(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
後角、後根、及び後柱を含む神経系を有する患者に神経変調を印加するためのシステムであって、
後角刺激を前記後角に送出し且つ後根刺激を前記後根に送出するように構成された変調出力回路と、
複数の変調パラメータを使用して、前記後角刺激及び前記後根刺激の前記送出を制御して、前記後根刺激と交互配置された前記後角刺激を送出することにより、前記後角刺激を使用して前記後根刺激に対する神経生理学的反応を変調するように構成された変調制御回路であって、
前記変調制御回路が、
各々が前記後角刺激により変調された前記後根刺激に対する神経生理学的反応の定量的尺度である１又は２以上の反応パラメータを含む反応情報を受信するように構成された反応入力と、
前記反応情報を使用して前記複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節するように構成されたパラメータ較正器と、
を含む、前記変調制御回路と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記変調制御回路は、前記後柱の上の前記後角を選択的に刺激する知覚以下後角刺激を送出するために前記後角刺激の前記送出を制御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】
前記パラメータ較正器は、前記複数の変調パラメータのうちの前記１又は２以上の変調パラメータを調節して該１又は２以上の反応パラメータをターゲット値範囲内に維持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】
疼痛に関連付けられた生理的機能を各々が示す１又は２以上の神経生理学的信号を感知するように構成された１又は２以上のセンサと、
前記１又は２以上の神経生理学的信号から前記１又は２以上の反応パラメータを導出するように構成されたパラメータ発生器と、
を更に含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記後柱内の前記後根刺激に対する前記神経生理学的反応を感知するように構成されたセンサと、
感知された前記神経生理学的反応から前記１又は２以上の反応パラメータを送出するように構成されたパラメータ発生器と、
を更に含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記センサは、前記後柱内の軸索内の局所電場電位（ＬＦＰ）を感知するように構成され、前記パラメータ発生器は、該感知されたＬＦＰから前記１又は２以上の反応パラメータのうちの１又は２以上のパラメータを導出するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記センサは、前記後柱内の軸索内の誘発複合活動電位（ｅＣＡＰ）を感知するように構成され、前記パラメータ発生器は、該感知されたｅＣＡＰから前記１又は２以上の反応パラメータのうちの１又は２以上のパラメータを導出するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記変調出力回路と、前記反応入力と、前記変調制御回路とを含む埋込可能な変調デバイスを含み、
前記後角刺激に対する前記１又は２以上の反応をモニタして前記反応情報を生成するように構成されたモニタデバイスを更に含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記モニタデバイスは、埋込可能なモニタデバイスを含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記モニタデバイスは、携帯型モニタデバイスを含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記モニタデバイスは、着用可能なモニタデバイスを含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記埋込可能な変調デバイスは、無線リンクを通じて前記モニタデバイスに通信的に結合されることを特徴とする請求項８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】
前記モニタデバイスは、前記埋込可能な変調デバイス内に統合されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モニタデバイスは、定量的感覚試験、脳波検査（ＥＥＧ）、皮質脳波検査（ＥＣｏＧ）、拡散光学撮像、及び機能的磁気共鳴映像法（ｆＭＲＩ）のうちの１又は２以上を実行するように構成されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
前記変調出力回路は、前記後角に電気パルスを送出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、これによりその全体を引用によって組み込む２０１４年９月２３日出願の米国仮特許出願第６２／０５４，０７６号の利益を主張するものである。
【０００２】
本文書は、一般的に神経変調に関し、より具体的には、刺激に対する１又は２以上の感知反応を使用するフィードバック制御を用いる後角刺激の方法及びシステムに関する。
【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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
神経変調を患者に印加するためのシステムの例（例えば、「実施例１」）は、変調出力回路及び変調制御回路を含む。患者は、後角、後根、及び後柱を含む神経系を有する。変調出力回路は、後角刺激を後角に送出するように構成することができる。変調制御回路は、複数の変調パラメータを使用して神経変調アルゴリズムを実行することにより、後角刺激の送出を制御するように構成することができる。変調制御回路は、反応入力及びパラメータ較正器を含むことができる。反応入力は、後角の刺激に対する１又は２以上の反応を示す反応情報を受信するように構成することができる。パラメータ較正器は、反応情報を使用して複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節するように構成することができる。
【０００５】
実施例２において、請求項１の主題は、変調制御回路が、知覚以下（サブパーセプション）後角刺激を送出するための神経変調アルゴリズムを実行することにより、後角刺激の送出を制御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。知覚以下後角刺激は、後柱の上の後角を選択的に刺激するためのものである。
【０００６】
実施例３において、実施例１及び２のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、反応入力が、各々が後角刺激に対する１又は２以上の反応のうちの反応の定量的尺度である１又は２以上の反応パラメータを含む反応情報を受信するように構成され、かつパラメータ較正器が、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節してターゲット値範囲内に１又は２以上の反応パラメータを維持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４において、実施例３の主題は、１又は２以上のセンサ及びパラメータ発生器を更に含むように任意的に構成することができる。１又は２以上のセンサは、疼痛に関連付けられた生理的機能を各々が示す１又は２以上の神経生理学的信号を感知するように構成することができる。パラメータ発生器は、１又は２以上の神経生理学的信号から１又は２以上の反応パラメータを導出するように構成することができる。
【０００８】
実施例５において、実施例３の主題は、変調出力回路が、後根刺激を後根に送出するように更に構成され、変調制御回路が、後根刺激と交互配置された後角刺激を送出するための試験アルゴリズムを実行することにより、後角刺激の送出を制御し、かつ後根刺激の送出を制御するように構成され、後柱内の後根刺激に対する反応を感知するように構成されたセンサを更に含み、反応が、後角刺激によって変調されるように任意的に構成することができる。
【０００９】
実施例６において、実施例５の主題は、センサが、後柱内の軸索内の局所電場電位（ＬＦＰ）を感知するように構成され、かつパラメータ発生器が、感知ＬＦＰから１又は２以上の反応パラメータのうちの１又は２以上のパラメータを導出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。
【００１０】
実施例７において、実施例５の主題は、センサが、後柱内の軸索内の誘発複合活動電位（ｅＣＡＰ）を感知するように構成され、かつパラメータ発生器が、感知ｅＣＡＰから１又は２以上の反応パラメータのうちの１又は２以上のパラメータを導出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８において、実施例１〜７のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、変調出力回路と、反応入力と、変調制御回路とを含む埋込可能な変調デバイスを含み、かつ後角刺激に対する１又は２以上の反応をモニタして反応情報を生成するように構成されたモニタデバイスを更に含むように任意的に構成することができる。
【００１２】
実施例９において、実施例８の主題は、モニタデバイスが、埋込可能なモニタデバイスを含むように任意的に構成することができる。
【００１３】
実施例１０において、実施例８の主題は、モニタデバイスが、携帯型モニタデバイスを含むように任意的に構成することができる。
【００１４】
実施例１１において、実施例１０の主題は、モニタデバイスが、着用可能なモニタデバイスを含むように任意的に構成することができる。
【００１５】
実施例１２において、実施例８〜１１のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、埋込可能な変調デバイスが、無線リンクを通じてモニタデバイスに通信的に結合されるように任意的に構成することができる。
【００１６】
実施例１３において、実施例８の主題は、モニタデバイスが、埋込可能な変調デバイス内に統合されるように任意的に構成することができる。
【００１７】
実施例１４において、実施例８の主題は、モニタデバイスが、定量的感覚試験、脳波検査（ＥＥＧ）、皮質脳波検査（ＥＣｏＧ）、拡散光学撮像、及び機能的磁気共鳴映像法（ｆＭＲＩ）のうちの１又は２以上を実行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。
【００１８】
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、変調出力回路が、電気パルスを後角に送出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】
後角、後根、及び後柱を含む神経系を有する患者に神経変調を印加する方法の例（例えば、「実施例１６」）を提供する。本方法は、後角刺激を後角に送出する段階と、複数の変調パラメータを使用して神経変調アルゴリズムを実行することによって後角刺激の送出を制御する段階と、後角刺激に対する１又は２以上の反応を示す反応情報を受信する段階と、反応情報を使用して複数の変調パラメータのうちの１又は２以上のパラメータを調節する段階とを含むことができる。
【００２０】
実施例１７において、実施例１６に見出されるような神経変調アルゴリズムを実行する主題は、知覚以下後角刺激を送出するための神経変調アルゴリズムを実行する段階を任意的に含むことができる。知覚以下後角刺激は、後柱の上の後角を選択的に刺激するためのものである。
【００２１】
実施例１８において、実施例１６及び１７のいずれか１つ又はあらゆる組合せに見出されるような後角に刺激を送出する主題は、埋込可能なデバイスから後角刺激を送出する段階を任意的に含むことができる。
【００２２】
実施例１９において、実施例１６〜１８のいずれか１つ又はあらゆる組合せの主題は、１又は２以上の神経生理学的信号を感知する段階と、１又は２以上の神経生理学的信号から反応情報の１又は２以上の反応パラメータを導出する段階とを任意的に更に含むことができる。１又は２以上の反応パラメータは、各々が後角刺激に対する１又は２以上の反応のうちの反応の定量的尺度である。
【００２３】
実施例２０において、実施例１９に見出されるような１又は２以上の神経生理学的信号を感知する主題は、定量的感覚試験、脳波検査（ＥＥＧ）、皮質脳波検査（ＥＣｏＧ）、拡散光学撮像、及び機能的磁気共鳴映像法（ｆＭＲＩ）のうちの１又は２以上を実行する段階を任意的に含むことができる。
【００２４】
実施例２１において、実施例１９及び２０のいずれか１つ又はあらゆる組合せに見出されるような複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節する主題は、ターゲット値範囲内に１又は２以上の反応パラメータを維持するように複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節する段階を任意的に含むことができる。
【００２５】
実施例２２において、実施例１９〜２２のいずれか１つ又はあらゆる組合せに見出されるような１又は２以上の反応パラメータを導出する主題は、疼痛に関連付けられた生理的機能を各々が示す１又は２以上の反応パラメータを導出する段階を任意的に含むことができる。
【００２６】
実施例２３において、請求項１９の主題は、後根刺激を後根に送出する段階と、後角刺激が後根刺激と交互配置されるように後角刺激の送出及び後根刺激の送出を制御する段階とを任意的に更に含むことができる。実施例１９に見出されるような１又は２以上の神経生理学的信号を感知する主題は、後根刺激と交互配置された後角刺激の送出中に後角刺激によって変調された後柱内の軸索内の後根刺激に対する反応を感知する段階を任意的に含むことができる。
【００２７】
実施例２４において、実施例２３に見出されるような後柱内の軸索内の後根刺激に対する反応を感知する主題は、後柱内の軸索内の局所電場電位（ＬＦＰ）を感知する段階を任意的に含むことができる。
【００２８】
実施例２５において、実施例２３に見出されるような後柱内の軸索内の後根刺激に対する反応を感知する主題は、後柱内の軸索内の誘発複合活動電位（ｅＣＡＰ）を感知する段階を任意的に含むことができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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】
【００３１】
【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】閉ループ後角刺激のための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１６】閉ループ後角刺激のための別の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１７】閉ループ後角刺激の方法の実施形態を一例として示す図である。
【図１８】後角刺激を最適化する方法の実施形態を一例として示す図である。
【図１９】後角刺激を最適化する別の方法の実施形態を一例として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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組織の上の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、区分的ターゲット機能を有することが望ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
ＩＰＧは、電極の各々を通過する電流の大きさ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。
【００５４】
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。
【００５５】
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神経要素の上の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。
【００５６】
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。電場の大きさは、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、望ましい変調電場特性（例えば、定電場、又は定電場の大きさ、又は定電圧）を達成する。
【００５７】
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。
【００５８】
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、後柱神経要素の上の後角及び／又は後根神経要素の変調に有利に働く。
【００５９】
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。
【００６０】
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の上の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。
【００６１】
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。
【００６２】
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強度であり、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強度であり、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強度である。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。
【００６３】
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。
【００６４】
図１５〜１９は、閉ループ後角刺激（ＤＨＳ）のための神経変調方法及び装置の様々な実施形態を一例として示している。ＤＨＳは、疼痛マップに適用されている。既存の神経変調システム内のＤＨＳの最適化は、手動で行われ、単極異常感覚閾値の捕捉を伴うに過ぎない。ＤＨＳパラメータの再較正は、手動で行われ、ＤＨＳを受け入れる患者からの主観的入力を必要とする。本発明の主題の様々な実施形態は、ＤＨＳパラメータの調節又は最適化においてフィードバックとして使用するための患者から検出可能な異なる生理的反応のような客観的入力を提供する。様々な実施形態は、ＤＨＳシステムにおいて患者に関連付けられることが公知の１又は２以上の信号をモニタすることのような電気神経変調の目標である生理的効果の変調を定量的に示す神経生理学的信号をモニタする。ＤＨＳは、後角（ＤＨ）において神経ネットワークのシナプス前又はシナプス後膜を直接に変調することによって機能することができる。それらのネットワークは、後根（ＤＲ）からの入力を伴い、取りわけ、多くの繊維路、後柱（ＤＣ）、及び横脊髄視床路を通じて突出する。信号の一部の処理はＤＨで行われる。従って、様々な実施形態は、ＤＣにおいて誘起反応を測定しながら、交互配置されたＤＨＳ及びＤＲ求心性神経の刺激を提供するＤＨＳパラメータを較正する。ＤＨＳパラメータの最適化は、ＤＨＳから生じるＤＲとＤＣの間の伝達関数の変調をモニタすることによって行われる。
【００６５】
図１５は、閉ループＤＨＳのための神経変調システム１５１０の実施形態を一例として示している。システム１５１０は、変調デバイス１５１２及びモニタデバイス１５５２を含む。様々な実施形態において、システム１５１０は、埋込可能な神経変調システムとすることができる。一実施形態において、システム１５１０は、埋込可能な神経変調システム５２０に実施され、変調デバイス１５１２は、埋込可能な変調デバイス５１２に実施され、変調デバイス１５５２は、外部システム５２２に実施される。別の実施形態において、変調デバイス１５１２及びモニタデバイス１５５２は、各々埋込可能なデバイスであり、従って、閉ループＤＨＳを完全に埋込可能なシステムで自動的に実施することを可能にする。別の実施形態において、変調デバイス１５１２及びモニタデバイス１５５２は、埋込可能な変調デバイス５１２の実施例のような埋込可能なデバイス内に統合され、従って、閉ループＤＨＳを１つの埋込可能な神経変調デバイスで自動的に実施することを可能にする。
【００６６】
図示の実施形態において、変調デバイス１５１２は、変調出力回路１５１３及び変調制御回路１５１６を含む。変調出力回路１５１３は、ＤＨＳをＤＨに送出する。様々な実施形態において、変調出力回路１５１３は、以下で更に議論するように、ＤＨ及びＤＲのような複数のターゲット部位に刺激を送出することが可能な多重チャネルデバイスである。様々な実施形態において、変調出力回路１５１３は、電気パルスの形態で刺激（変調）を送出する。
【００６７】
変調制御回路１５１６は、複数の変調パラメータを使用してＤＨＳパルスの送出を制御する。変調パラメータの例は、以下に限定されるものではないが、電気パルスを送出するのに使用する接点（電極）の数、接点スパンの幅、電流分配、パルス振幅、パルス幅、パルス周波数／パルス間間隔、負荷サイクル、及びパルス波形を含む。様々な実施形態において、変調制御回路１５１６は、ＤＨＳを使用して疼痛管理のための神経変調アルゴリズムを実行するように構成される。一実施形態において、変調出力回路１５１３はまた、ＤＲ求心性神経への刺激の送出を含む後根刺激（ＤＲＳ）と交互配置されたＤＨＳを送出するための試験アルゴリズムを実行するように構成される。ＤＨＳは、ＤＲとＤＣの間の伝達関数を変調し（すなわち、ＤＣ内の軸索のＤＲＳに対する反応を変調し）、そのような変調の効果は、ＤＨＳに対する患者の反応を示すようにモニタされる。
【００６８】
図示の実施形態において、変調制御回路１５１６は、反応入力１５５０及びパラメータ較正器１５５１を含む。反応入力１５５０は、変調デバイス１５１２によって送出されるＤＨＳに対する患者の１又は２以上の反応を示す反応情報を受信する。様々な実施形態において、反応情報は、各々がＤＨＳに対する１又は２以上の反応のうちの反応の定量的尺度である１又は２以上の反応パラメータを含む。様々な実施形態において、反応情報は、疼痛に関連付けられた生理的機能を各々が示す１又は２以上の反応パラメータを含む。ＤＨＳに対する１又は２以上の反応の例は、神経反応及び心血管系反応のような生理的反応、身体的反応、及び挙動反応を含む。様々な実施形態において、ＤＨＳに対する１又は２以上の反応は、１又は２以上のタイプの急性反応及び／又は１又は２以上のタイプの長期的反応を含むことができる。パラメータ較正器１５５１は、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節し、ターゲット範囲内に１又は２以上の反応パラメータの各パラメータの値を維持する。ターゲット範囲は、（１）１又は２以上の反応パラメータ（各パラメータの性質に応じて最大値、最小値、又は最適値）に対する最大のプラスの影響、（２）患者の生理的状態が変化する時（患者の姿勢変化又は病気の進行中など）のほぼ最適な疼痛緩和、及び／又は（３）患者の生活の質（これは、客観的尺度、並びに患者の主観的フィードバックにより示すことができる）に対して決定することができる。
【００６９】
モニタデバイス１５５２は、ＤＨＳに対する１又は２以上の反応をモニタして反応情報を生成する。様々な実施形態において、モニタデバイス１５５２は、モニタすべき１又は２以上の反応の性質及び利用可能なモニタ技術に応じて、完全に埋込可能なデバイス、部分的に埋込可能なデバイス、携帯型デバイス、患者が着用可能なデバイス、又は非携帯型として実施することができる。様々な実施形態において、モニタデバイス１５５２は、モニタすべき１又は２以上の反応の性質及び利用可能なモニタ技術に応じて、完全に埋込可能、部分的に埋込可能、携帯型デバイス、患者が着用可能なデバイス、及び／又は非携帯型である１又は２以上の構成要素を含むことができる。
【００７０】
図示の実施形態において、モニタデバイスは、１又は２以上のセンサ１５５３及びパラメータ発生器１５５４を含む。１又は２以上のセンサ１５５３は、ＤＨＳに対する患者の反応を示す１又は２以上の神経生理学的信号のような１又は２以上の信号を感知する。パラメータ発生器１５５４は、感知された１又は２以上の信号から１又は２以上の反応パラメータを導出する。様々な実施形態において、１又は２以上のセンサ１５５３を使用して、１又は２以上の反応パラメータを変調デバイス１５１２のパラメータ較正器１５５１によって使用するためにそこから導出することができる異なる診断手順を行う。そのような診断手順の例は、定量的感覚試験（ＱＥＴ）、脳波検査（ＥＥＧ）、皮質脳波検査（ＥＣｏＧ）、拡散光学撮像、及び機能的磁気共鳴映像法（ｆＭＲＩ）を含む。１又は２以上の反応パラメータの例は、ＱＳＴから得られる感覚及び疼痛閾値、振幅及び待ち時間（刺激後の誘起電位の開始時間）のような誘起電位のマッピング及び／又は形態的特性又はＥＥＧから得られるパワースペクトル、振幅及び待ち時間のような誘起電位のマッピング及び／又は形態的特性又はＥＣｏＧ、脳血流、血挙動態から得られるパワースペクトル、及び拡散光学撮像から得られる代謝産物、及びｆＭＲＩから得られる脳活動を示す脳中の血流の尺度を含む。一実施形態において、１又は２以上のセンサ１５５３は、変調デバイス１５１２が、ＤＲに対してＤＲＳと交互配置されたＤＨにＤＨＳを送出する間に感知されたＤＣにおいて軸索内の局所電場電位（ＬＦＰ）を含む１又は２以上の神経生理学的信号を感知する。１又は２以上の反応パラメータの例は、ＬＦＰの待ち時間（刺激後の誘起反応の開始時間）、振幅、幅（特性ポテンシャル）、及び持続時間（特性ポテンシャルの出現の間の時間の範囲）のようなＬＦＰの形態を表す１又は２以上のパラメータを含む。一実施形態において、１又は２以上のセンサ１５５３は、変調デバイス１５１２がＤＨＳをＤＨに、ＤＲＳと交互配置されたものをＤＲに送出する間に感知されたＤＣにおいて軸索内の誘発複合活動電位（ｅＣＡＰ）を含む１又は２以上の神経生理学的信号を感知する。１又は２以上の反応パラメータの例は、ＬＦＰの待ち時間、振幅、幅、及び持続時間のようなｅＣＡＰの形態を表す１又は２以上のパラメータを含む。
【００７１】
様々な実施形態において、モニタデバイス１５５２は、通信リンク１５５５を通じて変調デバイス１５１２に通信的に結合され、システム１５１０においてＤＨＳのフィードバック制御のためのループを閉じる。様々な実施形態において、通信リンク１５５５は、モニタデバイス１５５２と変調デバイス１５１２の間の直接有線又は無線リンクを含み、ＤＨＳの自動フィードバック制御を可能にすることができる。様々な他の実施形態において、通信リンク１５５５は、インタフェースの作動が、図１６を参照して以下で更に議論するように、ユーザ介入を必要とするか又は可能にするか否かによって依存して、ＤＨＳの自動又は半自動フィードバック制御を可能にするインタフェースを含むことができる。
【００７２】
図１６は、閉ループＤＨＳのための神経変調システム１６１０の実施形態を一例として示している。システム１６１０は、プログラミングインタフェース１６５６を含む通信リンク１５５５を有するシステム１５１０を含む。様々な実施形態において、プログラミングインタフェース１６５６は、変換が、例えば、モニタされた反応の性質及びモニタされた反応を処理するために利用可能な技術により必要である時に、モニタデバイス１５５２によって発生する１又は２以上の反応パラメータを変調デバイス１５１２のための１又は２以上のプログラミング信号に変換する。様々な実施形態において、プログラミングインタフェース１６５６は、臨床医のプログラマー（ＣＰ）６２８及び／又は遠隔制御器（ＲＣ）６２７に実施することができる。例えば、臨床医は、臨床医が診断手順からの結果を精査して結果から１又は２以上の反応パラメータを導出する時のように、ＣＰ６２８を使用してループを閉じ、及び／又はパラメータ較正器１５５１によって実施される較正プロセスを開始することができる。患者は、患者がモニタデバイスから警報又は他の信号を受信して印加したＤＨＳによる現在の又は最近の経験に基づいて較正プロセスが望ましいか否かを決定することを可能にする時のように、ＲＣ６２７を使用してループを閉じ、及び／又はパラメータ較正器１５５１によって実施される較正プロセスを開始することができる。様々な他の実施形態において、プログラミングインタフェース１６５６は、臨床医又は患者のようなユーザからの介入を必ずしも必要とせずにパラメータ変換を含む場合があるフィードバック制御ループを閉じ、従って、システム１６１０においてＤＨＳの自動フィードバック制御を可能にする。
【００７３】
図１７は、閉ループＤＨＳの方法の実施形態を一例として示している。一実施形態において、システム１５１０又はシステム１６１０を使用して図１７に示す本方法を実施する。
【００７４】
１７６０において、ＤＨＳが、ＤＨに送出される。一実施形態において、ＤＨＳは、埋込可能なデバイスから送出される。１７６１において、ＤＨＳの送出は、複数の変調パラメータを使用して疼痛管理のための神経変調アルゴリズムを実行することによって制御される。一実施形態において、神経変調アルゴリズムは、異常感覚を引き起こすことなく疼痛を処置するように知覚以下ＤＨＳを送出するためのものである。知覚以下ＤＨＳは、ＤＣの上のＤＨを選択的に刺激する。１７６２において、ＤＨＳに対する１又は２以上の反応を示す反応情報を受信する。１７６３において、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータが、反応情報を使用して調節される。
【００７５】
様々な他の実施形態において、図１７に示すような本方法は、ユーザ介入を必要とするか又は可能にするかに応じて、自動的又は半自動的に実施することができる。例えば、反応情報が利用可能になる時に、利用可能な技術及びユーザの好みに応じて、１又は２以上の変調パラメータを調節すべきか否か及び／又はそうする方法を臨床医又は患者のようなユーザが決定することを可能にすることが必要であり又はそうすることが望ましい場合がある。
【００７６】
図１８は、ＤＨＳを最適化する方法の実施形態を一例として示している。一実施形態において、システム１５１０又はシステム１６１０を使用して図１８に示す本方法を実施する。
【００７７】
１８６５において、ＤＨＳが、ＤＨに送出される。一実施形態において、ＤＨＳは、埋込可能なデバイスから送出される。１８６６において、ＤＨＳの送出は、複数の変調パラメータを使用して疼痛管理のための神経変調アルゴリズムを実行することによって制御される。一実施形態において、神経変調アルゴリズムは、異常感覚を引き起こすことなく疼痛を処置するように知覚以下ＤＨＳを送出するためのものである。知覚以下ＤＨＳは、ＤＣの上のＤＨを選択的に刺激する。
【００７８】
１８６７において、１又は２以上の神経生理学的信号が感知される。１又は２以上の神経生理学的信号は、ＤＨＳに対する１又は２以上の反応を示している。神経生理学的信号の例は、以下に限定されるものではないが、定量的感覚試験、ＥＥＧ、ＥＣｏＧ、拡散光学撮像、及びｆＭＲＩのうちの１又は２以上を実行する時に感知されるものを含む。
【００７９】
１８６８において、１又は２以上の反応パラメータは、１又は２以上の神経生理学的信号から導出される。１又は２以上の反応パラメータは、各々がＤＨＳに対する１又は２以上の反応のうちの反応の定量的尺度である。一実施形態において、１又は２以上の反応パラメータは、各々が疼痛に関連付けられた生理的機能を示している。
【００８０】
１８６９において、１又は２以上の反応パラメータは、ターゲット範囲と比較される。１又は２以上の反応パラメータがターゲット範囲内にある場合に、複数の変調パラメータを使用し続けて、かつ調節することなく１８６６においてＤＨＳの送出を制御する。１又は２以上の反応パラメータがターゲット範囲内に収まらない場合に、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータは、１８６６においてそれらを使用し続けてＤＨＳの送出を制御する前に、１８７０において調節される。様々な実施形態において、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータを調節して、そのターゲット範囲内に１又は２以上の反応パラメータの各パラメータの値を維持する。
【００８１】
様々な他の実施形態において、図１８に示すような本方法は、ユーザ介入を必要とするか又は可能にするかに応じて、自動的又は半自動的に実施することができる。例えば、神経生理学的信号が、定量的感覚試験、ＥＥＧ、ＥＣｏＧ、拡散光学撮像、又はｆＭＲＩのような診断手順の一部として感知される時に、手順を完了し及び／又は１又は２以上の反応パラメータを導出するのに臨床医の介入が必要である場合がある。
【００８２】
図１９は、ＤＨＳを最適化するための別の方法の実施形態を一例として示している。一実施形態において、システム１５１０又はシステム１６１０を使用して図１９に示す本方法を実施する。
【００８３】
１９７２において、ＤＨＳが、ＤＨに送出され、ＤＲＳは、ＤＲに送出される。一実施形態において、ＤＨＳは、埋込可能なデバイスから送出される。１９７３において、ＤＨＳの送出は、ＤＨＳがＤＲＳと交互配置されるように複数の変調パラメータを使用して試験神経変調アルゴリズムを実行することによって制御される。
【００８４】
１９７４において、ＤＲＳに対する反応は、ＤＲＳと交互配置されたＤＨＳの送出中にＤＨＳによって変調されたＤＣにおいて軸索内で感知される。反応の例は、両方ともＤＣから感知された局所電場電位（ＬＦＰ）及び誘発複合活動電位（ｅＣＡＰ）を含む。
【００８５】
１９７５において、１又は２以上の反応パラメータは、ＤＲＳに対する感覚反応から導出される。１又は２以上の反応パラメータは、各々がＤＨＳから生じるＤＲとＤＣの間の伝達関数の変調の定量的尺度である。
【００８６】
１９７６において、１又は２以上のパラメータは、ターゲット範囲と比較される。１又は２以上の反応パラメータがターゲット範囲内にある場合に、複数の変調パラメータを使用し続けて、かつ調節することなく１９７３においてＤＨＳの送出を制御する。１又は２以上の反応パラメータがターゲット範囲内に収まらない場合に、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータは、試験神経変調アルゴリズムの実行においてそれらを使用し続ける前に、１９７７において調節される。様々な実施形態において、複数の変調パラメータのうちの１又は２以上の変調パラメータは、１又は２以上の反応パラメータの各パラメータの値がターゲット範囲内になるまで調節される。
【００８７】
様々な他の実施形態において、図１９に示すような本方法は、ユーザ介入を必要とするか又は可能にするかに応じて、自動的又は半自動的に実施することができる。例えば、ユーザの好みに応じて、１又は２以上の反応パラメータがターゲット範囲内に収まらない時に、患者は、１又は２以上の変調パラメータに対する調節が患者自体の知覚に基づいて望ましいか否かを決定するように通知され、かつそれを可能にされる場合がある。
【００８８】
上記詳細説明は、例示であり、制限ではないことは理解されるものとする。他の実施形態は、上記説明を読んで理解すると当業者には明らかであろう。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。
【図１】
0006437638.tif 000002
【図２】
0006437638.tif 000003
【図３】
0006437638.tif 000004
【図４】
0006437638.tif 000005
【図５】
0006437638.tif 000006
【図６】
0006437638.tif 000007
【図７】
0006437638.tif 000008
【図８】
0006437638.tif 000009
【図９】
0006437638.tif 000010
【図１０】
0006437638.tif 000011
【図１１】
0006437638.tif 000012
【図１２】
0006437638.tif 000013
【図１３Ａ】
0006437638.tif 000014
【図１３Ｂ】
0006437638.tif 000015
【図１３Ｃ】
0006437638.tif 000016
【図１４Ａ】
0006437638.tif 000017
【図１４Ｂ】
0006437638.tif 000018
【図１４Ｃ】
0006437638.tif 000019
【図１５】
0006437638.tif 000020
【図１６】
0006437638.tif 000021
【図１７】
0006437638.tif 000022
【図１８】
0006437638.tif 000023
【図１９】
0006437638.tif 000024