(57)【要約】  多チャンネル神経刺激システム（１０）は、複数の電極（２６）にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、複数のタイミングチャンネル内に複数のパルス電気波形を発生させるように構成された同じ極性の電源回路を含む刺激出力回路（１４）と、それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重ならない時に電極（２６）から構成される異なるセットに電源回路を直列に結合するように刺激出力回路に命令し、それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重なる時に異なる電極セットの和集合に電源回路を結合するように刺激出力回路に命令するように構成された制御回路とを含む。【選択図】      図５
2013516233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、
複数のタイミングチャンネルに複数のパルス電気波形を発生させるように構成された同じ極性の電源回路を含む刺激出力回路と、
前記それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重ならない時に前記電極の異なるセットに前記電源回路を直列に結合するように前記刺激出力回路に命令し、かつ該それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重なる時に該異なる電極セットの和集合に該電源回路を結合するように該刺激出力回路に命令するように構成された制御回路と、
を含むことを特徴とする多チャンネル神経刺激システム。
【請求項２】
前記パルス電気波形は、それぞれの複数の刺激パラメータセットによって定義され、
前記制御回路は、前記刺激パラメータセットの各々から電極セットのデジタル表現を取得し、該デジタル表現を互いに組み合わせて該デジタル表現の和集合を作成し、かつ該デジタル表現和集合を前記刺激回路に出力するように構成され、
前記刺激出力回路は、前記デジタル表現和集合に従って前記異なる電極セットの前記和集合に前記電源回路を結合するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項３】
前記デジタル表現の各々は、前記それぞれの電極セットに対する電流振幅値のデジタル表現を含み、
前記制御回路は、前記電流振幅値に従って前記電源回路から前記電極の前記異なるセット又は該異なる電極セットの前記和集合に電流を供給するように前記刺激出力回路に命令するように構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の神経刺激システム。
【請求項４】
前記刺激出力回路は、前記電源回路と前記電気端子の間に結合された少なくとも１つのスイッチバンクを含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項５】
前記電源回路は、電流供給回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項６】
前記電流供給回路は、複数の電流分岐を含み、
前記制御回路は、前記電流分岐のうちの１つ又はそれよりも多くを前記それぞれの電極に割り当てることによって前記異なる電極セットの前記和集合内の各電極に対する電流マグニチュードを選択するように構成される、
ことを特徴とする請求項５に記載の神経刺激システム。
【請求項７】
前記制御回路は、
前記電極セットのデジタル表現を格納するように構成された複数のレジスタと、
前記パルス電気波形のパルス持続時間及びパルス周波数に従って位相有効化信号を出力するように構成された複数のタイマと、
前記レジスタのそれぞれの１つの出力に結合された入力と前記タイマのそれぞれの１つの出力に結合された入力とを各々が有する複数のＡＮＤゲートと、
前記ＡＮＤゲートのそれぞれの出力に結合された入力と前記刺激出力回路の入力に結合された出力とを有するＯＲゲートと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項８】
前記タイマの各々によって出力される前記位相有効化信号は、前記それぞれのパルス電気波形の前記パルスが活性である時に高であることを特徴とする請求項７に記載の神経刺激システム。
【請求項９】
前記パルス電気波形は、異なる周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項１０】
前記複数の電極を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項１１】
前記複数の電気端子と刺激出力回路と制御回路とを収容するハウジングを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム。
【請求項１２】
複数の電極にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、
前記電極の異なるセットのそれぞれの複数のデジタル表現を格納するように構成された複数のレジスタと、
それぞれの複数のパルス電気波形のパルス持続時間及びパルス周波数に従って位相有効化信号を出力するように構成された複数のタイマと、
前記レジスタのそれぞれの１つの出力に結合された入力と前記タイマのそれぞれの１つの出力に結合された入力とを各々が有する複数のＡＮＤゲートと、
前記ＡＮＤゲートのそれぞれの出力に結合された入力を有するＯＲゲートと、
前記ＯＲゲートの出力に結合された入力を有する刺激出力回路であって、該ＯＲゲートの該出力に基づいて前記電気端子を通じて前記電極に選択的に結合するようにプログラム可能な同じ極性の電源回路を含む前記刺激出力回路と、
を含むことを特徴とする多チャンネル神経刺激システム。
【請求項１３】
前記タイマは、互いに独立に作動されることを特徴とする請求項１２に記載の神経刺激システム。
【請求項１４】
前記電源回路は、電流供給回路を含むことを特徴とする請求項１２に記載の神経刺激システム。
【請求項１５】
前記デジタル表現の各々は、前記それぞれの電極セットに対する電流振幅値のデジタル表現を含み、前記電流供給回路は、前記ＯＲゲートの前記出力に基づいて前記電極に電流を供給するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１４に記載の神経刺激システム。
【請求項１６】
前記電流供給回路は、複数の電流分岐を含み、
神経刺激システムが、前記ＯＲゲートの前記出力に基づいて前記電流分岐のうちの１つ又はそれよりも多くを前記電極の各々に割り当てるように構成された分岐分配回路を更に含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の神経刺激システム。
【請求項１７】
前記電流分岐の各々は、
前記電極に結合されたスイッチバンクと、
前記それぞれのスイッチバンクに結合された復号器であって、前記分岐分配回路が、前記電極のうちの１つが該それぞれのスイッチバンクを通じて前記電源回路に結合されるように定義するデジタルコードを該復号器の各々に供給するように構成される前記復号器と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の神経刺激システム。
【請求項１８】
前記パルス電気波形は、異なる周波数を有することを特徴とする請求項１２に記載の神経刺激システム。
【請求項１９】
前記複数の電極を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の神経刺激システム。
【請求項２０】
前記複数の電気端子と前記複数のレジスタと前記複数のタイマと前記複数のＡＮＤゲートと前記ＯＲゲートと前記刺激出力回路とを収容するハウジングを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の神経刺激システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組織刺激システムに関し、より具体的には、複数の神経刺激チャンネルを作動させるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
埋め込み可能神経刺激システムは、様々な疾患及び障害において治療に有効であることが明らかにされている。ペースメーカー及び「埋め込み可能心房細動除去器（ＩＣＤ）」は、多くの心臓の病状（例えば、不整脈）の治療において非常に有効であることが明らかにされている。「脊髄刺激（ＳＣＳ）」システムは、慢性疼痛症候群の治療における治療方式として長い間受け入れられてきており、組織刺激の適用は、狭心症及び失禁のような更に別の用途に拡大し始めている。
【０００３】
本明細書に説明する本発明により深く関連することとして、「脳深部刺激（ＤＢＳ）」は、神経学的障害の治療において１０年を大幅に超えて治療目的で適用されている。ＤＢＳ、及び患者の脳内への電気刺激リードの埋め込みを含む他の関連処置は、パーキンソン病、本態性振戦、発作性障害、肥満、鬱病、強迫性障害、トゥレット症候群、ジストニア、及び他の衰弱性疾患のような障害を腹外側視床、淡蒼球内節、黒質網様部、視床下核（ＳＴＮ）、又は淡蒼球外節を含む１つ又はそれよりも多くのターゲット部位の電気刺激によって治療するのに益々使用されている。
【０００４】
ＤＢＳは、病変に対する安全で可逆性の代替物であるので、多くの障害に対する卓越した治療選択肢となった。例えば、ＤＢＳは、進行性パーキンソン病の治療において最も多くの場合に実施される外科障害である。ＤＢＳ外科手術を受けた患者は、世界中で約３０，０００人いる。従って、ＤＢＳ治療選択肢における進歩から恩典を得ることになる患者は多数存在する。ＤＢＳを用いた疾患の治療を解説する更なる詳細は、米国特許第６，８４５，２６７号明細書及び第６，９５０，７０７号明細書に開示されている。
【０００５】
一般的に埋め込み可能神経刺激システムは、望ましい刺激部位に埋め込まれる１つ又はそれよりも多くの電極担持刺激リードと、刺激部位から離れて埋め込まれるが、刺激リードに直接的に結合され、又はリード延長部を通じて刺激リードに間接的に結合されるかのいずれかである神経刺激器（例えば、埋め込み可能パルス発生器（ＩＰＧ））とを含む。更に、神経刺激システムは、選択された刺激パラメータに従って電気刺激パルスを発生させるように神経刺激器に遠隔的に命令する外部制御デバイスを含むことができる。
【０００６】
パルス電気波形の形態で、神経刺激器から電極に電気刺激エネルギを送出することができる。従って、神経組織を刺激するのに、刺激エネルギを電極に制御可能に送出することができる。ターゲット組織に電気パルスを送出するのに使用される電極の組合せは、アノード（正）、カソード（負）、又は無効（ゼロ）として機能するように選択的にプログラムすることができる電極を有する電極組合せを構成する。言い換えれば、電極組合せは、正、負、又はゼロである極性を示している。制御又は変更することができる他のパラメータは、電極アレイを通じて供給される電気パルスの振幅、持続時間、及び周波数を含む。各電極組合せを電気パルスパラメータと共に「刺激パラメータセット」と呼ぶことができる。
【０００７】
一部の神経刺激システム、特に、独立して制御される電流供給源又は電圧供給源を有するものでは、電極への電流の配分（電極として機能することができる神経刺激器の場合を含む）は、電流が多くの異なる電極構成を通じて供給されるように変更することができる。異なる構成では、電極は、異なる電流配分をもたらすために、電流又は電圧を異なる相対百分率の正の電流又は電圧と負の電流又は電圧とで供給することができる（すなわち、再分割電極構成）。
【０００８】
ＤＢＳの関連では、多くの脳領域に付随する１つ又はそれよりも多くの病気を治療するために、これらの脳領域を電気的に刺激することを必要とする場合がある。この目的のために、一般的に複数の刺激リードが複数の脳領域の近くに埋め込まれる。特に、下にある脳組織を損傷しないように患者の頭蓋骨に複数の穿頭孔が切開され、患者の頭蓋骨に大きい定位固定ターゲット式装置が装着され、各穿頭孔を通じて脳内の各ターゲット部位に向けてカニューレが１つずつ慎重に位置決めされる。各経路が脳の望ましい部分を通過するか否かを判断するために、一般的にマイクロ電極の記録を作成することができ、通過する場合には、刺激リードは、次に、刺激リード上に設けられた電極が、患者の脳内のターゲット部位に計画的に配置されるように、穿頭孔を通るカニューレを通じてこの経路に沿って脳の柔組織内に導入される。
【０００９】
異なる刺激パラメータセットを用いた複数の脳構造（すなわち、脳の異なる機能領域）の刺激は有用であることが示されている。例えば、異なる周波数における脚橋被蓋核（ＰＰＮ）及び視床下核（ＳＴＮ）の刺激が有益であることが示されている（Ａｌｅｓｓａｎｄｒｏ  Ｓｔｅｆａｎｉ他著「重度のパーキンソン病における脚橋被蓋核及び視床下核の両側脳深部刺激（Ｂｉｌａｔｅｒａｌ  Ｄｅｅｐ  Ｂｒａｉｎ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｅｄｕｎｃｕｌｏｐｏｎｔｉｎｅ  ａｎｄ  Ｓｕｂｔｈａｌａｍｉｃ  Ｎｕｃｌｅｉ  ｉｎ  Ｓｅｖｅｒｅ  Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ’ｓ  Ｄｉｓｅａｓｅ）」、Ｂｒａｉｎ（２００７年）、Ｉ３０、１５９６〜１６０７ページを参照されたい）。別のＤＢＳ例では、振戦及び固縮の治療を最適化するために１つの周波数が使用され、一方、運動緩慢を治療するために別の周波数が使用される（米国特許第７，３５３，０６４号明細書を参照されたい）。
【００１０】
従って、異なる脳構造を刺激するのに同じ刺激パラメータセットが使用される場合には、（１）１つの脳構造が最適な治療を受け、他の脳構造が貧弱な治療を受けるか、又は（２）両方の脳構造が凡庸な治療を受けるかのいずれかである可能性がある。従って、ＤＢＳの治療効果を最大にするためには、各脳構造は、異なる刺激パラメータセット（すなわち、異なる振幅、異なる持続時間、及び／又は異なる周波数）を必要とする可能性がある。
【００１１】
従来技術のＤＢＳ技術が異なる刺激パラメータを用いていくつかの脳構造を刺激しようと試みる１つの方式は、複数のリードを脳の異なる領域の近くに埋め込み、異なる刺激パラメータを用いてこれらの脳構造を通じて刺激を高速に循環させることである。慢性疼痛の治療のような一部の用途では、この効果は知覚することができない場合があるが、脳は、電気信号を高速に送信する複雑なシステムであり、高速な循環の効果は、効果のない治療及び／又は発作のような副作用を不適切にもたらす可能性がある「ヘリコプター効果」を生じる可能性がある。
【００１２】
従来技術のＤＢＳ技術が異なる刺激パラメータを用いていくつかの脳構造を刺激しようと試みる別の方式は、複数のリードをそれぞれ異なる刺激パラメータを用いてプログラムされた複数の神経刺激器に接続することである。しかし、この方式は、処置費用を増加させ、処置の長さを延ばし、外科手術に関連付けられた危険性を高める。
【００１３】
別の手法は、異なる脳構造に電気刺激を印加する時に複数のタイミングチャンネルを使用することである。各タイミングチャンネルは、ターゲット組織に電気パルスを送出するのに使用される電極組合せ、並びに電極を通じて流れる電流の特性（パルス振幅、パルス持続時間、パルス周波数等）を識別する。従来技術の神経刺激システムは、電気パルスの発生を同時に制御することができないことから（例えば、これらの神経刺激システムが、１つのアノード電源又は１つのカソード電源のみを備えること、又はそうでなければ１つの電気パルスを形成するのに使用される１つ又はそれよりも多くの刺激パラメータが、その後の重ね合わせ電気パルスを形成するのに使用される１つ又はそれよりも多くの刺激パラメータで上書きされる可能性があることといういずれかの理由から）、多くの場合に、複数のタイミングチャンネルの使用は、２つ又はそれよりも多くのタイミングチャンネルの間の電気パルスの重ね合わせの可能性に起因する問題を招く可能性がある。これらの神経刺激システムは、複数のチャンネルの各々に発生するパルス電気波形をそれぞれのチャンネル内の電気パルスが互いに重なることを防ぐために時間多重化することができる。
【００１４】
例えば、図１を参照すると、１つの従来技術の神経刺激コントローラ１は、出力刺激回路２を最大４つのパルス電気波形をそれぞれ４つのタイミングチャンネルにわたって４つの刺激パラメータセットに従って出力するように制御することができる。出力刺激回路２は、単一のアノード電流供給源３ａ及びそれに付随する復号器４ａ（又は復号器バンク）と、単一のカソード電流供給源３ｂ及びそれに付随する復号器４ｂ（又は復号器バンク）とを含む。復号器４ａは、アノード電極組合せ（すなわち、活性アノード電極）を形成するデジタルコード及びアノード電極組合せにおける振幅値を復号するように構成され、復号器４ｂは、カソード電極組合せ（すなわち、活性カソード電極）を形成するデジタルコード及びカソード電極組合せにおける振幅値を復号するように構成される。
【００１５】
神経刺激コントローラ１は、４つの刺激パラメータセットのうちの１つが有するある一定のパラメータ、特に、電極組合せ（すなわち、活性電極）と、電極組合せの活性電極の各々が有する振幅及び極性（カソード又はアノード）とを各々がデジタルに格納するいくつかのレジスタ５（この場合、４つのレジスタ１〜４）を含む。更に、神経刺激コントローラ１は、４つの刺激パラメータセットのうちの１つが有するパルス持続時間及び周波数を高／低の信号を出力することによって各々が制御するいくつかのタイマ６（この場合、４つのタイマ１〜４）を含む。
【００１６】
更に、神経刺激コントローラ１は、マルチプレクサ／セレクタ７を含み、マルチプレクサ／セレクタ７は、それぞれのタイマ６によってマルチプレクサ／セレクタ７に出力される信号が高である時に、レジスタ５のうちの選択された１つが有するデジタルコンテンツ（電極組合せ、振幅、及び極性）を刺激出力回路１の復号器３に出力する（すなわち、タイマ６のうちの１つにおける論理１が、関連するレジスタ５をマルチプレクサ／セレクタ７の出力にゲートする）。次に、刺激出力回路２は、それぞれのレジスタ５のデジタルコンテンツによって形成されて復号器３によって復号される電極組合せ、振幅、及び極性、並びにそれぞれのタイマ６によって形成されるパルス幅及び周波数に従ってアノード電気パルスとカソード電気パルスとを出力する。
【００１７】
更に、神経刺激コントローラ１は、刺激出力回路２によってアノードパルスとカソードパルスとが出力されることになるタイミングチャンネルをタイマ６を順次起動し、従って、それぞれのレジスタ５のデジタルコンテンツを刺激出力回路５に順次出力することによって順次選択するためのアービトレータ８を含む。アービトレータ８は、チャンネル間の電気パルスの重ね合わせを防いで、単一供給源の出力回路を用いて重ね合わせパルスを発生させようと試みることに関連付けられた上述の問題を回避するようにタイミングチャンネルを選択する。取りわけ、図１に例示す特定のアーキテクチャでは、電気パルスの重ね合わせを防ぐことにより、刺激出力回路２の復号器３に格納された現在の電気パルスの情報（すなわち、レジスタ５のうちの１つから得られたデジタルコンテンツ）が、重ね合わせ電気パルスの情報（すなわち、レジスタ５の別のものから得られるデジタルコンテンツ）が刺激出力回路２の復号器３内にその後に格納される時に、この重ね合わせパルス情報で上書きされないことを保証する。
【００１８】
２つのパルス電気波形の周波数が同じか又は他方の高調波である場合には、図２のパルス電気波形で例示するように、電気パルスは、一致しないように、それぞれのチャンネル内で時間的に容易に分離させることができる。簡略化の目的で、パルス電気波形のアノード部分のみを示している。２つのパルス電気波形の周波数が同じではないか又はそうでなければ互いの高調波ではない場合には、速い方の周波数を有するパルス電気波形のパルスが、他方のパルス電気波形内のパルスを「追い抜く」ことになり、従って、図３に例示するように、それぞれのチャンネル内のパルスを同時に発生させることが必要になる機会が存在することになる。
【００１９】
しかし、図１に示すように、各極性に対して１つの供給源しか存在せず、又は少なくとも、１つ又はそれよりも多くの非専用供給源（すなわち、複数の電極によって共有することができる供給源）が存在する場合には、第１の電気パルスの電極組合せ情報を第２の電気パルスに関連付けられた電極組合せ情報でデジタルに上書きする可能性に起因して、同じ極性の２つの電気パルスを発生させることができない。従って、複数のパルス電気波形を複数のチャンネル内に発生させることができたとしても、少なくとも１つのパルス電気波形が修正されない限り、これらのパルス電気波形は全て、一定の周期を維持するために関連する周波数を有するべきである。
【００２０】
例えば、一実施形態では、アービトレータ８は、パルス電気波形のうちの１つ又はそれよりも多くを修正することによってチャンネル間の刺激パルスの重ね合わせを防ぐ「トークン」方法として公知の方法を使用する。この方法は、「トークン」を有するタイミングチャンネル内で電気パルスを送信し、その間に他のタイミングチャンネルが出番を待つことを可能にする。次に、「トークン」は、次のタイミングチャンネルに渡される。しかし、これらのチャンネルが、「トークン」を同時に必要とするように重なる場合には、第２のチャンネル内での電気パルスの送信は、第１のタイミングチャンネル内での電気パルスの送信の終了時点まで待たなければならない。アービトレータ８は、これをマルチプレクサ／セレクタ７の出力が使用中である間に、その後の電気パルスに関連するタイマ６を待機させることによって達成する。
【００２１】
「トークン」方法は、図４を参照することで最も明快に理解することがでる。この図に示すように、第１の周波数を有する第１のパルス電気波形９ａは、タイミングチャンネルＡ内で送信され、第２の周波数を有する第２のパルス電気波形９ｂは、タイミングチャンネルＢ内で送信されることが望ましい。タイミングチャンネルＡが「トークン」を有するので、タイミングチャンネルＢ内で送信される第２のパルス電気波形９ｂのパルスをこれらのパルスが第１のパルス電気波形９ａのパルスと重なる度に「押し出す」必要がある。押し出されたパルス電気波形９ｃで分るように、パルスが押し出されると（水平矢印に示す）、次のパルスは、タイミングにおいて新しい（押し出された）パルスを拠り所とする。それに伴って次のパルスは、前のパルスが押し出される時に１度目と、更にタイミングチャンネルＡ内で送信されるパルス電気波形９ａのパルスと重なる時に２度目とで「２度押し出される」。その結果、第２のパルス電気波形９ｂ内のパルスの周波数は、第１のパルス電気波形９ａにおける周波数に強制され（すなわち、ロックされ）、望ましい周波数の２倍低い周波数を有するパルス電気波形９ｄがもたらされる。
【００２２】
トークン方法を使用する１つの有害な結果は、第２のタイミングチャンネル内で送信される電気パルスの周波数が、第１のタイミングチャンネル内で送信される電気パルスの周波数に「ロック」される（すなわち、符合する）か、又は電気パルスのギャロッピング又はクランピングを受ける可能性があるということである。従って、電気パルスの発生が時間的に押し出されると、特定の規則的周波数における刺激を必要とするＤＢＳ用途において刺激される脳構造のような組織領域に対して刺激治療は無効になるか、又は有害にさえなる可能性がある（Ｂｉｒｎｏ  ＭＪ，Ｃｏｏｐｅｒ  ＳＥ、Ｒｅｚａｉ  ＡＲ、Ｇｒｉｌｌ  ＷＭ著「脳深部刺激のパルス間周波数変化が振戦及びモデル化ニューロン活動に影響を及ぼす（Ｐｕｌｓｅ−ｔｏ−Ｐｕｌｓｅ  Ｃｈａｎｇｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  Ｄｅｅｐ  Ｂｒａｉｎ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ａｆｆｅｃｔ  Ｔｒｅｍｏｒ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｅｄ  Ｎｅｕｒｏｎａｌ  Ａｃｔｉｖｉｔｙ）」、Ｊ．Ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ、２００７年９月、９８（３）、１６７５〜１６８４ページを参照されたい）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第６，８４５，２６７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９５０，７０７号明細書
【特許文献３】米国特許第７，３５３，０６４号明細書
【特許文献４】米国特許第６，８９５，２８０号明細書
【特許文献５】米国特許公開第２００７／０１００３９９号明細書
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ａｌｅｓｓａｎｄｒｏ  Ｓｔｅｆａｎｉ他著「重度のパーキンソン病における脚橋被蓋核及び視床下核の両側脳深部刺激」、Ｂｒａｉｎ（２００７年）、Ｉ３０、１５９６〜１６０７ページ
【非特許文献２】Ｂｉｒｎｏ  ＭＪ，Ｃｏｏｐｅｒ  ＳＥ、Ｒｅｚａｉ  ＡＲ、Ｇｒｉｌｌ  ＷＭ著「脳深部刺激のパルス間周波数変化が振戦及びモデル化ニューロン活動に影響を及ぼす」、Ｊ．Ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ、２００７年９月、９８（３）、１６７５〜１６８４ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
従って、神経刺激システムにおける少なくとも１つの電源が複数の電極によって共有される神経刺激システムにおいて、複数の刺激チャンネルを独立して作動させるための改善された技術を提供する必要が残っている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の一態様により、多チャンネル神経刺激システムを提供する。神経刺激システムは、複数の電極にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、複数のタイミングチャンネル内に複数のパルス電気波形を発生させるように構成された同じ極性の電源回路を含む刺激出力回路とを含む。パルス電気波形は、異なるパルス周波数を有することができる。一実施形態では、刺激出力回路は、電源回路と電気端子の間に結合された少なくとも１つのスイッチバンクを含む。
【００２７】
更に、神経刺激システムは、それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重ならない時に電極の異なるセットに電源回路を直列に結合するように刺激出力回路に命令し、それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重なる時に異なる電極セットの和集合に電源回路を結合するように刺激出力回路に命令するように構成された制御回路を含む。
【００２８】
更に、神経刺激システムは、複数の電気端子と、刺激出力回路と、制御回路とを収容するハウジングを含む。代替的に、神経刺激システムの構成要素のうちの一部は、別々のハウジングに収容することができる。一実施形態では、電源回路は、電流供給源を含む。この場合、電源回路は複数の電流分岐を含むことができ、制御回路は、電流分岐のうちの１つ又はそれよりも多くをそれぞれの電極に割り当てることによって異なる電極セットの和集合内の各電極に対する電流マグニチュードを選択するように構成することができる。
【００２９】
別の実施形態では、パルス電気波形は、それぞれの複数の刺激パラメータセットによって定義され、この場合、制御回路は、刺激パラメータセットの各々から電極セットのデジタル表現を取得し、これらのデジタル表現を互いに組み合わせてデジタル表現の和集合を作成し、このデジタル表現和集合を刺激回路に出力するように構成され、刺激出力回路は、このデジタル表現和集合に従って異なる電極セットの和集合に電源回路を結合するように構成される。デジタル表現の各々は、それぞれの電極セットに対する電流振幅値のデジタル表現を含むことができ、この場合、制御回路は、電流振幅値に従って電源回路から電極の異なるセット又は異なる電極セットの和集合に電流を供給するように刺激出力回路に命令するように構成することができる。
【００３０】
更に別の実施形態では、制御回路は、電極セットのデジタル表現を格納するように構成された複数のレジスタと、パルス電気波形のパルス持続時間及びパルス周波数に従って位相有効化信号を出力するように構成を行う複数のタイマとを含む。タイマの各々によって出力される位相有効化信号は、例えば、それぞれのパルス電気波形が活性である時に高とすることができる。更に、制御回路は、レジスタのそれぞれの１つの出力に結合された入力と、タイマのそれぞれの１つの出力に結合された入力とを各々が有する複数のＡＮＤゲートと、ＡＮＤゲートのそれぞれの出力に結合された入力と、刺激出力回路の入力に結合された出力とを有するＯＲゲートとを含むことができる。
【００３１】
本発明の第２の態様により、別の多チャンネル神経刺激システムを提供する。多チャンネル神経刺激システムは、複数の電極にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子と、電極の異なるセットのそれぞれの複数のデジタル表現を格納するように構成された複数のレジスタと、それぞれの複数のパルス電気波形のパルス持続時間及びパルス周波数に従って位相有効化信号を出力するように構成を行う複数のタイマとを含む。パルス電気波形は、異なるパルス周波数を有することができる。一実施形態では、タイマは、互いに独立して作動される。
【００３２】
更に、神経刺激システムは、レジスタのそれぞれの１つの出力に結合された入力と、タイマのそれぞれの１つの出力に結合された入力とを各々が有する複数のＡＮＤゲートと、ＡＮＤゲートのそれぞれの出力に結合された入力を有するＯＲゲートとを含む。
【００３３】
更に、神経刺激システムは、ＯＲゲートの出力に結合された入力を有する刺激出力回路を含む。刺激出力回路は、ＯＲゲートの出力に基づいて電気端子を通じて電極に選択的に結合するようにプログラム可能な同じ極性の電源回路を含む。更に、神経刺激システムは、複数の電気端子と、複数のレジスタと、複数のタイマと、複数のＡＮＤゲートと、ＯＲゲートと、刺激出力回路とを収容するハウジングを含むことができる。代替的に、神経刺激システムの構成要素のうちの一部は、別々のハウジングに収容することができる。
【００３４】
一実施形態では、電源回路は、電流供給源を含む。この場合、デジタル表現の各々は、それぞれの電極セットに対する電流振幅値のデジタル表現を含むことができ、電流供給回路は、ＯＲゲートの出力に基づいて電極に電流を供給するようにプログラム可能にすることができる。電流供給回路は複数の電流分岐を含むことができ、神経刺激システムは、ＯＲゲートの出力に基づいて電流分岐のうちの１つ又はそれよりも多くを電極の各々に割り当てるように構成された分岐分配回路を更に含むことができる。各電流分岐は、電極に結合されたスイッチバンクと、それぞれのスイッチバンクに結合された復号器とを含むことができ、分岐分配回路は、デジタルコードを復号器の各々に供給するように構成され、デジタルコードは、それぞれのスイッチバンクを通じて電源回路に結合される電極のうちの１つを形成する。
【００３５】
本発明の他の及び更に別の態様及び特徴は、本発明を限定することではなく例示するように意図した以下に続く好ましい実施形態の詳細説明を読解することによって明らかになるであろう。
【００３６】
図面は、本発明の好ましい実施形態の設計及び有利性を示し、これらの図面内では、類似の要素を共通の参照番号で示す。本発明の上記に列記した利点及び目的、並びに他の利点及び目的が如何に得られるかをより確実に理解するために、添付図面に例示する本発明の特定的な実施形態を参照し、上記に簡単に説明した本発明のより具体的な説明を行う。これらの図面が本発明の典型的な実施形態しか示しておらず、従って、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではないという理解の下に、本発明を添付図面を使用することで更に具体的かつ詳細に説明及び解説する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】複数のタイミングチャンネル内にプログラムされる電気波形のパルス間の重ね合わせを防ぐための従来技術の制御回路のブロック図である。
【図２】波形が同じパルス周波数を有し、従って、波形パルスが重ならない従来技術のシステムによって２つのタイミングチャンネル内に発生させた２つのパルス電気波形を示すプロット図である。
【図３】波形が異なるパルス周波数を有し、従って、波形パルスが重なる従来技術のシステムによって２つのタイミングチャンネル内に発生させた２つのパルス電気波形を示すプロット図である。
【図４】複数のタイミングチャンネル内にプログラムされる電気パルス波形のパルス間の重ね合わせを防ぐための従来技術を示すタイミング図である。
【図５】本発明によって構成された脳深部刺激（ＤＢＳ）システムの実施形態の平面図である。
【図６】図５のＤＢＳシステムに使用される埋め込み可能パルス発生器（ＩＰＧ）及び経皮リードの側面図である。
【図７】図６のＩＰＧによって４つそれぞれのタイミングチャンネル内に発生させた４つの例示的なパルス電気波形を示すタイミング図である。
【図８】患者において使用状態にある図５のＤＢＳシステムの平面図である。
【図９】図６のＩＰＧの内部構成要素のブロック図である。
【図１０】図６のＩＰＧに収容される刺激出力回路のブロック図である。
【図１１】それぞれのタイミングチャンネル内でパルスの重ね合わせを許容する方式でパルス電気波形を形成するためのＩＰＧに収容される制御回路のブロック図である。
【図１２ａ】図１１の制御回路のレジスタに格納されたタイミングチャンネル１に対する活性電極、電極極性、及び振幅値のデジタル表現の図である。
【図１２ｂ】図１１の制御回路のレジスタに格納されたタイミングチャンネル２に対する活性電極、電極極性、及び振幅値のデジタル表現の図である。
【図１２ｃ】図１１の制御回路のレジスタに格納されたタイミングチャンネル３に対する活性電極、電極極性、及び振幅値のデジタル表現の図である。
【図１２ｄ】図１１の制御回路のレジスタに格納されたタイミングチャンネル４に対する活性電極、電極極性、及び振幅値のデジタル表現の図である。
【図１３】タイミングチャンネル１及び２に対する図１２ａ及び図１２ｂに例示するデジタル表現の和集合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に続く説明は、脳深部刺激（ＤＢＳ）システムに関するものである。しかし、本発明は、ＤＢＳにおける用途に十分に適するが、その最も広義の態様ではそのように限定することができないことは理解されるものとする。より正確には、本発明は、組織を刺激するのに使用されるいずれの種類の埋め込み可能電気回路とも併用することができる。例えば、本発明は、ペースメーカー、細動除去器、蝸牛刺激器、網膜刺激器、連係した体肢運動をもたらすように構成された刺激器、皮質刺激器、脊髄刺激器、末梢神経刺激器、微小刺激器の一部として、又は尿失禁、睡眠時無呼吸、肩関節亜脱臼、頭痛などを治療するように構成されたいずれかの他の神経刺激器に対して使用することができる。
【００３９】
最初に図５に参照すると、例示的なＤＢＳ神経刺激システム１０は、一般的に、１つ又はそれよりも多くの（この場合、２つの）埋め込み可能刺激リード１２、埋め込み可能パルス発生器（ＩＰＧ）１４、外部遠隔コントローラＲＣ１６、臨床医のプログラム作成器（ＣＰ）１８、外部試験刺激器（ＥＴＳ）２０、及び外部充電器２２を含む。
【００４０】
ＩＰＧ１４は、アレイで配置された複数の電極２６を担持する刺激リード１２に１つ又はそれよりも多くの経皮リード延長部２４を通じて物理的に接続される。図示の実施形態では、刺激リード１２は経皮リードであり、この目的のために電極２６を刺激リード１２に沿って縦列で配置することができる。別の実施形態では、電極２６は、単一のパドルリード上に２次元パターンで配置することができる（例えば、脳皮質刺激が必要な場合）。以下により詳細に説明するが、ＩＰＧ１４は、電気刺激エネルギをパルス電気波形（すなわち、電気パルスの時系列）の形態で刺激パラメータセットに従って電極アレイ２６に送出するパルス発生回路を含む。
【００４１】
刺激リード１２には、経皮リード延長部２８及び外部ケーブル３０を通じてＥＴＳ２０を物理的に接続することができる。ＩＰＧ１４と類似のパルス発生回路を有するＥＴＳ２０もまた、電気刺激エネルギをパルス電気波形の形態で刺激パラメータセットに従って電極アレイ２６に送出する。ＥＴＳ２０とＩＰＧ１４の間の主な相違点は、ＥＴＳ２０が、供給される刺激の応答性を試すために、刺激リード１２が埋め込まれた後かつＩＰＧ１４の埋め込みの前に試行ベースに使用される埋め込み不能デバイスである点である。
【００４２】
ＲＣ１６は、双方向ＲＦ通信リンク３２を通じてＥＴＳ２０を遠隔測定制御するのに使用することができる。ＩＰＧ１４及び刺激リード１２が埋め込まれると、ＩＰＧ１４は、双方向ＲＦ通信リンク３４を通じて遠隔測定制御するためにＲＣ１６を使用することができる。そのような制御は、ＩＰＧ１４を起動又は停止させ、異なる刺激パラメータセットを用いてプログラムすることを可能にする。ＩＰＧ１４は、プログラムされた刺激パラメータを修正して、ＩＰＧ１４によって出力される電気刺激エネルギの特性を能動的に制御するように作動させることができる。以下により詳細に説明するが、ＣＰ１８は、手術室及び予後の診察においてＩＰＧ１４及びＥＴＳ２０をプログラムするための詳細な刺激パラメータを臨床医に供給する。
【００４３】
ＣＰ１８は、ＩＲ通信リンク３６を通じてＲＣ１６を通してＩＰＧ１４又はＥＴＳ２０と間接的に通信することにより、上述の機能を実行することができる。代替的に、ＣＰ１８は、ＲＦ通信リンク（図示せず）を通じてＩＰＧ１４又はＥＴＳ２０と直接に通信を行うことができる。ＣＰ１８によって供給され、臨床医によって詳細に定められた刺激パラメータは、ＲＣ１６の独立型モードにおける（すなわち、ＣＰ１８の支援なしの）作動によって刺激パラメータを後に修正することができるようにＲＣ１６をプログラムするのにも使用される。
【００４４】
外部充電器２２は、誘導リンク３８を通じてＩＰＧ１４を経皮的に充電するのに使用される携帯デバイスである。簡潔化の目的で、外部充電器２２の詳細内容に対しては、本明細書では説明しない。ＩＰＧ１４をプログラムし終わり、その電源を外部充電器２２によって充電又はそうでなければ補充し終わると、ＩＰＧ１４は、ＲＣ１６又はＣＰ１８がなくても、プログラムされた通りに機能することができる。
【００４５】
簡潔化の目的で、ＲＣ１６、ＣＰ１８、ＥＴＳ２０、及び外部充電器２２の詳細内容に対しては、本明細書では説明しない。これらのデバイスの例示的な実施形態の詳細は、米国特許第６，８９５，２８０号明細書に開示されている。
【００４６】
次に、図６を参照して、刺激リード１２及びＩＰＧ１４の機能を簡単に以下に説明する。刺激リードの一方１２（１）は、８つの電極２６（Ｅ１〜Ｅ８とラベル付けしている）を有し、他方の刺激リード１２（２）は、８つの電極２６（Ｅ９〜Ｅ１６とラベル付けしている）を有する。リード及び電極の実際の個数及び形状は、当然ながら目標とする用途に従って変化することになる。ＩＰＧ１４は、電子構成要素及び他の構成要素（以下により詳細に説明する）を収容するための外側ケース４０と、電極２６を外側ケース４０内の電子機器に電気的に接続する方式で刺激リード１２の近位端が嵌合するコネクタ４２とを含む。外側ケース４０は、チタンのような導電性の生体適合性材料で構成され、内部電子機器が体組織及び体液から保護される密封区画を形成する。一部の場合には、外側ケース４０は、電極として機能することができる。
【００４７】
ＩＰＧ１４は、バッテリと、ＩＰＧ１４内にプログラムされた刺激パラメータセットに従って電気刺激エネルギをパルス電気波形の形態で電極アレイ２６に送出するパルス発生回路とを含む。そのような刺激パラメータは、アノード（正）、カソード（負）として作動され、停止（ゼロ）される電極を形成する電極組合せと、各電極（再分割電極構成）に割り当てられる刺激エネルギの百分率と、パルス振幅（ＩＰＧ１４が電極アレイ２６に定電流又は定電圧のいずれを供給するかに依存してミリアンペア又はボルトで測定される）、パルス持続時間（マイクロ秒で測定される）、及びバースト率（刺激印加持続時間Ｘ及び刺激停止持続時間Ｙとして測定される）を形成する電気パルスパラメータとを含むことができる。
【００４８】
電気刺激は、１つをＩＰＧケースとすることができる２つ（又はそれよりも多く）の作動電極の間で発生することになる。刺激エネルギは、単極又は多重極（例えば、二重極、三重極等）の方式で組織に送信することができる。単極刺激は、リード電極２６のうちで選択された１つがＩＰＧ１４のケースと共に作動され、従って、選択された電極２６とケースとの間で刺激エネルギが送信される場合に発生する。二重極刺激は、リード電極２６のうちの２つがアノードとカソードとして作動され、従って、選択された電極２６の間で刺激エネルギが送信される場合に発生する。例えば、第１のリード１２（１）上の電極Ｅ３をアノードとして作動させることができ、同時に第２のリード１２（１）上の電極Ｅ１１をカソードとして作動させることができる。三重極刺激は、リード電極２６のうちの３つが、２つをアノードとし、残りの１つをカソードとして、又は２つをカソードとし、残りの１つをアノードとして作動される場合に発生する。例えば、第１のリード１２上の電極Ｅ４及びＥ５をアノードとして作動させることができ、同時に第２のリード１２上の電極Ｅ１２がカソードとして作動される。
【００４９】
刺激エネルギは、電極の間で単相電気エネルギ又は多相電気エネルギとして送出することができる。単相電気エネルギは、全てが正（アノード性）又は全てが負（カソード性）のいずれかである一連のパルスを含む。多相電気エネルギは、正と負との間で交替する一連のパルスを含む。例えば、多相電気エネルギは、カソード性（負）の刺激パルスと、組織を通じる直流電荷移動を防止し、それによって電極の劣化及び細胞の創傷を回避するために刺激パルスの後に発生するアノード性（正）の再充電パルスとを各々が含む一連の２相パルスを含むことができる。すなわち、電荷は、電極において刺激期間（刺激パルスの長さ）の間に電流によって電極−組織界面を通じて搬送され、次に、同じ電極において再充電期間（再充電パルスの長さ）の間に反対の極性の電流によって電極−組織界面から引き戻される。再充電は能動的なものとすることができ、この場合、電流は、電流供給源又は電圧供給源によって電極を通じて能動的に搬送されるか、又は再充電パルスは受動的なものとすることができ、この場合、電流は、回路に存在する結合キャパシタンスから流れる電荷の再分配によって電極を通じて受動的に搬送することができる。
【００５０】
以下により詳細に解説することになるが、ＩＰＧ１４が埋め込まれる患者に治療を提供するために、ＩＰＧ１４は、４つのパルス電気波形を４つのそれぞれのタイミングチャンネルにわたって発生させるようにＣＰ１８（又は代替的に、ＲＣ１６）によってプログラムすることができる。それぞれのタイミングチャンネルに割り当てられる電極組合せは、一般的に、患者内の４つの異なる領域の治療をもたらすものになる。重要な点として、ＩＰＧ１４は、それぞれのタイミングチャンネル内で発生する電気パルスの間の重ね合わせを許容する。
【００５１】
次に、図７を参照して、ケース電極を含む電極群Ｅ１〜Ｅ１６にパルス電気波形を同時に送出する４つのタイミングチャンネルを使用する一例を以下に説明する。水平軸は、１ミリ秒（ｍｓ）の増分に分割された時間であり、それに対して垂直軸は、１６個の電極及びケース電極のうちの１つにいずれかが印加された場合の電流の振幅を示している。簡略化の目的で、パルス電気波形を本質的に単相であるように例示するが、パルス電気波形は、本質的に多相とすることができることを認めるべきである。
【００５２】
時間ｔ＝０では、チャンネル１は、４（ミリアンペア）（ｍＡ）のパルス振幅、３００マイクロ秒（μｓ）のパルス持続時間、及び２００パルス毎秒（ｐｐｓ）のパルス周波数を有する電流パルスを発生させて、電極Ｅ１（４ｍＡのアノード（正の）パルスとして出現する）とＥ３（−４ｍＡのカソード（負の）パルスとして出現する）の間に供給するように設定される。時間ｔ＝１では、チャンネル２は、４ｍＡのパルス振幅、３００μｓのパルス持続時間、及び２５０ｐｐｓのパルス周波数を有する電流パルスを発生させて、電極Ｅ１４（＋４ｍＡ）とＥ１３（−４ｍＡ）の間に供給するように設定される。時間ｔ＝２では、チャンネル３は、６ｍＡのパルス振幅、３００μｓのパルス持続時間、及び２００ｐｐｓのパルス周波数を有する電流パルスを発生させて、電極Ｅ８（＋６ｍＡ）と電極Ｅ６及びＥ７（それぞれ−４ｍＡ及び−２ｍＡ）の間に供給するように設定される。時間ｔ＝３では、チャンネル４は、５ｍＡのパルス振幅、４００μｓのパルス持続時間、及び６０ｐｐｓのパルス周波数を有する電流パルスを発生させて、電極Ｅ１０（＋５ｍＡ）とＥ８（−５ｍＡ）の間に供給するように設定される。時間ｔ＝４では、チャンネル１が、電流パルスを発生させて電極Ｅ１とＥ３の間に供給するように再度設定され、チャンネル２が、電流パルスを発生させて電極Ｅ１４とＥ１３の間に供給するように再度設定される。取りわけ、図７に例示すパルス電気波形は本質的に単相であるが、タイミングチャンネルの間に送出されるパルス電気波形は、本質的に多相とすることができる。
【００５３】
図８に示すように、刺激リード１２は、患者４４の頭蓋骨４８内に形成された穿頭孔４６を通じて導入され、更に、電極２６は、機能障害（例えば、腹外側視床、淡蒼球内節、黒質網様部、視床下核、又は淡蒼球外節）の発生源である電気活性を有するターゲット組織領域に近いように患者４４の脳４９の柔組織内に従来方式で導入される。こうして機能障害の関連を変更するために、刺激エネルギを電極２６からターゲット組織領域に伝達させることができる。刺激リード１２が穿頭孔４６を出る場所の近くの空間の欠如に起因して、一般的に、ＩＰＧ１４は、腹部内又は臀部の上方のいずれかに手術によって作成されたポケット内に埋め込まれる。当然ながらＩＰＧ１４は、患者の身体の他の場所内に埋め込むことができる。リード延長部２４は、ＩＰＧ１４を電極リード１２の出口ポイントから離れて設置することを容易にする。
【００５４】
次に、図９に着目し、ここでＩＰＧ１４の主内部構成要素を以下に説明する。ＩＰＧ１４は、データバス６４上の制御回路５１の制御下で、指定されたパルス振幅、パルス繰返し数、パルス幅、パルス形状、及びバースト率を有する所定のパルス波形に従って電気刺激エネルギを発生させるように構成された刺激出力回路５０を含む。制御回路５１は、作動させるべき電極、活性電極の極性、及び活性電極における電流の振幅を制御する制御論理５２と、パルス電気波形のパルス周波数及びパルス幅を制御するタイマ論理５６とを含む。刺激出力回路５０によって発生させた刺激エネルギは、リード電極２６に対応する電気端子５５にコンデンサーＣ１〜Ｃ１６を通じて出力され、更に、ケース電極４０に出力される。以下により詳細に解説することになるが、刺激出力回路５０は、少なくとも１つの非専用供給源（すなわち、リード電極２６及びケース電極４０のうちで選択されたもの間で時間的に切り換えることができる供給源）を各々が含むアノード電流供給回路とカソード電流供給回路とを含む。
【００５５】
Ｎ個の電極のうちのいずれかをｋ個までの可能な群又は「チャンネル」に割り当てることができる。一実施形態では、ｋは、４に等しいとすることができる。チャンネルは、刺激される組織内に電界を生成するためにどの電極が電流を同期して流出又は流入させるように選択されるかを識別する。チャンネル上の電極の振幅及び極性は、例えば、ＣＰ１８によって制御される通りに変更することができる。プログラム可能な特徴の候補の中でも取りわけ、所定のチャンネルの電極における電極極性、振幅、パルス繰返し数、及びパルス持続時間を含む刺激パラメータを設定するのに、ＣＰ１８内の外部プログラミングソフトウエアが一般的に使用される。
【００５６】
Ｎ個のプログラム可能な電極は、ｋ個のチャンネルのうちのいずれかにおいて正（流出電流）、負（流入電流）、又は停止（電流なし）の極性を有するようにプログラムすることができる。更に、Ｎ個の電極の各々は、例えば、２つ又はそれよりも多くの電極接点が同時に電流を流出／流入させるように群にまとめられる多重極（例えば、二重極）モードで作動させることができる。代替的に、Ｎ個の電極の各々は、例えば、チャンネルに関連する電極接点がカソード（負）として構成され、ケース電極（すなわち、ＩＰＧケース）がアノード（正）として構成される単極モードで作動させることができる。
【００５７】
更に、所定の電極から流出するか又は所定の電極に流入する電流パルスの振幅は、いくつかの個別の電流レベル、例えば、０から１０ｍＡの間で０．１ｍＡの刻みの個別の電流レベルのうちの１つにプログラムすることができる。同様に、電流パルスのパルス持続時間は、好ましくは、好ましい増分、例えば、０ミリ秒（ｍｓ）から１ミリ秒（ｍｓ）まで１０マイクロ秒（μｓ）の増分で調節することができる。同様に、パルス繰返し数は、好ましくは、例えば、０パルス毎秒（ｐｐｓ）から１０００パルス毎秒（ｐｐｓ）までの許容可能制限値内で調節することができる。他のプログラム可能な特徴は、緩慢な立ち上がり／立ち下がり、バースト刺激循環（Ｘ時間にわたって起動、Ｙ時間にわたって停止）、静止期、及び開ループ又は閉ループの検知モードを含むことができる。
【００５８】
重要な点として、以下により詳細に説明するが、制御論理５２及びタイマ論理５６は、同じ極性（アノード又はカソードのいずれか）の電流供給源が電極２６によって共有されるということにも関わらず、チャンネル内のパルス間で重ね合わせを許容するような方式で刺激出力回路５０を制御する。
【００５９】
更に、ＩＰＧ１４は、ＩＰＧ１４にわたる様々なノード又は他のポイント６０のステータス、例えば、電源電圧、温度、バッテリ電圧などをモニタするためのモニタリング回路５８を含む。更に、ＩＰＧ１４は、データバス６４上の制御論理を制御し、データバス６６を通じてモニタリング回路５８からステータスデータを取得するマイクロコントローラ（μＣ）６２の形態にある処理回路を含む。更に、ＩＰＧ１４は、タイマ論理５６を制御する。更に、ＩＰＧ１４は、マイクロコントローラ６２に結合されたメモリ６８と発振器及びクロック回路７０とを含む。それによってマイクロコントローラ６２は、メモリ６８、並びに発振器及びクロック回路７０との組合せで、メモリ６８に格納された適切なプログラムに従ってプログラム機能を実施するマイクロプロセッサシステムを構成する。代替的に、一部の用途では、マイクロプロセッサシステムによって提供される機能を適切な状態機械によって実施することができる。
【００６０】
こうしてマイクロコントローラ６２は、必要な制御信号及びステータス信号を発生させ、それによってマイクロコントローラ６２は、選択された作動プログラム及び刺激パラメータに従ってＩＰＧ１４の作動を制御することが可能になる。ＩＰＧ１４の作動を制御するのに、マイクロコントローラ６２は、刺激出力回路５０を制御論理５２及びタイマ論理５６との組合せに用いて電極２６に刺激パルス列を個々に発生させることができ、それによって各電極２６を単極ケース電極を含む他の電極２６と対又は群にまとめることが可能になる。メモリ６８に格納された刺激パラメータに従って、マイクロコントローラ６２は、極性、振幅、速度、パルス持続時間、及び電流刺激パルスが供給されるチャンネルを制御することができる。更に、マイクロコントローラ６２は、モニタリング回路５８によって測定された電気パラメータデータ（又は他のパラメータデータ）のメモリ６８内への記憶を容易し、モニタリング回路５８から得られた未処理電気パラメータデータを分析し、そのような未処理電気パラメータデータから数値を計算するのに必要なあらゆる計算機能も提供する。
【００６１】
更に、ＩＰＧ１４は、適切な変調搬送波信号内でプログラミングデータ（例えば、作動プログラム及び／又は刺激パラメータ）をＲＣ１６（図５に示す）から受信するための交流（ＡＣ）受信コイル７２と、ＡＣ受信コイル７２を通じて受信する搬送波信号を復調してプログラミングデータを回復するための充電及び順方向遠隔測定回路７４とを含み、この場合、これらのプログラミングデータは、メモリ６８内、又はＩＰＧ１４にわたって分配された他のメモリ要素（図示せず）に格納される。
【００６２】
更に、ＩＰＧ１４は、モニタリング回路５８を通じて検知された情報データをＣＰ１８に送信するために、帰還遠隔測定回路７６及び交流（ＡＣ）送信コイル７８を含む。ＩＰＧ１４の帰還遠隔測定機能は、ＩＰＧ１４のステータスを検査することも可能にする。例えば、ＣＰ１８がＩＰＧ１４とのプログラミングセッションを開始すると、外部プログラム作成器が、再充電するための推定時間を計算することができるように、バッテリの容量が遠隔測定される。電流刺激パラメータに加えられるいずれの変更も帰還遠隔測定を通じて確認され、それによって埋め込みシステム内でそのような変更が正しく受信され、実施されたことが保証される。更に、ＣＰ１８による照会時に、ＩＰＧ１４に格納された全てのプログラム可能な設定をＣＰ１８にアップロードすることができる。
【００６３】
更に、ＩＰＧ１４は、ＩＰＧ１４に作動電力を供給するために、再充電可能電源８０及び電力回路８２を含む。再充電可能電源８０は、例えば、リチウムイオンバッテリ又はリチウムイオンポリマーバッテリを含むことができる。再充電可能バッテリ８０は、未調整電圧を電力回路８２に供給する。次に、電力回路８２は、ＩＰＧ１４内に設けられた様々な回路による必要に応じて、一部が調整され、一部が調整されない様々な電圧８４を発生させる。再充電可能電源８０は、ＡＣ受信コイル７２によって受信される整流ＡＣ電力（又は他の手段、例えば、「インバータ回路」としても公知の効率的なＡＣからＤＣへのコンバータ回路によってＡＣ電力から変換されたＤＣ電力）を用いて再充電される。電源８０を再充電するために、ＡＣ磁場を発生させる外部充電器（図示せず）が、埋め込まれたＩＰＧ１４の上の患者の皮膚に接して又はそうでなければその近くに配置される。外部充電器によって発せられるＡＣ磁場は、ＡＣ受信コイル７２内にＡＣ電流を誘導する。充電及び順方向遠隔測定回路７４は、ＡＣ電流を整流して、電源８０を充電するのに使用されるＤＣ電流を生成する。ＡＣ受信コイル７２は、無線で通信（例えば、プログラミングデータ及び制御データ）を受信することと、外部デバイスからエネルギを充電することの両方に使用されるように説明したが、ＡＣ受信コイル７２は、充電専用コイルとして構成することができ、一方、コイル７８のような別のコイルは、双方向遠隔測定に向けて使用することができることを認めるべきである。
【００６４】
図９の図は機能的なものに過ぎず、限定的であるように意図したものではないことに注意すべきである。当業者は、本明細書に提供する説明を受けて、選択された電極群上に刺激電流又は刺激電圧を生成することだけではなく、作動又は非作動電極における電気パラメータデータを測定する機能をも含み、提供し、説明した機能を実施する多くの種類のＩＰＧ回路又は均等回路を容易に作成することができるはずである。
【００６５】
次に、図１０を参照して、刺激出力回路５０をより詳細に以下に説明する。刺激出力回路５０は、プログラム可能なアノード電流供給回路１０２とプログラム可能なカソード電流供給回路（「電流シンク回路」としても公知）１０４とを使用する。極性において異なるが、カソード供給回路１０４は、アノード供給回路１０２と設計及び機能において同様である。簡略化のためかつ冗長性を避けるために、下記ではアノード電流供給回路１０２の構成要素とカソード電流供給回路１０４の構成要素とを網羅的に解説する。
【００６６】
アノード電流供給回路及びカソード電流供給回路１０２、１０４の各々は、それぞれの電流供給回路１０２、１０４によって出力される電流を各々が再分割する２つの部分、すなわち、粗い電流供給源部分１０６と細かい電流供給源部分１０８とに分割される。粗い電流供給源部分１０６は、その名称が示す通り、粗い電流量を特定の電極に供給することを可能にする。言い換えれば、特定の電極において流出又は流入させるようにプログラムすることができる電流量は、比較的大きい増分（例えば、５％）で調節することができる。それとは対照的に、特定の電極において細かい電流供給源部分１０８によって流出又は流入させるようにプログラムすることができる電流量は、比較的小さい増分（例えば、１％）で調節することができる。
【００６７】
アノード電流供給回路及びカソード電流供給回路１０２、１０４の各々は、それぞれの電流供給源の粗い電流供給源部分１０６及び細かい電流供給源部分１０８に供給される可変基準電流Ｉrefを発生させるデジタルからアナログへの主基準コンバータ（ＤＡＣ）１１０も含む。アノード電流供給源に使用されるトランジスタは、一般的に、高電圧（Ｖ＋）にバイアスされるＰ型トランジスタで形成され、それに対してカソード電流供給源に使用されるトランジスタは、一般的に、低電圧（Ｖ−）にバイアスされるＮ型トランジスタで形成されることを反映して、アノード電流供給回路１０２の主ＤＡＣ１１０をＰＤＡＣと記し、カソード電流供給回路１０４の主ＤＡＣ１１０をＮＤＡＣと記す。
【００６８】
各主ＤＡＣ１１０は、デジタル制御信号に基づいて電流の増幅をプログラムするために、当業技術で公知のいずれかの構造を含むことができる。図示の実施形態では、各主ＤＡＣ１１０は、８つの重み付き電流供給源バンク（図示せず）を含み、基準電流Ｉrefに対して２8＝２５６通りの異なる値を出力するように主ＤＡＣ１１０をプログラムすることができるように、デジタル制御信号は、８本の線に沿って主ＤＡＣ１１０の重み付きバンクにそれぞれ入力される８つのビットを含む。このようにして、最終的に粗い電流供給源部分１０６及び細かい電流供給源部分１０８に供給される電流を主ＤＡＣ１１０の利得を調節することによって更に（かつ全体的に）変更することができる。
【００６９】
粗い電流供給源部分１０６は、各電極に対して専用又は有線接続の供給回路を含まない。代替的に、粗い電流供給源部分１０６は、電流ミラー１１６及びそれに関連するスイッチバンク１１８を各々が含むＬ個の粗い電流分岐１１４を通じて様々な電極の間で共有又は分配される。この例示的な事例では、Ｌ＝１９である。図示の実施形態では、電流ミラー１１６の各々は、同じ電流振幅、特に、基準電流Ｉrefのスケーリングバージョン、例えば、５Ｉrefを出力する。別の実施形態では、電流ミラー１１６によって出力される電流は、独立して変更することができる。
【００７０】
取りわけ、電流ミラー１１６は、これらの電流ミラー１１６自体内で個々に調節することができない（主ＤＡＣ１１０とは対照的に）。その代わりに電流ミラー１１６は、スイッチバンク１１８に一致した電流を供給し、特定の電流ミラー１１６の選択又は非選択により、その与えられたスイッチバンク１１８内で電流が発生する。スイッチバンク１１８の各々は、電極の個数に対応するＮ個のスイッチ（図示せず）を含む。この例示的な事例では、Ｎ＝１７（１６個のリード電極２６及びケース電極）である。従って、各スイッチバンク１１８は、デジタル制御信号に応答して、各スイッチバンク１１８の電流ミラー１１６とリード電極Ｅ１〜Ｅ１６のうちのいずれか又はケース電極（図１０には示していない）との間で電流を伝達することができる。アノード電流供給回路１０２の場合には、各スイッチは、その電流ミラーから電極のうちのいずれかに電流を伝達し、カソード電流供給回路１０４の場合には、各スイッチは、電極のうちのいずれかから各スイッチの電流ミラーに電流を伝達する。
【００７１】
図示の実施形態では、各スイッチバンク１１８内に入力されるデジタル制御信号は、１７本のそれぞれの線に沿ってスイッチバンク１１８のスイッチにそれぞれ入力される１７個のビットを含み、１７ビットのうちの１つのみが高であり、それによってそれぞれのスイッチバンク１１８内で閉じるべき特定のスイッチが指定され、従って、それぞれのスイッチバンク１１８から電流を受け取る（アノード電流供給回路１０２の場合）、代替的に、それぞれ、のスイッチバンク１１８に電流を送出する（カソード電流供給回路１０４の場合）対応する電極が指定される。従って、粗い電流分岐毎に一度に１つのスイッチしか閉じることができない。
【００７２】
以上から、所定の電極において電流を生成するのに複数のスイッチバンク１１８が一緒に機能することができることを認めることができる。例えば、アノード電流供給回路１０２を作動させる場合に、各電流ミラー１１６が５Ｉrefに等しい電流をそれぞれのスイッチバンク１１８に供給すると仮定すると、粗い電流供給源部分１０６は、Ｌ*Ｉref＝９５Ｉrefの最大電流を供給することができる。電極Ｅ２において５０Ｉrefの電流が望ましい場合には、スイッチバンク１１８のうちのいずれかの１０個、例えば、最初の１０個のスイッチバンク１１８（１）〜（１０）又は最後の１０個のスイッチバンク１１８（１０）〜（１９）の対応するスイッチを閉じることができる。同様に、複数の電極に同時に電流を供給することができる。例えば、５０Ｉrefが電極Ｅ２において望まれ、１０Ｉrefが電極Ｅ５において望まれ、１５Ｉrefが電極Ｅ８において望ましいと仮定する。これは、電極Ｅ２に対応するスイッチ（すなわち、スイッチバンクのうちの１０個（例えば、１１８（１）〜１１８（１０））のスイッチ）を閉じ、スイッチバンクのうちの２つ（例えば、１１８（１１）〜１１８（１２））の電極Ｅ５に対応するスイッチを閉じ、更に、スイッチバンクのうちの３つ（例えば、１１８（１３）〜１１８（１５））の電極Ｅ８に対応するスイッチを閉じることによって達成することができる。
【００７３】
粗い電流分岐１１０の各々は、５Ｉrefに等しい電流を出力するので、粗い電流供給源部分１０６の最小分解能は、５Ｉrefである。従って、細かい電流供給源部分１０８は、電極における電流に細かい調節を加える機能を更に提供する。粗い電流供給源部分１０６とは異なり、細かい電流供給源部分１０８は、好ましくは、電極２６の各々に有線接続される。この目的のために、細かい電流供給源部分１０８は、リード電極Ｅ１〜Ｅ１６の各々及びケース電極（図１０には示していない）に有線接続される細かい電流ＤＡＣ１２２を含む。細かい電流ＤＡＣ１２２は、基準電流Ｉrefを設定するのに使用される主ＤＡＣ１２２と類似のものとすることができる。上述の場合のように、アノード電流供給回路１０２の細かい電流ＤＡＣ１１０をＰＤＡＣと記し、カソード電流供給回路１０４の細かい電流ＤＡＣ１１０をＮＤＡＣと記す。細かい電流ＤＡＣ１２２の各々は、基準電流Ｉrefを受け取り、デジタル入力に応じる基準電流Ｉrefの増分で可変電流を出力する。
【００７４】
この例示的な実施形態では、ＤＡＣ１２２の各々は、デジタル制御信号に応答して所定の範囲の可変電流を増分ＩrefでＤＡＣ１２２の各々の電極に出力するように作動させることができる個数Ｊの細かい電流段を有する。例えば、Ｊ＝５の場合には、ＤＡＣ１２２の各々は、そのそれぞれの電極に０Ｉrefから５Ｉrefまでの範囲にわたる電流を供給することができる。従って、細かい電流供給源部分１０８は、粗い電流供給源部分１０６の電流分解能（５Ｉref）よりも小さい電流分解能（Ｉref）を有する。図示の実施形態では、各ＤＡＣ１２２内に入力されるデジタル制御信号は、５つの線に沿ってそれぞれのＤＡＣ１２２の５つの電流段内にそれぞれ入力される５つのビットを含み、それによって０Ｉrefから５Ｉrefまでの範囲にわたる６つの異なるスケーリング値を出力するようにプログラムすることができる。
【００７５】
この分解能の差に起因して、所定の電極において特定の電流を設定するのに粗い電流供給源部分１０６と細かい電流供給源部分１０８の両方を使用することができる。例えば、５３Ｉrefの電流を電極Ｅ２に供給することが望ましいと仮定すると、５０Ｉrefを電極Ｅ２に送出するか又はそこから送出するように、粗い電流分岐１１０のうちのいずれかの１０個を作動させることができる。電極Ｅ２に結合された細かい電流ＤＡＣ１２２は、更に別の３Ｉrefを電極Ｅ２に送出するか又はそこから送出するようにプログラムすることができ、その結果、電極Ｅ２において５３Ｉrefの望ましい合計電流がもたらされる。
【００７６】
当業者は理解されるように、幾つの粗い電流段Ｌが使用されるか、及び幾つの細かい電流段Ｊが使用されるかに関しては設計選択肢の問題であり、これらの値には、最適化を適用することができる。しかし、Ｊ個の細かい電流段が使用される場合には、粗い電流供給源の個数Ｌは、好ましくは、（１００／Ｊ）−１に等しい。従って、細かい電流段の個数Ｊが５に等しい場合には、粗い電流段の個数Ｌは１９に等しくなり、それによって粗い電流供給源部分１０６は、電流範囲の約９５％を約５％の分解能でいずれかの電極に送出するか又はそこから送出することが可能になり、細かい電流供給源部分１０８は、約５％の残りの電流を約１％の分解能でいずれかの電極に送出するか又はそこから送出することが可能になる。粗い電流供給源部分１０６内の電流ミラー１１６と細かい電流供給源部分１０８内のＤＡＣ１２２とへの入力として同じ基準電流Ｉrefを使用することが好ましいが、それぞれの粗い電流供給源部分１０６及び細かい電流供給源部分１０８によって異なる基準電流を使用することができる。この場合、別々の主ＤＡＣを互いにスカラーである異なる基準電流を発生させるようにプログラムすることができる。
【００７７】
任意的な実施形態では、刺激出力回路５０は、それぞれ電極と接地との間で結合された回復スイッチのバンク（図示せず）を更に含む。この場合、１７個のビットを含むデジタル制御信号は、電極のうちのいずれかを選択的に接地に切り換えるためのスイッチにそれぞれ入力することができ、それによって選択された１つ又は複数の電極における電荷が受動的に回復される。
【００７８】
刺激出力回路５０の詳細を解説する更に別の開示内容は、米国特許公開第２００７／０１００３９９号明細書に見出すことができる。
【００７９】
次に、図１１を参照して、制御回路５１（図９に関して上記に簡単に解説した）を以下に説明する。制御回路５１は、マイクロコントローラ６２からの刺激パラメータセットの入力に応答して、マイクロコントローラ６２によって形成されたそれぞれの刺激パラメータセットによって指定されるパルス振幅、パルス持続時間、及びパルス周波数を各々が有する複数のパルス電気波形を発生させて、電極間において複数のタイミングチャンネル内で伝達するように（例えば、上述の図７に示すように）刺激出力回路５０に命令するように構成される。
【００８０】
図示の実施形態では、４つのタイミングチャンネル内に４つまでのパルス電気波形をそれぞれ発生させることができる。しかし、タイミングチャンネルの個数は、異なるとすることができることを認めるべきである。上述のように、刺激出力回路５０は、パルス電気波形の各々を発生させる上で異なる極性の電流供給回路（アノード電流供給回路１０２及びカソード電流供給回路１０４）を利用する。アノード電流供給回路１０２とカソード電流供給回路１０４の両方の使用は、それぞれの電極に割り当てられたアノード電流振幅とカソード電流振幅の両方の制御を最大にするが、アノード電流供給回路のみ又はカソード電流供給回路のみを利用することができることを認めるべきである。刺激出力回路５０は、電流ステラリングの目的で電流供給回路を利用するが、代替的に、電圧供給回路を利用することができることも認めるべきである。
【００８１】
重要な点として、刺激出力回路５０が、アノード電源回路又はカソード電源回路（電流又は電圧のいずれであるかに関わらず）の一方を利用するか又は両方を利用するかに関わらず、制御回路５１は、タイミングチャンネル間でパルスが重なる可能性があるという懸念なしに、従って、パルス電気波形のパルス周波数を実質的に変更することになる方式でパルス電気波形を操作する必要なく、それぞれのタイミングチャンネル内でパルス電気波形を独立して発生させることを可能にする。
【００８２】
特に、刺激出力回路５０によって発生させるそれぞれの電気波形のパルスが互いに時間的に重なることにならない場合には、制御回路５１は、それぞれのパルス電気波形の非重ね合わせパルスを発生するように従来方式でアノード供給回路１０２を異なるアノード電極セットに結合し、カソード供給回路１０４を異なるカソード電極セットに結合するように刺激出力回路５０に命令する。
【００８３】
例えば、再度図７を参照すると、タイミングチャンネル１は、時間ｔ＝０において作動する唯一のチャンネルであり、タイミングチャンネル２は、時間ｔ＝１において作動する唯一のチャンネルであり、従って、制御回路５１は、時間ｔ＝０及びｔ＝１それぞれの間にアノード供給回路１０２を異なるアノード電極セットに結合し（すなわち、あるアノード電極セットがｔ＝０において電極Ｅ３を含み、異なるアノード電極セットがｔ＝１においてＥ１４を含む）、時間ｔ＝０及びｔ＝１それぞれの間にカソード供給回路１０４を異なるカソード電極セットに結合する（すなわち、あるカソード電極セットがｔ＝０において電極Ｅ１を含み、異なるカソード電極セットがｔ＝１においてＥ１３を含む）ように刺激出力回路５０に命令することになる。それとは対照的に、時間ｔ＝４では、タイミングチャンネル１と２の両方が作動され、従って、制御回路５１は、時間ｔ＝４の間にアノード供給回路１０２を異なるアノード電極セットの和集合に結合し（すなわち、電極Ｅ３及びＥ１４を含むアノード電極セット）、時間ｔ＝４の間にカソード供給回路１０４を異なるカソード電極セットの和集合に結合する（すなわち、電極Ｅ１及びＥ１３を含むカソード電極セット）。
【００８４】
この目的のために、一般的に、制御回路５１は、マイクロコントローラ６２に格納されたそれぞれの複数の刺激パラメータセットに従ってマイクロコントローラ６２によってプログラムされるように構成された複数の電流ステラリングレジスタ１５２及び複数のタイミングレジスタ１５４を含む。更に、制御回路５１は、タイミングレジスタ１５４のそれぞれの１つの出力１６８に結合された入力１６６を各々が含む複数のタイマ１５６を含む。更に、制御回路５１は、電流ステラリングレジスタ１５２のそれぞれの１つの出力１７２に結合された第１の入力１７０と、タイミングタイマ１５４のそれぞれの１つの出力１７６に結合された第２の入力１７４とを各々が含む複数のＡＮＤゲートを含む。４つのタイミングチャンネル、及び従って４つの刺激パラメータセットが存在するので、制御回路５１は、４つの対応する電流ステラリングレジスタ１５２、４つの対応するタイミングレジスタ１５４、４つの対応するタイマ１５６、及び４つの対応するＡＮＤゲート１５８を含む。取りわけ、各タイミングチャンネルに対して単一のステラリングレジスタ及び単一のタイミングレジスタを使用することができるが、実際には本明細書に定める各レジスタは、いくつかの個別のレジスタを含むことができる。例えば、各電極又は電極部分集合をその独自のレジスタに関連付けることができる。本明細書の目的では、「レジスタ」という用語を個別のレジスタのセットとして、そのようなレジスタセットが１つの個別のレジスタのみを含むか又は複数の個別のレジスタを含むかに関わらず定義することができる。
【００８５】
対応するタイミングチャンネル内で送信される対応するパルス電気波形に対して、電流ステラリングレジスタ１５２の各々は、マイクロコントローラ６２に格納された対応する刺激パラメータセットに従って作動される電極に関連する情報に加えて活性電極における電流の振幅及び極性も格納する。例えば、各電流ステラリングレジスタ１５２は、それぞれのタイミングチャンネルの間に発生させるべきそれぞれのパルス電気波形に対して、作動させるべき電極セットのデジタル表現を格納する。一実施形態では、格納された活性電極セットのデジタル表現は、これらの電極に割り当てるべき相対電流振幅値を示す複数のバイナリ値の形態を取る。
【００８６】
図示の実施形態では、各バイナリ値は、それぞれの電極に割り当てられた刺激出力回路５０の粗い電流供給源分岐及び細かい電流供給源分岐の極性及び個数を定める。この例示的な事例では、ゼロバイナリ値は、対応する電極を作動させるべきではないことを示し、それに対して非ゼロバイナリ値は、対応する電極をそのバイナリ値によって形成される相対電流値（すなわち、電極に割り当てられた粗い電流分岐及び細かい電流分岐の個数）で作動させるべきことを示している。図示の実施形態では、「１」という極性値は、電極がアノードであることを示し、それに対して「０」という極性値は、電極がカソードであることを示すが、「０」という極性バイナリ値が、電極がアノードであることを示すことができ、「１」という極性値が、電極がアノードであることを示すことができることを認めるべきである。
【００８７】
各電流ステラリングレジスタ１５２は、それぞれのタイミングチャンネルの間に発生させるべきそれぞれのパルス電気波形に対して活性電極に割り当てられる全体的デジタル電流値も格納する。図示の実施形態では、全体的デジタル電流値は、好ましくは同じものであるアノード電流供給回路１０２の主ＤＡＣによって出力される基準電流Ｉrefとカソード電流供給回路１０４の主ＤＡＣによって出力される基準電流Ｉrefとを示している。
【００８８】
図１２ａ〜図１２ｄを参照して、電流ステラリングレジスタ１５２の各々によって格納されるバイナリ値の例を以下に説明する。
【００８９】
図示のように、タイミングチャンネル１（図１２ａ）では、００１００という粗い電流バイナリ値、１００という細かい電流バイナリ値、及び０という極性バイナリ値が電極Ｅ１に割り当てられ（すなわち、カソード電流供給回路１０４の４本の粗い電流分岐及び４本の細かい電流分岐が電極Ｅ１に結合されることになる）、００１００という粗い電流バイナリ値、１００という細かい電流バイナリ値、及び１という極性バイナリ値が電極Ｅ１に割り当てられる（すなわち、アノード電流供給回路１０２の４本の粗い電流分岐及び４本の細かい電流分岐が電極Ｅ３に結合されることになる）。
【００９０】
タイミングチャンネル２（図１２ｂ）では、００１００という粗い電流バイナリ値、１００という細かい電流バイナリ値、及び０という極性バイナリ値が電極Ｅ１３に割り当てられ（すなわち、カソード電流供給回路１０４の４本の粗い電流分岐及び４本の細かい電流分岐が電極Ｅ１３に結合されることになる）、００１００という粗い電流バイナリ値、１００という細かい電流バイナリ値、及び１という極性バイナリ値が電極Ｅ１４に割り当てられる（すなわち、アノード電流供給回路１０２の４本の粗い電流分岐及び４本の細かい電流分岐が電極Ｅ１４に結合されることになる）。
【００９１】
タイミングチャンネル３（図１２ｃ）に対しては、００１００という粗い電流バイナリ値、１００という細かい電流バイナリ値、及び０という極性バイナリ値が電極Ｅ６に割り当てられ（すなわち、カソード電流供給回路１０４の４本の粗い電流分岐及び４本の細かい電流分岐が電極Ｅ６に結合されることになる）、０００１０という粗い電流バイナリ値、０１０という細かい電流バイナリ値、及び０という極性バイナリ値が電極Ｅ７に割り当てられ（すなわち、カソード電流供給回路１０４の２本の粗い電流分岐及び２本の細かい電流分岐が電極Ｅ７に結合されることになる）、００１１１という粗い電流バイナリ値、００１という細かい電流バイナリ値、及び１という極性バイナリ値が電極Ｅ８に割り当てられる（すなわち、アノード電流供給回路１０２の７本の粗い電流分岐及び１本の細かい電流分岐が電極Ｅ８に結合されることになる）。
【００９２】
タイミングチャンネル４（図１２ｄ）に対しては、００１１０という粗い電流バイナリ値、０００という細かい電流バイナリ値、及び０という極性バイナリ値が電極Ｅ８に割り当てられ（すなわち、カソード電流供給回路１０４の６本の粗い電流分岐及びゼロ本の細かい電流分岐が電極Ｅ８に結合されることになる）、００１１０という粗い電流バイナリ値、０００という細かい電流バイナリ値、及び１という極性バイナリ値が電極Ｅ１０に割り当てられる（すなわち、アノード電流供給回路１０２の６本の粗い電流分岐及びゼロ本の細かい電流分岐が電極Ｅ１０に結合されることになる）。
【００９３】
図１２ａ〜図１２ｄで分るように、０００００という粗い電流バイナリ値及び０００という細かい電流バイナリ値が全ての不活性電極に割り当てられる。タイミングチャンネルの全てに対して、アノード電流及びカソード電流の合計の半分が、主ＤＡＣ１１０によって活性電極に対して利用可能にされるように、全体的デジタル電流値は、１０００００００に設定される。従って、粗い電流分岐及び細かい電流分岐の割り当ては、活性電極における相対電流振幅を形成し、それに対して主ＤＡＣ１１０の設定は、活性電極における全体的電流振幅を最終的に形成する。
【００９４】
対応するタイミングチャンネル内で送信される対応するパルス電気波形に対して、タイミングレジスタ１５４の各々は、マイクロコントローラ６２に格納された対応する刺激パラメータセットに従うパルス周波数及びパルス持続時間に関連する情報を格納する。
【００９５】
図１１を再度参照すると、タイマ１５６の各々は、それぞれのタイミングレジスタ１５４に格納されたタイミング情報によって定められるパルス持続時間及びパルス周波数に従って位相有効化１７８の信号を出力する。すなわち、各タイマ１５４によって出力される位相有効化信号１７８は、発生させるべきパルスの持続時間に等しい時間にわたって、発生させるべきパルスの周波数に等しい周波数で高（すなわち、論理「１」）になる。従って、位相有効化信号１７８が高（すなわち、論理「１」）である時に、対応するレジスタ１５２に格納されたデジタルコンテンツは、対応するタイミングレジスタ１５４内に形成されたパルス持続時間に等しい期間の間、パルス周波数に等しい周波数でＡＮＤゲート１５８の出力１８０にゲートされることを認めることができる。
【００９６】
更に、制御回路５１は、それぞれのＡＮＤゲート１５８の各々の出力１８０に結合された入力１８２〜１８８を有するＯＲゲート１６０を含む。従って、ＡＮＤゲート１５６のそれぞれの出力１８０にゲートされるそれぞれのレジスタ１５２のいずれかのデジタルコンテンツ（活性電極セットのデジタル表現を含む）は、ＯＲゲート１６０の出力１９０においてビット毎に組み合わされ（例えば、ゲートされたデジタルコンテンツの第１のセットの最初のビットは、ゲートされたデジタルコンテンツの第２のセットの最初のビットとＡＮＤ演算され、ゲートされたデジタルコンテンツの第１のセットの第２のビットは、ゲートされたデジタルコンテンツの第２のセットの第２のビットとＡＮＤ演算され、以降同様に続く）、デジタルコンテンツの和集合が提供される（実質的に、それぞれのタイミングチャンネル内で活性電極セットの和集合が提供される）。取りわけ、現時点でレジスタ１５２のうちの１つだけのデジタルコンテンツがそれぞれのＡＮＤゲート１５８にゲートされている時には（すなわち、いずれのパルスも重なることにはならない）、ＯＲゲート１６０の出力１９０におけるデジタルコンテンツの和集合は、単純にその１つの電流ステラリングレジスタ１５２のゲートされたデジタルコンテンツになる。それとは対照的に、現時点で電流ステラリングレジスタ１５２のうちの１つよりも多くのデジタルコンテンツがそのそれぞれのＡＮＤゲート１５６にゲートされている場合は（すなわち、パルスは重なる）、ＯＲゲート１６０の出力１９０は、複数のゲートされたデジタルコンテンツの和集合になる。
【００９７】
例えば、図７を再度参照すると、時間ｔ＝０の間に、ＯＲゲート１６０の出力１９０におけるゲートされたデジタルコンテンツの和集合は、単純に第１のレジスタ１５２（タイミングチャンネル１に対応する）からゲートされたデジタルコンテンツ、すなわち、電極Ｅ１及びＥ３に関連する粗い電流分岐値、細かい電流値、及び極性値になり、時間ｔ＝１の間には、ＯＲゲート１６０の出力１９０におけるゲートされたデジタルコンテンツの和集合は、単純に第２のレジスタ１５２（タイミングチャンネル２に対応する）からゲートされたデジタルコンテンツ、すなわち、すなわち、電極Ｅ１３及びＥ１４に関連する粗い電流分岐値、細かい電流値、及び極性値になる。それとは対照的に、時間ｔ＝４の間には、ＯＲゲート１６０の出力１９０におけるゲートされたデジタルコンテンツの和集合は、図１３に例示するように、第１のレジスタ１５２と第２のレジスタ１５２の両方からゲートされたデジタルコンテンツの和集合になる。取りわけ、全体的電流値が恐らくタイミングチャンネルの全てに対して同じことになるので、全体的電流値の和集合は、全体的電流値と同一であることになる。
【００９８】
タイミングチャンネル毎に１つのＡＮＤゲート１５８のみを例示しているが、タイミングチャンネル毎に複数のＡＮＤゲートを存在させることができることに注意すべきである。例えば、電流ステアリングタイミングレジスタ内のデジタルコンテンツのある一定の部分を位相有効化信号１７８によって複数のＡＮＤゲート１５８の出力にそれぞれゲートすることができる。例えば、各タイミングチャンネルにおいて、全体的振幅バイナリ値をＡＮＤゲートの出力にゲートすることができ、粗い分岐バイナリ値及び極性値を別のＡＮＤゲートの出力にゲートすることができ、細かい分岐バイナリ値を更に別のＡＮＤゲートの出力にゲートすることができる。
【００９９】
全てのタイミングチャンネルに対して１つのＯＲゲート１６０のみを例示しているが、同様に、全てのタイミングチャンネルに対して複数のＯＲゲートを存在させることができることにも注意すべきである。例えば、組み合わせるべき電流ステアリングタイミングレジスタ内のデジタルコンテンツの各部分に対してＯＲゲートを設けることができる。例えば、ＡＮＤゲートのそれぞれの出力にゲートされる全体的振幅バイナリ値を全体的振幅バイナリ値の和集合を作成するようにＯＲゲートの出力において組み合わせることができ、ＡＮＤゲートのそれぞれの出力にゲートされる粗い分岐バイナリ値及び極性値を粗い分岐バイナリ値及び極性値の和集合を作成するように別のＯＲゲートの出力において組み合わせることができ、ＡＮＤゲートのそれぞれの出力にゲートされる細かい分岐バイナリ値を細かい分岐バイナリ値の和集合を作成するように更に別のＯＲゲートにおいて組み合わせることができる。
【０１００】
いずれにしても、ＯＲゲート１６０は、全体的電流値の和集合、粗い分岐バイナリ値の和集合、及び細かい分岐バイナリ値の和集合を出力する。
【０１０１】
ＯＲゲート１６０の出力１９０においてゲートされる全体的電流値の和集合は、８本の線に沿って主ＤＡＣ１１０（図１０を参照されたい）の各々に８つのビットを含むデジタル制御信号として直接に伝達される。例えば、図１３を参照すると、利用可能な電流の半分をアノード電流供給回路１０２とカソード電流供給回路１０４とに送出するか又はこれらから送出するように、バイナリ制御信号１０００００００が、主ＤＡＣ１１０の各々に伝達されることになる。
【０１０２】
更に、制御回路５１は、ＯＲゲート１６０の出力においてゲートされる粗い電流分岐値及び極性値の和集合を取得し、対応するアノードスイッチバンク１１８及びカソードスイッチバンク１１８にデジタル制御信号を送信する粗い分岐復号器及び分配回路１６２を含む。図示の実施形態では、粗い分岐復号器及び分配回路１６２は、ＯＲゲート１６０の出力１９０から１０２個のビット（１７個の電極×６ビット（５つの粗い分岐ビット及び１つの極性ビット）を受け取り、１７個のビットを各々が含む１９個のデジタル制御信号を１７本の線に沿ってそれぞれのアノードスイッチバンク１１８（図１０を参照されたい）に出力し、１７個のビットを各々が含む１９個のデジタル制御信号を１７本の線に沿ってそれぞれのカソードスイッチバンク１１８（図１０を参照されたい）に出力する。
【０１０３】
例えば、図１３を参照すると、粗い分岐復号器及び分配回路１６２は、電極Ｅ１から粗い電流分岐１１４のうちの４本に電流を送出するように（カソード電流のうちの２０％）、電極Ｅ１に関連する粗い電流分岐バイナリ値「００１００」及び極性値「０」に従ってカソード電流供給回路１０４の４つのスイッチバンク１１８に対して線１を高にして残りの線を低にし、粗い電流分岐１１４のうちの４本から電極Ｅ３に電流を送出するように（アノード電流のうちの２０％）、電極Ｅ３に関連する粗い電流分岐バイナリ値「００１００」及び極性値「１」に従ってアノード電流供給回路１０２の４つのスイッチバンク１１８に対して線３を高にして残りの線を低にし、粗い電流分岐１１４のうちの４本から電極Ｅ１３に電流を送出するように（アノード電流のうちの２０％）、電極Ｅ１３に関連する粗い電流分岐バイナリ値「００１００」及び極性値「０」に従ってアノード電流供給回路１０２の４つのスイッチバンク１１８に対して線１３を高にして残りの線を低にし、電極Ｅ１４から粗い電流分岐１１４のうちの４本に電流を送出するように（カソード電流のうちの２０％）、電極Ｅ１４に関連する粗い電流分岐バイナリ値「００１００」及び極性値「１」に従ってカソード電流供給回路１０４の４つのスイッチバンク１１８に対して線１４を高にして残りの線を低にすることになる。
【０１０４】
更に、制御回路５１は、ＯＲゲート１６０の出力においてゲートされる細かい電流分岐値及び極性値の和集合を取得し、対応する細かいアノード分岐ＤＡＣ１２２及び細かいカソード分岐ＤＡＣ１２２にデジタル制御信号を送信する細かい分岐復号器回路１６４を含む。図示の実施形態では、細かい分岐復号器回路１６４は、ＯＲゲート１６０の出力１９０から６８個のビット（１７個の電極×４ビット（３つの細かい分岐ビット及び１つの極性ビット））を受け取り、５つのビットを各々が含む１７個のデジタル制御信号を細かいＰＤＡＣ１２２（図１０を参照されたい）に出力し、５つのビットを各々が含む１７個のデジタル制御信号を細かいＮＤＡＣ１２２（図１０を参照されたい）に出力する。
【０１０５】
例えば、図１３を参照すると、細かい分岐復号器回路１６４は、電極Ｅ１から細かい電流分岐のうちの４本に電流を送出するように（カソード電流のうちの４％）、電極Ｅ１に関連する細かい電流分岐バイナリ値「１００」及び極性値「０」に従って電極Ｅ１に関連する細かいＮＤＡＣ１２２に対して線１〜４を高にして線５を低にし、細かい電流分岐のうちの４本から電極Ｅ３に電流を送出するように（カソード電流のうちの４％）、電極Ｅ３に関連する細かい電流分岐バイナリ値「１００」及び極性値「１」に従って電極Ｅ３に関連する細かいＰＤＡＣ１２２に対して線１〜４を高にして線５を低にし、細かい電流分岐のうちの４本から電極Ｅ１３に電流を送出するように（カソード電流のうちの４％）、電極Ｅ１３に関連する細かい電流分岐バイナリ値「１００」及び極性値「０」に従って電極Ｅ１３に関連する細かいＮＤＡＣ１２２に対して線１〜４を高にして線５を低にし、電極Ｅ１４から細かい電流分岐のうちの４本に電流を送出するように（カソード電流のうちの４％）、電極Ｅ１４に関連する細かい電流分岐バイナリ値「１００」及び極性値「１」に従って電極Ｅ１４に関連する細かいＰＤＡＣ１２２に対して線１〜４を高にして線５を低にすることになる。
【０１０６】
取りわけ、あらゆる所定の時間での各電流供給源に対して、タイミングチャンネルの各々は、合計数がＬ（すなわち、各電流供給源における粗い電流分岐の合計数）を超えない限り、あらゆる個数の粗い電流分岐を使用することができる。従って、いずれかの所定の時間にタイミングチャンネルによって必要とされる粗い電流分岐の個数が、利用可能な粗い電流分岐の合計数を超えない限り、１つのタイミングチャンネルが別のタイミングチャンネルに影響を及ぼすことはなくなる。従って、パルスを同時に送出するようにタイミングチャンネルを作動させることができるので、パルス電気波形は、独立した周波数を有することができる。
【０１０７】
受動的再充電パルスが利用される場合には、いずれかの特定のタイミングチャンネル内での現時点で作動中の電極の使用は、それぞれのタイミングチャンネルに関連する電荷回復モジュール（図示せず）に格納することができることにも注意すべきである。タイミングチャンネルに関連するタイマは、作動中の電極においてこれらの電極と接地の間に結合された受動的回復スイッチ（図示せず）を有効化にすることによって受動的回復を可能にすることができる。受動的回復中には、これらの電極に対する受動的回復信号をタイマによってＡＮＤゲート（図示せず）を通じてゲートすることができ、その出力は、他のタイミングチャンネルの受動的回復信号とＯＲゲート（図示せず）を通じて組み合わされる。次に、ＯＲゲートの出力における受動的回復信号は、回復スイッチに送信することができる。活性パルスが電荷回復パルスと一致する場合には、活性パルスの終了時点まで受動的回復信号を自動的に抑制する（ゲートしない）ことができる。活性パルスの終了時点において回復が再開され、受動的回復段階の終了時点まで続く。
【０１０８】
本発明の特定的な実施形態を図示して説明したが、本発明をこれらの好ましい実施形態に限定するように意図していないことは理解され、かつ当業者には本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変形及び修正を加えることができることが明らかであろう。従って、本発明は、代替、修正、及び均等物を網羅するように意図しており、それらは、特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲に含めることができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０  多チャンネル神経刺激システム
１４  刺激出力回路
２６  電極
【図１】
2013516233.tif 000003
【図２】
2013516233.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年9月3日(2012.9.3)
【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】
複数の電極（２６）にそれぞれ結合されるように構成された複数の電気端子（５５）と、
複数のタイミングチャンネルに複数のパルス電気波形を発生させるように構成された同じ極性の電源回路（１０２）を含む刺激出力回路（５０）と、
前記それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重ならない時に前記電極（２６）の異なるセットに前記電源回路（１０２）を直列に結合するように前記刺激出力回路（５０）に命令し、かつ該それぞれのパルス電気波形のパルスが互いに時間的に重なる時に該異なる電極セットの和集合に該電源回路（１０２）を結合するように該刺激出力回路（５０）に命令するように構成された制御回路（６２）と、
を含むことを特徴とする多チャンネル神経刺激システム（１０）。
【請求項２】
前記パルス電気波形は、それぞれの複数の刺激パラメータセットによって定義され、
前記制御回路（６２）は、前記刺激パラメータセットの各々から電極セットのデジタル表現を取得し、該デジタル表現を互いに組み合わせて該デジタル表現の和集合を作成し、かつ該デジタル表現和集合を前記刺激回路に出力するように構成され、
前記刺激出力回路（５０）は、前記デジタル表現和集合に従って前記異なる電極セットの前記和集合に前記電源回路（１０２）を結合するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項３】
前記デジタル表現の各々は、前記それぞれの電極セットに対する電流振幅値のデジタル表現を含み、
前記制御回路（６２）は、前記電流振幅値に従って前記電源回路（１０２）から前記電極（２６）の前記異なるセット又は該異なる電極セットの前記和集合に電流を供給するように前記刺激出力回路（５０）に命令するように構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項４】
前記刺激出力回路（５０）は、前記電源回路（１０２）と前記電気端子（５５）の間に結合された少なくとも１つのスイッチバンク（１１８）を含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項５】
前記電源回路（１０２）は、電流供給回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項６】
前記電流供給回路（１０２）は、複数の電流分岐（１１４）を含み、
前記制御回路（６２）は、前記電流分岐（１１４）のうちの１つ又はそれよりも多くを前記それぞれの電極（２６）に割り当てることによって前記異なる電極セットの前記和集合内の各電極（２６）に対する電流マグニチュードを選択するように構成される、
ことを特徴とする請求項５に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項７】
前記制御回路（６２）は、
前記電極セットのデジタル表現を格納するように構成された複数のレジスタ（１５２）と、
前記パルス電気波形のパルス持続時間及びパルス周波数に従って位相有効化信号（１７８）を出力するように構成された複数のタイマ（１５６）と、
前記レジスタ（１５２）のそれぞれの１つの出力（１７４）に結合された入力（１７０）と前記タイマ（１５６）のそれぞれの１つの出力（１７６）に結合された入力（１７４）とを各々が有する複数のＡＮＤゲート（１５８）と、
前記ＡＮＤゲート（１５８）のそれぞれの出力（１８０）に結合された入力（１８２−１８８）と前記刺激出力回路（５０）の入力に結合された出力（１９０）とを有するＯＲゲート（１６０）と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項８】
前記タイマ（１５６）の各々によって出力される前記位相有効化信号（１７８）は、前記それぞれのパルス電気波形の前記パルスが活性である時に高であることを特徴とする請求項７に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項９】
前記電流供給回路（１０２）は、複数の電流分岐（１１４）を含み、
神経刺激システム（１０）は、前記ＯＲゲート（１６０）の前記出力（１９０）に基づいて前記電流分岐（１１４）のうちの１つ又はそれよりも多くを前記電極（２６）の各々に割り当てるように構成された分岐分配回路（１６２）を更に含む、
ことを特徴とする請求項７に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項１０】
前記電流分岐（１１４）の各々は、
前記電極（２６）に結合されたスイッチバンク（１１８）と、
前記それぞれのスイッチバンク（１１８）に結合された復号器（１２０）であって、前記分岐分配回路（１６２）が、前記電極（２６）のうちの１つが該それぞれのスイッチバンク（１１８）を通じて前記電源回路（１０２）に結合されるように定義するデジタルコードを該復号器（１２０）の各々に供給するように構成される前記復号器（１２０）と、
を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項１１】
前記パルス電気波形は、異なる周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項１２】
前記複数の電極（２６）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【請求項１３】
前記複数の電気端子（５５）と刺激出力回路（５０）と制御回路（６２）とを収容するハウジング（４０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の神経刺激システム（１０）。
【国際調査報告】
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