专利名称：神经刺激治疗的计划系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于计划神经刺激探头的植入的系统，该系统包括用于接收包括关于至少一个纤维束在目标区中的位置的信息的解剖数据的输入，用于接收包括关于该至少一个纤维束的刺激优选性的信息的治疗信息的输入，用于基于该至少一个纤维束的位置和刺激优选性来计算植入该神经刺激探头的最佳位置(在其处安置该探头来实现具有高刺激优选性的至少一个纤维束的刺激)的优化模块，以及用于提供该最佳位置的输出。
本发明进一步涉及用于计划神经刺激探头的植入的方法和计算机程序产品。
背景技术：
用于经由植入探头提供神经刺激的系统用于治疗例如慢性痛、帕金森病、震颤和张力失常的疾病。神经刺激用于刺激脑中的神经组织、脊髓和外周神经。在下面，将讨论脑组织的神经刺激。然而，根据本发明的系统和方法也可以用于例如脊髓和外周神经的神经刺激。探头用外科手术植入脑中，靠近要刺激的脑组织。当使用神经刺激时，刺激需要刺激的组织并且避免刺激其他附近的组织是重要的。探头的正确放置从而是成功的神经刺激治疗中的重要步骤。在用于计划探头的植入的已知系统中，例如磁共振成像(MRI)的成像技术用于使目标区可视化。外科医生设法定位需要刺激的结构并且设法限定外科手术计划来在识别的结构中植入探头。
在与本专利申请相同的申请人的未决的专利申请中，其具有申请号EPlO 159853.0(内部标号PH014693EP1)，描述用于计划神经外科手术操作的系统的示例。其中描述的系统使用不同的成像技术来确定避免关键性神经结构的外科手术轨迹。所述系统可以用于计划用于植入神经刺激探头的轨迹，但不可以用于确定成功神经刺激治疗的最佳位点。
设法刺激正确组织区的已知方式将植入具有多个电极的探头，并且仅选择这些电极的子集以便仅刺激特定组织区。这例如在US专利申请US 2008/0215125中描述。该US申请描述具有多个电极的探头，其靠近感兴趣区植入。电荷供应给这些电极的子集来选择性地刺激特定组织区。同样在US专利7，442，183中，激活多个电极的子集来将电场转向到目标区。在US 7，442，183中，注意到电极的子集的选择性激活使相对于目标结构的精确探头位点不那么重要。
尽管使用电极阵列确实实现将3D电场分布转向到特定组织区，可以形成的3D刺激模式的全范围仍然取决于探头的确切位置和取向。为了最佳的治疗交付选项和其的调谐灵活性，应该在治疗计划阶段中布置最佳的引导定位。
发明目的 本发明的目的是提供用于计划神经刺激探头的植入的系统，该系统允许该探头的更准确定位以便于改进神经刺激治疗。发明内容
根据本发明的第一方面，该目的通过提供用于计划神经刺激探头的植入的系统实现，该系统包括用于接收包括关于至少一个纤维束在目标区中的位置和取向的信息的解剖数据的输入，用于接收包括关于该至少一个纤维束的刺激优选性的信息的治疗信息的输入，用于基于该至少一个纤维束的位置、取向和刺激优选性来计算植入该神经刺激探头的至少一个最佳位置和至少一个最佳取向(在该最佳位置和取向该探头能够产生大致上平行于具有高刺激优选性的至少一个纤维束和/或大致上垂直于具有低刺激优选性的至少一个纤维束的电场梯度)的优化模块，以及用于提供该最佳位置和取向的输出。
根据本发明的计划系统对于计划神经刺激探头的植入不仅考虑目标结构的位置还考虑它的取向。尤其对于纤维束，相对于纤维束的取向的电刺激场的取向是确定神经刺激治疗的有效性的重要因素。尽管现有技术计划系统仅试图在特定目标位置刺激脑，根据本发明的计划系统还考虑目标纤维的方向和可以由神经刺激探头产生的电刺激场的梯度方向。要注意到根据本发明的计划系统还可用于计划两个或更多探头的植入。然而，在下面我们将假设仅植入一个探头。
已经发现当电场梯度平行或近似平行于作为目标的纤维束时最容易实现某些纤维的激活。纤维的选择性非激活利用垂直于或近似垂直于非作为目标的纤维束的电场梯度最容易实现。使用目前技术发展水平的成像技术，例如弥散张量成像(DTI)，识别单独纤维束和它们的位置与取向是可能的。优化模块使用该信息来确定最佳探头位置和取向。根据本发明的计划系统由此使产生具有(近似)平行于应该被刺激的纤维束并且(近似)垂直于不应该被刺激的纤维束的场梯度的电刺激场成为可能。
根据本发明的系统可包括成像设备并且可从由该成像设备获得的图像推导纤维束位置和取向。备选地，系统可从 外部源接收关于纤维束位置和取向的图像信息，或者包含纤维取向的脑图谱可记录到像MRI的解剖图像。
该系统还接收关于一个或多个纤维束的刺激优选性的信息。刺激优选性可例如提供为需要刺激用于获得期望的疗效的纤维束的简单列表。同样可提供不应该被刺激以便避免不利副效果的纤维束的列表。刺激优选性优选表达为指示要刺激的某个纤维束的期望水平的值。刺激优选性可通过用户选择应该(或不应该)被刺激的一个或多个纤维而获得。例如，诸如鼠标或操纵杆的指点装置可用于在目标区的显示图像中突出重要的纤维束。还可允许用户来指派刺激优选性水平给突出的纤维束。备选地，解剖信息可包括识别不同纤维束的信息，并且治疗信息可包括关于要刺激哪些纤维束的信息。系统然后可布置成选择需要刺激的纤维束。
优化模块使用采集的信息(具有纤维束的位置和取向的解剖信息和指示刺激优选性的治疗信息)来确定植入探头的最佳位置和取向。在探头的最佳位置和取向，刺激的疗效可最大化或者刺激治疗的不利副效果可最小化。在大多数情况下，探头的最佳位置和取向将提供最大化预期的积极效果和最小化预期的不利效果之间的平衡。优化模块还可提供多个最佳或接近最佳的位置和取向或适合位置和取向的范围而不是一个最佳位置和取向，。
如果要植入的探头是多电极探头，优化模块可考虑可以由多个电极产生的可能的3D电场分布。由于对刺激电极的分布的约束(例如，探头的几何形状，对可以安全植入的探头数量的限制)，不是所有的刺激场的3D配置都可以构建。例如，对于具有多个圆柱形电极的轴向成形的探头，控制平行于探头的轴的场梯度比控制垂直场梯度更容易。对于在圆柱形载体主体上承载(2D)电极阵列的探头，更多场配置变为可用。然而，由于在探头主体上放置电极不可避免的几何约束，仅在某些限制内的场梯度仍然是可能的。在根据本发明的系统中的优化模块可通过将刺激场可能的3D取向与应该(或不应该)被刺激的纤维束的位置和取向比较而解决这样的问题。
在输出，计划系统提供植入探头最佳的位置和取向。该信息可例如通过在目标区的图像上叠加探头的图形表示而提供。
根据本发明的第二方面，提供计划神经刺激探头的植入的方法。该方法包括以下步骤:接收解剖数据和治疗数据，计算植入探头的至少一个最佳位置和至少一个最佳取向，并且提供该最佳位置和取向。该解剖数据包括关于至少一个纤维束在目标区中的位置和取向的信息。该治疗信息包括关于该至少一个纤维束的刺激优选性的信息。植入该探头的最佳位置和取向的该计算基于该至少一个纤维束在目标区中的位置、取向和刺激优选性。在该最佳位置和取向，该探头能够产生大致上平行于具有高刺激优选性的至少一个纤维束和/或大致上垂直于具有低刺激优选性的至少一个纤维束的电场梯度。
根据本发明的另外方面，提供计算机程序产品用于使处理器执行上文描述的方法。本发明的这些和其他方面通过下文描述的实施例是明显的并且将参考下文描述的实施例阐明。
在图中: 图1示意示出根据本发明的计划系统并且 图2示出根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示意示出根据本发明的计划系统10。该计划系统10可由适当编程的个人计算机或由专用医疗系统实施。该计划系统10至少包括用于接收解剖和治疗信息的输入18和用于计算植入探头的最佳位置和取向的优化模块。该优化模块可采用在处理器11上运行的软件实现。该系统10优选地包括或耦合于用户接口，用于允许用户控制计划过程。该用户接口可包括键盘和/或例如鼠标14的指点装置，以用于与在显示器13上显示的图形用户接口交互。该显示器13还经由输出19耦合于该处理器11。存储介质12也耦合于该处理器11并且可例如用于存储程序代码、配置数据`、医疗信息数据库或患者数据。该存储介质12还可包括计划探头的植入所需要的解剖数据和治疗数据。
系统10可包括或耦合于成像设备15以用于获得目标区的图像。那些图像可用于确定至少一个纤维束在目标区中的位置和取向。通常弥散张量成像(DTI)用于使纤维束可视化，但其他的成像技术也可能适合于根据本发明的计划方法。处理器11可配置成从图像推导纤维束的位置和取向。如果没有使用成像设备15，系统10可例如在输入18接收具有纤维束在目标区中的位置和取向数据的列表或数据库。下文中，参照图2阐述系统10如何用于计算植入探头的最佳位置和取向。
图2示出根据本发明的方法的流程图。该方法以输入步骤21开始。系统10接收解剖信息30和治疗信息40。该解剖信息30可采用纤维束31在目标区中的图像的形式，或可只是描述纤维束位置和取向的数据。如果解剖信息30采用图像的形式提供，纤维束位置和取向可由专用图像识别软件确定。解剖信息30可涵盖例如更大的脑区，从而允许用户选择目标区。选择该目标区可例如使用指点装置14进行以选择解剖信息30可用的区的2D或3D图形表示的部分。
治疗信息40包括关于特定纤维束31的刺激优选性的信息。治疗信息40可以是症状有关的并且从例如具有医疗信息的数据库推导。备选地，对于用户指示应该刺激哪些纤维束31和不应该刺激哪些可以是可能的。刺激优选性可以是指示‘刺激’或‘无刺激’的二进制值，但也可以是在从‘刺激高度优选’变化到‘绝对无刺激’的范围上的连续或离散值。当解剖数据31和治疗数据40组合时，组合的数据50包括关于纤维束31的列表或数据库，具有对每个纤维束的位置、取向和刺激优选性。要注意到纤维束30不是均匀厚度的直线。输入数据优选描述纤维束30的完整轨迹。纤维束30的不同部分可具有不同的取向或形状。纤维束30的刺激优选性也可沿纤维束30变化。纤维束30的刺激可取决于纤维束30的直径。在图2中，组合的数据通过突出应该刺激的纤维束32和优选对其避免刺激的纤维束33而可视化。这样的可视化也可在系统10的显示器13上提供。
在优化步骤22中，组合的数据50用于计算一个或多个探头的最佳位置和取向。在探头的最佳位置和取向，刺激的疗效可被最大化(图2中的探头35)，或者刺激治疗的不利副效果可被最小化(图2中的探头34)。在大多数情况下，探头的最佳位置和取向将提供最大化预期的积极效果和最小化预期的不利效果之间的平衡。因为纤维束31可在不同位置具有不同的取向，最佳探头位置可靠近要刺激的纤维束32的段，该段垂直于不应该被刺激的附近纤维束33。
对于目标纤维32的最佳刺激，探头靠近要刺激的束32放置。如果探头更靠近纤维，电刺激场可以不那么强并且减少由附近纤维束的刺激引起的不利效果的机会。纤维束趋向于在中央比靠近末端更窄。当探头用于在直径相对小的地方刺激纤维束时，需要不那么强的电刺激场。
如果要植入的探头是多电极探头，优化步骤22可考虑在植入后可以产生的可能的3D电场分布。由于对刺激电极的分布的约束(例如，探头的几何形状，对可以安全植入的探头数量的限制)，不是所有的刺激场的3D配置都可以构建。优化步骤22从而可将刺激场可能的3D取向与应该(或不应该)被刺激的纤维束的位置和取向比较。
在输出步骤23中，提供优化步骤22的结果。最佳位置和取向可例如提供为具有关于最佳位置和取向的信息的数据文件。这样的数据文件可在用于监测所述探头或多个探头的实际植入的系统中用作输入。计划系统10的显示器13可示出与要植入的探头的图形表示互补的目标区的图像而不是计划系统10提供具有最佳位置和取向的数据文件。另外，容差范围可示出用于指示探头必须被放置得多准确。优选地，系统还配置成示出真实探头在植入期间的实际位置。这将允许外科医生将探头的实际位置和取向与计算的最佳探头位置比较。这可例如通过在目标区的实时图像上叠加对探头计算的最佳位置而实现。
将意识到本发明还扩展到计算机程序，特别在载体上或载体中的计算机程序，其适于将本发明付诸实践。该程序可采用源代码、目标代码、例如部分编译形式的代码中间源和目标代码，或采用适合在根据本发明的方法的实现中使用的任何其他形式。还将意识到这样的程序可具有许多不同的架构设计。例如，实现根据本发明的方法或系统的功能性的程序代码可细分成一个或多个子例程。 将功能性分布在这些子例程中的许多不同的方式对技术人员将是明显的。这些子例程可在一个可执行文件中存储在一起来形成自含程序。这样的可执行文件可包括计算机可执行指令，例如处理器指令和/或解释器指令(例如，Java解释器指令)。备选地，这些子例程中的一个或多个或全部可存储在至少一个外部库文件中并且与主程序静态或动态链接，例如在运行时间。该主程序包含对这些子例程中的至少一个的至少一个调用。同样，这些子例程可包括对彼此的功能调用。涉及计算机程序产品的实施例包括计算机可执行指令,其对应于阐述的方法中的至少一个的处理步骤中的每个。这些指令可细分成子例程和/或存储在可静态或动态链接的一个或多个文件中。涉及计算机程序产品的另一个实施例包括计算机可执行指令，其对应于阐述的系统和/或产品中的至少一个的部件中的每个。这些指令可细分成子例程和/或存储在可静态或动态链接的一个或多个文件中。
计算机程序的载体可以是能够承载该程序的任何实体或装置。例如，该载体可包括存储介质，例如ROM(例如CD ROM或半导体R0M)，或磁性记录介质(例如软盘或硬盘)。该载体还可以是可传送载体，例如可经由电缆或光缆或通过无线电或其他手段运送的电或光信号。当该程序采用这样的信号实施时，该载体可由这样的线缆或其他装置或部件构成。备选地，该载体可以是程序嵌入其中的集成电路，该集成电路适于执行相关方法，或用于在执行相关方法中使用。
应该注意到上文提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域内技术人员将能够设计许多备选实施例而不偏离随附权利要求的范围。在权利要求中，放置在圆括号之间的任何参考标号不应该解释为限制权利要求。动词“包括”和它的动词变化的使用不排除除在权利要求中陈述的那些之外的元件或步骤的存在。在元件前面的冠词“一(a)”或“一(an)”不排除多个这样的元件的存在。本发明可通过包括若干不同元件的硬件和通过适当编程的计算机实现。在列举若干部件的装置权利要求中，这些部件中的若干个可由一个和相同的硬件项目实施。仅仅某些措施在互相不同的从属权利要求中列举的事实不指示这些措施的组合不可以有利地使 用。
权利要求
1.一种用于计划神经刺激探头的植入的系统，所述系统包括: -用于接收包括关于至少一个纤维束在目标区中的位置和取向的信息的解剖数据的输入， -用于接收包括关于所述至少一个纤维束的刺激优选性的信息的治疗信息的输入， -用于基于所述至少一个纤维束的位置、取向和刺激优选性来计算植入所述神经刺激探头的至少一个最佳位置和至少一个最佳取向的优化模块，在所述最佳位置和取向所述探头能够产生大致上平行于具有高刺激优选性的至少一个纤维束和/或大致上垂直于具有低刺激优选性的至少一个纤维束的电场梯度以及 -用于提供所述最佳位置和取向的输出。
2.如权利要求1所述的用于计划神经刺激探头的植入的系统，其中，所述神经刺激探头包括刺激电极的阵列，并且所述优化模块考虑可以由刺激电极的所述阵列产生的3D电场分布的范围。
3.如权利要求1所述的用于计划神经刺激探头的植入的系统，进一步包括用于使用户能够选择所述目标区和/或具有高刺激优选性的所述至少一个纤维束和/或具有低刺激优选性的所述至少一个纤维束的用户接口。
4.如权利要求1所述的用于计划神经刺激探头的植入的系统，其中，所述输出包括用于显示所述目标区的和植入所述神经刺激探头的所述最佳位置和取向的图形表示的显示器。
5.如权利要求1所述的用于计划神经刺激探头的植入的系统，进一步包括用于获得所述解剖数据的磁共振成像 装置。
6.一种计划神经刺激探头的植入的方法，所述方法包括步骤: -接收解剖数据，其包括关于至少一个纤维束在目标区中的位置和取向的信息， -接收治疗信息，其包括关于所述至少一个纤维束的刺激优选性的信息， -基于所述位置、取向和刺激优选性来计算植入所述神经刺激探头的至少一个最佳位置和至少一个最佳取向，在所述最佳位置和取向所述探头能够产生大致上平行于具有高刺激优选性的至少一个纤维束和/或大致上垂直于具有低刺激优选性的至少一个纤维束的电场梯度并且 -提供所述最佳位置和取向。
7.一种计算机程序产品，用于计划神经刺激探头的植入，所述程序操作来使处理器执行如权利要求6中要求权利的方法。
全文摘要
提供用于计划神经刺激探头的植入的系统。该系统包括用于接收包括关于至少一个纤维束在目标区中的位置和取向的信息的解剖数据的输入，用于接收包括关于该至少一个纤维束的刺激优选性的信息的治疗信息的输入，用于基于该至少一个纤维束的位置、取向和刺激优选性来计算植入该神经刺激探头的至少一个最佳位置和至少一个最佳取向的优化模块，在该最佳位置和取向探头能够产生大致上平行于具有高刺激优选性的至少一个纤维束和/或大致上垂直于具有低刺激优选性的至少一个纤维束的电场梯度，以及用于提供该最佳位置和取向的输出。
文档编号A61N1/372GK103167893SQ201180051846
公开日2013年6月19日 申请日期2011年10月31日 优先权日2010年10月29日
发明者H·C·F·马滕斯 申请人:沙皮恩斯脑部刺激控制有限公司