(57)【要約】刺激装置は、回路素子と、パルス発生器の回路素子のために動作電力を供給するウルトラキャパシタなどの第一電源を含む、埋め込み型パルス発生器を含む。パルス発生器は、プログラミングデータを保存するための揮発性メモリなどの、それに付随するメモリも備えることができる。第一電源よりも高い電圧保持力を持つ第二電源も含むことができる。第二電源は揮発性メモリ専用にすることができ、揮発性メモリのための動作電力を供給することができる。【選択図】図１
2009506846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路素子を含む埋め込み型パルス発生器、
前記パルス発生器の前記回路素子に動作電力を供給するウルトラキャパシタを含む第一電源、
プログラミングデータを保存する、前記パルス発生器に付随する揮発性メモリ、
前記ウルトラキャパシタより高い電圧保持力を持ち、前記揮発性メモリ専用で、前記揮発性メモリに動作電力を供給する第二電源、
を含む刺激装置。
【請求項２】
前記ウルトラキャパシタが、0.1ファラッドより大きい容量を持ち、前記第二電源が前記ウルトラキャパシタよりも高い電圧保持力を持つ、請求項１の刺激装置。
【請求項３】
前記回路素子が、インダクタコイル、前記インダクタコイルと電気的に通信する一つ以上の保護ダイオード、および前記一つ以上の保護ダイオードと電気的に通信する整流器回路を含む充電回路を含み、ここで前記充電回路は、前記コイルを通して外部電源から電力を受信し、前記一つ以上の保護ダイオードで前記回路素子を過電圧条件から保護し、前記整流器回路で前記受信電力を整流し、前記ウルトラキャパシタの再充電のために、前記整流電力を前記ウルトラキャパシタに送ることを特徴とする、請求項１の刺激装置。
【請求項４】
前記第一電源が外部再充電送信機ユニットから受信されたRF波で再充電される、請求項１の刺激装置。
【請求項５】
前記第二電源が外部再充電送信機ユニットから受信されたRF波で再充電される、請求項１の刺激装置。
【請求項６】
前記揮発性メモリがSRAMもしくはDRAMを含む、請求項１の刺激装置。
【請求項７】
前記ウルトラキャパシタと電気的に通信し、磁気透過性の物質に内包された充電コイルをさらに含む、請求項１の刺激装置。
【請求項８】
前記充電コイルおよび前記第一電源と電気的に通信し、かつ出力電圧が閾値を超えることを防ぐ、一つ以上の保護ダイオードをさらに含む、請求項７の刺激装置。
【請求項９】
前記閾値が約5Vである、請求項８の刺激装置。
【請求項１０】
磁気透過性の物質でできたハウジングをさらに含む、請求項１の刺激装置。
【請求項１１】
前記第二電源が電池を含む、請求項１の刺激装置。
【請求項１２】
不揮発性メモリと動作メモリをさらに含み、ここで前記ウルトラキャパシタは前記不揮発性メモリと前記動作メモリに動作電力を供給する、請求項１の刺激装置。
【請求項１３】
埋め込み型刺激装置を含む組織刺激システムで、
前記埋め込み型刺激装置は、
所望の回路機能を実行する電子回路を含むパルス発生器、
前記電子回路のために動作電力を供給するウルトラキャパシタを含む第一電源、
プログラミングデータを保存するための揮発性メモリを含む前記パルス発生器に付随するメモリ、および
前記第一電源よりも高い電圧保持力を持ち、前記揮発性メモリ専用で、前記揮発性メ
モリに動作電力を供給する第二電源、
を含み、さらに、前記組織刺激システムは、
前記埋め込み型刺激装置にプログラミング情報を送信する遠隔プログラマーユニットで、前記プログラミング情報は前記揮発性メモリに保存される、遠隔プログラマーユニット、ならびに、
前記刺激装置にRF信号の一つ以上のセットを送信する遠隔充電送信機、
を含む、組織刺激システム。
【請求項１４】
前記充電送信機がRF信号の第一セットを前記刺激装置に送信し、前記RF信号の第一セットは前記ウルトラキャパシタを再充電する、請求項１３のシステム。
【請求項１５】
前記再充電送信機がRF信号の第二セットを前記刺激装置に送信し、前記RF信号の第二セットは前記第二電源を再充電する、請求項１４のシステム。
【請求項１６】
前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、磁気透過性の物質内に内蔵された充電コイルをさらに含む、請求項１３のシステム。
【請求項１７】
前記充電コイルおよび前記第一電源と電気的に通信し、かつ出力電圧が閾値を超えるのを防ぐ、一つ以上の保護ダイオードをさらに含む、請求項１６のシステム。
【請求項１８】
前記閾値が約5Vである、請求項１７のシステム。
【請求項１９】
前記埋め込み型刺激装置が磁気透過性物質に内蔵される、請求項１３のシステム。
【請求項２０】
前記埋め込み型刺激装置の前記メモリが、不揮発性メモリと動作メモリをさらに含み、ここで前記ウルトラキャパシタは前記不揮発性メモリと前記動作メモリに動作電力を供給する、請求項１３のシステム。
【請求項２１】
前記揮発性メモリがSRAMもしくはDRAMを含む、請求項１３のシステム。
【請求項２２】
前記第二電源が電池を含む、請求項１３のシステム。
【請求項２３】
前記ウルトラキャパシタが0.1ファラッドより大きい容量等級を持ち、前記第二電源が前記ウルトラキャパシタよりも高い電圧保持力を持つ、請求項１３のシステム。
【請求項２４】
前記電子回路が、インダクタコイル、前記インダクタコイルと電気的に通信する一つ以上の保護ダイオード、前記一つ以上の保護ダイオードと電気的に通信する整流器回路を含む充電回路をさらに含み、ここで前記充電回路は、前記コイルを通して外部電源から電力を受信し、前記一つ以上の保護ダイオードで前記電子回路を過電圧条件から保護し、前記整流器回路で前記受信電力を整流し、前記整流電力を前記ウルトラキャパシタの再充電のために前記ウルトラキャパシタに送ることを特徴とする、請求項１３のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下の記述は、埋め込み型パルス発生器（“IPG”）に関し、より詳細には、データ完全性を保つための専用電源を持つウルトラキャパシタ駆動式IPGに関する。
【背景技術】
【０００２】
埋め込み型パルス発生器（IPG）は、様々な生体障害の治療のために、体神経と組織に伝達する電気刺激を発生させる装置であり、心不整脈を処置するペースメーカー、心細動を処置する除細動器、難聴を処置する蝸牛刺激装置、盲目を処置する網膜刺激装置、協調性四肢運動を生み出す筋刺激装置、慢性疼痛を処置する脊髄刺激装置、運動障害と心理的障害を処置する脳皮質及び脳深部の刺激装置、ならびに、尿失禁、睡眠時無呼吸、肩関節亜脱臼などを処置する他の神経刺激装置などである。本発明は、そのような用途全てにおいて適用性を見出し得るが、以下に続く記載は脊髄刺激システムにおける発明の使用に概して重点を置く。
【０００３】
脊髄刺激（SCS）システムは、患者の脊柱の近くで硬膜外に配置された電極の配列から、電気刺激パルスを供給することによって慢性疼痛を処置するために用いられる、プログラム可能な埋め込み型パルス発生システムである。SCSシステムは、埋め込み型、および外部の構成部品、手術道具、およびソフトウェアを含む、七つの構成部品からなる。
【０００４】
脊髄刺激は、ある患者群において痛みを低減するために良く受け入れられている臨床的方法である。SCSシステムは、典型的には埋め込み型パルス発生器（IPG）もしくはRF変換器／受信機、絶縁リード線、およびリードに接続された電極を含む。システムは、脊髄の硬膜に沿って移植された電極を通して、標的神経（例えば脊髄内の脊柱線維）に電気パルスを伝達する。リードは脊髄を出て、患者の胴体のあちこちをくぐって、パルス発生器／RF受信機が移植されている皮下のポケットに達する。
【０００５】
脊髄と他の刺激システムは当該技術分野で周知である。例えば、U.S. Pat. No. 3,646,940では、時限順（timed sequenced）電気刺激を複数の電極に供給し、常に一つの電極だけが印加された電圧を有するようになっている、埋め込み型電子刺激装置が開示されている。従って、'940特許で教示された装置によって供給された電気刺激は、連続的な、もしくは重複しない刺激を含む。
【０００６】
U.S. Pat. No. 3,724,467では、脊髄の神経刺激のための電極移植が開示されている。比較的薄くて柔軟な生理学的に不活性のプラスチック片が、その上に形成された複数の電極と共に提供される。電極はリードによってRF受信機に接続され、RF受信機もまた移植され、外部コントローラーによって制御される。移植されたRF受信機は電力貯蔵手段を持たず、神経刺激を発生させるために外部のRF変換器／コントローラーに接続されなければならない。
【０００７】
U.S. Pat. No. 3,822,708では、別の種類の電気脊髄刺激装置が示されている。装置は脊髄上に縦方向に、かつ脊髄に入っていく神経に対して横方向に配置された五つの整列電極を持つ。電極に印加される電流パルスは、他の感覚を通過させながら、感知された難治性疼痛をブロックすると言われている。電極に印加された刺激パルスは幅が約250マイクロ秒で、一秒あたり5から200パルスの繰り返し周波数を有する。患者が操作可能なスイッチによって、患者はどの電極が作動するか、すなわちどの電極が電流刺激を受けるかを変えることができ、脊髄上の作動電極間の範囲を、より痛みをブロックするために必要に応じて調節することができるようになっている。
【０００８】
IPGに電力供給する方法に対する懸念は、様々に扱われてきた。例えば、U.S. Patent Number 4,408,607では、埋め込み型医療装置のための容量性電源の種類が開示されている。電源装置は、主要な電源として用いられる充電式キャパシタを有する。電源は第二電源、もしくは代替電源として用いられるリチウム電池を含む。リチウム電池は、キャパシタの充電期間の間、電源としてキャパシタの代わりとなる。こうして装置の連続使用が可能となる。
【０００９】
過去の技術革新にも関わらず、皮膚の下に移植された装置に電力を供給する必要があることを主な理由として、特有の問題がIPGに電力を供給することに付随し続けている。市販のSCSシステムは三つの電源の内の一つ、すなわち一時電池、充電式電池、もしくは振動磁界（RF電力）によって電力供給される。装置は患者に皮下移植されるので、患者へのさらなる外科手術による外傷を減らすために、大きな外部電源が用いられるか、あるいは移植電源が適正な期間にわたって装置の作動を支えなければならない。RF駆動式装置は、常に外部装置を身に付ける必要があるため、患者からあまり受け入れられていない。
【００１０】
電池を電源として利用する場合、妥当な時間にわたって装置を作動させるのに十分な大きさの蓄電容量を持っていなければならない。心臓ペースメーカーなどの低電力装置（100 .u.W未満）では、一次電池は妥当な時間、大抵１０年までにわたって作動し得る。しかしながら、SCSなどの多くの神経刺激用途では、高い刺激速度、パルス幅、もしくは刺激閾値のために、所要電力はかなり大きくなる。従来の一次電池を有するこれらの装置の電力供給は、それらを妥当な時間（5年以上）作動させるためにかなり大きな容量の電池を必要とし、その結果、装置が大きくなって移植が困難になったり、あるいは、少なくとも患者を不安にさせる可能性がある。従って、装置の大きさを移植しやすい大きさに維持するために、著しく高いエネルギー密度を持つ改良された一次電池が必要となる。しかしながら、電池技術の分野の状況を考えれば、必要なエネルギー密度は現今では達成できない。
【００１１】
多くの神経刺激用途では、非充電式の塩化チオニルリチウム電池など典型的な一次電池が用いられるが、これらは装置寿命が短く、交換手術が必要となる。これは、25年の期間の間に、患者が電池交換のために10回の外植外科手術を受けることになることを意味する。これは不便で費用がかかるだけでなく、外科手術の際、いくつかの感染や他の合併症の危険性を必然的に含むことになる。
【００１２】
一つの代替電源は、二次電池もしくは充電式電池であり、これらの電池のエネルギーは、定期的に電池を経皮的に再充電することによって補充することができる。移植装置内で充電式電池を用いることは当該技術分野で周知である。例えば、参照によって本明細書に組み込まれる、U.S. Pat. No. 4,082,097、表題“Multimode Recharging System for Living Tissue Stimulators”、およびU.S. Pat. No. 6,208,894、表題“System of Implantable Devices for Monitoring and/or Affecting Body Parameters”を参照のこと。しかしながらこの特許と出願で教示されている装置と方法は、微小刺激装置などの特殊装置を含むか、もしくは心臓ペーシングなどの特殊用途に関連しており、これは多くのIPG用途には応用できない独特の要件を課する。
【００１３】
高容量充電式電源の最近の進歩に伴い、充電式埋め込み型パルス発生器が可能となった。大きなエネルギー密度と電解液の毒性のために、これらの電池は典型的には密封チタン容器内に入っている。
【００１４】
超キャパシタ（ウルトラキャパシタ）は、典型的な一次電池とRF電力に対する代替選択肢として提案されてきた。超キャパシタの一つの利点は、充電式電池の約500倍多く充電
できることである。これは充電式電池よりも著しく寿命を延長し、電池交換のために必要な外科手術の回数を実質的に減らすことになる。超キャパシタのその他の利点は、非常に素早く充電できることである。
【００１５】
しかしながら超キャパシタ技術は、移植IPGで有用となり得る大きさに超キャパシタを縮小する程には十分進歩していない。妥当な時間（24時間の間でさえ）、電荷を保持できる超キャパシタの大きさは、例えば個人の頭に移植できるIPGの中に一体化させるには大き過ぎる。
【００１６】
妥当な時間にわたってIPGを作動させるために適切な電源を適用する問題に加え、IPGへの電力供給に関して別の問題が存在する。この問題は、装置が放電されるときはいつでも、プログラミングデータなどの揮発性メモリが損失することに関する。例えば、U.S. Patent Number 5,591,217は、8時間から数日までにわたって装置に電力供給することができる、大きなキャパシタによって電力供給される埋め込み型刺激装置を記載している。しかしながら、電源を使い切ると全プログラミングデータが失われ、各再充電サイクルでリロードされる必要がある。
【発明の開示】
【００１７】
本発明者は、埋め込み型神経刺激装置、著しく長い寿命を持つ電源を使用し、他の既知の問題を解決するシステムと方法の必要性を認める。
【００１８】
一態様では、刺激装置は、回路素子、パルス発生器の回路素子のために動作電力を供給するウルトラキャパシタなどの第一電源を含む、埋め込み型パルス発生器を含む。パルス発生器はそれに付随するメモリ（プログラミングデータを保存する揮発性メモリなど）も備えることができる。第一電源よりも高い電圧保持力を持つ第二電源も含むことができる。第二電源は揮発性メモリ専用とすることができ、揮発性メモリに動作電力を供給することができる。
【００１９】
別の態様では、組織を刺激するためのシステムは、埋め込み型刺激装置、遠隔プログラマーユニット、および遠隔再充電送信機を含む。埋め込み型刺激装置は、パルス発生器、所望の回路関数を実行する電子回路、第一電源、プログラミングデータを保存する揮発性メモリ、および第一電源よりも高い電圧保持力を持つ第二電源を含む。第一電源は電子回路に動作電力を供給することができ、第二電源は揮発性メモリ専用とすることができ、揮発性メモリに動作電力を供給することができる。遠隔プログラマーユニットは埋め込み型刺激装置にプログラミング情報を送信し、プログラミング情報は揮発性メモリに保存される。遠隔再充電送信機はRF信号の一つ以上のセットを刺激装置に送信し、ウルトラキャパシタおよび／または第二電源を再充電する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
最初に、本発明は埋め込み型パルス発生器（IPG）、あるいは同様の電気刺激装置および／または電気センサーと共に使用されてもよく、多くの異なる種類の刺激システムの構成部品として使用されてもよいということを留意されたい。以下に続く記述は、脊髄刺激（SCS）システム内での本発明の使用に関する。しかし当然のことながら本発明はそれほど限定されない。むしろ本発明は、ウルトラキャパシタからその動作電力を得ることが有効となり得る、いかなる種類の埋め込み型電気回路と共に用いられても良い。
【００２１】
さらに、本発明はSCSシステム内での使用に関連して記載したが、SCSシステムの完全な記述は本明細書では提供されないことに留意されたい。むしろ、本発明に直接関連するSCSシステムの部分だけが開示される。SCSシステムのより完全な記述は、U.S. Patent No. 6,516,227に見られ、その全容が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２２】
図１は組織刺激のためのシステム100を大まかに示す。システム100は所望の反応を引き出すために直接組織を刺激できる。所望の反応は抑制性もしくは興奮性であってもよい。システム100は、例えば多くの異なる設定のいずれかにおいて所望の反応を引き出すような、電気刺激、化学刺激、熱刺激、電磁刺激、および／または、機械刺激の内の一つ以上を伝達することができる。一つの実装では、システム100は図３で図解するような脊髄刺激システムであってもよい。
【００２３】
システム100は移植部分105と外部（すなわち体外の）部分110を含むことができる。移植部分105は体内移植に適した装置である。例えば移植部分105は、部分105の移植に付随する免疫反応および／または細胞壊死を低減するように構成された生体適合性ハウジングを含むことができる。移植部分105は、治療、診断、および／または機能上の目的のために、一つ以上の刺激を用いて組織を刺激することができる。例えば、移植部分105は神経および／または筋組織の脱分極を電気的に刺激することによって、組織を刺激することができる。別の実施例として、移植部分105は抑制性化学刺激を供給することによって組織を刺激することができる。なおも別の実施例として、移植部分105は感光性組織を刺激するために光もしくは他の電磁刺激を供給することができる。下記でさらに論じるように、移植部分105は組織に刺激を供給するために一つ以上の供給要素を含むことができる。供給要素は、例えば電極、薬物送達要素、加熱器、冷却器、光源、繊維光学、および／または、圧電性素子、バルーン、MEMS装置などの機械要素を含むことができる。
【００２４】
いくつかの実装では、移植部分105は、部分105の移植のために調整された一つ以上の外科挿入工具を用いて体内に移植することができる。あるいは移植部分105は、皮下注射針、従来の手術用機器、および内視鏡もしくは腹腔鏡装置などの、市販の手術用機器を用いて移植できる。
【００２５】
いくつかの実装では、移植部分105は独立に操作できるか（すなわち単独の移植装置として）、もしくは移植部分105は装置の移植システムの一部として操作でき、その活動は治療、診断、および／または機能的な目的を達成するために調整される。
【００２６】
いくつかの実装では、移植部分105は、移植部分105が移植されている体の一つ以上の症状に反応する一つ以上の検出装置（図示せず）からデータを受信することができる。検出装置の例は、化学センサー、電極、光学センサー、機械（例えば運動、圧力）センサー、および温度センサーを含む。受信データは単独で、もしくは外部装置および／または他の移植装置から受信されたデータと併用して、組織の刺激を制御する際に移植部位105に使用され得る。
【００２７】
外部（体外）部分110は、移植部分105とのユーザー相互作用を提供するための装置である。外部部分110は一般に移植部分105が移植された体の外側に置かれる。外部部分110は、ユーザーインターフェース115、データトランシーバー120、電力送信機125、プロセッサ130、およびメモリ135を含むことができる。ユーザーインターフェース115、データトランシーバー120、電力送信機125、プロセッサ130、およびメモリ135は、単一のハウジングもしくは複数のハウジングの中に内蔵することができる。ユーザーインターフェース115、データトランシーバー120、電力送信機125、プロセッサ130、およびメモリ135は、データ通信のために接続することができ、一つ以上の有線（例えばワイヤー、バス、光ファイバー）もしくは無線（例えば赤外線、WiFi、無線周波数（RF））のデータリンクによって制御することができる。
【００２８】
ユーザーインターフェース115はユーザーと相互作用するための一つ以上の入力／出力装置を含むことができる。例えば、入力／出力装置は、キーパッド、タッチスクリーンと
ディスプレイ画面、スピーカー、およびデータポートを含む、機械装置、オーディオ装置、および／または視覚装置であってもよい。
【００２９】
データトランシーバー120は、移植部分105とデータリンク140を介して通信する。この通信は、データの送信と受信の両方を含むことができ、データは、ユーザーインターフェース115を介してユーザーから受信された命令をあらわすデータと、移植部分105の稼動状況と履歴についてのデータを含む。例えばデータは、刺激変数の境界、刺激変数の現在の操作設定、および移植部分105が現在刺激している組織がデータリンク140を介して通信できるかどうかをあらわす。
【００３０】
従ってデータトランシーバー120は送信機と受信機の両方を含んでもよい。データトランシーバー120は無線トランシーバーであってもよく、その場合トランシーバー120は経皮的な物理結合を用いずに移植部分105と通信する。例えば、データトランシーバー120は、移植部分105の内外へ体を伝播する音および／または電磁放射線（例えば光もしくは電波）を用いて移植部分105と通信することができる。
【００３１】
電力送信機125は電力リンク145を介して移植部分105にエネルギーを中継する。送信機125から中継されたエネルギーは、移植部分105に収集されて保存され、その後組織を刺激するための一つ以上の刺激に変換することができる。中継されるエネルギーは、電気エネルギー、磁気エネルギー、電磁エネルギー、および／または力学的エネルギーを含むことができる。電力送信機125は無線送信機であってもよく、その場合送信機125は経皮的な物理結合を用いずに移植部分105にエネルギーを中継する。
【００３２】
プロセッサ130は、命令のセットによって構築された論理に従って処理活動を実行するデータ処理装置である。命令はハードウェアおよび／またはソフトウェアに具現化できる。例えば、プロセッサ130は、マイクロプロセッサ、FPGA's、ASIC's、および／または命令を具現化するように配置された論理素子のセットであっても良い。
【００３３】
プロセッサ130に実行される命令は、組織の刺激の制御に関連する操作を実装できる。これらの操作は、ユーザーインターフェース115を介したユーザーとの相互作用の制御と、データトランシーバー120を介しての移植部分105とのデータ通信、および電力送信機125を介しての移植部分105へのエネルギー中継を含むことができる。これらの操作は、下記に記載の様々なプロセスも含むことができる。
【００３４】
メモリ135は、組織刺激の制御のための命令および／またはデータを機械可読フォーマットで保存することができる記憶装置である。メモリ135は、命令および／またはデータを保存および／または回収するために、ユーザーインターフェース115、データトランシーバー120、電力送信機125、およびプロセッサ130の内の一つ以上がアクセスできる。メモリ135は、メモリコントローラー、もしくはそのような情報交換を促進する他のインターフェースを含むことができる。
【００３５】
メモリ135に保存できるデータの一つのクラスは、刺激変数である。刺激変数は移植部分105によって供給される刺激を特徴付ける。刺激変数は多数の異なる方法で供給される刺激を特徴付けることができる。例えば、刺激変数は、特定の値（例えば“15”）、別の値に対する基準（例えば“参照値よりも15大きい”）、および／または記憶域もしくは離散値に対する基準（例えば“リスト［5、10、15、20］の第三要素”）とすることができる。刺激変数は値そのものを用いるか（例えば“刺激変数は5.0”）、あるいは比較を用いて（例えば“刺激変数は5.0未満”）識別することができる。
【００３６】
刺激変数は、移植部分105によって直接供給された刺激を特徴付けることができ、ある
いは刺激変数は、供給された刺激に影響を与える移植部分105の操作の一つ以上の状況を特徴付けることができる。供給された刺激に影響を与える操作状況の例は、タイマ回路の設定もしくは較正、または、一つ以上が利用可能な際の、特定の電源もしくは刺激供給要素（電極など）の選択を含む。
【００３７】
次に図２Ａと２Ｂを見ると、組織刺激のためのシステムのブロック図が示されている。図２Ａと２Ｂに示すように、IPG105は患者の皮膚278の下に移植される。IPG105はウルトラキャパシタなどの補充可能な電源180を含む。このウルトラキャパシタ180は、IPG105が意図した機能を実行できるように、定期的に、もしくは必要に応じて、補充されるか充電されなければならない。
【００３８】
そこで本発明の再充電システムは、携帯型外部リフレッシュ‐再充電送信機ユニット208を用いて、エネルギー（図２Ａと図２Ｂに波線矢印290であらわされる）をIPGの電源180に結合させる。携帯型外部充電器208は順に、それ自身の電源210から電源180に結合されたエネルギー290を取得する。電源210は、充電式電池もしくは通常の電池など、AC電力を供給する壁コンセント、もしくはDC電力を供給する電源とすることができる。リフレッシュ‐再充電送信機ユニット208は、ON／OFFスイッチ（図示せず）、電力残量少表示灯（low battery light）もしくはLED（図示せず）、“刺激装置フル充電”表示灯（"stimulator full" light）もしくはLED（図示せず）、警報機、スピーカー、バイブレーター、もしくはLEDなどの再充電指示器693、RFインダクタ電力コイル279、およびアンテナ（図示せず）を含むことができる。
【００３９】
携帯型外部リフレッシュ−再充電送信機ユニット208内に、電力増幅器275を含むことができる。電力増幅器は電源210からウルトラキャパシタ180にエネルギーを運搬することができる。電源がDC電力を供給する場合は、回路275はDCからACへの変換回路を含むことができる。従って当該技術分野で周知のように、回路は電池からのDC電力を、送信機ユニット208内の外部コイル279を通して、IPG105内に含まれる別のコイル680に誘導的に結合され得るAC信号に変換することができる。外部コイル279は基本的に、コイル680によって受信されるEMF波面を構築するRF波を放出する。送信機ユニット208の特定の実施形態を本明細書で記載してきたが、当該技術分野で周知の他の実施形態も使用できる。例えば、その全容が参照によって本明細書に組み込まれるU.S. Patent No. 6516227（“'227 patent”）は、本明細書で記載されたIPG105を再充電するために使用できる外部送信機を記載している。
【００４０】
外部送信機ユニット208は、バックテレメトリ受信機（図示せず）と連動して作動する再充電指示器693を含むことができる。バックテレメトリ受信機は、IPG105内のバックテレメトリ送信機（図示せず）からの信号を受信し、これは電池185および／またはウルトラキャパシタ180の電荷レベルについての情報を提供する。IPG105と外部送信機208との間でデータと再充電情報を送信するために利用できるバックテレメトリシステムのさらなる記述については、'227 patentを参照のこと。別の実施形態では、再充電指示器は外部送信機のタイマー（図示せず）と連動してはたらく。タイマーは再充電指示器693の操作を制御する。タイマーは、電池185および／またはウルトラキャパシタ180の完全再充電のために十分な時間に設定できる。例えば、ウルトラキャパシタが唯一IPGにおいて再充電可能な電源である場合、タイマーはウルトラキャパシタ180を再充電するのに十分な時間である約10秒に設定できる。10秒の再充電の後、再充電指示器693をユーザーにウルトラキャパシタ180が再充電されたことを知らせるために起動してもよい。
【００４１】
図２Ａから、充電システムは、原則として随時使用される外部充電回路208、IPG105内に含まれる埋め込み型回路から成ることがわかる。充電器208では、共鳴周波数で第一コイル279を駆動するために、電源が電力増幅器275のための電圧源を供給する。IPG105内の
第二コイル680は、同じ共鳴周波数に調整される。
【００４２】
IPG105内のAC信号を受け取ると、インダクタコイル680は電圧源を供給し、電圧をあるレベル（例えば5V）の下に維持することで、回路素子を過電圧条件から保護するために保護ダイオード686が用いられる。整流器682はAC信号をDC信号に変換し、これは埋め込み装置105のウルトラキャパシタ180を補充するために用いられる。荷電平衡回路794は演算増幅器（Op Amp）と四つの抵抗器から成る。荷電平衡回路794は二つのキャパシタ間を等しい電圧に維持し、その結果平衡なウルトラキャパシタスタックが得られ、いずれのキャパシタもウルトラキャパシタ‐過電圧条件になることがないようにする。荷電平衡回路794の配置は、図４により詳細に示す。
【００４３】
ウルトラキャパシタ180からの電力は、揮発性メモリ355だけでなく、埋め込み装置105に電力供給するために用いられる（下記に記載）。例えば、ウルトラキャパシタ180は刺激回路799に電力供給し、これが埋め込み装置105によって供給される刺激の機動力となる。当業者に周知の様々な種類の刺激回路が利用できる。例えば、'227 patentは、本明細書に組み込まれる刺激回路の詳細を提供している。
【００４４】
移植部分105は、IPG105に様々な操作機能をもたらすために利用できる、いくつかの種類のメモリを含むことができるメモリ300をさらに含む。例えば、メモリ300は、例えば較正データを保存するための不揮発性メモリ350を含むことができる。メモリ350は、システム100のメーカーによってプログラムされた読み出し専用メモリ（ROM）、もしくは電気的消去可能なプログラム可能読み出し専用メモリ（EEPROM）とすることもできる。メモリ300は、医師もしくは臨床医によってプログラム可能な揮発性メモリ355を含むこともできる。メモリ355は患者の再評価と処置に基づいてたまにしか変更されない。メモリ355は、スタティックRAM（SRAM）、ダイナミックRAM（DRAM）などのランダムアクセスメモリ（RAM）を含む揮発性メモリとすることができる。メモリ300は、メモリ350とメモリ355と、レジスタとスタックを介して効率的に通信できる動作メモリ360を含むこともできる。
【００４５】
メモリ300はウルトラキャパシタ180と第二電源185の両方によって電力供給される。ウルトラキャパシタ180はメモリ350と360に電力供給し、一方メモリ355は第二電源185によって電力供給される。従って、ウルトラキャパシタ180から全ての電力が再充電される前に空にされる場合でも、第二電源185がメモリ355に電力供給し続ける。このようにして、揮発性メモリ355は失われず、従ってデータを再プログラムする必要を避けられる。
【００４６】
次に図４を見ると、IPGの充電回路の一実施形態の回路図が示されている。回路は電圧保護部品686、整流器部品682、ウルトラキャパシタ部品180、および荷電平衡部品794を含むことができる。図４に示すように、インダクタコイル680はAC信号を受信し、IPGに電圧源を供給する。電圧保護部品686は、電圧をあるレベル（例えば5V）より下に維持するためにツェナーダイオード686Aの組を含むことができる。言い換えれば、ダイオード686Aは出力電圧が閾値を超えるのを防ぐ。ダイオード686Aのうちの一つは順方向にバイアスされ、もう一方は逆方向にバイアスされる。使用できるダイオードの一実施例は、Surmeticから部品番号1N5333Bとして入手可能な5ワットツェナーダイオードである。一実施形態では、電圧が超える場合（3.9V＋Vf）→5.1V（すなわち約5V）、5.1Vもしくは約5Vで切り取られる。整流器部品682は、ウルトラキャパシタを充電するためにAC信号をDC信号に変換する全波整流器ブリッジを含むことができる。整流器ブリッジは四つのダイオード682Aを含むことができる。使用できる整流器の実施例は、部品番号MBR130T1もしくはMBR130T3として市販されている表面実装型ショットキー電力整流器である。
【００４７】
ウルトラキャパシタ部品180はウルトラキャパシタ電源を含む。ウルトラキャパシタ電源は、単一のキャパシタもしくは複数（二つ以上）の連続的に結合したキャパシタ180A（
図４に示す）を含む、高価な小型容量エネルギー装置であってもよく、このキャパシタは、0.1ファラッドより大きい容量等級、1ファラッドより大きい容量等級、5ファラッドより大きい容量等級、8ファラッドより大きい容量等級、もしくは10ファラッドより大きい容量等級を持ち、かつ容積の大きさは50立方センチメートル未満、30立方センチメートル未満、10立方センチメートル未満、5立方センチメートル未満、1立方センチメートル未満、もしくは0.1立方センチメートル未満に制限される。一実施形態では、ウルトラキャパシタ180は、Maxwell Technologiesから商標Boostcapおよび部品番号PC10で入手可能な2.5V、10ファラッドのウルトラキャパシタであってもよい。Boostcap PC10は500,000以上の負荷サイクルで約10年の寿命の性能を持つ。これは密封された薄型の角柱形である。
【００４８】
荷電平衡部品794は、四つの抵抗器794Bに結合した演算増幅器794Aを含むことができる。四つの抵抗器794Bは、ウルトラキャパシタ180を形成する二つのキャパシタ180A間で等しい電圧を維持する。
【００４９】
第二電源185はウルトラキャパシタ180よりも高い電圧保持力を持つ電池であってもよい。例えば、ウルトラキャパシタ180は一日の間電圧を保持するが、一方電池185は一ヶ月間電圧を保持する。別の実施例として、ウルトラキャパシタ180は一ヶ月間電圧を保持するが、一方電池185は10年間電圧を保持する。一実施形態では、第二電源185は、10年より大きい電圧保持力を持つSanyo CR1220リチウム電池などのリチウム電池であってもよい。別の実施形態では、第二電源は充電式リチウム電池などの充電式電池である。図２Ａと２Bは第二電源185を電池として示している。第二電源185が充電式電池である場合、図２Bに示した第二インダクタコイル791と第二整流器792が、電池185を再充電する電力を送信するために用いられる。第二インダクタコイル791は外部送信機208の第二コイル280からAC信号を受信する。従って、インダクタコイル791から受信されたAC信号は、インダクタコイル680から受信されたAC信号とは区別される。インダクタコイル791は電圧源を供給し、整流器792はAC信号をDC信号に変換し、これは埋め込み装置105の電池185を補充するために用いられる。
【００５０】
図２Ａについて上記に記載したように、刺激装置105は充電コイル680を含む。図３に示すように、充電コイル680は磁気透過性の物質（例えば登録商標PEEK、セラミック、登録商標Hysol、エポキシ樹脂、シリコンなどの、単独もしくは組み合わせ）でできたそれ自身の容器に入っていても良いし、あるいは、全てこれらの同じ磁気透過性の物質の内の一つ以上でできていても良い刺激装置のハウジングに入っていても良いし、あるいは、これらの同じ磁気透過性の物質の内の一つ以上でできていても良い埋め込み装置105のヘッダーに入っていても良い。そのような磁気透過性の物質の使用は、外部AC磁場による再充電の間、刺激装置105に誘導される発熱渦電流を制限する。従って、過度の熱によって引き起こされる損傷を避けるために再充電速度を人為的に管理する必要が無く、ウルトラキャパシタ180の再充電時間を24時間毎に数秒未満に削減する。
【００５１】
図３は埋め込み装置105の一実施例の説明図である。埋め込み装置はハウジング1000を含み、ハウジング内には電池185、ウルトラキャパシタ180、および容器681に入っている充電コイルが入れられ、これらは全て上記で記載してある。リードコネクタ1200と密閉電子回路パッケージ1100も含まれる。
【００５２】
図５は、電池185とウルトラキャパシタ180との間に電気絶縁性をもたらすために用いられる例示的なCMOS DC分離回路の概略図を示す。CMOS装置は、相補型MOS（CMOS）回路を構成するために、p型金属‐酸化物‐半導体（p-MOS）トランジスタと、n型MOS（n-MOS）トランジスタを含む。CMOS回路への入力は、典型的には、非常に高い抵抗を示す入力MOSトランジスタのゲートに送られる。従って、CMOSゲートに電圧が印加されていない時には、CMOSゲートは基本的に無限のDCインピーダンスと共に作動し、電流を妨げる。
【００５３】
特に図５の第一図は、二つのCMOSゲートと論理インバータ（“NOT”ゲート）を利用する、V2とV1間の電気分離回路をあらわす。V2の電圧が高い時、CMOSゲートと論理インバータの組み合わせは、確実にV1の電圧も高いままであるようにする。一方、V2の電圧がゼロの時は、論理インバータが高電圧を出力し、V1の電圧を接地電圧に下げ、V1とV2の両方の電圧をゼロにする。図５の第二図は、V1が高い時はV2も高いままで、V1がゼロの時はV2もゼロになることを確実にするために、CMOSゲートと論理インバータを用いる同様の回路をあらわす。回路は、電池185のみがメモリ355に電力供給することを確実にする。また、この構造は二つの異なる電圧にある二つの回路の間にインターフェースを提供し（超キャパシタ電圧が上下に変動する一方で、電池電圧は非常にゆっくりと変化する）、DC分離を維持しながら二つの回路が通信できるようにする。
【００５４】
刺激装置105の他の構造も可能である。例えば、刺激装置105は一つ以上の化学刺激、熱刺激、電磁刺激、および／または機械刺激などの他の刺激を供給することができる。従って刺激装置105は他の刺激供給要素を含むことができる。
【００５５】
他の実装では、刺激装置105は、人工内耳、脳深部刺激装置、薬ポンプ、微小薬ポンプ、あるいは電気刺激および／または他の刺激を供給するように構成された任意の他の種類の埋め込み型刺激装置の部分となることができる。例示的な脊髄刺激装置は、U.S. Patent Nos. 6,381,496、6,553,263および6,516,227に記載されているものを含み、これら全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。例示的な人工内耳は、U.S. Patent Nos. 6,219,580、6,272,382、および6,308,101に記載されているものを含み、これらの全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。例示的な脳深部刺激装置は、U.S. Patent No. 6,920,359に記載されているものを含み、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。例示的な薬ポンプは、U.S. Patent Nos. 3,731,681と4,781,893に記載されているものを含み、これらの内容は参照により本明細書に組み込まれる。例示的な微小薬ポンプは、U.S. Patent Application Publication Nos. 2002/0156462 A1と2004/0082908 A1に記載されているものを含み、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００５６】
他の実施形態は以下の請求項の範囲の内にある。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】組織を刺激するためのシステムをあらわす。
【図２Ａ】一実施形態に従う、組織を刺激するためのシステムをあらわすブロック図である。
【図２Ｂ】一実施形態に従う、組織を刺激するためのシステムをあらわすブロック図である。
【図３】一実施形態に従う、埋め込み型パルス発生器の透視図である。
【図４】一実施形態に従う、埋め込み型パルス発生器に付随する電力回路をあらわす回路図である。
【図５】一実施形態に従う、分離回路の回路図である。  様々な図面の類似する参照記号は、類似する要素を意味する。
【図１】
2009506846.tif 000003
【図２Ａ】
2009506846.tif 000004
【図２Ｂ】
2009506846.tif 000005
【図３】
2009506846.tif 000006
【図４】
2009506846.tif 000007
【図５】
2009506846.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月30日(2008.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
刺激パルスを作り出すための回路素子を含む埋め込み型パルス発生器、
前記回路素子に動作電力を供給するウルトラキャパシタを含む第一電源、
プログラミングデータを保存する、前記パルス発生器に付随する揮発性メモリ、
前記ウルトラキャパシタより高い電圧保持力を持ち、前記揮発性メモリ専用で、前記揮発性メモリに動作電力を供給する第二電源、
を含む刺激装置。
【請求項２】
前記ウルトラキャパシタが、0.1ファラッドより大きい容量を持ち、前記第二電源が前記ウルトラキャパシタよりも高い電圧保持力を持つ、請求項１の刺激装置。
【請求項３】
インダクタコイルと整流器回路を含む充電回路をさらに含み、ここで前記充電回路は、前記コイルを通して外部電源から電力を受信し、前記整流器回路で前記受信電力を整流し、前記ウルトラキャパシタの再充電のために、前記整流電力を前記ウルトラキャパシタに送ることを特徴とする、請求項１の刺激装置。
【請求項４】
前記第一電源が外部再充電送信機ユニットから受信されたRF波で再充電される、請求項１の刺激装置。
【請求項５】
前記第二電源が外部再充電送信機ユニットから受信されたRF波で再充電される、請求項１の刺激装置。
【請求項６】
前記揮発性メモリがSRAMもしくはDRAMを含む、請求項１の刺激装置。
【請求項７】
前記ウルトラキャパシタと電気的に通信し、磁気透過性の物質に内包された充電コイルをさらに含む、請求項１の刺激装置。
【請求項８】
前記充電コイルおよび前記第一電源と電気的に通信し、かつ出力電圧が閾値を超えることを防ぐ、一つ以上の保護ダイオードをさらに含む、請求項７の刺激装置。
【請求項９】
前記閾値が約5Vである、請求項８の刺激装置。
【請求項１０】
磁気透過性の物質でできたハウジングをさらに含む、請求項１の刺激装置。
【請求項１１】
前記第二電源が電池を含む、請求項１の刺激装置。
【請求項１２】
不揮発性メモリをさらに含み、ここで前記ウルトラキャパシタは前記不揮発性メモリに動作電力を供給する、請求項１の刺激装置。
【請求項１３】
埋め込み型刺激装置を含む組織刺激システムで、
前記埋め込み型刺激装置は、
刺激パルスを作り出すためのパルス発生器回路、
前記パルス発生器回路のために動作電力を供給するウルトラキャパシタを含む第一電源、
プログラミングデータを保存し、前記プログラミングデータを前記パルス発生器回路に供給するための揮発性メモリ、および
前記第一電源よりも高い電圧保持力を持ち、前記揮発性メモリ専用で、前記揮発性メモリに動作電力を供給する第二電源、
を含み、さらに、前記組織刺激システムは、
前記埋め込み型刺激装置にプログラミング情報を送信する遠隔プログラマーユニットで、前記プログラミング情報は前記揮発性メモリに保存される、遠隔プログラマーユニットを含む、組織刺激システム。
【請求項１４】
再充電送信機がRF信号の第一セットを前記刺激装置に送信し、前記RF信号の第一セットは前記ウルトラキャパシタを再充電する、請求項１３のシステム。
【請求項１５】
再充電送信機がRF信号の第二セットを前記刺激装置に送信し、前記RF信号の第二セットは前記第二電源を再充電する、請求項１４のシステム。
【請求項１６】
前記ウルトラキャパシタに電気的に結合し、磁気透過性の物質内に内蔵された充電コイルをさらに含む、請求項１３のシステム。
【請求項１７】
前記充電コイルおよび前記第一電源と電気的に通信し、かつ出力電圧が閾値を超えるのを防ぐ、一つ以上の保護ダイオードをさらに含む、請求項１６のシステム。
【請求項１８】
前記閾値が約5Vである、請求項１７のシステム。
【請求項１９】
前記埋め込み型刺激装置が磁気透過性物質に内蔵される、請求項１３のシステム。
【請求項２０】
前記埋め込み型刺激装置が、不揮発性メモリをさらに含み、ここで前記ウルトラキャパシタは前記不揮発性メモリに動作電力を供給する、請求項１３のシステム。
【請求項２１】
前記揮発性メモリがSRAMもしくはDRAMを含む、請求項１３のシステム。
【請求項２２】
前記第二電源が電池を含む、請求項１３のシステム。
【請求項２３】
前記ウルトラキャパシタが0.1ファラッドより大きい容量等級を持ち、前記第二電源が前記ウルトラキャパシタよりも高い電圧保持力を持つ、請求項１３のシステム。
【請求項２４】
インダクタコイルと整流器回路を含む充電回路をさらに含み、ここで前記充電回路は、前記コイルを通して外部電源から電力を受信し、前記整流器回路で前記受信電力を整流し、前記整流電力を前記ウルトラキャパシタの再充電のために前記ウルトラキャパシタに送ることを特徴とする、請求項１３のシステム。
【請求項２５】
前記刺激装置にRF信号の一つ以上のセットを送信する遠隔再充電送信機をさらに含む、請求項１３のシステム。
【請求項２６】
前記パルス発生器回路が患者の組織を刺激するための刺激パルスを作り出す、請求項１３のシステム。
【請求項２７】
刺激パルスを作り出すためのパルス発生回路、
データを保存し、前記データを前記パルス発生回路に供給するための回路素子に結合された揮発性メモリ、
前記パルス発生回路に動作電力を供給するキャパシタ、
前記揮発性メモリのみに電力を供給するバッテリー
を含む埋め込み型刺激装置。
【請求項２８】
前記バッテリーが前記キャパシタよりも高い電圧保持力を持つ、請求項２７の刺激装置。
【請求項２９】
前記キャパシタが0.1ファラッドよりも大きい容量を持つ、請求項２７の刺激装置。
【請求項３０】
前記バッテリーが外部再充電送信機ユニットから受信されたRF波で再充電される、請求項２７の刺激装置。
【請求項３１】
前記キャパシタが外部再充電送信機ユニットから受信されたRF波で再充電される、請求項２７の刺激装置。
【請求項３２】
前記データが外部プログラマーからのRF波として受信される、請求項２７の刺激装置。
【請求項３３】
前記パルス発生回路が患者の組織を刺激するための刺激パルスを作り出す、請求項２７の刺激装置。
【国際調査報告】
2009506846.tif 000009
2009506846.tif 000010