用于避免背根刺激的部分控制的制作方法
【专利说明】用于避免背根刺激的部分控制
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年10月30提交的美国临时专利申请序列号61/897，739的优先权权益，其通过引用整体包含再此。
技术领域
[0003]本发明涉及一种组织刺激系统，并且更具体地涉及一种用于刺激脊髓组织的系统和方法。
【背景技术】
[0004]可植入式神经刺激系统已被证明是对多种疾病和不适有疗效。心脏起搏器和可植入式心脏除颤器(ICD)已被证明对治疗一些心脏疾病(如心律失常)非常有效。脊髓刺激(SCS)系统早已被接受为用于治疗慢性疼痛综合症的治疗方式，且组织刺激的应用已开始扩展至额外的应用，如心绞痛和失禁。深部脑刺激(DBS)已被用于治疗难治性慢性疼痛综合征超过十几年，且DBS最近也被应用至额外的区域，如运动障碍和癫痫。进一步地，在最近的调查中，外周神经刺激(PNS)系统已被证明对慢性疼痛综合征和失禁的治疗具有疗效，且一些额外的应用目前也在进行调查。此外，功能性电刺激(FES)系统已被应用于恢复脊髓损伤患者的瘫痪四肢的一些功能。
[0005]这些可植入神经刺激系统的每一个典型地包括:一个或多个电极携带刺激导线，其在期望的刺激部位植入；以及神经刺激器，其从刺激部位远程植入，但耦合到刺激导线。因此，电脉冲可以从神经刺激器递送到刺激导线以刺激或激活一定体积的神经组织。特别是，在至少一个阴极电极和至少一个阳极电极之间传送的电能产生电场，当其足够强时，去极化(或“刺激”)神经元超过阈值水平，从而诱发沿神经纤维传播的动作电位(AP)的烧制。
[0006]刺激能量可以在导线放置过程中和在导线放置过程后被递送到电极，以验证该电极正在刺激目标神经元素和制定最有效的刺激方案。该方案将决定在任何特定时间哪个电极拉电流脉冲(阳极)，以及哪个电极罐电流脉冲(阴极)，以及所述电流脉冲的幅度和持续时间。刺激方案通常将是为必须刺激以提供治疗益处的所有目标组织提供刺激能量、而最小化刺激非目标组织的体积的刺激方案。在SCS的情况下，这样的治疗益处是“感觉异常”，即，由通过电极施加的电刺激影响刺痛感。
[0007]为了没有在患者体内引起不适或不自主运动的移动的情况下产生感觉异常的感觉，通常希望优先刺激背柱中的神经纤维(DC神经纤维)，其主要包括感觉神经纤维，背根中是神经纤维(DR神经纤维)，其包括感觉神经纤维和运动反射神经纤维以及与本体感受有关的那些。
[0008]虽然DC神经纤维在常规SCS中是预期的目标，但是实际上，由于几何、电、解剖和生理原因，DR神经纤维经常首先被征召。例如，DR神经纤维包括具有比最大的附近DC神经纤维直径更大的纤维，因此，具有它们被刺激所处的较低阈值。归因于DR纤维的较低阈值的其他因素包括:相比DC纤维的阈值的它们潜在优先取向，以及在DR神经纤维进入脊髓的入口处的不均匀性和周围介质的各向异性。因此，DR神经纤维仍可比附近的DC神经以外细胞刺激水平产生AP。其结果是，所期望被刺激的DC神经纤维可以具有比进行DR神经纤维更低的刺激概率，因此，本体感受纤维通常可以导致患者的不适。另外，运动反射弧可以被激活，导致不希望的运动征召。这两种情况可以防止与患者的疼痛区一致的感觉异常。
[0009]出于诸如这些原因，通常期望的是，通过以最大化DC神经纤维的激励同时最小化DR神经纤维的激励的方式来修改神经组织被激活所处的阀值，从而相比DR神经纤维优先刺激DC神经纤维;也就是说，为了增加DR/DC阈值比。这可以通过将电脉冲罐到位于脊髓的中心的阴极电极以去极化邻近阴极电极的目标组织，由此沿所述DC神经纤维创建AP来实现，而电脉冲可以被拉至在阴极电极两侧的阳极电极，以超极化邻近阳极电极的非目标组织，从而增加DR神经纤维的阈值。
[0010]在典型的例子中，为了刺激DC神经纤维，同时防止对DR神经纤维的刺激，SCS系统可以激活在内外侧电场中的单个阴极侧翼的阳极，其中单个阴极为DC纤维提供刺激能量，同时侧翼阳极增加阈值，因此，防止DR纤维的征召，如图1所示。
[0011]由于脊髓的每一侧上的多个DR神经纤维可足够靠近阴极以被无意中刺激，所以在阴极的各侧上的多个阳极可以激活以便防止刺激这些DR神经纤维。例如，在一种方法中，中心阴极为DC纤维提供刺激能量，并且两对阳极(一对在脊髓的一个横向侧上的阴极的近头尾侧翼，而另一对在脊髓的另一侧上的阴极的近头尾侧翼)防止刺激DR神经纤维，如图2所示。通常，假设该背根纤维的所有位点都等同地受到阳极影响，电流被等同地分配给阳极(SP，在每个阳极上25%的电流)。
[0012]当DR纤维垂直进入脊髓时，这种假设可能是正确的。然而，如图3所示，DR神经纤维和脊髓的纵轴之间的角度趋向于随着在尾方向向下移动脊髓而增加(即，位于更近头椎骨段的DR神经纤维将以更浅角度(甚至垂直)进入脊髓，而位于更近尾椎骨段的DR神经纤维将以更陡的角度进入脊髓。在后一种情况下，在图2中所示的阳极上相等的电流分布可能不是最佳的。
[0013]在这里，因此，仍然需要一种用于相比DR神经纤维而优先刺激DC神经纤维的改进技术。
【发明内容】
[0014]根据本发明的第一方面，提供了一种治疗神经刺激系统。神经刺激系统包括神经刺激导线，其被配置成沿着患者的脊髓植入。神经刺激导线包括具有纵轴的桨和电极阵列。该电极阵列可以以沿着纵轴延伸的多个列来布置。
[0015]神经刺激系统进一步包括神经刺激装置，其被配置成将电刺激能量递送到所述电极阵列的活性电极，以及控制/处理电路，其被配置成指示所述神经刺激装置将(例如第一电极列中的)活性电极配置为阴极，并且将从所述阴极纵向侧翼和横向偏移的(例如第二电极列中的)两个活性电极配置为阳极，基于所植入的神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置选择两个阳极的刺激幅度值的比，以及指示所述神经刺激装置根据所选择的刺激幅度值的比在所述两个阳极之间分配电刺激能量。
[0016]在可选的实施例中，控制/处理电路进一步被配置成指示所述神经刺激装置将纵向位于所述阴极侧面并与其横向偏移的另外两个活性电极(例如第三电极列)配置为阳极，基于所植入的神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置选择另外两个阳极的另一个刺激幅度值比，以及指示所述神经刺激装置根据另外所选择的刺激幅度值比在所述另外两个阳极之间分配电刺激能量。
[0017]控制/处理电路被配置成确定所述两个阳极中更近首部的一个以及所述两个阳极中更近尾部的一个。基于神经刺激导线的纵向位置，所述更近首部的阳极的刺激幅度值可以大于所述更近尾部的阳极的刺激幅度值。
[0018]特别地，控制/处理电路被配置成如果所述纵向位置是脊髓的颈部区域则选择用于所述两个阳极的第一刺激幅度值比，并且如果所述纵向位置是脊髓的胸部区域则选择用于所述两个阳极的第二刺激幅度比。与所述第二刺激幅度比相比，所述第一刺激幅度比更靠近一。在一个实施例中，第二刺激幅度比至少是二。在另一个实施例中，第二刺激幅度比至少是四。
[0019]神经刺激系统进一步包括存储器，其被配置成存储包含多个不同的刺激幅度比和相关的神经刺激导线位置的查找表。控制/处理电路被配置成通过将所述神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置与在所述查找表中存储的所述神经刺激导线位置的一个进行匹配，并且选择与所匹配出的神经刺激导线位置相关联的所述刺激幅度比，来选择刺激幅度比。
[0020]在一个实施例中，控制/处理电路可以被包含在所述神经刺激装置内。在替选实施例中，控制/处理电路被包含在外部控制器内。
[0021 ]在一个实施例中，神经刺激装置可以被配置成确定所植入的神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置。在替选实施例中，神经刺激导线可以进一步包括用户接口，其被配置成接收限定了所植入的神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置的用户输入。
[0022]根据本发明的第二方面，提供一种与耦合到沿着患者的脊柱纵轴(例如，列)布置的电极阵列的神经刺激装置一起使用的外部控制器。外部控制器包括:用户接口(例如定向控制器)，所述用户接口被配置成接收用户输入(例如识别相对于电极阵列的期望的刺激区域)；控制/处理电路，其被配置成响应于所述用户输入生成刺激参数集合，所述刺激参数集合包括将所述电极的(例如第一列电极的)一个指定为阴极，并且将纵向位于所述阴极且与其横向偏移的(例如第二列电极的)两个电极指定为阳极的电极组合；以及输出电路，其被配置成将所述刺激参数集合传送到所述神经刺激装置。所述刺激参数集合进一步包括具有基于所植入的神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置的比的用于所述两个阳极的刺激幅度值。
[0023]控制/处理电路可以进一步被配置成响应于所述用户输入生成一连串刺激参数集合，所述一连串刺激参数集合中的每一个包括将所述第一电极列中的所述电极的一个指定为阴极、并且将所述第二电极列中的从所述阴极纵向侧翼和横向偏移的两个电极指定为阳极的电极组合。
[0024]控制/处理电路可以以上述相同的方式选择阳极的刺激幅度的适当的比以及以上述相同的方式将纵向位于所述阴极且与其横向偏移的另外两个电极指定为阳极。
[0025]根据本发明的第三方面，公开一种使用沿着患者的脊柱纵轴(例如多个列)布置的电极阵列为患者提供治疗的方法。所述方法包括:确定所述电极阵列相对于脊髓的纵向位置;配置(例如第一列电极中的)一电极作为阴极以及配置纵向位于所述阴极且与其横向偏移的(例如第二列电极中的)两个电极作为阳极;基于确定出的所植入的神经刺激导线相对于脊髓的已知纵向位置来选择用于所述两个阳极的刺激幅度值比；以及将电刺激能量递送到所述电极的活性电极，使得根据所选择的刺激幅度值的比在所述两个阳极之间分配电刺激能量。在可选的方法中，纵向位于所述阴极且与其横向偏移的(例如在第三列电极中的)两个或更多个电极作为阳极可以被配置成阳极并且以上述相同的方式可以在所有阳极当中分配电能量。
[0026]可以以上述相同的方式自动地或手动地确定所述电极阵列相对于脊髓的纵向位置。可以以上述相同的方式执行选择阳极的刺激幅度比的方法。
[0027]根据意指示出而不是限制本发明的以下优选实施例的详细说明本公开的其它和另外的方面和特征将变得显而易见。
【附图说明】
[0028]附图示出本发明的优选实施例的设计和实用性，其中类似的元件由共同的参考数字所表示。为了更好地理解如何获得本发明的上述和其它优点和目的，将参照其具体的实施例对上面简述的本发明提供更特别的描述，其将在附图中进行阐明。要理解的是这些附图仅描绘本发明的典型实施例且因此不被认为是用于限制其范围，且将通过使用附图利用附加的特殊性和细节来描述和解释本发明，其中:
[0029]图1是脊髓和用于创建刺激脊髓的内外侧场的现有技术电极布置的截面图；
[0030]图2是脊髓和用于创建内外侧场，同时避免刺激背根(DR)神经纤维的现有技术电极布置的冠状图；
[0031]图3是示出沿着脊髓的DR神经纤维的取向的脊髓的冠状图。
[0032]图4是根据本发明布置的脊髓刺激(SCS)系统的一个实施例的平面图；
[0033]图5是在图4的SCS系统中使用的可植入脉冲发生器(IPG)和桨式神经刺激导线的平面图；
[0034]图6是患者使用的图4的SCS系统的平面图；
[0035]图7是阴极-阳极电极布置的冠状图，该布置可以创建内外侧场以使用图5的神经刺激导线刺激脊髓组织；
[0036]图8a_8f是使用位于脊柱的三个不同部分的神经刺激导线创建的阴极-阳极电极布置的冠状视图；
[0037]图9是示出基于图6的所植入神经刺激导线相对于脊髓的纵向位置在神经刺激导线的特定列上的阳极的刺激振幅