KR20120125568A

KR20120125568A - 이식가능한 전정 보형물

Info

Publication number: KR20120125568A
Application number: KR1020127020600A
Authority: KR
Inventors: 찰스 콜맨 델라 산티나; 진 예브게니 프리드만; 브라이스 치앙
Original assignee: 더 존스 홉킨스 유니버시티
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-11-15
Also published as: EP2523724A4; EP2974770A1; EP2974770B1; CA2965956C; CA2786717C; AU2011205324A1; CN104815391B; EP2523724A2; EP2523724B1; US20120277835A1; CN103079638B; CA2786717A1; US8868202B2; AU2011205324B2; WO2011088130A3; WO2011088130A2; CN104815391A; CA2965956A1; CN103079638A

Abstract

이식가능한 신경 자극 장치는 센서 시스템, 상기 센서 시스템과 통신하는 데이터 프로세서, 상기 데이터 프로세서와 통신하고 적어도 하나의 전정 달팽이 신경의 적어도 하나의 분지에 전기적 자극을 제공하도록 구성되는 신경 자극 시스템을 포함한다. 상기 신경 자극 시스템은 전정 신경의 상위 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 1 전극, 전정 신경의 수평 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 2 전극, 전정 신경의 후위 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 3 전극 및 전정 미로의 공통각에 외과적으로 이식되도록 구성되는 공통각 기준 전극을 포함하는 전극 어레이를 포함한다.

Description

이식가능한 전정 보형물{IMPLANTABLE VESTIBULAR PROSTHESIS}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2010년 1월 12일자 출원된 미국 가출원 제 61/294,291호, 2010년 2월 4일자 출원된 미국 가출원 제 61/301,401 호 및 2010년 11월 4일자 출원된 미국 가출원 제 61/410,107호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 가출원들의 전체 내용은 본 원에 참조로 포함된다.

본 발명은 미국 국립건강보건원 보건후생부에 의해 수여된 보조금 번호 R01DC9255, K08DC6216 및 5F32DC009917의 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 일정 권리가 있다.

본 발명의 현재 청구된 구체예들의 분야는 신경을 자극하기 위한 시스템 및 부품들에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 외과적으로 이식할 수 있는 전정 보형물(vestibular prosthesis) 및 부품을 포함하는 시스템, 외과적으로 이식할 수 있는 전정 보형물에 대한 알고리즘, 자극 프로토콜 및 방법에 관한 것이다.

정상 개체에 있어서, 두 개의 내이 미로는 각각의 전정 신경 분지(vestibular nerve branch)내의 구심성 섬유 상의 활동을 조절하여, 중력 및 병진 운동(중력 관성 가속으로 명명함) 모두로 인해 회전 머리 운동 및 선형 가속의 감각이 중추신경계(CNS)에 제공되도록 한다. 각각의 미로는 머리 회전을 감지하기 위한 세 개의 서로 직교하는 반고리관(SCC)들을 포함한다. 각각의 SCC는 이의 축에 대한 3차원적(3D) 머리 각속도의 성분과 대략 때를 같이하여 전정 신경의 그의 분지 상의 활동을 조절한다 (도 1 참조). 각각의 SCC는 마주하는 귀의 SCC와 대략 동일 평면상에 존재하고, SCC의 각각의 동일평면 쌍은 역평행 각속도 센서의 쌍으로 효과적으로 작용한다. 수평의 좌전 우후(LARP) 및 우전 좌후(RALP) 축에 배열된 SCC들은 이들 각각의 축에서 각속도의 감지를 담당하고, 두 개의 이석 말단 기관(난원낭 및 구형낭)은 중력관성(병진) 가속의 감지를 담당한다. 이러한 감각 입력은 상보적인 반사를 유도하여, 응시 및 자세를 안정화함으로써 시각의 선명성을 최대화하고 추락을 방지한다. 두 미로에서 전정 모세포 기능이 상실된 환자는 그의 CNS가 정상적인 머리 운동 정보 또는 중력 지남력 신호를 받지 못하기 때문에 시력 및 균형감의 점차적인 상실로 고생할 수 있다. 시각적이고 고유수용성(proprioceptive)인 입력의 보충적인 사용은 상실된 미로 입력을 부분적으로 보충할 수 있지만, 이러한 방법은 보행 중에 경험하는 것들과 같이, 일시적인 머리 운동이 빈도수가 높고 가속도가 높은 경우에는 효과가 없다(Carey, J. P. 및 C. C. Della Santina. Principles of applied vestibular physiology. Otolaryngology - Head & Neck Surgery. 2005). 미국에서만 250,000명 이상에 해당하는 미국 성인의 약 0.1%는 심각한 양측 전정 기능 저하와 일치하는 증상들을 호소하고 있다(Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, R. Hayden, T. A. Melvin, G. Y. Fridman, B. Chiang, N. S. Davidovics, C. Dai, J. P. Carey, L. B. Minor, I. C. W. Anderson, H. Park, S. Lyford-Pike, 및 S. Tang. Current and future management of bilateral loss of vestibular sensation - an update on the Johns Hopkins multichannel vestibular prosthesis project. Cochlear Implants International. 2010). 재활 운동을 통해 보정하지 못하는 사람의 경우, 충분히 효과적인 치료 방법이 존재하지 않는다. 운동 감지 입력에 근거하여 살아있는 전정 구심성 섬유의 활동을 직접 조절하는 다중채널 전정 보형물은 머리 운동 및 중력 지남력(gravitational orientation)의 감각을 효과적으로 회복시키는 경우 전정 결핍 개체의 삶의 질을 개선할 수 있다(Della Santina 외, 위에서 언급; Wall, C., D. M. Merfeld, S. D. Rauch, 및 F. O. Black. Vestibular prostheses: The engineering and biomedical issues. Journal of Vestibular Research-Equilibrium & Orientation. 12: 2002).

2000년에 Gong 및 Merfeld는 최초의 머리 장착식 전정 보형물을 설명했다(Gong, W. S. and D. M. Merfeld. Prototype neural semicircular canal prosthesis using patterned electrical stimulation. Annals of Biomedical Engineering. 28: 2000; Gong, W. S. and D. M. Merfeld. System design and performance of a unilateral horizontal semicircular canal prosthesis. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 49: 2002; Merfeld et al US Pat. No. 6,546,291 B2). 그 기기는 하나의 축에 대한 회전을 감지할 수 있고, 하나의 SCC를 자극하는 팽대 신경에서 구심성 섬유를 자극하기 위한 한 쌍의 전극을 통해 전정 신경을 전기적으로 자극할 수 있다. 이러한 기기를 이용하여, Gong 및 Merfeld 등은 다람쥐 원숭이 및 기니 피그에서 하나의 축에 대한 전정안 반사(Vestibulo-Ocular Response (VOR))를 부분적으로 회복시킬 수 있었다. 이들은 보형물에 의해 유도한 VOR의 장기 변화를 설명한 후, 자세 효과, 및 축면 SCC의 동시적인 양측 자극에 대한 반사를 설명했다(Gong, W. S., C. Haburcakova, 및 D. M. Merfeld. Vestibulo-Ocular Responses Evoked Via Bilateral Electrical Stimulation of the Lateral Semicircular Canals. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 55: 2008; Gong, W. S. 및 D. M. Merfeld. Prototype neural semicircular canal prosthesis using patterned electrical stimulation. Annals of Biomedical Engineering. 28: 2000; Gong, W. S. 및 D. M. Merfeld. System design and performance of a unilateral horizontal semicircular canal prosthesis. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 49: 2002; Lewis, R. F., W. S. Gong, M. Ramsey, L. Minor, R. Boyle, 및 D. M. Merfeld. Vestibular adaptation studied with a prosthetic semicircular canal. Journal of Vestibular Research-Equilibrium & Orientation. 12: 2002; Lewis, R. F., D. M. Merfeld, 및 W. S. Gong. Cross-axis vestibular adaptation produced by patterned electrical stimulation. Neurology. 56: 2001; Merfeld, D. M., W. S. Gong, J. Morrissey, M. Saginaw, C. Haburcakova, 및 R. F. Lewis. Acclimation to chronic constant-rate peripheral stimulation provided by a vestibular prosthesis. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 53: 2006; Merfeld, D. M., C. Haburcakova, W. Gong, 및 R. F. Lewis. Chronic vestibulo-ocular reflexes evoked by a vestibular prosthesis. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54: 2007).

Della Santina 등은 (Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, 및 A. H. Patel. Electrical stimulation to restore vestibular function - development of a 3-D vestibular prosthesis. 27th Annual IEEE Engineering in Medicine and Biology. 2005; Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, 및 A. H. Patel. A multichannel semicircular canal neural prosthesis using electrical stimulation to restore 3-D vestibular sensation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54: 2007)은 세 개의 직교하는 축에 대한 각속도를 감지하고, 단일 미로의 세 개의 팽대 신경의 각각을 동시에 자극하여, 임의의 축에 대한 머리 회전에 대한 VOR 반사의 부분적 회복을 가능하게 하는 다중채널 전정 보형물(여기서는 다중채널 전정 보형물 버젼 1의 경우 MVP1으로 나타냄)을 설명했다.

자극 전극의 수 및 전류 진폭을 증가시킨 결과, 공간 전류가 확산되어, 전정 구심성 섬유들의 적절한 다발을 선택적으로 자극하는 능력이 제한되었다. 전류 진폭을 증가시킨 결과, 예정 회전축을 변화시키지 않고 VOR 강도가 증가하였으나, 진폭이 높을수록, 전정 구심성 섬유들의 다른 다발로 전류가 확산되어 안구의 회전축이 표적 SCC에 대하여 이상적인 것을 벗어났다. Della Santina 등에 의해 수행된 이후의 연구는 MVP1을 이용하여, 자극 코딩(coding) 방법의 최적화, 3D 오정렬 오차를 최소화하기 위한 좌표계 직교화 접근방법, 청각에 대한 전정 전극 자극의 효과, 및 장기간 보형물 자극 동안 3D VOR 정렬의 변화를 연구했다(Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, R. Hayden, T. A. Melvin, G. Y. Fridman, B. Chiang, N. S. Davidovics, C. Dai, J. P. Carey, L. B. Minor, I. C. W. Anderson, H. Park, S. Lyford-Pike, 및 S. Tang. Current and future management of bilateral loss of vestibular sensation - an update on the Johns Hopkins multichannel vestibular prosthesis project. Cochlear Implants International. 2010; Chiang, B., G. Y. Fridman, 및 C. C. Della Santina. Enhancements to the Johns Hopkins Multi-Channel Vestibular Prosthesis Yield Reduced Size, Extended Battery Life, Current Steering and Wireless Control. Association for Research in Otolaryngology. 2009; Davidovics, N., G. Y. Fridman, 및 C. C. Della Santina. Linearity of Stimulus-Response Mapping During Semicircular Canal Stimulation using a Vestibular Prosthesis. ARO 2009. 2009; Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, 및 L. B. Minor. Vestibulo - ocular reflex of chinchilla during high frequency head rotation and electrical stimuli. Society for Neuroscience Abstract Viewer and Itinerary Planner. 2003: 2003; Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, H. J. Park, I. C. W. Anderson, P. Jiradejvong, L. B. Minor, 및 J. P. Carey. 3D Vestibuloocular reflex, afferent responses and crista histology in chinchillas after unilateral intratympanic gentamicin. Association for Research in Otolaryngology Annual Mtg. 2005; Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, 및 A. H. Patel. Electrical stimulation to restore vestibular function - development of a 3-D vestibular prosthesis. 27th Annual IEEE Engineering in Medicine and Biology. 2005; Della Santina, C. C., A. A. Migliaccio, 및 A. H. Patel. A multichannel semicircular canal neural prosthesis using electrical stimulation to restore 3-D vestibular sensation. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 54: 2007; Della Santina, C. C., V. Potyagaylo, A. A. Migliaccio, L. B. Minor, 및 J. P. Carey. Orientation of human semicircular canals measured by three-dimensional multiplanar CT reconstruction. Jaro-Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 6: 2005; Fridman, G. Y., N. Davidovics, C. Dai, 및 C. C. Della Santina. Multichannel Vestibular Prosthesis Stabilizes Eyes For Head Rotation About Any Axis. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. Submitted 2009: 2009; Tang, S., T. A. N. Melvin, 및 C. C. Della Santina. Effects of semicircular canal electrode implantation on hearing in chinchillas. Acta Oto-Laryngologica. 129: 2009). Della Santina 및 Faltys는 혼성 와우각 및 전정 자극체를 설명했다.

또한, Shkel 등, Constandinou 등 및 Phillips 등은 전정 보형물 회로를 설명하였으나, 생리학적 시험으로부터 얻은 결과는 발표하지 않았다(Shkel, A. M. 및 F. G. Zeng. An electronic prosthesis mimicking the dynamic vestibular function. Audiology and Neuro-Otology. 11 : 2006; Constandinou, T. 및 J. Georgiou. A micropower tilt processing circuit. Biomedical Circuits and Systems Conference, 2008.BioCAS 2008. IEEE. 2008; Constandinou, T., J, Georgiou, 및 C. Andreou. An ultra-low-power micro-optoelectromechanical tilt sensor. Circuits and Systems, 2008.ISCAS 2008.IEEE International Symposium on. 2008; Constandinou, T., J. Georgiou, C. Doumanidis, 및 C. Toumazou. Towards an Implantable Vestibular Prosthesis: The Surgical Challenges. Neural Engineering, 2007.CNE '07.3rd International IEEE/EMBS Conference on. 2007; Constandinou, T., J. Georgiou, 및 C. Toumazou. A fully-integrated semicircular canal processor for an implantable vestibular prosthesis. Electronics, Circuits and Systems, 2008.ICECS 2008.15th IEEE International Conference on. 2008; Constandinou, T., J. Georgiou, 및 C. Toumazou. A Neural Implant ASIC for the Restoration of Balance in Individuals with Vestibular Dysfunction. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2009; Constandinou, T., J. Georgiou, 및 C. Toumazou. A Partial-Current-Steering Biphasic Stimulation Driver for Vestibular Prostheses. Biomedical Circuits and Systems, IEEE Transactions on. 2: 2008; Phillips, J., S. Bierer, A. Fucks, C. Kaneko, L. Ling, K. Nie, T. Oxford, 및 J. Rubinstein. A multichannel vestibular prosthesis based on cochlear implant technology. Society for Neuroscience. 2008). Shkel 등은 고객 주문 디자인형 마이크로 전기 기계적 시스템(MEMs) 자이로스코프 및 전기 자극의 패턴을 설정하기 위한 하드웨어 기반 방법을 설명했다. 마이크로컨트롤러를 이용하여 펄스 타이밍을 측정하는 대신에, Shkel 등은 Fernandez, Goldberg 등에 의해 실험적으로 확인된 SCC 관(canal) 동력(dynamics)의 전달 기능을 모방하는 제어 회로를 개발했다(Baird, R. A., G. Desmadryl, C. Fernandez, 및 J. M. Goldberg. The Vestibular Nerve of the Chinchilla.2. Relation between Afferent Response Properties and Peripheral Innervation Patterns in the Semicircular Canals. Journal of Neurophysiology. 60: 1988). Constandinou 등은 이식물을 더욱 작게 할 수 있는 전정 보형물용 특수 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 및 대응하는 ASIC 부품들을 설명했다. Shkel 등의 기기와 마찬가지로, Constandinou 등의 기기에서 사용된 제어 회로는 관 동력 전달 기능을 실현한 회로이다. 현재까지, 생리학적 동물 실험은 Shkel 등이나 Constandinou 등에 의해 보고되지 않았다. Phillips 등은 전정 보형물로 사용하기 위해 변형된 상업적으로 이용가능한 와우각 이식물을 설명했다.

현재까지 모든 보형 전정 신경 자극 연구는 전극-신경 결합 및 민감도가 최적이 아니었기 때문에 성능에 한계가 있었고 기기 크기 및 전력 소비와 관련된 한계가 있었다. 현재까지 개발 및 제조된 전정 보형물은 다극성 "전류 조정"(current steering) 자극 프로그램을 지원할 수 있는 다중 전류원 또는 회전 및 중력 병진 가속의 센서를 포함하지 않았고, 전정 결함 환자에서 VOR의 장기 회복에 적절한 보형물을 구성하기 위한 전력 소비의 감소, 소형화, 시스템 통합, 다차원 감지 및 원위치(in situ) 자체 테스트 능력의 충분한 조합을 전혀 달성하지 않았다.

두 개의 내이에 위치한 6개의 반고리관(각 귀마다 3개)은 각 관의 공간 지남력(spatial orientation)에 해당하는, 세 개의 직교한 축에 대한 머리의 회전을 감지함으로써 뇌에 균형 정보를 제공한다. 전정 보형물은 세 개의 직교하게 배열된 자이로스코프 및 선형 가속도계를 이용하여 머리의 3D 회전 및 선형 가속을 감지함으로써 이러한 기능을 모방할 수 있다. 머리 회전의 감각은, 이식된 귀 내의 각각의 반고리관으로부터 그러한 정보를 정상적으로 운반하는 전정 신경의 세 개의 해당하는 분지(branch)를 전기적으로 자극함으로써 뇌에 전달된다. 머리의 선형 가속의 감각은 이식된 귀 내의 난원낭 및 구형낭으로부터 그러한 정보를 정상적으로 운반하는 전정 신경의 세 개의 해당하는 분지를 전기적으로 자극함으로써 뇌에 전달된다.

전정 보형물 개발의 최근의 진보에 따라, 전류의 확산은 전정 신경의 각 분지를 선택적으로 표적할 수 있는 보형물의 정밀도를 심하게 저하시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 기능적으로, 전류의 확산은 전정 신경에 전달된 전기적 자극을 통해 운반되는, 회전축과 머리 회전의 감지된 축 사이에 오정렬을 초래한다. 이는 신경 분지들 중 하나에만 자극을 전달하기 위한 자극 전류가 이웃한 분지들에도 전달되어 의도하지 않게 이들도 자극할 수 있기 때문이다. 전류 확산의 양은 자극 동안 조직을 통해 흐르는 전류의 경로 및 표적된 신경 분지에 대한 전극의 근접성에 따라 변화한다. 따라서, 원하는 자극 부위들의 각각에 근접하게 그리고 신경의 표적되지 않은 분지로부터 이격되게 전극을 정밀한 수술을 통해 배치하는 것이 보형물의 작용을 위해 중요하다. 전정 신경의 분지들은 서로 아주 근접하기 때문에, 이러한 수술을 통한 배치는 전정 신경이 반고리관(SCC)에 진입하는 경우 미세한 신경 구조(팽대부)에 손상을 초래하지 않고는 어렵다. 이러한 진입 지점들은 각 관에서의 전기적 자극을 위해 표적화된다(도 1).

따라서, 전극들의 정밀한 배치 및 자극 전류의 정밀한 전달을 용이하게 하면서 외과적 이식의 어려움 및 다양성을 최소화하는 개선된 이식가능한 전정 보형물에 대한 필요성이 남아있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 신경 자극 장치는 센서 시스템, 상기 센서 시스템과 통신하는 데이터 프로세서, 및 상기 데이터 프로세서와 통신하고 적어도 하나의 전정달팽이 신경의 적어도 하나의 분지에 전기적 자극을 제공하도록 구성된 신경 자극 시스템을 구비한다. 상기 신경 자극 시스템은 전극 어레이(electrode array)를 포함하고, 상기 전극 어레이는 상기 전정 신경의 상위 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 1 전극과, 상기 전정 신경의 수평 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 2 전극과, 상기 전정 신경의 후위 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 3 전극과, 전정 미로의 공통각(common crus)내로 외과적으로 이식되도록 구성되는 공통각 기준 전극을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 신경 자극 장치를 위한 전기 도선(electrical lead)은 복수의 제 1 와이어와, 상기 복수의 제 1 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 접촉하고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 상위 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제 1 전극과, 복수의 제 2 와이어와, 상기 복수의 제 2 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 접촉하고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 수평 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제 2 전극과, 복수의 제 3 와이어와, 상기 복수의 제 3 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 접촉하고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 후위 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제 3 전극과, 대응하는 기준 와이어와 전기적으로 연결되는 기준 전극을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 전정 자극 장치는 상기 이식가능한 전정 자극 장치를 중심으로 고정되는 회전 센서 시스템 및 방향 센서(orientation sensor) 시스템과, 상기 센서 시스템과 통신하는 데이터 프로세서와, 상기 데이터 프로세서와 통신하는 데이터 저장 시스템과, 상기 데이터 프로세서와 통신하는 전정 신경 자극 시스템을 포함한다. 상기 방향 센서 시스템은 국소 중력장(local gravitational field)에 대한 상기 이식가능한 전정 자극 장치의 방향을 감지하여 방향 신호를 제공한다. 상기 데이터 프로세서는, 상기 이식가능한 전정 자극 장치가 이식되는 머리의 머리 고정 기준 프레임의 방향에 관한 정보 및 방향 신호에 근거하여 정렬 변환 행렬을 발생하여 그 정렬 변환 행렬이 상기 데이터 저장 시스템에 저장될 수 있도록 구성되고, 상기 데이터 프로세서는 상기 회전 센서 시스템으로부터 회전 신호를 수신하고 상기 정렬 변환 행렬을 이용하여 상기 회전 신호를 보정하여 보정된 회전 신호를 상기 전정 신경 자극 시스템에 제공하도록 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신경의 전기적 자극을 위한 전극은 챔버를 한정하고 신경과의 전기적 접촉을 위한 오프닝(opening)을 제공하는 전기 절연성 구조체와, 상기 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되는 전기 전도성 구조체와, 상기 전기 전도성 구조체와 전기적 접촉 상태로 챔버에 배치되는 전해질을 포함한다.

추가의 목적 및 이점들은 설명, 도면 및 실시예로부터 명백하게 된다.
도 1은 인간 관자뼈의 컴퓨터 보조 단층촬영 및 자기 영상 스캔을 이용하여 3D 재구성으로부터 얻은 내이 및 전정 신경의 해부학적 모델을 도시한다. 미로는 수술 과정 동안에 배열되는 것과 유사하게 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수평/상위(HS) 리드(lead), 후위(P) 리드, 및 "근위"(near) 기준의 외과적 삽입 위치는 점선 타원형으로 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 전정 자극 장치의 개략도이다. 본 실시예에서는, 머리 운동을 감지하고, 데이터를 저장하고, 자극 타이밍을 계산하고, 자극 전류를 발생하고, 전극 전위를 측정하고 신경 반응을 감지하기 위한 전자 장치들이 전력 및 신호 전달을 위한 배터리 및 안테나와 함께 패키지(밀봉된 용기에 포함되거나 또는 피부를 통한 링크를 전극 어레이에 연결됨)에 수용되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 리드를 도시한다. 본 실시예에서는, 커넥터는 각각의 PtIr 와이어를 P (3개 접점) 및 HS (6개 접점) 리드 상의 잔극 접점의 각각에 연결하는 복수의 접점과, 두 개의 기준 전극을 포함한다. 난원낭의 자극을 위한 전극 어레이(하나 이상의 전극을 포함하는 U 리드), 구형낭의 자극을 위한 전극 어레이(하나 이상의 전극을 포함하는 S 리드) 및 와우각의 자극을 위한 전극 어레이(하나 이상의 전극을 포함하는 C 리드)가 선택적으로 포함된다. 본 실시예에서, 전체 어레이는 유연한 의료 등급의 실리콘과 함께 상기 실리콘내에서 커넥터로부터 각각의 전극 접점까지 진행하는 PtIr 와이어로 구성되어 있다. 다른 절연체 및 와이어 유형도 사용될 수 있다. 상기 와이어는 감기거나, 주름지거나, 또는 그렇지 않으면 리드의 신장 및 구부림 동안 응력 완화를 제공하도록 전극의 길이를 따라 상기 실리콘 내에서 간격을 두고 구부러진다. "원위"(Far) 기준 전극은 내이의 외측, 일반적으로는 머리 및 목 근육조직의 아래에 이식되도록 디자인된다. "근위"(Near) 기준 전극은 내이의 공통각(상위 및 후위 SCC의 접합부)에 이식되어, 다른 전극에 의해 방출되는 자극 전류의 방향 조절이 가능하도록 디자인된다. 전극 와이어는 경피(percutaneous) 커넥터에 연결되거나, 자극 전자장치를 함유하는 밀봉된 이식가능한 패키지에 직접 연결될 수 있다. 상기 커넥터는 내이로부터 전극 어레이를 제거하지 않고 전자장치 패키지의 원위치(in situ) 교체가 가능하도록 디자인된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HS 및 P 전극 어레이의 예를 도시하는 도면이다. 각각의 전극 접점의 치수 및 위치는 도 1에서 도시한 것과 같이 컴퓨터 보조 단층촬영 및 자기 공명 영상 스캔으로부터 얻은 측정치에 기반한다: L = 2.9 mm, Nl=0.725 mm, N2=1.45 mm, H=1.45 mm, S=1.95 mm, φΕ=0.5075 mm, φD=0.5075, φDp=0.7975, β=24°.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 전극의 일 예를 도시한다. 원추형 전극 디자인은 더욱 큰 표면적의 금속 전극이 전해질과 접촉될 수 있도록 하여, 전극을 부식시키고 이웃한 조직에 유해하게 되는 바람직하지 않은 비가역적 전기화학적 반응을 일으키지 않고 큰 자극 전류가 가능하도록 하면서, 효과적인 작은 표면적을 갖도록 함으로써 신경의 더욱 정밀한 표적화 및 더욱 강한 자극을 위한 높은 전류 밀도의 전기장을 갖도록 할 수 있다. 상기 챔버는 금속 전극에서 표적화된 조직으로 전류를 전도시키는 전해질(식염수 또는 유사하게 전도성의 액체, 겔 또는 고체)가 채워진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 관자뼈에 HS 및 P 전극 리드를 외과적으로 삽입하는 것을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬 보정을 설명하는 개략도이다. 머리 및 보형물 좌표 프레임의 정의가 우측 상단 패널에 도시되어 있고, 센서가 머리중심(centered) 기준 프레임에 대하여 정렬되도록 보형물을 맞추기 위한 머리 방향들이 하단의 세 개의 패널에서 도시되어 있다.
도 8은 LARP, RALP 및 H 기본축 및 파선을 이용하여 나타낸 운동의 롤(roll) 축으로 표시한 머리 중심 좌표 프레임의 도면이다. 보형물은 사각형으로 도시되어 있고, 자이로스코프는 머리 중심 좌표 프레임과 정렬되는 것으로 가정된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 전정 자극 장치의 개략도이;다. 패널 A는 이식물의 회로를 요약하고 있다. 좌측의 센서들은 10ms 마다 마이크로컨트롤러의 12-비트 아나로그/디지털 컨버터(ADC)에 입력된다. 마이크로컨트롤러는 펄스-주파수-변조 이상 전하-균형 펄스가 전달되는 순간 속도를 결정하기 위한 계산을 수행한다. 각각의 펄스는 디지털/아날로그 컨버터(DAC)를 통해 8개의 독립적인 전류원에 명령을 내리고 그 아날로그 스위치 라인을 우측의 13개의 전극에 토글함으로써 수행된다. 전극 임피던스를 측정하기 위한 내장 증폭기는 상기 전극들 중 임의의 전극에 연결될 수 있고, 이의 츨력은 마이크로컨트롤러의 ADC에 의해 판독될 수 있다. 두 개의 전력 공급 장치(+3V 및 +12V)는 단일 셀의 3.7V Li 이온 배터리로부터 얻어진다. 패널 B, C 및 D는 하이 사이드 전압 제어식 전류원, 전압 제어식 전류 싱크 및 증폭기의 회로를 각각 설명한다. 회색 선은 디지털 신호를 나타내는 반면, 흑색 선은 아날로그 신호를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널 전정 보형물(MVP2, 우측) 및 최초의 다중채널 전위 보형물(MVP1, 좌측)의 측면도를 도시한다. 현재 이용가능한 이중축 자이로스코프를 이용하면, MVP2의 높이는 3D로 감지하기 위하여 가장자리에 장착되는 두 개의 단일축 자이로스코프를 이용하여야 했던 MVP1의 높이의 절반 미만이 된다. MVP2의 이중축 자이로스코프는 보오드의 평면상에서 45°로 회전하여 그 MVP2는 수평 LARP 및 RALP 회전축 및 비후두축, 양미간축 및 방시상 병진축으로 감지한다.
도 11a 및 도 11b는 온-축 및 오프-축 정현파 회전에 의한 펄스 주파수 변조의 시간 도표이다(도 11a: 자이로스코프의 입력에 기반한 펄스율 변조, 및 도 11b: 선형 가속도계의 입력에 기반한 펄스율 변조). 6개의 운동 센서 각각에 의해 보고된, 신호에 의한 (HS, P, U 또는 S 전극 어레이 상의) 대응하는 자극 채널의 펄스율 변조는 초당 50°의 피크 속도와 함께 1 Hz에서 정현파 모터 회전 동안에 나타내어 진다. 펄스 기록치들은 세 개의 채널상에 동시에 취해진 다음, 이식물이 다시 정렬되어 또 다른 가속도계가 모터의 회전축과 일렬로 정렬된다. 이러한 기록(trace)은 보형물이 모터의 회전 중심으로부터 20 cm 만큼 상쇄되는 때 선형 가속도계에 의해 세 개의 채널상에 변조를 나타낸다.
도 12는 수평(상위) SCC 축, 좌전 우후(LARP-중간) SCC 축 및 우전 좌후(RALP-하위) SCC 축에 대한 암중의 2 Hz, 50°/s 머리 회전 동안 짧은 꼬리 원숭이의 평균 머리 및 안구 각속도를 도시한다. 데이터는 3일의 보형물 자극 후에 기록되었다. 적색/실선, 녹색/긴 파선, 및 청색/짧은 파선은 수평, 좌상 및 좌후 SCC 축에 대한 안구 각속도의 성분들을 각각 보여준다, 칼럼 1: 손상 전. 칼럼 2: 정상 감각을 무능화하기 위한 양측 고실내 젠타마이신 처리, 모든 SCC의 차단, 및 좌측 미로내로 전극 삽입 후. 보형물은 모든 채널 상 기선율(baseline rate )에서 펄싱하지만, 머리 회전에 따라 변조하지 않음. 안구 운동 반응이 없으므로 정상 감각이 없다. 칼럼 3: 보형물 장착 3일 후 보형물이 변조하여 자이로 신호를 암호화함. 각각의 시점에서 각각의 선의 표준 편차는 < 10°/s이다. 필요한 경우 비교를 용이하게 하기 위하여 선들은 제로 속도축을 중심으로 전도(inversion)된다. 첫 번째 반주기(half cycle)는 매 경우마다 좌측 미로의 자극을 나타낸다. 각각의 선마다 N=20 개의 주기가 있다. 블랭크는 필요한 경우 안구를 중심 위치를 복귀시킴에 따라 발생하는 안진 신속상(nystagmus quick phase)의 제거를 나타낸다.
도 13은 도 2의 전자장치 패키지 내에서 전극 전위 증폭기(EPA)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따라 아주 더 큰 거리의 기준(E10)을 이용하여 연속적으로 측정한 10 개의 미로내(intralabyrinthine) 전극의 각각에 대한 전위 파형 및 해당하는 전극 임피던스(삽입도)를 도시한다. 각각의 경우마다, 대칭적인 정전류 이상성 펄스는 150 μΑ 피크 및 200 μs/상(phase) 이었다.
도 14는 원위/근육 기준(사각형), 근위/미로내 기준(다이아몬드), 또는 이 둘 사이의 비율 분포(원형), 즉 원위 기준을 통해 복귀된 전류의 α-분율에 의해 복귀된 200 μΑ/상, 200 μs/상, 이상성 캐소드의 제1 자극 전류 펄스의 변화하는 비율과 함께 본 발명의 일 실시예를 이용한 삼극성 자극에 대한 안구의 운동을 도시한다. 테스트 동안, 동물은 암중에서 고정시켰고, 전정 보형물은 필요한 경우 죄후 관의 축에 대한 1 Hz, ±300 °/s 정현파 머리 회전을 자극하기 위해 좌측 포스트에서 펄스율을 변조하도록 설정했다. 피크 안구 운동 응답 진폭 및 오정렬(안구 반응의 원하는 축과 관찰된 3D 축 사이의 각도)는 각각의 α에서 10개 주기에 대한 평균(±1 표준 편차)으로서 계산했다. 각각의 별표는 진폭이 α=1의 경우보다 상당하게 좋으면서(p<0.0l) 오정렬이 α=0의 경우보다 상당하게 작은(p<0.01) α를 나타낸다.
도 15는 기선으로부터 자극 펄스율의 단계적 변화에 대한 안구 속도를 도시한다. 각각의 선은 X 축을 따라 나타낸 단계에 따른 대응하는 기선 펄스율을 이용하여 얻은 안구 반응의 결과를 나타낸다. 이식된 미로를 향한 머리 운동을 암호화하기 위해 전극으로 전달된 일정 기선 펄스율로부터 펄스율을 증가시키면, 강한 안구 반응이 유발된다. 이식된 미로로부터 멀어지는 머리 운동의 감각을 유발하기 위해 동일 기선으로부터 펄스율을 감소시키는 것은 그다지 효과적이지 않다.
도 16은 큰 표면적의 귀환 전극을 근육내에 위치시키면서, 우측 수평 SCC에 이식된 동일 단극 자극 전극에 전달된 세 형태의 자극에 대한 VOR 반응들의 비교를 도시한다. 60 펄스/초의 기선으로부터 펄스율을 감소시키는 것(두 번째 칼럼)과 비교하여, 애노드의 직류(DC) 자극(세 번째 칼럼)은 이식된 미로로부터 멀어지는 머리 운동을 나타내는 전정 신경의 더욱 강한 억제를 유발한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDCS 개념을 설명한다. 두 개의 패널은 동일 장치의 두 가지 상태를 나타낸다. 좌측의 패널에서, 전류는 하부 전극에서 상부전극으로 흐른다. 우측의 상태에서, 전류는 방향을 바꾼다. 그러나, 밸브는 전류 방향에 따라 상태를 변화시키기 때문에, 이온 DC 전류는 양 패널에서 전극 튜브를 통해 좌측으로부터 미로를 통해 우측으로 흐른다.

이하, 본 발명의 몇몇 실시예들을 상세히 설명한다. 실시예들을 설명함에 있어서, 특정 용어가 명료성의 목적으로 이용된다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택되는 특정 용어로 제한되지 않는다. 당 업자는 본 발명의 넓은 개념을 벗어나지 않고 다른 균등 구성요소들이 이용될 수 있고 다른 방법들이 개발될 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 배경 기술 및 상세한 설명 부분을 포함한 본 명세서에서 언급된 모든 참조문헌들은 그 각각이 개별적으로 포함되는 것처럼 본원에 참조로 통합된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 전정 자극 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 이식가능한 전정 자극 장치(100)는 센서 시스템(102)과, 센서 시스템(102)과 통신하는 데이터 프로세서(104)와, 데이터 프로세서(104)와 통신하는 전정 신경 자극 시스템(106)을 포함한다. 전정 신경 자극 시스템(106)은 상기 장치의 사용자의 전정 신경에 전기 자극을 제공하도록 구성된다. 전정 신경 자극 시스템(106)은 전극 어레이(108)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 전정 신경 자극 시스템(106)은 추가의 전자부품(110)을 포함한다.

전자부품(110)은 다수의 전류원 및 전류 싱크(sink) 또는 전압 제어 전류원(VCCS)에 명령을 주기 위한 다수의 디지털/아날로그 컨버터를 포함한다. 또한, 상기 부품은 임의의 전극을 임의의 VCCS에 연결하기 위한 다수의 스위치를 포함한다. 이러한 능력은 전류가 임의의 조합의 전극들로부터 임의의 다른 조합의 전극들로 흐르도록 하여 전극 조정(current steering)이 가능하도록 한다. 전류 조정은 전정 신경의 각각의 분지를 더욱 선택적으로 표적하기 위해 사용될 수 있다. 디지털/아날로그 컨버터 및 스위치에 명령을 줌으로써, 데이터 프로세서(104)는 자극 펄스의 타이밍 및 진폭을 제어한다. 추가의 전자부품(110)은 임의의 두 전극 사이의 임피던스 또는 신경 반응 전위를 측정하기 위한 하나 이상의 증폭기를 포함한다.

상기 전정 신경 자극 시스템(106)의 전극 어레이(108)는 전정 신경의 상위 분지와 전기적으로 접촉하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 1 전극(112)과, 전정 신경의 평행 분지와 전기적으로 접촉하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 2 전극(114)과, 전정 신경의 후위 분지와 전기적으로 접촉하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제 3 전극(116)과, 전정계의 공통각(common crus) 미로내로 외과적으로 이식되도록 구성되는 공통각 기준 전극(118)을 포함한다. 상기 전정 신경 자극 장치(106)의 전극 어레이(108)는 전정계에 이의 외측의 근접한 영역에서 전기적 접촉 상태로 고정되도록 구성되는 제2 기준 전극(12)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 기준 전극(120)은 근육 조직에 외과적으로 이식될 수 있거나 전정계의 외측에 비교적 근접하게 부착될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 기준 전극은 각각 "근위"(near) 및 "원위"(far) 기준 전극으로 보일 수 있다. 상기 전정 신경 자극 장치(106)의 전극 어레이(108)는 난원낭의 이식 및 자극을 위한 다수의 전극(241)을 갖는 리드(U 리드, 242)를 포함할 수도 있다. 또한, 전정 신경 자극 장치(106)의 전극 어레이(108)는 구형낭의 이식 및 자극을 위한 다수의 전극(251)을 갖는 리드(S 리드, 252)를 포함할 수도 있다. 또한, 전정 신경 자극 장치(106)의 전극 어레이(108)는 와우각의 이식 및 자극을 위한 다수의 전극(261)을 갖는 리드(C 리드, 262)를 포함할 수도 있다.

상기 이식가능한 전정 자극 장치(100)는 몇몇 실시예에서는 독립형 장치일 수 있거나 또 다른 장치의 구상요소로서 포함될 수 있다. 예를 들어, 와우각 이식물을 갖는 이식가능한 전정 장치(100)를 포함할 수 있고, 몇몇 실시예는 신호 및 전력의 전달을 위한 무선 인터페이스를 포함할 수 있다.

복수의 제1 전극(112), 제2 전극(114) 및 제3 전극(116)은 각각 전정 신경의 상위, 수평 및 후위 분지와 각각 전기적으로 접촉하면서 이식을 용이하게 하도록 구성되는 세 개 전극의 어레이일 수 있다. 전극(112, 114, 116, 118 및 122)은 외과적 이식을 용이하게 하기 위하여 도 2에서 도시된 바와 같이 단일 리드 구조체(122)에서 일제히 구성될 수 있다. 예를 들어, 리드(22)는 아래에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이 일 실시예에 따른 신규한 "자체 정렬" 리드 구조일 수 있다. 그러나, 본 발명의 이러한 실시예에서는 다른 리드 구조가 사용될 수도 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서는, 전정 신경 자극 시스템(106)의 전자 부품(110)은 다수의 전류원 및 다수의 전류 싱크를 포함할 수 있고, 그 전류원 및 전류 싱크는 각각 상기 복수의 제1 전극(112), 제2 전극(114), 제3 전극(116), 원위 기준 전극 및 공통각 기준 전극(118)중 하나의 전극을 선택적으로 향할 수 있다. 이는 예를 들어 특정 신경 분지의 자극을 제어하기 위한 전류 조정을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 전정 신경의 상위 및 수평 분지와 같은 신경 또는 신경 분지가 서로 근접하는 경우에 유용할 수 있다. 전자부품(110)에 대한 이러한 실시예의 일례는 아래에 상세히 설명된다. 본 발명의 일 실시예에서, 데이터 프로세서(104)는 전정 신경의 상위, 수평, 후위, 낭원낭 및 구형낭 분지 중 적어도 하나의 자극의 정도를 포함하는 정보를 수용하고 전정 신경 자극 장치에 보정된 산호를 전달하여 전류 조정을 달성하여 전정 신경의 전기적 자극을 개선하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 데이터 프로세서(104)는 전정 달팽이 신경의 적어도 하나의 분지의 자극의 정도를 포함하는 정보를 수용하고 신경 자극 장치에 보정된 신호를 제공하여 전류 조정을 달성하여 전정달팽이 신경의 전기적 자극을 개선하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 이식가능한 전정 자극 장치(100)는 데이터 프로세서(104)와 통신하는 데이터 저장 시스템(124)을 추가로 포함할 수 있다. 그 데이터 저장 시스템(124)는 예를 들어 휘발성 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 데이터 저장 시스템(124)은 데이터 프로세서(104)가 사용하기 위한 데이터를 저장하여 예를 들어 센서 장치(102)로부터 받은 신호를 보정하도록 구성될 수 있다.

상기 데이터 프로세서(104)는 이식가능한 전정 자극 장치(100)와 머리에 고정된 기준 프레임 사이의 오정렬, 전극 어레이(118)와 전장 신경의 오정렬, 및/또는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전장 신경의 자극 동안 전류 확산을 보정하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들은 아래에 더욱 상세히 설명된다.

센서 장치(102)는 본 발명의 몇몇 실시예에 따라 3축 자이로스코프 장치(126)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로-전기기계적 장치((MEMS)의 자이로스코프 시스템이 본 발명의 몇몇 실시예에 적당하다. 센서 장치(102)는 본 발명의 몇몇 실시예에 따라 방향 센서 장치(128)를 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서는 선형 가속도계의 3축 장치가 방향 센서 장치에 사용될 수 있다. 예를 들어, MEMS 선형 가속도계가 몇몇 실시예에 적당하다. 몇몇 실시예에서 방향 센서에 삼축 선형 가속도계 장치를 사용하면 대응하는 신경의 자극을 위한 중력 관성 신호를 제공하는 추가의 이점이 얻어질 수 있다. 또한, 상기 장치는 난원낭, 구형낭 및 와우각에 대한 U, S 및 C 리드 상의 적절한 자극 전류를 계산하는데 필요한 신호의 검출을 위한 음향 센서를 포함할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 전정 자극 장치를 위한 전기적 리드(200)를 설명한다. 전기적 리드(200)는 예를 들어 이식가능한 전정 자극 장치(100)에서 리드(122)에 사용될 수 있다. 그러나, 이식가능한 전정 자극 장치(100)는 리드(122)에 대한 이러한 실시예로만 제한되지 않는다. 전기적 리드(200)는 다수의 제1 와이어(202)와, 다수의 제1 와이어(202)의 대응하는 서브세트와 전기적으로 접촉하는 다수의 제1 전극(204)을 포함한다. 상기 다수의 제1 전극 와이어(202)는 전기적 절연 구조체내에 포함되고 도 3에서는 개별적으로 볼 수 없다. 상기 다수의 제1 전극(204)의 더욱 상세한 설명의 예에 대하여는 도 4를 참조한다. 상기 다수의 제1 전극(204)은 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 상위 전정 신경 분지 전극 어레이(206)를 형성한다. 또한, 전기적 리드(200)는 다수의 제2 와이어(208)(도 3에서는 개별적으로 도시하지 않음)과, 상기 다수의 제2 전극(208)의 대응하는 서브세트와 전기적으로 접촉하는 다수의 제2 전극(210)을 포함한다. 상기 다수의 제2 전극(210)은 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 수평 전정 신경 분지 전극 어레이(212)를 형성한다. 또한, 전기적 리드(200)는 다수의 제3 와이어(214)와, 상기 다수의 제3 와이어의 대응하는 서브세트와 전기적으로 접촉하는 다수의 제3 전극(216)을 포함한다. 상기 다수의 제3 전극(216)은 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 후위 전정 신경 분지 전극 어레이(218)를 형성한다. 또한, 전기적 리드(200)는 다수의 제4 와이어(241)와, 상기 다수의 제4 와이어(208)의 대응하는 서브세트와 전기적으로 접촉하는 다수의 제4 전극(도 3에서는 개별적으로 도시되어 있지 않음)을 포함한다. 상기 다수의 제4 전극(241)은 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 난원낭 전정 신경 분지 전극 어레이(242)를 형성한다. 또한, 전기적 리드(200)는 다수의 제5 와이어와, 상기 다수의 제3 와이어(214)의 대응하는 서브세트와 전기적으로 접촉하는 다수의 제5 전극(252)(도 3에서는 개별적으로 도시되어 있지 않음)을 포함한다. 상기 다수의 제5 전극(251)은 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 구형낭 전정 신경 분지 전극 어레이(252)를 형성한다. 또한, 전기적 리드(200)는 다수의 제6 와이어(261)와, 커넥터로부터의 핀들의 대응하는 서브세트와 전기적으로 접촉하는 다수의 제6 전극(262)(도 3에서는 개별적으로 도시되어 있지 않음)을 포함한다. 상기 다수의 제6 전극(261)은 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 와우각 전정 신경 분지 전극 어레이(262)를 형성한다. 용어 "실질적으로 고정된"는 다수의 제1 전극(204), 제2 전극(210) 및 제3 전극(216)이 싸여지거나 그렇지 않으면 중합체 물질과 같은 유연한 구조체에 포함되어 있는 실시예들을 포함하는 의미이다. 또한, 전기적 리드(200)는 대응하는 기준전극(222)과 전기적으로 연결되는 기준 전극(220)을 포함한다. 기준 전극(220)은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 공통각 기준 전극과 같은 근위 기준일 수 있다. 몇몇 실시예는 기준 와이어(226)와 잔기적으로 연결되는 기준 전극(224)을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예는 커넥터로부터 연장되고, 마주하는 귀의 전정 미로의 이식을 위한 전술한 것들과 유사한 제2 세트의 리드 및 전극을 추가로 포함할 수 있다.

다수의 제1 와이어(202), 다수의 제2 와이어(208), 다수의 제3 와이어(214), 기준 와이어(222) 및 원위 기준 와이어(226)의 일부 또는 전부는 본 발명의 몇몇 실시예에 따라 공통 장치 커넥터에 부착된 장치 말단부를 가질 수 있다. 도 3 및 도 4는 상위 전정 신경 분지 전극 어레이 및 수평 전정 신경 분지 전극 어레이가 외과적 이식 동안 동시적이 정렬을 용이하게 하기 위하여 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 연결되는 이식가능한 전정 자극 장치를 위한 전기적 리드(200)의 일 실시예를 나타낸다. 이러한 예에서, 상위, 수평 및 후위 전정 신경 분지 전극 어레이는 각각 3개의 전극 및 대응하는 3개의 와이어를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 전극 리드(204, 210, 216 및 220)는 과도 삽입을 방지하기 위하여 킨트(kink), 밴드, 범프, 벌지(bulge) 및/또는 마커를 포함한다. 또한, 사람에서 사용하기에 적당한 것으로 확인된 치수 파라미터가 위에서 제공되어 있다. 그러나, 본 발명의 일반적인 개념은 이러한 특정 실시예로 제한되지 않는다.

도 5는 다수의 전극(302, 304 및 306) 및 대응하는 와이어(308, 310 및 312)를 갖는 전극 어레이(300)의 실시예를 도시한다. 이는 전극(302, 304 및 306)이 챔버 전극인 예이다. 예를 들어, 챔버 전극(306)은 겔 챔버(318) 내에서 금속 전극(314) 및 전해질 겔(316)을 포함한다. 겔 챔버(318)는 조직과 전기적으로 접촉하기 위한 오프닝(320)을 한정한다. 전기적 리드(200)의 전극들 중 임의의 하나, 복수 또는 전부는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 챔버 전극일 수 있다.

상기 챔버 전극의 또 다른 실시예는 담체(300)의 치수와 비교하여 큰 금속 전극 패드(314) 없이 장치의 제조가 가능하도록 일정 거리 떨어져서 와이어 리드를 따라 후방으로 연장되는 식염수/겔 도체 챔버를 가질 수 있다. 또 다른 실시예는 금속/식염수 계면의 면적을 증가시키기 위해 도체(310, 312)로서 평평한 케이블을 이용할 수 있다. 상기 챔버는 이것이 파이거나 형성되는 절연 담체내의 비교적 작은 공극에 비교적 큰 면적의 금속-식염수 계면을 연결하는 임의의 형상을 취할 수 있다. 상기 금속 전극은 본 실시예에서 도시된 바와 같이 직사각형 패드일 수 있으나, 포토리소그라피 패터닝에서 대표적인 바와 같은 와이어 또는 평판 금속 도체를 비롯한 임의의 형상을 취할 수 있다. 특정의 금속, 절연체 및 이온 전도성 매체는 본 실시예에서의 Pt/Ir, 실리콘 및 식염수 겔과 상이할 수 있다.

실시예: 전기적 리드

전기적 리드(200)는 자극 전류의 경로를 추가로 제어하는 것이 가능하도록 전기적 기준에 대한 두 개의 가능한 선택을 갖는 자극 부위들의 각각에 근접하게 자극 접점들을 체계적으로 수술을 통해 배치하는데 도움을 줄 수 있다. 두 개의 기준 전극 중 하나를 선택하면서 각각의 자극 부위에 대한 세 개의 전극 중 하나를 선택하는 것은 예를 들어 각각의 자극 부위가 더욱 최적으로 표적되도록 더욱 신속하고 신뢰가능하게 전극을 배치하고 수술 후에 자극 및 기준 전극을 선택하는데 도움을 줄 수 있다.

전기적 리드(200)는 경피 커넥터 및 두 개의 기준 전극(원위 및 근위)을 포함할 수 있고, 전정 신경의 각각의 분지에 근접하게 수술을 통해 전략적으로 이식배치될 전극 접점을 갖는 두 개의 자극 리드(P 및 HS)를 포함할 수 있다(도 3).

예시된 실시예에서 커넥터는 전극에 보형물을 연결하기 위한 11 개의 핀을 함유한다. 그 핀들은 P 리드 (3개 접점) 및 HS 리드(6개 접점)상의 PtIr 전극 접점 및 두 개의 기준 전극들의 각각에 각각의 PtIr 와이어를 연결한다. 그 전체 어레이는 유연한 의학적 등급의 실리콘으로 구성되는데, PtIr 와이어는 커넥터로부터 전극 접점들의 각각으로 실리콘 내에서 연장되어있다. 그 와이어는 리드의 신장 및 굽힘 동안 응력 완화를 제공하도록 전극의 길이를 따라 실리콘 내에서 코일 형태로 감겨진다. 이러한 구조는 와우각 이식물 어레이의 제작 동안에 대표적으로 이용되는 표준 전극의 구조와 유사하다.

HS 리드는 6개의 전극 접점, 즉 전정 신경의 수평 분지를 표적하는 3개의 전극, 및 그 신경의 상위 분지를 표적하는 3 개의 다른 전극 접점을 포함한다. 또한, P 리드는 3개의 전극 접점을 포함한다. 다수의 접점을 이용하면, 신경 분지의 각각의 가장 선택적인 자극을 제공하는 각각의 리드 상의 전극 접점을 선택하는 것이 가능하다(도 4).

와우각 이식물에서 일반적으로 이용되는 통상적인 자극 방법은 개개의 전극 접점으로부터 근육 기준(원위 기준)으로 단극 자극을 전달한다. 이러한 자극 방법은 전정 보형물에 의해 사용되는 경우, 관자뼈에서 전정 신경으로 평행하게 연장되는 안면 신경의 의도하지 않은 활동을 초래할 수 있다. 이러한 경우, 안면 신경을 비의도적으로 표적하지 않는 대안의 자극 방법을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 대안의 전류 복귀를 제공하기 위하여, "근위" 기준이 상위 SCC 내의 천공을 통해 전정 미로의 공통각에 삽입된다(도 1). "원위" 기준보다는 근위 기준에 대하여 자극하면 전류 경로를 주로 SCC의 내측에서 유지하여, 전류가 안면 신경을 비의도적으로 자극하는 가능성을 감소시킬 수 있다. 그러나, 근위 자극 기준을 이용하는 것은 원위 기준을 이용하는 것과 비교하여 자극 선택성이 감소될 수 있고 자극 한계가 증가될 수 있다. 두 기준을 이용하는 것 사이의 선택을 가능하게 하기 위하여, 두 개의 기준 전극 모두가 어레이 상에 제공된다.

여러 위치에서 어레이의 각각의 리드 상에 다수의 전극 접점을 이용하는 추가의 이점은 쌍극 및 단극 자극 방법을 이용하여 신경의 각각의 분지의 더욱 선택적인 표적화를 위한 추가의 선택을 제공할 수 있다는 것이다. 단극 자극을 이용하면, 전류는 단극 자극에서와 같이 개개의 전극으로부터 근위 또는 원위 기준으로 흐르는 외에도 임의의 다른 전극 또는 전극들의 조합으로 흐를 수 있다.

이러한 디자인은 절연 리드 내측에 포함되는 더욱 큰 표면적의 전극을 이용한다. 그 전극은 리드의 표면에 수축된 오프닝을 갖는 원추형 챔버 내측에 포함되는 전해질로 전류를 전도시킨다. 이러한 디자인은 그 전극의 표면적이 크게 유지될 수 있기 때문에 더욱 많은 전류가 안정적으로 흐르면서, 그 포트 홀이 작게 유지될 수 있기 때문에 더욱 작은 신경 집단을 표적할 수 있도록 한다.

몇 가지 기본형의 전극 어레이가 설명된 명세서에 따라 제작되었다. 우선, 그 기본형을 관자뼈에서의 외과적 배치를 위해 테스트했다(도 6). 실제로, HS 및 P 리드의 크기 및 형상은 전극의 외과적 배치 동안에 유용했다.

이러한 전극에 대한 추가의 개선은 HS 전극에 절연 칸막이(실리콘 또는 지방 또는 다른 물질)을 배치하여, 신경의 수평 및 상위 분지를 자극하기 위한 전극들을 분리하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 이러한 전극은 전정 및 청각 기능의 지각신경 상실로 고생하는 환자를 위한 와우각 및 전정 이식물 모두의 능력을 가질 수 있는 보형물을 이식하는 능력을 제공하기 위하여 와우각 이식물 전극과 결합될 수 있다.

실시예 : 정렬 보정

각각의 귀의 전정 미로는 그 해부학적 방향에 따라 수평(H), 좌전 우후(LARP) 및 우전 좌후(RALP)로 일반적으로 나타내어지는 세 개의 직교 축의 각각에 대한 각속도를 감지한다. 전정 보형물은 각속도를 감지하기 위한 직교하게 배열된 자이로스코프들을 포함한다. 상업적으로 이용가능한 자이로스코프는 단일 집적 회로, 예를 들어 InvenSense의 IGT3200에 일제히 패키지되어 있다. 이러한 패키지는 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 보형물의 회로판에 배치될 수 있다. 전정 보형물의 외과적 이식 동안, 그 보형물의 이상적인 배치는 회로판 상의 자이로스코프의 축을 정상 미로의 것들과 정렬되도록 하는 것이다. 그러나, 이는 환자들 사이의 해부학적 다양성 및 수술 동안에 당면하는 더욱 즉각적인 스트레스성 문제 때문에 의사에게 엄격한 요건을 부과한다. 이러한 이유로, 외과적 이식 후, 미로 방향에 대한 자이로스코프의 방향을 찾는 것이 필요하다. 머리에 대한 자이로스코프의 방향을 알면, 선형 좌표 변환을 수행하여 자이로스코프 방향을 전정 미로와 알고리즘으로 정렬할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 전정 미로의 방향에 대한 보형물의 방향을 얻어서, 선형 좌표 변환 알고리즘과 함께 사용될 수 있는 변환 행렬 M을 얻는 방법을 제공한다.

이를 달성하기 위하여, 전정 보형물에 가속도계를 추가한다. 상업적으로 이용가능한 3D 가속도계(예를 들어, STMicro의 LIS331DL)는 동일한 집적 회로에 일제히 패키지되고, 가까운 미래에는 자이로스코프(예를 들어, InvenSense의 MPU-6000)과 함께 패키지될 것으로 보인다. 가속도계의 개개의 축은 자이로스코프의 축과 정렬되도록 보형물 회로판 상에 배치될 수 있다.

수술 후 맞춤(fitting) 과정 동안에, 사람의 머리는 세 개의 전정 미로 축(H, LARP, 및 RALP)의 각각을 따라 연속적으로 정렬되도록 자세를 잡는다. 각각의 자세 잡기 동안에, 가속도계를 판독하면, 그의 X, Y 및 Z 성분에 의해 측정된 가속도가 제공한다.

도 7은 머리에 대한 회로판의 적절한 정렬, 및 이식 후 머리 중심 좌표 프레임(H, LARP 및 RALP로 표시함)과 보형물 중심 좌표 프레임(X, Y, Z로 나타냄) 사이의 상관관계를 도시한다.

이상적인 외과적 배치에서, 도 7에서의 보형물 축 Y는 머리의 H 축과 정렬되고, Z 축은 LARP 축과 정렬되고, X는 RALP 축과 정렬된다. 그러나, 외과적 배치는 에러가 있기 때문에, 도 7에서의 회로판 위치는 두 좌표 프레임 사이의 오정렬을 나타낸다.

에 관해서 머리 중심 좌표 프레임내의 벡터

를 참조한다. 보형물 좌표 프레임 내의 벡터

는

에 관해서 기재된다. 가속도계는 중력으로 인해 가속도를 측정하기 때문에, 머리가 정지 상태에 있는 경우, 상기 장치로부터 기록된 벡터는 m/s²으로 나타나고 접지를 향해 지시된다. 측정 단위에 대한 의존성을 제거하고 위를 향한 머리 방향의 반대 방향의 가속도계 측정치를 설명하기 위하여, 가속도계 측정치를 표준화하고 무효로 한다: 세 개의 머리 위치 i의 각각의 경우

.

벡터

과 머리 좌표 프레임 내의 대응하는 벡터

사이의 상관관계는

이고 여기서 M은 3 x 3 행렬이다. 맞춤 과정은 각각의 머리 방향의 가속도계 벡터

를 기록하는 것을 필요로 한다. 세 개의 가속도계 값이 기록되면, 하기 식을 풀어서 죄표 변환 행렬 M을 구한다:

머리 방향을 특별히 선택하면, 가속도계 벡터로 이루어진 칼럼으로 변환 행렬이 단순화된다:

변환 행렬

(여기서

는 보형물에 대한 자이로스코프 측정치이고,

는 머리 중심 좌표에서의 대응하는 회전이다)의 역수를 이용하여 실시간으로 자이로스코프 정렬을 보정하기 위한 계산을 수행하기 위하여 표준 선형 대수학적 방법을 사용할 수 있다. 행렬

은 두 개의 직교 좌표 프레임 사이에 회전 상관관계를 설명하기 때문에 역수가 될 수 있다.

실시예: 채널 상호작용의 선형 보상

세 개의 전극의 각각에 전달된 자극으로 인해 운동의 감지된 축에 의해 그려진 기준 프레임과 머리 중심 기준 프레임에 의해 그려진 좌표계 사이의 선형 좌표 변환을 적용하여 자극 채널 상호작용을 보정할 수 있다.

선형 좌표 변환의 개념은 기본적인 선형 대수 교과서에 기재된 표준 도구이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 동일한 선형 대수 수학적 기법을 이용하여 보형물에서 전기적 자극 채널 상호작용에 대한 새로운 보정치를 제공할 수 있다. 전기적 자극에서 고유하게 존재하는 전류 확산으로 인해 부정확할 수 있는 전기 자극에 따른 감지된 머리 운동을, 자이로스코프에 의해 감지된 실제 머리 운동과 다시 정렬시킨다.

본 발명의 이러한 실시예에 따라, 보형 자극물의 3 개의 채널 각각을 이용하여 자극하고, 전류 확산의 순 효과를 나타내는 안구 운동 반응 방향을 측정한 다음, 잘 정렬된 안구 반응을 달성하는데 필요한 신호 입력의 선형 좌표 변환을 계산한다.

이론적으로, 동일(또는 대측성) 미로에서 두 개의 다른 팽대 신경을 표적하는 다른 전극들을 통해 전달된 입력을 조절함으로써 하나의 팽대 신경을 표적하는 전극으로부터의 전류 확산의 효과를 극복할 수 있어야 한다. 예를 들어, 수평 팽대 신경을 위한 전류가 전위 또는 후위 팽대 신경을 의사(spuriously) 자극하는 경우, 순전히 수평 반고리관(SCC) 축에 대한 머리 회전은 수평 전극 입력을 변조하는 외에도, 벡터 합계를 통해 수평 머리 회전을 나타내도록 모든 3 개의 전극에 대한 자극을 동시에 변조함으로써 암호화될 수 있다. 선형성 및 벡터 중첩이 유지되는 경우, 이러한 과정은 두 개의 상이한 3D 좌표계들 사이의 단순한 선형 변환에 해당한다. 자극

의 세트(각각의

는 3개의 팽대 신경을 표적하는 3 개의 전극을 통해 전달된 자극 강도의 3중선을 나타내는 3-벡터임)를 전달하고 미로에 의해 정상적으로 암호화된 회전 속도와 머리 운동 축의 범위에 걸쳐있는 N개의 실질적인 머리 운동들의 세트에 대한 해당하는 반응

(각각의

은 관측된 안구 운동 반응의 축 및 속도를 나타내는 3-벡터임)을 측정함으로써 이러한 변환을 특징 지운다. 다음에, 하기 식 (1)이 되도록 최소 자승법을 이용하여 단일의 3 x 3 행렬 R을 구할 수 있다:

R이 정해지면, 보형물의 전극 활성화의 적절한 패턴

이 자이로스코프 신호

를 유발하는 머리 회전 동안 3 개의 팽대 신경 전극에 전달된다.

이러한 과정에서, R은 와우각 이식물을 갖는 환자에 필요한 "맞춤"의 경우와 유사하게 수시의 맞춤 동안에 계산되는 것이 요구된다. 이러한 과정을 적당히 실시하기 위하여, 3 개의 팽대 신경의 각각의 자극에 대한 안구 운동 반응의 축은 서로에 대하여 선형으로 독립적이어야 한다. 만약 그렇지 않으면, R의 역수가 존재하지 않고 행렬의 의사역(pseudoinverse) 계산이 실패하게 된다. 여기서, 선형 비의존성은 임의의 하나의 전극만을 통해 전달된 자극에 대한 각도의 전정 안구 반사(VOR) 반응의 3D 축이 다른 두 개의 전극에 개한 반응의 축에 의해 정해지는 평면에 있을 수 있다는 것을 의미한다. 선형 전보상(precompensation)이 전류 확산을 보정할 수 있는 정확도는 전기적으로 유발된 VOR 반응이 선형이고 벡터 합에 따르는 정도에도 의존한다.

선형 보상을 위한 맞춤 과정

하기의 맞춤 방법은 행렬 R을 구하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 방법에서, 머리 회전을 감지하는 자이로스코프에 의해 정상적으로 전달된 신호를 치환하기 위하여 컴퓨터에 의해 신호를 발생한다. 이러한 방법은 환자의 머리를 물리적으로 움직일 필요없이 전정 보형물에 대한 머리 운동 입력을 모방한다. 전정 보형물 자극에 대한 VOR 안구 반응은 영상안진(videooculography, VOG) 또는 공막탐지 코일법(scleral search coil technique)과 같은 표준 VOR 측정 기법을 이용하여 분석할 수 있다.

맞춤 과정 동안, 우선 각각의 전극에 전달된 전류 펄스의 진폭을 설정한다. 각각의 전극에 전달된 펄스의 진폭은 자극의 전류 수준을 서서히 증가시키면서 VOR을 유발하기 위한 자극의 주파수를 저펄스율과 고펄스율 사이, 예를 들어 2 Hz에서 초당 0개 및 400개 펄스(pps)의 사이에서 주기적으로 변조시켜서 측정된다. 한계 진폭에서, VOR 안구 반응으로 인해, 안구는 자극을 받는 전정 신경의 분지에 적절하게 되는 축에 대하여 안구가 예를 들어 2 Hz에서 전후로 운동하기 시작한다. 안구 속도는 진폭에 따라 증가한다. 안구 반응의 축의 변화에 의해 나타난 전정 신경의 다른 분지로 자극 전류가 확산하기 시작할 때까지 또는 환자가 근육 경련의 형태로 안면 자극을 경험할 때 펄스의 진폭을 증가시킨다. 표적 진폭은 이러한 자극 수준의 바로 아래에서 기록된다. 이러한 과정은 전정 신경의 대응하는 (LARP, RALP 및 수평) 분지에 근접하게 이식된 세 개의 전극 각각에 대하여 수행된다.

자이로스코프가 머리 중심 좌표계와 정렬(전술한 바와 같이 수술을 통해 또는 알고리즘을 이용하여)되었다고 가정하면, 머리가 소정의 축에 대하여 전후로 회전하면, 이러한 운동의 속도를 암호화하는 자이로스코프 신호는 진폭에 차이가 있지만 동일한 주파수를 갖는 정현파이다. 각각의 자이로스코프에 의해 보고된 정현파 신호의 진폭은 그 자이로스코프를 암호화한 축에 대한 머리 운동의 상대적 기여에 해당한다. 예를 들어, 머리가 요축(yaw axis)을 중심으로 2 Hz에서 50 deg/s의 피크 속도로 정현파 형태로 전후로 회전하여야 하는 경우, 그 축(H)에 대한 운동을 암호화하는 자이로스코프는 -50 deg/s 와 50 deg/s 사이에서 2 Hz로 진동하고 다른 두 개의 자이로스코프는 0 deg/s를 기록한다. 그렇지 않으면, 머리가 도 8에서 파선으로 도시한 롤 축(roll axis)을 중심으로 전후로 정현파 형태로 회전하여야 하는 경우(수평면을 따라 배치된 축을 중심으로 LARP 및 RALP로부터 45도로 회전), 수평 자이로스코프는 전혀 변조되지 않지만, LARP 및 RALP 자이로스코프는

와

의 사이에서 2Hz로 정현파 형태로 각각 변조된다.

임의의 축에 대한 정현파 머리 운동의 자이로스코프 암호화를 모방하기 위하여, 각각의 자이로스코프의 상대적 기여에 해당하는 변조의 진폭을 갖는 진동의 소정 주파수에서 각각의 자이로스코프에 대응 정현파 신호를 일제히 전달한다. 이러한 운동을 나타내는 자극 벡터

는 이것이 각각의 자이로스코프에 의해 감지되는 것처럼 정현파 성분의 진폭으로 이루어진다.

. 전술한 실시예들에 있어서, 요축에 대한 50 deg/s의 운동은

에 의해 결정되지만, 롤 축에 대한 회전은

에 의해 결정된다.

각각의 자극 벡터

에 대하여, 동일한 머리 좌표계의 안구 속도 벡터

를 또한 기록한다. 이러한 방식으로, 상이한 속도 및 방향에서 가능한 머리 회전수의 범위에 걸쳐있는 N개의 회전수에 대한 안구의 반응을 얻는다. 이러한 N개의 자극-반응 쌍이 얻어지면, 표준 선형 최소 자승 평가를 이용하여,

이 되도록, 자극-반응 쌍을 지도작성(map)하는 행렬 R을 얻는다.

실시예: 이식가능한 전정 자극 장치

본 발명의 일 실시예는 신규한 전정 보형물에 관한 것이다. 기종 장치의 한계의 많은 것들을 다루는 기본형(여기서는 MVP2로 나타냄)이 개발되었다. 그 장치는 작은 공간을 차지하고, 작은 전력을 소비하고, 3D 회전을 측정하고, 선형 가속도를 측정하고, 다수의 독립적인 전류원을 통해 다극성 자극을 전달하고, 전극 임피던스의 무선 제어 및 원위치 측정을 위한 회로를 포함한다.

장치 설명

시스템 다자인

도 9는 MVP2로 나타내는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식가능한 전정 자극 장치의 일예를 개략적으로 도시한다. MVP2는 MEMS 자이로스코프 및 선형 가속도계를 이용하여 운동을 검출한다. 모든 센서 출력은 소프트웨어 제어를 통해 동적으로 스위치된 전극들의 어레이를 통해 전달된 펄스열(pulse train)의 타이밍을 제어하는 마이크로컨트롤러에 10 msec 마다 일제히 샘플링된다. 각각의 펄스는 자극 단위당 0 내지 1 mA (해상도 4μΑ)의 전류 진폭 및 25 μs 내지 1000 μs (해상도 0.125 μs)의 펄스 지속시간을 가지면서 쌍극성이고 전하가 균형을 이룬다. 마이크로컨트롤러는 4 개의 전류원을 제어하고 아날로그 스위칭 네트워크를 제어하고 임의의 4개의 애노드 전극(anodic electrode)을 통해 임의의 4개의 캐소드 전극(cathodic electrode)으로 자극 전류를 발송하여, 4개의 쌍극 전극 쌍에 대한 동시적인 자극을 가능하게 한다. 전체 13 개의 전극이 이용가능하므로, 원위 기준에 대한 12개의 단극 전극, 또는 6개의 쌍극 쌍, 또는 서로 다른 삼극 또는 사극 구조로 연결될 수 있다. 활동시, 내장 센서 증폭기는 전극 임피던스의 원위치 테스트 및 유발된 신경 전위의 측정에 필요한 함수인, 전극의 임의의 두 그룹 사이의 전위차를 측정한다. 상기 시스템의 각각의 모듈은 아래에 더욱 상세히 설명된다.

센서

3D 회전 속도를 검출하기 위하여, MVP2는 요축 각속도 센서(LISY300AL, STMicroelectronics, Geneva, Switzerland) 및 이축 롤/피치 자이로스코프(IDG300, InvenSense, Sunnyvale, CA)를 이용한다. 삼축 선형 가속도계(ADXL330, Analog Devices, Norwood, MA)는 3D 병진 가속도를 측정한다. 도 10에서 도시한 바와 같이, IDG300 이축 각속도 센서는 회로판 상에 평평하게 배치되지만, ADXL330로부터 45° 상쇄되어, 후자가 전후(X, +코), 양귀간(Y, +좌측) 및 상하(Z, +상측) 머리 축과 정렬되는 경우, 자이로스코프는 LARP 및 RALP SCC와 대략적으로 정렬된 회전을 감지한다. VP2에서 사용된 센서는 MVP1과 비교하여 크기, 용량 및 전력 소비의 충분한 개선을 제공한다(표 1). MVP2의 전체 전력 소비는 MVPl의 3개 단일축 자이로스코프의 전력 소비(90m W)의 50% 미만인 44 mW 이다. 이러한 전력 소비량의 감소는 MVP1 두께의 50% 미만의 감소인 5.3 mm로의 전체 회로 두께감소 및 삼축 선형 가속도 감지의 부가에도 불구하고 (주로, MVP1의 직립 회로판에 탑재되어야 했던 두 개의 단일축 자이로스코프를 대체하기 때문에) 달성된다.

명칭	제로 레이트 값(V)	해상도	전체 범위	전압(V)/전류(mA)
ST LISY300AL	1.65	3.3 mV/°/s	±300 °/s	3.0V/4.8mA
InvenSense IDG3000	1.5	2.0 mV/°/s	±500 °/s	3.0V/9.5mA
Analog Devices ADXL330	1.5	300 mV/g	±3.6 g	3.0V/0.32mA
Analog Devices ADXRS300	2.5	5.0 mV/°/s	±300 °/s	5.0V/6mA

<센서 특성>

프로세서

MVP2의 마이크로컨트롤러(MSP430F1611, Texas Instruments, Austin, TX)는 8-MHz 검파기(crystal)에 의해 기록된다. 이는 센서 신호를 샘플링하고, 자극 펄스 타이밍을 제어하고 감지 증폭기를 샘플링하여 전극들 사이의 전위를 측정하는 외에도, 이는 자극 파라미터의 그래프식 사용자 인터페이스로 연장되는 별개의 랩탑(laptop)에 무선으로 연결될 수 있다. 상기 프로세서는 작은 패키지(9x9x1 mm³)에서 10-kB의 RAM, 48-kB의 플래시 메모리, 8개의 12-비트 아날로그-디지털 컨버터, 가용성 타이밍 기구, 저전력 모드 및 두 개의 연속적인 통신 인터페이스(UART 및 I2C)와 함께 16-비트 RISC 구조를 포함한다. 상기 아날로그-디지털 컨버터는 자이로스코프, 가속계, 및 임의의 두 전극들 사이의 전위차를 샘플링하기 위해 이용된다. 타이머 모듈은 32,768 Hz에서 작동하는 7개 이하의 독립적인 타이머(MVP2에서 ADC 샘플링을 작성하고 펼스율 타이밍을 제어한다) 및 8 MHz에서 작동하는 세 개의 타이머(이상성 전류 펄스의 미세한 타이밍을 제어하기 위한)를 제공한다. 자극 펄스를 제공하기 위하여, 우선 마이크로프로세서는 전압 제어된 전류원의 진폭을 설정한 다음, 활성 전극을 I²C 명령을 통해 교점 스위치 어레이로 한정한다. 자극 펄스 변이(pulse transition) 사이에서, 마이크로컨트롤러는 저전력 모드로 설정되어, 메모리를 유지하고 상황들 사이에서 검파기/타이머를 구동하기 위해 330 μΑ를 소비하고, 완전히 활성화되는 때, 3V로 조절된 전원으로부터 4 mA를 끌어낸다.

전류원 및 스위칭

MVP2는 전류를 공급하는 4개 이하의 전극(전류원으로 명명됨) 및 전류를 저하시키는 4개 이하의 다른 전극(전류 싱크로 명명함)에 대한 전류 진폭을 제어한다. 4개의 전류원 및 4개의 전류 싱크는 마이크로컨트롤러의 제어하에서 아날로그 스위치(ADG2128-HS, Analog Devices, Norwood, MA 및 ISL43145, Milpitas, CA)를 통해 13개의 전극의 임의의 조합에 다중 송신된다. 각각의 이상성 펄스의 제2 상은 전극들의 임의의 이상성 쌍 및 다극성 그룹에 대한 제1 펄스 상을 발생하기 위해 사용된 전류원 및 전류 싱크를 단순히 교환함으로써 발생된다. 또한, ADG2128-HS는 전극들의 임의의 쌍을 감지 증폭기의 입력에 연결하는 능력을 갖는다.

8극 디지털-아날로그 컨버터(AD5346)는 4개의 애노드측 전류원(도 9의 패널 B) 및 캐소드측 전류 싱크(도 9의 패널 C)의 각각에 대하여 원하는 전류를 나타내는 전압을 설정한다. 모든 전류원 및 싱크는 3.9 μΑ의 해상도로 0 내지 1 mA의 범위에서 전류 진폭을 제어할 수 있다. +12 V의 컴플라이언스 전압은 각각의 전극 쌍의 ~20 내지 40 kΩ의 연속적인 임피던스를 통해 원하는 전류를 전달할 수 있도록 한다.

전극 전위 증폭기

전극 전위 증폭기(EPA)는 1단의 계측용 증폭기(AD8224)로 구성된다(도 9의 패널 D). 증폭기내로의 두 개의 입력은 교점 스위치 네트워크를 통해 임의의 전극쌍에 연결될 수 있다. 1/8의 증폭기 이득 및 1.5 V의 출력 DC 오프셋을 이용하여, 가능한 최대 이상성 진폭(24V 차압)이 손상을 초래하지 않고 마이크로컨트롤러의 아날로그 입력내로 유도될 수 있도록 한다. 마이크로컨트롤러에 의해 200-kSamples/s 이하에서 샘플링된 EPA 출력은 표시 및 분석을 위한 외부 랩탑에 전송될 수 있다.

소프트웨어

IAR Systems AB (Uppsala, Sweden)에 의한 Embedded Workbench를 이용하여 마이크로컬트롤러를 프로그램하고 마이크로컨트롤러의 JTAG 인터페이스를 통해 플래시 에뮬레이션 도구를 프로그램한다. MVP2의 정규 함수는(normal function)는 하기와 같은 3개의 타이머 구동식 인터럽트 서비스 루틴(interrupt interrupt service)에 의해 계산된다: (1) 사용자의 인터페이스를 통해 장치 파라미터의 원위치 조절을 가능하게 하는 파라미터 세트 루틴; (2) 각각의 이상성 펄스를 발생하기 위한 파인-타이밍 루틴(fine-timing routine); 및 (3) 운동 센서 입력에 기반하여 각각의 자극 체널의 펄스율을 업데이트하기 위한 셈플/업데이트 루틴.

상기 샘플 업데이트 루틴은 10 ms마다 작동한다. 이는 모든 운동센서 채널에 대한 동시적인 아날로그/디지털 전환(ADC)을 가능하게 하고, 시간-도메인 여과를 통해 원신호(raw signal)를 선택적으로 사전 처리하고, 좌표 변환을 이용하여 센서/반응 오정렬을 보정하고, 따라서 MVP1에 대하여 이전에 설명된 것과 유사한 펄스율(0 내지 400 pulse/sec의 간격)과 각속도(-300 내지 +300°/s의 간격) 사이의 12-비트 해상도 머리 속도-펄스율 맵핑을 이용하여 각각의 지로스코프 채널에 대한 펄스 주파수를 업데이트한다. 이러한 맵핑(mapping)은 구분적인 선형 상관관계를 한정하는데, 종-특이적 기선율은 전정 구심성 신경 섬유에 대한 평균의 정상적인 자발적 방출률과 동일하거나 또는 약간 더 높다(예를 들어, 일반적으로, 친칠라의 경우 60 pulse/s 및 짧은 꼬리 원숭이의 경우 94 pulse/s를 이용한다). 룩업 테이블(look-up table) 접근 방법을 이용하여 이러한 비선형 맵핑 함수의 효율적인 실시간 계산을 용이하게 한다. 12-비트 ADC 값의 전체 범위는 32개의 빈(bin)으로 분할되는데, 각각의 빈은 비선형 맵핑에 대한 구분적인 선형 근사치인 하나의 구획을 한정하는 경사 및 인터셉트를 갖는다. 이러한 테이블의 크기는 메모리 사용과 계산 시간 사이의 절충을 나타낸다. 6개의 테이블(하나의 테이블은 각각의 운동 센서 입력에 대한 것임)을 이용하는 것은 768 바이트의 플래시 메모리를 차지하고, 6개 채널의 각각에 대하여 "다음 펄스까지의 시간"(time-until-next-pulse)을 업데이트하는데 222 μs를 필요로 한다.

전극 어레이

표준 미세수술 기법을 통해 각각의 SCC의 팽대 신경에 근접히게 개별적으로 위치시키는 것이 어려웠던 와이어들의 꼬여진 쌍들로부터 전극이 형성된 MVP1과 다르게, MVP2에 대하여 설계 및 제작된 전극 어레이는 임상용 와우각 이식물의 것들과 아주 유사하다. 정상 친칠라 및 짧은 꼬리 원숭이에 대한 기존의 관자뼈 시편의 microCT 영상의 3D 재구성으로부터 얻은 종 특이적 측정치에 근거하여, 각각의 전극 어레이는 9개의 활성 전극 및 2개의 기준 전극을 포함하는데, 활성 전극은 실리콘 담체내에 부분적으로 매립되어 있다. 모든 전극 패드는 생체적합성을 확보하기 위한 90/10 백금/이리듐이다.

그 새로운 전극 어레이는 단지 두 개의 실리콘 담체의 조작을 통해 9개 활성 전극의 정밀한 미세외과적 배치를 가능하게 하므로 외과적 이식을 단순화한다. 실리콘 담체는 각각의 이식된 팽대부내에서 자체 정렬되도록 형성되어, 전극은 표적 팽대 신경 말단부에 근접하여 위치한다. 각각의 담체는 팽대 신경 표적 당 3개의 전극을 포함하고, 인접한 전극들 사이에는 400 ㎛의 고정 간격이 있다. 팽대 신경 표적당 다수의 전극 접점은 전정 보형물의 수술 후 프로그래밍이 가능한 자극 부위를 선택하여 팽대 신경의 각각의 분지를 더욱 선택적으로 표적하도록 함으로써 외과적 배치의 변화성 및 해부학적 차이를 설명할 수 있도록 한다.

두 개의 기준 전극은 각각의 전극에 전달된 전기적 자극에 대한 기준의 선택을 가능하게 하고, 자극 전류의 흐름에 대한 대체 경로를 제공함으로써 각각의 신경을 표적하는 능력을 더욱 개선한다. 제1 기준 전극은 절연된 리드의 말단부에 있는 큰 표면적의 전극이고, 일반적으로 미로로부터 떨어져서 목 근육조직에 삽입된다. 하나 이상의 원위 기준 접점은 각각 전위 및 후위 SCC의 공통각 근처의 반고리관의 내부에 삽입된 전극 와이어로 구성된다.

MVP2 교점 스위치 어레이는 4개의 캐소드 전류원 또는 4개의 애노드 전류 싱크 중 임의의 것을 모든 전극에 연결하여, 많은 자극 방법을 가능하게 한다. 모든 활성 전극은 신경의 각각의 분지의 개선된 표적화를 가능하게 하기 위하여 사용될 자극 및 기준 전극 접점의 조합을 가능하게 하는, 자극 전극과 기준 전극중 하나 사이의 단극 형태, 인접한 전극들 사이의 이극 형태, 또는 다극 형태로 사용될 수 있다.

벤치탑 성능

대표적인 사용 조건하에서, 3.7 V에서 16.7 mA를 끌어내고, AAA 배터리와 같은 형상의 단일 셀의 리튬 이온 재충전가능한 배터리 상에서 14 시간 동안 작동할 수 있다. MVP2는 저 드롭아웃(dropout)의 3 V 선형 전압 조절기(TPS79730, Texas Instruments, Dallas, TX)를 이용하여, 운동 센서, 마이크로컨트롤러, DAC 및 아날로그 스위치 네트워크에 전력을 공급하는 일정한 3.00 V를 생성한다. 이러한 부품들은 보형물에 의해 소비되는 전력의 적어도 88%를 나타낸다. 유도자에 기반한 스텝업(step-up) 컨버터(LT1615, Linear Technology, Milpitas, CA)는 마이크로전극 및 조직을 통해 전류를 유도하기 위해 이용할 수 있는 컴플라이언스 전압으로서 이용되는 +12 V 전원을 발생한다.

MVP2 회로는 표면 장착 기술을 이용하여 6개 층의 29 x 29 x 5.3 mm³의 인쇄 회로 기판(도 10)상에 제작된다. 배터리 또는 무선 인터페이스 회로가 없는 완성된 장치의 중량은 3.5 g 이다. MVP1과 비교하여, MVP2는 주로 개선된 MEMs 기술 및 MVP1에 대하여 사용된 핀 기반 커넥터 대신에 더욱 얇은 리본 커넥터를 사용하기 때문에 더욱 작고 가볍다.

생체내 테스트를 위한 실험 방법

수술:

성숙한 야생형 래서스 원숭이(Macaca mulatta)를 업데이트된 보형물의 모든 생체내 테스트에 사용했다. 수술 과정은 존스 홉킨스 동물 관리 및 사용 위원회(Johns Hopkins Animal Care and Use Committee)에 의해 승인된 프로토콜에 따라 수행했다.

전극 어레이는 전정 신경의 세 개의 팽대 분지의 각각에 전류가 선택적으로 전달될 수 있도록 하기 위하여 다수의 전략적으로 배치된 전극 접점을 포함한다. 전극 어레이의 형상은 전정 신경의 두 개의 인접한 분지의 독립적인 자극을 위한 단일 천공을 통해, 두 세트의 자극 전극을 포함하는 전극 어레이의 하나의 리드의 외과적 배치를 용이하게 한다. 단일 세트의 전극 접점을 갖는 전극 어레이의 또 다른 리드는 신경의 더욱 먼 분지에 인접하게 형성되는 별개의 천공에 배치되도록 디자인된다. 전극들의 각각의 자극 세트는 다수의 PtIr 접점을 포함한다.

회전에 대한 전정 안구 반사:

예전에 설명된 장치에 감금된 외과적으로 이식된 동물을 이용하여, MVP2에 의해 전달된 전기적 자극에 대한 VOR 반응을 기록했다. 피부관통 커넥터를 통해 미로내 전극에 MVP2를 연결하여, 동물을 회전시키지 않고 보형물이 자유로이 회전될 수 있도록 하였다. 그 보형물은 동물을 회전시키지 않고 3D 공간에서 회전시켰는데, 그의 우측 미로가 여전히 건강하고 회전을 감지할 수 있었기 때문이다. 200Hz에서 3D 안구 코일 장치를 이용하여 기록한 안구 회전을 Labview에서 프로그램된 자사 소프트웨어 루틴을 이용하여 계산했다.

내장 증폭기를 이용한 전극 임피던스의 기록:

MVP2는 전정 감각을 유발할 수 있는 외에도 전극 임피던스를 동시에 기록할 수 있다. 장치에 감금된 동물을 이용하여, 전극 쌍들의 사이를 자극하고 내장 증폭기를 이용하여 그 자극을 기록했다. 이러한 자극은 목 근육조직에 이식된 큰 '원위' 전극을 기준으로 모든 미로내 전극들 사이에서 수행되었다. 모든 자극 펄스는 170 μΑ의 전류 진폭 및 200 μs의 펄스 지속시간을 가졌다. 노이즈를 제거하기 위하여 평균 16개의 자극 펄스가 사용되었다. Tektronix TPS2024 디지털 오실로스코프를 이용하여 증폭기의 출력을 기록한 후, Matlab을 이용하여 각각의 전극의 저항 및 캐패시턴스를 계산했다.

삼극 자극:

MVP2는 하나의 전극 내에서 흐르고 두 개의 전극 외측으로 흐른 전류의 양을 동시에 제어할 수 있다(삼극 자극으로 명명함). 삼극 자극이라 명명한 이러한 기법은 인가 전기장을 형성하기 위해 사용된 다음 VOR 안구 반응의 방향 및 진폭을 더욱 잘 제어하는데 사용될 수 있을 것으로 가정했다. 그 보형물은 1Hz에서 -300deg/s 내지 300deg/s의 회전에 기반하여 펄스율을 내부에서 변조하도록 구성되었다.

상위 SCC 전극(e6)과 큰 원위 전극(e10) 사이에 제시된 자극에 반응하여, 인가 전압을 20μΑ (10% 단계) 증분으로 0μΑ 에서 200μΑ로 변화시키면서 VOR 안구 반응을 측정했다. 마찬가지로, 수평 SCC 전극(e7)과 큰 원위 전극(elO) 사이에 전달된 전류의 양을 20μΑ 증분으로 0μΑ 에서 200μΑ로 변화시키면서 VOR 안구 반응을 측정했다.

상위 SCC 전극에 의해 20μΑ 증분으로 인가된 전류의 비율을 변화시킴으로써 삼극 자극을 수행했다. 나머지 전류 진폭은 수평 SCC 전극에 인가하여 200μΑ가 전달되도록 하였다. 상위 및 수평 SCC 전극은 목 근육조직에 이식된 원위 전극을 기준으로 하였다. 두 개의 단극 및 하나의 삼극 경우 외에도, 두 개의 이극 경우로부터 얻은 VOR 반응을 합계하여 삼극의 경우와 비교했다.

결과

시험관내 벤치 테스트 및 생체내 동물 실험의 결과가 아래에 제공되어 있다. 시험관내 벤치 시험은 선형 가속도계에 기반하여 스파이크열(spike train)의 펄스 주파수 변조를 확인하기 위하여 제공된다. 시험관내 시험의 결과는 래서스 원숭이의 VOR 안구 반응을 평가하고 MVP2의 새로운 특징을 확인하는 것을 포함하고, 삼극 자극으로부터 얻은 결과 및 미로내 전극의 전극 임피던스로부터 얻은 결과를 포함한다.

정현파 모터 회전에 따라 선형 가속도계에 의해 유도된 펄스 주파수 변조를 시험할 때, 일정 오프셋을 갖는 수직 가속도(아래쪽의 9.8 m/s²에 해당), 회전의 중심을 향한 정현파 변조 가속도(구심성 가속도에 해당), 및 운동의 방향을 따른 정현파 변조 가속도(접선 가속도에 해당)를 측정했다. 선형 가속도계가 정방향으로 중력 가속도(아래쪽으로 9.8m/s²)와 정렬 시, 가속도계 입력은 ~350 pps의 높은 기선 자극율에 해당하는 1.8 V 신호를 나타냈다(도 11b). 또한, 정현파 구심성(ac) 및 접선(at) 신호는 예상(ac=rΩ² 및 at=r(dΩ/dt), 여기서 Ω은 모터의 각속도임)된 바와 같이 관련이 있었다(도 11b). 예상된 바와 같이, 접선 가속도계에 의해 변조된 최대 펄스율은 구심성 가속계에 의해 변조된 최대 펄스율 보다 약 4배 더 컸다. 모터 회전축의 중심으로부터 20 cm 떨어져서 위치한 보형물의 경우 2 Hz, 50°/s 정현파 회전에서, 그 운동은 2.08 m/s²의 최대 접선 가속도를 제공하고, 최대 구심성 가속도는 0.14 m/s²이다.

MVP2는 레서스 원숭이에서 VOR 안구 반응을 회복시킬 수 있다. VP2가 3D 병진 및 회전 운동을 감지할 수 있지만, 우리는 3차원 회전만을 감지하고 팽대 신경에 전달된 자극 펄스의 순간율(instantaneous rate)을 변조시킨다. 수평, 우전 좌후, 및 좌전 우후 회전축에서 보형물을 무작위로 회전시켰고, 해당하는 축에서 항보상성(anticompensatory) 안구 운동을 기록했다. 도 12는 MVP2의 기계적 회전에 대한 VOR 안구 속도의 시간 추적을 도시한다.

170μΑ의 전류 진폭 및 200μs의 펄스 지속 시간을 갖는 이상성 대칭 펄스가 전달됨에 따라 두 자극 전극 사이의 전위차를 측정했다. 도 13은 임피던스 측정치를 나타낸다. 모든 전극 임피던스 측정치는 유사한 파형 및 크기를 갖는다. 펄스가 전달된 때 순간 전압을 구하여 전극의 저항을 구했고(R = V(t)/I(t)), 170μΑ 사각파 동안의 전압 변화를 계산하여 전극의 캐패시턴스를 구했다(C = I(t) / (dV(t)/dt)). 모든 전극들 사이의 유사한 저항 및 캐패시턴스는 유사한 크기를 갖도록 전극을 디자인했다는 사실에 의해 지지된다.

MVP2는 전극 임피던스를 측정하기 위해 사용될 수 있는 내장 증폭기를 갖는다. 170uA의 전류 진폭 및 200us의 펄스 지속 시간을 갖는 이상성 대칭 자극 펄스를, 목 근육조직에 이식된 큰 전극을 기준으로 모든 전극에 인가했다. 모든 전극은 유사한 저항 및 캐패시턴스(도 13의 삽입도)를 가졌는데, 이는 모든 전극이 유사한 표면적을 갖는다는 것을 확인시켜준다.

도 14는 삼극 구조에서 두 개의 상이한 귀환 전극의 각각을 통해 상이한 분율을 귀환시킴으로써 좌후 SCC 팽대부내의 하나의 전극으로부터 전류를 "조정(steering)"하는 효과를 설명한다. 원위 기준E10 단독에 대하여 전극 E3를 통해 전달된 캐소드의 첫 번째 전류 펄스(즉, α=1, 대표적인 "단극" 구조)는 23 ± 2.7°의 오정렬(RALP 축에 대한)을 가지면서 136 ± 7.7 °/s의 피크에서 aVOR 안구 반응을 유발했다. E3를 통해 원위 기준 El1 (즉, α=0, "쌍극" 형태)으로 전달된 자극은 209 ± 18 °/s의 더욱 큰 aVOR 안구 반응을 유발하였지만, 오정렬은 33 ± 4°에서 더욱 컸다. 중간 α 값(0.5 ≥ α ≥ 0.7)의 서브세트의 경우, 오정렬을 최소화하면서 반응 진폭을 유지하는 것이 가능했다. 비교를 위하여, 동일 동물에 대한 보형물 오프(OFF) 조건에서 RALP 회전에 대한 aVOR 안구 반응의 진폭 및 오정렬. 그러나, 전류 분포의 중간 퍼센트에서, 삼극 자극은 쌍극의 합계와 크게 다르다. 이러한 비선형성은 신경의 활성화 한계에 부분적으로 기인하는 것으로 상정된다. 귀환 전극의 위치와 상관없이 200 μΑ의 일정 전류가 인가되기 때문에, 전류가 하나의 전극에서 또 다른 전극으로 이동함에 따른 진폭의 감소가 관찰되지 않았다. 이러한 경향은 VOR 안구 반응의 진폭이 전류 진폭의 감소에 따라 감소하는 쌍극의 경우와 달랐다.

검토

MVP2의 몇 가지 특징은 임상적으로 적용가능하고 이식가능한 전정 보형물에 대한 상당한 발전을 제공한다. 그 특징으로는 장치의 감소된 크기, 더욱 낮은 전력 소모, 회전 및 선형 운동을 감지하기 위한 능력, 전류를 조정하기 위한 능력, 및 eCAP를 기록하기 위한 능력이 있다.

MVP2의 감소된 크기는 그 장치가 오늘날 임상에 이용되는 와우각 이식물과 유사한 두께 및 전체 크기의 밀폐 패키지에 배치될 수 있도록 한다. 이는 MVP1과 비교하여 현저한 개선이다. 와우각 이식물 자극 회로 크기의 최근의 감소를 고려하면, 미로내 및 와우각 전극을 갖는 혼성 와우각/전정 이식물은 와우각 이식물의 내부 프로세서에 대하여 사용된 것과 마찬가지로 귀뒤 골막아래 포켓(post-auricular subperiosteal pocket)에 쉽게 맞추어질 수 있다. SCC 팽대부에 대한 경유양 접근(transmastoid approach)은 와우각 이식에 대한 접근과 거의 동일하기 때문에, 이는 와우각 이식 수술을 수행하도록 훈련된 대부분의 의사에 의해 달성될 수 있다.

그 장치의 더욱 낮은 전력 소모는 비교적 작고, 가볍고 평평한 패키지내에서 세 개의 AAA 크기의 배터리에서 50 시간 이하의 조작을 가능하게 한다. 전력 전달을 위한 유도 경피 링크를 포함하므로, 동물에서 사용된 피부관통 연결부와 비교하여 전력 효율이 약 75 내지 80% 감소되지만, MVP1와 비교한 MVP2의 전력 소모의 거의 50% 감소로 인해, 8개 배터리의 벨트-팩(belt-pack)이 유도 경피 링크를 통해 36 시간 이상 동안 상기 장치에 전력을 공급할 수 있거나, 이너애드(Ineraid) 와우각 이식물에 대하여 사용된 것과 유사한 피부관통 커넥터를 통해 거의 일주일 동안 전력을 공급할 수 있다.

와우각 이식물에 대하여 일반적으로 사용되고 있는 귀뒤 위치의 아래로 몇 센티미터 떨어져서 전정 보형물 센서/프로세서를 골막아래에 배치하면, 자이로스코프를 이들이 모방하는 SCC와 대략적으로 정렬할 수 있다.

이식된 센서와 SCC 사이의 임의의 잔류 오정렬을 측정하고 미리 보상하기 위하여, MVP의 삼축 기속계를 이용하여, SCC 방향에 관련이 있을 수 있는 촉지가능한 두개골 경계표를 중심으로 0.139° 이하의 회전을 갖는 장치의 방향을 측정할 수 있다.

비이상적인 장치 방향 또는 전류 확산으로 인한 SCC와 주요한 반응축 사이의 오정렬은 전보상(pre-compensatory) 선형 좌표계 변환 또는 전류 조정을 통해 보정될 수 있다.

몇 개의 전류원을 제어하기 위한 능력은 채널 상호작용으로 인한 축 오정렬에 대한 더욱 용이한 제어를 달성하기 위한 수단을 제공한다. 복잡한 미로내 미세해부학적 구조는 전극의 전류원의 상이한 분율들이 삼극 방법에서 상이한 귀환으로 조정되는 때 전극의 반응축이 어느 정도 변화하는 지를 예측하는 것을 어렵게 하지만, 본 발명자들의 데이터는 다극 "전류 조정" 방법은 가능한 머리 회전의 3D 공간의 장치 적용 범위가 충분히 확장되도록 팽대 신경 자극의 패턴을 변화시킬 수 있다는 것을 확인시켜준다. 이러한 결과가 더욱 근접하게 간격을 둔 신경 개체들 사이의 전류를 더욱 근접하게 간격을 둔 전극들을 이용하여 처리하는 능력을 나타내는 경우, 전류 조정은 와우각 이식물의 경우와 마찬가지로 신경 선택성을 개선하는 방법을 제공할 수 있다.

MVP2의 내장 증폭기를 이용하여 전극 임피던스를 측정함으로써, 원위치 및 생체내에서 이식물을 이용한 장치 완전성(integrity) 및/또는 전극 이동에 대한 정보를 제공할 수 있다. 전극 임피던스 측정치는 전극 완전성 및 흉터 형성을 탐지하는 수단을 제공하기 때문에 와우각 이식물 사용자에 대한 병원에서 유용한 것으로 확인되었다.

전정 보형물 디자인의 분야에서 신규한 이러한 특징은 레서스 원숭이를 이용한 생리학적 동물 실험을 용이하게 하였다. 이러한 실험은 인간에서 실질적인 사용을 위한 필수적인 특징 및 제한을 결정하는데 도움이 될 것이다.

실시예: 안전한 직접 전류 자극

전정 보형물 기술의 현재 상태는 활동만을 자극할 수 있다. 이는 주요한 문제를 제기하는데, 하나의 귀에만 이식된 전정 보형물은 신경 활동을 자극함으로써 그 귀를 향한 신속한 머리 회전을 정밀하게 암호화할 수 있기 때문이다. 반대 방향의 머리 회전 동안에, 그 보형물은 신경 활동을 이상적으로 억제하여, 머리 회전에 대한 정보를 뇌에 전달할 수 있다. 그러나, 이는 현재의 기술 상태로는 가능하지 않다. 정상 이상의 기선 수준으로부터의 자극의 회수를 통해 억제를 자극하기 위한 시도는 최적이 아닌 결과를 초래했다.

일반적으로, 임상적으로 이식된 신경 보형물에서 직류(DC) 자극이 이용될 수 있는데, 이는 금속-식염수 계면에서 비가역적 전기화학 반응을 유발하여 독성 물질을 유리시키고 전극을 부식시키기 때문이다. 이는 와우각 이식물 및 페이스 메이커를 비롯한, 모든 임상적으로 이식된 자극 장치에 대한 공통적인 문제이다. 이는 부적당한데, DC 전류 자극은 상이한 유체 구획 사이의 일정한(구어로는 "DV") 전류 전위차 정상적으로 유지하여 모세포(정상 내이의 감각 세포)에 의한 청각 및 전정 자극의 변환을 유발하는, 특히 내이에서 상당한 이점을 제공할 수 있기 때문이다. 이러한 DC 전위를 제어하기 위한 능력은 전정 신경 반응의 자극 및 억제 모두를 가능하게 하는 반면에, 전정 보형물 기술의 현재 상태는 활동의 자극만을 가능하게 한다. 저주파수 교류(LF-AC)의 전달은 유사한 이점을 제공할 수 있지만, LF-AC 자극의 사용은 DC의 사용을 방해하는 동일한 전기화학적 제한으로 인해 방해를 받는다. 작은 금속 전극의 경우, 현재 기술 상태는 임상적으로 이식된 신경 자극 장치에서 일반적으로 간략한 전하 균형 이상성 전류 펄스의 형태로 고주파 교류(HF-AC)의 장기간 사용을 단지 가능하게 한다.

Spelman는 임상적으로 이식된 금속 전극을 이용하여 와우각의 DC 전위를 제어하기 위한 접근 방법을 설명했다(Spelman, F. Electrodes and Stimulators for Strial Presbycusis. Thirty Fourth Neural Prosthesis Workshop . 2010. 10-12-2003; Spelman, F. A., Johnson, T. J., Corbett, S. S., and Clopton, B. M. Apparatus and Method for Treating Strial Hearing Loss. (6,694,190 Bl). 2-17-2004; Spelman US Pat. No. 6,694,190 Bl).

본 발명의 이러한 실시예의 새로운 특징은 안전한 DC 자극이 전정 미로에 전달되어 전정 신경 활동을 억제하여, 예외적으로 자극적인 펄스율-변조 이상성 전류 자극이 전정 신경 흥분율(firing rate)의 더욱 큰 제어를 취할 수 있도록 하는 이러한 방법의 새로운 조합을 제공하는 것이다. 이러한 접근 방법은 CNS에 전달된 활동의 패턴으로부터 자발적인 신경 활동을 제거하여, 넓은 범위의 머리 속도에 걸쳐서 이식된 미로를 향하고 그로부터 멀어지는 머리 회전을 암호화하는 전례에 없는 능력을 신규한 전정 보형물에 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 장기적인 애노드의 DC 신경 블록의 안전한 버젼을 이용하여 구심성 섬유의 자발적인 활동을 억제하고 구심성 섬유의 스파이크율에 걸쳐서 보형물의 완전한 제어를 가능하게 함으로써 머리 회전을 암호화하는 동적 범위를 증가시키기 위한 방법 및 장치를 설명한다. 그 보형물은 선천적/자발적 신경 활동을 억제한 다음, LF-AC, HF-AC 또는 펄스 주파수 변조(PFM) 전하 균형 펄스를 이용하여, 신경 기선 작용 전위 흥분율의 완전한 외인성 제어를 달성하고 머리 운동에 대하여 이러한 기선 위 및 아래로 흥분율을 변조한다.

머리가 머리의 이식되지 않은 측을 향해 운동하는 때 VOR 안구 반응을 개선하기 위하여, 본 발명자들 및 과거의 다른 사람들은 기선 자극률이 구심성 섬유의 자발적인 흥분율보다 실질적으로 높도록 기선 자극률을 증가시키고 이러한 기선 이상의 머리 회전을 암호화하기 위한 시도를 하였다. 이러한 접근방법의 가설적인 이점은 인위적인 높은 기선으로부터 자극률을 감소시킴으로써 신경을 억제할 수 있는 동적 범위가 넓지만, 자극률을 증가시킴으로써 신경을 자극할 수 있는 동적 범위는 어느 정도 낮아진다. 이러한 방법의 개념적인 사상은 인위적인 높은 기선에 적합하도록 주요한 VOR 과정을 "재검정"하는 것이다. 실함적 관찰 결과, 기선 자극률이 인위적으로 높게 유지되는 경우, VOR 반응은 실제로 대칭적이지만, 그 반응의 진폭은 크게 감소된다. 이러한 대칭적 반응의 진폭을 증가시키기 위한 최근의 혁신적인 시도는 다람쥐 원숭이에서 수행되었다. 수 개월에 걸쳐서, 높은 감각방식(modality)과 낮은 감각방식(°/s와 펄스율 사이의 얕은 맵핑(shallow mapping)에 대한 스티프(steep))사이에서 장기 자극 민감성을 주기적으로 변화시킴으로써 전기적 자극에 대한 안구 반응의 이득을 0.05에서 2로 적당히 증가시키는 것이 가능했다.

높은 기선율 방법이 가설된 고진폭 대칭 반응을 왜 전달할 수 없는 지를 더욱 잘 이해하기 위하여, 양측 전정 결핍 친칠라의 좌후 반고리관에 이식된 전극에 진기적 자극을 전달함으로써 하기의 데이터를 얻었다. 실험 방법은 안진증이 멈출 때까지 전극에 별개의 기선 자극률을 전달한 다음, 초당 60개 펄스(pps)로 전달된 양 및 음의 펄스율을 변화시키는 것으로 구성되었다. 도 15는 더욱 높은 기선 펄스율을 사용하는 자극 방법이 더욱 작은 자극(양)의 안구 속도 반응을 유발하지만, 펄스율의 감소에 대한 억제(음) 안구 반응이 비교적 유사하고 작은 상태로 유지된다는 것을 보여준다. 또한, 그 도면은 더욱 높은 기선 자극률을 사용할 때 반응 대칭성이 개선되었다는 것을 나타낸다. 따라서, 높은 기선 자극 방법의 의도와 다르게, 더욱 높은 기선 자극률을 이용할 때 보여진 자극-억제 안구 반응 대칭성은 희망한 바와 같이 억제 동작의 동적 범위의 증가 때문이라기보다는, 자극 동작의 동적 범위의 감소 때문인 것으로 보인다.

보형물의 전극에 전달된 펄스는 전정 신경에 이미 존재하는 자발적 활동 이상으로 구심성 흥분율을 증가시키는 스파이크를 유발한다. 예를 들어, 상이한 주파수의 20개 펄스열이 전정 신경의 수평 분지 근접하여 이식된 전극을 통해 전달되는 경우, VOR 안구 반응은 단일 방향성이고, 펄스율에 따라 단조롭게 증가하는 속도를 가지므로, 흥분율의 단조로운 증가가 있다는 것을 알 수 있다. 추가의 증거는 보형물이 전원 차단 상태에서 기선 자극률로 회전되는 때 펄스율의 증가와 일치하는 방향의 명백한 안진증으로부터 확인된다. 끝으로, 레서스 원숭이에서 신경 자극 및 전정 핵으로부터의 단일 기록을 이용한 실험은 신경의 자발적 흥분과 함께 전기적으로 유발된 동작 가능성의 레이트 합계(rate summation)를 나타냈다.

따라서, 구심성 자발율이 약화될 수 있는 경우, 그 보형물은 정지 머리 자세에 해당하는 기선 스파이크율을 더욱 정밀하게 제어하는 외에도 그 율의 위 및 아래로 조절하여 머리 회전을 암호화한다고 가설하는 것이 적합하다. 전정 신경의 자발율을 약물학적으로 감소시키는 것이 가능할 수 있지만, 고농도 투여량의 아미노글리코시드 항생제를 미로내 투여하는 것과 같은 대부분의 직접적인 방법은 신경 상피 조직에 상당한 손상을 초래하고 전정 신경의 퇴화를 초래하는 것으로 확인되었다.

전정 신경 내의 자발적 활동은 애노드의 DC 자극에 의해 억제될 수 있다. 마취된 다람쥐 원숭이로부터의 단일 단위의 전정 신경 기록치로부터, 전장 신경에 근접하여 외림프 공간에 배치된 자극 전극 및 중이에 배치된 귀환 전극에 전달된 단기(5초) 애노드 전류에 반응한 구심성 억제가 확인되었다.

애노드의 DC 자극 전류가 전정 결핍 친칠라에서 구심성 자발적 활동을 억제할 수 있다는 확신을 얻기 위하여, 예비 실험을 수행했다. 우측의 수평 반고리관에 이식된 전극에 전달된 2.5 초의 애노드 자극 펄스에 대한 안구 반응을, 자극률이 60 pps의 기선으로부터 420 pps로 증가되고 60 pps의 기선으로부터 0 pps로 감소되는 때 유발된 안구 운동과 비교했다. 도 16에서의 반응은 10 개의 시험으로부터 평균한 것이다. 양의 값은 자극된 미로를 향한 머리 운동의 유발된 감각에 대한 VOR 안구 운동 반응을 나타내고, 음의 값은 상기 미로로부터 멀어지는 머리회전에 대한 VOR 안구 반응을 나타낸다. 그 도면은 애노드 자극이 강한 억제성 VOR 안구 반응을 유발할 수 있다는 것을 나타낸다. 애노드 자극을 이용하여 강한 억제 반응을 유발하기 위한 능력은 자발적 활동이 전정 신경에 실제로 존재한다는 가설 및 이러한 활동은 60 pps의 기선에서 0 pps로의 펄스율의 감소에 의해서 보다는 애노드 DC 자극에 의해 더욱 효과적으로 억제될 수 있다는 가설과 일치한다.

장기간 DC 자극을 신체에 전달하는 것은 전기분해, 패러데이 전하 이동 및 전해도금에 의한 기체의 발생 때문에 독성이 있다. 장기간 DC 자극의 특별한 문제점은 전극 부위에 이온이 축적되어, 신경 조직이 특히 민감하게 되는 이온 농도차가 발생된다는 것이다.

장기간 DC 자극에서의 안전성 문제에 대한 해결 방안은 초기에는 청력 손실에 대한 가능한 요법으로서 내와우각 전위를 지지하는 목적으로 Spelman 등에 의해 살명되었다. 그 저자들은 DC 전류 자극의 독상 작용을 극복하기 위하여 브리지-정류기 형태의 시스템을 사용하는 것을 제안했다. 그 시스템은 식염수가 채워진 챔버에 수용된 두 전극에 교류(AC)를 전달하고 4 개의 밸브를 동시에 조절하여, 그 장치의 출력에서 이온들의 DC 흐름을 발생시킨다. 따라서, DC 전류는 그 전극들을 통해 전혀 흐르지 않으며, 전기화학적 상호작용과 관련된 문제들이 회피된다. 본 발명자들은 전정 보형물 자극을 따라 구심성의 자발적 활동을 차단하기 위해 안전한 DC 자극을 사용하는 것이 보형물 단독을 이용하여 자극하는 것보다 넓은 범위의 머리 속도를 암호화하게 된다는 가설을 제안한다.

개념적으로, 안전한 DC 자극물(SDCS)은 인위적인 외림프(도 17에서는 "식염수"라 명명함)가 채워진 원형체(torus)의 대향한 말단에 걸려있는 전극들에 교류 펄스를 전달한다. 자극 극성의 각각의 변화에 따라, 각각의 전극의 양측의 밸브는 열림에서 닫힘 및 닫힘에서 열림으로 변하여, 각각의 밸브를 통한 이온 흐름에 대한 저 임피던스 및 고 임피던스 사이에서 조절한다. 그 원형체의 측면에 두 개의 연장 튜브가 연결되어, 임의의 조직으로 삽입되어 이온 전류 회로를 완성할 수 있다. 도 17은 장치의 두 상태를 비교하면서 이러한 개념을 설명한다. 두 경우, 즉 도면의 좌측 및 우측 패널에서, 전류는 자극된 조직을 통해 좌측에서 우측으로 흐른다. 이러한 방식으로, 그 장치를 제어하는 연속적인 AC 사각파는 DC 이온을 조직을 통해 좌측에서 우측으로 전달한다. 또한, 이러한 시스템은 이온이 흐르기 위한 폐쇄 회로 경로를 발생하여 이온 축적의 문제를 처리하여, 우측의 전극 튜브내로 흐르는 음이온이 좌측의 전극 튜브의 외측으로 흐르는 음이온에 의해 교체된다.

도 17에서 미로에 DC 전류를 전달하는 튜브는 도면에 기재된 SDCS 밸브 기구를 실시하는 이식된 장치에 부착될 수 있다. 이러한 장치는 본 발명의 일 실시예에 따라 전정 미로에 장기간 DC 자극을 전달하여 신경의 자발적 흥분을 억제하기 위해 전정 보형물과 함께 실시될 수 있다. 미로에 대한 SDCS 연결의 일 실시예에서, DC 전류를 운반하는 두 개의 튜브가 도 3에서 도시된 전극과 함께 삽입될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 그 두 개의 튜브는 전극 리드의 루멘(lumen)을 따라 도 3에서 도시된 전극으로 조립될 수 있다.

그 장치의 일 실시예는 하기의 것들을 포함한다.

1) 귀 또는 유사한 크기의 신체 공간에의 이식을 가능하게 하기에 충분히 작은 패키지에서 포토리소그라피, 3D 인쇄, 레이저 절제, 통상적인 기계가공, 공융 금속 제거(또는 "손실 라텍스" 방법), 또는 도 17에 도시된 것과 같이 그 장치의 기능적 균등물을 발생하기 위한 관련 접근 방법을 이용하여 마이크로- 또는 미니-가공된 생체 적합성 물질(예를 들어, 플라스틱, 실록산, PDMS, 실리콘, 폴리이미드, 질화규소, 규소, 금, Pt, Ir, Teflon®/PTFE, 유리, 또는 다른 절연 물질)로 이루어진 유체 채널 및 전극,

2) 신체 공간(그렇지 않으면 카운터 싱크)에 이온 전류의 전달을 위한 단일의 공통 유체 채널 또는 다극 유체 채널(둘 이상의 단일 유체 체널을 포함하여, 신체 구획으로부터 양이온 및/또는 음이온 종의 주입 및 추출을 가능하게 함);

3) 금속/식염수 계면에서 안전한 자극 전하-균형 기준을 위배하지 않고 높은 전류 밀도가 출입구에서 달성될 수 있도록, 절연체내의 유체 채널을 통해 절연체내의 더욱 작은 단면적의 출입구에 연결된 큰 표면적의 금속/식염수 계면을 포함하는 "챔버 전극";

4) 세균의 유입을 방지하기 위한 히드로겔 또는 기타 매질이 채워져 있는 것으로 상기 3)에서와 같은 "챔버 전극";

5) "안전한 DC" 원에 의한 장기간 억제와 함께 임의적으로 높거나 낮은 속도로 신경 활동을 유도하는 선택적인 광학 자극기;

6) 관심 조직의 흥분율을 완전히 제어하기 위해, "안전한 DC", "안전한 LF-AC", HF-AC, 및 펄스 주파수 변조 전하-균형 펄스를 포함한, 다중 주파수 자극을 전달할 수 있는 컨트롤러.

본 명세서에서 설명 및 검토된 실시예들은 당업자에게 본 발명을 어떻게 이루고 사용하는 지를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 특정의 용어가 명료성의 목적으로 이용된다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택된 특정 용어로 제한되지 않는다. 본 발명의 전술한 실시예들은 상기의 설명에 비추어 당업자에 의해 인식되는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경 또는 변화될 수 있다. 따라서, 특허청구범위 및 이의 균등물의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

Claims

센서 시스템;
상기 센서 시스템과 통신하는 데이터 프로세서;
상기 데이터 프로세서와 통신하고, 적어도 하나의 전정달팽이 신경의 적어도 하나의 분지에 전기적 자극을 제공하도록 구성되고, 전극 어레이를 포함하는 신경 자극 시스템을 포함하는 이식가능한 신경 자극 장치로서,
상기 신경 자극 시스템의 상기 전극 어레이는 상기 전정 신경의 상위 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제1 전극과, 상기 전정 신경의 수평 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제2 전극과, 상기 전정 신경의 후위 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제3 전극과, 전정 미로의 공통각에 외과적으로 이식되도록 구성되는 공통각 기준 전극을 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전정 신경 자극 시스템의 상기 전극 어레이는, 상기 전정 미로의 외측 영역에서 전기적인 접촉 상태로 고정되도록 구성되는 제2 기준 전극을 추가로 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 2 항에 있어서, 각각의 상기 복수의 전극은, 상기 전정 신경의 상기 분지들과 각각 전기적인 통신 상태로 최적의 이식을 용이하게 하기 위해 상기 미로내에서 자체 배향되도록 구성되는 다중 전극 어레이인, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 신경 자극 시스템은, 각각 적어도 하나의 전극으로 향할 수 있는 복수의 전류원 및 복수의 전류 싱크를 추가로 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 데이터 프로세서는, 상기 전정 신경의 상위, 수평 및 후위 분지의 적어도 하나의 자극에 대한 보정을 위해 사용될 정보를 수용하고, 상기 전정 신경의 전기적 자극을 향상시킬 수 있게 전류 조정을 이룰 수 있도록 보정된 신호를 상기 전정 신경 자극 시스템에 제공하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 데이터 프로세서와 통신하는 비휘발성 데이터 저장 시스템을 추가로 포함하고,
상기 비휘발성 데이터 저장 시스템은, 상기 데이터 프로세서가 상기 센서 시스템으로부터 받은 신호를 보정하기 위해 사용하기 위한 데이터를 저장하도록 구성되는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 데이터 프로세서는, 상기 이식가능한 전정 자극 장치와 머리에 고정된 기준 프레임 사이의 오정렬, 상기 전정 신경에 대한 상기 전극 어레이의 오정렬, 및 상기 전정 신경의 자극 동안 전류 확산으로 인한 머리 운동과 안구 운동 반응 또는 지각의 오정렬 중 적어도 하나를 보정하도록 구성되는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 센서 시스템은 3축 자이로스코프 시스템을 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 센서 시스템은 국소적 중력장에 대한 임의의 배향을 위한 상기 이식가능한 전정 이식 장치의 적어도 배향 정보를 제공하도록 구성되는 선형 가속도계들의 3축 시스템을 추가로 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 신경 자극 시스템의 상기 전극 어레이는, 난원낭의 전정 신경 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제4 전극과, 구형낭의 전정 신경 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제5 전극을 추가로 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 신경 자극 시스템의 상기 전극 어레이는, 와우각의 신경 분지와 전기적으로 통신하면서 외과적으로 이식되도록 구성되는 복수의 제6 전극을 추가로 포함하는, 이식가능한 신경 자극 장치.
이식가능한 신경 자극 장치용 전기적 리드로서,
복수의 제1 와이어와, 상기 복수의 제1 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 접촉하고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 상위 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제1 전극;
복수의 제2 와이어와, 상기 복수의 제2 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 접촉하고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 수평 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제2 전극;
복수의 제3 와이어와, 상기 복수의 제3 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 접촉하고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 후위 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제3 전극; 및
대응하는 기준 와이어와 전기적으로 연결되는 기준 전극을 포함하는 전기적 리드.
제 12 항에 있어서, 상기 복수의 제1 와이어, 상기 복수의 제2 와이어, 상기 복수의 제3 와이어 및 상기 기준 와이어는 모두 공통 장치 커넥터에 부착된 장치 말단부를 갖는, 전기적 리드.
제 12 항에 있어서, 상기 상위 전정 신경 분지 전극 어레이 및 상이 수평 전정 신경 분지 전극 어레이는 외과적 이식 동안 그의 표적 신경 조직에 근접한 전극들의 동시적인 자체 정렬을 용이하게 하는 기하학적 구조로 실질직으로 고정된 상태로 유지되도록 연결되는, 전기적 리드.
제 14 항에 있어서, 상기 상위, 수평 및 후위 전정 신경 분지 어레이들은 각각 세 개의 전극 및 대응하는 세 개의 와이어를 포함하는, 전기적 리드.
제 12 항에 있어서, 제2 기준 전극을 추가로 포함하고,
상기 제1 기준 전극은 전정 미로내에 외과적으로 이식되기에 적당하고,
상기 제2 기준 전극은 상기 전정 시스템에 근접하여 그 외부에 외과적으로 이식 또는 부착되는 적어도 하나가 되기에 적당한 원위 기준 전극인, 전기적 리드.
제 12 항에 있어서, 상기 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 기준 전극 중 적어도 하나의 전극은,
챔버를 한정하고 신경과 전기적 접촉을 위한 오프닝을 제공하는 전기 절연성 구조체;
상기 챔버내에 적어도 부분적으로 배치되는 전기 전도성 구조체; 및
상기 전기 전도성 구조체와 전기적 접촉 상태로 상기 챔버내에 배치되는 전해질을 포함하는 챔버 전극인, 전기적 리드.
제 12 항에 있어서,
복수의 제4 와이어와, 상기 복수의 제4 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 연결되고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 난원낭 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제4 전극;
복수의 제5 와이어와, 상기 복수의 제5 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 연결되고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 구형낭 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제5 전극; 및
복수의 제6 와이어와, 상기 복수의 제6 와이어의 대응하는 것과 전기적으로 연결되고 서로에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록 와우각 전정 신경 분지 전극 어레이를 형성하는 복수의 제6 전극을 추가로 포함하는 전기적 리드.
이식가능한 전정 자극 장치에 대하여 고정되는 회전 센서 시스템 및 방향 센서 시스템을 포함하는 센서 시스템;
상기 센서 시스템과 통신하는 데이터 프로세서;
상기 데이터 프로세서와 통신하는 데이터 저장 시스템; 및
상기 데이터 프로세서와 통신하는 전정 신경 자극 시스템을 포함하는 상기 이식가능한 전정 자극 장치로서,
상기 방향 센서 시스템은, 국소적 중력장에 대한 상기 이식가능한 전정 자극 장치의 방향을 감지하여 방향 신호를 제공하고,
상기 데이터 프로세서는, 상기 이식가능한 전정 자극 장치가 이식되는 머리의 머리-고정 기준 프레임의 방향에 대한 정보 및 상기 방향 신호에 기반하여 정렬 변환 행렬을 생성하고 그 정렬 변환 행렬이 상기 데이터 저장 시스템에 저장될 수 있도록 구성되고,
상기 데이터 프로세서는, 상기 회전 센서 시스템으로부터 회전 신호를 수신하고 상기 정렬 변환 행렬을 이용하여 상기 회전 신호를 보정하여 보정된 회전 신호를 상기 전정 신경 자극 시스템에 제공하도록 구성되는, 이식가능한 전정 자극 장치.
제 19 항에 있어서, 상기 방향 센서 시스템은, 상기 국소적 중력장에 대한 임의의 배향을 위한 상기 이식가능한 정전 자극 장치의 방향 정보를 제공하도록 구성되는 선형 가속도계들의 3축 시스템을 포함하는, 이식가능한 전정 자극 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 회전 센서 시스템은 3축 자이로스코프 시스템을 포함하는, 이식가능한 전정 자극 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 선형 가속도계들의 3축 시스템 및 상기 3축 자이로스코프 시스템은 마이크로 전기기계적 시스템인, 이식가능한 전정 자극 장치.
챔버를 한정하고 신경과의 전기적 접촉을 위한 오프닝을 제공하는 전기 절연성 구조체;
상기 챔버내에 적어도 부분적으로 배치되는 전기 전도성 구조체; 및
상기 전기 전도성 구조체와의 전기적인 접촉 상태로 상기 챔버내에 배치되는 전해질을 포함하는, 신경의 전기적 자극을 위한 전극.
제 23 항에 있어서, 상기 전기 전도성 구조체는 금속 전극, 금속 와이어, 금속 호일, 및 포토리소그래피에 의해 한정된 트레이스 중 적어도 하나인, 신경의 전기적 자극을 위한 전극.