(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性化関数を有する神経組織の容積を変調する際に使用するために作動的に位置決めされるように構成された少なくとも１つのリード上の電極を含み、神経組織の容積のための前記活性化関数は、神経組織の容積内の変調場に対する神経組織の反応を指示し、
更に、少なくともいくつかの電極を使用してエネルギを送出し、前記少なくとも１つのリードに沿って前記神経組織の容積内に前記変調場を発生させるように構成され、プログラムされた変調パラメータセットを使用して前記変調場を発生させるように構成された神経変調発生器と、を含み、
前記プログラムされた変調パラメータセットは、前記少なくともいくつかの電極を使用してエネルギ送出を制御して、前記変調場のための目的関数を達成するように選択された値を有し、前記目的関数は、神経組織の容積のための前記活性化関数に固有であり、前記プログラムされた変調パラメータセットによって達成され、前記少なくとも１つのリードのスパンに沿って神経組織の容積内の前記変調場に対する神経組織の反応の均一性を促進させることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記神経組織の容積は、後角組織の容積を含み、前記少なくとも１つのリードの前記スパンは、少なくとも３つの電極のスパンを含み、前記目的関数は、少なくとも３つの電極の該スパンに沿って該後角組織の容積内の該変調場に対する該反応の均一性を促進するために、前記神経変調発生器が、前記プログラムされた変調パラメータセットを使用して該少なくとも３つの電極の該スパンに沿って変調場を発生させ、少なくとも３つの電極の該スパンに沿って該後角組織の容積内の該変調場に対する反応の均一性を促進するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記神経組織の容積は、後根組織の容積を含み、前記少なくとも１つのリードの前記スパンは、少なくとも３つの電極のスパンを含み、前記目的関数は、少なくとも３つの電極の該スパンに沿って該後根組織の容積内の該変調場に対する該反応の均一性を促進するために、前記神経変調発生器が、前記プログラムされた変調パラメータセットを使用して該少なくとも３つの電極の該スパンに沿って変調場を発生させ、少なくとも３つの電極の該スパンに沿って該後根組織の容積内の該変調場に対する反応の均一性を促進するように構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記目的関数は、一定活性化関数であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記目的関数は、前記組織の容積内の一定電場を促進するための一定Ｅ目的関数であり、又は該目的関数は、該組織の容積内の電場の一定マグニチュードを促進するための一定｜Ｅ｜目的関数であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記神経組織の容積は、後柱組織の容積を含み、前記少なくとも１つのリードの前記スパンは、少なくとも３つの電極のスパンを含み、前記目的関数は、少なくとも３つの電極の該スパンに沿って該後柱組織の容積内の該変調場に対する該反応の均一性を促進するために、前記神経変調発生器が、前記プログラムされた変調パラメータセットを使用して該少なくとも３つの電極の該スパンに沿って変調場を発生させ、少なくとも３つの電極の該スパンに沿って該後柱組織の容積内の該変調場に対する反応の均一性を促進するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記目的関数は、後柱内の一定電圧を促進するための一定電圧目的関数を含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記組織の容積は、前記変調場のｎ次空間微分に比例する電気変調パラメータのための活性化関数を有し、
前記変調場のための前記目的関数は、該変調場の前記ｎ次空間微分に対して一定目的関数を含み、該一定目的関数は、前記組織の容積内の変調反応の均一性を促進するためのものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気変調パラメータセットは、前記選択された目的関数を有する前記選択された変調場を送出するのに使用される各電極に対する分割化値を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記神経変調発生器及び前記電極は、知覚以下変調場を発生させるために協働するように構成され、該知覚以下変調場は、患者−知覚閾値よりも下の強度を有し、該患者−知覚閾値は、それよりも下で患者が前記変調場の発生を感知しない境界であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記患者−知覚閾値は、前記神経変調発生器及び前記電極が、境界よりも下の強度を有する前記知覚以下変調場を発生させるために協働するように構成されるように、それよりも下で前記患者が異常感覚を感知しない境界であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
埋込可能なデバイス及び外部システムを含み、
前記埋込可能なデバイスは、前記神経変調発生器を含み、外部デバイスが、該神経変調発生器をプログラムするように構成される、
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記目的関数のユーザ選択を可能にするように構成されたユーザインタフェースを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ユーザインタフェースは、前記目的関数のための前記電極及び前記変調場の表現を表示するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
システムが、各活性接点に対する分割化値を決定するように構成され、
前記システムは、
各活性接点に対する単位場を電場モデルを用いて推定し、前記推定単位場は、それぞれの前記活性接点がエネルギ単位で励起される時に誘導される場であり、
各活性電極に対する知覚閾値を決定すること及びそれぞれの該知覚閾値を使用して各活性電極に対する前記推定単位場を較正することを含め、重み付け単位場を決定し、
各々がソースを提供する電気接点とシンクを提供する別の電気接点とを含む構成ソースを、前記活性接点に対して形成し、
前記構成ソースに対する前記重み付け単位場を使用して転送行列を構成し、
各構成ソースからの寄与に関して解いて前記選択変調場を提供し、かつ
前記構成ソースに対する前記解から各活性接点のための分割化値を計算する、
ように構成される、
ことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔優先権の主張〕
本出願は、本明細書にその全体が引用によって組み込まれている２０１４年９月２３日出願の米国仮特許出願第６２／０５４，０８１号の「３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）」の下での優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
この文書は、一般的に医療デバイスに関し、より具体的には、神経変調を送出するためのシステム、デバイス、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
神経変調は、いくつかの病状のための治療として提案されてきた。多くの場合に、神経変調及び神経刺激は、活動電位、並びに抑制及び他の効果を引き起こす興奮刺激を説明するのに交換可能に使用することができる。神経変調の例は、「脊髄刺激（ＳＣＳ）」、「脳深部刺激（ＤＢＳ）」、「末梢神経刺激（ＰＮＳ）」、及び「機能的電気刺激（ＦＥＳ）」を含む。ＳＣＳは、例示的にかつ限定ではなく、慢性疼痛症候群を処置するのに使用されている。一部の神経ターゲットは、異なるタイプの神経繊維を有する複合構造である場合がある。そのような複合構造の例は、ＳＣＳによってターゲットにされる脊髄内及びその回りの神経要素である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国仮特許出願第６２／０５４，０７６号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｇｕｓｔａｆｆｓｏｎ他、１９７６
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
システムの例（例えば、「実施例１」）は、活性化関数を有する神経組織の容積を変調するのに使用するように作動的に位置決めされるように構成された少なくとも１つのリード上の電極を含むことができる。システムは、神経組織の容積内に変調場を発生させるように少なくとも一部の電極を使用してエネルギを送出するように構成された神経変調発生器を更に含むことができる。神経変調発生器は、プログラムされた変調パラメータセットを使用して変調場を発生させるように構成することができる。プログラムされた変調パラメータセットは、少なくとも一部の電極を使用してエネルギ送出を制御し、神経組織の容積の活性化関数に固有の目的関数を達成して少なくとも１つのリードのスパンに沿って神経組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進するように選択された値を有する。実施例２において、実施例１の主題は、組織の容積が、後角組織の容積を含み、かつ少なくとも１つのリードのスパンが、少なくとも３つの電極のスパンを含み、そのために目的関数が、少なくとも３つの電極のスパンに沿って後角組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進することができるように、かつ神経変調発生器が、プログラムされた変調パラメータセットを使用して少なくとも３つの電極のスパンに沿って変調場を発生させ、少なくとも３つの電極のスパンに沿って後角組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進するように構成されるように任意的に構成することができる。
【０００７】
実施例３において、実施例１〜２のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、神経組織の容積が、後根組織の容積を含み、かつ少なくとも１つのリードのスパンが、少なくとも３つの電極のスパンを含むように、かつ目的関数が、少なくとも３つの電極のスパンに沿って後根組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進し、そのために神経変調発生器が、プログラムされた変調パラメータセットを使用して少なくとも３つの電極のスパンに沿って変調場を発生させ、少なくとも３つの電極のスパンに沿って後根組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進するように構成されるように任意的に構成することができる。
【０００８】
実施例４において、実施例１〜３のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、目的関数が一定活性化関数であるように任意的に構成することができる。
【０００９】
実施例５において、実施例１〜２のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、目的関数が、組織の容積内の一定電場を促進する一定Ｅ目的関数であり、又は目的関数が、組織の容積内の電場の一定の大きさを促進する一定｜Ｅ｜目的関数であるように任意的に構成することができる。
【００１０】
実施例６において、実施例１の主題は、神経組織の容積が、後柱組織の容積を含み、かつ少なくとも１つのリードのスパンが、少なくとも３つの電極のスパンを含むように、かつ目的関数が、少なくとも３つの電極のスパンに沿って後柱組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進し、そのために神経変調発生器が、プログラムされた変調パラメータセットを使用して少なくとも３つの電極のスパンに沿って変調場を発生させ、少なくとも３つの電極のスパンに沿って後柱組織の容積内の変調場に対する反応の均一性を促進するように構成されるように任意的に構成することができる。
【００１１】
実施例７において、実施例６の主題は、目的関数が、後柱内の一定電圧を促進する一定電圧目的関数を含むように任意的に構成することができる。
【００１２】
実施例８において、実施例１の主題は、組織の容積が、変調場のｎ次空間微分に比例する電気変調パラメータのための活性化関数を有するように任意的に構成することができる。変調場のための目的関数は、変調場のｎ次空間微分のための一定目的関数を含む。一定目的関数は、組織の容積内の変調反応の均一性を促進する。
【００１３】
実施例９において、実施例１〜８のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、電気変調パラメータセットが、選択された目的関数を有する選択された変調場を送出するのに使用される各電極に対する分割化値を含むように任意的に構成することができる。
【００１４】
実施例１０において、実施例１〜９のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、神経変調発生器及び電極が、協働して知覚以下変調場を発生させるように構成されるように任意的に構成することができる。知覚以下変調場は、患者がそれよりも下で変調場の発生を感知しない境界である患者−知覚閾値よりも下の強度を有することができる。
【００１５】
実施例１１において、実施例１０の主題は、患者−知覚閾値が、患者がそれよりも下で異常感覚を感知しない境界であり、そのために神経変調発生器及び電極が、協働して境界よりも下の強度を有する知覚以下変調場を発生させるように構成されるように任意的に構成することができる。
【００１６】
実施例１２において、実施例１〜１１のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、システムが、埋込可能なデバイス及び外部システムを含むように任意的に構成することができる。埋込可能なデバイスは、神経変調発生器を含むことができる。外部デバイスは、神経変調発生器をプログラムするように構成することができる。
【００１７】
実施例１３において、実施例１２の主題は、システムが、目的関数のユーザ選択を可能にするように構成されたユーザインタフェースを含むように任意的に構成することができる。
【００１８】
実施例１４において、実施例１３の主題は、ユーザインタフェースが、目的関数に対する電極及び変調場の表現を表示するように構成されるように任意的に構成することができる。
【００１９】
実施例１５において、実施例１〜１４のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、システムが、各活性接点に対する分割化値を決定するように構成されるように任意的に構成することができる。システムは、電場モデルを使用して各活性接点に対する単位場を推定するように構成することができ、推定単位場は、それぞれの活性接点がエネルギ単位で励起される時に誘導される場である。システムは、各活性電極に対する知覚閾値を決定すること、それぞれの知覚閾値を使用して各活性電極に対する推定単位場を較正すること、構成ソースの各々がソースを提供する電気接点とシンクを提供する別の電気接点とを含む活性接点のための構成ソースを形成すること、構成ソースに対して重み付けされた単位場を使用して転送行列を構成すること、各構成ソースからの寄与に関して解き、選択された変調場を提供すること、及び構成ソースに対する解から各活性接点のための分割化値を計算することを含め、重み付け単位場を決定するように更に構成することができる。
【００２０】
活性化関数を有する組織の容積を変調する方法の例（例えば、「実施例１６」）は、組織の容積を変調するために変調場を選択する段階を含むことができる。変調場を選択する段階は、組織の容積に固有である変調場のための目的関数と組織の容積の活性化関数とを選択する段階を含むことができる。変調場のための選択された目的関数は、組織の容積内の変調反応の均一性を促進することができる。本方法はまた、選択された目的関数を有する選択された変調場を使用して組織の容積を変調することができる。
【００２１】
実施例１７では、実施例１６の主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後角組織を変調するための目的関数を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００２２】
図１８では、実施例１７の主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後角組織を変調するための一定Ｅ目的関数を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００２３】
実施例１９では、実施例１７の主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後角組織を変調するための一定｜Ｅ｜目的関数を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００２４】
実施例２０では、実施例１６の主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後柱組織を変調するための目的関数を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００２５】
実施例２１では、実施例２０の主題は、後柱組織を刺激するための目的関数を選択する段階が、後柱組織を変調するための一定活性化関数を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００２６】
実施例２２では、実施例２１の主題は、後柱組織を変調するための一定活性化関数を選択する段階が、後柱組織を変調するための一定電圧を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００２７】
実施例２３では、実施例１６の主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後角組織を変調するための後角目的関数を選択する段階と後柱組織を変調するための後柱目的関数を選択する段階とを含むように任意的に構成することができる。
【００２８】
実施例２４では、実施例１６の主題は、組織の容積が、電気変調パラメータのｎ次空間微分に比例する電気変調パラメータのための活性化関数を有し、かつ変調場のための目的関数を選択する段階が、電気変調パラメータのｎ次空間微分のための一定目的関数を選択する段階を含み、選択された一定目的関数が組織の容積内の変調反応の均一性を促進するように任意的に構成することができる。
【００２９】
実施例２５では、実施例１６〜２４のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、本方法が、選択された目的関数を満足する選択された変調場を提供するために各活性接点のための分割化値を決定する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。選択された目的関数を有する選択された変調場を使用して組織の容積を変調する段階は、選択された目的関数を有する選択された変調場を送出するのに使用される各電極のための分割化値を使用する段階を含むことができる。
【００３０】
活性化関数を有する組織の容積を変調する方法の例（例えば、「実施例２６」）は、組織の容積を変調するための変調場を選択する段階を含むことができる。変調場を選択する段階は、組織の容積に固有である変調場のための目的関数と組織の容積の活性化関数とを選択する段階を含むことができる。変調場のための選択された目的関数は、組織の容積内の変調反応の均一性を促進することができる。本方法はまた、選択された目的関数を有する選択された変調場を提供するために各活性接点のための分割化値を決定する段階と、選択された目的関数を有する選択された変調場を使用して組織の容積を変調する段階と含むことができる。
【００３１】
実施例２７では、実施例２６の主題は、各活性接点のための分割化値を決定する段階が、電場モデルを使用して各活性接点のための単位場を推定する段階であって、推定単位場が、それぞれの活性接点がエネルギ単位で励起される時に誘導される場である上記推定する段階と、各活性電極のための知覚閾値を決定する段階及びそれぞれの知覚閾値を使用して各活性電極のための推定単位場を較正する段階を含む重み付け単位場を決定する段階と、活性接点のための構成ソースを形成する段階であって、構成ソースの各々が、ソースを提供する電気接点及びシンクを提供する別の電気接点を含む上記形成する段階と、構成ソースのための重み付け単位場を使用して転送行列を構成する段階と、選択された変調場を提供するために各構成ソースからの寄与に関して解く段階と、構成ソースに対する解から各活性接点のための分割化値を計算する段階とを含むように任意的に構成することができる。
【００３２】
実施例２８では、実施例２７の主題は、本方法が、少なくとも１つのリード上の複数の電極から活性電極を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。
【００３３】
実施例２９では、実施例１６〜２８のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後角組織を変調するための目的関数を選択する段階を含むことができるように任意的に構成することができる。変調場のための目的関数を選択する段階は、後角組織を変調するための一定Ｅ目的関数を選択する段階、又は後角組織を変調するための一定｜Ｅ｜目的関数を選択する段階を含むことができる。
【００３４】
実施例３０では、実施例１６〜２８のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、変調場のための目的関数を選択する段階が、後柱組織を変調するための目的関数を選択する段階と後柱組織を変調するための一定電圧を選択する段階とを含むことができるように任意的に構成することができる。
【００３５】
この概要は、本出願の教示の一部の概観であり、本発明の主題の排他的又は網羅的取り扱いであるように意図していない。本発明の主題に関する更なる詳細は、詳細説明及び添付の特許請求の範囲内に見出される。開示の他の態様は、各々を限定的な意味で取るべきではない以下の詳細説明を読んで理解し、かつその一部を形成する図面を見ると当業者には明らかであろう。本発明の開示の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの法的均等物によって定められる。
【００３６】
様々な実施形態は、添付の図面の図に一例として示されている。そのような実施形態は、例示的であり、本発明の主題の排他的又は網羅的実施形態であるように意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】脊髄の一部分を示す図である。
【図２】神経変調システムの実施形態を一例として示す図である。
【図３】図２の神経変調システムに実施することができるような変調デバイスの実施形態を一例として示す図である。
【図４】図２の神経変調システムにおいてプログラミングデバイスとして実施することができるようなプログラミングデバイスの実施形態を一例として示す図である。
【図５】埋込可能な神経変調システム及びシステムを使用することができる環境の各部分を一例として示す図である。
【図６】「脊髄変調（ＳＣＭ）」システムと呼ぶこともできる「脊髄刺激（ＳＣＳ）」システムの実施形態を一例として示す図である。
【図７】神経変調リード及びパルス発生器の一部の特徴を一例として示す図である。
【図８】各電極に送出される分割電流によって発生される長手方向の電場がほぼ等しくなるように電流が分割される時に長手方向及び横断方向の電場強度の差を一例として示す図である。
【図９】各電極に送出される分割電流によって発生される長手方向の電場がほぼ等しくなるように電流が分割される時に長手方向及び横断方向の電場強度の差を一例として示す図である。
【図１０】電気変調リード上の電極に送出されるアノード電流の分割の例を示す電気変調リードの概略図である。
【図１１】電気変調リードの軸に沿った長手方向の勾配の概略を一例として示す図である。
【図１２】横断方向の勾配の概略を一例として示す図である。
【図１３Ａ】電極が神経変調リードの回りに周方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示す図である。
【図１３Ｂ】電極が神経変調リードの回りに周方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示す図である。
【図１３Ｃ】電極が神経変調リードの回りに周方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示す図である。
【図１４Ａ】電極が神経変調リードの回りに軸方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示す図である。
【図１４Ｂ】電極が神経変調リードの回りに軸方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示す図である。
【図１４Ｃ】電極が神経変調リードの回りに軸方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示す図である。
【図１５】ターゲット関数を達成する分割を決定するための実施形態を一例として示す図である。
【図１６】ターゲット関数を達成する分割を決定するための実施形態をより詳細に一例として示す図である。
【図１７】ＣＰ又は他の外部デバイスのＧＵＩ内に提供することができるプログラミングインタフェースを一例として示す図である。
【図１８】リードに関する等電位電圧線をリード及び後角の表現と共に一例として示す図である。
【図１９】実質的に均一な電場をリード及び後角の表現と共に一例として示す図である。
【図２０】実質的に均一な電場をリード及び後角の表現と共に一例として示す図である。
【図２１】優先的に後角（ＤＨ）神経組織に関わるように構成されたシステムを一例として示す図である。
【図２２】パルス列を一般的に一例として示す図である。
【図２３】吻側−尾側フォーカス機能としての二分探索機能の態様を一例として示す図である。
【図２４】二分探索機能の例を示す図である。
【図２５Ａ】吻側−尾側フォーカス機能としての縁部探索機能を一例として示す図である。
【図２５Ｂ】吻側−尾側フォーカス機能としての縁部探索機能を一例として示す図である。
【図２５Ｃ】吻側−尾側フォーカス機能としての縁部探索機能を一例として示す図である。
【図２６】様々な実施形態による電極スパンを選択する方法を一例として示す図である。
【図２７】望ましい電極リストを更に精緻化する方法を一例として示す図である。
【図２８】電極リストのユーザ提供選択を受け入れるように実施することができるようなシステムを一例として示す図である。
【図２９】場トロールを実施するのに使用することができるシステムの例を一例として示す図である。
【図３０】場トロールの実施に使用される外部デバイスのＧＵＩの例を一例として示す図である。
【図３１】パルス振幅（強度）がパルス持続時間（パルス幅）に対してプロットされた強度−持続時間曲線の例を一例として示す図である。
【図３２】小パルス幅での知覚以下変調を較正するのに使用することができるシステムの実施形態を一例として示す図である。
【図３３】短パルス幅を用いて知覚以下変調をプログラムするためのプロセスの実施形態を一例として示す図である。
【図３４】知覚以下変調を送出する段階を含む方法の実施形態を一例として示す図である。
【図３５】知覚以下変調を送出するシステムを一例として示す図である。
【図３６】患者入力に対するプログラムされた応答の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の主題の以下の詳細説明は、一例として本発明の主題を実施することができる特定の態様及び実施形態を示す添付の図面を参照する。それらの実施形態を十分に詳細に説明して、当業者が本発明の主題を実施することを可能にする。他の実施形態を利用することができ、構造的、論理的、及び電気的変更は、本発明の主題の範囲から逸脱することなく行うことができる。本発明の開示内の「実施形態」、「一実施形態」、又は「様々な実施形態」への言及は、必ずしも同じ実施形態であるとは限らず、そのような言及は、１よりも多い実施形態を考えている。従って、以下の詳細説明を限定的な意味でとらえるべきではなく、その範囲は、そのような特許請求の範囲が権利を有する法的均等物の全範囲と共に特許請求の範囲によってのみ定められる。
【００３９】
本明細書に説明する様々な実施形態は、脊髄変調に関わっている。脊髄の生理学の簡単な説明を本明細書では読者を助けるために提供する。図１は、一例として脊髄の白質１０１及び灰白質１０２を含む脊髄１００の一部分を示している。灰白質１０２は、細胞体、シナプス、樹状突起、及び軸索末端を含む。従って、シナプスは灰白質に位置付けられる。白質１０１は、灰白質区域を接続する有髄軸索を含む。脊髄の典型的な横断面は、白質１０１の楕円形の外側区域によって実質的に取り囲まれた灰白質１０２の中心「蝶」形中心区域を含む。後柱（ＤＣ）１０３の白質は、軸方向に走る求心性繊維を形成する大部分が大きい有髄軸索を含む。灰白質の「蝶」形中心区域の背側の部分は、後角（ＤＨ）１０４と呼ばれる。軸方向に走るＤＣ繊維とは異なり、ＤＨ繊維は、脊髄の縦軸に垂直を含む多くに向けて向けることができる。脊髄神経１０５の例はまた、後根（ＤＲ）１０５、後根神経節１０７、及び前根１０８を含むように示されている。後根１０５は、大部分は感覚信号を脊髄内に搬送し、前根は、遠心性運動根として機能する。後根及び前根が接合して混合脊髄神経１０５を形成する。
【００４０】
ＳＣＳは、疼痛を緩和するのに使用されてきた。従来のＳＣＳプログラミングのための治療ターゲットは、図１に示すように、脊髄の縦軸に沿って白質の中を走るＤＣ繊維の刺激（すなわち、動員）と脊髄の縦軸に垂直に走る他の繊維（主として後根繊維）の最小刺激とを最大にするようになっている。ＤＣの白質は、求心性繊維を形成する大部分は大きい有髄軸索を含む。疼痛緩和の完全な機構はよく理解されていないが、疼痛信号の知覚は、疼痛のゲートコントロール理論を通じて抑制され、これは、電気刺激による無害の接触又は圧力求心性神経の活性化亢進が、抑制性神経伝達物質（「ガンマアミノ酪酸（ＧＡＢＡ）」、グリシン）を放出する脊髄のＤＨ内にニューロン間活性を生成することを示唆し、次に、患者の疼痛領域を神経支配する後根（ＤＲ）神経繊維、並びに一般ＷＤＲ異所性興奮の処置から進む疼痛信号の有害求心性入力に対して広ダイナミックレンジ（ＷＤＲ）知覚ニューロンの過感度を低下させると考えられる。その結果、ＤＣ神経繊維の大きい知覚求心性神経は、疼痛緩和する振幅で刺激のターゲットにされる。現在埋込可能な神経変調システムは、典型的には、患者の脊髄の後柱に隣接し、すなわち、硬膜の近く又は上にあり、患者の脊髄の縦軸に沿って埋め込まれた電極を含む。
【００４１】
大きい感覚ＤＣ神経繊維の活性化はまた、典型的には、多くの場合に従来のＳＣＳシステムに伴う異常感覚の感覚を生成する。異常感覚のような代替又は人工感覚は、一般的に、疼痛の感覚に対して耐えられが、患者は、場合によってそれらの感覚を不快であると伝え、従って、それらは、潜在的に神経変調治療に対する逆効果の副作用と考えることができる。一部の実施形態は、例えば、疼痛を処置するのに、患者が変調場（例えば、異常感覚）の送出を感知しない治療的に有効な知覚以下治療を提供する。知覚以下治療は、ＤＣにおいて求心性繊維内の疼痛信号の伝達を実質的に遮断する脊髄の高周波変調（例えば、約１５００Ｈｚ又はそれよりも高い）を含むことができる。本明細書の一部の実施形態は、ＤＣ組織よりもＤＨ組織又はＤＲ組織を選択的に変調して知覚以下治療を行う。そのような選択的変調は、それらの高周波で送出されない。例えば、選択的変調は、１，２００Ｈｚ未満の周波数で送出することができる。選択的変調は、一部の実施形態において、１，０００Ｈｚ未満の周波数で送出することができる。一部の実施形態において、選択的変調は、５００Ｈｚ未満の周波数で送出することができる。一部の実施形態において、選択的変調は、３５０Ｈｚ未満の周波数で送出することができる。一部の実施形態において、選択的変調は、１３０Ｈｚ未満の周波数で送出することができる。選択的変調は、低周波（例えば、２Ｈｚもの低い周波数）で送出することができる。選択的変調は、パルスなし（例えば、０Ｈｚ）でも送出されて一部の神経組織を変調することができる。一例としてかつ限定ではなく、選択的変調は、以下の周波数範囲：２Ｈｚ〜１，２００Ｈｚ、２Ｈｚ〜１，０００Ｈｚ、２Ｈｚ〜５００Ｈｚ、２Ｈｚ〜３５０Ｈｚ、又は２Ｈｚ〜１３０Ｈｚから選択された周波数範囲で送出することができる。システムは、一例としてかつ限定ではなく、１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、５０Ｈｚ、又は１００Ｈｚのような２Ｈｚ〜他の周波数のいずれかのこれらの範囲の下端を上昇させるように発展させることができる。一例としてかつ限定ではなく、選択的変調を負荷サイクルで送出することができることが更に注目されており、ここで、刺激（例えば、パルス列）は、負荷サイクルの「刺激オン」部分中に送出され、負荷サイクルの「刺激オフ」部分中には送出されない。一例としてかつ限定ではなく、負荷サイクルは、約１０％±５％、２０％±５％、３０％±５％、４０％±５％、５０％±５％、又は６０％±５％とすることができる。例えば、「刺激オン」部分中の１０ｍｓにわたるパルスのバースト、それに続くパルスなしの１５ｍｓは、４０％負荷サイクルに対応する。
【００４２】
図２は、神経変調システムの実施形態を示している。図示のシステム２１０は、電極２１１、変調デバイス２１２、及びプログラミングデバイス２１３を含む。電極２１１は、患者の中の１又は２以上の神経ターゲット上又はその近くに置くように構成される。変調デバイス２１２は、電極２１１に電気的に接続され、電気パルスの形態のような神経変調エネルギを電極２１１を通して１又は２以上の神経ターゲットに送出するように構成される。神経変調の送出は、電気パルスを識別する変調パラメータのような複数の変調パラメータ、及び電気パルスの各々を送出する電極の選択を使用することによって制御される。様々な実施形態において、複数の変調パラメータの少なくとも一部のパラメータは、医師又は他の介護者のようなユーザによってプログラマブルである。プログラミングデバイス２１３は、ユーザのプログラマブルパラメータへのアクセスしやすさをユーザに提供する。様々な実施形態において、プログラミングデバイス２１３は、有線又は無線リンクを通じて変調デバイスに通信的に結合するように構成される。様々な実施形態において、プログラミングデバイス２１３は、ユーザがプログラマブル変調パラメータの値を設定及び／又は調節することを可能にするグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）２１４を含む。
【００４３】
図３は、図２の神経変調システム２１０に実施することができるような変調デバイス３１２の実施形態を示している。変調デバイス３１２の図示の実施形態は、変調出力回路３１５及び変調制御回路３１６を含む。当業者は、神経変調システム２１０が、患者モニタのための感知回路、及び／又は治療のフィードバック制御、遠隔測定回路、及び電源のような追加の構成要素を含むことができることを理解するであろう。変調出力回路３１５は、神経変調パルスを生成して送出する。変調制御回路３１６は、複数の変調パラメータを使用して神経変調パルスの送出を制御する。リードシステム３１７は、各々が変調デバイス３１２に電気的に接続するように構成された１又は２以上のリードと、１又は２以上のリードを使用して電極配置に分配された複数の電極３１１−１〜３１１−Ｎとを含む。各リードは、接点と呼ぶことができる２又はそれ以上の電極から構成される電極アレイを有することができる。複数のリードは複数の電極アレイを提供し、電極配置を提供することができる。各電極は、変調出力回路３１５と患者組織の間に電気的インタフェースを提供する単一導電接点であり、ここで、Ｎ≧２である。神経変調パルスは、電極３１１−１〜３１１−Ｎから選択された一連の電極を通じて変調出力回路３１５から各々送出される。リードの数及び各リード上の電極の数は、例えば、神経変調のターゲットの分布及び各ターゲットにある電場の分布を制御する必要性によって決定することができる。一実施形態において、一例としてかつ限定ではなく、リードシステムは、各々が８つの電極を有する２つのリードを含む。
【００４４】
神経変調システムは、脊髄ターゲット組織又は他の神経組織を変調するように構成することができる。電気パルスをターゲット組織に送出するのに使用する電極の構成は、電極構成を構成し、電極は、アノード（正）、カソード（負）、又はオフのまま（ゼロ）として作用するように選択的にプログラムすることができる。換言すると、電極構成は、正、負、又はゼロである極性を表している。制御又は変更することができる他のパラメータは、電気パルスの振幅、パルス幅、及び速度（又は周波数）を含む。電気パルスパラメータと共に各電極構成は、「変調パラメータセット」と呼ぶことができる。電極に対する分割電流分布（パーセントカソード電流、パーセントアノード電流、又はオフとして）を含む各セットの変調パラメータは、変調プログラム内に格納して組み合わせることができ、これは、次に、患者内の複数の領域を変調するのに使用することができる。
【００４５】
様々な複合電気パルスを発生する機能と組み合わせて利用可能な電極の数は、臨床医又は患者に変調パラメータセットの非常に大きい選択肢を呈する。例えば、プログラムすべき神経変調システムが１６の電極を有する場合に、何百万もの変調パラメータセットが、神経変調システム内にプログラムするのに利用可能である場合がある。更に、例えば、ＳＣＳシステムは、プログラミングのために利用可能な変調パラメータセットの数を指数関数的に増加させる３２の電極を有する場合がある。そのような選択を容易にするために、臨床医は、一般的に、コンピュータ化プログラミングシステムを通して変調パラメータセットをプログラムし、患者フィードバック又は他の手段に基づいて最適変調パラメータを決定し、その後に、望ましい変調パラメータセットをプログラムすることを可能にする。
【００４６】
ＳＣＳ治療のための従来のプログラミングは、異常感覚を使用して適切な変調パラメータセットを選択する。変調が誘起して患者が知覚するパラメータは、処置のターゲットである疼痛として患者の身体内のほぼ同じ位置に位置すべきである。リードが患者内に埋め込まれた時に、手術室（ＯＲ）マッピング手順を実施し、電気変調を印加してリード及び／又は電極のパラメータを試験し、それによってリード及び／又は電極が患者内の有効な位置に埋め込まれることを保証することができる。
【００４７】
リードが正確に位置決めされた状態で、ナビゲーションセッションと呼ぶことができるフィッティング手順を実施し、神経変調デバイス及び適用可能な場合は外部制御デバイスを疼痛部位に最もよく対処する一連の変調パラメータを用いてプログラムすることができる。従って、ナビゲーションセッションを使用して、疼痛に相関する活性化容積（ＶＯＡ）又は面積を正確に示すことができる。この手順は、埋め込み中に又はリードが次第に又は予想外に移動するか又は他にターゲット部位から変調エネルギを移動したら埋め込み後に組織をターゲットにするのに実施することができる。神経変調デバイスをプログラムし直すことによって（典型的には、独立に電極上の変調エネルギを変えることにより）、ＶＯＡは、多くの場合に、リード及びその電極アレイを再配置するために、患者に再作動させる必要なく有効な疼痛部位に再度移動することができる。組織に対してＶＯＡを調節する時に、神経繊維の空間動員の変化が滑らかで連続的になるように患者が知覚するように電流の割合を少しだけ変化させ、区分的ターゲット関数を有することが望ましい。
【００４８】
図４は、図２の神経変調システム内のプログラミングデバイス２１３として実施することができるようなプログラミングデバイス４１３の実施形態を示している。プログラミングデバイス４１３は、ストレージデバイス４１８、プログラミング制御回路４１９、及びＧＵＩ４１４を含む。プログラミング制御回路４１９は、神経変調パルスのパラメータによる神経変調パルスの送出を制御する複数の変調パラメータを発生する。様々な実施形態において、ＧＵＩ４１４は、対話型又は非対話型スクリーンのようなあらゆるタイプの提示デバイス、タッチスクリーン、キーボード、キーパッド、タッチパッド、タッチボール、ジョイスティック、及びマウスのような変調パラメータをユーザがプログラムすることを可能にするあらゆるタイプの入力デバイスを含む。ストレージデバイス４１８は、取りわけ、変調デバイス内にプログラムすべき変調パラメータを格納することができる。プログラミングデバイス４１３は、複数の変調パラメータを変調デバイスに送信することができる。一部の実施形態において、プログラミングデバイス４１３は、電力を変調デバイスに伝達することができる。プログラミング制御回路４１９は、複数の変調パラメータを発生することができる。様々な実施形態において、プログラミング制御回路４１９は、安全規則に対して複数の変調パラメータの値を点検し、これらの値を安全規則の制約内に限定することができる。
【００４９】
様々な実施形態において、本文書で議論するその様々な実施形態を含む神経変調の回路は、ハードウエア、ソフトウエア、及びファームウエアの組合せを使用して実施することができる。例えば、本文書で議論するそれらの様々な実施形態を含むＧＵＩの回路、変調制御回路、及びプログラミング制御回路は、１又は２以上の特定の機能を実施するように構成されたアプリケーション特定の回路、又はそのような機能を実施するようにプログラムされた汎用回路を使用して実施することができる。そのような汎用回路は、以下に限定されるものではないが、マイクロプロセッサ又はその一部分、マイクロコントローラ又はその一部分、及びプログラマブル論理回路又はその一部分を含む。
【００５０】
図５は、埋込可能な神経変調システム及びシステムを使用することができる環境の各部分を一例として示している。脊髄の近くに埋め込むためのシステムが示されている。しかし、神経変調システムは、他の神経ターゲットを変調するように構成することができる。システム５２０は、埋込可能なシステム５２１、外部システム５２２、及び埋込可能なシステム５２１と外部システム５２２の間に無線通信を提供する遠隔測定リンク５２３を含む。埋込可能なシステムは、患者の身体に埋め込まれるように示されている。埋込可能なシステム５２１は、埋込可能な変調デバイス（埋込可能なパルス発生器又はＩＰＧとも呼ばれる）５２１、リードシステム５１７、及び電極５１１を含む。リードシステム５１７は、変調デバイス５１２に電気的に接続するように各々が構成された１又は２以上のリード、及び１又は２以上のリードに分配された複数の電極５１１を含む。様々な実施形態において、外部システム４０２は、ユーザ（例えば、臨床医又は他の介護者及び／又は患者）が埋込可能なシステム５２１と通信することを可能にする１又は２以上の外部（埋込可能でない）デバイスを含む。一部の実施形態において、外部システム５２２は、臨床医又は他の介護者のためのプログラミングデバイスを含み、患者による使用のために埋込可能なシステム５２１及び遠隔制御デバイスのための設定を初期化して調節する。例えば、遠隔制御デバイスは、患者が治療をオン及びオフにし、及び／又は複数の変調パラメータのある一定の患者−プログラマブルパラメータを調節することを可能にすることができる。
【００５１】
リードシステム５１７の神経変調リードは、刺激すべき脊髄区域に隣接し、すなわち、硬膜の近く又はその上に置くことができる。例えば、神経変調リードは、患者の脊髄の縦軸に沿って埋め込むことができる。神経変調リードが脊柱を出る位置の近くの空間の欠如により、埋込可能な変調デバイス５１２は、腹部内又は臀部の上のいずれかの外科的に作られたポケットに埋め込むことができる。リード延長部を使用して、神経変調リードの出口点から離れた埋込可能な変調デバイス５１２の埋め込みを容易にすることができる。
【００５２】
図６は、「脊髄変調（ＳＣＭ）」システムと呼ぶことができるＳＣＳシステムの実施形態を一例として示している。ＳＣＳシステム６２４は、一般的に、複数の（２つとして示した）埋込可能な神経変調リード６２５、埋込可能なパルス発生器（ＩＰＧ）６２６、外部遠隔コントローラＲＣ６２７、臨床医のプログラマー（ＣＰ）６２８、及び外部試験変調器（ＥＴＭ）６２９を含むことができる。ＩＰＧ６２６は、複数の電極６３１を担持する神経変調リード６２５に１又は２以上の経皮リード延長部６３０を通じて物理的に接続することができる。図示のように、神経変調リード６２５は、神経変調リードに沿って一線に配置された電極を有する経皮リードとすることができる。あらゆる適切な数の神経変調リードを提供することができる。電極の数が２よりも多い限り（ケース電極としてのＩＰＧケース機能を含む）、単に１つを含むあらゆる適切な数の神経変調リードを提供して、電流の横方向ステアリングを可能にすることができる。これに代えて、外科パドルリードは、経皮リードのうちの１又は２以上の代わりに使用することができる。ＩＰＧ６２６は、一連の変調パラメータに従ってパルス電気波形（すなわち、時間的に連続した電気パルス）の形態の電気変調エネルギを電極に送出するパルス発生回路を含む。
【００５３】
ＥＴＭ６２９はまた、経皮リード延長部６３２及び外部ケーブル６３３を通じて神経変調リード６２５に物理的に接続することができる。ＥＴＭ６２９は、ＩＰＧ６２６として同様のパルス発生回路を有し、電気変調エネルギを一連の変調パラメータに従って電極に送出することができる。ＥＴＭ６２９は、神経変調リード６２５を埋み込んだ後及びＩＰＧ６２６の埋め込み前に試験的に使用される埋込不能なデバイスであり、提供されることになっている変調の応答性を試験する。ＩＰＧ６２６に関連して本明細書に説明する機能は、ＥＴＭ６２９に関連して同様に実施することができる。
【００５４】
ＲＣ６２７を使用して、双方向ＲＦ通信リンク６３４を通じてＥＴＭ６２９を遠隔測定的に制御することができる。ＲＣ６２７を使用して、双方向ＲＦ通信リンク６３５を通じてＩＰＧ６２６を遠隔測定的に制御することができる。そのような制御により、ＩＰＧ６２６をオン又はオフにし、異なる変調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。ＩＰＧ６２６も、プログラム変調パラメータを修正してＩＰＧ６２６により出力された電気変調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。臨床医は、ＣＰ６２８を使用して、手術室及び経過観察セッションにおいてＩＰＧ６２６及びＥＴＭ６２９内に変調パラメータをプログラムすることができる。
【００５５】
ＣＰ６２８は、ＩＲ通信リンク６３６又は他のリンクを通じてＲＣ６２７を通してＩＰＧ６２６又はＥＴＭ６２９と間接的に通信することができる。ＣＰ６２８は、ＲＦ通信リンク又は他のリンク（図示せず）を通じてＩＰＧ６２６又はＥＴＭ６２９と直接に通信することができる。ＣＰ６２８が提供する臨床医の詳細な変調パラメータも使用して、ＲＣ６２７をプログラムすることができ、その結果、変調パラメータは、その後に、独立モードで（すなわち、ＣＰ６２８の支援なしに）ＲＣ６２７の作動によって修正することができる。様々なデバイスが、ＣＰ６２８として機能することができる。そのようなデバイスは、ラップトップパーソナルコンピュータ、小型コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、タブレット、電話、又は拡張機能を有する遠隔制御器（ＲＣ）のような携帯型デバイスを含むことができる。従って、プログラミング手法は、ＣＰ６２８内に収容されたソフトウエア命令を実行することによって行うことができる。これに代えて、そのようなプログラミング手法は、ファームウエア又はハードウエアを使用して実施することができる。いずれの場合でも、ＣＰ６２８は、ＩＰＧ６２６によって発生する電気変調の特性を能動的に制御し、患者フィードバック又は他のフィードバックに基づいて、その後に望ましい変調パラメータでＩＰＧ６２６をプログラムするのに望ましいパラメータを決定することを可能にすることができる。ユーザがそれらの機能を実施することを可能にするために、ＣＰ６２８は、ユーザ入力デバイス（例えば、マウス及びキーボード）、及びケースに収容されたプログラミング表示スクリーンを含むことができる。マウスに加えて又はその代わりに、トラックボール、タッチパッド、ジョイスティック、タッチスクリーン又はキーボードに関連付けられたキーの一部として含まれる方向キーのような他の方向プログラミングデバイスを使用することができる。外部デバイス（例えば、ＣＰ）をプログラムして、臨床医が、他の機能の中でも、患者プロフィール情報（例えば、名前、誕生日、患者識別、医師、診断、及び住所）を選択又は入力し、手順情報（例えば、プログラミング／経過観察、インプラント試験システム、インプラントＩＰＧ、インプラントＩＰＧ及びリード、交換ＩＰＧ、交換ＩＰＧ及びリード、交換又は改定リード、外植、その他）を入力し、患者の疼痛マップを生成し、リードの構成及び向きを定め、神経変調リードによって出力された電気変調エネルギを制御し、かつ手術設定及び臨床設定の両方において変調パラメータでＩＰＧをプログラムすることを可能にする表示スクリーンを提供することができる。
【００５６】
外部充電器６３７は、誘導リンク６３８のような無線リンクを通じてＩＰＧを経皮的に充電するのに使用する携帯型デバイスとすることができる。ＩＰＧがプログラムされ、その電源が外部充電器によって充電されるか又はそうでなければ補充された状態で、ＩＰＧは、ＲＣ又はＣＰが存在せずにプログラムされたように機能することができる。
【００５７】
図７は、一例として神経変調リード７２５及びパルス発生器７２６の一部の特徴を示している。パルス発生器７２６は、埋込可能なデバイス（ＩＰＧ）とすることができ、又は埋め込み手順中に電極を試験するのに使用することができるような外部デバイスとすることができる。図示の例では、神経変調リードのうちの１つは、８つの電極（Ｅ１−Ｅ８としてラベル付けした）を有し、他の神経変調リードは、８つの電極（Ｅ９−Ｅ１６としてラベル付けした）を有する。リード及び電極の実際の数及び形状は、意図する用途に対して異なる場合がある。埋込可能なパルス発生器（ＩＰＧ）は、電子又は他の構成要素を収容するための外側ケースを含むことができる。外側ケースは、気密密封区画を形成するチタンのような導電性の生体適合性材料から構成することができ、内部電子機器は、身体組織及び体液から保護される。一部の事例では、外側ケースは、電極（例えば、ケース電極）として機能することができる。ＩＰＧは、コントローラ／プロセッサ（例えば、マイクロコントローラ）、メモリ、バッテリ、遠隔測定回路、モニタ回路、変調出力回路、及び当業者に公知の他の適切な構成要素のような電子構成要素を含むことができる。マイクロコントローラは、ＩＰＧによって実施される神経変調を誘導及び制御するためにメモリに格納された好ましいプログラムを実行する。電気変調エネルギは、パルス発生器内にプログラムされた一連の変調パラメータに従って電極に提供される。電気変調エネルギは、パルス電気波形の形態にすることができる。そのような変調パラメータは、アノード（正）、カソード（負）、又はオフのまま（ゼロ）として活性化された電極を定める電極組合せ、各電極に割り当てられた変調エネルギのパーセント（分割電極構成）、及び電気パルスパラメータを含むことができ、それらは、パルス振幅（パルス発生器が電極アレイに対して定電流又は定電圧を供給するか否かに応じてミリアンペア又はボルトで測定）、パルス幅（マイクロ秒で測定）、パルス速度（１秒当たりのパルスで測定）、及びバースト率（持続時間Ｘに対する変調及びオフ期間Ｙの変調として測定）を定める。電気エネルギを伝達又は受け入れるように選択された電極は、本明細書では「活性化」と呼び、一方、電気エネルギを伝達又は受け入れるように選択されない電極は、本明細書では「非活性化」と呼ぶ。
【００５８】
電気変調は、複数の活性化電極間で起こり、そのうちの１つは、ＩＰＧケースとすることができる。システムは、単極又は多極（例えば、双極又は３極など）様式で変調エネルギを組織に送信することを可能にすることができる。単極変調は、変調エネルギが選択された電極とケースとの間で伝達されるようにＩＰＧのケースと共にリード電極のうちの選択された１つが活性化された時に起こる。電極Ｅ１−Ｅ１６及びケース電極のいずれも、ｋまでの可能な群又はタイミング「チャネル」に割り当てることができる。一実施形態において、ｋは４に等しくすることができる。タイミングチャネルは、刺激すべき組織に電場を生成するのにどの電極を選択して同期して電流のソース又はシンクにするかを識別する。チャネルに対する電極の振幅及び極性は、異なる場合がある。特に、電極は、ｋタイミングチャネルのいずれかにおいて正（アノード、ソース電流）、負（カソード、シンク電流）、又はオフ（電流なし）の極性になるように選択することができる。ＩＰＧは、治療的に有効で、患者がエネルギの送出を知覚することを可能にする（例えば、異常感覚を知覚して疼痛を緩和するのに治療的に有効な）電気変調エネルギを送出するモードで作動させることができ、かつ治療的に有効で、患者がエネルギの送出を知覚できないようにする（例えば、異常感覚を知覚することなく疼痛を緩和するのに治療的に有効な）電気変調エネルギを送出する知覚以下モードで作動させることができる。
【００５９】
ＩＰＧは、電極の各々を通過する電流のマグニチュードを個々に制御するように構成することができる。例えば、電流発生器は、各電極に対して独立電流源から個々の電流調節振幅を選択的に生じるように構成することができる。一部の実施形態において、パルス発生器は、電圧調節出力を有することができる。個々にプログラマブルな電極振幅は、微細な制御を達成するのに望ましい一方で、電極にわたって切換えられる単一出力源も使用することもできるが、プログラミングにおける制御はそれほど微細ではない。神経変調器は、混合電流及び電圧調節デバイスを考慮して設計することができる。
【００６０】
図８〜１１は、各電極に送出される分割電流によって発生する長手方向の電場がほぼ等しくなるように電流を分割する時の長手方向及び横断方向の電場強度の差を一例として示している。患者の脊髄内の（特にＤＣ繊維内の）電圧は、長手方向にほぼ等しく、ＤＣに沿ってほぼゼロの電圧勾配をもたらす。これは、各電極に送出される異なる量の分割電流を必要とする場合がある。較正技術を使用して、適切な電流分割を決定する。電気変調リード上の複数の電極に分割された電流により、得られる電場は、各電極に送出される電流によって発生する電場を重ね合わせることによって計算することができる。更に、各電場は、長手方向成分及び横断方向成分を有する。
【００６１】
図８は、患者の脊髄８４０のほぼ長手方向正中線の上に埋め込まれた単一電気変調リード８３９の概略図である。より広い電極配置を提供し及び／又は後角要素により近い電極を提供するのに使用することができるように追加のリード又はリードパドルを使用することができ、それらの電極アレイも分割電流を実施することができることは理解される。図９は、電気変調リード９４１が脊髄に対してより側方に埋め込まれ、それによってそれを脊髄の後角の近くに置き、他の電気変調リード９４２が脊髄に対してより内側に埋め込まれ、それによってそれを脊髄９４０の後柱の近くに置く実施形態を示している。ＤＣよりもＤＨにより近接するリードの配置は、知覚以下治療に対してＤＣ神経要素よりもＤＨ要素を優先的に刺激するのに望ましい場合がある。あらゆる他の複数のリード又は複数の円筒パドルリードも使用することができる。電場の長手方向成分は、図８に示すｙ軸に沿って向けられ、電場の横断方向成分は、図８に示すｘ軸に沿って向けられる。
【００６２】
図１０は、電気変調リード上の電極に送出されるアノード電流の分割の例を示す電気変調リード１０４３の概略図である。それらの図は、ＩＰＧのケース電極がカソード電流のみであり、カソード電流の１００％を担持する単極変調を使用して分割を示している。図１０に示すアノード電流の分割は、この実施形態が、各電極の下に重なる組織が電気変調に反応する方法の差である電極／組織結合差を考慮に入れるので、同量の電流を各電極１０４４に送出しない。同様に、電気変調リードのその部分の端部は、長手方向により低い勾配を有する電極を含む。電場のマグニチュードは、電気変調リードの端部で先細である。電極への電流の分割は、電気変調リードの中間部分の各電極の下に重なる組織が、電気変調にほぼ等しく反応するように制御されるか又は各電極の下に重なる組織活性化は排除される。しかし、得られる分割は等しくない。図１０に示す実施形態において、中間電極への電流の分割は、それらの電極の下に重なる組織の変動を反映して１０％〜１８％で変化する。電気変調リードにわたる分割は、分割電流の合計が１００％に等しい限りあらゆる方法で変化する場合がある。本明細書に説明する様々な実施形態は、プログラムされたアルゴリズムを実施して適切な分割を決定し、望ましい変調場特性（例えば、定電場、又は定電場のマグニチュード、又は定電圧）を達成する。
【００６３】
図１１は、一例として電気変調リードの軸に沿って長手方向の勾配の概略図である。長手方向の電場強度１１４５は、電気変調リード１１４３上の電極１１４４の概略図を通じてプロットされている。図１１の図は、電場強度が、電気変調リードの中間部分にわたって実質的に一定であることを示すが、リードにおいて電極間の間隙のために非常に小さい振幅を有する波を形成することができる。この実質的に一定の電場は、小さい長手方向勾配を形成し、これは、後柱の大きい有髄軸索の活性化を最大にする。図１１の図はまた、電気変調リードの端部において細くなる長手方向の電場を示している。
【００６４】
図１２は、一例として横断方向の勾配の概略図である。横断方向の横断電場強度１２４５は、電気変調リード１２４３及び患者の脊髄１２４０の概略図を通じてプロットされている。図１２の図は、横断電場強度が、電気変調リードに隣接して最も大きく、電気変調リードから側方に低下することを示している。電極アレイを広くする追加の変調リードの使用は、望ましい分割を行って、横断方向に沿った距離にわたって実質的に一定の電場の領域を提供するのに使用することができる。実質的に一定の電場は、後柱神経要素よりも後角及び／又は後根神経要素の変調に有利に働く。
【００６５】
図１３Ａ〜１３Ｃ及び１４Ａ〜１４Ｃは、電極が神経変調リードの回りに周方向及び軸方向に配置されたセグメント電極の形態を取ることができる神経変調リードを一例として示している。非限定的な例として、各神経変調リードは、４つのリングの電極（電極Ｅ１〜Ｅ４から構成される第１のリング、電極Ｅ５〜Ｅ８から構成される第２のリング、電極Ｅ９〜Ｅ１２から構成される第３のリング、及び電極Ｅ１３〜Ｅ１６から構成される第４のリング）、又は４つの軸方向コラムの電極（電極Ｅ１、Ｅ５、Ｅ９、及びＥ１３から構成される第１のコラム、電極Ｅ２、Ｅ６、Ｅ１０、及びＥ１４から構成される第２のコラム、電極Ｅ３、Ｅ７、Ｅ１１、及びＥ１５から構成される第３のコラム、及び電極Ｅ４、Ｅ８、Ｅ１２、及びＥ１６から構成される第４のコラム）として配置された１６の電極を担持することができる。リード及び電極の実際の数及び形状は、意図する用途により異なる場合がある。
【００６６】
ＳＣＳシステムは、同様に図１３Ａ〜１３Ｃ及び図１４Ａ〜１４Ｃに全体的に示すように、異なる向きを有する電場を使用して患者の脊髄に電気エネルギを送出するのに使用することができる。電場の向きは、ＤＨ要素の異なる方向／向きをターゲットにするように選択することができる。異なる内側−外側方向に電場を生成するために、電極は、半径方向に異なる電流分割を有することができる。電場は、上記で議論したように、ＤＣよりもＤＨ及び／又はＤＲ要素を優先的に刺激することが望ましいが、電場は、依然として、異なる吻側−尾側方向（すなわち、脊髄を通じて長手方向面上に投影した時の電場の方向）に向けることができ、しかし、それは、好ましくは、異常感覚の知覚をもたらすことになる向きではない。異なる吻側−尾側方向に電場を生成するために、電極は、長手方向に異なる電流分割を有することができる。
【００６７】
ＳＣＳシステムは、異なる電場を送出してＤＨ要素において変調の時間加重を達成するように構成することができる。電場は、それぞれ毎パルスベースで発生させることができる。例えば、第１の電場は、パルス波形の第１の電気パルス中に電極（第１の電流分割を使用して）によって発生させることができ、第２の異なる電場は、パルス波形の第２の電気パルス中に電極（第２の異なる電流分割を使用して）によって発生させることができ、第３の異なる電場は、パルス波形の第３の電気パルス中に電極（第３の異なる電流分割を使用して）によって発生させることができ、第４の異なる電場は、パルス波形の第４の電気パルス中に電極（第４の異なる電流分割を使用して）によって発生させることができる等々である。それらの電場は、タイミング方式で何回も回転又は循環させることができ、ここで各電場は、タイミングチャネルを使用して実施される。電場は、連続パルス速度で発生させることができ、又はオン及びオフでバーストさせることができる。更に、電場サイクル内のパルス間間隔（すなわち、隣接するパルスの間の時間）、パルス振幅、及びパルス持続時間は、均一にすることができ、又は電場サイクル内で異なる場合がある。
【００６８】
実施形態は、ＤＣ要素の活性化を最小にするように、各電極に送出される分割電流を修正して長手方向に電場勾配を最小にする。ＤＣ要素の活性化を最小にすることで、モデルベースの計算を含むことができ、ここで、モデルは較正からの情報を含む。離散活性化関数は、公式：ＡＦ（ｎ）＝Ｇａ／（πｘｄｘｌ）ｘ［Ｖｅ（ｎ−１）−２Ｖｅ（ｎ）＋Ｖｅ（ｎ＋１）］によって計算することができ、式中、Ｇａは軸索モード間導電率であり、ｄは軸索直径であり、ｌはランビエのノードの長さであり、Ｖｅ（ｎ）は、活性化関数を決定するノードでの電場のマグニチュードであり、Ｖｅ（ｎ−１）は、活性化関数を決定するノードに先行するノードでの電場のマグニチュードであり、Ｖｅ（ｎ−１）は、活性化関数を決定するノードに続くノードでの電場のマグニチュードである。この公式を使用して、離散活性化関数は、ランビエのノードの表面積に対して正規化された導電率から計算される。
【００６９】
変調閾値は、患者間で及び患者内の電極間で変化する。電極／電極の組織結合較正を実施してそれらの異なる変調閾値を考慮し、電極間の電流のより正確な分割を提供することができる。例えば、知覚閾値を使用して電極を正規化することができる。ＲＣ又はＣＰは、異常感覚を患者が知覚した状態で、患者を促して制御要素を起動するように構成することができる。このユーザ入力に応答して、ＲＣ又はＣＰは、制御要素を起動した時に送出される電気パルス列の変調信号強度を格納することによってこのユーザ入力に応答するように構成することができる。他の感知パラメータ又は患者知覚変調値（例えば、一定の異常感覚、又は最大許容異常感覚）を使用して、電極／電極の組織結合較正を提供することができる。それらの感知パラメータ又は患者知覚変調値を使用して、電気変調リード上の各電極において決定された値（例えば、知覚閾値）によって分割された離散活性化関数の二乗の和を最小にすることにより、電流分割を推定することができる。離散活性化関数又は電場からのあらゆる駆電力を二乗することで、脱分極及び過分極電場の差を取り除く。最小和をもたらす電流分割は、長手方向の電場勾配を最小にする。
【００７０】
本明細書の残りの部分では、知覚以下変調場のような変調場の有効性を高めることに関する様々な実施形態、知覚以下場のような変調場を送出する際の使用のための電極選択及び精緻化に関する様々な実施形態、及び知覚以下変調の較正に関する様々な実施形態を解説する。これらの実施形態は、別々に実施することができ、又は様々な組合せに実施することができる。そのような組合せは、ＤＣ組織よりもＤＨ組織又はＤＲ組織の知覚以下変調を送出するのに有用である場合がある。しかし、一部の実施形態は、他の変調治療を送出するのに使用することができる。
【００７１】
強化された変調場
脊髄の領域内の神経組織は、異なる特性を有する。例えば、ＤＣ線維（大部分が有髄軸索）は軸線方向に走り、それに対してＤＨ（例えば、神経細胞終端、神経細胞体、樹状突起、及び軸索）線維は多くの方向に向いている。典型的に置かれる硬膜外ＳＣＳリードからＤＨ線維までの距離は、これらのリードからＤＣ線維までの距離とは異なる。更に、ＤＨ線維と背柱線維は、電気変調に対して異なる反応（例えば、活性化関数）を有する。ＤＣ線維及び神経細胞の変調（すなわち、脱分極又は過分極）の強度は、脊柱の縦軸に沿う電圧の２次空間微分（∂2Ｖ／∂ｘ2）に比例するいわゆる「活性化関数」によって表される。これは、ＤＣ内の大きい有髄軸索が主として脊柱に沿って長手方向に位置合わせすることに部分的に起因する。その一方、ＤＨ線維及び神経細胞内に活動電位を発生させる可能性は、別途電場として公知の脊柱に沿う電圧の１次空間微分（∂Ｖ／∂ｘ）に比例する活性化関数によって表される。上述のようにＤＨ活性化関数は、線維軸に沿う電圧の１次微分に比例し、それに対してＤＣ活性化関数は、線維軸に沿う電圧の２次微分に比例する。従って、電場中心からの距離は、ＤＨ活性化関数（∂Ｖ／∂ｘ）に対して背柱活性化関数（∂2Ｖ／∂ｘ2）に対する影響よりも弱い影響を及ぼす。神経変調リードによってＤＣに沿って発生する電場の縦勾配を最小にすることにより、ＤＨ内の神経細胞要素（例えば、神経細胞、樹状突起、軸索、細胞体、及び神経細胞終端）をＤＣ神経細胞要素よりも優先的に刺激することができ、それによって感覚異常の感覚を生成することのない疼痛緩和の形態で治療が施される。この技術は、ＤＨ線維とＤＣ線維とが電気変調に対して異なる反応（活性化関数）を有するという自然現象を少なくとも部分的に拠り所にしている。
【００７２】
変調場を強化するための様々な実施形態は、ＤＣ組織よりもＤＨ組織及び／又はＤＲ組織を選択的に変調する。従来のＳＣＳはＤＣ線維軸索を活性化し、活動電位の順行性伝播は、脳内で感覚異常の知覚を誘導し、ＤＨ内で終わる線維側枝及び終端への活動電位の逆行性伝播は、ＤＨ内で疼痛制御機構を誘起する。様々な実施形態は、感覚異常を誘導することなく疼痛緩和を与えるように、好ましくは、ＤＨ及び／又はＤＲ内で終わる線維終端を刺激するように刺激場を成形する。例えば、１次の電圧勾配の均一性（すなわち、電場の均一性）は、ＤＨ線維終端及び／又はＤＲ線維を刺激するのにより効率的なものとすることができる。より大きい電場にわたる均一性は、最適な刺激部位を探索する必要性を排除し、より広い疼痛カバレージを生成することができる。例えば、均一性は、電極配置内で２又は３以上の電極の間を延びることができる。他の例では、均一性は、最適な刺激部位を探索する必要性を排除し、より広い疼痛カバレージを生成するために電極配置内で３つ、４つ、５つ、６つ、又は７つ以上の電極の間を延びることができる。従って、均一性はリードのかなりの部分にわたって延びる。一部の実施形態は、ターゲット神経組織（例えば、ＤＨ組織又はＤＲ組織）の変調を強化するために広く均一な変調場を与える電場形状を生成する変調パラメータセットを決定するように構成される。一部の実施形態は、非ターゲット組織（例えば、ＤＣ組織）の変調を低減又は最小にする電場形状を生成する変調パラメータセットを決定するように構成される。本明細書で開示する様々な実施形態は、一部の神経構造の変調を強化し、他の神経構造における変調を低減する変調場を成形することに関する。変調場は、複数の電極の間の電流分割の推定を案内し、望ましい強度を与える合計振幅を推定するための複数の独立した電流制御（ＭＩＣＣ）又は複数の独立した電圧制御を使用することによって成形することができる。例えば、変調場は、ＤＨ神経組織の変調を強化し、ＤＣ組織の変調を最小にするように成形することができる。ＭＩＣＣの利点は、「ホットスポット」刺激が排除されるようにＭＩＣＣが各個々の接点における電極−組織結合効率及び知覚閾値の変化に対処することである。
【００７３】
変調場は、ＤＨ組織での選択方向に一定の電場（Ｅ）を与えるように成形することができる。ＤＨでのあらゆる方向の電場（Ｅ）は、スカラー電位場（Ｖ）の当該方向の負の勾配（負の変化率）である。電場重ね合わせの線形性に起因して、（ｘ０，ｙ０，ｚ０）に位置する単一電極からの単位電流によって誘導される選択方向のＥＤＨ（ｘ，ｙ，ｚ）を推定するための伝達関数を形成することができ、合計Ｅ場は、各活性電極からの電流によって誘導されるＥ場を電流分割によって重み付けしたものの線形結合である。ある例では、変調場は、ＤＣ組織に沿って一定のＶ場とすることができる。
【００７４】
電場重ね合わせの線形性に起因して、（ｘ０，ｙ０，ｚ０）に位置する単一電極からの単位電流によって誘導される選択方向のＶＤＣ（ｘ，ｙ，ｚ）を推定するための伝達関数を形成することができ、合計Ｖ場は、各活性電極からの電流によって誘導されるＥ場を電流分割によって重み付けしたものの線形結合である。
【００７５】
様々な実施形態が振幅を予想する。例えば、ＤＣでのターゲットＶマグニチュード又はＤＨでのターゲットＥマグニチュードをある一定の変調構成（単極、二極、又は三極等）の下での電流の知覚閾値（Ｉｔｈ）の百分率として決定することができる。例えば、ＤＨの選択場所でのＶマグニチュードセットを選択電極からの単極のＩｔｈの下で（又はＩｔｈの望ましい百分率の下で）数学モデルを用いてＶｔａｒｇｅｔとして推定することができる。電流が、１よりも多い電極の間で分割される場合に、合計振幅は、電流分割の組合せからＶｔａｒｇｅｔを最大に近似することになるものとして推定することができる。経験的方法が、望ましい分割の下でＩｔｈを推定し、振幅を下方調節することができる。
【００７６】
図１５は、目的関数を達成するための分割を決定する段階に関する実施形態を一例として示している。目的関数は、ターゲット組織を変調するのに望ましい特性を有する関数を指す。目的関数は、目的ターゲット関数と呼ぶ場合もある。広く均一な変調場に対する目的関数１５４６が、与えられた組織容積に対して識別される。目的関数の例は、一定のＥ（電場）と、一定の｜Ｅ｜（電場マグニチュード）と、一定の電圧とを含む。更に、リード及び電極の構成１５４７が、電極組織結合１５４８に関する較正と共に識別される。目的関数と、リード及び電極の構成と、較正とに依存する関数１５４９が実行される。この関数の結果は、各電極が目的関数を達成するための変調エネルギ（例えば、電流）の分割である。
【００７７】
図１６は、目的関数を達成する分割を決定するための実施形態をより詳細に一例として示している。プロセスへの入力として目的ターゲット関数１６４６（例えば、一定のＥ）が与えられる。プロセスへの他の入力は、構成オプション１６５１、リード構成１６５２、及び電極接点ステータス１６５３、並びに電流閾値又はより具体的には単極電流閾値のような閾値１６５４を含む。リード構成１６５２及び接点ステータス１６５３は、電場を決定する各電極の位置を識別して電極配置を識別する。全体場は、各電極からの重ね合わせ場である。構成オプション１６５１は、単極（全ての活性電極に対して同じ極性）及び多極オプション（場におけるアノードとカソードの組合せ）を指す。閾値は、電極／組織結合の差を補償するのに使用される。
【００７８】
刺激のための接点は、リード構成及び接点ステータスから自動又は手動で決定することができる１６５５。接点からの単位電流によって誘導される場を推定するために選択場モデルを使用することができる１６５６。場は、閾値を用いて較正される１６５７。例えば、単位電流場は、重み付けすることができる。選択接点に基づいて構成単位力が形成され１６５８、転送行列が構成され１６５９、それを用いて、更に構成ソースからの寄与及び指定ターゲット場１６６０を用いて最小二乗平均解が計算される１６６１。この解は、各接点上の電流分割を計算するのに使用することができる。
【００７９】
図１７は、ＣＰ又は他の外部デバイスのＧＵＩ内に提供することができるプログラミングインタフェースを一例として示している。このインタフェースは、取りわけ電極配置１７６３を確認するのに使用することができる。更に、画面の左下部分に一般的に示すように、インタフェースは、組織の容積に固有のターゲット関数（例えば、ＤＨでの一定のＥ、ＤＨでの一定の｜Ｅ｜、又はＤＣでの一定の活性化関数ＡＦ又は一定の電圧）１７６４と、電極構成（例えば、単極又は多極）１７６５とを確認するのに使用することができる。１７６６に示すもののような目的ターゲット関数に与える電極に対する分割電流を確認することができる。更に、インタフェースは、ターゲット及び最終ターゲット関数の視覚表現１７６７、並びに電場の相対位置表現を提供することができる。例えば、視覚表現は、２次元電場１７６８と、ＤＣ及びＤＨに沿う吻側−尾側の電圧の表現１７６９と、ＤＣに沿う活性化関数（ＡＦ）と、ＤＨに沿うターゲット及び最終のＥ場（ｄＶ）／ｄｘ１７７１とを含むことができる。例えば、ＤＣに沿うＡＦは、電極配置のかなりの部分に沿って非常に低く、従って、ＤＣ内の求心性神経線維が変調場によって変調されていないことを示している。しかし、横方向（Ｘ方向）のＥ場は、ＤＨに沿って電極配置のかなりの部分にわたって均一であり、従って、ＤＨ及び／又はＤＲの神経細胞組織を変調するのに場が電極配置のかなりの部分に沿って実質的に均一であることを示している。図１８は、リードに関する等電位電圧線（１７６９でプロットしたもののような）をリード及び後角の表現と共に例示しており、図１９〜図２０は、実質的に均一な電場（１７７１でプロットしたもののような）をリード及び後角の表現と共に例示している。
【００８０】
様々な実施形態は、活性化関数を用いて組織容積を変調する方法を与え、この場合に、本方法は、組織容積に固有のものである変調場に対する目的関数及び組織容積の活性化関数を選択する段階を含む組織容積を変調する変調場を選択する段階を含む。変調場に対する目的関数は、組織容積内の変調応答の均一性を促進する。組織容積は、選択目的関数を有する選択変調場を用いて変調することができる。目的関数は、ＤＨ組織及び／又はＤＲ組織を変調するための目的関数とすることができる。そのような目的関数の例は、一定のＥの目的関数又は一定の｜Ｅ｜の目的関数を含む。目的関数は、一定の活性化関数とすることができる。目的関数は、ＤＣ組織を変調するための目的関数とすることができる。そのような目的関数の例は、背柱組織内の活動電位を低下させるための一定の電圧のような一定の活性化関数を含む。選択目的関数は、ＤＨ目的関数とＤＣ目的関数の両方を含むことができる。一部の実施形態により、組織容積は、電気変調パラメータのｎ次の空間微分に比例する電気変調パラメータに対する活性化関数を有する。変調場に対する目的関数は、組織容積内で変調応答の均一性を促進するための電気変調パラメータのｎ次の空間微分に対して一定の目的関数を与えるように選択することができる。各活性接点に対する分割値は、選択目的関数を有する選択変調場を与えるように決定することができる。選択目的関数を有する選択変調場を用いて組織容積を変調する段階は、選択目的関数を有する選択変調場を送出するのに使用される各電極に対する分割値を使用する段階を含む。
【００８１】
様々な実施形態は、活性化関数を用いて組織容積を変調する方法を与える。本方法は、組織容積を変調する変調場を選択する段階を含むことができ、変調場を選択する段階は、組織容積に固有のものである変調場に対する目的関数及び組織容積の活性化関数を選択する段階を含む。変調場に対する選択目的関数は、組織容積内の変調応答の均一性を促進する。各活性接点に対して、分割値は、選択目的関数を有する選択変調場を与えるように決定される。組織容積は、選択目的関数を有する選択変調場を用いて変調することができる。各活性接点に対する分割値は、それぞれの活性接点が単位エネルギによって励起される時に誘導される場である各活性接点に対する単位場を電場モデルを用いて推定する段階と、各活性電極に対する知覚閾値を決定する段階及び各活性電極に対する推定単位場をそれぞれの知覚閾値を用いて較正する段階を含む重み付き単位場を決定する段階と、ソースを与える電気接点とシンクを与える別の電気接点とを各々が含む活性接点に対する構成ソースを形成する段階と、構成ソースに対する重み付き単位場を用いて転送行列を構成する段階と、各構成ソースからの寄与に関して解きて選択変調場を与える段階と、構成ソースに関する解から各活性接点に対する分割値を計算する段階とによって決定することができる。活性電極は、少なくとも１つのリード上の複数の電極から選択することができる。
【００８２】
これらの方法のうちのいずれかを実施するシステムを使用することができる。そのようなシステムの例は、神経組織容積を変調する際の使用に向けて作動的に位置決めされるように構成された少なくとも１つのリード上の電極と、少なくとも一部の電極を用いて組織容積内に変調場を発生させるように構成された神経変調発生器とを含む。神経組織は、活性化関数を有する。活性化関数は、神経組織が変調場に対して有する反応を表している。神経変調発生器は、プログラムされた変調パラメータセットを用いてエネルギを送出して少なくとも１つのリードに沿う神経組織容積内に変調場を発生させるように構成される。プログラムされた変調パラメータセットは、少なくとも１つのリードのスパンに沿う神経組織容積内の変調場に対する応答の均一性を促進するために神経組織容積の活性化関数に固有の目的関数を達成するようにエネルギ送出を制御するように選択される値を有する。システムは、埋込可能なデバイスと外部システムとを含むことができ、埋込可能なデバイスは、神経変調発生器を含む。外部デバイスは、神経変調発生器をプログラムするように構成することができる。外部デバイスは、目的関数のユーザ選択を可能にするように構成されたユーザインタフェースを含むことができる。ユーザインタフェースは、目的関数に対する電極及び変調場の表現を表示することができる。
【００８３】
様々な実施形態は、空間的及び時間的な技術を用いてＤＨ組織又は神経根組織の変調を強化する。下記ではＤＨ組織を例示的に説明する。ＤＨ組織の優先的な関わりは、変調誘導性感覚を必要とすることなく疼痛緩和を容易にすることができる。空間技術は、一定の電場（例えば、ＤＨ組織容積内のほぼ一定の電場）を用いてＤＨ変調を与える。例えば、電極を選択し、電極の極性及び強度を表在性ＤＨ（例えば、レクセドの層Ｉ〜ＩＩＩ又はＶ）内で全電極又はアレイのうちで治療に対して重要であると考えられる部分に沿ってほぼ一定であるように設計することができる。ＤＨ内の軸索終端は、電場の近くで最も興奮しやすい神経要素のうちの１つであり、時に最も興奮しやすい神経要素であると考えられる。時間的技術は、ＤＨ内の軸索終端を興奮させる有効性を高めるためにＤＨにバーストを与える。ネコの脊髄腹角におけるデータは、時間的に近い連続パルスが終端を興奮させる際に特に有効であることを示唆しており、閾値を〜４Ｘだけ低下させる４つのパルスのバースト（約５００Ｈｚのバースト内周波数、Ｇｕｓｔａｆｆｓｏｎ他、１９７６）を用いてこれを示した。連続的な高速度（数百Ｈｚに等しいか又はそれよりも高い）におけるパルス送出も終端を実質的に興奮させることができるが、バーストが効率的であると予想される。
【００８４】
図２１は、優先的にＤＨ組織に関わるように構成されたシステムを一例として示している。図示のシステム２１７２は、電極２１７３と、神経変調発生器２１７４と、コントローラ２１７５とを含む。神経刺激発生器２１７４は、プログラムされた変調パラメータセット２１７６を用いてＤＣ組織よりもＤＨ組織を優先的に変調するように構成される。例えば、上記で解説したように、プログラムされた変調パラメータセットは、ＤＨ組織内の変調場の均一性を促進するように構成することができる。変調場はベクトルであり、選択的な向きに依存する。変調は、１よりも多い向きに均一性を促進するように構成することができる。１よりも多い向きに均一性を促進するのに、一例としてセグメントリードを使用することができる。例えば、プログラムされた変調パラメータセットは、一定のＥ場又は一定の｜Ｅ｜場を与えてＤＨ組織に優先的に関わるように構成することができる。コントローラ２１７５は、プログラムされた変調パラメータセットに対するパルス列２１７７を送出するのに使用することができる。パルス列は、パルスバーストと呼ぶ場合もある少なくとも２つのパルスを含む。これらのバーストは、ＤＨ内の終端の興奮を強化し、従って、ＤＣ組織よりもＤＨ組織を変調する選択性を更に高めるために使用することができると考えられる。
【００８５】
図２２は、パルス列を一般的に例示している。一部の実施形態により、各パルス列の持続時間２２７８は、１００ｍｓよりも短い。例えば、一部の実施形態において、各パルス列の持続時間２２７８は、２ｍｓよりも長くかつ５０ｍｓよりも短い。連続パルス列間の時間２２７９は、連続パルス列の各々の持続時間２２７８よりも長いとすることができる。各パルス列は、１０パルスよりも短いとすることができる。パルス列のパルス間持続時間２２８０は、２ｍｓから５ｍｓの範囲内であるとすることができる。
【００８６】
ＤＨ内の神経細胞要素は、様々な空間的な分布、向き、位置合わせを有し、更に神経活動において様々な時間的応答を有するので、治療効果を最大にするように単一固定変調手法を最適化することはできない。変化するパターン化された変調場を生成するための様々な実施形態を提供する。例えば、様々な実施形態は、電流送出の半径方向を変化させ、従って、ＤＨに沿ったＶ分布及びＥ分布を変化させる指向性リードを使用することにより、変調を送出するのに使用されるリード幾何学形状を変化させることができる（例えば、図１３Ａ〜図１３Ｃ及び図１４Ａ〜図１４Ｃを対応する説明と共に参照されたい。様々な実施形態が、パターン化された変調列を使用することができる）。パターン化された刺激列は、様々なパルスパターン及び様々なパルス形状（例えば、矩形、正弦波形等）を含むことができる。様々な実施形態が、空間的パターンを使用する。例えば、変調は、２つ、３つ、又は４つ以上の変調電極セットの間で交替させることができる。別の例では、変調の空間的パターンを変更するために複数の場を使用することができる。様々な実施形態が、時間的パターンを使用する。例えば、一部の実施形態は、変調パターンを与えるために互いに異相（すなわち、非同期）である複数のチャネルを実施する。一部の実施形態は、複数のチャネル変調を交互配置し、これらのチャネルは、振幅、パルス幅、速度、又はバーストパターンのようなパラメータに関して少なくとも１つの異なる変調パラメータ値を有する。従って、２つのチャネル間で又は３よりも多いチャネルの間で切り換えを行うことによって変調パラメータ値（例えば、振幅、パルス幅、速度、又はバーストパターン）を変更することができる。一部の実施形態は、変調においてパルスを変調する。例えば、パターン内に時間変化を与えるために振幅、速度、又はパルス幅のうちの１又は２以上を変調することができる。一部の実施形態は、人体の自然な応答を模倣する方式でパルス列を修正する。様々な実施形態は、空間的パターンと時間的パターンの両方を変化させる。
【００８７】
電極スパン選択及び精緻化
知覚以下変調は、変調を送出するための使用に向けて電極を選択かつ精緻化することに関して一部の課題を課す可能性がある。例えば、従来のＳＣＳは、ＤＣを変調し、感覚異常をもたらすためにターゲットが定められた小さい刺激を与えようと単純に試みる場合がある。従来のＳＣＳに関する変調は、疼痛領域にわたって感覚異常をマップするように調節することができる。しかし、患者は、知覚以下変調に対して変調エネルギの送出を知覚しない。
【００８８】
知覚以下変調のためのプログラミングアルゴリズムは、ＤＨ変調を送出するためのカソード（又はアノード）として吻側−尾側方向に沿う全ての利用可能接点を事前選択することができる。しかし、そのような広いスパンの選択の影響は高い電力要件であり、それに伴って高い確率で過剰変調が送出される。カスタマイズされたより小さい吻側−尾側スパンを選択するアルゴリズムを用いて治療結果を損ねることなく電力要件を下げることが望ましい。
【００８９】
様々な実施形態は、完全なリードから開始し、次いで、探索アルゴリズムを用いてスパンを短縮し、エネルギ効率を改善する。この段階は、ＲＣ又はＣＰから又はＲＣフィードバックを用いてＩＰＧ内で行うことができる。提案するアルゴリズムは、変調の有効性を示すいずれかの形態のフィードバックに頼ることができる。例えば、患者が疼痛緩和に関するフィードバックを与えることができる。フィードバックは、生体指標信号を与えることができる。
【００９０】
システムは、リードの全長に沿う変調が有効であることを確認し、次いで、リードの一部分に沿う変調にフォーカスする特徴を含むことができる。従って、例えば、リードのこの小さめの部分に沿ってほぼ均一な変調場を与えることができる。この場は、複数の電極接点を有する区域にわたって与えられる可能性があることで依然として広範囲にわたるが、リード上の電極アレイを用いた全体の電極配置よりも小さい。
【００９１】
様々な実施形態は、二分探索機能を含む吻側−尾側フォーカス機能を提供することができる。二分探索機能は、リード又は電極アレイを完全な電極セットから部分リード探索領域を定める少なくとも２つの電極部分集合にセグメント化する。二分探索機能は、リードの全長に沿う変調が有効であることを確認することができる。
【００９２】
図２３は、吻側−尾側フォーカス機能としての二分探索機能を一例として示している。第１の部分リード探索領域を定める第１の電極部分集合を用いて変調が有効であるか否かを決定するために、第１の電極部分集合を試験することができる２３８１。第１の電極部分集合が有効である場合に、変調を送出するのに第１の部分リード探索領域を定める第１の電極部分集合を使用することができる２３８２。第１の電極部分集合が有効でない場合に、第２の部分リード探索領域を定める第２の電極部分集合が有効であるか否かを決定するために、第２の電極部分集合を試験することができる２３８３。第２の電極部分集合が有効である場合に、変調を送出するのに第２の部分リード探索領域を定める第２の電極部分集合を使用することができる２３８２。第２の電極部分集合が有効でない場合に、第３（又は第ｎ）の部分リード探索領域を定める第３（又は第ｎ）の電極部分集合が有効であるか否かを決定するために、第３（又は第ｎ）の電極部分集合を試験することができる２３８４。第３（又は第ｎ）の電極部分集合が有効である場合に、変調を送出するのに第３（又は第ｎ）の部分リード探索領域を定める第３（又は第ｎ）の電極部分集合を使用することができる２３８２。第３（又は第ｎ）の電極部分集合が有効でない場合に、二分探索プロセスは、２３８５において以前に有効であると決定された完全な電極リストに戻ることができる。電極部分集合の少なくとも一部は、互いに排他的なものとすることができる。電極部分集合の少なくとも一部は、互いに重なることができる。一部の実施形態において、少なくとも２つの部分集合が排他的であり、少なくとも１つの部分集合が別の部分集合との共通集合を有する。
【００９３】
図２４は、二分探索機能の例を示している。リードは、各々が対応する電極部分集合を含む３つの部分リード探索領域２４８７、２４８８、及び２４８９に分割することができる最大スパン２４８６を有する。限定ではなく例として、電極の第１の部分集合２４８７と第２の部分集合２４８８とは互いに排他的であり、第３の部分集合２４８９は、第１の部分集合との共通集合を含むことができ、更に第２のセットとの共通集合を含むことができる。ある例では、リードの第１の側（電極アレイの左端から中央まで）の第１の部分リード探索領域と、リードの第２の側（例えば、電極の右端から中央まで）の第２の部分リード探索領域２４８８とを設けるために、最大リードは、分岐することができる。第３の部分リード探索領域２４８９は、第１及び第２の部分リード探索領域の各々と部分的に重なることができる。従って、部分リード探索領域は、リードの第１の端部領域と、第２の端部領域と、中央領域とを定めることができる。
【００９４】
図２５Ａ〜図２５Ｃは、吻側−尾側フォーカス機能としての縁部探索機能を一例として示している。縁部探索機能は、アレイ内の活性電極の各縁部を中央に向けて徐々に移動し、移動しても変調が実質的に留まることを確認する。この場合に、第１の縁部を中心に向けて移動し、中心に向う次の移動が変調を無効にするまで移動し続けることができ、第２の縁部を中心に向けて移動し、中心に向う次の移動が変調を無効にするまで移動し続けることができる。
【００９５】
例えば、縁部探索機能は、移動５９０に対する電極配置（例えば、アレイ）の縁部を選択する段階を含むことができる。選択縁部は、図２５Ｂに示す２つの縁部２５９１Ａ又は２５９１Ｂの一方とすることができる。しかし、２よりも多い領域をフォーカスする場合に、２よりも多い縁部が存在することができる。選択縁部は、着目領域に関する他方の縁部に向けて内向きに移動される２５９２。縮小された電極セットがもはや治療有効でない場合２５９３には、直前の移動を取り消すことができ、この縁部をそれ以降移動に向けて選択することができないように設定することができる２５９４。プロセスは、他の縁部を移動することを試みるために２５９０に戻ることができる。縮小された電極セットが引き続き治療有効である場合２５９３には、プロセスは２５９０に戻り、全ての縁部が設定される時まで縁部を移動し続ける２５９５。最終的な縮小電極セット２５９６は、変調エネルギを送出するのに使用することができる２５９７。
【００９６】
様々な実施形態により、プログラムされたシステムは、ユーザが、望ましい生理学的部位により特定的であるべき神経変調に対して望ましい電極を選択することを可能にするために、吻側−尾側フォーカス機能のような神経変調フォーカス機能を有するように構成することができる。一部の実施形態は、初期プログラミング及び／又は後の神経変調の精緻化の結果として、不連続なスパンを選択することを可能とすることができる。
【００９７】
図２６は、様々な実施形態による電極スパンを選択する方法を一例として示している。２６９８において１又は複数の望ましい電極リストのユーザ提供選択が受信される。リストは、電極の全てを含むことができ、又は電極のうちの一部のみを含む場合がある。このリストは、ＲＣ又はＣＰのような外部デバイスを用いて受信することができる。外部デバイスは、選択に利用可能な電極の図を提供するためのグラフィカルユーザインタフェースを有することができる。次いで、ターゲット神経組織は、望ましい電極リスト内にある電極を用いて変調することができる２６９９。例えば、変調は、知覚以下変調治療とすることができる。ターゲット神経組織は、ＤＣ組織、ＤＲ組織、又はＤＨ組織のうちの１又は２以上とすることができる。知覚以下変調治療は、感覚異常を回避するために１５００Ｈｚ又はそれよりも高い周波数で送出することができる。知覚以下変調治療は、低めの周波数（例えば、１２００Ｈｚよりも低く、１０００Ｈｚよりも低く、又は５００Ｈｚよりも低い）で送出することができ、ＤＣ組織よりもＤＲ組織及び／又はＤＨ組織を優先的に刺激するように送出することができる。縮小された電極リストを使用することにより、治療効果を損ねることなく電力要件を下げることができる。
【００９８】
図２７は、望ましい電極リストを更に精緻化する方法を一例として示している。候補電極リストを生成するために、ユーザ提供の望ましい電極リストに対して精緻化アルゴリズム（例えば、二分探索又は縁部探索）を実行することができる２７０１。ユーザ提供フィードバック又は生体指標フィードバックを受信する段階を含むことができる候補電極リストの治療効果を試験する段階を実施することができる２７０２。候補電極リストのうちの１つは、フィードバックを用いて決定された治療効果に基づいて選択することができる２７０３。
【００９９】
図２８は、電極リストのユーザ提供選択を受け入れるのに実施することができるようなシステムを一例として示している。図示のシステム２８０４は、ターゲット神経組織を変調する際の使用に向けて作動的に位置決めされるように構成された電極配置２８０５と、変調場を発生させるために電極配置内の少なくとも一部の電極を使用するように構成された神経変調発生器２８０６と、ユーザ提供選択を受信するように構成された通信モジュール２８０７と、コントローラ２８０８とを含む。コントローラ２８０８は、通信モジュール２８０７を用いて望ましい電極リストのユーザ提供選択２８０９を受信するように構成することができる。電極リストは、電極配置内でターゲット神経組織を変調する際の使用に利用可能な電極を識別する。コントローラ２８０８は、変調場を発生させ、ターゲット神経組織を変調するために電極リスト内で識別された電極を使用するように神経変調発生器を制御することができる。変調は、知覚以下変調とすることができる。神経変調発生器は、電極リスト内で識別された縮小電極部分集合を用いてターゲット組織内の変調場の均一性を促進するための変調パラメータセットを使用することができる。コントローラは、電極リストを更に縮小するために精緻化アルゴリズム（例えば、二分探索及び／又は縁部探索）を実施するように構成することができる。システムは、少なくとも１つの候補電極リストに関する治療効果に関するフィードバックを受信するためのフィードバックモジュールを含むことができる。フィードバックモジュールは、疼痛を緩和する治療効果に関するユーザ提供フィードバックを受信するように構成することができる。これに加えて又はこれに代えて、フィードバックモジュールは、治療効果に関する生体指標信号を検出するように構成することができる。
【０１００】
知覚以下変調の較正
知覚以下変調は、患者が変調エネルギの送出を知覚しないので、変調治療を較正することに関して一部の課題を課す可能性もある。較正は、２０１５年９月２３日に出願され、全体が引用によって本明細書に組み込まれている米国仮特許出願第６２／０５４，０７６号明細書に解説されているもののようなセンサを含むことができる。センサの例は、定量的感覚検査（ＱＳＴ）、脳波図（ＥＥＧ）、脳皮質電図（ＥＣｏＧ）拡散光撮像、機能的磁気共鳴映像法（ｆＭＲＩ）、軸索内の局所電場電位（ＬＦＰｓ）、及び軸索内の誘起複合活動電位（ｅＣＡＰｓ）を含む。
【０１０１】
知覚以下変調の較正は、患者知覚と、変調場をターゲット組織の容積内の位置を通して移動する自動又は半自動の場トロールとを使用することができる。知覚以下プログラミングアルゴリズムは、電極位置の関数としての相対興奮閾値に関する情報を使用することができる。感知が利用可能である場合に、複合活動電位（例えば、背柱内で感知される複合活動電位）を使用することができる。感知が不在の場合に、較正はユーザフィードバックを必要とする。しかし、標準のＳＣＳプログラミングセッションにおける手動較正は遅すぎる。
【０１０２】
様々な実施形態は、変調場をリードに沿って自動的にトロールする。変調の変調強度（例えば、振幅、パルス幅等）を調節するための患者入力を用いて、知覚される変調の強度が一定に留まるように保つように患者に命令することができる。患者には、知覚閾値、高めの知覚レベル（例えば、知覚される変調を耐える患者の機能の真下）、又は別の知覚レベルに知覚される変調の強度を保つように命令することができる。患者入力は、タッチ画面上に表示されるオブジェクト、ボタン、ダイヤル、及びスライダー等であるがこれらに限定されない様々な入力形式とすることができる。
【０１０３】
変調場のトロールは、自動又は患者の制御による場合がある。トロールアルゴリズム候補は、単極トロール（アノード又はカソード）、二極トロール、又は多極トロールを含む。トロールは、ＭＩＣＣ又は複数の独立した電圧制御又はタイミングチャネル交互配置技術を用いて行うことができる。ＭＩＣＣは、変調の中心をリードに沿って又は電極アレイ内で徐々に移動することを可能にする。タイミングチャネルの交互配置は、様々なタイミングチャネル内の異なる電極を可能にする。タイミングチャネル内の刺激パラメータの値（例えば、振幅）を調節することができる。以上により、限定ではなく例として、単極変調が第１のチャネル内で第１の電極を用いて送出され、別の単極変調が第２のチャネル内で第１の電極に隣接する第２の電極を用いて送出される場合に、第１のチャネル内の単極変調の振幅を徐々に低減することができ、同時に第２のチャネル内で単極変調の振幅を増大させることができる。この点に関して、変調の中心を徐々に縮小することができる。
【０１０４】
一部の実施形態は、閾値較正自動モードを設けることができる。変調場を発生させることができ、患者に知覚閾値を取得するように命令することができ、更に自動的な振幅の増大又は減少を選択し、振幅が知覚閾値に達する時をマーク付けするような制御を患者に与えることができる。一部の実施形態において、トローリングルーチン中に電流振幅及びパルス幅を調節するような制御を患者に与えることができ、一方、システムは、それ自体に対して定められた強度−持続時間曲線の内側にユーザを保つ。知覚閾値のマーク付けは、デバイスをして次の電場に自動的に切り換えさせることができる。
【０１０５】
相対的興奮をリードに沿う位置の関数として推定するために、リードに沿って又は変調電極アレイ内で一定のレベル又は範囲の患者知覚をもたらす強度データ（例えば、振幅値）を直接的に又はモデル（平滑化する、外れた点を排除するなどのための）に使用することができる。
【０１０６】
この較正データは、変調アルゴリズム内に入力することができ、場が定められる。手動モードを使用することができ、この場合に、各マーク付けの後に、一部の実施形態は、次の構成を直前の構成と同じ振幅に保つことができ、ユーザが知覚閾値を調節することを可能にする。一部の実施形態は、トロールが次の着目位置（例えば、電極）に進行する時に電流を低減することができる。電流低減は、直前の電流のうちの僅かとすることができる。この割合は、知覚閾値を迅速に見つけるために上方滴定ルーチンを実施することができるように閾値知覚の真下にあると見られるレベルまで電流を低減するように選択することができる。限定ではなく例として、この割合は、直前の電流の５０％と９９％の間にあるとすることができる。構成間の切り換えは、自動又はユーザが構成を切り換える選択を行う半自動とすることができる。
【０１０７】
図２９は、場トロールを実施するのに使用することができるシステムを一例として示している。患者の変調場知覚を入力するために、ユーザ（例えば、臨床医又は患者）は、ＣＰ又はＲＣのような外部デバイス２９１０を使用することができる。外部デバイスは、較正を実施するためのＧＵＩ要素を有するグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）２９１１を含むことができる。これらのＧＵＩ要素は、自動トロールを開始するためのボタン又は制御器２９１２、リードのうちのどの部分をトロールするかを示すためのグラフィックリードレファランス上のグラフィックインジケータ２９１３、自動トロール中にリード上の場の位置を示すためのグラフィックインジケータ２９１４、自動トロールからのユーザ選択振幅のグラフィックインジケータ（実時間又はその後の画面で発生させる）２９１５、較正モデルのグラフィックインジケータ（モデルが使用される場合）２９１６、自動トロールの速度（定量的なもの、例えば、秒数、又は定性的なもの、例えば、低速、中速、高速とすることができる）を設定又は修正するための制御器２９１７、自動トロールにおいて１回又は２回以上の一時停止を設定する（例えば、接点においてその点でのより多くのデータを取得するために数秒間にわたって場を留めるか、又は手動入力で次の自動トロール場所へのジャンプを制御する）機能２９１８を含むことができる。図示のシステムは、ターゲット組織容積内で変調場を発生させて移動するのに使用するための変調デバイス２９１９及び電極配置２９２０を更に含む。電流振幅は、ユーザ入力に従って増大又は低減することができる。
【０１０８】
図３０は、場トロールの実施に使用される外部デバイスのＧＵＩを一例として示している。ＧＵＩは、リード３０２１、電極配置、又はターゲット組織の図を提供することができる。ＧＵＩは、変調場の位置の実時間又は近実時間のインジケータ３０２２を提供することができる。位置は、図示のリード、図示の電極配置、又は図示のターゲット組織に対する相対位置とすることができる。ユーザは、着目部位に対してトロールの境界３０２３及び／又は一時停止点３０２４を設定して追加データを収集することを可能にするためにＧＵＩを使用することができる。例えば、これらの点は、ドラッグアンドドロップによって制御することができる。ＧＵＩは、ユーザが較正の速度３０２５を選択することを可能にすることができる。限定ではなく例として、ユーザは、予め定められた速度（例えば、６０秒で較正を完了する低速、４０秒で較正を完了する中速、２０秒で較正を完了する高速）を選択することができる。ＧＵＩは、ユーザがカスタム速度を与えることを可能とすることができる。例えば、ＧＵＩは、ユーザが較正に対して高速限界と低速限界の間のいずれかの速度を選択することを可能にすることができる。
【０１０９】
様々な実施形態は、少なくとも１つのリード上の電極配置を用いて神経組織位置を通して変調場をトロールし、変調場が位置を通してトロールされる間にマーク付け手順を複数回実施する。マーク付け手順は、変調場が患者知覚変調をどの時点で与えるかを識別する。マーク付け手順は、変調強度が患者知覚変調に到達したことを示すマーク付け信号を受信する段階と、マーク付け信号を受信するのに応答して、変調強度に影響を及ぼす変調場パラメータデータを格納する段階とを含むことができる。変調強度は、患者の変調エネルギ知覚に影響を及ぼす変調パラメータを含むことができる。これらのパラメータは、パルス幅、速度、振幅、電流分配、電極極性（カソード対アノード）を含むことができる。感覚異常は、患者が変調エネルギを知覚することができる方式の一例である。限定ではなく例として、変調場パラメータデータの格納は、キャッシュ又はＲＡＭ等であるがこれらに限定されない一時的ストレージ内、又はＲＯＭ、メモリデバイス、例えば、ハードドライブ、光ディスク、サムドライブ、又はクラウドストレージであるがこれらに限定されない永久／恒久ストレージ内である場合がある。
【０１１０】
変調パラメータ値は、神経組織の相対的興奮を神経組織位置の関数として推定するのに使用することができる。推定された相対的興奮は、電極配置内の１又は２以上の電極を通して送出される変調エネルギをプログラムするのに使用することができる。
【０１１１】
マーク付けプロセスは、変調強度を調節する命令を示す滴定信号を受信する段階と、滴定信号を受信するのに応答して変調強度を調節する段階と、調節された変調強度が患者知覚変調に到達したことを示すマーク付け信号を受信する段階とを含むことができる。滴定信号は、患者、臨床医、又は患者の応答に応じる他のユーザが開始することができる。マーク付け信号を受信した後に、調節された変調強度でその後のマーク付けプロセスを始めることができる。その後のマーク付けプロセスは、その後の滴定信号を受信するのに応答して調節された変調強度を続けて調節する段階と、続けて調節された変調強度が患者知覚変調に到達したことを示すその後のマーク付け信号を受信する段階とを含むことができる。
【０１１２】
一部のシステム実施形態は、埋込可能なデバイスと外部デバイスとを含むことができる。埋込可能なデバイスは、神経変調発生器と、通信モジュールと、メモリと、コントローラとを含むことができる。外部デバイスは、埋込可能なデバイスに指令を送り、グラフィカルユーザインタフェースを提供するように構成することができる。グラフィカルユーザインタフェースは、トローリングルーチン中に電流振幅を調節するように構成された電流振幅制御器を提供するか又はトローリングルーチン中に電流振幅及びパルス幅を調節するように構成された電流及びパルス幅の制御器を提供するように構成することができる。システムは、それ自体に対して定められた強度−持続時間曲線の内側にユーザを保つように構成することができる。グラフィカルユーザインタフェースは、トローリングルーチンを開始するように構成されたトロール開始、トローリングルーチン中の位置の変更のための速度を設定又は修正するように構成された速度制御、トローリングに対するステップサイズを指定するための分解能制御、又はトローリングルーチンにおいて１回又は２回以上の一時停止を設定するように構成された一時停止制御という制御のうちのいずれか１つ又はあらゆる組合せを提供することができる。ラフィカルユーザインタフェースは、これに加えて又はこれに代えて、トローリングルーチン中に電極配置のうちでトロールする部分を示すように構成されたグラフィックリードインジケータ、又はトローリングルーチン中に場の位置を示すグラフィック場インジケータのうちの少なくとも一方を提供することができる。グラフィック場インジケータは、トローリングルーチン中に様々な位置における場の広がりを示すことができる。
【０１１３】
滴定信号は、ユーザが手動で示す手動開始滴定信号を含むことができる。これに代えて又はこれに加えて、滴定信号は、変調強度を自動調節するために自動供給信号を含むことができる。自動供給信号は、スケジュール化された時間に従ってタイマーの満了後又はマーク付け信号を受信した後に変調強度を自動調節するようにプログラムされた命令によって制御することができる。システムは、変調強度の自動調節を停止するユーザ提供指令を受信するように構成することができる。
【０１１４】
変調場をトロールする段階は、変調場を自動的に移動する段階を含むことができる。例えば、マーク付け信号は、変調強度が調節されている間に秒読みタイマーが満了した時に発生させることができる。一部の実施形態において、秒読みタイマーは、ユーザが延長すること、及び／又は次のトロール位置に容易に進めるためにユーザが加速することができる。秒読みタイマーは、トロール位置における着目点で長めの持続時間を与え、他のトロール位置で短めの持続時間を与えるように異なる持続時間を有することができる。秒読みタイマーは、タイマー時計を用いて、又は進行バー、色勾配、表示の強度レベルのような他のインジケータを用いてユーザに表示することができる。変調場をトロールする段階は、患者制御による変調場移動、又は半自動トロールにおける自動制御と患者制御とのあらゆる組合せを含むことができる。
【０１１５】
変調場をトロールする段階は、ケース電極がアノードとして構成され、電極配置内の電極がカソードとして構成されるか、ケース電極がカソードとして構成され、電極配置内の電極がアノードとして構成されるか、又は電極配置内の電極がアノード又はカソードとして構成される単極変調場を移動する段階を含むことができる。しかし、ターゲット組織の位置を通して電場をトロールするのに二極変調又は多極変調を使用することができるので、本主題は単極変調に限定されない。変調場をトロールする段階は、神経組織位置を通して変調場を移動するために電極配置内の電極に対する分割電流値を変更する段階を含むことができる。変調場をトロールする段階は、少なくとも１つのタイミングチャネルを用いて患者に対して異なる少なくとも２つの電場を発生させる段階を含むことができる。神経組織の相対的興奮を神経組織位置の関数として推定するために、格納された変調パラメータデータを直接に使用することができる。一部の実施形態において、相対的興奮を推定するのに、格納された変調場データを入力として使用するモデルが実施される。
【０１１６】
知覚以下治療を較正するために、変調に対する感覚異常のような患者知覚を使用することができる。例えば、感覚異常又は送出変調エネルギの別の患者知覚インジケータを達成するためにパルス振幅を増大させることができる。他の患者知覚インジケータの例は、体温、固有受容感覚、全身違和感、圧力、痒み、苛立ち、震えなどを含むことができる。システムは、患者が変調を知覚する閾値、患者が変調を耐える閾値、又は別の変調強度知覚範囲を用いて知覚以下治療を較正するように構成することができる。変調デバイスは、患者知覚電流のうちの僅かである振幅を用いてプログラムすることができる。しかし、小さいパルス幅のプログラムでは、感覚異常に到達するのに必要とされる振幅は、多くの場合に、埋込可能な刺激器に対する変調出力制約条件を用いて到達可能なものよりも高い。知覚以下変調は、ＤＣ組織、ＤＲ組織、及び／又はＤＨ組織を変調することができる。知覚以下変調は、約１５００Ｈｚ又はそれよりも高い周波数を含むことができる。知覚以下変調は、１５００Ｈｚよりも低い（例えば、以下に限定されるものではないが、２Ｈｚと１２００Ｈｚの間の範囲内、１０００Ｈｚよりも低い、又は５００Ｈｚよりも低い周波数のような１２００Ｈｚよりも低い）周波数でＤＣ組織よりもＤＨ組織及び／又はＤＲ組織を優先的に変調することができる。
【０１１７】
まばらなデータから強度−持続時間曲線を推定するために、ラピック強度−持続時間モデル又はワイス電荷持続時間曲線のような曲線当て嵌め技術を使用することができる。これらのデータは、電荷対持続時間としてプロットすることができ、線形曲線当て嵌めが使用される。線形当て嵌めのパラメータは、時値及び基電流を推定し、強度持続時間モデル曲線を構成するのに使用される。
【０１１８】
図３１は、パルス振幅（強度）がパルス持続時間（パルス幅）に対してプロットされた強度持続時間曲線の例を一例として示している。膜の刺激は、刺激の強度と持続時間の両方に依存する。このプロットは、パルス幅が減少するときに必要な電流振幅が増大することを示している。また、このプロットは、基電流及び時値も例示している。基電流は、活動電位をもたらす無限持続時間の最小電流を表し、時値は、基電流の２倍の電流が活動電位をもたらすための最小時間である。強度持続時間曲線を識別するためにより大きいパルス幅に関して測定された２又は３以上の基準データ点を使用することができ、この曲線を小さめのパルス幅に対応する電流を推定するのに使用することができる。従って、様々な実施形態は、患者が変調閾値を知覚することを可能にする強度を刺激器が発生させることができるより大きいパルス幅に対する閾値を取得し、次いで、大きいパルス幅に対するこれらの閾値を用いて、患者が知覚することになる強度を刺激器が発生させることができない小さめのパルス幅に対する知覚閾値を強度持続時間曲線を用いて推定する。患者知覚の閾値を使用する代わりに又はそれに加えて、他の知覚値を使用することができる。例えば、耐性閾値が、耐えることができる変調エネルギの最大量を示す場合に、この閾値を使用することができる。この推定閾値の比率は、神経変調プログラム設定に対して使用することができる。このようにして望ましい小パルス幅に適合するデータを取得することができる。
【０１１９】
図３２は、小さいパルス幅での知覚以下変調を較正するのに使用することができるシステムの実施形態を一例として示している。図示のシステムは、知覚以下神経変調を送出する際の使用に向けて作動的に位置決めされるように構成された少なくとも１つのリード上の電極３２２６を含むことができる。更に、システムは、少なくとも一部の電極を用いて知覚以下神経変調のための変調場を発生させるように構成された神経変調発生器３２２７を含むことができる。システムは、発生変調場が患者知覚変調を与えるという信号を受信するように構成されたフィードバックモジュール３２２８と、神経変調発生器３２２７及びフィードバックシステム３２２８と作動可能に接続され、較正プロセス３２３０を実施するように構成された制御システム３２２９とを含むことができる。フィードバックシステム３２２９は、センサフィードバック３２３１、及び／又は患者が感覚異常を体験したというユーザフィードバックのような外部デバイスを通じたユーザフィードバック３２３２を含むことができる。フィードバックセンサの例は、誘起複合活動電位又は他の測定可能生体指標を感知するセンサを含むことができる。制御システム３２２９によって実施される較正プロセスは、第１のパルス幅を有する第１の刺激パルスと第２のパルス幅を有する第２の刺激パルスとを含む２つの基準パルス３２３３を用いて変調場を発生させるように神経変調発生器３２２７を制御する段階を含むことができる。制御システム３２２９は、患者知覚変調を与える第１のパルス幅を用いて発生させる変調場の強度を表す第１の基準点を決定するためにフィードバックモジュール３２２８を用い、更に患者知覚変調を与える第２のパルス幅を用いて発生させる変調場の強度を表す第２の基準点を決定するためにフィードバックモジュールを使用することができる。少なくともこれらの第１及び第２の基準データ点を用いて知覚以下パルス較正データを導出することができる。知覚以下較正データを導出する段階は、知覚以下パルス幅を有する知覚以下パルス３２３４を用いて送出される知覚以下に固有の知覚以下較正データを導出する段階を含む。
【０１２０】
図３３は、短いパルス幅を用いて知覚以下変調をプログラムするためのプロセスの実施形態を一例として示している。３３３５に示すように、第１のパルス幅を有する第１の刺激パルスを用いて変調場を発生させることができる。患者知覚変調を与える第１のパルス幅を用いて発生させた変調場の強度を表す第１の基準データ点を決定することができる。３３３６に示すように、第２のパルス幅を有する第２の刺激パルスを用いて変調場を発生させることができる。患者知覚変調を与える第２のパルス幅を用いて発生させた変調場の強度を表す第２の基準データ点を決定することができる。３３３７に示すように、第１及び第２の基準データ点を含む少なくとも２つの基準データ点を用いて知覚以下変調のための較正データを導出することができる。較正データを導出する段階は、３３３８に示すように、患者知覚変調を与えることが推定される知覚以下パルス幅を用いて発生させる変調場の推定強度を表す知覚以下データ点を推定する段階を含むことができる。少なくとも２つの基準データ点から推定知覚以下データ点を外挿することができる。較正データを導出する段階は、３３３９に示すように、推定知覚以下データ点を用いて知覚以下に対する較正データ（例えば、振幅）を導出する段階を更に含むことができる。例えば、小さいパルス幅の知覚以下パルスに対する振幅は、推定知覚以下データ点の振幅のうちの僅かとすることができる。
【０１２１】
知覚以下パルス幅に対する知覚以下振幅を推定する段階は、第１及び第２の基準振幅に対して曲線当て嵌め技術を適用して電荷持続時間モデル曲線に対する曲線パラメータを識別する段階と、第１及び第２の基準振幅と電荷持続時間モデル曲線とを用いて、患者知覚閾値を与える知覚以下パルス幅に対する知覚以下を推定する段階とを含むことができる。曲線パラメータの例は、時値と基電流を含む。曲線当て嵌め技術は、ラピック強度持続時間モデル、又はワイス電荷持続時間モデル、又は他の指数関数モデル又は反比例モデルを含むことができ、基準データ点は、パルス幅とその電流振幅とを表すことができる。
【０１２２】
上述の手法は、ＤＨ又はＤＲの刺激において使用することができ、又は既知のものから刺激振幅を推定する必要があるが、小さめのパルス幅でのこの既知のものに達することができないあらゆる刺激時に使用することができる。例えば、方法は、第１のパルス幅を有する第１の刺激パルスを用いて変調場を発生させて、知覚反応又は測定可能反応を与える第１のパルス幅を用いて発生させた変調強度を表す第１の基準データ点を決定する段階と、第２のパルス幅を有する第２の刺激パルスを用いて変調場を発生させて、反応を与える第２のパルス幅を用いて発生させた変調場の変調強度を表す第２の基準データ点を決定する段階とを含むことができる。第１及び第２の基準データ点を含む少なくとも２つの基準データ点を用いて変調に対する較正データを導出することができる。較正データを導出する段階は、第１及び第２のパルス幅よりも小さいパルス幅を有するパルスを用いて送出される変調に固有の較正データを導出する段階を含むことができる。較正データを導出する段階は、反応を与えることが推定される小さめのパルス幅を用いて発生させる変調場の推定強度を表すデータ点を推定する段階を含むことができる。少なくとも２つの基準データ点から推定データ点を外挿することができる。推定知覚以下データ点を用いて較正データを導出することができる。
【０１２３】
知覚以上治療とは対照的に、知覚以下治療は、ＲＣのような外部デバイスを用いて患者がインプラントとどのように相互作用を行うかに関して特定の要求を有する。例えば、知覚以下治療の投与制御（振幅、バースト作動／停止、周波数等）は、直接的な感覚異常知覚に関連しないが、正しく管理されない場合は治療において依然として悪影響を有する可能性がある。様々な実施形態は、臨床医による介入を必要とせずに患者が結果を改善するように治療を調節することを可能にする機能を外部デバイス（例えば、ＲＣ）内に与える。患者は、自己較正を開始すること、並びにバースト変調のような投与特徴を制御することができる。
【０１２４】
知覚閾値及び／又は好ましい変調手法は、様々な患者姿勢に対して異なる場合がある。様々な実施形態は、患者の日常生活の間の姿勢変化を受け入れるように適応可能な知覚以下治療を提供する。
【０１２５】
様々な実施形態は、自動再較正機能を提供する。自動再較正機能は、患者の姿勢変化が、加速度計、誘起複合活動電位（ＥＣＡＰ）、局所電場電位（ＬＦＰ）を含む電場電位、インピーダンス、及び他のもののような感知信号を通して検出された時に較正ルーチンを自動的に再実行するように構成することができる。較正ルーチンからの較正情報は、変調プログラムを調節するのに使用することができる。
【０１２６】
様々な実施形態は、半自動較正機能を提供する。患者は、姿勢を変更した時に再較正を開始することができる。較正ルーチンからの較正情報は、変調プログラムを調節するのに使用することができる。
【０１２７】
様々な実施形態は、適応変調機能を提供する。適応変調機能は、各セットが姿勢位置に独特である異なるプログラム可能パラメータセットを設定するように構成された姿勢適応機能を含むことができる。このシステムは、患者の姿勢変化が検出された時に対応するプログラムに切り換わるように構成することができる。
【０１２８】
様々な実施形態は、各セットが活動レベルに独特である異なるプログラム可能パラメータセットを設定するように構成された活動適応機能を含む適応変調機能を提供する。活動レベルは、体外又は体内の活動センサを用いて感知することができる。
【０１２９】
適応変調機能は、姿勢と活動との様々な組合せに対して異なるプログラム可能パラメータセットを設定するように構成された姿勢適応的かつ活動適応的な機能を含むことができる。このシステムは、患者の姿勢変化及び／又は患者の活動変化が検出された時に対応するプログラムに切り換わるように構成することができる。例えば、システムは、限定ではなく例として、睡眠時、平常活動、及び非常に激しい活動レベルのような状況に固有の望ましい変調パラメータを与えるように変調を較正するように構成することができる。
【０１３０】
図３４は、知覚以下変調を送出する段階を含む方法の実施形態を一例として示している。３４４０において、埋込可能なデバイス及び電極を用いて神経変調が神経組織に送出される。神経組織は、後角組織、背根組織、又は背柱組織のうちの少なくとも１つを含むことができる。知覚以下変調は、それを下回ると患者が変調場の発生を感知しない境界である患者知覚閾値よりも小さい強度を有する。例えば、患者知覚閾値は、患者が感覚異常を体験する閾値とすることができる。３４４１において、神経変調への調節をトリガする患者入力が受信される。患者は、外部デバイスのユーザインタフェースを通して入力を与えることができる。患者入力は、患者状態のパラメータを感知するセンサの入力とすることができる。３４４２において、患者トリガに対するプログラムされた応答が実施されて神経変調が調節される。
【０１３１】
一例として、患者入力は、ユーザ要求投与調節とすることができ、応答は、神経変調の投与を調節する応答とすることができる。一部の実施形態において、プログラムされた応答は、変調を調節する機能を制限する変調制限を含む。そのような制限の例は、潜在的に安全でない神経変調投与を回避するための安全制限である。一部の実施形態において、プログラムされた応答は、神経変調の治療効果を評価するためのフィードバックを受信する段階と、受信フィードバック入力を用いて神経変調を自動的に自己較正する段階とを含む。フィードバックは、外部デバイスのユーザインタフェースを用いて与えられる患者提供疼痛緩和指示とすることができる。フィードバックは、神経変調の治療効果を評価するためのセンサからの信号を含むことができる。
【０１３２】
受信患者入力は、受信患者活動とすることができる。患者活動は、加速度計ベースの活動センサのような活動センサを用いて感知することができる。患者活動レベルは、ユーザ入力によって受信することができる。例えば、患者は、本人の活動をモニタするための活動情報を外部デバイス（例えば、ＲＣ）に入力することができる。本方法は、患者活動レベル入力を用いて患者の健康品質を自動的に評価する段階と、評価された健康品質によって示された時に神経変調への調節をトリガする段階とを含むことができる。評価された健康品質によって示された時に調節をトリガする段階は、神経変調を較正又は再較正する較正ルーチンをトリガする段階を含むことができる。
【０１３３】
図３５は、知覚以下変調を送出するシステムを一例として示している。システムは、神経組織を変調する際の使用に向けて作動的に位置決めされるように構成された電極配置を含む。神経組織は、後角組織、背根組織、又は背柱組織のうちの少なくとも１つを含むことができる。更に、システムは、図示のように、電極３５４３の少なくとも一部を用いて神経組織に知覚以下変調を送出するための変調場を発生させるように構成された神経変調発生器３５４５を含む埋込可能なデバイス３５４４を含むことができる。システムは、変調場を発生させて、患者入力に応答して変調場を自動調節するプログラムされた応答３５４７を実施するように神経変調発生器３５４５を制御するように構成されたコントローラ３５４６を含むことができる。システムは、埋込可能なデバイス３５４４と通信するように構成された外部デバイス３５４８を含むことができる。外部デバイス３５４８は、患者入力を受信するユーザインタフェース３５４９と、患者入力に対して１又は複数のプログラムされた応答３５５１を実施し、外部デバイス３５４８から埋込可能なデバイス３５４４に患者開始制御信号を送るための通信を自動的に開始するように構成されたコントローラ３５５０とを含むことができる。埋込可能なデバイス３５４４のコントローラ３５４６は、変調場を発生させて、患者開始制御信号に応答して変調場を自動調節するように神経変調発生器３５４５を制御するように構成することができる。
【０１３４】
患者は、投与調節３５５２を与えるためにユーザインタフェース３５４９を使用することができる。埋込可能なデバイス３５４４のコントローラ３５４６は、患者開始制御信号に応答して神経変調の投与を自動調節するように構成することができる。システムは、患者開始制御信号に応答した投与の自動調節を制限するように構成することができる。外部デバイス３５４８及び／又は埋め込みデバイス３５４４は、投与調節を制限する機能を有するように構成することができる。
【０１３５】
システムは、更に、神経変調の治療効果を評価するためのフィードバック入力を含むことができる。例えば、フィードバックは、ユーザ提供疼痛緩和又はユーザ提供健康品質に関連する場合がある。システムは、フィードバック入力において受信したフィードバックを用いて神経変調を自動的に自己較正するように構成することができる。フィードバック入力は、治療の効果に関する入力をユーザ（例えば、患者、臨床医、又は他の介護者）から受け入れるために使用される外部デバイスのユーザインタフェース（例えば、ＲＣのＧＵＩ）を含むことができる。例えば、ユーザは、外部デバイスのユーザインタフェースを用いて疼痛緩和３５５３又は健康品質３５５４の指示を与えることができる。フィードバック入力は、治療効果を示すパラメータを感知する治療フィードバックセンサ３５５５を含むことができる。複数のフィードバックセンサが存在することができる。
【０１３６】
患者入力は、患者活動入力３５５６を含むことができる。コントローラは、患者活動入力を用いて導出することができる患者の健康品質によって示された時に較正ルーチンを自動的にトリガするように構成することができる。例示として、有意な活動低下は、治療が有効ではなく（例えば、患者が有意な量の疼痛を受けている）、従って、患者が自分の平常活動を行っていないことを示す場合がある。これは、リード移動又は他の変化に対処するために変調治療を再較正しなければならないことを示す場合がある。有意な活動増大（又は有意なレベルの活動を持続すること）は、治療が有効である（例えば、患者は、有意な量の疼痛を受けていない）ことを示すと考えることができる。
【０１３７】
患者入力は、患者姿勢入力３５５７を含むことができる。一部の実施形態において、コントローラは、患者姿勢入力を用いて導出することができる患者の健康品質によって示された時に自動的に較正ルーチンをトリガするように構成することができる。例示として、有意な姿勢変化（又は１日の与えられた時間にわたる異常な姿勢）は、治療が有効ではなく（例えば、患者が有意な量の疼痛を受けている）、従って、患者が自分の平常活動を行っていないことを示す場合がある。例えば、患者は、通常では立っているか又は歩いている時間にわたって座っているか又は横たわっている可能性がある。これは、リード移動又は他の変化に対処するために変調治療を再較正しなければならないことを示すと考えることができる。
【０１３８】
一部の実施形態において、コントローラは、これに代えて又はこれに加えて、検出患者姿勢に対する較正データを発生させるための較正ルーチンを実施し、検出患者姿勢に対して発生させた較正データを用いて刺激プログラムを調節するように構成することができる。一部の実施形態において、コントローラは、これに代えて又はこれに加えて、検出患者活動に対する較正データを発生させるための較正ルーチンを実施し、検出患者活動に対して発生させた較正データを用いて刺激プログラムを調節するように構成することができる。
【０１３９】
図３６は、患者入力に対するプログラムされた応答の例を示している。ユーザ入力投与調節３６６０、ユーザ入力疼痛緩和３６６１、又はユーザ入力健康品質３６６２のような入力を与えるための患者入力３６５８は、ユーザインタフェース３６５９を通して入力することができる。これに代えて又はこれに加えて、患者入力は、感知姿勢３６６３及び／又は感知活動３６６４を含むことができる。プログラムされた応答３６６５は、限定ではなく例として、較正又は再較正３６６６、及び／又は制限付き又は制限なしの投与調節３６６７を含むことができる。一部の実施形態において、較正は、特定の姿勢範囲又は特定の活動範囲に対して実施することができ、かつこの特定の姿勢範囲又は特定の活動範囲に固有の変調パラメータセットを生成するのに使用することができる。上記に詳述した説明は、限定的ではなく例示的であるように意図したものである。本発明の範囲は、従って、添付の特許請求の範囲を参照してそのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲と共に決定されなければならない。
【符号の説明】
【０１４０】
１６４６  目的関数オプション（例えば、一定Ｅ）
１６５１  構成オプション
１６５２  リード構成
１６５３  接点ステータス
１６５４  単極電流閾値
【図１】
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【図２】
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【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１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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