JP5432166B2 - 組織内で刺激エネルギーを操作するための閉ループ型フィードバック - Google Patents

組織内で刺激エネルギーを操作するための閉ループ型フィードバック Download PDF

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Description

本発明は、行動障害の治療、より特定的には、脳深部電気刺激(DBS)システム及びその方法に関する。

埋め込み型神経刺激システムは、広い範囲の疾病及び障害において治療効果が証明されてきた。脳の選択された部分を電気的に刺激することにより、例えば、神経変性疾病(例えば、アルツハイマー病、パーキンソン病、震顫、及び癲癇)などの神経障害、脳卒中などの脳虚血、及び辺縁系障害、並びに偏頭痛、肥満症及び失禁などの非神経性障害に対処するために、このシステムを使用することが知られている。典型的にはパーキンソン病、震顫、及び癲癇を治療するために使用され、選択される脳深部刺激(DBS)法においては、脳深部構造、例えば視床前部、腹外側視床(Thal)、淡瘡球の内部区分(GPi)、網目状黒質部(SNr)、腹側視床核(STN)、淡瘡球の外部区分(GPe)、及び新緑条体を電気的に刺激する。DBSを使用する疾病の治療は、米国特許第6,845,267号及び第6,950,707号に詳細に述べられている。典型的には脳卒中患者の機能回復のために使用され、上記した他の障害の治療にも効果を与える大脳皮質刺激法においては、硬膜下の大脳皮質組織が電気的に刺激される。

脳組織を電気的に刺激するために使用される典型的埋め込み型神経刺激システムは、患者の脳内の希望する刺激部位に埋め込まれる電極と、刺激部位から離れた位置(例えば、患者の胸領域)に埋め込まれ、1又はそれ以上の導線を介して電極と直接結合された、神経刺激付与器とを含む。神経刺激システムは、神経刺激付与器を遠隔的に指令して、選択された刺激パラメータに応じて電気刺激パルスを発生する手持ち式遠隔操作装置(RC)を更に含むことができる。RC自体、例えば臨床医プログラマー(CP)を使用して、患者に関わる技術者によってプログラムすることができ、この臨床医プログラマー(CP)は、典型的には、プログラム用ソフトウエアパッケージがインストールされた、ラップトップなどの汎用コンピューターとすることができる。

このように、RC及び/又はCPによりプログラムされた刺激パラメータに応じて、神経刺激付与器から電極に電気パルスが供給され、多くの組織を刺激又は活性化して、患者に望ましい効率的な治療を施すことができる。最良の刺激パラメータ設定値は、典型的には、治療効果(例えば、運動障害の治療)を与えるために、多くの組織が刺激されるように刺激エネルギーを供給し、刺激する必要のない組織の刺激は最小とするものである。典型的な刺激パラメータ設定値は、陽極又は陰極として作動する電極、並びに振幅、持続時間、及び刺激パルスのパルス率を含むものとすることができる。

神経刺激システムが患者内に埋め込まれた状態で設定手順が行われて、典型的には、刺激用導線及び/又は電極が、患者の効率的な位置に正しく埋め込まれるようにし、更に刺激パラメータの1又はそれ以上の効率的設定値を選択することにより患者への最適な治療及び/又は刺激源の最適な使用がなされるように、神経刺激付与器がプログラムされる。明らかなことではあるが、神経刺激付与器をプログラムする人は、経験によってのみ訓練され、神経刺激理論についての正式の訓練は欠ける場合がある。したがって、最適のプログラムを得ることは困難で、達成されない場合もあり、設定手順は極めて時間の無駄で、退屈なものとなる。

重要なこととして、電極の設置及び刺激パラメータの選択が最適でない場合には、高すぎる振幅、長すぎるパルス持続時間、又は早すぎる頻度に設定された刺激による過度のエネルギー消費、低すぎる振幅、短かすぎるパルス持続時間、又は遅すぎる頻度に設定された刺激による不十分な、又は最低水準の治療、或いは周囲の細胞集団への刺激によって起こる望まれない副作用をもたらすこととなる。更に、脳は動的であり(例えば、疾病の進行、運動再学習、又は他の変化などによる)、ある程度の期間有効であったプログラム(すなわち、刺激パラメータの設定値)は、その効果及び/又は増加する患者の期待を維持することができない。したがって、神経刺激システムが埋め込まれ、設定された後、システムにより提供された治療がもはや効果がないか、或いは治療上又は作動上最適なものではなくなった場合には、神経刺激付与器の刺激パラメータを調整するために、患者は再度医者に行かなければならない。これらの問題のすべてに対する現在の神経刺激設定技術の対処は不十分である。

患者の脳内の電気信号を感知し、患者の脳内の目標とする領域に電気刺激を供給するように調整することから成る閉ループ型方法を利用する神経刺激システムが開示されているが(例えば、米国特許第5,683,422号及び第6,016,449号参照)、医者は、適切な組織部位で刺激エネルギーが供給されるように、最適な又は効率的な治療を達成することができる位置を定めるために、刺激用導線の位置を物理的に調整しなければならない。更に、埋め込まれた神経刺激システムにより施された治療が、適さず、或いは効率的ではない場合は、患者は、刺激用導線の物理的位置を調整するために、更なる外科手術を受ける必要がある可能性がある。更に、患者が患っている機能障害又は他の理由のいずれかにより、最適な又は効率的な治療を維持するために刺激パラメータを調整するようにRCを作動させることが、患者には困難な場合もある。

米国特許第6,845,267号公報 米国特許第6,950,707号公報 米国特許第5,683,422号公報 米国特許第6,016,449号公報 米国特許出願公開番号2006−0129203 米国特許第6,895,280号公報 米国特許出願一連番号11/934,731 米国特許第6,516,227号公報 米国特許第6,993,384号公報 米国特許出願公開番号2007−0038250 米国特許公開番号2003/0139781 米国特許出願公開番号2005−0267546 米国特許第6,393,325号公報 米国特許第6,909,917号公報

Eric C.Leuthardt他著、「A Brain−Computer Interface Using Electrocorticograpic Signals In Humans」J.Neural Eng.1(2004)63−71

このように、疾病を患っている患者の治療を最適化するために、システムにより脳組織に供給される刺激エネルギーの位置を調整するための、より容易にプログラムすることができる神経刺激システムの必要性がある。

本発明の第一の態様によると、患者に医療を施す方法が提供される。該方法は、電極間に電気エネルギーを伝え、電極の近傍の組織に刺激領域を形成することを含む。組織は、例えば大脳皮質などの脳組織であり、脊髄組織などの他の組織の刺激も、最も広い態様において本発明に含まれる。一方法においては、患者が例えば、神経障害などの機能障害を患っている場合に、電気エネルギーが電極間に伝わり、機能障害の状態を変化させるようにすることができる。

該方法は、例えば、非認知ベースの脳信号、認知ベースの脳信号、又は生体終期機能を感知することにより患者からの生体情報を取得し、更に取得した生体情報を分析することを含む。電気エネルギーが電極間に伝えられて、機能障害の状態を変化させるた場合に、取得した生体情報は、変化した機能障害の状態の指標とすることができる。別の方法においては、取得した生体情報は、刺激領域の位置を変位させることについての患者の希望の指標となる。生体情報は、例えば、1又はそれ以上の電極で電気信号を感知することにより取得されるか、又は電極ではない装置からの電気信号又は他の生体パラメータを感知することにより取得することができる。

該方法は、取得した生体情報に基づいて、組織に対して刺激領域の位置を自動的に変位させることを更に含む。一方法においては、刺激領域の位置が、取得した生体情報における変化に対応して変位される。刺激の位置は、多くの方法の何れによっても変位させることができる。例えば、単一タイミングチャンネルに応じて電極間に電気エネルギーが伝えられて、刺激領域を形成する場合には、刺激領域の位置は、電極組み合わせを修正することにより、又は単一タイミングチャンネルのための少なくとも2つの電極間で電流を移動させることにより、自動的に変位させることができる。複数のタイミングチャンネルに応じて電極間に電気エネルギーが伝えられて、刺激領域を形成する場合には、刺激領域の位置は、タイミングチャンネルに応じて伝えられた電気エネルギーの相対的大きさを修正することにより、自動的に変位させることができる。

本発明の第二の態様によると、神経刺激システムが提供される。この神経刺激システムは、複数の電極と電気結合するように構成された複数の電気端子、該電気端子間に電気エネルギーを伝えるように構成され、これにより電極が組織の近傍に位置する時に患者の組織内に刺激領域を形成するようになる出力刺激回路、及び患者から生体情報を取得するように構成されたモニター回路を含む。

一実施形態においては、出力刺激回路は、電極端子間に電気エネルギーを伝えて、患者が患っている機能障害の状態を変化させるように構成され、取得した生体情報は、機能障害の変化の状態の指標となる。別の実施形態においては、取得した生体情報は、患者の希望の指標であり、刺激領域の位置を変化させる。モニター回路は、電極で電気信号を感知することにより生体情報を取得するように構成することができるが、該回路は、代替的には他の手段により生体情報を取得するように構成することができる。モニター回路は、例えば、非認知ベースの脳信号、認知ベースの脳信号、又は生体終期機能を感知することにより、生体情報を取得するように構成することができる。

神経刺激システムは、モニター回路から取得した生体情報を分析し、取得した生体情報の分析に基づいて、組織に対する刺激領域の位置を変位させるために出力刺激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は、制御回路は、取得した生体情報の変化に対応して刺激領域の位置を変位させるために、出力刺激回路を自動的に制御するように構成される。制御回路は、多くの方法の何れの方法ででも、刺激の位置を変位させるために出力刺激回路を制御するように構成することができる。

例えば、出力刺激回路が、単一タイミングチャンネルにしたがって、電極間の電気エネルギーを伝えて、刺激領域を形成するように構成される場合には、制御回路は、単一タイミングチャンネルに対して電極組み合わせを修正することにより、刺激領域の位置を変位させるために出力刺激回路を制御するように構成することができるか、又は制御回路は、単一タイミングチャンネルに対して少なくとも2つの電極間の電流を移動させることにより、刺激領域の位置を変位させるために出力刺激回路を制御するように構成することができる。出力刺激回路が、複数のタイミングチャンネルに応じて電極間に電気エネルギーを伝えて、刺激領域を形成するように構成される場合には、制御回路は、タイミングチャンネルに応じて伝えられた電気エネルギーの大きさに対して修正することにより、刺激領域の位置を変位させるために出力刺激回路を制御するように構成することができる。

一実施形態においては、神経刺激システムはケースを更に含み、電気端子及び出力刺激回路は、該ケースに収容されて神経刺激付与器を形成し、この神経刺激付与器は埋め込み可能とすることができる。モニター回路及び/又は制御回路もケースに収容することができるが、他の実施形態においては、モニター回路及び/又は制御回路は、神経刺激付与器とは別個のものとすることができる。

本発明の第三の態様によると、神経刺激付与器のための外部プログラマーが提供される。神経刺激付与器は、電極の列に結合されて、その間を電気エネルギーが伝えられ、患者の組織内に刺激領域を形成することができる。外部プログラマーは、患者から生体情報を受信するために構成された入力回路を含む。一実施形態においては、取得した生体情報は、患者が患っている機能障害の変化した状態の指標となる。別の実施形態においては、取得した生体情報は、刺激領域の位置を変位させるために患者の希望の指標となる。

外部プログラマーは、生体情報を分析して、該生体情報の分析に基づいた一連の刺激パラメータ設定値を自動的に発生するように構成された処理回路を更に含む。一実施形態においては、処理回路は、取得した生体情報の変化に対応して、刺激パラメータ設定値を発生するように構成される。刺激パラメータ設定値は、組織に対する異なる刺激領域の位置に対応する。一実施形態においては、刺激パラメータ設定値は、単一タイミングチャンネルに対して、異なる電極の組み合わせか、又は同じ電極で異なる大きさの電流を定める。別の実施形態においては、刺激パラメータ設定値は、複数の異なるタイミングチャンネルの1つに対して、異なる大きさの電気エネルギーを電極間に伝えるように定められる。外部プログラマーは、神経刺激付与器に一連の刺激パラメータ設定値を伝送するように構成された出力回路(例えば、遠隔測定回路)を更に含む。

本発明の第四の態様によると、患者に治療を施す方法が提供される。該方法は、1又はそれ以上の刺激パラメータ(例えば、少なくとも1つの電極組み合わせ、パルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率)に応じて、患者の組織(例えば、大脳皮質組織などの脳組織)に電気エネルギーを供給することを含む。一方法においては、患者が機能障害(例えば、神経障害)を患っている場合に、機能障害の状態を変化させるために、組織に電気エネルギーが供給される。該方法は、認知脳信号(例えば、刺激パラメータを変化させたいという患者の希望の指標となるもの)を感知することを更に含む。一方法においては、電気エネルギーが、1又はそれ以上の電極から組織に供給され、認知脳信号は1又はそれ以上の電極により感知される。該方法は、認知脳信号(例えば、μリズム、βリズム、γリズムの少なくとも1つ)を分析し、認知脳信号の分析に基づいて刺激パラメータを修正することを更に含む。一方法においては、電気エネルギーは組織内に刺激領域を形成し、刺激パラメータは、組織に対して刺激領域を電気的に変位させるように修正される。

本発明の第五の態様によると、神経刺激システムが提供される。この神経刺激システムは、複数の電極に電気結合されるように構成された複数の電気端子を含む。神経刺激システムは、1又はそれ以上の刺激パラメータ(例えば、少なくとも1つの電極組み合わせ、パルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率)に応じて、電気エネルギーを電極に伝えるように構成された出力刺激回路を更に含む。一実施形態においては、出力刺激回路は、電気エネルギーを電極に伝えて、患者が患っている機能障害の状態を変化させるように構成される。神経刺激システムは、認知脳信号(例えば、刺激パラメータを変化させるための患者の希望の指標となるもの)を感知するように構成されたモニター回路を含む。一実施形態においては、モニター回路は、電極を介して、認知脳信号を感知するように構成される。

神経刺激システムは、感知された認知脳信号(例えば、μリズム、βリズム、γリズムの少なくとも1つ)を分析し、感知された認知脳信号の分析に基づいて、刺激パラメータを修正するように構成された制御回路を含む。一実施形態においては、出力刺激回路は、電気エネルギーを電極に伝えて、組織内に刺激領域を形成するように構成され、制御回路は、刺激パラメータを修正して、組織に対する刺激領域を電気的に変位させるように構成される。別の実施形態においては、該システムはケースを含み、そのケースの中に、電気端子、及び出力刺激回路、モニター回路、及び/又は制御回路を収容することができ、神経刺激付与器(例えば、埋め込み型神経刺激付与器)を形成する。

本発明の第六の態様によると、神経刺激付与器の外部プログラマーが提供される。この外部プログラマーは、患者から認知脳信号を受信するように構成された入力回路と、認知脳信号を分析して、該認知脳信号(例えば、μリズム、βリズム、γリズムの少なくとも1つ)の分析に基づいた刺激パラメータ設定値(例えば、少なくとも1つの電極組み合わせ、パルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率)を自動的に発生するように構成された処理回路とを含む。一実施形態においては、認知脳信号は、患者の希望の指標である。外部プログラマーは、刺激パラメータ設定値を神経刺激付与器に伝送するように構成された出力回路(例えば、遠隔測定回路)を更に含む。

本発明の他の及び更なる態様及び特徴は、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるが、これは本発明についての説明を意図したものであり、限定するものではない。

図面は、本発明の好ましい実施形態の意図及び有用性を示すもので、類似した要素は、共通の参照番号により表される。本発明の上記及び他の利点及び目的がどのようにして得られたかを更に認識できるようにするために、簡単に上記した本発明について、添付図面に示す特定の実施形態を参照して一層具体的に説明する。これらの図面は、本発明の典型的実施形態のみを示したものであり、その範囲を限定するものとみなされるものではないという理解のもとで、添付図面を使用して、付加的特定事項及び詳細を示し、本発明を説明する。

本発明の一実施形態により構成された脳刺激システムの平面図である。 図1の脳刺激システムで使用される埋め込み型パルス発生器(IPG)の側面図である。 図1の脳刺激システムで使用される電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための1つの技術を示した平面図である。 図1の脳刺激システムで使用される電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための1つの技術を示した平面図である。 図1の脳刺激システムで使用される電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための1つの技術を示した平面図である。 図1の脳刺激システムで使用される電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための1つの技術を示した平面図である。 図1の脳刺激システムで使用される電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための1つの技術を示した平面図である。 電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための別の技術を示した平面図である。 電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための別の技術を示した平面図である。 電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための別の技術を示した平面図である。 電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための別の技術を示した平面図である。 電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための別の技術を示した平面図である。 図4A−4Eの技術を使用して、電極列内の刺激領域を電気的に変位させるために使用することができる電流操作用ナビゲーションテーブルである。 多タイミングチャンネルを使用して、電極列内の刺激領域を電気的に変位させるために使用することができるタイミングの図である。 多タイミングチャンネルを使用して、電極列内の刺激領域を電気的に変位させるために使用することができるタイミングの図である。 多タイミングチャンネルを使用して、電極列内の刺激領域を電気的に変位させるために使用することができるタイミングの図である。 図6A−6Cのタイミングチャンネルにより、電極列内の刺激領域を電気的に変位するための別の技術を示した図である。 図6A−6Cのタイミングチャンネルにより、電極列内の刺激領域を電気的に変位するための別の技術を示した図である。 図6A−6Cのタイミングチャンネルにより、電極列内の刺激領域を電気的に変位させるための別の技術を示した図である。 図2のIPGの内部部品のブロック図である。 図1の脳刺激システムにおいて使用することができる手持ち式リモートコントロール(RC)の平面図である。 図9のRCの内部部品のブロック図である。 患者に使用する図1の脳刺激システムの平面図である。

最初に述べると、以下に続く説明は、大脳皮質刺激システムに関するものである。しかしながら、本発明自体は、大脳皮質刺激における用途に好適なものであるが、最も広い態様においては、本発明はそれに限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ本発明は、組織を刺激するために使用されるあらゆる型の埋め込み型電気回路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、除細動器、蝸牛刺激付与器、網膜刺激付与器、調和した四肢運動を行うために形成される刺激付与器、脳深部刺激付与器、脊髄刺激、末梢神経刺激付与器、マイクロ刺激付与器、又は尿失禁、睡眠時無呼吸、不全脱臼、頭痛などに対処するように構成される、あらゆる他の神経刺激付与器の構成部分として使用することができる。

最初に図1を参照すると、例示的脳刺激システム10は、全体として電極列12、埋め込み型パルス発生器(IPG)14、外部遠隔制御器RC16、臨床医プログラマー(CP)18、外部トライアル刺激付与器(ETS)20、及び外部充電器22を含む。示した実施形態においては、脳刺激システム10は、脳の選択された部分を電気的に刺激することにより、神経変性疾病(例えば、アルツハイマー病、パーキンソン病、震顫、及び癲癇)などの神経障害、又は脳卒中などの脳虚血、及び辺縁系障害、又は偏頭痛、肥満症及び失禁などの非神経性障害などの、患者が患っている機能障害を治療するように設計されている。

電極列12は、患者の脳の皮質の少なくとも一部の表面を覆うような大きさである平面薄膜24及び二次元格子として該平面薄膜24上に配列された複数の電極26を含む。電極列12は、適当な数の電極26(例えば24、36、48、又は64の電極)を有し、かつ適当な電極間隔(例えば1cm又は1mm)を有することができる。電極26の実際の数及び間隔は、もちろん意図する用途に応じて変化するものである。電極列12は、電極26に電気結合された導線28を更に含む。代替的実施形態においては、この電極列12は、例えば、米国特許出願公開番号2006−0129203に示されている刺激用導線などの、患者の頭蓋骨の抜き孔を通して導入されるように設計され、二次元パターンに配列された刺激用導線の形態をとることができる。

IPG14は、電極列12に直接結合されるか、又は経皮引き出し用導線30を介して電極列12に間接的に結合することができる。以下に更に詳細に述べられているように、IPG14は、電極列12により感知された生体情報を受信し、この感知された生体情報に基づいて、刺激パラメータの設定値に応じて、パルス状電気波形(すなわち、電気パルスの一時的系列)の形態で電気刺激エネルギーを電極列12に供給する。IPG14は、電子機器及び他の部品(以下に更なる詳細を示している)を収容する外側ケース32、及びコネクタ34を含み、該コネクタ34には、経皮引き出し用導線30の末端部が嵌合して、外側ケース32内で電極26を電子機器に電気的に結合する。外側ケース32は、チタニウムなどの導電性で、生物学的適合性を有する材料から成り、気密状態で密封された室を形成して、内部電子機器を身体組織及び流体から保護する。幾つかの場合においては、外側ケース32は、電極として機能することができる。

ETS20は、電極列12に直接結合されるか、又は経皮引き出し用導線36及び外部ケーブル38を介して、電極列12に間接的に結合することができる。IPG14と類似したパルス発生回路を有するETS20は、刺激パラメータの設定値にしたがって、パルス状電気波形の形態で電気刺激エネルギーを電極列26に供給し、電極26から感知された生体情報を受信する。ETS20とIPG14との主な違いは、ETS20は、トライアルを基準に使用される非埋め込み型装置であり、電極列12が埋め込まれた後、IPG14の埋め込みの前に、付与される刺激の反応をテストする。例示的ETSの更なる詳細は、米国特許第6,895,280号に記載されている。

RC16は、二方向RF通信リンク40を介して、ETS20を遠隔測定により制御するように使用することができる。IPG14及び電極列12が埋め込まれると、RC16は、二方向RF通信リンク42を介して、IPG14を遠隔測定により制御するように使用することができる。このような制御は、IPGのスイッチをオン・オフし、更に異なる刺激パラメータ設定値でプログラムさせることができる。IPG14は、プログラムされた刺激パラメータを修正するように作動させて、該IPG14による電気刺激エネルギー出力の特性を能動的に制御することができる。RC16の詳細は、以下に詳細に述べられる。

CP18は、操作室及び後続のセッションにおいて、IPG14及びETS20をプログラムするために詳細な刺激パラメータを臨床医に提供する。CP18は、IR通信リンク44を介して、RC16を通じてIPG14又はETS20と間接的に通信することにより、この機能を実行することができる。代替的には、CP18は、RF通信リンク(図示されず)を介して、IPG14又はETS20と直接通信することができる。CP18の詳細は、以下に詳しく述べられる。

外部充電器22は、誘導リンク48を介して、IPG14を経皮により充電するために使用される運搬可能な装置である。IPG14がプログラムされ、その電源が外部充電器22から充電されるか、或いは補充されると、IPG14は、存在するRC16又はCP18なしでプログラムされるように機能することができる。簡潔にするために、外部充電器22の詳細は、ここには示されない。外部充電器の例示的実施形態の詳細は、米国特許第6,895,280号に記載されている。

簡単に述べたように、IPG14は、刺激パラメータ設定値に応じて、パルス状電気波形の形態で、電気刺激エネルギーを電極の間(電極26とIPGケース)に伝えるパルス発生回路を含み、これにより電気エネルギーを電極26に近傍の組織に供給する。その結果、患者が患っている機能障害の状態が変化し、望ましい形で改善するであろう。このような刺激パラメータは、作動時に陽極(正)、陰極(負)となり、オフ切換え(ゼロ)することができる電極を定める電極組み合わせを備えることができ、この電極組み合わせは、更に、電気パルスパラメータを定めるものとすることができ、この電気パルスパラメータは、パルス振幅(IPG14が、電極列26に一定の電流或いは一定の電圧のいずれを供給するかに応じて、ミリアンプ又はボルトで測定される)、パルス持続時間(マイクロ秒で測定される)、及びパルス率(毎秒当たりのパルスで測定される)を定めることができる。以下に更に詳細に説明されるように、単一タイミングチャンネル又は多タイミングチャンネルに応じて、電極の間に電気エネルギーを伝えることができる。

電気刺激は、2(又はそれ以上)の作動状態の電極の間で起こるものであり、それら電極の1つは、IPGケースとすることができる。刺激エネルギーは、単一極性又は多極性(例えば、ニ極性、三極性など)の形態で組織に伝送することができる。単一極性刺激は、列電極26の選択された1つが、IPG14のケースと共に作動される時に起こり、刺激エネルギーは、選択された電極26とケースとの間を伝送される。二極性刺激は、2つの列電極26が、陽極及び陰極として作動する時に起こり、刺激エネルギーは、選択された電極26の間を伝送される。三極性刺激は、3つの列電極26が作動し、そのうちの2つが陽極、残りの1つが陰極として、又は2つが陰極、残りの1つが陽極として作動する時に起きる。

簡潔に上記したように、感知された生体情報は、IPG14が電極26の間(ケース32を含む)に供給する電気エネルギーに応じて、刺激パラメータを修正するために使用される。好ましい実施形態においては、生体情報は電極26によって感知され、IPG14によって受信されるが、代替的実施形態においては、生体情報は、電極26以外の感知器によって感知することができ、IPG16以外の装置によって受信することができる。あらゆる事象においては、刺激パラメータは、組織内の電気エネルギーにより形成された刺激領域の位置を電気的に変位させる方法で、自動的に調整される。刺激領域は、患者の機能障害を最適に、又はより効率的に治療するような方法で変位されることが好ましい。

一実施形態においては、感知された生体情報は、組識への電気刺激エネルギーの供給から生じた、機能障害が変化した状態の指標であり、この場合刺激パラメータは、効果の関係を把握し、最適化アルゴリズム(例えば、誘導剤ベースの、遺伝的アルゴリズム、刺激されたアニール化など)を使用して自動的に調整することができ、該アルゴリズムは、効果の関係及び感知した生体情報を入力して作動する。

図示した実施形態においては、機能障害の変化の状態の指標である感知された生体情報は、電気脳信号、特定的には、機能障害に相関することができる脳の部分から得られる脳波(EEG)又は皮質脳波(ECoG)信号などの、非認知ベースの神経信号から得ることができる。この場合、脳の皮質の近傍の硬膜下に位置することができる電極列12は、脳の皮質領域の脳信号を感知することができる。代替的には、別の電極列は、患者の頭皮の上部に配置され、脳信号を測定することができるが、脳信号の解像度及び明瞭度は、脳信号が脳の近位で測定された場合に比べると、良好なものではない。大脳皮質電気作動の感知に関する詳細は、米国特許第6,016,449号に記載されている。

代替的実施形態においては、脳信号は、患者の脳深部領域、例えば、視床、大脳基底核、視床下部、又は電気作動が機能障害(例えば、運動機能障害又は気分的・心理的異常)に反映するあらゆる他の領域で感知される。この場合には、1又はそれ以上の脳深部刺激用導線が脳内に埋め込まれ、脳深部の電気作動を感知することができる。別の代替的実施形態においては、電気脳信号以外の化学物質が感知される。例えば、腹側視床核または黒質などの脳深部領域に存在するグルタミン酸塩の量を感知するために、電気化学物質感知器(図示されず)を使用することができる。グルタミン酸塩の量は、グルタミン酸塩が存在する脳領域の相対活動の指標となる。脳深部電気作動及び他の脳深部情報の感知に関する詳細は、米国特許第5,683,422号に記載されている。

別の代替的実施形態においては、脳以外の供給元から生体情報を感知するために、別の患者モニターを使用することができる。例えば、筋肉痙攣(震顫)又は筋肉限界(運動緩徐又は硬直)などの生体終期機能情報は、定量運動アセスメントシステムを使用して測定することができる。神経筋トルク及びパワーなどの生体情報は、等速動力計を使用して測定することができる。バランスなどの生体情報は、バランステスト装置を使用して測定することができる。姿勢、バランス、運動制御、及び歩調などの生体情報は、運動追跡システムを使用して測定することができる。関節屈伸などの生体情報は、ゴニオメーターを使用して測定することができる。上記した生体情報は、パーキンソン病、癲癇、及び震顫により引き起こされる運動機能障害の指標として典型的な情報であるが、他の機能障害の状態を示す生体情報も測定することができる。生体終期機能情報の取得に関する更なる詳細は、米国特許出願一連番号11/934,731に示されている。

別の実施形態においては、生体情報が、機能障害の変化の状態の指標である以外に、或いはこれに加えて、刺激領域の位置を変位させようとする患者の意図の指標となることができ、この場合には、適当な訓練方法(例えば、神経ネットワークを使用して)を使用して、感知した生体情報の特性と患者の意図を関連させることにより、刺激パラメータは自動的に調整することができる。示した実施形態においては、患者の意図の指標である感知された生体情報は、電気脳信号、特定的には、脳領域から得られるEEG又はECoG信号などの認知ベースの神経信号から得られ、該神経信号は、前頭葉前部、運動前野、感覚及び運動、及び言語処理皮質領域、又はある種の行動の形象を制御する皮質領域などの、患者の意図に関連することができる脳領域から得られる。これらの脳信号は、脳の皮質の近傍に位置する硬膜下で電極列12により感知されるか、又は脳信号を測定するために患者の頭皮の上部に位置する別の電極列により感知して、脳・コンピューター間インターフェース(BCI)を形成することができる。

候補となる処理パラダイムは、例えば、μリズム、βリズム、及びγリズムなどの、感知した脳信号のスペクトルの成分における振幅の変化を認識することを含むことができ、γリズムは、ジョイスティックの動きの形象に大きく相関する。選択したリズムの特性を上、下、左、又は右などの特定の想像した動きに相関させるために、ある程度の訓練期間の間実施することができる。このように、患者の脳信号を分析して、患者がある種の動きを想像するだけで患者の意図を判断することができる。この実施形態は、重篤な運動障害を持つ患者、又は患者に提供された刺激エネルギーの刺激パラメータを調整することが不可能な患者が、想像するだけで刺激エネルギーにより形成された刺激領域の位置を電気的に変位することを可能とさせることを認識することができる。BCIの使用に関する更なる詳細は、J.Neural Eng.1(2004)63−71のEric C.Leuthardt他の「A Brain−Computer Interface Using Electrocorticograpic Signals in Humans」に示されている。

刺激領域の位置は、種々異なる方法の如何なる1つの方法でも電気的に変位することができる。

1つの方法においては、電極列12内のある位置から別の位置に、刺激領域の位置を変化させるために、異なる電極の組み合わせを別個に選択することができる。例えば、図3Aを参照すると、電極列12は、第三列の1つの電極(電極E11)を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第四列の別の電極(電極E15)を「−」極性に(すなわち陰極として)設定した第一の刺激用電極群を含むことができる。この極性及びグループ形成は、最初は二極性形態で、電極E11から電極E15に電流が流れるようにし、電極E11と電極E15との間に単一刺激領域46を形成する。

刺激領域48は、図3Bに示されているように、第四列の1つの電極(電極E15)を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第五列の別の電極(電極E19)を「−」極性に(すなわち陰極として)設定した第二の刺激用電極群を選択することにより、最初の位置から組織の下に電気的に変位することができる。この極性及びグループ形成は、二極性形態で、電極E15から電極E19に電流が流れるようにし、電極E15と電極E19との間に単一刺激領域48の位置を形成する。

刺激領域48は、図3Cに示されているように、第五列の1つの電極(電極E19)を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第五列の別の電極(電極E23)を「−」極性に(すなわち陰極として)設定した第三の刺激用電極群を選択することにより、組織の下方に電気的に変位させることができる。この極性及びグループ形成は、二極性形態で、電極E19から電極E23に電流が流れるようにし、電極E19と電極E23との間に単一刺激領域48の位置を形成する。

刺激領域48は、図3Dに示されているように、例えば、第二列の1つの電極(電極E7)を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第三列の別の電極(電極E11)を「−」極性に(すなわち陰極として)設定するように構成した第四の刺激用電極群を選択することにより、最初の位置から組織の上方に電気的に変位させることができる。この極性及びグループ形成は、二極性形態で、電極E7から電極E11に電流が流れるようにし、電極E7と電極E11との間に単一刺激領域48の位置を形成する。

刺激領域48は、図3Eに示されているように、第一列の1つの電極(電極E3)を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第二列の別の電極(電極E7)を「−」極性に(すなわち陰極として)設定するように構成した第五の刺激用電極群を選択することにより、組織の下方に電気的に変位させることができる。この極性及びグループ形成は、二極性形態で、電極E3から電極E7に電流が流れるようにし、電極E3と電極E7との間に単一刺激領域48の位置を形成する。

もちろん、単一極性及び三極性の組み合わせを含む他の電極組み合わせも、刺激領域の位置を組織の上方又は下方に、或いは左、右、及び斜めを含むあらゆる他の方向に電気的に変位させるために選択することができる。

別の方法においては、刺激領域の位置を電気的に変位させるために、異なる組み合わせの電極を別個に選択する以外に、電流を電極間で次第に「操作する」か、又は「移動させる」ことができる。例えば、図4Aを参照すると、電極列12は、最初は第三列の2つの電極(電極E11及びE12)を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第四列の1つの極(電極E15)を「−」極性に(すなわち陰極として)設定した三極性の刺激用電極群を有するものとすることができる。この極性及びグループ形成は、最初は二極性形態で、電極E11、E12から電極E15に電流が流れるようにし、第三列と第四列の電極の間の電極15の近傍に、単一の刺激領域48を形成する。電極の刺激群は、単一の刺激用群における陰極(−電極)全体に対する絶対値である「グループ振幅」を割り当てると考えられ、このような群のデフォルト分流電流は、陰極(すなわち電極E15)に100%、各々の陽極(すなわち電極E11、E12)に50%とすることができる。刺激領域48は、電極間を電流が移動することにより、組織に対して変位することができる。

例えば、電極E19が次第に刺激用電極群内に含まれるようになり、電極E15が次第に刺激用電極群から除外されるようにすることにより、刺激領域48を組織の下方に変位させることができる(実際には、四極性電極配列を形成する)。すなわち、電極E19を流れる分流した陰極電流は、100%まで増加するが、電極E15を流れる分流した陰極電流は0%にまで減少する。その結果、図4Bに示されているように、刺激領域48は、電極E15に近傍の最初の位置から、電極E19に近傍の位置に移動する。一実施形態においては、電極間の電流を次第に移動させるために、電流操作用テーブルを利用することができる。例えば、図5は、一連の刺激パラメータ設定値を含む、1つの例示的操作テーブルの一部を示していて、分流した陰極電流は、10%の段階ごとに電極E15から電極E19に移動する。このように、電極E15、E19に対して、陰極電流を100%/0%と0%/100%の範囲で分流した陰極電流で移動させるために、列542に始まって、列552で終わる操作用テーブルで段階的に進めることができる。

同じ方法で、刺激用電極群内に次第に電極E23が含まれるようになり、刺激用電極群から次第に電極E19が除外されるようにすることにより、刺激領域46を組織の下方に変位させることができる。すなわち、電極E23を流れる分流した陰極電流は、100%まで増加するが、電極E19を流れる分流した陰極電流は0%にまで減少する。その結果、図4Cに示されているように、刺激領域46は、電極E19に近傍の最初の位置から、電極E23に近傍の位置に移動する。電極E19、E23に対して、陰極電流を100%/0%と0%/100%の範囲で分流した陰極電流で移動させるために、列552に始まって、列562で終わる、図5に示した操作用テーブルを段階的に進めることができる。

同様に、刺激用電極群内に次第に電極E7が含まれるようになり、刺激用電極群から次第に電極E15が除外されるようにすることにより、刺激領域48を組織の上に方変位させることができる。すなわち、電極E7を流れる分流した電流は、100%まで増加するが、電極E15を流れる分流した電流は0%にまで減少する。その結果、図4Dに示されているように、刺激領域48は、電極E15に近傍の最初の位置から、電極E7に近傍の位置に移動する。電極E15、E7に対して、陰極電流を100%/0%と0%/100%の範囲で分流した陰極電流で移動させるために、列542に始まって、列532で終わる、図5に示した操作用テーブルを段階的に進めることができる。

更に同じ方法で、刺激用電極群内に次第に電極E3が含まれるようになり、刺激用電極群から次第に電極E7が除外されるようにすることにより、刺激領域48を組織の下方に変位させることができる。すなわち、電極E3を流れる分流した陰極電流は、100%まで増加するが、電極E7を流れる分流した陰極電流は0%にまで減少する。その結果、図4Eに示されているように、刺激領域48は、電極E7に近傍の位置から、電極E3に近傍の位置に移動する。電極E7、E3に対して、陰極電流を100%/0%と0%/100%の範囲で分流した陰極電流で移動させるために、列532に始まって、列522で終わる、図5に示した操作用テーブルを段階的に進めることができる。

もちろん、電流は単一極性の組み合わせを含む、2又はそれ以上の他の電極組み合わせの間を移動し(例えば2つの電極間で陽極電流を移動)、組織の上方又は下方に、又は左方向、右方向、及び斜め方向を含むあらゆる他の方向に刺激領域の位置を電気的に変位させることができる。陰極又は陽極の間を電流が移動するために使用されるものとして操作用テーブル(ルックアップテーブルとして)がここに示されているが、電流移動は、解析方程式、式、及びアルゴリズムなどの他の手段を使用して同様の効果を得ることができることを認識するべきである。

更に別の実施形態においては、刺激領域の位置は、複数タイミングチャンネルを使用して、電気的に変位させられる。特に、電気エネルギーは、複数タイミングチャンネルにしたがって、異なる電極の組み合わせの間で伝えることができる、すなわち第一刺激用電極群は、第一タイミングチャンネルの期間中に使用することができ、第二刺激用電極群は、第二タイミングチャンネルの期間中に使用することができる。複数タイミングチャンネルの少なくとも1つにしたがって伝えられた電気エネルギーの大きさは、刺激領域の位置を電気的に変位させるように修正することができる。例えば、第一タイミングチャンネルの期間中は、電極列12は、第三列(電極E7)の1つの電極を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第四列(電極E11)の別の電極を「−」極性に(すなわち陰極として)設定するように構成した第一刺激用電極群を含むことができる。第二タイミングチャンネルの期間中は、電極列12は、第二列(電極E3)の1つの電極を「+」極性に(すなわち陽極として)設定し、第四列(電極E11)の別の電極を「−」極性に(すなわち陰極として)設定するようにした第二刺激用電極群を含むことができる。この極性及びグループ形成は、最初に二極性形態で電極E7から電極E11に、更に二極性形態で電極E3から電極E11に電流が流れるようにする。第一及び第二タイミングチャンネルは、同時に、一緒に作動し、図6Aに示されているように、電極E7で発生する電気パルスが電極E3で発生する電気パルスの間に交互に入り、図7Aに示されているように、電極E3とE7との間に単一の刺激領域48を効率的に形成するが、与えられた僅かの時間において、刺激領域46の位置は、電極E3に近い位置か、又は電極E7に近い位置のいずれかとなる。

第一タイミングチャンネルの期間中における電極E7での電気エネルギー及び/又は第二タイミングチャンネルの期間中における電極E3での電気エネルギーの大きさは、刺激領域48の位置が電気的に変位するように修正することができる。例えば、図6Bに示されているように、電極E3で電気エネルギーのパルス持続時間が増加すると、電極E3での電気エネルギーは電極E7と比較して増加し、これにより、図7Bに示されているように、刺激領域48の位置が電極E3に近くなるように効果的に変位する。もちろん、電極E3で電気エネルギーのパルス振幅を増加させるか、或いは電極E7で電気エネルギーのパルス持続時間又はパルス振幅を減少させることにより、刺激領域48の位置を、電極E3に近い位置に変位させることができる。反対に、図6Cに示しているように、電極E7で電気エネルギーのパルス持続時間が増加すると、電極E7での電気エネルギーは、電極E3と比較して増加し、これにより、図7Cに示されているように、刺激領域の位置は、電極E7に近くなるように効果的に変位する。もちろん、電極7で電気エネルギーのパルス振幅を増加させるか、或いは電極E3での電気エネルギーのパルス持続時間又はパルス振幅を減少させることにより、刺激領域48の位置を、電極E7に近い位置に変位させることができる。

ここで、図8を参照して、IPG14の1つの例示的実施形態を説明する。IPG14は、特定のパルス振幅、パルス率、及びデータバス54の制御ロジック52によって制御されるパルス持続時間を有する定められたパルス状波形にしたがって、電気刺激エネルギーを発生するように形成された刺激出力回路50を含む。電気波形のパルス率及びパルス持続時間の制御は、適当な解像度、例えば10μsの解像度を有するものとすることができるタイマーロジック回路56により促進される。刺激出力回路50により発生する刺激エネルギーは、蓄電器C1−C24を介して電極E1−E24に対応する電気端子58に与えられる出力である。

図示した実施形態においては、刺激出力回路50は、特定の周知の電流量で刺激エネルギーを電気端子58に供給することが可能な複数の独立したm対の電源60を含む。各々の対60の1つの電源62は正(+)すなわち陽極電源として機能し、各々の対60の他方の電源64は、負(−)すなわち陰極電源として機能する。各々の対60の陽極電源62及び陰極電源64の出力は、共通のノード66に結合される。この刺激出力回路50は、低インピーダンス切り替え用マトリックス68を含み、これを通して各々の電源対60の共通ノード66が、蓄電器C1−C24を介していずれかの電気端子58に結合される。

したがって、例えば、+4mAのピーク振幅(特定の率、及び特定の持続期間で)を有するパルスを形成するように第一陽極電源62(+I1)をプログラムし、−4mAのピーク振幅(同じ率及びパルス幅)を有するパルスを同様に形成するように第二陰極電源64(−I2)を同期的にプログラムし、次に陽極電源62(+I1)のノード86を電極E3に対応する電気端子58に結合し、更に陰極電源64(−I2)のノード66を電極E1に対応する電気端子58に結合することが可能である。

プログラム可能な電気端子58の各々は、正極(ソース電流)、負極(シンク電流)を有するか、又は極なし(電流がない)とするようにプログラムすることができることがわかる。更に、所定の電気端子58からのソース又はシンクとなる電流パルスの振幅は、区分された幾つかのレベルの1つにプログラムすることができる。一実施形態においては、各々の電気端子58を流れる電流は、IPG14の必要とされる出力電圧/電流の範囲内で、0から±10mAまで100μAごとの段階で個々に設定することができる。更に、一実施形態においては、一群の電気端子58による総電流出力は、±20mAまで(群に含まれる電極間に供給される)とすることができる。更に、電気端子58の各々は、多極性モードで作動することができ、例えば2つ又はそれ以上の電気端子が、同時に電流をソース/シンクとするように群となる。代替的には、電気端子58の各々は、単一極性モードで作動することができ、この場合には、例えば電気端子58は陰極(負)として形成され、IPG14のケースは陽極(正)として形成される。

電気端子58は、振幅を割り当てることができ、タイミングチャンネルの数に対応する整数であるk個までのいずれかの数の群に分けることができ、ここでkは、一実施形態においては4であり、各々のタイミングチャンネルkは、定められたパルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率を有するものとすることができる。他のタイミングチャンネルも、同様の方法で実施することができる。このようにして、各々のチャンネルは、どの電気端子58(及びその電極)が電流ソース又は電流シンクとなるように同期的に選択されるかを特定し、これらの電気端子の各々におけるパルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率を特定する。

代替的実施形態においては、制御された独立の電源を使用するのではなく、独立に制御される電圧源を設けて電気端子58において特定の及び周知の電圧の刺激パルスを与えるようにすることができる。前述した振幅及び幅の刺激パルスを発生するのと同じ機能を実行するための適当な出力回路の代替的実施形態を含む、この出力刺激回路の作動は、米国特許第6,516,227号及び第6,993,384号により詳細に示されている。

IPG14全体、例えば供給電圧、温度、バッテリー電圧、及び同様のものの全体にわたって様々なノード又は他の点72の状態をモニターするために、IPG14は、モニター回路70を更に含む。モニター回路70は、各々の電極26が適切に機能しているか、及びIPG14に適切に結合されているかを判断するために必要な、電極12での電気的データ(例えば、電極インピーダンス及び/又は電極の場電位)を測定するように構成される。電極列12が生体情報を感知するために使用される場合には、このモニター回路70は、電極26により感知された生体情報を後での分析が可能な形態に変換するための適切な回路(例えば、アナログ・デジタルコンバータ)を有するものとすることができる。電極26での生体情報は、種々異なる手法のいずれか1つを使用して測定することができるが、米国特許第6,516,227号及び第6,993,384号に記載されているように、電気刺激パルスに依存する形で成されることが好ましい。

IPG14は、マイクロコントローラー(μC)74の形態の処理回路を更に含み、この処理回路は、データバス76の制御ロジック52を制御し、データバス78を介してモニター回路70から状態データ及び任意ではあるが、生体情報を得る。IPG14は、更にタイマーロジック56を制御する。IPG14は、マイクロコントローラー74に結合されたメモリー80及び発振器及びクロック回路82を更に含む。すなわち、メモリー80及び発振器及びクロック回路82と組み合わせたマイクロコントローラー74は、メモリー80に記憶された適当なプログラムにしたがって、機能を実行するマイクロプロセッサーシステムを含む。代替的には、幾つかの用途に対して、マイクロプロセッサーシステムにより与えられた機能は、適当な状態の機械により実行することができる。

マイクロコントローラー74は、必要な制御信号及び状態信号を発生し、メモリー80に記憶された作動プログラム及び刺激パラメータにしたがって、マイクロコントローラー74にIPG14の作動を制御させる。IPG14の作動を制御する時に、マイクロコントローラー74は、制御ロジック52及びタイマーロジック56と組み合わせて刺激出力回路50を使用して、電極26において刺激パルスを個々に発生することができ、これにより、各々の電極12が、単一極性ケース電極を含む意味で、他の電極26と対になるか又は群になることができ、極性、パルス振幅、パルス率、パルス持続時間、及び電流刺激パルスが付与されるチャンネルを制御し、修正することができる。IPG14が生体情報(モニター回路70を介して電極26で感知されるか、又は別個のモニターを使用して感知されるかのいずれか)を処理する場合は、感知された生体情報に基づいて、刺激領域の位置を電気的に変位するために使用されるアルゴリズムは、マイクロコントローラー74により実行するためのメモリー80に記憶することができ、刺激パラメータの調整を介して刺激出力回路50を適切に制御することができる。この場合は、マイクロコントローラー74は、電極組み合わせ及び電極16での電気エネルギーの個々の振幅を含む刺激パラメータを定めるもので、これは、最適条件で又はより効率的な方法で刺激領域の位置を電気的に変位し、これらの刺激パラメータにしたがって刺激出力回路50を制御するために必要である。

IPG14は、適切に変調されたキャリア信号に含まれるRC16からのプログラム用データ(例えば、作動プログラム及び/又は刺激パラメータ)を受信するための交流(AC)受信コイル84、及びプログラム用データを回復するためにAC受信コイル84を通して受信されるキャリア信号を復調するための充電及び前部遠隔測定回路86を含み、該プログラム用データは、メモリー80又はIPG14を通して伝達される他のメモリー要素(図示されず)内に記憶される。

IPG14は、モニター回路70を通して読み取られた情報データを、RC16に送るための後部遠隔測定回路88及び交流AC伝送コイル90を更に含む。IPG14の後部遠隔測定の特徴は、自身の状態を点検させることができることである。例えば、刺激パラメータに及ぼされる如何なる変化も後部遠隔測定を通して確認され、これにより、これらの変化がIPG14内に正確に受信され、実現されることを確実にする。更に、RC16によって問い合わせを行うことにより、IPG14内に記憶されたすべてのプログラム可能な設定値を、RC16にアップロードすることができる。

IPG14は、作動電力をIPG14に供給するための再充電可能な電力源92及び電源回路94を更に含む。再充電可能な電力源92は、例えば、リチウム・イオン電池又はリチウム・イオンポリマー電池をとすることができる。再充電可能な電池92は、未調整電圧を電源回路94に供給する。次に電源回路94は様々な電圧96を発生し、IPG14内に配置される様々な回路が必要とするように、その幾つかは調整され、幾つかは調整されない。再充電可能な電力源92は、AC受信コイル84により受信される整流されたAC電力(すなわち、例えば「インバータ回路」として知られている効率的なACからDCへの変換回路などの他の手段を通して、AC電力から変換されたDC電力)を使用して再充電される。電力源92を再充電するために、AC磁場を発生する外部充電器(図示されず)が、埋め込まれたIPG14の上に位置する患者の皮膚に接触して、又は皮膚の近傍に設置される。外部充電器により供給されるAC磁場は、AC受信コイル84のAC電流を減少する。充電及び前部遠隔測定回路86は、DC電流を形成するためにAC電流を整流し、電力源92を充電するために使用される。AC受信コイル84は、無線で通信(例えば、プログラム用データ及び制御データ)を受信し、外部装置からエネルギーを充電するために使用されるものとして示されているが、AC受信コイル84は充電専用コイルとして配列することができ、コイル90などの別のコイルを、二方向遠隔測定のために使用することができることを認識すべきである。

図8に示すように、IPG14内に含まれる多くの回路は、単一用途特定集積回路(ASIC)98として実施することができる。これは、IPG14全体の大きさをかなり小さくすることができ、適当に密閉されてシールされたケース内に収容することができる。代替的には、IPG14内に含まれる回路のほとんどは、米国特許出願公開番号2007−0038250に示されているように、多数のデジタル及びアナログダイに設置することができる。例えば、用途特定集積回路(ASIC)のようなプロセッサーチップは、内蔵されたソフトウエアで処理機能を実行するように形成することができる。アナログIC(AIC)は、電力調整、刺激出力、インピーダンス測定の付与及びモニターを含む、IPG14の機能に対して必要な幾つかの作動を実行するように形成することができる。デジタルIC(DiglC)は、プロセッサーICにより促されて、アナログICの刺激回路による電流出力の刺激レベル及び順序を制御し、変化させて、プロセッサーICとアナログICとの間の一次インターフェースとして機能するように形成することができる。

図8の略図は、機能を示すためのものであって、限定することを意図するものではないことに留意すべきである。ここでの説明を受けた当業者は、図示し、説明した機能を実行するために、多くの種類のIPG回路又は等価回路を容易に構成することができる。上記したもの及び他のIPGに関する追加の詳細は、米国特許第6,516,227号、米国特許公開番号2003/0139781、及び米国特許出願公開番号2005−0267546に示されている。IPGだけでなくSCSシステム10は、代替的に、刺激用導線12と結合した埋め込み型レシーバー・刺激付与器(図示されず)を利用することができる。この場合には、レシーバー・刺激付与器に命令するように埋め込まれたレシーバー並びに制御回路を作動させるために、電池などの電源が、電磁的リンクを介してレシーバー・刺激付与器に誘導結合した外部コントローラーに収容される。データ/電力信号は、埋め込まれたレシーバー・刺激付与器の上に設置されるケーブルで結合された伝送コイルから経皮状態で取り付けられる。埋め込まれたレシーバー・刺激付与器は信号を受信して、制御信号にしたがって刺激を発生する。

簡潔に述べてきたように、刺激パラメータは、IPG14にプログラムするか、或いはそうでなければ、IPG14内でRC16及び/又はCP18により修正し、これによって、IPG14により電極26に発生し、出力された電気刺激エネルギーの特性を設定又は変化させるようにすることができる。図示した実施形態においては、これは、IPG14及び/又はCP18からIPG14への刺激パラメータを含む遠隔測定による伝送指令により達成される。代替的には、刺激パラメータなしの指令がRC16及び/又はCP18からIPG14に伝送されて、IPG14に記憶された刺激パラメータを変化させるようにすることができる。

図9を参照すると、RC16の1つの例示的実施形態が示されている。前述したように、RC16は、IPG14、CP18又はETS20と通信することが可能である。RC16は、内部部品(印刷回路板(PCB)を含む)を収容するケース100、及び該ケース100の外側に支持される照明付きディスプレイスクリーン102とボタンパッド104を含む。図示した実施形態においては、ディスプレイスクリーン102は、照明付きの平坦なパネルのディスプレイスクリーンであり、ボタンパッド104は、可撓性回路の上に配置される金属でドーム状に覆われた薄膜スイッチ、及びPCBに直接結合されるキーパッドコネクタを含む。任意の実施形態においては、ディスプレイスクリーン102は、タッチスクリーンの性能を有する。ボタンパッド104は、多数のボタン106、108、110及び112を含み、IPG14をON及びOFFにすることができ、IPG14内の刺激パラメータの調整又は設定を行い、かつスクリーン間の選択を行うことができる。

図示した実施形態においては、ボタン106は、ON/OFFボタンとして機能し、IPG14をON・OFF作動させることができる。ボタン108は、RC16がスクリーンディスプレイ及び/又はパラメータの間で切換えを行うのを可能にする選択ボタンとして機能する。ボタン110及び112は、IPG14が発生するパルスのパルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率を含む、あらゆる刺激パラメータを増加させ又は減少させるように作動することができる、アップ/ダウンボタンとして機能する。例えば、選択ボタン108は、RC16を、パルス振幅がアップ/ダウンボタン110、112を介して調整可能となる「パルス振幅調整モード」、パルス持続時間がアップ/ダウンボタン110、112を介して調整可能となる「パルス持続時間調整モード」、パルス率がアップ/ダウンボタン110、112を介して調整可能となる「パルス率調整モード」にするように作動させることができる。代替的には、アップ/ダウン専用ボタンは、各々の刺激パラメータに設けることができる。アップ/ダウンボタンの使用だけでなく、ダイアル、スライダーバー、又はキーパッドなどのあらゆる他の型の作動装置を、刺激パラメータを増加又は減少させるために使用することができる。

本発明は、刺激領域の位置の電気的変位を効果的に行うために、IPG14自体が感知された生体情報を処理又は分析するように考えているが、任意に、RC16がこの能力を有するようにすることができる。この目的のために、選択ボタン108は、最適な方法又はより効率的な方法で刺激領域の位置を電気的に変位させるために必要なように、電極組み合わせ及び電極16での電気エネルギーの振幅を含む刺激パラメータを定めることを可能にする「自動刺激領域設置」モードにRC16を設定するように作動させることができる。

図10を参照すると、例示的RC16の内部部品が示されている。RC16は、一般的には、プロセッサー114(例えばマイクロコントローラー)、プロセッサー114により実行される作動プログラム並びに刺激パラメータを記憶するメモリー116、入/出力回路、特定的にはIPG14に刺激パラメータを出力し、IPG14から状態情報を受信するための遠隔測定回路118を含む。遠隔測定回路118は、CP18から刺激パラメータを、及び/又はIPG14から又は他のモニター装置から生体情報を受信するために使用することができる。RC16は、ボタンパッド104から刺激制御信号を受信して、状態情報をディスプレイスクリーン102(図9に示されている)に伝送するための入/出力回路120を含む。簡潔にするためにここには示されていないが、プロセッサー114は、RC16の他の機能を制御するだけでなく、パルス振幅、パルス持続時間、及び使用者のボタンパッド104の操作に対応するパルス率を定める複数の刺激パラメータ設定値を発生する。RC16が、感知した生体情報に基づいて刺激パラメータを定めることが可能な場合には、電極組み合わせ、並びに電極の個々の振幅を含むことができるプロセッサー114により発生した刺激パラメータ設定値は、刺激領域の異なる位置に対応するものとすることができる。これらの新しい刺激パラメータ設定値は、遠隔測定回路118を介してIPG14に伝送され、これによりIPG14に記憶された刺激パラメータを調整し、及び/又はIPG14をプログラムする。遠隔測定回路118は、CP18から刺激パラメータを受信するために使用することができる。RC16の機能性及び内部部品の更なる詳細は、米国特許第6,895,280号に記載されている。

簡潔に上記したように、埋め込んだ後、プログラム可能なIPG14のメモリーにおいて、刺激パラメータを修正し、プログラムすることは、CP18を使用して、医者又は臨床医により実行することができ、IPG14と直接通信するか又はRC16を介してIPG14と間接的に通信することができる。すなわち、CP18は、脊髄の近くで電極列12の作動パラメータを修正するために、医者又は臨床医が使用することができる。図1に示すように、CP18の外観の全体は、ラップトップ式の個人用コンピューター(PC)と同じであり、事実、指向性プログラム用デバイスを含むように適切に構成され、ここに述べた機能を実行するようにプログラムされたPCを使用して、実施することができる。すなわち、プログラムする方法は、CP18内に含まれるソフトウエア指令を実行することにより遂行することができる。代替的には、このようなプログラムの方法は、ファームウエア又はハードウエアを使用して実行することができる。どのような場合においても、CP18は、IPG14(又はETS20)により発生された電気刺激の特性を能動的に制御し、最適条件の刺激パラメータを患者のフィードバックに基づいて決定し、その後最適条件の刺激パラメータでIPG14(又はETS20)をプログラムすることを可能とする。このように、CP18の機能性は、RC18のそれと類似しているが、最適条件の刺激パラメータのプログラムを大幅に単純化しているところが異なる。CP及び他のプログラム用デバイスの更なる詳細は、米国特許第6,393,325号及び第6,909,917号に示されている。

SCSシステム10の構造及び機能を説明してきたが、システム10を埋め込み、作動させる方法を以下に説明する。図11を参照すると、電極列12が、患者160の頭162内に従来のように埋め込まれる。電極列12の好ましい位置は、脳164の皮質166に近い位置、好ましくは硬膜(図示されず)の下である。代替的には、電極導線は、脳の深部領域に埋め込むことができる。ETS20は、経皮引き出し用導線36及び外部ケーブル38(図11には示されず)を介して電極列12に結合され、脳164内に刺激領域を形成するために、電極26に電気刺激エネルギーを供給するように作動させることができる。生体情報は、電極列12又は別個の装置のいずれかにより感知され、刺激領域の位置は、上記した方法のいずれか1つで感知された生体情報に基づいて、電気的に変位される。波形のパルスパラメータ(パルス振幅、パルス持続時間、及びパルス率を含む)は、CP18の制御のもとで更に修正することができ、これにより電極26から組織に供給される電気刺激エネルギーの特性を変化させ、患者160に施される刺激の効能をテストすることができる。CP18は、刺激領域の位置を最適に設置するような刺激パラメータを含む、最適条件の刺激パラメータを、ETS20にプログラムするために使用することができる。

試行期間が終了した後(典型的には1−2週間)、IPG14が、患者160内に埋め込まれ(典型的には、胸領域、腹部、又は臀部の上のいずれか)、引き出し用導線30を介して電極列12に結合される。次いで、ETS20に関して簡潔に上記したのと同じ方法で、IPG14は、CP18の制御のもとで、最適条件の刺激パラメータで作動及びプログラムすることができる。患者の制御の下で、RC16はその後、刺激プログラムを選択するために使用するか、或いは治療を変化させるために、IPG14に以前にプログラムされていた刺激パラメータを修正するように使用することができ、これは刺激領域の位置を電気的に変位させることを含む。

本発明の特定の実施形態が示され、説明されたが、好ましい実施形態に本発明を限定するものではないことを理解すべきであり、当業者には、様々な変更及び修正が本発明の意図及び範囲から外れることなく成すことができることは明らかである。したがって、本発明は、代替的手法、修正、及び均等手段を含むことを意図しており、これらは、特許請求の範囲により定められる本発明の意図及び範囲内に含むことができるものである。例えば以下の形態が含まれる。
複数の電極に電気結合されるように構成された複数の電気端子と、前記電極間に電気エネルギーを伝え、これにより前記電極が前記組織近傍に位置する時に患者の組織に刺激領域を形成するように構成された出力刺激回路と、前記患者から生体情報を取得するように構成されたモニター回路と、前記モニター回路から取得した前記生体情報を分析し、前記取得した生体情報の前記分析に基づいて、前記組織に対する前記刺激領域の位置を変位させるために前記出力刺激回路を制御するように構成された制御回路と、を有する神経刺激システム。

10 脳刺激システム
12 電極列
14 埋め込み型パルス発生器
16 外部遠隔操作器
18 臨床医プログラマー
20 外部トライアル刺激付与器
22 外部充電器
26 電極
30 経皮引き出し用導線
32 ケース
34 コネクタ
48 刺激領域

Claims (9)

  1. 複数の電極(26)に電気結合されるように構成された複数の電気端子(58)と、
    前記電極(26)の能動的組み合わせの間に電気エネルギーを伝え、これにより前記電極(26)が前記組織(166)の近傍に設置される時、患者(160)の組織(166)に刺激領域(48)を形成するように構成された出力刺激回路(50)と、
    前記刺激領域(48)の前記位置を変位させる前記患者(160)の希望の指標である認知ベースの脳信号を前記患者(160)から感知するように構成されたモニター回路(70)と、
    前記モニター回路(70)から感知した認知ベースの脳信号を分析し、前記感知した認知ベースの脳信号に基づいて前記出力刺激回路(50)を制御して、前記電極(26)の同じ能動的組み合わせを使用することにより前記刺激領域(48)の位置を次第に変位させるように構成された制御回路(74、114)と、を有することを特徴とする神経刺激システム(10)。
  2. 前記出力刺激回路(50)は、前記電極(26)の能動的組み合わせの間に前記電気エネルギーを伝え、前記患者(160)が患っている機能障害の状態を変化させるように構成され、前記感知した認知ベースの脳信号は、前記機能障害の前記変化の状態の指標であることを特徴とする請求項1に記載の神経刺激システム(10)。
  3. 前記制御回路(74、114)は、前記出力刺激回路(50)を自動的に制御し、前記記刺激領域(48)の前記位置を変位させる前記患者(160)の希望の変化に対応して、前記刺激領域(48)の前記位置を次第に変位させるように構成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の神経刺激システム(10)。
  4. 前記出力刺激回路(50)は、単一タイミングチャンネルに応じて、前記電極(26)の能動的組み合わせの間に前記電気エネルギーを伝え、前記刺激領域(48)を形成するように構成され、前記制御回路(74、114)は、前記出力刺激回路(50)を制御し、前記単一タイミングチャンネルの少なくとも2つの前記電極(26)の能動的組み合わせの間の電流を移動させることにより、前記刺激領域(48)の前記位置を次第に変位させるように構成されたことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の神経刺激システム(10)。
  5. 前記出力刺激回路(50)は、複数のタイミングチャンネルに応じて、前記電極(26)の能動的組み合わせの間に前記電気エネルギーを伝え、前記刺激領域(48)を形成するように構成され、前記制御回路(74、114)は、前記出力刺激回路(50)を制御して、前記タイミングチャンネルに応じて伝えられる前記電気エネルギーの相対的大きさを修正することにより、前記刺激領域(48)の前記位置を変位させるように構成されたことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の神経刺激システム(10)。
  6. ケースを更に有し、前記電気端子(58)と出力刺激回路(50)が、前記ケース(32)に収容されて神経刺激付与器(14)を形成することを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の神経刺激システム(10)。
  7. 前記モニター回路(70)は、前記ケース(32)内に収容されることを特徴とする請求項に記載の神経刺激システム(10)。
  8. 前記制御回路(74、114)は、前記ケース(32)内に収容されることを特徴とする請求項に記載の神経刺激システム(10)。
  9. 前記神経刺激付与器(14)は、埋め込み型であることを特徴とする請求項に記載の神経刺激システム(10)。
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