用于校准背角刺激的系统的制作方法

本申请要求于2014年9月23日提交的临时美国专利申请序列号62/054,076的权益，通过参考的方式将其整体并入本文。

技术领域

本文献整体涉及神经调制并且更具体地涉及用于背角刺激的方法和系统，其具有利用对于该刺激的一个或多个感测响应的反馈控制。

背景技术：

已提出神经调制作为用于多种状况的疗法。通常，神经调整和神经刺激可以互换使用以描述导致动作电位以及抑制和其他效果的兴奋性刺激。神经调制的实例包括脊髓刺激(SCS)、深部脑刺激(DBS)、外围神经刺激(PNS)、和功能性电刺激(FES)。作为实例并且不是限制，SCS已用于治疗慢性疼痛症状。一些神经目标可能是具有不同类型的神经纤维的复杂结构。该复杂结构的一个实例是由SCS靶向的脊髓中和周围的神经元素。

技术实现要素：

一种用于应用神经调制到患者的系统的一个实例(例如“实例1”)包括调制输出电路和调制控制电路。患者具有包括背角、背根和脊柱的神经系统。调制输出电路可以被配置为传递背角刺激到背角。调制控制电路可以被配置为通过使用多个调制参数执行神经调制算法来控制背角刺激的传递。调制控制电路可以包括响应输入和参数校正器。响应输入可以被配置为接收指示对背角的刺激的一个或多个响应的响应信息。参数校正器可以被配置为使用响应信息来调整多个调制参数中的一个或多个调制参数。

在实例2中，权利要求1的主题可以可选择地被配置为使得调制控制电路被配置为通过执行用于传递亚感知背角刺激的神经调制算法来控制背角刺激的传递，亚感知背角刺激选择性地跳过脊柱刺激背角。

在实例3中，实例1-2中的任意一个或任意组合的主题可以可选择地被配置为使得响应输入被配置为接收包括一个或多个响应参数的响应信息，每个响应参数是对背角刺激的一个或多个响应中的响应的量化测量，以及参数校正器被配置为调整多个调制参数中的一个或多个调制参数以维持一个或多个响应参数在目标值范围内。

在实例4中，实例3的主题可以可选择地被配置为进一步包括一个或多个传感器和参数生成器。一个或多个传感器可以被配置为感测一个或多个神经生理信号，每个神经生理信号指示与疼痛关联的生理功能。参数生成器可以被配置为从一个或多个神经生理信号得出一个或多个响应参数。

在实例5中，实例3的主题可以可选择地被配置为使得调制输出电路进一步被配置为传递背根刺激到背根，调制控制电路被配置为通过执行用于传递与背根刺激交织的背角刺激的测试算法来控制背角刺激的传递以及控制所述背根刺激的传递，以及进一步包括传感器，其被配置为感测对脊柱中的背根刺激的响应，响应被背角刺激调制。

在实例6中，实例5的主题可以可选择地被配置为使得传感器被配置为感测脊柱中的轴突中的局部场电位(LFP)，以及参数生成器被配置为从感测到的LEP得出一个或多个响应参数中的一个或多个参数。

在实例7中，实例5的主题可以可选择地被配置为使得传感器被配置为感测脊柱中的轴突中的诱发复合动作电位(eCAP)，以及参数生成器被配置为从感测到的eCAP得出一个或多个响应参数中的一个或多个参数。

在实例8中，实例1-7中的任意一个或任意组合的主题可以可选择地被配置为包括植入式调制设备以及进一步包括监视设备，植入式调制设备包括调制输出电路、响应输入以及调制控制电路，监视设备被配置为监视对背角刺激的一个或多个响应并且产生响应信息。

在实例9中，实例8的主题可以可选择地被配置为使得监视设备包括植入式监视设备。

在实例10中，实例8的主题可以可选择地被配置为使得监视设备包括便携式监视设备。

在实例11中，实例10的主题可以可选择地被配置为使得监视设备包括穿戴式监视设备。

在实例12中，实例8-11中的任意一个或任意组合的主题可以可选择地被配置为使得植入式调制设备经由无线链路可通信地耦接到监视设备。

在实例13中，实例8的主题可以可选择地被配置为使得监视设备被集成到植入式调制设备中。

在实例14中，实例8的主题可以可选择地被配置为使得监视设备被配置为执行以下之中的一个或多个：量化感觉测试、脑电图(EEG)、脑皮层电图(ECoG)、扩散光学成像和功能性磁共振成像(fMRI)。

在实例15中，实例1-14中的任意一个或任意组合的主题可以可选择地被配置为使得调制输出电路被配置为传递电脉冲到背角。

提供了一种用于应用神经调制到具有包括背角、背根和脊柱的神经系统的患者的方法的一个实例(例如“实例16”)。该方法可以包括：传递背角刺激到背角；通过使用多个调制参数执行神经调制算法来控制背角刺激的传递；接收指示对背角刺激的一个或多个响应的响应信息；以及使用响应信息来调整多个调制参数中的一个或多个调制参数。

在实例17中，如实例16中找到的用于执行神经调制算法的主题可以可选择地包括：执行用于传递亚感知背角刺激的神经调制算法。亚感知背角刺激选择性地跳过脊柱刺激背角。

在实例18中，如实例16-17中的任意一个或任意组合中找到的用于传递刺激到背角的主题可以可选择地包括传递来自植入式设备的背角刺激。

在实例19中，实例16-18中的任意一个或任意组合的主题可以可选择地进一步包括感测一个或多个神经生理信号，以及传递来自一个或多个神经生理信号的响应信息的一个或多个响应参数。一个或多个响应参数中的每一个是对背角刺激的一个或多个响应的中的响应的量化测量。

在实例20中，如实例19中找到的用于感测一个或多个神经生理信号的主题可以可选择地包括执行以下之中的一个或多个：量化感觉测试、脑电图(EEG)、脑皮层电图(ECoG)、扩散光学成像和功能性磁共振成像(fMRI)。

在实例21中，如实例19-20中的任意一个或任意组合中找到的用于调整多个调制参数中的一个或多个调制参数的主题可以可选择地包括调整多个调制参数中的一个或多个调制参数以维持一个或多个响应参数在目标值范围内。

在实例22中，如实例19-22中的任意一个或任意组合中找到的用于传递一个或多个响应参数的主题可以可选择地包括得出一个或多个响应参数，每个响应参数指示与疼痛关联的生理功能。

在实例23中，实例19的主题可以可选择地包括传递背根刺激到背根，以及控制背角刺激的传递以及背根刺激的传递使得背角刺激与背根刺激交织。如实例19中找到的用于感测一个或多个神经生理信号的主题可以可选择地包括感测对脊柱中的轴突中的背根刺激的响应，该响应在与背根刺激交织的背角刺激的传递期间被背角刺激调制。

在实例24中，如实例23中找到的用于感测对脊柱中的轴突的背根刺激的响应的主题可以可选择地包括感测脊柱中的轴突中的局部场电位(LFP)。

在实例25中，如实例23中找到的用于感测对脊柱中的轴突的背根刺激的响应主题可以可选择地包括感测脊柱中的轴突中的诱发复合动作电位(eCAP)。

该摘要是本申请的一些教导的概述并且不意图是本主题的详尽的或穷举的说明。可在详细描述和所附权利要求中找到本主题的进一步的细节。在阅读和理解下文的详细描述和查看了形成本公开的一部分的以非限制形式取得的附图之后，本公开的其他方案将对于本领域熟练技术人员显而易见。本公开的范围是由所附权利要求及其等效物限定的。

附图说明

在附图中通过实例的方式示出了各种实施例。该实施例是说明性的并且不意图是本主题的穷举的或排他的实施例。

图1示出了脊髓的一部分；

图2通过实例示出了神经调制系统的一个实施例；

图3通过实例示出了如在图2的神经调制系统中可以实现的调制设备的一个实施例；

图4通过实例示出了如可以实现为图2的神经调制系统中的编程设备的编程设备的一个实施例；

图5通过实例示出了植入式神经调制系统和可以在其中使用该系统的环境的一部分；

图6通过实例示出了又可被称为脊髓调制(SCM)系统的脊髓刺激(SCS)系统的一个实施例；

图7通过实例示出了神经调制引线和脉冲生成器的一些特征；

图8-图11通过实例示出了当电流被分解使得传递到每个电极的分解电流生成的纵向方向中的电场近似相等时，纵向方向和横向方向中的电场强度的差异；

图10示出了电调制引线的示意性视图，其显示了传递到电调制引线上的电极的阳极电流的分解的实例；

图11通过实例示出了沿电调制引线的轴的纵向方向中的梯度的示意性说明；

图12通过实例示出了横向方向中的梯度的示意性说明；

图13A-图13C和图14A-图14C通过实例示出了神经调制引线，其中电极可以采取关于神经调制引线圆周地并且轴向地设置的分段电极的形式；

图15通过实例示出了用于闭环背角刺激的神经刺激系统的一个实施例；

图16通过实例示出了用于闭环背角刺激的另一个神经刺激系统的实施例；

图17通过实例示出了用于闭环背角刺激的一个方法的一个实施例；

图18通过实例示出了用于优化背角刺激的一个方法的一个实施例；以及

图19通过实例示出了用于优化背角刺激的另一个方法的一个实施例。

具体实施方式

本主题的以下的详细描述参考附图，附图通过说明的方式显示了可以实施本主题的具体方案和实施例。这些实施例被描述的足够详细，以使得本领域熟练技术人员能够实施本主题。可以利用其他实施例，并且在不脱离本发明的主题的范围的前提下可以做出结构、逻辑和电学改变。在本公开中对于“一”、“一个”或“各种”实施例的参考无需指相同的实施例，并且该参考设想了多个实施例。下文的详细描述因此不是限制性的并且范围仅由所附权利要求连同该权利要求所标称的合法等效物的全部范围所限定。

本文所述各种实施例涉及脊髓调制。在本文提供了脊髓的生理学的简要描述以辅助读者。图1通过实例示出了包括脊髓的白质101和灰质102的脊髓100的一部分。灰质102包括细胞体、神经键、树突和轴突端子。因此，神经键定位在灰质中。白质101包括用于连接灰质区域的有髓轴突。脊髓的典型的横向切面包括灰质102的中央“蝶”形中央区域，其实质上被白质101的椭圆形外部区域围绕。脊柱(DC)103的白质通常包括大的有髓轴突，其形成在轴向中延伸的传入纤维。灰质的“蝶”形中央区域的背面部分被称为背角(DH)104。与延伸在轴向方向中的DC纤维相比，DH纤维可以定向在多个方向中，包括与脊髓的纵轴垂直。脊神经105还被示出为包括背根(DR)105、背根神经节107和前根108。背根105通常承载进入脊髓的感测信号，以及前根用作传出运动根。背根和前根结合形成混合脊神经105。

SCS已用于减轻疼痛。常规SCS编程的治疗目的是最大化在白质中沿脊髓的纵轴延伸的DC纤维的刺激(即复原)，以及最小化与脊髓的纵轴垂直地延伸的其他纤维(主要是背根纤维)的刺激，如图1所示。DC的白质大体包括用于形成传入纤维的大的有髓轴突。虽然疼痛缓解的完整机制不能很好地理解，但是相信经由疼痛的门控理疗抑制疼痛信号的感知，这意味着经由电刺激增强无害的触觉或压力传入的活动在脊髓的DH中引起缓解被抑制的神经传送体(γ-氨酪酸(GABA)，氨基乙酸)的神经元间活动，这因而降低宽动态范围(WDR)感觉神经元对于从背根(DR)神经纤维(其提供患者的疼痛区域的神经)传播以及治疗普通WDR异位的疼痛信号的有害传入的超敏性。因此，DC神经纤维的大的感觉传入被靶向为用于在提供疼痛缓解的幅度上的刺激。当前的植入式神经调节系统一般包括相邻地植入即靠近地搁置的电极，或者在在硬脊膜上，到患者的脊髓的脊柱并且沿着患者的脊髓的纵轴。

大的感觉DC神经纤维的激活一般还引起通常伴随常规SCS疗法的异常感觉。虽然可替换地或人为的感觉如异常通常比疼痛感觉可以忍受，但是患者有时候报告这种感觉是不能忍受的，并且因此，在一些情况中可以将它们视为神经调制疗法的不利的副作用。一些实施例例如传递有疗效的亚感知疗法来治疗疼痛，但是患者感觉不到调制场(例如异常)的传递。亚感知疗法可以包括脊髓的更高频率的调制(例如大约1500Hz或以上)，其有效地阻止DC中的传出纤维中的疼痛信号的传输。本文的一些实施例选择性地调制DH组织或DR组织多过DC组织，以提供亚感知疗法。该选择性调制不是在这些更高频率传递的。例如，可以在低于1200Hz的频率上传递选择性调制。在一些实施例中，可以在低于1000Hz的频率上传递选择性调制。在一些实施例中，可以在低于500Hz的频率上传递选择性调制。在一些实施例中，可以在低于350Hz的频率上传递选择性调制。在一些实施例中，可以在低于130Hz的频率上传递选择性调制。可以在低频(例如低至2Hz)上传递选择性调制。甚至可以无需脉冲(例如0Hz)来传递选择性调制以调制一些神经组织。通过实例而不是限制的方式，可以在从以下频率范围中选择的频率范围内传递选择性调制：2Hz到1200Hz；2Hz到1000Hz，2Hz到500Hz；2Hz到350Hz；或2Hz到130Hz。通过实例而不是限制的方式，可以开发将任意这些范围的下端从2Hz升高到其他频率例如10Hz、20Hz、50Hz或100Hz的系统。通过实例而不是限制的方式，进一步注意可以利用这样一种占空比来传递选择性调制即在该占空比中在占空比的刺激开(ON)部分期间传递刺激(例如脉冲串)以及在该占空比的刺激关(OFF)部分期间不传递。通过实例而不是限制的方式，占空比可以是大约10％±5％、20％±5％、30％±5％、40％±5％、50％±5％或60％±5％。例如，在刺激开部分期间10ms的脉冲突发随后突发15ms没有脉冲对应于40％占空比。

图2示出了神经调制系统的一个实施例。所示系统210包括电极211、调制设备212和编程设备213。电极211被配置为在患者中的一个或多个神经目标上或附近放置。调制设备212被配置为电连接到电极211并且经过电极211传递如电脉冲形式的神经调制能量到一个或多个神经目标。通过使用多个调制参数如用于指定电脉冲和用于传递每个电脉冲的电极的选择，控制神经调制的传递。在各种实施例中，可通过用户如医生或其他护理人员编程多个调制参数中的至少一些参数。编程设备213向用户提供对用户可编程的参数的接入。在各种实例中，编程设备213被配置为经由有线或无线链路可通信地耦接到调制设备。在各种实施例中，编程设备213包括用于允许用户设置和/或调整用户可编程调制参数的值的图形用户接口(GUI)214。

图3示出了如可以在图2的神经调制系统210中实现的调制设备312的实施例。调制设备312的所示实施例包括调制输出电路315和调制控制电路316。本领域普通技术人员会理解神经调制系统210可以包括附加的组件如用于患者监视和/或疗法的反馈控制的感测电路、遥测电路和电源。调制输出电路315产生并且传递神经调制脉冲。调制控制电路316使用多个调制参数来控制神经调制脉冲的传递。引线系统317包括每个都被配置为电连接到调制设备312的一个或多个引线，以及使用一个或多个引线分布成电极排列的多个电极311-1到311-N。每个引线可以具有包括两个或更多个电极(其又被称为接触件)的电极阵列。多个引线可以提供多个电极阵列以提供电极排列。每个电极是单个导电接触件，其提供调制输出电路315与患者的组织之间的电接口，其中N≥2。每个神经调制脉冲从调制输出电路315经过从电极311-1到311-N中选择的电极集合被传递。引线的数量和每个引线上的电极的数量可以例如取决于神经调制的目标的分布以及用于控制在每个目标处的电场的分布的要求。在一个实施例中，通过实例而不是限制的方式，引线系统包括两个引线，每个引线具有八个电极。

神经调制系统可以配置为调制脊髓目标组织或者其他神经组织。用于传递电脉冲到靶向的组织的电极的配置构成了电极配置，其中电极能够被选择性地编程以作为阳极(正的)、阴极(负的)或剩下(零)。换句话说，电极配置表示极性上正的、负的或者零。可以被控制或改变的其他参数包括电脉冲的幅度、脉冲宽度、速率(或频率)。每个电极配置连同电脉冲参数可以被称为“调制参数集合”。每个调制参数集合(包括到电极的分解的电流分布(百分比阴极电流、百分比阳极电流或者关闭))可以被存储并且组合到随后可用于调制患者中的多个区域的调制程序中。

可用电极的数量与生成各种复杂电脉冲的能力的结合对于医生或患者给出了调制参数集合的大量选择。例如，如果要被编程的神经调制系统具有16个电极，则数百万个调制参数集合可用于编程到神经调制系统中。此外，例如SCS系统可以具有32个电极，这指数地增加了可用于编程的调制参数集合的数量。为了助于该选择，医生通常通过计算机化的编程系统来编程调制参数集合以允许基于患者反馈或其他手段来确定最佳调制参数，并且接下来编程希望的调制参数集合。

SCS疗法的常规的编程使用异常感觉来选择合适的调制参数集合。由调制引起并且被患者感知的异常感觉应该定位在患者的身体中与作为治疗目标的疼痛相同的位置附近。当引线植入患者中时，可以执行手术室(OR)映射程序，以应用电调制来测试引线和/或电极的放置，从而确保引线和/或电极植入在患者中的有效位置中。

在正确定位引线之后，可以执行可以称为导航会话的适配程序以利用最佳寻址疼痛地点的调制参数集合来编程外部设备，并且如果神经调制设备可应用则编程神经调制设备。因此，导航会话可用于精确定位与疼痛有关的区域或激活量(VOA)。在植入期间可以实现该程序以靶向组织，否则在植入之后如果引线逐渐地或者意外地移动会把调制能量重定位到目标地点之外。通过重编程神经调制设备(一般通过独立地改变电极上的调制能量)，VOA可以经常移动回到有效疼痛地点而不需在患者上再次手术来重定位引线及其电极阵列。当相对于组织调整VOA时，希望做出与电流成正比的小改变使得患者会觉察到的神经纤维的空间募集的改变是平滑的和连续的，并且希望具有增加的瞄准能力。

图4示出了如可以实现为图2的神经调制系统中的编程设备213的编程设备413的实施例。编程设备413包括存储设备418、编程控制电路419和GUI 414。编程控制电路419生成多个调制参数，其根据神经调制脉冲的模式控制神经调制脉冲的传递。在各种实例中，GUI 414包括任意类型的呈现设备如交互式或非交互式屏幕，以及允许用户编程调制参数的任意类型的用户输入设备如触摸屏、键盘、键区、触摸板、追踪球、操纵杆和鼠标。存储设备418可以尤其存储待被编程到调制设备中的调制参数。编程设备413可以发射多个调制参数到调制设备。在一些实施例中，编程设备413可以发射功率到调制设备。编程控制电路419可以生成多个调制参数。在各种实施例中，编程控制电路419可以比对安全规则来检查多个调制参数的值，以将这些值限制在安全规则局限内。

在各种实施例中，可以使用硬件、软件和固件的组合来实现神经调制的电路(包括本文中讨论的它的各种实施例)。例如，可以使用被构造为执行一个或多个特定功能的专用电路或者被编程为执行该功能的通用电路来实现GUI的电路、调制控制电路和编程控制电路(包括本文中讨论的它的各种实施例)。该通用电路包括但不限于微处理器或其一部分、微控制器或其一部分以及可编程逻辑电路或其一部分。

图5通过实例示出了植入式神经调制系统和可以在其中使用该系统的环境的一部分。该系统被示出为用于脊髓附近的植入。然而，神经调制系统可以被配置为调制其他神经目标。系统520包括植入式系统521、外部系统522和用于提供植入式系统521与外部系统522之间的无线通信的遥测链路523。植入式系统示出为植入在患者的身体中。植入式系统521包括植入式调制设备(又被称为植入式脉冲生成器或者IPG)512、引线系统517和电极511。引线系统517包括一个或多个引线，每个引线配置为电连接到调制设备512以及分布在一个或多个引线中的多个电极511。在各种实施例中，外部系统402包括一个或多个外部(非植入式)设备，每个外部设备允许用户(例如医生或其他护理人员和/或患者)与植入式系统521通信。在一些实施例中，外部系统522包括用于让医生或其他护理人员初始化并且调整植入式系统521的设置的编程设备，以及用于由患者使用的远程控制设备。例如，远程控制设备可以允许患者打开和关闭疗法和/或调整多个调制参数的特定患者可编程参数。

引线系统517的神经调制引线可以放置在待刺激的脊髓区域的附近即靠近搁置或者在脊膜上。例如，神经调制引线可以沿患者的脊髓的纵轴植入。由于在神经调制引线退出脊柱的地方附近缺少空间，所以植入式调制设备512也可以植入在腹部中或者屁股上的手术形成的口袋中，或者可以植入在患者身体的其他位置中。引线延伸部可以用于助于植入植入式调制设备512远离神经调制引线的离开点。

图6通过实例示出了又可被称为脊髓调制(SCM)系统的SCS系统的一个实施例。SCS系统624可以整体包括多个(示出为2个)植入式神经调制引线625、植入式脉冲生成器(IPG)626、外部远程控制器RC 627、医生编程器(CP)628和外部踪迹调制器(ETM)629。IPG 626可以经由一个或多个经皮肤引线延伸部630物理连接到神经调制引线625，其携带多个电极631。如所示，神经调制引线625可以是经皮肤引线，其中电极沿神经调制引线排列成直线。可以提供任意合适数量的神经调制引线，包括仅一个，只要电极数量大于两个(包括IPG外壳作为外壳电极)以允许横向调整电流。可替换地，手术桨形引线可用于替换一个或多个经皮肤引线。IPG 626包括脉冲生成电路，其根据调制参数集合传递脉冲电波形(即电脉冲的时间序列)形式的电调制能量到电极。

ETM 629也可以经由经皮肤引线延伸部632和外部线缆633而物理连接到神经调制引线625。ETM 629可以具有与IPG 626类似的脉冲生成电路，以根据调制参数集合传递电调制能量到电极。ETM 629是非植入式设备，其在已经植入神经调制引线625之后以及在IPG 626的植入之前，基于踪迹来测试待提供的调制的响应。本文关于IPG 626所述的功能可以类似地关于ETM 629执行。

RC 627可用于经由双向RF通信链路634遥测地控制ETM 629。RC 627可用于经由双向RF通信链路635遥测地控制IPG 626。该控制允许IPG 626打开或关闭以及利用不同的调制参数集合被编程。IPG 626还可以被操作以修改编程的调制参数，以活动地控制由IPG 626输出的电调制能量的特征。医生可以使用CP 628在手术室中以及在接下来的会话中将调制参数编程到IPG 626和ETM 629中。

CP 628可以经过RC 627，经由IR通信链路636或其他链路与IPG 626或ETM 629间接通信。CP 628可以经由RF通信链路或其他链路(未显示)与IPG 626或ETM 629直接通信。由CP 628提供的医生详述的调整参数也可用于编程RC 627，从而接下来可以在独立模式中(即没有CP 628的辅助)通过RC 627的操作修改调制参数。各种设备可以用作CP 628。该设备可以包括便携式设备如膝上个人电脑、微机、个人数字助理(PDA)、平板电脑、电话或者具有扩展的功能的远程控制器(RC)。因此，可以通过执行包含在CP 628中的软件指令来执行该编程方法。可替换地，可以使用固件或硬件执行该编程方法。在任意情况中，CP 628可以活动地控制由IPG 626生成的电调制的特征，以允许基于患者反馈或者其他反馈来确定希望的参数，以及接下来利用希望的调制参数编程IPG 626。为了允许用户执行这些功能，CP 628可以包括用户输入设备(例如鼠标和键盘)和装在外壳中的编程显示屏。除了鼠标之外或者代替鼠标，可以使用其他定向的编程设备如追踪球、触摸板、操纵杆、触摸屏或作为与键盘相关联的键的一部分而被包括的定向按键。外部设备(例如CP)可以被编程为提供显示屏，其允许医生尤其选择或输入简档信息(例如姓名、出生日期、患者标识、医生、诊断和地址)、输入程序信息(例如编程/跟踪、植入踪迹系统、植入IPG、植入IPG和引线、替换IPG、替换IPG和引线、替换或者修正引线、植出等等)、生成患者的疼痛图、定义引线的配置和方向、开始和控制由神经调制引线输出的电调制能量、以及利用手术设置和医生设置中的调制参数选择和编程IPG。

外部设备637可以是用于经由无线链路如感应链路638来经皮肤充电IPG的便携式设备。在IPG被编程以及其电源被外部电荷充电或者否则被补给之后，IPG可以如编程那样运行而无需出现RC或CP。

图7通过实例示出了神经调制引线725和脉冲生成器726的一些特征。脉冲生成器726可以是植入式设备(IPG)或者可以是外部设备如可用于在植入程序期间测试电极。在所示实例中，其中一个神经调制引线具有8个电极(标记为E1-E8)，并且另一个神经调制引线具有8个电极(标记为E9-E16)。对于想要的应用，引线和电极的实际数量和形状可以变化。植入式脉冲生成器IPG)可以包括用于容纳电子器件和其他组件的外壳。外壳可以由导电的、生物兼容的材料如钛构成，其形成密封舱以保护内部电子器件免受身体组织和液体。在一些情况中，外壳可以作为电极(例如外壳电极)。IPG可以包括电子组件如控制器/处理器(例如微控制器)、存储器、电池、遥测电路、监视电路、调制输出电路和本领域熟练技术人员已知的其他合适的组件。微控制器执行存储在存储器中的合适的程序，以用于指导和控制由IPG执行的神经调制。根据被编程到脉冲生成器中的调制参数集合，将电调制能量提供给电极。电调制能量的形式可以是脉冲电波形。该调制参数可以包括用于限定这样一种电极的电极组合即该电极被激活作为阳极(正)、阴极(负)、被关闭(零)；分配给每个电极的刺激能量的百分比(分数化电极配置)；以及电脉冲参数，其限定脉冲幅度(取决于脉冲生成器是否供给恒定电流或恒定电压到电极阵列，以毫安或伏特来测量)、脉冲宽度(以微秒测量)、脉冲率(以个脉冲每秒测量)、和突发率(以持续时间X的刺激打开和持续时间Y的刺激关闭测量)。被选择用于发射和接收电能的电极在本文中被称为“激活的”，而未被选择用于发射和接收电能的电极在本文中被称为“未激活的”。

电调制发生在两个或更多个激活的电极之间，其中一个可以是IPG外壳。系统可以以单极性或多极性(例如双极性、三极性等等)方式发射调制能量到组织。当引线电极中的选定的一个连同IPG的外壳一起被激活时，发生单极性调制，因而调制能量在选定电极与外壳之间传输。可以向电极E1-E16中的任意一个和外壳电极分配多达k个可能的组或者定时“通道”。在一个实施例中，k可以等于4。定时通道识别哪个电极被选择为同时拉和灌电流以在待刺激的组织中创建电场。通道上的电极的幅度和极性可以改变。具体地，k个定时通道中的任意一个中的电极可以选择为是正(阳极、拉电流)、负(阴极、灌电流)或关闭(无电流)极性。IPG可以操作在一种模式中传递有疗效的电调制能量，以及导致患者感知能量的传递(具有感知的异常感觉的疼痛缓解疗效)，并且可以组织在亚感知模式中传递有疗效的电调制能量并且不导致患者感知能量的传递(例如不具有感知的异常感觉的疼痛缓解疗效)。

IPG可以被配置为独立地控制流经每个电极的电流的量级。例如，电流生成器可以被配置为从用于每个电极的独立的电流源选择性地生成单独的电流调节的幅度。在一些实施例中，脉冲生成器可以具有电压调节的输出。虽然希望独立可编程的电极幅度来实现精细控制，但是也可以使用在电极之间切换的单个输出源，但是在编程上具有较不精细的控制。神经调制器可以被设计为具有混合的电流和电压调节设备。

图8-图11通过实例示出了当电流被分解使得传递到每个电极的分解电流生成的纵向方向中的电场近似相等时纵向方向和横向方向中的电场强度的差异。患者的脊髓处(尤其是DC纤维处)的电压在纵向上近似相等，导致沿DC近似为0的电压梯度。这可能需要不同量的分解电流传递到每个电极。校准技术用于确定正确的电流分解。随着电流分解到电调制引线上的多个电极，可以通过将由传递到每个电极的电流生成的电场叠加来计算结果场。此外，每个电场具有纵向分量和横向分量。

图8是近似在患者的脊髓840的纵向中心上植入的单个电调制引线839的示意图。要理解可以使用附加的引线和引线桨状物，如可以用于提供更宽的电极排列和/或提供更靠近背角元素的电极，并且这些电极阵列可以实现分解电流。图9示出了这样一种实施例即在该实施例中电调制引线941被关于脊髓更加横向地植入，从而将其靠近脊髓的背角放置，并且其他电调制引线942被关于脊髓更加居中地植入，从而将其靠近脊髓940的脊柱放置。与DC相比更靠近DH的引线放置可能是希望的，以比DC神经元素更优先刺激DH元素以便亚感知疗法。任意其他多个引线或多列桨状引线也可以使用。电场的纵向分量沿图8中描述的y轴定向，以及电场的横向分量沿图8中描述的x轴定向。

图10是示出电调制引线1043的示意性视图，其显示了传递到电调制引线上的电极的阳极电流的分解的实例。这些图使用这样一种单极性调制示出了分解即在该单极性调制中IPG的外壳电极是唯一的阴极并且携带100％的阴极电流。图10中所示的阳极电流的分解不会传递等量的电流到每个电极1044，因为该实施例考虑了电极/组织耦接差异，其是每个电极之下的组织如何对电调制进行反应的差异。此外，电调制引线的一部分的末端包括在纵向上具有更低的梯度的电极。电场的量级从电调制引线的末端向下逐渐变小。控制到电极的电流的分解，使得在电调制引线的中间部分的每个电极之下的组织近似相等地对电调制进行反应，或者消除每个电极之下的组织激活。然而，结果分解是不相等的。在图10中所示的实例中，到中间电极的电流的分解从10％变化到18％，反映了这些电极之下的组织的变化。电调制引线上的分解可以按各种方式改变，只要总的分解电流等于100％。本文所述各种实施例实现编程算法以确定合适的分解以实现希望的调制场特性(例如恒定电场、或恒定电场量级，或恒定电压)。

图11通过实例示出了沿电调制引线的轴的纵向方向中的梯度的示意性说明。在电调制引线1143上的电极1144的示意性表示的上方描绘了在纵向方向中的电场强度1145。图11中的说明显示了在电调制引线的中部上电场强度实质上恒定，但是由于引线中的电极之间的间隙可以形成具有非常小的幅度的波形。该实质上恒定的电场形成了小的纵向梯度，这将脊柱中的大的有髓轴突的激活最小化。图11中的说明还显示了纵向方向中的电场在电调制引线的末端逐渐变小。

图12通过实例示出了横向方向中的梯度的示意性说明。在电调制引线1243和患者的脊髓1240的示意性表示上方描绘了横向方向中的横向电场强度1245。图12中的说明显示了横向电场强度在电调制引线附近最大并且向电调制引线的侧向降低。使用附加调制引线来加宽电极阵列可以用于提供希望的分解以还对于沿横向方向的一个距离提供实质上恒定的电场区域。实质上恒定的电场迎合背角和/或背根神经元素的调制多于脊柱神经元素。

图13A-图13C和图14A-图14C通过实例示出了神经调制引线，其中电极可以采取关于神经调制引线圆周地并且轴向地设置的分段电极的形式。通过非限制性的实例，每个神经调制引线可以承载16个电极，16个电极被设置为四个电极环(第一环包括电极E1-E4；第二环包括电极E5-E8；第三环包括电极E9-E12；以及第四环包括电极E13-E16)或者四个电极轴向列(第一列包括电极E1、E5、E9和E13；第二列包括电极E2、E6、E10和E14；第三列包括电极E3、E7、E11和E15；以及第四列包括电极E4、E8、E12和E16)。引线和电极的实际数量和形状可以根据意图的应用而变化。

SCS系统可用于使用具有不同方向的电场传递电能到患者的脊髓，通常如图13A-图13C和图14A-图14C中所示。电场的方向可以被选择为靶向DH元素的不同方向/定向。为了在不同的中侧方向生成电场，电极可以在不同的径向方向中具有不同的电流分解。虽然如上所述希望电场比DC元素更优选地地刺激DH和/或DR元素，电场仍然可以定向在不同的口尾方向(即投影在经过脊髓的纵向平面上的电场的方向)，但是优选不在会导致感知异常感觉的方向中。为了在不同的口尾方向中生成电场，电极可以在纵向方向具有不同的电流分解。

SCS系统可以被配置为传递不同电场以实现DH元素中的调制的时间总和。可以基于逐脉冲分别生成电场。例如，可以由电极(使用第一电流分解)在脉冲波形的第一电脉冲期间生成第一电场，可以由电极(使用第二不同电流分解)在脉冲波形的第二电脉冲期间生成第二不同电场，可以由电极(使用第三不同电流分解)在脉冲波形的第三电脉冲期间生成第三不同电场，可以由电极(使用第四不同电流分解)在脉冲波形的第四电脉冲期间生成第四不同电场，以此类推。这些电场可以根据定时方案旋转或循环多次，其中，使用定时通道实现每个电场。电场可以连续的脉冲率生成或者可以突发开始或突发关闭。此外，电场循环期间的脉冲间时间间隔(即相邻脉冲之间的时间)、脉冲幅度和脉冲持续时间可以是一致的或者可以在电场循环内变化。

一个实施例修改传递到每个电极的分解电流以最小化纵向方向中的电场梯度，以便最小化DC元素的激活。最小化DC元素的激活可以包括基于模型的计算，其中，该模型包括来自校准的信息。可以通过公式AF(n)＝Ga/(πx d x l)x[Ve(n-1)–2Ve(n)+Ve(n+1)]来计算离散激活函数，其中，Ga是轴突的模型间电导率，d是轴突直径，l是Ranvier节点的长度，Ve(n)是在用于确定该激活函数的节点处的电场的强度，Ve(n-1)是在用于确定该激活函数的节点的前一个节点处的电场的强度，并且Ve(n+1)是在用于确定该激活函数的节点的后一个节点处的电场的强度。使用该公式，从归一成Raniver节点的表面积的电导率计算离散激活函数。

调制阈值从一个患者到另一个患者或者从患者内的一个电极到另一个电极变化。可以执行电极的电极/组织耦接校准，以说明这些不同的调制阈值并且提供电极之间的电流的更准确的分解。例如，可以使用感知阈值来归一化电极。在患者感知到异常感觉之后RC或CP可以被配置为提示患者致动控制元件。响应于该用户输入，RC或CP可以被配置为通过存储当致动控制元件时传递的电脉冲串的调制信号强度来响应于该用户输入。其他感测到的参数或者患者感知调制值(例如恒定的异常感觉、或最大忍受异常感觉)可用于提供电极的电极/组织耦接校准。这些感测到的参数或者患者感知调制值可用于通过最小化由在电调制引线上的每个电极上的确定值(例如感知阈值)所分割的离散激活函数的平方和来估计电流分解。将离散激活函数或者来自电场的任意驱动力求平方，消除了去极化和超极化场中的差异。导致最小总和的电流分解最小化了纵向方向中的电场梯度。

图15-图19通过实例示出了用于闭环背角刺激(DHS)的神经调制方法和设备的各种实施例。DHS已用于疼痛管理。现有神经调制系统中的DHS的优化是手动执行的并且仅涉及获取单极性异常感觉阈值。DHS参数的重校准是手动地执行的并且需要来自接收DHS的患者的主观输入。本主题的各种实施例提供了主观输入如从患者可检测的各种生理响应以用作DHS参数的调整或优化中的反馈。各种实施例监视神经生理信号，神经生理信号用于量化地指示作为电神经调制的目标的生理效果的调制，如监视DHS系统中已知与疼痛关联的一个或多个信号。DHS可以通过直接调制背角(DH)中的神经网络的突触前膜和突触后膜来工作。这些网络涉及尤其来自背根(DR)并且通过多个神经纤维束突出、脊柱(DC)以及脊髓丘脑侧束的输入。信号的一些处理发生在DH中。因此各种实施例校准DHS参数，该DHS参数提供DR传入交织的DHS和刺激同时测量DC中的诱发响应。通过监视DHS导致的DC与DR之间的转移函数的调制来执行DHS参数的优化。

图15通过实例示出了用于闭环DHS的神经调制系统1510的一个实施例。系统1510包括调制设备1512和监视设备1552。在各种实施例中，系统1510可以为植入式神经调制系统520。在一个实施例中，系统1510被植入在植入式神经调制系统520中，其中调制设备1512被植入在植入式调制设备512中以及监视设备1552被植入在外部设备522中。在另一个实施例中，调制设备1512和监视设备1552中的每一个都是植入式设备，因此允许闭环DHS在整个植入式系统中自动执行。在另一个实施例中，调制设备1512和监视设备1552被集成到植入式设备中，如植入式调制设备512的实例，因此允许闭环DHS在植入式神经调制设备中自动执行。

在所示实施例中，调制设备1512包括调制输出电路1513和调制控制电路1516。调制输出电路1513传递DHS到DH。在各种实施例中，调制输出电路1513是多通道设备，其能够传递刺激到多个目标地点如下文进一步讨论的DH和DR。在各种实施例中，调制输出电路1513传递电脉冲形式的刺激(调制)。

调制控制电路1516使用多个调制参数来控制DHS脉冲的传递。调制参数的实例包括但不限于用于传递电脉冲的接触件(电极)的数量、接触件跨度的宽度、电流分布、脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲频率/脉冲间时间间隔、占空比和脉冲波形。在各种实施例中，调制控制电路1516被配置为执行神经调制算法以使用DHS进行疼痛管理。在一个实施例中，调制输出电路1513也被配置为执行测试算法以传递与背根刺激(DRS)交织的DHS，该DRS包括传递刺激到DR传入。DHS调制DR与DC之间的转移函数(即调制到DRS的DC中的轴突的响应)，以及监视该调制的效果以指示患者对DHS的响应。

在所示实施例中，调制控制电路1516包括响应输入1550和参数校正器1551。响应输入1550接收用于指示患者对于调制设备1512所传递的DHS的一个或多个响应的响应信息。在各种实施例中，响应信息包括一个或多个响应参数，每个响应参数是对DHS的一个或多个响应中的响应的量化测量。在各种实施例中，响应信息包括一个或多个响应参数，每个响应参数指示与疼痛关联的生理功能。对DHS的一个或多个响应的实例包括生理响应如神经学响应和心血管响应、物理响应和行为响应。在各种实施例中，对DHS的一个或多个响应可以包括一个或多个类型的急性响应和/或一个或多个类型的长期响应。参数校正器1551调整多个调制参数中的一个或多个调制参数以维持一个或多个响应参数中的每个参数的值在目标范围内。目标范围可以对于以下确定：(1)对一个或多个响应参数的最大正影响(最大值、最小值或者其他最佳值，取决于每个参数的性质)；(2)当患者的生理状态改变时(例如在患者姿势改变或疾病发展期间)的近似最佳疼痛缓解；和/或(3)对患者的生命质量的最大正影响(其可以通过客观测量以及患者的主观反馈来指示)。

监视设备1552监视对DHS的一个或多个响应以及产生响应信息。在各种实施例中，监视设备1552可以实现为整体植入式设备、部分植入式设备、便携式设备、患者穿戴式设备或非便携式的取决于待监视的一个或多个响应的性质以及可用的监视技术。在各种实施例中，监视设备1552可以包括一个或多个组件，其是整体植入式的、部分植入式的、便携式设备、患者穿戴式设备和/或非便携式的取决于待监视的一个或多个响应的性质以及可用的监视技术。

在所示实施例中，监视设备包括一个或多个传感器1553和参数生成器1554。一个或多个传感器1553感测一个或多个信号如一个或多个神经生理信号，其指示对DHS的患者响应。参数生成器1554从感测到的一个或多个信号得出一个或多个响应参数。在各种实施例中，一个或多个传感器1553用于执行各种诊断程序，可以从该诊断程序得出一个或多个响应参数以被调制设备1512的参数校正器1551使用。该调制程序的实例包括量化感觉测试(QTS)、脑电图(EEG)、脑皮层电图(ECoG)、扩散光学成像和功能性磁共振成像(fMRI)。一个或多个响应参数的实例包括从QST获得的感觉和疼痛阈值、诱发电位的标测和/或形态学特征如幅度和延迟(刺激之后的诱发电位的发作时间)或者从EEG获得的功率谱、诱发电位的标测和/或形态学特征如幅度和延迟或从ECoG获得的功率谱、大脑血流、血液动力和从扩散光学成像获得的新陈代谢、以及从fMRI获得的用于指示大脑活动的大脑中血流测量。在一个实施例中，一个或多个传感器1553感测一个或多个神经生理学信号，包括当调制设备1512传递DHS到将DR与DRS交织的DH时感测到的、DC中的轴突中的局部场电位(LFP)。一个或多个响应参数的实例包括用于表示LFP的形态学的一个或多个参数如LFP的延迟(刺激之后的诱发电位的发作时间)、幅度、(特征电位的)宽度和持续时间(特征电位的出现的时间范围)。在一个实施例中，一个或多个传感器1553感测一个或多个神经生理学信号，包括当调制设备1512传递DHS到将DR与DRS交织的DH时感测到的、DC中的轴突中的诱发复合动作电位(eCAP)。一个或多个响应参数的实例包括用于指示eCAP的形态学的一个或多个参数如LFP的延迟、幅度、宽度和持续时间。

在各种实施例中，监视设备1552经由通信链路1555可通信地耦接到调制设备1512，以闭合系统1510中用于DHS的反馈控制的环路。在各种实施例中，通信链路1555可以包括在监视设备1552与调制设备1512之间直接的有线或无线链路以允许DHS的自动反馈控制。在各种其他实施例中，通信链路1555可以包括用于允许DHS的自动或半自动反馈控制的接口，这取决于接口的操作是否需要或者允许用户干预，如下文参考图16进一步讨论的。

图16通过实例示出了用于闭环DHS的神经刺激系统1610的一个实施例。系统1610包括具有通信链路1555的系统1510，通信链路1555包括编程接口1656。在各种实施例中，编程接口1656将由监视设备1552生成的一个或多个响应参数转换成用于调制设备1512的一个或多个编程信号，当该转换由于被监视的响应的属性以及可用于例如处理被监视的响应而必要时。在各种实施例中，编程接口1656可以被实现在医生的编程器(CP)628和/或远程控制器(RC)627中。医生可以例如使用CP 628来闭合环路和/或发起由参数校正器1551执行的校准过程，例如当医生检查来自诊断程序的结果以及从该结果得出一个或多个响应参数时。患者可以使用RC 627来闭合环路和/或发起由参数校正器1551执行的校准过程，例如当医生接收到来自监视设备的警报或其他信号以及被允许基于DHS应用的当前或最近经验来决定是否希望校准过程时。在各种其他实施例中，编程接口1656闭合反馈控制环路，这可以包括参数转换，无需来自用户如医生或患者的干预，并且因此允许系统1610中的DHS的自动反馈控制。

图17通过实例示出了用于闭环DHS的一个方法的一个实施例。在一个实施例中，系统1510或系统1610用于执行图17中所示的方法。

在1760，DHS被传递到DH。在一个实施例中，从植入式设备传递DHS。在1761，通过使用多个调制参数来执行进行疼痛管理的神经调制算法来控制DHS的传递。在一个实施例中，神经调制算法用于传递亚感知DHS以治疗疼痛而不导致异常感觉。亚感知DHS选择性地跳过DC刺激DH。在1762，接收到用于指示对DHS的一个或多个响应的响应信息。在1763，使用响应信息来调整多个调制参数中的一个或多个调制参数。

在各种其他实施例中，取决于是否需要或允许用户干预，可以自动或半自动地执行如图17中所示的方法。例如，当响应信息变得可用时，取决于可用的技术或用户偏好，可能有必要或希望允许用户如医生或患者决定是否和/或如何调整一个或多个调制参数。

图18通过实例示出了用于优化DHS的一个方法的一个实施例。在一个实施例中，系统1510或系统1610用于执行图18中所示的方法。

在1865，DHS被传递到DH。在一个实施例中，从植入式设备传递DHS。在1866，通过使用多个调制参数执行进行疼痛管理的神经调制算法来控制DHS的传递。在一个实施例中，神经调制算法用于传递亚感知DHS以治疗疼痛而不导致异常感觉。亚感知DHS选择性地跳过DC刺激DH。

在1867，感测一个或多个神经生理学信号。一个或多个神经生理学信号用于指示对DHS的一个或多个响应。神经生理学信号的实例包括但不限于当执行量化感觉测试、EEG、ECoG、扩散光学成像和fMRI时感测到的那些神经生理学信号。

在1868，从一个或多个神经生理学信号得出一个或多个响应参数。一个或多个响应参数中的每一个是对DHS的一个或多个响应中的响应的量化测量。在一个实施例中，一个或多个响应参数中的每一个指示与疼痛关联的生理功能。

在1869，将一个或多个响应参数与目标范围比较。如果一个或多个响应参数处在该目标范围内，则继续使用多个调制参数来在1688处控制DHS的传递而无需调整。如果一个或多个响应参数落在该目标范围之外，则在1870处调整了多个调制参数中的一个或多个调制参数之后它们才继续用于在1688处控制DHS的传递。在各种实施例中，调整多个调制参数中的一个或多个调制参数以维持一个或多个响应参数中的每个参数的值处在其目标范围内。

在各种其他实施例中，取决于是否需要或允许用户干预，可以自动或半自动地执行如图18中所示的方法。例如当作为诊断程序如量化感觉测试、EEG、ECoG、扩散光学成像和fMRI的一部分感测到神经生理学信号时，可能需要医生的干预来完成该程序和/或得出一个或多个响应参数。

图19通过实例示出了用于优化DHS的另一个方法的一个实施例。在一个实施例中，系统1510或系统1610用于执行图19中所示的方法。

在1972，DHS被传递到DH以及DRS被传递到DR。在一个实施例中，从植入式设备传递DHS。在1973，通过执行测试神经调制算法来控制DHS的传递，该测试神经调制算法使用与DRS交织的DHS的多个调制参数。

在1974，在与DRS交织的DHS的传递期间，在由DHS调制的DC中的轴突中感测对DRS的响应。响应的实例包括从DC感测的局部场电位(LFP)和诱发复合动作电位(eCAP)。

在1975，从对DRS的感测响应得出一个或多个响应参数。一个或多个响应参数中的每一个是DHS导致的DC与DR之间的转移函数的调制的量化测量。

在1976，将一个或多个响应参数与目标范围比较。如果一个或多个响应参数处在该目标范围内，则继续使用多个调制参数来在1973处控制DHS的传递而无需调整。如果一个或多个响应参数落在该目标范围之外，则在1977处调整了多个调制参数中的一个或多个调制参数之后它们才继续用于在测试神经调制算法的执行中。在各种实施例中，调整多个调制参数中的一个或多个调制参数直到一个或多个响应参数中的每个参数的值处在其目标范围内为止。

在各种其他实施例中，取决于是否需要或允许用户干预，可以自动或半自动地执行如图19中所示的方法。例如，当一个或多个响应参数落在目标范围之外时，取决于用户偏好，可以基于患者自己的观察，通知和允许患者决定是否希望对一个或多个调制参数的调整。

要理解上文的详细描述意图用于说明而不限制。在阅读和理解了以上描述之后，其他实施方式将对于本领域熟练技术人员显而易见。因此，本发明的范围是通过参考所附权利要求以及该权利要求所赋予的等效物的完整范围来确定的。