專利名稱：經(jīng)皮電極陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電療方法和設(shè)備，并且更具體地涉及用于施加治療電信號的方法和設(shè)備，所述信號用于減輕由臨時或慢性病情引起的疼痛或者在外科手術(shù)過程中或手術(shù)之后之后引起的疼痛。
背景技術(shù)：
電療就是向患者身體施加電能量以便提供治療效果。通過電療產(chǎn)生的治療效果包括鎮(zhèn)痛，減輕可能由于停用內(nèi)啡呔或其它鴉片劑類藥物而導(dǎo)致的剩余疼痛，緩解頭痛，增進血流，增大運動范圍，軟骨再生長或再生，加速骨生長，用于分娩的電子硬膜外麻醉，以及通過在皮下組織中引入低頻電場而得到的其它有益效果。如本申請所限定的電療不包括電滲透、電穿孔或離子電滲療法或其中將比如電場或電流的電能用于促進化學(xué)劑或流體進入身體或從身體出來的通過皮膚的傳送的任何其它過程。其也不包括電外科手術(shù)，其中射頻電能被用于切割或燒灼組織。
電療典型地采用無創(chuàng)技術(shù)，以導(dǎo)引電能進入患者的身體。在患者的表皮表面上設(shè)置一次性電極板，并且將所述電極板耦合至一個電發(fā)生器。該發(fā)生器將兩個或多個振蕩或復(fù)雜形態(tài)電提供給至患者，患者身體上的對應(yīng)的所選擇電極板彼此分開，其中將疼痛位置定位在所述電極板之間，并且將大部分電場定位成垂直于其上放置有所述極板的每個皮膚表面。電流具有至少大約1KHz的頻率，并且彼此相差小至1Hz，大至250Hz。神經(jīng)纖維膜的非線性作用和/或其它電化學(xué)激活結(jié)構(gòu)或流體導(dǎo)致兩個獨立頻率信號在圍繞所述板并在所述板之下的一個組織體積內(nèi)、沿著它們之間的軸混合，從而產(chǎn)生治療效果。該混合產(chǎn)生合成的和頻率以及差頻率的分布，其中有一個頻率是等價于信號的拍頻的治療低頻。
為了穿透皮下組織并提供治療效果，施加至身體的電信號必須克服皮的電阻抗。電阻抗是限制可以通過皮膚的電流的量的皮膚特性。皮膚的頂層、即角質(zhì)層由死皮細胞構(gòu)成，并對皮膚的高電阻抗有所貢獻。干燥、完好的皮膚可以具有超過十萬歐姆的阻抗。即使是仔細準備的皮膚，也就是說已經(jīng)剃去了毛發(fā)(或以其它方式去除毛發(fā))并已經(jīng)對壞死的或受污染的組織進行了清創(chuàng)并且皮膚表面已經(jīng)濕潤，所述皮膚可能仍然具有超過一千歐姆的阻抗。潛在較大的電壓將必須克服皮膚阻抗，并驅(qū)動對治療而言有用的量的電流通過身體組織。所需要的相對大量的能量限制了利用電池供電的便攜發(fā)生器裝置的可用時間量。
此外，電流可以橫越皮膚表面行進或剛好在皮膚表面之下行進，從而進一步減小提供至身體組織的有用電流的量。該泄漏電流起因于皮膚的各層，并且可能限制所能被施加至身體結(jié)構(gòu)的頻率范圍。各皮層均有電容和電阻特性，其充當(dāng)對電流流動的阻礙，從而需要更大的電源來補償泄漏電流，這進一步限制了電池的使用壽命。
在其它無關(guān)領(lǐng)域中進行的生物醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)確定了用于減小皮膚阻抗的方法。例如，一種研究包括對硅微針陣列的使用，以評估陣列/皮膚界面的大分子傳輸特性(見Henry，S等人的“MicrofabricatedMicroneedlesA Novel Approach to Transdermal Drug Delivery，”87JPharm.Sci.922-925(1998))。微針陣列是小注射針的陣列，所述針具有有限長度，以便可以通過針將足量藥物注射進入皮膚，而不伴有如利用標準注射針時患者所感覺到的疼痛。志愿者描述了微針陣列插入的感覺，就像將帶子固定至皮膚那樣。該研究表明，微針陣列引起皮膚阻抗的50倍的下降。
在另一研究中，銀的或具有涂敷氯化銀的銀的長釘陣列被用作用于腦電圖掃描(EEG)的電極，也就是對腦的電活動的測量。(見Griss，P.等人的“Characterization of Micromachined Spiked BiopotentialElectrodes，”49 IEEE Trans.Biomed.Eng.597-604(2002))。將該陣列施加到患者的前額，以監(jiān)視EEG活動。該陣列用于克服皮膚電阻，以檢測由大腦產(chǎn)生的微弱的EEG電信號。
此外，已經(jīng)結(jié)合離子電滲療法和電穿孔使用的針陣列授予的專利。在離子電滲療法中，電場被用于加速離子化的分子，以用于將其添加到身體或從身體中去除。例如，Gartstein等人在他們的專利號6,379,324(于2002年4月30日公開的)中揭示了一種與陽極電極和陰極電極相組合的模制的或鑄造的塑料微針陣列。由于所施加的電勢，使離子化藥物加速進入身體。此外，該陣列使用一個電場來從身體中去除流體，以用于通過生物電化學(xué)傳感器進行分析。
在電穿孔中，將高電場的短脈沖施加至細胞，使得細胞壁瞬時變成多孔。調(diào)節(jié)所施加的電場，以確保不導(dǎo)致對細胞壁的永久損壞。Dev等人在他們的專利6,451,002(于2002年9月17日公開)中揭示了一種利用針陣列來治療腫瘤的方法。將高振幅電信號施加至針，所述針引起針之間的組織細胞的電穿孔。與電穿孔同時，通過所述針注射用于治療腫瘤的藥物，從而增進將其引導(dǎo)入組織細胞。
電外科手術(shù)是使用電射頻能量在外科手術(shù)過程中切割組織和凝固出血。在這種程序中，將電能通過探針傳送至患者。該探針允許醫(yī)生將電能引導(dǎo)至他希望切割的患者的身體區(qū)域。為了完成電路，將一個返回電極施加至患者。該返回電極采用接觸患者的大表面積，以減小電流密度，并避免在返回電極處的患者皮膚灼傷。例如，F(xiàn)leenor等人在他們的專利號6,544,258(于2003年4月8日公開)中揭示了一種自我調(diào)節(jié)和自我限制的電外科手術(shù)返回電極板?；颊咴陔娡饪剖中g(shù)過程中躺在該板上。該板具有較大表面積，這樣設(shè)計是為了避免高電流密度和溫度升高，從而避免使患者受創(chuàng)。
例如為用于心電圖(EGG)的醫(yī)學(xué)測試程序而設(shè)計的電極板典型地采用一個電連接至設(shè)置于該電極板中的電解質(zhì)的電導(dǎo)體(比如導(dǎo)線)。例如，Cartmell等人在他們的專利號4,699,679(于1987年10月13日公開)中揭示了一種一次性醫(yī)學(xué)電極板，其包括兩個泡沫塑料片，這兩個泡沫塑料片在其下表面上具有導(dǎo)電粘附層。該板進一步包括在所述泡沫塑料片之間的電解質(zhì)凝膠矩陣。這些板被設(shè)計成用于監(jiān)視患者產(chǎn)生的電信號，但有些時候則被用于施加刺激信號至患者，比如在電療過程中。
在本領(lǐng)域已知施加電能至皮膚可以減小皮膚的阻抗。例如，Carim等人在他們的專利號6,032,060中(于2000年2月29日公開)揭示了通過設(shè)置于患者皮膚上的醫(yī)學(xué)電極引導(dǎo)電能，以便電調(diào)節(jié)皮膚。皮膚阻抗的減小提高了監(jiān)視生物電信號的能力，并可以減小電穿孔或通過皮膚的離子電滲療法所必須的能量。
上面的每一個參考文獻提供了為傳感身體產(chǎn)生的電信號而設(shè)計的裝置、用于傳送藥物至身體的裝置或者用于在身體上執(zhí)行電外科手術(shù)的裝置。所述參考文獻揭示的這些裝置具有物理特性和電特性，這些特性使它們適用于它們的預(yù)定用途；然而，它們不是為電療而設(shè)計的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示了一種用于施加治療電能至患者身體中的治療位置的經(jīng)皮電極陣列。該陣列包括多個電極微結(jié)構(gòu)，這些電極微結(jié)構(gòu)被插入表皮中，從而克服外部皮層的固有電阻抗，并排除在電療之前準備皮膚表面的需要。該陣列優(yōu)選地包括一個粘附層，以在治療處理的過程中幫助將所述電極微結(jié)構(gòu)保持插入表皮中，該陣列還包括溫度和情況監(jiān)視裝置，以確保正確的治療并提高患者安全性。
在一個方面中，本發(fā)明涉及一種用于傳送治療電能至患者的經(jīng)皮電極陣列，其包括一個具有上側(cè)面和底側(cè)面的基片；以及多個電極，每一電極具有近端、遠端、從近端至遠端的軸以及沿著該軸的長度，其中每一電極附著在該基片的上側(cè)面；其中所述電極具有大于0.2平方厘米的總表面積。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極基本上是圓柱體，并具有20至250微米的直徑。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極基本上是具有一對窄側(cè)面、一對寬側(cè)面、上側(cè)面和底側(cè)面的矩形平行六面體，并且其中的寬側(cè)面具有20至250微米的寬度。
在本發(fā)明的另一方面中，所述寬側(cè)面具有大約200微米的寬度。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極的長度在120和500微米之間。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極的長度在150和200微米之間。
在本發(fā)明的另一方面中，每一電極的遠端很薄或者很尖或者既薄且尖，以便有利于放入皮膚。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極的軸垂直于基片。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極的軸與基片所成的角度在垂直和平行之間。
在本發(fā)明的另一方面中，所述基片包括形狀記憶金屬合金。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極包括以下材料中的一種或多種摻雜的半導(dǎo)體材料、硅-金屬混合物、不銹鋼、導(dǎo)電聚合物、碳同素異形體以及體材料或沉積材料的導(dǎo)電金屬。
在本發(fā)明的另一方面中，將一個溫度元件連結(jié)至基片。
在本發(fā)明的另一方面中，所述溫度元件是熱敏電阻、二極管、半導(dǎo)體結(jié)和熱電偶的其中之一。
在本發(fā)明的另一方面中，所述陣列還包括一個粘附層。
在本發(fā)明的另一方面中，所述陣列還包括通過基片的上側(cè)面到達底側(cè)面的多個孔隙；以及一個包括底側(cè)面、上側(cè)面和在上側(cè)面上延伸的多個突起的粘附層；其中該粘附層的上側(cè)面附著至基片的底側(cè)面，并且所述突起通過孔隙到達基片的上側(cè)面之上的第一高度。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極在粘附層的第一高度之上延伸150到200微米。
在本發(fā)明的另一方面中，所述電極在粘附層的第一高度之上具有至少0.2平方厘米的總表面積。
在本發(fā)明的另一方面中，所述粘附層包括導(dǎo)電水凝膠。
在本發(fā)明的另一方面中，所述粘附層包括可移動的醫(yī)用粘合膠(adhesive)。
在本發(fā)明的另一方面中，所述粘附層隨著周圍情況改變顏色。
在本發(fā)明的另一方面中，該陣列還包括一個設(shè)置于粘附層的底側(cè)面上的電容性板，和一個與粘附層相對地設(shè)置于該電容性板上的電絕緣層。
在本發(fā)明的另一方面中，該陣列還包括一個嵌入粘附層中的溫度元件。
在一個方面中，本發(fā)明涉及一種用于傳送治療電能至患者的經(jīng)皮電極陣列，其包括一個具有上側(cè)面和底側(cè)面的基片；以及多個電極，每一電極具有近端、遠端、從近端至遠端的軸以及沿著該軸的長度，其中每一電極附著至該基片的上側(cè)面，該基片具有大于14.1平方亳米的表面積，并且所述電極具有小于0.2平方厘米的總表面積。
在另一方面中，本發(fā)明涉及一種用于傳送治療電能至患者的電極，其包括一個具有第一側(cè)面和第二側(cè)面的基片；一個包括附著至該基片的第一側(cè)面的上側(cè)面和底側(cè)面的粘附層；一個設(shè)置于該粘附層的底側(cè)面上的電容性板；以及一個與該粘附層相對地設(shè)置于該電容性板上的電絕緣層。
在另一方面中，本發(fā)明涉及一種用于傳送治療電能至患者的電極，其包括一個具有第一側(cè)面和第二側(cè)面的基片；以及一個連結(jié)至該基片的溫度元件。
在另一方面中，本發(fā)明涉及一種制造經(jīng)皮電極陣列的方法，其包括利用半導(dǎo)體平版印刷工藝，用硅微機械加工一個經(jīng)皮電極陣列的主模，該經(jīng)皮電極陣列具有一個基片和多個電極；通過將其后是鎳的薄膜銀電鍍于該主模上來產(chǎn)生復(fù)制模；加熱、軟化和輥壓一個聚合物膜；利用壓力使該聚合物膜強制進入該復(fù)制模，以形成一個陣列結(jié)構(gòu)；以及冷卻該陣列結(jié)構(gòu)并從復(fù)制模移走該結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一方面中，該方法進一步包括熱處理陣列材料以形成碳化材料；以及將一個粘附層沉積于該結(jié)構(gòu)之上。
在本發(fā)明的另一方面中，所述聚合物膜包括聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃)。
在本發(fā)明的另一方面中，該方法進一步包括噴涂導(dǎo)電墨水于該結(jié)構(gòu)之上并加熱該結(jié)構(gòu)，以形成一個導(dǎo)電涂層。
在本發(fā)明的另一方面中，該方法進一步包括噴涂、浸漬或旋轉(zhuǎn)涂敷銦錫氧化物先驅(qū)物于所述陣列結(jié)構(gòu)之上；以及加熱該結(jié)構(gòu)，以形成一個導(dǎo)電膜涂層。
在本發(fā)明的另一方面中，該方法進一步包括通過在所述陣列結(jié)構(gòu)上實施蒸發(fā)或濺射工藝，以形成一個包括銦錫氧化物的導(dǎo)電膜。
在另一方面中，本發(fā)明涉及一種將治療電能引入到患者表皮之下的治療位置中的身體組織的方法，其包括提供一個電療設(shè)備，該電療設(shè)備包括一個被配置成產(chǎn)生第一和第二信號的信號發(fā)生器以及第一和第二經(jīng)皮電極陣列；將第一陣列定位在患者身體的第一部分之上，以及將第二陣列定位在患者身體的第二部分之上，從而在患者的所述組織上定位該第一和第二陣列，并且所述治療位置位于該第一和第二陣列之間；用所述第一和第二信號形成一個治療信號；以及通過該第一和第二陣列引入該治療信號。


圖1是一個經(jīng)皮電極陣列的側(cè)視圖；圖2是人類皮膚的橫截面圖；圖3是一個包括粘附層的經(jīng)皮電極陣列的側(cè)視圖；圖3A是一個包括具有孔隙的基片和粘附層的經(jīng)皮電極陣列的示范性實施例；圖3B是與粘附層一起使用的經(jīng)皮電極陣列的頂視圖；圖3C是描述了經(jīng)皮電極陣列的基片和電極的示范性實施例的機械圖；圖4是具有集成電容性元件的電極基片和粘附層的側(cè)視圖；圖5是用于測量電容性元件的電容的示范性電路；圖6是包括集成熱傳感元件的電極的側(cè)視圖；圖6A是測量集成熱敏電阻的溫度的示范性電路的電路圖；圖6B是測量集成半導(dǎo)體結(jié)的溫度的示范性電路的電路圖；圖6C是測量熱電偶的溫度的示范性電路的電路圖。
具體實施例方式
所公開的優(yōu)選實施例提出了通過經(jīng)皮電極陣列將治療電信號施加到身體。所述陣列有效地將治療電能傳送進入身體，所述治療電能由電療發(fā)生器裝置提供。在于2001年1月8日提交的名稱為“Electro-Therapy Method and Apparatus(電療方法和設(shè)備)”的美國專利申請No.09/756,999(并通過Pennie & Edmonds案號no.9756-005-999標識)中描述了一種適用于產(chǎn)生這種能量的電療發(fā)生器裝置，在此引用其教導(dǎo)和實施例以作參考。
在圖1中示出了一個經(jīng)皮電極陣列的結(jié)構(gòu)。如圖1中所示，所述陣列包括一個基片110和多個電極120。電極120附著至基片110的上側(cè)面。在基片110的底側(cè)面上進行到所述陣列的電連接，并且優(yōu)選地利用絕緣材料保護所述陣列的整個底表面，例如編織塑料或織物套。
優(yōu)選地，每一電極120包括一個附著于相對基片的近端的矩形平行六面體?？商娲?，每一電極120優(yōu)選地包括圓柱體或圓錐體。任一電極實施例的遠端優(yōu)選地進一步包括圓三角形和尖頭當(dāng)中的一種或多種。每一電極的寬度或直徑W1優(yōu)選地在20至250微米之間。
所述陣列中的電極的總表面積等于每個電極的面積乘以與皮膚接觸的電極數(shù)量。該面積必須足夠大，以運載由電療發(fā)生器裝置引入身體的電流，同時限制通過所附著的皮膚面積的電流密度。每一電極的表面積包括電極遠端頭的面積加上沿著電極的有效長度L1的表面積，L1也就是插入皮膚的長度。優(yōu)選地，總電極表面積大于0.2平方厘米。
在一個可替代的優(yōu)選實施例中，總電極表面小于0.2平方厘米，但是基片具有大于14.1平方毫米的表面積?；碾娏鱾鲗?dǎo)面積與與電極面積相組合，限制到皮膚的電流密度。
電極的有效接觸面積等于電極的總表面積乘以一個56％的減小因數(shù)，所述減小因數(shù)說明接觸到身體的離子環(huán)境(電極長度的70％)的電極元件表面積，以及與皮膚接觸的電極的數(shù)量(陣列中電極總數(shù)量的80％)。Food and Drug Administration(食品和藥物管理局)(FDA)目前將用于電療裝置的電流密度限制為小于每平方厘米接觸面積10毫安。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以認識到，為了達到將電流密度減小到低于FDA限制所必須的有效接觸面積，可以采用幾種不同的結(jié)構(gòu)。為了最大化導(dǎo)電面積，一種增大面積的方式是增大經(jīng)皮電極陣列中的每一電極120的長度L1，也就是與身體的離子環(huán)境接觸的長度。通過觀測人體中皮膚的結(jié)構(gòu)來確定最大長度。
圖2描述了皮膚的典型橫截面。在圖2中公開的皮膚的頂層(即角質(zhì)層)主要由死皮細胞構(gòu)成。角質(zhì)層之下的其它層包括透明層、粒狀層、表皮生發(fā)層和基底層。這五個層合起來被稱為表皮。所述表皮覆蓋被稱作真皮的發(fā)育皮層(germinating skin layer)，所述發(fā)育皮層還包括神經(jīng)、動脈、靜脈或淋巴管?；谄つw的位置和它的情況，表皮的厚度近似是120至500μm。電極120的有效長度優(yōu)選地在120和500μm之間，并且更優(yōu)選地在120和200μm之間，以使電極120的尖穿透入表皮，但不到達任何神經(jīng)、動脈、靜脈或淋巴管。優(yōu)選地使電極的有效長度適于所述陣列所附著的位置以及身體的該區(qū)域中的皮膚情況。調(diào)節(jié)電極長度以匹配這些變量，從而允許電極陣列成功地通到一個剛好經(jīng)過表皮的點。該區(qū)域大部分缺少痛感受器，從而使經(jīng)皮電極陣列的插入實際上無痛。皮膚的彈性有助于密封在已經(jīng)移走陣列之后由電極120留下的孔。此外，每一個電極120的小的直徑(大約典型的人類毛發(fā)的直徑)將限制可以流過由電極產(chǎn)生的孔的流體的量。
電極120的主軸優(yōu)選地垂直于基片110，但其與基片所成的角度可以在垂直和平行之間。改變基片110和/或電極120的機械特性可以提高陣列對皮膚的粘附性。通過增大沿著電極120和圍繞穿透區(qū)域的皮膚之間的基片110的平面的張力可以提高或保持電接觸完整性。例如，基片110可以充當(dāng)彈簧。在該例子中，在插入之前陣列100將被彎曲。當(dāng)釋放陣列100，存儲于基片110中的張力將把電極120壓到皮上。
在一個可替代的優(yōu)選實施例中，陣列100包括形狀極記憶金屬，例如鎳鈦諾。通過對合金的組成和處理，合金的轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)選地與皮膚溫度相關(guān)。由這種材料制成的陣列100將優(yōu)選地沿著一個指定軸膨脹或收縮，該指定軸沿著基片110的表面區(qū)域。該膨脹或收縮將電極120橫向壓到皮膚上。
電極120優(yōu)選地由具有良好的導(dǎo)電特性的材料構(gòu)成，比如摻雜硅、硅-金屬混合物、鎳/鐵合金、不銹鋼、導(dǎo)電墨水、碳的同素異形體(比如從高碳含量聚合物熱解得到的玻璃碳)、導(dǎo)電聚合物、聚合物/石墨或聚合物/金屬混合物以及其它生物相容金屬。所述材料也具有足夠的抗剪強度，以避免皮膚中電極的斷裂。在優(yōu)選實施例中，該陣列包括316型不銹鋼。
如上面舉例說明的那樣，經(jīng)皮電極陣列的尺寸是極小的。這種小的結(jié)構(gòu)的發(fā)展在本領(lǐng)域被稱作微電機械系統(tǒng)或MEMS。MEMS是一個多學(xué)科領(lǐng)域，其包括微電子加工、聚合技術(shù)、物理化學(xué)、生命科學(xué)和機械工程。該交叉領(lǐng)域環(huán)境已經(jīng)引起微米尺寸和納米尺寸結(jié)構(gòu)的發(fā)展，比如微傳感器、微電動機和血液化學(xué)的芯片上系統(tǒng)。如下面所述，當(dāng)制造一些經(jīng)皮電極陣列實施例時可以從該領(lǐng)域吸取知識。
在一個可替代的優(yōu)選實施例中，玻璃碳電極可以由任何高碳含量聚合物制成，比如瀝青和聚丙烯腈。利用LIGA工藝，將該材料形成到上面所述的微電機械結(jié)構(gòu)中。LIGA一種是微機械加工技術(shù)，其中X射線輻射被用于生產(chǎn)高縱橫比、高精度的微結(jié)構(gòu)。LIGA部件典型地是2D擠壓的金屬形狀，但利用該工藝也可以產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)。在該工藝中，利用半導(dǎo)體平版印刷工藝，用硅產(chǎn)生一個主模。通過電鍍后面是鎳的薄膜銀，該模被用于制造復(fù)制模。基于其所負擔(dān)的機械負載，該復(fù)制薄膜的厚度為0.3mm或更大。接下來，加熱和軟化聚合物材料，并將其輥壓成膜。將該膜緊貼所述復(fù)制模放置。施加壓力以強制聚合材料進入該模。在一個短時間周期之后，降低溫度，并去除壓力。
一旦形成片，則在400℃下對其進行燃燒，以餾出揮發(fā)性的化學(xué)制品，并熱固塑料。然后是在惰性氣體中以800℃進行烘焙，以形成碳化材料。以大約1100℃進一步烘焙該片，以通過形成石墨相來提高導(dǎo)電性。由于電極的小的尺寸，該材料的相對低的應(yīng)變特性不存在破裂問題，即使在多次插入周期之后也是如此。
在一個可替代的優(yōu)選實施例中，將導(dǎo)電墨水噴涂于從聚合物(比如聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)形成的電極陣列之上。將其適度加熱至大約120℃可以提高導(dǎo)電性和導(dǎo)電膜的粘附性。
在另一可替代的優(yōu)選實施例中，將銦錫氧化物施加到PMMA電極陣列。將銦錫氧化物的乙二醇-金屬先驅(qū)物噴涂或旋轉(zhuǎn)涂敷于該陣列之上，并然后加熱至大約400℃，以形成一個導(dǎo)電膜涂層。銦錫氧化物涂層顯示出最優(yōu)越的導(dǎo)電特性。
在另一可替代的實施例中，將聚合物混合物用于形成該陣列。在這種陣列中，將大量的金屬粉末或石墨粉末或石墨-納米纖維添加至塑料先驅(qū)物中，以便為最終材料提供適度導(dǎo)電性。導(dǎo)電材料的高濃度的聚集可能導(dǎo)致最終合成裝置的表面導(dǎo)電性很不均勻。在其中餾出該混合物的一些揮發(fā)性成分的對混合物的熱處理可以有助于減輕該有害效果。
在另一可替代的優(yōu)選實施例中，在限定電極結(jié)構(gòu)的主模上電沉積純金屬。優(yōu)選地，該金屬具有100和10000S/cm之間的導(dǎo)電性。
在一個可替代的實施例中，將一個粘附層添加至該陣列，以增大陣列的導(dǎo)電性，并將該陣列粘附至皮膚。圖3描述了包括一個粘附層的經(jīng)皮電極陣列。陣列300包括基片310、多個電極320和粘附層330。在一個優(yōu)選的制造方法中，通過沉積材料將該粘附層330形成在電極320之間的基片310的表面上，或者通過用該陣列300刺穿一片層材料來形成該層，從而將該層添加到經(jīng)皮電極陣列300。其它方法對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說是明顯的。
圖3A-3C描述了一個包括粘附層的經(jīng)皮電極陣列的優(yōu)選實施例。更具體來說，在圖3A中描述的陣列300包括基片310、多個電極320、粘附層330和基片310中的多個孔隙340。粘附層330被安裝到基片310的后側(cè)，并通過基片310中的孔隙340突出。粘附層330將電極固定到患者，并優(yōu)選地幫助將電信號傳導(dǎo)進入身體。基片310為粘附層330提供支持。
圖3B示出了在施加粘附層330之前陣列300的頂視圖。其中以柵格圖案設(shè)置電極320和孔隙340。優(yōu)選地，從被模壓和/或蝕刻以產(chǎn)生孔隙340和孔隙340的區(qū)域中的電極320的不銹鋼片來制造陣列300。向上彎曲電極320，以使主軸在理想方向上，優(yōu)選地垂直于基片310的表面。
圖3C是描述了經(jīng)皮電極陣列300的示范性實施例的機械圖。該陣列包括以60乘60的規(guī)則網(wǎng)格圖案設(shè)置的3600個電極。每一電極的寬度W1近似是200μm。以大約860μm的距離S1分離所述電極。這些尺寸導(dǎo)致5cm乘5cm的電極陣列。細節(jié)A示出了在被向上彎曲之前的空隙區(qū)域中的所述電極。
用于層330中的合適材料是水凝膠或包含電解質(zhì)的溶膠-凝膠結(jié)構(gòu)。由凝膠的估計蒸發(fā)時間和機械模數(shù)限制水凝膠層的最小高度H1。在一個優(yōu)選實施例中，該陣列包括635μm厚的導(dǎo)電凝膠，例如Uni-Patch類型的RG63B。因為水凝膠暴露于空氣，凝膠中的水將蒸發(fā)，從而使陣列干噪，并降低凝膠的粘性和導(dǎo)電特性。對這種陣列的使用將需要較高的施加電壓。如果該陣列是彎曲的，或以其它方式改變皮膚/陣列的機械界面，則可能出現(xiàn)界面阻抗方面的瞬時下降，引起患者中的不愉快感覺，并在良好接觸點處集中電流，從而提高熱灼傷的可能性。優(yōu)選地將粘附層330適配成提供一個指示，以表明該陣列不再適用。
在一個優(yōu)選實施例中，水凝膠包括本領(lǐng)域熟知的材料，當(dāng)在打開包括電極的包裝材料之后暴露于空氣時，其引起水凝膠作為蒸發(fā)率的函數(shù)而慢慢地改變顏色。例如，水凝膠可以具有通常透明的外觀，但在暴露于空氣之后會變成黑色?？商娲?，可以對水凝膠的通常外觀進行著色，并在暴露于空氣之后水凝膠之后變透明。這種顏色改變表示該陣列需要被替換，或者表示包裝的完整性受到破壞，并且陣列不再無菌。在一個替代的優(yōu)選實施例中，在水凝膠已與人的皮膚直接接觸之后，會出現(xiàn)一種化學(xué)反應(yīng)，其改變水凝膠的顏色而不在皮膚上留下任何殘留物。
在一個可替代的優(yōu)選實施示例中，監(jiān)視電極的粘附層，以通過測量該粘附層的電容來確定陣列是否已干噪或者溫度是否在增加。圖4公開了該實施例的各組件。如圖4所示，該電極包括基片410、粘附層430和被絕緣層450覆蓋的電容性板440。該電容性板440在粘附層430的底側(cè)面上包括一個小部分的導(dǎo)電材料，從而在兩個導(dǎo)電板(基片410和板440)之間形成一個包括電介質(zhì)(粘附層430)的電容器。該陣列電容器的電容是溫度和濕度含量的函數(shù)。電導(dǎo)線連接至板440，以用于監(jiān)視電路中的連接。在板440上涂敷絕緣層450，以避免板440電接觸患者或其它物體。
測量電容的電路在本領(lǐng)域是熟知的。在圖5中描述了用于測量陣列電容的示范性電路。該測量系統(tǒng)500包括一對相同的低通濾波器510、520，一對低偏置比較器530、540，觸發(fā)器550，二進制計數(shù)器560，微控制器570和高頻時鐘580。用一個穩(wěn)定的正弦信號來確定粘附層430的電容，該正弦信號是由在2001年1月8日提交的名稱為“Electro-Therapy Method and Apparatus”的美國專利申請No.09/756,999(并且由Pennie & Edmonds案號no.9756-005-999)中更詳細描述的電療發(fā)生器裝置產(chǎn)生的信號的一個分量。
基片410和電容性板440連接至一個包括低通濾波器510、520的監(jiān)視電路。濾波器510、520優(yōu)選地包括通過一個穩(wěn)定正弦信號的8極點開關(guān)電容器濾波器。比較器530、540檢測施加至所述參考、固定精度電阻器和陣列電容器的穩(wěn)定正弦輸出的過零點。參考比較器530設(shè)置觸發(fā)器550，其起動計數(shù)器560，并且電容比較器540復(fù)位觸發(fā)器550，其停止計數(shù)器560。高頻時鐘580提供鐘控信號至計數(shù)器560，一旦該計數(shù)器被起動之后，該鐘控信號遞增該計數(shù)器。計數(shù)器560計數(shù)，直至電容信號執(zhí)行其過零點。微控制器570讀出計數(shù)，并然后復(fù)位計數(shù)器560。這樣，計數(shù)器560測量參考信號的過零點和通過電容器的電流的過零點之間的時差。微控制器570根據(jù)所述技術(shù)來確定上述信號之間的相移，其表示陣列電容器的電容。該測量取決于這兩個信號的振幅。微控制器570包括嵌入式軟件，所述軟件利用該信息來確定電容的變化是否代表故障狀態(tài)。如果確定是的話，它可以切斷系統(tǒng)，并向用戶通知錯誤情況。該軟件需要在系統(tǒng)工作過程中維持電容變化的特定曲線。
圖6公開了包括基片610和連結(jié)至基片610的溫度傳感元件640的電極的優(yōu)選實施例。該元件包括熱敏電阻、二極管或其它半導(dǎo)體結(jié)以及熱電偶的其中之一。在一個優(yōu)選實施例中，溫度元件640是小的裝置，其典型地不超過0.5mm厚。溫度元件640精確測量基片610的溫度。
在一個可替代的優(yōu)選實施例中，電極包括一個粘附層，所述粘附層具有嵌于該粘附層中以監(jiān)視粘附層的完整性的溫度傳感元件640，其理由在上面的電容實施例中陳述。
圖6A是測量包括集成熱敏電阻的經(jīng)皮電極陣列的溫度的示范性電路的電路圖。在該實施例中，熱敏電阻元件640連接至一個監(jiān)視電路，該監(jiān)視電路包括一個分壓器橋電路650、一個差分放大器660、一個模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器670和一個微控制器680。放大器660消除與從元件640至監(jiān)視電路的導(dǎo)線長度相關(guān)的任何共模噪聲。來自放大器660的所得到的電壓作為陣列溫度的函數(shù)變化。通過該模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器670，監(jiān)視電路將電壓信號轉(zhuǎn)換成一個二進制值。該監(jiān)視電路進一步包括具有軟件的微控制器680，所述軟件將電壓信號的二進制表示轉(zhuǎn)換成陣列的溫度。
圖6B是測量經(jīng)皮電極陣列的溫度的示范性電路的電路圖，所述經(jīng)皮電極陣列包括集成半導(dǎo)體或分立裝置半導(dǎo)體結(jié)。在該實施例中，元件640包括一個具有明確表征的、與溫度相關(guān)的性能的二極管或晶體管，其用來以高精度測量溫度。如圖6B所示，該結(jié)連接至一個監(jiān)視電路，該監(jiān)視電路包括一個恒定電流源651、一個參考電阻器652、一個放大器660、一個模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器670和一個微控制器680。通過電阻器652將電流施加至結(jié)640，以正向偏置結(jié)640。測量結(jié)640兩端的電壓，該電壓隨結(jié)溫度變化。結(jié)電壓和溫度之間的關(guān)系是Vjunction＝kT/q*ln(Ijunction/Ijunction飽和電流)，其中k是玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)，T是以開爾文度數(shù)表示的絕對溫度，q是電子電荷(1.601×10-19庫侖)，Ijunction是恒定的所提供的參考電流，并且Ijunction飽和電流是半導(dǎo)體裝置的飽和電流(對于硅為2×10-16)。
放大器660增大結(jié)電壓至一個有用電平，并且轉(zhuǎn)換器670將信號轉(zhuǎn)換成二進制表示。微控制器680利用該二進制表示來確定陣列溫度。
圖6C是測量經(jīng)皮電極陣列的溫度的示范性電路的電路圖，所述經(jīng)皮電極陣列包括熱電偶。在該示實施例中，溫度元件640包括熱電偶。熱電偶是包括在一個結(jié)處彼此電接觸的兩個不同金屬(例如鉑和銠)的裝置。該裝置產(chǎn)生與該結(jié)處的溫度相關(guān)的電動勢。該熱電偶需要對形成于該裝置及其連接導(dǎo)線之間的結(jié)的溫度進行補償(冷結(jié)補償)。
在圖6C中描述的監(jiān)視電路包括放大器660、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器670和微控制器。放大器660放大熱電偶640的輸出電壓，轉(zhuǎn)換器670將它轉(zhuǎn)換至二進制表示，并且然后微控制器680中的軟件利用該二進制電壓值來確定該陣列的溫度。如本領(lǐng)域熟知的那樣，放大器660包括實施冷結(jié)補償電路的必要組件。所述軟件包括如本領(lǐng)域熟知的查找表，以將熱電偶電壓的二進制表示轉(zhuǎn)換成溫度。
在一個優(yōu)選實施例中，測量的溫度參數(shù)被用作電療發(fā)生器中的聯(lián)鎖(interlock)，以保護患者不受傷害。如果由于一些原因該陣列上升到超過40攝氏度，或其溫度以高于通常預(yù)期的速率斜升，則電療發(fā)生器裝置的溫度監(jiān)視部分可以中斷它的輸出，從而減小或消除灼傷或熱刺激的可能性。這種所檢測到的情況被用于向操作員通知與經(jīng)皮電極陣列的完整性或者陣列的粘附性或放置相關(guān)的潛在問題，這是電流密度增大的兩個最可能的原因。
在另一實施例中，電療發(fā)生裝置持續(xù)監(jiān)視經(jīng)皮電極陣列的阻抗。該裝置包括一個報警指示器，其在經(jīng)皮電極陣列的阻抗太高時向操作員告警，以指示應(yīng)該檢查或替換該陣列。該指示器將提供一個或者多個可視指示，例如閃爍發(fā)光二極管(LED)或液晶顯示器(LCD)上的錯誤信息，比如蜂鳴聲的音頻指示，以及比如振動產(chǎn)生裝置的傳感器指示。所述報警指示器也可以用于指示錯誤情況，比如松動的陣列、未插導(dǎo)線、弱的電池、缺失溫度信號、缺失電容監(jiān)視信號或該陣列的任何其它有缺陷的情況。
雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以進行各種改變，并且可以對元件進行等效替換。此外，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)范圍的情況下，可以進行多種修改，以使特定環(huán)境或材料適于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不局限于作為本發(fā)明的所構(gòu)想的最佳模式而公開的具體實施例，而是將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍中的全部實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于將治療電能傳送至患者的經(jīng)皮電極陣列，其包括一個具有上側(cè)面和底側(cè)面的基片；以及多個電極，每一電極具有近端、遠端、從近端至遠端的軸以及沿著該軸的長度，其中每一電極附著至該基片的上側(cè)面；其中所述電極具有大于0.2平方厘米的總表面積。
2.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極基本上是圓柱體，并具有20至250微米的直徑。
3.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極基本上是具有一對窄側(cè)面、一對寬側(cè)面、上側(cè)面和底側(cè)面的矩形平行六面體，并且其中所述寬側(cè)面具有20至250微米的寬度。
4.權(quán)利要求3的陣列，其中所述寬側(cè)面具有大約200微米的寬度。
5.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極的長度在120到500微米之間。
6.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極的長度在150到200微米之間。
7.權(quán)利要求1的陣列，其中每一電極的遠端很薄或者很尖或者既薄且尖，以便有利于放入皮膚。
8.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極的軸垂直于基片。
9.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極的軸與基片所成的角度介于垂直和平行之間。
10.權(quán)利要求1的陣列，其中所述基片包括形狀記憶金屬合金。
11.權(quán)利要求1的陣列，其中所述電極包括以下材料中的一種或多種摻雜的半導(dǎo)體材料、硅-金屬混合物、不銹鋼、導(dǎo)電聚合物、碳同素異形體以及體材料或沉積材料的導(dǎo)電金屬。
12.權(quán)利要求1的陣列，進一步包括一個連結(jié)至基片的溫度元件。
13.權(quán)利要求12的陣列，其中所述溫度元件是熱敏電阻、二極管、半導(dǎo)體結(jié)和熱電偶的其中之一。
14.權(quán)利要求1的陣列，進一步包括一個粘附層。
15.權(quán)利要求1的陣列，進一步包括通過所述基片的上側(cè)面到達底側(cè)面的多個孔隙；以及一個包括底側(cè)面、上側(cè)面和在上側(cè)面上延伸的多個突起的粘附層；其中該粘附層的上側(cè)面附著至該基片的底側(cè)面，并且所述突起通過孔隙到達該基片的上側(cè)面之上的第一高度。
16.權(quán)利要求15的陣列，其中所述電極在粘附層的第一高度之上延伸150到200微米。
17.權(quán)利要求15的陣列，其中所述電極在粘附層的第一高度之上具有至少0.2平方厘米的總表面積。
18.權(quán)利要求15的陣列，其中所述粘附層包括導(dǎo)電水凝膠。
19.權(quán)利要求15的陣列，其中所述粘附層包括可移動的醫(yī)用粘合膠。
20.權(quán)利要求15的陣列，其中所述粘附層隨著周圍情況改變顏色。
21.權(quán)利要求15的陣列，進一步包括一個設(shè)置于所述粘附層的底側(cè)面上的電容性板，和一個與粘附層相對地設(shè)置于該電容性板上的電絕緣層。
22.權(quán)利要求21的陣列，進一步包括一個嵌入所述粘附層中的溫度元件。
23.一種用于將治療電能傳送至患者的經(jīng)皮電極陣列，其包括一個具有上側(cè)面和底側(cè)面的基片；以及多個電極，每一電極具有近端、遠端、從近端至遠端的軸以及沿著該軸的長度；其中每一電極附著至該基片的上側(cè)面，該基片具有大于14.1平方亳米的表面積，并且所述電極具有小于0.2平方厘米的總表面積。
24.一種用于將治療電能傳送至患者的電極，其包括一個具有第一側(cè)面和第二側(cè)面的基片；一個包括附著至該基片的第一側(cè)面的上側(cè)面和底側(cè)面的粘附層；一個設(shè)置于該粘附層的底側(cè)面上的電容性板；以及一個與該粘附層相對地設(shè)置于該電容性板上的電絕緣層。
25.一種用于將治療電能傳送至患者的電極，其包括一個具有第一側(cè)面和第二側(cè)面的基片；以及一個連結(jié)至該基片的溫度元件。
26.一種制造經(jīng)皮電極陣列的方法，其包括利用半導(dǎo)體平版印刷工藝，用硅微機械加工一個經(jīng)皮電極陣列的主模，該經(jīng)皮電極陣列具有一個基片和多個電極；通過將其后是鎳的薄膜銀電鍍于該主模上來產(chǎn)生一個復(fù)制模；加熱、軟化和輥壓一個聚合物膜；利用壓力使該聚合物膜強制進入該復(fù)制模，以形成一個陣列結(jié)構(gòu)；以及冷卻該陣列結(jié)構(gòu)并從該復(fù)制模中移走該結(jié)構(gòu)。
27.權(quán)利要求26的方法，進一步包括熱處理陣列材料以形成一個碳化材料；以及將一個粘附層沉積于到結(jié)構(gòu)上。
28.權(quán)利要求26的方法，其中所述聚合物膜包括聚甲基丙烯酸甲酯。
29.權(quán)利要求26的方法，進一步包括將導(dǎo)電墨水噴涂到所述結(jié)構(gòu)上并加熱該結(jié)構(gòu)，以形成一個導(dǎo)電涂層。
30.權(quán)利要求26的方法，進一步包括將銦錫氧化物先驅(qū)物噴涂、浸漬或旋轉(zhuǎn)涂敷到所述陣列結(jié)構(gòu)上；以及加熱該結(jié)構(gòu)，以形成一個導(dǎo)電膜涂層。
31.權(quán)利要求26的方法，進一步包括通過在所述陣列結(jié)構(gòu)上實施蒸發(fā)或濺射工藝而形成一個包括銦錫氧化物的導(dǎo)電膜。
32.一種將治療電能引入到患者表皮之下的治療位置中的身體組織的方法，其包括提供一個電療設(shè)備，該電療設(shè)備包括一個被配置成產(chǎn)生第一和第二信號的信號發(fā)生器以及第一和第二經(jīng)皮電極陣列；將第一陣列定位在患者身體的第一部分之上，以及將第二陣列定位在患者身體的第二部分之上，從而在患者的所述組織上定位該第一和第二陣列，并且所述治療位置位于該第一和第二陣列之間；用所述第一和第二信號形成一個治療信號；以及通過該第一和第二陣列引入該治療信號。
全文摘要
公開了一種用于將治療電能施加到患者身體中的治療位置的經(jīng)皮電極陣列(100、300)。該陣列包括被插入表皮的多個電極(120、320)微結(jié)構(gòu)，從而克服外部皮層的固有電阻抗，并且不再需要在電療處理之前對皮膚表面進行準備。該陣列(100、300)優(yōu)選地包括一個粘附(330)層，以便在治療處理的持續(xù)時間過程中幫助保持將電極(120、320)微結(jié)構(gòu)插入表皮，該陣列(100、300)還包括溫度和情況監(jiān)視裝置，以確保正確的治療并提高患者安全性。
文檔編號A61N1/32GK1835778SQ200480022905
公開日2006年9月20日 申請日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者J·卡特, B·西夫 申請人:生物波公司