JP2017523835A - 多重電界を使用する後角刺激の強化 - Google Patents

Abstract

病状を有する患者に治療を提供する方法は、脊髄内の後柱神経要素よりも優先的に後角神経要素を刺激する刺激プログラムに従って患者の脊髄に電気刺激エネルギを送出する段階を含む。送出された電気刺激エネルギは、後角神経要素を刺激する異なる向きを有する複数の電界を発生させる。【選択図】図６

Description

〔優先権の主張〕
本出願は、その全体が引用によって本明細書に組み込まれている２０１４年７月２４日出願の米国仮特許出願第６２／０２８，６４３号の「３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）」の下での優先権の利益を主張するものである。

本発明は、埋込可能な医療システムに関し、より具体的には、組織を刺激するためのシステム及び方法に関する。

埋込可能な神経刺激システムは、広範な病気及び疾患に治療効果を証明している。例えば、患者の脊髄組織を直接に刺激する「脊髄刺激（ＳＣＳ）」技術は、慢性神経障害性疼痛症候群の処置の治療法として長く受け入れられており、脊髄刺激の印加は、取りわけ、狭心症、末梢血管疾患、及び失禁のような追加の適用を含むように広がっている。脊髄刺激はまた、パーキンソン病、ジストニア、及び本態性振戦のような運動障害を患っている患者に対して有望なオプションである。

ＳＣＳ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刺激リードを担持する１又は２以上の電極と、刺激部位から遠隔に埋め込まれるが、直接に神経刺激リードに又はリード延長部を通じて間接的に神経刺激リードに結合される神経刺激器（例えば、埋込可能なパルス発生器（ＩＰＧ））とを含む。

電気刺激エネルギは、電気パルス波形の形態でＩＰＧから電極に送出することができる。従って、電気パルスは、ＩＰＧから神経刺激リードに送出され、脊髄組織を刺激して望ましい有効な治療を患者に提供することができる。電気パルスをターゲット脊髄組織に送出するために使用する電極の構成は、電極をアノード（正）、カソード（負）、又はオフのまま（ゼロ）として作用するように選択的にプログラムすることができる電極構成から成る。換言すると、電極構成は、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提供される電気パルスの振幅、パルス幅、及び速度（又は周波数）を含む。各電極構成は、電気パルスパラメータと共に「刺激パラメータセット」と呼ぶことができる。

ＳＣＳシステムは、選択された刺激パラメータに従って電気刺激パラメータを発生するようにＩＰＧに遠隔的に命令する遠隔制御器（ＲＣ）の形態の手持ち式患者プログラマーを更に含むことができる。典型的には、ＩＰＧの中にプログラムされた刺激パラメータは、ＲＣ上の制御器を操作することによって調節されてＩＰＧシステムによって患者に提供される電気刺激を修正することができる。すなわち、ＲＣによってプログラムされた刺激パラメータに従って、電気パルスは、ＩＰＧから刺激電極に送出され、１組の刺激パラメータに従ってある容積の組織を刺激又は活性化して望ましい有効な治療を患者に提供することができる。最良の刺激パラメータセットは、典型的には、刺激される非ターゲット組織の容積を最小にしながら、治療利益（例えば、疼痛の処置）を提供するために刺激する必要がある組織の容積に刺激エネルギを送出するものであることになる。

しかし、様々な複合電気パルスを発生させる機能と共に利用可能な電極の数は、刺激パラメータセットの非常に大きい選択肢を臨床医又は患者に提示する。例えば、プログラムすべきＳＣＳシステムが１６の電極のアレイを有する場合に、何百万もの刺激パラメータセットが、ＳＣＳシステムの中にプログラムするために利用可能である場合がある。今日、ＳＣＳシステムは、３２までの電極を有する場合があり、それによってプログラムするのに利用可能な刺激パラメータセットの数を指数関数的に増加させる。

そのような選択を容易にするために、臨床医は、一般的に、コンピュータ化プログラミングシステム、例えば、臨床医のプログラマー（ＣＰ）を通じてＩＰＧをプログラムする。ＣＰ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主として定めることができる。ＣＰは、ＩＰＧによって発生する電気刺激の特性を能動的に制御し、患者フィードバック又は他の手段に基づいて最適な刺激パラメータを決定し、続いて最適な刺激パラメータセットを用いてＩＰＧをプログラムすることを可能にすることができる。

例えば、従来のＳＣＳから有効な結果を得るためには、１つ又は複数のリードは、患者によって感知される疼痛信号を置換する代替感覚として特徴付けることができる異常感覚として公知の感覚を電気刺激エネルギが生成するような位置に置く必要がある。刺激によって誘起されて患者によって知覚される異常感覚は、患者の身体内で処置のターゲットである疼痛とほぼ同じ位置に位置付ける必要がある。リードが正しく位置決めされない場合に、患者は、埋め込まれたＳＣＳシステムから利益をほとんど又は全く受けないことになることが可能である。従って、正しいリード配置は、有効及び無効な疼痛治療間の差を意味する可能性がある。リードを患者内に埋め込む時に、ＣＰは、手術室（ＯＲ）マッピング手順との関連で、リード及び／又は電極の配置を試験するために電気刺激を印加するようにＩＰＧに命令し、それによってリード及び／又は電極が患者内の有効位置に埋め込まれることを確実にするのに使用することができる。

リードが正しく位置決めされた状態で、ナビゲーションセッションと呼ばれる場合がある適合化手順が、最もよく疼痛部位に対処する１組の刺激パラメータを使用してＲＣ及び適用可能な場合はＩＰＧをプログラムするためにＣＰを使用して行われる場合がある。すなわち、ナビゲーションセッションを使用してＶＯＡ又は疼痛に相関する区域を正確に指すことができる。そのようなプログラミング機能は、埋め込み中に又は仮にリードが徐々に又は予想外に移動してターゲット部位から離れて刺激エネルギを他に移動すると考えられる場合には埋め込み後に組織をターゲットにするのに特に有利である。ＩＰＧを再プログラムすることにより（典型的には、独立に電極上の刺激エネルギを変化させることにより）、ＶＯＡは、多くの場合に、リード及びその電極アレイを再位置決めするために患者に対して再手術する必要なく、有効な疼痛部位に移動して戻ることができる。組織に対してＶＯＡを調節する時に、神経繊維の空間動員の変化を滑らかで連続的であると患者が知覚することになるように電流の割合の変化を小さくし、かつ区分的ターゲット化機能を有することが望ましい。

従来のＳＣＳプログラミングは、図１に示すように脊髄の長手軸に沿って白質内を走る後柱（ＤＣ）神経繊維のその治療的目標最大刺激（すなわち、動員）と、脊髄の長手軸に垂直に走る他の繊維（主として後根（ＤＲ）神経繊維）の最小刺激とを有する。後柱の白質は、求心性繊維を形成する大部分は大きい有髄軸索を含む。すなわち、従来的には、ＤＣ神経繊維の大きい知覚求心性神経は、疼痛緩和を与える振幅で刺激するためのターゲットにされてきた。

疼痛緩和に関する完全な機構は十分に理解されていないが、疼痛信号の知覚は、疼痛のゲートコントロール理論を通じて抑制されると考えられ、これは、電気刺激を通じた無害の接触又は圧力求心性神経の活性の強化が、抑制性神経伝達物質（ガンマアミノ酪酸（ＧＡＢＡ）、グリシン）を放出する脊髄の後角（ＤＨ）内のニューロン間活性を生成し、これが、次に、患者の疼痛領域を神経支配する後根（ＤＲ）神経繊維から移動する疼痛信号の有害な求心性神経入力に対する広いダイナミックレンジ（ＷＤＲ）知覚ニューロンの過敏性を低下させ、並びに一般的ＷＤＲ異所性興奮を処置することを示唆している。その結果、刺激電極は、典型的には、刺激をＤＣ神経繊維に与える背側硬膜外腔内に埋め込まれる。

図１に示すように、ＤＨは、白質（有髄軸索）の楕円形の外側区域によって実質的に取り囲まれた灰白質（神経細胞体）の中央「蝶」形状の中央区域として特徴付けることができる。ＤＨは、神経細胞終端、神経細胞体、樹状突起、及び軸索を含む灰白質の「蝶」形状の中央区域の背側部分である。

大きい知覚繊維の活性化も、典型的には、多くの場合にＳＣＳ治療を伴う異常感覚の知覚を生成する。異常感覚のような代替又は人工感覚は、通常は疼痛の感覚に対して耐えられるが、患者は、それらの感覚を不快であると報告する場合があり、従って、それらは、一部の場合に神経変調治療の有害な副作用と考えることができる。

ＤＨ内の神経要素（例えば、ニューロン、樹状突起、軸索、細胞体、及び神経細胞終端）は、ＤＣに沿って神経刺激リードによって発生された電界の長手勾配を最小にすることによってＤＣ神経要素よりも優先的に刺激され、それによって異常感覚の知覚を生成することなく疼痛緩和の形態の治療を提供することができることが示されている。そのような技術は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒａｐｙ ｔｏ ｔｈｅ Ｄｏｒｓａｌ Ｈｏｒｎ ｏｆ ａ Ｐａｔｉｅｎｔ」という名称の米国仮特許出願第６１／９１１，７２８号明細書に説明されている。

この技術は、ＤＨ繊維及びＤＣ繊維が電気刺激に対して異なる反応を有するという自然現象に少なくとも部分的に依存する。ＤＣ繊維及びニューロンの刺激の強度（すなわち、脱分極又は過分極）は、脊椎の長手軸に沿って電圧の２次空間導関数に比例するいわゆる「活性化関数」∂²Ｖ／∂ｘ²によって説明される。これは、部分的には、ＤＣ内の大きい有髄軸索が主として脊椎に沿って長手方向に位置合わせするからである。他方、ＤＨ繊維及びニューロン内で活動電位を発生させる可能性は、「活性化関数」∂Ｖ／∂ｘ（他に電界として公知）によって説明される。ＤＨ「活性化関数」は、２次導関数ではなく、繊維軸に沿う電圧の１次導関数に比例する。従って、電界中心からの距離は、それがＤＣ「活性化関数」に与える影響よりも少なくＤＨ「活性化関数」に影響を与える。

米国仮特許出願第６１／９１１，７２８号明細書 米国出願第６１／０３０，５０６号明細書 米国特許第６，８９５，２８０号明細書 米国特許出願第１１／６８９，９１８号明細書 米国特許出願第１１／５６５，５４７号明細書 米国特許第６，５１６，２２７号明細書 米国特許出願第２００３／０１３９７８１号明細書 米国特許出願第１１／１３８，６３２号明細書 米国仮特許出願第６２，０２０，８３６号明細書

ＤＣ内の繊維は、軸線方向に走っているが、後角内の神経要素は、脊髄の長手軸に垂直を含む多くの方向に向いている。しかし、図２に示すように、米国仮特許出願第６１／９１１，７２８号明細書に説明する後角刺激技術は、一方向に均一である電界を発生させる。すなわち、後角の神経要素を刺激する技術の改善の必要性が残っている。

病状（例えば、慢性疼痛）を有する患者に治療を提供するためのシステムを提供する。システムは、脊髄内の後柱神経要素よりも優先的に後角神経要素を刺激する刺激プログラムに従って患者の脊髄に電気刺激エネルギ（例えば、アノード）を送出するための手段を含む。電気刺激エネルギは、患者に異常感覚の知覚を生成することなく患者の脊髄に送出される。送出された電気刺激エネルギは、後角神経要素を刺激する異なる向きを有する複数の電界を発生させる。例えば、複数の電界は、異なる中外側方向又は異なる吻−尾側方向に向けることができる。

電気刺激エネルギは、パルス電気波形として患者の脊髄に送出することができ、その場合に、複数の電界は、パルス毎ベースでそれぞれ発生させることができる。複数の電界は、後角神経要素内で刺激の時間的加重を達成することができる。電気刺激エネルギは、患者の脊髄の長手軸に沿って埋め込まれた電気刺激リードから送出することができる。電気刺激リードは、複数の電極を担持することができ、その場合に、電極の全てを活性化して各電界を発生させることができる。

システムは、電界を通して複数回循環するための手段を更に含むことができる。電界は、例えば、各電界サイクルに対して同じ回数発生され、各電界サイクルに対して異なる回数発生され、電界サイクル中に同じ順序で発生され、電界サイクル中に異なる順序で発生され、又はバースト周波数でオン及びオフでバーストすることができる。後者の場合に、バースト周波数は、病状の病理学的バースト周波数に合致させることができる。

電気刺激エネルギは、患者の脊髄に隣接して埋め込まれた複数の電極から送出することができる。この場合に、電極は、半径方向にセグメント化された電極とすることができる。このシステムは、電極の各々に対する刺激閾値を決定し、かつ電極の刺激閾値に基づいて電界の各々を発生させるための手段を更に含むことができる。この場合に、電極の各々に対する刺激閾値を決定することは、異なる振幅で電極の各々から電気エネルギを自動的に送出すること、電極の各々からの電気エネルギの送出に応答して引き起こされた複合活動電位を自動的に測定すること、及び引き起こされた複合活動電位が電極の各々に対して測定される振幅を自動的に記録することを含むことができる。あるいは、電極の各々に対する刺激閾値を決定することは、異なる振幅で電極の各々から電気エネルギを自動的に送出すること、電極の各々からの電気エネルギの送出に応答して患者からフィードバックを取得すること、及び電極の各々に対して患者によって異常感覚が知覚された振幅を自動的に記録することを含むことができる。

本発明の他の及び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する好ましい実施形態の以下の詳細説明を読むことから明らかであろう。

同様の要素が共通の参照番号で呼ばれる図面は、本発明の好ましい実施形態の設計及び実用性を示すものである。本発明の上記で引用した及び他の利点及び目的を達成する方法をよりよく認めるために、簡単に上述した本発明のより詳細な説明を添付の図面に示すそれらの具体的実施形態を参照して以下に提供する。それらの図面は、本発明の典型的実施形態のみを示しており、従って、本発明の範囲を限定すると考えるべきではないことを理解した上で、本発明は、添付の図面の使用により追加の特殊性及び詳細と共に以下に説明かつ解説される。

後角の神経要素を特定的に示す脊髄の斜視図である。 本発明によって配置されたＳＣＳシステムの一実施形態の平面図である。 患者に対して脊髄刺激（ＳＣＳ）を行うために使用中の図２のＳＣＳシステムの平面図である。 患者に対して脳深部刺激（ＤＢＳ）を行うために使用中の図１のＳＣＳシステムの平面図である。 図１のＳＣＳシステムに使用する埋込可能なパルス発生器（ＩＰＧ）及び２つの神経刺激リードの平面図である。 線５−５に沿った図４の神経刺激リードのうちの１つの断面図である。 脊髄の後角の神経要素を刺激する多重電界を発生させるために図２のＳＣＳシステムを使用する患者の脊髄の斜視図である。 異なる中外側方向での電界の発生を詳細に示す図４の神経刺激リードのうちの１つの平面図である。 異なる中外側方向での電界の発生を詳細に示す図４の神経刺激リードのうちの１つの平面図である。 異なる中外側方向での電界の発生を詳細に示す図４の神経刺激リードのうちの１つの平面図である。 異なる吻−尾側方向での電界の発生を詳細に示す図４の神経刺激リードのうちの１つの平面図である。 異なる吻−尾側方向での電界の発生を詳細に示す図４の神経刺激リードのうちの１つの平面図である。 異なる吻−尾側方向での電界の発生を詳細に示す図４の神経刺激リードのうちの１つの平面図である。 図２のＳＣＳシステムを使用してパルス毎ベースで発生される電界を有するパルスパターンのタイミング図である。

最初に図２を見ると、本発明によって構成された例示的ＳＣＳシステム１０がここに説明されている。ＳＣＳシステム１０は、一般的に、複数の神経刺激リード１２（この場合に、２つの経皮リード１２ａ及び１２ｂ）と、埋込可能なパルス発生器（ＩＰＧ）１４と、外部遠隔制御器（ＲＣ）１６と、ユーザのプログラマー（ＣＰ）１８と、外部試験刺激器（ＥＴＳ）２０と、外部充電器２２とを含む。

ＩＰＧ１４は、アレイに配置された複数の電極２６を担持する神経刺激リード１２に２つのリード延長部２４を通じて物理的に接続される。図示の実施形態において、神経刺激リード１２は経皮リードであり、この目的のために、電極２６は、神経刺激リード１２に沿って１列に配置される。図示の神経刺激リード１２の数は２つであるが、１つを含むあらゆる適切な数の神経刺激リード１２を提供することができる。これに代えて、経皮リードのうちの１又は２以上の代わりに外科のためのパドルリードを使用することができる。以下で同じくより詳細に説明するように、ＩＰＧ１４は、１組の刺激パラメータに従ってパルス電気波形（すなわち、時間的に連続した電気パルス）の形態の電気刺激エネルギを電極アレイ２６に送出するパルス発生回路を含む。ＩＰＧ１４及び神経刺激リード１２は、例えば、中空針、スタイレット、トンネルツール、及びトンネルストローと共に埋込可能な神経刺激キットとして提供することができる。埋込可能なキットを考察する更なる詳細は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている「Ｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｎｅｕｒｏｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｌｅａｄ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の米国出願第６１／０３０，５０６号明細書に開示されている。

ＥＴＳ２０はまた、経皮リード延長部２８又は外部ケーブル３０を通じて神経刺激リード１２に物理的に接続することができる。ＩＰＧ１４として同様のパルス発生回路を有するＥＴＳ２０も、パルス電気波形の形態の電気刺激エネルギを１組の刺激パラメータに従って電極アレイ２６に送出する。ＥＴＳ２０とＩＰＧ１４の間の大きな違いは、ＥＴＳ２０が、神経刺激リード１２が埋め込まれた後及びＩＰＧ１４の埋め込み前に試験的に使用され、提供すべき刺激の反応性を試験する埋め込み不能なデバイスであるということである。従って、ＩＰＧ１４に関連して本明細書に説明するあらゆる機能は、ＥＴＳ２０に関連して同様に実施することができる。

ＲＣ１６を使用して、双方向ＲＦ通信リンク３２を通じてＥＴＳ２０をテレメトリ的に制御することができる。ＩＰＧ１４及び刺激リード１２が埋め込まれた状態で、ＲＣ１６を使用して双方向ＲＦ通信リンク３４を通じてＩＰＧ１４をテレメトリ的に制御することができる。そのような制御は、ＩＰＧ１４がオン又はオフにされ、かつ埋め込み後に異なる刺激プログラムを用いてプログラムされることを可能にする。ＩＰＧ１４がプログラムされてその電源が充電されるか又は他に補充された状態で、ＩＰＧ１４は、ＲＣ１６が存在することなくプログラムされたように機能することができる。

ＣＰ１８は、手術室又は経過観察セッションにおいてＩＰＧ１４及びＥＴＳ２０をプログラムするための詳細な刺激パラメータをユーザに提供する。ＣＰ１８は、ＩＲ通信リンク３６を通じてＲＣ１６通してＩＰＧ１４又はＥＴＳ２０と間接的に通信することによってこ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）を通じてＩＰＧ１４又はＥＴＳ２０と直接に通信することができる。

外部充電器２２は、誘導リンク３８を通じてＩＰＧ１４を経皮的に充電するのに使用する携帯デバイスである。ＩＰＧ１４がプログラムされて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が存在することなくプログラムされたように機能することができる。

本明細書の目的に対して、用語「神経刺激器」、「刺激器」、「神経刺激」、及び「刺激」は、一般的に、神経組織の神経活動に影響を与える電気エネルギの送出を指し、それらは、例えば、活動電位を開始し、活動電位の伝播を抑制又は遮断し、神経伝達物質／神経修飾物質の放出又は取込の変化に影響を与え、かつ組織の神経可塑性又は神経発生の変化を誘起することによって興奮性又は抑制性とすることができる。簡潔にするために、ＲＣ１６、ＥＴＳ２０、及び外部充電器２２の詳細は、本明細書では説明しないことにする。それらの構成要素の例示的実施形態の詳細は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている米国特許第６，８９５，２８０号明細書に開示されている。

図３を参照すると、神経刺激リード１２は、患者４０の脊柱４２内の初期位置に埋め込まれる。神経刺激リード１２の好ましい配置は、刺激すべき脊髄区域に隣接して、硬膜に隣接しており、すなわち、その近く又は上に静止している。図示の実施形態において、神経刺激リード１２は、患者４０の脊髄の長手軸に沿って埋め込まれる。神経刺激リード１２が脊柱４２を出る位置の近くの空間の不足により、ＩＰＧ１４は、一般的に、腹部の中又は臀部の上のいずれかに外科的に作られたポケットの中に埋め込まれる。ＩＰＧ１４はまた、勿論、患者の身体の他の位置に埋め込むことができる。リード延長部２４は、神経刺激リード１２の出口点から離れたＩＰＧ１４の位置決めを容易にする。図示のように、ＣＰ１８は、ＲＣ１６を通じてＩＰＧ１４と通信する。埋め込み後に、ＩＰＧ１４を作動させて処置すべきターゲット組織に対してある容積の活性化を発生させ、それによって患者の制御下で治療刺激を与えることができる。

ここで図４を参照すると、神経刺激リード１２ａ、１２ｂ及びＩＰＧ１４の外部特徴を簡単に説明する。電極２６は、それぞれの神経刺激リード１２ａ、１２ｂの各々の回りに周方向及び軸線方向に配置されたセグメント電極の形態を取る。非限定的例として及び図５を更に参照すると、各神経刺激リード１２は、電極の４つのリング（電極Ｅ１−Ｅ４から構成される第１のリング、電極Ｅ５−Ｅ８から構成される第２のリング、電極Ｅ９−Ｅ１２から構成される第３のリング、及び電極Ｅ１３−Ｅ１６から構成される第４のリング）又は電極の４つの軸線方向コラム（電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ９、及びＥ１３から構成される第１のコラム、電極Ｅ２、Ｅ６、Ｅ１０、及びＥ１４から構成される第２のコラム、電極Ｅ３、Ｅ７、Ｅ１１、及びＥ１５から構成される第３のコラム、及び電極Ｅ４、Ｅ８、Ｅ１２、及びＥ１６から構成される第４のコラム、）として配置された１６の電極を担持することができる。リード及び電極の実際の数及び形状は、勿論、意図する用途により変化することになる。経皮刺激リードを製造する構成及び方法を説明する更なる詳細は、「Ｌｅａｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｓａｍｅ」という名称の米国特許出願第１１／６８９，９１８号明細書、及び「Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｎｔａｃｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｌｅａｄ ｆｏｒ Ｎｅｕｒａｌ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｓａｍｅ」という名称の米国特許出願第１１／５６５，５４７号明細書に開示されおり、それらの特許の開示は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている。

ＩＰＧ１４は、電子及び他の構成要素（以下により詳細に説明する）を収容するための外側ケース５０を含む。外側ケース５０は、チタンのような導電性生体適合性材料から構成されて気密密封された区画を形成し、内部電極は、身体組織及び体液から保護される。一部の事例では、外側ケース５０は、電極として機能することができる。ＩＰＧ１４は、電極２６を外側ケース５０内の内部電極（以下により詳細に説明する）に電気的に結合する方式で神経刺激リード１２の近位端が嵌合するコネクタ５２を更に含む。この目的のために、コネクタ５２は、リード１２の近位端を受け入れるための２つのポート（図示せず）を含む。リード延長部２４を使用する場合に、ポートは、代わりにそのようなリード延長部２４の近位端を受け入れることができる。

上記で簡単に考察したように、ＩＰＧ１４は、１組のパラメータに従って電気刺激エネルギを電極２６に提供する回路を含む。そのような刺激パラメータは、アノード（正）、カソード（負）、及びオフにする（ゼロ）として活性化される電極を定める電極組合せ、各電極（分割電極構成）に割り当てられる刺激エネルギのパーセント、及びパルス振幅（ＩＰＧ１４が定電流又は定電圧を電極アレイ２６に供給するか否かに応じてミリアンペア又はボルトで測定）、パルス幅（マイクロ秒で測定）、パルス速度（秒当たりのパルスで測定）、及びバースト率（刺激オン持続時間Ｘ及び刺激オフ持続時間Ｙとして測定）を定める電気パルスパラメータを含むことができる。以下でより詳細に説明するように、ＩＰＧ１４はまた、電気信号と電気信号に応答して測定された電気インピーダンスとを提供する回路を含む。

ＳＣＳシステム１０の作動中に提供されるパルス電気波形に関連して、電気エネルギを伝達するか又は受け入れるように選択される電極は、本明細書では「活性化」と呼ぶが、電気エネルギを伝達又は受け入れるように選択されない電極は、本明細書では「非活性化」と呼ぶ。電気エネルギ送出は、２つ（又はそれよりも多くの）電極の間で行われることになり、そのうちの１つは、ＩＰＧケース５０とすることができ、それによって電流は、ＩＰＧケース５０内に格納されたエネルギ源から組織への経路と、組織からケース内に格納されたエネルギ源へのシンク経路とを有するようになる。電気エネルギは、単極又は多極（例えば、双極、３極、その他）様式で組織に伝達することができる。

単極送出は、リード電極２６のうちの選択された１又は２以上がＩＰＧ１４のケース５０と共に活性化される時に起こり、それによって電気エネルギは、選択された電極２６とケース５０の間に伝達されるようになる。単極送出はまた、単極効果を生成するように１又は２以上のリード電極２６から遠隔に位置するリード電極の大きい群と共にリード電極２６のうちの１又は２以上を活性化する時に起こり、すなわち、電気エネルギは、比較的等方的に１又は２以上のリード電極２６から送出される。双極送出は、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る時に起こり、それによって電気エネルギは、選択された電極２６の間で伝達されるようになる。３極送出は、リード電極２６のうちの３つが、２つがアノードとして及び残りの１つがカソードとして、又は２つがカソードとして及び残りの１つがアノードとして活性化される時に起こる。

ＩＰＧ１４は、メモリ５４、コントローラ／プロセッサ（例えば、マイクロコントローラ）５６、モニタ回路５８、テレメトリ回路６０、バッテリ６２、刺激出力回路６４、及び当業者に公知の他の適切な構成要素のような電子構成要素を含む。

メモリ５４は、プログラミングパッケージ、刺激パラメータ、測定された生理的情報、及びＩＰＧ１４の適切な機能性に必要な他の重要な情報を格納するように構成される。マイクロコントローラ５６は、ＩＰＧ１４によって実施される神経刺激を誘導及び制御するためにメモリ５４に格納された適切なプログラムを実行する。モニタ回路５８は、ＩＰＧ１４を通して様々なノード又は他のポイント、例えば、電源電圧、温度、及びバッテリ電圧などのステータスをモニタするように構成される。特に、電極２６は、患者内でぴったりと適合し、組織が伝導性であるので、電気的測定を電極２６の間で行うことができる。従って、モニタ回路５８は、電極２６と刺激出力回路６４の間で故障条件を検出するような機能を実施し、電極２６と組織の間の結合効率を決定し、患者姿勢／患者活動を決定し、リード移動検出を容易にするためにそのような電気的測定（例えば、電気インピーダンス、電界電位、引き起こされた活動電位、その他）を行うように構成される。

本発明に対してより有意なことに、引き起こされた電位測定技術を使用して、脊髄に送出される刺激エネルギを較正することができる。引き起こされた電位測定技術は、閾値レベルを超えて刺激電極に隣接するニューロンを脱分極するほど十分に強力であり、それによって神経繊維に沿って伝播する活動電位（ＡＰ）の発射を誘起する電界を電極２６のうちの１つで発生させることによって実施することができる。そのような刺激は、好ましくは、閾値超であるが、不快ではない。この目的のために適切な刺激パルスは、例えば、２００μｓにわたる４ｍＡである。電極２６のうちの選択された１つを活性化して電界を発生させるが、電極２６のうちの選択された１つ又はいくつか（活性化電極とは異なる）を作動させて、刺激電極での刺激パルスにより引き起こされた電位に起因する電圧における測定可能な偏差を記録する。

アンテナ（図示せず）を含むテレメトリ回路６０は、ＲＣ１６及び／又はＣＰ１８から適切な変調搬送波信号内のプログラムデータ（例えば、作動プログラム及び／又はパルスパラメータを含む刺激パラメータ）を受け入れるように構成され、次に、プログラムデータはメモリ５４に格納される。テレメトリ回路６０はまた、適切な変調搬送波信号内でステータスデータをＲＣ１６及び／又はＣＰ１８に伝達するように構成される。再充電可能なリチウムイオン又はリチウムイオンポリマーバッテリとすることができるバッテリ６２は、作動電力をＩＰＧ１４に提供する。刺激出力回路６４は、マイクロコントローラ５６の制御下で、電気パルス列の形態の電気エネルギ並びに電気的測定値を取得するのに必要なあらゆる電気信号を発生させて電極２６の各々に送出するように構成される。

特に、マイクロコントローラ５６は、単一デバイスとして図４に示されているが、処理機能及び制御機能は、個別のコントローラ及びプロセッサによって実施することができる。従って、ＩＰＧ１４によって実施される制御機能は、コントローラによって実施することができ、ＩＰＧ１４によって実施される処理機能は、コントローラによって実施することができることを認めることができる。上述の及び他のＩＰＧに関する追加の詳細は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている「Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｌｏｓｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｕｓｅｄ ｉｎ ａｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」という名称の米国特許第６，５１６，２２７号明細書、米国特許出願第２００３／０１３９７８１号明細書、及び米国特許出願第１１／１３８，６３２号明細書に見出すことができる。ＩＰＧではなく、ＳＣＳシステム１０は、代わりにリード１２に接続された埋込可能な受信機−変調器（図示せず）を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、埋め込み受信機、並びに受信機−変調器に命令する制御回路を給電するための電源、例えば、バッテリは、電磁リンクを通じて受信機−変調器に誘導結合された外部コントローラに格納される。データ／電力信号は、埋め込み受信機−変調器の上に置かれたケーブル接続式送信コイルから経皮的に結合される。埋め込み受信機−変調器は、信号を受信して制御信号に従って刺激を発生する。

本発明に対してより有意なことに、ＳＣＳシステム１０は、脊髄内で後柱神経要素よりも後角神経要素を優先的に刺激する刺激プログラムに従って患者の脊髄に電気刺激エネルギを送出する。

この目的のために、電極２６から送出される電流は、分割され、その結果、神経刺激リード１２によって制御される電界は、長手方向にほぼ等しい電界強度を有するようになり、後柱に沿ってほぼゼロの電圧勾配をもたらす。この実質的に一定の電界は、後柱内の大きい有髄軸索の活性化を最小にする小さい長手勾配を形成する。対照的に、神経刺激リード１２によって発生される電界は、実質的に異なる横断方向の電界強度を有し、後角内に強力な電圧勾配をもたらす。特に、横断方向電界強度は、神経刺激リード１２に隣接して最大であり、横方向に低下して横断方向にかなり大きい勾配をもたらし、これは、後角内の神経細胞終端を活性化する。従って、実質的に一定の長手方向電界及び横断方向電界における大きい勾配は、後柱神経要素よりも後角神経要素の刺激を選択する。この電界は、後角神経要素に対して後柱神経要素の興奮性を更に低下させる。このようにして、異常感覚の知覚は、排除されるか又は少なくとも最小にされる。図示の実施形態において、神経刺激リード１２上の電極２６の全てを活性化し、リード１２に沿って後角神経要素の刺激を最大にすることが好ましい。

較正技術（以下に説明する）を使用して、電極２６に対して適切な電流分割を決定することができる。神経刺激リード１２上の複数の電極２６に分割された電流を使用して、得られる場は、各電極２６に送出された電流によって発生される場を重ね合わせることによって計算することができる。図示の実施形態において、神経刺激リード１２上の電極２６はアノードであり、一方、ＩＰＧ１４の外側ケース４４はカソードである。このようにして、単極アノード電界が、ＳＣＳシステム１０によって発生される。後柱神経要素よりも後角神経要素を優先的に刺激するための技術を考察する更なる詳細は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒａｐｙ ｔｏ ｔｈｅ Ｄｏｒｓａｌ Ｈｏｒｎ ｏｆ ａ Ｐａｔｉｅｎｔ」という名称の米国仮特許出願第６１／９１１，７２８号明細書に説明されている。

有意なことに、ＳＣＳシステム１０は、図６に示すように、後角神経要素の異なる方向／向きをターゲットにする異なる向きを有する複数の電界を発生させることによって患者の脊髄に電気エネルギを送出する。このようにして、全て又は少なくともかなりの量の後角神経要素は、電界のうちの少なくとも１つによって刺激されることになる。

図示の実施形態において、電界は、異なる中外側方向（すなわち、脊髄を通して横断平面上に投影された時の電界の方向）に向けられる。異なる中外側方向に電界を発生させるために、電極２６は、半径方向に異なる電流分割を有することができる。例えば、図５に戻って参照すると、電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ９、及びＥ１３の第１のコラムは、図７ａに示すように、アノード電流の５０％を送出し、電極Ｅ２、Ｅ６、Ｅ１０、及びＥ１４の第２のコラムは、アノード電流の残りの５０％を送出して１つの中外側方向に電界を向けることができる。電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ９、及びＥ１３の第１のコラムは、図７ｂに示すように、アノード電流の７５％を送出し、電極Ｅ２、Ｅ６、Ｅ１０、及びＥ１４の第２のコラムは、アノード電流の残りの２５％を送出して１つの中外側方向に電界を向けて別の中外側方向に電界を向けることができる。電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ９、及びＥ１３の第１のコラムは、図７ｃに示すように、アノード電流の１００％を送出して１つの中外側方向に電界を向けて別の中外側方向に電界を向けることができる。

電界は、上記で考察したように、後柱神経要素よりも後角神経要素を優先的に刺激することが望ましいが、電界は、異なる吻−尾側方向（脊髄を通じて縦断平面上に投影された時の電界の方向）であるが、好ましくは異常感覚の知覚をもたらす向きではない方向に依然として向けることができる。異なる吻−尾側方向に電界を発生させるために、電極２６は、長手方向に異なる電流分割を有することができる。例えば、図５に戻って参照すると、電極Ｅ１−Ｅ４の第１のリング、電極Ｅ５−Ｅ８の第２のリング、電極Ｅ９−Ｅ１２の第３のリング、及び電極Ｅ１３−Ｅ１６の第４のリングは、図８ａに示すように、アノード電流の２５％を送出して１つの吻−尾側方向に電界を向けることができる。電極Ｅ１−Ｅ４の第１のリングは、図８ｂに示すように、アノード電流の１０％を送出し、電極Ｅ５−Ｅ８の第２のリングは、アノード電流の２５％を送出し、電極Ｅ９−Ｅ１２の第３のリングは、アノード電流の３０％を送出し、電極Ｅ１３−Ｅ１６の第４のリングは、アノード電流の３５％を送出して１つの吻−尾側方向に電界を向けることができる。電極Ｅ１−Ｅ４の第１のリングは、図８ｃに示すように、アノード電流の５％を送出し、電極Ｅ５−Ｅ８の第２のリングは、アノード電流の２０％を送出し、電極Ｅ９−Ｅ１２の第３のリングは、アノード電流の３５％を送出し、電極Ｅ１３−Ｅ１６の第４のリングは、アノード電流の４０％を送出して１つの吻−尾側方向に電界を向けることができる。

ＳＣＳシステム１０によって発生される異なる電界は、好ましくは、後角神経要素内で刺激の時間的加重を達成する。刺激のこの時間的加重を保証するために、電界は、好ましくは、パルス毎ベースでそれぞれ発生させることができる。例えば、図９に示すように、第１の電界は、パルス波形の第１の電気パルス中に電極２６によって発生させることができ（第１の電流分割を使用して）、第２の異なる電界は、パルス波形の第２の電気パルス中に電極２６によって発生させることができ（第２の異なる電流分割を使用して）、第３の異なる電界は、パルス波形の第３の電気パルス中に電極２６によって発生させることができ（第３の異なる電流分割を使用して）、第４の異なる電界は、パルス波形の第４の電気パルス中に電極２６によって発生させることができる（第４の異なる電流分割を使用して）等々である。パルス毎ベースでの異なる電界の送出に関する更なる詳細は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている米国仮特許出願第６２／０２０，８３６号明細書（代理人整理番号１４−００４０ＰＶ０１）に示されている。

ＳＣＳシステム１０によって発生される電界は、タイミングスキームの下で複数回数を通して回転又は循環させることができる。電界サイクルは、様々な方法のうちのいずれか１つで達成することができる。一実施形態において、異なる電界は、電界サイクル中に同じ（又は規則的な）順序で発生される。例えば、１−４としてラベル付けされた４つの電界が発生され、それらの電界を発生させる順序は、｛２、３、１、４｝、｛２、３、１、４｝、｛２、３、１、４｝などとすることができる。異なる電界は、これに代えて電界サイクル中に異なる順序で（又は不規則に）発生させることができる。例えば、電界１−４を発生させる順序は、｛１、２、３、４｝、｛３、１、２、４｝、｛４、１、３、２｝、｛１、２、３、４｝などとすることができる。

電界１−４は、各電界サイクルに対して同じ回数（上述の場合に、各サイクル当たり１回）発生していると説明したが、電界１−４は、各電界サイクルに対して異なる回数発生させることができる。すなわち、サイクルは、別の電界に対して１つの電界に向けてバイアスすることができる。例えば、電界１−４は、｛１、２、２、２、３、３、４｝、｛１、２、２、２、３、３、４｝、｛１、２、２、２、３、３、４｝などのように電界サイクル中に発生させることができる。従って、この場合に、電界１は、１回発生され、電界２は３回発生され、電界３は２回発生され、電界４は、電界サイクル当たり１回発生される。

上述の例示的な場合では、電界１−４は、連続パルス速度で発生させることができる。しかし、任意的な実施形態において、電界サイクルは、オン及びオフでバーストさせることができる。例えば、電界サイクル｛２、３、１、４｝は、定められた周波数（１００ｍｓ毎のサイクルバースト）で繰返しバーストすることができる。１つの特に有用な実施形態において、バースト周波数は、慢性疼痛を引き起こす神経学的信号の病理学的バースト周波数に合致する。

電界サイクル中のパルス間間隔（すなわち、隣接するパルス間の時間）、パルス振幅、及びパルス持続時間は、均一であると説明したが、パルス間間隔、パルス振幅、及び／又はパルス持続時間は、引用によって本明細書に予め組み込まれている米国仮特許出願第６２，０２０，８３６号明細書（代理人整理番号１４−００４０ＰＶ０１）で上述のように電界サイクル内で変化する場合がある。

刺激閾値（すなわち、隣接組織を刺激するのに活性化電極上に必要な電流）は、患者によって及び患者内の電極２６によって異なるので、異なる電界を発生させる電極２６の間の電流のより正確な分割は、各電極での刺激閾値に基づいて分割の修正を必要とする。この目的のために、電極は、電極の各々に対する刺激閾値レベル（すなわち、隣接組織を刺激するのに活性化された電極上に必要な電流）を決定し、かつ刺激閾値レベルを使用して電界を発生させるための分割電流値を決定することによって較正することができる。この較正技術は、各電極に向けられた駆動力の計算を伴う場合がある。

好ましくは、電極２６の各々に対する刺激閾値は、異なる振幅で電極２６の各々から電気エネルギを自動的に送出し、電極２６の各々からの電気エネルギの送出に応答して引き起こされた複合活動電位を自動的に測定し、かつ引き起こされた複合活動電位が電極２６の各々に対して測定される振幅を自動的に記録することによって決定される。電気エネルギは、アノード又はカソード電気エネルギのいずれかとして単極モードで各電極に送出することができる。この自動電極較正技術は、定期的に又は患者の姿勢変化のような特定の事象に応答して更新することができる。

刺激閾値の決定は、本質的にバイナリである場合があり、これは、測定された引き起こされた複合活動電位の有無が、特定の電極に対して刺激閾値に達しているか又は達していないかのいずれかを示すことを意味し、又は刺激閾値の決定は、本質的により洗練されたものである場合がある。各電極から送出される電気エネルギの最大振幅は、患者が電気刺激を知覚し過ぎないように管理しなければならないが、単一電気パルスを使用することができるので、患者は、連続刺激を引き起こすほど十分に強力である振幅でも多くは知覚しない場合がある。

任意的に、第１の較正電極を含む刺激閾値が決定された以前の電極は、その後の電極の刺激閾値決定に対する開始点として使用することができ、それによって振幅は、較正処理を加速するために各その後の電極に対して最初にゼロに設定する必要はない。例えば、電気エネルギは、刺激、快適レベル、又は何らかの他の一定レベルを患者がかろうじて知覚する振幅で電極間を移行することができる。

これに代えて、電極２６の各々に対する刺激閾値は、異なる振幅で電極２６の各々から電気エネルギを自動的に送出し、患者からフィードバックを取得し、特に、電極２６の各々からの電気エネルギの送出に応答して患者が異常感覚を知覚する時に通信し、かつ電極２６の各々に対して患者によって異常感覚が知覚される振幅を自動的に記録することによって決定することができる。しかし、引き起こされた複合活動電位の測定は、主観的患者フィードバックへの依存とは対照的に本質的に客観的であり、迅速に実施することができ、かつ比較的多数の電気パルスを必要とする異常感覚の知覚とは対照的に比較的少数の電気パルスを使用して決定することができることを認めなければならない。

本発明の特定の実施形態を図示かつ説明したが、本発明を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し、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。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に含めることができる代替物、修正物、及び均等物を網羅するように意図している。

ＤＣ 後柱
ＤＨ 後角

Claims (23)

1. 病状を有する患者に治療を提供するためのシステムであって、
   脊髄内の後柱神経要素よりも優先的に後角神経要素を刺激する刺激プログラムに従って患者の脊髄に電気刺激エネルギを送出するための手段を備え、この手段は、前記後角神経要素を刺激する異なる向きを有する複数の電界を発生させるための手段を含む、システム。
2. 前記電気刺激エネルギは、前記患者内の異常感覚の知覚を生成することなく該患者の脊髄に送出される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電気刺激エネルギは、パルス電気波形として前記患者の脊髄に送出される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数の電界は、パルス毎ベースでそれぞれ発生される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記複数の電界は、前記後角神経要素内で刺激の時間的加重を達成する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記患者の脊髄の長手軸に沿って埋め込まれるように構成された電気刺激リードを更に備え、
   電気刺激エネルギを送出するための前記手段は、前記電気刺激リードから電気刺激エネルギを送出するための手段を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記電気刺激リードは複数の電極を担持し、該電極の全てが、活性化されて各電界を発生させる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記複数の電界は、異なる中外側方向に向けられる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記複数の電界は、異なる吻−尾側方向に向けられる、請求項１に記載のシステム。
10. 前記電界を複数回循環させるための手段を更に含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記電界は、各電界サイクルに対して同じ回数発生される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記電界は、各電界サイクルに対して異なる回数発生される、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記電界は、前記電界サイクル中に同じ順序で発生される、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記電界は、前記電界サイクル中に異なる順序で発生される、請求項１０に記載のシステム。
15. バースト周波数で電界サイクルをオン及びオフでバーストさせるための手段を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記バースト周波数は、病状の病理学的バースト周波数に合致される、請求項１５に記載のシステム。
17. 送出される前記電気刺激エネルギは、アノードのものである、請求項１に記載のシステム。
18. 前記患者の脊髄に隣接して埋め込まれるように構成された複数の電極を更に含み、
    電気刺激エネルギを送出するための前記手段は、前記複数の電極から電気刺激エネルギを送出するための手段を含む、請求項１に記載のシステム。
19. 前記電極は、半径方向にセグメント化された電極である、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記電極の各々に対する刺激閾値を決定するための手段と、該電極の該刺激閾値に基づいて前記電界の各々を発生させるための手段と、を更に含む、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記電極の各々に対する刺激閾値を決定するための前記手段は、
    異なる振幅で該電極の各々から電気エネルギを自動的に送出するための手段と、
    該電極の各々からの該電気エネルギの送出に応答して引き起こされた複合活動電位を自動的に測定するための手段と、
    該電極の各々に対して測定される該引き起こされた複合活動電位の振幅を自動的に記録するための手段と、を含む、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記電極の各々に対する刺激閾値を決定するための前記手段は、
    異なる振幅で該電極の各々から電気エネルギを自動的に送出するための手段と、
    該電極の各々からの該電気エネルギの送出に応答した前記患者からのフィードバックを取得するための手段と、
    該電極の各々に対して異常感覚が該患者によって知覚される振幅を自動的に記録するための手段と、を含む、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記病状は慢性疼痛である、請求項１に記載のシステム。

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