运动纤维神经调节的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年6月1日提交的澳大利亚临时专利申请号2015902393的权益，所述临时专利申请通过引用结合在此。

本发明涉及递送至运动纤维的神经调节，并且具体地涉及一种用于通过神经反应测量来评估运动纤维和肌肉募集的方法和设备。

背景技术：

存在许多期望施加神经刺激以便引起复合动作电位(cap)的情境。神经调节系统向组织施加电脉冲以便产生治疗效果。这种系统通常包括植入式电脉冲发生器以及如电池等可通过经皮感应传输进行再充电的电源。电极阵列连接至脉冲发生器并且被定位在(多条)靶神经通路附近。由电极施加到神经通路的电脉冲引起神经元的去极化以及传播动作电位的生成。在几乎所有神经调节应用中，虽然期望单一类别的纤维反应，但是所采用的刺激波形可能在其他类别的纤维上募集可能引起不想要的副作用的动作电位。

所有类型的神经调解系统面临的另一个控制问题是以治疗效果所需的充足电平但以最小的能量消耗实现神经募集。刺激范式的电力消耗对电池要求有直接影响，其进而影响设备的物理尺寸和生存期。对于可再充电系统，增加的电力消耗导致更频繁的充电，并且假设电池仅允许有限数量的充电周期，则这最终减小设备的植入生存期。

可以应用神经调节来激活所选定的肌肉群。这种神经调节的一个示例是骶神经刺激，其中，刺激频率通常较低(＜20hz)，并且电流通常相当高(高达7ma)。在不旨在受限于理论的情况下，通常认为骶神经刺激通过骶神经中的传入和传出纤维来引起对膀胱的逼尿肌的反射抑制效果。在植入骶神经神经调节器之后，调整当前刺激系统中的刺激振幅和频率是试错程序。将所述刺激幅值调高，直到运动反应被记录或者患者告知程序员感觉异常已产生为止。然后将所述振幅降至感知阈值以下并设定到那个水平，但是降低多少足以避免不期望的运动反应或感觉异常同时仍保持适当的治疗效果是不知道的。

本说明书中已包括的文件、行为、材料、设备、物品等的任何讨论仅用于为本发明提供上下文的目的。不能由于它在本申请的各项权利要求的优先日期之前就存在，而承认任何或所有这些事项形成现有技术基础的一个部分，或在与本发明相关的领域中是一般常识。

贯穿本说明书，“包括(comprise)”一词或变化形式(例如“包括了(comprises)”或“包括着(comprising)”)应被理解为意指包括所陈述的要素、整体或步骤，或者多个要素、整体或步骤的群组，但不排除任何其他要素、整体或步骤，或者多个要素、整体或步骤的群组。

在本说明书中，要素可以是选项列表中的“至少一个”的陈述应被理解为所述要素可以是所列出的选项中的任意一项，或者可以是所列出的选项中的一项或多项的任何组合。

发明概述

根据第一方面，本发明提供了一种评估对神经刺激的运动反应的方法，所述方法包括：

将电刺激从第一电极施加到所选定的神经通路以诱发传出神经反应；

在所述神经通路由所述电刺激诱发时测量缓慢神经反应；

基于所述缓慢神经反应，评估至少一块肌肉对所述刺激的运动反应。

根据第二方面，本发明提供一种神经刺激器设备，所述神经刺激器设备包括：

至少一个刺激电极，被配置成定位在神经通路附近并且用于将电刺激施加到所述神经通路以诱发传出神经反应；

至少一个感测电极，被配置成定位在所述神经通路附近并且用于在所述神经通路由所述电刺激诱发时测量缓慢神经反应；以及

处理器，用于基于所述缓慢神经反应来评估至少一块肌肉对所述刺激的运动反应。

本发明进一步提供计算机软件、或者一种包括计算机程序代码装置的计算机程序产品、或者一种非暂时计算机可读介质、或者一种在所述软件或产品的控制下进行操作的计算设备，所述计算设备被配置用于将电刺激从第一电极施加到所选择的神经通路以诱发传出神经反应，进一步被配置用于在所述神经通路由所述电刺激诱发时测量缓慢神经反应，并且进一步被配置用于基于所述缓慢神经反应来评估至少一块肌肉对所述刺激的运动反应。

本发明的一些实施例可以在手术中应用，以便使用观察到的缓慢反应来定位所述神经并且最佳地定位(多个)电极。

本发明的一些实施例可以进一步包括：在足以使相关联肌肉纤维群的一个募集部分疲劳的时间段上施加处于第一水平上的刺激，并且然后施加处于已增加水平上的刺激以便募集并评估所述肌肉纤维群的另一部分。这类实施例可以进一步包括：在各种刺激水平上使所述肌肉纤维疲劳，以便探索所述肌肉纤维群的每一部分的募集特征。

一些实施例可以进一步包括：评估所述缓慢反应的模式或形态，以便判定哪些肌肉群是由所述刺激募集的。

优选实施例进一步测量对所述刺激的快速神经反应。所述快速反应可以被定义为在刺激后的0ms至2ms或0ms至2.5ms的时间段内所观察到的神经反应。在一些实施例中，所述缓慢反应可以包括在刺激后的2ms至15ms或者在刺激后的2.5ms至8ms的时间段期间所观察到的神经反应。

在一些实施例中，施加所述刺激以便优先诱发运动反应，无论是刺激运动活动还是抑制运动活动。因此，应当认识到的是，由本发明评估的所述至少一块肌肉对所述刺激的运动反应可以包括肌肉反应的增加或开始或者肌肉反应的减少或不存在中的任一者或两者。

需注意的是，肌肉纤维或群可以由多个神经支配，并且“神经通路”在本文中被定义为涵盖这类情况。具体地，在一些实施例中，所诱发的传出神经反应可能在支配肌肉的一个神经上产生，而可能在与同一块肌肉相关联并携带从所述肌肉返回的迟发反应的另一神经上观察到所述迟发反应。例如，可以将刺激施加到身体的第一侧的神经通路，并且可以在身体的对侧第二侧的神经通路上观察所述迟发反应。

在一些实施例中，所述神经通路包括骶神经。所述肌肉可以包括逼尿肌。

在一些实施例中，所述神经通路用于胃起搏，并且所述肌肉包括胃肌肉。

在一些实施例中，所述神经通路用于功能性电刺激(functionalelectricalstimulation，fes)。

在一些实施例中，所述神经通路用于多裂肌起搏，并且所述肌肉包括多裂肌。

附图简要说明

现在将参照以下附图对本发明的实例进行描述，在附图中：

图1示意性地展示了植入式骶神经刺激器；

图2是植入式神经刺激器的框图；

图3是示意图，展示了植入式刺激器与神经的交互；

图4展示了健康受试者的电诱发复合动作电位(ecap)的典型形式；

图5示出了从绵羊脊髓获得的快速反应和缓慢反应；

图6是由刺激引起的快速反应和缓慢反应的曲线图；

图7示出了缓慢反应振幅中的疲劳；

图8示出了缓慢反应在肌肉纤维群的不同部分中具有不同形态；

图9展示了神经纤维束中的神经束分布；并且

图10示出了用于膀胱控制的骶神经刺激的解剖结构。

具体实施方式

图1示意性地展示了植入式骶神经刺激器100。刺激器100包括：电子器件模块110，所述电子器件模块植入在患者的下腹部区域或后臀上部区域中的合适位置处；以及电极组件150，所述电极组件植入在骶骨内并通过适合的引线连接至模块110。植入式神经设备100的操作的许多方面可由外部控制设备192重新配置。此外，植入式神经设备100充当数据收集角色，其中，收集的数据被传送到外部设备192。

图2是植入式神经刺激器100的框图。模块110包含电池112和遥测模块114。在本发明的实施例中，遥测模块114可以使用任何适当类型的经皮通信190(比如，红外(ir)传输、电磁传输、电容性传输和感应传输)来在外部设备192与电子设备模块110之间传输电力和/或数据。

模块控制器116具有存储患者设置120、控制程序122等的相关联存储器118。控制器116根据患者设置120和控制程序122控制脉冲发生器124以便生成电流脉冲形式的刺激。电极选择模块126将所生成的脉冲切换到电极阵列150的(多个)适当电极，以便将电流脉冲递送至(多个)所选电极周围的组织。其他电极阵列也可以被提供并且可以类似地由电极选择模块126来寻址，例如，如以下在图5和图6的情况下进一步讨论的。测量电路系统128被配置用于捕获在电极阵列的如由电极选择模块126选择的(多个)感测电极处感测到的神经反应的测量结果。

图3是示意图，展示了植入式刺激器100与神经180的交互，然而，在这种情况下，骶神经替代性实施例可以定位在任何期望神经组织(包括外围神经、内脏神经、副交感神经或大脑结构)附近。电极选择模块126选择电极阵列150的刺激电极2以便向包括神经180的周围组织递送电流脉冲，并且还选择阵列150的返回电极4以便进行刺激电流恢复从而维持零净电荷转移。

向神经180递送适当刺激诱发神经反应，所述神经反应包括将如所展示的为了治疗目的而沿着神经180进行传播的复合动作电位，在骶神经刺激器的情况下，所述复合动作电位可能用于刺激逼尿肌的期望肌肉纤维的运动功能。为此，刺激电极用于以<20hz的频率递送刺激。

设备100进一步被配置用于感测沿着神经180传播的复合动作电位(cap)的存在和强度，无论这种cap是由来自电极2和4的刺激诱发还是以其他方式诱发。为此，电极选择模块126可以选择阵列150的任何电极充当测量电极6和测量参考电极8。测量电极6和8感测到的信号被传递到测量电路系统128，所述测量电路系统例如可以根据本申请人的国际专利申请公开号wo2012155183的教导运行，所述专利申请的内容通过引用结合在此。

图4展示了健康受试者的电诱发复合动作电位(ecap)的典型形式。图4中示出的复合动作电位的形状和持续时间是可预测的，这是因为其是由响应于刺激而生成动作电位的全体轴突产生的离子电流的结果。在大量纤维当中生成的动作电位合计起来形成复合动作电位(cap)。cap是由大量单一纤维动作电位引起的反应之和。所记录的cap是大量不同纤维去极化的结果。动作电位在每个纤维上的传播速度在很大程度上由所述纤维的直径决定。由一组类似纤维的激动产生的cap被测量为正峰电位p1，然后是负峰n1，随后是第二正峰p2。这由在动作电位沿着单独纤维传播时经过记录电极的激活的区域引起。观察到的电诱发cap信号通常将具有在微伏范围内的最大振幅以及2ms至3ms的持续时间。

cap曲线采取典型形式并且可由任何适当的(多个)参数(图4中指示了其中一些参数)表征。根据记录的极性，正常记录曲线可以采取图4中示出的形式的相反形式，即，具有两个负峰n1和n2以及一个正峰p1。

本实施例认识到，在骶神经180上测量到的神经反应不仅提供图4中所示的信息，而且还在稍后时间揭示关于诱发运动反应的信息。也就是说，来自骶神经的ecap记录展示了快速反应和缓慢反应两者。所述快速反应如图4所示，并且是对神经束中的大直径aβ纤维进行刺激的结果。所述缓慢反应在递送刺激之后大约2.5ms至7ms的时间帧内发生，并且在不旨在受限于理论的情况下被认为是由于通过直接刺激运动纤维或者通过激活脊髓反射弧对肌肉群进行的激活。缓慢反应与上述理论一致，即骶神经调节激活可能为逼尿肌的肌肉。本发明认识到，进一步可能的是从缓慢反应的模式来判定哪些肌肉群被募集。

为此，已经从绵羊脊髓实验地测量到缓慢反应，并且已经注意到，取决于反应的起源，所观察到的反应存在差异。图5示出了来自绵羊脊髓的快速510传播神经反应和缓慢520传播神经反应两者。图5中的x射线图示出了电极的位置，并且动物图示出了由来自那些皮区中的每个皮区的纤维所支配的皮区。

图6是由在阵列顶部进行刺激产生的ecap(快速反应)和缓慢反应的曲线图。在这种情况下，三条电极引线用于进行刺激和测量。在图6的x射线中，顶部的两条电极引线被放置在法线方向上(在头端方向上插入)，而底部电极引线被放置在逆行方向上。所述刺激是在t13处，并且因此底部电极引线测量正在被刺激的皮区后部(尾部)的反应。这在记录中被观察为反应630相对于记录610和620的极性反转。也就是说，从电极e13至e16获得的记录示出了正振幅，而进一步来自脊髓顶部的反应610和620示出了负反应。

这展示了缓慢反应的符号和形状，即图6中在3ms至5ms范围内的这些峰值，可以用于标识对刺激做出响应的肌肉群的位置。可以以多种不同的方式来分析信号，以便提取关于激活强度和源的信息。

这在寻求影响肌肉群以实现特异性(即选择靶向群并且仅选择那个群)的所有神经调节应用中是非常希望的。在骶神经刺激的情况下，根据理论，这是逼尿肌。需注意，即使当前理论是不正确的，它也将适用于其他肌肉群，例如盆底肌。

本实施例进一步通过增大刺激电流的振幅、分析缓慢反应并标识其所产生的缓慢反应模式来提供对适当肌肉群的标识。在此上下文中，应当理解，缓慢反应允许理解从神经测量中的迟发反应得出的肌肉纤维激活，从而提供与肌电图(emg)类似的信息。

由本实施例在对适当肌肉群进行标识时利用的另一特性是：重复的肌肉纤维刺激引起肌肉疲劳以及缓慢反应信号丢失。在此方面，图7示出了缓慢反应和快速反应两者(左图)的振幅以及右图上的两个非刺激性通道的反应。在此实验中，振幅增加，并且然后保持在9ma下长达两分钟。如在右图中可见的，当肌肉在两分钟时间段期间发生疲劳时，将反应的振幅下降到零。因此，可以以固定振幅利用重复刺激使单独的肌肉群发生疲劳。如果刺激振幅(或图7中的“触发”)从该点进一步增加，则募集附加的肌肉纤维，并且如图7所示，当振幅增加超过9ma处的第一疲劳点和在11ma处的第二疲劳点时，即使来自已经疲劳的那些肌肉纤维的反应不再是可观察到的，也诱发新的反应。在图8中，需注意，缓慢反应具有不同的形态，从而表明一些纤维源自于替代性肌肉群位置。

通过测量刺激部位处或附近的神经反应来标识与肌肉群激活相关联的缓慢反应模式是在下一电流步骤之前，随着时间推移用增大的振幅来进行刺激并在每个选定的电流处等待直到在此刺激水平上募集的肌肉群已经疲劳为止的问题。肌肉群激活的刺激位置感知或其他测量可能与所述反应相关。在逼尿肌的情况下，这例如可以通过使用测量膀胱压力的导管来容易地检测和相关。膀胱倾向于最初用快速收缩，随后是缓慢、持久的放松来对神经刺激做出反应。由于快速收缩将仅在刺激已达到激活逼尿肌的适当水平时发生，因此可以通过用导管测量压力变化来确定从神经观察得出的缓慢反应。以这种方式，可以通过将观察到的缓慢反应与导管压力结果进行比较来确定那个肌肉群的缓慢反应的靶模式。

用于过滤所述反应的上述阶梯技术可以用于确定来自独立肌肉群的反应。然后可以将来自所有纤维的贡献与在刺激振幅增大时获得的反应之和进行比较。

这种技术具有用于包括脊神经根的任何神经结构的效用。当考虑神经束的结构时，可以进一步进行细化。如图9所示，神经束中的单独神经束弯曲通过所述束的长度，并且因此特定神经束对刺激的敏感度将根据沿着纤维长度的位置而改变。上述技术可以用于确定期望靶向的肌肉群的特征，并且然后选择电极和或位置以便最佳地募集那个纤维群。

诱发反应的连续测量可以在骶神经刺激中用作反馈靶，由此所述刺激应当被设置用于在已使肌肉疲劳之后实现不存在缓慢反应或较小的缓慢反应。存在多种方法来实现这一点。可以调节刺激速率，并且反馈算法可用于控制内部刺激间隔，从而使得不产生反应。这是通过对所述反应进行刺激和测量来实现的，并且如果存在缓慢反应，则缩短时间直到下一个刺激为止。在一个长得多的时间尺度上，可以进行刺激之间的时间递增，这样使得反应开始出现，并且以这种方式实现最佳刺激速率。该此过程可以在编程时、或者由植入物实时连续地完成。

参考图10，神经的位置可以在特别是针对膀胱控制、膀胱充盈的治疗过程期间发生变化，内脏或患者将移动骶骨孔内的神经，并且因此刺激的功效将在神经相对于电极进行移动时发生变化。

快速反应510由aβ纤维产生，并且在以与来自肌肉群的反应相同的方式进行刺激时不发生疲劳。aβ反应510也根据反应纤维与电极的距离而随着振幅发生变化。因此，可以基于aβ反应的振幅对最佳运动纤维募集进行刺激电流调节，以便说明神经的运动。

刺激电流的这种变化可以用于确定膀胱的状态(充盈或排空)，并且对刺激进行进一步修改以便说明这一点。

本领域技术人员应理解，在不偏离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对如具体实施例所示的发明做出众多的变化和/或修改。因此，本发明实施例将在所有方面被视为是说明性而非限制性或约束性的。