专利名称：神经刺激系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括多个刺激电极的神经刺激系统，尤其是中枢
神经系统刺激(CNSS)或深部脑刺激(DBS)系统。而且，它还涉及一 种控制这种DBS系统的方法。
背景技术：
对一些神经错乱症而言， 一种可能的疗法是通过植入电极对脑区 域进行电刺激。W02005/039694 Al公开了 一种包括多个生物相容性电 极的大脑电刺激设备，每个电极带有一些有源区，其中所述有源区能 够通过换向设备被有选择地连接到承载刺激脉冲的线缆。如果有必 要，可以修改该换向设备的连接样式以在外科手术期间或者之后调整 刺激的位置。但是，在该设备的正常操作期间，连接样式是固定的， 并且电脉冲仅被提供给所有可用的有源区的子集。
发明内容
在此背景基础上，本发明的目的是提供用于改进神经刺激系统，尤 其是CNSS或DBS系统的电生理学效率的装置。
此目的是通过根据权利要求1的神经刺激系统和根据权利要求15的 方法实现的。从属权利要求中公开了优选实施例。
根据本发明的神经刺激系统适用于神经刺激，尤其用在中枢神经系 统(CNS)中且最优选地适用于深部脑剌激(DBS)。它包括下面的特征 组件
a)以空间阵列设置的多个刺激电极。在本申请的环境中，术语"阵 列"将表示多个单元的任意二维或三维设置。这种阵列的单元将经常以 规则样式(例如栅格或矩阵样式)被设置。在其他应用中，这些单元彼 此可以不具有特定的或者规则的空间关系，就像是例如被植入脑部的两 个不同半球中的DBS电极的情况那样。在神经刺激系统应用期间刺激电 极用于对神经组织进行电刺激并且优选地由生物相容性金属制成。可以有不同的电极形状，例如在某种载体周围以环形延伸的电极或者所谓的 定向电极，借以使每个定向电极仅跨越有限角度，从而允许电刺激被更
集中地运送到组织。刺激电极的典型数目的范围是从2个电极到500个 电极。
b)用于对向所有刺激电极的不同子集连续供应电脉冲进行控制的控 制器。该些子集可以可选地仅包括一个电极，或者它们可以包括多个电 极。优选地，每个刺激电极将是一个且仅一个子集的成员。而且，术语
"脉冲，，将在广义上被理解成任意形状但具有有限时间跨度的电信号。 典型地，脉沖将具有从零上升到峰值然后返回到零的形状，就像是例如 矩形或钟形脉冲的情况那样。具有相反极性相位的脉冲或波形也是可能 的，例如双相务Pt。
此外，应当注意的是，可以可选地通过线缆、无线电链路、光学地 或以任何其他机械的、流电的或无线的方式将控制器连接到刺激电极。
神经刺激系统将典型地一至少部分地一是可植入的和生物相容性 的、具有足够的电源(优选地是可充电的)等等。本领域技术人员知悉 这些要求并因此在下面没有明确地提及。
所提出的神经刺激系统具有通过使用剌激电极的空间阵列来刺激大 体积神经组织的优点。而且，系统允许这样的刺激方案其中并不同时 激活所有可用的剌激电极，而是其中这些电极的不同子集是一个接着一 个被激活的。在刺激模型和实践中的验证表明这种方法令人惊讶地产生 了更高的效率并且能够增加^皮刺激神经组织的体积。
神经刺激系统的控制器通常包括用于生成随后被提供给刺激电极的 电脉冲的被称作"脉冲发生器"的电子单元。在所提出的神经刺激系统 中， 一个这样的脉冲发生器原则上可以针对每个刺激电极呈现，以允许 向每个电极提供单独的脉冲样式。
然而，在神经刺激系统的优选实施例中，控制器包括至少一个用于 生成电脉冲的脉冲发生器和用于以定时方式将由所述脉冲发生器生成的 电脉冲分布到电极的至少一些子集的脉冲分布设备。通过使用脉冲分布 设备，脉冲发生器的输出能够被一些刺激电极所共享。这减少了硬件的 花费并且因此减少了成本并使神经刺激系统的更紧凑设计成为可能。而 且，脉冲发生器能够提供的电功率完全可用于此刻被选择的刺激电极的 子集。与此相反，所有刺激电极的同时激活将给单个的电极留下相对较
5少的功率。
如果能够使用不同的脉冲发生器向不同电极子集发送带有可能不同 的特征的脉沖串，就能达到一种非常灵活的刺激。通过提供多个脉沖发 生器，这能够在第一实施例中实现，其中这些脉冲发生器的每一个都关 联于特定的脉沖分布设备。在可替换的实施方式中，神经剌激装置包括 多个脉冲发生器，并且该(至少一个)脉冲分布设备能够将不同的脉冲 发生器耦合到所有刺激电极的不同子集。因此单个脉冲分布设备可以例
如具有n个(脉冲发生器的数目)输入和m个(电极的数目)输出，其 中n个输入的任意一个都独立地被耦合到m个输出的任意子集。
脉冲分布设备可以用一些方式来实现，例如以下方式 (1)脉沖发生器到刺激电极的子集的近乎不变的路由，其中脉冲发 生器依次地"生成脉冲"。
(2 )将由脉冲发生器生成的脉沖动态地分布到不同刺激电极以便于 电极的一次有一个且仅一个子集被激活的多路复用单元。
(3)"通道化的"多路复用单元，通过该单元，脉冲发生器的输出 被动态地多路复用到有限数目(例如4， 8个，等等)的"通道"并且其 中这些通道的每一个都被连接到刺激电极的子集。这种解决方案(因为 子集将典型地被固定的或者仅仅过一会儿被改变一次，例如在医生观察 期间)具有在多路复用器中需要较少的切换从而节省电力的优点。
神经刺激系统的控制器适于向所有剌激电极的不同子集顺序地提供 电脉冲。 一般地，子集被选择用以接收脉沖的顺序以及甚至从所有剌激 电极到子集的分割都是不断改变的。提供有电脉沖的刺激电极可能例如 是从所有刺激电极的集合中随机选择的。但是，在优选实施方式中，控 制器适于将电脉冲循环往复地施加到刺激电极的(固定的)子集。这意 味着刺激电极的子集具有这样的顺序其中它们被选择用以接收电脉冲 并且在所有子集已经被选择过一次以后从该顺序的第一子集重新开始该 选择。如果以不变的频率F生成所述被分布的电脉沖并且如果N个子集 可供选择，那么刺激电极的每一个单个的子集将以频率f-F/N接收脉 冲。这保证了对周围神经组织的最优刺激条件。
神经刺激系统的控制器可以优选地适于向不同的刺激电极提供不同 波形的电脉冲。因此刺激电极的每个子集都能接收它自己的特定刺激波 形/脉沖。而且，能够对在子集中的刺激电极施加不同的电流/电压水平以形成给定子集的激活体积。
在本发明的优选实施方式中，神经刺激系统包括多个以空间阵列设 置并且每个承载至少一个刺激电极的探针。这些探针典型地具有由柔性 的、生理相容性的以及电绝缘的材料(例如由聚酰亚胺、或聚氨酯和硅 聚氨酯共聚物)制成的细长探针体。探针的典型数目的范围是两个到十 个，每个探针具有一个到约五十个刺激电极。
下面描述了前面提及的带有探针的神经刺激系统的不同变型。 原则上，可能的是，被同时激活的刺激电极的子集包括来自不同探
针的电极；所述子集可以例如包括来自每个探针的一个电极。但是，在 优选实施例中，每个子集仅包括来自 一个相关联探针的多个刺激电极 (或者就一个刺激电极)。在给定的时间点，只有特定探针周围的组织 将被随后刺激。
在优选实施例中，探针具有轴向延伸并且被彼此(相对于所述的轴 向延伸)平行地设置。随后探针能够通过沿着它们的轴的移动被同时插 入到脑组织中，并且探针能够可选地^皮安装在共同的载体上。
在另 一个实施例中，刺激电极的子集被设置成使得该些子集的激活 体积以没有或只有一点(例如小于10%)重叠的方式接触，其中一组电 极的"激活体积"被定义为在所述电极周围的体积，在所述体积中神经 组织受到(典型的)通向电极的电脉冲的极大影响(例如去极化)。如 果它们的激活体积相接触，刺激电极的子集有效地定义了能够被神经刺 激系统控制的脑组织的更大的、连接的体积。在该设计的特别实施例 中，每个子集的所有刺激电极都可以被定位到一个相关联的探针上。
在轴向延伸的平行探针的情况中，能够定义探针的直径，其垂直于 它们的轴向延伸而被测量。在神经刺激系统的优选实施例中，探针随后 以彼此间隔一段距离进行设置，所述距离相应于探针直径的1倍到10 倍。
而且，探针优选地分布在约20腿2到约400mi^的(垂直于它们的轴 向延伸而测量)面积上。
探针的优选空间设置是规则的样式，例如其中探针位于角落处以及 可选地在矩形的中间的样式。可替换地，能够使用三角形或六边形的样 式。
本发明进一步涉及一种用于对神经刺激系统的以空间阵列设置的多个刺激电极进行控制的方法。该方法包括下面的步骤
a) 生成电脉冲序列。
b) 将所述脉沖顺序地分布到刺激电极的不同子集。 本方法总体上包括能够用如上所述的那样的神经刺激系统执行的
步骤。因此，参考前面的描述，能够得到这种方法的细节、优点和改 进的更多信息。
参照下面所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易 见的并被阐明。将借助附图通过举例的方式描述这些实施例，其中 图1示意性地示出根据本发明的系统的深部脑剌激应用； 图2更详细地示出图1的DBS系统的电极设置； 图3示出像图2那样设置的所有刺激电极的同时激活的仿真结
果；
图4仅示出单个电极的刺激的仿真结果；。
图中相同的参考数字表示相同的或类似的组件。
具体实施例方式
对中枢神经组织施加小的电刺激的有益治疗效果已经被Benab id 与同事(Grenoble)于二十世纪八十年代发现。将所谓的高频电剌激
(130Hz， -3V， 60jis，典型的刺激参数)施加到丘脑结构可以减轻帕 金森氏症(PD)患者和原发性震颤(ET)患者的震颤。在往后的几年 中，已经识别出导致PD患者的生命质量显著改善的深部脑刺激
(DBS)的其他目标(例如苍白球，GPi以及下丘脑核STN的内部片 段)。而且，针对像癫痫和抑郁那样的其他神经错乱症而使用DBS正 在被检验。
下面将针对DBS的应用描述根据本发明的神经刺激系统。但是应 当注意的是，本发明不限于这种情况而且它也能够被应用到神经刺激 的其他领域。
图1示出了典型的DBS系统IOO且该系统包括
-在外科手术时被植入到患者1的锁骨之下并提供必要的电压脉 冲的纟皮植入的控制器110，
8-与控制器110连接并且沿着颈部在皮下延伸到颅骨的延长线缆
120，其中它在连接器中终止，以及
-通过在颅骨钻孔引流而被植入到脑组织中的DBS探针设置130。 一种改进治疗功效的可能方法是增加用于施加刺激的电极和/或探
针(承载电极的实体)的数目。通过覆盖更大体积的组织，更多的症
状能够被更有效地治疗，同时通过不向不必要的位置传送刺激而减少
副作用。
但是，正如模型计算显示的那样，分布在组织的体积内的多个电 极到被植入的脉冲发生器的输出的平行连接不会导致刺激功效的成比 例增加。有效的是，用这种方式，每个电极所刺激的体积减少了。结 果，如果一个人将脉沖发生器的输出分布在N个电极上，那么被刺激 的组织体积的增加就明显小于N倍。
在此提出的这个问题的解决方案包括将刺激电极以顺序的方式连 接到脉冲发生器的输出。这例如是这样实现的
1. 以频率N'f驱动脉冲发生器，其中N是用于施加刺激的电极或者 (同时处理的)电极的子集的数目并且f是所需的治疗刺激频率。
2. 对每个脉冲将脉冲发生器的输出路由到不同的电极或者电极的 子集。
图2说明了用于特别实现图1的DBS系统100的这种原理。在所 示的情况中，DBS系统100包括以z-方向轴向延伸的并且以规则的样 式被彼此平行设置的五个探针131的空间样式或阵列130。每个探针 131承载多个(在所示的实例中为四个)沿着探针的轴向延伸以等距离 彼此间隔分布的环形刺激电极132。在所示实例中，这五个探针131被 设置在典型的8到12mm的边长的正方形的角落处和中间，并且探针具 有约1. 27mm的典型直径。刺激电极132具有约1. 5mm的典型高度并且 以彼此典型地约0. 5mm的等距离间隔沿着探针的轴向延伸而分布。
探针131的剌激电极132通过线120被电连接到控制器110，其将 刺激脉冲分布在根据本发明的各种刺激电极之上。控制器包括至少一 个脉冲发生器112和一个多路复用单元111。该控制器优选地被包括在 第一密闭生物相容性的容器中。多路复用单元111可以被物理地定位 在所述第一容器之内。但是，多路复用单元还可以被定为在所述第一 容器外边并且被集成到第二密闭生物相容性容器中，例如在连接到探针的延长线缆上的容器中。
脉冲发生器112将电脉冲提供到多路复用单元111的输入。控制
在所示的实例中，单个探针131的所有四个刺激电极132都经由相同 的线缆被连接到多路复用单元111的相同输出。多路复用单元111在 其输入处被连接到脉冲发生器112，其提供带有频率N'f (在此N=5) 的矩形脉冲序列。多路复用单元111将这些脉冲分布到其不同的输 出，即分布到探针阵列130的不同的刺激电极132。
可以实现不同于所示连接方案的其他连接方案，例如将每个单个 的刺激电极连接到单独的输出和/或将几个探针的刺激电极连接到一个 输出。而且，应当注意的是，图2的意图是仅描绘功能而不是控制器 110的实际空间设计。因此，例如，可能的是多路复用单元111实际上 被定位于紧邻探针131并且经由(单个的)线缆被连接到被植入在一 段距离以外的脉冲发生器112。
所述DBS系统100产生了类似于常规情况的每电极的刺激体积；N 倍分布的剌激将因此导致被激活的组织体积产生(约)N倍的增加。
图3和4用计算机仿真结果说明了所提出的DBS系统的优点。图3 示出对于像图2那样的体积DBS电极设置的经过计算的电压轮廓和激 活功能分布，其中假设所有的电极都同时(！)在-lV。左上图a)示 出了在10xl0mm2轴向(xy)平面内通过探针阵列中心的电压(U)分 布。右上图b)示出了在5x5mm'轴向(xy)平面内沿着垂直方向延伸 的纤维的激活功能(AF)。左下和右下图c)和d)分别在x和y方向 示出水平纤维的激活功能。在AF图中所绘的线指示AF等于-40mV，-20mV, OmV， 20mV，和40mV的边界。
这些曲线图示出并非所有在电极之间的组织都被激活并且还示出 总共处理的体积增益^f艮小。
图4以对应于图3的的表示法示出了 (常规的)单个电极DBS电
压分布和在轴向平面内的激活样式，其中电极在-iv幅度处。
才艮据图3和4中所示的两个实例的计算，与单电极DBS相比，能 够得出下面的关于用于5个均各自承载有4个同时电极剌激的圆周电 极的平行探针的特定实例的体积DBS的结论
-体积DBS汲取5-8倍的更多电流；-激活的总体积增加4倍；-每电极的激活体积减小5倍；-激活体积与解剖学形状不匹配；-中央区域几乎没有被刺激；-刺激限定在阵列的边缘。
可以设想在体积DBS系统的相对较差性能背后的物理原因是每电极的电流变弱，尤其是在中央电极处，以及场梯度的减少，同样尤其是在阵列的中央。
如果应用了上面提出的刺激样式，即一次仅将脉冲发送到一个电极/探针或者电极的子集，就能够避免所有这些缺点，其中不同子集(该些子集被顺序地激活)的激活体积具有最优的重叠(该重叠可以例如对应于最小有效重叠)。
最后，应当指出的是在本申请中术语"包括"不排除其他元件或步骤，"一个"不排除多个，并且单个的处理器或其他单元可以实现一些装置的功能。本发明存在于每个新颖的特性特征以及特性特征的每个組合中。而且，权利要求中的附图标记不应当被解释为对它们的范围的限制。
ii
权利要求
1、一种神经刺激系统，包括a)以空间阵列设置的多个刺激电极(132)；b)对向所有刺激电极的不同子集顺序供应电脉冲进行控制的控制器(110)。
2、 根据权利要求1的神经刺激系统，其特征在于控制器(110)包括至少一个脉冲发生器(112)和用于 将由脉沖发生器生成的脉沖分布到不同刺激电极(132)的脉冲分 布设备(111)。
3、 根据权利要求2的神经刺激系统， 其特征在于它包括多个脉沖发生器(112)，每个都具有相关联的 脉冲分布设备。
4 、 根据权利要求2的神经刺激系统， 其特征在于它包括多个脉冲发生器(112)并且脉冲分布设备能够 将不同的脉冲发生器耦合到所有刺激电极(132)的不同子集。
5、 根据权利要求2的神经刺激系统， 其特征在于脉冲分布设备包括脉冲发生器到刺激电极(132)的子 集的不变的路由。
6、 根据权利要求2的神经刺激系统， 其特征在于脉冲分布设备包括用于将由脉冲发生器(112)生成的 脉冲多路复用到单独的刺激电极和/或到刺激电极U32)的子集的 多路复用单元(111)
7、 根据权利要求1的神经刺激系统，其特征在于控制器(110)适于将电脉冲循环往复地施加到刺激电 极(132)的子集。
8 、根据权利要求1的神经刺激系统，其特征在于控制器(110)适于将不同波形的电脉冲提供给不同的 刺激电极(132)。
9、 根据权利要求1的神经刺激系统， 其特征在于它包括多个以空间阵列(130)设置的并且每个具有至 少一个刺激电极(132 )的探针(131)。
10、 根据权利要求9的神经刺激系统，其特征在于每个子集包括仅来自一个相关联的探针(131)的刺激 电极(132)。
11、 根据权利要求9的神经刺激系统，其特征在于各探针(131 )具有轴向延伸并且相对于它们的轴彼此 平行地设置。
12、 根据权利要求1的神经刺激系统，其特征在于刺激电极(132)的子集被设置成使得它们的激活体积 相接触。
13、 根据权利要求9的神经刺激系统，其特征在于探针(131)被彼此间隔一距离设置，该距离对应于它 们直径的约50°/ 到约500%的值。
14、 根据权利要求9的神经刺激系统，其特征在于探针(131)被分布在约20咖2到约400咖2的面积之 上。
15、 一种用于对神经剌激系统的以空间阵列设置的多个刺激电极(132)进行控制的方法，包括a) 生成电乐t沖序列；b) 将所述脉沖顺序地分布到刺激电极的不同子集。
全文摘要
本发明涉及一种神经刺激系统，尤其用于深部脑刺激(DBS)，包括刺激电极(132)的空间阵列(130)和相关控制器(110)。该控制器(110)适于向刺激电极(132)的不同子集顺序地提供电脉冲。优选地，该控制器(110)包括单个的脉冲发生器(112)和用于将脉冲分布到不同的刺激电极的多路复用单元(111)。刺激电极(132)可以被优选地设置在探针(131)上。
文档编号A61N1/36GK101687097SQ200880024278
公开日2010年3月31日 申请日期2008年7月3日 优先权日2007年7月10日
发明者E·坎塔托尔, H·C·F·马滕斯, M·M·J·德克雷 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司