(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
埋込可能なケースと、
Ｎ個の電極のうちの１つの第１の電極だけが、第１の電流路を有するカソード又はアノードのいずれか一方として制御回路により指定され、Ｎ個の電極のうちの他の複数の第２の電極が、各々が第２の電流路を有するカソード又はアノードのうちの他方として制御回路により指定可能であり、前記埋込可能なケースに１つ又はそれ以上のリード線によって結合された複数のＮ個の電極と、
各々の電流ソースが前記第２の電極のうちの一つに結合された、複数のＸ個の電流ソースと、
前記第１又は第２の電流路内に配置された、複数のＸ個またはＸ＋１個だけのコンデンサと、を備え、
Ｘ＋１がＮより小さい、ことを特徴とする埋込型医療装置。
【請求項２】
前記装置は、前記第１又は第２の電流路の各々が１つのコンデンサを含むように、Ｘ＋１個のコンデンサを備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、前記第１又は第２の電流路のうちの１つだけがコンデンサを含まないように、Ｘ個だけのコンデンサを備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記Ｘ個のコンデンサは、前記第２の電流路内に配置され、従って前記第１の電流路だけがコンデンサを含まないことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記コンデンサのうちのＸ−１個が前記第２の電流路内に配置され、前記コンデンサのうちの１つが前記第１の電流路内に配置され、従って前記第２の電流路のうちの１つだけがコンデンサを含まないことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の電極はアノードを含み、前記第２の電極はカソードを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の電極はカソードを含み、前記第２の電極はアノードを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の電極は、前記Ｎ個の電極のうちのいずれかから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記Ｎ個の電極のうちの専用の１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に多電極埋込型刺激器装置に関する。
本願は、２００９年４月１７日出願の米国特許出願第１２／４２５，５０５号に基づく国際（ＰＣＴ）出願であり、これに対する優先権を主張するものある。
【背景技術】
【０００２】
埋込型刺激器装置は、種々の生物学的疾患の治療のための電気刺激を生成し、神経及び組織に加えるものであり、例えば、心不整脈を治療するためのペースメーカ、心細動を治療するための除細動器、難聴を治療するための蝸牛刺激器、視覚障害を治療するためのレチナール刺激器、四肢協調運動をもたらすための筋刺激器、慢性疼痛を治療するための脊髄刺激器、運動障害及び心理的障害を治療するための皮質及び脳深部刺激器、片頭痛を治療するための後頭神経刺激器、並びに、尿失禁、睡眠時無呼吸、肩関節亜脱臼などを治療するための他の神経刺激器などがある。埋込型刺激器装置は、特許文献１に開示された型の微小刺激器装置、又は特許文献２に開示された型の脊髄刺激器、又は他の形態を含むことができる。
【０００３】
微小刺激器装置は、典型的には、所望の電流刺激を生成するための電極を保持する小型の、一般に円筒型の筐体を備える。この型の装置は標的組織の近傍に埋込まれ、刺激電流が標的組織を刺激できるようにして治療を施す。微小刺激器のケースは、通常、直径が数ミリメートル及び長さが数ミリメートル乃至数センチメートルの程度であり、通常、患者の組織に接触させるための刺激電極を含む又は保持する。しかし、微小刺激器はまた、又は代わりに、１つ又はそれ以上のリード線を介して装置本体に結合した電極を有する。
【０００４】
従来技術の幾つかの微小刺激器２は、図１に示すように１つだけの２電極を含み、それゆえに「２電極」微小刺激器と呼ばれる。２電極微小刺激器装置の例としては、カルフォルニア州Ｖａｌｅｎｃｉａ所在のＢｏｓｔｏｎ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｎｅｕｒｏｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社によって製作されたＢｉｏｎ（登録商標）が挙げられる。単一のアノード電極Ｅａｎｏｄｅ（Ｅアノード）が電流を抵抗Ｒ、即ちユーザの組織に供給する。電流の戻り経路は単一のカソード電極Ｅｃａｔｈｏｄｅ（Ｅカソード）によって設けられる。アノード又はカソード電極のいずれかが装置のケース、又はケースの他の導電部分を含むことができる。電流は電流ソース２０の動作によって流れ、この電流ソース２０は、通常、デジタル−アナログ・コンバータ又は「ＤＡＣ」２０を備え、これは所望の治療電流Ｉoutを患者組織に供給するようにプラグラム可能である。この電流Ｉｏｕｔは、図１の底部に示すように通常はパルス化されており、患者に適した周波数及び負荷サイクルを有することができる。
【０００５】
電流ソース又はＤＡＣはまたアノードに結合することができる。しかし、図示するように、ＤＡＣ２０内にプラグラムされた電流Ｉｏｕｔを供給するのに十分な強度のコンプライアンス電圧Ｖ＋に結合される。このコンプライアンス電圧は、微小刺激器２内部の電池１２によって供給される電池電圧Ｖｂａｔから生成することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、Ｖｂａｔを所望のコンプライアンス電圧Ｖ＋まで高めるのに用いられ、Ｖ＋モニタ及び調節回路１８によって制御される。コンプライアンス電圧生成のためのそのような回路は周知のものであり、本開示によって提示される問題には直接密接に関係しないので、さらに詳述することはしない。
【０００６】
また図１には、アノード及びカソードにそれぞれ配線結合された減結合又は阻止コンデンサ４２及び４４を示す。周知のように、そのような減結合コンデンサのみが、ＤＡＣ２０によって供給される電流のＡＣ成分のみを通過させ、従って患者組織ＲへのＤＣ電流注入を防止する（Ｉｄｃ＝０）。組織内へのＤＣ電流注入を防止することは、安全のために望ましい。電流のＤＣ成分が除去されると、患者組織内の電流蓄積の可能性が最小限になる。
【０００７】
２つの減結合コンデンサを図１に示すが、ＤＣ電流注入を防ぐためには、ＤＡＣ２０に結合された１つのコンデンサだけが必要である。従って、図２に示すようにＤＡＣ２０がカソード側の電流路に現れるときは、カソードコンデンサ４４のみが必要となる。同様に、ＤＡＣ２０がアノード側の電流路にあったとすると、アノードコンデンサ４２のみが必要となる（図２には図示せず）。減結合コンデンサは、微小刺激器２内部の残りの回路に比べてかなり大きくなり易く、ケース内の相当なスペースを占めるので、１つだけの減結合コンデンサ４２又は４４を用いることが好ましい。従って、減結合コンデンサの数を減らすことにより、微小刺激器２を小さくすることができ、これが埋込み手術を簡単にし、患者に都合良くなる。
【０００８】
２電極微小刺激器２には簡単さの利点がある。サイズが小さいために、それら微小刺激器２は患者の治療が必要な部位に、前述のような治療電流を本体から離れて移送するリード線なしに、埋込むことができる。しかし、それら２電極微小刺激器は治療上の柔軟性に欠ける。即ち、ひとたび埋込まれると、単一カソード／アノードの組合せは、それらの近傍の神経だけを漸加し、該近傍は一般には患者組織内で装置の位置を操作しない限り変えることができない。
【０００９】
治療上の柔軟性を向上させるために、２個を越える電極を有する微小刺激器が提案されており、それの装置は、本明細書では「多電極」微小刺激器と呼んで前述の２電極刺激器から区別する。このようにして電極の数を増やす場合、ひとたび装置が埋込まれると電極を選択的に活性化して、装置の位置を操作せずに治療を施す自由度が得られる。
【００１０】
例示的な多電極微小刺激器４、６、及び８を、それぞれ図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに示し、これらは上で引用した特許文献１に開示されている。その名が示すように、多電極微小刺激器は複数の電極を備え、その電極は様々な仕方でケース上に、例えば、図３Ａ−図３Ｃの右底部の絵に示すように、ケースの２つの面上に配置することができる。この及び後の例においては、いずれかの電極が埋込物ケース又はその導電性部分を含むことができることに留意されたい。
【００１１】
図３Ａの実施形態において、専用アノード電極Ｅａｎｏｄｅが備えられる。対照的に、Ｅ１ｃａｔｈｏｄｅ−Ｅｎｃａｔｈｏｄｅのうちの１つがカソードスイッチ６２1−６２nを介してカソードとして選択される。特定のカソードをその対応するカソードスイッチを閉じることによって選択することにより、そのカソードをＤＡＣ２０に結合する。例えば、図３ＡはＥ１ｃａｔｈｏｄｅが選択されるときに完成する回路を示す。この設計は、単一の減結合コンデンサ４２をアノード経路内に用いることに留意されたい。
【００１２】
図３Ａにはまた、回復スイッチ６４並びに６６1−６６nを示す。上で引用した特許文献１に記載されているように、回復スイッチ６４並びに６６1−６６nは刺激パルスの供給後のある時点で活性化され、減結合コンデンサ４４上且つ患者組織内に残ったあらゆる残りの電荷を回収する目標を有する。従って、刺激パルスの後、回復スイッチ６４及び少なくとも１つのスイッチ６６1−６６nが閉じられる。これらのスイッチの閉鎖により、減結合コンデンサの各板３０２の上に同じ基準電圧がかかるので、あらゆる蓄積電荷が除去される。一実施形態において、便利のために、用いる基準電圧は微小刺激器４内部の電池の電池電圧Ｖｂａｔとするが、任意の他の基準電圧を用いることができる。従って、回復中、Ｖｂａｔは、回復スイッチ６４を介してコンデンサ４４の左板上にかかり、同様に、回復スイッチ６６1−６６nのうちの１つ又は全てを介して右板（患者組織Ｒを通して）にかかる。回復は特許文献１に詳しく記載されており、また本開示には直接密接に関係しないので、さらには論じない。
【００１３】
図３Ｂの実施形態は、図３Ａの実施形態を、カソード電極に加えてアノード電極を選択できるように改良したものである。従って、この装置はＮ個の電極Ｅ１−Ｅｎを含み、これらのうちのいずれも任意の所与の時間にアノード又はカソードを構成することができる。前と同様に、どの電極がカソードとして働くかは、特定のカソードスイッチ６２1−６２nを選択することによって決められる。どの電極がアノードとして働くかは、特定のアノードスイッチ６８1−６８nを選択することによって決められる。例えば、図３Ｂは、Ｅ１がアノードとして選択され、Ｅ２がカソードとして選択されるときに完成する回路を示す。どの電極がアノードとして選択されるかに関わらず、この設計でもやはり単一の減結合コンデンサ４２がアノード経路内に用いられることに留意されたい。
【００１４】
図３Ａと図３Ｂの実施形態は、単一の減結合コンデンサ４２が、患者組織ＲへのＤＣ電流注入を防ぐ、即ちＩｄｃ＝０である点で類似している。その結果、これらの設計は前述の理由により一般的に安全であると考えることができる。さらに、これらの設計は一般的にコンパクトであり、最も重要なことであるが、単一の減結合コンデンサ４２のみを必要とする。
【００１５】
しかし、図３Ａ及び３Ｂの実施形態は、単一のＤＡＣ２０を備えることによる欠点、即ち、２つ又はそれ以上の異なるカソードにおける電流を同時且つ独立に修正することができないという欠点を有する。２つ（又はそれ以上）の異なるカソード電極における電流をそのように修正できることは、一例において１つのカソードから別のカソードへ電流を「操作する又は導く」のに望ましい。電流を操作することの構想は特許文献３において取り扱われているので、本明細書では図４を参照しながら簡潔にのみ説明する。図４は、Ｅ２がアノードとして指定され、Ｅ４がカソードとして指定された初期状態を示す。これらの電極によってもたらされる正味の電流量はゼロでなければならないので、Ｅ２は１０ｍＡを供給し、一方Ｅ４は１０ｍＡを吸い込む。次の状態においては、吸い込み（シンク）電流の一部（−２ｍＡ）がカソード電極Ｅ４からＥ３に移動又は「操作」されている。２ｍＡの増分の操作は最後の状態まで続けられ、全てのシンク電流（−１０ｍＡ）がカソードＥ３に移動し、一方元のカソードＥ４はここでオフとなる。幾つかの刺激器においてはアノード電流を同様に操作することができるが、これは図示しない。このように電流を操作できることは、患者に施すことができる治療の複雑さを改善するばかりでなく、特定の患者に関して活性化するのに最良の電極を決定するための適合操作中に安全で快適な実験を可能にする。しかし、図３Ａ及び３Ｂの設計では、２つの異なる電極における電流を同時に操作することはできない。
【００１６】
上で引用した特許文献１に開示された電流操作可能な実施形態を図３Ｃに示す。この微小刺激器８は、図３Ｂの微小刺激器６から、各々の電極Ｅ１−Ｅｎがそれぞれ専用の独立に制御可能なＤＡＣ２０1−２０nを有するように改善したものである。その結果、１つより多くの電極を、任意の所与の時間において２つ又はそれ以上のカソード選択スイッチ６２1−６２nを選択することによって、カソードとして選択することができ、そして各々において吸い込まれた電流は、図４に示す種類の電流制御が可能な対応するＤＡＣ２０1−２０nによって独立に制御することができる。
【００１７】
残念ながら図３Ｃの微小刺激器８は、単一の減結合コンデンサ４２を備えることに関連する欠点、即ち、電流操作中に患者組織ＲへのＤＣ電流注入を誘導する可能性を有する。このことを図５に示す。第１の回路は、アノードとしてＥｘの選択、及びカソードとして単一電極Ｅｙのみの選択を示す。この状態において減結合コンデンサ４２は、全電流路を通してＤＣ電流注入を防ぐ。しかし第２の回路は、カソードとして電極Ｅｙ及びＥｚの選択を示すが、これはＥｙにおける電流の一部をＥｚに向けて操作するときに起こり得る。この構成において、減結合コンデンサ４２はアノード経路内でのＤＣ電流注入を防ぎ、Ｉｄｃa＝０となる。しかし、そのような減結合コンデンサはカソード経路には現れないので、ＤＡＣ２０ｙ及び２０ｚが患者の組織を通してＤＣ電流を供給することは防止されない。要約すれば、図３Ｃの設計は電流操作を可能にし、単一のコンデンサ４２のために比較的コンパクトになり得るが、各々のカソード電極へのＤＣ電流注入の誘導がないことを保証しない。
【００１８】
図６は多電極埋込型刺激器１０のさらに別の設計を与える。この型の設計は、上で引用した特許文献２に示されるように、脊髄刺激器（ＳＣＳ）に用いられることが多い。ＳＣＳ１０は典型的には、リード線によって電極アレイに結合されたケースを有することになる。電極アレイは患者の背骨に埋込まれ、一方ケースは患者の臀部などの離れた危険性の低い位置に埋込まれる。ケースは刺激を必要とするその位置に埋込まれないので、ＳＣＳ１０のケースは通常、これまでに説明した種々の微小刺激器よりも大きくすることができる。
【００１９】
図６に見られるように、ＳＣＳ１０は複数の電極Ｅ１−Ｅｎを有する。各々の電極に減結合コンデンサＣ１−Ｃｎが配線結合され、これら各々のコンデンサにＤＡＣ２０1−２０nが結合される。この特定の設計において、ＤＡＣは電流ソース又は電流シンクとして動作するように制御することができ、従ってそれらに関連する電極はアノード又はカソードを含むことができる。図６に示すのは、ＤＡＣ２０2が電流ソースとして活性であり、従ってＥ２をアノードとして指定し、そしてＤＡＣ２０4が電流シンクとして活性であり、従ってＥ4をカソードとして指定した例である。全ての他のＤＡＣ及びそれらに関連する電極は不活性である。
【００２０】
ＳＣＳ１０は、各々の電極に専用の個々に制御可能なＤＡＣを有するので、２つの電極の間で電流を容易に操作することができる。即ち、同時に、２つ又はそれ以上の電極がカソード（シンク）として機能することができ、及び／又は２つ又はそれ以上の電極がアノード（ソース）として機能することができる。さらに、各々の電極が減結合コンデンサＣ１−Ｃｎに配線結合されているので、電流操作中でも患者の組織Ｒ内へのＤＣ電流注入を誘導する危険性はない。
【００２１】
従って、ＳＣＳ１０のシステムは多くの有益な機能性の利点を有する。しかし、Ｎ個の電極の各々を専用の減結合コンデンサに配線結合する要件は、Ｎ個の減結合コンデンサを備える必要があることを意味する。前述のように、これらのコンデンサは、埋込型刺激器のケース内の相当なスペースを占める可能性がある。このことは、埋込型刺激器が、例えばＳＣＳ１０である場合には、前述のように、この型の装置は一般に大きなケースをサポートすることができるので、あまり重大な問題とはならないことがある。しかし、小型の微小刺激器に関する場合、各々のＮ個の電極に対してＮ個のコンデンサの必要性は法外なことである。
【００２２】
従って、本発明者は、埋込型刺激器技術、特に多電極微小刺激器技術は、装置サイズを最小限にし、患者の安全を確実にすることになるアーキテクチャによって利益を得るものと確信する。特に望まれるのは、必要な減結合コンデンサの数を最小限にするが、それでもなお電流操作中においてもＤＣ電流注入を防ぐことになる設計である。そのような解決策の実施形態を本明細書で提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００９７５２９号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０１３５８６８号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０２３９２２８号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／００３８２５０号
【発明の概要】
【００２４】
Ｎ個の電極を有する埋込型刺激器のアーキテクチャを開示する。本アーキテクチャはＸ個の電流ソース又はＤＡＣを含む。単一アノード／複数カソード設計において、１つの電極をアノードとして指定し、Ｘ個までの電極をカソードとして指定してＸ個のＤＡＣのうちの１つによって独立に制御できるようにして、複合的な患者治療及び電極間の電流操作を可能にする。この設計には少なくともＸ個の減結合コンデンサを使用し、Ｘ個のコンデンサがＸ個のカソード経路内にあるか、又は１つがアノード経路内にありＸ−１個がＸ個のカソード経路内にあるようにする。Ｘ個のＤＡＣを有する複数アノード／複数カソード設計においては、全部でＸ−１個の減結合コンデンサが必要となる。ＤＡＣの数Ｘは通常、電極の総数（Ｎ）よりも遥かに小さいので、これらのアーキテクチャは減結合コンデンサの個数を最小限にし、これによりスペースが節約され、さらに電流操作中でもＤＣ電流注入が起らないことが保証される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術による２電極微小刺激器の基本的な電気部品を示す。
【図２】従来技術による２電極微小刺激器の基本的な電気部品を示す。
【図３Ａ】従来技術による多電極微小刺激器の基本的な電気部品を示す。
【図３Ｂ】従来技術による多電極微小刺激器の基本的な電気部品を示す。
【図３Ｃ】従来技術による多電極微小刺激器の基本的な電気部品を示す。
【図４】多電極刺激器装置内の電極間の電流操作の概念を示す。
【図５】図３Ｃの多電極微小刺激器の操作中のＤＣ電流注入を示す。
【図６】従来技術による脊髄刺激器の基本的な電気部品を示す。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する別の単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する別の単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図８Ｃ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する別の単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図８Ｄ】本発明の一実施形態による、最小数の減結合コンデンサを有する別の単一アノード／複数カソード刺激器を示す。
【図９】単一アノード／複数カソード刺激器に対する、１つの付加的減結合コンデンサを有する修正物を示す。
【図１０】単一アノード／複数カソード構成における本発明の実施を示す。
【図１１Ａ】最小数の減結合コンデンサを有する複数アノード／複数カソード構成における本発明の実施を示す。
【図１１Ｂ】最小数の減結合コンデンサを有する複数アノード／複数カソード構成における本発明の実施を示す。
【図１２】図１１Ａの複数アノード／複数カソード刺激器に対する、１つの付加的減結合コンデンサを有する修正物を示す。
【図１３】最小数の減結合コンデンサを有する複数アノード／複数カソード構成における本発明の別の実施を示す。
【図１４】図１３の複数アノード／複数カソード刺激器に対する、１つの付加的減結合コンデンサを有する修正物を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
改良された多電極刺激器１００の第１の実施形態を図７Ａ及び７Ｂに示し、第２の実施形態１００’を図８Ａ及び８Ｂに示す。刺激器１００及び１００’は、以前に図３Ｃに示した微小刺激器８と同様に、単一アノード／複数カソード刺激器を含む。しかし刺激器１００又は１００’はまた、図６に示したものに類似の脊髄刺激器１０内部で、又は任意の他の埋込型刺激器内部で用いることができる。
【００２７】
刺激器１００及び１００’は、Ｎ個の電極Ｅ１−Ｅｎを備える。図示した構成において、電極のいずれか１つをアノードとしてプログラムすることができ、１つ又はそれ以上の他の電極をカソードとしてプログラムすることができる。図７Ｂ及び図８Ｂに最も良く示されるように、電極Ｅ１−Ｅｎのうちのいずれも、その対応するアノード選択スイッチ６８1−６８nの選択によりアノードとしてプログラムすることができる。しかし、アノード電極がプラグラム可能であることは本発明にとって重要ではない。代りに、図３Ａに示した微小刺激器４と同様に、専用のアノード電極を用いることもできる。
【００２８】
完全性のために、回復スイッチ６４並びに６６ａ−６６ｘを図７Ｂ及び図８Ｂに示す。しかしそれら回復回路の動作は前述したのと基本的に同じであり、また本発明の実施形態には必要ないので、それらの回路を再び論じることはしない。
【００２９】
両方の刺激器１００及び１００’内部には、Ｘ個のＤＡＣ２０ａ−２０ｘ、及び、これらのＤＡＣを電極Ｅ１−Ｅｎのいずれかに結合するためのＸ個のスイッチマトリクス８１ａ−ｘがある。各々のスイッチマトリクス８１は、所与のＤＡＣ２０をＮ個の電極のうちの任意のいずれかに結合するためのＮ個のカソード選択スイッチ６２1-nを備える。例えば、ＤＡＣ２０ｂを電極Ｅ１に結合し、従って電極Ｅ１をカソードとして指定することを望む場合、スイッチマトリクス８１ｂ内の選択スイッチ６２ｂ1が選択されることになる。
【００３０】
Ｘ個のＤＡＣ２０ａ−２０ｘが存在するので、最大Ｘ個の電極が任意の所与の時間にカソードとして機能することができる。（実際には、これらカソードの幾つかが１つのＤＡＣを共用する限り、Ｘ個より多くの電極がカソードとして機能することができるが、この可能性に付いてさらに論じることはしない）。さらに、それらＸ個のカソード電極の各々における電流は個々に且つ同時に制御することができる。Ｘ（ＤＡＣの数、又はカソードの最大数）がＮ（電極の数）よりも小さい場合が普通である。これは、一般には、所与の時間に一部の電極（全電極ではなく）がカソードとして機能できるようにすることのみが望ましいために事実である。例えば、Ｎ＝８の電極を有する微小刺激器において、同時に最大でＸ＝３のカソードを指定することが望ましいことがある。刺激器１００’の実施を表す図８Ｄに示すさらに簡単な例においては、Ｎ＝４の電極及びＸ＝２のＤＡＣが存在する。これは、１つの電極がアノードとして動作できるようにし、同時に最大で２つの電極がカソードとして動作できる。いずれの場合にも、Ｘ個の個々に制御可能なＤＡＣ２０を使用するために、改良された刺激器１００内の電流は、図４に示すように操作することができる。前述のように、電流の操作は埋込型刺激器における有用な特徴である。
【００３１】
図３Ｃの微小刺激器８とは異なり、そのような操作は刺激器１００及び１００’内で、患者組織ＲへのＤＣ電流注入なしで安全に行うことができる。さらに、図６のＳＣＳ１０とは異なり、そのような安全性は最小数の減結合コンデンサを用いることによって達成することができる。
【００３２】
具体的には、刺激器１００及び１００’の各々において、ＤＣ電流注入が起らないことを保証するためには、Ｘ個だけの減結合コンデンサ（即ち、ＤＡＣの数に等しい）が必要である。図７Ａ及び７Ｂの改良された刺激器１００において、アノード経路内にはコンデンサがなく、カソード経路内にはＸ個のコンデンサ４４ａ乃至４４ｘが存在する。図８Ａ及び８Ｂの改良された刺激器１００’においては、アノード経路内に１つのコンデンサ４２が存在し、カソード経路内にはＸ−１個のコンデンサ４４ａ乃至４４（ｘ−１）が存在する。やはり、通常、ＸはＮより小さいので、このことは、例えば図６の手法と比べるとき、減結合コンデンサの総数をＮからＸに削減する。
【００３３】
全部でＸ個だけのコンデンサのみを用いるときにも、改良された刺激器１００及び１００’は、電流操作中であってもあらゆる経路においてＤＣ電流注入が起らないことを保証する。このことは、刺激器１００及び１００’それぞれに関して図７Ｃ及び図８Ｃに示す種々のシナリオから認識することができる。
【００３４】
刺激器１００及び図７Ｃから出発して、シナリオＩは、減結合コンデンサ４４ａを有するＤＡＣ２０ａを用いた単一カソード電極Ｅｙの選択を示す。この場合、カソードコンデンサ４４ａが電極ＥｙにおけるＤＣ電流注入を防ぐ（Ｉｄｃc1＝０）。患者組織Ｒによって確立される共通ノードにおいてＤＣ電流の和はゼロに等しくなければならないので、電極Ｅｘのアノード経路内の電流（Ｉｄｃa）も、アノード経路にコンデンサがなくてもゼロに等しくなければならない。
【００３５】
シナリオＩＩ及びＩＩＩは、付加的なカソード電極の選択を含み、例えば、一般的に言えば、１つのアノードとＹ個のカソードが所与の時間に同時に指定される。しかし、各々のカソード経路が１つのコンデンサを含み、それゆえにＤＣ電流を引き込まないので、単一アノード経路の電流（Ｉｄｃa）はやはりゼロにならなければならない。
【００３６】
図８Ａ及び８Ｂの刺激器１００’においては、Ｘ−１個だけの減結合コンデンサがカソード電流路内にあるので、１つのＤＡＣ（例えば、２０ｘ）はコンデンサに結合されない。しかし、刺激器１００’はまたアノード経路内にコンデンサ４２を含むので、１つのカソード経路内にコンデンサがないことは、電流操作中であってもＤＣ電流注入に関する懸念を起こさない。
【００３７】
このことは図８Ｃに示す異なるシナリオから認識することができる。シナリオＩは、減結合コンデンサ４４ａを有するＤＡＣ２０ａを用いた単一カソード電極Ｅｙの選択を示す。この場合、アノードコンデンサ４２及びカソードコンデンサ４４ａの両方が、確立された唯一の電流路に沿ったＤＣ電流注入を防ぐ。シナリオＩＩは、減結合コンデンサを有しないＤＡＣ２０ｘを用いた単一カソード電極Ｅｙの選択を示す。この場合、アノードコンデンサ４２が、確立された唯一の電流路に沿ったＤＣ電流注入を防ぐ。
【００３８】
シナリオＩＩＩからＶまでは、一般的に言えば、１つのアノードとＹ個のカソードが所与の時間に同時に指定されるような付加的なカソード電極の選択を示す。シナリオＩＩＩ及びＩＶは２つのカソード電極Ｅｙ及びＥｚがカソードとして選択され、これらは所与の患者に対する恒久的な治療設定とすることができ、又は電極間での電流操作中に行われるような一時的設定とすることができる。シナリオＩＩＩにおいては、それぞれがコンデンサ４４ａ及び４４ｂを有するＤＡＣ２０ａ及び２０ｂが用いられる。コンデンサがアノード経路内及び両方のカソード経路内に存在するので、基本的にＤＣ電流注入の可能性はない。シナリオＩＶにおいては、コンデンサのないＤＡＣ２０ｘがコンデンサ４４ｂを含むＤＡＣ２０ｂとともに用いられる。この場合、アノード経路内のＤＣ電流は、アノードコンデンサ４２のために、Ｉｄｃa＝０となる。ＤＡＣ２０ｂによって確立されるカソード経路内のＤＣ電流は、カソードコンデンサ４４ｂのためにＩｄｃc1＝０となる。患者組織Ｒによって確立される共通ノードにおけるＤＣ電流の和は０に等しくなくてはならないので、ＤＡＣ２０ｘによって確立されるカソード経路内のＤＣ電流（Ｉｄｃc2）は、その経路に減結合コンデンサがなくても、ゼロとなる。シナリオＶは、この例を、さらに別のカソード経路に加えることによってさらに進めるが、それでもなお、ＤＡＣ２０ｘによって確立されるカソード経路内のＤＣ電流（Ｉｄｃc3）はゼロとなる。
【００３９】
要約すれば、刺激器１００’において、ＤＡＣ２０ｘのよって確立されるカソード経路は減結合コンデンサを含む必要がなく、その理由は、患者組織Ｒへの全ての他の経路、即ち、アノード経路及び全ての他のカソード経路が減結合コンデンサを含むことになるからである。従って、この回路は、ＤＡＣ２０ｘのカソード経路内に減結合コンデンサがないにも関わらず、患者組織へのＤＣ電流注入を有しないことを保証される。
【００４０】
Ｘ個だけのコンデンサを用いることはサイズの点で有利であるが、別の実施形態において、図９に示す刺激器１００”のようにＸ＋１個のコンデンサを用いることもできることに留意されたい。この実施形態においては、アノード経路内の１つのコンデンサ４２、及びカソード経路内のＸ個のコンデンサ４４ａから４４ｘまでが存在する。刺激器１００”は、刺激器１００及び１００’と比べると、１つの付加的なコンデンサを含むが、Ｎ個のコンデンサを必要とする従来の手法よりも、依然としてコンデンサの数をより少なくすることができる、即ちＸ＋１を依然としてＮよりも有意に小さくすることができる。例えば、Ｎ＝８の電極を有し、Ｘ＝３のカソード電極が同時に活性化可能である、以前に論じた微小刺激器の例を考える。３個（Ｘ）又は４個（Ｘ＋１）のコンデンサのいずれが用いられるかに関わらず、総数は依然として８（Ｎ）よりも有意に小さく、実質的なスペースの節約をもたらす。
【００４１】
本開示のこの時点まで、改良された刺激器１００又は１００’は単一アノード／複数カソード設計を含むものと仮定してきた。しかし、図１０に示すように、これら実施形態のいずれもまた複数アノード／単一カソード設計において実施することもできる。図１０は、刺激器１００’を原型とする、単一のカソード経路コンデンサ４２及びＸ−１個のアノード経路コンデンサ４２ａから４２（ｘ−１）までを有する複数アノード／単一カソード刺激器１０２を示す。この設計では、回路はカソードスイッチ６２1−６２nを含む様に修正されており、これが電極Ｅ１−Ｅｎのいずれか１つがカソード又は電流シンクとして機能することを可能にする。複数のアノードはアノード選択スイッチ６８ａ1から６８ｘnまでを介して選択することができ、これらスイッチがＤＡＣ２０ａ−２０ｘとともに、同時に１つより多くの電極がアノードとして又は電流ソースとして機能できるようにすることができる。カソードの選択には関わりなく、減結合コンデンサ４４はカソード経路内に留まることになる。再び、ＤＡＣ２０ａ−２０（ｘ−１）が減結合コンデンサ４２ａ−４２（ｘ−１）に結合され、一方ＤＡＣ２０ｘを含んだアノード経路は減結合コンデンサを含まないことに留意されたい。しかし、前述したのと同じ理由で、それらのアーキテクチャは依然としてＤＣ電流注入が起らないことを保証し、この点で安全である。
【００４２】
本開示のこの時点まで、本発明の実施形態は単一アノード／複数カソード又は複数アノード／単一カソードの構成で説明してきた。しかし、本発明はまた、図１１Ａの刺激器１１０に示すように、複数アノード／複数カソードの構成に拡張することができる。図示したように、個々のＤＡＣがアノード及びカソードの両方として機能するように備えられる。具体的には、ＮＤＡＣ２０ａ−２０ｉが電流シンクを含み、従ってカソード電流ソースとして動作し、カソード選択スイッチ６２を介して電極Ｅ１−Ｅｎのいずれかをカソードとして指定するように結合可能である。同様にＰＤＡＣ２１ａ−２１ｊは逆極性のアノード電流ソースを含み、アノード選択スイッチ６８を介して電極Ｅ１−Ｅｎの任意のいずれかをアノードとして指定するように結合可能である。当業者であれば認識するように、「Ｎ」又は「Ｐ」ＤＡＣへの言及はＤＡＣ回路内で用いるのが好ましい装置の極性に関係し、ＰＤＡＣは一般にＰチャネルトランジスタを含み、ＮＤＡＣは一般にＮチャネルトランジスタを含む。例えば、特許文献４を参照されたい。図示したように、Ｉ個のＮＤＡＣ２０が存在し、従って（ＤＡＣ共用が無いと仮定して）任意の所与の時間に電極のうちのＩ個がカソードとして機能することができる。Ｊ個のＰＤＡＣ２１が存在し、従って（共用が無いと仮定して）任意の所与の時間に電極のうちのＪ個がアノードとして機能することができる。この例においては、Ｉ＋Ｊ＝Ｘであり、これは全部でＸ個のＤＡＣ２０又は２１が存在し、同時に活性化することができる電極（Ｉ個のカソード及びＪ個のアノード）が最大でＸ個であることを意味する（以前の例と一致）。実用的な用途においては、ＩとＪを等しくすることができる。
【００４３】
複数アノード／複数カソード刺激器１１０は少なくともＸ−１個の減結合コンデンサを備える。これは、図示したＸ個のＮＤＡＣ２０又はＰＤＡＣ２１のいずれかから１つの減結合コンデンサを省くことができることを意味するが、図示したようにコンデンサは最後のＰＤＡＣ２１ｊに結合したアノード経路から省かれている。従って、図示した例においては、全部でＸ−１個のコンデンサに対して、Ｉ個のカソード経路コンデンサとＪ−１個のアノード経路コンデンサが存在する。
【００４４】
ＰＤＡＣ２１ｊのアノード経路からコンデンサが省かれているにもかかわらず、ここでもやはり全ての他のアノード及びカソード経路内のコンデンサの存在がＤＣ電流注入を防ぐために、この設計は依然としてあらゆる電極においてＤＣ電流注入が起り得ないことを保証する。図１１Ｂに示したシナリオは、以前の類似の説明図に基づいて、このことが一目瞭然であることを示す。一般的に、少なくともＰＤＡＣ２１ｊに結合した電極Ｅｙを含むＰ個の電極をアノードとして指定することができると仮定する。同様に、Ｑ個の電極を同時にカソードとして指定する。その結果は種々の経路内のＰ＋Ｑ−１個のコンデンサとなる。しかし、コンデンサが省かれているにも関わらず、ＲＤＡＣ２１ｊのアノード経路へのＤＣ電流注入は存在し得ない。従って、Ｘ−１個のコンデンサが、患者組織Ｒによって形成されるノード内へのＤＣ電流注入が起らないことを保証する。コンデンサがアノード経路内で省かれるように示したが、コンデンサをカソード経路の１つから省いても同じ効果をもたらすことができる。
【００４５】
図１１Ａの刺激器１１０にはＸ−１個だけの減結合コンデンサが必要であるため、またＸは普通、電極の総数Ｎよりも小さくすることができるために、刺激器１１０はＮ個の減結合コンデンサを必要とする手法（例えば、図６を参照されたい）よりも小さくすることができる。例えば、Ｎ＝１６の電極を有し、３つのＮＤＡＣ２０及び３つのＰＤＡＣ２１を有し、それゆえに全部でＸ＝６の電極（Ｉ＝３のアノード、Ｊ＝３のカソード）を同時に活性化することができる脊髄刺激器を考える。このような設計は、従来の脊髄刺激器設計に典型的であった１６ではなくＸ−１＝５だけの減結合コンデンサを必要とすることになる。
【００４６】
図１２は、図１１Ａの刺激器１１０の実施形態に対する、アノード又はカソード経路のいずれからも減結合コンデンサが省かれない修正物を示す。この刺激器１１０’は、刺激器１１０に比べると１つの付加的なコンデンサを必要とするが（Ｘ対Ｘ−１）、依然として、必要なコンデンサの数の実質的な削減をもたらすことができる。例えば、引き続き上の例を考えると、脊髄刺激器内のコンデンサの数は例えば１６から６に削減することができる。
【００４７】
図１３は、さらに別の多数アノード／多数カソード刺激器１２０を示す。別々のＮＤＡＣ及びＰＤＡＣを用いて実施された図１１Ａの刺激器１１０と比べると、刺激器１２０はＸ個の一般的なＤＡＣ２７ａ−ｘを備える。ＤＡＣ２７ａ−ｘは、カソード（シンク）電流ソース又はアノード（ソース）電流ソースのいずれかとして動作するようにプログラム可能であり、従って、既知のＮＤＡＣ及びＰＤＡＣ回路の組合せを含むことができる。ＤＡＣ２７ａ−ｘは、スイッチマトリクス８３ａ−ｘによってＮ個の電極のいずれかに結合可能である。ＤＡＣ２７ａ−ｘは、電流を吸込むか又は供給するようにプログラム可能であるので、スイッチマトリクス８３の各々の中の選択スイッチ６９は、Ｐチャネル及びＮチャネルのトランジスタの両方を有し、供給されるか又は吸込まれる電流を等しい効率で通過させることができる伝送ゲートとして実施することができる。Ｘ個のＤＡＣ２７ａ−ｘは、Ｘ個の電極が任意の所与の時間にカソード又はアノードとして機能できるようにする。より具体的には、任意の所与の時間に少なくとも１つのカソード及びアノードが存在しなければならないので、Ｍを正の整数として、任意の所与の時間に活性なＭ個のカソード及びＸ−Ｍ個のアノードが存在し得る。
【００４８】
刺激器１１０と同様に、複数アノード／複数カソード刺激器１２０は、図１３に示すように少なくともＸ−１個の減結合コンデンサを備える。このことは図示したＸ個のＤＡＣ２７のいずれかから１つの減結合コンデンサ４５を省くことができることを意味するが、図示したようにコンデンサはＤＡＣ２７ｘに結合した電流路から省かれている。ＤＡＣ２７ｘの電流路からコンデンサが省かれているにも関わらず、この設計は依然として、ここでもやはり全ての他の電流路内のコンデンサの存在がＤＣ電流注入を防ぐので、あらゆる電極においてＤＣ電流注入が起こり得ないことを保証する。要約すると、Ｘ−１個のコンデンサが、患者組織Ｒによって形成されるノード内へのＤＣ電流注入を防ぐので、コンデンサが省かれているにも関わらず、ＰＤＡＣ２７ｘの電流路へのＤＣ電流注入は存在し得ない。以前の実施形態と同様に、Ｘ−１個だけの減結合コンデンサが必要であるので、刺激器１２０は一般により小さくすることなどが可能である。
【００４９】
図１４は、図１３の刺激器１２０の実施形態に対する、減結合コンデンサがいずれの電流路からも省かれない修正物を示す。この刺激器１２０’は刺激器１２０に比べて１つの付加的なコンデンサを必要とする（Ｘ対Ｘ−１）が、これは依然として、必要なコンデンサの数の実質的な削減をもたらす。
【００５０】
本開示の刺激器は従来技術を改良したものである。これらは、電極の数（Ｎ）に比べてより少数のＤＡＣ（Ｘ個）を含み、従ってより少数の減結合コンデンサ（考える実施形態に応じて、Ｘ−１、Ｘ、又はＸ＋１個）を含むので、この刺激器は比較的小さいケースの中に組み込むことができる。これは、例えば多電極微小刺激器としての使用を容易にし、又は、脊髄刺激器のケースを遥かに小さくすることを可能にする。さらに、本開示の設計は、電流操作中、即ち、１つより多くのカソード及び／又は１つより多くのアノードの同時の活性化中においても、ＤＣ電流注入が起らないことを保証する。
【００５１】
本開示は、「アノード」が電流のソースであり、「カソード」が電流のシンクであると言及した。しかし、この指定は相対的であるので、「アノード」をまた電流のシンクであるとすることもでき、そして「カソード」をまた電流のソースであるとすることもできる。従って、本明細書で用いる「アノード」と「カソード」は単に逆の極性を有するものと理解されたい。
【００５２】
本明細書で開示した本発明は、その特定の実施形態及び用途によって説明したが、当業者であれば、それに対する多くの修正及び変形を、添付の特許請求の範囲において説明される本発明の文字通りの範囲及び同等の範囲から逸脱せずに施すことができるであろう。
【符号の説明】
【００５３】
２：微小刺激器
４、６、８：多電極微小刺激器
１０：多電極埋込型刺激器、脊髄刺激器（ＳＣＳ）
１２：電池
１８：Ｖ＋モニタ及び調節回路
２０、２０1−２０n、２０ａ−２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ、２７ａ−ｘ：電流ソース、ＤＡＣ（デジタル−アナログ・コンバータ）、ＮＤＡＣ
２１：ＰＤＡＣ
２２：ＤＣ−ＤＣコンバータ
４２、４２ａ−４２ｘ、４４、４４ａ−４４ｘ：減結合コンデンサ
６２1−６２n：カソードスイッチ
６４、６６1−６６n、６６ａ−６６ｘ：回復スイッチ
６８1−６８n：アノードスイッチ
８１ａ−８１ｘ：スイッチマトリクス
１００、１００’、１１０、１１０’、１２０、１２０’：多電極刺激器
Ｃ１−Ｃｎ：減結合コンデンサ
Ｅ１−Ｅｎ：電極
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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