具有用户睡眠—觉醒状态的自动检测的经皮电神经刺激器的制造方法
【专利说明】具有用户睡眠一觉醒状态的自动检测的经皮电神经刺激器
[0001] 未决在先专利申请的引用 运个专利申请： (i) 是由aiaiGozani等人针对DETECTINGCUTA肥0USELECTR孤E阳ELINGUSING ELECTR孤E-SKINIMPEDANCE于14年3月31日提交的未决在先U.S.专利申请序号 14/230, 648 (代理人档案号肥UR0-64)的部分继续申请；W及 (ii) 要求由aiaiGozani针对TRANSCUTA肥0USELECTRICAL肥RVESTIMULATORmH AUTOMATICDETECTIONOFPATIENTSLEEP-WAKESTATE于 2013 年 4 月 15 日提交的未决在 先美国临时专利申请序号61/811，864 (代理人档案号肥111?0-65?1?0￥)的权益。
[0002] 两（2)个上述专利申请在此被通过引用结合到本文中。
技术领域
[0003] 本发明一般地设及一种经皮电神经刺激（TENS)设备，其经由电极跨用户的完好皮 肤输送电流，从而提供疼痛的症状减轻，并且更特别地设及检测用户的睡眠一觉醒状态W 便增强该设备在夜晚的疼痛缓解益处。
【背景技术】
[0004] 经皮电神经刺激（TENS)设备向人体的特定区域施加电流W便抑制疼痛。TENS的 最常见形式称为常规TENS。在常规TENS设备中，电路产生具有指定特性的刺激电流脉冲。 脉冲波形规格包括强度（mA)、持续时间（μsec)和形状(通常是单相的或双相的)。脉冲模 式（pattern)规格包括刺激脉冲的频率（Hz)和每个连续刺激期（session)的长度(分钟）。
[0005] 电刺激通常被通过电极输送给用户，其中该电刺激采取通常在约10和200化之间 的频率下的低强度(通常小于100mA)、短持续时间(通常50-400μsec)脉冲的形式。电极 在疼痛区域内、邻近于或接近于疼痛区域被放置在用户的皮肤上。电极通常利用水凝胶来 产生稳定的低阻抗电极一皮肤接口W促进电流到用户的输送，从而刺激周边感觉神经，由 此抑制疼痛。
[0006] 睡眠质量差是遭受长期疼痛的病人中的主要发病原因之一 [Fis化ainDA、 HallJ、MeyersAL、GonzalesJ、MallinckrodtC在JPainSymptomManage.Dec 2008; 36 (6) :639-647 中的Doespainmediatethepaininte;rferencewithsle巧 probleminchronicpain?Findingsfromstudiesformanagementofdiabetic peri地eralneuropathicpainwithduloxetine.]。因此期望病人具有在睡眠期间接收 TENS治疗的选项。事实上，多个研究已经示出了TENS治疗可W改善睡眠质量(参见例如 BarbarisiM、PaceMC、PassavantiMB等人在ClinJPain.S巧 2010;26(7) :567-572 中 的Preg曰b曰linandtranscutaneouselectricalnervestimulationforpostherpetic neuralgiatreatment)。
[0007] 用于传统TENS使用的显著安全关注是针对"电极剥落"的潜在可能（即，在TENS 设备的电极非故意地从用户的皮肤分离的情况下)。此类电极剥落可W由于电极一皮肤接 触面积的减小而导致电流密度和功率密度增加。增加的电流密度和功率密度可w导致痛 苦的刺激W及极端地热灼伤。美国食品和药物管理局（抑A)已经公布关于TENS设备的方 针草案，其由于非故意电极剥落的风险而要求针对在睡眠期间使用常规TENS设备的警告 [FoodandDrugAdministration,DraftGuidanceforIndustryandStaff:ClassII SpecialControlsGuidanceDocument:TranscutaneousElectricalNerveStimulator 化rPainReliefApril5，2010]。因此，大多数TENS设备被设计成独有地在白天期间 巧P，在觉醒状态期间）操作而没有任何夜晚巧P，睡眠状态）操作。
[0008] 在由aiaiGozani等人针对DETECTINGCUTA肥0USELECTR孤E阳ELINGUSING ELECTR孤E-SKINIMPEDANCE于14年3月13日提交的未决在先美国专利申请序号 14/230, 648 (代理人档案号肥UR0-64)中，公开了本发明，其允许在夜晚期间（即，在睡眠状 态期间）W及在白天（即，觉醒状态）期间施加TENS治疗。根据上述发明，TENS设备适于在 TENS治疗期间连续地测量电极一皮肤阻抗W用于监视电极一皮肤接触区域。预先配置电极 阵列的已知几何结构建立初始电极一皮肤接触区域，并且后续电极一皮肤阻抗变化的分析 允许准确地估计电极一皮肤接触区域（即，检测电极剥落的发生)。当阻抗达到对应于可导 致过度刺激电流密度或功率密度的减小接触区域（即，电极剥落的发生）的临界值时，设备 自动地终止刺激W便避免痛苦刺激和极端地热灼伤的风险。
[0009] 为了实现最大的疼痛缓解，电刺激需要处于足够的强度水平[MoranF、Leonard Τ、HawthorneS等人在JPain. 12:929-935 中的Hypoalgesiainresponseto transcutaneouselectricalnervestimulation(TENS)dependsonstimulation intensity]。最佳TENS治疗强度水平常常被描述为从用户唤起"强烈但舒适"感觉的强度 水平。然而，被修整（trim)用于白天（即，觉醒状态）使用的刺激强度水平可能对夜晚（即， 睡眠状态）使用太强，因为适合于觉醒状态的刺激强度水平可干扰睡眠。
[0010] TENS设备的另一常见特征是其"按需"疼痛缓解操作。疼痛缓解TENS治疗期通常 在用户诸如通过在TENS设备上按下按钮而W规定方式与设备相交互时立即开始。每个治 疗期通常持续约60分钟。虽然按需治疗给予用户对每个TENS治疗期的定时的完全控制， 但按需治疗并不非常适合于夜晚（即，睡眠状态）使用，因为其要求由用户进行的与TENS设 备的故意且规则的交互。
[0011] 由于运些原因，提供用W检测用户的睡眠一觉醒状态、使得TENS设备可W根据用 户的白天（即，觉醒状态）或夜晚（即，睡眠状态）需要而自动地改变其操作的自动化装置将 是有利的。除在白天期间输送有效疼痛治疗之外，如果TENS设备可W在夜晚（即，睡眠状 态）期间调整其治疗刺激参数(诸如刺激强度水平）从而避免干扰睡眠则其将是有利的。因 此，为了在不打断睡眠的情况下增强其用于疼痛缓解的在夜晚（即，在睡眠状态期间）的实 用性，TENS设备应监视用户的睡眠状态和睡眠质量并相应地修改其操作(例如，调整其刺激 强度水平)。
[0012] 在确定受试者的睡眠一觉醒状态中的黄金标准是包括至少Ξ个不同数据类型 (即，邸G、E0G和EMG)的多导睡眠图。由于记录和分析运些数据类型的困难，在过去的30 年内已经开发并改进了体动记录仪（actigra地y)作为用W研究睡眠/觉醒模式的实际 替换。[Ancoli-IsraelS、ColeR、AlessiC、QiambersM、MoorcroftW、PoliakCP.The roleof曰ctigr曰phyinthestudyofsleep曰ndcirc曰di曰nrhythms.Sleep.M曰y1 2003;26(3) :342-392]。体动记录仪是借助于通常通过使用加速度计来检测身体移动的身 体穿戴设备进行的身体移动的连续记录。
[0013] 显著的是，本发明将基于体动记录仪的睡眠一觉醒分类方法与常规TENS设备功 能组合W便提供用于在不干扰TENS用户的睡眠的情况下增强TENS治疗在夜晚（即，在睡眠 状态期间）的疼痛缓解实用性的新型方法和装置。
【发明内容】
[0014] 本发明包括提供和使用一种新型TENS设备，其包括被设计成被放置在病人的上 小腿(或其它解剖位置）上的TENS刺激器和被设计成在上小腿(或其它解剖位置）的区域中 提供圆周刺激的预先配置电极阵列。结合在TENS设备中的加速度计连续地监视用户的身 体取向和移动W便确定用户的睡眠一觉醒状态。本发明的关键特征是TENS设备适于基于 用户的睡眠一觉醒状态来调整其刺激参数，其由身体取向和移动的上述分析确定。如果用 户的身体取向被确定为对于所选时间段(例如，判定窗口）的所选部分(例如，大部分）而言 是斜躺着的，则用户被认为是"在床上"。基于体动记录仪的概念，使用用户身体移动的度量 来将用户的活动水平量化。如果用户"在床上"且如果用户的活动水平（即，身体移动）在所 选时间段内保持低的，则用户被认为是在熟睡。"在床上"状态、低活动水平W及睡眠状态可 W被TENS设备单独地或共同地用来调整刺激器输出，诸如刺激脉冲波形参数。
[0015] 在本发明的一个优选形式中，提供了用于用户中的经皮电神经刺激的装置，该装 置包括： 外壳； 刺激装置，其用于对至少一个神经进行电刺激； 电极，其被可释放地安装到外壳且可连接到刺激装置W用于所述至少一个神经的电刺 激； 监视装置，其用于监视用户的身体取向和移动； 分析装置，其用于分析所述取向和移动；W及 控制装置，其用于响应于所述取向和移动的所述分析来控制刺激装置的输出。
[0016] 在本发明的另一优选形式中，提供了一种用于基于用户的身体取向和移动状态来 控制经皮电神经刺激的方法，该方法包括步骤： 对用户的身体应用经皮电神经刺激设备W产生设备与用户的身体之间的紧密机械禪 合； 从被安装到刺激设备的加速度计获取数据，该加速度计测量用户的身体取向和移动； 分析加速度计数据W确定用户的身体取向和移动； 确定用户的身体取向和身体移动状态；W及 基于用户的身体取向和身体移动状态来修改刺激输出模式。
[0017] 在本发明的另一优选形式中，提供了用于用户中的经皮电神经刺激的装置，所述 装置包括： 外壳； 外壳内的刺激装置，其用于对神经进行电刺激； 外壳内的监视装置，其用于测量所述用户的取向和活动水平； 控制装置，其用于控制当所述监视装置确定用户身体取向和活动水平满足至少一个预 定条件时提供给用户皮肤的电刺激。
[0018] 在本发明的另一优选形式中，提供了用于向用户施加经皮电神经刺激的方法，所 述方法包括： 向用户的身体施加刺激装置和加速度计传感器； 向用户输送刺激电流W刺激一个或多个神经； 分析加速度计传感器数据W评定用户的身体取向和移动水平；W及 基于用户身体的取向和移动水平来修改刺激输出。
【附图说明】
[0019] 通过将与附图一起考虑的本发明的优选实施例的W下详细描述，将更全面地公开 本发明的运些及其它目的和特征或者使得其显而易见，在所述附图中相似的数字指的是相 似部分，并且进一步地在所述附图中： 图1是示出了根据本发明形成的新型TENS设备的示意图，该新型TENS设备被安装到 用户的上小腿； 图2是更详细地示出图1的新型TENS设备的示意图； 图2A是图1和2中所示的新型TENS设备的示意图； 图2B是图1和2的新型TENS设备的示意图，包括其用户活动检测器； 图3是示出了图1和2中所示的新型TENS设备的皮肤上检测系统的示意图W及当新 型TENS设备在用户的皮肤上W及离开用户的皮肤时的其等效电路； 图4是示出了当图1的新型TENS设备被安装到用户的上小腿时的被结合在图1和2 的新型TENS设备中的加速度计的取向的示意图； 图5是示出了新型TENS设备（设置在用户的腿上）相对于水平面W-定角度静止时的 新型TENS设备中的加速度计的y轴加速度矢量与重力加速度之间的关系的示意图； 图6是示出了在穿戴新型TENS设备的用户的各种身体位置和移动模式的情况下的全 部Ξ个轴上的加速度计测量和用于Ξ分钟时段的计算瞬时加速度值的示意图；