專利名稱：高分辨率電刺激引線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于向周圍組織提供電刺激的系統(tǒng)，以及一種用于向周圍組織提供電刺激的方法。
背景技術(shù)：
新的高分辨率神經(jīng)接ロ允許向目標(biāo)組織進(jìn)行治療刺激的準(zhǔn)確空間導(dǎo)引(steering)。這樣的高分辨率接ロ通常包括能夠傳遞刺激(例如，電脈沖)的元件(例如,觸點(diǎn)或電極)的類似陣列的分布，并且陣列通常位于載體結(jié)構(gòu)(例如，延長(zhǎng)的柔性探頭)上。圖IB表示了用于深度腦刺激治療用途的用于準(zhǔn)確傳遞電刺激的這樣的高分辨率神經(jīng)接ロ的示例。為了進(jìn)行比較，在圖IA中以相同的尺度提供了用于深度腦刺激治療的傳統(tǒng)的低分辨率神經(jīng)接ロ。圖IA和IB中所示的電極分別也被稱作現(xiàn)有技術(shù)的DBS引線(lead)和高分辨率DBS陣列。所要注意的是，在組織中這樣生成場(chǎng)在諸如組織切除之類的其它應(yīng)用或甚 至非治療應(yīng)用中也會(huì)是有用的。DBS引線周圍的腦組織中的電勢(shì)可以使用Edsberg L.的Introductionto Computation and Modeling for Differential Equations, J. Wi ley,Wiley-Interscience: pp. 140-146，2008，ISBN-13 9780470270851 中所公開的有限元法(FEM)進(jìn)行計(jì)算。DBS 電極所生成的電勢(shì) V 通過(guò)求解 Bronzino J.的 Biomedical EngineeringHandbook 2006，vol. I，section III，chapter 20，pp. 1-3，CRC. 1，ISBN-139780849304613中所公開的泊松方程而獲得
= 一VbJ"'(I)
a
其中マa是Laplace算子，是電流源，且彳是導(dǎo)電率。為了估計(jì)DBS激活的量，可以計(jì)算激活函數(shù)(activating function, AF)0通常，AF 對(duì)如 Ratty F.的 The basic mechanism for the electrical stimulation of thenervous system, Neuroscience Vol. 89，No. 2，pp. 335-346，1999 中所公開的用于神經(jīng)元去極(depolarization)的驅(qū)動(dòng)カ進(jìn)行量化。如McIntyreC. C.、S. Mori 等人的 Electric field and stimulating influencegenerated by deep brain stimulation of the subthalamic nucleus, ClinicalNeurophysiology Volume 115 Issue 3，pp. 589-595，March 2004 中所公開的，刺激量的估計(jì)通過(guò)對(duì)激活函數(shù)的分布進(jìn)行閾值化(thresholding)而實(shí)現(xiàn)，其已經(jīng)被示出為提供對(duì)被激活組織的量的良好初始估計(jì)，這利用更為廣泛的計(jì)算建模來(lái)進(jìn)行計(jì)算。激活函數(shù)通過(guò)取外部電勢(shì)的離散的ニ階空間導(dǎo)數(shù)(second spatial derivative)而獲得。例如，對(duì)于以z方向取向的元素，激活函數(shù)被計(jì)算為AF1 ix,f,z) = V{x,y,z - Az) + V{x,y,z + Az) - 2V{x,y,z),(2)
其中步長(zhǎng)Az =0.5 mm是有髓纖維的典型節(jié)點(diǎn)間長(zhǎng)度。激活在該激活函數(shù)跨過(guò)特定閾值時(shí)發(fā)生，也就是說(shuō)，即其取決于刺激參數(shù)(最顯著的是脈沖持續(xù)時(shí)間)、纖維屬性和相對(duì)纖維-電極取向。在臨床實(shí)踐中，在對(duì)于給定刺激配置而言獲得不利的副作用時(shí)將會(huì)考慮刺激場(chǎng)的重新定位。通過(guò)對(duì)刺激場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)引使其遠(yuǎn)離負(fù)責(zé)這樣的副作用的區(qū)域，將嘗試避免副作用并且同時(shí)保持良好的治療效果。在當(dāng)前的臨床實(shí)踐中，用于移位(displace)刺激場(chǎng)的常用方法是通過(guò)選擇不同的觸點(diǎn)進(jìn)行刺激傳遞。由于這立即將刺激場(chǎng)移位2-3 mm，所以這是ー種十分粗糙的方法。通過(guò)電流導(dǎo)引技術(shù)和/或高分辨率刺激陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)刺激場(chǎng)移位更為精細(xì)的控制。電流導(dǎo)引在本領(lǐng)域中已知為用于移位刺激場(chǎng)的方法。簡(jiǎn)言之，該方法包括對(duì)兩個(gè)或更多觸點(diǎn)之間的電流傳遞進(jìn)行平衡。例如，Butson, C. R.和McIntyre C. C.的しurrent steering to control the volume of tissue activated during deep brain stimulation, Brain Stimulation 1(1): pp. 7-15, 2008 論證了可以如何與現(xiàn)有技術(shù)的DBS引線一起使用電流導(dǎo)引來(lái)對(duì)刺激量進(jìn)行調(diào)諧，見圖2。在該示例中，總的刺激電流在兩個(gè)相鄰電極上進(jìn)行分布并且取決于兩個(gè)電極之間的電流平衡而產(chǎn)生不同的激活曲線(profile)。圖2從左到右示出了 DBS電極、從單個(gè)電極的激活開始并且以DBS電極的兩個(gè)相鄰電極的激活結(jié)束的一系列場(chǎng)等高線(contour )。如從圖2所清楚的，對(duì)兩個(gè)觸點(diǎn)之間的電流進(jìn)行平衡允許偏移(shift)激活量。US2007/0203539公開了利用圖IB所示出的高分辨率DBS陣列進(jìn)行電流導(dǎo)引。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是使得能夠在具有高分辨率探頭的系統(tǒng)中容易地應(yīng)用場(chǎng)導(dǎo)引。特別地，本發(fā)明的目標(biāo)是提供ー種利用高分辨率探頭應(yīng)用電流導(dǎo)引而不會(huì)不當(dāng)?shù)貕埣酉墓β实南到y(tǒng)和方法。本發(fā)明的第一方面提供了一種如權(quán)利要求I中所要求保護(hù)的用于向周圍組織提供電刺激的系統(tǒng)。本發(fā)明的第二方面提供了一種如權(quán)利要求13中所要求保護(hù)的用于利用具有多個(gè)電極的探頭生成電刺激以便應(yīng)用于周圍組織的方法。有利實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行限定。依據(jù)本發(fā)明的第一方面的一種用于向周圍組織提供電刺激的系統(tǒng)包括具有多個(gè)電極的探頭。生成器向所述電極提供電信號(hào)以獲得周圍組織中的場(chǎng)分布。對(duì)生成器進(jìn)行控制的控制器在第一狀態(tài)中向電極提供電信號(hào)的第一分布以生成第一場(chǎng)分布，并且在第二狀態(tài)中向電極提供電信號(hào)的第二分布以生成第二場(chǎng)分布。電信號(hào)的第一分布與電信號(hào)的第二分布相比關(guān)于電極更加對(duì)稱，并且電信號(hào)在第二狀態(tài)中所導(dǎo)致的電刺激電流的總量低于第一狀態(tài)中所導(dǎo)致的。通過(guò)具有這樣的電流總量(其在較不對(duì)稱的分布中較少)，可能防止系統(tǒng)所汲取功率過(guò)于大幅地増加。特別地，如果用于系統(tǒng)的功率由電池提供，則過(guò)大的功率消耗會(huì)導(dǎo)致電池耗損過(guò)快。相反，如果電信號(hào)的分布被選擇為更加對(duì)稱或者被變?yōu)楦訉?duì)稱的分布，則允許増加電流總量而并不會(huì)導(dǎo)致電池消耗過(guò)快。如果電極的激活彼此相同，例如通過(guò)向電極陣列的所有電極提供相同的電流，則獲得電信號(hào)關(guān)于電極最為対稱的分布。以這種方式，分布的此對(duì)稱性能夠獨(dú)立于電極陣列的實(shí)際形狀進(jìn)行定義。所產(chǎn)生的場(chǎng)分布的形狀取決于陣列的實(shí)際形狀。只要對(duì)電極進(jìn)行激活的電信號(hào)有所不同，電信號(hào)的分布就被稱作是不對(duì)稱的。電極激活差異越大，電信號(hào)的這種分布就將越不對(duì)稱，并且所產(chǎn)生的場(chǎng)分布就與電信號(hào)的對(duì)稱分布期間所出現(xiàn)的場(chǎng)偏離越大。以相同的方式，具有(關(guān)于電極)対稱的場(chǎng)分布在這種背景下意味著在所有電極彼此相同地被激活時(shí)所獲得的場(chǎng)分布。所產(chǎn)生的場(chǎng)分布具有由電極陣列的形狀所確定的形狀。如果使用圖IB的探頭，則如果應(yīng)用于電極的所有電流都相同，則場(chǎng)將肯定是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。通過(guò)不彼此相同地對(duì)所有電極進(jìn)行激活，例如通過(guò)向至少ー個(gè)電極提供不同電流，則所生成的場(chǎng)的形狀與通過(guò)彼此相等的激活所獲得的形狀有所偏離并且被稱作較不對(duì)稱的。這樣的不相等激活會(huì)導(dǎo)致關(guān)于原始對(duì)稱場(chǎng)的變化以獲得場(chǎng)在特定方向中的指向性。另外，其中部分電極根本沒有被激活的情形也被認(rèn)為是較不對(duì)稱的。例如，關(guān)于圖IB所示的探頭，其中電極環(huán)沒有被激活的情形也是更不対稱的分布，這導(dǎo)致了更不對(duì)稱的場(chǎng)分布。在其中電信號(hào)分布的対稱性或者場(chǎng)關(guān)于電極陣列的形狀的対稱性減弱的所有情形中，提供給電極陣列的總電流應(yīng)當(dāng)減小。 在一個(gè)實(shí)施例中，控制器對(duì)提供給電極的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)以使得所生產(chǎn)的場(chǎng)從第一狀態(tài)中的第一分布逐漸變?yōu)榈诙顟B(tài)中的第二分布。在探頭位于組織中時(shí)，通過(guò)逐漸改變場(chǎng)分布，使不期望的可能的副作用最小化。如果場(chǎng)分布變化過(guò)快，則患者不能及時(shí)表示出該變化是難以接受的。在一個(gè)實(shí)施例中，在從第一狀態(tài)變?yōu)榈诙顟B(tài)時(shí)控制器以這樣的方式減少電刺激電流的總量，即使得在第一狀態(tài)中和第二狀態(tài)中提供給電極的總功率基本上保持恒定。以這種方式，從電池獲取的功率基本上保持恒定并且防止了不期望的電池的快速消耗。例如，根據(jù)電池的期望壽命，可以不允許電流増加超過(guò)25%或者甚至不超過(guò)5%。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器減少電刺激電流的總量以將第二狀態(tài)中的場(chǎng)分布保持在第ー狀態(tài)中的場(chǎng)分布的邊界之內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制器減少電刺激電流的總量以使得第二狀態(tài)中場(chǎng)分布的最大值基本上等于第一狀態(tài)中場(chǎng)分布的最大值。場(chǎng)分布的最大值通過(guò)侵入(trespass)場(chǎng)強(qiáng)度的特定閾值而定義。因此，以這樣的方式控制電刺激電流，即使得第ニ狀態(tài)中場(chǎng)的強(qiáng)度總是不大于第一狀態(tài)中場(chǎng)的強(qiáng)度而僅是指向性改變。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器在第一狀態(tài)中生成在探頭周圍対稱的場(chǎng)分布，并且在第ニ狀態(tài)中生成具有關(guān)于探頭在所期望方向延伸的指向性的場(chǎng)分布。在一個(gè)實(shí)施例中，第一場(chǎng)分布和第二場(chǎng)分布是電壓場(chǎng)、電場(chǎng)、激活函數(shù)或者多隔室神經(jīng)元模型的激活曲線的分布。在一個(gè)實(shí)施例中，所述探頭具有延長(zhǎng)的形狀并且所述多個(gè)電極在不同軸向位置圓周排列于所述探頭上，其中幾個(gè)電極存在于所述不同軸向位置中的ー個(gè)相同位置。這樣的高分辨率DBS探頭表現(xiàn)為尤其適于被置于組織之中并且以高準(zhǔn)確度生成所期望的場(chǎng)分布。本發(fā)明的這些和其它方面將參考隨后所描述的實(shí)施例進(jìn)行闡述并且由此是顯而易見的。


在圖中
圖IA示出了現(xiàn)有技術(shù)的低分辨率DBS引線，并且圖IB示出了現(xiàn)有技術(shù)的高分辨率DBS陣列，
圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的恒定總電流場(chǎng)導(dǎo)引，其利用低分辨率DBS引線的AF等高線進(jìn)行圖示，
圖3示出了圖IB所粗繪的探頭的頂視圖(具有一個(gè)“優(yōu)選”和三個(gè)“其它”方向的指示)， 圖4示出了用于生成提供給圖3所示的探頭的電極的電信號(hào)的系統(tǒng)的示意性框圖，
圖5A和5B示出了高分辨率DBS陣列允許使用場(chǎng)導(dǎo)引技術(shù)來(lái)關(guān)于組織準(zhǔn)確定位刺激
場(chǎng)，、
圖6A和6B示出了恒定的總計(jì)總電流期間AF曲線上的場(chǎng)導(dǎo)引的效果，且圖6C示出了圖6A和6B的電流導(dǎo)引示例的功率消耗的圖形，
圖7A和7B示出了在應(yīng)用電流限制的情況下AF曲線上的電流導(dǎo)引的效果，并且圖7C示出了圖7A和7B的電流導(dǎo)引示例的功率消耗的圖形，
圖8A和8B闡明了場(chǎng)分布的擴(kuò)展(spread),
圖9示出了切線方向中的恒定刺激擴(kuò)展，且
圖10示出了刺激擴(kuò)展，其獨(dú)立于沿任意方向排列的纖維的特定截面(section)的場(chǎng)的指向性。應(yīng)當(dāng)注意的是，不同示圖中具有相同附圖標(biāo)記的項(xiàng)目具有相同的結(jié)構(gòu)特征和相同的功能或者是相同的信號(hào)。在已對(duì)這樣的項(xiàng)目的功能和/或結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)解釋的情況下，不必在詳細(xì)描述中對(duì)其進(jìn)行重復(fù)解釋。
具體實(shí)施例方式圖IA示出了現(xiàn)有技術(shù)的低分辨率DBS引線，并且圖IB示出了現(xiàn)有技術(shù)的高分辨率DBS陣列。兩個(gè)DBS探頭都是延長(zhǎng)的圓柱支承結(jié)構(gòu)，電極Ei在其上由黒色區(qū)域所指示。在圖IA中，低分辨率DBS引線PRl的四個(gè)電極El至E4示為圓周排列在支承結(jié)構(gòu)上。低分辨率DBS引線PRl可以具有比四個(gè)電極El至E4更少或更多的電極。當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，這些電極El至E4分別向周圍組織提供電刺激電流ISl至IS4。電極也被統(tǒng)稱為Ei并且電刺激電流也被統(tǒng)稱為ISi。在圖IB中，示出了高分辨率DBS陣列PR2，其中四個(gè)電極Ei的組沿支承結(jié)構(gòu)軸向移位。四個(gè)電極Ei圍繞支承結(jié)構(gòu)的圓周等距離定位。然而，可以使用電極Ei的任意其它分布。例如，一個(gè)組中的電極Ei可以少于或多于四個(gè)和/或可以以非等距的方式進(jìn)行定位。組中的電極Ei的數(shù)量可以有所不同。組之間的距離可以有所不同。支承結(jié)構(gòu)可以具有任意適當(dāng)?shù)男螤?。在下文中，電極Ei也被稱作元件Ei。高分辨率DBS陣列PR2的數(shù)量眾多的元件Ei意味著能夠生成眾多數(shù)量的刺激傳遞組合。測(cè)試所有這些組合實(shí)際上是不可能的。通過(guò)對(duì)沿探頭PR2的長(zhǎng)度排列的電極Ei使用本領(lǐng)域已知的電流導(dǎo)引方法，該問(wèn)題能夠大幅簡(jiǎn)化。采用高分辨率接ロ的導(dǎo)引功能的ー種方式是通過(guò)將總體的刺激電流朝關(guān)于探頭PR2的圓周的優(yōu)選方向進(jìn)行逐漸偏移。ー個(gè)或多個(gè)刺激元件Ei (即，沿圓周排列的電極)被定義為“優(yōu)選”方向，而ー個(gè)或多個(gè)元件Ei則被定義為“其它”方向。優(yōu)選地，“優(yōu)選”和“其它”元件共同包括對(duì)稱排列，例如覆蓋圓柱形探頭PR2的圓周。圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的恒定總電流的場(chǎng)導(dǎo)引，其利用低分辨率DBS引線的AF等高線進(jìn)行圖示。圖2從左至右示出了 DBS電極PRl以及電極El和E2上的導(dǎo)引電流的不同比率的一系列場(chǎng)等高線Fl至F6。電極El和E2的導(dǎo)引電流的比率在場(chǎng)等高線的頂部進(jìn)行指示?？偟目傆?jì)導(dǎo)引電流量保持恒定。Fl示出了單個(gè)電極El的激活的場(chǎng)等高線，而F6則示出了等同激活兩個(gè)電極El和E2時(shí)的場(chǎng)等高線。在該示例中，總的刺激電流在兩個(gè)相鄰電極El和E2上分布。根據(jù)提供給兩個(gè)電極El和E2的電流的平衡，產(chǎn)生了不同的激活曲線并且因此對(duì)激活量進(jìn)行偏移。圖3示出了圖IB中所粗繪的探頭的頂視圖，其具有一個(gè)“優(yōu)選”和三個(gè)“其它”方向的指示。針對(duì)如同圖IB的示例的元件Ei的正方形陣列的情形，圖3提供了這樣的排列 的軸向頂視圖；存在ー個(gè)所指示的“優(yōu)選”方向ro和三個(gè)“其它”方向0D。根據(jù)所期望的場(chǎng)分布，元件的陣列可以具有元件Ei的任意其它適當(dāng)?shù)呐帕小Ｗ裱娏鲗?dǎo)引技術(shù)，可以正式如下實(shí)施電流導(dǎo)引
向鄰近刺激元件Ei的組織施加總刺激電流IMinal (1+@)，其分布在構(gòu)成用于刺激傳遞的總共(total) ntotal個(gè)元件Ei的nother個(gè)“其它(other)”元件EO以及rvef個(gè)“優(yōu)選(preferential )，，兀件 EP 上。在對(duì)稱(非導(dǎo)引)模式中，“其它”和“優(yōu)選”元件各自(平均)接收電流
lotherlprefInominalZ 1^total( ノ
定義電流導(dǎo)引平衡參數(shù)ガ，其對(duì)刺激傳遞的非対稱性進(jìn)行量化以使得每個(gè)“優(yōu)選”元件EP (平均)接收電流
lpref = Inominal/ntotal* (I + ^ * (11Other/nPref) )(4)
并且每個(gè)“其它”元件EO (平均)接收電流
I other _ Inominal/ntotal* (I _ ^ )(5)
結(jié)果’所傳遞的總電流]^!^*!— + npref*ipref = Imminal保持恒定,但是通過(guò)將電流導(dǎo)引平衡參數(shù)-從0增大為1，電流傳遞曲線逐漸從對(duì)稱排列偏移為所有電流都施加在“優(yōu)選”地點(diǎn)(site) EP上的情形。還可能的情形是電流導(dǎo)引平衡參數(shù)ガ>1，即在將相反極性的電流送至“其它”地點(diǎn)EO吋，導(dǎo)致刺激量的進(jìn)ー步移位。注意，取自(之前所提到的)Butson和McIntyre 2008的示例對(duì)應(yīng)于Iitrthw = npref = I的情形。圖4示出了用于生成被提供至圖3所示的探頭的電極的電信號(hào)的系統(tǒng)的示意性框圖。生成器I向圖IB和3所示的高分辨率DBS陣列的電極Ei提供電信號(hào)Sil至Si4 (被統(tǒng)稱為Si)?？刂破?對(duì)生成器I進(jìn)行控制以向電極Ei提供電信號(hào)Si的特定分布以在組織中獲得所需的場(chǎng)分布Fi。電源3向生成器I和控制器2提供功率。用戶接ロ 4接收針對(duì)控制器的用戶輸入以使得能夠輸入所期望的場(chǎng)分布Fi，或者現(xiàn)有場(chǎng)分布Fi的所期望變化。例如，用戶可以指示場(chǎng)分布Fi的指向性的變化。如果具有植入電極的患者并非處于臨床環(huán)境中，則該電源3是電池。重要的是，電池可以在良好定義的時(shí)間段內(nèi)使用。因此，如果電池在該時(shí)間段內(nèi)耗盡是非常麻煩的。此外，總體上消耗少的功率是有利的。在將所生成的場(chǎng)變得更加不對(duì)稱吋，電信號(hào)Si必須要被改變以使得它們中的一個(gè)變得更大以使得組織中的電流在不對(duì)稱的方向變得更大。這增加了功率消耗。在本發(fā)明的ー個(gè)方面中，組織中所生成的總電流在場(chǎng)的不対稱性增加時(shí)有所下降。在一個(gè)實(shí)施例中，改變電信號(hào)Si以使得提供給組織的功率以及因此向電池3請(qǐng)求的功率在場(chǎng)Fi的指向性改變時(shí)基本上保持恒定。圖5A和5B示出了高分辨率DBS陣列允許使用場(chǎng)導(dǎo)引技術(shù)來(lái)關(guān)于組織準(zhǔn)確定位刺激場(chǎng)Fi。通過(guò)電流導(dǎo)引與高分辨率引線PR2的組合，能夠采用非常準(zhǔn)確的刺激導(dǎo)引。例如，可以執(zhí)行導(dǎo)引以使得能夠?qū)Υ碳さ膶?duì)稱傳遞將導(dǎo)致副作用的情形(例如，因?yàn)樘囟ǚ较?區(qū)域中的刺激對(duì)會(huì)導(dǎo)致不利以及不希望的副作用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行激活)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)具有導(dǎo)引刺激的選項(xiàng)，可以避免向那些結(jié)構(gòu)傳遞不希望的刺激。圖5A示出了在區(qū)域STN的中間最優(yōu)放置的探頭PR2，其在對(duì)稱刺激模式中被用來(lái)獲得導(dǎo)致FS所指示的對(duì)稱場(chǎng)分布的良好目標(biāo)覆蓋?？梢岳矛F(xiàn)有技術(shù)的探頭PRl獲得等同的結(jié)果。圖5B示出了對(duì)于次優(yōu)放置的探頭PR2，區(qū)域STN能夠在應(yīng)用場(chǎng)導(dǎo)引技術(shù)以使得虛線內(nèi)的區(qū)域FA被覆蓋的情況下被良好覆蓋。利用現(xiàn)有技術(shù)的探頭PRl無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)果，原因在于這樣的探頭覆蓋圓Cl內(nèi)的區(qū)域并且出現(xiàn)了次優(yōu)目標(biāo)覆蓋和/或到相鄰結(jié)構(gòu)Cl中的泄漏。 圖6A和6B示出了恒定的總計(jì)總電流期間AF曲線上的場(chǎng)導(dǎo)引的效果，并且圖6C示出了圖6A和6B的電流導(dǎo)引示例的功率消耗的圖形。圖6A和圖6B都在垂直于圖3中示出了其橫截面的探頭PR2的軸線的ニ維xy平面中示出了場(chǎng)分布。圖6A示出了對(duì)稱場(chǎng)分布FS1，其被變?yōu)榫哂腥缂^所指示的沿X軸的正交指向性的場(chǎng)分布FAl。圖6B示出了對(duì)稱場(chǎng)分布FS1，其被變?yōu)榫哂腥缂^所指示的對(duì)角方向中的指向性的場(chǎng)分布FA2。圖6C示出了歸ー化功率消耗的圖形，其是根據(jù)在線條NPl中圖6A的電流導(dǎo)引示例的電流導(dǎo)引平衡參數(shù)蘆以及在虛線NP2中圖6B的電流導(dǎo)引示例的電流導(dǎo)引平衡參數(shù)-。隨著電流導(dǎo)引平衡參數(shù)-根據(jù)以上的方程(equation) (4)和(5)増大，刺激區(qū)域移動(dòng)得逐漸遠(yuǎn)離“其它”方向并且同時(shí)其被移位到箭頭所指示的“優(yōu)選”方向中。另外，隨著導(dǎo)引的増大(^増大)，系統(tǒng)的功率消耗大幅上升。因此，以上電流導(dǎo)引示出了以下效果
Ca)功率消耗在應(yīng)用常規(guī)電流導(dǎo)引時(shí)大幅上升，
(b)刺激的擴(kuò)展增加到優(yōu)選方向之中。效果(a)應(yīng)當(dāng)被緩解，原因在于增加的功率消耗對(duì)刺激設(shè)備的電池工作時(shí)間造成不利影響。然而，效果(b)也應(yīng)當(dāng)被緩解，這是因?yàn)閷?yīng)用導(dǎo)引以減少對(duì)于給定設(shè)置的副作用并且在特定方向中所増加的擴(kuò)展帶來(lái)了對(duì)另ー結(jié)構(gòu)進(jìn)行所不希望的激勵(lì)的風(fēng)險(xiǎn)，這潛在地引發(fā)其它/新的副作用。例如見圖5B，那里電流導(dǎo)引使場(chǎng)移動(dòng)得遠(yuǎn)離區(qū)域Cl (內(nèi)囊)，但是同時(shí)導(dǎo)致到區(qū)域ZI的擴(kuò)散的偏移，這可能是不希望的。因此，本發(fā)明尋求提供一種系統(tǒng)和方法，用于減少功率消耗和/或較不易于出現(xiàn)刺激場(chǎng)擴(kuò)展移位的刺激場(chǎng)導(dǎo)引。根據(jù)本發(fā)明，用于向周圍組織提供電刺激的系統(tǒng)包括具有多個(gè)電極的探頭。生成器向所述電極提供電信號(hào)以在周圍組織中獲得場(chǎng)分布。控制器對(duì)所述生成器進(jìn)行控制以使得在第一狀態(tài)中將所述電信號(hào)的第一分布應(yīng)用于所述電極以生成第一場(chǎng)分布，并且在第二狀態(tài)中將所述電信號(hào)的第二分布應(yīng)用于所述電極以生成第二場(chǎng)分布。所述第一場(chǎng)分布比所述第二場(chǎng)分布更加對(duì)稱，并且所述電信號(hào)在第二狀態(tài)中所導(dǎo)致的電刺激電流的總量小于第一狀態(tài)中所導(dǎo)致的。通過(guò)在使得組織中的場(chǎng)分布更不對(duì)稱時(shí)減少組織中電刺激電流的總量，圖6A、6B和6C中所示出的負(fù)面效果得以被緩解。如果電流總量針對(duì)較不対稱的場(chǎng)有所減少，功率增加將較少或者甚至可以保持恒定并且擴(kuò)展也將較少。甚至可以對(duì)電流總量進(jìn)行控制以使得不對(duì)稱場(chǎng)所覆蓋的體積為最大值但是仍然處于在應(yīng)用對(duì)稱場(chǎng)時(shí)所覆蓋的體積的邊界之內(nèi)。因此，本發(fā)明提供了ー種具有刺激場(chǎng)導(dǎo)引功能的系統(tǒng)，其中通過(guò)改變?cè)诖碳ぴM之間傳遞的電流中的平衡(“導(dǎo)引”)，并且由此針對(duì)増加的“不平衡”根據(jù)適當(dāng)算法自動(dòng)減小所傳遞的總電流來(lái)實(shí)現(xiàn)刺激場(chǎng)導(dǎo)引。對(duì)于如以上所討論的兩個(gè)刺激元件Ei的組的情況，這可以以形式化表示如下 每個(gè)“優(yōu)選”元件EP (平均)接收電流
Ipref丄nominal, ntotal*
(I + バotherZnpref) )( 6 )
并且每個(gè)“其它”元件EO (平均)接收電流
lother InominalZ(I^ )C7)
其中函數(shù)0彡/(￠) < I。所以，/W)是用來(lái)在通過(guò)應(yīng)用電流導(dǎo)引平衡參數(shù)ガ已經(jīng)對(duì)電流進(jìn)行重新分布之后調(diào)節(jié)電流水平的函數(shù)。對(duì)于ー些應(yīng)用而言，/(￠)可以是恒定的，而對(duì)其它應(yīng)用而言，/W)則可以的確是電流導(dǎo)引平衡參數(shù)0的函數(shù)。在可替換的表示形式中，以上可以如下撰寫
每個(gè)“優(yōu)選”元件EP (平均)接收電流
lpref =)*Inominal/ntotal*(l + MfctrtherAlpref))(8)
并且每個(gè)“其它”元件EO (平均)接收電流
lother =)*Inominal/ntotal*(l ~ ^ )(9)
其中函數(shù)^'(￠) < I。這里，^'(￠)執(zhí)行如以上デ(￠)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)電流水平的功能。函數(shù)/(￠)可以針對(duì)不同要求進(jìn)行優(yōu)化，例如恒定功率消耗或者優(yōu)選方向中刺激傳遞的恒定范圍，等等。注意到，/(￠)=0的情形意味著恒定電流被傳遞到優(yōu)選地點(diǎn)EP (也被稱作元件或電極)而不考慮導(dǎo)引參數(shù)。在以上示例中，所有優(yōu)選元件EP接收相同電流對(duì)于本發(fā)明并非是必需的，并且所有其它元件EO接收相同電流也并非是必需的。電流分布可以關(guān)于所要生成的場(chǎng)Fi的期望指向性而最優(yōu)地進(jìn)行選擇。通過(guò)本發(fā)明多方面的示例，以下提供多個(gè)實(shí)施例。圖7A和7B示出了應(yīng)用電流限制的情況下AF曲線上的電流導(dǎo)引的效果，而圖7C示出了圖7A和7B的電流導(dǎo)引示例的功率消耗的圖形。在圖7A和7B中，在正交的xy系中示出了ニ維區(qū)域。垂直軸線描繪了 y (以_為單位)，水平軸線描繪了 X (以_為單位)。探頭PR2定位于原點(diǎn)0，0，并且四個(gè)電極Eil至Ei4對(duì)稱排列在探頭PR2的表面上。圖7A利用沿X軸的指向性示出了對(duì)稱場(chǎng)分布的AF曲線FSl以及非對(duì)稱場(chǎng)分布的AF曲線AF3。圖7B分別利用不平行于X軸或y軸的方向的指向性示出了對(duì)稱場(chǎng)分布和非對(duì)稱場(chǎng)分布的AF曲線FS1、AF4。所要注意的是，AF分布也被稱作場(chǎng)分布。在圖7A和7B中都提供了具有植入患者腦部的64個(gè)刺激元件的陣列的DBS設(shè)備PR2。另外，提供了 UI(圖4中的用戶接ロ)來(lái)控制DBS設(shè)備PR2的刺激參數(shù)。UI 4具有允許對(duì)“導(dǎo)引”進(jìn)行控制的元件并且其具有允 許對(duì)“刺激擴(kuò)展”進(jìn)行控制的元件。作為示例，用戶選擇總共8個(gè)電極中的兩個(gè)相鄰的環(huán)并且彼此之上定義兩個(gè)“優(yōu)選”電極EP，而將其它六個(gè)電極定義為“其它”電極E0。如圖7A和7B中通過(guò)屬于對(duì)稱場(chǎng)分布的圓FSl內(nèi)的面積所指示的，使用3 _的統(tǒng)ー刺激擴(kuò)展作為起始點(diǎn)。當(dāng)在n上對(duì)“導(dǎo)引”功能進(jìn)行控制時(shí)，將可能實(shí)現(xiàn)的是，根據(jù)導(dǎo)引參數(shù)刺激在優(yōu)選方向中的擴(kuò)展是恒定的(保持固定為3mm)。從刺激發(fā)現(xiàn)，如果取/(￠) = 1/3或者等同地^'(￠)=(I - 0.53)，則這可以實(shí)現(xiàn)。類似地，對(duì)于nQtto=4且rvef=4，發(fā)現(xiàn)對(duì)于デ(￠)=0.5或者等同地^'(￠) = (I - 0.253)，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)選方向中的恒定刺激擴(kuò)展。作為附加效果，觀察到功率消耗遠(yuǎn)小于常規(guī)電流導(dǎo)引。這是提供給電極Ei的電流Si在應(yīng)用導(dǎo)引時(shí)被減小的事實(shí)的結(jié)果。圖7A示出了正交的非對(duì)稱場(chǎng)分布AF3，且圖7B示出了對(duì)角線的非對(duì)稱場(chǎng)分布AF4。圖7C示出了根據(jù)兩種情形中的電流導(dǎo)引平衡參數(shù)#的歸ー化功率NP。虛線NP3指不圖7A所不的對(duì)角線非對(duì)稱場(chǎng)分布的功率,線NP4不出了圖7B所不的正交非對(duì)稱場(chǎng)分布的功率。恒定功率模式實(shí)施例
假設(shè)64個(gè)元件的刺激探頭PR2連接到也提供大型返回電極的脈沖生成器I。通過(guò)使用阻抗測(cè)量技術(shù)來(lái)確定刺激探頭的64X64的矩陣R。對(duì)角線元件Rn，n反映了從電極n到返回 電極的電阻杭，并且非對(duì)角線元件Rm，n則對(duì)應(yīng)于元件m和n之間的電阻杭。電阻矩陣允許計(jì)算與傳遞到64個(gè)元件的刺激電流れ…i64 (圖IB的電刺激電流ISi)的分布相關(guān)聯(lián)的元件電壓Vi (圖4的電信號(hào)Si)的1X64的矢量
I ￥ I^ I J. I I. VTi j ■ ■ I > ぢ4 Iふ文
v2丑1,2 ^2,2 ^3,2 ...... h
j V3 = R1^3 R23 R3^3 … i3(10)
I * ,* ■ ■ ■霧■ ■ ■* a Mv 會(huì)■
|_ ノ64 *^1,64...... れ€4.64 よ.64
通過(guò)點(diǎn)積獲得功率消耗
Y ニ V叉 I ニ {R I)T I = It R1 I(11)
在恒定功率導(dǎo)引模式中，點(diǎn)積It R' I保持恒定。例如，對(duì)于4個(gè)電極Ei的對(duì)稱排列，功率消耗被計(jì)算為
P— h*(Rlt,*h + R7J% + R%i% + + ...
+ i2*(Rl,2*tt *t_ t*h ++ 馬,2 ) +
++ Ri^h 十馬/,、+十…
+ 卵,/il + 氣4%—十氣4% + Al,4 )
在分別用ip、i。、i。、i。代替れ、i2> i3> i4之后
P = 3 2 Tpp + i。2 Too + ip i。
Tpo(13)
其中項(xiàng)Tpp、Too、Tpo是方程(12)的ー些Rij項(xiàng)之和。在對(duì)稱模式中，其中所生成的場(chǎng)是對(duì)稱的，保持ip=iJisym，這產(chǎn)生標(biāo)稱功率
Pnom = Isym2 (TPP + TOO + Tpo)(14)
假設(shè)在非對(duì)稱模式中，保持i。= isyffl*(l-^)并且ip = isyffl* f(P)，并且非對(duì)稱模式中的功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔趯?duì)稱模式中的功率，因此
P = Qsym f ( 3 ))2 Tpp + Qsym (I-旦))2 Too + isym f (^ ) isym (I- 3 ) Tpo
(15)
這是ニ階方程(second order equation),其具有作為0的函數(shù)的未知ip。這樣的方程的解可以進(jìn)行繪制并且隨后利用ニ階(或更高階)的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。以這種方式，可以容易確定多項(xiàng)式的系數(shù)。對(duì)于ニ階擬合，發(fā)現(xiàn)
ip = isym (I. I + 2.2 3 - 0. 95 ^2)(16)
如果甚至需要更為恒定的功率，則當(dāng)然將可能更為準(zhǔn)確地定義電流導(dǎo)引平衡參數(shù)3的函數(shù)。如果涉及多于4個(gè)的電極，雖然所要求解的方程變得更加復(fù)雜，但是可以實(shí)施正常的代數(shù)方法來(lái)找出電流導(dǎo)引平衡參數(shù)0的函數(shù)。在另ー個(gè)示例中，對(duì)于4個(gè)地點(diǎn)Ei (例如,地點(diǎn)或電極Eil至Ei4)各自將接收電流Inominal/4的給定對(duì)稱刺激曲線，即這對(duì)應(yīng)于電流矢量以及根據(jù)以上方程所計(jì)算的相關(guān)聯(lián)的電壓矢量。功率消耗計(jì)算為
權(quán)利要求
1.一種用于向周圍組織提供電刺激的系統(tǒng)，包括 具有多個(gè)電極(Ei)的探頭(PR1; PR2)； 用于向所述電極(Ei)提供電信號(hào)(Si)以在周圍組織中獲得場(chǎng)分布(Fi)的生成器(I); 控制器(2)，被構(gòu)建為對(duì)所述生成器(I)進(jìn)行控制以 在第一狀態(tài)中向電極(Ei )提供電信號(hào)(Si )的第一分布以便生成第一場(chǎng)分布，并且在第二狀態(tài)中向電極(Ei)提供電信號(hào)(Si)的第二分布以便生成第二場(chǎng)分布，其中所述第一分布與第二分布相比關(guān)于所述電極(Ei)更為對(duì)稱，以及 提供電信號(hào)(Si)，以便獲得在第二狀態(tài)中低于第一狀態(tài)中的提供給探頭(PRl; PR2)的電刺激電流(ISi)的總和。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中所述控制器(2)被構(gòu)建為對(duì)針對(duì)電極(Ei)的電信號(hào)(Si)進(jìn)行調(diào)整以使得所生成的場(chǎng)分布(Fi)從第一狀態(tài)中的第一場(chǎng)分布逐漸變?yōu)榈诙顟B(tài)中的第二場(chǎng)分布，或者相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述電信號(hào)(Si)是電刺激電流(ISi)，在使用中，其通過(guò)電極(Ei)流入周圍組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中所述控制器(2)被構(gòu)建為在從第一狀態(tài)變?yōu)榈诙顟B(tài)時(shí)減小電刺激電流(ISi)的總和以保持在第一狀態(tài)中和第二狀態(tài)中提供給電極(Ei)的總功率基本上恒定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述控制器(2)被構(gòu)建為減小電刺激電流(ISi)的總和以將第二狀態(tài)中的場(chǎng)分布保持在第一狀態(tài)中的場(chǎng)分布的邊界之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述控制器(2)被構(gòu)建為減小電刺激電流(ISi)的總和以將第二狀態(tài)中的場(chǎng)分布(Fi)的最大值保持為與第一狀態(tài)中的場(chǎng)分布(Fi)的最大值基本上相等，其中場(chǎng)分布(Fi)的最大值通過(guò)侵入場(chǎng)強(qiáng)度的閾值而定義。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述探頭(PRl;PR2)和控制器(2)被構(gòu)建為在第一狀態(tài)中生成在探頭(PRl; PR2)周圍對(duì)稱的場(chǎng)分布(Fi)，并且在第二狀態(tài)中生成具有關(guān)于探頭(PRl; PR2)以期望方向進(jìn)行延伸的指向性的場(chǎng)分布(Fi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中所述第一場(chǎng)分布(Fi)和第二場(chǎng)分布(Fi)是電壓場(chǎng)、電場(chǎng)、激活函數(shù)或者多隔室神經(jīng)元模型的激活曲線的分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中所述探頭(PRl;PR2)具有延長(zhǎng)的形狀并且所述多個(gè)電極(Ei)在不同軸向位置圓周排列于所述探頭(PR1; PR2)上，其中幾個(gè)電極(Eil，Ε 2,Ei3, Ei4)存在于所述不同軸向位置中的一個(gè)相同位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于輸入包括場(chǎng)分布(Fi)的取向的指向性的用戶接口(4)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于輸入提供給電極(Ei)的總功率的用戶接口⑷。
12.根據(jù)權(quán)利要求I的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于輸入場(chǎng)分布(Fi)的擴(kuò)展的用戶接口(4)。
13.一種用于利用具有多個(gè)電極的探頭(PR1; PR2)生成電刺激以便應(yīng)用于周圍組織的方法，所述方法包括 生成電信號(hào)(SIi), 在第一狀態(tài)中生成針對(duì)電極(Ei)的電信號(hào)(Si)的第一分布以生成第一場(chǎng)分布(Fi),以及 在第二狀態(tài)中生成針對(duì)電極的電信號(hào)(Si)的第二分布以生成第二場(chǎng)分布(Fi)， 其中所述第一分布(Fi)與第二分布(Fi)相比更為對(duì)稱，并且所述電信號(hào)(Si) 在第二狀態(tài)中所生成的電刺激電流(ISi)的總和低于第一狀態(tài)所生成的。
全文摘要
用于提供刺激的系統(tǒng)包括探頭，具有多個(gè)電極，每個(gè)電極能夠向周圍組織提供特定電流；生成器，用于向每個(gè)電極提供特定電流；控制器，用于對(duì)所述生成器進(jìn)行控制以向電極提供電流而在所述探頭周圍實(shí)現(xiàn)期望電場(chǎng)。
文檔編號(hào)A61N1/34GK102711903SQ201080058854
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者E-C·托亞德, H·C·F·馬滕斯, M·M·J·德克里 申請(qǐng)人:沙皮恩斯腦部刺激控制有限公司