用于植入式电针灸设备的电极配置的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开描述了对在使用和操作小、薄、硬币大小的植入式电针灸（EA)设备时所采 用的电极的改进。更具体地，本公开涉及用于在植入式EA设备的壳体上配置电极的优选方 案。
【背景技术】
[0002] 应当注意到，在东方文明（主要在中国，但也在其他亚洲国家中）已经对传统针灸 和针压法进行了至少2500年的实践。今天仍然在世界的许多地方得到实践，包括美国和欧 洲。
[0003] 针灸是通过在选择的点将针插入身体中并且操纵针来处置患者的备选医学。针灸 针被插入的位置被称为"针灸点"或简单地仅称为"穴位"。在针灸的几千年的实践中已经 发展了人体中的穴位的位置，并且示出人体中的穴位的位置的图在针灸书中或网上是容易 可用的。
[0004] 示出遍及人体的穴位的位置的极好的参考书是由世界卫生组织（WHO)出版的WHO STANDARD ACUPUNCTURE POINT LOCATIONS IN THE WESTERN PACIFIC REGION(Western Pacific Region，2008 年（2009 年更新并重印），ISBN 9789290612487)(下文中称为 "WHO Standard Acupuncture Point Locations 2008"）。通过引用将该参考，即 WHO Standard Acupuncture Point Locations 2008 并入本文。
[0005] 在经典针灸处置中，一旦在（一个或多个）期望的穴位位置处将针插入，典型地在 短的处置时间（例如30分钟或更少）期间对针进行机械调制。接着将针移除，直到在例如 1-4周（或更长）之后患者对针灸医生下次访问时重复该过程。经过若干次访问后，有效地 处置患者的状况或疾病，为患者提供所需要的缓解和经改善的健康。
[0006] 在电针灸（EA)处置中，如在经典针灸处置中那样，在指定的穴位处将针插入，但 是一旦插入后针接着被连接到电射频（RF)能量的外部源，并且接着通过在（一个或多个） 穴位处的针将具有指定频率和强度水平的电刺激信号施加到患者的身体，由此也向患者提 供他或她的状况或疾病所需要和期望的处置的措施。
[0007] 尽管关于在（一个或多个）选择的穴位处将针插入到身体组织中来实现其有益结 果的精确机制仍可能存在一些争议，在（一个或多个）穴位处对神经纤维的成功激活（不 论是通过机械调制还是电调制）被多数人认为是有效的针灸处置所必须的关键元素。例如 见"Longhurst， Defining Meridians ：A Modern Basis of Understanding" （J Acupunct Meridian Stud 2010 ;3 (2) :67-74)〇
[0008] Whitehurst等人的美国专利6735475公开了对被称为"微刺激器"的植入式微型 神经刺激器的使用，所述植入式微型神经刺激器能够被植入到期望的组织位置中并且被用 作针对头疼和/或面部疼痛的治疗。微刺激器具有管状形状，在每端处具有电极。
[0009] Whitehurst等人的其他专利教授了对该小的微刺激器的使用，所述微刺激器 被放置在其他身体组织位置中以用于对各种状况、异常和疾病的处置。例如见US专利 6950707 (肥胖和饮食异常）；US专利7003352 (通过脑刺激治疗癫痫）；US专利7013177 (通 过脑刺激治疗疼痛）；US专利7155279 (通过利用电刺激和药物两者的迷走神经的刺激治疗 移动异常）；US专利7292890 (迷走神经刺激）；US专利7203548 (海绵体神经刺激）；US专利 7440806 (通过脑刺激治疗糖尿病）；US专利7610100 (骨关节炎）；以及US专利7657316 (通 过刺激脑的运动皮质治疗头疼）。Whitehurst等人的微刺激器专利需要在身体外面的线圈 中的电子器件和电池（来为被植入在身体内的微刺激器里面的电子器件供电）或者需要在 外面的、实现对微刺激器里面的可充电电池的充电的充电线圈。对外部线圈、复杂电子器件 和微刺激器的管状形状的使用限制了 Whitehurst专利中描述的所有微刺激器设备和应用 的商业可行性。
[0010] 使用电子设备（包括外部EA设备）来刺激外周神经和其他身体位置以处置各种 疾病的技术是本领域中已知的。例如见US专利4535784 ;US专利4566064 ;US专利5195517 ; US 专利 5250068 ;US 专利 5251637 ;US 专利 5891181 ;US 专利 6393324 ;US 专利 6006134 ;US 专利7171266 ;以及US专利7171266。然而，这些专利中所公开的方法和设备典型地采用以 下项：（i)具有长导线的大的植入式刺激器，所述长导线必须在延伸的距离上穿过组织或 血管以到达期望的刺激位点；（ii)外部设备，其必须经由经皮导线或经过皮肤的线而与植 入的电极接合，或（iii)低效且能电的无线传输方案。这样的设备和方法侵入性太大，和/ 或所提供的处置是无效的。
【附图说明】
[0011] 附图图示了本文中所描述的原理的各个实施例，并且是说明书的部分。图示的实 施例仅仅是范例，并且不对本公开的范围做出限制。在全部附图中，相同的参考数字指示相 似但不必相同的元件。
[0012] 图1是人类皮肤组织的三维简图，包括在皮肤的外层下面的皮下组织区域。
[0013] 图2示出了代表性的最优电极对的第一实施例，阴极和阳极都被放置在硬币大小 的刺激器壳体上。
[0014] 图3示出了与图2的硬币大小的刺激器一起使用的阴极电极和阳极电极的顶（或 底）视图。
[0015] 图3A示出了与图3A的刺激器一起使用的阴极电极和阳极电极的侧视图。
[0016] 图4示出了被放置在硬币大小的刺激器壳体上的最优电极对的第二实施例。
[0017] 图5图示了实现与左侧示出的单个电极表面区域或与右侧示出的多个较小的电 极表面区域的阵列的期望电极接触表面区域的两种方式。
[0018] 图6示出了被用于使具有变化的幅度的刺激电流保持聚焦在期望的目标穴位上 的同心环阴极电极。
[0019] 图7在图形上和功能上图示了可以如何对与圆盘形刺激器一起使用的阴极电极 和阳极电极进行分割或划分，并且如何利用阴极和阳极切换电子电路来操作所述阴极电极 和阳极电极，以便更好地优化电极表面区域，由此帮助更好地控制流过电极的电流密度，从 而使刺激电流更优化地穿透电极周围的身体组织。
[0020] 图8是图示了典型的单相刺激脉冲的波形时序图，示出了术语脉冲宽度、幅度和 刺激频率的意义，并且因此图示了在刺激时段期间生成的代表性刺激脉冲的时序波形图 形。
[0021] 图8A示出了多个刺激时段的时序波形图，并且因此在更压缩的时间尺度上图示 了图8的波形。
[0022] 图9是根据本文提出的教导制造的植入式电针灸设备（IEAD)的优选实现方式的 透视图。
[0023] 图10图示了示范性目标组织刺激位点（例如穴位）的位置，其中，图9的IEAD可 以被植入以用于处置具体疾病或状况。
[0024] 图11示出了在选择的目标刺激位点处被植入的IEAD的截面图，并且图示了当通 过分别被附接到IEAD壳体的底表面和周界边缘的中心电极和环形电极将电针灸（EA)脉冲 施加到组织时所创建的电场梯度线。
[0025] 图12示出了图9中图示的IEAD壳体的一个表面（在图12中被识别为"阴极侧"） 的平面图。
[0026] 图12A示出了图9中图示的IEAD壳体的侧视图。
[0027] 图13示出了图9中图示的IEAD壳体或外壳的其他侧的平面图，被指示为"皮肤 侧"。
[0028] 图13A是沿着图13的线A-A得到的图3的IEAD的截面图。
[0029] 图14是在将电子部件放入其中之前，并且在利用盖板密封之前IEAD壳体的透视 图，包括通孔销。
[0030] 图14A是图14的IEAD壳体的侧视图。
[0031] 图15是图14中示出的空IEAD壳体的平面图。
[0032] 图15A描绘了沿着图15的截面线A-A得到的图15的IEAD壳体的截面图。
[0033] 图15B示出了以线B环绕的图15A的部分的放大视图或细节。
[0034] 图15C是示出了对IEAD壳体中的多个凹腔的使用的、类似于图15的平面图，每个 凹腔具有经过其凹腔的底部的其各自的径向通孔销。
[0035] 图15D是示出了对经过单个凹腔的底部的多个径向通孔销的使用的、类似于图15 的平面图。
[0036] 图16是电子组件的透视图，包括原电池，所述电子组件适于安装在图14和图15 的空壳体的里面。
[0037] 图16A和图16B分别示出了图16所示的电子组件的平面图和侧视图。
[0038] 图17是图示其组成部分的IEAD组件的分解图。
[0039] 图18图示了在本文中所描述的类型的IEAD内使用的电子电路的功能方框图。
[0040] 图19在功能上示出了基本升压变换器电路配置，并且被用于模拟电池的阻抗 RBAT如何能够影响其性能。
[0041] 图19A图示了当电池阻抗RBAT小时，图19的电路的典型电压和电流波形。
[0042] 图19B示出了当电池阻抗RBAT大时，图19的电路的电压和电流波形。
[0043] 图20示出了用于IEAD内的一个优选的升压变换器电路和功能脉冲生成电路配 置。
[0044]图21描绘了针对IEAD的一个优选的示意性配置，所述配置采用升压变换器电路 U1、微控制器电路U2、可编程电流源U3、传感器U4和切换电路U5，以便执行在图7、图18、图 19和图20的功能图中图示的功能。
[0045] 图22示出了描绘在由外部磁体控制时IEAD可以假设的各个状态的状态图。
【具体实施方式】
[0046] 本文所公开和要求保护的是与硬币大小且为硬币形状的皮下/植入式电针灸设 备（IEAD) -起使用的优选的电极配置和取向。（一种或多种）优选的电极配置被放置在 IEAD的壳体上，或被并入在IEAD的壳体内。
[0047] IEAD适于通过非常小的切口（例如长度小于2-3cm)而被植入皮下，与选择的针灸 位点（或其他目标神经/组织位置）直接相邻或在选择的针灸位点（或其他目标神经/组 织位置）处。这样，其电极被定位并固定在期望的目标位点处，本文中所述目标位点也可以 简单地被称为"穴位"。可以基于其缓和或积极地影响需要处置的患者的生理或健康状况的 已知历史来选择穴位。由EA设备根据指定的刺激方案在选择的穴位处以非常低的占空比 来施加刺激脉冲。该刺激方案被设计为提供针对患者的有效电针灸（EA)或电刺激器（ES) 处置。
[0048] 本文所公开的电极配置的特征在于当被放置在皮下以驻留在期望的穴位或其他 目标组织位置处或附近时，以及当被通电以引起小的电场从而从电极放射时，这样的电场 引起小的电流在目标位点周围的身体组织中流动。对于最优设计的电极，该电流依次激活 尽可能多的目标神经纤维。然后这样的神经纤维激活能够实现最大的治疗效果。为了以最 小的能量花费和最少的临床副作用最优地实现这样的期望的神经纤维激活，神经纤维的方 向性和与电极的接近度是在电极设计中必须考虑的因素。
[0049] 整装的硬币大小的植入式刺激器在指定目标组织位点（例如一个或多个穴位）处 或附近被植入在患者中，以便有利地处置患者的状况或疾病。IEAD有利地通过电极根据指 定的刺激方案以非常低的占空比来施加电刺激脉冲，所述电极最常形成刺激器的壳体的整 体部分。在一些实施例中，这样的电极可以通过非常短的导线被紧密地耦合到IEAD的壳 体。为了完全地整装，IEAD并入了小的、薄的原电池（例如商业可用的钮扣电池）作为其唯 一的电源。也被容纳在IEAD壳体内的特殊的电子电路管理IEAD的操作，使得其能够在若干 年的时期上执行其指定的刺激方案。因此，一旦被植入，IEAD提供无非强迫性、无针、持久、 精炼且有效的机制，以用于处置至今为止仅能通过针灸或外部施加的电针灸处置的某些状 况和疾病。
[0050] 在很大程度上，IEAD通过被附接到IEAD的壳体，由IEAD的壳体承载或以其他形 式作为IEAD的壳体的部分的电极来施加其低水平刺激的能力依赖于这样的电极能够多好 地将所施加的刺激引导并聚焦到（一个或多个）感兴趣目标组织位置并且引导并聚焦到与 这样的目标位置相关联的组织和神经。本公开设计完成该目的的技术和方案。
[0051] 图1中图示了神经纤维的方向性，其示出了人体的皮肤组织100的三维简图。皮 肤组织100包括皮肤的外层或表皮104和真皮106。表皮104的顶表面102包括可见并暴 露于人体周围的环境的皮肤层。许多表皮包括角蛋白浸渍的死细胞。真皮106是位于表皮 之下的活组织的厚层。真皮主要由疏松结缔组织和平滑肌纤维组成，在所述疏松结缔组织 内的是毛细血管、淋巴管、感觉神经末梢、汗腺和毛管、毛囊、皮脂腺。出于本公开的目的，术 语"皮下地"广泛地指"在皮肤下面的"任何东西，在本公开的背景中其最常意指在真皮106 以下。因此，皮下组织是疏松结缔组织，位于真皮106下的脂肪。
[0052] 仍然参考图1，看出单独的神经纤维的组108常常聚集在一起形成神经纤维束 110。神经纤维束110被定位在真皮106下面，并且一般平行于皮肤的表面102行进。一些 单独的神经纤维108在靠近其各自的远端处在朝向皮肤表面的方向上远离束110延伸，或 延伸到一些其他目的地。因此，这些神经在其各自的远端处或附近总体上正交于皮肤的表 面行进。
[0053] 因此，如图1中图示的，神经纤维束110的方向性平行于皮肤的表面102，而单独的 神经纤维108的方向性也主要平行于皮肤的表面，一些单独的神经纤维的相对短的部分总 体上正交于皮肤的表面102。
[0054] 阴极刺激优选地激活相切或平行于电极面行进的神经纤维。这与阳极刺激相反， 所述阳极刺激优选地激活径向或垂直于电极表面的面行进的神经纤维。如以上指示的，去 到皮肤表面102或附近的单独的神经纤维108在向上弯曲到真皮106中之前总体上平行且 在皮下空间109之上行进。类似地，在皮下空间109中的神经纤维108在更深入地弯曲到 组织的更深的层之前平行于该空间109行进。
[0055] 因此，作为针对被放置在皮下的植入式设备（例如本文中所描述的小的硬币大小 的IEAD)的电极设计的第一方面，看出阴极电极表面和阳极电极表面需要被最优地配置和 放置。对于小的、薄的、硬币大小的植入式设备，这些电极表面被优选形成在设备的壳体上， 或被形成为设备的壳体的整体部分。在使用最常见于大多数植入式组织刺激设备的阴极刺 激的情况下，以及在电极的配置将要被优化以在指定目标或穴位处或附近激活尽可能多的 神经的情况下，使阴极电极被定位为最靠近设备以上的皮肤层并且最靠近设备以下的组织 层是有益的。远离这些阴极覆盖表面的神经的任何弯曲进一步减少了电力激活它们所需要 的阈值电流。因此，对阳极的暴露应当被限于设备的边缘，在所述边缘处神经纤维被定向为 主要垂直于电极表面。
[0056] 电极设计的第二方面是相对于电极的大小对神经纤维的接近度。值得注意的是， 在阴极和阳极两种情况下激活都取决于所施加的电场电势沿神经纤维的轴的二阶空间导 数的量级。例如，来自连续平板电极的均匀电场产生在所有方向上都为零并且理论上不管 所施加的电流如何都不会激活神经纤维的电压的二阶空间导数。因此在这方面理想的电极 将是点源，这是因为当神经纤维接近电极表面时这使场电势的二阶空间导数最大化。
[0057] 在数学上，对于在具有电导率P的均匀体积导体中的半径为R的球形电极接触， 这能够相对容易地看出。针对在电极的表面的电流I的场电势V为：
[0058]
[0059] 垂直于表面的电压的二阶空间导数是：
[0060]
[0061] 公式（2)是针对径向或垂直于电极的表面（被定义为r方向）对齐的神经的激活 函数。对于具有较小半径的电极的电极表面附近的神经纤维，清楚地具有大得多的激活函 数量级。与表面相切的电压的二阶空间导数是：
[0062]
[0063] 公式（3)是针对相切或平行于电极的表面（被定义为x方向）对齐的神经的激活 函数。符号为负意味着对于阴极或负的电流I激活函数为正。这反映出平行于电极行进的 神经是如何通过阴极刺激而被最优地去极化的。对于在具有较小半径的电极的表面处的神 经纤维，也清楚地具有大得多的激活函数量级。
[0064] 理论上，在电激活组织中较小的电极接触总是更有效的。这甚至适于非球面电极 接触。然而实际上，电极的最小大小受能够被安全地注入的最大电流密度、以及刺激器驱动 电流通过较小的电极以及由此的较高的阻抗的可用恒流电压的限制。
[0065] 然后回到针对被放置在期望的目标位置处的电刺激设备的最优电极配置，看出最 优电极配置采取这样的形式，其中：（i)小的阴极被分布在设备的平行于皮肤的上表面和 下表面上，以及（ii)小的阳极被分布在垂直于皮肤的设备的边缘上。图2中示出了该最优 电极配置，其中，阴极电极210a被形成在硬币大小的设备壳体200的顶表面和/或底表面 上（注意到在图2中壳体的底部不可见），而阳极电极220被形成为围绕壳体200的边缘或 周界的薄环形电极。
[0066] 如果阳极与阴极之间的距离太近，则可能发生电流分流。电流分流仅在阴极的较 大表面面积必定使得阴极的边缘更靠近阳极环的情况下才适用于表面面积。因此，在优化 电极配置中，电极的大小必须被考虑为在使用期望的电流密度时防止对电极材料的损害 (如果电极面积太小，则易于发生），并且被考虑为在阴极的边缘太靠近阳极环时防止电流 分流（