本申請要求申請日于2014年4月28日提交的美國臨時專利申請61/984,914的優(yōu)先權(quán)，其公開全部內(nèi)容通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種呼吸植入系統(tǒng)，例如可植入的呼吸起搏系統(tǒng)和睡眠呼吸暫停治療系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

喉位于頸部中并且參與呼吸、發(fā)聲(說話)以及保護氣管免于吸入食物和水。附圖1A示出人喉100的后位解剖圖并且附圖1B示出了從上面觀察的喉，包括會厭101、甲狀軟骨102、聲帶/韌帶103、環(huán)甲肌104、杓狀軟骨105、環(huán)杓后肌(PCA)106、聲帶肌107、環(huán)狀軟骨108、喉返神經(jīng)(RLN)109、杓橫肌110、杓斜肌111、喉上神經(jīng)112、舌骨113(注：舌骨通常不被認為是喉的一部分，嚴格地被包含在附圖1A和1B中以用于輔助定位)、甲狀舌骨膜117以及彈性膜或者彈性圓錐的較厚的下部118。附圖1C示出頭部和頸部區(qū)域的側(cè)視圖并且附圖1D示出頭部和頸部區(qū)域的矢狀剖視圖，所述側(cè)視圖和矢狀剖視圖示出了喉100及其結(jié)構(gòu)、氣管114、食道115以及咽116，包括環(huán)杓關(guān)節(jié)119、環(huán)甲關(guān)節(jié)120和舌121。

在呼吸的吸氣階段，喉100的神經(jīng)和肌肉控制(打開)聲帶103以允許空氣進入肺。在呼吸的呼氣階段期間，喉100的神經(jīng)和肌肉控制(關(guān)閉)聲帶103來產(chǎn)生濁音。在靜止時，呼吸頻率通常在每分鐘12到25次呼吸。所以，例如，每分鐘20次呼吸導(dǎo)致3秒的呼吸時間，其中1.5秒吸氣階段，和1.5秒呼氣階段(假定50/50的比例)。呼吸頻率變化取決于身體活動。

喉返神經(jīng)(RLN)109的單側(cè)和雙側(cè)的損傷或者斷裂最初會導(dǎo)致喉(和喉下部)支撐肌暫時的局部麻痹。RLN 109的雙側(cè)中斷導(dǎo)致環(huán)杓后肌(PCA)106控制功能的喪失，這是具有急性窒息和生命威脅的情況。這樣嚴重的情況通常需要雙側(cè)聲帶麻痹外科治療，例如脊髓前側(cè)柱切斷術(shù)或者杓狀軟骨切除術(shù)，繼而會限制發(fā)聲并且存在生理性氣道保護的風(fēng)險。

另一個最新的治療RLN損傷的方法是使用在吸氣時電刺激(起搏)PCA肌肉106來控制(打開)聲帶103的呼吸植入。在呼氣時，聲帶103放松(關(guān)閉)來促進發(fā)聲。在這些呼吸植入系統(tǒng)中，患者能夠根據(jù)他或她的身體狀態(tài)(如休息、正常行走、走樓梯等等)，通過手動切換起搏裝置的刺激頻率來調(diào)整(改變)起搏/呼吸頻率(每分鐘呼吸次數(shù))，前提是人體可以在一定的鎖定范圍內(nèi)適應(yīng)人工外部施加的呼吸頻率。因此，患者和呼吸起搏器能夠被描述為幾乎在相同頻率上但是沒有相位匹配(沒有鎖相)的自激振蕩器。有時，兩個系統(tǒng)是同相的，但是其它時候兩個系統(tǒng)可能是異相的，因此對患者的益處將會減少。

除了用于RLN損傷的喉起搏器之外，還有呼吸植入神經(jīng)刺激器，該呼吸植入神經(jīng)刺激器電刺激支配舌根的舌下神經(jīng)促以治療睡眠呼吸暫停。這些睡眠呼吸暫停系統(tǒng)使用呼吸的吸氣階段執(zhí)行觸發(fā)的呼吸傳感器，例如，在胸膜間隙使用生物阻抗測量或者壓力傳感器。

發(fā)明概述

本發(fā)明的實施例針對用于呼吸障礙患者的呼吸植入系統(tǒng)(例如，喉起搏器系統(tǒng))。該系統(tǒng)包括一個或多個溫度傳感器，所述溫暖的傳感器被配置成沿著患者氣道放置進內(nèi)壁組織中，例如，沿著喉壁的黏膜中，并且被配置成測量內(nèi)壁組織中的溫度，以便基于測量的溫度生成一個溫度信號。該系統(tǒng)進一步包括：起搏處理器，所述起搏處理器被配置成從溫度傳感器接收溫度信號并且根據(jù)溫度信號生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號；刺激電極，配置成將呼吸起搏信號從起搏處理器傳送到患者的呼吸神經(jīng)組織以促進患者呼吸。

本發(fā)明的實施例還針對使用呼吸植入系統(tǒng)、在具有呼吸障礙的患者中生成呼吸起搏信號以促進呼吸的方法。該方法包括使用一個或多個溫度傳感器，沿著患者氣道植入進內(nèi)壁組織中，測量沿著氣道的內(nèi)壁組織中的溫度，并且基于測量的溫度和患者的呼吸周期生成溫度信號。該系統(tǒng)進一步包括：基于該溫度信號生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號，并且將此呼吸起搏信號傳送到患者的呼吸神經(jīng)組織以促進患者呼吸。

在相關(guān)的實施例中，溫度傳感器可以在聲門下沿著氣道放置在內(nèi)壁組織中。例如，溫度傳感器可以放置進位于患者的環(huán)狀軟骨和甲狀軟骨之間的甲狀舌骨膜中。優(yōu)選地，溫度傳感器具有大約每5ms變化1℃或者更快的反應(yīng)時間，并具有約0.05℃或者更小的溫度分辨率。溫度傳感器可以聯(lián)接到刺激電極。測量的溫度可以基于氣道中吸入空氣的溫度和/或氣道中呼出空氣的溫度得到。刺激電極可以被配置為將呼吸起搏信號傳送到喉內(nèi)的環(huán)杓后肌。

呼吸植入系統(tǒng)可以用作喉植入系統(tǒng)，并且刺激電極可以將呼吸起搏信號傳送到喉內(nèi)的環(huán)杓后肌、舌下神經(jīng)、和/或喉內(nèi)上神經(jīng)(iSLN)。

附圖說明

附圖1A示出了人喉的后位解剖圖并且附圖1B示出了人喉的上位解剖圖。附圖1C示出了側(cè)視圖，附圖1D示出了頭部和頸部區(qū)域的矢狀剖視圖，示出了喉、氣管和食道。

附圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的呼吸植入系統(tǒng)，具有放置進環(huán)杓后肌(PCA)的刺激電極。

附圖3示出了利用根據(jù)本發(fā)明的實施例的呼吸植入系統(tǒng)的一個聲帶在刺激時打開。

附圖4示出了溫度傳感器的溫度變化的波形和呼吸周期的波形對比參考信號波形。

詳細描述

本發(fā)明的各種實施例針對下述改進的呼吸植入：使用沿著患者的氣道(例如，沿著咽、喉和/或氣管)植入進內(nèi)壁組織中的一個或多個溫度傳感器，并且被配置成測量沿著氣道的內(nèi)壁組織中的溫度。例如，內(nèi)壁組織可以基于氣道內(nèi)吸入和/或呼出的空氣的溫度而改變溫度。基于此測量的溫度，生成溫度信號并且此溫度信號用于生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號。然后，刺激電極將呼吸起搏信號傳送到呼吸神經(jīng)組織，例如，患者喉部內(nèi)的環(huán)杓后肌、舌下神經(jīng)和/或喉內(nèi)上神經(jīng)，來促進患者呼吸。這種呼吸植入系統(tǒng)包括，例如，喉起搏器系統(tǒng)。

本發(fā)明的實施例利用氣道中空氣溫度會根據(jù)呼吸周期階段而變化的潛在影響。例如，一般而言，吸入的空氣比氣道冷，并且因此在呼吸的吸氣階段空氣在氣道中變熱。因此，在大多數(shù)情況下，吸入和呼出的空氣存在溫度差使得吸入的空氣比呼出的空氣更冷。這些溫度差異能夠在從鼻子/口到肺的氣道的內(nèi)壁組織中很容易地測量，例如沿著氣管支氣管樹。吸氣時必然的熱量交換來自于黏膜，或者覆蓋喉部肌肉的內(nèi)壁組織，沿著加熱冷空氣的氣道表面。熱量從黏膜移動到吸入的空氣，這是存在于空氣流和遍布氣道的黏膜之間溫度差異的一個直接作用。在呼氣時，過程相反。離開肺泡的空氣比黏膜溫度高，并且在它移動到口腔的過程中，熱量從空氣持續(xù)地回到氣道表面。因此，內(nèi)壁組織基于氣道中吸入和/或呼出空氣的溫度來改變溫度。

附圖2示出了呼吸植入系統(tǒng)130的實施例，所述呼吸植入系統(tǒng)130具有沿著患者氣道植入的一個或多個溫度傳感器132。溫度傳感器132被配置成測量沿著氣道的內(nèi)壁組織中的溫度(例如，沿著咽、喉和/或氣管)，以便基于測量的溫度生成溫度信號。優(yōu)選地，溫度傳感器具有遠短于吸氣和呼氣周期的快速反應(yīng)時間(例如每5ms變化1℃或者更快)以及良好的溫度分辨率(例如0.05℃或者更小)，使得在吸氣階段開始時，溫度的下降被溫度傳感器132檢測到，相似地，在呼氣階段開始時，溫度的上升被溫度傳感器132檢測到。優(yōu)選地，溫度傳感器132被放置進位于聲門下的環(huán)狀軟骨108和甲狀軟骨102之間的甲狀舌骨膜(黏膜)117中，例如，沿著附圖1C所示的黑色箭頭。將溫度傳感器132放置在聲門下(在氣管114和食道115之間的間隔之下)提供了如下益處：將喝熱飲料時產(chǎn)生的影響降到最小并且能減少感應(yīng)呼吸時的任何贗象。

呼吸植入系統(tǒng)130進一步地包括：起搏處理器134，所述起搏處理器134被配置成從溫度傳感器132接收溫度信號并且被配置成基于溫度信號生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號。起搏處理器134將呼吸起搏信號經(jīng)由處理器導(dǎo)線138傳送到植入進目標(biāo)呼吸神經(jīng)組織的刺激電極136，以促進患者呼吸。例如，附圖3示出了在吸氣階段，當(dāng)通過刺激電極136刺激PCA肌肉時的聲帶打開。刺激電極136可以使用各種植入技術(shù)植入到呼吸神經(jīng)組織中。例如，本申請在此參考引用了Lindenthaler等的美國專利NO.8,136,532的全部內(nèi)容，其公開了將刺激電極與喉組織，例如PCA肌肉，相連的各種方法?？梢匝刂c刺激電極136相同的植入路徑在黏膜中的放置溫度傳感器132。因此，溫度傳感器132可以放置在刺激電極136的外表面上，使得不需要額外的溫度傳感器電極，也不需要帶有溫度傳感器的刺激電極136的額外分支。在這種情況下，刺激電極136和溫度傳感器132位于同一電極上，與另一個分支的電極沒有功能上的分離，這使得刺激電極136的放置不存在感應(yīng)和刺激相同身體部位的問題。在另一些實施例中，溫度傳感器132和刺激電極136可以在單獨的電極分支上。

附圖4示出了與參考信號波形對比沿著氣道在黏膜內(nèi)或者內(nèi)壁組織內(nèi)放置的溫度傳感器的溫度變化和呼吸周期的波形。第一個(上)波形由來自黏膜壁內(nèi)部的、放置在聲門下的溫度傳感器的溫度信號形成。第二個(下)波形由定義了吸氣和呼氣周期的肺活量計參考信號形成?？拷ㄐ伍_始處的兩條豎直的虛線表示每個吸氣周期的開始。溫度信號示出了吸氣時溫度下降和呼氣時溫度增加的高相關(guān)性。放置在氣管內(nèi)和黏膜內(nèi)之間的溫度傳感器的測量時延取決于呼吸模式，約100-300ms。該時延可能是由于相比空氣本身，組織需要更多的時間由空氣降溫。吸氣和呼氣之間測量的溫度差異幅度是大約0.2-0.4℃。這說明放置進黏膜壁中的具有高靈敏度(例如大約0.05℃或者更小)的溫度傳感器能夠檢測呼吸周期并且能夠用作任何呼吸神經(jīng)刺激器的觸發(fā)器。

起搏處理器134能夠?qū)碜詼囟葌鞲衅?32的溫度信號進行信號處理來檢測吸氣的開始。例如，對于單側(cè)或者雙側(cè)聲帶麻痹的患者，溫度信號的峰值或變化點能夠用作用于刺激脈沖的刺激觸發(fā)。刺激觸發(fā)信號限定了呼吸周期期間的特定時間點以開始目標(biāo)神經(jīng)組織的刺激。此時間點具體可以是呼吸的吸氣或者呼氣階段的開始或者結(jié)束，或者任何其它確定的時間點。然后，生成呼吸起搏信號以將呼吸植入系統(tǒng)130和患者的呼吸周期同步。

除了溫度傳感器132之外，呼吸植入系統(tǒng)130還可以包括可以用來檢測呼吸周期和吸氣開始的其它傳感器，以便將呼吸植入系統(tǒng)130的計時與患者的呼氣周期同步。這些傳感器可以包括：例如，各種傳聲器、加速度計傳感器和壓力傳感器(位于胸膜間隙中)。例如，三軸加速度運動傳感器(未顯示)可以位于起搏處理器134的外殼內(nèi)，并且可以用來生成運動信號。肌動電流圖(EMG)測量也可以用作檢測吸氣的開始。這些呼吸傳感器可以用于生成呼吸信號和/或運動信號，聯(lián)合或者代替溫度信號從而檢測呼吸周期和吸氣開始。例如，在周圍空氣和自身溫度基本相同的環(huán)境里，如果沒有檢測到溫度差異，則溫度傳感器132不能提供可靠的傳感信號。在這種情況下，一個或多個額外的呼吸傳感器可以為呼吸植入系統(tǒng)130提供可替代的傳感器來檢測呼吸周期，并且起搏處理器134可以基于溫度信號、呼吸信號和/或運動信號生成呼吸起搏信號從而同步呼吸植入系統(tǒng)130和檢測的患者的呼吸周期?？商娲兀虺酥?，呼吸植入系統(tǒng)130可以被配置成切換到無傳感器操作模式，在此模式下，打開聲帶的刺激速率是預(yù)定的或從之前的感應(yīng)周期獲得的。

本發(fā)明的實施例可以部分地由任何常規(guī)的計算機編程語言實施，例如VHDL、C語言、Verilog、ASM等等。本發(fā)明可替代實施例可以由預(yù)編程硬件元件、其它相關(guān)部件實施，或以硬件和軟件部件的結(jié)合實施。

實施例可以部分地由使用計算機系統(tǒng)的計算機程序產(chǎn)品實施。這種實施可以包括一系列固化在有形介質(zhì)上的計算機指令，例如計算機可讀介質(zhì)(例如磁盤、CD-ROM、ROM、或者硬盤)或者經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器或其它接口裝置能夠傳送到計算系統(tǒng)的，例如通過介質(zhì)連接到網(wǎng)絡(luò)的通信轉(zhuǎn)接器。介質(zhì)可以是有形介質(zhì)(例如光學(xué)或者模擬通信線路)或者通過無線技術(shù)實現(xiàn)的介質(zhì)(例如微波、紅外或者其它傳輸技術(shù))。一系列計算機指令體現(xiàn)了本文先前提到關(guān)于該系統(tǒng)的所有或者部分功能。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠知曉這些計算機指令可以以多種編程語言編寫，并用于多種計算機結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。此外，這些指令可以存儲在任何存儲設(shè)備中，例如半導(dǎo)體、磁體、光或者其它存儲裝置，并且可以使用任何通信技術(shù)傳輸，例如光、紅外、微波或其它傳輸技術(shù)?？梢灶A(yù)期，這種計算機程序產(chǎn)品可以以帶有印刷的或者電子文檔的可移動介質(zhì)發(fā)布(例如，打包壓縮軟件)，隨計算機系統(tǒng)預(yù)裝(例如，在系統(tǒng)ROM或者硬盤上)，或者通過網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng)或者萬維網(wǎng))從服務(wù)器或者電子公告板發(fā)布。當(dāng)然，本發(fā)明的一些實施例可以以軟件(例如計算機程序產(chǎn)品)、硬件和/或固件的組合實施。另外，本發(fā)明的其它實施例可以完全以硬件或者完全以軟件(例如計算機程序產(chǎn)品)實施。

盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的各種示例性實施例，但是，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，能夠做出獲得本發(fā)明的某些益處的各種變型和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的。