用于选择性神经刺激的植入式脉冲发生器和方法

专利名称：用于选择性神经刺激的植入式脉冲发生器和方法
技术领域：
本发明整体涉及刺激神经和身体部分。更具体地讲，本发明涉及用于刺激神经和 身体部分以实现治疗有益效果的植入式系统、装置和方法。相关领域描述神经是人体周边神经系统的一部分。神经将感官信号由皮肤或器官传递至中枢神 经系统，反之亦然。神经可能由于正常磨损和撕裂、躯体损伤、感染和/或围绕神经的血管 衰竭而遭受功能性缺陷。这些功能性缺陷可能伴有疼痛、麻木、虚弱以及在一些情况下的瘫 痪。其他问题可能包括小便失禁或大便失禁。例如，在小便失禁的情况下，日常体力活动 (例如发笑、咳嗽和打喷嚏)可能导致无意识排尿。已经开发出不同的策略来克服上述问题。一种方法涉及行为改变，例如更加频繁 地排尿或穿着护垫或防护内衣。然而，在某些社会处境下，人们可能无法遵循经常排尿或穿 防护衣的习惯。另一种方法涉及药物治疗，包括服用处方药(如止痛药)。然而，该方法可 能导致不良副作用或药物相互作用，而最终需要停药。用于克服上述问题的另一种技术涉及利用设置在目标神经附近的电疗装置刺激 具有功能性缺陷的神经。一种这样的电疗装置常常被称为植入式脉冲发生器(IPG)。IPG 通常包括一个或多个电极、电脉冲发生器、电池和壳体。电脉冲发生器产生具有能够刺激目 标神经的特定形状、形式和频率范围的波形。当电极收到来自发生器的波形时，电极从电池 获取能量并产生合适的强度的电场，以刺激目标神经。已经证明，IPG对于刺激神经在一定程度上有效。然而，与IPG相关问题中的一个
是IPG消耗大量的功率。导致高功耗的原因包括电极之间的电阻抗增加或电极与IPG之间
的电阻抗增加。这可能由若干因素引起，例如电极移位、一个或多个电极的包覆和电极或
身体组织中材料性质的变化。电极中的材料性质变化可能由多个因素引起，包括因电极表
面处存在的体液所引起的化学变化、电流频繁通过组织和日常活动中发生的正常磨损和撕 m农。较高的电池功耗也可能由被称为“刺激脱敏”的现象引起，在这种现象下，人体通 过对施加的外部电荷产生电阻来对施加的外部电荷做出响应。身体通过提高对目标神经的 刺激阈值来抵抗施加的外部电荷，从而使较早的刺激水平无效。要克服这个问题，必须产生 更强的电荷，这会消耗甚至更多的电池功率。这就需要经常更换电池和/或对电池再次充 H1^ ο在其他现有技术的IPG中，已经发现产生的电场会广泛分布，从而影响连同目标 神经的非目标肌肉和神经。电场的广泛分布会显著降低电信号在目标神经处的强度。为了 适当刺激目标神经，必须显著增加电信号的强度。这需要波形发生器从电池获取更多的功 率。此外，这些现有技术的IPG会对非目标神经和身体部分产生不必要的刺激。因此，仍然需要用于刺激身体部分和神经的改进的装置和方法。也需要可以更有效地刺激目标神经和身体部分而不会刺激非目标神经和身体部分的改进的植入式系统和 装置。此外，还需要侵入性更小并且有效操作所需的功率较少的植入式系统、装置和方法， 从而最大限度减少对电源进行更换和/或再充电的需要。

发明内容
本发明涉及用于刺激神经和身体部分的系统、装置和方法。在一个实施例中，该系 统包括用于选择性刺激目标神经和身体部分的植入式电疗装置。该植入式电疗装置有利地 产生并施加有效地穿过身体的调制波形，以用于刺激神经和身体部分。这种效率会使装置 消耗较少的功率，并能操作较长的时间后才重新充电。植入式电疗装置(也称为植入式脉冲发生器(IPG))优选地通过外科手术植入体 内。在一个实施例中，将IPG设置在待刺激的目标神经附近。IPG有利地产生调制波形，该 调制波形在无需增加输出强度的情况下使IPG能够被置于距目标神经更远处。IPG也可以 产生刺激目标神经的调制波形而所需的功率比采用常规IPG时更少。在本发明的一个实施例中，IPG可以包括一个或多个电极、一个或多个波形发生 器、一个或多个调制器、电池和壳体。波形发生器优选地产生能够选择性地刺激目标神经并 穿透IPG和目标神经之间的组织的波形。电池是IPG的优选电源，波形发生器从电池获取 功率。调制器调制来自波形发生器的波形以产生调制波形，并将其发送到电极。收到来自 调制器的电信号时，电极有利地产生电场以用于刺激目标神经。在本发明的一个实施例中，电池为不可充电的电池。在本发明的另一个实施例中， 电池为可充电电池，它可以通过以下方式再充电采用射频信号，利用电感耦合通过共享磁 场传输能量，或使用任何其他已知的再充电技术。IPG的壳体优选地为生物相容的，从而可 以便利地被植入人体。虽然本发明并不受任何具体操作理论的限制，但据信，每一条神经都具有可归因 于神经的结构单元-神经元的独特物理特性。神经元的物理特性(例如直径、长度和髓鞘 形成)确定神经内电信号的电容和传导速度。因此，可以通过施加具有特定频率的波形选 择性地刺激每一条神经。通常，目标神经的激发频率在10-40HZ的范围内。具有这样低频率的电信号无法 克服电极和目标神经之间的组织提供的组织阻抗，该阻抗可由电极包覆或电极随时间推移 的移位引起。本发明的IPG传输由载波信号和脉冲包络组成的受控的振幅调制波形。载波 波形被设计为具有足以克服组织阻抗的频率。脉冲包络包含设计用于刺激特定神经的特 定脉冲宽度、振幅和形状信息。高频载波信号可用于穿过高阻抗组织(皮下组织或经皮组 织)，而调制信号则用于激活神经组织。本发明可应用于组织阻抗特性在较高频率下减弱的其他身体区域。也就是说，该 波形可施加到皮下组织和通常围绕植入的IPG和电极的包覆。该技术的优点可为以下形 式由于信号传输效率提高而降低功耗，以及通过低功率刺激可减少并行的、不需要的神经 激活。在本发明的一个或多个实施例中，利用下列专利中所述的装置和技术，植入 式电疗装置适于产生调制波形以刺激目标神经共同转让的美国专利申请公开No. US 2005/0277998 (提交于2005年6月7日的美国专利申请No. 11/146，522)和No. US
62006/0195153 (提交于2006年1月31日的美国专利申请No. 11/343，627)，这些专利的公 开内容据此以引用方式并入本文。波形有利地通过用脉冲包络调制载波波形而产生。载波 波形的特性(例如振幅、频率等等)经过选择，以便克服组织阻抗和目标神经的刺激阈值。 脉冲包络是具有设计用于选择性刺激目标神经的特定脉冲宽度、振幅和形状的波形。该波 形能够以最低的电信号强度损耗高效穿透组织并到达目标神经，从而节省本来在用低频信 号多次尝试刺激目标神经时将会使用的电池功率。此外，只有目标神经受到刺激，而非目标 神经不受刺激。在一个实施例中，用于刺激神经或身体部分的植入式脉冲发生器包括第一波形 发生器，其适于产生具有第一频率的第一波形；第二波形发生器，其适于产生具有高于第一 频率的第二频率的载波波形；调制器，其电耦合到第一波形发生器和第二波形发生器并适 于调制第一波形和载波波形，以产生调制波形；和电极，其电耦合到调制器，以用于施加调 制波形。植入式脉冲发生器可以包括用来向波形发生器和调制器供电的电源，例如电池。在 一个实施例中，第一波形发生器、第二波形发生器、调制器和电池设置在可通过外科手术植 入的壳体内。在一个优选实施例中，所述第一波形具有适于刺激目标神经或目标身体部分 的频率。第一波形的频率可以基本上在10-40HZ的范围内，载波波形的频率可以基本上在 10-400KHz的范围内。在一个优选实施例中，植入式脉冲发生器可以包括微处理器，微处理器适于接收 生物反馈数据，并响应生物反馈数据控制第一波形发生器和第二波形发生器的操作。植 入式脉冲发生器也有利地包括适于接收生物反馈数据的接收装置，接收装置与微处理器通 信，以用于向微处理器提供生物反馈数据。植入式脉冲发生器也可以包括与接收装置通信 的至少一个传感器，其中所述至少一个传感器适于感测哺乳动物的一个或多个生理状态， 例如膀胱压力。可以将发射器耦合到所述至少一个传感器，以用于发射一个或多个感测到 的生理状态。发射器可以为无线发射器。在本发明的一个实施例中，植入式脉冲发生器可以包括第三波形发生器，第三波 形发生器适于产生第三波形，第三波形具有不同于第一波形的第三频率且与第一波形异 相，其中调制器电耦合到第三波形发生器，并适于调制载波波形、第一波形和第三波形，以 产生调制波形。第一波形可以适于刺激第一目标神经或身体部分，第三波形可以适于刺激 第二目标神经或身体部分。在本发明的一个实施例中，第一波形的频率大约为20Hz，第三波 形的频率大约为10Hz，载波波形的频率大约为10-400KHZ。在本发明的一个实施例中，植入式脉冲发生器可以包括第四波形发生器，第四波 形发生器适于产生第四载波波形，第四载波波形具有不同于第二载波波形的频率，其中调 制器还调制第四载波波形，以产生调制信号包。调制器可以包括第一调制器，其用于调制 第一波形和第二载波波形以产生第一调制信号；第二调制器，其用于调制第三波形和第四 载波波形以产生第二调制信号；和第三调制器，其用于调制第一调制信号和第二调制信号 以产生调制信号包。在本发明的另一个实施例中，用于刺激神经或身体部分的植入式系统包括第一 波形发生器，其适于产生具有能够刺激身体部分或神经的频率的第一波形；第二波形发生 器，其适于产生具有能够穿过哺乳动物组织的第二频率的载波波形；调制器，其电耦合到第 一波形发生器和第二波形发生器并适于调制第一波形和载波波形以产生调制波形；电源，其用于操作系统；壳体，其可通过外科手术植入并容纳第一波形发生器和第二波形发生器、 调制器和电源；和一个或多个电极，其电耦合到调制器用于施加调制波形。所述一个或多个 电极可以通过外科手术植入。植入式系统可以包括微处理器，其适于接收生物反馈数据并响应生物反馈数据 控制第一波形发生器和第二波形发生器的操作；和至少一个传感器，其与微处理器通信并 适于感测哺乳动物的一个或多个生理状态。该系统也可以包括第三波形发生器，第三波形 发生器适于产生第三波形，第三波形具有不同于第一波形的第三频率且与第一波形异相， 其中调制器电耦合到第三波形发生器，并适于调制载波波形、第一波形和第三波形，以产生 调制波形。第一波形有利地适于刺激第一身体部分，第三波形有利地适于刺激第二身体部 分。在本发明的另一个优选实施例中，用于刺激身体部分的方法包括提供植入式脉冲 发生器，植入式脉冲发生器具有第一波形发生器，其适于产生具有能够刺激身体部分的第 一频率的第一波形；第二波形发生器，其适于产生具有能够穿过哺乳动物组织的频率的载 波波形；调制器，其电耦合到第一波形发生器和第二波形发生器并适于调制第一波形和载 波波形以产生调制波形；电源，其用于为第一波形发生器和第二波形发生器及调制器供电； 壳体，其用于容纳第一波形发生器和第二波形发生器、调制器以及电源；和电极，其电耦合 到调制器以用于施加调制波形。该方法有利地包括通过外科手术将壳体植入哺乳动物体 内；产生第一波形和载波波形；用载波波形调制第一波形以产生调制信号；以及将调制信 号施加到目标身体部分或神经。该方法可以包括将传感器植入哺乳动物体内；利用传感 器获得生物反馈数据；以及利用生物反馈数据以用于控制由第一波形发生器和第二波形发 生器产生的第一波形和第二波形。在一个实施例中，植入式脉冲发生器可以包括第三波形发生器，第三波形发生器 适于产生第三波形，第三波型具有能够刺激第二目标神经或身体部分的频率。该方法可以 包括产生与第一波形异相的第三波形；调制第一波形、载波波形和第三波形以产生调制 信号包；以及将调制信号包施加到哺乳动物的一个或多个身体部分或神经。该方法也可以 包括产生具有不同于第二载波波形的频率的第四载波波形，其中调制步骤包括调制第一波 形和第二载波波形以产生第一调制信号，以及调制第三波形和第四载波波形以产生第二调 制信号。虽然本发明的一个或多个实施例是相对于女性体内和女性泌尿系统中的神经刺 激加以描述的，但应当理解，本发明可以易于适于男性、儿童和成人体内的神经刺激，和男 性、儿童和成人泌尿系统中使用。此外，本文所公开的发明原理、设备和方法也可以应用于 评价和治疗其他区域中的功能性，例如冠状或肺部功能性。另外，本文所公开的发明原理、 设备和方法可以应用于刺激多种其他神经，例如在阵痛和分娩期间刺激神经，或选择性地 刺激给定神经束的分支，以选择性治疗不同的患者病症。此外，本文所述的技术可应用于导 致或引起下列病症的神经系统的多个部分压迫性尿失禁、肛门失禁和大便失禁、性功能障 碍、间质性膀胱炎、慢性疼痛(例如(但不限于)骨盆疼痛)、夜尿症和胃肠道病症(例如 (但不限于)胃起搏)。此外，本发明可以用于刺激除神经之外的身体部分(例如分泌激素 的腺)和大肌群(例如与理疗有关的二头肌刺激)。以下将更详细地描述本发明的上述和其他优选实施例。


因此，通过参考附图所示的实施例，可以获得更具体地描述以上简要概括的本发 明实施例的方式，在这种方式中可理解本发明的上述特征。然而，应当注意的是，附图仅仅 示出涵盖在本发明范围内的典型实施例。因为本发明可以允许其他等效的实施例，所以不 应将附图视为限制性的，附图中图1示出根据本发明的一个优选实施例的用于刺激身体部分的植入式脉冲发生
ο图2示出由图1所示的植入式脉冲发生器产生的示例性波形。图3示出图1的植入式脉冲发生器经外科手术植入体内后的情形。图4示出根据本发明的另一个优选实施例的用于刺激身体部分的植入式脉冲发生器。图5示出由图4所示的植入式脉冲发生器产生的示例性波形。图6示出根据本发明的又一个优选实施例的用于刺激身体部分的植入式脉冲发生器。图7示出由图6所示的植入式脉冲发生器产生的示例性波形。图8示出根据本发明的又一个优选实施例的用于刺激身体部分的植入式脉冲发生器。图9示出图8的植入式脉冲发生器植入体内后的情形。图10示出根据本发明的又一个优选实施例的用于刺激身体部分的植入式脉冲发生器。
具体实施例方式本文所用的标题仅用于组织目的，并不旨在用于限制具体实施方式
或权利要求书 的范围。如本专利申请全文所用，词语“可以”用于宽容的含义(即意指有可能)，而不是强 制性的含义(即意指必须)。相似地，词语“包括”和“在内的”意指包括(但不限于)。为 方便理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记表示图中共有的相同元件。本文所公开的发明并不仅限于其在附图及具体实施方式
中所示部件的详细构造 和布置方式中的应用。可以实施本发明的示例性实施例，或使其结合在其他实施例、变型形 式和修改形式中，并且可以通过多种方式实施或执行。例如，虽然本发明的一个实施例是 涉及对女性体内的神经刺激描述的，但应当理解，该实施例可易于在男性和儿童体内使用。 本文所公开的发明原理、设备和方法也可以独立地或同时地用于刺激多种其他神经，例如 在阵痛和分娩期间刺激神经，或选择性地刺激给定神经束的分支，以选择性地治疗不同的 患者病症。因此，本发明可(例如)用于选择性地同时治疗或影响下列病症中的一种或多 种压迫性尿失禁、肛门失禁和大便失禁、疼痛、性功能障碍、间质性膀胱炎、慢性疼痛(例 如(但不限于)骨盆疼痛)、夜尿症和胃肠道病症(例如(但不限于)胃起搏)。最后，本 文所述的发明也可用于刺激神经之外的身体部分(例如分泌激素的腺)和大肌群(例如与 理疗有关的二头肌刺激)。如上所述，已知的是植入式脉冲发生器(IPG)既可用来刺激体内的神经也可用来刺激肌肉。常规IPG装置的一个问题在于，所施加的电信号往往会广泛分布，从而影响非目 标肌肉和神经以及目标肌肉和神经。此外，为了解决这种信号耗散问题，必须显著增加所施 加的电流电平，以确保目标部位处的电流密度足够大。与电信号施加相关的另一项挑战是， 许多神经会被约10-40HZ的低频信号所刺激。然而，这种低频信号无法穿过身体组织以到 达目标神经。本发明克服了许多这类问题，下面将对此进行详细说明。参见图1，在本发明的一个实施例中，植入式脉冲发生器100包括可植入人体内的 壳体102。壳体102优选地由生物相容材料制成。植入式脉冲发生器100包括合适的电源 104 (例如锂电池)、第一波形发生器106和第二波形发生器108。第一波形发生器106和第 二波形发生器108电耦合到电池104并由其供电。第一波形发生器106和第二波形发生器 108可以为任何合适的类型，例如由Texas Instruments (Dallas,TX)以型号NE555销售的 那些。第一波形发生器106产生具有已知可刺激体内神经的频率的第一波形108。在一个 实施例中，该频率在约10-30HZ的范围内。在另一个实施例中，该频率在约10-40HZ的范围 内。如上所述，这种低频信号(如10-40HZ)本身无法穿过身体组织以有效刺激目标神经。 为了克服这个问题，植入式脉冲发生器100具有第二波形发生器110，该第二波形发生器产 生具有较高频率的第二波形112。第二波形的频率大约为10-400KHZ。第二波形112连同第 一波形108施加到振幅调制器114，例如，由Texas Instruments以商品名0n_SemiMC1496 销售的调制器。调制器114产生调制波形116，该调制波形通过导线118被传输到电极120。在一 些优选实施例中，导线118为柔性的。电极120又将调制波形116施加到目标神经122，以 刺激目标神经。参见图1和图2，第一波形108优选频率大约为10-40HZ的方波，第二波形 112优选频率大约在10-400KHZ的范围内的正弦信号。上列频率范围仅仅是示例性的，从而 其他频率范围可以被利用并仍在本发明的范围内。本领域的技术人员将易于认识到，用第 二波形(载波)112调制第一波形108将产生具有图2所示构型的调制波形或信号116。参见图3，在本发明的一个实施例中，将植入式脉冲发生器(IPG) 100植入体内以 用于治疗膀胱疾病。IPG 100包括柔性导线118，该柔性导线在其远端处具有一个或多个电 极120。电极120适于向与膀胱124相关的一条或多条目标神经(未示出)施加调制波形 信号。调制波形包括能够易于穿过身体组织传播的高频载波波形和适于刺激膀胱124的目 标神经的低频信号。参见图2，虽然本发明不受任何具体操作理论的限制，但据信，由于将低频波形 108有效携带到目标神经的载波波形112的高频特性，因此产生调制信号116使神经刺激波 形108能够穿过组织。本发明的基本操作原理是，在不影响相邻的神经元的情况下，可以选择性地使体 内神经作为目标以进行刺激。如本领域的技术人员所熟知的那样，由于神经系统组织内存 在的可兴奋细胞的电化学活性会产生生物电位。这些可兴奋细胞以两种电状态存在静息 电位或动作电位。细胞一直为静息电位状态，直到提供足够的刺激，以使细胞达到动作电位 或阈值电位，这时神经将“激活”，并且动作电位会沿着细胞膜以无衰减的恒定传导速度行 进。动作电位的这种全有或全无响应致使细胞膜电位经过特有的可重复周期，在该周期内， 电位首先从负静息电位升到正动作电位，然后在大约Ims内再次回降到负静息电位。不论 刺激的量值如何，只要超过阈值电位，响应就将保持不变。
当可兴奋细胞膜具有动作电位响应后(由足够的刺激引起)，其对第二刺激的响 应能力将显著改变。在使动作电位的部分初始去极化期间，细胞膜无法响应额外的刺激，而 不论该刺激强度如何。这段时期称为绝对不应期。紧随绝对不应期之后的时期称为相对 不应期。在相对不应期期间，细胞膜只能响应强刺激。绝对不应期和相对不应期的存在导 致产生细胞可以反复放电的频率上限。因此，可以将神经元视为频率依赖性装置。神经元 的频率依赖性元件取决于其总电容，而总电容则因神经元而异，并取决于神经元的长度、直 径、包层(髓鞘形成)和电介质的电容率。换句话讲，对于任何指定的电介质，改变神经元 的长度或直径、或其髓鞘形成都会改变总电容。由于人体内的神经元的确在直径、长度和髓鞘形成方面有巨大的差别，因此这些 神经元的电容和传导速度(工作频率)也有差别。利用相邻的神经元物理特性的差异，可 以在不影响相邻的神经元的情况下使所选神经为目标进行刺激。也就是说，通过表征相邻 的神经元的频率响应(电容)，并将刺激频率调谐到无重叠区域，可以实现选择性的神经刺 激。例如，对于两个相邻的神经元，其中神经元A具有0-20Hz的操作频带，神经元B具有 20-30HZ的操作频带，可以在不影响神经元A的情况下，选择性地刺激神经元B。此外，如果 在神经元B的绝对不应期期间(如上所述，在此期间没有任何量的刺激会激活神经元B)施 加刺激，或在相对不应期期间刺激量低于导致刺激所需的量，那么即使是在重叠的频率范 围内，也可选择性地刺激神经元A。如下文将进一步描述的那样，可应用这些原理以实现对 体内的两条或更多条神经进行选择性刺激。参见图4，在本发明的一个实施例中，植入式脉冲发生器200包括可植入哺乳动物 (如人类)体内的壳体202。植入式脉冲发生器(IPG)200包括合适的电源204(例如锂离 子电池)；第一波形发生器206，其产生第一波形208 ；第二波形发生器210，其产生第二波 形212 ；和第三波形发生器226，其产生第三波形228。第一波形发生器206、第二波形发生 器210和第三波形发生器226优选地电耦合到电池204并由其供电。这些波形发生器可以 为任何合适的类型，例如，由TexasInstruments (Dallas，TX)以型号NE555销售的那些。第 一波形发生器206、第二波形发生器210和第三波形发生器226的输出信号被施加到振幅调 制器214，该振幅调制器将三个波形调制成调制信号包216。本文使用术语“信号包”来描 述由两个或更多个独立信号以任何方式调制在一起后组成的单个输出信号。参见图4和图5，第一波形发生器206产生第一波形208或信号，该信号具有已 知频率，以刺激拟由大约在10-30HZ的范围内的频率刺激的第一所选身体部分(例如阴部 神经)。如上所述，已证实，在电流密度足以刺激目标神经的情况下，很难将这样的低频信 号穿过身体组织以达到某些目标神经。为了解决这个问题，第二波形发生器210产生较高 频率的载波波形212，该载波波形连同第一波形208被施加到振幅调制器214，例如Texas Instruments销售的On-Semi MC1496调制器。第一波形208优选频率大约为10_30Hz的 方波，第二波形212优选频率大约在10-400KHZ的范围内的正弦信号。用第二波形(载波 波形)212调制第一波形208会产生具有大致如图5所示构型的调制波形或信号216。图5 所示的信号仅用于示例性目的，并非旨在真实反映本文所述的示例性信号。操作时，调制器214产生的调制信号216经导线218传输到电极220。电极220又 将调制信号216施加到目标神经222。正如本领域的技术人员将易于理解的那样，由于载 波波形的高频特性，使低频信号能够被目标神经检测到(并产生响应)，因此利用调制信号
11216可以为目标神经222提供有效的刺激。参见图5，已经观察到的是，调制信号216具有不活动周期230。可利用调制信号 216的不活动周期230以产生适于刺激第二目标神经或其他身体部分的第二调制信号，而 不是利用IPG(图4)仅选择性地刺激一条目标神经。参见图4和图5，为了实现这一目的， 第三波形发生器226产生具有特定频率的第三波形228，该频率不同于第一波形208的频 率，并且是特别地选择的以刺激第二神经或身体部分。图5示出示例性第三波形228。第三 波形228有利地与第一波形208异相，以免与第一调制信号216相互干扰。此外，在本发明 的一个实施例中，如果刺激第一神经和第二神经的频率范围重叠，那么可在第一神经的不 应期期间产生或施加第三波形228，以确保第一神经不响应第二调制信号。第一波形发生器206和第三波形发生器226优选地产生彼此异相的各自的波形 208和228，从而当与载波波形212混合时，这两种波形沿着信号包232 (图5)的单独部分 和不连续部分出现，并且第一波形和第三波形中的每一个都具有被选择的特别地以不同的 目标神经或身体部分为目标的频率。例如，第一波形208的频率可以为20Hz，已知该频率对 阴部神经的自主神经元分支具有影响(以用于治疗膀胱过度活动症)，第三波形228的频 率可以为10Hz，已知该频率可对阴部神经的体运动分支产生影响(可用于治疗间质性膀胱 炎)。在频率范围中存在重叠的程度上，可以在第一神经的不应期期间施加第三波形228。根据上述系统和方法，可使用调制信号包的各个元件，以选择性地以不同神经、不 同神经分支、不同肌肉或所选的其他身体部分为目标。也就是说，单个IPG可提供设计用于 缓解多重不同症状的刺激信号，例如与疼痛治疗、膀胱过度活动症、大便失禁、间质性膀胱 炎和任何其他盆底紊乱相关的症状。本领域的技术人员将会认识到，可通过许多不同的方式操纵适当的信号，以实现 合适的调制信号和/或信号包。例如，参见图5和6，在本发明的一个实施例中，也可以包 括产生第四载波波形342的第四波形发生器340，其中第四载波波形具有不同于第二载波 波形的频率。如果刺激第一神经和第二神经或身体部分需要信号穿过不同类型或数量的 组织，这可以是理想的。如图所示，在使用单个振幅调制器的实施例中，第四载波波形342 优选地仅在第一波形308的不活动期内施加，以免影响调制信号316A。在图6的实施例 中，可以将第一波形308和第二载波312提供给第一振幅调制器314A，以产生第一调制波 形316A。参见图6和图7，可以将第三波形328和第四载波波形342提供给第二振幅调制 器314B，以产生第二调制波形316B。第一调制波形和第二调制波形可以被第三振幅调制器 350进一步调制，以产生可通过导线318传输到电极320的信号包352。在本发明的一个 实施例中，第一调制信号316A和第二调制信号316B可以通过单独的第一电极和第二电极 (未示出)施加。在本发明的一个或多个其他实施例中，当调制波形具有不活动期时，可以 将额外的信号插入这些非活动期，以使其他神经、肌肉或身体部分为目标。参见图8，在本发明的一个实施例中，植入式脉冲发生器400具有一个或多个生物 反馈机构。生物反馈机构有利地向系统提供反馈，并使系统能够选择性地操作，而不是一直 操作。因此，神经刺激可以只在必要时进行。IPG 400包括壳体402 ；电源404，例如电池；第一波形发生器406，其产生第一波 形408 ；和第二波形发生器410，其产生第二波形412。第一波形发生器406和第二波形发 生器410电耦合到电池404并由其供电。第一波形发生器406和第二波形发生器410可以为任何合适的类型，例如由Texas Instruments (Dallas, TX)以型号NE555销售的那些。第 一波形发生器406产生具有已知频率的第一波形408，以刺激体内神经。在一个实施例中， 该频率在约10-30HZ的范围内。在另一个实施例中，该频率在约10-40HZ的范围内。如上 所述，这样的低频信号(如10-40HZ)本身无法穿过身体组织以有效刺激目标神经。为了克 服这个问题，植入式脉冲发生器400具有第二波形发生器410，该第二波形发生器产生具有 较高频率(如10-400KHZ)的第二波形412，该第二波形连同第一波形408被施加到振幅调 制器414，例如TexasInstruments出售的商品名为On-Semi MC1496的调制器。调制器414产生经导线418传输到电极420的调制波形416。在某些优选实施例 中，导线418为柔性的。电极420又将调制波形416施加到目标神经(未示出)以刺激目 标神经。IPG 400也包括优选地可植入体内的一个或多个传感装置454。传感装置454优 选地包括至少一个传感器456，其将感测所选的生物生理特性；和数据传输装置458，其将 传感器456收集的数据或信息传输回体外以进一步处理，下文将对此进行详细讲述。在一个实施例中，信号发射器458是较大信号控制系统460的一部分，该较大 信号控制系统还包括接收装置462 (例如得自MaximSemiconductors (Sunnyvale，CA)的 MAX1472)，接收装置电耦合到电池404并由其供电。接收装置462接收来自一个或多个传感 装置454的数据，并将该数据提供给微控制器464。微控制器优选地经过编程，以接收和分 析数据，并根据该数据向第一波形发生器406和第二波形发生器410提供输入，从而由IPG 400控制信号传输。参见图8和图9，生物反馈传感器454可以为植入体内(例如膀胱424 内)的压力传感器。如本领域的技术人员熟知的那样，通过测量膀胱内随时间而变化的压 力可以指示膀胱收缩的存在和收缩的幅度。当这种压力测量结果表明痉挛性膀胱肌肉活动 (相比将导致膀胱内压力缓慢稳定上升的正常膀胱收缩而言)时，可将反馈信号传输到接 收装置462并随后传输到微控制器464。响应接收到的反馈信号，微控制器464将通过控制 第一波形发生器406和第二波形发生器410致使电极420发射调制信号。目标神经(如阴 部神经)收到调制信号后，将激活膀胱肌肉以基本上消除痉挛性肌肉收缩。在一个实施例中，生物反馈装置454可以包括多重电子元件，包括电源、一个或多 个传感器元件和电子接口，电子元件中的每一个都彼此电耦合，并以本领域熟知的方式机 械安装在印刷电路板上。所述一个或多个传感器元件感测体内的预定生理特性，并将反映 这类特性的信号或数据传输到电子接口。该系统可以包括用于存储与感测到的生理特性相 关的数据的数据存储元件，但也可以包括发射器，以用于将数据发射到患者体外，以便其可 用于控制调制信号的产生(如上所述)。生物反馈装置可以基本上由可收缩壳体或笼围绕。在本发明的一个优选实施例中，生物反馈装置优选地长期保留在体内(如膀胱)， 以提供用于控制电极操作的持续反馈。凡是不使用持续反馈的，也仍然可以使用本文所述 的植入式传感器，以在实施准确诊断和/或正确治疗方面获得可用数据。在本发明的一个 实施例中，该装置可以保留在膀胱内1-2天，每1/2秒采集压力测量值。随后可分析压力变 化的类型和频率，以提供评估身体功能的反馈。例如，测得的随时间而变化的囊泡压力可反 映排泄时间和频率，可指示膀胱过度活动症或膀胱过度充盈。在一个实施例中，传感器元件 被设计为在长期休眠模式下操作，并按固定时间间隔“苏醒”以测量压力等。一旦收集了充 分的数据，就可将装置从膀胱内移除，例如通过将导管插入膀胱中以收回植入式装置，或使用膀胱镜或其他合适器械的操作通道收回装置。应当将导管或膀胱镜插入膀胱中，并将装 置抓住拉回到导管或膀胱镜通道中，随后从体内移除。在本发明的一个优选实施例中，生物反馈系统(不包括壳体)具有直径D为 约0. 65-10mm、长度L为约0. 65-10mm的总体尺寸。在一个优选的实施例中，传感器元 件为用于测量患者体内(如膀胱内)压力的微型压阻式压力传感器。合适的传感器为 得自Motorola(Schaumburg，111)的MPX系列压力传感器。其他合适的元件可以包括 MSP430F149 微控制器，其得自 Texas Instruments, Inc. (Dallas, Tex.)并可用于采集、过 滤和存储来自压力传感器的数据；和电源，例如任何合适的生物相容锂电池。虽然上文已经 提及具体的合适电子元件，但也存在许多其他元件，并可包括在本发明中。如上所述，电子 元件优选地安装在印刷电路板上。随后，可将电子元件和电路板包覆或封装在硅胶或其他 合适的包层中，以将其与环境(例如膀胱内的体液环境)隔离。在这些情况下，除了发射器外或取代发射器，生物反馈装置还可以包括数据存储 装置，以用于存储数据而不是发射数据。随后，可对数据进行检索和操作，优选地通过任何 合适的方式将数据上传到基于PC的软件应用程序后进行检索和操作，这些方式包括(例 如)无线方式(例如，通过例如ENDEC HSDL-7001的红外数据采集单元和连接到微处理器 的IrDA收发机HSDL-3202、通过射频采集)或硬线连接方式(例如通过RS232接口 )。参见图8，在利用生物反馈数据的实施例中，接收器462可以接收来自不止一个生 物反馈装置454的反馈数据。在这些实施例中，可以将与上文所述和所示类似的第二植入 式生物反馈传感器插入另一个体孔(如阴道腔)。第二生物反馈传感器可以封装在由类似 于棉塞的棉花卷或棉花团制成的“棉塞状”装置或壳体内。在一个实施例中，第二植入式生 物反馈装置用于感测腹部压力，第一植入式生物反馈装置用于感测膀胱压力。因此，从腹部 压力中减去膀胱压力可以确定逼尿肌压力(即膀胱组织壁的肌肉衬的压力)。如本领域的 技术人员熟知的那样，当患者紧张、咳嗽、打喷嚏、发笑等时，逼尿肌压力升高，检测这些压 力对于诊断多种膀胱和下尿路疾病状况具有重要的临床学意义。例如，逼尿肌压力升高的 频率为评价欲望性尿失禁提供了有意义的数据。在本发明的一个实施例中，IPG具有第一植入式生物反馈传感器和第二植入式生 物反馈传感器。其中一个植入式生物反馈传感器将数据传输到另一个植入式生物反馈传感 器，后者然后再将两套数据无线传输到接收器462 (图8)。参见图10，在本发明的一个实施例中，通过设置可以完全或局部地从电极向目标 神经或身体部分延伸的导电线路570，可增大电极向目标神经或身体部分传输的刺激能 量的电导系数。导电线路可以为交联聚丙烯酰胺凝胶，例如，得自ConturaQenmark)的 Aquamid. RTM.可注射凝胶。这种注射或以其他方式插入的生物惰性凝胶为高度导电的，并 且可以是或不是水溶液。由于凝胶不具刚性并可适形于患者身体，因此植入的凝胶提供许 多有益效果，包括易于递送、侵袭性低且患者舒适度。如上所述，注射凝胶线路的显著优点 是从电极到目标神经形成高度导电通路，该通路的导电性远远高于周围组织。这减少能量 分散并提高电极和目标神经之间的能量传输效率。如图10所示，植入式脉冲发生器(IPG) 500被植入哺乳动物(例如人类)表皮572 下。IPG 500包括导线518，该导线具有一个或多个在其远端处的电极520。电极520优选 地设置在目标神经522附近。导电凝胶570在电极520和目标神经522之间延伸。使用导电凝胶的一个优点在于丝状电极或针状电极只能靠近目标神经的一个平面，而可变形和可 流动的导电凝胶570可包裹目标神经522。因此，导电凝胶570可以360度电接触和物理接 触到目标神经，从而改善调制波形向目标神经的施加。在一个实施例中，导电凝胶可以从基 本上接触目标神经的位置向更靠近外部表皮层572的位置延伸。在一个或多个实施例中， 可以使用具有任何构型的多重导电凝胶袋或导电凝胶道。虽然上文已经描述了一种合适的导电凝胶，但多种其他导电凝胶也是合适的。也 可以使用许多热固性水凝胶和热塑性水凝胶。热固性水凝胶的实例包括下列物质与亲水 性和疏水性共聚单体、交联剂及其他改性剂的交联变体聚甲基丙烯酸羟乙酯与共聚物、 N-取代的丙烯酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚环氧乙烷、聚 乙烯醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚(N，N-二甲基氨丙基-N'-丙烯酰胺)以及它们的组 合物。热塑性水凝胶的实例包括丙烯酸衍生物(例如ΗΥΡΑΝ)、乙烯醇衍生物、亲水性聚氨酯 (HPU)和苯乙烯/PVP嵌段共聚物。虽然上文涉及本发明的实施例，但在不脱离本发明基本范围的情况下，也可以设 计出本发明的其他实施例和更多实施例。
权利要求
一种用于刺激神经的植入式脉冲发生器，包括第一波形发生器，所述第一波形发生器适于产生具有第一频率的第一波形；第二波形发生器，所述第二波形发生器适于产生具有高于所述第一频率的第二频率的载波波形；调制器，所述调制器电耦合到所述第一波形发生器和所述第二波形发生器，并适于调制所述第一波形和所述载波波形，以产生调制波形；可通过外科手术植入的壳体，所述壳体容纳所述第一波形发生器、所述第二波形发生器和所述调制器；和电极，所述电极电耦合到所述调制器，以用于施加所述调制波形。
2.根据权利要求1所述的植入式脉冲发生器，其中所述第一波形具有适于刺激目标神 经的频率。
3.根据权利要求1所述的植入式脉冲发生器，其中所述第一波形的频率基本上在 10-40Hz的范围内。
4.根据权利要求1所述的植入式脉冲发生器，其中所述载波波形的频率基本上在 10-400KHz的范围内。
5.根据权利要求1所述的植入式脉冲发生器，还包括微处理器，所述微处理器适于接 收生物反馈数据并响应所述生物反馈数据控制所述第一波形发生器和所述第二波形发生 器的操作。
6.根据权利要求5所述的植入式脉冲发生器，还包括接收装置，所述接收装置适于接 收所述生物反馈数据，所述接收装置与所述微处理器通信以用于向所述微处理器提供所述 生物反馈数据。
7.根据权利要求6所述的植入式脉冲发生器，还包括至少一个传感器，所述至少一个 传感器与所述接收装置通信并适于感测哺乳动物的一个或多个生理状态。
8.根据权利要求7所述的植入式脉冲发生器，还包括发射器，所述发射器与所述至少 一个传感器耦合，以用于发射所述一个或多个被感测的生理状态。
9.根据权利要求1所述的植入式脉冲发生器，还包括第三波形发生器，所述第三波形发生器适于产生第三波形，所述第三波形具有不同于 所述第一波形的第三频率并与所述第一波形异相；所述调制器电耦合到所述第三波形发生器，并适于调制所述载波波形、所述第一波形 和所述第三波形，以产生所述调制波形。
10.根据权利要求9所述的植入式脉冲发生器，其中所述第一波形适于刺激第一目标 神经，所述第三波形适于刺激第二目标神经。
11.根据权利要求9所述的植入式脉冲发生器，其中所述第一波形适于刺激第一身体 部分，所述第三波形适于刺激第二身体部分。
12.根据权利要求9所述的植入式脉冲发生器，其中所述第一波形的频率大约为20Hz， 所述第三波形的频率大约为10Hz，所述载波波形的频率大约为10-400KHZ。
13.根据权利要求9所述的植入式脉冲发生器，还包括第四波形发生器，所述第四波形 发生器适于产生第四载波波形，所述第四载波波形具有不同于所述第二载波波形的频率， 并且其中所述调制器还调制所述第四载波波形，以产生调制信号包。
14.根据权利要求13所述的植入式脉冲发生器，其中所述调制器还包括第一调制器，所述第一调制器用于调制所述第一波形和所述第二载波波形，以产生第 一调制信号；第二调制器，所述第二调制器用于调制所述第三波形和所述第四载波波形，以产生第 二调制信号；和第三调制器，所述第三调制器用于调制所述第一调制信号和所述第二调制信号，以产 生调制信号包。
15.根据权利要求1所述的植入式脉冲发生器，还包括电源，所述电源设置在所述可通 过外科手术植入的壳体内，以用于向所述波形发生器和所述调制器供电。
16.一种用于刺激神经的植入式系统，包括第一波形发生器，所述第一波形发生器适于产生第一波形，所述第一波形具有能够刺 激身体部分的频率；第二波形发生器，所述第二波形发生器适于产生载波波形，所述载波波形具有能够穿 过哺乳动物组织的第二频率；调制器，所述调制器电耦合到所述第一波形发生器和所述第二波形发生器，并适于调 制所述第一波形和所述载波波形，以产生调制波形；电源，所述电源用于操作所述系统；壳体，所述壳体可通过外科手术植入并容纳所述第一波形发生器、所述第二波形发生 器、所述调制器和所述电源；和电极，所述电极电耦合到所述调制器，以用于施加所述调制波形。
17.根据权利要求16所述的植入式系统，其中所述第一波形的频率基本上在10-40HZ 的范围内，所述载波波形的频率基本上在10-400KHZ的范围内。
18.根据权利要求16所述的植入式系统，还包括微处理器，所述微处理器适于接收生物反馈数据，并响应所述生物反馈数据控制所述 第一波形发生器和所述第二波形发生器的操作；和至少一个传感器，所述至少一个传感器与所述微处理器通信，并适于感测哺乳动物的 一个或多个生理状态。
19.根据权利要求16所述的植入式系统，还包括第三波形发生器，所述第三波形发生器适于产生第三波形，所述第三波形具有不同于 所述第一波形的第三频率并与所述第一波形异相；所述调制器电耦合到所述第三波形发生器，并适于调制所述载波波形、所述第一波形 和所述第三波形，以产生所述调制波形。
20.根据权利要求19所述的植入式系统，其中所述第一波形适于刺激所述第一身体部 分，所述第三波形适于刺激第二身体部分。
21.一种用于刺激身体部分的方法，包括提供植入式脉冲发生器，所述植入式脉冲发生器包括第一波形发生器，所述第一波形发生器适于产生第一波形，所述第一波形具有能够刺 激身体部分的第一频率，第二波形发生器，所述第二波形发生器适于产生载波波形，所述载波波形具有能够穿过哺乳动物组织的频率，调制器，所述调制器电耦合到所述第一波形发生器和所述第二波形发生器，并适于调 制所述第一波形和所述载波波形，以产生调制波形，电源，所述电源用于向所述第一波形发生器、所述第二波形发生器和所述调制器供电， 壳体，所述壳体容纳所述第一波形发生器、所述第二波形发生器、所述调制器和所述电 源，和电极，所述电极电耦合到所述调制器，以用于施加所述调制波形； 通过外科手术将所述壳体植入哺乳动物体内； 产生所述第一波形和所述载波波形； 用所述载波波形调制所述第一波形，以产生调制信号； 将所述调制信号施加到所述身体部分。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一波形的频率基本上在10-40HZ的范围 内，所述载波波形的频率基本上在10-400KHZ的范围内。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括 将传感器植入所述哺乳动物体内； 使用所述传感器获得生物反馈数据；以及使用所述生物反馈数据以用于控制由所述第一波形发生器和所述第二波形发生器产 生所述第一波形和所述第二波形。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述植入式脉冲发生器包括第三波形发生器， 所述第三波形发生器适于产生第三波形，所述第三波形具有能够刺激第二目标神经的频 率，所述方法还包括产生与所述第一波形异相的所述第三波形；调制所述第一波形、所述载波波形和所述第三波形，以产生调制信号包；以及 将所述调制信号包施加到所述哺乳动物的一个或多个身体部分。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括产生第四载波波形，所述第四载波波形具有 不同于所述第二载波波形的频率，其中所述调制步骤包括调制所述第一波形和所述第二载 波波形以产生第一调制信号，以及调制所述第三波形和所述第四载波波形以产生第二调制 信号。全文摘要
本发明描述植入式脉冲发生器(IPG)，该植入式脉冲发生器包括可通过外科手术植入的壳体、电池、第一波形发生器、第二波形发生器、调制器和电极。IPG产生脉冲包络、载波波形和调制波形。脉冲包络为低频波形，该低频波形具有特定脉冲宽度、振幅和形状以选择性刺激目标神经或身体部分。载波波形为高频波形，该高频波形具有选择的特性，例如振幅、频率等等，以便克服组织阻抗和目标神经的刺激阈值。调制波形为由脉冲包络调制所述载波波形获得的波形。
文档编号A61N1/36GK101883607SQ200880118949
公开日2010年11月10日 申请日期2008年10月1日 优先权日2007年10月3日
发明者A·久鲍尔迪 申请人:伊西康公司