KR20090039747A - 션트 게이트를 가지는 바이 플래너 전극 - Google Patents

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Abstract

신경 자극기(400)가 전기적 비도전성 캐리어(402) 및 캐리어(402)의 양측면들 상에 배치된 적어도 두 개의 전기적 도전성 전극(404, 406)을 포함한다. 캐리어의 양측면들 상에 배치된 전극들(404, 406)은 상호 전기적으로 연결되어 있지 않다. 대신에, 신호 소스가 캐리어(402)의 한 쪽 면 상의 전극들 중 하나와 연결되고 신호 소스로 가는 회귀 경로가 캐리어(402)의 다른 쪽 면 상의 대응하는 전극(406)과 연결된다. 대응하는 전극(406)은, 필요하지는 않지만, 캐리어(402)의 다른 쪽 면 상의 전극(404)과 정 반대측에 위치할 수 있다. 전극(404, 406)은 링, 디스크, 다른 형상 또는 이들의 조합이 될 수 있다. 선택적으로 캐리어는 이를 관통하는 저임피던스 션트(500, 502, 1102, 1104)를 포함한다.
신경 자극기, 전기적 자극, 션트 게이트, 저임피던스 경로, 링 전극, 보어

Description

션트 게이트를 가지는 바이 플래너 전극{BI-PLANAR ELECTRODE WITH SHUNTING GATES}
본 발명은 신경 자극(neural stimulation)을 위한 전극(electrodes)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 캐리어(carrier)의 양측면들(opposite sides) 상에 배치된 전극에 관한 것이다.
신경 조직의 전기 자극(electrical stimulation)은 통증 제어, 진단, 신경 재활(neural rehabilitation)을 포함한 여러가지 목적을 위해서 사용된다. 예를 들어, 인공와우(cochlear implant; CI)는 심각한 청각장애인 또는 청력에 심각한 문제가 있는 사람들의 귀 뒤의 피부 아래에 위치하는 작은 전자기기이다. 인공와우는 마이크로폰으로부터 신호를 수신하여 착용자의 청각 신경에 전기적으로 자극을 준다. 비록 CI를 통한 청취는 보통의 청취와 다를 수 있지만, 착용자는 소리를 인식하고 다른 사람들은 착용자와 구두로 의사소통할 수 있다.
CI 및 다른 신경 자극은 신경 조직 근처에 적어도 하나의 전극을 위치시키고 전극에 전기 신호를 송신하는 것에 의해서 수행된다. 전기 신호는 두 번째 (접지) 전극을 기준으로 하여 생성된다. 즉, 신호는 두 전극을 가로질러 전달된다. 두 번째 전극은 신경 조직 근처 또는 신경 조직으로부터 어느정도 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 신경 조직은 통상적으로 바이 페이직 펄스(bi-phasic pulse)에 의하여 자극된다. 즉, 첫 번째 포지티브 펄스가 전극으로 보내지고 거의 동시에 뒤를 잇는 네거티브 펄스가 뒤따른다.
더 집중된(focused) 전기 자극에 의해서 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 신경 조직은 통상적으로 매우 작다. 원하는 결과를 얻기 위해서는, 선택된 개개의 신경이 자극되어야 한다. 그러나, 종래 신경 자극 장치는 충분히 집중된 전기 자극을 신경 조직에 전달할 수 없다.
종래의 종방향 바이폴라 신경 자극 기법(longitudinal bipolar neural stimulation scheme)은 절연된 캐리어 상에 나란히 정렬된 두 개의 도전성 전극들(conducting electrodes)을 포함한다. 신호는 두 전극들 중 첫 번째 전극에 공급되고 다른 전극들은 접지로서 기능한다. 자극 신호의 양의 위상 기간 동안, 전류는 전극들 중 하나로부터 자극되는 조직을 통하여 다른 (접지) 전극으로 흐른다. 자극 신호의 음의 위상 기간 동안, 전류는 반대방향으로 흐른다. 즉, 접지 전극으로부터 자극되는 조직을 통하여 첫 번째 전극으로 흐른다. 따라서, 각 전극은 자극점(stimulation point)으로서 기능하고 자극은 충분히 집중되지 못한다.
종래의 종방향 트라이폴라 기법(longitudinal tripolar scheme)은 중심 전극의 측면에 접하는 두 개의 접지 전극들을 포함한다. 이 경우에, 두 접하는 전극들 각각을 통하여 흐르는 전류의 양은 중심 전극을 통하여 흐르는 전류의 양의 절반이다. 트라이폴라 기법은 충분히 집중된 자극을 생성한다. 그러나, 이는 세 개의 전극을 필요로 한다.
본 발명의 일실시예는 비도전성 캐리어(nonconductive carrier)를 포함하는 신경 자극기(neural stimulatior)를 제시한다. 캐리어는 제1 면 및 제1 면과 실질적으로 반대측에 있는 제2 면을 가진다. 적어도 하나의 제1 전극은 캐리어의 제1 면에 배치되고 적어도 하나의 제2 전극은 캐리어의 제2 면에 배치된다. 적어도 하나의 제1 전극은 적어도 하나의 제2 전극과 전기적으로 연결되지 않는다.
캐리어는 원형, 타원형, 직사각형 또는 다른 횡단면 형상을 가질 수 있다.
적어도 하나의 각 제1 전극은 적어도 하나의 각 제2 전극에 대응할 수 있다. 이 경우에, 적어도 하나의 각 제2 전극은 대응하는 제1 전극을 직교하여 양분하는 선 상에 중심이 위치할 수 있다. 선택적으로, 적어도 하나의 각 제2 전극은 대응하는 제1 전극을 직교하여 양분하는 선 상에 중심이 위치하지 않을 수 있다.
신격 자극기는 또한 적어도 하나의 제1 전극 및 대응하는 제2 전극과 연결된 신호 소스를 포함할 수 있다.
캐리어는 이를 관통하는 적어도 하나의 션트 케이트(shunt gate)를 포함할 수 있다. 이 경우에, 각 션트 게이트는 캐리어를 관통하는 저임피던스(low-impedance)의 전기적 경로를 정의한다. 적어도 하나의 션트 게이트의 전부 또는 일부는 캐리어를 관통하는 보어(bore)를 정의할 수 있다. 선택적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 션트 게이트의 전부 또는 일부는 전기적 도전성 물질을 포함할 수 있다.
제2 전극의 전부 또는 일부는 링 전극(ring electrode)을 포함할 수 있다. 링 전극의 전부 또는 일부는 포토리소그래픽 공정에 의해서 형성될 수 있다. 선택적으로 또는 대안적으로, 링 전극의 전부 또는 일부는 전착 공정(electrodeposition process)에 의해서 형성될 수 있다. 선택적으로 또는 대안적으로, 링 전극의 전부 또는 일부는 레이저 어블레이션 피착 공정(laser ablation deposition process)에 의해서 형성될 수 있다.
적어도 하나의 제1 전극은 어레이(array)로 배열된 복수의 전극들을 포함할 수 있다. 이 경우에, 적어도 하나의 제2 전극은 복수의 전극을 포함할 수 있다(복수의 전극 각각은 링 전극을 포함함).
캐리어는 각 제1 전극에 근접한 적어도 하나의 션트 게이트를 포함할 수 있다. 이 경우에, 각 션트 게이트는 캐리어를 관통하는 저임피던스의 전기적 경로를 정의한다.
선택적으로, 적어도 하나의 각 제1 전극은 캐리어의 표면 아래에 배치된 적어도 하나의 이어(ear)를 포함한다.
선택적으로, 적어도 하나의 제1 전극은 캐리어의 제1 면의 영역 내의 복수의 제1 전극을 포함한다. 상기 영역은 복수의 제1 전극 사이의 공간을 포함한다. 적어도 하나의 제2 전극은 캐리어의 제2 면 상의 전기적 도전성 표면을 포함한다. 상기 표면은 적어도 캐리어의 제1 면 상의 영역만큼의 넓이를 갖는다.
발명은 다음의 도면과 관련된 구체적인 실시예의 상세한 설명을 참조하면 더욱 자세히 이해될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 신경 자극기의 횡단면도 및 평면도.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 신경 자극기의 횡단면도 및 평면도.
도 3은 종래 기술에 따른 또 다른 신경 자극기의 횡단면도 및 평면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신경 자극기의 횡단면도 및 평면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신경 자극기의 횡단면도.
도 6은 도 5의 신경 자극기의 평면도.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 션트 게이트의 다양한 예시적인 형상 및 배열의 평면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신경 자극기의 평면도.
도 9는 도 8의 신경 자극기의 저면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 링 전극의 확대도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 신경 자극기의 일부분의 확대도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전극 이어의 확대 평면도 및 두 개의 단면도.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 신경 자극기의 일부분의 횡단면도.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신경 자극기의 일부분의 횡단면도.
본 발명에 따라서, 집중된 자극 신호로 신경 조직에 전기적 자극을 주기 위한 방법과 장치가 개시된다. 일실시예에서, 하나 또는 그 이상의 전극 쌍이 절연된 캐리어 상에 배치되며 전극의 쌍 중 하나는 캐리어의 한 면에 배치되고 전극 쌍 의 나머지 하나는 캐리어의 반대측 면에 배치된다. 전기적 자극 신호는 전극 쌍을 가로질러 전달된다. 다른 실시예, 대안, 선택 사항은 종래 기술의 간략한 논의에 이어서 하기에 기술된다.
도 1은 종래의 종방향 바이폴라 신경 자극기(100)의 단면도 및 평면도이다. 자극기(100)는 전기적 비도전성 캐리어(102) 및 캐리어(102) 상에 배치된 두 개의 전기적 도전성 전극(104, 106)을 포함한다. 전극(104, 106)에는 (도시되지 않은) 도전성 리드(conductive leads)를 통하여 (도시되지 않은) 신호 소스가 공급된다. 예를 들어, 바이 패이직 자극의 한 위상 기간 동안 하나의 전극(104)에는 (플러스 기호로 표시된) 포지티브 펄스가 공급될 수 있고 나머지 하나의 전극(106)은 자극 신호를 위한 (마이너스 기호로 표시된) 회귀 경로(return path)를 형성할 수 있다.
화살표(108, 110)는 전류(I) 흐름의 일반적인 방향을 표시한다. 다른 위상 기간 동안, 전류 방향은 반전된다. 따라서, 신경 조직(112)은 두 영역(즉, 전극 104 및 106)으로부터 자극을 받으며, 자극은 충분히 집중되지 않는다. 하나의 전극을 통하여 전극(104)에 인접한 조직으로 흘러가거나 또는 그로부터 흘러나오는 전류(I)의 양은, 나머지 하나의 전극(106)을 통해서 다른 전극(106)에 인접한 조직으로 흘러가거나 그로부터 흘러나오는 전류(I)의 양과 동일하다. 다시 말하면, 두 전극(104, 106)을 통해서 같은 양의 전류가 흐른다.
도 2는 종래의 종방향 트라이폴라 신경 자극기(200)의 단면도 및 평면도이다. 자극기(200)는 비도전성 캐리어(208) 상의 세 개의 전극(202, 204 및 206)을 포함한다. 두 전극(204, 206)은 리드(210)에 의해 전기적으로 상호 연결되어 있 다. 중심 전극(202)을 통해서 흐르는 전류는 I로 지정되어 있다. 이 전류의 절반(즉, 1/2)이 두 외측 전극(204, 206) 각각을 통하여 흐른다. 역시 자극은 충분히 집중되어 있지 않다.
도 3은 또 다른 종래 신경 자극기(300)의 단면도이다. 자극기(300)는 비도전성 캐리어(302) 및 두 개의 전극(304, 306)을 포함한다. 두 전극(304, 306)은 리드(308)에 의해 전기적으로 상호 연결되어 있다. 따라서, 자극 전류(stimulation current)의 반(I/2)이 두 전극(304, 306) 각각을 통하여 흐른다. 자극 신호는 (도시되지 않은) 원격 접지 전극(distant ground electrode)을 기준으로 하여 제공된다. 다른 종래 신경 자극기 같이, 자극은 충분히 집중되지 않는다.
가상 쿼드트루폴라 신경 자극기(Virtual Quadtrupolar Neural Stimulator)
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신경 자극기(400)의 단면도이다. 신경 자극기(400)는 비도전성 캐리어(402)와 캐리어(402)의 양측면들(opposite sides) 상에 배치된 두 개의 도전성 전극(404, 406)을 포함한다. 그러나, 종래 기술과 달리, 두 전극(404, 406)은 상호 전기적으로 연결되어 있지 않다. 대신에, 자극 신호는 (도시되지 않은 리드를 통하여) 한 전극(404)으로 나머지 하나의 전극(406)을 기준으로 하여 제공된다. 즉, 신호는 전극(404, 406)을 가로질러 제공된다. 그래서, 각 전극(404, 406)을 통하여 같은 양의 전류가 흐른다. 화살표(408, 410)는 자극 신호의 일부 동안 전류 흐름을 표시한다. 자극 신호의 다른 부분 동안의 전류 흐름은 역전될 수 있다.
단면 A-A에 도시된 것 같이, 캐리어(402)의 횡단면 형상은 둥글거나 타원형 일 수 있다. 선택적으로, 단면 A-A(선택적임)에 도시된 것 같이, 캐리어(402)의 횡단면 형상은 직사각형일 수 있다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 캐리어(402)는 다른 횡단면 형상을 가질 수 있다. 캐리어(402)의 두께(412), 즉 두 전극(404, 406) 사이의 거리와 캐리어(402)의 횡단면 형상은 요구되는 특성을 가지는 자극 필드를 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 전극(404, 406) 사이에 더 큰 거리를 가지면 작은 이격 거리를 가질 때보다 덜 강한 자극을 요구한다. 그러나, 큰 이격은 종종 덜 집중된 자극 필드를 야기한다.
단면 A-A의 화살표와 단면 A-A(선택적임)에 도시된 것 같이, 전류의 절반(즉, 1/2)은 캐리어(402)의 각 면을 흐른다. 따라서, 신경 조직(112)은 하나의 포인트, 즉 신경 조직(112)에 대면하는 전극(404)으로부터 자극을 받는다. 통상적으로, 자극기(400)는 신경 조직(112)의 평면과 평행하는 평면에 위치한다. 그래서, 자극 전극(404)은 평행 평면에 위치한다. 다른 전극(406) 또한 신경 조직(112)과 평행하는 면에 있다. 그러나, 다른 전극(406)의 면은 자극 전극(404)의 반대측의 면 상에 위치한다. 다른 전극(406)의 평면은 본 명세서에서 안티뉴럴(antineural)이라 한다(즉, 자극 전극(404)의 평면의 반대측의 평면 상). 회귀 전극(return electrode; 406)의 안티뉴럴의 배치가 자극 신호를 집중시킨다.
신경 조직(112)의 방향에서 볼 때, 단면 B-B에 도시된 것 같이, 신경 자극기(400)는 원형 또는 직사각형 같은 임의의 형태를 가질 수 있다.
전극(404, 406)과 리드(도시되지 않음)는 종래의 포토리소그래픽, 전착, 펄스 레이저 어블레이션 피착(pulsed laser ablation deposition) 또는 다른 기술을 이용해서 제조될 수 있다. 예를 들어, 백금이 종래 캐리어 상에 피착될 수 있다.
션트 게이트
선택적으로, 도 5 및 도 6에서 도시된 것 같이, 션트 게이트(500)는 신경 자극기(400)의 캐리어(402)에 포함된다(도 6은 신경 자극기(400)의 평면도). 션트 게이트(500)는 적어도 자극 신호의 일부를 위해서 캐리어(402)를 관통하는 도전 경로 또는 저임피던스 경로를 제공한다. 그래서, 전류의 적어도 일부는 캐리어(402) 주위를 따라 흐르기 보다는, 전극(404)으로부터 션트 게이트(500)를 통하여 다른 전극(406)으로 흐른다. 특정 환경에서 션트 게이트(500)가 향상된 자극 신호의 집중을 제공한다.
션트 게이트(500)는 캐리어(402) 상에 형성되거나 또는 캐리어(402)를 관통하여 형성된 개방형 통로, 홀, 구멍, 슬롯, 또는 다른 개방부(통칭하여 보어라 함)일 수 있다. 이 경우, 도전성 체액(conductive body fluid) 또는 조직(tissue)이 션트 게이트(500)를 채운다. 선택적으로, 캐리어(402)는 폴리피롤 같은 도전성 고분자 또는 전착 백금 기둥(electrodeposited platinum columns)같은 전기적 도전성 물질 또는 저임피던스 물질(통칭하여 저임피던스)로 형성된 션트 게이트(500)가 포함될 수 있다. 선택적으로, 캐리어(402)의 션트 게이트(500)의 일부는 개방형 통로이고 나머지는 저임피던스 물질일 수도 있다.
션트 게이트(500)의 전기 저항(R)은 하기 식에 따라 계산된다.
R = (RO L) / A
상기 식에서 RO는 보어 내의 체액 또는 조직의 저항 또는 션트 게이트(500)의 저임피던스 물질의 저항; L은 각 션트 게이트(500)의 길이(통상적으로, 캐리어(402)의 두께(412)); 그리고, A는 션트 게이트(500)의 횡단면 또는 표면 면적이다. 낮은 저항(R)은 넓은 면적(A) 및/또는 짧은 길이(L)를 이용하여 얻을 수 있다.
도 6에 도시된 션트 게이트(500)는 대칭형으로 배열된 좁은 직선 슬롯이지만, 직선형, 다른 션트 게이트 형상, 대칭형/비대칭형 및 배열들이 사용될 수 있다. 도 7은 한정적이지 않은 다른 예시들, 형상, 대칭형/비대칭형 및 배열을 도시한다.
추가적으로, 션트 게이트는 캐리어 표면에 수직일 필요는 없다. 예를 들어, 도 5에 도시된 것 같이, 션트 게이트(502)는 캐리어(402) 표면에 90도가 아닌 다른 각도로 형성될 수 있다.
더 나아가, 션트 게이트(500)와 자극 전극(404)사이의 거리는 변할 수 있다. 즉, 모든 션트 게이트(500)가 자극 전극(404)으로부터 같은 거리에 배치될 필요는 없다. 션트 게이트(500)의 숫자, 형상, 배열, 각도 및 위치(자극 전극(402)에 따라 상대적임)는 요구되는 자극 필드의 형상과 방향에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 자극 전극(404)과 션트 게이트(500) 사이의 거리는 요구되는 형상 및/또는 방향을 가지는 자극 필드를 생성하기 위하여 선택될 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 션트 게이트(500)는 자극 전극(404) 주위에 대칭적으로 또는 비대칭적으로 위치할 수 있다. 캐리어의 두께(412)는 자극 전극(412)과 회귀 전극(406)사이 의 요구되는 경로 길이를 얻기 위하여 선택될 수 있다. 경로 길이가 상대적으로 짧다면, 자극 필드는 하기에 기술하는 다른 기하학적 파라미터에 의하여 영향을 받을 수 있다.
자극 전극의 배열(Array of Stimulating Electrodes)
상기에 기술된 신경 자극기(400)는 하나의 자극 전극(404)과 하나의 회귀 전극(406)을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서 도 8에 도시된 신경 자극기(800)가 예시하듯이, 복수의 자극 전극(802)이 하나의 비도전성 캐리어(804) 상에 배치된다. 예를 들어, 척수 손상 자극(spinal cord stimulation)을 위한 신경 자극기(800)는 약 1 내지 3cm가 될 수 있는 캐리어 상에 수백개의 자극 전극(802)을 포함할 수 있다. 자극 전극(802)의 다른 숫자와 다른 치수도 사용될 수 있다.
통상적으로, 필연적이지는 않지만, 각 전극(802)은 분리된 리드(도시되지 않음)에 의해서 신호 소스(분리되지 않음)로 연결된다. 일부 실시예에서, 각 전극(802)은 자신의 신호 소스를 가진다. 선택적으로, 스위칭 매트릭스(switching matrix) 또는 다른 회로(도시되지 않음)는 주어진 시간에 자극 신호가 제공될 전극(802)과 (선택적으로) 전극(802)에 연결될 신호 소스를 선택하기 위하여 하나 또는 그 이상의 신호 소스와 전극(802) 사이에 연결된다. 그래서, 각 전극(802)은 개별적으로 자극 신호가 공급될 수 있고 또한 어떤 신호도 공급되지 않을 수 있다. 따라서, CI의 예시에서와 같이, 신경 조직의 개개의 영역은 개개의 전극(802) 또는 전극(802)의 그룹에 의해서 자극될 수 있다. 선택적으로, 전극(802) 그룹은 전기적으로 상호 연결되어 있어서 공통 자극 신호를 받을 수 있다.
일부 실시예에서, 각 자극 전극(802)은 캐리어(804)의 반대면 상에 배치된 대응하는 회귀 전극(도 8에 도시되지 않음)을 가진다. 상기 각 회귀 전극은 캐리어(804)에 신호 소스로 가는 회귀 경로(return path)를 제공하는 연관된 리드를 가질 수 있다. 상기 회귀 전극은, 필요하지는 않지만, 대응하는 자극 전극(802)과 같은 크기와 형상을 가질 수 있다. 선택적으로, 회귀 전극은 대응하는 자극 전극(802)보다 크거나 작을 수 있다. 유사하게, 회귀 전극은 자극 전극(802)과 다른 형상을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 각 회귀 전극은 대응하는 자극 전극(802)의 중심을 수직으로 관통하여 연장되는 선 상에 중심이 위치한다. 다른 실시예에서, 회귀 전극은 자신과 대응하는 자극 전극(802)과 중심을 맞추지 않는다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 매트릭스 또는 다른 회로가, 시간에 따라, 주어진 자극 전극(802)과 대응하는 회귀 전극을 변경하기 위하여 사용된다.
링 전극
일실시예에서, 도 9에 도시된 것과 같이, 각 링 전극은 도전성 링(900)이다(도 9는 도 8의 신경 자극기(800)의 저면도). 선택적으로, 링 전극(900)은 다른 고체 또는 폴리곤(polygons)과 같은 개방형 형상으로 제조될 수 있다. 본 명세서에서 개방형 형상 다각형 회귀 전극(open-shape polygonal return electrodes)은 그들의 형상과 관계없이 링이라 부른다.
각 회귀 전극(900)은 바람직하게는 대응하는 자극 전극(802) 상의 중앙에 위치한다. 선택적으로, 상기에서 논의한 바와 같이, 회귀 전극은 그들의 대응하는 자극 전극 상의 중심에 위치할 필요는 없다. 선택적으로, 상기에서 논의한 바와 같이, 스위칭 매트릭스 또는 다른 회로가, 시간에 따라, 주어진 자극 전극에 대응하는 회귀 전극(900)을 변경하기 위하여 사용된다.
바람직하게는, 조직에 노출된 각 링(900)의 총 도전성 표면 면적은 대응하는 조직에 노출된 자극 전극(802)의 총 도전성 표면 면적과 거의 같다. 링 전극(900)은 포토리소그래픽, 전착, 펄스 레이저 어블레이션 피착 또는 다른 기술을 사용하여 캐리어(804) 상에 형성될 수 있다.
일실시예에서(본 실시예의 단일 링 전극(900)은 도 10에 도시됨)에서, 각 자극 전극(802)의 직경은 약 300μ이고, 각 링 전극(900)은 약 600μ의 내측 직경(1000)을 가진다(도 10에서, 자극 전극(802)이 가려져 있다는 것, 즉 캐리어(804)의 하부로부터 보이지 않는다는 것을 나타내기 위하여 자극 전극(802)은 점선을 사용하여 도시된다). 각 링 전극(900)의 폭(1002)은 자극 전극(802)의 직경과 링(900)의 직경을 기초로 계산될 수 있는데 상기에서 논의한 바와 같이 두 전극은 대략 같은 표면 면적을 가진다. 일반적으로, 링 전극(802)의 폭(1002)은 자극 전극(802)의 직경보다 현저하게 작다. 예를 들어, 링(900)의 직경과 자극전극(802)은 하기 식과 같이 연관될 수 있다.
Dout - Din >= D
상기 식에서 Dout은 링(900)의 외측 직경; Din은 링(900)의 내측 직경(1000); D는 자극 전극(802)의 직경이다.
다른 실시예에서, 자극 전극(802)의 다른 크기 및/또는 링 전극(900)의 다른 크기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 직경이 약 300μ보다 작은 자극 전극이 사용될 수 있고, 약 1 또는 2nm의 내측 직경(1000)을 가지는 링 전극(900)이 사용될 수 있다.
선택적으로, 회귀 전극(900) 그룹은 자극 전극(802) 그룹을 위한 공통 접지 회귀 전극(common ground return electrode)을 제공하기 위하여 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 일실시예에서, 개별 회귀 전극(900) 대신에 단일 도전성 평면이 사용된다.
또 다른 실시예에서(실시예의 일부분이 도 11에 도시됨)에서 캐리어(1100)는 링 전극(900)과 자극 전극(802) 사이에 션트 게이트(1102)를 포함한다. 선택적으로 또는 대안적으로, 캐리어(1100)는 링 전극(900) 외부에 션트 게이트(1104)를 포함한다. 상기에서 논의한 바와 같이, 션트 게이트(1102, 1104)는 자극 전극(802) 및 링 전극(902)에 따라서 임의의 형상, 크기가 될 수 있고 자극 전극(802) 및 링 전극(900)에 대하여 임의의 방향을 가질 수 있다. 또한, 상기에서 기술한 바와 같이, 링 전극(900)의 일부 또는 전부는 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 션트 게이트(1102) 및/또는 션트 게이트(1104)에 의해 천공된 캐리어(1100)의 하부는 단일 도전성 회귀 전극에 의해서 대부분이 덮인다.
전극 앵커(Electorde Anchors)
앞서 기술하였듯이, 전극은 도전성 물질로 형성되며 비도전성 캐리어에 포함된다. 사용된 물질과 전극의 크기에 따라서, 일부 전극은 전극을 캐리어에 고정시 키기 위하여 앵커 또는 이어를 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 것 같이 일실시예에서, 캐리어(1200)는 전극(1202)을 포함한다. 전극(1202)의 표면(1204)이 캐리어(1200)의 표면(1206) 위에 있거나 밑에 깔릴 수 있지만, 바람직하게는 전극(1202)의 표면(1204)은 캐리어(1200)의 표면(1206)과 동일 평면(co-planar)에 위치한다. 앵커 또는 이어(1208)는 전극(1202)을 캐리어(1200)에 고정시키기 위하여 캐리어(1200)의 표면(1206) 밑과 전극(1202) 상에 형성된다. 전극(1202)에 연결된 리드(1210)는 또한 전극(1202)을 캐리어(1200)에 고정시킨다. 유사한 앵커(이어)는 링 전극을 캐리어(1200)에 고정시키기 위하여 링(또는 다른 모양) 전극(도시되지 않음) 상에 형성된다.
자극 패턴
비도전성 캐리어의 양측면들 상에 배치된 하나 또는 그 이상의 자극 전극 및 하나 또는 그 이상의 회귀 전극의 배열에서, 전극의 수 및 자극 신호가 송신되는 자극 전극과 회귀 전극 쌍에 따라서 다양한 패턴을 가진 자극 필드를 생성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 13에 도시된 것 같이, 캐리어(1300)는 이들의 임의의 쌍이 신호 소스(도시되지 않음)와 연결될 수 있는 네 개의 전극(1, 2, 3 및 4)을 포함할 수 있다. 각 전극(1, 2, 3 및 4)은 스위칭 매트릭스 또는 다른 회로(도시되지 않음)를 통해 전극이 자극 신호와 연결될 수 있도록 하는 리드(도시되지 않음)를 가진다. 테이블 1은 신호 소스와 연결될 수 있는 가능한 전극의 조합을 열거한다.
테이블 1 신호 소스와 연결된 전극의 조합
전극 자극 패턴 설명
1(및 원격 접지) 2(및 원격 접지) 3(및 원격 접지) 4(및 원격 접지) 1 및 4 2 및 3 1 및 2 3 및 4 1 및 3 2 및 4 모노폴라(Monopolar) 모노폴라 모노폴라 모노폴라 가상 방사형 쿼드루폴라(Virtual Radial Quadrupolar) 가상 방사형 쿼드루폴라 종방향 바이폴라 종방향 바이폴라 경사진 바이폴라(Angled Bipolar) 경사진 바이폴라 종래 기술 종래 기술 종래 기술 종래 기술 신규 신규 종래 기술 종래 기술 신규 신규
테이블 1에 기술된 것 같이, 신호 소스를 전극(1, 2, 3, 4) 중 하나 및 원격 접지 전극과 연결하는 것은 종래 기술이다(테이블 1에 언급된 "원격 접지"는 도면에 도시되지 않음). 유사하게, 캐리어의 동일 면 상의 인접한 두 전극을 사용하는 것(즉, 전극 1과 2 또는 전극 3과 4)은 종래 기술이다.
그러나, 상기에 기술된 바와 같이, 캐리어의 양측면들 상의 두 전극(즉, 전극 1과 4 또는 전극 2와 3)과 신호 소스를 연결하는 것은 신규하며 종래 기술에 비하여 더 집중된 자극 필드를 제공한다.
더 나아가, 자극 전극의 바로 뒤에 있지 않은 회귀 전극을 사용하는 것(즉, 전극 1과 3 또는 전극 2와 4)은 축이 없는(off-axis) 자극 필드를 생성한다(즉, 자극 전극을 직교하여 이등분하는 축을 갖지 않음). 이런 관점에서, 도 14에서 도시된 것과 같이, 안티뉴럴 평면 상에 둘 이상의 회귀 전극을 포함하는 캐리어를 사용하고 전극(2)과 같은 특정한 자극 전극과 하나 또는 그 이상의 회귀 전극(3 내지 7)과 쌍을 짓는 것에 의하여, 자극 필드는 신경 조직(112)의 선택 영역으로 조향(steer)될 수 있다. 이러한 조향은 단순히 캐리어 상의 상호 정 반대측에 위치한 전극의 다른 쌍을 선택하는 것보다 더 향상된 공간적 해상도(spatial resolution)를 제공한다. 더 나아가, 회귀 전극(3 내지 7)은 자극 전극의 정 반대측에 위치할 필요는 없고 캐리어는 자극 전극보다 더 많거나 적은 회귀 전극을 가질 수 있다.
도 13과 도 14에 도시된 신경 자극기는 작은 수의 전극을 포함하지만, 본 도면은 선택적으로 더 많은 전극(도시되지 않음)을 포함한 신경 자극기의 오직 일부분을 나타내는 것이라고 해석될 수 있다. 추가적으로, 상기에 기술된 션트 게이트는 경사진 바이폴라 자극기와 조합될 수 있다. 본 명세서에 기술된 태양들의 다른 조합도 또한 가능하다.
본 발명은 상기에 기술된 예시적인 실시예를 통하여 기술되었지만, 본 기술분야의 당업자는 본 명세서에 개시된 발명의 사상에서 벗어나지 않는 예시된 실시예의 다양한 수정과 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 더 나아가, 일부 실시예는 다양한 예시적인 물질과 제조 기술과 관련하여 기술되었지만, 본 기술분야의 당업자는 본 시스템이 다양한 다른 물질과 제조기술을 사용하여 구현될 수 있다는 것을 받아들일 것이다. 이와 유사하게, 일부 실시예는 인공와우(CI)에 사용될 수 있지만, 이를 포함한 다른 실시예들은 피질, 척추, 방광 자극기와 같은 다른 종류의 신경 자극기에 통증 제어, 진단, 신경 재활 및 다른 목적을 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구항의 범위와 사상 이외의 것에 의하여 한정될 수 없다.

Claims (33)

  1. 신경 자극기로서,
    제1 면 및 상기 제1 면과 실질적으로 반대측에 있는 제2 면을 가지는 비도전성 캐리어(nonconductive carrier);
    상기 캐리어의 상기 제1 면 상에 배치된 적어도 하나의 제1 전극; 및
    상기 캐리어의 상기 제2 면 상에 배치된 적어도 하나의 제2 전극을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 전극은 상기 적어도 하나의 제2 전극과 전기적으로 연결되지 않은 신경 자극기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어는 원형 횡단면 형상을 가지는 신경 자극기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어는 타원형 횡단면 형상을 가지는 신경 자극기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어는 직사각형 횡단면 형상을 가지는 신경 자극기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 각 제1 전극은 상기 적어도 하나의 제2 전극 중 하나에 대응하고, 상기 적어도 하나의 각 제2 전극은 상기 대응하는 제1 전극의 중심에 위치하고 이를 직교하는 선 상에 중심이 위치하는 신경 자극기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 전극 중 하나 및 상기 대응하는 제2 전극과 연결된 신호 소스(signal source)를 더 포함하는 신경 자극기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 각 제1 전극은 상기 적어도 하나의 제2 전극 중 하나에 대응하고, 상기 적어도 하나의 각 제2 전극은 상기 대응하는 제1 전극의 중심에 위치하고 이를 직교하는 선 상에 중심이 위치하지 않는 신경 자극기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 전극 중 하나 및 상기 대응하는 제2 전극과 연결된 신호 소스를 더 포함하는 신경 자극기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어는 이를 관통하는 적어도 하나의 션트 게이트(shunt gate)를 포함하는 신경 자극기.
  10. 제9항에 있어서,
    각 션트 게이트는 상기 캐리어를 관통하는 보어(bore)를 정의하는 신경 자극기.
  11. 제9항에 있어서,
    각 션트 게이트는 전기적 도전성 물질을 포함하는 신경 자극기.
  12. 제1항에 있어서,
    각 제2 전극은 링 전극을 포함하는 신경 자극기.
  13. 제12항에 있어서,
    각 링 전극은 포토리소그래픽 공정(photolithographic process)에 의해서 형성되는 신경 자극기.
  14. 제12항에 있어서,
    각 링 전극은 전착 공정(electrodeposition process)에 의해서 형성되는 신경 자극기.
  15. 제12항에 있어서,
    각 링 전극은 레이저 어블레이션 피착 공정(laser ablation deposition process)에 의해서 형성되는 신경 자극기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 전극은 어레이(array)로 배열된 복수의 전극들을 포함하는 신경 자극기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 복수의 전극들을 포함하고, 상기 복수의 전극들 각각은 링 전극을 포함하는 신경 자극기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 캐리어는 각 제1 전극에 근접한 적어도 하나의 션트 게이트를 포함하며, 각 션트 게이트는 상기 캐리어를 관통하여 연장되는 신경 자극기.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 각 제1 전극은 상기 캐리어의 표면 아래에 배치된 적어도 하나의 이어(ear)를 포함하는 신경 자극기.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 전극은 상기 캐리어의 상기 제1 면의 영역 내에 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 영역은 상기 복수의 제1 전극 사이의 공간을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 상기 캐리어의 상기 제2 면 상에 전기적 도전성 표면을 포함하고, 상기 표면은 적어도 상기 캐리어의 상기 제1 면 상의 상기 면적만큼 큰 면적을 가지는 신경 자극기.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 복수의 전극들을 포함하고, 각 전극들은 신호 소스와 연결가능한 신경 자극기.
  22. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 션트 게이트는 상기 캐리어를 직교적으로 관통하여 연장되는 신경 자극기.
  23. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 션트 게이트는 상기 캐리어를 비직교적으로 관통하여 연장되는 신경 자극기.
  24. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 각 션트 게이트는 상기 적어도 하나의 제1 전극 중 하나의 주위에 배열되는 복수의 션트 게이트들을 포함하는 신경 자극기.
  25. 제18항에 있어서,
    각 션트 게이트는 상기 캐리어를 관통하는 보어를 정의하는 신경 자극기.
  26. 제18항에 있어서,
    각 션트 게이트는 전기적 도전성 물질을 포함하는 신경 자극기.
  27. 신경 조직을 자극하는 방법에 있어서,
    신호 소스를 제1 전극에 연결(coupling)하는 단계; 및
    상기 신호 소소를 상기 캐리어의 상기 제1 전극과 반대측에 있는 면 상에 위치하는 제2 전극과 연결하고, 이에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기적 전위(electrical potential)를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 신호 소스를 상기 제2 전극에 연결하는 단계는 상기 신호 소스를 상기 제1 전극의 중심에 위치하고 이를 직교하는 선 상의 중심에 위치한 전극에 연결하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 신호 소스를 상기 제2 전극에 연결하는 단계는 상기 신호 소스를 상기 제1 전극의 중심에 위치하고 이를 직교하는 선 상의 중심에 위치하지 않는 전극에 연결하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    적어도 부분적으로, 상기 제1 전극의 중심에 위치하고 이를 직교하는 축을 따르는 자극 필드를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 제1 전극에 직교하지 않는 축을 따르는 자극 필드를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 의해서 생성된 자극 필드를 조향하는 단계를 더 포함하는 방법.
  33. 제27항에 있어서,
    상기 신호 소스를 상기 제2 전극에 연결하는 단계는 상기 신호 소스를 상기 캐리어의 상기 제1 전극과 반대측에 있는 면 상에 위치한 복수의 제2 전극과 연결 하는 단계 - 적어도 하나의 복수의 제2 전극은 상기 제1 전극의 중심에 위치하고 이를 직교하는 선 상에 중심이 위치하지 않음 - 를 포함하는 방법.
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