(57)【要約】多数の電極と、プロセッサと、刺激回路と、１つ以上のセンサと、患者インターフェースユニットのためのプログラミングとを含む、皮膚パッチまたは埋込可能刺激装置を使用して、心不全、２型糖尿病、および末梢血管疾患を含む、無数の疾患を治療するための筋収縮刺激療法を提供するためのデバイス、システム、および方法が、説明され、プロセッサは、有害な生理学的応答のインジケーションに応答して、多数の電極のサブセットおよび刺激回路の動作の選択を制御するようにプログラムされる。患者不快感のインジケーションが、１つ以上のセンサを使用して、患者インターフェースユニットプログラミングを介した対象からの直接入力によって、またはそれらの組み合わせによって、対象の生理学的パラメータを監視することによって判定され得る。
2021506551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の骨格筋のうちの１つ以上のものと関連付けられた神経組織を刺激するためのシステムであって、
多数の電極と、
前記多数の電極に結合される切替回路と、
前記切替回路に動作可能に結合される刺激回路と、
前記刺激回路および前記切替回路に動作可能に結合されるプロセッサであって、前記プロセッサは、前記切替回路を構成し、前記多数の電極のサブセットを選択し、電気刺激を１つ以上の骨格筋と関連付けられた神経組織に提供し、インスリン抵抗性、脂肪肝疾患、肥満、変形性関節症、筋肉減少症、四肢虚弱、有酸素運動不足による不調、癌、心不全、慢性静脈不全、深部静脈血栓症、末梢動脈疾患、リンパ浮腫、または高血圧症から成る群の中から選択される障害を改善するようにプログラムされ、前記プロセッサは、前記対象によって被られる有害な生理学的応答のインジケーションに応答するようにプログラムされる、プロセッサと、
患者インターフェースユニットプログラミングを含有する非一過性媒体であって、前記患者インターフェースユニットプログラミングは、前記プロセッサ、切替回路、および刺激回路の動作を制御するための患者インターフェースユニットと併用するために構成される、非一過性媒体と
を備える、システム。
【請求項２】
前記プロセッサに結合されるセンサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記センサは、生理学的パラメータを監視し、出力を生成し、前記プロセッサは、前記出力を分析し、前記有害な生理学的応答のインジケーションを判定する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記センサは、生理学的パラメータを監視し、出力を生成し、前記プロセッサは、前記出力を分析し、前記刺激回路の動作を制御する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記生理学的パラメータは、筋疲労を示し、前記プロセッサは、前記出力に応答して、前記刺激回路の動作を調節する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記センサは、ＥＣＧ信号を生成し、前記プロセッサは、前記ＥＣＧ信号に応答して、前記刺激回路によって、前記多数の電極のサブセットへの電気刺激の印加を制御する、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記センサは、ＥＭＧデバイス、赤外線センサ、ＭＭＧデバイス、インピーダンスデバイス、およびバイタルサインモニタから成る群から選択される、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記患者インターフェースユニットプログラミングは、患者入力インターフェースを提供し、前記有害な生理学的応答のインジケーションは、前記患者入力インターフェースを通して、前記対象によって入力される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記多数の電極、刺激回路、およびプロセッサは、皮膚接触表面を有する基板を備える皮膚パッチ上に搭載される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記皮膚接触表面上に配置される生体適合性ゲルをさらに備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記基板は、前記多数の電極を含む使い捨て部分と、前記切替回路、前記刺激回路、および前記プロセッサを支持する再使用可能部分とを備え、前記使い捨て部分および前記再使用可能部分は、ともに除去可能に結合されるように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記使い捨て部分上に配置されるＲＦＩＤ構成要素をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記多数の電極は、相互から離間された２つの群内の前記皮膚接触表面上に配列される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の群および前記第２の群はそれぞれ、３〜５つの電極を含有する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記プロセッサは、前記多数の電極のサブセットの選択の間、電気刺激の印加の間に前記第１の群および前記第２の群の個々の電極間に確立される電流経路を変動させる、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記刺激回路は、交流電圧を前記多数の電極に印加する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記刺激回路は、周波数５０〜１５０Ｈｚにおいて、３〜３５ボルトの電圧における刺激を提供する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記皮膚パッチはさらに、送受信機を備え、前記プロセッサは、前記スマートデバイスが前記患者インターフェースユニットプログラミングを起動させているとき、前記送受信機の動作を制御し、前記スマートデバイスと無線通信するようにプログラムされる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
前記皮膚パッチはさらに、エネルギーを外部源から無線で受信するための誘導回路を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項２０】
前記プロセッサは、前記有害な生理学的応答のインジケーションに応答して、前記刺激回路と併用するための刺激値の最適セットを自動的に判定するようにプログラムされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
多数の電極は、前記皮膚パッチが前記対象の皮膚に適用されると、対象の角質層に穿通するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記皮膚パッチから離間された前記患者上に位置付けられるように構成される独立型センサをさらに含み、前記独立型センサは、前記スマートデバイスが前記患者インターフェースユニットプログラミングを起動させているとき、前記プロセッサまたは前記スマートデバイスと通信するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムは、２つ以上の皮膚パッチを含み、前記患者インターフェースユニットプログラミングは、前記スマートデバイス上で実行されると、前記２つ以上の皮膚パッチによって、前記電気刺激の印加を協調させるように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記基板は、前記対象の生体構造に柔軟に共形化するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２５】
対象の骨格筋のうちの１つ以上のものと関連付けられた神経組織を刺激するためのシステムであって、
埋込可能刺激装置であって、
伸長部材であって、前記伸長部材は、１つ以上の骨格筋と関連付けられた神経組織の近傍において、皮下に埋め込まれるように構成される、伸長部材と、
前記伸長部材上に搭載される多数の電極と、
前記多数の電極に結合される切替回路と、
前記切替回路に動作可能に結合される刺激回路と、
プロセッサであって、前記プロセッサは、前記伸長部材内に配置され、前記刺激回路および前記切替回路に動作可能に結合され、前記プロセッサは、前記切替回路を構成し、前記多数の電極のサブセットを選択し、電気刺激を提供し、インスリン抵抗性、脂肪肝疾患、肥満、変形性関節症、筋肉減少症、四肢虚弱、有酸素運動不足による不調、癌、心不全、慢性静脈不全、深部静脈血栓症、末梢動脈疾患、リンパ浮腫、または高血圧症から成る群の中から選択される障害を改善するようにプログラムされ、前記プロセッサは、前記対象によって被られる有害な生理学的応答のインジケーションに応答するようにプログラムされる、プロセッサと、
患者インターフェースユニットプログラミングを含有する非一過性媒体であって、前記患者インターフェースユニットプログラミングは、前記埋込可能刺激装置の動作を制御するためのスマートデバイスと併用するために構成される、非一過性媒体と
を備える、埋込可能刺激装置
を備える、システム。
【請求項２６】
前記埋込可能刺激装置はさらに、前記プロセッサに結合されるセンサを備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記センサは、生理学的パラメータを監視し、出力を生成し、前記プロセッサは、前記出力を分析し、前記有害な生理学的応答のインジケーションを判定する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記センサは、生理学的パラメータを監視し、出力を生成し、前記プロセッサは、前記出力を分析し、前記刺激回路の動作を制御する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記生理学的パラメータは、筋疲労を示し、前記プロセッサは、前記出力に応答して、前記刺激回路の動作を調節する、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記センサは、ＥＣＧ信号を生成し、前記プロセッサは、前記ＥＣＧ信号に応答して、前記刺激回路によって、前記多数の電極のサブセットへの電気刺激の印加を制御する、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記センサは、ＥＭＧデバイス、赤外線センサ、ＭＭＧデバイス、インピーダンスデバイス、およびバイタルサインモニタから成る群から選択される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記患者インターフェースユニットプログラミングは、患者入力インターフェースを提供し、前記有害な生理学的応答のインジケーションは、前記患者入力インターフェースを通して、前記対象によって入力される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３３】
前記埋込可能刺激装置を定位置に保定するように構成される複数のアンカをさらに備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３４】
前記伸長部材は、可撓性である、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３５】
前記埋込可能刺激装置内に配置されるバッテリをさらに備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３６】
前記多数の電極は、相互から離間された２つの群内の前記伸長部材の外部上に配列される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記第１の群および前記第２の群はそれぞれ、３〜５つの電極を含有する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３８】
前記プロセッサは、前記多数の電極のサブセットの選択の間、電気刺激の印加の間に前記第１の群および前記第２の群の個々の電極間に確立される電流経路を変動させる、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３９】
前記多数の電極の第１の群は、アノードとして機能し、前記多数の電極の第２の群は、カソードとして機能する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記刺激回路は、交流電圧を前記多数の電極に印加する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４１】
前記刺激回路は、周波数５０〜１５０Ｈｚにおいて、３〜３５ボルトの電圧における刺激を提供する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記埋込可能刺激装置はさらに、送受信機を備え、前記スマートデバイスが前記患者インターフェースユニットプログラミングを起動させているとき、前記プロセッサは、前記送受信機の動作を制御し、前記スマートデバイスと無線通信するようにプログラムされる、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４３】
前記埋込可能刺激装置はさらに、エネルギーを外部源から無線で受信するための誘導回路を備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４４】
埋込可能刺激装置は、前記誘導回路を介して、前記埋込可能刺激装置に無線で移送されるエネルギーを貯蔵するためのコンデンサを含む、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記外部源は、前記対象がもたれかかることを可能にする表面内に配置される、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４６】
前記プロセッサは、不快感のインジケーションに応答して、前記刺激回路と併用するための刺激値の最適セットを自動的に判定するようにプログラムされる、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記埋込可能刺激装置から離間された場所において、前記患者上に位置付けられるように構成される独立型センサをさらに含み、前記独立型センサは、前記スマートデバイスが前記患者インターフェースユニットプログラミングを起動させているとき、前記プロセッサまたは前記スマートデバイスと通信するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項４８】
前記システムは、２つ以上の埋込可能刺激装置を含み、前記患者インターフェースユニットプログラミングは、前記スマートデバイス上で実行されると、前記２つ以上の埋込可能刺激装置によって、前記電気刺激の印加を協調させるように構成される、請求項２５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、その全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１７年１２月１８日に出願された、米国仮特許出願第６２／６０７，２９７号の優先権を主張する。
【０００２】
本願は、脚部および他の四肢の筋肉を刺激し、筋緊張を改善し、萎縮を低減させ、２型糖尿病におけるグルコース取込率を改善し、他の健康利点を提供するための医療デバイスおよび方法に関する。より具体的には、本願は、患者不快感を低減させ、患者安全性を改善しながら、骨格筋の筋収縮を生成するための、神経組織の電気変調のためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
圧倒的数の世界中の健康問題は、いくつかの一般的社会的傾向、すなわち、ますます増えつつある高齢者母集団、ますます増えつつある座業母集団、およびますます増えつつある肥満母集団に由来する。現代の社会におけるますます多くの人々は、十分な量の物理的運動を得るには程遠く、本運動の欠如は、肥満、非アルコール性脂肪肝疾患、２型糖尿病、代謝性症候群、心臓病、心不全、脳卒中、高血圧症、関節病、関節炎、ある形態の癌、および可能性が高い多くの他の非常に有意な健康問題を含む、無数の健康問題につながる。これらの流行病にもかかわらず、多くの人々は、時間的拘束、動機不良、または物理的限界に起因して、運動することを選定しない、運動することができないと考えている、または実際に適正に運動することができない。
【０００４】
骨格筋は、人体内の最大器官である。運動が提供する多くの利点のうち、１つの重要な利点集合は、単に、身体内の骨格筋、特に、殿筋、四頭筋、膝腱、および腓腹筋等の下肢の大筋肉の収縮から生じる。骨格筋の収縮は、骨の移動、関節の安定化、および骨、軟骨、靱帯、および腱のリモデリングを含む、骨格系内において多くの役割を果たす。慢性筋収縮はまた、筋力、持久力、神経ドライブ、運動制御、および固有感覚を増加させ得る。
【０００５】
加えて、骨格筋は、他の器官系の生理学にも重要な役割を果たす。例えば、骨格筋を収縮させることは、心臓持久力を改善し、温度に影響を及ぼし、血液を末梢から体幹に圧送し、リンパ液を循環させることに役立ち、脂質組織質量を減少させ、代謝を調整し、ミオカインと呼ばれる、種々のタンパク質を分泌する。これらのミオカインの一部は、主に、筋肉生理学に影響を及ぼす一方、その他は、加えて、他の組織および器官に影響を及ぼす。ミオカインの分泌を通して、骨格筋は、身体全体を通して、肝臓、脂肪、心臓、脳、および血管系等の組織と通信する。下肢筋肉を収縮させることは、能動的に血液を心臓に戻るように圧送することに役立ち、これは、次いで、血液を、肺動脈を通して、肺に、大動脈を通して、身体の残りに圧送する。選択によって、または物理的限界に起因して、現代の社会生活における非常に多くの人々がとっている、座業生活様式では、筋肉量および筋収縮は、低減される。
【０００６】
さらに、１型糖尿病、２型糖尿病、肥満、男性における性腺機能不全症、成長ホルモン欠乏症、甲状腺機能亢進症、神経変性疾患、副腎皮質ホルモン過剰症、ビタミンＤ欠乏症、骨粗鬆症、リウマチ性関節炎、末梢動脈疾患、ＣＯＰＤ、鬱血性心不全、進行性腎疾患、肝硬変、癌、およびＨＩＶを含む、多くの慢性病状は、筋肉量、筋力、および機能容量の低下と関連付けられる。
【０００７】
筋収縮を対象に生じさせるために研究されている１つの方法は、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）である。ＮＭＥＳは、筋収縮を生じさせる目的のために、筋肉の近位にある、またはその中に埋め込まれている神経を刺激することを伴う。研究者は、ＮＭＥＳデバイスを使用して、下肢筋肉の収縮を刺激することが有意な正の効果を健康に及ぼし得ることを見出している。特許文献は、これらの利点を患者に提供しようと試みる、いくつかのこれまでに公知となっているＮＭＥＳシステムを説明している。例えば、Ｃｒｏｗｅ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第７，２５７，４４８号は、膝腱および四頭筋等の筋肉を刺激し、カロリー消費を増加させ、持久力を改善するための装置および方法を説明しており、そこでは、アレイ内の個々の電極が、選択的に通電され、筋肉振戦を誘発し、装置の動作は、患者の心血管応答を監視することによって制御される。本特許は、患者疼痛および不快感が、説明されるシステムの有用性を限定し得ることを認めているが、患者不快感を回避しながら、十分な筋肉アクティブ化を達成するための印加されるパルスの用量を設定する方法に対処していない。
【０００８】
Ｖａｎ  Ｈｅｒｋの米国特許第８，１４５，３１８号は、クロススイッチを介して刺激信号発生器に結合される、選択可能電極のアレイを有し、その出力が、患者によって、電極位置付けを確認し、筋肉組織活動を測定するために使用され得る、筋肉活動を検出するためのセンサを含む、装置を説明している。Ｋｏｌｅｎ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，９０９，３３４号は、類似システムを説明しており、そこでは、フィードバックシステムが、電気刺激点の好適性を査定し、刺激を介して、疼痛抑制を提供するために使用される。いずれの特許も、刺激によって生じる患者不快感の低減、またはそのような疼痛を低減させ、患者コンプライアンスを改善する方法に対処していない。
【０００９】
Ｍｉｎｏｇｕｅ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，２０９，０３０号は、固定サイズの交換可能な選択的作動可能電極のセットを有する、衣類を説明しており、衣類は、患者の脚部上に配置されると、再現可能な位置付けを提供するように構成される。Ｌｅｅ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，６２０，４３９号は、ＥＭＧセンサと、その出力が、刺激処方計画を調節するための疲労インデックスを算出するために使用される、他のセンサとを含む、腹部筋肉刺激システムを説明している。
【００１０】
Ｆａｈｅｙの米国特許第８，２８５，３８１号は、刺激発生器に結合される、選択可能電極のアレイを有し、電極選択を補助し、刺激パラメータを調節し、さらに、昏睡状態または鎮静された患者の熱傷につながり得る、高温スポット等の望ましくない条件の発生を防止し得る、フィードバックを提供する、複数のセンサをさらに含む、筋肉刺激システムを説明している。両方ともＦａｈｅｙの米国特許第８，８９２，２１０号および第９，３０２，１０４号は、刺激パラメータおよび／または刺激場所を最適化するための方法および装置を含む、先行特許のシステムに対する改善を説明している。同様にＦａｈｅｙの米国特許第９，１２６，０３９号は、冷却または鎮痛システムの切替を含み、それによって、患者の組織のインピーダンスは、修正され、電流密度を調節し、それによって、患者不快感を低減させる、筋肉刺激システムを説明している。
【００１１】
ＮＭＥＳの利点が、文献において認識されているが、これまでに公知になっているシステムは、患者コンプライアンスおよびそのようなシステムの広範な使用に悪影響を及ぼす、患者不快感を生じさせる、ＮＭＥＳシステムの認識される不利点を克服していない。
【００１２】
例えば、Ｇｉｇｇｉｎｓ  ｅｔ  ａｌ．による「Ｎｅｕｒｏｍｕｓｃｕｌａｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｅｘｅｒｃｉｓｅ：  Ａ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ｔｏ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｅｘｅｒｃｉｓｅ  Ｉｎ  Ｔｈｅ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｏｆ  Ｔｙｐｅ  ２  Ｄｉａｂｅｔｅｓ（Ｂｒｉｔｉｓｈ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｉａｂｅｔｅｓ（２０１７）１７（２）：４６−５１）と題された記事は、ＮＭＥＳ刺激が、２型糖尿病を患っている比較的に健康な患者のための物理的運動の代用品として使用され、体組成および空腹時血糖レベルにおける有意な改善をもたらしたことの研究の結果を説明している。しかしながら、本記事に示されるように、パイロット試験が、ＮＭＥＳが太りすぎ／肥満女性患者によって広く受け入れられていないことを実証したため、男性参加者のみが、研究のために募集された。したがって、前述の記事は、ＮＭＥＳが、２型糖尿病を治療するための有望性を保持するが、これまでに公知になっているＮＭＥＳシステムの不利点は、そのようなシステムが、そのような治療から利点を享受し得る、意図される標的母集団の大群のために好適ではないことを示す。
【００１３】
同様に、Ｍａｆｆｉｕｌｅｔｔｉ  ｅｔ  ａｌ．による「Ｅｆｆｅｃｔ  Ｏｆ  Ｇｅｎｄｅｒ  Ａｎｄ  Ｏｂｅｓｉｔｙ  Ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ」（Ｍｕｓｃｌｅ  ＆  Ｎｅｒｖｅ，（２０１１）８：１−６）と題された記事は、神経筋刺激の有効性に及ぼす性別および肥満の影響を説明しており、女性が、男性より低い閾値において疼痛および不快感を被る傾向にあり、筋肉をアクティブ化するために要求される電流閾値が、非肥満対象より肥満対象において高く、肥満対象が、低減された電流許容度を有する傾向にあることを述べている。それらの所見は、これまでに公知になっている筋肉刺激システムの不利点をハイライトし、そのような短所に対処し、患者コンプライアンスを改善し、ＮＭＥＳシステムの標的母集団を拡大させる、改善されたＮＭＥＳシステムの必要性を強調する。
【００１４】
最後に、Ｎｏｓａｋａ  ｅｔ  ａｌ．による「Ｍｕｓｃｌｅ  Ｄａｍａｇｅ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ」（Ｅｕｒ  Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓｉｏｌ（２０１１）１１１：２４２７−２４３７）と題された記事は、ＮＭＥＳが、横紋筋融解症を含む、筋肉傷害を生じさせる潜在性と、虚弱または高齢者患者のために好適なＮＭＥＳ処方計画は、傷害を誘発することとは対照的に、利点を取得するために、慎重に用量が設定され、監視されなければならないことの注意点とを説明している。
【００１５】
故に、前述の研究は、非常に有望であるが、これまでに公知になっている筋肉刺激デバイスおよび技法は、いくつかの短所を有する。１つの有意な短所は、上記に述べられたように、電気刺激によって生じる不快感である。本不快感を低減させるために、臨床医は、典型的には、最初に、電気刺激をその標的に向かって指向するために、患者上の運動点（運動神経が筋肉に伝達を行う）を位置特定し、それによって、筋収縮を生じさせるために要求される刺激の最低振幅を使用するであろう。しかしながら、皮膚層内の感覚神経からの患者不快感は、典型的には、電極を運動点の近傍に設置することと、疼痛のある感覚神経の刺激を回避することとの間のトレードオフを要求する。したがって、運動点を適正に刺激し、疼痛を患者に生じさせずに、完全筋収縮を達成することは、非常に困難であり得る。また、文献によって実証されるように、本状況は、特に、太りすぎ患者、肥満患者、慢性静脈不全または流体貯留から四肢の腫脹を患う患者、不安症患者、または末梢または中枢神経系の感覚過敏性に悩まされる患者では、困難であり得る。
【００１６】
経表皮的電気刺激の既存のアプローチでは、比較的に高電流強度（振幅）が、多くの場合、皮膚および皮下脂肪の層に穿通するために要求される。従来のＮＭＥＳは、多くの個人において強筋収縮を生成するために要求される、高電流強度では、不快感またはさらに有意な疼痛を生じさせ得る。これは、皮膚表面と筋肉の神経分布との間に位置する感覚線維および筋肉痛受容体および線維の不注意によるアクティブ化に起因する。使用することができる、電流強度の程度は、患者不快感によって限定される。一部の患者に関して、電気刺激の感覚は、耐えられないものであって、そのような患者は、治療オプションとしてのＮＭＥＳを完全に否認する。その他の者は、最適振幅または治療持続時間に関して低許容度を有し得、したがって、彼らは、準最適治療を受けることになり、これは、療法の有効性を限定し得る。
【００１７】
現在利用可能な技術の別の欠点は、治療セッションが、典型的には、４〜８週間にわたって、週３回、セッションあたり３０〜６０分に限定されることである。言い換えると、ＮＭＥＳは、長時間周期のために使用されない。疼痛に加え、ＮＭＥＳはまた、特に、病気または高齢者患者において、刺激に関連する皮膚炎症、電気皮膚損傷、筋肉損傷、腎障害、および／または生理学的代償不全等の他の望ましくない副作用を生じさせ得る。
【００１８】
ＮＭＥＳは、患者のある亜集合には良好に機能し得る。しかしながら、各患者の生理学は、時として、極端に、相互に異なる。ＮＭＥＳは、典型的には、複数の組織層を通して、エネルギーを送達し、標的神経組織に到達させることを伴い、患者は、皮膚インピーダンス、体重、身長、体組成、体脂肪の割合、筋肉量、水分量、および多くの他の物理的特性において、広く異なる。例えば、目標が、筋肉の真下の神経組織を経皮的に変調させることである場合、エネルギーは、表皮、真皮、皮下脂肪、筋膜、および筋肉を通して通過しなければならない。皮膚表面と標的神経組織との間の距離は、患者毎に、また、所与の患者に関しては、組織浮腫の程度、筋収縮の存在（筋肉をより短くより厚くする）、四肢位置、および皮膚表面上の電極の場所に応じて、変動し得る。例えば、皮下脂肪厚は、個人別に変動する。太りすぎまたは肥満の患者は、痩せ気味または正常体重の患者より厚い皮下脂肪の層を有するであろう。また、可変レベルの組織浮腫を伴う患者（例えば、心不全に起因する間質液、「第３間隙」の流体、腎不全、栄養失調、ＩＶ流体による医原性容量過負荷、無気力等）は、皮膚表面から標的神経組織まで異なる距離を有するであろう。また、神経の解剖学的寸法、場所、および分岐においても、患者間変動が存在する。さらに、神経直径、場所、分岐、髄鞘化、および密度も、人物毎に変動する。感覚および運動閾値は、年齢および性別によって影響される。神経機能もまた、所与の患者の健康の状態に起因して、患者毎および患者の身体の部分毎に変動する。複数の硬化症、糖尿病、ギラン・バレー症候群、および癌等の慢性の免疫学的障害は、外傷、炎症、または圧迫症候群からの急性神経傷害として、神経機能不全につながり得る。これらの多くの変数に起因して、患者毎のエネルギー送達治療が、その患者の具体的生理学に対して調節され、許容可能であるが効果的な筋収縮を最も効果的に生じさせる必要がある。現在利用可能なＮＭＥＳデバイスおよび方法は、本変動を考慮しない。
【００１９】
したがって、患者における筋収縮を刺激するための改善されたデバイス、システム、および方法を有することが有利であろう。理想的には、そのようなデバイス、システム、および方法は、自宅および他の場所において患者によって安全に使用され得るように構成される。
【００２０】
また、患者がより長期の継続筋収縮療法から利点を享受し得るように、延長された持続時間にわたって安全に実施され得る、筋収縮治療を行うためのシステムおよび方法を提供することが望ましいであろう。さらに、様々な身体タイプ、組成、物理的病気または障害、および同等物を伴う患者が、安全に、かつ殆どまたは全く疼痛または他の副作用を伴わずに、療法を受け得るように、高度にカスタマイズ可能である、筋収縮を誘発するためのシステムおよび方法を提供することが望ましいであろう。理想的には、そのようなデバイス、システム、および方法は、療法の間、その位置が変化するときでも、許容可能方式において、運動点が刺激されるように、患者の変化する位置に適合し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第７，２５７，４４８号公報
【特許文献２】米国特許第８，１４５，３１８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願は、１つ以上の健康利点を達成または保存するために、患者における筋収縮を刺激するためのデバイス、システム、および方法を説明する。本開示において使用されるように、単語「患者」は、任意のヒトまたは動物対象を意味する。本発明の原理によると、筋収縮は、種々の実施形態では、神経幹、神経分岐、終神経端、運動点、ゴルジ受容体、ゴルジ腱器官、筋紡錘、または任意の他の神経組織であり得る、神経組織を刺激することによって誘発される。神経組織は、結合組織、筋膜、靱帯、筋肉、軟骨、骨膜、および骨等の他の組織内に埋められ得る。一般に、本明細書に説明される実施形態は、１つ以上の刺激装置と、１つ以上のセンサと、１つ以上の患者インターフェースユニットと、信号からのデータを処理し、信号を他の構成要素に提供するための少なくとも１つのプロセッサとを含む。
【００２３】
刺激装置は、例えば、皮膚に適用されるパッチまたは衣類上に位置する、電極、１つ以上の埋込可能電極、電極を伴う経皮的導線、磁気神経刺激装置、超音波神経刺激装置、または類似構造の形態をとってもよい。センサは、筋収縮センサ、筋肉状態センサ、バイタルサインセンサ、皮膚接触センサ、療法エンドポイントセンサ、運動センサ、および／または同等物を含んでもよい。本発明の原理に従って構築された典型的実施形態は、少なくとも筋収縮センサと、患者パラメータ、例えば、筋疲労、疼痛等を感知するための少なくとも１つの他のセンサとを含んでもよい。
【００２４】
いくつかの実施形態では、刺激装置、センサ、プロセッサおよび／または患者インターフェースユニットは、１つのデバイス内にともに組み合わせられてもよい。例えば、一実施形態では、複数の刺激装置、センサ、およびプロセッサが、皮膚パッチ内に含まれてもよく、患者インターフェースユニットは、皮膚パッチと無線で通信してもよい。そのような実施形態はまた、身体上の他の面積上に取り付けられるように構成される、皮膚パッチから離間して設置される、心電図（ＥＣＧ）デバイスまたは筋電図（ＥＭＧ）デバイス等、１つ以上の別個のセンサを含んでもよい。
【００２５】
本発明に従って構築されたシステムおよびデバイスおよびその使用方法のこれらおよび他の側面は、添付の図面を参照して下記にさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、一実施形態による、筋収縮刺激システムの構成要素の概略図である。
【００２７】
【図２】図２は、本発明の原理に従って構築された筋収縮刺激システムの皮膚パッチ実施形態を装着する、患者の概略図である。
【００２８】
【図３】図３は、図２の筋収縮刺激システムの皮膚パッチ実施形態の内部構成要素および患者インターフェースユニットの斜視図である。
【００２９】
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、使い捨て皮膚接触電極パッドの２つの代替実施形態の底部斜視図であって、そのいずれも、筋収縮刺激システムの皮膚パッチ部分の一部であり得る。
【００３０】
【図５】図５は、一実施形態による、皮膚接触電極パッドおよび外部筐体の下からの斜視図である。
【００３１】
【図６】図６は、皮膚表皮の角質層に穿通するように設計される電極を有する、電極設計の例証である。
【００３２】
【図７】図７は、筋肉刺激システムのプロセッサのために使用される制御およびパラメータ設定を示す、患者インターフェースユニットのディスプレイ画面の図である。
【００３３】
【図８】図８は、ＲＦＩＤシステムが商標保護および安全性のために使用される、筋肉刺激皮膚パッチの代替実施形態の例証である。
【００３４】
【図９】図９は、本発明の一実施形態による、筋収縮刺激システムの皮膚パッチ上の電子構成要素のレイアウトの平面図である。
【００３５】
【図１０】図１０は、筋収縮刺激システムの皮膚パッチ部分の電子構成要素間の電気信号のフローを図示する、略図である。
【００３６】
【図１１】図１１は、本発明の一側面による、筋収縮刺激療法を送達するための方法を図示する、フローチャートである。
【００３７】
【図１２】図１２Ａおよび１２Ｂは、刺激療法において採用されるいくつかの電極の排除の結果として電流経路が変化する、パッド上の電極セット間を進行する電流の経路を図示する、電極パッドの概略斜視図である。
【００３８】
【図１３】図１３は、本発明の代替筋収縮刺激方法を図示する、フローチャートである。
【００３９】
【図１４】図１４は、本発明のさらなる代替筋収縮刺激方法を図示する、フローチャートである。
【００４０】
【図１５】図１５は、本発明の一側面に従って構築された筋収縮刺激システムの電気刺激ユニットの簡略化された回路図である。
【００４１】
【図１６】図１６Ａおよび１６Ｂは、それぞれ、本発明の筋収縮刺激システムにおいて使用するために好適な電極セットおよびその関連付けられたスイッチの第１の段階（図１６Ａ）および第２の段階（図１６Ｂ）の簡略化された回路図である。
【００４２】
【図１７】図１７は、本発明の筋肉刺激システムと併用するために好適な電気刺激波形の詳細を図示する、グラフである。
【００４３】
【図１８】図１８は、電気刺激療法のためのタイミング信号を図示する、グラフである。
【００４４】
【図１９】図１９は、図の上側部分に示される電気刺激の印加から生じる筋肉の力を図示する、グラフである。
【００４５】
【図２０】図２０は、患者ユーザインターフェースと複数の筋収縮刺激パッチとの間の無線コネクティビティ構成を図示する、略図である。
【００４６】
【図２１】図２１Ａおよび２１Ｂは、それぞれ、その下肢に適用される複数の筋収縮刺激皮膚パッチを有する、患者の側面図と、筋収縮療法のタイミングを図示する、ＥＣＧトレーシングおよびチャートである。
【００４７】
【図２２】図２２は、本発明の側面による、筋収縮刺激のためのタイミングウィンドウを図示する、ＥＣＧトレーシングおよび心弾動図曲線である。
【００４８】
【図２３】図２３Ａ−２３Ｄは、患者の生理学的必要性に経時的に調節される、収縮刺激のプログラムのためのＥＣＧトレーシングおよび筋収縮刺激療法タイミングである。
【００４９】
【図２４】図２４は、本発明による、筋収縮刺激療法タイムラインを図示する、チャートである。
【００５０】
【図２５Ａ】図２５Ａおよび２５Ｂは、それぞれ、大腿神経を標的化するように設置された筋収縮刺激パッチを伴う患者の正面図と、下層生体構造に関連する皮膚パッチの場所の概略図である。
【図２５Ｂ】図２５Ａおよび２５Ｂは、それぞれ、大腿神経を標的化するように設置された筋収縮刺激パッチを伴う患者の正面図と、下層生体構造に関連する皮膚パッチの場所の概略図である。
【００５１】
【図２６】図２６は、電気回路理論に基づいて刺激されている、組織の近似モデルの例証である。
【００５２】
【図２７】図２７Ａ−２７Ｃは、電気回路理論に基づいて刺激されている、組織の近似モデルの簡略化されたバージョンを図示する。
【００５３】
【図２８】図２８Ａおよび２８Ｂは、それぞれ、２つの対の電極が対称的に位置付けられるときの組織内の電流密度の正規化された強度の等高線プロットと、２つの対の電極がオフセットを伴って位置付けられるときの電流密度の正規化された強度の等高線プロットであって、データは、コンピュータを用いたモデルを使用して取得された。
【００５４】
【図２９】図２９は、２つの対の電極が対称的またはオフセットを伴って位置付けられるときの組織内の最大電流密度の２次元プロットであって、データは、コンピュータを用いたモデルを使用して取得された。
【００５５】
【図３０】図３０は、２つの対の電極が対称的またはオフセットを伴って位置付けられるときの、コンピュータを用いたモデルを使用して取得され、脚部の断面の略図にわたって重畳される、組織内の最大電流密度の２次元プロットである。
【００５６】
【図３１】図３１Ａおよび３１Ｂは、それぞれ、２つの対の電極が対称的に位置付けられるときの組織内の電流密度の正規化された強度の等高線プロットと、２つの対の電極がオフセットを伴って位置付けられるときの組織内の電流密度の正規化された強度の等高線プロットであって、データは、インビトロモデルを使用して取得された。
【００５７】
【図３２】図３２は、電気刺激の印加と関連付けられた疼痛の低減のための方法論のうちの１つの有用性を実証するために行われた、インビボ研究の間の電極設置を示す、略図である
【００５８】
【図３３】図３３は、一実施形態による、脚筋を標的化するように設置された筋音図（「ＭＭＧ」）センサを含有する、筋収縮刺激パッチを伴う患者の側面図である。
【００５９】
【図３４】図３４は、図３３に描写されるようなシステムを使用して単一刺激セッションの間にある人物の脚筋から収集された、ＭＭＧ信号の例証的時間ドメインプロットである。
【００６０】
【図３５】図３５は、図３４の時間ドメインプロットに対応する単一刺激セッションの間にある人物の脚筋から収集された、ＭＭＧ信号の周波数ドメインプロットである。
【００６１】
【図３６】図３６は、その間、刺激振幅が最大収縮のために要求されるものを下回って保たれる、長期刺激セッションの間にある人物の脚筋から収集された、ＭＭＧ信号の二乗平均平方根（「ＲＭＳ」）値を描写する、プロットである。
【００６２】
【図３７】図３７は、３つの異なる周波数におけるＭＭＧ信号の電力含有量を描写する、プロットであって、ＭＭＧ信号は、長期刺激セッションの間にある人物の脚筋から収集され、刺激振幅は、最大収縮のために要求されるものを下回って保たれた。
【００６３】
【図３８】図３８は、長期刺激セッションの間にある人物の脚筋から収集された、ＭＭＧ信号のＲＭＳ値であって、刺激振幅は、最大収縮のために要求されるものを上回って保たれた。
【００６４】
【図３９】図３９は、３つの異なる周波数におけるＭＭＧ信号の電力含有量であって、ＭＭＧ信号は、長期刺激セッションの間にある人物の脚筋から収集され、刺激振幅は、最大収縮のために要求されるものを上回って保たれた。
【００６５】
【図４０】図４０は、本発明の埋込可能筋収縮刺激装置の軸方向断面図である。
【００６６】
【図４１Ａ】図４１Ａは、ヒト脚部の生体構造の断面図である一方、図４１Ｂは、外部電子コントローラに無線で結合されるように構成される筋収縮刺激装置を埋め込まれた、脚部の断面図である。
【図４１Ｂ】図４１Ａは、ヒト脚部の生体構造の断面図である一方、図４１Ｂは、外部電子コントローラに無線で結合されるように構成される筋収縮刺激装置を埋め込まれた、脚部の断面図である。
【００６７】
【図４２】図４２は、本発明の原理による、図４０の埋込可能筋収縮刺激装置をアクティブ化するための外部コントローラを示す、脚部の側面図である。
【００６８】
【図４３】図４３は、図４０の埋込可能筋肉刺激装置システムを制御し、それに給電するための代替システムの側面図である。
【００６９】
【図４４】図４４は、図４０の埋込可能筋肉刺激装置のものに類似する構成要素を有する、可撓性埋込可能筋収縮刺激装置の軸方向断面図である。
【００７０】
【図４５】図４５は、図４０に描写される筋収縮刺激装置の埋込を示す、軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
別様に定義されない限り、本明細書で一般に使用される全ての技術的および科学的用語は、関連技術における当業者によって一般に理解されるもの同一意味を有する。
【００７２】
冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本明細書では、その冠詞の文法的目的語の１つまたは１つを上回る（すなわち、少なくとも１つ）ものを指すために使用される。例えば、「要素」は、１つの要素または１つを上回る要素を意味する。
【００７３】
用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備える）」は、限定ではないが、どのようなものであれ、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備える）」に続くものを含む。本用語の使用は、列挙された要素が、要求される、または必須であるが、他の要素は、随意であって、存在する場合とそうではない場合があることを示す。
【００７４】
用語「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ（〜から成る）」は、どのようなものであれ、語句「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ（〜から成る）」に続くものを含み、それに限定される。本語句は、限定された要素が、要求される、または必須であって、他の要素が、存在し得ないことを示す。
【００７５】
用語「セット」は、同一カテゴリからのアイテムのうちの１つ以上のものを意味する。
【００７６】
「マイクロプロセッサ」は、信号を生成する、入力を収集する、入力に基づいて、決定を行う、およびシステム内の他のデバイスと通信することを含む、あるタスクを行うようにプログラムされ得る、電子デバイスである。
【００７７】
「患者」は、ヒトまたは動物対象である。患者は、明らかなこととして、健康な個人、疾患を患っている個人、または急性病態または慢性疾患を治療されている個人であることができる。
【００７８】
用語「電子機器」は、抵抗器、コンデンサ、インダクタ、および結晶等の受動構成要素、増幅器およびトランジスタ等の能動構成要素、およびコネクタ、導体、およびアンテナを含む、電子構成要素のセットを指す。
【００７９】
「筋電図」またはＥＭＧは、随意的作用または電気刺激のいずれかによって誘起される、収縮の間に骨格筋によって発生される、電気信号である。
【００８０】
「心電図」またはＥＣＧは、随意的作用または電気刺激のいずれかによって誘起される、収縮の間に心筋によって発生される、電気信号である。
【００８１】
「脳波」またはＥＥＧは、その正常機能の間に脳によって発生される、電気信号である。
【００８２】
「筋音図」またはＭＭＧは、筋肉によって生成された物理的運動に比例する、電気信号である。
【００８３】
「心弾動図」は、心拍動に続いて拍動血流から生じる、身体の種々の部分における組織の物理的運動に比例する、電気信号である。
【００８４】
「電極」は、ヒトおよび動物の組織への電流の送達のため、および／または心電図、筋電図、および脳波等、ヒトおよび動物の組織によって生成された電気信号の感知のために使用される、伝導性または半伝導性要素である。
【００８５】
「電気雑音」または「雑音」は、別の着目信号上に重畳される、望ましくない信号である。
【００８６】
「加速度計」は、デバイスの物理的加速に比例する電気信号を生産する、デバイスである。そのようなデバイスは、１、２、または３次元、または３つのうちのいずれかまたは全ての軸の周囲の回転における、物理的活動に応答し得る。
【００８７】
「温度センサ」は、デバイスの物理的温度に比例する電気信号を生産する、デバイスである。半伝導性体、熱電対、抵抗温度検出器（「ＲＴＤ」）、またはサーミスタであることができる。
【００８８】
「組織インピーダンス」は、電気信号がその上に引き出されるときに組織が提示する、抵抗の測定値である。インピーダンスは、それぞれ、同相および異相成分に対応する、実成分および虚成分を含む、複素量から成る。
【００８９】
上記に説明されるように、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）は、任意の数の有害な生理学的応答を生じさせ得るため、治療モダリティとしていくつかの不利点を有する。ＮＭＥＳ治療は、疼痛を伴い得、疼痛もまた患者内に誘発せずに、有意な筋収縮を刺激することは困難であり得る。患者は、炎症される、熱傷される、または別様に損なわれ得る、繊細な皮膚を有し得る。患者は、多くの場合、高齢であって、および／またはＮＭＥＳによって悪化され得る、病気を有する。過剰なＮＭＥＳは、筋肉虚血、浮腫、または分解（横紋筋融解症）を生じさせ得る。したがって、ＮＭＥＳを提供するための現在のシステムおよび方法は、典型的には、患者によって長時間周期にわたって自己投与されない、またはいくつかの副作用のいずれかが生じ得るため、併存疾患を伴う個人によって、自宅または医院または病院外で使用されない。非監督下のＮＭＥＳによって生じ得る、副作用の実施例は、生理学的代償不全（不整脈、低血圧症、高血圧症、頻脈、徐脈、多呼吸、低換気、発熱、低温度症）、皮膚傷害、低血糖症、高カリウム血症、横紋筋融解症、腎障害、および筋収縮が干渉し得る、歩行中、運転中、または他の活動を実施中の望ましくない筋収縮を含む。長期ＮＭＥＳはまた、最終的に、筋疲労および低下につながるであろう。要するに、有害な生理学的応答は、以下、すなわち、疼痛、筋肉痛、皮膚痛、神経痛、皮膚炎症、皮膚熱傷、皮膚傷害、機能低下皮膚、慢性的病気または複数の病気の悪化、併存症または複数の併存症の悪化、筋肉虚血、筋浮腫、筋疲労、筋肉低下、横紋筋融解症、生理学的代償不全、不整脈、低血圧症、高血圧症、頻脈、徐脈、多呼吸、低換気、発熱、低温度症、低血糖症、高カリウム血症、低カルシウム血症、血清電解質障害、腎障害、心虚血、心拍出量低下、息切れ、睡眠障害、またはそれを用いて筋収縮が干渉し得る、他の活動を実施中の望ましくない筋収縮のうちの１つ以上のものを含み得る。
【００９０】
本願は、１つ以上の標的筋肉を神経支配する、１つ以上の標的神経組織を刺激することによって、患者における筋収縮を刺激するデバイス、システム、および方法を説明する。本明細書に説明される実施形態は、概して、刺激装置と、センサと、患者インターフェースユニットと、プロセッサとを含む。これらの４つの構成要素はそれぞれ、外部から皮膚に適用され、および／または埋込可能構成要素を含む、デバイスを含む、複数の代替実施形態に関して下記により詳細に説明される。一般に、本明細書に説明されるデバイス、システム、および方法は、療法セッションあたり長時間周期（例えば、１〜８時間）にわたって印加され、より頻繁な療法セッション、より長い療法過程、およびより便宜的療法を可能にし得る、例えば、その自宅または他の便宜的場所において、少なくとも部分的に、患者によって、投与および／または制御される、筋収縮療法を提供する。本便宜的であって、より長く、したがって、より効果的な治療処方計画は、刺激を標的化し、患者疼痛を最小限にし、より効果的神経組織刺激、したがって、筋収縮を提供し、電場の形状を改変し、患者移動に対して調節し、副作用および有害な事象を監視し、電場形状を自動的に調節し、必要に応じて、刺激を休止する、またはシステムをシャットオフし、安全性を助長するように特徴を構築することによって達成される。
【００９１】
本発明のＮＭＥＳシステムにおける使用のために、予期される刺激パラメータは、非痙攣波状パルス列に関しては、２〜１０Ｈｚ、または痙攣波状パルス列に関しては、２０〜１００Ｈｚの範囲内の周波数の使用を含み、筋収縮を誘発するために十分な振幅およびパルス持続時間０．２〜１ミリ秒を伴う。好ましいパルス形状は、正弦波または方形波のいずれかの形状であって、電荷平衡され、過剰な疲労を伴わずに、または筋肉損傷を生じさせずに、所望のパルス収縮目標を達成するように選択される、デューティサイクルを含むべきであることが検討される。
【００９２】
骨格筋の随意的収縮は、電気インパルスが、神経と標的筋肉との間の神経筋接合部に到達する神経を通して進行するとき、誘起される。骨格筋の不随意的収縮は、電子回路を使用して、電気パルスを同一神経筋接合部に供給することによって、誘発され得る。そのような不随意的収縮を生成するために、パルス発生器に取り付けられる電極が、パルスを標的組織に送達するために使用される。
【００９３】
筋肉の刺激のために使用される電極は、埋込可能である、すなわち、導線を介して、導線の電極が、組織内、好ましくは、標的化された神経筋接合部の近傍に配置されるように、経皮的または皮下に設置されてもよい。代替として、電極は、外部にあって、皮膚に適用されることができる。後者の場合、刺激電流は、１つ以上の電極から組織に進入し、電流の少なくとも一部が神経筋接合部に到達するように、組織を通して流動し、別の電極または複数の電極を介して、組織から退出し、刺激装置に戻り、電気回路を完成させる。
【００９４】
直流、すなわち、ＤＣの送達は、組織を損傷させ得る。電荷平衡される、パルス状電流でさえ、組織上の残される結果として生じる正味電荷がイオン非平衡を生じさせ、電極の近傍の組織および標的組織自体に害を及ぼすため、有害であることが公知である。故に、電荷平衡された、すなわち、交流極性を伴う、パルスまたはＡＣが、一般に、励起可能組織の刺激のために好ましい。
【００９５】
刺激パルスは、任意の形態を有してもよいが、しかしながら、正弦波または方形波形状を伴うものが、概して、好ましい。個々の刺激パルスに対する組織の応答は、バイナリである傾向にある、すなわち、閾値下刺激は、通常、筋肉の収縮をもたらさない。個々の刺激パルスの強度は、パルスの振幅を向上させる、その持続時間を延長させる、または両方のいずれかによって、増加され得る。パルスの反復的印加は、パルス列として知られる、パターンを形成する。
【００９６】
組織の刺激のために好適なパルス列は、１〜２５以上の、パルスの数を有し得る。一般に、パルス、すなわち、正および負のパルスの各位相は、５０マイクロ秒〜２ミリ秒にわたって続くが、ＮＭＥＳシステムにおいて使用される大部分のパルスは、一般に、２００マイクロ秒〜１ミリ秒の持続時間を有する。二相性刺激パターンを生成するために、第１のパルス直後に、反対極性の等しい振幅を有する別のパルスが続く。いくつかの実装では、２つの位相、すなわち、正および負のパルスの振幅は、等しくない。その場合、これらのパルスの持続時間は、より低い振幅を伴うパルスが、より長い持続時間を有し、その逆も同様であるように、電荷平衡を維持するように調節される。
【００９７】
列内の２〜１０Ｈｚの率で繰り返されるパルス対は、非痙攣波状収縮を作成し得、各パルス対の印加から生じる筋肉の個々の収縮は、患者によって感じられ得る。より高い率では、筋肉は、概して、列内のパルス対間に弛緩するために十分な時間を有しておらず、収縮は、重複し始める。刺激が、率２０Ｈｚまたはそれを上回って印加されると、大部分の筋肉の個々の収縮は、融合し、痙攣波状収縮を形成する。刺激パルスの列が、印加され続ける限り、筋肉は、収縮されたままであろうが、数秒後、疲労が、始まり、刺激強度は、収縮を維持するために増加される必要があり得る。
【００９８】
組織への電気刺激の送達のために使用される電極は、分極可能または非分極可能タイプのいずれかであってもよい。正味電流が組織の中に解放されない、電極は、理想的には、分極可能電極と称される。そのような電極は、単純コンデンサとしてモデル化されることができる。一般に、理想的分極可能電極の静電容量は、１０〜３０マイクロファラッド／ｃｍ２の範囲内である。分極可能電極は、コンデンサとして作用するため、電流が組織の中に注入されるにつれて、電圧を組織−電極インターフェースに構築する。他方では、理想的非分極可能電極は、電流が、妨害物なく、流動することを可能にし、注入された電気電荷は、組織内のイオンによって収容される。非分極可能電極に関して、組織−電極インターフェースを横断した電圧の変化は、電流の通過に応じて生じず、故に、電極は、組織に送達されている電流の量に鈍感なままである。本特性に起因して、非分極可能電極は、概して、組織への電気刺激の送達のためのＮＭＥＳシステムにおいて使用され、本発明と併用するために好ましい。
【００９９】
下記に議論されるように、本発明のシステムにおいて使用するために好適な電極タイプは、概して、炎症を生じさせずに、皮膚と長期（１〜８時間）接触するために好適である、または埋込可能電極を要求するそれらの実施形態のための埋込のために好適である、生体適合性材料、金属、または金属合金から作製されるべきである。経表皮的刺激のために、電極は、好ましくは、患者の生体構造に共形化され、隣接する電極間に過剰なクロストークを伴わずに、患者の皮膚への電気結合を促進する、生体適合性周囲ゲルを含み得る、可撓性基板上に配置される。
【０１００】
経表皮的筋収縮シミュレータ、システム、および方法
ここで図１を参照すると、本発明の原理に従って構築された筋収縮刺激システム１０の第１の実施形態は、刺激装置１１と、プロセッサ１３と、センサ１５と、患者インターフェースユニットとを含む。これらの構成要素、すなわち、刺激装置１１、プロセッサ１３、センサ１５、および患者インターフェースユニット１６は、それぞれ、本願では、単数形で頻繁に参照されるが、本発明のシステムは、複数のそのような構成要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、刺激装置１１、プロセッサ１３、センサ１５、および／または患者インターフェースユニット１６は、１つのデバイス内にともに組み合わせられてもよい。例えば、１つの好ましい実施形態では、複数の刺激装置１１、プロセッサ１３、およびセンサ１５は、皮膚パッチ１２内に含まれてもよい。そのような実施形態はまた、皮膚パッチから離間して設置される、心電図（ＥＣＧ）デバイス、筋電図（ＥＭＧ）、または筋音図（ＭＭＧ）デバイス等、身体上の他の面積に取り付けるための、１つ以上の別個のセンサデバイスを含んでもよい。多くの異なる組み合わせおよび構成が、可能性として考えられ、そのうちのいくつかは、下記でさらに議論される。
【０１０１】
患者インターフェースユニット１６は、患者が、システムの１つ以上の他の構成要素と通信することを可能にする、スマートフォン、タブレットデバイス、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ等の任意のデバイス上にロードされる、好適なプログラミングまたはソフトウェアを含む。代替として、患者インターフェースユニット１６は、筋収縮刺激システム１０との併用のためのみプログラムされる、専用デバイスであってもよい。好ましい実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、患者によって、神経組織の刺激の間または後、疼痛を感じたかどうかを示す、入力を提供するために使用されてもよい。例えば、患者は、頻脈、心拍数変動、血圧、または交感神経活動等の疼痛のマーカの検出後、不快感を確認するようにプロンプトされてもよい。代替として、患者は、プロセッサ１３によって、印加される刺激処方計画を調節するために使用される、不快感の感覚を示してもよい。患者インターフェースユニット１６は、患者が、他の情報をシステム１０に入力し、システムをオンおよびオフにし、刺激装置１１によって提供される刺激電流の量を調節し、患者のバイタルサインおよび／または他の生理学的情報を閲覧し、および／またはシステム１０によって送達されている療法についての情報を閲覧することを可能にする等、他の使用のためにも同様に構成されてもよい。プロセッサ１３は、信号をセンサ１５および患者インターフェースユニット１６から受信し、それらの信号を処理し、神経組織を刺激し、筋収縮を助長する時間および方法に関する、信号を刺激装置１１に提供する。
【０１０２】
本発明のシステム１０は、以前および現在利用可能なＮＭＥＳデバイスに優るいくつかの一意の改善を提供する。例えば、システム１０は、患者の疼痛の感覚を示す、入力を患者インターフェースユニット１６から受信し、その情報を使用して、その刺激装置１１を使用した特定の患者の生体構造および生理学のための神経組織刺激をカスタマイズするように構成される。システム１０はまた、標的筋肉が収縮するとき（および収縮の量）を感知し得る、センサ１５だけではなく、また、その出力が筋収縮治療の安全性および／または有効性を向上させるために利用される、患者の少なくとも１つの他のパラメータを感知する、センサの組み合わせを含む。例えば、種々の実施形態では、センサ１５は、患者のバイタルサイン、筋疲労または損傷、臨床エンドポイントを示す生理学的兆候に到達した、および／または同等物を感知するために使用されてもよい。加速度計等のセンサが、患者が、もたれかかった位置から着座位置または座位から立位に移動する等、位置を変化させるように試みているかどかを検出するために使用されてもよい。感知されるデータは、次いで、システム１０によって、自動的に、筋収縮療法を休止、調節、またはシャットオフするために使用されてもよい。したがって、システム１０は、筋収縮療法が、より長い時間周期にわたって、およびより長い治療過程にわたって、低減された直接監視を伴って、病院または医院外または臨床設定で安全に使用され得るように構築された安全性および有効性特徴とともに、患者毎に、カスタマイズされた筋収縮刺激療法を提供する。
【０１０３】
システム１０の別の利点は、療法セッションの間、同一患者の複数の筋群を治療するために使用され得ることである。従来のＮＭＥＳシステムは、四頭筋等の単一筋群を標的化することが公知である。従来のＮＭＥＳシステムを使用して、２つの四頭筋および２つの膝腱等の４つの大筋肉を刺激するためには、患者は、典型的には、少なくとも８つのワイヤと、８つの別個の電極と配線される必要があり、これは、そのようなシステムの初期配線プロセスおよび保守を、困難で、時間がかかり、かつ煩雑にする（したがって、そのような治療を医療設備のみに規制する）であろう。対照的に、本発明のシステム１０は、例えば、順次遠位／近位刺激パターンにおいて、１つの筋群または複数の筋群上での使用のために構成され、血液を脚部から体幹に圧送することに役立つ。いくつかの実施形態では、システム１０は、全ての電子構成要素を皮膚パッチ内に提供し、皮膚パッチを患者インターフェースユニット１６と無線通信させることによって、これを遂行する。
【０１０４】
骨格筋の経表皮的電気刺激の使用と関連付けられた２つの一般的問題は、皮膚表面に近接する感覚神経の不注意による刺激（疼痛を生じさせる）と、運動点を捕捉／刺激するための電極の正しい設置を判定する際の難点である。これは、特に、薬物によって鎮静されていない患者において関連する。システム１０は、患者が、フィードバックをシステム１０の中に入力し、疼痛低減および臨床上有意な筋収縮の所望の組み合わせが達成されるまで、システム１０内のある刺激電極を自動的にオフにすることを可能にすることによって、これらの問題を解決する。代替として、他の実施形態は、有害な刺激を検出し、そのようなセンサ出力に応答して、疼痛低減および臨床上有意な筋収縮の所望の組み合わせが達成されるまで、システム１０内のある刺激電極を自動的にオフにする、１つ以上のセンサを提供してもよい。
【０１０５】
システム１０はまた、筋収縮療法のための長期非監督下電気刺激の安全性に対処する。好ましい実施形態では、システム１０は、センサ１５によって提供される情報を使用して、筋疲労、筋肉損傷、および横紋筋融解症等の同等物を判定し、そのようなセンサ出力に応答して、刺激処方計画を改変または停止する。限定ではないが、加速度計、ＥＭＧセンサ、圧力センサ、インピーダンスセンサ、または筋音図センサ（振動検出器、マイクロホン、または超音波センサ等）等のセンサ１５が、本目的のために使用されてもよい。
【０１０６】
故に、本発明の原理に従って構築されたシステム１０の筋収縮刺激実施形態は、患者が、食事、読書、テレビ鑑賞、安静、睡眠、および／または同等物中、従来のシステムより長い、例えば、一度に１〜８時間以上の時間周期にわたって使用されてもよい。好ましくは、筋収縮刺激システム１０は、患者によって、自己投与される、または少なくとも患者によってオフおよびオンにされ、それによって、これまでに公知になっているＮＭＥＳシステムと比較して、所望の健康利点をより効果的に達成するために、長期治療過程にわたる自宅使用を促進するように構成される。システム１０は、非安全条件を示す筋収縮およびパラメータを感知するだけではなく、また、１つ以上の治療目的が個々の治療セッションにわたって達成されたことを感知し得る。例えば、システムが、患者における２型糖尿病を治療するために使用される場合、システムは、いったんシステムが、患者のグルコースレベルが標的レベルに到達したことを感知すると、自動的に、筋収縮の刺激を停止してもよい。いくつかの実施形態では、システムは、筋疲労を検出し、刺激を休止する、または刺激パラメータを変化させ、筋肉が回復することを可能にしてもよい。また、代替として、または加えて、いくつかの実施形態は、刺激の部位を変化させ、線維の異なるセットが刺激される間、ある筋肉線維のセットを休ませてもよい。刺激される筋肉への血液供給障害を患う患者では、虚血は、酸素需要が供給量を超え得るため、血液供給障害の遠位の組織内に発生し得る。これに対処するために、システム１０の実施形態は、虚血センサを含んでもよく、これは、赤外線および近赤外線スペクトル内のＬＥＤ光を使用して、持続的または断続的に、酸素飽和変化（ＳｐＯ２）を測定する。センサの出力に基づいて、システムは、筋肉虚血の検出に応じて、筋収縮刺激を休止してもよい。代替として、システムは、乳酸レベルがベースラインを上回って上昇し始めるとき（すなわち、乳酸が、身体がそれを排除するより高速で生産されるとき）、システムが、筋収縮の刺激を休止するように、乳酸センサを含んでもよい。さらに別の実施形態では、ＥＭＧは、同一目的のために、筋肉虚血および乳酸の蓄積を判定するために使用されてもよい。
【０１０７】
ここで図２を参照すると、患者Ｐに適用される、筋収縮刺激システム１０の例示的実施形態が、説明される。システム１０は、患者の皮膚に適用される、刺激／感知パッチ１２と、パッチ１２と別個かつそこから離間される、少なくとも１つのセンサ１４と、患者Ｐが、システム１０の他の構成要素と通信することを可能にする、患者インターフェースユニット１６とを含む。パッチ１２は、患者Ｐの四頭筋にわたって（大腿部の皮膚上に）適用されて示されており、センサ１４は、患者の胸部にわたって、例えば、ＥＣＧモニタの電極を設置するために好適な位置に適用されて示されてもよい。好ましくは、パッチ１２は、下層神経組織を刺激するために使用され得るように、患者の身体上の場所に位置付けられる。いくつかの実施形態では、本神経組織は、神経が筋肉組織の中に入り込んでいる、運動点であり得る。他の実施形態では、標的神経組織は、神経根、後根神経節（ＤＲＧ）、神経幹、神経分岐、または複数の神経分岐等の神経に沿って、より近位にあり得る。さらに他の実施形態では、パッチ１２は、身体の任意の筋群または複数の筋群にわたって適用され、１つ以上の具体的神経組織を標的化してもよい。
【０１０８】
前述のように、多くの場合、殿筋、四頭筋、膝腱、および／または腓腹筋等の下肢の１つ以上の筋肉の収縮を刺激することが有利であり得る。そのような場合、複数のパッチが、それらの筋群または筋肉のいずれかにわたって、個々に適用されてもよい。例えば、患者は、複数の皮膚パッチ１２を同時に装着してもよく、各パッチ１２は、四肢の両方上のその殿筋、四頭筋、膝腱、および腓腹筋のそれぞれにわたって位置付けられ、すなわち、合計８つの皮膚パッチ１２である。他の実施形態では、神経幹にわたって、例えば、大腿神経にわたる鼠径部領域内に、坐骨神経を標的化するために臀部にわたって、または他の筋肉／神経幹標的にわたって、１つ以上のパッチ１２を設置することによって、これらまたは他の筋肉の収縮を刺激することが有利であり得る。さらに他の実施形態では、より大きいパッチデバイスが、提供されてもよく、各パッチデバイスは、１つを上回る筋群および１つを上回る標的神経組織を覆うように構成される。パッチ１２は、種々の実施形態によると、個々に、または複数のパッチ１２のキットとして、提供されてもよい。複数のパッチは、例えば、下記に図２０に関して説明されるように、無線ネットワークを介して、接続されてもよい。故に、図２は、患者Ｐの１つの四頭筋にわたって適用される、１つのみの皮膚パッチ１２を示すが、１つ以上の皮膚デバイス１２の任意の数、構成、および設置が、使用されてもよいことを理解されたい。
【０１０９】
下記の本明細書に説明される例示的実施形態の多くは、１つ以上の皮膚パッチを含む、システムを伴う。しかしながら、代替実施形態では、神経組織刺激は、限定ではないが、１つ以上の埋込可能電極、電極を伴う経皮的導線、磁気神経刺激装置、および超音波神経刺激装置、および／または同等物等の異なるタイプの刺激装置を使用して、達成されてもよい。いくつかの実施形態では、埋込可能デバイスは、１つ以上のセンサと、可能性として、皮膚パッチ１２内に含まれる、１つ以上の他の特徴とを含んでもよい。
【０１１０】
ここで図３を参照すると、センサ１５と、患者インターフェースユニット１６とを有する、皮膚パッチ１２が、より詳細に説明される。システム１０は、図２に描写されるように、患者Ｐのいくつかの生理学的パラメータのいずれかを検出するために好適である、１つ以上の付加的センサ１４を含んでもよく、これは、皮膚パッチ１２のプロセッサ、患者インターフェースユニット１６、または両方と通信する。本開示に説明されるように、センサ１５および別個のセンサデバイス１４の種々の組み合わせが、システム１０内に提供されてもよい。したがって、一実施形態では、あるセンサが、可能性として考えられるセンサ１４として説明される場合、代替実施形態では、そのセンサは、皮膚パッチ１２のセンサ１５として含まれてもよい。反対も、他の実施形態では、当てはまり得、一般に、任意の所与の実施形態は、皮膚パッチ１２内のセンサ１５および別個のセンサ１４の任意の数、タイプ、および組み合わせを含んでもよい。
【０１１１】
センサ１４の１つの好ましいタイプは、筋肉状態センサであってもよく、これは、システム１０が、筋肉状態がベースライン状態から低下するとき、神経組織の刺激を休止することを可能にする。筋肉状態センサの実施例は、ＥＭＧデバイス、（筋疲労、虚血、または乳酸を検出するために使用され得る）、赤外線センサ（血液中の乳酸を検出するために使用され得る）、およびＥＣＧ、ＭＭＧ、または横紋筋融解症のマーカを検出するための筋肉インピーダンスデバイスを含んでもよい。別個のセンサデバイス１４の別の実施例は、任意のタイプのバイタルサインセンサを含んでもよく、これは、患者Ｐが生理学的に不安定になる場合、システム１０によって刺激を休止するために使用され得る。そのようなセンサは、限定ではないが、ＥＣＧデバイス、パルスオキシメータ、血圧モニタ、経胸インピーダンスモニタ、インダクタンスプレチスモグラフィデバイス、サーミスタ／温度計、パルスカウンタ等の基本バイタルサイン監視デバイス、および同等物を含む。そのようなデバイスは、例えば、心拍数、心調律、不整脈、血圧、体血圧、拡張期血圧、平均動脈圧、脈圧、静脈圧力、心虚血、呼吸数、および／または温度を監視するために使用されてもよい。別個のセンサデバイス１４のさらに別の実施例は、療法達成（または「療法エンドポイント」）センサを含んでもよく、これは、システム１０によって、所定の量の刺激時間または臨床有効性エンドポイントに到達するときを判定するために使用され得る、１つ以上の生理学的兆候またはパラメータを検出する。例えば、そのようなセンサは、インスリン感受性、血糖値レベル、交感神経活動、迷走神経緊張、交感神経ドライブ、心拍数変動、血圧、組織浮腫、または同等物を測定してもよい。これらの実施例から分かるように、別個のセンサデバイス１４は、身体上の任意の場所における設置のために構成される、任意の好適な患者センサまたはセンサの組み合わせを含んでもよい。
【０１１２】
患者インターフェースユニット１６は、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、または両方を含んでもよい。特に、本発明の患者インターフェースユニットは、ハードウェアを含む必要がなく、従来のスマートフォン、タブレット、ラップトップ、デスクトップ、または無線コネクティビティを提供する、他のプログラマブルデバイスと併用するためにダウンロードされ得る、好適なアプリケーションプログラムから成ってもよい。代替実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、システム１０とのみ併用されるように構成される、専用デバイスであってもよい、または１つ以上の他のハードウェア構成要素を含んでもよい。したがって、一般に、患者インターフェースユニット１６は、任意のハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせであってもよく、これは、患者Ｐが、情報をシステム１０の中に入力し、いくつかの実施形態では、情報をシステム１０から受信することを可能にする。患者インターフェースユニット１６は、好ましくは、無線接続を介して、皮膚パッチ１２と通信する。しかしながら、代替実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、ワイヤを介して、皮膚パッチ１２に接続してもよい、またはドッキングステーションを介して、皮膚パッチ１２の中に差し込まれてもよい。さらに別の代替実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、単に、患者Ｐが神経刺激に応答して疼痛を感じる度に押下し得るボタン等、皮膚パッチ１２の外側表面上のボタン（または複数のボタン）であってもよい。大部分の実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、少なくとも、患者Ｐが、神経刺激または刺激された筋肉の収縮の間または後、疼痛を被ったことをシステム１０に知らせることを可能にする。システム１０は、次いで、その情報を使用して、刺激処方計画をカスタマイズし、患者Ｐによって感じられる疼痛を低減または排除してもよい。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、長持続時間電極が、療法を送達するために使用されてもよい。この場合、電極は、再使用可能であって、故に、皮膚パッチを廃棄する理由は、滅多に存在しない。しかしながら、患者インターフェースユニットは、送達されている療法のログを維持してもよく、その情報は、患者インターフェースユニットのメモリから、直接または遠隔で、読み出され得る。患者インターフェースユニットから読み出される療法ログは、事前に規定された療法処方計画への個人のコンプライアンスを判定し、転帰を改善するための任意の必要修正を行うために使用されてもよい。療法ログ情報はまた、患者、家族、医師、支払者、または雇用者が、周期的に、資金を患者の治療アカウントに追加し、それに対して、各治療セッションに関する引落または借入が存在するであろう、「クリック報酬型」ビジネスモデルを可能にするために使用されてもよい。
【０１１４】
再使用可能電極を伴う、ある実施形態では、クレジットカード、デビットカード、当座預金口座、ギフトカード、携帯電話請求、Ｐａｙｐａｌ、オンラインバンキング、またはＡｐｐｌｅ  ＩＤ、Ａｍａｚｏｎ  ＩＤ、またはＳｋｙｐｅ  ＩＤ等のオンライン小売支払方法を含む、種々の支払方法が、治療セッションクレジットを購入するために使用され得る。コンプライアンスを促すために、患者はまた、治療セッションの一括購入に対する割引をオファーされ得る。患者はまた、クリック報酬型ベースの代わりに、毎日、毎週、毎月、年４回、または毎年、料金を請求され得る。定期的時間ベースの料金（月額のヘルスクラブの会員またはケーブルテレビへの加入に類似する）は、ある患者にとっては、規則的使用に対して財政的阻害要因をもたらすことなく、デバイスを定期的に使用するように促す場合がある。いったん治療セッションのための患者のアカウント内の資金が枯渇すると、インターフェースユニットは、付加的資金がアカウントに追加されるまで、使用不可能になるであろう。支払機構はまた、クリック報酬型およびサブスクリプションモデル、またはある支払計画から開始し、次いで、患者コンプライアンスまたは個人、家族、臨床医、雇用者、または支払者の選好に基づいて、別の支払計画に切り替える、モデルの組み合わせを含み得る。システムはまた、耐久性医療機器に類似する様式において、患者にリースされ得る。
【０１１５】
再び図３を参照すると、パッチ１２は、外側基板１８と、組織接触基板２０と、それぞれと結合される、複数の構成要素とを含む。代替実施形態では、外側基板１８および組織接触基板２０は、単一モノリシック基板の中に組み合わせられてもよい。言い換えると、パッチ１２は、多くの場合、２つの部品から成る基板の実施形態として本明細書に説明されるが、代替実施形態では、パッチは、１つの部品から成る基板を含んでもよい。いくつかの実施形態では、外側基板１８は、再使用可能であるように設計される一方、組織接触基板２０は、患者の皮膚に接触し、使い捨て（１回または複数回の使用後）であるように設計される。この場合、２つの基板１８、２０は、患者によって、組織接触基板２０の廃棄のために、容易に分離され得るように、相互に除去可能に結合されてもよい。代替として、基板１８、２０は両方とも、再使用可能であってもよい、または基板１８、２０は両方とも、使い捨てであってもよい。１つの好ましい実施形態では、外側基板１８は、電源２２と、制御ユニット２４と、通信ユニット２６と、信号プロセッサ２８と、センサ１５と、電気刺激ユニット３２とを格納する。組織接触基板２０は、本実施形態では、複数の電極セット３４ａおよび３４ｂを含み、それぞれ、例証として、４つの電極を含む。これらの構成要素は全て、構成要素を基板１８、２０の層間に埋設する、またはそれらを接着剤で基板１８、２０に取り付けること等によって、任意の好適な方法において、基板１８および２０に取り付けられてもよい。
【０１１６】
組織接触基板２０は、好ましくは、標的筋肉を覆って、患者の皮膚に共形化され、収縮するにつれて、筋肉に伴って移動し得るように、可撓性かつ伸展可能である。組織接触基板２０は、例えば、限定ではないが、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはセルロースを含む、任意の他の絶縁材料等の、概して、非伝導性である、１つ以上のポリマー材料から作製されてもよい。外側基板１８はまた、可撓性かつ伸展可能であってもよいが、いくつかの実施形態では、幾分、組織接触基板２０より堅性であって、より厚く、および／またはより耐久性があってもよい。組織接触基板２０はまた、典型的には、パッチ１２を患者の皮膚に接着させるための生体適合性接着剤表面を含み、その表面は、使用の準備ができるまで、保護カバーで被覆されるであろう。そのような接着剤表面は、周知である。組織接触基板２０はまた、２つの接着剤表面、すなわち、皮膚に取り付けるための片側と、外側基板１８に取り付けるための反対側とを有してもよい。理想的には、皮膚パッチ１２は全て、長時間周期にわたって、例えば、１日またはそれを上回って、装着されてもよい。いくつかの実施形態では、皮膚パッチ１２は、シャワーまたは浴槽内で装着されてもよい。他の実施形態では、組織接触基板２０のみが、シャワーまたは浴槽内で装着されてもよく、外側基板１８は、入浴のために除去される。
【０１１７】
電極セット３４ａおよび３４ｂはそれぞれ、例証として、４つの経表皮的電極３６を含む。それぞれ、４つの電極３６を伴う、２つの電極セット３４ａ、３４ｂが、本実施形態では、示されるが、代替実施形態は、２つを上回る電極セットおよび／またはセット毎の４つより多いまたはより少ない電極を有してもよい。パッチあたり２つの電極セット３４ａ、３４ｂを提供することは、簡略化および刺激電流の制御能力の観点から、いくつかの利点を有し得るが、任意の他の好適な代替実施形態も、本発明の範囲内で検討される。一般に、１つの電極セット３４ａ、３４ｂの全体的面積は、療法用途のために標的化されている１つ以上の骨格筋を神経支配する神経組織を刺激するために十分な電流を送達するために十分に大きくあり得る。印加される電流密度、したがって、患者への不快感を最小限にするために、各電極セット３４ａ、３４ｂは、少なくとも約２０ｃｍ２、好ましくは、少なくとも約３０ｃｍ２の総アクティブ表面積を有してもよい。
【０１１８】
ここで図４Ａおよび４Ｂを参照すると、代替電極セットを伴う、組織接触基板の２つの代替実施形態が、説明される。図４Ａおよび４Ｂの基板１２０および２２０は、それぞれ、電極セット１３４ａ、１３４ｂ、２３４ａ、２３４ｂの対応する代替構成を含む。いくつかの実施形態では、個々の電極のうちのいくつかは、療法の間、オフにされ、組織内の刺激電流を再指向させることによって、疼痛感覚を最小限にする必要があり得る。そのような場合、刺激の発生時の電極セットの総表面積が、標的筋肉に対する運動点または神経分布の刺激のために要求される最小表面積より大きいことが好ましくあり得る。例えば、図４Ｂの実施形態では、組織接触基板２２０上の各電極セット２３４ａ、２３４ｂは、９つの電極３６を含んでもよく、それぞれ、４ｃｍ２の寸法を有し、電極セット２３４ａ毎に３６ｃｍ２の初期総表面積を与える。図３の電極セット３４ａおよび３４ｂおよび図８Ｂの２３４ａおよび２３４ｂは、正方形パターンにアレイ化されるが、代替実施形態では、電極は、任意の他の規則的パターンまたは非対称配列に配列されてもよい。例えば、図４Ａに示されるように、５つの電極の２つの電極セット１３４ａ、１３４ｂがそれぞれ、組織接触基板１２０上に提供されてもよい。他の代替実施形態では、所与の電極セット内の電極の任意の配向、数、形状、および間隔が、使用されてもよい。
【０１１９】
図３および４の電極３６は、限定ではないが、カーボンブラック等の任意の好適な伝導性材料から作製されてもよい。いくつかの実施形態では、電極３６は、塩化銀ゲル等の伝導性ゲルでコーティングされてもよい。代替実施形態では、電極が埋込可能である場合、そのような電極は、金または銀等の金属、または、白金−イリジウム等の金属合金、またはカーボンブラックを含有するもの等の伝導性ポリマー、または炭素および黒鉛の組み合わせから構築されてもよい。各電極３６は、サイズ約２ｍｍ２〜約６ｃｍ２の範囲であってもよい。加えて、電極３６は、限定ではないが、正方形（図示されるように）、円形、楕円形、卵形、曲線三角形、四つ葉、または三角形、長方形、平行四辺形、台形、菱形、五角形、六角形等の任意の多角形等、任意の好適な形状を有してもよい。接続解除された電極３６を介した非意図的刺激を防止するために、組織接触基板２０上の所与の電極セット３４ａ、３４ｂ内の電極３６間の最小分離は、約０．５ｍｍであってもよい。皮膚表面の真下の神経組織の所望の刺激を提供し、筋収縮を助長するために、電極セット３４ａ、３４ｂは、典型的には、各セット３４ａ、３４ｂの中心から測定されるとき、少なくとも約３ｃｍ相互から離間されるであろう。
【０１２０】
図５に示されるように、組織接触基板２０の各電極３６は、別個の電極コネクタ１００を介して、外側基板１８上に配置される電子機器に結合されてもよい。種々の実施形態では、電極コネクタ１００は、スナップ嵌合コネクタ、ミニバナナコネクタ、または他の好適なコネクタであってもよい。代替として、皮膚パッチ１２は、別個の組織接触基板２０および外側基板１８ではなく、１つのモノリシック基板を含んでもよい。そのような実施形態では、全体皮膚パッチ１２は、再使用可能または使い捨てのいずれかであってもよく、および電極３６は、パッチ上に配置される電子機器に恒久的に取り付けられてもよい。
【０１２１】
図６を参照すると、いくつかの実施形態では、電極は、パッチの皮膚接触表面から突出する、多数の伝導性区画から成ってもよい。本設計は、電極が、単に、皮膚の角質層に接触する代わりに、表皮層を通して穿通することを可能にする。伝導性組織とのより良好な接触を提供することに加え、図６の設計は、電気刺激のより均一送達を提供することが予期される。電極は、随意に、ネオマイシンまたはポリミキシン等の鎮痛剤または抗生物質を送達するための液体またはゲルで事前にコーティングされてもよい。
【０１２２】
再び図３を参照すると、電源２２は、外側筐体１８に取り付けられる／その中に埋設される、または代替として、組織接触基板２０に取り付けられる／その中に埋設されてもよい。例えば、電源２２は、９ボルトバッテリ、ボタン電池、再充電可能バッテリ、または任意の他のタイプのバッテリであってもよい。他の実施形態では、電源２２は、外側筐体１８の外側表面上に位置付けられる、１つ以上の光起電パネルであってもよい。さらに別の実施形態では、外側筐体１８は、スマートフォン（または他の電源）を皮膚パッチ１２に取り付けるためのプラグを含んでもよく、スマートフォン（または他の電源）は、電源２２を充電するために使用されてもよい、またはさらに電源２２として使用されてもよい。さらに別の実施形態では、磁気結合が、電源２２として使用されてもよい。その実施形態では、送信機コイルが、外側基板１８にわたって、またはある距離に設置され、皮膚パッチ１２を給電してもよい。さらに別の実施形態では、電力は、動態エネルギーを電流に変換することによって生成されてもよく、これは、コンデンサ上に貯蔵されてもよい。さらなる代替として、皮膚パッチ２２は、それに取り付けられる電力コードを電気コンセントまたは別個の電源等の電力供給源の中に差し込むことによって、給電されてもよい。
【０１２３】
パッチ１２上に配置される、センサ１５は、１つまたは複数のデバイスであってもよい。例証として、センサ１５は、皮膚パッチ１２上に配置されるように説明されるが、代替実施形態では、センサ１５は、皮膚パッチ１２から離間された、患者上の別個の場所内への設置のために構成されてもよい（すなわち、図２の別個のセンサデバイス１４）。下記に説明されるセンサの全てではないにしても、大部分は、皮膚パッチ１２の一部として、１つ以上の別個のセンサ１４として、または両方として、システム１０内に含まれてもよい。任意の所与の実施形態では、センサ１５および別個のセンサデバイス１４の任意の組み合わせが、使用されてもよい。説明および理解を容易にするために、センサデバイスは、下記では、センサ１５と称されるであろう、下記の具体的実施形態のいずれも、筋収縮刺激システム１０において任意の好適な組み合わせで組み合わせられてもよい。
【０１２４】
上記に述べられたように、皮膚パッチ１２上に配置される、好ましいセンサ１５は、筋収縮センサである。これは、例えば、筋収縮と関連付けられた運動を感知するための加速度計であってもよい。別のタイプのセンサ１５は、筋肉完全性センサであって、これは、筋肉が、横紋筋融解症の間等、分解し始めるときを感知し得る。そのいずれかが、１つ以上のセンサ１５によって感知され得る、横紋筋融解症のマーカは、高カリウム血症（ＥＣＧを介して感知されてもよい）、低カルシウム血症（ＥＣＧを介して感知されてもよい）、筋浮腫（筋肉インピーダンスを介して感知されてもよい）、上昇クレアチンフォスフォキナーゼ（ＣＰＫ）レベル（損傷された筋肉から放出されるＣＰＫ）、または筋肉損傷を示す、ＥＭＧまたはＭＭＧ読取値を含む。センサ１５の別の例示的タイプは、筋疲労センサである。センサ１５は、代替として、１つ以上のバイタルサインセンサを含んでもよく、これは、呼吸数、心拍数、血圧、または温度を監視する。生理学的パラメータはまた、療法を誘導するため、または安全性目的のために使用されてもよい。例えば、ＥＣＧ信号は、例えば、心不全療法において、骨格筋の収縮のタイミングと心臓サイクルを同期させるために使用されてもよい。他方では、心拍数が所定の限界外となると随時、療法は、安全性のために、自動的に、オフにされてもよい。他の生理学的パラメータは、交感神経ドライブ、そのような心拍数変動、立毛（鳥肌）、発汗、および筋肉交感神経活動のマーカを含む。
【０１２５】
センサ１５はまた、皮膚接触センサを含んでもよい。そのようなセンサ１５は、１つ以上の電極３６の近傍のパッチ１２の皮膚接触表面上に位置し、適正な接触が組織接触基板２０／電極３６と患者の皮膚との間で行われているかどうかを検出するように構成されてもよい。適正な接触が、達成される場合、療法は、開始されることができるが、適正な接触が確立されていない場合、患者は、患者インターフェースユニット１６上で、皮膚パッチ１２を再位置付けする、そこに圧力を印加する、または調節する必要があることを示す、メッセージを受信してもよい。
【０１２６】
他の実施形態では、センサ１５は、埋込可能、経皮的、経表皮的、または角膜血糖値モニタを介して検出された、グルコースレベル等の１つ以上の代謝性パラメータを感知するために使用されてもよい。糖尿病を治療するように設計される療法に関して、療法が、グルコースレベルに基づいて用量が設定され、および／または最終目標に到達すると、終了し得るように、グルコースレベルの変化を検出することが重要であり得る。療法は、注射、ポンプベースの送達、および吸入および経口製剤を含む、種々のインスリン送達方法と統合されてもよい。さらに、そのような情報は、医療従事者に提供され、彼らが、その具体的必要性に基づいて、個人毎に治療を個人化することに役立ててもよい。いくつかの実施形態では、糖尿病療法の「最終目標」は、グルコースが設定レベル（例えば、１００ｍｇ／ｄＬ）を下回るとき、またはいったんインスリン感受性に関する閾値に到達すると、達成され得る。インスリン感受性のマーカは、皮膚交感神経活動、運動神経伝達速度、ＲＲ間隔（ＨＯＭＡ−ＩＲ（インスリン抵抗性のホメオスタシスモデルアセスメント）と逆相関される）、および筋肉捕捉閾値（血液インスリンの増加に伴って増加する）を含む。
【０１２７】
センサ１５はまた、位置および活動関連測定値等の生体力学的パラメータを検出する、１つ以上の感知デバイスを含んでもよい。例えば、センサ１５が、患者が歩行していることを検出する場合、システム１０は、歩行の行為に干渉しないように、筋収縮刺激を中断するようにプログラムされてもよい。局所心弾動図は、四肢における血圧の到着の検出のために使用されてもよい。ゴニオメータは、関節（例えば、膝、臀部等）の角度を測定するために使用されてもよい。
【０１２８】
いくつかの異なるタイプのセンサ１５のいずれかが、上記に説明される患者パラメータのうちの１つ以上のものを検出するために使用されてもよい。インピーダンスセンサは、例えば、電極セット間で測定された電気インピーダンスを使用して、電極が、皮膚と電気接触しており、組織量および組織組成の変化を検出することを保証する。筋肉の収縮間、筋肉の形状および組成の両方が、変化し、これは、ひいては、インピーダンス信号を変化させる。例えば、収縮されると、筋肉は、血液を殆ど含有せず、これは、血液の電気伝導率は、約０．８ジーメンス／メートルである一方、筋肉の電気伝導率は、約０．１ジーメンス／メートルであるため、全体的伝導率の低減として検出されることができる。同様に、電気インピーダンスにおける急増は、組織との電極接触が弱すぎることを示し得る。インピーダンス感知が、ＥＣＧセンサを使用するとき等、胸部面積の近傍の電極等を使用して行われるとき、経胸インピーダンス測定値の結果として生じる変化は、患者の呼吸数を判定するために使用されてもよい。
【０１２９】
温度センサは、周囲温度を測定する、および／または刺激された筋肉によって生産されたカロリー熱を推定するために使用されてもよい。さらに、局所温度の変化は、電極３６下の局所加熱に起因し得、これは、伝導性ゲルの損失に起因し、皮膚パッチ１２の交換の必要性を示し得る。
【０１３０】
ＥＭＧセンサは、電極を使用して、収縮するにつれて骨格筋から生じる信号を検出する。筋電図は、筋肉が収縮していることを示すだけではなく、また、電気刺激の印加から生じる筋収縮の強度を示すであろう。骨格筋の喚起された応答は、Ｍ−波およびＨ−波として知られる、２つの明確に異なる特徴を示す。Ｍ−波は、電気刺激の印加後、５ミリ秒以内に到着し、その振幅は、筋収縮の強度に比例する。Ｈ−波は、電気刺激の印加後、２０ミリ秒で現れ、その振幅は、筋収縮の強度が増加するにつれて減少する。一実施形態では、Ｍ−波の振幅は、骨格筋収縮の強度を推定するために使用される。他の実施形態では、Ｍ−波振幅とＨ−波振幅の比率は、筋収縮を測定するために使用される。
【０１３１】
ＥＣＧセンサは、心筋の電気活動を検出し、特に、２つまたは３つの電極を使用して、Ｐ、ＱＲＳ、およびＴ波を検出するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、皮膚パッチ１２は、システム１０が、患者が皮膚パッチ１２を心臓にわたって偶発的に設置し得るときを把握するであろうように、心臓信号を検出するために、ＥＣＧセンサを含んでもよい。そのような事例では、システム１０は、心臓の近傍存在を検出し、それ自体がアクティブ化／刺激することを可能にしないであろう。ＥＣＧモニタはまた、前述のように、別個のセンサデバイス１４の実施例であってもよい。
【０１３２】
圧力センサもまた、いくつかの実施形態では、外部圧力の変化を測定するために使用されてもよい。外側基板１８が、例えば、四肢全体を被覆する弾性包帯とともに、定位置に保持される場合、筋肉の収縮は、測定された圧力において増加をもたらすであろう。ゴニオメータが、いくつかの実施形態では、肘、肩、手首、足首、臀部、または膝の角度等の関節撓曲または延在角度を測定するために使用されてもよい。関節角度に基づいて、制御ユニット２４は、刺激振幅を調節する、または関節角度を変化させるように患者に命令してもよい。
【０１３３】
加速度計は、運動を監視し、筋収縮を検出することに役立つ、信号を生産するために使用されてもよい。例えば、収縮に応じて、骨格筋は、まとまり、筋肉の半径方向における拡張をもたらす。故に、収縮が強いほど、加速度計から生じる信号も強くなるであろう。種々の実施形態では、１次元、２次元、または３次元加速度計、およびそれらの任意の組み合わせが、使用されてもよい。
【０１３４】
任意の他の好適なセンサ１５が、種々の代替実施形態によると、システム１０において使用されてもよい。例えば、筋肉内の血流が、超音波または超音波センサを使用して測定されてもよく、これは、収縮から生じる筋肉内の血液量の即時変化を示すだけではなく、また、筋肉の長期収縮に続く血管床の抵抗の変化を示すであろう。同様に、求心性および遠心性神経の電気活動が、監視され、感知場所の近位および遠位の筋肉に印加される、電気刺激の結果を査定してもよい。センサから生じる信号は、制御ユニット２４に提示される前に、信号処理ユニット２８によって処理される。
【０１３５】
本発明が、有利には、使用し得る、センサのうちの１つは、収縮の間の筋肉の機械的運動を検出する、筋音図（ＭＭＧ）センサである。ＭＭＧセンサは、マイクロホンまたは加速度計のタイプであることができる。概して、収縮が、ＭＭＧセンサによって検出および記録され得るように、刺激されるべき筋肉にわたって設置される。ＭＭＧセンサからの信号は、信号プロセッサによって処理され、二乗平均平方根（ＲＭＳ）および周波数ドメイン電力情報を抽出し、制御ユニット２４によって解釈されてもよい。ＭＭＧセンサは、収縮および筋疲労ステータスの強度を含む、複数のタイプのフィードバックを制御ユニットに提供してもよい。
【０１３６】
信号処理ユニット２８は、センサ１５および別個のセンサデバイス１４から生じる信号から情報を抽出し、結果として生じるデータを制御ユニット２４に提示する。信号処理ユニット２８は、プロセッサ１６の一実施形態を表し、これは、全体的に、図１を参照して上記に説明されている。代替として、信号処理ユニット２８およびコントローラ２４はともに、図１のプロセッサ１６に対応すると見なされ得る。信号処理ユニット２８は、インピーダンスセンサを使用して、電気インピーダンスの絶対値を抽出してもよく、これは、筋収縮の確認のため、かつ所与の筋収縮の強度を査定するために使用され得る。本情報はまた、筋収縮の間、変化する、組織量を推定するために使用されてもよい（プレチスモグラフィ）。代替として、信号処理ユニット２８は、組織インピーダンス信号を使用して、インピーダンス信号を生産する組織の含有量を判定してもよい。組織の伝導率は、組織タイプに応じて、変動するため、組織組成の変化を判定することができる。例えば、組織の伝導率の近似値は、血液０．８ジーメンス／メートル、骨０．０２ジーメンス／メートル、脂肪０．０５ジーメンス／メートル、心筋０．１ジーメンス／メートル、および骨格筋０．１ジーメンス／メートルである。筋肉の収縮の間、筋肉内の血液の量は、低減され、それによって、組織伝導率における減少またはインピーダンスにおける増加をもたらす。
【０１３７】
信号処理ユニット２８はまた、付加的機能を実施してもよい。温度情報を温度センサから抽出し、それを低域通過フィルタ処理後、制御ユニット２４に提示してもよい。信号処理ユニット２８は、ＥＭＧセンサからの信号を処理し、結果として生じる周波数ドメイン信号が、疲労の発症を検出するために使用され得るように、信号を分光学的に分析してもよい。例えば、筋肉が、疲労すると、中心周波数が、偏移し、これは、療法の終了を要求する条件として、または療法セッションを延長させるための刺激周波数の変化として解釈され得る。信号処理ユニット２８はまた、ＥＭＧセンサから生じる信号を処理し、複数のＥＭＧの相互相関、ＥＭＧの自己相関およびスペクトル密度、およびＥＭＧの繰返し周波数スペクトル密度の推定値を計算してもよい。これらの測定からの情報は、制御ユニット２４によって、刺激されている骨格筋の疲労ステータスを推測するために使用されてもよい。
【０１３８】
信号処理ユニット２８はまた、ＥＣＧセンサから生じる信号を処理し、心拍数等のシステム１０によって使用される情報を抽出するために使用されてもよい。心拍数検出は、心電図のＲ−Ｒ間隔を測定することによって実施されてもよい。心拍数が、所定の範囲外であると判定される場合、危険条件が存在すると仮定され、療法は、好ましくは、制御ユニット２４によって中止される。信号処理ユニット２８はまた、「ピーク」Ｔ波および短縮ＱＴ間隔、延長ＰＲ間隔およびＰ波の損失、次いで、ＱＲＳ群の拡幅、「正弦波」形態の極点を見つけ得、その全てが、横紋筋融解症から生じる高カリウム血症の兆候であり得る。信号処理ユニット２８は、ＱＲＳ群の狭幅、低減されたＰＲ間隔、Ｔ−波平坦化および反転、ＱＴ−間隔の延長、顕著なＵ−波の出現、および長期ＳＴ持続時間およびＳＴ下降を見つけ得、その全てが、横紋筋融解症から生じる低カルシウム血症の兆候であり得る。
【０１３９】
信号処理ユニット２８は、情報を歪みゲージ圧力センサから抽出し、収縮の強度が推測され得るように、それを低域通過フィルタ処理後、制御ユニット２４に提示してもよい。また、関節角度情報をゴニオメータから抽出し、関節の撓曲または延在の角度が計算され得るように、それを低域通過フィルタ処理後、制御ユニット２４に提示してもよい。信号処理ユニット２８はまた、加速情報を加速度計から抽出し、筋収縮の強度が結果として生じるトレースのピーク値から計算され得るように、それを低域通過フィルタ処理後、制御ユニット２４に提示してもよい。信号処理ユニット２８は、疲労情報をＭＭＧ信号から抽出し、筋肉への任意の損傷が生じる前に、療法セッションが終了され得るように、制御ユニット２４に提示してもよい。さらに、収縮の率が、筋疲労の状態を査定するために使用されてもよい。
【０１４０】
通信ユニット２６は、制御ユニット２４と患者インターフェースユニット１６との間の双方向通信を提供する。そのような通信は、ＵＳＢ、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、またはＲＳ−２３２等の有線技法を使用して、または無線で、達成されてもよい。無線接続は、限定ではないが、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、またはＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等の技法を使用して、または他の無線周波数（ＲＦ）、光学、または音響電気通信方法によって、確立されてもよい。
【０１４１】
制御ユニット２４は、電気刺激ユニット３２および通信ユニット２６等の皮膚パッチ１２の他の構成要素の動作を協調させることに関与する。また、療法プロトコルの実行を統制する。制御ユニット２４は、メモリチップ等の他の構成要素とともに、ＰＩＣ１６Ｆ６９０等の組み合わせ論理回路またはマイクロプロセッサ回路を含んでもよい。制御ユニット２４は、電極を刺激ユニット３２に相互接続する、後続図に示されるスイッチの動作を統制するために必要な論理信号を生成する。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、制御ユニット２４は、電気刺激ユニット３２を駆動し、疼痛抑制のための高周波数刺激を生産してもよい。本刺激は、骨格筋の運動点の励起のために使用される刺激と明確に異なり得る。例えば、高周波数刺激は、約１０ＫＨｚ〜約２００ＫＨｚの範囲内の周波数で印加されてもよい。電気刺激ユニット３２はまた、低周波数方形波および高周波数正弦波バーストを有する、組み合わせられた波形を送達してもよく、高周波数正弦波バーストは、組織の中に深くまで穿通し、運動点の刺激を生じさせる。その場合、組み合わせられた波形は、ＥＧＭおよびＥＣＧ波形の感知のために、周期的にインタラプトされてもよい。他の実施形態では、制御ユニット２４は、電気刺激ユニット３２を駆動し、より高い周波数における刺激に続いて、電気刺激の周波数を低減させ、筋疲労を減少させてもよい。制御ユニット２４はまた、電気刺激ユニット３２に、ある時間周期後、刺激の振幅を低減させてもよい。
【０１４３】
患者インターフェースユニット１６は、いくつかの実施形態では、スマートフォン、タブレット、ラップトップコンピュータ、または他のスマートデバイス上の使用のためにダウンロードされる、アプリケーションであってもよい。専用デバイスを含む、患者インターフェースユニット１６の他のタイプおよび構成も、システム１０の代替実施形態では、使用されてもよい。その最も単純な形態では、患者インターフェースユニット１６は、図３に描写されるように、「疼痛」ボタン１７ａをスマートフォン画面（または他のタッチスクリーン）上に含んでもよく、これは、システム１０による神経刺激に応答して疼痛を感じると随時、患者によって押下される。図示される実施形態はまた、「無痛」ボタン１７ｂを含み、これは、随意である。代替実施形態は、患者が、さらなる情報を入力し、および／またはシステム１０をオンおよびオフにする、療法のタイミングを設定する、収縮の強度および／または周波数、パルス幅、パルス形状、パルス周波数、パルス列率、パルス列持続時間、デューティサイクル、波形、電圧等を調節する等、治療を調節することを可能にする、付加的特徴を含んでもよい。いくつかの実施形態はまた、生理学的情報（脈、血圧、筋疲労等）および／または受けている療法についての情報等の情報を患者に提供してもよい。しかしながら、これらのさらなる特徴は全て、随意である。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、デジタルディスプレイ、オーディオチャネル上で、または照明されたサインによって、命令および質問を患者に提供してもよい一方、患者応答は、電気スイッチ、タッチスクリーン、または発話認識を介して打ち込まれる。いくつかの実施形態では、患者インターフェースユニット１６は、例えば、最大一意のコードを用いて、１６の外部パッケージ、すなわち、パッチ１２および／またはセンサ１４を一度にハンドリングすることが可能である。患者インターフェースユニット１６は、システム１０動作、患者コンプライアンス、および／または患者転帰に関するデータを収集してもよく、そのような情報を記憶してもよい。患者インターフェースユニット１６はまた、筋力トレーニングのステータス、印加されている刺激の量および持続時間、および／または治療への患者コンプライアンスをログ付けしてもよい。本記録される情報のいずれかは、有線または無線ネットワークを介して、それをダウンロードすることによって、持続的または周期的に、医療従事者に利用可能にされてもよい。さらに、結果として生じるデータは、全体的評価および臨床施設への最終的配布のために、中央場所に伝送されてもよい。中央コンピューティングウェアハウス上で起動するアルゴリズムは、医療デバイスの将来的バージョンにおける実装のために、刺激および患者転帰のための最良実践を判定するために使用されてもよい。患者インターフェースユニット１６はまた、特定の療法処方計画に基づいて、患者のための刺激パターンを統制するために使用されてもよい。必要に応じて、全ての筋肉が、同時に刺激される、または連続して、またはランダムに刺激される。さらに、刺激装置は、刺激されている脚部を交代させる等、刺激の部位を交代させ、疲労を低減させ、治療持続時間を延長させ、および／または患者の生理学的必要性に適応してもよい。心臓ペースメーカー、埋込可能心臓除細動器除細動器（ＩＣＤ）、心臓再同期療法（ＣＲＴ）デバイス、およびＣＲＴ−Ｄ等の組み合わせデバイス、またはインスリンポンプまたは持続グルコースモニタ等の能動的医療デバイスを伴う患者では、患者インターフェースユニット１６は、能動的医療デバイスと通信し、心拍数等のバイタル情報およびマーカチャネルおよび血糖値レベル等のＥＣＧのタイミングを取得するように構成されてもよい。
【０１４５】
ここで図７を参照すると、患者インターフェースユニットの別の例示的実施形態のディスプレイ２０２が、説明される。患者インターフェースユニット２００は、スマートフォン上にロードされるアプリケーションを起動させる、従来のスマートフォンとして描写される。本実施形態では、ディスプレイ２０２は、開始ボタン２０４と、停止ボタン２０６と、近位疼痛ボタン２０８と、遠位疼痛ボタン２１０と、刺激振幅ウィンドウ２１２と、加速度計ウィンドウ２１４と、治療ステータスウィンドウ２１６とを含む。本実施形態では、したがって、患者インターフェースユニット２００は、患者が、ボタン２０４および２０６を介して、療法セッションを停止および開始し、ボタン２０８および２１０を介して、疼痛フィードバックを入力することを可能にする。患者はまた、システム１０の残り（皮膚パッチ１２等）から生じる、電流療法セッションおよび任意の所与の時間にアクティブである電極に関する情報を閲覧してもよい。本実施例は、患者インターフェースデバイスの任意の所与の実施形態が、患者入力を受信し、情報を患者に提供するための好適な機構を含んでもよいことを図示する。
【０１４６】
システム１０の皮膚パッチ１２は、付加的電子および／または機械的特徴を含んでもよい。例えば、上記に説明されるように、皮膚パッチ１２は、同一または異なるタイプの複数のセンサ１５を含んでもよい。皮膚パッチ１２はまた、組織接触基板２０の一部として、療法の間、皮膚を冷却する、冷却デバイスを含んでもよい。そのような冷却は、疼痛および不快感を軽減することに役立ち得る、血管収縮を皮膚内に誘発し、電極３６の真下の流体含有量を低減させることに役立ち得る、または両方であり得る。冷却は、水分中に溶解されるイオン塩または尿素または硝酸アンモニウム混合物等の化学化合物を使用して、またはペルチェ冷却器または蒸発冷却器等の機械的デバイスを介して、達成されてもよい。冷却はまた、遠位電極の下、その間、その側方、それに隣接して、その近位、および近位電極の遠位、遠位電極の遠位、および近位電極の近位を含む、刺激電極に対する場所の範囲に送達されてもよい。
【０１４７】
皮膚パッチの長期使用は、ゲルが、壊死した皮膚細胞または発汗によって、療法セッションの過程にわたって劣化され、したがって、皮膚パッチが後続療法セッションのために使用される場合、準最適療法につながり得るため、推奨されない。加えて、純正製品ではない皮膚パッチ（例えば、偽造品、すなわち、適切な品質制御を伴わずに非認可第三者によって作製されたもの）の使用もまた、患者安全性を損なわせ、送達されている療法の有効性を低減させ得る。本懸念に対処するために、図８に開示される実施形態は、皮膚パッチの再使用を防止しながら、また、非認証源からの皮膚パッチの使用の可能性を排除する、埋設されたＲＦＩＤチップを含む。そのような実施形態では、外側基板は、皮膚接触基板が、純正であって、および／または以前に使用されたものであるかどうかを確認する、ＲＦＩＤ読取機を含んでもよい。ＲＦＩＤチップとＲＦＩＤ読取機との間の接続は、有線または無線リンクであり得る。いずれの場合も、外側基板の制御ユニットは、皮膚パッチのＲＦＩＤチップに照会し、一意の皮膚パッチＩＤ番号またはＵＳＰＩＤを取得し得る。ＲＦＩＤが、検出されない場合、報告が、患者インターフェースユニットに送信され、患者に、新しい未使用の純正皮膚パッチを外側基板に結合するように知らせる。ＵＳＰＩＤが、皮膚接触基板上に存在し、読み取られる場合、ＵＳＰＩＤは、患者インターフェースユニットに伝送され、そこで、数式の適用を含む、試験を受け、ＵＳＰＩＤが有効番号であるかどうかを判定する。ＵＳＰＩＤが、有効番号である場合、療法セッションは、始動され、ＵＳＰＩＤは、患者インターフェースユニットの不揮発性メモリ内に記憶される。ＵＳＰＩＤが、有効なものではない、または患者インターフェースユニットによって以前に確認された番号である場合、患者インターフェースユニットは、患者に、皮膚接触基板を交換するように命令する。
【０１４８】
ここで図９を参照すると、図３の皮膚パッチ１２のための電子構成要素の例示的詳細なレイアウトが、説明される。種々の電子構成要素は、電源２２（例えば、９ボルトバッテリ）と、制御ユニット２４と、信号プロセッサ２８と、通信ユニット２６（アンテナを含む）と、センサ１５（加速度計および／または上記に議論される他のセンサ等）と、電極セット３４ａ、３４ｂまたは電極のための電気接点とを含んでもよく、各電極セットは、６つの電極３６を含む。皮膚パッチ１２は、加えて、電圧増倍器９０と、保持コンデンサ９２と、結合コンデンサ９４、９６と、電極セット３４ａ、３４ｂへの信号の送達を制御する、２セットのスイッチ９８ａ、９８ｂとを含んでもよい。
【０１４９】
ここで図１０を参照すると、皮膚パッチ１２内の情報フローが、説明される。センサ１５からの情報は、増幅器８０によって増幅され得、これはともに、感覚フィードバックユニット８２と称され得る。感知され、増幅された信号は、信号プロセッサ２８に通過し、処理された信号は、次いで、制御ユニット２４に通過する。制御ユニット２４は、信号を通信ユニット２６に伝送し、そこから信号を受信してもよく、通信ユニット２６は、ひいては、信号を患者インターフェースユニット１６および制御ユニット２４に伝送し、そこから信号を受信する。患者を識別する情報、筋疲労度、療法を開始または停止するかどうか等、制御ユニット２４に入力される種々の異なる入力に基づいて、制御ユニットは、信号を電気刺激ユニット３２に送信し、これは、信号を電極セット３４ａ、３４ｂに提供し、神経組織を刺激し、したがって、筋収縮を刺激する。
【０１５０】
ここで図１１を参照すると、筋収縮システム１０を使用した、本発明の原理による、筋収縮刺激方法が、説明される。方法４０の第１のステップでは、システム１０が、ステップ４２において、開始コマンドを打ち込むことによって、アクティブ化される。本実施形態では、皮膚パッチ１２の始動時、電極セット３４ａ、３４ｂの全ての電極３６が、アクティブ化され、刺激電圧が、３ボルト等の最小値に設定される。次に、初期化ステップ４４が、実施され、これは、皮膚パッチ１２が適正におよび正しく患者の皮膚に接着されており、刺激療法を送達することが可能であるかどうかを検出するための試験刺激（標的神経組織に向かった電流の送達）を含み得る。試験刺激はまた、患者が、刺激療法の間、疼痛を感じるであろうかどうかを判定することに役立つ。試験刺激が、疼痛を生産する場合４６、患者は、患者インターフェースユニット１６を使用して、その旨のフィードバックを入力する。その時点で、制御ユニット２４は、ステップ４８において、１つの電極３６を２つの電極セット３４ａ、３４ｂのそれぞれから除外し、次いで、新しい刺激電流を改訂される電極セット３４ａ、３４ｂに送達するであろう。患者が、再び、ステップ４６において、疼痛を報告する場合、別の電極３６が、ステップ４８において、除外され、電流が、再び送達される。本プロセスは、患者がもはや疼痛を報告しなくなるまで継続する。さらなる電極３６が、排除され得ず、患者が、依然として、有意な疼痛感覚を報告する場合、命令が、患者インターフェースユニット１６を介して、皮膚パッチ１２を再位置付けするように、患者に提供されてもよい。方法４０は、次いで、初期化ステップ４４の開始から再開する。
【０１５１】
ステップ５０では、筋収縮刺激システム１０が、送達される電流が満足の行く筋収縮を生産するかどうかを判定する。これは、信号処理ユニット２８から生じるフィードバック信号を用いて行われ、これは、ひいては、その入力をセンサ１５から取得する。満足の行く収縮が、達成されない場合、システム１０は、ステップ５２において、刺激電圧を増加させ、電流の送達を繰り返す。いくつかの実施形態では、刺激振幅は、筋収縮の強度が十分になるまで、徐々に増加されてもよい。代替実施形態では、バイナリ検索アルゴリズムが、使用されてもよく、その場合、正しい刺激振幅は、刺激範囲を持続的に区分化することによって見出される。いったん十分な電流が、満足の行く収縮を生産するために送達され、患者が、疼痛を報告しなくなると、システム１０は、ステップ５４において、療法を送達する準備ができる。
【０１５２】
システム１０は、次いで、オフ条件がステップ５６において満たされる、または患者が、ステップ５８において、患者インターフェースユニット１６を介して、療法を停止することを要求するまで、筋収縮刺激療法を送達する。これらの２つの条件のいずれかに到達すると、療法は、停止する（ステップ６０）。いくつかの異なる条件のいずれかが、療法の停止をトリガし得る。例えば、療法のための所定の終了時間に到達し得る、療法目標が達成され得る、患者が歩行または起立等の移動を開始し得る、または危険条件が生じ得る。危険条件は、横紋筋融解症等の筋肉への任意の損傷、筋疲労、血圧、心拍数、または呼吸数の変化等の悪化したバイタルサイン、または交感神経ドライブの変化の他のマーカを含む。
【０１５３】
初期化ステップ４４の一部として、または別個のプロセスとして、方法４０は、１つ以上の付加的試験刺激を含んでもよい。試験刺激の１つの目的／タイプが、皮膚パッチ１２が、療法を提供するための所望の場所において、適正に皮膚に取り付けられていることを確認するために実施されてもよい。試験刺激の別の目的／タイプが、皮膚パッチ１２が、刺激が心臓機能に影響を及ぼし得るような心臓の直上または心臓のすぐ近傍に位置付けられていないことを確認するために実施されてもよい。
【０１５４】
制御ユニット２４は、筋収縮刺激システム１０および方法４０の動作における有意な部分を占める。例えば、いくつかの実施形態では、電源２２を監視し、電力レベルがあまりに低くなる場合、アラートを発してもよい。ユーザが、措置を講じない場合、制御ユニット２４は、自動的に、システムをシャットオフし、任意の誤った動作を防止する。制御ユニット２４は、患者インターフェースユニット１６と通信し、「許容可能な痛み？」等の質問をユーザに提示してもよい。制御ユニット２４はまた、療法を終了するための要求等、患者インターフェースユニット１６からインタラプトを受信してもよい。制御ユニット２４と患者インターフェースユニット１６との間の通信は、通信ユニット２６によって提供される。制御ユニット２４はまた、電極３６の品質をチェックし、適正な安全性マージンを保証してもよい。組織接触基板２０が、純正部品ではない、または以前に使用されている（かつ使い捨てであるように設計されている）場合、制御ユニット２４は、患者インターフェースユニット１６を介して、アラートを患者に発し、組織接触基板２０と新しい純正部分の交換を求めてもよい。制御ユニット２４は、センサ１５および信号処理ユニット２８から生じる信号に関連する付加的タスクを行ってもよい。例えば、制御ユニット２４は、心拍数変動の低減が種々の病態を患う患者にとって望ましくないため、心拍数変動を計算してもよい。
【０１５５】
ここで図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、方法４０の一部を描写する、簡略化された略図が、説明される。図１２Ａは、組織接触基板２０を示し、電流経路７０は、正の電極セット３４ａから負の電極セット３４ｂに進行する。図１２Ａでは、各電極セット３４ａ、３４ｂの４つ全ての電極３６が、アクティブ化される。本実施例では、電流経路７０は、浅すぎ、標的神経組織に接触せず、それを刺激しない。また（または代替として）、アクティブ化された全ての電極３６を用いて送達される電流が、患者に疼痛を感じさせる症例であり得る。図１２Ｂでは、ステップ４８によって始動されるように、電極３６ａは、各電極セット３４ａ、３４ｂ内でオフにされ、これは、電流経路７０の形状および軌道を変化させ、したがって、標的神経組織Ｎに接触し、それを刺激する。図１２Ｂに描写される電流構成が、依然として、患者に疼痛を感じさせる場合、オンおよびオフ電極３６の新しい構成が、次に試され得る。図１１に関して上記に述べられるように、刺激電流を送達し、筋収縮および患者疼痛に関するフィードバックを受信し、セット３４ａ、３４ｂの電極３６をオン／オフにし、新しい刺激電流を送達するプロセスは、必要に応じた回数だけ繰り返されてもよい。電極セット３４ａ、３４ｂ内の種々の電極３６をこのようにオンおよびオフにし、各新しい電極構成を用いて、試験刺激電流を送達することによって、電極３６の所望の組み合わせが、筋収縮を生じさせるための神経組織の効果的刺激および患者によって感じられる最小限の疼痛に基づいて、達成され得る。システム１０は、電極３６の所望の組み合わせに到達するためにオフおよび／またはオンにする電極３６を選択するために、任意の好適なアルゴリズムを使用してもよい。
【０１５６】
図１３に関する本発明の別の側面によると、より詳細な筋収縮刺激方法５００が、説明される。方法５００の開始時、システム１０は、アイドルモード５０２（Ｌ００）にある。いったんユーザが、開始ボタンを患者インターフェースユニット１６上で押下すると、ステップ５０４において、システムは、経路Ｌ０１に進む。最初に、全ての電極区画が、ステップ５０６では、含まれ（全ての区画が、アクティブであって）、システム１０は、プログラムの経路Ｌ０２に進む。刺激振幅が、ステップ５１６において、最大値の１０％である、最小値に設定され、システム１０は、経路Ｌ０３に進む。本時点で、刺激が、送達され（ステップ５１８）、センサ（例えば、３Ｄ加速度計）からのデータが、測定される。総加速が、ファームウェア内に実装される無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを使用して、元々の加速信号（Ｘ、Ｙ、およびＺ）の低域通過フィルタ処理されたバージョンから判定されてもよい。刺激の完了後（経路Ｌ０４）、システム１０は、患者インターフェースユニット１６に照会し、ユーザが、近位電極セット（ステップ５２２）または遠位電極セット（ステップ５２６）と関連付けられた疼痛感覚を示すボタン（例えば、図７における患者インターフェースユニット２００参照）を押下したかどうかを確認する。患者が、ステップ５２２（経路Ｌ０５）において、近位電極セットに関する疼痛感覚を報告する場合、近位セット内の電極区画のパターンは、ステップ５２０（経路Ｌ１７）において、再配列され、刺激手技が、ステップ５１６（経路Ｌ０２）から再開される。全ての近位区画が、本時点において試されている場合（ステップ５１２）、メッセージが、患者インターフェースユニット１６に送達され、ユーザに、デバイス（少なくともその近位区分）を再位置付けするように命令し（ステップ５０８）、システムは、アイドル状態５０２（経路Ｌ００）に戻り、ユーザが、再び、患者インターフェースユニット１６上の開始ボタン５０４を押下するまでそのままである。
【０１５７】
同様に、疼痛が、ステップ５２６（経路Ｌ０７）において、遠位電極セットと関連付けられていると報告される場合、遠位セット内の電極区画のパターンは、ステップ５２４（経路Ｌ１３）において、再配列され、刺激手技は、ステップ５１６（経路Ｌ０２）におけるプログラム場所から再開される。全ての近位区画が、本時点で試されている場合（ステップ５１４）、メッセージが、患者インターフェースユニット１６に送達され、ユーザに、ステップ５１０において、デバイス（少なくともその遠位区分）を再位置付けするように命令し、システムは、アイドル状態５０２（経路Ｌ００）に戻り、ユーザが、再び、患者インターフェースユニット１６上の開始ボタン５０４を押下するまでそのままである。
【０１５８】
疼痛インジケーションが、受信されない場合、加速度計を使用して判定された筋収縮の強度が、ステップ５２８（経路Ｌ０８）において、最小値に対して比較される。収縮が、十分に強い場合、筋肉が収縮されたと結論付けられる（経路Ｌ１０）。そうでなければ（経路Ｌ０９）、刺激振幅は、ステップ５３０（経路Ｌ１５）において、増加される。刺激が、すでに最大利用可能電圧である場合、近位および遠位電極のパターンは、ステップ５３６において、再調節され、システムは、ステップ５１６（経路Ｌ０２）に戻る。新しい刺激振幅が、最大許容値未満である場合（経路Ｌ１０）、患者インターフェースユニット１６は、照会され、ユーザが療法を終了することを要求したかどうかを判定する（ステップ５３４）。停止要求が、検出された場合（経路Ｌ１１）、システムは、ステップ５０２（経路Ｌ００）において、アイドル状態に戻る。そうでなければ、方法５００は、次の刺激のために、ステップ５１８（経路Ｌ０３）に戻る。有利には、前述のアルゴリズムは、自動的に、刺激閾値を判定し、組織への最小エネルギーの送達が所望の療法用転帰を達成することを可能にする。刺激エネルギーを筋収縮を生じさせるために必要とされる最小値に保つことによって、バッテリ寿命が、延長され、感覚神経の非意図的刺激および非標的筋肉の運動神経の可能性が、低減される。
【０１５９】
ここで図１４を参照すると、動作方法の修正されたバージョンが、説明され、これは、図１３の方法５００のものに類似する利点を提供するが、加えて、患者が最適電極パターンおよび電流経路を判定することに関わる必要性を排除する。代わりに、図１４の方法は、電極パターンおよび刺激振幅を自動的に判定する。方法５５０は、アイドル状態（ステップＭ００）から開始し、開始ボタンが押下されるまで、そのままである。いったん開始ボタンが、押下されると（ステップＭ０１において）、アルゴリズムは、全ての電極の含有から開始し、刺激振幅を最低設定値に設定し（ステップＭ０２）、その後、刺激の送達が続く（ステップＭ０３）。次のステップである、ステップＭ０４では、患者の疼痛感覚のマーカが、下記に説明されるように検出される。疼痛感覚の複数のマーカもまた、使用されてもよい。十分な疼痛が、検出される場合（ステップＭ０５）、両電極のパターンが、調節される（ステップＭ１０）。全ての電極が、まだ試されていない場合、アルゴリズムは、刺激に戻り、最低振幅から開始する（ステップＭ０２）。電極パターンの全ての順列が、試されている場合（ステップＭ１１）、対象は、両電極を再位置付けするように命令され、システムは、対象が検索アルゴリズムを再始動させるまで、アイドル状態に戻る（ステップＭ００）。疼痛インジケーションが、低い場合（ステップＭ０６）、筋肉応答が、チェックされ、収縮が療法用効果をもたらすために十分に強いかどうかを判定する。収縮の強度が、印加のための必要未満である場合、刺激振幅は、増加される（ステップＭ０８）。本時点で、刺激振幅が、その最大値に到達した場合、両電極のパターンが、再調節される（ステップＭ０５）。刺激振幅が、依然として、最大許容値を下回る場合（ステップＭ０７）、チェックが、実施され、患者が療法を停止することを要求したかどうかを判定する。セッションを停止することの要求が存在する場合（ステップＭ０９）、システムは、アイドル状態に戻る（ステップＭ００）。患者が、セッションを終了することを要求していない場合、アルゴリズムは、刺激を送達し続ける（ステップＭ０３）。
【０１６０】
上記に説明されるアルゴリズムは、デバイスによる、疼痛マーカまたは複数の疼痛マーカの自動検出に依拠する。疼痛発症および重症度と相関する、交感活動の増加を検出するためのセンサの使用等、疼痛を検出するための種々のオプションが、利用可能である。交感活動の測定は、心拍数変動、ＥＣＧ（心電図）を介して検出され得る、心拍数の上昇、および呼吸数の上昇を含む。呼吸数は、ＥＣＧを介して、皮膚パッチ加速度計、胸壁の電気インピーダンス、マイクロホン、または呼吸監視の当技術分野において公知の他の技法を用いて、測定されてもよい。交感活動の他の測定は、筋肉交感神経活動または交感神経活動を含む。そのような交感神経活動は、針微小神経電図を介して、より好ましくは、表面電極を使用した交感神経活動の非侵襲性測定を介して、測定されてもよい。交感活動はまた、汗腺活動に影響を及ぼすことが公知であって、これは、皮膚パッチを介した皮膚伝導率における変動を介して測定され得る。増加される交感活動はまた、立毛（毛の逆立ち）につながり得、これは、皮膚表面上の「鳥肌」につながる。鳥肌は、皮膚インピーダンスを介して検出されてもよい。電気インピーダンスはまた、シミュレート用電極皮膚パッチと鳥肌が立っている皮膚表面との間で増加する。交感活動と相関する、他のマーカは、血圧、平均動脈圧、血管緊張、血管硬化、毛細管血管収縮（例えば、遠位指または爪先の組織蒼白として、または皮膚灌流センサを介して検出される）、および頸動脈−大腿動脈間脈波伝播速度を含む。
【０１６１】
加えて、顔ＥＭＧ電極またはビデオ画面（例えば、スマートフォン、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、タブレット、ｉＰａｄ（登録商標）、ラップトップ、ウェブカム等）を介した顔の表情の監視を含む、他のパラメータも、疼痛の検出を提供するために測定され得る。顔をしかめるまたは眉をひそめるまたは食いしばりの発生は、疼痛に関するマーカとしての役割を果たし得る。有害な刺激はまた、散瞳を生じさせ得、これは、写真またはビデオ画像を介して検出可能である。脳波記録もまた、ＥＥＧ電力スペクトルが疼痛に伴って増加し、デルタ、シータ、およびアルファ帯域幅を含む、ある帯域幅が、特に、疼痛に敏感であり得るため、疼痛を検出するために使用されてもよい。
【０１６２】
ここで図１５を参照すると、電気刺激ユニット３２の実施形態のための簡略化された回路図が、説明される。図９のレイアウトに関して説明されるように、電気刺激ユニット３２は、保持コンデンサ９２と、結合コンデンサ９４、９６と、スイッチ１１２ａ、１１２ｂのセットとを含み、その全ては、２つの電流１１４ａ、１１４ｂを電極セットに提供する。図１６Ａおよび１６Ｂは、スイッチ１１６ａの２つの最終セットを描写し、それを通して、電圧が電極セット３４ａ、３４ｂの電極３６に到着する前に通過する。スイッチ１１６ａは、刺激に能動的に関わるであろう、電極３６のサブセットを制御するために使用される。
【０１６３】
図１７は、所望の筋収縮波形を生成するために電気刺激ユニット３２を介してシステム１０によって提供される、刺激のパターンを描写する。図１８は、所望の波形を達成するためにスイッチ１１２ａ、１１２ｂを介してシステムの電極３６に提供される、信号のパターンを描写する。図１９は、所望の波形を図示する。
【０１６４】
図１７では、ＶＰは、時として、アノードパルスと呼ばれる、第１のパルス（Φ１）の振幅である一方、ＶＮは、時として、カソードパルスと呼ばれる、第２のパルス（Φ２）の振幅である。常時ではないが、通常、アノードおよびカソードパルスの振幅は、等しくなるように選定されるが、その極性は、相互に反対である。ＶＰ−Ｐは、結果として生じる波形のピーク間振幅である。システム１０によって生成された波形は、図１７に示されるように、パルス列の形態であってもよく、これは、骨格筋の収縮を刺激するために良好に機能し得る。Ｔ１は、アノードパルスの持続時間であって、Ｔ２は、カソードパルスの持続時間であって、Ｔ３は、２つの後続アノードパルス間の総経過時間であって、Ｔ４は、２つの後続パルス列間の総経過時間である。Ｎは、パルス列内のパルスの総数である。
【０１６５】
図１５および１７を依然として参照すると、システム１０によって実施される第１のタスクは、制御ユニット２４によって判定されるような必要刺激電圧を生産することである。例えば、所望の刺激電圧が、１５ボルトである場合、電圧増倍器９０（図９参照）を使用して、３ボルトであり得る、電力供給源２２から生成される。電圧増倍器９０は、Ｖｉｌｌａｒｄカスケード電圧増倍器、Ｄｉｃｋｓｏｎチャージポンプ、または任意の他のタイプの電圧増倍器であってもよい。結果として生じる電圧ＶＳは、保持コンデンサＣＨ上に貯蔵される。アノードパルスの印加の間、ＶＳは、アノードパルスの振幅、すなわち、ＶＰとなるであろう。同様に、カソードパルスの印加の間、ＶＳは、カソードパルスの振幅、すなわち、ＶＮとなるであろう。結合コンデンサ９４および９６は、患者に送達される刺激が、電荷平衡され、正味電荷が電極セットのいずれかに経時的に残されないことを保証する。
【０１６６】
アノードパルスを生成するために、電子スイッチＳ２ＰおよびＳ１Ｎを開に保ちながら、電子スイッチＳ１ＰおよびＳ２Ｎは、閉鎖される。カソードパルスを生成するために、電子スイッチＳ１ＮおよびＳ２Ｐは、閉鎖される一方、電子スイッチＳ２ＮおよびＳ１Ｐは、開放される。全ての他の時間の間、４つ全てのスイッチは、開に保たれる。本動作は、図１７に示されるように、電圧Ｖ１およびＶ２の形成をもたらし、差動電圧Ｖ１−Ｖ２を伴う。電子スイッチＳ１Ｐ、Ｓ１Ｎ、Ｓ２Ｐ、Ｓ２Ｎの動作に関するタイミング図は、図１８に示される。
【０１６７】
電圧Ｖ１およびＶ２が、電極セット３４ａ、３４ｂに印加される前に、それらは、図１６Ａおよび１６Ｂに図示されるように、電子スイッチ１１６ａ、１１６ｂの最終セットを通して通過する。図１６Ａ上に示される全てのスイッチ１１６ａが、閉鎖される場合（Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂ、Ｓ１Ｃ、Ｓ１Ｄ）、電極セット３４ａの４つ全ての電極３６は、並列に接続されるであろう。同様に、図１６Ｂ上に示される全てのスイッチ１１６ｂが、閉鎖される場合（Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃ、Ｓ２Ｄ）、電極セット３４ｂの４つ全ての電極３６は、並列に接続されるであろう。組織内の結果として生じる電流は、図１２Ａに示されるものに類似するであろう。しかしながら、全ての他のスイッチ１１６ａ、１１６ｂを閉に保ちながら、電子スイッチＳ１ＢおよびＳ２Ｂが、開放される場合、「Ｂ」電極３６は、両電極セット３４ａ、３４ｂから除去され、組織内の結果として生じる電流は、図１２Ｂに示されるものに類似するであろう。再び、本実施例および付随の図面は、電極セット３４ａ、３４ｂあたり４つの電極３６を伴う実施形態を図示するが、任意の他の好適な数の電極が、各セット３４ａ、３４ｂ内で使用されてもよい。加えて、各電極セット３４ａ、３４ｂは、４つより多いまたはより少ない電極３６を有してもよく、および／または異なる数の電極３６が、セット内でオンまたはオフにされてもよい。加えて、電極数および構成は、２つのセット３４ａ、３４ｂ間で対称である必要はない。
【０１６８】
図２０に関して、複数の皮膚パッチ１２ａ−１２ｅが、使用され、マルチモーダル無線ネットワークを介して相互に接続される、別の例示的筋収縮刺激システム３００が、説明される。皮膚パッチ１２ａ−１２ｅは、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）接続３３４または他の無線プロトコルを介して、ともに無線で結合されてもよい。パッチ１２ａ−１２ｅのうちの１つ以上のものは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）リンク３３２または他の無線プロトコルを介して、患者インターフェースユニット１６と通信してもよい。図示されるマルチモーダル無線ネットワークでは、皮膚パッチ１２ａ−１２ｅは全て、ＺｉｇＢｅｅネットワーク３３４を使用して、相互に接続される。加えて、皮膚パッチ１２ａは、ＺｉｇＢｅｅハブとしての役割を果たし、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）リンク３３２を使用して、全ての通信を患者インターフェースユニット１６にエコーする。患者インターフェースユニット１６と最良に通信するために、皮膚パッチ１２ａのうちの１つは、好ましくは、ＺｉｇＢｅｅハブの役割を果たし、スマートフォン等の患者インターフェースユニット１６と通信する。ＺｉｇＢｅｅネットワーク３３４は、症例皮膚パッチ１２ａ−１２ｅのうちの１つがネットワークから除去される場合、自己形成および自己修復することが可能であるという利点を有する。
【０１６９】
さらに、ＺｉｇＢｅｅシステムは、低電力を使用し、低データレート用途のために好適である。各皮膚パッチ１２ａ−１２ｅは、筋肉への血圧パルスの到着およびＥＣＧからの心臓収縮等、関連事象のタイミングを報告してもよく、これは全て、ＺｉｇＢｅｅハブ１２ａと患者インターフェースユニット１６との間のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）リンク３３２を介して、患者インターフェースユニット１６に中継される。患者インターフェースユニット１６は、ひいては、筋肉に送達されるべき刺激の必要タイミングを計算し、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）リンク３３２を介して、それらの値をＺｉｇＢｅｅハブ１２ａに通信する。ＺｉｇＢｅｅハブは、ＺｉｇＢｅｅネットワーク３３４を介して、パラメータを残りのユニットに割り振る。付加的通信送受信機が、ペースメーカー、除細動器、およびＣＲＴ／ＣＲＴ−Ｄデバイス等の埋込可能医療デバイスとのライブリンクを構築し、刺激のタイミングと心臓活動を協調させるために利用されてもよい。さらに、患者インターフェースユニットは、装着可能心拍数モニタ、グルコースセンサ、またはインスリンポンプ等の外部医療デバイス、および電子医療記録（ＥＭＲ）およびデータベース等のインターネット上の他のステーションと通信してもよい。
【０１７０】
本発明の療法用途
本発明のＮＭＥＳシステムは、自己投与される筋収縮療法をより単純で、より安全にし、かつ改善された臨床転帰を伴わせることで、広い可用性を見出すことが予期される。筋収縮刺激システム１０の実施形態のための可能性として考えられる臨床用途のいくつかの実施例が、下記に提供される。以下の実施例は、例証目的のためにのみ提供され、請求項によって説明されるような本発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、本願のシステム、デバイス、および方法を使用して治療され得る、いくつかの障害の説明が、開示されるが、これらの実施例は、全ての可能性として考えられる用途の包括的説明であることを意図するものではない。多くの他の疾患状態および障害も、本明細書に説明されるシステム、デバイス、および方法を使用して治療されてもよい。
【０１７１】
Ａ．代謝性障害の治療
本発明のシステムは、有利には、既存の運動プログラムを補完するか、またはそうでなければルーチンまたは激しい運動が可能ではない患者において筋肉刺激を提供するかのいずれかのために、代謝性障害を患う大患者母集団によって使用され得ることが検討される。本発明のシステム、デバイス、および方法が治療を提供し得る、可能性として考えられる代謝性障害の非限定的リストは、以下を含む。
【０１７２】
１．インスリン抵抗性。インスリン抵抗性は、世界中の数百万人の人々に影響を及ぼしている。ある人物が、より肥満になるにつれて、徐々によりインスリン抵抗性になり、損なわれた耐糖能につながり、多くの場合、２型糖尿病をもたらす。疾患が進むにつれて、個人は、網膜症、腎障害、末梢神経障害、脈管障害、心臓病、および脳卒中等の合併症を発症し得る。運動は、急激な筋収縮が、骨格筋グルコース取込率の有効な刺激であって、常習的運動が、膵臓インスリン分泌を刺激するため、これらの個人に役立つ。筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、２型糖尿病患者の体重、ＨｂＡ１ｃ（長期糖血症制御のマーカ）、および全体的健康を改善し得る。
【０１７３】
２．脂肪肝疾患。非アルコール性脂肪肝疾患（ＮＡＦＬＤ）は、北米における母集団の２０〜３０％に影響を及ぼす、後天性の代謝性肝臓障害である。ＮＡＦＬＤは、肝臓細胞傷害を伴う炎症性反応によって特徴付けられる、単純脂肪肝から非アルコール性脂肪性肝炎（ＮＡＳＨ）に及ぶ、一連の肝臓障害を指す。脂肪肝を患う患者の５〜２０％は、ＮＡＳＨを発症し、１０〜２０％は、線維症を発症し、＜５％は、肝硬変に進行する。体重低減は、ＮＡＦＬＤを解消する際に重要な役割を果し、したがって、運動および食事制御等の生活様式変更が、これらの個人に対して推奨される介入である。例えば、臀部、四頭筋、膝腱、または腓腹筋の任意の組み合わせを対象とする、筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、生活様式カウンセリングに抵抗がある、または運動することが不可能である、ＮＡＦＬＤ患者において、脂肪肝を改善し、インスリン抵抗性および血清ＩＬ−６レベルを低減させ得る。
【０１７４】
３．肥満。肥満は、患者にとって深刻な物理的、心理的、および経済的意義を有し、多くの国々の保健医療システムに課題を呈する。米国における成人の約３５％が、肥満である。減量を促進するための介入は、カウンセリング、栄養カウンセリング、および運動を含む、挙動変更から開始する。動機の欠如、時間の欠如、または併存疾患に関連する理由から、多くの肥満個人は、長期運動プログラムを維持することが不可能である。臀部および脚筋の筋肉量を前提として、筋収縮刺激システム１０を使用した常習的毎日のセッションの筋収縮療法は、脂質組織の代謝を増加させ、体重を低減させ、太りすぎ患者における肥満を治療することに役立つことが予期される。
【０１７５】
Ｂ．骨格筋機能不全の治療
１．変形性関節症。膝は、変形性関節症（ＯＡ）によって最も一般に影響される関節である。ＯＡの有病率は、母集団の高齢化および肥満率の増加に起因して、将来的に増加することが予期される。膝ＯＡを患う患者は、膝伸筋の強度が減少しており、かつ筋肉厚および繊維束長が減少している。筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、膝ＯＡを患う患者おいて、膝痛を低減させ、筋肉量および機能を改善し得る。システム１０を使用した筋収縮療法はまた、臀部ＯＡを患う患者において、臀部痛を低減させ、筋肉量および機能を改善し得る。
【０１７６】
２．筋肉減少症。加齢は、骨格筋量の進行性損失と関連付けられる。本筋肉量の損失は、筋力を低減させ、機能容量を損なわせる。高速筋肉損失は、傷害または病気に起因する四肢不動化または臥床に続く、高齢者において一般的問題である。不使用の周期の間、ある程度の物理的活動を維持することが、筋肉萎縮を和らげるために要求される。したがって、筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の規則的な継続的処方計画は、高齢者患者、ＩＣＵ患者、および外科手術から回復する患者において、筋肉量および／または筋力の損失を和らげ得る。
【０１７７】
３．神経筋訓練。ＮＭＥＳは、例えば、脳卒中、頭部外傷、または外科手術後の四肢虚弱を改善するための理学療法の標準的ツールである。理学療法士は、筋収縮刺激システム１０を使用して、筋肉萎縮を治療し、筋肉量を増加させ、筋力を改善し、筋肉持久力を増加させてもよい。システム１０はまた、筋肉に対する神経ドライブを増加させ、固有感覚を改善し、運動制御を改善し、随意的運動機能を促進または再教育するために使用されてもよい。
【０１７８】
Ｃ．有酸素持久力を改善するための治療
１．有酸素運動。有酸素運動は、ＣＯＰＤまたは冠動脈疾患等の慢性疾患を患う患者において、健康を維持し、心臓機能を改善するための重要な要素である。個人が、傷害または病気に起因して、有酸素運動を実施することが不可能である場合、システム１０は、運動の代替として使用され、有酸素運動不足による不調を回避または解消してもよい。実際、筋収縮刺激システム１０は、酸素取込（ＶＯ２）を誘発し、心拍数を増加させ、血中乳酸を増加させるために使用されてもよい（全て、有酸素運動から生じるものに類似する変化）。
【０１７９】
２．癌。運動は、癌を患う患者において、様々な理由から、生存率を改善し得る。より良好な物理的条件下にある患者は、二次および三次治療を受ける可能性がより高く、化学療法の過程により良好に耐え、完了することが可能である。また、運動は、薬物分布、薬力学、および代謝への影響を通して、細胞毒性化学療法の効果を高め得る。除脂肪体重および物理的機能における改善はまた、疾患リスクおよび生存率にとって意義を有し得る。システム１０は、有利には、癌患者において、機能、および可能性として、生存率を改善するために使用され得る。
【０１８０】
ｄ．循環器系障害の治療
心不全。カウンターパルセーションは、心仕事量を低減させるための循環器系補助の方法である。大動脈内バルーンポンプ（「ＩＡＢＰ」）は、本利点を提供するが、ＩＡＢＰの設置は、侵襲性インプラントを要求するため、ＩＣＵにおける代償不全患者に留められる。非侵襲性の外部カウンターパルセーションシステムは、心臓サイクルの拡張期の間、順次膨張（遠位から近位）を提供する、患者の脚部を空気圧カフ内に包囲することが公知である。外部カウンターパルセーションは、心不全、不安定狭心症、急性心筋梗塞、および心原性ショックのためのＦＤＡ認証治療であって、病院または医師のオフィスで実施される。大型の台、油圧システム、およびコンピュータインターフェースを含む。筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、外部カウンターパルセーションのものに類似する、利点を提供し得る。
【０１８１】
ｅ．末梢血管疾患の治療
１．慢性静脈不全（ＣＶＩ）。ＣＶＩは、脚部静脈内の静脈弁が、効果的に機能せず、血液が心臓に戻ることを困難にするときに生じる。弁損傷は、加齢、長期着座または立姿勢、または深部静脈血栓症（ＤＶＴ）につながる低減された移動性の結果として生じ得る。弁機能不全は、静脈高血圧症につながり、これは、ＣＶＩの症状の大部分の根底にある。患者は、腫脹脚部、脚部痛、皮膚浸出、および潰瘍形成を発症し得る。筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、血行動態パラメータを改善し、脚部浮腫を低減させ、足の皮膚への血液供給量を改善し得る。
【０１８２】
２．深部静脈血栓症（ＤＶＴ）の防止。長期不動化の間、個人は、ＤＶＴを発症するリスクがあり、これは、潜在的に、肺に進行する場合（肺塞栓）、生命を脅かす。静脈鬱滞を防止するために、不動化されている患者は、順次圧迫デバイス（ＳＣＤ）を脚部の周囲に設置され得、これは、空気で周期的に膨張され、静脈血液を脚部から体幹に指向させる。特に、腓腹筋の、筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、臥床の間、脚部からの血流を改善し、したがって、ＤＶＴを防止するために使用され得る。
【０１８３】
３．末梢動脈疾患（ＰＡＤ）。８百万人を超える米国人および２００百万人を超える世界中の人々が、脚部内の罹患または遮断または部分的に遮断された動脈を特徴とする、ＰＡＤに悩まされている。本数は、母集団の加齢に伴って上昇する可能性が高い。古典的症状は、跛行、すなわち、影響を受ける動脈の遠位の筋群における身体運動の際の不快感である。一次療法は、疼痛を感じるまで、監督下で歩行し、次いで、疼痛が治るまで安静にし、次いで、再び、歩行し、少なくとも週３回のセッションあたり２０〜６０分にわたって、シーケンスを繰り返す。本運動は、閉塞した動脈を補償し得る側枝血管を脚部内に形成させる。人々がＰＡＤを発症する、平均年齢は、７０歳である。これらの患者の一部は、歩行運動プログラムに参加することを困難にする、ＣＯＰＤ、心不全、関節炎、または他の障害等の混同を生じさせる病気に悩まされる。さらに、跛行不快感は、彼らが慢性運動プログラムを維持することを止めさせ得る。筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、これらのＰＡＤ患者において、運動の代用品として使用され得る。
【０１８４】
４．リンパ浮腫。リンパ系は、リンパ管を介して、リンパ液を循環させ、これは、リンパ節の中に排出される。外科手術、放射線、癌、または感染症からのリンパ管またはリンパ節の除去、損傷、または遮断は、四肢から戻るリンパ液に干渉し、四肢腫脹をもたらす。システム１０は、１つ以上の四肢と併用され、四肢からのリンパ液を体幹に戻すことに役立ち、それによって、四肢腫脹を低減させ得る。
【０１８５】
Ｆ．交感神経ドライブの改善
高血圧症。機械的に敏感な伸張受容体は、心臓、大静脈、大動脈、および肺の血管内に位置する。これらの伸張受容体は、中心血液量および血圧の変化を感知する。中心血液量（血圧）の増加は、迷走求心性神経発火を増加させ、反射的に、交感神経活動（ＳＮＡ）を減少させる。本現象は、心肺圧反射と呼ばれる。筋収縮と関連付けられた中心血液量の増加は、心肺圧受容体を活性化し、ＳＮＡを阻止する。筋収縮刺激システム１０を使用した筋収縮療法の療法用処方計画は、ＳＮＡを低減させ、高血圧症を含む、ＳＮＡの増加に関連する種々の病態を改善するために使用され得る。
【０１８６】
上記に述べられるように、本発明の筋収縮刺激システムおよび方法は、いくつかの病状のいずれかを治療し、理学療法を向上させ、物理的運動および／または任意の他の好適な療法のための代用品として作用し、所与のヒトまたは動物対象に利点をもたらすために使用されてもよい。以下は、システム１０を使用した３つの例示的療法用実施例である。
【０１８７】
（実施例１）心不全の治療のための筋収縮刺激
ここで図２１−２４を参照すると、心不全を治療するために好適な筋収縮刺激システム４００の例示的構成および方法が、説明される。心不全は、心筋が、十分な量の血液を圧送し、身体の生理学的必要性を満たすことが不可能である状態である。公知の治療法のない進行性疾患であって、米国では、５百万人を上回る個人に影響を及ぼしている。心不全患者の平均予想生存期間は、診断時から約５年である。従来の治療は、後負荷を低減させ（例えば、動脈圧を低減させ）、心筋の収縮性を増加させることによって、心臓機能を改善することを目的とする。そのような治療にもかかわらず、心不全患者は、最終的に、本疾患に屈することになる。
【０１８８】
筋収縮刺激システム４００は、下肢の筋肉における収縮を刺激し、血液を心臓に戻るように圧送することに役立てることによって、心不全患者の治療のために構成および使用されてもよい。これは、心臓を急性的に「安静」させることを可能にする。常習的使用によって、筋収縮刺激システムは、心臓をリモデルし、それによって、拡張末期量を低減させ、左心室駆出率を改善することを可能にし得ることが可能性として考えられる。一実施形態では、皮膚パッチ４１２ａ−４１２ｄが、腓腹筋（パッチ４１２ａ）、膝腱筋（パッチ４１２ｂ）、殿筋（パッチ４１２ｃ）、および四頭筋（パッチ４１２ｄ）にわたって設置されてもよい。電気刺激が、システム４００によって、連続して、これらの筋群に印加され、腓腹筋から開始し、四肢を上方に頭部に向かって移動し、したがって、筋肉に血液を心臓に向かって上向きに圧搾させ得る。図２１Ｂにおけるタイミング図は、システム４００によって患者の神経組織に提供される刺激パルス４２０とともに、患者のＥＣＧ信号４２２を図示し、皮膚パッチ４１２ａ−４１２ｄの刺激の近似タイミングを示す。腓腹筋に印加される、電気刺激は、「Ａ」で標識され、ＥＣＧのＴ−波の直後に生じる。次に、膝腱および四頭筋が、刺激され、これは、「Ｂ」で標識される。最後に、殿筋が、刺激され、これは、「Ｃ」で標識される。
【０１８９】
筋収縮システム４００は、筋攣縮を生産する、非痙攣波状周波数（４〜１２Ｈｚ）と、融合収縮を生産する、痙攣波状周波数（２０〜１００Ｈｚ）とを含む、種々の周波数を使用してもよい。目標が脚部からの流体の循環を促進するためである用途（例えば、心不全、慢性静脈不全、深部静脈血栓症の防止、および末梢動脈疾患）に関しては、好ましくは、２０〜７５Ｈｚの痙攣波状周波数を使用することが予期される。
【０１９０】
図２２を参照すると、脚筋の電気刺激を用いた心不全の治療が安全かつ効果的であるために、筋肉への電気刺激の印加が、正しく判定され、印加されることが重要である。例えば、骨格筋刺激が、筋肉を心室収縮期直後に収縮させる場合、そのような刺激は、心臓後負荷を増加させ、望ましくなく、心臓における仕事量を増加させることになるであろう。そのような刺激タイミングはまた、僧帽弁逆流を生じさせる場合がある。骨格筋刺激の最適タイミングを判定するタスクはさらに、患者毎の変動、心拍数へのその依存性、および患者位置によって複雑化する。
【０１９１】
システム４００は、上記に説明されるように、皮膚パッチ１２内の１つ以上のセンサ１５と、別個のセンサ１４と、信号処理ユニット２８とを使用して、心臓サイクルに対する骨格筋刺激の正しいタイミングを判定し得る。例えば、ＥＣＧデバイス、血圧測定デバイスおよび／または加速度計が、患者のＥＣＧ信号４２２および局所心弾動図信号４２４を監視するために使用されてもよい。ＥＣＧ信号４２２は、図２１Ｂにおける刺激パルスＡ、Ｂ、およびＣ等の全ての後続事象のタイミングの発生に関する基準として使用されてもよい。最初に、ＱＲＳまたはＴ−波と局所心弾動図４２４のピークとの間の遅延が、患者が安静時であって、脚筋に印加されていない間に測定され得る（図２２上のＴ１０）。局所心弾動図４２４のピークは、収縮期圧力波が、局所位置、例えば、上側大腿部に到着したことを示す。筋肉の刺激は、図２２に示されるように、本ピーク後の周期Ｔ１１のみ、但し、Ｔ１２の前に開始すべきである。骨格筋は、Ｔ１１−Ｔ１２の時間間隔内では、安全に刺激され得る。
【０１９２】
時間間隔Ｔ１１−Ｔ１２内に刺激するための正確な時間は、センサ１４および１５からの付加的情報を使用して判定されてもよい。いったん療法が有効になると、心拍数および動脈圧の両方が、減少するであろう。故に、制御ユニット２４は、血圧または心拍数を監視しながら、電気刺激がＴ１１−Ｔ１２の時間間隔内に印加される時間を掃引し得る。その後、心拍数または血圧の最大降下を生産する、遅延が、骨格筋を刺激するための好ましい遅延として選定され得る。
【０１９３】
好ましい実施形態では、骨格筋刺激は、拡張期の開始時に生じ、収縮期の開始時に停止し、カウンターパルセーション支援を提供するように計時され得る。本刺激処方計画は、拡張期圧力を増大させ、左心室後負荷を減少させ、静脈帰還を増加させることが予期される。拡張期圧力の増大は、心臓が弛緩状態にあって、冠動脈内の抵抗が最小である、拡張期の間、血液量を冠動脈の中に戻るように変位させる。冠動脈灌流圧力の結果として生じる増加は、側枝血管を通した血流を増加させる、または冠動脈側枝血管の発生を向上させ得る。加えて、左心室が収縮すると、カウンターパルセーションが大動脈からの血液量を空にすることに寄与するであろうため、低減された後負荷に逆らって機能する。本実施形態のための臨床用途は、狭心症、心不全、虚血性脳卒中、勃起不全、および急性心筋梗塞を含むであろう。
【０１９４】
別の実施形態では、骨格筋刺激は、血流を頭部および体幹の器官に指向するように、収縮期の間に生じ、同一または後続心臓サイクルの拡張の間に終了するように、計時されてもよい。そのような刺激処方計画は、下壁心筋梗塞、出血、脱水、敗血症等の状態を含む、血管内流体量の増加を要求する患者にとって有益であることが予期される。
【０１９５】
ここで図２３Ａ−２３Ｄおよび２４を参照すると、制御ユニット２４はまた、下肢の骨格筋が刺激される率を判定してもよい。例えば、訓練処方計画が、筋肉をゆっくりと調整することに役立てるために、患者上で経時的に使用されてもよい。そのような訓練は、典型的には、任意の運動に慣れていない、またはのみ最小限にのみ運動する、心不全患者にとって、非常に有益であり得る。図２３Ａ−２３Ｄに図示される、１つの訓練処方計画では、制御ユニット２４は、刺激が、任意の所与の心臓サイクルの間、印加されるべきであるかどうかを判定する。図２３Ａに図示される、療法の初期周期の間、電気刺激は、４つの連続心臓サイクルのうちの１つの間のみ印加される。後に、患者の筋肉が、調整されるにつれて、筋収縮は、３つの連続心臓サイクルのうちの１つの間（図２３Ｂ）、次いで、１つおきの心臓サイクル（図２３Ｃ）、最後に、心臓サイクル毎に１回（図２３Ｄ）、刺激されてもよい。刺激のタイミングを加速させることの決定は、プログラムされたパラメータ、医師によって打ち込まれたパラメータ、患者によって行われた決定、プログラムされた治療アルゴリズム、および／またはシステム４００の１つ以上のセンサ１４、１５によって感知される筋疲労に基づいて、制御ユニット２４によって行われてもよい。
【０１９６】
図２４は、心不全患者のための第２の例示的治療処方計画を図示する。この場合、電気刺激は、処方計画全体を通して、１つおきの心臓サイクルの間、骨格筋に印加される（図２４における表の行１−４）が、心臓サイクルあたりの刺激パルスの数は、経時的に増加する。最初の２週間等の訓練処方計画の早期周期の間は、単一パルスのみが、印加される。これは、図２４の表の第１の行に図示され、また、図１７に示される波形に関するＮ＝１に相当するであろう。骨格筋が、変容し、疲労を受けにくくなるにつれて、パルス（Ｎ）の数は、増加され、より強くかつ持続的収縮を形成する。さらに、心拍数の急増によって示されるように、増加される心拍出量に対する強需要が存在するとき、制御ユニット２４は、図２４の下行に描写されるように、骨格筋が各心臓サイクルの間に刺激される、刺激パターンに切り替えてもよい。
【０１９７】
（実施例２）２型糖尿病の治療
インスリン抵抗性は、骨格筋、脂肪細胞、および肝臓等の組織内のインスリン作用における障害を指す。インスリン抵抗状態では、骨格筋の中へのインスリン刺激グルコース取込には、低減および遅延の両方が生じる。骨格筋内のインスリン抵抗性は、心不全、脂質異常症、慢性腎不全、通常の加齢、肥満、および２型糖尿病を含む、多くの疾患状態と関連付けられる。糖尿病は、世界中の数百万人の人々に影響を及ぼす、複合疾患である。米国における３人に１人の成人が、２０５０年までに糖尿病を有するであろうことが予測される。肥満は、症例の大部分においてある役割を果たす。人物が、より肥満になるにつれて、よりインスリン抵抗状態になり、損なわれた耐糖能につながり、これは、２型糖尿病の発症につながり得る。疾患が進むにつれて、合併症のリスクは、増加する。合併症は、網膜症、腎障害、末梢神経障害、および脈管障害を含み、心臓病および脳卒中につながる。
【０１９８】
運動は、骨格筋内のインスリンに対するグルコース搬送プロセスの感度を増加させるため、２型糖尿病を患う個人に対する一次治療と見なされる。運動の間の筋収縮は、インスリンより骨格筋グルコース取込の有効な刺激である。常習的な規則的運動は、グルコース代謝に影響を及ぼす、増加される筋肉量の適応応答につながる。常習的な運動はまた、グルコースによって刺激される膵臓インスリン分泌に影響を及ぼす。２型糖尿病のための運動ガイドラインは、１週間ほぼ欠かさず１日３０〜６０分にわたる、規則的で、中程度の強度の、持久力タイプの物理的活動を推奨する。しかしながら、運動プログラムを遵守しようとする患者の動機付けは、弱い。成人母集団の約７０％は、規則的運動の推奨される３０分の目標を達成することができず、約４０％は、任意の種類の物理的活動に従事しない。２型糖尿病を患う個人は、典型的には、太りすぎであって、関節炎、羞恥心に悩まされている、または外出する、または屋外での運動のためにジムに向かう動機付けを欠いている場合がある。また、高齢者または障害者である場合がある。
【０１９９】
本発明の筋収縮刺激方法、デバイス、およびシステムは、刺激される筋収縮を介して運動をシミュレートすることによって、２型糖尿病患者の治療のために使用されてもよい。上記に議論されるように、本発明の筋収縮システムは、種々の周波数を使用してもよい。非痙攣波状周波数（４〜１２Ｈｚ）の使用は、筋攣縮を生産する一方、痙攣波状周波数（２０〜１００Ｈｚ）は、融合収縮を生産する。５Ｈｚにおける刺激は、筋攣縮間の完全な弛緩を可能にするであろう。筋攣縮間の弛緩は、筋肉線維の短縮（アクチン／ミオシン架橋サイクル）が短縮された筋肉長を持続するよりも多くのＡＴＰを消費するため、最大エネルギー消費を達成するために重要である。また、非痙攣波状刺激は、酸素消費の匹敵するレベルにおいて、痙攣波状刺激ほど疲労をもたらさない。２型糖尿病、脂肪肝疾患、および肥満等の障害において、代謝性効果およびエネルギー消費を最大限にするために、筋収縮システムは、４〜６Ｈｚの周波数で、長治療セッション（６０分を上回る）にわたって、週あたり訓練周波数５〜７回において、複数の大筋群を含むことによって、刺激される筋肉量を最大限にすべきである。
【０２００】
さらなる考慮点は、２型糖尿病の治療に特有の安全性問題が存在することである。本発明の筋収縮刺激システムは、それらの問題を管理することに役立つように一意に構成される。例えば、血糖値濃度が、７０ｍｇ／ｄＬを下回る値まで降下すると、低血糖症として知られる状態が、生じ、典型的には、また、心拍数の増加に特徴付けられる、頻脈として知られる状態を伴う。システム１０は、ＥＣＧデバイスを使用して、対象の心拍数を監視するように構成され得、心拍数がある値を上回って上昇する場合、心拍数のその増加は、低血糖症のインジケータとして解釈され得、そのインジケータは、次いで、療法を終了するために使用され得る。インスリン抵抗性のホメオスタシスモデルアセスメント（ＨＯＭＡ−ＩＲ）インデックスの値の増加は、肥満度指数および血圧の異なるカテゴリを横断して、有意に高い血圧レベルおよび低減されたＲ−Ｒ間隔、１回拍出係数、心係数、前駆出期、および左心室駆出時間と関連付けられる。故に、療法セッションは、血圧の低減またはＲ−Ｒ間隔、１回拍出係数、心係数、前駆出期、および左心室駆出時間の増加が検出されると、終了され得る。
【０２０１】
安全動作を監視するために利用可能な別のフィードバック機構は、血糖値濃度の変化の測定値を提供するための皮膚インピーダンスの容量成分の使用である。再び、２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの周波数範囲内で測定される、皮膚静電容量における任意の有意な降下は、低血糖症の発症および療法を終了する必要性を示すと解釈され得る。本タイプの測定は、橈側皮静脈等の表在脈管にわたって位置する、相互交絡電極を使用して最良に行われる。３５ピコファラッド（ｐＦ）のベースライン静電容量値が、概して、予期され得る。治療周期の間、血糖値レベルは、２型糖尿病を患う患者に対して減少することが予期される。典型的には、２ｍｍｏｌ／リットルの血糖値レベルの減少は、３．５ｐＦの静電容量の降下によって示される。故に、一実施形態では、システムは、静電容量値の変化を監視し、皮膚静電容量の低減を血糖値レベルにおける低減として解釈するように構成される。静電容量の値が、所望の量、例えば、３．５ｐＦ低減されると、血糖値レベルが２ｍｍｏｌ／リットル低下したと仮定され得、療法セッションは、終了され得る。
【０２０２】
別の実施形態では、制御ユニットは、疲労している筋群に送達されている刺激を終了するが、同時に、本情報を患者インターフェースユニットに通信するように構成され得る。計画された療法持続時間の時間が残っている、または療法目標がまだ達成されていない場合、別の筋群の刺激が、始動されてもよい。刺激される筋群間の本遷移は、いくつかの方法のうちの任意の１つにおいて遂行されてもよい。パッチが、疲労筋群および新しい筋群の両方を網羅するように位置する場合、パッチ内の電極は、前のものの代わりに新しい筋群を捕捉するように電気的に再構成されてもよい。代替として、患者インターフェースユニットは、患者に、皮膚パッチを新しい筋群により近い場所に再位置付けするように命令してもよく、新しい閾値判定プロセスが、上記に議論されるように開始される。最後に、患者は、最初に、疲労条件が第１の筋群内で検出されると、患者インターフェースユニットがある筋群から次の筋群に自動的に切り替え得るように、訓練セッション開始時、複数の皮膚パッチを設置してもよい。本発明の特定の実施形態は、前述のように、疲労センサを利用する。
【０２０３】
患者がまた、ペースメーカー、ＩＣＤ、ＣＲＴ、ＣＲＴ−Ｄ、または皮下ＩＣＤ等の心臓刺激装置を有する場合、ペーシング閾値の変化が、血糖値レベルの検出器として使用されてもよい。この場合、患者インターフェースユニット１６は、心臓刺激装置と通信し、ペーシング閾値情報を取得し、捕捉閾値内の任意の増加をグルコースレベルの降下として解釈してもよい。
【０２０４】
本発明の原理に従って構築されたシステム内に組み込まれる、フィードバックシステムはまた、医療従事者が、所与の療法セッションが効果的であるかどうかを判定することを可能にする。例えば、所与の療法セッション全体を通して、心拍数、血圧、または皮膚抵抗の容量成分の変化が存在しない場合、血糖値レベルもまた、有意に変化していない可能性が高く、これは、ひいては、インスリン抵抗性が有意に低減されていないことを示す。本タイプのデータ報告に基づいて、医療従事者は、刺激されている筋肉または筋肉繊維束の数を増加させる、事前に規定された療法持続時間を増加させる、またはより集中的刺激処方計画に切り替えるように選定してもよい。
【０２０５】
上記に説明されるフィードバックシステムはまた、所与の疾患状態の治療に特有の療法の最適送達を可能にする。例えば、インスリン抵抗性を低減させるために、骨格筋の準最大収縮を使用することが可能性として考えられ得、これは、ひいては、筋肉内の疲労の発症を遅延させ、全体的療法利点を増加させ、患者不快感を低減させるであろう。しかしながら、療法利点を有するための準最大収縮に関して、周期的に、最大収縮を追加する必要があり得る。これは全て、制御ユニットが療法セッション全体を統制することを可能にする、信号処理ユニットの助けを借りて、加速度計またはＭＭＧセンサ等のセンサのいずれかの使用によって遂行されることができる。例えば、制御ユニットは、筋収縮の強度を監視しながら、印加される刺激の強度を増加させるようにプログラムされてもよい。これは、ＭＭＧ信号のＲＭＳ値または５０Ｈｚにおけるその電力を測定し、収縮の強度を判定することによって行われることができる。刺激振幅の増加が、筋収縮強度におけるさらなる増加をもたらさないとき、制御ユニットは、最大収縮が達成されたことを判定してもよい。本時点で、刺激振幅は、筋収縮の強度を減少させるために低減され得、これは、ひいては、疲労発症を遅延させるであろう。最適療法利点を保証し、筋疲労ステータスを試験するために、制御ユニットは、周期的に、例えば、１５分毎に、刺激強度を最大収縮のために必要とされるものまで増加させ、収縮の強度を測定し、続いて、刺激強度を減少させる。制御ユニットは、以下、すなわち、事前にプログラムされた療法持続時間が完了した、筋疲労が検出された、安全性懸念が検出された（本願のいずれかの場所に記載されるように）、患者が歩行可能になった、または患者がセッションの終了の要求を打ち込んだことのいずれかが生じるとき、療法を終了させてもよい。
【０２０６】
（実施例３）関節炎の治療のための筋収縮刺激
膝の変形性関節症（ＯＡ）は、疼痛、身体障害、および最終的には、膝置換外科手術につながり得る、進行性の加齢関連病態である。５０歳を超えた人々における慢性身体障害の主な原因であって、疼痛、虚弱、およびさらなる疼痛を増加させるサイクルにつながる。膝ＯＡは、歩行、階段昇降、および家事を行うことが不能であるため、任意の他の疾患より重責を担う。
【０２０７】
骨格構造における影響に加え、ＯＡは、神経筋系に影響を及ぼす。患者は、多くの場合、四頭筋の虚弱、すなわち、膝伸筋に悩まされる。筋肉虚弱は、筋肉量の減少および／または四頭筋に対する神経ドライブの低減と関連付けられ得る。四頭筋虚弱は、固有感覚、関節安定性、および衝撃吸収の減少に関連しており、さらなる関節変性および後続疼痛につながる。
【０２０８】
膝変形性関節症の治療は、疼痛を緩和し、強度、神経運動制御、および関節運動範囲等の機能の計測量を改善することを目的とする。一次療法は、膝の伸筋筋力を改善することを目的とする、運動または監督下理学療法である。しかしながら、疼痛および関節硬化は、患者が従来の強度訓練および理学療法プログラムに参加することを困難にし得る。疼痛は、過少量の強度訓練につながり得る。また、監督下運動療法は、労働集約的であって、時間がかかり、高価であって、多くの場合、交通上、患者にとって困難である。変形性関節症を患う多くの患者は、殆ど体を動かさず、長期理学療法プログラムに対して気が進まない、またはそれを維持することが不可能である。
【０２０９】
本明細書に説明される筋収縮刺激システム１０および方法は、多くの患者におけるＯＡを治療するために使用されてもよい。システム１０および方法４０は、強度、持久力、神経ドライブ、活性化時間、固有感覚、筋構築、筋厚、断面積、繊維束長、生物力学、および腱、靱帯、筋膜、結合組織、および軟組織の強度を増加させるために使用されてもよい。システム１０を用いた治療は、筋力を増加させ、より高速の歩行を助長し、膝痛を悪化させずに、座位からの起立または階段昇降等、個人が日々の生活を送ることをより容易にし得る。より強い膝伸筋は、膝関節における影響力を減少させると考えられ、疼痛に関する機械的刺激を低減させ得る。
【０２１０】
ＯＡを治療する際の運動（およびＮＭＥＳ）の有効性は、周波数、強度、およびプログラム持続時間に関連する。不良なコンプライアンス、より短い治療セッション、低減された繰り返し数、または準最適レベルの筋収縮は、運動プログラムの有効性を低減させるであろう。システム１０および方法４０は、より長い治療セッション、より長い全体的治療プログラム持続時間、および患者が追従および遵守するためのより単純かつより容易な処方計画を可能にするように構成される。ＯＡ療法のために使用されるとき、システム１０は、ゴニオメータ等の関節測定に特有の１つ以上のセンサ１５、１４を含んでもよく、いくつかの実施形態では、システム１０は、療法の前または間、標的関節撓曲、および／または伸展を判定するために使用されてもよい。皮膚パッチ１２等の刺激装置１１は、下肢の主な筋群のいずれかまたは全て上に設置されてもよい。いくつかの実施形態では、膝腱等の拮抗筋を刺激し、四頭筋筋収縮を平衡させることが有利であり得る。
【０２１１】
ＯＡのための収縮刺激システムの一実施形態は、４〜１０秒のオン時間と、４〜１０秒のオフ時間とを伴う、２０〜７５Ｈｚの痙攣波状周波数を使用するであろう。臀部ＯＡまたは臀部外科手術後のリハビリに関しては、殿筋が、刺激されるであろう。膝ＯＡまたは膝外科手術後のリハビリに関しては、四頭筋または四頭筋および膝腱の両方が、刺激されるであろう。
【０２１２】
シミュレータ１１はまた、代替実施形態では、単一大腿神経刺激装置、または、例えば、鼠径靱帯に係留される、または大腿神経の近傍の大腿静脈内に位置付けられる、１つ以上の埋め込まれた電極を含んでもよい。大腿神経は、膝を進展させる筋肉を神経支配するため、大腿神経は、それらの筋肉の個々の神経筋接合部を刺激する代わりに、直接、複数の筋肉を捕捉するように刺激されてもよい。神経は、鼠径面積の近傍の皮膚のより近くに位置付けられるため、刺激装置パッチは、図２５Ａおよび２５Ｂに示されるように、その場所に設置されてもよい。特に、図２５Ａでは、本発明に従って構築された皮膚パッチ１２は、鼠径面積の近傍に配置される。図２５Ｂは、大腿神経ＦＮ、大腿動脈ＦＡ、大腿静脈ＦＶ、大腿鞘ＦＳ、脂肪Ｆ、鼠径靱帯ＩＬ、腸骨筋膜ＦＩ、腸腰筋ＩＭ、恥骨筋ＰＭを含む、その上に皮膚パッチ１２が配置される、皮膚Ｓの下層の生体構造を描写する。本領域内の神経深度は、個人の肥満度指数（ＢＭＩ）に応じて、２〜７ｃｍであることが公知であって、変動の大部分は、皮膚の下方の脂肪層の厚さに起因する。
【０２１３】
刺激はまた、例えば、１つ以上の加速度計からのフィードバックを使用して、異なる筋肉に印加され、膝関節上にかかる側方および回転力を最小限にするように協調されてもよい。例えば、患者が起立または歩行するとき、刺激を停止する、自動シャットオフ機能を含む、前述の安全性特徴およびセンサのいずれかが、採用されてもよい。いくつかの実施形態は、電気インピーダンス分光法を使用して、膝関節内およびその周囲の腫脹の範囲を測定してもよく、これは、療法を終了、休止、または調節すべきときを判定するためのフィードバックとして使用され得る。システム１０および方法４０のこれらおよび他の特徴は、膝ＯＡの治療だけではなく、限定ではないが、肩、肘、臀部、および足首関節等の任意の他の関節の治療にも同様に適用されてもよい。
【０２１４】
理論的モデル化および実験結果
一連の調査が、組織内の電流分布の理論的分析、有限要素分析、物理的モデルを使用したインビトロ研究、およびヒト対象におけるインビボ実験を含め、本発明の筋収縮刺激システムおよび方法の実行可能性を査定するために行われた。これらの研究は、下記に説明される。
【０２１５】
刺激電極を側方に隣接する位置に再構成することによる、感覚神経の不注意による刺激を低減させる潜在性を判定するために、組織内の電流伝達の数学的モデルが、開発され、これは、図２６に描写される。本モデルでは、皮膚表面と平行な側方インピーダンスは、Ｒ１と標識された抵抗器を使用して表される一方、皮膚表面に対して法線のインピーダンスは、Ｒ２と標識された抵抗器としてモデル化される。電流源４２１が、電流をＶ１として標識されるノードの中に注入すると仮定され、回避されるべきノードは、Ｖ２として標識される。本研究に関して、帰還電極が、ノードＶ１から離れて位置付けられ、故に、電流流動は、主に、組織の中に流れると仮定される。比率Ｖ２／Ｖ１は、したがって、回避されるべきノードから側方に離れて移動させるにつれた刺激振幅の低減に対応する。
【０２１６】
図２６に示されるモデルの幾何学形状は、対称であるため、図２７Ａに示されるモデルに簡略され得、ＲＹとして標識される抵抗器は、組織の中に下向きに進行するにつれて電流によって被られるインピーダンスを表す。着目されるのは、単一ノードＶ２であるため、抵抗器ラダーの半分のみが、図２７Ｂに示されるように、正確度の損失を伴わずに、研究される必要がある。図２７Ｂの抵抗器ラダーは、無限のものであって、無限に及ぶことを意味する。ラダーの各ステップでは、図の右側に延在する、別の無限抵抗器ラダーが存在する。さらに、ラダーの各ステップにおいて見られる無限抵抗器ラダーは、同じであって、ＲＸで表され得る。ＲＸの値は、以下のように判定され得る。
【０２１７】
【化１】
2021506551.tif 000003
【０２１８】
【化２】
2021506551.tif 000004
【０２１９】
【化３】
2021506551.tif 000005
【０２２０】
【化４】
2021506551.tif 000006
【０２２１】
【化５】
2021506551.tif 000007
【０２２２】
ＲＸを解法すると、以下となる。
【０２２３】
【化６】
2021506551.tif 000008
【０２２４】
または
【０２２５】
【化７】
2021506551.tif 000009
【０２２６】
負の抵抗は、不可能であるため、以下となる。
【０２２７】
【化８】
2021506551.tif 000010
【０２２８】
いったんＲＸの値が、上記の方程式を使用して判定されると、モデルは、図２７Ｃに描写されるように、さらに簡略化され得る。その場合、比率Ｖ２／Ｖ１は、以下のように算出され得る。
【０２２９】
【化９】
2021506551.tif 000011
【０２３０】
上記の方程式の精査は、比率Ｖ２／Ｖ１が、常時、１未満であることを示し、回避されるべきノード、すなわち、Ｖ２における励起が、常時、刺激のノード、すなわち、Ｖ１における励起のもの未満となるであろうことを示す。低減の数値を推定するために、全ての方向における抵抗は一定、すなわち、以下であると仮定され得る。
【０２３１】
【化１０】
2021506551.tif 000012
【０２３２】
次いで、方程式８および１０を組み合わせると、以下となる。
【０２３３】
【化１１】
2021506551.tif 000013
【０２３４】
および
【０２３５】
【化１２】
2021506551.tif 000014
【０２３６】
方程式９および１１を組み合わせると、以下となる。
【０２３７】
【化１３】
2021506551.tif 000015
【０２３８】
故に、方程式１３によって生産された数値は、単一ノードから別のノードへの電極の変位が、励起振幅を元々の値の４０パーセント未満まで低減させることを示す。
【０２３９】
前述の理論的分析の結果に基づいて、コンピュータを用いたモデルを使用した数値シミュレーションが、電極区画のパターンを修正し、電流が辿る経路を改変する有用性を評価するために行われた。そのシミュレーションの結果は、図２８Ａおよび２８Ｂに描写され、これは、変分法を使用して２Ｄラプラス方程式を解放するために、カスタム有限差分プログラムを使用して生成された。コンピュータを用いたシミュレーションは、９，５２２の三角形要素を包含する４，９００の等離間されたノードを与える、７０×７０グリッドを使用して実施された。図２８Ａは、電流を組織の中に送達するために使用される一対の電極要素ＡおよびＢに関する電流密度の線を描写し、ＣおよびＤは、対電極を形成した。図２８Ａに示されるように、電極および対電極は、対称的に位置付けられ、垂直軸に対して鏡像を形成した。外側円形は、シミュレートされた組織に関する皮膚表面を表す。円形内の曲線は、スケーリングされた数値とともに、電流密度が均一である領域を表す。円形内の文字「Ｔ」は、標的運動神経の場所を表す。図２８Ａから観察されるであろうように、１００の相対的振幅を伴う刺激電流は、標的位置「Ｔ」に到達する。文字「Ｓ」は、刺激されると、容認不可能な疼痛感覚をもたらす、感覚神経を表す。図２８Ａに示されるように、感覚神経場所Ｓにおける電流強度の振幅は、約３００単位であって、容認不可能に高い疼痛レベルに対応する。
【０２４０】
ここで図２８Ｂを参照すると、電極要素Ｃは、オフにされ、電極要素Ｄは、Ｅと対合される。この場合、電極対は、もはや垂直軸を横断して対称的に位置付けられておらず、結果として生じる電流経路は、改変される。標的場所「Ｔ」は、依然として、１００の相対的単位の振幅において刺激を受信する。しかしながら、感覚神経「Ｓ」は、ここでは、図２８Ａの電極配列と比較して、その場所における励起の量をはるかに下回る、２００未満の相対的単位の振幅における刺激を受信している。
【０２４１】
図２９は、図２８Ａおよび２８Ｂの電極配列に関する最大電流経路の変化を描写する。再び、両場合に関して、電流は、ＡおよびＢとして標識される対の要素によって形成される電極から組織に進入する。電極対ＣおよびＤによって形成される帰還電極に関して、最大電流の経路は、灰色正方形で図示される。電極対ＤおよびＥによって形成される帰還電極に関して、最大電流の経路は、黒色菱形で図示される。上記に説明されるように、電流経路は、アクティブ電極の選択によって成形される。図３０は、ヒト脚部に印加されるときの最大電流経路を改変する能力の利点を図式的に描写し、ヒト脚部の断面図にわたって重畳された有限差分方法を使用して計算される、最大電流経路の画像を含む。
【０２４２】
コンピュータを用いた研究からの結果はさらに、インビトロモデルを使用して評価された。本生理食塩水モデルは、組織を表す伝導性材料を使用して、１５８の要素をもたらす１８×１８グリッドを使用して測定が行われることを可能にした。インビトロ研究の間に収集されたデータは、図３１Ａおよび３１Ｂに提示される。再び、均一電流強度のトレースが、試験面積の内側にプロットされ、電流経路が、図２８Ａおよび２８Ｂのコンピュータを用いた研究の間に予測された通り修正され得ることを実証した。
【０２４３】
電流経路成形の有用性をさらに実証するために、インビボ研究が、行われた。この場合、各セット内に４つの２セットの電極が、図３２に示されるように、実験対象の左脚部上に位置付けられた。４つの電極４３１、４３２、４３３、および４３４は、膝の近傍に位置し、並列に接続され、刺激のための極性のうちの１つを形成した。残りの４つの電極、４３６、４３７、４３８、および４３９は、対向極性を形成するために採用された。いったん刺激電圧が、２２ボルトを超えて上昇すると、対象は、その膝の近傍の疼痛感覚を報告した。次いで、膝の近傍の電極、すなわち、４３１、４３２、４３３、および４３４はそれぞれ、一度に１つずつ、接続解除され、対象は、その度に、疼痛のそのレベルを説明するように求められた。電極４３４が、接続解除されたとき、不快感は、排除され、刺激振幅は、強筋収縮が、対象によって知覚される任意の疼痛を伴わずに観察され得るまで、上昇された。
【０２４４】
上記に説明される実験、すなわち、組織内の電流分布の理論的分析、デジタルコンピュータ上の有限要素分析、物理的モデルを使用したインビトロ研究、８つの電極を用いた急性インビボ研究は全て、疼痛センサの刺激を回避しながら、組織と電流経路を成形し、神経筋標的への刺激を操向することの実行可能性を実証する。
【０２４５】
機能転帰のさらなる調査では、２人の健康な白色成人男性が、２晩連続して所定の食事を摂取し、夜間は断食した。翌朝、血液採取が、行われ、空腹時血漿インスリン（ＦＰＩ）濃度および空腹時血漿グルコース（ＦＰＧ）濃度を測定し、これは、ひいては、以下のように、ベースラインＨＯＭＡ−ＩＲスコアを計算するために使用された。
【０２４６】
ＨＯＭＡ−ＩＲ＝（ＦＰＩ（ｍＵ／Ｌ）×ＦＰＧ（ｍｍｏｌ／Ｌ））／２２．５［方程式１４］
【０２４７】
式中、ＦＰＩは、空腹時血漿インスリン濃度であって、ＦＰＧは、空腹時血漿グルコース濃度であって、両方とも、血液サンプルから測定された。
【０２４８】
ＨＯＭＡ−ＩＲスコアは、以下のように解釈され得る。
【０２４９】
ＨＯＭＡ−ＩＲ＜２は、正常インスリン抵抗性を示す。
【０２５０】
ＨＯＭＡ−ＩＲ２〜３は、初期インスリン抵抗性のインジケータである。
【０２５１】
ＨＯＭＡ−ＩＲ３〜５は、中程度のインスリン抵抗性のインジケータである。
【０２５２】
ＨＯＭＡ−ＩＲ＞５．０は、深刻なインスリン抵抗性のインジケータである。
【０２５３】
２日後、両対象は、別個の導線ワイヤを介してＥｍｐｉ  ＣｏｎｔｉｎｕｕｍＴＭ神経筋刺激装置に接続された２つの１平方インチの生理食塩水が浸漬されたスポンジを使用して、その四頭筋の許容可能経表皮的筋肉刺激のための運動点を識別した。その面積は、乾燥され、インクでマークされ、次いで、接着性電極が、これらの場所に適用された。運動点はまた、膝腱上でも識別され、電極が設置された。神経筋電気刺激が、対象が睡眠中、両脚部の四頭筋および膝腱筋に一晩印加された。第２の静脈血液採取が、ＦＰＩおよびＦＰＧ濃度の測定およびＨＯＭＡ−ＩＲスコアの計算のために翌朝に実施され、表１に列挙された結果を生産した。これらの試験データは、健康な対象に関して、神経筋電気刺激が、対象のＨＯＭＡ−ＩＲスコアをベースラインから低下させたことを示す。ＨＯＭＡ−ＩＲスコア改善は、中程度または深刻なベースラインインスリン抵抗性を伴う対象に類似する、またはより良好であろうことが予期される。
【表１】
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【０２５４】
本発明者らによって行われた別の研究では、２つの電極が、図３３に描写されるように、男性対象の左脚部の四頭筋にわたって設置された。対象は、全ての収縮が、等容である、すなわち、収縮が、筋肉の有意な短縮を生じさせないように、その脚部を延在された状態で床上に着座した。刺激装置は、５０Ｈｚで４００マイクロ秒続く、二相性パルスを生産するようにプログラムされた。パルス列間では、刺激は、２秒にわたってオフにされ、次いで、刺激パルスの振幅は、２秒にわたって上昇した。その後、刺激は、１秒間隔の間、下降される前に、合計３秒にわたってオンに保たれ、順に、次の刺激サイクルの開始前に、オフ時間の別の２秒の間隔が続いた。
【０２５５】
３０ボルトの振幅を有する刺激が、筋肉の振戦を生産し、３０ボルトにおける刺激が最大収縮のために必要なものを下回ったことを示すことに気付いた。完全強度収縮は、刺激振幅が３５ボルトまで上昇されたときに観察された。図３４は、単一サイクルの一部にわたるＭＭＧ信号の時間ドメイントレースを示す一方、図３５は、対応する周波数ドメイントレースを示す。ＭＭＧ信号内の主要電力は、刺激周波数である、５０Ｈｚに留まり、５０Ｈｚの高調波整数倍数、すなわち、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ等を伴うことが観察され得る。
【０２５６】
図３６および３７を参照すると、図３３に示されるように印加される、ＭＭＧセンサからの信号は、収縮の強度が増加するにつれて増加する。故に、制御ユニットは、ＭＭＧ信号の対応する増加が存在しなくなり、最大収縮条件に到達したことを示すまで、刺激振幅を増加させるようにプログラムされてもよい。
【０２５７】
より具体的には、図３６は、刺激振幅が３０ボルトまで増加され、振戦をもたらしたが、筋肉の完全収縮をもたらさなかったときの、刺激実験の各サイクルにおけるＭＭＧ信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を示す。図３７は、各サイクルの間のＭＭＧ信号の電力値を示す。５０Ｈｚに関するものと、１００Ｈｚに関するものと、１５０Ｈｚに関するものとの３つのトレースが、選定された周波数の＋／−５Ｈｚ内の全ての周波数に関する電力値を追加することによって生成された。例えば、５０Ｈｚに関するトレースは、４５Ｈｚ〜５５Ｈｚの範囲内の総電力を示す。図３６および３７に示されるトレースから、準最大収縮は、経時的に明確な傾向を示さないことが観察され得る。
【０２５８】
図３８および３９は、ＭＭＧセンサからの信号が、収縮の強度が筋肉の疲労の結果として減少するにつれて減少したことを示す。本情報は、制御ユニットによって処理され、筋疲労条件が検出されると、療法を休止または終了することができる。より具体的には、図３８は、上記に説明されるように、刺激振幅が、最大３５ボルトまで増加され、筋肉の完全収縮をもたらすときの、刺激実験の各サイクルにおけるＭＭＧ信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を示す。図３９は、各サイクルの間のＭＭＧ信号の電力値を示す。図３８および３９に示されるトレースから観察され得るように、最大収縮は、筋肉が疲労するにつれて、反復収縮の約２分以内に定常状態に到達する、減衰関数を呈する。
【０２５９】
埋込可能筋肉刺激システムおよび方法
前述の実施形態の筋収縮刺激システムは、概して、皮膚パッチが患者の皮膚に適用される、経表皮的刺激を対象とする。本発明の原理に従って構築された代替実施形態では、疼痛感覚は、筋肉を刺激するために使用される電極を皮下に埋め込むことによって、緩和され得、電力は、埋込可能電源を介して、または無線で、例えば、誘導エネルギー伝達によってのいずれかで供給される。
【０２６０】
ここで図４０を参照すると、埋込可能デバイスが、説明される。埋込可能デバイス６００は、４つの電極６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、および６０４ｄを含み、バッテリを使用して、またはコイルＴ１およびＴ２を有する回路６３０によって受信される、外部から印加される無線周波数（ＲＦ）信号を介して、給電されてもよい。コイルＴ１およびＴ２はまた、患者インターフェースユニット等の外部デバイスとの通信のためのものであってもよい。コイルＴ１およびＴ２は、異なる平面上に構築される、好ましくは、直交して位置付けられ、多様性受信機を形成してもよく、これは、異なる平面に沿って位置付けられる外部デバイスとの通信を改善する。コイルによって受信されるエネルギーは、組織に送達されるべき刺激を生成するために必要とされるまで、コンデンサ６２８上に貯蔵される。プロセッサ６２４は、埋込可能デバイス６００の動作および外部デバイスとの通信を制御する。いったん組織内に埋め込まれると、デバイス６００は、フック６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃ、および６２２ｄを使用して、標的化された組織に固定された状態になる。
【０２６１】
１つの好ましい実施形態では、埋込可能デバイス６００は、４ｍｍ（１２フレンチ）の直径および４ｃｍの長さを有するが、他の外部寸法も、使用されてもよい。埋込可能デバイス６００は、有利には、電極を標的運動神経の近傍に位置させ、それによって、感覚神経の非意図的刺激リスクを低減させる。さらに、埋込可能デバイス６００の遊走が、フック６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃ、および６２２ｄの存在によって最小限にされるため、電極を誤って位置付けることによって生じる潜在的誤差は、大幅に低減される。
【０２６２】
図４１Ａは、ヒト脚部の半径方向断面を描写する一方、図４１Ｂは、複数の埋め込まれたデバイス６００を伴う、同一半径方向断面を描写する。本実施形態に関して、埋込可能デバイス６００を通電させ、それと通信するために使用される、外部コイルは、患者によって装着される衣類６１０上に固定される。外部コイルは、外部コントローラ６１２によって制御され、これは、受信機６３０を介して、埋込可能デバイスのコントローラ６２４と通信する。図４２は、その中に埋込可能デバイス６００が埋め込まれる、患者脚部と、重力、ストラップ、または好適な衣類によって定位置に保たれ得る、送受信機コイル６０２とを図示する。送受信機コイル６０２は、外部コントローラ６１２に結合され、これは、埋込可能デバイス６００のための刺激パラメータ、動作制御、またはエネルギーを供給してもよい。
【０２６３】
ここで図４３を参照すると、外部電子コントローラを使用した患者Ｐ内に埋め込まれた筋収縮刺激装置６００のアクティブ化の代替モードが、説明される。本実施例では、患者は、埋込可能デバイス６００の受信機６３０に結合する、外部コイル６２０を含む、ベッド６１８上にもたれかかっている。本特定の配列は、埋込可能デバイス６００を伴う患者が、安静または睡眠中、療法利点を受けることを可能にする。図４３は、ベッド内に配置される、外部コイル６３０を示すが、外部コイルは、患者が、限定ではないが、椅子および長椅子を含む、臥床または着座することを可能にする、任意の他の構造内に含まれ得ることを理解されたい。
【０２６４】
図４４は、代替埋込可能デバイス実施形態を示す。埋込可能デバイス７００は、可撓性区画７０１によって相互に接続される、２つの端部を有する。可撓性区画７０１はまた、縦方向に伸展可能であって、それによって、組織とともに、その中に係留されるデバイスの運動を可能にしてもよい。埋込可能デバイス７００はまた、フック６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃ、および６２２ｄが過剰な力および破壊を被る、または埋込後の予期せぬ運動の影響に起因して、埋込可能デバイス７００を皮膚を通して突出させ得る潜在性を低減させる。
【０２６５】
図４５は、埋込可能デバイス６００を埋め込む方法を描写する。埋込可能デバイス６００は、最初に、遠位開口部ポート８０３を有する、注射器タイプ展開デバイス８０２の中に装填される。いったん医療従事者が、遠位開口部ポート８０３が所望の場所に位置することを判定すると、ピストン８０４を押下し、埋込可能デバイス６００を展開デバイス８０２から吐出させる。いったん組織内に配置されると、フック６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃ、および６２２ｄは、拡張し、埋込可能デバイス６００を定位置に固定し、後続遊走を防止する。
【０２６６】
前述の発明を実施するための形態は、本発明の原理に従って構築された筋収縮刺激システム、デバイス、および方法のいくつかの異なる実施形態および特徴を提供する。例示的実施形態の説明は、例証的目的のために提供され、請求項に説明されるような本発明の範囲の限定として解釈されるべきではない。例えば、部分の再配列、構成要素の異なる組み合わせ、または同等物等の種々の改変が、本範囲から逸脱することなく、所与の実施形態に行われてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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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２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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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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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【国際調査報告】
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