KR20210018537A

KR20210018537A - 간섭 전류를 사용하여 척수를 자극하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20210018537A
Application number: KR1020217003709A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 제이. 캐롤
Original assignee: 메간 메디컬, 아이엔씨.
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2021-02-17
Also published as: US10350414B2; WO2017023914A1; CN107949422B; CN107949422A; AU2019203453B2; EP3331606A1; EP3331606A4; AU2016301218A1; AU2018204830B2; AU2018204830A1; US20170036029A1; JP2018527066A; JP6623281B2; US11007364B2; KR20180050301A; KR102354678B1; AU2019203453A1; US20190262616A1; US20170182324A1; CA2993814C

Abstract

척수의 전기 자극에 의한 난치성 통증 증후군의 처치를 위한 자극기 및 방법이 개시되어 있다. 예시적인 방법은 제1쌍의 이식 가능한 전극을 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 위치시키는 단계, 제2쌍의 이식 가능한 전극을 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 위치시키는 단계, 및 제1 및 제2 주파수의 신호가 서로 간섭하여 환자의 척수에 근접한 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하도록 상기 제1쌍 및 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 각각 상기 제1 및 제2 주파수의 신호를 전송하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 맥놀이 신호는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위 내의 주파수를 갖는다.

Description

간섭 전류를 사용하여 척수를 자극하는 장치 및 방법 {SPINAL CORD STIMULATION WIH INTERFERENTIAL CURRENT}

본 개시는 일반적으로 척수 자극에 관한 것이며, 특히 만성 통증 상태를 처치하기 위해 간섭 전류 패턴을 사용한 척수의 전기적 자극 장치 및 방법에 관한 것이다.

후방 척수의 전기적 자극인 척수 자극(SCS: spinal cord stimulation)은 만성 통증 상태를 처치하기 위한 효과적인 처치 도구로 발전해 왔다. 그러나 통증을 경감시키고 신체 및 내장 구조의 기능 변화를 촉진시키는 SCS에 의해 유발되는 활성화 위치 또는 신경 메커니즘에 대해서는 거의 알려지지 않았다.

척수 자극은 만성 난치성 통증 증후군 환자에게 가장 흔히 사용된다. 또한, 운동 장애 처치에 유용하며 때로는 머리 부상 후에 사용된다. 그러나 SCS의 한 가지 문제는 자극 신호에 대한 적응(accommodation) 또는 습관화(habituation)이다. 척추 자극 장치를 제조하는 회사는 복잡한 자극 프로그램을 개발했으며, SCS 동안 적응의 문제를 줄이기 위한 기술에 대해 많은 노력을 기울였다(Alfano S, Darwin J, Picullel B: Spinal Cord Stimulation, Patient Management Guidelines for Clinicians, Medtronic, Inc.). 적응은 신체가 활동이나 신호에 습관이 되거나 익숙해지고 그것을 무시하거나 주의를 기울이지 않는 때이다. 신호를 변화시키거나 신호의 초점을 계속해서 움직이게 함으로써 적응이 최소화될 수 있다.

전류 패턴을 이용한 등쪽기둥 자극(DCS: Dorsal Column Stimulation) 또는 SCS는 환자의 만성 통증 장애를 처치하는 데 비용상 이점이 있는 것으로 알려졌다(Dorsal column stimulation: cost to benefit analysis; Acta Neurochir Suppl(Wien), 520: 121-3, 1991).

SCS는 홀쉐이머(Holsheimer)에 의해 지적된 바와 같은 다소 표면적인 방식으로 등쪽기둥을 자극한다(Holsheimer J: Which Neuronal Elements are activated Directly by Spinal Cord Stimulation, Neuromodulation, Volume 5, Number 1 : 25-31, 2002). 전극은 통상 경막외강 내 경막에 부착되며, 전류 분배의 대부분은 뇌척수액(CSF: cerebrospinal fluid)에 잔류하고 등쪽기둥 내로 깊숙이 투사되지 않는다.

따라서, 전통적인 SCS 자극은 자극 강도가 증가함에 따라 CSF 내 자극 전계의 확산으로 인해 응용이 제한된다. 이것은 척수 조직 자체의 약한 전도성과 비교하여 CSF의 전도성이 강하기 때문이다. 따라서, 전통적인 SCS 자극은 척수의 비교적 좁은 표면 영역에 "진폭 제한"이 된다. 종종, 전기 자극에 대한 환자 만족도는, 활성화되는 경우, 불편함, 운동 수축(motor contractions) 및 심한 통증을 유발할 수 있는 인접한 신경 구조들의 점증(recruitment)에 의해 손상된다. 따라서 처치의 효능이 제한된다.

따라서, 만성 통증 증후군의 처치에 사용되는 경우 척수 자극 신호에 대한 적응 또는 습관화와 관련하여 전술한 결점 및 불완전함을 해결하기 위해 여전히 해결되지 않은 과제가 존재한다.

실시 예들에서, 전술한 적응의 문제를 감소시키기 위해 이식 가능한 리드(lead)에 의해 간섭 자극을 사용하는 것은 유리할 수 있다. SCS의 전극 어레이에 간섭 성분(interferential component)을 제공하면 두 신호의 교차 또는 두 신호의 중첩이 가능해지며, 맥놀이 주파수(beat frequency)의 결과적인 첨가적 효과로 인해 신호가 더 깊이 침투되고 자극 부위에서 더 큰 진폭이 얻어진다. 상기 간섭 전류는 더 많은 수의 등쪽기둥 섬유를 점증시키고 난치성 통증 환자에게 더 높은 수준의 통증 완화와 이익을 제공한다.

실시 예들에서, 척수의 전기적 자극을 사용하는 척수 자극 처치 방법이 설명된다. 상기 방법은 제1쌍의 이식 가능한 전극을 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 위치시키는 단계와, 제2쌍의 이식 가능한 전극을 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 위치시키는 단계와, 제1 및 제2 주파수의 신호를 상기 제1쌍 및 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 각각 전송하여, 상기 제1 및 제2 주파수의 신호들이 서로 간섭하여 상기 환자의 척수에 근접한 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위의 주파수를 갖는다.

다른 실시 예들에서, 척수 처치를 위한 전기 자극기가 설명된다. 상기 자극기는 서로 다른 제1 및 제2 주파수를 갖는 제1 및 제2 신호를 포함하는 간섭 출력을 발생시키는 간섭 전류 발생기와, 제1 및 제2 단부를 갖는 적어도 2쌍의 이식 가능한 전극을 포함한다. 상기 제1 단부는 상기 간섭 전류 발생기에 연결되고 상기 제2 단부는 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 이식되도록 구성된다. 상기 적어도 2쌍의 이식 가능한 전극 각각은 상기 제1 및 제2 신호 중 하나를 반송하여, 상기 제1 및 제2 주파수가 서로 간섭하여 환자의 척수에 근접하여 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하며, 상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위의 주파수를 갖는다.

이들 측면뿐만 아니라 다른 측면들, 장점들 및 대안들은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.

본 개시의 많은 양태는 다음의 도면을 참조하여 이해될 수 있다. 도면의 구성 요소는 반드시 축척이 적용된 것은 아니다. 또한, 도면에서, 동일한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 일 실시 예에서, 교차 패턴으로 배열되어 있는 2개의 회로에 의해 형성된 간섭 전류의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에서, 맥놀이 주파수 형성의 영역 및 전류 강도 레벨을 나타내는 간섭 전류 패턴의 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에서, 개별 회로들의 교차에 기인한 자극의 유효 영역을 나타내는 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에서, 이식 가능한 전극들의 다른 예시적인 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에서, 예시적인 이식 가능한 전극 배열을 도시한다.
도 6은 일 실시 예에서, 병렬 구성의 전기 자극기의 3차원 모델의 시뮬레이션의 전계 강도를 도시한다.
도 7은 일 실시 예에서, 병렬 구성의 전기 자극기의 3D 모델의 시뮬레이션의 또 다른 전계 강도를 도시한다.
도 8은 일 실시 예에서, 전극이 단일 주파수로 바이어스된 것처럼 등쪽기둥을 가로지르는 예시적인 전계 강도를 도시한다.
도 9는 일 실시 예에서, 전극이 다수의 주파수로 바이어스된 것처럼 등쪽기둥을 가로지르는 또 다른 예시적인 전계 강도를 도시한다.
도 10은 일 실시 예에서, 전극이 다수의 주파수로 바이어스되고 전극 간격에 변화가 있는 것처럼 등쪽기둥을 가로지르는 추가의 예시적인 전계 강도를 도시한다.
도 11은 일 실시 예에서, 전극이 다수의 주파수로 바이어스되고 전극 간격에 변화가 있는 것처럼 등쪽기둥을 가로지르는 추가의 예시적인 전계 강도를 도시한다.
도 12는 일 실시 예에서, 전극이 다수의 주파수로 바이어스되고 전극 간격에 변화가 있는 것처럼 등쪽기둥을 가로지르는 추가의 예시적인 전계 강도를 도시한다.
도 13은 일 실시 예에서, 척수의 전기적 자극을 사용하는 척수 자극 처치를 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
도 14a는 일 실시 예에서, 척수시상로(spinothalamic tract), 척수망상로(spinoreticular tract), 및 척수중뇌로(spinomesencephalic tract)의 예를 도시한다.
도 14b는 일 실시 예에서, 경부시상로(cervicothalamic tract)의 예를 도시한다.
도 14c는 일 실시 예에서, 척수시상하부로(spinohypothalamic tract)의 예를 도시한다.
도 15는 일 실시 예에서, 조직의 용량성 저항에 대한 예시적인 다이어그램을 도시한다.
도 16은 일 실시 예에서, 척수의 등쪽기둥 내 상행 및 하행 경로로서의 박속 핵(Gracile nucleus) 및 추체로(Pyramid tract)를 도시한다.
도 17a는 일 실시 예에서, 종래의 자극을 위해 약 100 Hz의 주파수에서 인가된 약 500 ㎲ 폭(2000 Hz 파에 해당함)의 사이너스 파(sinus wave)를 사용하는 제1 자극을 도시한다(예를 들어, 초당 100 펄스의 속도로 인가된 500 ㎲ 폭의 펄스 사인파는 2000 Hz에 해당함).
17b는 일 실시 예에서, 한 세트의 전극 쌍에 인가된 약 500 ㎲(2000 Hz에 해당)의 사이너스 파, 및 간섭 패턴을 생성하기 위해 다른 세트의 전극 쌍에 인가된 약 476 ㎲(2100 Hz에 해당)의 사이너스 파를 사용한 제2 자극을 도시한다.
도 18은 일 실시 예에서, 추체로를 따르는 전극들의 예시적인 배치를 도시한다.
도 19의 (A) 내지 (C)는 일 실시 예에서, 교차 전극 구성을 사용한 100 + 100 Hz 대 100 + 105 Hz 자극 이후의 임계치 데이터의 비교를 도시한다.
도 20의 (A) 내지 (C)는 일 실시 예에서, 병렬 전극 구성을 사용한 100 + 100 Hz 대 100 + 105 Hz 자극 이후의 임계치 데이터의 비교를 도시한다.

예시적인 방법들 및 시스템들이 본 명세서에 설명된다. "예시적인", "전형적인" 및 "실례의"이라는 단어는 본 명세서에서 "예, 사례 또는 실례로서 제공되는"을 의미하는 것으로 사용된다는 것을 이해해야 한다. "예시적인", "전형적인" 또는 "실례의" 것으로 본 명세서에서 설명된 모든 실시 예 또는 특징은 반드시 다른 실시 예 또는 특징보다 바람직하거나 유리한 것으로서 해석되지는 않는다. 본 명세서에 기술된 실시 예들은 제한하려는 것이 아니다. 본 명세서에 일반적으로 기술되고 도면에 도시된 바와 같은 본 개시의 양태들은 본 명세서에서 모두 명시적으로 고려되는 다양한 다른 구성으로 배열, 대체, 결합, 분리 및 설계될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

본 개시의 실시 예들은 척수의 전기 자극을 이용하여 만성 통증 증후군을 처치하는 장치 및 방법을 제공한다. 실시 예들에서, 환자의 척수에 근접하여 경막에 이식되는 이식 가능한 전극을 포함하는 전기 자극기가 난치성 통증 증후군의 처치를 위해 제공되고, 간섭성 자극을 이용한 맥놀이 주파수 신호를 생성하여, 척수관(spinal canal) 내의 이웃한 및/또는 부적절한 신경 대상을 자극하는 것을 회피하도록 상기 맥놀이 주파수 신호의 대부분을 방향상 분배하고 제어함으로써, 통증 처치에서 훨씬 더 효과적인 신경 자극 전계(field)를 생성한다. 다른 실시 예들에서, 상기 맥놀이 주파수 신호의 대부분이 환자의 척수에 근접한 뇌척수액 내에 잔류하고 우회하여 통과하는 것을 피하기 위해 방향상 분배되고 제어된다.

자극의 유효 영역은 전극의 수량, 전극의 위치설정 및 전극의 교차 또는 간섭 패턴 배향에 의해 제어된다. 따라서, 상기 맥놀이 주파수 신호는 방향상 제어될 수 있다.

실시 예들에서, 상기 장치는 약 500 Hz와 약 20 KHz 사이의 기본 중간 주파수 교류 전류를 갖는 간섭 전류를 이용한다. 간섭 전류는 환자의 자극 대상 영역에서 교차 패턴 또는 병렬 패턴으로 배열되는 2개 회로 사이에 형성된다. 상기 회로들이 교차 패턴으로 중첩되는 경우, 결과적인 맥놀이 주파수는 상기 2개 회로의 주파수 간 차이가 되며, 진폭은 첨가적이고 어느 하나의 회로보다 더 클 것이다. 상기 맥놀이 주파수의 범위는 25O Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위 사이에서 발생한다. 선택된 전극 배치, 페어링(pairing) 및 변조 패턴에 따라 여러 수준의 자극이 취급될 수 있다. 출력 범위는 환자의 필요에 따라 회로마다 약 0V에서 약 11V까지이고, 펄스 폭은 보통 210 ㎲로 설정되지만 약 10 내지 600 ㎲ 범위일 수 있다. 상기 진폭은 대상 자극 영역을 증가시키기 위해 각각의 회로에서 변조될 수 있다. 이러한 유형의 전류(간섭성)는, 다른 표준적인 이식 가능한 자극 시스템 및 그에 수반되는 외과용 리드와 비교하여, 개선된 방향 제어, 감소된 적응 또는 습관화, 및 증가된 침투 깊이를 제공한다. 각각의 회로에서의 출력의 진폭은 대상 자극 영역을 증가시키기 위해 변조될 수도 있다. 간섭 전류는 다른 자극 기술과 비교하여 개선된 방향 제어 및 침투 깊이를 허용한다. 따라서, 맥놀이 주파수 신호를 생성함으로써, 결과적인 첨가적 신호는 환자의 척수에 근접한 뇌척수액을 피하도록 방향 제어된다.

실시 예들에서, 회로 출력의 변조를 사용하여 척수의 특정 영역을 겨냥하기 위해, 결과적인 맥놀이 주파수 신호는 방향 제어되고 및/또는 침투 깊이가 제어될 수 있다.

실시 예들에서, 간섭 전류를 갖는 경막 상에 이식된 전극들을 포함하는 전기 자극기를 사용하는 것은, 종래의 SCS 자극을 사용하여 가능한 것보다 더 깊은 침투를 갖는 맥놀이 주파수 신호를 생성하며, 상기 맥놀이 주파수 신호의 대부분은 환자의 척수에 근접하여 조직 침투의 깊이 및 방향의 관점에서 보다 정밀하게 제어될 수 있다. 따라서, 간섭 전류는 더 많은 수의 등쪽기둥 섬유를 점증시키고 잠재적으로 더 큰 수준의 통증 완화와 이익을 난치성 통증 환자에게 줄 수도 있다. 또한, SCS의 전극 어레이에 간섭 성분을 제공하는 것은 두 신호의 교차를 허용하여, 맥놀이 주파수의 결과적인 첨가적 효과가 신호의 더 깊은 침투 및 자극 부위에서의 더 높은 결과적인 진폭을 생성하게 하는데, 이는 최소 생물학적 결과의 임계치 이하 신호만이 CSF 내에 잔류하거나 CSF를 우회 통과하기 때문이다. 기존의 SCS 내 전류의 대부분은 CSF 내에 잔류하기 때문에, 등쪽기둥 내로 깊게 투사되지 않는다. 대조적으로, 간섭 성분을 제공하는 것은 신호의 더 깊은 침투를 허용한다. 따라서 신호는 CSF 내에 잔류하지 않는다.

간단히 설명하면, 아키텍처에서, 예시적인 장치는 디지털 신호의 정확도 및 신뢰성을 향상시키기 위한 디지털 신호 처리기(DSP)를 포함할 수 있다. 디지털 신호 처리는 디지털 신호의 출력을 표준화하거나 명료화함으로써 작동한다. 이 실시 예에서, 디지털 신호 처리기는 사인파 발생기의 출력을 근사화하기 위해 다수의 맥동 파형(pulsatile wave)을 성형하는데 사용된다. 다른 예들에서, 디지털 신호 처리기는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)로 대체될 수 있다. FPGA는 제조 후 현장에서 프로그래밍할 수 있는 집적회로이므로 사용자의 요구 변화에 따라 회로 출력을 조정할 수 있다. DSP와 FPGA는 펄스 발생기에 의해 생성된 디지털 펄스로부터 디지털 신호를 의사 사인파 전류 파형으로 처리한다. 의사 사인파 전류 파형은 8개의 전극이 있는 이식 가능한 4극 리드를 통해 대상 영역에 전송되어 한 쌍의 간섭 전류를 생성할 수 있다.

도 1은 약 500 Hz 내지 20 KHz의 범위의 기본 중간 주파수 교류 전류를 갖는 간섭 전류(110)를 이용하여 척수의 전기적 자극을 수행하는 자극기(100)를 도시한다.

"약" 및/또는 "실질적으로"라는 용어는, 인용된 특성, 파라미터 또는 값이 정확히 달성될 필요는 없지만, 예를 들어 공차, 측정 오차, 측정 정확도 한계 및 당해 분야의 숙련자에게 공지된 다른 인자를 포함하는 편차 또는 변화가 특성이 제공하고자 하는 효과를 배제하지 않는 양으로 발생할 수 있음을 의미한다.

간섭 전류(110)는 교차 패턴으로 배열된 2개의 회로(118, 120) 사이에 형성된다. 제1쌍의 이식 가능한 전극(108a, 108b)은 환자의 척주(spinal column)(112)(바람직하게는 등쪽기둥) 위의 대상 영역의 한 세트의 대각선 모서리에 위치된다. 그 다음, 제2쌍의 이식 가능한 전극(108c, 108d)이 상기 대상 영역의 다른 세트의 대각선 모서리에 위치된다. 전극들(108)은 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 부착된다. 디지털 신호 처리기(102)는 제1쌍 및 제2쌍의 표면 전극(108a-108b, 108c-108d)에 연결된다. 신호 발생원(104)이 디지털 신호 처리기(102)에 연결되면, 사인파 형태의 파형 신호 출력(106)이 생성된다. 디지털 신호 처리기(102)는 디지털 신호의 정확도 및 신뢰성을 향상시킨다. 디지털 신호 처리기(102)는 신호 발생원(104)으로부터의 복수의 펄스(116)를 처리하여 사인파를 근사화한다(의사 사인파 또는 사인파 형태). 따라서, 그러한 전류의 유형은 더 많은 수의 등쪽기둥 섬유를 점증시켜 더 큰 수준의 통증 완화를 제공한다. 일부 실시 예에서, 간섭 전류를 사용함으로써 또한 맥놀이 주파수 신호를 생성함으로써 더 많은 수의 등쪽기둥 섬유를 점증한 결과로서, 환자는 잠재적으로 더 큰 수준의 통증 완화를 경험할 수 있다.

디지털 신호 처리기(102)는 상이한 폭과 결과적인 진폭을 갖는 개별 펄스들(106)을 발생시킨다. 일부 실시 예에서, 펄스 폭은 210 ㎲로 설정되지만, 50 - 600 ㎲ 범위일 수 있다. 이들 상이한 펄스들(106)이 변압기(도시되지 않음) 내로 도입될 때, 의사-사인파가 생성된다. 펄스 발생기(104)는 디지털 신호 처리기(102)에 연결되어 디지털 펄스 신호 출력(116)을 디지털 신호 처리기(102)에 공급한다. 디지털 신호 처리기(102)에 의해 처리된 디지털 신호(106)는 제1 및 제2 쌍의 표면 전극(108a-108b 및 108c-108d)에서 각각 제1 회로(118) 및 제2 회로를 생성한다. 실시 예들에서, 전기 회로(118, 120)의 출력 범위는 통증 처치를 위한 환자의 필요에 따라 회로 당 약 0 ~ 11 볼트이다. 제1 및 제2 회로(118, 120)가 중첩(교차)하는 경우, 결과적인 맥놀이 주파수(1 내지 250 비트/초일 수 있음)는 두 회로의 주파수 사이의 차이가 될 것이고, 진폭은 첨가적이고 두 회로 중 어느 하나보다는 더 커질 것이다. 다른 실시 예들에서, 결과적인 맥놀이 주파수 신호는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위 내의 주파수를 가질 수 있다.

신호 발생원(104)은 상이한 제1 및 제2 주파수를 갖는 제1 및 제2 신호를 포함하는 간섭 출력을 생성하는 간섭 전류 발생기일 수 있다. 이식 가능한 전극(108a, 108d)의 제1 단부들은 간섭 전류 발생기(104)에 연결되고, 제2 단부들(108b, 108c)은 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 이식되도록 구성된다. 두 쌍의 이식 가능한 전극(108a-108b, 108c-108d)은 제1 및 제2 신호 중 하나를 반송하여, 제1 및 제2 주파수가 서로 간섭하여 환자의 척수에 근접한 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성한다.

또한, 전술한 디지털 신호 처리기(102) 대신에 또는 추가로, 복수의 맥동 파형을 성형하여 사인파 발생기의 출력을 근사화하기 위해 필드 프로그래머블 게이트 어레이(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. FPGA는 제조 후 현장에서 프로그래밍할 수 있는 집적 회로로서, 사용자가 원하는 대로 회로 출력을 조정할 수 있다. 따라서, 대안의 실시 예에서, 디지털 신호 처리기는 FPGA로 대체될 수 있다. DSP 처리기는 통상적으로 8개의 전용 곱셈기를 임의로 구비할 수 있지만, FPGA 디바이스는 224개의 전용 곱셈기와 필요에 따라 추가의 논리 요소-기반 곱셈기를 제공할 수 있다. 이를 통해 유한 임펄스 응답 필터, 순방향 오류 정정, 변조-복조, 암호화 응용과 같은 복잡한 디지털 신호 처리 응용을 구현할 수 있다.

도 2는 일 실시 예에 있어서, 맥놀이 주파수 형성의 영역 및 전류 강도 레벨을 나타내는 간섭 전류 패턴의 예시적인 사시도를 도시한다. 제1쌍의 이식 가능한 전극(108a, 108b)은 환자의 척추 위 대상 영역(200)의 한 세트의 대각선 모서리에 위치되고, 그 다음 제2쌍의 이식 가능한 전극(108c, 108d)이 대상 영역(200)의 다른 세트의 대각선 모서리에 위치되어 있다. 제1 및 제2 회로가 중첩(교차)하는 경우, 결과적인 맥놀이 주파수는 두 회로의 주파수 사이의 차이가 되고, 진폭은 첨가적이고 대상 영역(200)에서 어느 하나의 회로보다 더 커질 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1쌍의 이식 가능한 전극(108a, 108b)과 제2쌍의 이식 가능한 전극(108c, 108d)은, 제1쌍의 이식 가능한 전극 사이에 생성된 제1 회로가 제2쌍의 이식 가능한 전극 사이에 생성된 제2 회로와 교차하도록 위치된다.

실시 예들에서, 환자의 척수에서 대상 영역(200)의 변경은 도 2에 도시된 바와 같이 신호들의 진폭을 변조함으로써 수행될 수 있다. 따라서, 상기 제1쌍 및 제2쌍의 전극의 수량 및 배치에 따라 그리고 상기 제1 및 제2 회로의 출력의 진폭을 변조시킴으로써, 척수의 다수의 대상 영역이 처치될 수 있다.

도 3은 일 실시 예에 있어서, 개별적인 회로의 교차에 기인한 자극의 유효 영역을 도시하는 사시도이다. 전극 쌍(308a-308b, 308c-308d)은 제1 및 제2 회로(318, 320)를 생성하는 교차 패턴으로 도시되어 있다. 제1 및 제2 회로(318, 320)의 출력을 변조하면 대상 자극의 영역이 증가한다. 변조 깊이는 0 내지 100 %에서 변화할 수 있고 제1 및 제2 회로(318, 320)에 의해 형성된 전류의 방향에 의존한다. 제1 및 제2 회로(318, 320)가 90도로 교차할 때, 결과적인 최대 진폭 및 가장 깊은 변조 레벨은 교차(310)에 도시된 바와 같은 (45도 대각선으로) 2개의 회로 사이의 중간에 있다. 따라서, 대상 자극 영역은 두 회로 출력의 진폭의 변조에 의해 증가될 수 있다.

도 4는 이식 가능한 전극의 다른 예시적인 구성을 나타내는 사시도이다. 이 예에서, 제1쌍의 이식 가능한 전극(308a, 308b)과 제2쌍의 이식 가능한 전극(308c, 308d)은 병렬 구성으로 위치되어, 제1쌍의 이식 가능한 전극(308a, 308b)에 의해 생성된 제1 회로(318)가 제2쌍의 이식 가능한 전극(308c, 308d)의 사이에 생성된 제2 회로(320)에 평행이 된다.

회로들이 도 4에 도시된 바와 같은 병렬 구성일 때 맥놀이 주파수 신호가 생성될 수 있으며, 발생된 전계들의 정렬이 존재한다. 두 전계가 정렬되는 밴드(310)에는, 변조 엔벨로프(envelope) 내에서 제어 가능한 진폭 피크를 생성하는 보다 집속 가능한 맥놀이 전계가 있다. 병렬 전극 구성에서의 중첩 및 집중 영역은, 집중(대상) 영역에서 전계 정렬을 달성하도록 전극을 바이어싱함으로써 최대화될 수 있다. 바이어싱은, 한 쌍의 이식 가능한 전극의 애노드 및 캐소드가 수직(길이 방향)으로 정렬되고 다른 한 쌍의 이식 가능한 전극의 애노드 및 캐소드가 서로 근접하여 수직(길이 방향)으로 정렬되어 중첩 영역을 형성하고 또한 도 4에서와 같이 두 채널(회로) 사이의 맥놀이 주파수와 일치를 형성하도록, 수행될 수도 있다.

또한, 제1쌍의 이식 가능한 전극(308a, 308b) 및 제2쌍의 이식 가능한 전극(308c, 308d)의 바이어싱은, 제1 전계 및 제2 전계(318, 320)가 집중의 비대상 영역에 대해 정렬되지 않도록 수행될 수도 있다. 따라서, 대상 영역에 근접하지 않은 영역에서, 맥놀이 주파수 신호는 최소화되고 효력이 없을 것이다.

2개의 채널 사이의 수평 거리는 예를 들어 약 1mm 내지 5mm 사이일 수 있다. 또한, 제1쌍의 이식 가능한 전극(308a, 308b)은 약 2mm 내지 10mm의 길이 방향(에지 대 에지) 분리 거리에 위치될 수 있고, 제2쌍의 이식 가능한 전극(308c, 308d)은 약 2 mm 내지 10 mm의 길이 방향(에지 대 에지) 분리 거리에 위치될 수도 있다.

도 5는 예시적인 이식 가능한 전극 배열을 도시한다. 도 5는 2개의 이식 가능한 4극 리드(409)에 의해 생성되는 사인파와 같은 파형을 갖는 2개의 간섭 전류(406)를 도시한다. 각각의 4극 리드(409)는 4개의 전극(408)(총 8개)을 포함한다. 2개의 4극 리드(409)는 척수의 더 큰 자극 처치 대상 영역을 허용한다. 그러나 본 개시의 전기 자극기는 2개의 2극 또는 8극 리드 시스템 및 다른 적절한 장치의 사용에도 적용될 수 있다. 전극은 도면에 도시된 것 이외에 다양한 조합 및 패턴으로 활성화될 수 있다.

따라서, 도 5에서, 리드(409)는 각각 4개의 전극을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 예를 들어 6개, 8개, 10개, ... 또는 최대 30개 또는 32개와 같이 임의의 개수의 전극이 포함될 수 있다. 이식 가능한 전극의 쌍들이 리드(409) 상의 전극들 사이에 생성된다. 전극 쌍은, 도 5에 도시된 바와 같이, 동일한 리드 상의 전극들 사이에 생성되거나(병렬 구성을 생성하도록), 또는 상이한 리드 상의 전극들 사이에 생성될 수 있다(교차 구성을 생성하도록).

전극 쌍을 분리하면 측 방향 극단을 향하여 전계 강도의 차이를 유발할 수 있다. 도 6은 병렬 구성의 전기 자극기의 3차원 모델 시뮬레이션의 전계 강도 분포를 도시한다. 도 6은 전극/회로가 동일한 주파수를 가져서 간섭 전계가 생성되지 않은 것처럼 전체 전계의 강도 분포를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전계의 강도는 중앙 영역(500)에서 최대이지만, 전계는 대상 영역을 따라 측 방향으로 퍼지고 잘 한정되지 않는다.

도 7은 병렬 구성의 전기 자극기의 3차원 모델의 시뮬레이션의 또 다른 전계 강도 분포를 도시한다. 도 7에서, 간섭 전류를 생성하도록 전극/회로에 상이한 주파수를 제공하여 시뮬레이션이 수행된다. 따라서, 도 7에서, 간섭 전계의 강도는 중앙 영역(502)에 도시되어 있다. 병렬 바이어스는, 동일한 2개의 전계가 정렬되어 집속된 변조 맥놀이 주파수 엔벨로프를 대상 영역에 형성하는 중앙 영역을 생성한다.

도 8은 전극들이 단일 주파수로 바이어스된 것처럼 척주를 가로지르는 예시적인 전계 강도 분포를 도시한다. 도 8에서, 전극(602, 604)은 경막(606)에 이식되어 척주의 추체로(608)에 침투를 제공한다. 도 6에 도시된 시뮬레이션과 유사하게, 도 8의 전극들(602, 604)에 의해 제공된 전계는 잘 조향되지 않고, 전계의 최대 강도는 대상 영역(610)에 잘 한정되지 않는다. 도 6 및 도 8에서, 더 어두운 전계선들은 더 강한 전계를 나타낸다.

도 9는 전극이 다수의 주파수로 바이어스된 것처럼 척주를 가로지르는 또 다른 예시적인 전계 강도 뷰를 도시한다. 도 7에 도시된 시뮬레이션과 유사하게, 도 9의 전극들(602, 604)에 의해 제공된 전계는 간섭 전계를 포함한다. 병렬 바이어스는 대략 동일한 2개의 전계가 정렬되어 대상 영역에 집중된 전계를 제공하는 중앙 영역(612)을 생성한다.

도 8 내지 도 9에 도시된 모델에서의 전후(rostrocaudal) 전계 성분은 z-성분(Ez)이다. 비간섭 바이어스(예를 들어, 도 8)에 대한 전체 전계는 캐리어 전계들의 벡터 합에 의해 주어진다. 정적 솔루션에서, 그리고 2개의 전계 사이에 위상을 유지하는 경우, Ez는 크기 |E1z + E2z| 이다. 도 9에서 간섭 전계는 2개의 캐리어 전계가 정렬되어 있는 곳에서 가장 강하며, 2개 성분이 동일하면 변조 엔벨로프가 100 % 이다. 2개의 성분이 동일하지 않은 경우, 변조 엔벨로프는 더 작은 성분의 크기의 2배로 주어진다. 따라서, Ez는 (2 x min(|E1z|, |E2z|))이며, 위상 관계가 시간에 따라 변하기 때문에 개별적으로 크기를 취한다.

전극들은, 대상 영역에서 원하는 강한 간섭 신호의 성분 전계에 대해 정렬 및 동일한 강도를 생성하도록 위치되고 바이어스된다. 또한, 전극들은, 전계들이 정렬되지 않거나(예를 들어, 수직임), 또는 원하지 않는 간섭 성분에 대해 다른 영역(예를 들어, 비대상 영역)에서 성분들 중 하나가 약해지도록 배치된다. 비정렬 상태 또는 약한 성분이 약한 간섭 전계를 생성한다.

도 10 내지 도 12는 전극이 다수의 주파수로 바이어스되고 전극 간격의 변화가 있는 것처럼 척추를 가로지르는 추가의 예시적인 전계 강도 분포를 도시한다. 도 10 내지 도 12에서, 간섭 전계가 생성되어 대상 영역(614, 616, 618)으로 조향된다. 전극(602, 604)의 수평 분리는 침투의 깊이 및 퍼짐에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 도 10은 약 1.5mm 분리된 전극을 도시하고, 도 11은 약 2.3mm 분리된 전극(602, 604)을 도시하고, 도 12는 약 3.9mm 분리된 전극(602, 604)을 도시한다. 전계 형상의 변화는 약 2.3mm의 간격에서 최적화된 것처럼 보이지만, 예를 들어, 약 1mm 내지 약 5mm의 간격을 사용하여 선택적인 침투 깊이가 달성될 수 있다.

도 13은 일 실시 예에 있어서, 척수의 전기적 자극을 사용하는 척수 자극 처치를 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다. 도 13에 도시된 방법은, 예를 들어, 도 1에 도시된 자극기에 의해 사용될 수 있고 또한 도 1의 자극기의 컴포넌트들에 의해 수행될 수 있는 방법의 실시 예를 제시한다. 일부 실시 예에서, 자극기의 컴포넌트는 그러한 성능을 가능하게 하기 위해 컴포넌트가 (하드웨어 및/또는 소프트웨어로) 실제로 구성되고 구조화되도록 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 장치들 및/또는 시스템들의 컴포넌트는, 예를 들어 특정 방식으로 동작될 때와 같이, 기능들을 수행하도록 적응되거나, 수행할 수 있거나, 또는 그러한 수행에 적합하도록 배열될 수 있다. 상기 방법은 블록(702-706) 중 하나 이상에 의해 예시된 바와 같은 하나 이상의 동작, 기능 또는 활동을 포함할 수 있다. 블록들이 순차적 순서로 도시되어 있지만, 이들 블록은 병렬로 및/또는 본 명세서에서 설명된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다. 또한, 다양한 블록들은 더 적은 블록들로 결합될 수 있고, 추가 블록들로 분할될 수 있고, 및/또는 원하는 구현에 기초하여 제거될 수도 있다.

본 명세서에 개시된 프로세스들 및 방법들에서, 흐름도는 본 실시 예들의 하나의 가능한 구현의 기능 및 동작을 나타낸다는 것을 이해해야 한다. 대안적인 구현은 본 개시의 실시 예들의 범위 내에 포함되며, 이 실시 예들에서 기능들은 관련된 기능에 따라 실질적으로 동시 또는 역순을 포함하여 도시되거나 논의된 것과는 순서가 어긋나게 실행될 수 있음을 당해 기술 분야의 통상의 기술자는 이해할 것이다.

블록(702)에서, 상기 방법은 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 제1쌍의 이식 가능한 전극을 위치시키는 단계를 포함한다. 블록(704)에서, 상기 방법은 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 제2쌍의 이식 가능한 전극을 위치시키는 단계를 포함한다.

설명된 바와 같이, 제1쌍의 이식 가능한 전극과 제2쌍의 이식 가능한 전극은, 제1쌍의 이식 가능한 전극 사이에 생성된 제1 회로가 제2쌍의 이식 가능한 전극 사이에 생성된 제2 회로와 교차하도록 교차 구성으로 위치될 수 있다. 다른 실시 예에서, 제1쌍의 이식 가능한 전극과 제2쌍의 이식 가능한 전극은, 제1쌍의 이식 가능한 전극 사이에 생성된 제1 회로가 제2쌍의 이식 가능한 전극 사이에 생성된 제2 회로에 평행하도록 병렬 구성으로 위치될 수도 있다. 이들 실시 예들에서, 제1 회로 및 제2 회로는 제1 전계 및 제2 전계를 생성하며, 제1쌍의 이식 가능한 전극 및 제2쌍의 이식 가능한 전극은 제1 전계 및 제2 전계가 중첩되어 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하도록 위치된다.

블록(706)에서, 상기 방법은, 제1쌍 및 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 제1 및 제2 주파수의 신호를 전송하여 상기 제1 및 제2 주파수의 신호가 서로 간섭하여 적어도 하나의 맥놀이 신호를 환자의 척수에 근접하여 생성하는 단계를 포함한다. 상기 적어도 하나의 맥놀이 신호는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위 내의 주파수를 갖는다.

실시 예들에서, 상기 방법은 제1쌍의 이식 가능한 전극을 통해 약 20,000 Hz의 제1 주파수의 신호를 전송하는 단계와, 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 약 10,000 Hz의 제2 주파수의 신호를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 주파수의 신호들은 서로 간섭하여 약 10,000 Hz의 적어도 하나의 맥놀이 신호를 환자의 척수에 근접하여 생성한다.

다른 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 제1쌍의 이식 가능한 전극을 통해 약 20,000 Hz의 제1 주파수의 신호를 전송하는 단계와, 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 약 5,000 Hz의 제2 주파수의 신호를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 주파수의 신호들은 서로 간섭하여 약 15,000 Hz의 적어도 하나의 맥놀이 신호를 환자의 척수에 근접하여 생성한다.

신호들의 주파수는 약 0 내지 약 20,000 Hz의 범위 내에서, 또는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 범위의 주파수를 갖는 맥놀이 신호를 생성할 수 있는 임의의 범위 내에서, 제1쌍 및 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 전송될 수 있다. 상기 맥놀이 신호 주파수는 제1및 제2쌍의 이식 가능한 전극으로부터의 2개 신호의 간섭으로부터 생성된다(예를 들어, 12,000 Hz의 주파수로 인해 제2쌍의 이식 가능한 전극에 의해 발생된 제2 전계와 간섭하는 제1 전계를 생성하는 제1쌍의 이식 가능한 전극에서 2,000 Hz의 주파수에 대해 약 10 kHz의 맥놀이 신호 주파수를 발생시킴).

제1 주파수와 제2 주파수의 조합에 기초하여, 맥놀이 신호는 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 이하의 주파수 범위에 있을 수 있다. 맥놀이 신호의 다른 예는 약 3,000 Hz 내지 약 15,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 5,000 Hz 내지 약 15,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 10,000 Hz 내지 약 15,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 12,000 Hz 내지 약 15,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 250 Hz 초과 내지 약 10,000 Hz 이하의 주파수 범위의 신호, 약 3,000 Hz 내지 약 5,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 3,000 Hz 내지 약 10,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 3,000 Hz 내지 약 12,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 5,000 Hz 내지 약 10,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 7,000 Hz 내지 약 10,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 7,000 Hz 내지 약 12,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 약 12,000 Hz 내지 약 15,000 Hz의 주파수 범위의 신호, 또는 250 Hz 내지 약 20,000 Hz의 임의의 다른 범위의 신호일 수 있다.

맥놀이 신호 주파수에 대한 예시적인 주파수 범위는 수백 Hz, 수천 Hz 또는 수만 Hz에 걸쳐있을 수 있다.

맥놀이 신호 주파수의 범위는, 예를 들어, 250 Hz 초과 내지 약 3,000 Hz 이하의 낮은 범위, 또는 약 3,000 Hz 내지 약 7,000 Hz의 중간 범위, 또는 약 7,000 Hz 내지 약 15,000 Hz의 높은 범위가 될 수 있다. 맥놀이 신호 주파수에 대해 250 Hz 초과 내지 약 15,000 Hz 사이의 임의의 범위 또는 중첩 범위가 가능하다.

실시 예들에서, 본 명세서에 기술된 범위의 주파수에서 맥놀이 신호를 형성하면 신호가 등쪽기둥 내로 보다 깊이 도달할 수 있고, 신호는 척수의 다른 심층 구조의 막 전위에 영향을 줄 수 있다. 통각 정보는 척수에서 시상으로, 척수시상로(spinothalamic tract), 척수망상로(spinoreticular tract), 척수중뇌로(spinomesencephalic tract), 경부시상로(cervicothalamic tract) 및 척수시상하부로(spinohypothalamic tract) 의 5개의 주요 상행경로를 통해 전달된다. 도 14a는 척수시상로, 척수망상로, 척수중뇌로의 예를 도시하고, 도 14b는 경부시상로의 예를 도시하고, 도 14c는 척수시상하부로의 예를 도시한다. 본 명세서의 실시 예를 사용하면, 맥놀이 신호는 이러한 상행경로 중 하나 이상에 근접하여 환자의 조직 깊숙이 방향 제어될 수 있고, 적어도 하나의 맥놀이 신호가 환자의 등쪽기둥에 근접한 뇌척수액에 잔류하여 우회 통과하는 것을 회피할 수 있다.

통증에 대한 몇몇 표준적인 척수 자극은 맥놀이 신호에 대해 40 내지 100 Hz의 저주파수를 사용하고, 등쪽기둥의 자극을 최대화하는데 초점을 둔다. 다른 시스템은 중간 주파수 자극을 사용하고 활동 전위(action potential)를 생성하지 않지만, 오히려 척수의 "비 이상감각(non-paresthesia)" 자극을 생성한다. 다시 말하면, 환자는 통증 부위에서 어떤 윙윙거림(buzzing)이나 자극을 전혀 느끼지 않는다. 활동 개시는 매우 오래 걸리고 개시 후 대개 12시간에서 16시간까지 보통 효과가 발생한다. 환자가 자극을 느끼지 않고 활동 전위가 생성되지 않기 때문에, 활동의 논리적 메커니즘은, 중간 주파수 출력이 척수의 바깥 영역의 막 전위에 영향을 미치고 뉴런의 과다 활동을 잠재적으로 감소시켜 통증이 작게 지각되는 것일 수 있다.

본 명세서의 실시 예들에서, 제1 및 제2 주파수의 신호들이 각각 제1쌍 및 제2쌍의 이식 가능한 전극을 통해 각각 전송되며, 제1 및 제2 주파수의 신호는 서로 간섭하여 환자의 척수에 근접한 적어도 하나의 맥놀이 신호를 생성하고 이상감각형 맥놀이 신호를 생성하여, 환자가 그 신호를 느낄 수 있게 된다. 이런 식으로, 환자는 전극의 배치를 도울 수 있고, 대상 영역의 자극이 적절히 수행된다.

또한, 전술한 바와 같이, 환자의 척수에 근접한 적어도 하나의 맥놀이 신호를 생성하고, 방향 제어를 통해 상기 적어도 하나의 맥놀이 신호가 환자의 등쪽기둥에 근접한 뇌척수액 내에 잔류하고 우회 통과하는 것을 회피하도록, 전극들이 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막에 배치된다. 또한, 전극들의 간격이 맥놀이 신호의 방향 제어를 가능하게 한다.

척수시상로, 척수망상로, 척수중뇌로, 경부시상로 및 척수시상하부로를 포함하는 5개의 주요 상행 경로는 구형 표준 SCS의 주요 대상이 아니며, 이는 그것들이 바람직하지 않은 부작용 및 자극의 우회를 일으키지 않으면서 조직 내에 충분히 깊게 전계를 생성할 수 없기 때문이다.

250 Hz 초과 내지 15 kHz 이하의 맥놀이 주파수(예를 들어, 10 kHz 내지 15 kHz의 범위)에 의한 본 명세서에 기술된 예시적인 간섭성 SCS 자극은, 척수의 다른 영역들에 조향되어 표준 SCS 자극으로 달성될 수 없는(표준 SCS가 그런 유효한 맥놀이 주파수를 생성할 수 없고 더 높은 진폭 엔벨로프를 조향할 수 없기 때문에) 영향을 상행경로에 미치는 더 높은 진폭 엔벨로프의 전류를 생성할 수 있다. 상기 더 높은 맥놀이 주파수(250 Hz 내지 15 kHz)는 다른 조직 유형들 및 조직 막들 간의 계면(interface)의 용량성 저항을 극복하는 추가의 이익을 가질 수도 있고 임계치 이하의 전류가 척수의 더 깊은 층으로 통과하는 것을 허용한다.

도 15는 조직의 용량성 저항에 대한 예시적인 도면을 도시한다. 분리된 조직은 도시된 바와 같이 조직 사이에 계면을 갖는 것으로 개념적으로 생각될 수 있다. 도 15에서, U는 인가된 전압이고, Up은 전위차이다. 전위차(Up)는 인가된 전압(U)에 대응하며, 리액턴스 또는 용량성 리액턴스(X)로 개념적으로 간주되는 대응-전압(counter-voltage)을 발생시킨다. 증가된 주파수에서 조직 계면의 리액턴스의 현저한 저하는 다음 공식으로 주어진다:

X=1/(2πfC)

상기 식에서 X는 용량성 리액턴스(리액턴스)이고, f는 전류의 주파수이고, C는 조직의 분극 용량이다.

100 Hz의 교류 전류의 경우, C = 10^-6일 때, 리액턴스(X)는 약 1600 옴이고, 10 kHz의 교류 전류의 경우, 리액턴스(X)는 약 16 옴이다.

250 Hz 내지 15 kHz의 더 높은 맥놀이 주파수를 발생시키는 간섭형 SCS 시스템은, 활동 전위를 야기하는 임계치 이하 레벨에서 10 kHz 내지 15 kHz의 맥놀이를 발생시켜 더 깊게 침투할 수 있고, 등쪽기둥 자극을 통하는 것보다 오히려 직접적으로 5개의 주요 상행 경로를 포함하는 척수의 다른 더 깊은 구조의 막 전위에 영향을 미치기에 충분하다. 이러한 경로와 척수의 다른 심층 구조에 영향을 미치는 것은 정규화 특성을 제공하고 잠재적으로 상기 경로들에서의 과다 활동을 진정시켜서 심혈관 기능, 신경 내분비선 기능, 호흡기 기능 및 정서적인 기능과 같은 통증 이외의 여러 증상에 대한 긍정적인 조절을 제공한다.

본 명세서 기술된 전기 자극기는 환자에게 완전히 이식되거나, 또는 전기 자극기의 일부는 이식되고 일부는 환자의 외부에 남게 할 수 있다. 일 예로서, 전극들은 설명된 바와 같이 이식될 수 있고, 간섭 전류 발생기 및 전원은 외부에 있을 수 있으며 와이어를 통해 이식된 전극들에 결합될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 전류 발생기로부터 전극으로의 무선 링크(예를 들어, 무선 주파수(RF) 링크)를 통해 커플링이 일어나고, 전극들은 이식되고 전류 발생기는 이식되지 않을 수 있다. RF 반송파 주파수는 MHz, GHz 또는 THz 범위일 수 있으며 이식 가능한 전극에 링크 또는 연결되는 이식된 수신기에 전류를 유도한다. RF 반송파 주파수는 약 1 MHz 내지 약 20 THz 범위일 수 있다.

또 다른 실시 예에서, 간섭 전류 발생기는 환자 내에 이식 가능하고 (또 간섭 전류 발생기에 연결된 전원도 역시 이식될 수 있음), 전극이 추가로 이식된다. 간섭 전류 발생기는, 예를 들어, 상완신경총(brachial plexus) 근처 또는 내에, 또는 12번째 갈비뼈 근처 또는 아래에 이식될 수 있다.

실시 예들에서, 척수 자극(SCS)을 위해 도 1의 자극기(100)를 사용하면 효과적인 통증 완화를 위한 깊은 자극을 제공한다. 위에서 설명한 바와 같이, 척수시상로, 척수망상로, 척수중뇌로, 경부시상로 및 척수시상하부로를 포함하는 상행 경로들 중 하나를 활성화하여 효과적인 통증 완화를 달성할 수 있다. 또한, 척수 내 박속 핵과 추체로를 활성화하면 효과적인 통증 경감 효과를 얻을 수 있다. 도 16은 일 실시 예에서, 척수 내 등쪽기둥의 상행 및 하행 경로로서의 박속 핵 및 추체로를 도시한다. 척수는 경막이라고 불리는 두꺼운 막에 싸여 있으며, 경막의 층 내부에는 뇌척수액이 있다(도 16 참조).

뇌척수액은 전도성이 있으며, 척추골(spine)에 의해 척주(vertebral column)를 따라 놓여 있는 배근신경절 근처에서 전류 밀도가 너무 높아지면 뇌척수액을 통해 퍼진 자극이 통증을 유발할 수 있다. 뇌척수액을 통한 자극의 확산을 피하기 위해, 낮은 수준의 자극을 사용하여 척수의 경막을 통해 깊은 자극을 제공하여 박속 핵 및 추체 그리고 등쪽기둥의 다른 부분을 활성화시키는 것이 바람직하다.

간섭 전류 SCS를 사용하면, 낮은 전류 레벨로 자극이 경막을 통해 깊게 제공될 수 있으므로, 박속 핵 및 추체의 활성화 임계치를 낮출 수 있다. 척수 자극에 있어서, 전류를 단순히 증가시키는 경우, 그 효과로 뇌척수액을 통해 자극이 퍼지고, 결과적으로 배근신경절을 자극하게 되어 가슴 및 흉곽 통증을 유발한다. 자극의 방향 제어를 위해 간섭 전류 SCS 방법을 사용하면 낮은 수준의 자극이 제공될 수 있으며, 자극이 퍼지거나 부작용을 발생시키지 않고도 경막을 통한 깊은 침투가 달성될 수 있다.

간섭 전류 SCS 방법을 사용한 실험이 Marcus Granmo 및 Jens Schouenborg에 의해 스웨덴의 Neuronano Lund Research Center University에서 수행되었다. 실험 결과로부터, 간섭 전기 자극기의 사용에 의해 깊고 국부적인 자극을 제공하는 맥놀이 주파수가 얻어지는 것이 입증 되었다.

실험 설정에는, 예를 들어, Kalliomaki J., Granmo, M., Schouenborg, J. Pain. 2003년 7월; 104(1-2):195-200에 기재된 바와 같이, 이소플루란 가스(isoflurane gas) (60/40% NO₂ 및 산소의 혼합물에서 1.8%)로 마취된 성숙한 쥐(Sprague-Dawley, 200-230 그램)가 포함되었다. 도 3 및 도 4는 전술한 바와 같이 다음 두 가지 구성으로 척수의 경막외강에(경막외강 내 경막에) 배치된 두 쌍의 자극 전극들(2극성 자극, 총 4 전극)의 설정을 도시한다: (i)교차 구성(도 3) 및 (ii) 병렬 구성(도 4). 기록용 미세 전극들이 뇌간의 추체와 박속 핵에 삽입되었다. 기록용 전극들은 박속 핵과 추체로에 자극을 제공하지 않는다. 뇌간 내 추체와 박속 핵의 동시 기록은 자극 효과의 비교를 제공한다. 박속 핵은 척수의 등쪽 부분에서 상대적으로 표면을 진행하는 등쪽기둥로에서 올라가는 감각 정보를 받는다. 추체는 피질척수로의 일부로서 뇌에서 척수로 내려가는 운동 명령을 전달한다. 쥐의 척수에서, 추체로는 등쪽기둥의 깊은 곳에 즉, 박속 핵을 활성화시키는 척수의 등쪽기둥보다 깊게 위치한다. 척수 자극에 의해, 추체로 섬유의 활성화는 기록된 비교적 깊은 이 추체로 내에 볼리(volley)를 역행적으로 유발함으로써, 자극의 침투 깊이에 대한 정보를 제공하였다. 각각의 실험 후, 동물들은 포르말린으로 관류하였고, 뇌간의 전극 위치를 확인하기 위해 꼬리 뇌간을 절단했다.

실험은 두 유형의 자극 패러다임을 사용하여 수행되었으며, 각각은 도 3 내지 도 4에 도시된 두 가지 구성으로 경막외강에 위치된 두 전극 쌍에 적용되었다. 도 17a는 종래의 자극을 위해 약 100 Hz의 주파수로 인가된 약 500 ㎲ 폭의 사이너스 파(2000 Hz 파에 해당함)를 사용하는 제1 자극을 예시한다(예를 들어, 초당 100 펄스의 속도로 인가된 500 ㎲의 펄스 사인파는 2000 Hz에 해당함).

도 17b는 한 세트의 전극 쌍들에 인가된 약 500 ㎲(2000 Hz에 해당)의 사이너스 파와, 간섭 패턴을 생성하기 위해 다른 세트의 전극 쌍들에 인가된 약 476 ㎲ (2100 Hz에 해당)의 사이너스 파를 사용한 제2 자극을 예시한다. 상기 사이너스 파는 각각 약 100 Hz와 약 105 Hz에서 적용되었다(예를 들어, 초당 100 펄스의 속도로 인가된 500 ㎲의 펄스 사인파는 2000 Hz에 해당하고, 초당 105 펄스의 속도로 인가된 476 ㎲의 펄스 사인파는 2100 Hz에 해당함). 결과적으로 100 Hz의 맥놀이 주파수 신호가 환자의 척수 근처에 생성되었다.

실험 동안, 박속 핵에서의 SCS 유발된 활성 및 추체 내 역행 유발된 볼리에 대한 측정이 기록용 마이크로전극을 이용하여 수행되었다. 도 18은 추체로를 따르는 전극들의 예시적인 배치를 도시한다. 자극 강도는 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 증분으로 증가 또는 감소하였다.

강도 범위	증분
10-50 mV	10 mV
50-400 mV	25 mV
400-900 mV	50 mV
900-1200 mV	100 mV
≥1200 mV	250 mV

명확한 반응을 유도하는 최저 자극 강도는 박속 핵 및 추체에서의 활성을 유발시키는 임계치로 간주되었다.

실험 동안, 각각의 샘플링된 데이터 파일은 약 400개의 단일 기록 실험의 평균이다. 분석에서 사용된 추체로 응답의 대기시간(16-19 m/s)은 문헌에서 관찰된 응답과 일치하였다(예를 들어, Mediratta 및 Nicoll J Physiol. 1983.3; 336:545-6 1; Stewart et al. Brain Res. 1990년 2월 5일; 508(2):34 1-4; 및 Chapman 및 Yeomans Neuroscience 1994, 59(3):699-711).

실험을 통해, 병렬 또는 교차된 구성에서 종래의 100 + 100 Hz 자극을 사용하는 것보다 100 + 105Hz 간섭 전류 자극을 사용할 때, 박속 핵 및 추체 양쪽의 활성화를 위한 임계치가 현저히 낮다는 것을 알았다.

도 19의 (A) 내지 (C)는 교차된 전극 구성을 사용하여 100 + 100 Hz 자극과 100 + 105 Hz 자극을 수행한 후의 임계치 데이터의 비교를 도시한다. 윌콕슨 부호순위 중요도 검정의 결과가 도시되어 있다. N은 사용된 동물의 수(예를 들어 15)이다. 도 20의 (A) 내지 (C)는 병렬 전극 구성을 사용하여 100 + 100 Hz 자극과 100 + 105 Hz 자극을 수행한 후의 임계치 데이터의 비교를 도시한다. 윌콕슨 부호순위 중요도 검정의 결과가 도시되어 있다. N은 사용된 동물의 수(예를 들어 10)이다.

도 19 및 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 추체 활성화를 위해, 종래의 자극(막대 그래프의 좌측)은 (병렬 및 교차 구성에서) 약 1200 mV를 필요로 하는 반면; 간섭 자극(막대 그래프의 우측)은 교차 구성에서 단지 약 700 mV 또는 병렬 구성에서 단지 약 600mV가 필요했다. 박속 활성화를 위해, 종래의 자극은 교차 구성에서 약 375 mV 또는 병렬 구성에서 약 275 mV가 필요했지만; 대조적으로, 간섭 자극은 교차 구성에서 단지 약 290mV 또는 병렬 구성에서 단지 약 225mV가 필요했다.

자극의 효능을 더 잘 이해하기 위해, 추체로 활성화를 위한 임계치 대비 박속 핵 활성화를 위한 임계치의 비율을 그래프로 나타냈다. 비율이 낮을수록 박속 핵 경로(표면에 더 근접함)와 비교하여 심층 추체로에 대해 자극이 더욱 효율적이다. 그래프는 종래의 자극을 사용한 약 4의 비율과 간섭 자극을 사용한 약 2의 비율을 비교하여 보여준다. 따라서, 간섭 자극은 종래의 자극보다 더 깊은 추체로에서 더 나은 침투를 달성한다.

실험 결과는 100 + 105 Hz (2000 Hz + 2100 Hz)의 간섭 자극이 임계치 및 깊이-침투 관점에서 연구된 경로의 활성화에서 100 + 100 Hz의 종래 자극보다 더 효과적임을 입증한다. 이것은 간섭 패턴 또는 맥놀이 주파수의 형성이 낮은 임계치 및 더 나은 침투를 제공했음을 나타낸다.

종래의 표면 전극을 사용하여 자극을 가하는 것은 추체로에 깊은 침투를 가능하게 하지 못한다. 전기는 저항이 가장 적은 경로를 따르고, 표면 전극을 사용하여 피부 표면에 자극을 가하는 것은 척추골(vertebrae)을 통한 자극을 허용하지 않는다. 뼈는 절연체이고 0.06 s/m의 전도율을 갖지만, 피부는 0.436 s/m의 전도율을 가진다. 표면 자극을 사용하여 실험에서와 같은 추체로의 자극 수준을 달성하려면, 조직 손상과 통증을 유발할 수 있는 매우 높은 전압 수준에서 자극이 가해져야 한다.

아래 표 2는 실험 결과를 요약한다. 표 2는, 간섭성의 이식 가능한 전극 구성과 종래의 이식 가능한 전극 구성을 사용하여 척수의 박속 핵과 추체로를 활성화하는 데 필요한 대략적인 전압 수준을 보여준다. 실험의 결과는, 기존의 100 + 100 Hz 자극을 사용할 때보다 100 + 105 Hz의 간섭 전류 자극을 사용할 때 등쪽기둥의 박속 핵 및 추체로의 활성화 임계치가 현저히 낮다는 것을 보여준다. 또한, 종래의 자극이 병렬 또는 교차 구성으로 수행되었는지에 관계없이 동일한 종류의 결과가 얻어졌다. 보다 구체적으로, 심층 추체로에 대한 활성화 임계치는 병렬 또는 교차 구성에서 간섭 전류 자극을 사용하여 약 50% 감소하였다. 또한, 박속 핵에 대한 활성화 임계치는 병렬 또는 교차 구성에서 간섭 전류 자극을 사용하여 약 20% 감소하였다.

	간섭성의 이식 가능한 전극 구성을 사용한 결과		종래의 이식 가능한 전극 구성을 사용한 결과		간섭성의 표면 전극 구성을 사용한 결과
	병렬구성	교차구성	병렬구성	교차구성	간섭성의 표면 전극 구성을 사용한 결과
추체 활성화 임계치	600 mV	700 mV	1200 mV	1200 mV	>> 1200 mV
박속 활성화 임계치	225 mV	290 mV	275 mV	375 mV	>> 1200 mV

표 2에 도시된 바와 같이, 간섭성 전극 구조는 종래의 이식 가능한 전극 구성에서 요구되는 것보다 훨씬 낮은 전압 레벨에서 척수 내 박속 핵 및 추체의 활성화를 달성함으로써, 가슴 통증을 유발할 수 있는 배근신경절의 자극 위험을 최소화하면서 효과적인 통증 완화를 제공한다.

또한, 표 2는 간섭성 표면 전극 구성을 사용할 때 요구되는 대략적인 전압 레벨에 대한 추정 값을 포함한다. 예를 들어, 실험 결과를 사용하면, 간섭성 전극 구조를 사용하여 척수 내 박속 핵과 추체의 자극을 달성하기 위해서는 1200 mV보다 훨씬 큰 전압 레벨이 필요하며 예를 들면 수백 볼트 정도이다. 어쨌든, 전압 레벨이 너무 높아서 생리학적으로 안전하지 않다. 또한, 어떤 간섭 처치의 적용에서도, 전극이 간단히 이식될 수 있고 또한 전류의 강도 값이 환자에게 효과적인 처치를 제공하면서도 허용되는 수준(통증을 유발하지 않음) 내에 있을 수 있도록 처치가 축소될 수 있다는 것은 사실이 아니다. 대조적으로, 이식 가능한 자극기는 일반적으로 다른 물리 처치 옵션이 성공적이지 않은 경우 사용된다.

따라서, 등쪽기둥의 표면 아래에(즉, > 0.5mm) 놓여있는 신경로는 전계의 간섭 패턴을 사용하여 성공적으로 자극될 수 있다. 간섭 능력은, 한 수준에서 근접한 후근진입구역(dorsal root entry zone)의 더욱 정밀한 신경자극을, (궁극적인 리드 설계에 종속하는) 다른 수준에서 등쪽기둥 내 깊은 곳의 상응하는 신경로의 상보적인 자극과 함께 허용한다. 다른 응용은 모두 척수 내 경막 외의 신경근과 배근신경절 자체의 고정밀도 신경자극을 포함한다. 3차원적 관점에서 신경 자극을 제어하는 이 능력은 잠재적으로 척수관 내 및 그 이상의 신경 자극의 임상적 능력을 향상시키는 데 있어 중요한 의미가 있다.

전술한 본 개시의 실시 예는 명백한 이해를 위해 제시된 구현 예일 뿐이라는 것을 명심해야 한다. 본 개시의 원리를 실질적으로 벗어나지 않으면서 전술한 실시 예 (들)에 대해 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 모든 변형 및 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되며 다음의 청구 범위에 의해 보호되는 것을 의도한다.

Claims

척수 통증 처치용 전기 자극기에 있어서,
상이한 제1 및 제2 주파수를 가진 제1 및 제2 신호를 포함하는 간섭 출력을 발생시키는 간섭 전류 발생기; 및
제1 및 제2 단부를 가진 두 쌍 이상의 이식 가능한 전극들;
을 포함하며,
상기 제1 단부는 상기 간섭 전류 발생기에 연결되고 상기 제2 단부는 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 이식되도록 구성되며,
제1쌍의 이식 가능한 전극들 사이에서 생성된 제1 회로가 제2쌍의 이식 가능한 전극들 사이에서 생성된 제2 회로에 평행하도록 상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들 및 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들이 병렬 구성으로 위치되며,
상기 두 쌍 이상의 이식 가능한 전극들의 각각은 상기 제1 및 제2 신호 중 하나를 반송하여, 상기 제1 및 제2 주파수가 서로 간섭하여 환자의 척수에 근접한 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하도록 하는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 간섭 전류 발생기는 환자에게 이식 가능한, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 간섭 전류 발생기에 연결된 전원을 추가로 포함하고,
상기 전원은 환자에게 이식 가능한, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 간섭 전류 발생기는 무선 링크를 통해 상기 두 쌍 이상의 이식 가능한 전극들과 통신하는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 4 항에 있어서,
상기 간섭 전류 발생기는 8.5 GHz 내지 10 THz의 범위의 반송 주파수를 가진 하나 이상의 입력 무선주파수(RF) 신호를 이용하여 통신하는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 1,500 Hz 내지 15,000 Hz의 범위의 주파수를 가지는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 회로 및 제2 회로는 제1 전계 및 제2 전계를 생성하고,
상기 제1 전계 및 제2 전계가 중첩하여 상기 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하도록 상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들 및 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들이 위치되는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 7 항에 있어서,
집중 대상 영역에서 상기 제1 전계 및 제2 전계의 정렬을 달성하도록 상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들 및 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들을 바이어싱함으로써, 한 쌍의 이식 가능한 전극의 애노드 및 캐소드가 수직으로 정렬되고 다른 한 쌍의 이식 가능한 전극의 애노드 및 캐소드가 서로 근접하여 수직으로 정렬되어 상기 제1 전계 및 제2 전계의 중첩 영역을 형성하도록 하는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 전계 및 제2 전계가 집중의 비대상(untargeted) 영역에 대해 정렬되지 않도록 상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들 및 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들이 바이어싱되는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들은 제1 이식 가능한 리드 상에 포함되고 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들은 제2 이식 가능한 리드 상에 포함되는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들 및 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들은 동일한 리드 상에 포함되는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들은 2mm 내지 10mm의 길이 방향 분리 거리에 위치되고, 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들은 2 mm 내지 10 mm의 길이 방향 분리 거리에 위치되는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
척수 통증 처치용 전기 자극기에 있어서,
상이한 제1 및 제2 주파수를 가진 제1 및 제2 신호를 포함하는 간섭 출력을 발생시키는 간섭 전류 발생기; 및
제1 및 제2 단부를 가진 두 쌍 이상의 이식 가능한 전극들;
을 포함하며,
상기 제1 단부는 상기 간섭 전류 발생기에 연결되고 상기 제2 단부는 환자의 척수에 근접한 경막외강 내 경막의 미리 결정된 위치에 이식되도록 구성되며,
제1쌍의 이식 가능한 전극들 사이에서 생성된 제1 회로가 제2쌍의 이식 가능한 전극들 사이에서 생성된 제2 회로에 평행하도록 상기 제1쌍의 이식 가능한 전극들 및 상기 제2쌍의 이식 가능한 전극들이 병렬 구성으로 위치되며,
상기 두 쌍 이상의 이식 가능한 전극들의 각각은 상기 제1 및 제2 신호 중 하나를 반송하여, 상기 제1 및 제2 주파수가 서로 간섭하여 환자의 척수에 근접한 하나 이상의 맥놀이 신호를 생성하도록 하며,
상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 250 Hz 내지 15,000 Hz 범위의 주파수를 가지며, 상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 이상감각형(paresthesia-type) 맥놀이 신호인, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 3,000 Hz 내지 15,000 Hz 범위의 주파수를 가지는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 맥놀이 신호는 10,000 Hz 내지 15,000 Hz 범위의 주파수를 가지는, 척수 통증 처치용 전기 자극기.