专利名称：痛觉神经刺激装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种痛觉神经刺激装置，关于由A δ纤维的刺激所产生一次痛觉以及 由C纤维的刺激所产生的二次痛觉，该痛觉神经刺激装置可以仅仅进行所述C纤维的刺激。
背景技术：
为了通过电刺激来仅仅刺激痛觉，已经研制了在专利文献1中公开的电极。根据 该电极，能够刺激A δ纤维(见专利文献1的图3)。相反，为了早期检测到作为糖尿病的三个主要并发症之一的末梢神经紊乱，非常 需要仅仅刺激C纤维并检查对该刺激的反应的一种方法。这是基于C纤维具有0. 4至 1. 2 μ m的厚度，A δ纤维具有2至5 μ m的厚度，连接于触觉、压觉等的机械刺激感受器的 Αβ纤维具有5至12 μ m的厚度，并且神经紊乱从小神经开始。因此，当可以刺激比在专利 文献1中所能刺激的A δ纤维更小的C纤维时，能够更早地知晓神经紊乱的发展，从而大大 地有助于了解糖尿病神经紊乱的进展和适当控制。在仅仅刺激C纤维的现有技术中，使用 激光装置。然而，在使用激光装置的情况下，需要大规模的检查装置和设施，并且增加了装 置的尺寸、成本以及复杂性而引起了通用性的问题。利用激光束的C纤维刺激的精度尚未 达到令人满意的程度，并且C纤维刺激的可能性降低。因此，激光装置还没有用于临床应 用。而且在专利文献1中，当将刺激电极的针端设置为负极而将环绕电极设置为正极 的同时施加刺激时，能够选择性地刺激A δ纤维，但是C纤维不能被选择性地刺激。在本技术领域内，因为在负极性的刺激电极下方立即产生周围神经的兴奋，所以 采用了这样一种现有技术，其中负极性的电刺激应用于连接在期望的刺激部位的刺激目的 电极，而正极性应用于端电极。在专利文献1中还公开了在将刺激电极的针电极设置为负 极而将环绕电极设置为正极的同时施加刺激，使得能够选择性地刺激A δ纤维。然而，在本 领域中，即便当电极性反转时，该反转对于来自皮肤表面的神经刺激也不产生作用或影响， 这用在躯体感觉诱发电位SEP的测量中(见图9)。专利文献2公开了以电生理学或定量的方式自动地测量电流知觉阈值和疼痛容 许阈值的现有装置。在现有技术的装置中，利用正弦波施加刺激，并且C纤维、A δ纤维和 A β纤维分别对5Ηζ、250Ηζ和2000Hz频率的刺激最敏感。专利文献2没有提供能够独立刺 激C纤维、Αδ纤维和Αβ纤维的技术。在现有技术装置中，需要由于正弦波产生的刺激。 因此，与通过以方波为代表的脉冲波来施加刺激的情况相比，用于产生和控制刺激的装置 在结构上是复杂的。在专利文献2中所公开的现有技术装置使用表面电极，因此欲施加的刺激强度比 将电极插入皮肤中的情况要大。即，在诸如C纤维的小纤维的刺激中，诸如触觉神经的其它 神经纤维很有可能也被刺激。因此，认为仅仅C纤维的选择性刺激是困难的。专利文献3公开了一种现有技术，其中利用表面电极选择性地刺激特定的触觉感 受器而不对痛觉进行刺激。这种现有技术在刺激触觉方面是有效的。然而，由于使用表面电极，刺激强度是大约2mA。此外，与痛觉相关的A δ纤维和C纤维是小纤维，因此很难进行 刺激。因此，在专利文献3中公开的现有技术中，不可能选择性地刺激Αδ纤维和C纤维。 在专利文献3中公开的现有技术还有其他问题，S卩，在感受器的选择性刺激中需要诸如加 权变化的复杂处理。在电刺激中，更容易引起兴奋得排序为Αβ纤维、Αδ纤维和C纤维。即，对具有 轴向纤维的大的有髓鞘纤维更容易进行电刺激，而在小的并且无髓鞘的C纤维中最难产生 由于电刺激引起的兴奋。因比，仅仅选择性地刺激C纤维而不刺激其他纤维的刺激是非常 困难的。[专利文献 1]日本 JP-T-2OO6-5M3O[专利文献2]美国专利No.5，806，522[专利文献3]日本专利No.3，543，09
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种简单的痛觉神经刺激装置，其能够通过电刺激以 很高的概率来精确地仅仅刺激C纤维且与操作者的技能无关，并且提供一种觉神经刺激装 置，其能够根据个体的差异以恰当的方式独立地刺激C纤维。为了实现该目的，根据本发明，提供一种痛觉神经刺激装置，包括电极部，该电极 部包括第一电极，该第一电极的末端适于插入到皮肤中；和至少一个第二电极，该至少一 个第二电极设置在所述第一电极的周围而不与所述第一电极导电，并且该至少一个第二电 极适于与皮肤相接触；以及刺激信号供应单元，该刺激信号供应单元在所述第一电极和所 述第二电极之间供给双极刺激信号，该双极刺激信号包括第一波形信号和第二波形信号， 该第一波形信号在所述第一电极中的负方向上凸起，该第二波形信号在所述第一电极的正 方向上凸起。该痛觉神经刺激装置还可以包括上升/下降控制单元，该上升/下降控制单元改 变每个所述第一和第二波形信号的上升时间和下降时间中的至少一个。使每个所述第一和第二波形信号的上升和下降中的至少一个改变为具有直线倾 斜的形状。使每个所述第一和第二波形信号的上升和下降中的至少一个改变为具有指数的 形状。该痛觉神经刺激装置还可以包括刺激强度控制单元，该刺激强度控制单元改变 每个所述第一和第二波形信号的电压和电流中的至少一个。该痛觉神经刺激装置还可以包括波形控制单元，该波形控制单元改变每个所述 第一和第二波形信号的波形宽度、波形间隔以及波形数目中的至少一个。布所述双极刺激信号中，可以在供给所述第一波形信号之后供给所述第二波形信 号，并且使所述第一和第二波形信号可以彼此连接。所述第一波形信号的峰值可以与所述第二波形信号的峰值不同。所述第二波形信号的峰值可以高于所述第一波形信号的峰值。所述双极刺激信号可以具有0. 1至IOOms的波形宽度。所述第二波形信号的峰值可以是所述第一波形信号的峰值的五倍或更多倍。
所述第一波形信号的上升和下降时间可以等于所述第二波形信号的上升和下降 时间。所述第二电极可以环形地设置在所述第一电极的周围。所述痛觉神经刺激装置可以包括多个所述电极部。所述刺激信号供应单元可以适于连续地供给多次所述双极刺激信号。
图1是示出了本发明的痛觉神经刺激装置的实施例的构造的框图。图2A是示出了在本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中使用的电极的构造的剖 视图。图2B是示出了在本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中使用的电极的实例的透 视图。图3是示出了在本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中提供的刺激信号的波形 的视图。图4是示出了当减小时间标度时图3中所示的刺激信号的视图。图5是图示出了构成本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中所提供的刺激信号 的第一和第二波形信号的视图。图6是图示出了构成本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中所提供的刺激信号 的第一和第二波形信号的各种波形的视图。图7是示出了本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中所提供的刺激信号的波形 的视图，并且其中使上升时间和下降时间不同。图8是示出了本发明的痛觉神经刺激装置的实施例中所提供的刺激信号的波形 的视图，并且其中使峰值不同。图9是示出了在躯体感觉诱发电位SEP的测量中，电极相对于活体的配置的视图。
具体实施例方式在下文，将参考附图描述本发明的痛觉神经刺激装置和使用该装置的方法。如图 1所示，在该痛觉神经刺激装置中，电流/电压控制部21、电源部22、显示部23以及操作部 M连接于信号生成主体单元10。极性转换部25连接于电流/电压控制部21，而表皮内刺 激电极部30连接于该极性转换部25。该表皮内刺激电极部30以与专利文献1中所公开的电极基本相同的方式构造。图 2A是该部分的剖视图。该表皮内刺激电极部30包括用作为第一电极的针电极31，其末端 具有使该末端能够轻微插入到皮肤中(例如，从皮肤表面到乳突)的形状；和用作为第二 电极的接触电极32，其在与皮肤接触的同时被使用。正如从图2所看到的，该针电极31相 对于接触电极32伸出。针电极31的末端不必总是尖锐的，而可以具有球形的或杆状的形 状。接触电极32可以具有以针电极31为中心的同时围绕该针电极31的圆筒形的形状，或 者可选地，可以圆筒形地放置多个接触电极32以便以针电极31为中心。该接触电极具有， 例如，Imm的内径。如图2B所示，接触电极32的一部分可以具有使该部分能够轻微插入到 皮肤中的形状。
由绝缘材料构造的垫圈33可以嵌入在接触电极32和针电极31之间的间隙中。外 部配合部34设置在接触电极32的圆周上，该外部配合部34具有利用接触电极32作为芯 的柱形形状，并且该外部配合部34由绝缘材料形成。信号生成主体单元10由模拟/数字微处理器构成，并且包括生成并提供刺激信号 的刺激信号供应单元11、上升/下降控制单元12和波形控制单元13。该刺激信号供应单 元11在针电极31和接触电极32之间提供由第一波形信号Pl和第二波形信号P2的组合 所形成的双极刺激信号，该第一波形信号Pl在针电极31的负方向上凸起，该第二波形信号 P2在针电极31的正方向上凸起。在本实施例中，将信号的波形构造成使得第二波形信号 P2具有不同于第一波形信号Pl的峰值。具体地，例如，双极刺激信号具有图3的放大视图 所示的波形。如图4所示，刺激信号供应单元11能够连续地多次(例如，100次)供给双极刺激 信号。当刺激信号被如图5所示分解时，所述信号通过使作为第一波形信号Pl的锯齿波与 作为第二波形信号P2的另一个锯齿波相组合而构成。通过交替连续地(在波形信号之间 没有间隔)排布第一波形信号Pl和第二波形信号P2而使双极刺激信号形成为脉冲状刺激信号。在由刺激信号供应单元11提供的刺激信号中，优选，第一波形信号Pl的峰值不同 于第二波形信号P2的峰值。只要波形信号的凸起方向彼此相反，刺激信号就可以由以下任 意一种构造而成如图6中a栏所示的倾斜的上升下降部分是直线式的波形信号；如b栏所 示的该部分是指数式的波形信号；以及该部分是缓缓向上的凸起(抛物线状等)的波形信 号。替换地，刺激信号可以是通常的脉冲信号。在第一波形信号Pl和第二波形信号P2相互组合的情况下，在相同方向上凸起的 波形可以连续五次到最大值，或者可以使用其中第一波形信号Pl的波形和第二波形信号 P2的波形以相同的数量不规则排布的组合。在第一波形信号Pl的波形和第二波形信号P2 的波形之间可以设置间隔(平坦部)。上升/下降控制单元12改变由刺激信号供应单元11提供的刺激信号的波形信号 的上升时间和下降时间中的至少一个。构成指令输入部的操作部M可以由标度盘、按钮、 键盘、触控面板等构造而成，并且包括上升/下降时间指令单元。该上升/下降时间指令单 元能够给出指令输入至上升/下降控制单元12，该指令输入用于使刺激信号改变成由具有 期望的上升和下降时间的波形信号的组合所构成的信号。此外，上升/下降控制单元12能 够选择其中每个波形信号的上升和下降都具有直线地上升和下降形状的直线模式以及其 中每个波形信号的上升和下降都具有指数地上升和下降形状的指数模式中的任意一种模 式，使得能够产生下述刺激信号，即，在该刺激信号中，具有从上述图6所示的多个形状中 选择的一种形状的波形信号在设有向上凸起和向下凸起的同时而相互组合。在来自上升/下降时间指令单元的指令输入中，能够指定上升时间和下降时间。 作为上升时间和下降时间，例如，能够从Oms至大约15ms中选择期望的值。图7示出了处于 直线模式中的三种第二波形信号P21至P23，其中该三种波形信号的下降时间分别是1ms、 2ms,3ms,并且在正方向上凸起。设置在信号生成主体单元10中的波形控制单元13改变由刺激信号供应单元11 提供的刺激信号的波形宽度、波形间隔和波形数目。操作部M包括波形指令单元。该波形指令单元能够给出指令，用于使得波形控制单元13将刺激信号改变为由期望的波形宽度、 波形间隔和波形数目的波形所构成的信号。选择波形宽度、波形间隔和波形数目。波形宽度能够从0. 5至30ms中以例如0. Ims 的增量来选择，波形间隔能够从1至IOOms中以例如Ims的增量来选择，而波形数目能够以 例如1的增量来选择。连接于信号生成主体单元10的电流/电压控制部21是刺激强度控制单元，用于 改变由刺激信号供应单元11提供的第一波形信号Pl和第二波形信号P2的每一个的电压 和电流中的至少一个。电压和电流对应于第一波形信号Pl或第二波形信号P2的峰值。操 作部M包括刺激强度指令单元。该刺激强度指令单元能够给出指令，用于使作为刺激强度 控制单元的电流/电压控制部21将第一波形信号Pl和第二波形信号P2的峰值改变为期 望的电流或电压。在电流控制的情况下，例如，电流/电压控制部被构造成使得电流能够以0.01mA 的间隔从0.0mA上升到预定的值(也能够从期望的值下降)。在连接针电极31和接触电 极32之后，电极间的阻抗似乎是常数。因此，可以将该电流/电压控制部构造成使得电压 能够以0. 2V的间隔从预定的值(例如，0V)上升到另一个预定的值(也能够从期望的值下 降)。替换地，可以采用其中能够输入第一波形信号Pl的峰值，并且能够输入第二波形信号 P2的峰值相对于第一波形信号Pl的倍增因子(实际上是分数)的构造，或者相反地，可以 采用其中能够输入第二波形信号P2的峰值，并且能够输入第一波形信号Pl的峰值相对于 第二波形信号P2的倍增因子的构造。图8的实例示出了波形信号P2 (a)、P2 (b)、P2 (c)，其 中各第二波形信号P2的峰值在正侧中分别被设定为相对于在负侧中为0. ImA的第一波形 信号Pl的四倍、八倍和十倍。连接于电流/电压控制部21的极性转换部25起到电极性转换单元的作用，用于 在针电极31的电极性和接触电极32的电极性之间转换。操作部M包括极性转换指令单 元。该极性转换指令单元能够给出指令，用于使起电极性转换单元的作用的极性转换部25 转换电极性。根据该结构，能够将针电极31的电极性设置为正极，而能够将接触电极32的 电极性设置为负极。当在该状态下提供图3或图4的刺激信号时，提供由第一反转波形信 号和第二反转波形信号的组合而构成的双极刺激信号，在该第一反转信号中，第一波形信 号Pl在针电极31中在负方向上凸起，在该第二反转信号中，第二波形信号P2在针电极31 中在正方向上凸起。相反地，可以将针电极31的电极性设置为负极，而可以将接触电极32 的电极性设置为正极。在这种情况下，在提供图3或图4的刺激信号时，提供由第一反转波 形信号和第二反转波形信号的组合而构成的双极刺激信号，在该第一反转信号中，第一波 形信号Pl在针电极31中在正方向上凸起，在该第二反转信号中，第二波形信号P2在针电 极31中在负方向上凸起。能够在显示部23上显示由生成主体单元10产生的字符信息，例如；当前刺激强度 (mA)；波形信号的上升时间、下降时间、波形宽度、波形间隔和波形数目；以及电极的极性。以下述方式使用这样配置的痛觉神经刺激装置。首先，将表皮内刺激电极部30与 受验者的测试区中的皮肤接触并固定在其上，使得针电极31插入皮肤中。此时，针电极31 插入皮肤中约0. 01至0. 3mm深。接下来，操作所述操作部M以便提供图3或图4的刺激 信号。然后，在第一波形信号Pl中，针电极31处于负侧，使得进行阴极刺激，并且，在第二波形信号P2中，针电极31处于正侧，使得进行阳极刺激。进一步操作该操作部M，以便使上升/下降时间指令单元给出指令输入，用于使 上升/下降时间控制单元12将刺激信号改变为具有期望的上升和下降时间；使波形指令单 元给出指令，用于使波形控制单元13将刺激信号改变为具有期望的波形宽度、波形间隔和 波形数目；并且使刺激强度指令单元给出指令，用于使作为刺激强度控制单元的电流/电 压控制部21将刺激信号改变为具有期望的电流或电压。从显示部23上的显示，核实由操 作部M所进行的期望的设置，并且然后进行开始刺激的操作。如上所述，在针电极31和接触电极32之间施加如图3或4所示的刺激信号，以进 行刺激。在这种状态下，操作所述操作部M以便逐渐地增大电流值(或电压值)直到受验 者感觉疼痛。可选地，可以在改变上升和下降时间的同时，或者在改变波形宽度、波形间隔 和波形数目的同时进行测量。如果受验者有神经紊乱，那么这能够从受验者不感到疼痛的 现象，或者，即便受验者感到疼痛但需要更高的刺激强度的现象来确定。此外，表皮内刺激 电极部30与受验者的另一个(或同一个)测试区中的皮肤相接触，使得能够确认取决于刺 激位置的不同、左右躯体部分之间的不同等等。当操作该操作部M以便转换针电极31和 接触电极32的电极性，并且然后以与上面所述相同的方式进行测量时，也能够确认糖尿病 神经紊乱的进展的把握和适当的控制。在该领域中，可以说C纤维疼痛感受器是关于作为以炎症为典型代表的固定痛 (steady pain)或灼热痛，而A δ纤维疼痛感受器控制锐痛。当受验者被本发明的刺激装置 刺激时，与现有技术相比，无论操作者的技术如何，受验者感受到固定痛或灼热痛的的情况 的次数都增加。这意味着，除了 A δ纤维之外，也能够准确地刺激C纤维。在该实施例中，在第二波形信号的峰值是第一波形信号的五倍或更多倍的情况 下，能够获得显著的结果。在连续地多次提供双极刺激信号的情况下，能够获得显著的结果。 在上述实施例中，理所当然的是，可以采用并使用其中设置了多个表皮内刺激电 极部30的构造。根据本发明的一方面，通过提供双极刺激信号来仅仅刺激具有最细纤维直径的C 纤维，该双极刺激信号由在第一电极中的负方向上凸起第一波形信号和在第一电极中的正 方向上凸起的第二波形信号的组合形成。第一电极具有针状形状，因而与活体相接触的面 积比第二电极的与活体相接触的面积小很多。因此，存在不能使比Aδ纤维更细的C纤维 足够地兴奋的可能性。这主要是由于越小的纤维对于电刺激具有越高的阈值这一事实引起 的。相反，C纤维具有可用的物理性质，例如，分布密度比Αδ纤维高、该纤维垂直于皮肤表 面延伸以及与机械感受器的末端相比该纤维延伸到表面部分。根据本发明的一方面，要注 意的是，受验者对引起以炎症为典型代表的灼热痛的感觉的反应的数量与包括由本申请的 发明人先前提交的JP-A-2010-088802中公开的技术的现有技术的任意一种情况相比，都 是更多的，并且能够仅仅刺激C纤维，而基本不会影响其他神经纤维。这意味着，本发明的 装置能够以高的概率来仅仅刺激C纤维，而与操作者的技能无关。根据本发明的一方面，该装置包括上升/下降控制单元，用于使每个波形信号的 上升时间和下降时间中的至少一个改变。因此，在改变了每个波形信号的上升时间和下降 时间中的至少一个时，能够进行提供其中仅仅刺激具有最小直径的C纤维而基本不会影响其他神经纤维的刺激信号。根据本发明的一方面，该装置包括刺激强度控制单元，用于改变由刺激信号供应 单元提供的刺激信号的电压和电流中的至少一种。因此，也能够通过改变刺激强度来刺激 较大神经纤维的Aδ纤维和Aβ纤维。根据本发明的一方面，当改变刺激强度时，能够以与通常的电刺激中的兴奋顺序 (Αβ、Αδ和C)相反的顺序来刺激各个神经纤维。特别地，能够以微弱的刺激强度来选择 性地刺激C纤维。根据本发明的一方面，该装置包括波形控制单元，用于改变由刺激信号供应单元 提供的刺激信号的波形宽度、波形间隔和波形数目。因此，在探寻使仅仅C纤维的刺激能进 行的波形宽度、波形间隔和波形数目的同时，能够进行吸收个体差异的测量。即使在神经纤维的一部分上进行刺激时，由刺激引起的效果和反应也彼此相同。 因此，当使用多个电极或者连续提供多次双极刺激信号的时候，能够以更高的概率来仅仅 刺激C纤维，而与操作者的技能无关。
权利要求
1.一种痛觉神经刺激装置，包括 电极部，该电极部包括第一电极，该第一电极的末端适于插入到皮肤中；和至少一个第二电极，该至少一个第二电极设置在所述第一电极的周围而不与所述第一 电极导电，并且该至少一个第二电极适于与皮肤相接触；以及刺激信号供应单元，该刺激信号供应单元在所述第一电极和所述第二电极之间供给双 极刺激信号，该双极刺激信号包括第一波形信号和第二波形信号，该第一波形信号在所述 第一电极中的负方向上凸起，该第二波形信号在所述第一电极的正方向上凸起。
2.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，还包括上升/下降控制单元，该上升/下降控制单元改变每个所述第一和第二波形信号的上 升时间和下降时间中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的痛觉神经刺激装置，其中使每个所述第一和第二波形信号的上升和下降中的至少一个改变为具有直线倾斜的 形状。
4.根据权利要求2所述的痛觉神经刺激装置，其中使每个所述第一和第二波形信号的上升和下降中的至少一个改变为具有指数的形状。
5.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，还包括刺激强度控制单元，该刺激强度控制单元改变每个所述第一和第二波形信号的电压和 电流中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，还包括波形控制单元，该波形控制单元改变每个所述第一和第二波形信号的波形宽度、波形 间隔以及波形数目中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中在所述双极刺激信号中，在供给所述第一波形信号之后供给所述第二波形信号，并且 使所述第一和第二波形信号彼此连接。
8.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中所述第一波形信号的峰值与所述第二波形信号的峰值不同。
9.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中所述第二波形信号的峰值高于所述第一波形信号的峰值。
10.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中 所述双极刺激信号具有0. 1至IOOms的波形宽度。
11.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中所述第二波形信号的峰值是所述第一波形信号的峰值的五倍或更多倍。
12.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中所述第一波形信号的上升和下降时间等于所述第二波形信号的上升和下降时间。
13.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中 所述第二电极环形地设置在所述第一电极的周围。
14.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，包括多个所述电极部。
15.根据权利要求1所述的痛觉神经刺激装置，其中所述刺激信号供应单元适于连续地供给多次所述双极刺激信号。
全文摘要
本发明涉及一种痛觉神经刺激装置，该痛觉神经刺激装置包括电极部，该电极部包括第一电极，其末端适于插入皮肤中；和至少一个第二电极，其设置在第一电极的周围而不与第一电极导电，并且其适于与皮肤接触；以及刺激信号供应单元，其在第一电极和第二电极之间供给双极刺激信号，该双极刺激信号包括第一波形信号和第二波形信号，该第一波形信号在第一电极中的负方向上凸起，该第二波形信号在第一电极的正方向上凸起。
文档编号A61N1/36GK102145205SQ20111003531
公开日2011年8月10日 申请日期2011年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者中市克己, 乾幸二, 小岛武, 斧嘉伸, 根木润, 涩谷一和, 牛岛良介, 竹岛康行 申请人:大学共同利用机关法人自然科学研究机构, 日本光电工业株式会社