專利名稱：多電極神經(jīng)刺激設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種神經(jīng)刺激設備，其包括:用于接收刺激數(shù)據(jù)的輸入端，該刺激數(shù)據(jù)包括與至少一個纖維束的刺激優(yōu)選性和定向相關(guān)的信息；神經(jīng)刺激探針，其具有刺激電極的陣列；刺激單元，其耦合至刺激電極，以根據(jù)指定的電流分布將電流提供給相應的刺激電極，以生成電場；以及分布計算模塊，其耦合至輸入端和刺激單元，以基于刺激數(shù)據(jù)確定電場的優(yōu)選位置以及基于電場的優(yōu)選位置計算指定的電流分布。
背景技術(shù)：
用于經(jīng)由所植入的探針提供神經(jīng)刺激的系統(tǒng)被用于治療失調(diào)，諸如慢性疼痛、帕金森氏癥、震顫和肌張力障礙。神經(jīng)刺激用于刺激大腦、脊髓和末梢神經(jīng)中的神經(jīng)組織。以下將討論腦組織的神經(jīng)刺激。然而，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法還可以用于例如脊髓和末梢神經(jīng)的神經(jīng)刺激。將探針以外科手術(shù)的方式植入到大腦中，靠近要刺激的腦組織。當使用神經(jīng)刺激時，重要的是，對需要刺激的組織進行刺激并避免對其他附近組織的刺激。因此，探針的正確放置是成功的神經(jīng)刺激治療中的重要步驟。在計劃探針的植入的已知系統(tǒng)中，使用諸如磁共振成像(MRI)的成像技術(shù)來可視化目標區(qū)域。外科醫(yī)生嘗試定位需要刺激的結(jié)構(gòu)，并嘗試定義用于將探針植入到所識別的結(jié)構(gòu)中的外科手術(shù)計劃。

嘗試刺激正確的組織區(qū)域的已知方式是:植入具有多個電極的探針，并僅選擇這些電極的子集以僅刺激特定的組織區(qū)域。例如，在US專利申請US 2008/0215125和US2010/0030298中描述了這一點。這些US申請描述了靠近所關(guān)注的區(qū)域被植入的具有多個電極的探針。將電荷供給至這些電極的子集，以選擇性地刺激特定的組織區(qū)域。此外，在US專利7，442，183中，激活多個電極的子集，以將電場引導至目標區(qū)域。在US 7，442，183中注意到，對電極的子集的選擇性激活使相對于目標結(jié)構(gòu)的精確探針位置變得不那么關(guān)鍵。盡管電極陣列的使用使得能夠?qū)?D電場分布引導至特定的組織區(qū)域，但是可創(chuàng)建的3D刺激模式的全部范圍仍依賴于探針的精確位置和定向。對于最優(yōu)治療配送選項及其調(diào)諧靈活性而言，應當在治療計劃階段中布置最優(yōu)領(lǐng)先定位。發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提供一種神經(jīng)刺激設備，其允許對特定神經(jīng)結(jié)構(gòu)的更精確的定標(targeting),以改進神經(jīng)刺激治療。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該目的是通過提供一種神經(jīng)刺激設備來實現(xiàn)的，所述神經(jīng)刺激設備包括輸入端、神經(jīng)刺激探針、刺激單元和分布計算模塊。在所述輸入端處，接收刺激數(shù)據(jù)，所述刺激數(shù)據(jù)包括與至少一個纖維束的刺激優(yōu)選性和定向相關(guān)的信息。所述神經(jīng)刺激探針包括耦合到所述刺激單元的刺激電極的陣列。所述刺激單元根據(jù)指定的電流分布將電流提供給相應的刺激電極，以生成電場梯度。所述分布計算模塊耦合至所述輸入端和所述刺激單元，以基于所述刺激數(shù)據(jù)確定所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向，以及基于所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向計算指定的電流分布。根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備在施加刺激場時不僅考慮了目標結(jié)構(gòu)的位置，而且還考慮了目標結(jié)構(gòu)的定向。尤其對于纖維束而言，相對于纖維束的定向的電刺激場的定向是決定神經(jīng)刺激治療的有效性的重要因素。盡管現(xiàn)有技術(shù)的神經(jīng)刺激設備僅嘗試在特定的目標位置處刺激大腦，但是根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備還考慮了目標纖維的方向和所生成的電刺激場的梯度的方向。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當電場梯度與目標纖維束平行或大致平行時，最容易實現(xiàn)對一定纖維的激活。利用與非目標纖維束垂直或大致垂直的電場梯度，最容易實現(xiàn)對纖維的選擇性不激活。通過使用最新的成像技術(shù)(諸如彌散張量成像(DTI))，可以識別單獨的纖維束及其位置和定向。分布計算模塊使用該信息來確定用于神經(jīng)刺激治療的最優(yōu)電場梯度的位置和定向。該最優(yōu)電場梯度可以導致對目標纖維的最大刺激，而且還可以提供對需要刺激的目標進行刺激與避免對優(yōu)選地不刺激的結(jié)構(gòu)進行刺激之間的平衡。當已知最優(yōu)電場梯度時，計算刺激電流在陣列中的電 極上的分布，以獲得最優(yōu)電場梯度。然后，將由此獲得的刺激電流分布提供給刺激單元。刺激單元對陣列中的相應電極施加所計算出的電流，以獲得最優(yōu)電場梯度。因此，根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備使得可以生成具有與應當刺激的纖維束(大致)平行和/或與不應當刺激的纖維束(大致)垂直的場梯度的電刺激場。當選擇例如特定的纖維束或纖維束的段以進行刺激時，將目標纖維的定向與電極陣列的相對位置和定向進行比較。然后，可以將目標纖維束的該部分投影到刺激陣列上，從而得到定向矢量。在根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備的實施例中，然后，激活三組電極以生成具有與該定向矢量平行的梯度的電場。在該示例中，指定的電流分布是三極刺激分布圖(profile)。具有第一極性的第一組電極位于定向矢量上的中心處。在第一組的相對側(cè)處并且沿著定向矢量選擇第二和第三組電極。第二和第三組具有與第一組相反的極性?？梢酝ㄟ^將相等的電流提供給第二和第三組電極來平衡總電流，第一組電極接收具有相反極性的雙倍電流。刺激數(shù)據(jù)還可以包括與纖維束的不同段處的纖維直徑相關(guān)的信息。當纖維束較小時，更容易將電場聚焦于纖維束上，而不會不注意地刺激其他附近組織。此外，有效刺激治療所需的電場強度更小。當使用這種直徑數(shù)據(jù)時，可以選擇刺激電極，以在纖維束的較窄段附近或恰在纖維束的較窄段處生成電場梯度。刺激數(shù)據(jù)還可以包括與相對于纖維束長度的纖維定向變化相關(guān)的信息。例如，當嘗試刺激多個纖維束時或者當嘗試避免對附近纖維束的刺激時，可以更好地刺激纖維束的不同定向的段，而不是最窄段或與刺激電極最接近的段。因此，在根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備的優(yōu)選實施例中，指定了導致最大化的療效與最小化的不良副作用之間的最優(yōu)平衡的電流分布。該最優(yōu)電流分布考慮了一個或多個目標纖維束的不同段的直徑和定向以及優(yōu)選地要避免刺激的一個或多個纖維束的直徑和定向。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種為神經(jīng)刺激設備的刺激電極的陣列計算指定的電流分布的方法。所述方法包括以下步驟:接收刺激數(shù)據(jù)，所述刺激數(shù)據(jù)包括與至少一個纖維束的刺激優(yōu)選性和定向相關(guān)的信息；基于所述刺激數(shù)據(jù)確定刺激電極的陣列要生成的電場梯度的優(yōu)選的位置和定向；以及基于所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向，計算指定的電流分布。然后，可以對刺激電極施加指定的電流分布，以生成電場梯度，并隨之提供神經(jīng)刺激治療。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計算機程序產(chǎn)品，用于使處理器執(zhí)行上述方法。本發(fā)明的這些和其他方面從以下描述的實施例中顯而易見，并將參照以下描述的實施例而被闡明。


在附圖中:
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明可以如何確定電流分布，以及 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示意性地示出了根據(jù)本·發(fā)明的神經(jīng)刺激設備10。神經(jīng)刺激設備10包括具有刺激電極20的陣列的神經(jīng)刺激探針12。當將探針20植入到患者的大腦中時，刺激電極20可以通過生成電場將神經(jīng)刺激治療提供給附近的神經(jīng)組織。刺激單元13將電流提供給電極20，以生成電場。通過將不同電流發(fā)送至所選電極20，可以使電場被定標在靠近探針12的特定組織區(qū)域處。根據(jù)本發(fā)明，刺激模塊13從分布計算模塊14接收指定的電流分布。指定的電流分布指定了應當對哪個電極20施加什么電流。對指定的電流分布的計算是基于數(shù)據(jù)21，數(shù)據(jù)21描述應當或不應當被刺激的纖維束，并且，以下將參照圖2來描述對指定的電流分布的計算。在設備的輸入端11處接收計算指定的電流分布所需的數(shù)據(jù)21。可以通過與用于計劃神經(jīng)刺激治療的系統(tǒng)的有線和/或無線通信來接收該數(shù)據(jù)21。接收到的數(shù)據(jù)可以存儲在設備10的存儲器15中，以使得能夠在計劃系統(tǒng)不可用時使用設備10。數(shù)據(jù)21包括與靠近植入探針的位置的所選纖維束的刺激優(yōu)選性有關(guān)的信息。刺激優(yōu)選性可以是指示“刺激”或“不刺激”的二進制值，但是也可以是在從“高度優(yōu)選為刺激”至“絕對不刺激”的范圍內(nèi)變化的標度上的連續(xù)或離散值。數(shù)據(jù)21還包括描述所選纖維相對于探針12的位置和定向的位置和定向的信息。需要這種信息以確定刺激單元13和刺激電極20要生成的電刺激場的強度和方向。此外，數(shù)據(jù)21可以包括與靠近探針12的組織的電氣屬性有關(guān)的信息。附近組織的電氣屬性影響所施加的刺激電流與由此生成的電場之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)21還可以包括與纖維束的不同段處的纖維直徑相關(guān)的信息。當纖維束較小時，更容易將電場聚焦于纖維束上，而不會不注意地刺激其他附近組織。此外，有效刺激治療所需的電場強度更小。當使用這種直徑數(shù)據(jù)時，可以選擇刺激電極20，以在纖維束的較窄段附近或恰在纖維束的較窄段處生成電場梯度。數(shù)據(jù)21還可以包括與相對于纖維束長度的纖維定向變化相關(guān)的信息。例如，當嘗試同時刺激多個纖維束時或者當嘗試避免對附近纖維束的刺激時，可以更好地刺激纖維束的不同定向的段，而不是最窄段或與刺激電極最接近的段。因此，在根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)刺激設備10的優(yōu)選實施例中，計算模塊14指定導致最大化的療效與最小化的不良副作用之間的最優(yōu)平衡的電流分布。該最優(yōu)電流分布考慮了一個或多個目標纖維束的不同段的直徑和定向以及優(yōu)選地要避免刺激的一個或多個纖維束的直徑和定向。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明可以如何確定電流分布。輸入數(shù)據(jù)21描述了被選擇以進行刺激的至少一個纖維束21的位置和定向。此外，輸入數(shù)據(jù)21可以包括與附近的纖維束22、23、24有關(guān)的信息。以下，我們假定:靠近纖維束21植入探針12，并且，(由計算模塊14或由外部計劃系統(tǒng))確定要在畫出纖維定向矢量25的段處刺激該纖維束21。探針12包括刺激電極20的陣列。計算模塊14確定可用電極20中的哪些最適于提供刺激治療。為了最小化要生成的電場的強度，選擇靠近所選纖維段的電極31、32、33。根據(jù)本發(fā)明，選擇靠近所選纖維段的幾個電極20是不夠的，但是，生成具有適當定向的電場梯度的電場也是重要的。例如，可以如下那樣確定導致最優(yōu)電場梯度的最優(yōu)電流分布:
-首先，將纖維定向矢量25投影到刺激電極20的陣列上。-然后，計算模塊24確定為了獲得與所投影的矢量26平行的電場梯度應當對哪些電極20施加哪些電流。在該示例中，選擇中央的一組電極31。-將電流值分派給該中央組中的電極31。-在該中央組電極31的相對側(cè)并且沿所投影的矢量26的方向，選擇第二和第三組電極32、33。-還確定第二和第三組電極32、33的電流值。用于第二和第三組32、33的電流值具有與用于中央組31的電流值的極性相`反的極性。作為結(jié)果，所產(chǎn)生的電場梯度將沿著纖維定向矢量25被引導。可以通過對中央組電極31施加如下這樣的電流值來平衡總電流:除極性外，對中央組電極31施加的電流值是對第二和第三組電極32、33施加的電流值的兩倍。應當注意，其他電流分布也可以導致適當定向的電場梯度。在所提供的示例性情形中，纖維定向矢量25是直線，并且電極20被提供在平坦的表面上。然而，以類似的方式，計算模塊14可以計算用于刺激彎曲纖維束段的電流分布。此外，刺激電極的陣列不必是平坦的表面。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。該方法的步驟可以由圖1的神經(jīng)刺激設備10的分布計算模塊14來執(zhí)行。該方法開始于數(shù)據(jù)接收步驟41，數(shù)據(jù)接收步驟41用于從設備10的輸入端11接收刺激數(shù)據(jù)21。當數(shù)據(jù)21被發(fā)送至設備10時，可以直接將接收到的數(shù)據(jù)傳遞至分布計算模塊14并由分布計算模塊14進行處理?？商鎿Q地，將數(shù)據(jù)21暫時存儲在存儲器15中以供后續(xù)使用。在定向確定步驟42中，確定刺激電極20的陣列要生成的電場梯度的優(yōu)選的位置和定向。基于在數(shù)據(jù)接收步驟41中接收到的數(shù)據(jù)，確定電場梯度的位置和定向。在上面，參照圖2描述了用于這樣做的示例性方法。在分布計算步驟43中，計算導致電場梯度的所確定的位置和定向的電流分布。然后，在刺激步驟44中，刺激單元13可以對相應的刺激電極20施加所計算出的電流分布。將意識到，本發(fā)明還擴展至適于實施本發(fā)明的計算機程序，特別是載體上或載體中的計算機程序。該程序可以是源代碼、目標代碼、代碼中間源和諸如部分編譯的形式的目標代碼的形式，或者是適于在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方式中使用的任何其他形式。還將意識到，這種程序可以具有許多不同的架構(gòu)設計。例如，可以將實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法或系統(tǒng)的功能的程序代碼細分為一個或多個子例程。用于將功能分布在這些子例程當中的許多不同方式對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將顯而易見?？梢詫⒆永桃黄鸫鎯υ谝粋€可執(zhí)行文件中以形成自含式程序。這種可執(zhí)行文件可以包括計算機可執(zhí)行指令，例如處理器指令和/或解釋器指令(例如，Java解釋器指令)?？商鎿Q地，可以將一個或多個或者所有子例程存儲在至少一個外部庫文件中并與主程序靜態(tài)地或動態(tài)地(例如，在運行時)鏈接。主程序包含對至少一個子例程的至少一個調(diào)用。此外，子例程可以包括對彼此的函數(shù)調(diào)用。與計算機程序產(chǎn)品相關(guān)的實施例包括與所闡述的方法中的至少一個方法的處理步驟中的每一個相對應的計算機可執(zhí)行指令?？梢詫⑦@些指令細分為子例程和/或存儲在可被靜態(tài)或動態(tài)鏈接的一個或多個文件中。與計算機程序產(chǎn)品相關(guān)的另一實施例包括與所闡述的系統(tǒng)和/或產(chǎn)品中的至少一個的裝置中的每一個相對應的計算機可執(zhí)行指令?？梢詫⑦@些指令細分為子例程和/或存儲在可被靜態(tài)或動態(tài)鏈接的一個或多個文件中。計算機程序的載體可以是能夠執(zhí)行程序的任何實體或設備。例如，載體可以包括存儲介質(zhì)，諸如ROM (例如，CD ROM或半導體ROM)或磁記錄介質(zhì)(例如，軟盤或硬盤)。此外，載體可以是可經(jīng)由電纜或光纜或者通過無線電或其他裝置傳送的可傳輸載體(諸如電或光信號)。當在這種信號中實現(xiàn)程序時，載體可以由這種線纜或者其他設備或裝置構(gòu)成?？商鎿Q地，載體可以是其中嵌入有程序的集成電路，該集成電路適于執(zhí)行相關(guān)方法或在相關(guān)方法的執(zhí)行中使用。應當注意，上述實施例舉例說明而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下設計出許多可替換實施例。在權(quán)利要求中，置于括號之間的任何參考標記不應理解為限制權(quán)利要求。對動詞“包括”及其變位的使用不排除存在除權(quán)利要求中聲明的元件或步驟外的元件或步驟。元件前的冠詞“一”或“一個”不排除存在多個這種元件?？梢酝?過包括若干不同元件的硬件以及通過適當編程的計算機來實現(xiàn)本發(fā)明。在列舉了多個裝置的設備權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個可以由同一項硬件來實現(xiàn)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載一定手段的起碼事實并不指示這些手段的組合不能用來獲益。
權(quán)利要求
1.一種神經(jīng)刺激設備(10)，包括: -輸入端(11)，用于接收刺激數(shù)據(jù)(21)，所述刺激數(shù)據(jù)(21)包括與至少一個纖維束的刺激優(yōu)選性和定向相關(guān)的信息； -神經(jīng)刺激探針(12)，其具有刺激電極(20)的陣列； -刺激單元(13)，其耦合至所述刺激電極(20)，以根據(jù)指定的電流分布將電流提供給相應的刺激電極(20)，以生成電場梯度；以及 -分布計算模塊(14)，其耦合至所述輸入端(11)和所述刺激單元(13)，以便: -基于所述刺激數(shù)據(jù)(21)確定所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向；以及 -基于所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向計算所述指定的電流分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)刺激設備，其中，所述分布計算模塊操作用于計算所述指定的電流分布，使得所述電場梯度與具有高刺激優(yōu)選性的至少一個纖維束基本上平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)刺激設備，其中，所述分布計算模塊操作用于計算所述指定的電流分布，使得所述電場梯度與具有低刺激優(yōu)選性的至少一個纖維束基本上垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)刺激設備，其中，所述分布計算模塊操作用于將所述指定的電流分布作為三極刺激分布圖來計算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)刺激設備，其中，所述刺激數(shù)據(jù)還包括與相對于所述至少一個纖維束的長度的纖維束直徑變化相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及其中，所述分布計算模塊操作用于計算所述指定的電流分布，使得在所述至少一個纖維束的纖維束直徑相對于所述至少一個纖維束的其他部分較小的情況下所述電場梯度較大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)刺激設備，其中，所述刺激數(shù)據(jù)還包括與相對于所述至少一個纖維束的長度的纖維定向變化相關(guān)的信息。
7.—種為神經(jīng)刺激設備的刺激電極的陣列計算指定的電流分布的方法，所述方法包括步驟: -接收刺激數(shù)據(jù)(21)，所述刺激數(shù)據(jù)(21)包括與至少一個纖維束的刺激優(yōu)選性和定向相關(guān)的彳目息； -基于所述刺激數(shù)據(jù)(21)確定刺激電極的陣列要生成的電場梯度的優(yōu)選的位置和定向；以及 -基于所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向計算所述指定的電流分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的計算指定的電流分布的方法，還包括步驟:根據(jù)所述指定的電流分布將電流提供給相應的刺激電極(20 )。
9.一種用于計算指定的電流分布的計算機程序產(chǎn)品，該程序操作用于使處理器執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種神經(jīng)刺激設備，其包括輸入端、神經(jīng)刺激探針、刺激單元和分布計算模塊。在所述輸入端處接收刺激數(shù)據(jù)，所述刺激數(shù)據(jù)包括與至少一個纖維束的刺激優(yōu)選性和定向相關(guān)的信息。所述神經(jīng)刺激探針包括耦合至所述刺激單元的刺激電極的陣列。所述刺激單元根據(jù)指定的電流分布將電流提供給相應的刺激電極，以生成電場梯度。所述分布計算模塊耦合至所述輸入端和所述刺激單元，以基于所述刺激數(shù)據(jù)確定所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向，以及基于所述電場梯度的優(yōu)選的位置和定向計算指定的電流分布。
文檔編號A61N1/36GK103180010SQ201180052020
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者H.C.F.馬滕斯 申請人:沙皮恩斯腦部刺激控制有限公司