Способ и устройство для стимуляции тканей - RU2463088C2

Чертежи

Показать все 19 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к нейростимуляционной терапии и в особенности к глубокой стимуляции мозга. Оно также применимо для электростимуляции мышц и других тканей.

Уровень техники

Обычные способы лечения неврологических заболеваний и других нарушений здоровья включали в себя использование лекарственных средств и резективную хирургию (то есть хирургическое удаление пораженных тканей мозга/нервных тканей). Однако, к сожалению, подобные способы лечения обладают различными недостатками. Например, медикаментозная терапия может давать серьезные побочные действия, и не все пациенты поддаются лечению (например, около тридцати процентов (30%) больных эпилепсией резистентны к лекарственным средствам). Резективная хирургия может нести относительно высокие риски. Кроме того, резективная хирургия необратима и подходит не всем пациентам.

Альтернативным способом лечения нейрологических нарушений является нейростимуляционная терапия, в которой внешнее или вводимое устройство используется для применения электрической или магнитной стимуляции нервных тканей. Нейростимуляция может применяться для лечения количества различных болезней, в том числе болезни Паркинсона, эпилепсии, хронических болей, депрессии, болезни Альцгеймера, обсессивно-компульсивных расстройств и даже ожирения. Если медикаментозное лечение оказалось безрезультатным и/или хирургическая операция невозможна, то нейростимуляционная терапия может стать последней возможностью лечения. Так, исследователи считают, что по меньшей мере 15% больным эпилепсией может помочь только нейростимуляция.

Однако, чтобы достичь лечебного эффекта, импульс должен быть подан в соответствующее заданное место в ткани. В случае электростимуляции тканей проводник с электродами часто помещают рядом с заданной точкой. При пропускании тока через электрод (электроды) внутри тела создается электрическое поле. В существующих системах указанное достигается тщательным позиционированием проводников возле заданной точки. В более сложных системах для регулировки положения электрического поля используется устройство регулирования поля. Если конкретнее, то токи подаются через многочисленные электроды, устанавливаемые рядом с местом стимуляции. Возникающим электрическим полем управляют, регулируя баланс токов. См. выданный Джиджберсу и др. патент США № 5843148 «Устройство для стимуляции мозга с высоким разрешением и способ его использования»; выданный Баррерасу и др. патент США № 5895416 «Способ и устройство для управления и регулирования электрического поля»; выданный Хрдличке и др. патент США № 6038480 «Способы стимуляции и измерения живых тканей путем местного контроля активных участков»; публикацию патента США № 2004/0186544A1, выданного Кингу, «Устройство и способ электростимуляции тканей»; публикацию патента США № 2005/0070982, выданного Херуту, «Медицинское устройство с системой с проводниками и плоским электродом для электростимуляции с регулируемым электрическим полем»; Лоувелл и др. «Стимуляция подачей прямого тока, применяемая при протезировании зрения», труды 2-й международной конференции инженеров медико-биологических наук Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике по нейронной инженерии, Орлингтон, Виргиния, 16-19 марта 2005 г., с. 458-461.

Тем не менее существуют возможности для усовершенствования имеющейся техники. Так, по-прежнему желательно получить дополнительную гибкость в позиционировании проводника и регулировании стимулирующего электрического поля.

Аспекты настоящей заявки касаются указанных выше и других вопросов.

В соответствии с одним аспектом изобретения устройство для стимуляции тканей содержит проводник для стимуляции, имеющий продольную ось и множество электродов, перенесенных проводником и расположенных вокруг продольной оси двухмерным массивом. Проводник может вставляться в ткань, подлежащую стимулированию, в направлении, по существу параллельном продольной оси. Стимулирующее поле, генерируемое электродом, является управляемым по меньшей мере по трем направлениям.

В соответствии с другим аспектом изобретения способ стимуляции тканей состоит из этапов ввода проводника для стимуляции в представляющую интерес ткань, возбуждения первого стимулирующего электрода, чтобы генерировать стимулирующее электрическое поле, и изменения электрического импульса, прикладываемого по меньшей мере к первому и второму экранированным электродам, чтобы изменить распределение стимулирующего электрического поля по трем пространственным координатам. Проводник содержит множество электродов, располагающихся под углом вокруг продольной оси.

В соответствии с другим аспектом изобретения устройство для стимуляции тканей содержит проводник для стимуляции, имеющий продольную ось. Проводник имеет, главным образом, внешнее поперечное сечение с вращательной симметрией. Проводник также содержит множество стимулирующих электродов, перенесенных проводником и расположенных вокруг продольной оси в плотноупакованном двухмерном массиве.

Другие аспекты настоящего изобретения можно оценить по отношению к среднему уровню техники после прочтения и понимания приведенного ниже подробного описания.

Изобретение может быть реализовано в виде различных компонентов и компоновок компонентов, а способ исполнения - с помощью различных этапов и комбинаций этапов. Чертежи предназначаются лишь для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не подлежат толкованию как ограничение изобретения.

Фиг.1 - устройство для стимуляции.

Фиг.2 - часть проводника для стимуляции.

Фиг.3 - распределение поля, генерируемого устройством для стимуляции.

Фиг.4A и 4B - схемы электростимуляции.

Фиг.5A и 5B - схемы изменяющейся во времени электростимуляции.

Фиг.6A, 6B и 6C - схемы изменяющейся во времени электростимуляции.

Фиг.7A, 7B и 7C - схемы изменяющейся во времени электростимуляции.

Фиг.8A и 8B - схемы изменяющейся во времени электростимуляции.

Фиг.9A и 9B - перспективный вид и вид поперечного сечения стимулирующего проводника соответственно.

Фиг.10 - вид поперечного сечения, представляющий конструкцию стимулирующего проводника.

Фиг.11 - способ стимуляции.

Со ссылкой на фиг.1, вводимый проводник 102 для стимуляции ткани имеет дистальный конец 104, продольную ось 106, проксимальный конец 108 и корпус 110. Как проиллюстрировано на фиг.1, корпус 110 главным образом имеет цилиндрическую внешнюю форму.

Чтобы облегчить позиционирование проводника 102 около его продольной или z-оси 106, по меньшей мере часть проводника 102 несет координатную метку или метки 122, которые служат для определения угловой ориентации проводника 102. Как проиллюстрировано на фиг.1, проксимальная часть корпуса 110 содержит плоский срез, паз, маркировку или другой вращательно-асимметричный идентификатор, который облегчает визуальное или тактильное определение угловой ориентации проводника 102.

Дистальный конец 104 проводника 102 вводится или иным образом устанавливается рядом с представляющей интерес тканью или заданной зоной 111, например, в мозг, позвоночник или мышечную ткань. Проводник 102 также несет массив электродов 112, располагающихся около дистальной части корпуса 110. Электроды 112 могут содержать стимулирующие электроды, электроды обнаружения сигнала, электроды двойного назначения или желаемые сочетания из названных.

Дополнительно, со ссылкой на фиг.2, электроды 112 скомпонованы в двухмерный (2D) плотноупакованный массив, имеющий множество расположенных под углом с интервалами столбиков 113 и расположенных в продольном направлении с интервалами рядов 115. Соседние столбики 113 смещены в z-направлении на половину продольного шага массива электродов 112. Соседние ряды 115 также смещены под углом на половину углового шага массива электродов 112.

Угловое положение каждого электрода 112 может быть выражено через цилиндрическую систему координат, в которой по отношению к продольной оси 106 определяется продольное положение Z, угловое положение θ и радиальное положение R. В этой связи следует заметить, что электроды 112 и координатная метка (метки) 122 имеют известную угловую связь. В примерном варианте осуществления изобретения с цилиндрическим проводником электроды 112 обладают общим радиальным положением R.

Как показано, электроды 112 в общем случае имеют шестигранную форму и, таким образом, характеризуются шестикратной симметрией относительно своих соответствующих центров формы 117. Как будет подробнее описано ниже, электроды 112 могут приводиться в действие в соответствии с многообразными схемами электростимуляции, чтобы обеспечить управляемое регулирование стимулирующим электрическим полем 118 как по времени, так и по трем пространственным координатам.

Электрические и механические соединения между проводником 102 и внешней средой осуществляются через проксимальный конец 108. Генератор 116 стимулирующих сигналов подает электрическую энергию к электродам 112, чтобы в заданной зоне 111 генерировать желаемое стимулирующее электрическое поле 118. Детектор 120 сигналов обеспечивает необходимое усиление, нормирование сигнала и другие функции при получении сигналов от электродов 112. В одном варианте осуществления некоторые или все электрические схемы, применяемые для осуществления стимуляции и/или восприятия сигналов, интегрируются в проводник 102. В другом варианте осуществления электрическая схема содержится в генераторе 116 сигналов и/или в детекторе 120 сигналов или в промежуточном расположении. В этой связи следует заметить, что размещение схем усиления и других схем нормирования сигналов относительно близко к электродам 112 ведет к снижению действия электрических помех.

Устанавливаемый дополнительно мультиплексор 114 сигналов уплотняет электрические сигналы, возникающие между электродами 112, генератором 116 стимулирующих сигналов и/или детектором 120 сигналов. Мультиплексор 114 сигналов и другое желаемое оборудование для нормирования сигналов, контроллеры и соответствующие схемы могут переноситься проводником 102, это может быть внешний монтаж поблизости от проводника 102 или монтаж рядом с генератором 116 стимулирующих сигналов или детектором 120.

На фиг.3 представлены результаты стимуляции, показывающие стимулирующее электрическое поле 302, сгенерированное, когда проводник 102 имеет ряды, содержащие двенадцать (12) электродов 112, расположенных с равными интервалами по окружности (то есть электроды располагаются, например, под углом 30° между центрами). Следующие ряды повернуты на пятнадцать градусов (15°) по окружности, что формирует шестигранный рисунок вокруг проводника 102. Центральный электрод 112_C предназначен для катодной стимуляции, а шесть (6) окружающих электродов 112_A - для анодной стимуляции с 1/6 катодной амплитуды (поэтому сумма катодной и анодной амплитуд равна нулю).

Таким образом, катодный электрод 112_C может рассматриваться как стимулирующий электрод, а анодные электроды 112_A - как экранирующие электроды. Если подробнее, то поле, генерируемое анодными электродами 112_A, служит, чтобы ограничивать стимулирующее поле, генерируемое катодным электродом 112_C, до зоны, меньшей, чем та, которая бы охватывалась в противном случае.

Хотя на фиг.3 показано распределение поля 302 в азимутальной плоскости, специалисты данной области техники поймут, что стимулирующее поле распространяется также в z-направлении.

Пространственное распределение стимулирующего поля может изменяться при изменении соответствующих электрических импульсов, подаваемых на различные электроды 112. Например, соответствующие электрические импульсы, подаваемые на анодные электроды 112_A, могут варьироваться, чтобы обеспечивать другие распределения симметричного или асимметричного поля 302 более низкого порядка. Если смотреть с точки зрения проводника 102, изменение соответствующих электрических импульсов изменяет пространственное распределение поля как в угловом, так и в продольном направлениях. Изменение величины электрических импульсов, подаваемых на различные электроды 112, также изменяет распределение в радиальном направлении. Таким образом, характеристики формирования поля электродов 112 могут использоваться для обеспечения управляемого регулирования стимулирующего электрического поля 118 по трем пространственным координатам.

Пример схемы для биполярной электростимуляции с множеством катодных или стимулирующих электродов 112_C схематично приведен на фиг.4A. Как показано, катодные электроды 112_C взаимодействуют с анодными или экранированными электродами 112_A, чтобы генерировать стимулирующее электрическое поле 402, главным образом имеющее случайную форму.

Пример монополярной схемы для электростимуляции с множеством катодных или стимулирующих электродов 112_C схематически показан на фиг.4B. Как проиллюстрировано, катодные электроды 112_C генерируют стимулирующее электрическое поле 404, которое характеризуется вращательной симметрией вокруг продольной оси 106 проводника.

Для обеспечения регулирования поля во времени могут также использоваться различные монополярные и биполярные схемы для электростимуляции изменяющегося во времени действия.

На фиг.5 показан первый пример схемы для электростимуляции изменяющегося во времени действия, где фиг.5A отражает ситуацию, когда электрический импульс приложен к различным электродам 112 в момент времени t₀, а фиг.5B показывает, когда электрический импульс приложен к различным электродам в момент времени t₁. Очевидно, что последовательность электростимуляции может повторяться желаемым образом, то есть стимулирующее поле поочередно будет занимать первое и второе положения по отношению к продольной оси 106 зонда. При этом быстро могут быть разработаны комбинации схем электродов и временных этапов, позволяющие генерировать ротационное поле возбуждения. Следует отметить, что в проиллюстрированном примере некоторые из электродов 112_N по существу не являются возбужденными и, следовательно, не оказывают стимулирующего или экранирующего действия на возникающее стимулирующее поле. Также следует отметить, что рисунок стимулирующего поля имеет вращательную симметрию.

Другая схема изменяющейся во времени биполярной электростимуляции показана на фиг.6, где фиг.6A отражает ситуацию, когда электрические импульсы приложены в момент времени t₀, фиг.6B - когда электрические импульсы приложены в момент времени t₁, фиг.6C - когда электрические импульсы приложены в момент времени t₂, и т.д. Следует отметить, что результирующее стимулирующее поле опять имеет вращательную симметрию.

Еще один пример схемы изменяющейся во времени биполярной электростимуляции показан на фиг.7, где фиг.7A отражает ситуацию, когда электрические импульсы приложены в момент времени t₀, фиг.7B - когда электрические импульсы приложены в момент времени t₁, фиг.7C - когда электрические импульсы приложены в момент времени t₂, и т.д. Следует отметить, что результирующее стимулирующее электрическое поле имеет как вращательную, так и продольную асимметрию.

Еще один другой пример схемы изменяющейся во времени биполярной стимуляции показан на фиг.8A и 8B для моментов времени t₀ и t₁ соответственно. Следует отметить, что результирующее стимулирующее электрическое поле имеет вращательную, но не продольную симметрию. Последовательность может также повторяться для того, чтобы обеспечить стимулирующее поле, также при дополнительных продольных положениях.

Выше приведено лишь несколько примеров возможных схем статической и повременно изменяющейся электростимуляции и результирующие стимулирующие поля, которые, как и другие схемы биполярной и/или монополярной электростимуляции, могут применяться для генерирования стимулирующих электрических полей, главным образом, случайной пространственной и/или временной протяженности. В связи с этим следует заметить, что изменяющиеся во времени стимулирующие поля могут также генерироваться путем изменения величины и/или характера соответствующих электрических импульсов, прикладываемых к одному или нескольким катодным 112_C или анодным 112_A электродам. На фиг.3, например, электрический импульс, приложенный к одному или более анодным электродам 112_A, может изменяться так, что стимулирующее поле приобретает «лепесток» или «протуберанец», который вращается вокруг центра формы 117 катодного электрода 112_C. В другом варианте величина электростимуляции может изменяться, чтобы варьировать пространственной протяженностью стимулирующего поля во времени. Разумеется, как абсолютная, так и относительная электростимуляция могут изменяться вместе скоординированным или иным желаемым образом.

В еще одном варианте осуществления изобретения изменяющиеся во времени электрические импульсы могут прикладываться с относительно высокой частотой, чтобы модулировать протяженность стимулирующего поля и, следовательно, приблизительно равняться стимулирующему полю, которое иным образом будет недостижимо при заданной конфигурации электрода 112. Указанного можно достичь, например, за счет усредненного по времени эффекта изменяющейся во времени картины возбуждения на стимулируемой ткани. Основное преимущество подобного способа модуляции заключается в том, что можно получить относительно высокие пространственные разрешения. В перспективе желаемое пространственное разрешение можно получить, имея соответствующим образом упрощенный проводник 102.

Следует заметить, что хотя полярности различных электродов 112 описаны в контексте катодной стимуляции, распределения полей одинаковой, но противоположной полярности может быть получено изменением полярности прикладываемого электрического импульса на противоположную.

Возможны и другие конфигурации проводника 102 и электрода 112. Так, корпус 110 может иметь различные некруглые формы сечения, либо с вращательной симметрией, либо без нее. Электроды также могут иметь круглую, квадратную, сложную или иную не шестигранную форму. В одном варианте осуществления электроды 112 характеризуются n-кратной симметрией относительно своих соответствующих центров формы 117, где n - целое число, большее или равное трем (3). Различные ряды 115 и столбики 113 массива электродов 112 не обязательно будут смещенными. Электроды 112 могут быть также организованы в неупорядоченный массив, где, например, один (1) или более электродов 112 имеют различные формы, размеры или межэлектродные расстояния. В еще одном другом варианте одна или более конфигураций множественных электродов 112 могут повторяться.

На фиг.9A и 9B представлен пример проводника 102 с некруглым поперечным сечением. Как показано, корпус 110 в основном имеет звездообразное или крестообразное внешнее поперечное сечение. Также, как показано, электроды 112 имеют круглую форму, ряды и столбики массива не смещены.

Координатные метки 122 также могут принимать различную форму. Так, дистальная часть 104 проводника может также характеризоваться вращательной симметрией. Так как дистальная часть 104 обычно вводится в ткань 111 пациента, а значит не может быть видима при применении, координатная метка (метки) 122 предпочтительно выполняется так, чтобы быть видимой при использовании желаемого способа (способов) визуализации, например, в рентгеновских лучах, с помощью компьютерной томографии, магнитного резонанса или радионуклидной визуализации. Следовательно, дистальная часть 104 может содержать одну или более плоских, желобковых зон, зон с выемкой материала или т.п. Проводник 102 может также содержать одну или более зон с материалом, который характеризуется относительной контрастностью (в большую или меньшую сторону) при применении желаемого способа (способов).

Координатная метка (метки) 122 может также использоваться для облегчения позиционирования проводника в стереотаксической наголовной рамке или другом внешнем удерживающем устройстве. В соответствии с подобным расположением проксимальная часть 108 проводника 102 содержит паз, канавку, прорезь и т.п., куда входит соответствующий элемент внешнего удерживающего устройства. Для обеспечения гибкости позиционирования или проводник 102, или удерживающее устройство, или обе конструкции вместе могут быть выполнены так, чтобы у пользователя была возможность избирательно, по желанию, регулировать положение проводника 102. В качестве альтернативы механическим способам позиционирования можно использовать различные сенсорные способы нанесения координатных меток, например оптические, магнитные, электрические, химические и др.

На фиг.10 изображен пример конструкции проводника, которая обеспечивает улучшенную интеграцию электродов 112 и электрических схем. Электроды 112, которые изготавливаются из платины, платино-иридиевого сплава, платиновой черни или другого известного биологически совместимого материала, переносятся гибкой подложкой 1002 схемы. Подложка, изготавливаемая из полиамида, поликарбоната, полиэфира или другого подходящего материала, также переносит токопроводящие дорожки, обеспечивающие требуемые электрические соединения с электродами 112.

Если проводник 102 содержит интегрированное электронное оборудование для нормализации, мультиплексирования, управления и других целей, то может быть использована гибкая монолитная схема 1003. Подробно описание такой платы изложено в патенте США № 6762510B2, выданном Фоку и др., под названием «Гибкая интегральная монолитная плата» (ссылка приводится для справки). Внутренние соединения между различными слоями обеспечиваются с помощью вертикальных соединений 1004 и/или проводных соединений 1006. Электроды 112 и электронная схема 1003 могут быть также скомбинированы на единой подложке.

Основным преимуществом подобной конфигурации является ее механическая гибкость, которая позволяет узлу следовать за изогнутой поверхностью. Также следует заметить, что электронные элементы могут применяться с использованием обычных жестких микросхем, которые подходящим образом электрически соединяются с подложкой 1002, например, с помощью вертикальных внутренних соединений и/или проводных соединений. Такая конфигурация особенно хорошо подходит для случаев, когда микросхемы достаточно малы в размерах, чтобы дать возможность подложке 1002 сформировать проводник, имеющий желаемый радиус или иную изогнутость.

Функционирование устройства будет описано ниже со ссылкой на фиг.11.

Проводник 102 вводится в заданную ткань на этапе 1102. Для полного использования преимущества возможности регулировать трехмерное пространственное поле проводника 102 проводник 102 преимущественно размещается в ткани, чтобы стимулировать ее окружение по меньшей мере в продольной части проводника. Тактильно, визуально или иным способом определяемая координатная метка 122, если таковая имеется, может применяться как средство позиционирования в окружном направлении. Позиционирование можно также обеспечивать с помощью стереотаксической рамки или другого позиционирующего устройства, после чего проводник запирается или иным образом фиксируется в нужном положении.

Положение проводника 102 по желанию проверяется или регистрируется на этапе 1104. Если проводник 102 содержит координатную метку (метки) 122, которая видима при способе визуализации, то положение может быть проверено с использованием подходящей визуализирующей проверки. Положение можно также проверить путем возбуждения одного или более электродов 112 и наблюдения за реакцией с использованием функционального способа визуализации, например функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI) или позитронно-эмиссионной томографии (PET). Если проводник 102 содержит один или более специальных или мультиплексных чувствительных электродов, биологические сигналы, воспринимаемые электродами, могут также использоваться для понимания или проверки положения проводника 102. Следует понимать, что определение продольного и окружного положений проводника 102 дает абсолютное положение каждого электрода 112 по отношению к строению тела пациента. Эта информация может использоваться для выбора оптимальной картины стимуляции.

Желаемая электростимуляция реализуется на этапе 1106, чтобы генерировать желаемое стимулирующее поле. Как указано выше, стимуляция может быть, главным образом, статичной и не зависящей от времени; может также применяться электрический импульс, изменяющийся во времени.

Если проводник 102 содержит один или более специальных или мультиплексных чувствительных электродов, биологические сигналы могут также обнаруживаться и/или отслеживаться на этапе 1108.

На этапе 1110 при желании повторяются этапы позиционирования 1104, стимуляции 1106 и обнаружения 1108. Следует заметить, что различные этапы можно исполнять в желаемом порядке, некоторые или все могут также выполняться одновременно.

Настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. После прочтения и понимания приведенных описаний возможны его модификации и изменения. Предполагается, что изобретение содержит все подобные модификации и изменения в тех пределах, которые входят в объем изобретения, охватываемый формулой изобретения и ее пунктами.

Реферат

Изобретение относится к устройствам и способам для нейростимуляционной терапии. Устройство для стимуляции тканей содержит вводимый в ткань проводник для стимуляции, имеющий продольную ось, множество электродов, переносимых проводником и расположенных вокруг продольной оси в двухмерном плотноупакованном массиве, имеющем множество расположенных под углом с интервалами столбиков и расположенных в продольном направлении с интервалами рядов, координатную метку, переносимую проводником, определяющую угловую ориентацию проводника. Стимулирующее поле, генерируемое множеством электродов, является управляемым по меньшей мере по трем измерениям и формируется согласно схеме пространственно- и повременно-измененяемой электростимуляции. Во втором варианте выполнения устройства проводник для стимуляции имеет внешнее поперечное сечение с вращательной симметрией. Способ стимуляции тканей заключается во введении проводника для стимуляции в представляющую интерес ткань и приложении электрического импульса к первому стимулирующему электроду, чтобы генерировать стимулирующее электрическое поле. Изменением электрического импульса, прикладываемого по меньшей мере к первому и второму экранированным электродам изменяют распределение стимулирующего электрического поля по трем пространственным измерениям. Использование изобретения позволяет улучшить позиционирование проводников. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула