用于探测脑中的异常神经电活动的装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2010年1月26日、名称为"用于探测异常神经电活动的方法和 装置"的第201080008430. 8号发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本文描述的实施方案涉及用于探测和治疗表现为异常神经电活动（aberrant neural-electric activity)的神经学事件或状况的装置、系统和方法。更具体地，本文描 述的实施方案涉及用于探测和治疗癫痫（印ilepsy)的电极装置和方法。
【背景技术】
[0003] 存在很多种表现为脑中的异常神经电活动的神经学事件和状况，包括癫痫、偏头 痛，以及甚至是某些形式的抑郁症。癫痫是一种表现为导致短暂的意识障碍或意识丧失、 异常的运动神经现象、精神或感官上的扰乱、或自律神经系统的紊乱的，周期性发生的无诱 因突然发作的疾病。它是由脑中的神经元的异常放电（firing)--一种已知的致癫痫状 况--引起的。这些异常的放电或释放电（electrical discharge)可能始于少量的神经 元集群（neuronal population)(它们被称为致痫灶，该状况被限定为病灶性癫痫）或始于 脑中的更大片的区域（该状况被定义为一般性癫痫）。通常，在出现完全发作之前，可能会 存在一个异常的神经元放电时段。该时段被称为发作前状态，它可能包括一个或多个异常 的放电事件，也即发作前事件。
[0004] 无论是什么原因，该疾病对人力和财力的影响都是很大的。目前，在美国，癫痫患 病人数约为3百万，而全世界约为5000万，其中仅美国每年就诊断出200, 000个新病例。美 国人口的10%在其一生中将遭受一次癫痫发作。由于癫痫突然发作的破坏性，该疾病将妨 碍病人进行很多常规的活动，其中包括驾车或操作机器。很多州对那些诊断为患有癫痫的 人实施了驾驶限制。对于这些病人中的一部分人，该疾病是如此的严重以至于他们基本是 残疾的。该疾病所导致的直接或间接经济损失估计为每年125亿美元。
[0005] 尽管存在很多可获得的药物疗法，但是这些疗法具有很多副作用，其中包括细胞 增生、口齿不清以及记忆力减退。这些疗法还要求对治疗剂量进行精确控制，以避免因剂量 太低而出现癫痫发作或因剂量太高而导致出现副作用。还估计至少20-30%的癫痫病人不 能通过目前能获得的药物疗法得到有效的治疗。在带有部分性癫痫发作的医药难治性癫痫 的病人群体中，已知反癫性发作的药物不能很好地对该癫性发作起作用。对于这些和其他 病人而言，唯一的选择是激进的脑外科手术，而该脑外科手术带有非常大的致残率死亡率 问题并且在很多病例中还作为禁忌。尽管在使用脑的电刺激、尤其是深脑的电刺激作为治 疗这些疾病的方式上做了很多尝试，但这些方法限于使用连续的刺激，也没有使用探测装 置来根据病人脑活动的变化来对刺激进行调节或改变。而且，连续的深脑刺激还具有很多 缺陷。为了达到效果，所述治疗可能要求刺激经常是癫痫性发作的起源或病灶的新皮层。然 而，在该区域的连续的或者频繁的刺激可能导致各种神经学上的症状，其中包括口齿不清、 感官上的障碍、被动的情绪记忆力减退和抑郁症。而且，病灶可能源于脑中的很多区域，而 不只是新皮层，例如，其中包括大脑皮层、初级运动皮层、运动前皮层海马状突起等。因此， 仅仅刺激新皮层可能不是很有效。
[0006] 尽管已经用过多种方法借助于脑电图测量（EEG)来定位致痫灶，但是这些方法非 常依赖于同样具有很多缺陷的表面电极。这些缺陷包括，当存在两个或更多个可能互相抵 偿（由于信号的偶极性质）的病灶或封闭的场病灶（closed field foci)(由于病灶位于 一片非平行的组织中）时，若形成癫痫的病灶位于深脑组织中，则信号非常弱。关于表面电 极的其他缺陷还包括，位于病灶上面的各种组织层（如，脑膜、骨头、皮肤等）倾向于在更大 的头皮层上传播信号，使得定位变得困难，以及，由病灶产生的偶极可能取向为平行于或倾 斜于电极这一事实导致信号的相位反转以及信号的错误定位。对于植入的电极而言，也会 出现很多同样的问题一一包括定位的困难和相位反转。这些问题会导致更难以探测引发发 作的发作前事件，因为在发作前事件期间的异常的神经电活动的大小和持续时间相对于真 正的发作而言可能是较小的。
[0007] 因此，需要一些用于探测发作或发作前事件/状态的设备和方法，以便给予精确 的治疗（如药物或刺激），以防止发作和/或最小化发作的影响。而且，由于癫痫性发作的 病灶可能源于脑的很多个区域中，因此需要一些能够探测癫痫性事件发作的设备和方法， 而无论该病灶位于何处。
【发明内容】
[0008] 本文描述的实施方案提供了一种利用被植入的电极来探测表征为异常神经电活 动的癫痫和其他状况的系统装置和方法。很多实施方案提供了一种利用被植入设备来探测 癫痫的装置和方法，该被植入设备具有彼此垂直取向的电极构件，该电极构件被配置为能 够探测和定位脑中的异常神经电活动的方向。具体的实施方案可以探测由异常神经电活动 的病灶或其他起因所产生的电场矢量，以及利用这信息来探测癫痫性发作的开始或探测预 示着癫痫性发作的开始的事件。
[0009] -个实施方案提供了用于探测脑中的诸如由癫痫之类所引起的异常神经电活动 的装置，该装置包括：一个引入器，该引入器具有一个近端和一个远端、多个腔以及联接至 每个腔的端口。所述引入器被配置为通过颅骨内的一个钻孔或其他开口引入脑组织中。在 很多实施方案中，所述引入器自身可以通过一个插入颅骨的开口内的钻孔塞子（burr hole plug)或类似设备被引入。通常，所述塞子还包括一个将所述引入器锁定或固定至塞子，从 而使所述引入器一旦被插入则不再移动的锁定设备，如夹钳。所述锁定设备和夹钳可以包 含用来探测所述引入器的移动或探测所述引入器的未锁定状态的传感器。所述端口通常被 放置在引入器的远处部分，而近端被配置为被联结至电连接器。所述连接器可以被联结至 具有一个或多个信号处理电路和用于分析电极构件所接收的信号的算法的电路系统和处 理器。一个参考电极被放置在所述引入器的远处部分。三个或更多个电极构件可以被送入 至多个腔内，每个电极构件都具有一个绝缘外套，该绝缘外套沿着电极构件的一段长度延 伸并使所述电极构件的一个远处部分暴露。还考虑了具有四个、六个或九个电极的实施方 案。每个电极构件在被包含在引入器内时具有一个非展开（non deployed)状态，以及在被 送出引入器时具有一个展开状态。当电极构件处于展开状态时，它们被配置为基本彼此垂 直，尽管其他布置也同样是可预期的。这种彼此垂直的关系可以通过本身可以基本彼此垂 直的所述端口的空间布置来实现。
[0010] 通常，对所述电极的远处部分进行操作，使其在展开状态时具有弯曲形状。所述弯 曲可以包括30度、45度和60度的角度，并且可以通过使用一种或多种的形状记忆金属实现 所述弯曲。理想的是，所述电极构件具有一个被配置以使它们被送入脑组织中并维持它们 的弯曲形状以及具有以下所限定的探测体积的大小和形状的刚度。该电极构件的刚度连同 它们的弯曲形状还可以被用来，在电极构件被展开在脑组织中时，锚定或稳定该电极构件 的位置。此外，电极构件的大小和形状应使得该电极构件对它们被展开于其中的脑组织的 生理影响（例如包括不相关的身体反应）以及对脑的正常的神经电活动的影响最小化。类 似地，电极构件的导电表面区域被配置为对脑的神经电活动具有最小影响。在各实施方案 中，电极构件的被送入组织的长度的范围可以从约〇. Icm到3cm，对于优选实施方案，则是 约 0· 5cm 到 I. 5cm。
[0011] 所述电极构件的弯曲使得该电极构件的暴露的远处部分限定一个能够确定致癫 痫的或其他异常神经电活动的病灶的方向的探测体积。通常，探测体积具有四面体形状，尽 管还可以考虑其他形状。所述探测体积的形状和大小可以匹配异常神经电活动的具体位置 和特征或事先被确定的其他疾病特征（例如局部开始的发作）。
[0012] 电极构件的布置连同探测体积可以被配置为确定由异常神经电活动所产生的电 场矢量。通常，该布置关于从所述引入器伸出的三个电极是彼此垂直的，以便限定一个三维 笛卡尔坐标系，而参考电极位于所述引入器的远端或其他位置，以使得该参考电极处于坐 标轴的原点。通过知晓暴露的电极构件的长度，可以确定所述三个轴的每一个中的电场矢 量的大小（使用矢量和三角法计算），由此使用该大小来进而确定整个电场矢量（大小和方 向）。
[0013] 在各实施方案中，所述引入器可以包括一个偏转器，所述偏转器被配置为在电极 构件被往远处送出端口时使电极构件偏转，从而使电极构件具有弯曲形状，由此使得暴露 的远处部分限定所述探测体积。在这样的实施方案中，所述引入器仅需要一个使电极构件 送入其中并穿过的腔，其中所述偏转器被放置在所述腔的远处部分，使得该偏转器在电极 构件被送出腔时偏转该电极构件。
[0014] 本发明的各实施方案还提供了用于探测异常神经电活动（ANEA)(如在癫痫性发 作、偏头痛或其他相关的神经学事件或状况之前或期间的异常神经电活动）的方法。更具 体地，多个实施方案提供了用于探测ANEA的病灶一一包括探测这种病灶相关的方向和位 置一一的方法，同时使用该信息来预测癫痫性发作、偏头痛或其他神经学事件的开始。在 本发明的示例性方法中，本文所描述的多个彼此垂直展开的电极被用于探测和计算由ANEA 的病灶所产生的电场矢量，并使用该信息来确定病灶相对于所展开的电极的方向。信号处 理和其他算法然后可以被用于分析由ANEA的病灶所产生的所述电场矢量和神经电信号以 及波形的位置、大小和频率特征，以及预测是否正在发生或即将发生癫痫性发作或偏头痛 或其他神经学事件或状况。所述预测可以基于所探测的信号和波形与在癫痫性发作或其他 神经学事件或状况之前或期间的信号的波形特征和波形所进行的比较。一旦确定癫痫性发 作即将发生或正在发生，可以将信号发送至一个外部监控设备的报警器，以警示病人接受 适当的药物；它们也可以通过一个蜂窝电话网络被无线通信至一个医疗健康专业人员。此 外