JP2016507334A

JP2016507334A - パルス列を組み合わせる手段を有する多チャネル神経変調システム

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Publication number: JP2016507334A
Application number: JP2015559010A
Authority: JP
Inventors: クティードーン; チャンファンジュウ
Original assignee: ボストンサイエンティフィックニューロモデュレイションコーポレイション
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2016-03-10
Also published as: US20140243923A1; CN105163801A; CN105163801B; US20170036030A1; WO2014130858A1; EP2958618A1; US9138582B2; AU2014218709B2; EP2958618B1; US20160008604A1; US9981134B2; US9474905B2; AU2014218709A1

Abstract

神経変調システム（１４）は、電極（１０８）にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、それぞれのパルス列が特定の特性を有することを各々が妨げる複数のタイミングチャネル内で複数の個々の電気パルス列を電気端子にそれぞれ送出するように構成された変調出力回路（１００）と、パルス列を電気端子の共通セットに出力し、それによって電気端子の共通セットで特定の特性を有する組合せ電気パルス列を生成する方式で変調出力回路を制御するように構成された制御回路（１１４）とを含む。患者に治療を与える方法は、患者内に埋め込まれた電極の共通セットに複数のタイミングチャネル内で複数の電気パルス列をそれぞれ送出し、それによって電気端子の共通セットでの組合せ電気パルス列を生成する段階を含む。【選択図】図１０

Description

本発明は、神経変調システム、より具体的には、多チャネル神経変調システムに関する。

埋込可能神経変調システムは、様々な疾患及び障害に治療効果を有することが明らかにされている。ペースメーカー及び「埋込可能心臓細動除去器（ＩＣＤ）」は、いくつかの心臓疾患（例えば、不整脈）の治療に非常に有効であることが明らかにされている。「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方式として長い間受け入れられており、組織刺激の用途は、狭心症及び失禁のような追加の用途に拡張され始めている。「脳深部刺激（ＤＢＳ）」も、難治性慢性疼痛症候群の治療に十有余年にわたって治療効果的に適用されてきており、ＤＢＳは、最近では運動障害及び癲癇のような追加の分野においても適用されている。更に、最近の研究では、「末梢神経刺激（ＰＮＳ）」システムが、慢性疼痛症候群及び失禁の治療に有効性を証明しており、いくつかの追加の用途が現在研究下にある。更に、脊髄損傷患者の麻痺した肢部にある程度の機能を回復させるために、ＮｅｕｒｏＣｏｎｔｒｏｌ（米国オハイオ州クリーブランド）によるＦｒｅｅｈａｎｄシステムのような「機能性電気刺激（ＦＥＳ）」システムが適用されている。

これらの埋込可能神経変調システムは、典型的には、望ましい刺激部位に埋め込まれた１つ又はそれよりも多くの電極担持変調リードと、刺激部位から離して埋め込まれるが、変調リードに直接結合されるか又は変調リードにリード延長部を通して間接結合されるかのいずれかである神経変調器（例えば、埋込可能パルス発生器（ＩＰＧ））とを含む。更に、神経変調システムは、選択される変調パラメータに従って電気変調パルスを発生させるように神経変調器に遠隔的に命令するための外部制御デバイスを含むことができる。

神経変調器から電極に電気変調エネルギをパルス電気波形の形態で送出することができる。この場合に、変調エネルギは、神経組織を刺激するように電極に制御可能に送出することができる。電気パルスをターゲット組織に送出するのに使用される電極の組合せにより、アノード（正）、カソード（負）として機能するか又はオフ（ゼロ）状態に置かれるように選択的にプログラムすることができる電極を有する電極組合せが構成される。言い換えれば、電極組合せは、正、負、又はゼロである極性を表している。制御又は変更することができる他のパラメータは、電極アレイを通して供給される電気パルスの振幅、持続時間、及び繰返し数を含む。各電極組合せを電気パルスパラメータと共に「変調パラメータセット」と呼ぶことができる。

一部の神経変調システム、特に、独立して制御される電流源又は電圧源を有するものでは、電流が多くの異なる電極構成を通して供給されるように電極（電極として機能することができる神経変調器のケースを含む）への電流の配分を変更することができる。異なる構成において異なる電流配分（すなわち、分割電極構成）を生成するために、電極は、異なる相対百分率の正及び負の電流又は電圧で電流又は電圧を供給することができる。

上記に簡単に解説したように、選択される変調パラメータに従って電気変調パルスを発生させるように神経変調器に命令するために、外部制御デバイスを使用することができる。典型的には、神経変調器システムによって患者に供給される電気刺激を修正するために、神経変調器内にプログラムされた変調パラメータは、外部制御デバイス上の制御器を操作することによって調節することができる。しかし、利用可能な電極数は、様々な複合変調パルスを発生させる機能と組み合わせると、臨床医又は患者に変調パラメータセットの極めて多数の選択枝を提示する。

そのような選択を容易にするために、臨床医は、一般的にコンピュータ式プログラミングシステムによって神経変調器をプログラムする。このプログラミングシステムは、自己完結型ハードウエア／ソフトウエアシステムとすることができ、又は標準のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）上で実行されるソフトウエアによって大部分を定めることができる。ＰＣ又は特別仕様ハードウエアは、患者フィードバック又は他の手段に基づいて最適な変調パラメータを決定することを可能にし、かつその後に、治療の利益をもたらすために典型的にターゲット組織の全てを刺激するが、刺激を受ける非ターゲット組織の体積を最小にするものになる１つ又は複数の最適な変調パラメータセットを用いて神経変調器をプログラムするように神経変調器によって発生される電気刺激の特性を能動的に制御することができる。コンピュータ式プログラミングシステムは、患者の治療に当たる臨床医によっていくつかのシナリオで作動させることができる。

多くの場合に、患者内の異なるターゲット組織領域に電気変調エネルギを印加する時に複数のタイミングチャネルが使用される。例えば、ＳＣＳの状況では、患者は、異なる領域（腰背部、左腕部、及び右脚部等）内で同時に疼痛を受ける場合があり、これは、異なる脊髄組織領域の電気刺激を必要とすると考えられる。ＤＢＳの状況では、複数の脳構造に関連付けられた疾病を同時に治療するために、これらの複数の脳構造を電気刺激することが必要な場合がある。各タイミングチャネルは、ターゲット組織に電気パルスを送出するのに使用される電極の組合せ、並びに電極を通して流れる電流の特性（パルス振幅、パルス持続時間、パルス繰返し数等）を識別する。

慣例として、変調エネルギを発生させる各タイミングチャネルの機能は、典型的には限定される。例えば、各タイミングチャネルが供給することができる最大パルス振幅及び／又はパルス繰返し数は、限定される場合がある。更に、各タイミングチャネルに対するパルス繰返し数の性質は、均一でなければならないという点で限定される場合がある。これらのタイミングチャネルは、患者の異なる組織領域に変調エネルギを供給するために組合せで使用することができるが、殆どの場合に、タイミングチャネルを一緒に作動させることに対して制限が存在する（例えば、複数のタイミングチャネルが同時に作動するようにプログラムされた場合に、各チャネルの最大繰返し数が限定される場合がある）。更に、タイミングチャネルは、異なる組織領域に別個の変調効果を生成するために多くの場合に互いに独立に作動される。神経変調システムは、これらの問題点に対処することができるハードウエアを用いて設計することはできるが、既存の神経変調設計に対するハードウエアをこれらのパルス列を受け入れるように再設計することは膨大なタスクであると考えられる。更に、この分野で現在使用されている神経変調システムは、タイミングチャネルからのこれらの制限を排除するように容易に更新されない場合がある。

米国特許第６，８９５，２８０号明細書米国特許第６，５１６，２２７号明細書米国特許第６，９９３，３８４号明細書米国特許出願公開第２００３／０１３９７８１号明細書米国特許出願公開第２００５０２６７５４６号明細書

すなわち、既存の多チャネル神経変調システムの変調柔軟性を高めるための改善された技術を提供する必要性が残っている。

本発明の一態様によれば、神経変調システムは、複数の電極にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、複数の個々の電気パルス列を複数のタイミングチャネル内で複数の電気端子にそれぞれ送出するように構成された変調出力回路とを含む。タイミングチャネルの各々は、それぞれのパルス列が特定の特性を有することを妨げる。神経変調システムは、複数のパルス列を電気端子の共通セット（これは、単一の電気端子又は複数の電気端子とすることができる）に出力し、それによって特定の特性を有する組合せ電気パルス列を電気端子の共通セットにおいて生成する方式で変調出力回路を制御するように構成された制御回路を更に含む。

一実施形態において、特定の特性は、最大値を超えるパルス振幅であり、この場合に、組合せ電気パルス列は、最大値を超えるパルス振幅を有する。別の実施形態において、特定の特性は、最大値を超えるパルス繰返し数であり、この場合に、組合せ電気パルス列は、最大値を超えるパルス繰返し数を有する。更に別の実施形態において、特定の特性は、変化するパルス繰返し数であり、この場合に、組合せ電気パルス列は、変化するパルス繰返し数を有する。複数のパルス列のパルスは、変化するパルス繰返し数を有する組合せ電気パルス列を生成するために交互配置することができ、又は異なるパルス繰返し数を有する複数のバーストパターンを用いて組合せ電気パルス列を生成するために連続的にバーストさせることができる。

任意的な実施形態において、神経変調システムは、特定の特性を定める入力をユーザから受け入れるように構成されたユーザインタフェースを更に含む。別の任意的な実施形態において、神経変調システムは、複数の刺激プログラムを格納するように構成されたメモリを更に含み、この場合に、制御回路は、刺激プログラムの各々に対して複数のタイミングチャネルをプログラムするように構成することができる。神経刺激は、複数の電気端子と、変調出力回路と、制御回路とを収容するケーシングを更に含むことができる。

本発明の別の態様により、患者に治療を与える方法を提供する。本方法は、更に、複数の電気パルス列を患者内に埋め込まれた電極の共通セット（これは、単一の電極又は複数の電極を含むことができる）に複数のタイミングチャネル内でそれぞれ送出し、それによって電気端子の共通セットでの組合せ電気パルス列を生成して患者に治療を与える段階を含む。１つの方法では、複数のパルス列の変調パルスは、組合せパルス列が、複数のパルス列のパルス振幅の和に等しいパルス振幅を有するように互いに重なる。別の方法では、複数のパルス列の変調パルスは、組合せパルス列が、複数のパルス列のパルス繰返し数の和に等しいパルス繰返し数を有するように交互配置される。更に別の方法では、複数のパルス列は、異なるパルス繰返し数を有する複数のバーストパターンを用いて組合せ電気パルス列を生成するように連続的にバーストされる。任意的な方法は、組合せパルス列の特性を定める入力をユーザから受け入れる段階を更に含む。

本発明の他のかつ更に別の態様及び特徴は、本発明を限定ではなく例示するように意図した好ましい実施形態の以下の詳細説明を読解することによって明らかであろう。

図面は、本発明の好ましい実施形態の設計及び有利性を示し、これらの図面内では、類似の要素を共通の参照番号で参照している。本発明の上記に具陳した利点及び目的及び他の利点及び目的が如何にして得られるかがより明快に理解されるように、上記に簡単に記述した本発明のより具体的な説明を添付図面内に示す本発明の特定の実施形態を参照して行う。これらの図面が本発明の典型的な実施形態しか描示しておらず、従って、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないという理解の下に、添付図面を用いながら本発明を更に具体的かつ詳細に説明及び解説する。

本発明により配置された脊髄変調（ＳＣＭ）システムの実施形態の平面図である。患者に使用中の図１のＳＣＭシステムの平面図である。図１のＳＣＭシステムに使用される埋込可能パルス発生器（ＩＰＧ）及び経皮リードのプロファイル図である。単相カソード電気変調エネルギのプロット図である。カソード変調パルスと能動的電荷回収パルスとを有する２相電気変調エネルギのプロット図である。カソード変調パルスと受動的電荷回収パルスとを有する２相電気変調エネルギのプロット図である。図３のＩＰＧの複数のタイミングチャネル内で送出されるパルス電気波形を組み合わせるための第１の技術を示すタイミング図である。図３のＩＰＧの複数のタイミングチャネル内で送出されるパルス電気波形を組み合わせるための第２の技術を示すタイミング図である。図３のＩＰＧの複数のタイミングチャネル内で送出されるパルス電気波形を組み合わせるための第３の技術を示すタイミング図である。図３のＩＰＧの複数のタイミングチャネル内で送出されるパルス電気波形を組み合わせるための第４の技術を示すタイミング図である。図３のＩＰＧの内部構成要素のブロック図である。

以下に続く説明は、脊髄変調（ＳＣＭ）システムに関する。本発明は、脊髄変調における用途に非常に適するが、その最も広義の態様において、そのように限定されない場合があることは理解されるものとする。限定とは逆に、本発明は、組織を刺激するのに使用されるあらゆるタイプの埋込可能電気回路と共に使用することができる。例えば、本発明は、ペースメーカー、細動除去器、蝸牛刺激器、網膜刺激器、協働する体肢運動を生成するように構成された刺激器、皮質刺激器、脳深部刺激器、末梢神経刺激器、マイクロ刺激器、又は尿失禁、睡眠時無呼吸、肩関節亜脱臼、頭痛などを治療するように構成されたあらゆる他の神経刺激器の一部として使用することができる。

最初に図１に移ると、例示的なＳＣＭ神経変調システム１０は、一般的に、１つ又はそれよりも多くの（この場合に、２つの）埋込可能変調リード１２と、埋込可能パルス発生器（ＩＰＧ）１４と、外部リモートコントローラ（ＲＣ）１６と、臨床医のプログラマー（ＣＰ）１８と、外部試行変調器（ＥＴＭ）２０と、外部充電器２２とを含む。

ＩＰＧ１４は、１つ又はそれよりも多くの経皮リード延長部２４を通してアレイに配置された複数の電極２６を担持する変調リード１２に物理的に接続される。図示の実施形態において、変調リード１２は経皮リードであり、この目的に対して、電極２６を変調リード１２に沿って一列に配置することができる。代替実施形態において、電極２６は、単一パドルリード上に２次元パターンに配置することができる。下記でより詳細に説明するように、ＩＰＧ１４は、変調パラメータセットに従って電気変調エネルギをパルス電気波形の形態（すなわち、電気パルスの時系列）で電極アレイ２６に送出するパルス発生回路を含む。

ＥＴＭ２０は、経皮リード延長部２８及び外部ケーブル３０を通して変調リード１２に物理的に接続することができる。ＩＰＧ１４に類似のパルス発生回路を有するＥＴＭ２０も、変調パラメータセットに従って電気変調エネルギをパルス電気波形の形態で電極アレイ２６に送出する。ＥＴＭ２０とＩＰＧ１４の間の主な相違点は、ＥＴＭ２０が、与えられることになる刺激の応答性を変調リード１２が埋め込まれた後及びＩＰＧ１４の埋め込みの前に試験するために試行ベースで使用される非埋込可能デバイスである点である。従って、ＩＰＧ１４に関して説明するあらゆる機能は、ＥＴＭ２０に関しても同じく実施することができる。

ＲＣ１６は、双方向ＲＦ通信リンク３２を通してＥＴＭ２０を遠隔測定的に制御するために使用することができる。ＩＰＧ１４及び変調リード１２が埋め込まれた状態で、双方向ＲＦ通信リンク３４を通してＩＰＧ１４を遠隔測定的に制御するためにＲＣ１６を使用することができる。そのような制御は、ＩＰＧ１４を起動又は停止し、異なる変調パラメータセットを用いてプログラムすることを可能にする。ＩＰＧ１４は、プログラミングされた変調パラメータを修正し、ＩＰＧ１４によって出力される電気変調エネルギの特性を能動的に制御するように作動させることができる。下記でより詳細に説明するように、ＣＰ１８は、手術室及び予後の診療においてＩＰＧ１４及びＥＴＭ２０をプログラムするための詳細な変調パラメータを臨床医に提供する。

ＣＰ１８は、ＩＲ通信リンク３６を介し、ＲＣ１６を通してＩＰＧ１４又はＥＴＭ２０と間接的に通信することによって上述の機能を実施することができる。これに代えて、ＣＰ１８は、ＲＦ通信リンク（図示せず）を通してＩＰＧ１４又はＥＴＭ２０と直接に通信することができる。変調パラメータを独立モードにおける（すなわち、ＣＰ１８の補助なしでの）ＲＣ１６の作動によって後に修正することができるように、ＣＰ１８によって与えられる臨床医が詳述した変調パラメータは、ＲＣ１６をプログラムするためにも使用される。

外部充電器２２は、誘導リンク３８を通してＩＰＧ１４を経皮的に充電するのに使用される携帯デバイスである。簡潔化の目的で、外部充電器２２の詳細に関しては、本明細書では記載しない。ＩＰＧ１４がプログラムされ、かつその電源が外部充電器２２によって充電されるか又は他に補充された状態で、ＩＰＧ１４は、ＲＣ１６又はＣＰ１８が存在しない状態でもプログラムされた通りに機能することができる。

簡潔化の目的で、ＲＣ１６、ＣＰ１８、ＥＴＭ２０、及び外部充電器２２の詳細に関しては、本明細書では記載しない。これらのデバイスの例示的実施形態の詳細は、米国特許第６，８９５，２８０号明細書に開示されている。

図２に示すように、変調リード（又はリード）１２は、患者４０の脊椎４２内に埋め込まれる。変調リード１２の好ましい配置は、刺激される脊髄区域に隣接する硬膜に隣接し、すなわち、硬膜の近く又はその上に静置される。神経変調リード１２は、慢性疼痛の場所及び分布に依存する椎骨位置に位置付けられることになる。例えば、慢性疼痛が腰背部又は脚部に存在する場合に、変調リード１２を中位から低位の胸領域（例えば、Ｔ９〜１２椎骨高さ）に設置することができる。変調リード１２が脊椎４２を出る場所の近くでの空間の欠如に起因して、ＩＰＧ１４は、一般的に、腹部又は臀部の上方のいずれかに手術で生成されたポケット内に埋め込まれる。ＩＰＧ１４は、当然ながら患者の身体の他の場所に埋め込むことができる。リード延長部２４は、電極リード１２の出口点から離してＩＰＧ１４を設置するのを容易にする。図２に示すように、ＣＰ１８は、ＲＣ１６を通してＩＰＧ１４と通信する。

ここで図３を参照して、変調リード１２及びＩＰＧ１４の特徴を簡単に以下に説明する。変調リードの一方１２（１）は、８つの電極２６（Ｅ１〜Ｅ８とラベル付けした）を有し、他方の変調リード１２（２）は、８つの電極２６（Ｅ９〜Ｅ１６とラベル付けした）を有する。リード及び電極の実際の個数及び形状は、当然ながら意図する用途に従って異なることになる。ＩＰＧ１４は、電子機器及び他の構成要素（下記でより詳細に説明する）を含むための外側ケース４４と、電極２６を外側ケース４０内の電子機器に電気結合する方式で変調リード１２の近位端が嵌合するコネクタ４６とを含む。外側ケース４４は、チタンのような導電性生体適合材料からなり、体内電子機器を身体組織及び流体から保護する密封区画を形成する。一部の場合に、外側ケース４０は、電極として機能することができる。

下記でより詳細に説明するように、ＩＰＧ１４は、バッテリと、ＩＰＧ１４にプログラムされた変調パラメータセットに従って電気変調エネルギを１つ又はそれよりも多くの電気パルス列の形態で電極アレイ２６に送出するパルス発生回路とを含む。そのような変調パラメータは、アノード（正）、カソード（負）として活性化され、かつオフ（ゼロ）される電極を定める電極組合せと、各電極に割り当てられた変調エネルギの百分率（分割電極構成）と、パルス振幅（ＩＰＧ１４が電極アレイ２６に定電流又は定電圧のいずれを供給するかに依存してミリアンペア又はボルトで測定）、パルス持続時間（マイクロ秒で測定）、パルス繰返し数（パルス毎秒で測定）、中間相（二相パルスの２つの相の間でマイクロ秒で測定）、及びバースト繰返し数（変調作動（オン）持続時間Ｘ及び変調オフ持続時間Ｙとして測定される）を定める電気パルスパラメータとを含むことができる。

電気変調は、一方をＩＰＧケース４４とすることができる２つ（又はそれよりも多く）の活性化電極間で発生することになる。変調エネルギは、組織に単極方式又は多重極（例えば、二重極、三重極等）方式で伝達することができる。単極変調は、リード電極２６のうちの選択される１つがＩＰＧ１４のケースと共に活性化され、それによって変調エネルギがこの選択される電極２６とケースの間で伝達される場合に発生する。二重極変調は、リード電極２６のうちの２つがアノード及びカソードとして活性化され、それによって変調エネルギが選択されるこれらの電極２６の間で伝達される場合に発生する。例えば、第２のリード１２（１）上の電極Ｅ１１がカソードとして活性化されると同時に第１のリード１２（１）上の電極Ｅ３をアノードとして活性化することができる。三重極変調は、リード電極２６のうちの３つが、２つがアノードとして、残りの１つがカソードとして、又は２つがカソードとして、残りの１つがアノードとして活性化される場合に発生する。例えば、第２のリード１２上の電極Ｅ１２がカソードとして活性化されると同時に第１のリード１２上の電極Ｅ４及びＥ５をアノードとして活性化することができる。

変調エネルギは、指定された電極群の間で単相電気エネルギ又は多相電気エネルギとして送出することができる。図４に示すように、単相電気エネルギは、全て負のパルス（カソード）又はこれに代えて全て正のパルス（アノード）のいずれかを含む電気パルス列の形態を取る。

多相電気エネルギは、正と負の間で交替する一連のパルスを含む。例えば、図５ａ及び図５ｂに例示するように、多相電気エネルギは、カソード（負）変調パルス（第１の相中の）と、組織を通る直流電荷移動を防止し、それによって電極の劣化及び細胞の創傷を回避するために変調パルスの後に生成されるアノード（正）電荷回収パルス（第２の相中の）とを各々が含む一連の２相パルスを含むことができる。すなわち、電荷は、変調期間（変調パルスの長さ）中に電極における電流を通じて電極−組織インタフェースを通して搬送され、次いで、再充電期間（電荷回収パルスの長さ）中に同じ電極における反対に分極された電流を通じて電極−組織インタフェースから引き戻される。

第２の相は、電流を電流源又は電圧源によって電極を通して能動的に搬送する能動的電荷回収パルス（図５ａ）と、受動的電荷回収パルスとを有することができ、又は電流を回路に存在する結合容量から流れる電荷の再配分によって電極を通して受動的に搬送する受動的電荷回収パルス（図５ｂ）を有することができる。能動的再充電を使用することにより、受動的再充電とは対照的に又は他に発生する可能性がある電荷不均衡を回避しながらより高速な再充電が可能になる。中間相の形態にある別の電気パルスパラメータは、２相パルスを構成するパルス間の期間（マイクロ秒で測定）を定めることができる。

本発明に対して重要な点として、ＳＣＭシステム１０は、複数の個々の電気パルス列をそれぞれの複数のタイミングチャネルを通して共通の電極セットに同時に送出することができ、それによって電極の共通セットにおいて組合せ電気パルス列を提供する。この仕様目的のために、電気パルス列は、そのパルスのうちのいずれかが重なる場合は同時に搬送されるか、又は互いに対して交互配置される。好ましい方法では、個々のパルス列は、複数の電極から患者の組織を通して共通電極（又は複数の電極）にそれぞれ搬送される。好ましくは、治療を与えるために、共通電極（又は複数の電極）に隣接する組織は、組合せ電気パルス列によって治療効果的に変調（例えば、刺激）される。有利なことに、複数のタイミングチャネルを用いて電極の共通セットでの複数の電気パルス列を単一電気パルス列に組み合わせることにより、ＳＣＭシステム１０が、そうでなければＳＣＭシステム１０内でのハードウエア制限に起因して単一タイミングチャネルを用いては生成することができない可能性がある電気パルス列を生成することが可能になる。

特に、ＳＣＭシステム１０のハードウエアは、それぞれのタイミングチャネル内で搬送される個々のパルス列が、組合せ電気パルス列内で発生する場合がある特定の特性を有することを妨げる。従って、タイミングチャネルは、ある一定の特性を有する個々のパルス列が電極の共通セットに送出されることを妨げる場合があるが、そのような特性を有する組合せパルス列は、電極の共通セットに送出することができる。

例えば、特定の特性は、最大値を超えるパルス振幅とすることができ（すなわち、単一チャネル変調は、個々のパルス列の各々のパルス振幅が最大値を超えることができない点で限定される）、この場合に、組合せ電気パルス列は、最大値を超えるパルス振幅を有することができる。組合せ電気パルス列は、個々のパルス列の変調パルスを組合せパルス列が個々のパルス列のパルス振幅の和に等しくなるように互いに重ねることによって生成することができる。

図６に示すように、２つの個々の電気パルス列６０ａ及び６０ｂは、それぞれ２つのタイミングチャネルＴ１及びＴ２内で電極の共通セット（例えば、電極Ｅ１）に送出され、電極の共通セットにおいて単一組合せ電気パルス列６０を与える。図示の実施形態において、単一組合せ電気パルス列６０は、それぞれの個々の電気パルス列６０ａ及び６０ｂの２相変調パルス６２ａ及び６２ｂを同時に電極の共通セットに送出することによって各々が提供される一連の２相パルス６２を含む。図６に示すように、組合せパルス列６０のパルス振幅は、個々のパルス列６０ａ及び６０ｂのいかなるパルス振幅よりも大きく、特にパルス列６０ａのパルス振幅とパルス列６０ｂのパルス振幅との和に等しい。実際に、電極の共通セットに送出される電気パルス列のパルス振幅の大きさは増大する。

別の例として、特定の特性は、最大値を超えるパルス繰返し数とすることができ（すなわち、単一チャネル変調は、個々のパルス列の各々のパルス繰返し数が最大値を超えることができない点で限定される）、この場合に、組合せ電気パルス列は、最大値を超えるパルス繰返し数を有することができる。組合せ電気パルス列は、個々のパルス列の変調パルスを組合せパルス列が個々のパルス列のパルス繰返し数の和に等しいパルス繰返し数を有するように互いに交互配置することによって生成することができる。

図７に示すように、２つの個々の電気パルス列６０ａ及び６０ｂは、それぞれ２つのタイミングチャネルＴ１及びＴ２内で電極の共通セット（例えば、電極Ｅ１）に送出され、電極の共通セットにおいて単一組合せ電気パルス列６０を与える。図示の実施形態において、単一組合せ電気パルス列６０は、それぞれの個々の電気パルス列６０ａ及び６０ｂの２相変調パルス６２ａ及び６２ｂを同時に電極の共通セットに交互配置方式で送出することによって各々が提供される一連の２相パルス６２を含む。図７に示すように、組合せパルス列６０のパルス繰返し数は、個々のパルス列６０ａ及び６０ｂのいかなるパルス繰返し数よりも大きく、特にパルス列６０ａのパルス繰返し数とパルス列６０ｂのパルス繰返し数との和に等しい。図示の実施形態において、個々のパルス列６０ａのパルス繰返し数と個々のパルス列６０ｂのパルス繰返し数とは互いに等しく、従って、組合せパルス列６０のパルス繰返し数は均一であり、かつパルス列６０ａ及び６０ｂの各々のパルス繰返し数の２倍である。

更に別の例として、特定の特性は、変化するパルス繰返し数とすることができ（すなわち、単一チャネル変調は、個々のパルス列の各々のパルス繰返し数が均一でなければならない点で限定される）、この場合に、組合せ電気パルス列は、変化するパルス繰返し数を有することができる。組合せ電気パルス列は、個々のパルス列の変調パルスを組合せパルス列が変化するパルス繰返し数を有するように互いに交互配置することによって生成することができる。

図８に示すように、４つの個々の電気パルス列６０ａ〜６０ｄは、それぞれ４つのタイミングチャネルＴ１〜Ｔ４内で電極の共通セット（例えば、電極Ｅ１）に送出され、電極の共通セットにおいて単一組合せ電気パルス列６０を与える。図示の実施形態において、単一組合せ電気パルス列６０は、それぞれの個々の電気パルス列６０ａ〜６０ｄの単相変調パルス６２ａ〜６２ｄを電極の共通セットに交互配置方式で送出することによって各々が提供される一連の単相変調パルス６２を含む。図８に示すように、組合せパルス列６０のパルス繰返し数は、比較的高いレベルと比較的低いレベルとの間で変化する。

更に別の例として、特定の特性は、異なるパルス繰返し数を有する連続出現（バースト）パターンのシーケンスとすることができ（すなわち、単一チャネル変調は、個々のパルス列の各々が固定のパルス繰返し数で連続出現（バースト）をオン及びオフすることしかできない点で限定される）、この場合に、組合せ電気パルス列は、変化するパルス繰返し数を有する一連のバーストパターンを有することができる。この場合に、電気パルス列を同時に搬送するのではなく、図６〜図８に示すように、電気パルス列は、連続的にバーストをオン及びオフさせることができ、異なるパルス繰返し数を用いた複数のバーストパターンを有する組合せ電気パルス列を与える。

図９に示すように、４つの個々の電気パルス列６０ａ〜６０ｄは、それぞれ４つのタイミングチャネルＴ１〜Ｔ４内で電極の共通セット（例えば、電極Ｅ１）に送出され、電極の共通セットにおいて単一組合せ電気パルス列６０を与える。図示の実施形態において、単一組合せ電気パルス列６０は、それぞれの個々の電気パルス列６０ａ〜６０ｄの変調パルス６２ａ〜６２ｄのバーストを電極の共通セットに連続して送出することによって各々が提供される一連のパルス６２を含む。図９に示すように、組合せパルス列６０は、第１のパルス列６０ａから得られた第１のバーストパターン６２ａ、次いで、第２のパルス列６０ｂから得られた第２のバーストパターン６２ｂ、更に第３のパルス列６０ｃから得られた第３のバーストパターン６２ｃ、最後に第４のパルス列６０ｄから得られた第４のバーストパターン６２ｄを含む。

次いで図１０に移り、ここでＩＰＧ１４の主な内部構成要素を以下に説明する。ＩＰＧ１４は、データバス１０４を通じた制御論理回路１０２の制御下で指定されたパルス振幅、パルス繰返し数、パルス幅、パルス形状、及びバースト繰返し数を有する定められたパルス波形に従って電気変調エネルギを発生させるように構成された変調出力回路１００を含む。電気波形のパルス繰返し数及びパルス幅の制御は、適切な分解能、例えば、１０μｓを有することができるタイマ論理回路１０６によって容易にされる。変調出力回路１００によって発生させた変調エネルギは、コンデンサーＣ１〜Ｃ１６を通して電極２６に対応する電気端子１０８に出力される。アナログ出力回路１００は、指定された既知のアンペア数の変調パルスを電極２６に又はそこから供給するための独立制御電流源、又は指定された既知の電圧の変調パルスを電極２６に供給するための独立制御電圧源のいずれかを含むことができる。

Ｎ個の電極のうちのいずれも、ｋ個までの可能な群又はタイミング「チャネル」に割り当てることができる。一実施形態において、ｋは、４に等しいとすることができる。タイミングチャネルは、刺激される組織内に電界を生成する上でどの電極が同期して電流を流出させるか又は流入させるように選択されているかを識別する。チャネル上の電極の振幅及び極性は、例えば、ＲＣ１６によって制御される通りに変更することができる。他の可能なプログラマブルな特徴の中でも取りわけ、与えられたチャネル上の電極に対する電極極性、振幅、パルス繰返し数、パルス持続時間、中間相、バースト繰返し数、及びバースト負荷サイクルを含む変調パラメータを設定するのに、ＣＰ１８内の外部プログラミングソフトウエアが典型的に使用される。

ｋ個のチャネルのうちのいずれかにおいて、Ｎ個のプログラマブル電極は、正（電流を流出させる）極性、負（電流を流入させる）極性、又はオフ（無電流）極性を有するようにプログラムすることができる。更に、Ｎ個の電極の各々は、例えば、２つ又はそれよりも多くの電極接点が同時に電流を流出／流入させるようにグループ分けされた多重極（例えば、二重極）モードで作動させることができる。これに代えて、Ｎ個の電極の各々は、例えば、チャネルに関連付けられた電極接点がカソード（負）として構成され、ケース電極（すなわち、ＩＰＧケース）がアノード（正）として構成される単極モードで作動させることができる。

更に、与えられた電極から流出するか又はそこに流入する電流パルスの振幅は、いくつかの離散電流レベル、例えば、０ｍＡから１０ｍＡの間で０．１ｍＡ刻みのレベルのうちの１つにプログラムすることができる。また、電流パルスのパルス持続時間は、好ましくは、好ましい増分で、例えば、０ミリ秒（ｍｓ）から１ミリ秒（ｍｓ）までを１０マイクロ秒（μｓ）の増分で調節可能である。同様に、パルス繰返し数は、好ましくは、許容限度の範囲で、例えば、０パルス毎秒（ｐｐｓ）から１０００パルス毎秒（ｐｐｓ）の範囲で調節可能である。プログラマブルな他の特徴は、緩慢な立ち上がり／立ち下がり、バースト変調サイクル（Ｘ時間にわたってオン、Ｙ時間にわたってオフ）、中間相、及び開ループ又は閉ループの感知モードを含むことができる。

規定の振幅及び持続時間の変調パルスを発生させるこの同じ機能を実施するための適切な出力回路の代替実施形態を含むこのアナログ出力回路１００の作動は、米国特許第６，５１６，２２７号明細書及び第６，９９３，３８４号明細書により完全に記載されている。

ＩＰＧ１４は、ＩＰＧ１４を通した様々なノード又は他の点１１２のステータス、例えば、電源電圧、温度、及びバッテリ電圧などをモニタするためのモニタ回路１１０を更に含む。ＩＰＧ１４は、データバス１１６を通して制御論理部を制御し、かつデータバス１１８を通してモニタ回路１１０からステータスデータを取得するマイクロコントローラ（μＣ）１１４の形態にある処理回路を更に含む。更に、ＩＰＧ１４は、タイマ論理部１０８を制御する。ＩＰＧ１４は、マイクロコントローラ１１４に結合されたメモリ１２０と、発振器及びクロック回路１２２とを更に含む。この場合に、マイクロコントローラ１１４は、メモリ１２０、並びに発振器及びクロック回路１２２との組合せで、メモリ１１８に格納された適切なプログラムに従ってプログラム機能を実施するマイクロプロセッサシステムを構成する。これに代えて、一部の用途に対して、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、適切な状態機械によって実施することができる。

すなわち、マイクロコントローラ１１４は、マイクロコントローラ１１４がメモリ１２０に格納された選択された作動プログラム及び変調パラメータに従ってＩＰＧ１４の作動を制御することを可能にする必要な制御信号及びステータス信号を発生させる。ＩＰＧ１４の作動を制御するのに、マイクロコントローラ１１４は、変調出力回路１００を制御論理部１０２及びタイマ論理部１０６との組合せに用いて、電極２６において電気パルス列を個々に生成することができ、それによって単極ケース電極を含む他の電極２６に対して各電極２６を対合又はグループ分けすることを可能にする。メモリ１１８内に格納された変調パラメータに従ってマイクロコントローラ１１４は、極性、振幅、繰返し数、パルス持続時間、及び変調パルスが供給される際に通るタイミングチャネルを制御することができる。

すなわち、マイクロコントローラ１１４の制御下で、変調出力回路１００は、各々が図４、図５ａ、及び図５ｂに示すように２相パルスを含むｋ個の個々の電気パルス列をそれぞれｋ個のタイミングチャネル内で電気端子１０６に出力するように構成されることを認めることができる。ＩＰＧ１４では、各々が４つのタイミングチャネルを有する４つまでのシミュレーションプログラムをメモリ１２０に格納することができる。従って、各変調プログラムは、４つのそれぞれのタイミングチャネルに対して４つの変調パラメータセットを定める。当然ながら、ＩＰＧ１４は、４つよりも少ないか又は多い変調プログラム、及び各変調プログラムに対して４つよりも少ないか又は多いタイミングチャネルを有することができる。重要な点として、マイクロコントローラ１１４は、複数の電気パルス列を電気端子１０８の共通セット（従って、電極２６の共通セット）に送出し、電気端子１０８の共通セットにおいて単一電気パルス列を発生させる方式、例えば、図６〜図９に例示した技術において説明した方式で変調出力回路１００を制御することができる。マイクロコントローラ１１４の機能は、ソフトウエアに実施することができるので、これらの技術は、既存のハードウエア設計を修正することなくＩＰＧ１４内に容易に実施することができる。

ＩＰＧ１４は、ＲＣ１６（図２に示す）から適切な変調搬送波信号でプログラミングデータ（例えば、作動プログラム及び／又は変調パラメータ）を受信するための交流（ＡＣ）受信コイル１２４と、後でメモリ１２０の内部又はＩＰＧ１４を通して分散された他のメモリ要素（図示せず）内に格納されたプログラミングデータを回復するためにＡＣ受信コイル１２４を通して受信された搬送波信号を復調するための充電及び前方遠隔測定（テレメトリ）回路１２６とを更に含む。

ＩＰＧ１４は、モニタ回路１１０によって感知された情報データをＲＣ１６に送るための後方遠隔測定（テレメトリ）回路１２８及び交流（ＡＣ）送信コイル１３０を更に含む。ＩＰＧ１４の後方テレメトリ回路の特徴は、そのステータスを検査することも可能にする。例えば、ＲＣ１６がＩＰＧ１４とのプログラミング作業を開始するときに、外部プログラマーが、再充電するための推定時間を計算することができるように、バッテリの容量がテレメトリされる。現在の刺激パラメータに加えられたいずれの変更も後方テレメトリ回路を通して確認され、それによってそのような変更が正しく受信され、埋め込みシステム内に実施されることを確実にする。更に、ＲＣ１６による照会時に、ＩＰＧ１４内に格納された全てのプログラマブル設定をＲＣ１６にアップロードすることができる。有意なことに、後方テレメトリ回路の特徴は、メモリ１２０内にそれまでに格納された生の又は処理された電気パラメータデータ（又は他のパラメータデータ）をＩＰＧ１４からＲＣ１６にダウンロードすることを可能にし、これらの情報を患者の身体活動を追跡するために使用することができる。

ＩＰＧ１４は、ＩＰＧ１４に作動電力を供給するための再充電可能電源１３２及び電力回路１３４を更に含む。再充電可能電源１３２は、例えば、リチウムイオンバッテリ又はリチウムイオンポリマーバッテリを含むことができる。再充電可能バッテリ１３２は、電力回路１３４に未調整電圧を供給する。電力回路１３４は、次に、ＩＰＧ１４内に位置付けられた様々な回路による必要性に応じて、一部が調整され、一部が調整されない様々な電圧１３６を発生させる。再充電可能電源１３２は、ＡＣ受信コイル１３４によって受信される整流されたＡＣ電力（又は他の手段、例えば、「インバータ回路」としても公知の有効なＡＣからＤＣへのコンバータ回路を通してＡＣ電力から変換されたＤＣ電力）を用いて再充電される。電源１３２を再充電するために、ＡＣ磁場を生成する外部充電器（図示せず）が、埋め込まれたＩＰＧ１４を覆う患者の皮膚に接して又は他に隣接して配置される。外部充電器によって放出されるＡＣ磁場は、ＡＣ受信コイル１３４内にＡＣ電流を誘導する。充電及び前方テレメトリ回路１３６は、ＡＣ電流を整流し、電源１３２を充電するのに使用されるＤＣ電流を生成する。ＡＣ受信コイル１３４を通信（例えば、プログラミングデータ及び制御データ）を無線受信するため及び外部デバイスからエネルギを充電するための両方に使用されるものとして記述したが、ＡＣ受信コイル１３４は、充電専用コイルとして配置することができ、一方、コイル１３０のような別のコイルは、双方向テレメトリに使用することができることを認めなければならない。

図１０の図は機能的なものでしかなく、限定的であるように意図していないことに注意しなければならない。当業者は、本明細書に与えた説明を受けて、選択される電極群上に刺激電流又は刺激電圧を生成することだけではなく、活性化電極又は非活性化電極における電気パラメータデータを測定する機能も含む参照して記述した機能を実施する多くのタイプのＩＰＧ回路又は均等な回路を直ちに想起することができるはずである。

上述のＩＰＧ及び他のＩＰＧに関する追加の詳細は、米国特許第６，５１６，２２７号明細書、米国特許公開第２００３／０１３９７８１号明細書、及び米国特許公開第２００５／０２６７５４６号明細書に見出すことができる。ＳＣＭシステム１０は、ＩＰＧではなく、変調リード１２に接続した埋込可能受信機−刺激器（図示せず）をこれに代えて利用することができることに注意しなければならない。この場合に、埋め込まれた受信機に給電するための電源、例えば、バッテリ、並びに受信機−刺激器に命令する制御回路は、電磁リンクを通して受信機−刺激器に誘導結合された外部コントローラに含まれることになる。データ／電力信号は、埋め込まれた受信機−刺激器の上に配置されたケーブル接続の送信コイルから経皮的に結合される。埋め込まれた受信機−刺激器は、信号を受信し、制御信号に従って変調を発生させる。

上記に簡単に解説したように、ＲＣ１６及び／又はＣＰ１８は、電気パルス列をその間で送出することになる特定の電極２６を含む変調パラメータを指定するための入力をユーザから受け入れるように構成されたユーザインタフェースを含む。ユーザは、単一タイミングチャネルを用いては達成することができないが、複数のタイミングチャネルを用いて達成することができる特定の特性を指定することができ、図６〜図９に関して記述したもののようなこの特定の特性を有する組合せ電気パルス列を提供する。

本発明の特定の実施形態を図示して記述したが、本発明をこれらの好ましい実施形態に限定するように意図していないことは理解されるであろう。更に、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変形及び修正を加えることができることは当業者に明らかであろう。すなわち、本発明は、特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲内に含まれる場合がある代替物、修正物、及び均等物を網羅するように意図している。

１４神経変調システム
１００変調出力回路
１０８電極
１１４制御回路

Claims

複数の電極にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、
複数の個々の電気パルス列を複数のタイミングチャネル内で前記複数の電気端子にそれぞれ出力するように構成された変調出力回路であって、前記タイミングチャネルの各々がそれぞれの電気パルスが特定の特性を有することを妨げている、前記変調出力回路と、
複数の前記パルス列を前記電気端子の共通セットに出力し、それによって該電気端子の共通セットで前記特定の特性を有する組合せ電気パルス列を生成する方式で前記変調出力回路を制御するように構成された制御回路と、
を含むことを特徴とする神経変調システム。
前記特定の特性は、最大値を超えるパルス振幅であり、前記組合せ電気パルス列は、該最大値を超える該パルス振幅を有することを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
前記特定の特性は、最大値を超えるパルス繰返し数であり、前記組合せ電気パルス列は、該最大値を超える該パルス繰返し数を有することを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
前記特定の特性は、変化するパルス繰返し数であり、前記組合せ電気パルス列は、変化するパルス繰返し数を有することを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
複数の前記パルス列のパルスが、前記変化するパルス繰返し数を有する前記組合せ電気パルス列を生成するために交互配置されることを特徴とする請求項４に記載の神経変調システム。
複数の前記パルス列は、異なるパルス繰返し数を有する複数のバーストパターンを備えた前記組合せ電気パルス列を生成するために連続的にバーストされることを特徴とする請求項４に記載の神経変調システム。
前記電気端子の共通セットは、１つのみの電気端子を含むことを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
前記電気端子の共通セットは、１つよりも多い電気端子を含むことを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
前記特定の特性を定める入力をユーザから受け入れるように構成されたユーザインタフェースを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
複数の刺激プログラムを格納するように構成されたメモリを更に含み、
前記制御回路は、前記刺激プログラムの各々に対して前記複数のタイミングチャネルをプログラムするように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
前記複数の電気端子と、前記変調出力回路と、前記制御回路とを収容するケーシングを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の神経変調システム。
患者に治療を与える方法であって、
前記患者内に埋め込まれた電極の共通セットに複数のタイミングチャネルで複数の電気パルス列をそれぞれ送出し、それによって該電気端子の該共通セットで組合せ電気パルス列を生成して該患者に前記治療を与える段階、
を含むことを特徴とする方法。
複数の前記パルス列の変調パルスが、前記組合せパルス列が該複数のパルス列のパルス振幅の和に等しいパルス振幅を有するように互いに重なることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
複数の前記パルス列の変調パルスが、前記組合せパルス列が該複数のパルス列のパルス繰返し数の和に等しいパルス繰返し数を有するように交互配置されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
複数の前記パルス列は、異なるパルス繰返し数を有する複数のバーストパターンを用いて前記組合せ電気パルス列を生成するように連続的にバーストされることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記電極の共通セットは、１つのみの電極を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記電極の共通セットは、１つよりも多い電極を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記組合せパルス列の特性を定める入力をユーザから受け入れる段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。