用于可植入医疗装置电容负载效应的电脉冲电荷补偿的系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种神经刺激装置和系统。至少一个具有多个电极的神经刺激引线被配置为被植入在患者的组织内。分路电容耦合到电极中的一个。时变电流被递送到电极中的至少一个，其中，分路电容在没有补偿的情况下将响应于递送的电流的时变变化吸收来自组织的电荷或者将电荷注入到组织中，从而使未经补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织。吸收的或注入的电荷被至少部分地补偿，从而使补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年4月25日提交的美国临时专利申请第61/984,699号的权益，该申请通过引用并入本文。
本专利技术涉及可植入医疗装置，更具体地，涉及补偿电容负载效应的可植入医疗装置。
技术介绍
可植入神经刺激系统已经被证明在各种疾病和机能失调中是有疗效的。起搏器和可植入心脏除颤器(ICD)已经被证明对治疗若干种心脏病(例如，心律失常)是高度有效的。脊髓刺激(SCS)系统已经被作为用于治疗慢性疼痛综合征的治疗方法接受，并且组织刺激的施加已经开始扩展到另外的应用，比如心绞痛胸肌和失禁。脑深部刺激(DBS)在十年里也已经被很好地有疗效地应用于治疗难治的慢性疼痛综合征，并且DBS最近也已经被应用于另外的领域，比如运动障碍和癫痫。此外，在最近的调查中，周围神经刺激(PNS)系统已经证实在慢性疼痛综合征和失禁的治疗中是有功效的，并且若干个另外的应用目前在调查中。此外，功能性电刺激(FES)系统，比如NeuroControl(神经控制)(俄亥俄州克里夫兰市)的Freehand系统，已经被应用于对脊髓损伤患者的麻痹的四肢恢复一些功能性。这些可植入神经刺激系统通常均包括至少一个刺激引线和可植入脉冲发生器(IPG)，刺激引线植入在期望刺激部位处，IPG远离刺激部位植入，但是直接耦合到刺激引线(一个或多个)，或者经由一个或多个引线延长部分间接地耦合到刺激引线(一个或多个)。因此，电脉冲可以从神经刺激器递送到刺激引线(一个或多个)承载的电极以根据一组刺激参数来刺激或激活一定体积的组织并且为患者提供期望的有功效的疗法。典型的刺激参数集合可以包括在任何给定时间发起刺激电流的电极(阳极)或者在任何给定时间返回刺激电流的电极(阴极)、以及电脉冲的振幅、持续时间、速率和猝发率。对于本文中所描述的本专利技术重要的是，典型的IPG可以由患者通过将磁体放置在植入的IPG上方来手动停用，该磁体靠近IPG内所包含的干簧管。神经刺激系统可以进一步包括手持遥控器(RC)，该手持遥控器远程地指示神经刺激器根据选定的刺激参数产生电脉冲。RC本身可以由看护患者的技术人员例如通过使用临床医生的编程器(PC)来进行程控，该编程器通常包括其上安装有编程软件包的通用计算机，比如膝上型计算机。可以通过使用一个或多个电流受控源提供指定的已知电流的电脉冲(即，电流调节的输出脉冲)或者使用一个或多个电压受控源提供指定的已知电压的电脉冲(即，电压调节的输出脉冲)来将电刺激能量从神经刺激器递送到电极。神经刺激器的电路还可以包括电压转换器、功率调节器、输出耦合电容器以及生成恒定电压或恒定电流刺激脉冲所需的其他元件。可以不限于用于治疗慢性疼痛的SCS的神经刺激系统常规植入在需要磁共振成像(MRI)的患者里。因此，当设计可植入神经刺激系统时，必须考虑到被植入神经刺激器的患者可能受到MRI扫描仪产生的电磁干扰，这可能对神经刺激器引起损坏并且对患者引起不舒适感。通常，电磁干扰(EMI)滤波器放置在神经刺激器的端口和接触电极的组织之间以在具有高射频(RF)场的环境(比如MRI环境)下确保正确的操作并且防止损坏神经刺激器。通常，这些滤波器合并电容器，这些电容器将RF能量分流到公共节点(比如神经刺激器的金属壳)以保护内部电路。另外，引线间导体电容贡献神经刺激器输出之间的分路电容。分路电容的另一个来源是内部神经刺激器电路元件(比如为递送电脉冲而设置的有源电子开关)的电容。在电脉冲递送期间，分路电容必须被充电到电脉冲递送期间电极上存在的电压。从电容吸收的或递送的电荷改变工作电极上的递送的电脉冲的波形状。例如，通常，神经刺激器将电流驱动到神经刺激引线末端处的电极处的组织。每个电极可以被看作是理想的电流源，组织被近似为电阻器网络。电极递送到组织的总电流必须等于零(即，阳极电流的总幅值必须等于阴极电流的总幅值)。例如，如图1所示，最简单的情况是两个电极之间的电源(在这种情况下是电流源I)，一个电极充当阳极E1，另一个电极充当阴极(在这种情况下是壳电极Ecase)。当然，电极E1可以替代作为阴极E1，并且壳电极Ecase可以作为阳极。照此，图1以及本说明书中提供的后面的附图所示的电源的箭头所示的电流流动是任意的，因此，本文中提供的电流源中所表示的箭头的方向并不一定意味着电流实际上在该方向上流动。因此，与电流源I产生的电流相等的电流it流过电极E1和壳电极Ecase之间的组织电阻Rt(即，阳极电流从电极E1进入组织，相等幅值的阴极电流退出组织进入壳电极Ecase)。在整个组织电阻Rt上显现的电压V用欧姆定律(V＝IR)描述。应注意到，实际的电路包括DC阻隔电容器。然而，这些DC阻隔电容器足够大以至于在电脉冲递送期间具有可忽略的电压变化，它们通常出于分析刺激能量的电性质的目的而被忽略，所以在图1所示的简化模型中没有被明确示出。然而，如以上所讨论的，分路电容(比如EMI滤波器)、内部刺激电路电容以及引线间导体电容可能具有使刺激失真到足以令人担忧的寄生部件。图2中示出了这样的电路的例子，其中，C1、R1和C2表示神经刺激引线的寄生部件、EMI滤波器中的任何分路电容以及两个电极之间的内部刺激电路的集总元件模型，所述两个电极中的一个充当阴极E1，并且另一个充当阳极(在这种情况下是壳电极Ecase)。电流i1和i2将响应于这些电容上的电压的变化而通过分路电容C1和C2泄漏，防止指定的电驱动电流I到达组织，组织被建模为Rt。相反，电流it流过组织电阻Rt。该分流现象改变每个电脉冲的形状，并且因此，改变递送到患者的组织的电流的波形状。在刺激源近似为电压源的情况下，也可以改变递送到患者的总电荷。例如，在连接到工作电极的电容正在充电的同时，电脉冲电流的上升时间可能增加。例如，如图3所示，理想的电脉冲电流具有相对较短的上升时间，而由于来自电容的电荷的吸收而导致的实际电脉冲电流具有相对较长的上升时间。尽管理想的电脉冲显示为方形的，但是实际上，电脉冲电流将具有近似为梯形的波形状，其中电流在脉冲的上升沿和下降沿期间在分路电容中流动。在任何一种情况下，这都将导致在电脉冲期间递送到组织的总电荷的意外变化。此外，不工作电极由于它们在刺激部位附近与组织接触，在电脉冲递送期间也可能受到电压偏移，导致连接到这些电极的电容器的电荷水平变化。电荷变化可以导致相关联的组织接触电极处的电荷的意外递送或移除以及该组织的极化的意外变化，或者甚至导致意外的组织刺激。因此，由于刺激电路中的分路电容，仍需要补偿组织接触电极处的电荷的变化。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，一种神经刺激装置包括多个电端子和刺激输出电路，所述多个电端子被配置为分别耦合到植入在患者的组织内的多个刺激电极，刺激输出电路被配置为经由相应的电端子(一个或多个)将时变电流递送到电极中的至少一个电极。刺激输出电路包括经由相应的一个电端子耦合到电极中的一个电极的分路电容(例如，电磁干扰(EMI)电容和引线电容中的至少一个)，该分路电容在没有补偿的情况下将响应于递送的电流的时变变化吸收来自组织的电荷或者将电荷注入到组织中，从而使未经补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织。在一个实施例中，递送的电刺激能量包括具有电脉冲的脉冲电能，该电脉冲具有上升沿和下降沿，在这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种神经刺激装置，包括：多个电端子，所述多个电端子被配置为分别耦合到植入在患者的组织内的多个刺激电极；刺激输出电路，所述刺激输出电路被配置为经由相应的至少一个电端子将时变电流递送到所述电极中的至少一个电极，所述刺激输出电路包括经由相应的一个电端子耦合到所述电极中的一个电极的分路电容，所述分路电容在没有补偿的情况下将响应于递送的电流的时变变化吸收来自所述组织的电荷或者将电荷注入到所述组织中，从而使未经补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织；以及控制器，所述控制器被配置为指导所述刺激输出电路至少部分地补偿吸收的或注入的电荷，从而使补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.25 US 61/984,6991.一种神经刺激装置，包括：多个电端子，所述多个电端子被配置为分别耦合到植入在患者的组织内的多个刺激电极；刺激输出电路，所述刺激输出电路被配置为经由相应的至少一个电端子将时变电流递送到所述电极中的至少一个电极，所述刺激输出电路包括经由相应的一个电端子耦合到所述电极中的一个电极的分路电容，所述分路电容在没有补偿的情况下将响应于递送的电流的时变变化吸收来自所述组织的电荷或者将电荷注入到所述组织中，从而使未经补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织；以及控制器，所述控制器被配置为指导所述刺激输出电路至少部分地补偿吸收的或注入的电荷，从而使补偿的电波形被递送到与所述一个电极相邻的组织。2.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，在所述未经补偿的电波形和期望电波形之间，特性具有第一误差值，并且在所述补偿的电波形和所述期望电波形之间，相同的特性具有小于第一误差值的第二误差值。3.根据权利要求2所述的神经刺激装置，其中，所述特性是一段时间段期间的总电荷。4.根据权利要求2所述的神经刺激装置，其中，所述特性是一段时间段内的电流的幅值。5.根据权利要求4所述的神经刺激装置，其中，所述电流是所述时间段期间的平均电流。6.根据权利要求2所述的神经刺激装置，其中，所述特性是波形形状。7.根据权利要求6所述的神经刺激装置，其中，所述补偿的电波形的波形形状与所述期望电波形的波形形状的匹配程度大于所述未经补偿的电波形与所述期望电波形的波形形状的匹配程度。8.根据权利要求2所述的神经刺激装置，其中，所述第一误差值很大，所述第二误差值很小。9.根据权利要求2所述的神经刺激装置，其中，所述期望电波形是零电波形。10.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，所述递送的电刺激能量包括具有电脉冲的脉冲电能，所述电脉冲具有上升沿和下降沿，其中，所述分路电容在没有补偿的情况下将响应于所述电脉冲的上升沿吸收来自所述组织的电荷，并且响应于所述电脉冲的下降沿将电荷注入到所述组织中。11.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，所述分路电容包括电磁干扰(EMI)电容和引线电容中的至少一个。12.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，所述刺激输出电路包括经由相应的其他的电端子耦合到所述电极中的另一个电极的另一个分路电容，所述另一个分路电容在没有补偿的情况下响应于所述递送的电能的时变变化吸收来自所述组织的电荷或者将电荷注入到所述组织中，从而使另一个未经补偿的电波形被递送到与所述另一个电极相邻的组织，并且所述控制器被进一步配置为指导所述刺激输出电路至少部分地补偿吸收的或注入的电荷，从而使另一个补偿的电波形被递送到与所述另一个电极相邻的组织。13.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，所述控制器被配置为指导所述刺激输出电路通过以下述方式来至少部分地补偿吸收的或注入的电荷，即，如果所述分路电容在没有补偿的情况下将从所述组织移除电荷，则主动地将电荷注入到所述分路电容中，和/或如果所述分路电容在没有补偿的情况下将电荷注入到所述组织中，则主动地从所述分路电容移除电荷。14.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，所述刺激输出电路包括电源，所述电源被配置为经由相应的一个电端子耦合到所述一个电极，并且其中，所述控制器被配置为指导所述电源通过产生电流来至少部分地补偿吸收的或注入的电荷。15.根据权利要求14所述的神经刺激装置，其中，所述电流源具有可由所述控制器控制的任意脉冲成形能力。16.根据权利要求14所述的神经刺激装置，其中，所述神经刺激装置包括处理器，所述处理器被配置为基于微分方程来计算所述电源产生的电流的值，所述微分方程是所述分路电容和所述期望电流值的函数。17.根据权利要求14所述的神经刺激装置，进一步包括：感测装置，所述感测装置被配置为测量在所述时变电流递送期间所述一个电极处的电压变化；以及处理器，所述处理器被配置为：基于测量的电压变化来计算流过与所述一个电极相邻的组织的电流的幅值和极性，基于计算的流过与所述一个电极相邻的组织的电流的幅值和极性以及期望电流值来计算补偿电流的幅值和极性，并且将补偿的电流的幅值和极性的函数与所述期望电流值相加以获得所述控制器指导所述电源产生的电流的幅值和极性。18.根据权利要求17所述的神经刺激装置，其中，所述函数是以下中的一个：增益、补偿电流在时间上的微分乘以增益、以及补偿电流在时间上的积分乘以增益。19.根据权利要求1所述的神经刺激装置，其中，所述至少一个电极包括所述一个电极。20.根据权利要求1所述的神经刺激装置，进一步包括存储器，所述存储器被配置为存储限定所述期望电波形的特性的程控电参数。21.根据权利要求20所述的神经刺激装置，其中，所述电参数是电流值。22.根据权利要求20所述的神经刺激装置，进一步包括遥测电路，所述遥测电路被配置为从外部控制器接收所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·李·麦克唐纳，约瑟夫·M·鲍谢克，托马斯·W·斯托弗，罗伯特·格拉哈姆·拉蒙特，
申请(专利权)人：波士顿科学神经调制公司，
类型：发明
国别省市：美国;US