば、第1の電極)に陽極電流を流入し、第1の電極と第2の電極の一方(例えば、第2の電極)から陰極電流を流出して、患者に治療を施すように構成される。一実施態様において、陽極電流と陰極電流は、電気パルスの形をとる。他の実施態様において、第1の組織接触面と第2の組織接触面の間のサイズ差は、出力刺激回路が、第2の組織接触面上の電流密度より大きい第1の組織接触面上の電流密度を生成させるように構成されるようにする。
一実施態様において、神経刺激システムは、更に、電極を有するリード(例えば、脊髄刺激リード)を備えている。リードは、例えば、インラインリードであってもよく、この場合、インラインリードの軸に沿って単一カラム内に電極が配置され、あるいはパドルリードであってもよく、この場合、パドルリードの軸に対して直角なラインに沿って電極の3つが配置されてもよい。
本発明の第3の態様によれば、神経刺激リードが提供される。神経刺激リードは、細長いリード本体とリード本体が有する複数の電極を備えている。リード本体は、例えば、脊髄組織に隣接して配置されているように構成され得る。一実施態様において、電極は、電極がリード本体のまわりに単一カラム内に配置されたリングである。他の実施態様において、神経刺激リードは、更に、リード本体上に配置されているパドルを備え、この場合、リード本体の軸に対して直角なラインに沿ってパドル上に電極の3つが配置されてもよい。電極は、第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極は、第1の組織接触表面積を有し、第2の電極は、第1の組織接触表面積より大きい(例えば、少なくとも2倍)第2の組織接触表面積を有する。一実施態様において、電極は、3列の電極を含み、3列の電極の中央の列は、第1の全組織接触面を有し、3列の電極の残り列は、第1の全組織接触面より小さい第2の全組織接触面を有する。
本発明の更に多くの態様および特徴は、以下の発明を実施するための形態を読み取ることから明らかになるが、これらは、本発明を具体的に説明するものであり、限定するものではない。
図面は、本発明の好ましい実施態様の設計および効用を示し、ここで、同様の要素は共通の符号によって参照される。本発明の前述のおよび他の利点および物体が得られる方法をより良く理解するために、上で簡単に記載された本発明のより詳細な説明は、本発明の個々の実施態様によって与えられ、これは添付の図面に示されている。これらの図面が本発明の典型的な実施態様だけを示しているので、本発明の範囲を制限するとみなされないことを理解することにより、本発明は、添付の図面を用いることによって追加の特異性および詳細とともに記載され説明される。
図1は、本発明に従って配置される脊髄刺激(SCS)システムの一実施態様の平面図である。 図2は、埋め込み型パルス発生器(IPG)の平面図および図1のSCSシステムに用いられる刺激リードの一実施態様である。 図3は、埋め込み型パルス発生器(IPG)の平面図および図1のSCSシステムに用いられる刺激リードの他の実施態様である。 図4は、図1のIPGの内部構成要素のブロック図である。 図5は、患者において使用中の図1のSCSシステムの平面図である。 図6は、患者の脊髄の上に中間側面側に位置する図2の刺激リードの電極の透視図である。 図7は、患者の脊髄の上に吻側尾側に位置する図3の刺激リードの電極の透視図である。 図8は、脊髄の断面図であり、特に先行技術の中間側面側電極配置によって誘導される刺激部位を示す図である。 図9は、脊髄の断面図であり、特に図7の中間側面側電極配置によって誘導される刺激部位を示す図である。 図10は、先行技術の吻側尾側電極配置によって誘導される第1線維束と第2線維束における神経線維膜電位の変化のグラフである。 図11は、図8の吻側尾側電極配置によって誘導される第1線維束と第2線維束における神経線維膜電位の変化のグラフである。
最初に、本発明が、多くの異なるタイプの刺激システムの構成要素として用いることができる、埋め込み型パルス発生器(IPG)、高周波(RF)送信器、または同様の電気刺激装置において用いることができることは留意されたい。以下の説明は、脊髄刺激(SCS)システムに関する。しかしながら、本発明はSCSの適用にそれ自体で充分に役に立つが、最も広い態様において、本発明がそのように限定され得ないことは理解されるべきである。むしろ、本発明は、組織を刺激するために用いられるいかなるタイプの埋め込み型電気回路において用いることができる。例えば、本発明は、ペースメーカー、細動除去器、蝸牛刺激装置、網膜刺激装置、協調的四肢運動を生じるように構成される刺激装置、皮質刺激装置、深部脳刺激装置、末梢神経刺激装置の部分として、または尿失禁、睡眠時無呼吸、肩関節亜脱臼等を治療するために構成される他のいかなる神経刺激装置においても用いることができる。
まず図1を見てみると、例示的なSCSシステム10は、一般的には、少なくとも1つの埋め込み型刺激リード12、埋め込み型パルス発生器(IPG) 14(あるいは、RF受信刺激装置)、外部遠隔制御RC 16、臨床医のプログラマー(CP) 18、外部トライアル刺激装置(ETS) 20、および外部充電器22を備えている。
IPG 14は、１つ以上のリード延長部24を経て、アレイに配置される複数の電極26を有する、刺激リード12に物理的に接続される。刺激リード12は、図1において外科的パドルリードとして示され、以下に更に詳述されるが、１つ以上の経皮刺激リードが外科的パドルリード12の代わりに使用し得る。以下に更に詳細に記載されるように、IPG 14は、一組の刺激パラメーターに従って電極アレイ26にパルスにされた電気波形(すなわち、時系列の電気パルス)の形で電気刺激エネルギーを送出するパルス発生回路を含む。
IPG 14として同様のパルス発生回路を有するETS 20もまた、一組の刺激パラメーターに従って電気刺激エネルギーを電極アレイ26へ供給する。ETS 20とIPG 14の間の主な違いは、ETS 20が、与えるべき刺激の有効性を試験するために、刺激リード12が埋め込まれた後におよびIPG 14が埋め込まれる前に試験に基づいて用いられる非埋め込み型デバイスであることである。
RC 16は、双方向RF伝達リンク32を介してETS 20を遠隔測定で制御するために用いることができる。IPG 14と刺激リード12が埋め込まれると、双方向RF伝達リンク34を介してIPG 14を遠隔測定で制御するためにRC 16を用いることができる。このような制御により、IPG 14をオンあるいはオフに、また、埋め込み後に異なる刺激プログラムによってプログラムすることが可能になる。IPG 14がプログラムされると、また、電源が充電されるかあるいは補充されると、RC 16が存在せずにIPG 14がプログラムされるように機能することができる。
CP 18は、手術室と追跡セッションにおいてIPG 14とETS 20をプログラムするための臨床医の詳細な刺激パラメーターを与える。CP 18は、RC 16を通って、IR伝達リンク36を介して、IPG 14あるいはETS 20と間接的に伝達することによってこの機能を行うことができる。あるいはまた、CP 18は、RF伝達リンク(図示されない)を介してIPG 14あるいはETS 20と直接伝達することができる。外部充電器22は、誘導リンク38を介してIPG 14を経皮的に充電するために用いられる携帯用デバイスである。
簡潔にするために、RC 16、CP 18、ETS 20、および外部充電器22の詳細は、本明細書に記載されない。これらのデバイスの例示的実施態様の詳細は、米国特許第6,895,280号に開示されている。
更に図2を参照すると、IPG 14は、電子構成要素と他の構成要素(以下で更に詳述される)を収容する外ケース15、および刺激リード12の近位端が電極26を外ケース15内のエレクトロニクスに電気的に結合する方法で嵌合するコネクタ17を備えている。外ケース15は、導電性生体適合性物質、例えばチタンから構成され、密封されているコンパートメントを形成し、ここで、内部エレクトロニクスは体組織や液体から保護されている。場合によっては、外ケース15は、電極として役立つ。
図2に示される実施態様において、刺激リード12は、近位端42および遠位端44を有する伸長された本体40を備える外科的パドルリード、およびリード本体40の遠位端44で形成されるパドル形の膜46である。別の実施態様において、刺激リード12は、複数の細長い本体を含むことができる、この場合、パドル形の膜46が細長い本体の遠位端で形成されることになる。リード本体40は、例えば、0.03インチ〜0.07インチ(0.08cm〜0.18cm)の直径および脊髄刺激適用のための30cm〜90cmの長さを有し得る。各リード本体40は、適切な電気絶縁物質、例えば、ポリマー(例えば、ポリウレタンまたはシリコーン)から構成されてもよく、単一構造として押出されてもよい。パドル形の膜46は、電気絶縁物質、例えばシリコーンから構成される。
刺激リード12は、更に、リード本体40の近位端42に取り付けられる複数の末端(図示されない)および二次元配置においてパドル形の膜46の一方の側に取り付けられる複数の電極16を備えている。図示された実施態様において、電極26は、刺激リード12の軸に沿ってパドル形の膜46の一方の側に3列に配置され、中央の列における電極はE1-E5にラベルされ、外側の列の1つにおける電極(リード12が吻側方向で患者に導入されるときの右側の列)はE6-E11にラベルされ、外側の列のもう一方における電極(リード12が吻側方向で患者に導入されるときの左側の列)はE12-E17にラベルされている。刺激リード12は17の電極26を有するように示されているが、電極の数は、刺激リード12が用いることを意図する適用に適している任意の数であってもよい(例えば、3、5、8、11、等)。電極26の各々は、導電性耐腐食性物質、例えば、白金、チタン、ステンレス鋼、またはこれらの合金から構成されるディスクの形をとっている。
刺激リード12は、また、リード体40を通って伸びそれぞれの末端(図示されない)の間に接続される複数の電気コンダクタ(図示されない)および適切な手段、例えば溶着を用いて、それによって、近位に位置する末端と遠位に位置する電極26とを電気的に結合する電極26を含む。刺激リード12が複数の細長い本体を含む場合には、各リード本体上の近位に位置する末端は、パドル形の膜46に位置する電極26の個々の列に電気的に結合される(この場合、第1のリード本体の中のコンダクタは、電極E1-E5に結合され、第2のリード本体の中のコンダクタは、電極E6-E11に結合され、第3のリード本体の中のコンダクタは、電極E12-E17に結合される)。
パドルリードの構成および製造方法に関する更なる詳細は、米国特許出願公開第2007/0150036 A1号に開示されている。
有意には、電極26は、その各々が第1の組織接触表面積を有する、第1組のより小さな電極26(a)、およびその各々が第1の組織接触表面積より大きい第2の組織接触表面積を有する、第2組のより大きな電極26(b)を含む。この方法で、以下で更に詳細に記載されるように、より大きな電極26(b)の電流密度は、より小さな電極26(a)の電流密度に相対して減少し、あるいは逆に、より小さな電極26(a)の電流密度は、より大きな電極26(b)の電流密度に相対して増加する。
好ましくは、第2の組織接触表面積は、第1の組織接触表面積の少なくとも2倍の大きさである。図示した実施態様において、第2の組織接触表面積は、第1の組織接触面の5倍より大きい。図示した実施態様において、中央の列はより大きな電極26(b)を含み、2つの側面側の列はより小さな電極26(a)を含む。各々のより大きな電極26(b)は、4つのより小さな電極26の間に中央に置かれる(a)。より小さな電極26(a)の数がより大きな電極26(b)の数より多くなるが、図示した実施態様において、より大きな電極26(b)の全表面積は、より小さな電極26(a)の全表面積より大きい。
図3に示される別の実施態様において、経皮刺激リード48は、外科的パドルリード12の代わりに、SCSシステム10で使用し得る。1つの経皮刺激リード48だけが示されているが、複数の経皮刺激リード(例えば、2つ)がSCSシステム10によって使用し得る。刺激リード48は、近位端52と遠位端54を有する細長いリード本体50を含む。リード本体50は、例えば、0.03インチ〜0.07インチ(0.08cm〜0.18cm)の直径および脊髄刺激適用のための30cm〜90cmの長さを有し得る。各リード本体50は、適切な電気絶縁物質、例えば、ポリマー(例えば、ポリウレタンまたはシリコーン)から構成されてもよく、単一構造として押出されてもよい。
刺激リード48は、更に、リード本体50の近位端52に取り付けられる複数の末端(図示されない)およびリード本体50の遠位端54に取り付けられる複数のインライン電極56(この場合、8つの電極E1-E8)を備えている。刺激リード48は8つの電極56(従って、8つの対応する末端)を有するように示されているが、電極の数は、刺激リード48が用いることを意図する適用に適している任意の数であり得る(例えば、2、4、16等)。電極56の各々は、導電性耐腐食性物質、例えば、白金、チタン、ステンレス鋼、またはこれらの合金から構成される円筒形のリング要素の形をとり、これはリード本体50のまわりに円周方向に配置されている。
刺激リード48は、また、リード本体50内で伸び且つそれぞれの末端(図示されない)の間に接続される複数の電気コンダクタ(図示されない)および適切な手段、例えば溶着を用い、それによって、近位に位置する末端が遠位に位置する電極56と電気的に結合される電極56を含む。刺激リード48は、更に、リード埋め込みを容易にするために、挿入スタイレット(下で詳述される)を受け入れるために用いることができる中央内腔(図示されない)を含む。
経皮的刺激リードの構成および製造方法を記載する更なる詳細は、米国特許出願公開第2007/0168007 A1号および米国特許出願公開第2007/0168004 A1号に開示されている。
有意には、電極56は、それぞれが第1の組織接触表面積を有する第1組のより小さな電極56(a)およびそれぞれが第1の組織接触表面積より大きい第2の組織接触表面積を有する第2組のより大きな電極56(b)を含む。電極26に関して上で記載される同じ方法で、より大きな電極56(b)の電流密度は、より小さな電極56(a)の電流密度に相対して低下し、あるいは逆に、より小さな電極56(a)の電流密度は、より大きな電極56(b)の電流密度に相対して増加する。また、第2の組織接触表面積は、第1の組織接触表面積の少なくとも2倍の大きさである。図示した実施態様において、より小さな電極56(a)とより大きな電極56(b)の同数が、交互に刺激リード48の軸に沿って伸びている。
下で更に詳述されるように、IPG 14は、一組のパラメーターに従って電極26(あるいは電極56)に電気調節および刺激エネルギーを与えるパルス発生回路を含む。このようなパラメーターは、陽極(正)、陰極(負)、およびターンオフ(ゼロ)として活性化される電極を定める、電極の組み合わせ、およびパルス振幅(IPG 14が電極に一定電流または一定電圧を供給するかによってミリアンペアまたはボルトで測定される)、パルス持続時間(マイクロ秒で測定される)、およびパルス速度(毎秒パルスで測定される)を含むことができる。
SCSシステム10の操作で与えられるパルスパターンに関して、電気エネルギーを伝達するかあるいは受容するために選択される電極は、ここでは「活性化」と呼び、電気エネルギーを伝達するかあるいは受容するために選択されない電極はここでは「非活性化」と呼ぶ。電気エネルギー送出は、2つ(またはそれ以上)の電極との間で行われ、一方がIPGケースであってもよいので、電流はIPGケース内に含有されるエネルギー源から組織への通路および組織からケース内に含有されるエネルギー源への流出通路を有する。電気エネルギーは、単極あるいは多極(例えば、双極、三極等)方法で組織に伝達することができる。
単極送出は、リード電極の選択された1つ以上がIPG 14のケースに沿って活性化されるときに生じるので、電気エネルギーは選択された電極とケースの間に伝達される。単極送出もまた、リード電極の1つ以上が単極作用を生成するように1つ以上のリード電極から遠隔で位置するリード電極の大きなグループに沿って活性化される場合に生じ得る; すなわち、電気エネルギーは、比較的等方性方法における1つ以上のリード電極から伝達される。双極送出は、リード電極の2つが陽極と陰極として活性化されるときに生じるので、電気エネルギーが選択された電極の間に伝達される。三極送出は、リード電極の3つが活性化される、陽極として2つおよび陰極として残りの1つ、または陰極として2つおよび陽極として残りの1つのときに生じる。
次に図4を見てみると、ここで、IPG 14の主な内部構成要素が記載される。IPG 14は、データバス64の上のコントロールロジック62の制御下に指定された振幅の電極26(あるいは電極56)(E1-En)でキャパシタC1-Cnを介して電気刺激パルスを個別に生成することができるアナログ出力回路60を含む。電気刺激(すなわち、刺激パルスの幅)の持続時間は、タイマロジック66によって制御される。
本発明が安易な電気エネルギー送出システムにそれ自体で充分に役に立つことから、アナログ出力回路60は、1つ以上の電流源または電圧源68を備えている。1つ以上の電流源または電圧源68は、例えば、電極26へおよび電極26から指定されたおよび既知のアンペア数の電気パルスを流入および流出するための単一の電流源、または電極26へあるいは電極26から指定されたおよび既知の電圧の電気パルスを流入および流出するための単一の電圧源であり得る。しかしながら、別の実施態様では、アナログ出力回路60は、電極26へあるいは電極26から指定されたおよび既知のアンペア数の電気パルスを流入および流出するための独立して制御された電流源、または電極26へあるいは電極26から指定されたおよび既知の電圧の電気パルスを流入または流出するための独立して制御された電圧源を備えることができる。
いずれにしても、アナログ出力回路60は、電極26の選択されたものは、陰極として構成することができ(負の末端源68に結合することによって)、電極26の選択されたものは、陽極として構成することができるように(正の末端源68に結合することによって)、電極26と電源の間に結合される切り替えマトリクス69を含む。
IPG 14は、更に、IPG 14全体に種々のノードまたは他のポイント72、例えば、電力供給電圧、温度、バッテリ電圧等の状態をモニターするためのモニター回路70を備えている。IPG 14は、更に、データバス76の上のコントロールロジック62を制御し、且つデータバス78を介してモニター回路70から状態データを得るマイクロコントローラ74の形の処理回路を備えている。IPG 14は、更に、タイマーロジック66を制御する。IPG 14は、更に、マイクロコントローラ74に結合されるメモリ80およびオシレータおよびクロック回路82を備えている。従って、マイクロコントローラ74は、メモリ80およびオシレータおよびクロック回路82と組み合わせて、メモリ80に保存された適切なプログラムに従ってプログラム機能を行うマイクロプロセッサシステムを備えている。あるいはまた、ある適用について、マイクロプロセッサシステムによって与えられる機能は、適切な状態マシンによって行うことができる。
従って、マイクロコントローラ74は、必要な制御およびステータス信号を生成し、マイクロコントローラ74が選択された操作のプログラムおよびパラメーターに従ってIPG 14の操作を制御することを可能にする。IPG 14の操作を制御する際に、マイクロコントローラ74は、制御ロジック62およびタイマーロジック66と組み合わせて、アナログ出力回路60を用いて電極26で個別に電気パルスを生成することができ、それによって、各々の電極26が単極ケース電極を含む他の電極26と対になるかあるいはグループ化すること且つ電流刺激パルスが与えられる極性、振幅、速度、およびパルス幅を制御することを可能にする。
IPG 14は、更に、RC 16から適切な変調キャリヤ信号でプログラムデータ(例えば、操作プログラムおよび/または刺激パラメーター)を受容するための交流電流(AC)受容コイル84、およびプログラムデータを回収するためにAC受容コイル84を通って受容するキャリヤ信号を復調するための充電および前部遠隔測定回路86を備え、次に、プログラムデータは、メモリ80内であるいはIPG 14全体に分配される他のメモリ要素(図示されない)内で保存される。
IPG 14は、更に、後部遠隔測定回路88およびRC 16にモニター回路70を通って検出される情報データを送るための交流電流(AC)伝送コイル90を備えている。IPG 14の後部遠隔測定特徴もまた、その状態を点検することを可能にする。例えば、刺激パラメーターになされる変化は、後部遠隔測定によって確認され、それによって、このような変化がIPG 14内で正確に受容され実施されたことが確実になる。更に、RC 16による問合せ時に、IPG 14内で保存されるすべてのプログラマブル設定がRC 16にアップロードされることがあり得る。
IPG 14は、更に、再充電可能電源92およびIPG 14に運転出力を与えるための出力回路94を備えている。再充電可能電源92は、例えば、リチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池を備えることができる。再充電可能な電池92は、電源回路94に無秩序な電圧を供給する。電源回路94は、次に、IPG 14内に位置する種々の回路によって必要であるように、種々の電圧96を生成し、その一部は調整されており、その一部は調整されていない。再充電可能な電源92は、AC受容コイル84によって受容される整流されたAC電源を用いて再充電される(またはDC電力はAC電源から他の手段、例えば、「インバータ回路」としても知られる効率的なAC/DCコンバータ回路から変換する)。電源92を再充電するために、AC磁界を生成する外部充電器(図示されない)が埋め込まれたIPG 14の上の患者の皮膚に対して、あるいは隣接して配置される。外部充電器によって放出されるAC磁界は、AC受容コイル84におけるAC電流を誘導する。充電および全部遠隔測定回路86は、AC電流を直流に変えて、DC電流を生成させ、これは電源92を充電するために用いられる。AC受容コイル84が共にワイヤレスで伝達(例えば、プログラミングおよび制御データ)を受容し且つ外部デバイスからエネルギーを充電するために用いられるように記載されているが、AC受容コイル84が専用の充電コイルとして配置することができ、他のコイル、例えばコイル90は双方向遠隔測定に使用し得ることは理解されるべきである。
図4の概略図は単に機能的なものであり、限定することを意図しないことは留意すべきである。本明細書に示された説明を考えれば、当業者は、示され記載される機能を行う、多くのタイプのIPG回路、あるいは等価回路を容易に仕上げることができるにちがいない。あるいは、IPGよりむしろ、SCSシステム10が刺激リード12に接続される埋め込み型レシーバ-刺激装置(図示されない)を用いることができることは留意すべきである。この場合、埋め込まれたレシーバに給電するための電源、例えば、電池だけでなく、レシーバ-刺激装置を命令する制御回路が、電磁気リンクを介してレシーバ-刺激装置に誘導的に結合される外部コントローラ内に含有される。埋め込まれたレシーバ-刺激装置の上に配置されるケーブル接続伝送コイルからデータ/電力信号が経皮的に結合される。埋め込まれたレシーバ-刺激装置は、信号を受容し且つ制御信号に従って刺激を生じる。
図5を参照すると、刺激リード12(あるいは刺激リード48)は、患者98の脊柱100内に埋め込まれる。刺激リード12の好ましい配置は、刺激すべき脊髄領域に隣接している。すなわち、刺激すべき脊髄領域の上に載っている。刺激リード12が脊柱100から出る部位の近くに空間がないために、一般的には、腹部の中または臀部の上に外科的に作られたポケットにIPG 14が埋め込まれる。IPG 14は、もちろん、患者の体の他の位置に埋込むこともできる。リード延長部24は、刺激リード12の出口点から離れてIPG 14の場所を決めることを容易にする。埋め込み後、IPG 14は、患者の制御下で治療刺激を与えるために用いられる。電極26は脊髄に関して中間側面側に配置されてもよく、あるいは電極56は脊髄に関して吻側に配置されてもよい。
例えば、図6に示されるように、図2に示される外科的リード12は、5つの電極26を脊髄SCの軸に対して直角に(中間側面側に)配置するように使用し得る(1つの中心電極ECは、脊柱DC神経線維の中央の上に位置し、2つの左側の電極ELは、左側の後根DR神経線維に隣接するDC神経線維の中心から側面に配置され、2つの右側の電極ERは、右側の後根DR神経線維に隣接する脊柱DC神経線維の中心から側面に配置されている)。図示されるように、より大きな電極26(b)は中心電極ECであり、より小さな電極26(a)は左右の電極EL、ERである。
他の例として、図7に示されるように、図3に示される経皮的リード48は、脊柱DC神経線維の上に脊髄SCの軸に沿って(吻側尾側に)3つの電極26(上の(または吻側の)電極EU、中心電極EC、およびより下の(または尾側の)電極EL)を配置するために使用し得る。そこで示されるように、より大きな電極56(b)は中心電極ECであり、より小さな電極56(a)は上下の電極EU、ELである。
SCSシステム10は、様々な電気刺激法の適用を有する。
例えば、図6に示されるようにして電極26を中間側面側に配置するために外科的パドルリード12を用いる神経刺激法は、対象外の神経線維におけるAPの発生を防止するために脊髄のAP発生神経領域の形状に使用し得る。図8および図9に示されるように、中心電極ECは脊柱DC神経線維の上に配置され、2つの左の電極EL(1つだけ図示する)および2つの右の電極ER(1つだけ図示する)は脊柱DC神経線維の両側に後根DR神経線維の上に配置される。
均一なサイズの電極を用いる従来の刺激法は、本発明に従って行われる刺激法の参照として役に立つので、図8によって最初に記載されている。この従来の刺激法において、左右の電極EL(それぞれ2つ)とER(それぞれ2つ)は陽極として活性化され、中心電極ECは陰極として活性化される。図示された実施態様において、4つの電極EL、ERは、各々、全電流の25%(例えば、各々1mA)を流入し、中心電極ECは、全電流の100%(例えば、4mA)を流出する。左右の電極EL、ERによって生成される過分極電界と中心電極ECによって生成される脱分極電界の組み合わせにより、脊柱DC内に脱分極閾値以上である領域が得られる。全体の深さと幅を有するこの領域は、刺激LOS部位である。
上記の従来の刺激法において、刺激LOS部位がLOSの深さを増加させずにできる限り狭いことが望ましく、それによって、後根DR内の対象外の神経線維の刺激を防止しつつ、脊柱DC内の標的神経線維を刺激する。これは、図8に示される左右の電極EL、ERによって生成される過分極電界の増加を必要とする。すなわち、電極EL、ERによって生成される過分極電界の強化は、それが中心電極ECによって生成される脱分極電界の外側縁部を弱めることから刺激LOS部位を狭くする傾向がある。しかしながら、これにより必ず中心電極ECによって流出される電流が増加することになり、それによって、刺激LOS部位の深さが増加し、これは望ましくない結果につながり得る(例えば、不快感または望ましくない反射的な活性)。
SCSシステム10は、脊柱DC神経線維のAP閾値に相対して後根DR神経線維のAP閾値を効果的に増加させることによってこの問題を解決するために用いることができる。図9に示されるように、本発明による刺激法の一例は、より小さな幅と同じ深さを有する刺激LOS部位を生成することを含む。ここで、上記図8と同様にして、左右の電極EL、ERは陽極として活性化され、中心電極ECは陰極として活性化される。しかしながら、左右の電極EL、ERで流入される電流量は、より小さな幅に刺激LOS部位を狭くするのに充分強い過分極電界を生成するのに充分でなければならない。例えば、左右の電極EL、ERで流入される電流は、過分極電界を強化するために増加させることができる(例えば、各々4-8mA)。
特に、電極EL、ER、ECのサイズが同じであった場合には、中心電極ECで左右の電極EL、ERによって流入される電流のすべてを流出することにより、刺激LOS部位の深さを望ましくなく増加させる脱分極電界が生成し得る。しかしながら、中心電極ECは、組織接触表面積が増加するために、低下した電流密度は、中心電極ECで電流の増加を補償し、それによって、中心電極ECによって生成される脱分極電界の強度が図8において示されたものと比較して刺激LOS部位の深さを増加させないレベルに低下させることを可能にする。
あるいはまた、刺激LOS部位を双方の方向で狭くするよりむしろ、刺激LOS部位は一方向でのみ狭くすることができる。ここでは、左右の電極EL、ERの1つだけが陽極として活性化される。この場合、全電流の100%が左の電極ELまたは右の電極ERで流入され、全電流の100%が中心電極ECで流出されている。
他の例として、図7に示されるようにして電極56を吻側尾側に配置するために経皮的リード48を用いる神経刺激法は、神経線維におけるAPを選択的に遮断するために使用し得る。図10および図11に示されるように、神経刺激法の間、電極56によって電界が生成される場合、経皮的リード48の電極56の近くにある線維束における神経線維の膜電位(ΔVm)の変化がグラフで示されている。神経刺激法は、第1線維束と第2線維束FB1とFB2に関連して述べられる。図示された例において、第1の線維束FB1は電極56に最も近い線維束であり、第2の線維束FB2は電極56に次の最も近い線維束である。
均一サイズの電極を用いる従来の刺激法は、本発明に従って行われる刺激法のための参照として役に立つので、図10によって最初に記載される。この従来の刺激法において、上下の電極EU、ELは陽極として活性化され、中心電極ECは陰極として活性化される。図示された実施態様において、全電流の50%(例えば、2mA)は上下電極EU、ELの各々で流入され、全電流の100%(例えば、2mA)は、中心電極ECで流出される。
中心電極ECによって生成される脱分極電界は、第1の線維束FB1における神経線維の一部にAPを生じるのに充分なものである。言い換えれば、脱分極閾値DPTは、中心電極ECに隣接する組織における第1の線維束FB1のために適合されている。中心電極ECによって生成される脱分極電界は、第2の線維束FB2でかなり弱く、AP発生脱分極閾値DPTよりも小さい。それ故、刺激部位は、脱分極閾値DPT以上である中心電極ECによって生成される脱分極性電界の部分によって定められる。
図10に示される刺激法において陽極として機能する、上下の電極EU、ELは、上下の電極EU、ELに隣接する神経組織において過分極電界を生成する。電界が過分極閾値HPT以上である場合、電界内の神経線維は、線維に沿って他の点で発火したAPを遮断する。ここで、過分極閾値HPTの大きさが脱分極閾値DPTの大きさの約2〜8倍であると推定されたことは、留意されなければならない。例示的な刺激法における上下の電極EUおよびELによって生成される過分極電界は、第1の線維束FB1の過分極閾値HPTよりも小さい。このように、中心電極ECに隣接する神経線維における点で発火した線維束FB1におけるAPは、上下の電極EU、ELに隣接する点で遮断されない。上下の電極EU、ELによって生成される過分極電界は、もちろん、第2の線維束FB2で更に弱くなる。
上記の従来の刺激法において、第2の線維束FB2の中の線維にAPが発生すると、図10において示されるより中心電極ECによって生成される脱分極電界の増加が必要となる。第2の線維束FB2の脱分極閾値DPTに適合するのに充分強い脱分極電界の生成から必ず生じる、第1の線維束FB1におけるAPの発生は、患者にとって望ましくない結果(例えば、不快感または望ましくない反射的な活性)につながり得る場合があり得る。
SCSシステム10は、第1の線維束FB1において生じるAPが脳または末端器官に達することを防止することによってこの問題を解決した。詳しくは、図11において示されるように、本発明の刺激法の一例は、脱分極閾値DPT以上である脱分極電界の一部の中で発生したAPを刺激部位を超えて双方の方向に伝わることを防止する局所的AP遮断を生成することを含む。それ故、有効な刺激部位は、刺激部位の他の部分で遮断されないAPを発生している神経線維の領域である。
ここで、図10に関して上記と同様の方法で、上下の電極EU、ELは陽極として活性化され、中心電極ECは陰極として活性化される。しかしながら、中心電極ECで流出される電流の量は、第2の線維束FB2の脱分極閾値DPTに適合するのに充分強い脱分極電界を生成させ且つ第2の線維束内の線維がAPを発生させるのに充分な量である。このような脱分極電界によって、もちろん、第1の線維束FB1における線維もAPが発生する。
しかしながら、第1の線維束FB1におけるAPの少なくとも実質的な部分は、過分極によって電極EUを通ることが妨げられる。特に、APの少なくとも実質的な部分(すなわち、＞10-20%)が、APを発生している第1の線維束FB1における組織の対向側に位置する、第1の線維束FB1における組織を、少なくとも過分極閾値HPTまで、過分極することによって遮断される。これは、上下の電極EU、ELで第1の線維束FB1内の過分極閾値HPTに達するために、図10に示されるレベル(例えば、それぞれ約2.5mA)と比較して、上下の電極EU、ELから流入される電流レベルを有意に増加させることによって達成され得る。
特に、電極EU、EC、ELのサイズが同じであった場合には、中心電極ECで上下の電極EUおよびELによって流入される電流のすべてを流出させることにより、第2の線維束FB2を充分に超える線維束において脱分極閾値DPTに適合するかまたは超える脱分極電界を得ることができる。しかしながら、中心電極ECは、増加した組織接触表面積を有するために、電流密度の低下は、中心電極ECで増加した電流を補償し、それによって、中心電極ECによって生成される脱分極電界強度を脱分極閾値DPTが第2の線維束FB2を超える線維には適合されないレベルまで低下させることが可能になる。
あるいはまた、双方の方向のAPを遮断するよりむしろ、刺激法は第1の線維束FB1において生じる単一の方向のAPを局所的に遮断することを含むことができる。ここでは、上下の電極EU、ELの1つだけが陽極として活性化される。この場合、全電流の100%が上の電極EUまたは下の電極ELで流入され、全電流の100%が中心電極ECで流出されている。
本発明の具体的な実施態様を図示し説明してきたが、本発明を好ましい実施態様に限定することを意図しないことが理解され、本発明の精神と範囲から逸脱することなく種々の変更および修正がなされてもよいことは当業者に明らかである。従って、本発明は、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内に含まれ得る代替物、修正物、および等価物を包含することを意図する。

Claims (26)

  1. 患者に治療を施す方法であって、
    患者の組織に隣接して複数の電極を配置する工程であって、電極が第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極が第1の組織接触表面積を有し、第2の電極が第1の組織接触表面積より大きい第2の組織表面積を有する、前記工程; および
    第1の電極と第2の電極の一方から組織に陽極電流を同時に注入し、組織から第1の電極と第2の電極の一方に陰極電流を流出させて、患者に治療を施す工程
    を含む前記方法。
  2. 第1の電極と第2の電極の一方が第1の電極であり、第1の電極と第2の電極のもう一方が第2の電極である、請求項1に記載の方法。
  3. 第2の組織接触表面積が、第1の組織接触表面積の少なくとも2倍である、請求項1に記載の方法。
  4. 第1の組織接触面上の電流密度が、第2の組織接触面上の電流密度より大きい、請求項1に記載の方法。
  5. 陽極電流および陰極電流が、複数の電気パルスを含む、請求項1に記載の方法。
  6. 組織が、脊髄組織である、請求項1に記載の方法。
  7. 電極が、脊髄組織に沿って中間側面側に配置される、請求項6に記載の方法。
  8. 第2の電極が、脊髄組織の脊柱神経線維に隣接し、第1の電極が、脊髄組織の後根神経線維に隣接し、流出した陰極電流が、脊柱神経線維に活動電位を発生させ、流入した陽極電流が、後根神経線維の活動電位閾値を増加させる、請求項7に記載の方法。
  9. 電極が、脊髄組織に沿って吻側尾側に配置される、請求項6に記載の方法。
  10. 第2の電極が、第1の神経線維束から第1の距離であり且つ第2の神経線維束からより大きい第2の距離であり、流出した陰極電流が、第1の神経線維束と第2の神経線維束において活動電位を発生させ、流入した陽極電流が、第1の神経線維束における活動電位の少なくとも一部を遮断する、請求項9に記載の方法。
  11. 患者の組織に隣接して配置されるように構成される複数の電極であって、電極が第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極が第1の組織接触表面積を有し且つ第2の電極が第1の組織接触表面積より大きい第2の組織接触表面積を有する、前記電極; および
    複数の電極に結合される出力刺激回路であって、第1の電極と第2の電極の一方に陽極電流を流入させ、第1の電極と第2の電極の一方から陰極電流を流出させて、患者に治療を施すように構成される、前記出力刺激回路
    を備えている、神経刺激システム。
  12. 第1の電極と第2の電極の一方が第1の電極であり、第1の電極と第2の電極のもう一方が第2の電極である、請求項10に記載の神経刺激システム。
  13. 第2の組織接触表面積が、第1の組織接触表面積の少なくとも2倍である、請求項10に記載の神経刺激システム。
  14. 出力刺激回路が、第2の組織接触面上の電流密度より大きい第1の組織接触面上の電流密度を生成するように構成される、請求項10に記載の神経刺激システム。
  15. 陽極電流と陰極電流が、複数の電気パルスを含む、請求項10に記載の神経刺激システム。
  16. 電極を有するリードを更に含む、請求項10に記載の神経刺激システム。
  17. リードが脊髄刺激リードである、請求項16に記載の神経刺激システム。
  18. リードがインラインリードであり、電極がインラインリードの軸に沿って単一列で配置されている、請求項17に記載の神経刺激システム。
  19. リードがパドルリードであり、電極がパドルリードの軸に対して直角なラインに沿って配置される3つの電極を備えている、請求項17に記載の神経刺激システム。
  20. 細長いリード本体; および
    リード本体が有する複数の電極であって、電極が第1の電極と第2の電極を含み、第1の電極が第1の組織接触表面積を有し、第2の電極が第1の組織接触表面積より大きい第2の組織接触表面積を有する、前記電極
    を備える、神経刺激リード。
  21. 第2の組織接触表面積が、第1の組織接触表面積の少なくとも2倍である、請求項20に記載の神経刺激リード。
  22. リード本体が、脊髄組織に隣接して配置されているように構成される、請求項20に記載の神経刺激リード。
  23. 電極がリード本体のまわりに単一列で配置されるリング電極である、請求項20に記載の神経刺激リード。
  24. リード本体の遠位端で形成されるパドルを更に備え、電極がリード本体の軸に対して直角なラインに沿ってパドル上に配置される3つの電極を備えている、請求項20に記載の神経刺激リード。
  25. 第2の電極が3つの電極の中心のものである、請求項24に記載の神経刺激リード。
  26. 電極が3列の電極を備え、3列の電極の中央のものが、第1の全組織接触面を有し、3列の電極の残りのものが、第1の全組織接触面より小さい第2の全組織接触面を有する、請求項24に記載の神経刺激リード。
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