JP2024519158A - パルス生成および刺激エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、複数の電極とを含む。各電極は、スイッチングユニットの固有の出力と通信する。スイッチングユニットは、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供することができる。電流発生器は、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達し、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達することができる。不関電極は、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供する。制御ユニットは、少なくとも1つの故障イベントを検出し、検出された少なくとも1つの故障イベントに応答して、双極電流発生器の動作を防止、変更、または停止するように構成される。

Description

本出願は、いくつかの実施形態において、神経系組織、心臓組織、または他の電圧感受性組織における生体組織の処理を含む、神経組織を通る生体信号の阻止、変調、または減衰を促進することに関する。
疼痛のゲートコントロール理論は、1960年代に開発され、脳への疼痛の刺激の伝達を抑制するために、脊髄における非侵害受容線維(非痛覚伝達線維)を選択的に刺激することによって、脳に到達する痛覚入力を減少させる、刺激ベースの痛覚管理療法の出現へとつながった(Mendell、Constructing and Deconstructing the Gate Theory of Pain、Pain、2014年2月 155(2):210～216頁を参照)。疼痛を間接的に低減するためにこのゲートコントロール理論において作用する現在の脊髄刺激(SCS)用の刺激システムは、100Hz未満の周波数範囲、最近ではkHz周波数範囲における刺激信号に依存している。同様の周波数範囲における後根神経節(DRG)の刺激は、同じメカニズムを通じて分節性疼痛を低減するためにも用いられている。
しかしながら、この前提に基づく技術は、痛覚伝達の抑制が完全ではなく、錯感覚などの副作用が患者にとって不快になる可能性があるような欠点を有する。したがって、非侵害受容線維のゲート理論的活性化によって痛覚信号を間接的に減少させるのではなく、痛覚線維を介した痛覚信号伝達をより効果的に阻止もしくは減衰させるか、または痛覚信号を処理するニューロンの興奮性を低下させ、ならびに望ましくない副作用を回避する、疼痛を治療するシステムおよび方法を有することが望ましい。さらに、神経組織または神経活動の阻止または減衰は、疼痛に影響を与えるだけでなく、運動障害、精神障害、心臓血管の健康の管理、ならびに糖尿病などの疾患状態の管理にも関与している。
一構成において、複数の故障モードを有する神経調節デバイスまたは方法が提供される。一構成において、複数の故障モード検出を有する神経調節デバイスまたは方法が提供される。一構成において、複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、電流発生器が、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極とを含み、制御ユニットが、少なくとも1つの故障イベントを検出し、検出された少なくとも1つの故障イベントに応答して、双極電流発生器の動作を防止、変更、または停止するように構成される。一構成において、神経調節方法は、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極とを提供するステップと、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するステップと、少なくとも1つの故障イベントを検出するステップと、少なくとも1つの故障イベントを検出したことに応答して、双極電流発生器の動作を防止、変更、または停止するステップとを含む。
故障イベントは、実際の刺激電流が所望の刺激電流とは異なることを含み得、実際の刺激電流は、交流電流または直流電流である。故障イベントは、電力供給回路からスイッチングユニットへの監視される電流信号が予測される電流量を超えることを含み得る。故障イベントは、少なくとも1つの作用電極の抵抗または静電容量のうちの少なくとも1つが少なくとも1つの作用電極の予想される抵抗または予想される静電容量に等しくないというリアルタイム判定を含み得る。故障イベントは、少なくとも1つの作用電極のピークツーピーク電圧が少なくとも1つの作用電極の予想される電圧を超えているというリアルタイム判定を含み得る。故障イベントは、阻止コンデンサが適切に機能していないことを含み得る。
直流電流は、アノード電流とカソード電流とを含み得、故障イベントは、アノード電流が、(1)カソード電流と等しく、かつ(2)カソード電流と符号が反対である、のではないことを含み得る。直流電流は、アノード電流とカソード電流とを含み得、故障イベントは、アノード電流が、(1)カソード電流と異なる量がしきい値量未満であり、かつ(2)カソード電流と符号が反対である、のではないことを含み得る。故障イベントは、本明細書で説明する故障イベントのいずれかを含み得る。
別の構成において、電極スイッチングユニットの故障検出を伴う神経調節デバイスまたは方法が提供される。一構成において、複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、電流発生器が、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極とを含み、制御ユニットが、スイッチングユニットの電力供給回路に流れる電流を監視し、監視された電流がしきい値条件に違反した場合、双極電流発生器を非アクティブ化するように構成される。一構成において、神経調節方法は、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極とを提供するステップと、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するステップと、スイッチングユニットの電力供給回路に流れる電流を監視するステップと、監視された電流がしきい値条件に違反した場合、双極電流発生器を非アクティブ化するステップとを含む。
しきい値条件に違反することは、監視された電流がしきい値レベルを超えることに対応し得る。しきい値条件に違反することは、監視された電流がしきい値レベルを下回ることに対応し得る。スイッチングユニットは、マルチプレクサを含み得る。神経調節デバイスは、スイッチングユニットの少なくとも1つの出力と通信する逆バイアスダイオードをさらに含み得、逆バイアスダイオードは、少なくとも1つの出力におけるスイッチングユニットの逆バイアスを防止するように構成される。
別の構成において、電流発生器の較正を伴う神経調節デバイスおよび方法が提供される。一構成において、複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、電流発生器が、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と、較正負荷と較正負荷スイッチとを備える双極電流発生器較正ユニットであって、制御ユニットが、双極電流発生器から較正負荷に電流を導くように較正負荷スイッチをアクティブ化し、較正負荷に導かれた電流を測定し、測定された電流に応答して双極電流発生器を較正するように構成される、双極電流発生器較正ユニットとを含む。一構成において、神経調節方法は、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極とを提供するステップと、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するステップと、較正負荷と較正負荷スイッチとを備える双極電流発生器較正ユニットを提供するステップと、双極電流発生器から較正負荷に電流を導くように較正負荷スイッチをアクティブ化するステップと、較正負荷に導かれた電流を測定するステップと、測定された電流に応答して双極電流発生器を較正するステップとを含む。
較正負荷は、抵抗器を含み得る。神経調節デバイスは、較正負荷に導かれた電流を測定するように構成された電流センサをさらに含み得る。双極電流発生器を較正することは、双極電流発生器に伝達される制御信号の値を調整することを含み得る。
別の構成において、独立したトリミング調整を伴う神経調節デバイスまたは方法が提供される。一構成において、複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットであって、制御ユニットが、電力コントローラとトリミングコントローラとを備える、制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、電流発生器が、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極とを含み、電力コントローラが、所望の電流出力レベルに対応する電力制御信号を双極電流発生器に提供するように構成され、トリミングコントローラが、双極電流発生器に調整信号を提供するように構成され、電流発生器が、電力制御信号と調整信号とに応答して、第1の波形生成モードにおいて交流電流を送達するか、または第2の波形生成モードにおいて直流電流を送達するようにさらに構成される。一構成において、神経調節方法は、電源と、電源と通信する制御ユニットであって、制御ユニットが、電力コントローラとトリミングコントローラとを備える、制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極とを提供するステップと、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するステップと、双極電流発生器への所望の電流出力レベルに対応する電力制御信号を決定するステップと、双極電流発生器への調整信号を決定するステップと、電力制御信号と調整信号とに応答して、第1の波形生成モードにおいて交流電流を送達するか、または第2の波形生成モードにおいて直流電流を送達するステップとを含む。
双極電流発生器は、第1および第2の端子を備える少なくとも1つの増幅器を含み得、第1の端子は、電力コントローラと電気的に通信し、第2の端子は、トリミングコントローラと電気的に通信する。
別の構成において、電気焼灼および／または除細動保護(または他の高電圧または電流放電)保護を伴う神経調節デバイスまたは方法が提供される。一構成において、複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、電流発生器が、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と、外部源からのエネルギーからの神経調節デバイスへの電気的損傷を防止するように構成された保護機構とを含む。別の構成において、方法は、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極とを提供するステップと、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するステップと、外部源からのエネルギーからの、電源、制御ユニット、双極電流発生器、または複数の電極のうちの1つもしくは複数、のうちの1つまたは複数への電気的損傷を防止するステップとを含む。
外部源は、電気焼灼デバイスまたは除細動器であり得る。保護機構は、少なくとも1つの正温度係数(PTC)デバイスとツェナーダイオードとを含み得る。ツェナーダイオードは、少なくとも1つのPCTデバイスと電気的に直列であり得る。
別の構成において、電極パラメータ感知を伴う神経調節デバイスまたは方法が提供される。一構成において、複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスは、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、電流発生器が、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、交流電流、直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極とを含み、制御ユニットが、電極の少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定し、電極の少なくとも1つのパラメータにおけるしきい値量よりも大きい変化を検出したことに応答して電流発生器の動作を変更するように構成される。一構成において、神経調節方法は、電源と、電源と通信する制御ユニットと、制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、各々がスイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、スイッチングユニットが、制御ユニットからの制御信号に応答して、双極電流発生器と複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極とを提供するステップと、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、第2の波形生成モード中に作用電極に直流電流を送達するステップと、電極の少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定するステップと、電極の少なくとも1つのパラメータにおけるしきい値量よりも大きい変化を検出したことに応答して電流発生器の動作を変更するステップとを含む。
電極のパラメータは、直列アクセス抵抗(Ra)または二重層静電容量(Cdl)であり得る。制御ユニットは、テスト矩形二相電流パルスと、作用電極と不関電極との間で測定された電位とを使用することによって、電極の少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定するように構成され得る。いくつかの実施形態において、本明細書で説明する技法および方法は、同じ技法、方法、およびアルゴリズムを使用して、「オフライン」で、またはリアルタイムではなく実行され得る。電極のパラメータは、直列アクセス抵抗(Ra)または周期的ピークツーピーク電圧(Vpp)であり得る。制御ユニットは、作用電極と不関電極との間で測定された電位および瞬間的な刺激電流からサンプリングされた点のセットを使用することによって、電極の少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定するように構成され得る。制御ユニットは、本明細書で提供する方法または例のいずれかに従って、デバイスを制御するために、電極の少なくとも1つのパラメータを使用するように構成され得る。
直流電流は、超低周波電流を含み得る。超低周波電流は、約5Hz未満、約2Hz未満、または約1Hz未満であり得る。交流電源は、高周波交流電流であり得る。高周波交流電流は、少なくとも約1kHz、または約5Hzと約1kHzとの間であり得る。
電源は、バッテリを含み得る。制御ユニットは、独立したアルゴリズムを実行するように構成された第1の制御ユニットおよび第2の制御ユニットを含み得る。神経調節デバイスは、神経調節デバイスが第2の波形生成モードにあるときにオフセット電流を測定するように構成され得る。神経調節デバイスは、少なくとも1つの作用電極の周期的Vppを測定するように構成され得る。神経調節デバイスは、不関電極に動作可能に接続されるように構成された仮想グランドも含み得、仮想グランドは、電力散逸を最小化するために任意のレベルに設定されることが可能である。
特定用途向け集積回路(ASIC)の概略図である。 DCおよびAC個別的手法を用いるASICの概略図である。 DCを送達するように適合されたASICの概略図である。 電流源を用いてDCを送達するように適合されたASICの概略図である。 電流源を有するシステムの概略図である。 電流源を有するシステムの概略図である。 フェイルセーフハイブリッドシステムの概略図である。 例示的なメカニズムおよび緩和策の表である。 損失容量および電圧保護に関するグラフである。 参照電極の断線に関するグラフである。 バイアス除去に関するグラフである。 秒単位の時間に対する刺激開始のグラフである。 HWおよびFWフェイルセーフに関する概略図である。 単一のアーキテクチャによるULFおよびAC刺激を提供することができる例示的な刺激エンジンの概略図である。 ステアリングダイオードと高速動作正温度係数デバイスとを使用して高電圧および／または高電流に対して保護するためのシステムの一実施形態を示す図である。 危険な高電圧を20V未満の安全な電圧にクランプする図13のシステムを示す図である。 DCモードにおいて動作する図12の刺激エンジンによって生成され得る、超低周波(ULF)リードを生体外で刺激するULF波形(本明細書ではときにはDC波形と呼ばれる)の測定のグラフである。 ACモードにおいて動作する図12の刺激エンジンによって生成され得る例示的なAC波形のグラフである。 図12の刺激エンジン内に含まれ得る軽減機構の表である。 回路パラメータのリアルタイム測定および計算を可能にするために超低周波(ULF)波形のゼロ交差点において挿入された矩形波を示す図である。 回路パラメータの近似値の範囲とピークおよび／または勾配の計算とを利用することによる、回路パラメータのリアルタイム測定および計算のための方法を示す図である。 超低周波波形の限られた点における電流と電圧とをサンプリングすることによる、回路パラメータのリアルタイム測定および計算のための方法を示す図である。 交流電流波形の限られた時点における電流と電圧とをサンプリングすることによる、回路パラメータのリアルタイム測定および計算のための方法を示す図である。 参照電極セレクタの概略図である。 図12の刺激エンジンの様々な電圧を測定するために使用され得る様々な計装増幅器の概略図である。 図12の刺激エンジンの、とりわけ、電流発生器、リバランススイッチ、電流設定、および極性／ゼロなどの様々な特徴の概略図である。 図25Aおよび図25Bの配置を示す図である。 調整可能な刺激供給回路の概略図である。 調整可能な刺激供給回路の概略図である。
本出願は、いくつかの実施形態において、神経系組織(限定はしないが、ニューロンおよびグリア細胞を含む)、心臓組織、または他の電圧感受性組織における生体組織の処理を含む、神経組織を通る生体信号の阻止、変調、または減衰を促進するための内部および外部パルス発生および／または刺激エンジンシステムに関する。いくつかの実施形態において、患者に送達される波形のアノード相もしくはカソード相のいずれか、またはアノード相とカソード相の両方が、例えば神経組織などの電気的に興奮可能な組織に対する治療効果を有することができる。
いくつかの実施形態において、パルス生成および／または刺激エンジンシステムは、本開示において説明する特徴のうちの任意の1つまたは複数を備える。
いくつかの実施形態において、パルス生成および／または刺激エンジン方法は、本開示において説明する特徴のうちの任意の1つまたは複数を備える。
従来の刺激システムは、フェイルセーフ動作を保証または促進するために、信頼性が高く低コストであるのでコンデンサを利用することができる。
いくつかのシステムは、コンデンサがシリコン上に完全に集積されるか、出力周波数が低すぎ、コンデンサが大き過ぎるか、またはいくつかのシステムが直流電流(DC)を通さなければならないので、コンデンサを使用することができない。システムのいくつかの実施形態は、電極動作範囲を電圧窓内に維持する目的で、低レベルのDCバイアスと共に低周波AC(LF-AC)波形を提供することによって動作することができる。安全機構は、本質的に、両方の構成要素が仕様内に留まり、結果として生じる電極電圧が、例えば、少なくとも2つの独立したチェック機構によって評価される所定の範囲内に留まることを保証する。従来の高周波ACコンデンサに関しては、コンデンサは、DCから保護するためにインラインで切り替えられることが可能であり、DCが取ることができる唯一の単一故障経路である缶(can)を実質的にDCが通過しないことを保証することによって、スイッチの故障に対する保護が提供されることが可能である。
本明細書で開示されるのは、いくつかの実施形態において、患者の安全性を高めるためのコンデンサに代わる実施形態、および／または保護を提供するための、場合によっては高周波数のみのためのコンデンサの併用である。
理論によって限定されるものではないが、電気的に興奮可能な組織、例えば神経組織における活動電位の伝播は、ナトリウムチャネルではミリ秒オーダ、典型的には、約1ミリ秒と約20ミリ秒との間、または絶対不応期と相対不応期とを合わせると約2ミリ秒と5ミリ秒との間の不応期をもたらし、したがって、この不応期よりも有意に長い(例えば、約1ミリ秒、1.5ミリ秒、2ミリ秒、2.5ミリ秒、3ミリ秒、10ミリ秒、30ミリ秒、50ミリ秒、100ミリ秒、300ミリ秒、500ミリ秒、1000ミリ秒、2000ミリ秒、5000ミリ秒、6000ミリ秒またはそれ以上を超える)半周期を有し、活動電位を誘発しないように十分に低い微分速度(例えば、立ち上がり時間および立ち上がり時間)を有する非常に低い周波数のAC電流波形も、組織の阻止または減衰を作り出すために使用されることが可能であり、電気的に興奮可能な組織によって直流電流刺激として知覚される。したがって、本明細書で定義される直流電流(DC)は、活動電位または神経処理が変調されている組織の観点から直流電流として知覚され、機能的に直流電流である低周波AC電流波形を含む。実際、本明細書で使用されるDC、DC波形、低周波AC、超低周波AC、ULF、ULF波形などという用語は、すべて、信号または波形周期の少なくとも一部の間、組織によってDC信号として知覚される任意の信号または波形など、同じ信号を指す場合がある。そのような波形の周波数は、電流の流れの方向が少なくとも標的組織の不応期全体、または不応の原因となる膜チャネルの時定数(例えば、高速ナトリウムチャネル不活性化ゲート時定数)の少なくとも2倍の長さ、もしくは少なくとも5倍の長さ、もしくは少なくとも10倍の長さにわたって一定である限り、例えば、約20Hz未満、10Hz未満、9Hz未満、8Hz未満、7Hz未満、6Hz未満、5Hz未満、4Hz未満、3Hz未満、2Hz未満、1Hz未満、0.5Hz未満、0.1Hz未満、0.05Hz未満、0.01Hz未満、0.005Hz未満、0.0001Hz未満、または上記の値の任意の2つを含む範囲であることが可能である。
いくつかの実施形態において、システムおよび方法は、高周波数、例えば約1.2～50kHz以上、従来の周波数、例えば約20～1.2kHz、低周波数、例えば約2～20Hz、および超低周波数、例えば約2Hz未満を含む、様々な波形周波数を組み込むことができる。本明細書の他の箇所で述べたように、本明細書で定義される直流電流は、活動電位が変調されている組織の観点から直流電流として知覚され、機能的に直流電流である低周波AC電流波形を含む。
慢性疼痛は、個人および社会全体にとって重大な負担である。米国だけでも、5000万人近くの成人が重大な慢性疼痛または重度の疼痛を有すると推定される。(Nahin、Estimates of Pain Prevalence and Severity in Adults:米国、2012年、The Journal of Pain、2015年8月16日(8):769～780頁を参照。)世界中で、慢性疼痛は、15億人を超える人々に悪影響を及ぼしていると推定されている。(Borsook、A Future Without Chronic Pain:Neuroscience and Clinical Research、Cerebrum、2012年6月。)特定の疼痛の原因を取り除くために、ときには外科的技法が適用されるが、しばしば神経のインピンジメントにより、多くの場合、疼痛の正確な原因は、不明であり、外科的処置によって確実に対処されることは不可能である。代替的に、疼痛の管理は、疼痛の入力の登録を防止する刺激信号で中枢神経系を圧倒することによって対処されることが可能である(疼痛のゲートコントロール理論)。典型的には、この刺激は、脊髄刺激(SCS)の場合、疼痛の感覚を防止するためのこれらの追加の刺激信号を生成するために金属電極と交流電流(AC)刺激とを使用して実行される。しかしながら、1つの大きな欠点は、刺激された神経の下流の神経支配領域におけるチクチクする感覚である錯感覚の存在である。患者が不快感を感じる可能性がある錯感覚を排除する方法は、高周波刺激(約10kHz)およびバースト刺激(例えば、毎秒40回送達される500Hzにおける5つのパルス)を含む従来のトニックSCS(約30～120Hz)とは異なる刺激手段につながっている。(Tjepkema-Cloostermans et al、Effect of Burst Evaluated in Patients Familiar With Spinal Cord Stimulation、Neuromodulation、2016年7月19日(5):492～497頁。)
中枢神経系への痛覚信号伝達を管理する代替手段は、従来のSCSおよびゲート理論におけるように痛覚信号伝達を締め出し、抑制するために代替神経入力を生成することによって痛覚信号をマスキングすることと比較して、痛覚信号を直接阻止または減衰させることによって、末梢信号源からの痛覚信号の伝導を防止することである。これを行うための1つの手段は、活動電位(API)の生成および伝達を防止するために、神経に直流電流(DC)を印加することによる。これは、従来の刺激におけるように神経を刺激しないので、錯感覚は、回避されることが可能である。APブロックにつながる機構は、電極部位の下で活動電位イベントに必要なナトリウムチャネルを不活性化する脱分極ブロックまたは過分極ブロックに起因している。(Bhadra and Kilgore, Direct Current Electrical Conduction Block of Peripheral Nerve、IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering、2004年9月12日(3):313～324頁を参照。)広ダイナミックレンジ(WDR)ニューロンは、痛覚信号を統合し、患者における疼痛の寄与源としても関係し、直流電流(DC)の印加は、この活動を低減するのに適しており、WDR活動を駆動する関連する抑制性ニューロンおよび興奮性ニューロンに影響を与え得る。
直流電流の無制限な使用は、電極と神経との界面における毒性種の作成により、神経組織にとって危険であることが長い間知られていた。したがって、直流電流治療の安全な送達を容易にするシステムおよび方法が非常に望ましい。いくつかの実施形態において、システムおよび方法は、侵害受容性疼痛を治療するように構成されることが可能である。いくつかの実施形態において、疼痛および他の医療を治療するシステムおよび方法は、脊髄における前外側柱組織の選択的阻止を伴うことができる。さらに、いくつかの実施形態は、前述のシステムおよび方法によって、具体的には、後根組織および／または後根神経節の選択的阻止を通じて疼痛を治療するシステムおよび方法に関する。さらに、いくつかの実施形態において、本明細書で開示されるのは、特に、1つまたは複数の末梢神経の阻止または減衰を通じて疼痛を治療するシステムおよび方法である。
いくつかの実施形態において、システムおよび方法は、脊髄刺激(SCS)の候補である慢性腰痛症の患者において臨床的に測定可能な疼痛軽減を達成するために、硬膜外腔に超低周波刺激を最長2週間以上送達することによって、脊髄内の痛覚信号を安全に阻止または減衰させる(疼痛処理の変調を含む)ことができる。
標的神経ブロックを用いて、特定の皮膚分節から疼痛および局部的な身体部位における疼痛が管理されることが可能である。痛覚信号伝達を緩和することにおいて関係するいくつかの局所的な標的が対処されることが可能である。例えば、脊髄視床路および後根神経節などのより中心に位置する神経組織の両方は、疼痛考慮事項の中でも、腰痛、坐骨神経痛、および複合性局所疼痛症候群(CPRS)を管理するために対象とされることが可能である。
いくつかの実施形態において、電極は、高電荷容量材料を含む接点を含むことができる。電極接点は、場合によっては、約1mm2と約10mm2との間、または約1mm2、2mm2、3mm2、4mm2、5mm2、6mm2、7mm2、8mm2、9mm2、10mm2、20mm2、50mm2、100mm2、または前述の値のうちの任意の2つを含む範囲を有することができる。電極接点自体は、例えば、参照によりその全体において本明細書に組み込まれるBhadraらへの米国特許第10,071,241号に記載されているものなどの高電荷容量材料で製造されることが可能である。代替的には、電極接点は、高電荷容量材料で少なくとも部分的にまたは全体的にコーティングされたベースを備えることができる。いくつかの実施形態において、少なくとも約25μC、50μC、100μC、200μC、300μC、400μC、500μC、1000μC、2500μC、5000μC、10000μC、50000μC、100000μC、500000μC、またはそれを超えるQ値、または前述の値のうちの任意の2つを含む範囲のQ値を有することができる。電極接点のQ値は、電極接点が身体の公称輸送機構では除去されることが不可能な速度で不可逆的化学反応を発生し始める前に、電極接点を通して送達されることが可能な電化の総量を指すことができる。これらの化学反応は、限定はしないが、酸素または水素の発生、もしくは電極材料の溶解を含む。高電荷容量材料の非限定的な例は、白金黒、酸化イリジウム、窒化チタン、タンタル、塩化銀、ポリ(エチレンジオキシチオフェン)、およびそれらの適切な組合せである。電極は、いくつかの実施形態において、フラクタルコーティングまたは高表面積フォーマットを備えることができる。高電荷容量材料は、モノリシックであるように、またはベース基板上のコーティングとして構成され得る。コーティングのための基板の非限定的な例は、304および316LVMなどのステンレス鋼、MP35N(登録商標)などのニッケルコバルトクロム合金、白金および白金イリジウム、チタン、ニチノールなどのニッケルチタン合金を含む。いくつかの実施形態において、電極は、窒化チタンでコーティングされたタンタルを含むことができる。1つの非限定的な例としてのタンタルは、その優れた放射線不透過性のために特に有利な材料である可能性があり、したがって、埋め込み可能な神経調節デバイスの改善された埋め込み、検証、および／または除去を可能にする。いくつかの実施形態において、電極は、窒化チタン、タンタル、およびMP35Nのうちの1つまたは複数を含むことができる。電気化学反応が起こるためのより多くの表面積を生成するために、従来の電極は、追加の材料表面積を露出させるために、粗面、織られた表面、パターン化された表面、網状フォーム構造、多孔質焼結ビーズ構造、ナノまたはマイクロパターン化構造などの、体積に対して表面積が大きい構造で作られ得る。いくつかの実施形態において、例えば、参照によりその全体において本明細書に組み込まれるAckermannらへの米国特許第9,008,800号およびAckermannらへの米国公開第2018/0280691号に記載されているように、電極が心臓組織または心臓組織に近接する領域に電気的に接触するイオン導電性材料とイオン導電性材料-電解質溶液界面で接触する電解質溶液中に浸漬された、SINE(分離界面神経電極)またはEICCC(電子-イオン電流変換セル)電極とすることができる。
いくつかの実施形態において、本明細書で開示されるのは、DCから高周波までの様々な波形を有利に利用することができる、神経組織を安全かつ効果的に刺激するためのシステムおよび方法である。DCによる刺激は、潜在的に非常に有用であるが、長期間にわたってDCを安全に送達することができる神経刺激システムが利用できなかったので、神経調節のために商業的に利用されていなかった。利用可能な商用システムは、電荷平衡機構に依存して、不可逆的な電気化学反応を制限するためにDC送達を防止する。これらのシステムは、コンデンサを用いてDC成分を阻止すること、阻止コンデンサ、または刺激サイクルの終了時に電荷蓄積を除去する機構を含むことができる。信頼性は高いが、典型的なコンデンサは、電荷を相あたり約1ミリクーロン(mC)未満に制限し、この電荷容量を超える大きい電荷量における超低周波信号の利用を許可しない。他の広く利用されている技法は、アクティブバランス電流源に依存するが、これらは、フォールトトレラントであるために冗長性を必要とし、典型的には、いくつかの電極技術にとって重要な電極電圧を故意に制御せず、長期の高電荷送達に有利であることは示されていない。コーティングと組み合わせたアクティブシステムは、電荷密度を約2mC/cm2まで増加させるために網膜インプラントなどのデバイスにおいて利用されているが、これらの密度は、DCまたは十分な電力振幅を有する超低周波波形によって必要とされる位相波形あたりの非常に高い電荷の使用を可能にするには依然として不十分である。
いくつかの実施形態は、長期間の動作耐久性のために特定の電極材料に最適な範囲に電極電圧を維持するために、例えば、DCバイアスなどのバイアス電流と組み合わせた高表面積電極コーティングを伴う。この手法は、従来のシステムにおいて使用される約50μC/cm2から、場合によっては、例えば、電極または電気的に興奮可能な組織への損傷を引き起こすことなく、約または少なくとも約5000μC/cm2、25000μC/cm2、50000μC/cm2、およびそれを超えるまで、相あたりの電荷を高めることができる。制御システムを介するなどして、意図的な正味のバイアス電流、例えば、DCバイアスを許容するように構成されたシステムおよび方法は、組織の損傷につながるOH-、H+、または酸素フリーラジカルなどの望ましくない反応および種の生成を最小化または防止するだけでなく、場合によっては、(電極への腐食、例えば酸化、または他の損傷を防止または抑制することによって)高電荷容量電極の健全性を有利に維持することができる。いくつかの実施形態において、アノード相および／またはカソード相あたりの電荷は、例えば、約3000μC、3500μC、4000μC、4500μC、5000μC、5500μC、6000μC、またはそれよりも上もしくは下であり、層あたり約4000μCと約5000μCとの間、および前述の値のうちの任意の2つを含む範囲などである。
いくつかの実施形態において、埋め込まれた電極を介する電流の送達のためのシステムおよび方法は、ブロッキングコンデンサなどのコンデンサを含まない。いくつかの実施形態において、埋め込まれた電極を介する電流の送達のためのシステムおよび方法は、抵抗器を含まない。
いくつかの実施形態において、バイアス電流は、標的の興奮可能な組織または電圧感受性組織に近接する電極接点または作用電極に同時に送達される電流の合計から結果として生じる電流である。いくつかの実施形態において、バイアス電流は、電極接点または作用電極に同時に送達される電流の合計と大きさが等しく、極性が反対である。いくつかの実施形態において、電極接点または作用電極に同時に送達される電流は、バイアス電流を変調するために調節されることが可能である。
いくつかの実施形態において、AC専用システムを含むことができる従来のACシステムは、組織へのDCの送達を防止するために、各出力／すべての出力、例えば電極上でコンデンサを利用する。従来のACシステムは、典型的には、直流電流(例えば、上記の超低周波数を含む)波形送達に必要とされる場合があるコンデンサを回避することができるバイパススイッチを含まない。
いくつかの実施形態において、本明細書で開示されるのは、単一のアーキテクチャで複数の電気変調モードにおいて実行するように構成された神経調節デバイスである。デバイスは、例えば、電源、制御ユニット、および／または1つもしくは少なくとも1つ、2つ、3つ、4つ、もしくは5つ以上の作用電極に接続されるように構成された複数の電流発生器(例えば、単極および／または双極)を含むことができる。
いくつかの実施形態において、デバイスは、直流電流を阻止するように構成された少なくとも1つ、2つ、または3つ以上の不関電極と、少なくとも1つ、2つ、または3つ以上の不関電極と電気的に通信するように構成された少なくとも1つ、2つ、または3つ以上の不関電極スイッチと、少なくとも1つ、2つ、または3つ以上の阻止コンデンサをバイパスするために電気的に通信する少なくとも1つ、2つ、または3つ以上の阻止コンデンサスイッチとを含むことができる。
デバイスは、電流発生器が少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成される第1の刺激モードと、電流発生器が少なくとも1つの作用電極に直流電流を送達するように構成される第2の刺激モードとを含むことができ、両方の戻り電極は、不関電極を介して吸収される。
いくつかの実施形態において、第1の刺激モードにおいて、制御ユニットは、第2の作用電極を通るように別の電流発生器を構成し、少なくとも1つの不関電極スイッチに電流発生器と少なくとも1つの不関電極との間の電気通信を無効にさせ、少なくとも1つの阻止コンデンサは、直流電流を阻止するためにアクティブである。
いくつかの実施形態において、第2の刺激モードにおいて、2つの電流発生器は、例えば0μAから1000μA以上のオフセット電流が不関電極に向かって不関電極スイッチを通過するように構成され、制御ユニットは、少なくとも2つの阻止コンデンサに少なくとも1つの阻止コンデンサにおける電流発生器間の電気通信を無効にさせ、それによって、少なくとも2つの阻止コンデンサをバイパスする。
いくつかの実施形態において、デバイスは、超低周波、従来の周波数、および高周波の交流電流が電流発生器から任意の数の作用電極に送達されることが可能であり、アノードまたはカソードのバイアス電流が任意の数の作用電極に送達されるように構成されることが可能であり、阻止コンデンサスイッチは、阻止コンデンサをバイパスするように構成され、これは、例えば、電極の寿命にとって有利である可能性がある。
いくつかの実施形態において、本明細書におけるいくつかの実施形態を含む特定用途向け集積回路(ASIC)は、低電力で汎用性の高いAC刺激のために構成される。いくつかの実施形態は、DCを追加することができるが、DAC(デジタルアナログ変換器)分解能が比較的低く、DCバイアス／オフセットの選択性を制限する(DCオフセットは、例えば、1μAまで低くくされることが可能であり、同時に、例えば、同じチャネルにおいて25mAまで高い刺激電流を提供することができる)ので、DCにとって必ずしも最適であるとは限らず、DCモードにおいて動作している間の電力は、従来のAC刺激パルスが25ミリ秒ごとに250マイクロ秒(1%のデューティ比)であるのに対し、連続的(100%のデューティ比)または実質的に連続的にオンであり得るので、比較的高い。
いくつかの実施形態において、図1を参照すると、特定用途向け集積回路(ASIC)を使用するDCおよびAC手法は、バイパススイッチが閉じられているときに電流、例えばDCが送達されることが可能であり、バイパススイッチが開いているときに電荷平衡ACが送達されることが可能であるように、各出力阻止コンデンサの周囲にバイパススイッチを含むことができる。これは、例えばチャネル1および16などの各チャネルに適用されることが可能である。したがって、バイパススイッチが故障し、スイッチの短絡(または他の原因)による組織への電流源の不均衡により電流が流れる場合、不関電極、例えばIPG缶を通ってシステムを逆流する過剰電流を検出し、刺激を遮断するためおよび／または別の安全動作手段をとるために、「感知」安全機構(図1に示す「感知」回路)が使用されることが可能である。
いくつかの実施形態において、図2を参照すると、DCおよびACの個別的な手法は、より少ない構成要素を用いて実装されることが可能である。例えば、阻止コンデンサおよびバイパススイッチは、ソースと、例えば16チャネルのうちの1つなどのいくつかのチャネルに電流を導くマルチプレクサ(mux)との間の単一のセットに低減されることが可能である。いくつかの実施形態において、2つ以上のセットが使用される。いくつかの実施形態において、16よりも多いもしくは少ないチャネルが使用されることが可能であり、および／または電流が1つまたは複数のチャネルに導かれ得る。双極動作のための電流をシンクまたは供給するために、第2のソースおよびmuxが使用されることも可能である。この個別的な手法は、各mux出力(電極)のためのコンデンサとスイッチとを含まないことで、有利に単純化されることが可能であり、サイズ、コスト、製造の複雑さなどを低減することができる。上記で説明し、図3～図4に示した個別的な手法が実装されない場合、各チャネルのためのコンデンサおよびスイッチが必要になる場合がある(例えば、16チャネルシステムのための16個のコンデンサおよびスイッチの対が必要になる場合がある)。同様にDCおよびACの個別的な手法においても、図2を参照して説明したように、「感知」安全機構およびIE(不関電極、またはデバイスハウジングもしくは「缶」)が使用されることが可能である。
図3は、DCとACの両方を送達するように適合されたASICの線形電流発生器(例えば、ハウランド電流ポンプ)を利用する実施形態を概略的に示す。DACは、電流発生器(ソースおよびシンク)を直接制御することができ、DCをサポートするために、システム内に外部コンデンサバイパススイッチが含まれている。バイパススイッチ、例えばシリコンバイパススイッチは、身体に露出されているので、不関電極(IE)／缶を通じて任意のDC電流が検出された場合、シャットダウンして安全性が確保されることが可能である。
代替的には、ACシステムとDCシステムの両方が、共通の構成要素を共有する個別システムで実装されることが可能である。いくつかの実施形態は、場合によっては16個の電極などの、システム内の任意の対の電極にわたって構成されることが可能な単一の双極チャネルを含む。ACシステムは、単一の電流シンクのみを含むように構成されることが可能であり、いくつかの実施形態においては、約10V/マイクロ秒のスルーレートを必要とする約10マイクロ秒のパルスを生成するために十分に高速に構成されることが可能である。この電流源は、まず、コンデンサのセットにわたって極性を交互にするためにクロスポイントスイッチを通ってルーティングされ、次いで、例えば1～16チャネルマルチプレクサなどのマルチチャネルマルチプレクサを通ってルーティングされることが可能である。IE／缶を通るDC電流を検出することによって安全性が再び確認可能であるので、各電極上のコンデンサではなく、コンデンサの単一のセットが使用されることが可能である。
例えば、上記で説明したAC個別的アーキテクチャの実施形態は、図4に概略的に示すような電流源の追加によって、DCを処理するように拡張されることが可能である。電力を節約するために、この電流源は、例えば、電流シンクによって要求される10Vマイクロ秒以上のようなより高い量ではなく、例えば、約5、4、3、2、または1V/ミリ秒以下を必要とする極めて低速なものであることが可能である。それに加えて、DC構成では存在しない場合があるコンデンサをバイパスするために、スイッチが追加されることが可能である。DCは、一般に、バイアス／オフセット電流を正確に設定することができるように、ACよりも高い電流分解能を必要とする。したがって、いくつかの実施形態において、電流源と電流シンクの両方におけるDAC分解能は、約10、9、8、7、6、5、4、3、2、もしくは1μA未満、または場合によっては約5μA未満であるべきである。
電流シンクおよび電流源に関して、場合によっては、個別の電流シンクが、実装するのに簡単で安価である可能性がある。電流源は、場合によっては、より複雑である場合があり、図5A～図5Bに示すものと同様の回路が必要になる場合がある。電流シンクは、ACを実装しており、一般に高性能であることを必要とするのに対し、電流源は、一般に低速のDCのみを処理し、はるかにより低速で動作することができ、有利なことに電力を大幅に削減する。
本明細書で説明するように、いくつかの刺激システムは、受動的で、低コストで、一般に信頼性の高い構成要素であるので、フェイルセーフに近い動作を保証するためにコンデンサを利用する。しかしながら、いくつかのシステムは、シリコン上に完全に集積されるので、出力周波数が低すぎる可能性があるので、システムがDCを通過させることができる可能性があるので、および／またはコンデンサが大き過ぎるので、コンデンサを使用することができない(または少なくとも使用するのはあまり望ましくない)。
図5Bは、AC刺激またはDC刺激を生成する(ACモードまたはDCモードにおいて動作するとも呼ばれる)ように動的に再構成されることが可能な双極電流発生器の概略図である。DAC AおよびDAC Bは、刺激振幅を提供する。ゆっくりした動きのDC刺激について、DAC AおよびDAC Bは、各電流に追加されるバイアスによりゆっくりと(例えば、100Hz以下で)更新される。AC刺激について、DAC AおよびDAC Bは、アクティブ化および回復電流の値で更新され、S1は、高速ACアクティブ化および回復パルスを形成するために切り替えられる。放電スイッチが利用可能である。受動的再充電などの他のACモードを作成するために、放電スイッチが利用可能である。
図6は、フェイルセーフハイブリッドシステムのブロック図を概略的に示す。システムは、第1の制御ユニット、例えば、電流発生器およびIE電圧出力を通じて電荷管理アルゴリズムを実装するように構成されたメインマイクロコントローラユニット(MCU)を有することができる。システムは、第2のMCU、例えば、メインMCUを監視することができ、不一致の場合にシステムをシャットダウンすることができる独立した電荷管理アルゴリズムを有することができる、本明細書では監視MCUとも呼ばれるウォッチドッグMCUを含むこともできる。メインMCUおよびウォッチドッグMCUは、例えば、(1)電極の劣化および故障、および電子的故障から保護するために電極電圧を監視すること、(2)ACモードもしくはDCモードにおけるデバイス故障から保護するためのIC電力監視、ならびに／または(3)デバイス故障から保護するための電圧波形形態分析のうちの任意の数を含むことができる様々な方法において電極とシステムとを監視するように構成されることが可能である。ACモード中、阻止コンデンサは、インラインで切り替えられることが可能である。メインMCUおよびウォッチドッグMCUは、適切な向きについて互いにクロスチェックすることができる。システムは、第3のMCU、例えば、デバイスがリセットされるのを防止することができるスーパーバイザウォッチドッグMCUを含むことができる。外部の非埋込み型において、電極が電荷を負荷されたときに刺激サイクルの終了を回避するために、臨床医のみがバッテリを交換することを許可され得る。
図7は、行においてリストされた非限定的な潜在的故障メカニズムおよび列においてリストされた軽減メカニズムの表を示す。いくつかの実施形態によれば、チェックマークは、どの軽減がどの故障から保護するのかを示す。故障が発生した場合、刺激は、即座に停止されるか(瞬時オフ)、充電バランス状態において終了することが有益な場合、刺激サイクルの終了時に停止される。例えば、範囲外のバイアス電流モニタは、瞬時のオフ刺激を結果として生じて、表面電極(IE)の断線、電流源のエラー、結合コンデンサのエラー、または計装信号チェーンのエラーから保護する。範囲外の周期的VPP(例えば、10または他のサイクル数)は、刺激サイクルの完了時に刺激が終了するという結果をもたらして、長期的な電極劣化から保護する主要メカニズムである。波形形態違反(例えば、10または他の数のサイクル)は、刺激サイクルが終了することおよび刺激サイクルの完了という結果をもたらして、電極の断線、電流源の故障、または計装エラーから保護する。MCU/WD電圧監視は、刺激または他の電力供給回路の問題から保護し、刺激を即座に終了させ、場合によっては電源をオフにする。ハードウェアウォッチドッグ保護は、一般的なリセットを結果として生じ、刺激サイクルを即時に終了させて、ファームウェア/MCUの故障から保護する。オフラインインピーダンスチェック-故障した電極および不十分な電極容量を除外するための事前チェック。MCU/WDクロスチェックは、一般的なリセットを結果として生じ、刺激サイクルを即時に終了させて、両方のMCUが適切に動作していることを保証する。独立した電荷管理アルゴリズム(独立したコードベースを有する2つの異なるアルゴリズム)は、一般的なリセットを結果として生じ、刺激サイクルを即時に終了させて、ファームウェアバグおよび予期しないアルゴリズムの欠陥から保護する。
いくつかの実施形態において、デバイスは、不関電極に動作可能に接続されるように構成された仮想グランドを含むことができ、仮想グランドは、電力散逸を最小化するために任意のレベルに設定されることが可能である。
いくつかの実施形態において、出力マルチプレクサから使用される電流は、特にESD放電損傷により発生する部品故障による意図しないDC電流を防止するために、身体に直接接続されているアクティブシリコン構成要素における任意の故障を検出するために測定される。
いくつかの実施形態において、デバイスは、以下の軽減機構、(a)不関電極電力監視が、バイアス電流が事前設定された最小および最大範囲から逸脱した場合に動作を停止し、使用される電流が、ノイズを除去するために統計処理により処理されることが可能である、(b)各作用電極から不関電極、各作用電極から参照電極、または一対の作用電極間のいずれかの電極電圧監視、(c)電極監視が、瞬時に解決されるか、または、例えば、1マイクロ秒から1時間以上もしくは以下の事前設定された時間にわたって統計的に解決されるか、または、波形の遷移に同期され、統計が、平均、中央値、分散、最小値、および／もしくは最大値を含むことができる、(d)電極監視が、電極電圧をそれら全体において調査することができ、またはフィルタ機構を使用して、もしくは電極について既知のもの、例えば測定されたものもしくは電極の仕様に基づいて構成要素を差し引くことによって構成要素に分解することができる、のうちの任意の数を備える。一例として、前述のフィルタリングされた電圧-刺激電流*測定されたアクセス抵抗は、指定された値を下回る可能性がある。
図8は、電圧保護に関連する可能性がある損失容量に関するグラフを示す。周期的VPP:VPP-2*RA*I、これは、電極が長期にわたって十分な容量を有することを保証するために、刺激サイクルにわたるピーク電圧が所定の限度内に留まることを保証するのに役立つことができる。電極波形形態(鋸歯)は、電極電圧波形が所定の電流に対して期待通りであることを保証するのに役立つことができ、これは、システムが適切に動作していることを保証するのに役立つことができる。
図9Aおよび図9Bは、バイアス電流監視に関する。図9Aは、参照電極の断線に関するグラフを示す。図9Bは、除去されるバイアス電流に関するグラフを示す。バイアス電流監視は、IEの故障(開回路またはHi-Z)、WEの故障(開回路またはHi-Z)、WE電流源の故障(ハイまたはロー)、IE電圧源の故障(無電流が電流源を故障に追い込む)、および／またはコンデンサバイパススイッチの故障(電流漏れまたはフェイルオープン)を含むことができる様々な故障から保護することができる。DC固有の変調モードについて、モニタは、バイアスが正しい範囲(例えば、25～75μA)にあることをチェックすることができる。AC固有の変調モードについて、モニタは、DC電流が、例えば、≦100nAなどの所定の値未満であること(例えば、電子的または複数のコンデンサの故障)をチェックすることができる。
図10は、回復不能な電荷を低減(例えば、最小化)することに関する。図10は、秒単位の時間に対する刺激開始を示す。バイアス電流の注入は、電荷および／または電極の寿命が最大化されるなど、増加されることを可能にすることができる動作電圧範囲に電極を置くことができる。電極の動作状態は、判定されることが可能であり、これは、電極が良好な動作状態にあることを判定することを含むことができる。例えば、(1)参照電圧波形のピークが計算された電圧もしくは経験的に計算された電圧を下回ることを判定する(例えば、保証する)こと、ならびに／または(2)不可逆電荷の指標としてサイクルの電圧を積分すること、および／もしくはそれが特定のしきい値未満であることを判定する(例えば、保証する)ことによって、電極が良好な動作状態にあることが判定されることが可能である。
図11は、HWおよびFWフェイルセーフに関する例示的なブロック図を示す。電荷管理アルゴリズム-メインMCUは、ASIC(またはディスクリート電流発生器)を制御する。MCU/WD電圧/電流監視-メインおよびウォッチドッグにおける独立したADCおよびアルゴリズムは、HWおよびFWが動作可能であることを保証するウォッチドッグMCUによって生かされ続けることが可能である。MCU/WDクロスチェック-メインおよびウォッチドッグMCUは、HWおよびFWが動作可能であることを保証するために、相互にチェックする。MCU/WD ASICリセット-問題が検出された場合、メインMCUまたはウォッチドッグMCUのいずれかがASICをリセットすることができる。
単一のアーキテクチャによる刺激を含む、DC治療とAC治療とを提供することができる例示的な刺激エンジン(波形生成器または治療波形生成器と呼ばれることもある)のブロック図を図12に示す。医療デバイスのための従来の手法は、電極上の刺激の生成を制御することと、電極上の刺激をチェックすることの両方のために、1つのマイクロプロセッサのみを利用することである。そのような手法は、治療システムが、患者の害を結果として生じる可能性がある二重の障害の影響を受けやすくする。安全性の観点から、これは結果として、すべてのシステムソフトウェアが(例えば、より低いリスククラスAまたはBの代わりにより高いリスククラスCの)より高いリスク分類を有するようになる。図12のアーキテクチャに示すように、電極を監視する独立したマイクロプロセッサを設けることによって、患者にとって有害な状況をもたらすためには、3つの同時の故障が発生する必要がある。独立した安全マイクロプロセッサ(例えば、図12に示す安全MCU)は、全体的なリスクを低減し、安全性を改善する。これは、ソフトウェアおよびシステムの安全性分類が(より高いリスククラスCから最も低いリスククラスAに)低減されることを可能にする。これは、システムの設計およびテストも大幅に簡素化する。刺激エンジンは、電流発生器の単一の双極対を用いて刺激することができる。メインマイクロコントローラユニット(MCU、プロセッサ、またはコントローラ)は、刺激波形を生成することができ、安全MCUは、適切なシステム動作を連続的に検証することができる。昇圧コンバータおよびLDO(低ドロップアウトレギュレータ)は、双極電流発生器SRCA、SRCBを駆動するための低ノイズ刺激コンプライアンス電圧(VSTIM)を設定することができる。電流発生器SRCA、SRCBは、1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、または100マイクロ秒の立ち上がり時間および立ち下がり時間を有するAC波形をサポートするのに十分な速さであることが可能である。そのような発生器のための駆動電圧(VSTIM)は、電流発生器が電力を節約するためにコモンモード入力範囲内で動作するように十分に高い。
低デューティ比のAC(例えばトニック)刺激中、VSTIMは、実質的に(例えばほとんど)ゼロボルトに設定されることが可能であり、電力を保存するために刺激エンジンをシャットダウンする。システムは、単一の電源で動作できるので、仮想グランド(VIE)は、AC用の中間レールに設定されることが可能である。DC(例えば、ULF)の間、VIEは、電力を節約するために電極動作電圧付近で発生する、バイアス電流によって作成されるバイアス電圧に依存して、VSTIMの何分の一かに設定されることが可能である。刺激電圧および電流は、VIEを中心に変動することができる。バイアス電流は、中間レールよりも下に電圧を移動するので、VIEは、電力を節約するためにそれらの電圧を追跡するように設計されることが可能である。DCモードについて、VIEは、一定のオフセット電流を吸収することができ、不関電極(IE)に接続されることが可能であり、不関電極(IE)は、刺激エンジンのための表面電極および刺激エンジンのための缶(例えば、ハウジングまたは筐体)であることが可能である。ACモードの間、電荷の不均衡により阻止コンデンサCBA、CBBの内部に集まる可能性がある電荷の不均衡は、VIEに放電される可能性がある。ACモードにおいて、不関電極IEは、患者から切断される。VIEは、電力をさらに最適化するために、電極がバイアス電圧に達すると、VSTIMまたはグランドレールのいずれかに設定されることが可能である。
双極電流発生器SRCA、SRCBは、必要な平衡型または意図的な不平衡型の双極刺激モードをサポートするために、電流をプッシュまたはプルすることができる。例えば、発生器SRCA、SRCBは、双極モードにおいて動作することができ、逆の等しいまたは等しくない電流を送達するように構成されることが可能である。ACモードにおいて、それらは、等しく逆の電流を生成するように構成されることが可能である。DCモードにおいて、それらは、逆であることが可能であり、オプションでわずかにオフセットした電流を含み得る。マッチング要件が非常に高い(約1μA)ので、両方の電流のための個別のトリムDAC(デジタルアナログ変換器)(TRIMA DAC、TRIMB DAC)が用いられる。DCオフセットとACゼロ調整の両方が、トリムDAC、例えば、TRIMA DAC、TRIMB DACを利用することによって達成されることが可能である。例えば、電流発生器の相補的な対の間の不一致により、較正後に残留する非線形性が存在する場合がある。これに対処するために、電流発生器のうちの1つ(例えばSRCA)は、参照ソースとして任意に選択され得る。適応電流発生器(例えばSRCB)を強制的に参照ソース(例えばSRCA)と一致させるために、二次較正が実行され得る。この較正は、適応電流発生器(例えばSRCB)上のTRIM DAC(例えば、TRIMB DAC)に適用され、次いで、微分非線形性と一致し、通常の較正が全体的な非線形性(微分非線形性を含む)を補正することを可能にする。DCモードにおいて、ソースDACであるSRCA DAC、SRCB DACは、ゆっくりと変化する電流を送達することができ、本明細書で述べたように、トリムDACは、値をトリムし、オフセットを設定することができる。ソースDACであるSRCA DAC、SRCB DACは、電流値が変更される必要がある場合、SPIポートを介してソフトウェアによって更新されることが可能であるが、最大100Hz以上、または他の任意の速度で変更されることが可能であるが、刺激プラトー中、単一の刺激値が数秒間持続することができる。
ACモードにおいて、刺激は、急速に変化することができるので、刺激の開始前、または刺激が変更されたときに、カソード(アクティブ化)電流振幅は、1つのソースDAC、例えばSRCA DACにプログラムされることが可能であり、回復振幅は、他のソースDAC、例えばSRCB DACにプログラムされることが可能である。ACパルスは、各電流源のソースを一方のソースDAC、例えばSRCA DAC、中間電源(例えばゼロ電流用)、または他方のソースDAC、例えばSRCB DACのいずれかであるようにフリップすることによって、高速かつ高効率で形成されることが可能である。
2つの阻止コンデンサCBA、CBBは、ACモードにおいてDC阻止を保証するために使用されることが可能であるが、DCモードにおいてバイパスされることが可能である。リバランススイッチRBSWA、RBSWB(DSW1、DSW2、REBALA、REBALB、D1、D2とも呼ばれる)は、阻止コンデンサCBA、CBBから電荷を回収することができ、自己テストおよび他の較正モードに使用されることが可能である。放電スイッチRBSWA、RBSWBは、阻止コンデンサCBA、CBBを放電するために使用され得る。一実施形態において、刺激エンジンは、1つまたは複数のスイッチ、例えば、DC(またはULF)モードにおいて動作しているときに阻止コンデンサCBA、CBBをバイパス／短絡するために閉じることができるが、ACモードにおいて動作しているときに駆動電流に阻止コンデンサCBA、CBBを通過させるために開くことができるULFSWを含む。次いで、駆動電流は、マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXを通って導かれ、所望の電極E01～E16にルーティングされる。ACモードの間、コンデンサCBA、CBBは、電極E01～E16への電流が平衡されていることを保証するために使用され得る。
一実施形態において、阻止コンデンサCBA、CBBは、マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXの入力側において配置される。そのような配置は、各電極E01～E16上に別個のコンデンサを配置する必要性をなくし、これは、回路設計を簡素化し、埋込み型刺激エンジンの設置面積を削減する。マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXは、有利にも、刺激エンジンの大幅なカスタマイズ可能性を可能にする。例えば、刺激エンジンの埋込み型導線は、16個の電極を含み得る。マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXは、刺激エンジンが任意の所望の電極に任意の所望の電気波形を送達するように構成されることを可能にする。さらに、マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXまたは他のマルチプレクサ、例えばVREは、電極のうちのいずれかが参照電極として機能するように選択されることを可能にする。そのような構成可能性により、刺激エンジンの缶または不関電極は、必ずしも刺激エンジンの参照電極として利用される必要はない。代わりに、電極E01～E16のうちのいずれか1つが参照電極として利用され得る。さらに、各電極は、刺激エンジンの組織刺激信号のアノードまたはカソードとして動作するように、マルチプレクサVRE、SRCA MUX、SRCB MUXによって選択され得る。
また、ACモードの間、IEは、直列IEスイッチIESW1、IESW2のフォールトトレラントなセットを通じて切断されることが可能である。IE電流センサIieは、故障検出のため、およびDCにおける一定のオフセット電流を測定するために使用されることが可能であり、自己テスト較正および診断モードのために使用されることも可能である。電流ステアリングダイオード(図示せず)は、すべてのシステム出力を端子における過電圧から保護することができ、直列構成は、単一点故障からグランドへの短絡を保護することができる。
電気焼灼は、200W@1000V@490kHzの電力を供給することができるので、SCSデバイスを含む治療用波形発生器に対して重大な課題を提示する可能性がある。除細動器は、同様の課題を提示する。これらの電圧は、結果として駆動電子機器に損傷を与える可能性があり、結果としてデバイスの誤作動および故障につながる。この課題は、作用電極と不関電極、または戻り電極との間が離間しているような、離間した電極を有するデバイスにおいて増幅される。不関電極および作用電極は、大きい距離だけ離れている可能性があり、電子機器に供給される電極間の高い電位差を結果として生じる。そのような構成の一例は、金属ケーシングが電気回路内のアクティブ構成要素であり、缶が作用電極の近くに配置されない、アクティブな缶を利用するものである。別の例は、缶が電気回路内のアクティブ構成要素ではない非アクティブな缶と、限定はしないが、表面電極、別個の埋め込まれた電極、または電極アレイ上の電極接点を含む、代替の不関電極または戻り電極とを有し、不関電極または戻り電極が作用電極の近くにない、構成を含む。別の例は、限定はしないが、アレイ上の電極接点が戻り電極または不関電極として指定される構成を含む、局所的に配置された不関電極または戻り電極を有する構成を含む。これらの非限定的な例のすべてにおいて、作用電極間の間隔は、典型的には、不関電極または戻り電極までの比較的低減した分離距離により、より少ないリスクを示す。しかしながら、これらの作用電極は、電気焼灼の損傷のゼロではないリスクを示す。
したがって、電気焼灼、除細動器、または他の高電圧／高電流の損傷から保護するための保護機構を含むことが望ましい。いくつかの治療用波形発生器およびSCSシステムは、電気焼灼の損傷からの保護を提供するために、電極においてコンデンサを利用する。しかしながら、電極における、低周波システム、超低周波システム、およびDCシステムにおける絶縁コンデンサの必要な欠如は、コンデンサに依存しない代替手法を必要とする。
図13は、電流ステアリングダイオードと高速動作正温度係数(PTC)デバイスとを利用する、高電圧および／または高電流から保護するためのシステムの一例を示す。2つのPTCと直列のツェナーダイオードが、電極缶を駆動電子機器に接続する。静電放電など、中程度の大きさの外部印加電圧の存在において、ツェナーダイオードは、外部電圧を、5V、10V、15V、20V、25V、25V未満、または30V未満などの安全なレベルにクランプする。電気焼灼から結果として生じる外部印加電圧は、ツェナーダイオードの不可逆的な破壊を結果として生じる高電圧を提示する。1つまたは複数のPTCデバイスをツェナーダイオードと直列に配置することは、電極缶を駆動回路から切断するようにツェナーダイオードを損傷から保護する。高電圧／電流は、PTCにわたる温度上昇と、PTC抵抗の増加と、ツェナーの電力負担の大幅な減少とを結果として生じる。図14は、この直列構成が、高電圧電気焼灼信号の存在下で約18Vへの電圧クランプをどのように可能にするかを示す。
再び図12を参照すると、刺激エンジンの計装は、作用電極電圧VweA、VweBの測定と、不関電極電圧Vieと、参照電極が選択可能な作用電極の総数、例えば4、16、などのうちの1つである参照電極電圧Vreとを含むことができる。前述の計装のすべては、診断のため、較正のため、ならびに／または安全性および制御手段を実装するために使用されることが可能である。すべての電圧は、メインMCU ADCと安全MCU ADCの両方にルーティングする前にバッファリングされることが可能であり、これらの独立したMCUは、少なくとも、安全なフォールトトレラントシステムを達成するために、少なくとも部分的に使用されることが可能である。
16個(またはそれよりも多いもしくは少ない)の作用電極のうちの4つ(またはそれよりも多いもしくは少ない)(例えば、E01、E08、E09、E16)は、参照電極マルチプレクサVREに配線されることが可能である。それらの電極のうちの1つ(またはそれよりも多いもしくは少ない)は、参照として電子的に選択されることが可能であり、最悪の場合の増幅器の故障の場合に5、10、15、20、25、30、35、40、45、または50μAに電流を制限するために、2つの直列抵抗器VR1、VR2を介してVREF増幅器(図示せず)と電気的に通信することができる。参照電極マルチプレクサVREは、参照電圧をサンプリングするときに瞬間的に選択されることが可能である。有効な参照電圧Vreの測定は、患者を刺激するため、または他の方法で治療用信号を患者に提供するために使用されていない任意の電極によって行われることが可能である。
AC神経刺激システムは、主に、直列コンデンサを用いてアクティブ回路を身体から分離することに依存することができる。内部放電抵抗器／スイッチと併用して、コンデンサは、回路の故障から保護するだけでなく、電荷平衡波形も提供する。超低周波で動作する平衡または不平衡電荷二相波形を利用する大容量電極システムは、DC刺激を利用し、コンデンサを容易に利用することができない。結果として、代替の安全機構が実装されなければならない。同様に、同じ制限は、平衡電荷二相波形(例えば、平衡型システムにおけるULE波形)を利用するシステムにも適用され得る。したがって、代替の(非コンデンサベースの)解決策がそのようなシステムにおいても利用される場合がある。
一実施形態において、DCモードは、長期の電極容量が最適化および保存される保護電圧領域内で電極を動作させることができる超低周波不平衡波形を提供することによって動作する。安全機構は、結果として生じる電極電圧が、少なくとも2つの独立した機構によって評価されるように所定の範囲内に留まることを保証することができ、1つまたは複数のシステム故障の場合でも、任意の検出された故障が、刺激シャットダウンと、刺激エンジンのパワーダウンとを結果として生じることができる。
そのような安全機構をよりよく理解するために、電極は、単純化されたRandlesセル、すなわち、直列アクセス抵抗(Ra)、および静電容量(Cdl)、および分極抵抗(RpまたはRct)によってモデル化されることが可能である。分極抵抗は、Raよりも約10倍を超えて大きいので、Raは、この処置において無視される。電極にわたる合計電圧(Vt)は、Ra*I+周期的Vppに等しく、ここで、周期的Vppは、電極の静電容量成分(Cdl)にわたるピークツーピーク電圧である。この関係を考慮すると、Va(Ra×Iから)および周期的Vppは、Vtのリアルタイム測定を使用して各刺激サイクルにおいて分離されることが可能であり、Raを計算することができる。
組織の安全性を保証するために、電極をその電極容量内で動作させることが重要である可能性がある。電極をその容量の範囲外で動作させることは、最終的には電極容量を減少させ、反応を促進する場合があり、この反応は、組織の健康に影響を及ぼし、不可逆的な電気化学反応を引き起こす場合がある。周期的Vppは、電極の健全性の主な尺度であり、電極の容量に反比例する。電極が定常状態の動作を達成すると、周期的Vppは、ほぼ一定になると予想される。寿命中に電極に変化が生じた場合、周期的Vppを介して検出されることが可能であり、刺激は、電極容量内での動作を保証するように調整されることが可能であり、または刺激電極は、必要に応じて変更され得る。
AC刺激モードにおいて、DCから保護するために、電極接点と電流出力との間に阻止コンデンサCBA、CBBが配置されることが可能である。DC神経調節モード、例えば刺激モードにおいて、コンデンサCBA、CBBは、スイッチULFSWを用いて無効化されることが可能である。コンデンサとスイッチとを用いて、様々な故障モードが実現され得る。例えば、コンデンサCBA、CBBが故障した場合、DCを不関電極IEに流すことができ、(例えば、電流センサIieなどによって)DC電流が検出されることが可能であるような故障モードが存在することが可能である。コンデンサが故障した場合、他のコンデンサが他の電極を通してDCから身体を保護することができるような故障モードが存在することが可能である。スイッチが故障した場合、検出されることが可能な不関電極にDCが流れることができるような故障モードが存在することが可能である。ACモードにおける電流出力が故障した場合、コンデンサが身体をDCから保護することができるような故障モードが存在することが可能である。DCモードにおける電流出力が故障した場合、不関電極において検出されることが可能であるような故障モードが存在することが可能である。
刺激エンジンは、メインMCUとウォッチドッグまたは安全MCUという2つのプロセッサを含み得る。DCモードにおいて、メインMCUは、電流発生器とIE電圧出力(仮想グランド)とを使用して電荷管理アルゴリズム(CMA)を実装する。ウォッチドッグまたは安全MCUは、メインMCUを監視し、不一致の場合にシステムをシャットダウンすることができる独立した電荷管理アルゴリズムを有することができる。メインMCUおよび安全MCUは、独立したADCモニタを用いて互いに監視することができ、電極の劣化および故障、および電子的故障から保護するために電極電圧を監視することができ、デバイスの故障から適切なDCレベルにおいて保護するためにIE電流を監視することができ、ならびに／またはデバイスの故障から保護するために電圧波形形態を監視することができる。メインMCUおよび安全MCUは、適切な動作について互いにクロスチェックすることができる。メインMCUおよび安全MCUは、両方ともASICをリセット／無効化することができる。様々な故障モードが存在することが可能である。例えば、メインMCUにおいて電荷管理アルゴリズムが失敗した場合、メインMCUは、電極電圧の問題を観察し得、メインMCUは、IE電流が範囲外になったかどうかを判定し得、安全MCUは、電極電圧の問題を監視し得、および／または安全MCUは、IE電流が範囲外になったかどうかを判定し得る。メインMCUが誤作動した場合、安全MCUは、そのような状況を観察し、刺激停止を要求し、次いで、メインMCUおよびASICをリセットすることができ、ならびに／またはスーパーバイザチップは、状態を監視し、メインMCUおよび安全MCUとASICの両方を強制的にリセットすることができる。安全MCUが誤作動した場合、メインMCUは、状態を監視し、刺激停止を要求し、次いで、安全MCUおよびASICをリセットすることができ、ならびに／またはスーパーバイザチップは、状態を監視し、メインMCUおよび安全MCUとASICの両方を強制的にリセットすることができる。
それに加えて、メインMCUは、(例えば、電流源SRCAを制御するTRIMA DACおよびSRCA DACと、電流源SRCBを制御するSRCB DAC& TRIMB DACとを使用して)電流発生器と、(例えば、VIE DACと増幅器DRVとを使用して)IE電圧出力(仮想グランド)を制御することができる。安全MCUは、メインMCUを監視することができ、不一致の場合にシステムをシャットダウンすることができる独立した電荷管理アルゴリズムを有することができる。メインMCUおよび安全MCUは、互いに監視し、各々が独立したADCモニタ、すなわち、デバイスの故障および不適切なDCレベルから保護するためのIE電流を含むことができる。メインMCUおよび安全MCUは、適切な動作について互いにクロスチェックすることができる。メインMCUおよび安全MCUは、両方ともASICをリセット／無効化することができる。コンデンサ(例えば、CBA、CBBまたはコンデンサバイパススイッチ(例えば、ULFSW)の故障がIE電流の流れを引き起こす可能性があることを含むことができる、いくつかの故障モードが存在することができる。
刺激エンジン(例えば、図12の刺激エンジン、または本明細書に記載の他の刺激エンジン)は、特定用途向け集積回路(ASIC)として実装され得る。したがって、刺激エンジンは、3つ以上のバイパス可能な阻止コンデンサ、例えば、電極ごとに1つの阻止コンデンサ、例えば、16個の電極が用いられる場合には16個のコンデンサを含むこともできる。電流出力ASICは、発振器によってクロックされ、メインMCUからのコマンドを受信および実行することができ、ならびに／またはアナログ差動電極電圧が内部増幅器によって、次いで外部増幅器によってバッファリングされる。様々な故障モードが存在する可能性がある。電流出力ASIC電流源、発振器、および／または増幅器が故障した場合、メインMCUおよび安全MCUは、IE電流におけるエラーを検出することができ、ならびに／またはメインMCUおよび安全MCUは、周期的Vpp、波形形態、および／もしくは電極電圧を含む電極電圧におけるエラーを検出することができる。
一実施形態において、図14のIE増幅器DRVは、ときには仮想グランドと呼ばれる不関電極IEを駆動するために、MCUからのVIE DACコマンドから生成された電圧をバッファリングすることができる。DCモードにおいて、IEは、電極を保護するバイアス電流を吸収することができる。ACモードにおいて、IE電流は、典型的には利用されない。電流センサIieは、様々な故障モードをテストするために、IEへの電流を測定することができる。例えば、IE増幅器DRVが故障した場合、電流出力は、IEからの追加の電流を受け入れない場合があり、電極電圧をエラーにし、MCUによって認識される場合がある。DCモードにおいて、電流センサIieが範囲外で故障した場合、MCUは、刺激をシャットダウンすることができる。ACモードの間、電流センサIieは、AC電流センサIieが低レベルで故障し、コンデンサスイッチ、例えばULFSWが故障した場合の二重故障のケースを回避するために、定期的にテストされることが可能である。
本明細書で開示する刺激エンジンシステムは、様々な態様において他のシステムとは異なる可能性がある。一態様において、本明細書で開示するシステムは、超低周波(ULF)刺激波形と、一定の電流オフセットの形態であり得る低電流オフセット(「電流オフセット」)とを使用することができる。ULF波形電流振幅は、有効性を達成するために個々の患者に対して調整されることが可能である。低電流オフセットは、作用電極の動作電圧が増加した(例えば最大の)長期電荷移動電位において動作するように、作用電極の動作電圧をバイアスするために使用されることが可能である。
ULF波形は、刺激サイクルにわたって(電流オフセットを差し引いて)電荷平衡化されることが可能であり、好ましくは、患者の有害な知覚、ならびに望ましくない知覚されない神経調節を回避するために、サイクルの終わりに停止される。同様に、場合によっては、ULF波形は、そのような患者の有害な知覚および望ましくない知覚されない神経調節を最小化するために、波形セグメント間ですべて滑らかな遷移(例えば、矩形波ではなく丸められたエッジ)を有する。双極モードにおいて、電荷平衡化されたULF波形を各々所定の割合、例えば、目標電流オフセットレベルの1/2だけシフトさせることによって、電流オフセットがシステムに導入されることが可能であり、波形の非平衡部分である電流オフセットは、不関電極(IE)を介して除去されることが可能である。
(刺激エンジンによって、刺激エンジンのDC動作モード中に生成された)生体外でDC導線を刺激するDC(例えば、ULF)波形の非限定的な例示的な測定を図15に示す。双極電流は、SRCAから電流をソースし、電流をSRCBにシンクし、次いで極性を切り替えるために代わりにSRCBからソースし、SRCAを介してシンクすることによって生成される。特定の速度で極性を切り替えることは、本明細書に記載の任意の刺激振幅の大きさの刺激振幅を有する、本明細書に記載の周波数または周波数範囲のいずれかの発生を可能にする。一実施形態において、各電極のバイアスは、本明細書に記載の任意のバイアス値であり、mA、μA、またはnAの範囲であり得る。バイアスは、電流発生器間のソース電流およびシンク電流を意図的に一致させないことによって生成され、周波数なしで特定の極性に設定され得る。バイアス電流が一定で負である場合、超低周波波形の正の値の大きさをシフトさせ得る。バイアス電流が一定で正である場合、超低周波波形の負の値の大きさをシフトさせ得る。この技法を使用して、複雑な非DCバイアスが導入されることも可能である。
(例えば、刺激エンジンによって、刺激エンジンのAC動作モード中に生成された)AC波形の非限定的な例を図16に示す。明瞭にするために、双極対SRCA、SRCBのIwe2電圧およびVwe2-Vie電圧のみを示す。波形の振幅は、本明細書に記載の任意の振幅であり、100μA、500μA、1000μA、2000μA、3000μA、4000μA、5000μA、6000μA、7000μA、8000μA、9000μA、または10000μA、または任意の他の振幅とすることができ、回復パルスは、振幅の1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7、1/8、1/9、1/10、または任意の他の割合などの振幅の割合である。回復パルスは、アクティブパルスよりも1×、2×、3×、4×、5×、6×、7×、8×、9×、10×、または他の倍数長い。刺激エンジンは、アクティブ化と回復パルスとの間でゼロ電流を駆動することができる。回復パルスが完了した後、電流源は、パルス周期に対応する期間に達するまでの時間、パルスの残りの部分に対してほぼゼロの電流を維持する。
刺激エンジンは、いくつかの軽減機構を含むことができ、図7および図17に示す表において要約してように、ファームウェアベースのファームウェアベース電荷管理アルゴリズム(CMA)と、ハードウェア軽減機構とに分類されることが可能である。軽減機構の多くは、バイアス電流と共にULF電流を送達するシステムに関して説明されているが、同じ軽減機構は、バイアス電流なしでULF電流を送達するシステムにも同様に使用され得る。
CMA構成要素は、独立した複数のMCU、例えばメインMCUおよび安全MCU上に独立して実装されることが可能である。2つの独立したプロセッサ上で実行される2つの独立したアルゴリズムを実行する2つの独立したファームウェアイメージは、有限の時間窓内で失敗する非常に低い確率を有することができる。
図17における表は、いくつかの軽減機構または故障検出イベントをリストしている。表における各行は、軽減機構に対応する。表における列は、軽減機構ID、軽減機構の説明、および軽減機構に関連するコメントに対応する。本明細書で開示する軽減要素のうちの任意の数(例えば、すべてまたはサブセット)は、所望の臨床結果に応じて、神経調節エンジン内に含められることが可能であり、および／または除外されることが可能である。さらに、軽減機構のうちのいずれか1つは、コントローラまたはプロセッサによって検出されると、限定はしないが、刺激エンジンの動作を防止すること、Vstim信号を除去すること、バッテリを切断することなどを含むシステム応答を引き起こすことができる。それに加えて、軽減機構または故障状態は、刺激エンジンのハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアによって検出され得る。
刺激エンジンは、適切な機能と、システム性能の冗長性チェックとを保証するために、様々な安全機構を用い得る。例えば、CMS機構は、独立して動作し、他のプロセッサの電荷管理アルゴリズム(CMA)の動作を含む互いの性能を監視する2つ以上のプロセッサ(例えば、メインMCU(M-MCU)、安全MCU(ときにはウォッチドッグMCUまたはW-MCUと呼ばれる)を提供することに関する。2つのプロセッサは、プロセッサのうちの1つのありそうもない故障時に動作し続け得る。
IIE機構は、DCモードにおいて動作するときに電流エラーを検出するために電流監視を提供することを指す。IIE電流エラーは、SRCA、SRCB、VIE故障、相互接続エラー、または電源またはグランドへの短絡のいずれかから結果として生じ得る。例えば、図12の刺激エンジンは、本明細書でより詳細に説明するように、電流センサIieを含み得る。
HBSC機構は、MCUハートビート信号を監視することと、順序検査とを指す。メインMCUまたは安全MCUのいずれかがハートビート信号を生成するのを失敗した場合、またはそのシーケンスがエラーを含む場合、一方または両方のMCUがリセットされる。ハートビート信号は、マイクロプロセッサ(メインMCUおよび安全MCU)が動作していることを示す。しかしながら、動作している場合であっても、依然としてそれらが非同期化される可能性がある。ハートビートカウントは、両方のプロセッサが、検出されないリセットなしに長時間実行されることを保証し、それらが同期されたままであることを保証するための追加の安全対策を提供する。そのような構成は、予期されない独立したMCUリセット状態(例えば、非同期など)を検出するために使用され得る。
VMINモニタは、VSTIM(刺激電圧)(例えば、選択された作用電極E01～E16において検出される)が所望のレベルにあるかどうかを示すことができる。VMIN信号は、VSTIMが所望のレベルを超えているか、もしくは所望のレベルを達成できなかったかどうか、または所望のレベルとのしきい値差の外にあるかどうかを示すことができる。
VSTIM機構は、Vstimまたは刺激電圧モニタを指す。Vstimは、図12に示すように、昇圧コンバータによって生成され得る。Vstimは、予測される最大電圧を超えないことを保証するために、能動的に調整および監視され得る。これは、開回路または劣化した電極から保護する。
VOSFモニタは、過電流故障が発生したかどうかを示すことができる。例えば、IVOS信号が指定された持続時間を超えてしきい値電流レベルを超えた場合、故障状態が検出され得、システム応答(本明細書に記載のものなど)が発生し得る。IVOS信号は、出力電力供給回路からの監視された電流信号に対応することができる。期待値を超える電流は、マルチプレクサの故障を示す可能性があるので、マルチプレクサへの電力供給回路の電流が監視される。
VOVP機構は、VSTIM過電圧保護機構を指す。このハードウェア機構は、回路の損傷を回避し、患者を望ましくない電圧レベルに曝露することを回避するために、システムをシャットダウンする。
VPP機構は、電極の健全性を監視することを指し、図8を参照して上記で説明した。電極の健全性および性能を監視するための他の機構も同様に提供され得る。例えば、各電極の直接アクセス抵抗(Ra)、静電容量(Cdl)、および分極抵抗(RpまたはRct)を決定することによる電極性能のリアルタイム監視は、電極が予測された通りに動作しているかどうかを示すことができる。例えば、電極構造、めっき、および／または対象内の位置の変化は、そのような電極パラメータのうちの1つまたは複数の変化につながる可能性がある。リアルタイム監視は、システム動作が一時停止され得るか、または電極が故障している可能性があると識別され得るように、望ましくない変化が発生したときに指標を提供する。次いで、欠陥のある電極は、刺激出力のためにそのような電極を選択することを回避するために、マルチプレクサを制御することによって、刺激エンジンの出力経路から除去され得る。
回路パラメータのリアルタイム測定および計算の例を図18～図21に示す。
いくつかの構成において、直列アクセス抵抗Raおよび二重層静電容量Cdlは、テスト矩形二相電流パルスと、作用電極と不関電極との間で測定された電位[Vwe-it(t)]とを使用して測定されることが可能である。矩形電流波形の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは、電極静電容量から容量性界面の高域通過特性への寄与を無視して、溶液抵抗(Ra)にわたる抵抗降下の結果として測定される電位における電圧ステップVstepに対応する。したがって、既知の大きさIの電流ステップによって生成される電圧ステップは、二相パルスの開始時および終了時にRa=Vstep/IからRaを与え、極性反転中にRa=abs(Vstep/(2*I))からRaを与える。静電容量は、電極界面にわたる蓄積された電荷と電圧との間のほぼ線形の関係により、定電流Iの立ち上がりエッジから立ち下がりエッジまでの時間tplateauの電圧増加Vplateauから決定されることが可能である。電圧測定は、Cdl=I*tplateau/Vplateauから、またはプラトーのなんらかの部分に対してCdlを与える。いくつかの構成において、この二相波形は、単一の二相パルス、または一連の二相パルスで構成されることが可能である。いくつかの構成において、この二相波形は、RaおよびCdlの初期値および最終値を確立するために、治療用波形の送達の前または送達の停止時に適用されることが可能である。いくつかの構成において、この二相波形は、治療用波形の送達における一時停止中に周期的に適用されることが可能である。いくつかの構成において、この二相波形は、電極パラメータのリアルタイム評価を可能にするために、非常に低い電流Iおよび短い期間と、それに続く小さいtplateauとを使用して、治療を一時停止することなく、治療用波形の期間間に適用されることが可能である(図18)。
いくつかの構成において、直列アクセス抵抗Raおよび周期的ピークツーピーク電圧Vppは、作用電極と不関電極との間で測定された電位[Vwe-ie(t)]および瞬時刺激電流[I(t)]からサンプリングされた点のセットを使用して近似される。次いで、サンプリングされた点は、RaとVppとを計算するためにアルゴリズムを使用して分析される。同様の分析は、作用電極と参照電極との間[Vwe-re(t)]で行われる。そのような構成の一例を図19に示す。
一構成にいて、アルゴリズムは、以下のステップを含む。
1. 時点T2が電流ゼロクロス点において設定される。
2. 時点のセットが、時点T1およびT3によって境界付けられ、ここで、T1=T2-δTおよびT3=T3+δTであり、ここで、δT>0である。
3. Vwe-ie(t)が、T1およびT3によって境界付けられたすべての時点においてサンプリングされる。
4. I(t)が、出力へのデバイスコマンドからT1およびT3によって境界付けられたすべての時点においてサンプリングされるか、または出力電流モニタからサンプリングされる。
5. アクセス抵抗Restの値のセットが、Rmax≧Rn≧RminのエントリRnから構成され、ここで、Rminは、予測される最小のRaの近似であり、Rmaxは、予想される最大のRaの近似である。
6. 電圧V(t)のセットが、Rest内の各エントリについて以下のように計算される。
a. V(t)={|Vwe-ie(t)-I(t)*r|:r∈Rest, T1≦t≦T3}
7. Rest内の各エントリについて電圧の各セットの極大値を見つける。
8. Raを、最小極大値を生成するRestの要素に等しく設定する。
9. Vppが、以下の式によって計算されることが可能であり、ここで、T4は、前のゼロクロス点である。
a. Vpp==|Vwe-ie(T2)-I(T2)*Ra|-|Vwe-ie(T4)-I(T4)*Ra|
一構成において、アルゴリズムは、以下のステップを含む。
1. 2つの時点T5およびT2が、それぞれ、最も前の電流ゼロクロスおよび直前のゼロクロスとして設定される。追加の時点が、サンプリング周期Tsの関数としてこれらの初期時点の各々の前後に設定される。合計で、セット内に6つの時点が存在することになり、T={T1,T2,T3,T4,T5,T6}となり、ここで、T1=T2-Ts、T3=T2+Ts、T4=T5-Ts、およびT6=T5+Tsである。
2. Vwe-ie(t)が、セット内の各時点においてサンプリングされ、電圧のセットV={V1,V2,V3,V4,V5,V6}を生成し、ここで、Vn=Vwe-ie(Tn)である。
3. I(t)が、出力へのデバイスコマンドからセット内の各時点においてサンプリングされるか、または出力電流モニタからサンプリングされ、電流のセットI={I1,I2,I3,I4,I5,I6}を生成し、ここで、In=I(Tn)である。
4. アクセス抵抗Restの値のセットが、Raの最後の既知の値Ra0と、デルタ値δRaとを使用して計算される。値Ra0は、推定値、刺激前の測定値、または最後の動的測定値、すなわち、このアルゴリズムの前回の結果に由来し得る。合計で、セット内に3つの抵抗値が存在することになり、Rest={Ra1,Ra2,Ra3}となり、ここで、Ra1=Ra0-δRa、およびRa3=Ra0+δRaである。
5. 各抵抗値についてT3およびT1 (またはT6およびT4)によって境界付けられたサンプリングされた電圧における相対的な傾きのセットを、以下のように計算する。
a. S={|(V3-I3*r)-(V1-I1*r)|:r∈Rest}
6. Ra(前のアルゴリズムではRa0=Raに設定する)を、min{S}を生成するrの要素に等しく設定する。次いで、このアクセス抵抗は、Raのその後の計算および将来の決定において使用される。
7. 電流ゼロクロス点におけるピークツーピーク電圧を以下のように計算する。
a. Vpp=|V2-I2*Ra|+|V5-I5*Ra|
いくつかの構成において、低周波二相波形のためのアルゴリズムは、以下のステップを含む。
1. 8つの時点のセットが、二相波形にわたって以下のように定義される。
a. T0,6=電流ゼロクロス時間であり、ここで、T0は、前のサイクルからのものであり、T6は、現在のサイクルからのものである
b. T1,7=第1の位相電流プラトーの始まりであり、ここで、T1は、前のサイクルからのものであり、T7は、現在のサイクルからのものである
c. T2=第1の相電流プラトーの終わり
d. T3=電流ゼロクロス時間
e. T4=第2の相電流プラトーの始まり
f. T5=第2の相電流プラトーの終わり
2. Vwe-ie(t)が、セット内の各時点においてサンプリングされ、電圧のセットV={V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7}を生成し、ここで、Vn=Vwe-ie(Tn)である。
3. I(t)が、出力へのデバイスコマンドからセット内の各時点においてサンプリングされるか、または出力電流モニタからサンプリングされ、電流のセットI={I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7}を生成し、ここで、In=I(Tn)である。
4. 第1および第2の相に関するCdlが、それぞれ、Cdl=Q/(V3-V0)およびQ/(V6-V3)から決定され、ここで、Qは、出力へのデバイスコマンドから既知であり、または出力電流モニタおよび相時間から既知である。
5. 第1および第2の相に関するRaが、Ra=(V2-V4)/(I2-I4)および(V7-V5)/(I7-I5)から決定される。
6. 第1および第2の相に関するVcdl(他の場所ではVpp)が、それぞれ、Vcdl=V3-V0およびV6-V3から決定される。
前述のアルゴリズムは、半周期ごとに、RaおよびVppを評価することができ、それによって、作用電極の静電容量を間接的に評価することができる。いくつかの構成において、これらのパラメータを半周期ごとに評価することが望ましい。いくつかの構成において、これらのパラメータを、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、またはそれを超える期間など、より少ない頻度で評価することが望ましい場合がある。いくつかの構成において、患者、医師、デバイス担当者、もしくは他の関係者などの利害関係者による評価のために要求に応じて、またはデバイス電源オフの前、デバイス電源音の後、またある設定期間などの特定の時間において、これらのパラメータを評価することが望ましい場合がある。いくつかの構成において、これらのパラメータが総実行時間、総埋め込み時間、総期間数、または関心のある他の時間窓を含め、時間と共にどのように変化するかを観察することが望ましい場合がある。いくつかの構成において、このアルゴリズムは、デバイスプログラマまたは医師による検査時など、後処理において、例えばリアルタイムではなく適用されることが可能である。
いくつかの構成において、送達される波形を修正するために、これらの測定されたパラメータを使用することが望ましい。以下の例は、刺激エンジンによって送達される波形を変更するため、または刺激エンジンの適切な動作を保証するための安全機構もしくは軽減機構として、そのようなパラメータを使用することを示す。
例1a:電極が容量を超えて使用されないことを保証するために、コンデンサにわたるリアルタイムの電圧に基づいて電流を制御し、すなわち、Vcdlが限界を超えて増加しないように電流を制御する。
例1b:電極が最大容量において使用されることを保証するために、Cdlを最大化するためにバイアスを変化させる。
例1c:双極電流の最大の送達を保証するために、CDLと静電容量の最大の組合せを達成するために、接点容量を等しくするため、より高いレベルでは総バイアスを自動制御するために、対における各WEのCDLを使用し、2つの接点間でバイアスを分割する。
例2a:周囲の組織の健康状態の指標を取得するためにリアルタイムUA測定を使用し、このパラメータに基づいて電流を制限する。
例2b:別のオプションは、組織が回復すると仮定して、数時間または数日にわたって電流をデューティサイクル化することである。その速度は、周囲の組織の粒状影の密度(profusion rate)によるものであり得る。
例3:CDLを最大化または最小化し、次いで組織の健康状態指標としてRAを使用することによって、電極および周囲の組織への影響を最小限に抑えて効果的な刺激を送達するために、電荷および振幅およびバイアスを最適化するために、波形形態(電流プロファイルおよび持続時間)を修正する。
刺激エンジンの各マルチプレクサ(例えば、VRE、SRCA MUX、SRCB MUXなど)は、同様に、適切な動作を保証するために監視され得る。例えば、VOS(図12)は、各マルチプレクサへの電流および各マルチプレクサからの電流をチェックするために監視され得る。範囲外の値(例えば、マルチプレクサの電源に流れる過剰な電流)は、マルチプレクサの1つまたは複数のチャネル(またはマルチプレクサ全体)の故障を示す可能性がある。
WEMX機構は、2つのマルチプレクサ(例えば、図12のSRCA MUX、SRCB MUX)がマルチプレクサの故障のリスクまたは低レベルの漏電を軽減するために使用されることを指す。選択された電極(および患者)に到達する前に、治療用電流波形を2つのマルチプレクサを通してルーティングすることによって、両方のマルチプレクサは、低レベルの漏洩を引き起こさないようにする必要がある。
CBSW機構は、刺激エンジン回路に対して自己テストを実行するためにコンデンサバイパススイッチULFSWAおよびULFSWBを利用することを指す。例えば、一実施形態において、コンデンサバイパススイッチULFSWAまたはULFSWBは、マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXがテストループを作成するために選択された作用電極を互いに短絡させている間、アクティブ化または非アクティブ化される。次いで、刺激エンジンは、コンデンサバイパススイッチおよびバイパスコンデンサ、ならびにループの他の回路が適切に動作しているかどうかを判定するために、テストループを介してDC信号を送信しようとする。
MCU機構は、上記で論じたように、冗長MCU(例えば、メインMCUおよび安全MCU)を設けることを指す。場合によっては、各MCUは、信頼性を改善するために個別の周辺機器を維持し得、場合によっては、周辺機器を共有し得、またはそれらの周辺機器からのデータを共有し得る。
IESW機構は、複数の直流スイッチを不関電極に設けることを指す。そのようなフォールトトレラント性は、ACモード動作中に患者が缶におけるVie信号に曝露されないことを保証する。
VSR機構は、Vref信号に複数の直列抵抗器を設けることを指す。そのようなフォールトトレラント性は、結果として入力から電流が流出するVref故障の極めて稀なイベントにおいて、直列抵抗器がそのような電流を制限することを保証する。
VRMX機構は、選択された電極E01～E16上の参照電圧Vreにアクセスしてこれを感知するために別個のマルチプレクサVREを設けることを指す。マルチプレクサは、Vref増幅器が使用されていないとき、作用電極(例えば、選択された電極E01～E16)からVref増幅器を切断するように構成される。
BCAP機構は、本明細書でさらに詳細に説明するように、AC刺激モード中にDC電流が提供されないことを保証するために、AC刺激モード中に缶が刺激経路に切り替えられ得ることを保証する二重阻止コンデンサCBA、CBB(各増幅器SRCA、SRCBについて1つ)を指す。
ESD機構は、望ましくない静電エネルギーをシンクするための1つまたは複数の静電放電(ESD)経路を含む刺激エンジンを指す。各ESD経路は、内部電圧レールへのダイオードと、内部グランドレールへの別のダイオードとを含み得る。ここで、レール間の電圧は、選択された電圧のクランプダイオードによって制限される。ダイオードのこの構成は、ステアリングダイオード構成と呼ばれ、出力回路の動作電圧が可変電圧範囲に結び付けられていると仮定される出力回路上の寄生ダイオードが保護されるように、可変電圧範囲内の双極動作と単極動作の両方に適合する必要がある。各ステアリングダイオードは、直列対に変換されることが可能であるので、一方のダイオードが故障した場合、他方のダイオードは、依然として動作可能である。さらなる回路最適化として、複数のチャネルが存在する場合、第2の直列は、構成要素の数を減らすために、1つのダイオードデバイスにグループ化され得る。
CALR機構は、較正負荷(例えば、図12のCAL)を設けることを指す。較正負荷は、電流発生器を構成するために、電流発生器SRCA、SRCB、TRIM-A、TRIM-BおよびVIE電流感知モニタと組み合わせて使用され得る。
WEAM機構は、刺激エンジンの2つの増幅器CSA、CSBの出力電圧を比較するWEAMモニタを指す。刺激エンジンは、双極状態において動作するので、コントローラは、対称的な値(例えば、一方の増幅器の電圧は、他方の増幅器の同じまたは反対の電圧に等しい必要がある)、または小さい既知のオフセットだけ異なる値を見ることを期待する。
さらに、ACALx機構は、刺激エンジンの出力経路に較正負荷CALを切り替え、(例えば、電流センサIieを用いて) 較正負荷を流れる電流を監視することによって電流出力が較正されることを指す。測定された電流とプログラムされたまたは所望の電流との間の差を決定することによって、刺激エンジンに対してオフセットまたは較正調整が行われ得る。例えば、DACへの入力は、そのような差を補償するために、オフセット値だけ増加または減少され得る。
コンデンサCBA、CBBバイパススイッチULFSWにおける冗長性のための二重スイッチは、追加のセキュリティ層を提供することができる。IEへの直列スイッチIESW1、IESW2は、刺激エンジンの不関電極(例えば、金属ハウジングまたは缶)へのAC伝送から保護するための追加の安全性の層を提供することもできる。予期せぬ増幅器の故障から保護するために、2つの高インピーダンス抵抗抵抗器VR1、VR2が設けられ得る。Vrefシステムにおける故障が検出された場合、電極マルチプレクサSRCA MUX、SRCB MUXを無効化するためにマルチプレクサVREが利用されることが可能である。電圧増幅器を較正するために、電流発生器と組み合わせて増幅器較正負荷が使用されることが可能である。例えば、電流をIEに導く増幅器は、所望の電流を正確に出力すべきである。刺激エンジンに電源が投入されると、刺激エンジンは、増幅器経路が適切に動作していることを確実にするために、電流を較正抵抗器、IE、および電流センサ(Iie)にルーティングするように較正抵抗器に切り替わることができる。そのような回路は、電荷回復のための放電経路として機能することもできる。ACモードにある場合、電荷回復の2つの形態が可能である。能動的な回復中、上記で論じたように、所望の振幅のパルスが出力され、次いで、より長い持続時間、端数パルスが送信される。例えば、1マイクロ秒の刺激パルスが送達され得、次いで、8マイクロ秒の回復パルスが印加され得る。同じ量の電流が、逆方向に送られる。受動的な回復中、刺激パルスが電極に送信され、次いで、コンデンサまたは抵抗器が回復のために回路に切り替えられる。
図22は、出力マルチプレクサU20の一実施形態を示す。マルチプレクサU20は、刺激パルスを受信する電極、刺激パルスのための戻り経路を形成する電極、および／または参照電極として機能する電極を選択するために、刺激エンジンによって使用され得る。マルチプレクサU20は、図12のVRE、SRCA MUX、SRCB MUX、IESW1、および／またはIESW2のうちの任意の1つまたは複数として用いられ得る。それに加えて、マルチプレクサU20は、マルチプレクサへのバックバイアスを防止するバックバイアスダイオードD5を含む。バックバイアスは、マルチプレクサに流れる望ましくないDC電流を結果として生じる可能性があり、したがって、バックバイアスダイオードD5は、マルチプレクサU20がバックバイアスされる可能性がある状態に入らないことを保証する。バックバイアスダイオードD5には、図12のVRE、SRCA MUX、SRCB MUX、IESW1、および／またはIESW2の構成要素のうちの任意の1つまたは複数が設けられ得る。
図23は、刺激エンジンのVref電圧、Vwe1電圧、Vwe2電圧、およびIE電圧を測定するために使用され得る様々な計装増幅器U1A、U1B、U33A、U33B、U3A、U3B、U5A、U5Bを示す。電圧は、図12のメインMCUおよび安全MCUのうちの1つまたは複数によって読み取られる。テスト点TP1～TP4は、バッファされたVre電圧、VweA電圧、VweB電圧、およびVie電圧に対応する。
図24は、様々な電流発生器、リバランススイッチ、トリムDAC、極性／ゼロ回路、および電流設定回路を示す。電流設定回路は、2つのDAC U7およびU8(図12のSRCA DACおよびSRCB DACに対応する)を有する。各DACは、異なる固定出力電圧レベルに設定される。極性／ゼロ回路のスイッチU21(図12のCFGに対応する)は、2つのDAC出力間で迅速に切り替えることができ、選択されたDAC出力を増幅器U13A、U13B(図12のSRCAおよびSRCBに対応する)に送信する。スイッチU21は、DACが変化する入力に応答してその出力を変化することができるよりもはるかに高速にDAC出力間で切り替えることができる。したがって、スイッチU21は、刺激エンジンが非常に速いACパルス(例えば、100Hz、250マイクロ秒パルス幅など)を提供することを可能にする。2つのトリムDAC U19、U6(図12のTRIMB DACおよびTRIMA DACに対応する)は、様々な方法において増幅器をトリムすることができる。例えば、各トリムDAC U19、U6は、ULF/DCモードにある場合、各電流源に所望のバイアス電流を設定するために使用されることが可能である。それに加えて、各トリムDAC U19、U6は、電流を生成するために使用されるオペアンプ(例えば、U13A、U13B)内に存在する任意のオフセット電圧を補償することもできる。さらに、リバランススイッチU15A、U15B(図12のRBSWAおよびRBSWBに対応する)は、IEを缶から切断し、ACモードにあるときにコンデンサから電荷を回収するための仮想グランドとしてIEを使用するために使用されることが可能である。ULF/DCモードにおいて、IEは、バイアス電流のために使用され得、仮想グランドとしても機能する。
図12の刺激エンジンは、不関電極と、刺激エンジンの不関電極上にアクティブ電圧を印加および制御するための器具とを含む。デジタルアナログコンバータVIE DACは、不関電極電圧(またはIEドライブもしくは仮想グランド)を生成するために制御される。VIE DAC出力は、バッファまたは電圧フォロワDRVを通過する。刺激エンジンは、電流モニタIieを用いて不関電極への電流を感知することができる。増幅器は、電圧を昇圧し得、次いで、その電圧は、範囲内であることを確認するために、メインMCU、安全MCUの一方または両方のプロセッサによって分析される。
図25は、図12の刺激エンジンによって用いられる故障検出を伴う調節可能な刺激電力供給回路の一実施形態を示す。図示の回路は、刺激エンジンのマルチプレクサを駆動するために使用される電流を感知するために使用され得る。昇圧電源は、組織刺激のための高電圧信号Vboostを生成する。Vboost信号は、Vstim信号を生成するためにダウンレギュレートされる。Vboostは、スイッチングレギュレータにおいて生成され、ノイズ入りである可能性がある。ノイズは、Vstimを生成する二次レギュレータを追加することによって低減される。DAC U2は、電力を最適化するためにVstim信号を制御するために使用される。故障検出器(VSTIM過電圧ハード故障)は、Vstim信号が所望のレベルを超えているかどうかを判定することができる。そうである場合、故障検出器は、Vstim信号をオフにする。マルチプレクサは、VOS+信号とVOS-信号とを供給され、電流は、抵抗器R56、R57において感知され、電流感知増幅器U16において増幅される。比較器U32は、Vstim信号が高すぎるか、または所望のレベルにないかどうかを判定することができる。そうである場合、故障は、マイクロプロセッサのメインMCU、安全MCUに送信される。マイクロプロセッサは、故障検出回路をテストするために故障を作成するためにも使用されることが可能である。例えば、マイクロプロセッサは、故障検出回路が正しく動作していることを確認するために、レギュレータ出力を非常に高く設定することができる。
前述の説明および例は、様々な実施形態による本開示を説明するために記載されており、過度に限定することを意図していない。本明細書で提供される見出しは、整理のみを目的とするためのものであり、実施形態を限定するために使用されるべきではない。本開示の開示された態様および例の各々は、個別に、または本開示の他の態様、例、および変形例と組み合わせて考慮され得る。それに加えて、別段に指定されない限り、本開示の方法のステップのいずれかも、任意の特定の実行順序に限定されない。本明細書で引用した参考文献は、参照によりその全体において組み込まれる。
本明細書に記載の方法およびデバイスは、様々な修正および代替形態に影響を受ける場合があるが、その具体例が、図面に示されており、本明細書で詳細に説明されている。しかしながら、開示される実施形態は、本明細書および添付の特許請求の範囲で記載される様々な実施形態の要旨および範囲内に入る修正、等価物、および代替物をカバーすべきであることが理解されるべきである。
実施形態に応じて、本明細書に記載のアルゴリズム、方法、またはプロセスのいずれかの1つまたは複数の行為、イベント、または機能は、異なる順序において実行されることが可能であり、追加、併合、または完全に除外されることが可能である(例えば、記載されているすべての行為またはイベントがアルゴリズムの実施に必要であるとは限らない)。いくつかの例において、行為またはイベントは、順次にではなく、例えば、マルチスレッド処理、割り込み処理、もしくは複数のプロセッサもしくはプロセッサコアを介して、または他の並列アーキテクチャ上で同時に実行されることが可能である。
「次いで」、「次に」、「後に」、「その後」などの連続的または時間順の文言の使用は、別段に特に述べられていない限り、または使用される文脈内で別段に理解されない限り、一般に、テキストの流れを容易にすることを意図しており、実行される動作の順序を限定することを意図していない。
本明細書で開示する実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、プロセス、方法、およびアルゴリズムは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装されることが可能である。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、動作、およびステップについて、それらの機能性の観点から一般的に上記で説明した。そのような機能性がハードウェアとして実装されるか、またはソフトウェアとして実装されるかは、特定の用途およびシステム全体に課せられる設計制約に依存する。説明した機能性は、特定の用途ごとに様々な方法において実装されることが可能であるが、そのような実装の決定は、本開示の範囲からの逸脱を引き起こすものとして解釈されるべきではない。
本明細書で開示する実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロックおよびモジュールは、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア構成要素、または本明細書で説明した機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せなどの、マシンによって実装または実行されることが可能である。プロセッサは、マイクロプロセッサであることが可能であるが、代替において、プロセッサは、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態マシン、それらの組合せなどであることが可能である。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、例えば、DSPとマイクロコントローラの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと組み合わせた1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装されることが可能である。
本明細書で開示する実施形態に関連して説明した方法、プロセス、またはアルゴリズムのブロック、動作、またはステップは、直接ハードウェアにおいて、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールにおいて、またはその2つの組合せにおいて具体化されることが可能である。ソフトウェアモジュールは、RAMメモリ、フラッシュメモリ、ROMメモリ、EPROMメモリ、EEPROMメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、光ディスク(例えば、CD-ROMまたはDVD)、または当該技術分野において知られている任意の他の形態の揮発性もしくは不揮発性コンピュータ可読媒体内に存在することができる。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取ることができ、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合されることが可能である。代替において、記憶媒体は、プロセッサと一体化されることが可能である。プロセッサおよび記憶媒体は、ASIC内に存在することが可能である。ASICは、ユーザ端末内に存在することが可能である。代替において、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内の個別の構成要素として存在することもできる。
中でも、「可能性がある」、「場合がある」、「あり得る」、「例えば」などの、本明細書で使用する条件付き文言は、別段に特に述べられていない限り、または使用される文脈内で別段に理解されない限り、一般に、いくつかの例が特定の特徴、要素、および／または状態を含むが、他の例が特定の特徴、要素、および／または状態を含まないことを伝えることを意図している。したがって、そのような条件付き文言は、一般に、特徴、要素、ブロック、および状態が1つもしくは複数の例になんらかの方法で必要とされること、または1つもしくは複数の例が、これらの特徴、要素、および／もしくは状態が任意の特定の実施形態に含まれるもしくは任意の特定の実施形態において実行されるべきであるかどうかを、作成者の入力もしくはプロンプトの有無にかかわらず決定するためのロジックを必ず含むことを意味することを意図していない。
本明細書で開示する方法は、施術者によって起こされる特定のアクションを含み得るが、方法は、明示的にまたは暗示的に、それらのアクションの任意の第三者の指示を含むこともできる。例えば、「電極を配置する」などのアクションは、「電極の配置を指示する」ことを含む。
本明細書で開示する範囲は、あらゆる重複、サブ範囲、およびそれらの組合せも包含する。「まで」、「少なくとも」、「よりも大きい」、「よりも小さい」、「の間」などの文言は、記載された数字を含む。「約」または「ほぼ」などの用語によって先行される数字は、記載された数字を含み、状況に基づいて(例えば、状況下で合理的に可能な限り正確に、例えば、±5%、±10%、±15%など)解釈されるべきである。例えば、「約1時間」は、「1時間」を含む。「実質的に」などの用語によって先行される句は、記載された句を含み、状況に基づいて(例えば、状況下で合理的に可能な限り多く)解釈されるべきである。例えば、「実質的に垂直」は、「垂直」を含む。別段に特に述べられていない限り、すべての測定値は、温度および圧力を含む標準的な状態におけるものである。「少なくとも1つの」という句は、後続のリスト内の各項目からの各項目の一種類ではなく、後続のリストからの少なくとも1つの項目を必要とすることを意図している。例えば、「A、B、およびCのうちの少なくとも1つ」は、A、B、C、AおよびB、AおよびC、BおよびC、またはA、B、およびCを含むことができる。
CBA、CBB 阻止コンデンサ
D5 バックバイアスダイオード
DRV 電圧フォロワ
E01～E16 電極
Iie 電流センサ
IESW1、IESW2 直列IEスイッチ
RBSWA、RBSWB リバランススイッチ
SRCA、SRCB 電流発生器
SRCA MUX、SRCB MUX マルチプレクサ
TRIMA DAC、TRIMB DAC トリムDA
U1A、U1B、U33A、U33B、U3A、U3B、U5A、U5B 計装増幅器
U7、U8 DAC
U13A、U13B オペアンプ
U15A、U15B リバランススイッチ
U19、U6 トリムDAC
U20 マルチプレクサ
U21 スイッチ
ULFSWA、ULFSWB コンデンサバイパススイッチ
VIE DAC デジタルアナログコンバータ
VR1、VR2 高インピーダンス抵抗抵抗器

Claims (49)

  1. 複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスであって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、
    前記電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、前記電流発生器が、第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、
    前記交流電流、前記直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極とを備え、
    前記制御ユニットが、少なくとも1つの故障イベントを検出し、前記検出された少なくとも1つの故障イベントに応答して、前記双極電流発生器の動作を防止、変更、または停止するように構成された、神経調節デバイス。
  2. 前記故障イベントが、実際の刺激電流が所望の刺激電流とは異なることを含み、前記実際の刺激電流が、前記交流電流または前記直流電流である、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  3. 前記故障イベントが、電力供給回路から前記スイッチングユニットへの監視される電流信号が予測される電流量を超えることを含む、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  4. 前記故障イベントは、前記少なくとも1つの作用電極の抵抗または静電容量のうちの少なくとも1つが前記少なくとも1つの作用電極の予想される抵抗または予想される静電容量に等しくないというリアルタイム判定を含む、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  5. 前記故障イベントが、前記少なくとも1つの作用電極のピークツーピーク電圧が前記少なくとも1つの作用電極の予想される電圧を超えているというリアルタイム判定を含む、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  6. 前記故障イベントが、阻止コンデンサが適切に機能していないことを含む、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  7. 前記直流電流は、アノード電流とカソード電流とを含み、前記故障イベントは、前記アノード電流が、(1)前記カソード電流と等しく、かつ(2)前記カソード電流と符号が反対である、のではないことを含む、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  8. 前記直流電流が、アノード電流とカソード電流とを含み、前記故障イベントは、前記アノード電流が、(1)前記カソード電流と異なる量がしきい値量未満であり、かつ(2)前記カソード電流と符号が反対である、のではないことを含む、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  9. 前記故障イベントが、ここで説明される故障イベントのいずれかである、請求項1に記載の神経調節デバイス。
  10. 神経調節方法であって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極と
    を提供するステップと、
    第1の波形生成モード中に前記少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、
    第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するステップと、
    少なくとも1つの故障イベントを検出するステップと、
    少なくとも1つの故障イベントを検出したことに応答して、前記双極電流発生器の動作を防止、変更、または停止するステップと
    を含む、神経調節方法。
  11. 複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスであって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、
    前記電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、前記電流発生器が、第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、
    前記交流電流、前記直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と
    を備え、
    前記制御ユニットが、前記スイッチングユニットの電力供給回路に流れる電流を監視し、前記監視された電流がしきい値条件に違反した場合、前記双極電流発生器を非アクティブ化するように構成された、神経調節デバイス。
  12. しきい値条件に違反することが、前記監視された電流がしきい値レベルを超えることに対応する、請求項11に記載の神経調節デバイス。
  13. しきい値条件に違反することが、前記監視された電流がしきい値レベルを下回ることに対応する、請求項11に記載の神経調節デバイス。
  14. 前記スイッチングユニットが、マルチプレクサを備える、請求項11に記載の神経調節デバイス。
  15. 前記スイッチングユニットの少なくとも1つの出力と通信する逆バイアスダイオードをさらに備え、前記逆バイアスダイオードが、少なくとも1つの出力における前記スイッチングユニットの逆バイアスを防止するように構成された、請求項11に記載の神経調節デバイス。
  16. 神経調節方法であって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極と
    を提供するステップと、
    第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、
    第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するステップと、
    前記スイッチングユニットの電力供給回路に流れる電流を監視するステップと、
    前記監視された電流がしきい値条件に違反した場合、前記双極電流発生器を非アクティブ化するステップと
    を含む、神経調節方法。
  17. 複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスであって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、
    前記電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、前記電流発生器が、第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、
    前記交流電流、前記直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と、
    較正負荷と較正負荷スイッチとを備える双極電流発生器較正ユニットであって、前記制御ユニットが、前記双極電流発生器から前記較正負荷に電流を導くように前記較正負荷スイッチをアクティブ化し、前記較正負荷に導かれた前記電流を測定し、前記測定された電流に応答して前記双極電流発生器を較正するように構成された、双極電流発生器較正ユニットと
    を備える、神経調節デバイス。
  18. 前記較正負荷が、抵抗器を備える、請求項17に記載の神経調節デバイス。
  19. 前記較正負荷に導かれた前記電流を測定するように構成された電流センサをさらに備える、請求項17に記載の神経調節デバイス。
  20. 前記双極電流発生器を較正することが、双極電流発生器に伝達される制御信号の値を調整することを含む、請求項17に記載の神経調節デバイス。
  21. 神経調節方法であって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極と
    を提供するステップと、
    第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、
    第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するステップと、
    較正負荷と較正負荷スイッチとを備える双極電流発生器較正ユニットを提供するステップと、
    前記双極電流発生器から前記較正負荷に電流を導くように前記較正負荷スイッチをアクティブ化するステップと、
    前記較正負荷に導かれた前記電流を測定するステップと、
    前記測定された電流に応答して前記双極電流発生器を較正するステップと
    を含む、神経調節方法。
  22. 複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスであって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットであって、前記制御ユニットが、電力コントローラとトリミングコントローラとを備える、制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、
    前記電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、前記電流発生器が、第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、
    前記交流電流、前記直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と
    を備え、
    前記電力コントローラが、所望の電流出力レベルに対応する電力制御信号を前記双極電流発生器に提供するように構成され、前記トリミングコントローラが、前記双極電流発生器に調整信号を提供するように構成され、前記電流発生器が、前記電力制御信号と前記調整信号とに応答して、前記第1の波形生成モード中に前記交流電流を送達するか、または前記第2の波形生成モード中に前記直流電流を送達するようにさらに構成された、神経調節デバイス。
  23. 前記双極電流発生器が、第1および第2の端子を備える少なくとも1つの増幅器を備え、前記第1の端子が、前記電力コントローラと電気的に通信し、前記第2の端子が、前記トリミングコントローラと電気的に通信する、請求項22に記載の神経調節デバイス。
  24. 神経調節方法であって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットであって、前記制御ユニットが、電力コントローラとトリミングコントローラとを備える、制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極と
    を提供するステップと、
    第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、
    第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するステップと、
    前記双極電流発生器への所望の電流出力レベルに対応する電力制御信号を決定するステップと、
    前記双極電流発生器への調整信号を決定するステップと、
    前記電力制御信号と前記調整信号とに応答して、前記第1の波形生成モード中に前記交流電流を送達するか、または前記第2の波形生成モード中に前記直流電流を送達するステップと
    を含む、神経調節方法。
  25. 複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスであって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、
    前記電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、前記電流発生器が、第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、
    前記交流電流、前記直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と、
    外部源からのエネルギーからの前記神経調節デバイスへの電気的損傷を防止するように構成された保護機構と
    を備える、神経調節デバイス。
  26. 前記保護機構が、コンデンサを含まない、請求項25に記載の神経調節デバイス。
  27. 前記外部源が、電気焼灼デバイスまたは除細動器である、請求項25に記載の神経調節デバイス。
  28. 前記保護機構が、少なくとも1つの正温度係数(PTC)デバイスとツェナーダイオードとを備える、請求項25に記載の神経調節デバイス。
  29. 前記ツェナーダイオードが、少なくとも1つのPCTデバイスと電気的に直列である、請求項28に記載の神経調節デバイス。
  30. 神経調節方法であって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極と
    を提供するステップと、
    第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、
    第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するステップと、
    外部源からのエネルギーからの、前記電源、前記制御ユニット、前記双極電流発生器、または前記複数の電極のうちの1つまたは複数、のうちの1つまたは複数への電気的損傷を防止するステップと
    を含む、神経調節方法。
  31. 複数の波形生成モードにおいて動作するように構成された神経調節デバイスであって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成され、
    前記電流発生器が、第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するように構成され、前記電流発生器が、第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するようにさらに構成された、複数の電極と、
    前記交流電流、前記直流電流、またはその両方のための戻り経路を提供するように構成された不関電極と
    を備え、
    前記制御ユニットが、電極の少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定し、前記電極の前記少なくとも1つのパラメータにおけるしきい値量よりも大きい変化を検出したことに応答して前記電流発生器の動作を変更するように構成された、神経調節デバイス。
  32. 前記電極のパラメータが、直列アクセス抵抗(Ra)または二重層静電容量(Cdl)である、請求項31に記載の神経調節デバイス。
  33. 前記制御ユニットが、テスト矩形二相電流パルスと、作用電極と不関電極との間で測定された電位とを使用することによって、前記電極の前記少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定するように構成された、請求項32に記載の神経調節デバイス。
  34. 前記電極の前記パラメータが、直列アクセス抵抗(Ra)または周期的ピークツーピーク電圧(Vpp)である、請求項31に記載の神経調節デバイス。
  35. 前記制御ユニットが、作用電極と不関電極との間で測定された電位および瞬間的な刺激電流からサンプリングされた点のセットを使用することによって、前記電極の前記少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定するように構成された、請求項34に記載の神経調節デバイス。
  36. 前記制御ユニットが、ここで提供される方法または例のいずれかに従って、前記デバイスを制御するために、前記電極の前記少なくとも1つのパラメータを使用するように構成された、請求項31に記載の神経調節デバイス。
  37. 神経調節方法であって、
    電源と、
    前記電源と通信する制御ユニットと、
    前記制御ユニット、およびスイッチングユニットの入力と通信する双極電流発生器と、
    各々が前記スイッチングユニットの固有の出力と通信する複数の電極であって、前記スイッチングユニットが、前記制御ユニットからの制御信号に応答して、前記双極電流発生器と前記複数の電極のうちの選択された1つとの間で電気通信を提供するように構成された、複数の電極と
    を提供するステップと、
    第1の波形生成モード中に少なくとも1つの作用電極に交流電流を送達するステップと、
    第2の波形生成モード中に前記作用電極に直流電流を送達するステップと、
    電極の少なくとも1つのパラメータをリアルタイムで決定するステップと、
    前記電極の前記少なくとも1つのパラメータにおけるしきい値量よりも大きい変化を検出したことに応答して前記電流発生器の動作を変更するステップと
    を含む、神経調節方法。
  38. 前記直流電流が、超低周波電流を含む、請求項1から37のいずれか一項に記載の神経調節デバイス。
  39. 前記超低周波電流が、約5Hz未満である、請求項1から38のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  40. 前記超低周波電流が、約2Hz未満である、請求項1から39のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  41. 前記超低周波電流が、約1Hz未満である、請求項1から40のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  42. 前記交流電流が、高周波交流電流である、請求項1から41のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  43. 前記高周波交流電流が、少なくとも約1kHzである、請求項1から42のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  44. 前記交流電流が、約5Hzと約1kHzとの間である、請求項1から43のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  45. 前記電源が、バッテリを備える、請求項1から44のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  46. 前記制御ユニットが、独立したアルゴリズムを実行するように構成された第1の制御ユニットおよび第2の制御ユニットを備える、請求項1から45のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  47. 前記デバイスが前記第2の波形生成モードにあるときにオフセット電流を測定するように前記デバイスが構成された、請求項1から46のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  48. 前記デバイスが、前記少なくとも1つの作用電極の周期的Vppを測定するように構成された、請求項1から47のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
  49. 前記不関電極に動作可能に接続されるように構成された仮想グランドをさらに備え、前記仮想グランドが、電力散逸を最小化するために任意のレベルに設定されることが可能である、請求項1から48のいずれか一項に記載の神経調節デバイスまたは方法。
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