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CN113365690A - 使用阳极和阴极脉冲进行脊柱募集或抑制的脊髓刺激 - Google Patents

使用阳极和阴极脉冲进行脊柱募集或抑制的脊髓刺激 Download PDF

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CN113365690A
CN113365690A CN202080011886.3A CN202080011886A CN113365690A CN 113365690 A CN113365690 A CN 113365690A CN 202080011886 A CN202080011886 A CN 202080011886A CN 113365690 A CN113365690 A CN 113365690A
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electrode
pulses
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anodic
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张天赫
迈克尔·A·莫菲特
奎·T·多恩
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Boston Scientific Neuromodulation Corp
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Abstract

公开了一种用于可植入脉冲发生器或外部试验刺激器的新波形，其模拟主动驱动的双相脉冲，并且其对于使用低频脉冲提供亚感知的脊髓刺激治疗特别有用。所述波形包括阳极和阴极脉冲，它们本质上是有效地单相的，尽管也可以使用低电平的非治疗性电荷恢复。

Description

使用阳极和阴极脉冲进行脊柱募集或抑制的脊髓刺激
技术领域
本申请涉及可植入医疗设备(IMD)，通常涉及脊髓刺激器，并且更具体地，涉及控制此类设备的方法。
背景技术
可植入神经刺激器设备是生成电刺激并向身体神经和组织递送电刺激以治疗各种生物障碍的设备，诸如用于治疗心律失常的起搏器、用于治疗心脏纤颤的除颤器、用于治疗耳聋的耳蜗刺激器、用于治疗失明的视网膜刺激器、用于产生协调的肢体运动的肌肉刺激器、用于治疗慢性疼痛的脊髓刺激器、用于治疗运动和心理障碍的皮质和深部脑刺激器、用于治疗尿失禁、睡眠呼吸暂停、肩关节半脱位等的其他神经刺激器。接下来的描述通常集中于本发明在脊髓刺激(SCS)系统中的使用，诸如美国专利6，516，227中所公开的。然而，本发明可以发现适用于任何可植入神经刺激器设备系统。
SCS系统典型地包括图1中示出的可植入脉冲发生器(IPG)10。IPG 10包括典型地传导式生物相容性设备外壳12，其容纳IPG的电路和用于为IPG工作提供功率的电池14。IPG10经由形成电极阵列17的一个或多个电极引线耦合到组织刺激电极16。例如，可以使用一个或多个经皮引线15，其具有在柔性本体上承载的环形或开口环电极16。在另一示例中，桨状引线19提供定位于其大体上平坦表面之一上的电极16。引线内的引线导线20耦合到电极16和可插入到固定在IPG 10上的头部23中的引线连接器22中的近端触点21，该头部可以包括例如环氧树脂。一旦插入，近端触点21就连接到引线连接器22内的头部触点24，该引线触点24继而由馈通引脚25通过外壳馈通26耦合到外壳12内的刺激电路28。
在示出的IPG 10中，存在32个电极(E1-E32)，在四个经皮引线15之间分开，或包含在单个桨状引线19中，并且因此，头部23可包括八电极引线连接器22的2x2阵列。但是，IPG中引线的类型和数量以及电极的数量是特定于应用的，并且因此可以变化。导电外壳12还可以包括电极(Ec)。在SCS应用中，典型地将一个或多个电极引线植入到患者脊髓中靠近硬脑膜的脊柱中，优选地跨越患者脊柱的左右两侧。近端触点21通过患者组织隧穿到远处位置，诸如IPG外壳12被植入在的臀部，在该点处它们被耦合到引线连接器22。在被设计用于直接植入需要刺激的部位处的其他IPG示例中，IPG可以是无引线的，其电极16替代地出现在IPG 10的主体上以用于接触患者组织。在其他解决方案中一个或多个IPG引线可以与IPG10集成在一起并永久连接。SCS治疗的目的是提供来自电极16的电刺激，以减轻患者的症状，诸如慢性背痛。
IPG 10可以包括天线27a，以允许其与用于编程或监视IPG的一些外部设备进行双向通信，诸如手持式患者控制器或临床医生编程器，相关于图5在稍后描述。如示出的天线27a在外壳12内包括导电线圈，尽管线圈天线27a也可以出现在头部23中。当天线27a被配置为线圈时，优选地使用近场磁感应发生与外部设备的通信。IPG 10也可以包括射频(RF)天线27b。在图1中，RF天线27b被示出在头部23内，但是它也可以在外壳12内。RF天线27b可以包括贴片、插槽或导线，并且可以作为单极子或偶极子操作。RF天线27b优选地使用远场电磁波进行通信，并且可以根据诸如蓝牙、Zigbee、WiFi、MICS和诸如此类的任何数量的已知RF通信标准进行操作。
在IPG 10中的刺激通常由脉冲来提供，如图2A和2B中所示。刺激参数通常包括：脉冲的幅度(A；无论电流还是电压)；脉冲的频率(F)；脉冲的宽度(PW，或其独立相位，如下描述的那样)；被激活以提供此类刺激的电极16(E)；以及此类活跃电极的极性(P)，即，活跃电极是充当阳极(向组织拉(source)电流)还是阴极(从组织灌(sink)电流)。一并考虑的这些和可能地其他刺激参数包括IPG 10可执行以向患者提供治疗刺激的刺激程序。
图2A中的脉冲包括两个脉冲相位30a和30b，每个相位都由图3中所示的刺激电路28主动地驱动。在第一相位30a期间，电极E4已被选为阳极，并且因此向组织拉幅度为+A的正电流，而电极E5已被选为阴极，并且因此从组织灌幅度为-A的相应负电流。然而，不止一个电极可以在给定时间充当阳极，并且不止一个电极可以在给定时间充当阴极。刺激也可以使用外壳电极Ec来发生，如图3所示。
如图2A所示的具有两个主动驱动的相位30a和30b的脉冲通常被称为“双相“脉冲，相位30a和30b具有相反的极性。(在两相30a和30b之间可以介入短的相间周期，在此期间没有电流流动，尽管这并未示出)。使用双相脉冲用于电荷恢复是有用的，鉴于在所选电极之间建立的电流路径中的电容，这可能是必要的，如下文进一步解释。尽管并未示出，但是相位30a和30b中的每一个都可以分解成一系列更高频率的脉冲，如所知的，这通常被称为脉冲的“突发“。
如图3中所示的刺激电路28包括一个或多个电流拉电路40i和一个或多个电流灌电路42i。拉电路40i和灌电路42i可以包括数模转换器(DAC)，并且根据它们分别发出的正(拉、阳极)电流和负(灌、阴极)电流而可以被称为PDAC 40i和NDAC 42i。在所示出的示例中，NDAC/PDAC 40i/42i配对专用(硬接线)于特定的电极节点ei 39。出于以下解释的原因，每个电极节点ei 39均经由隔直流电容器Ci38连接到电极Ei16。在该示例中的刺激电路28还支持选择导电外壳12作为电极(Ec12)，典型地选择该外壳电极用于单极刺激。PDAC 40i和NDAC 42i也可以包括电压源。尽管并未示出，但是开关矩阵可以介入一个或多个PDAC40i与电极节点ei 39之间，以及介入一个或多个NDAC 42i与电极节点之间。开关矩阵允许在给定时间处将PDAC中的一个或多个或NDAC中的一个或多个连接到一个或多个阳极或阴极电极节点。
刺激电路28由刺激参数配置，其可以由IPG 10中的控制器电路29提供给刺激电路28。控制器电路29可以包括微控制器、微处理器、微型计算机、FPGA、能够执行电子设备的指令的其他数字逻辑结构等。控制器电路29可以包括单独的组件，或者可以与ASIC(专用集成电路)集成，该集成电路包括刺激电路28以及操作IPG 10的各种功能所需的其他电路。经由对刺激参数的PDAC 40i和NDAC 42i的适当控制允许了任何电极16作为阳极或阴极以创建穿过患者组织R的指定幅度A的电流I，希望具有良好的治疗效果。在所示的示例中，以及在第一相位30a期间(其中电极E4和E5分别被选择为阳极和阴极)，PDAC 404和NDAC 425被激活并进行数字编程以产生具有正确时序(例如，按照规定的频率F和脉冲宽度PWa)的期望电流A。在第二相位30b(PWb)期间，PDAC 405和NDAC 424将被激活以反转电流的极性。可以同时选择一个以上的阳极电极和一个以上的阴极电极，并且因此电流可以流经两个或多个电极16之间的组织R。用于刺激电路28的功率由顺从电压VH提供，如US专利申请公开2013/0289665中进一步详细描述的那样。刺激电路的其他示例以及各种PDAC和NDAC电路的细节在USP(美国专利)6，181，969、8，606，362、8，620，436、US专利申请公开2018/0071520和2019/0083796中公开。应当注意的是，刺激电路28能够独立地设置任何电极处的电流——有时称为多重独立电流控制(MICC)。
隔直流电容器Ci 38被串联放置在每个电极节点ei 39和电极Ei 16(包括外壳电极Ec12)之间。隔直流电容器38充当防止DC电流注入患者的安全措施，例如如果刺激电路28中存在电路故障，则可能发生这种情况。隔直流电容器38典型地设置在芯片外(在ASIC之外)，并且替代地可以在用于集成其各种组件的IPG 10中的电路板中或其上设置，如US专利申请公开2015/0157861所解释的那样。
如上所述，图2A中所示的双相脉冲可用于恢复被存储在电流路径中的电容上的电荷，特别是隔直流电容器38上的电荷。当恒定电流I在第一相位30a期间被驱动时，在电流路径上的电容器(C4和C5)将以dV/dt＝I/C的速率存储电荷，并且从而在这些电容器两端建立电压(Vc4和Vc5)。当该电流的极性在第二相位30b期间反转时，该存储的电荷被恢复，并且电容器两端的电压优选地在下一个脉冲发出之前(即，在下一个相位30a之前)返回到零。以这种方式使用双相脉冲有时被称为“主动”电荷恢复，这是因为在第一相位30a期间存储的电荷通过在第二相位30b期间由刺激电路28主动驱动的电流恢复。在主动电荷恢复期间，通常优选相位30a和30b是电荷平衡的——即，在第一相位30a期间通过的电荷量等于在第二相位30b期间通过的电荷量。这可以通过在两个相位期间将电流幅度和脉冲宽度设置为相等的值来实现(|+A|＝|-A|；PWa＝PWb)。然而，这并不是绝对必要的，并且如果针对两个相位的幅度和脉冲宽度的乘积相等(或者更通常地说，如果它们的曲线下的面积相等)，也可以实现电荷平衡。
刺激脉冲也可以使用单相脉冲提供随后使用被动电荷恢复，如图2B所示。这种单相脉冲仅包括单个主动相位30a，其像先前一样被主动驱动。因为该相位30a如刚刚描述那样将在电流路径中对电容进行充电，所以再次明智地恢复这种电荷，但是这在没有刺激电路28(即，PDAC和NDAC)驱动主动电流的情况下被动地发生。具体地，在刺激电路28(图3)中提供被动电荷恢复开关41i。开关41i耦合在每个电极节点ei 39和参考电位之间。在所描绘的示例中，该参考电位包括电池14的电压(Vbat)，尽管可以使用另一参考电位。在第一脉冲相位30a发出之后，这些开关41i中的一个或多个(全部或至少414和415，其电极节点e4和e5在第一相位期间参与提供电流)在被动电荷恢复期间30c(图2B)闭合。这将把在第一相位期间充电的电容器并联放置在参考电位(Vbat)和患者组织R之间。因此，如图2B所示，电容器放电时，极性相反的电流脉冲将在每个电极上流动，其电流将以取决于IPG电路和组织R中固有的电容值和电阻值的速率而呈指数衰减。优选地，开关41i在时间段30c期间闭合一个持续时间，以足以有效地恢复在第一相位30a期间存储在电容元件(例如，电容器38)上的所有电荷。在被动电荷恢复期结束时，开关41i可以被再次打开。被动电荷恢复在US专利申请公开2018/0071527和2018/0140831中获得更全面地解释。
应当注意的是，被动电荷恢复也可以用于图2A所示的双相脉冲。因此，被动电荷恢复期30c可以在第二主动驱动的相位30b之后。即使主动驱动的相位30a和30b被设计为成是电荷平衡的，非理想情况可能不会导致完美的电荷平衡，因此在相位30c期间提供被动电荷恢复是明智的，以确保在下一个脉冲发出之前电荷完全恢复。
图4示出了可以在将IPG 10植入患者内之前的外部试验刺激环境。在外部试验刺激期间，可以在不至于植入IPG 10的情况下尝试对预期的植入患者进行刺激。与此形成对照，包括一个或多个引线(例如一个或多个经皮引线15或桨式引线19)的试验电极阵列17’在目标位置34处被植入患者组织32中，诸如在先前所说明的脊柱内。试验电极阵列17’的引线的近端端部离开切口36并且被连接到外部试验刺激器(ETS)40。ETS 40通常模仿IPG 10的操作，并且因此可以向患者组织提供刺激脉冲，如以上所说明的。见例如公开了一种针对ETS的设计的9，259，574。ETS 40通常在短时间内(例如，两周)由患者从外部穿戴，这允许患者和其临床医生以不同刺激参数进行试验以尝试并且找到缓解患者的症状(例如，疼痛)的刺激程序。如果外部试验刺激证明成功，则移出试验电极阵列17’，并且如以上所述的植入完整的IPG 10和电极阵列17；如果不成功，则只是移出试验电极阵列17’。
类似IPG 10，ETS 40可以包括能够与外部设备进行双向通信的一个或多个天线，关于图5进一步说明。此类天线可以包括近场磁感应线圈天线42a，和/或远场RF天线42b，如先前所描述的。ETS 40也可以包括刺激电路，其能够根据刺激程序形成刺激脉冲，该电路可以类似于或相同于存在于IPG 10中的刺激电路28。ETS 40还可以包括用于操作功率的电池(未示出)。
图5示出了可以与IPG 10和ETS 40无线地传送数据的各种外部设备，包括患者的手持式外部控制器45和临床医生编程器50。设备45和50都可以被用于将刺激程序发送到IPG 10或ETS 40—即，用于将其刺激电路编程为产生先前描述的具有期望形状和时序的脉冲。设备45和50也可以都被用于调节IPG 10或ETS 40当前正执行的刺激程序的一个或多个刺激参数。设备45和50也可以从IPG 10或ETS 40接收信息，诸如各种状态信息等。
外部控制器45可以如例如在US专利申请公开2015/0080982中所述，并且可以包括被配置为与IPG 10一起工作的任一专用控制器。外部控制器45也可以包括通用移动电子设备诸如移动电话，其已经被编程有允许其作为IPG 10或ETS 40的无线控制器工作的医疗设备应用程序(MDA)，如US专利申请公开2015/0231402中所描述的。外部控制器45包括用户接口，其包括用于输入命令的装置(例如，按钮或图标)和显示器46。外部控制器45的用户接口使患者能够调节刺激参数，虽然其在与更强大的临床医生编程器50相比时可能具有受限的功能，稍后介绍。
外部控制器45可以具有能够与IPG 10和ETS 40通信的一个或多个天线。例如，外部控制器45可以具有近场磁感应线圈天线47a，其能够与IPG 10或ETS 40中的线圈天线27a或42a进行无线通信。外部控制器45也可以具有远场RF天线47b，其能够与IPG 10或ETS 40中的RF天线27b或42b进行无线通信。外部控制器45也可以具有控制器电路48，诸如微处理器、微计算机、FPGA、能够执行电子设备的指令的其他数字逻辑结构等。控制器电路48可以例如接收对刺激参数的患者调节，并且创建将被无线地发射到IPG 10或ETS 40的刺激程序。
临床医生编程器50在US专利申请公开2015/0360038中进一步描述，并且仅在此简要说明。临床医生编程器50可以包括：计算设备51，诸如台式机、便携式电脑、笔记本电脑、平板电脑、移动智能电话、个人数字助理(PDA)型移动计算设备等。在图5中，计算设备51被示出为便携式计算机，其包括典型计算机用户接口装置，诸如屏幕52、鼠标、键盘、扬声器、触针、打印机等，为了方便不将其全部示出。在图5中还示出了用于临床医生编程器50的附属设备，其通常专用于其作为刺激控制器的操作，诸如通信“棒”54、和操纵杆58、其可耦合到计算设备51上的适当端口，诸如例如USB端口59。
在临床医生编程器50中用于与IPG 10或ETS 40通信的天线可以取决于在那些设备中包含的天线的类型。如果患者的IPG 10或ETS 40包括线圈天线27a或42a，则棒54可以同样地包括用于在近距离处建立近场磁感应通信的线圈天线56a。在该实例中，可以诸如通过将棒54放置在可由患者穿戴并且在患者的IPG 10或ETS 40附近的带或套中而将棒54紧邻患者固定。如果IPG 10或ETS 40包括RF天线27b或42b，则棒54、计算设备51或这两者可以同样地包括RF天线56b以在更远距离处建立与IPG 10或ETS 40的通信。(在此情况下棒54可以不是必要的)。临床医生编程器50也可以无线地或经由在以太网或网络端口处提供的有线链接来与其他设备和网络(诸如英特网)建立通信。
为了对IPG 10或ETS 40的刺激程序或刺激参数进行编程，临床医生与在计算设备51的显示器52上提供的临床医生编程器图形用户界面(GUI)64进行对接。如本领域技术人员所理解的，GUI 64可以通过执行计算设备51上的临床医生编程器软件66来呈现，该软件可以被存储在设备的非易失性存储器68上。本领域技术人员还将意识到可以由控制电路70(诸如微处理器、微计算机、FPGA、能够在计算设备中执行程序的其他数字逻辑结构等)来促进在计算设备51中的临床医生编程器软件66的执行。此类控制电路70除了执行临床医生编程器软件66和呈现GUI 64以外，还可以实现经由天线56a或56b的通信，以通过GUI 64将选定的刺激参数传送给患者的IPG 10。
在图6中以一个示例示出了GUI 64的一部分。本领域技术人员将理解的是，GUI 64的细节将取决于临床医生编程器软件66在其执行下的位置，这可以取决于临床医生已经做出的之前GUI选择。图6示出了GUI 64在允许为患者的IPG 10或ETS 40设置刺激参数的点。虽然GUI 64被示为在临床医生编程器50中操作，但是外部控制器45的用户界面可以提供类似的功能。
在右边示出的界面中可以针对刺激程序定义特定的刺激参数。与波形形状(A；在此示例中，电流；PW；频率F)有关的刺激参数的值被示出在波形参数界面84中，其包括临床医生可使用来增大或减小这些值的按钮。与电极16有关的刺激参数(活跃电极和其极性)可在电极参数界面86中作出调节。电极刺激参数也是可见的并且可以在以下引线界面92中操控，其显示了电极阵列17(或17’)大致在其相对于彼此的适当位置中，例如，在脊柱的左侧或右侧上(仅示出了两个引线以为了简单)。光标94(或其他选择装置诸如鼠标指针)可以被用于在引线界面92中选择特定电极。在电极参数界面86中的按钮允许所选电极(包括壳体电极Ec)被指定为阳极、阴极或关闭。电极参数界面86还允许按百分比X来指定所选电极的阳极电流或阴极电流的相对强度。如果如‘038公开中所说明的，多于一个电极在给定时间处充当阳极或阴极，则这是特别有用的。根据在图2A和2B中示出的示例波形，如引线界面92中所示，电极E4已经被选择作为拉电流的唯一阳极，并且此电极接收X＝100％的指定阳极电流+A。同样地，电极E5已经被选择作为灌电流的唯一阴极，并且该电极接收X＝100％的该阴极电流-A。同样，可以同时选择超过一个电极用作阳极或阴极，这些电极共享阳极电流+A或阴极电流-A。例如，电极E3和E4都可以被选择作为阳极电极，其中E3接收30％的+A，而E4接收70％的+A。GUI 64可以包括其他未示出的高级选项，例如允许设置刺激脉冲的占空比(开/关时间)，设置刺激脉冲将达到其编程幅度(A)的上升时间、指定使用双相波形和/或被动电荷恢复等选项。
发明内容
公开了一种用于对脊髓刺激器设备进行编程的方法，该脊髓刺激器设备具有包括多个电极的电极阵列。该方法可以包括：对脊髓刺激器设备进行编程以在第一持续时间期间在电极阵列中的阳极处提供阳极脉冲；以及对脊髓刺激器设备进行编程以在第一持续时间之前或之后发生的第二持续时间期间在电极阵列中的阴极处提供多个阴极脉冲，其中至少两个阴极在电极阵列中相对于阳极是首尾(rostral-caudally)对齐的，并且其中至少一个阴极在电极阵列中相对于阳极是中位横向(medio-laterally)对齐的。
在一个示例中，在第一持续时间期间不向电极阵列提供阴极脉冲。在一个示例中，在第二持续时间期间不向电极阵列提供阳极脉冲。在一个示例中，第一和第二持续时间在时间上不重叠。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在第一持续时间期间为阳极脉冲提供阴极电流返回，并且其中外壳电极在第二持续时间期间为阴极脉冲提供阳极电流返回。在一个示例中，该方法还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在阳极脉冲之后在阳极处提供阴极电荷恢复脉冲，以及对脊髓刺激器设备进行编程，以在阴极脉冲之后在阴极处提供阳极电荷恢复脉冲。在一个示例中，阴极电荷恢复脉冲在第二持续时间期间与阴极脉冲重叠。在一个示例中，阳极脉冲具有大于阴极电荷恢复脉冲的幅度，并且其中每个阴极脉冲具有大于阳极电荷恢复脉冲的幅度。在一个示例中，阳极脉冲与在阳极处的阴极电荷恢复脉冲是电荷平衡的，并且其中每个阴极脉冲与在每个阴极处的阳极电荷恢复脉冲是电荷平衡的。在一个示例中，阳极脉冲在脊髓刺激器设备中的第一时序通道中被编程，并且其中阴极脉冲在脊髓刺激器设备中的第二时序通道中被编程。在一个示例中，阳极脉冲的电荷与阴极脉冲的电荷之和相等但相反。在一个示例中，阳极脉冲的幅度等于阴极脉冲的幅度之和。在一个示例中，阴极脉冲具有相等的幅度。在一个示例中，阳极位于多个电极的其中之一处。在一个示例中，阴极各自位于多个电极中的不同电极处。在一个示例中，阳极位于在电极阵列中首尾对齐的至少两个阴极之间。在一个示例中，至少两个阴极在电极阵列中相对于阳极是中位横向对齐的。在一个示例中，阳极位于在电极阵列中被中位横向对齐的至少两个阴极之间。在一个示例中，阳极脉冲和阴极脉冲包括脉冲组，并且还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在电极阵列中周期性地提供多个脉冲组。在一个示例中，该方法还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以将脉冲组的至少一些移动到电极阵列中的新位置。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在第二持续时间期间以阴极脉冲进行进一步编程。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在第一持续时间期间以阳极脉冲进行进一步编程。
在另一个示例中，公开了一种用于对脊髓刺激器设备进行编程的方法，该脊髓刺激器设备包括包含电极阵列的多个电极。该方法可以包括：对脊髓刺激器设备进行编程以在连续时间段期间提供脉冲，其中在每个时间段期间向三个或更多个极点位置提供脉冲，其中脊髓刺激器设备被编程为在连续时间段中的每个期间，在其中一个极点位置处提供阴极脉冲、以及在两个或多个极点位置处提供阳极脉冲，其中阴极脉冲在不同连续时间段期间被移动到不同的极点位置。
在一个示例中，三个或更多个极点位置在电极阵列中是中位横向地间隔的。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在连续时间段中的至少一些期间提供电流返回。在一个示例中，在连续时间段的至少一些期间，阴极脉冲不与阳极脉冲电荷平衡。在一个示例中，该方法还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在每个连续时间段期间在阴极脉冲和阳极脉冲之后在极点位置处提供电荷恢复脉冲。在一个示例中，阴极脉冲和阳极脉冲在每个连续时间段期间完全重叠。在一个示例中，阴极脉冲和阳极脉冲在每个连续时间段期间并不完全重叠。在一个示例中，在每个连续时间段期间，阴极脉冲包括第一电荷，并且阳极脉冲总共包括与第一电荷相等且相反的第二电荷。在一个示例中，在每个连续时间段期间，阴极脉冲的幅度等于阳极脉冲的幅度之和。在一个示例中，在每个连续时间段期间，阴极脉冲和一个或多个阳极脉冲在单个时序通道中形成。在一个示例中，脉冲在每个不同极点位置处在不同时序通道中形成。在一个示例中，在每个极点位置，阴极脉冲在一些连续时间段内与阳极脉冲是电荷平衡的。在一个示例中，在每个极点位置，阴极脉冲的幅度在一些连续时间段内等于阳极脉冲的幅度之和。在一个示例中，在每个连续时间段期间，阳极脉冲具有相等的幅度。在一个示例中，在位于多个电极之一的极点位置处提供每个连续时间段期间的阴极脉冲。在一个示例中，在位于多个电极中的不同电极的每个极点位置处提供每个连续时间段期间的阳极脉冲。在一个示例中，在每个连续时间段期间，阴极脉冲被移动到极点位置的不同一个。在一个示例中，在每个连续时间段期间，在两个或更多个极点位置处的阳极脉冲之一的幅度大于其他极点位置处的阳极脉冲的幅度。在一个示例中，在下一个连续时间段期间，在较大幅度的阳极脉冲的极点位置处提供阴极脉冲。
在另一个示例中，公开了一种用于对植入患者组织中的脊髓刺激器设备进行编程的方法，该脊髓刺激器设备包括具有多个电极的电极阵列。该方法可以包括：对脊髓刺激器设备进行编程，以在电极阵列中的阳极处提供第一脉冲的重复图样，每个第一脉冲包括阳极脉冲相位，其中第一脉冲包括至少一个相位，并且其中阳极脉冲相位在第一持续时间期间在至少一个相位中的第一个相位期间发生；以及对脊髓刺激器设备进行编程，以在电极阵列中的一个或多个阴极处提供多个第二脉冲的重复图样，每个第二脉冲包括阴极脉冲相位，其中每个第二脉冲包括至少一个相位，并且其中阴极脉冲相位在第二持续时间期间在至少一个相位中的第一个相位期间发生，其中第一和第二脉冲交错进行，使得第一和第二持续时间在时间上交错进行。该方法可以以上述提供的方式进一步限制。
在另一个示例中，公开了一种用于对植入患者组织中的脊髓刺激器设备进行编程的方法，该脊髓刺激器设备包括具有多个电极的电极阵列。该方法可以包括：对脊髓刺激器设备进行编程，以在第一持续时间期间在电极阵列中的阳极处提供阳极脉冲；对脊髓刺激器设备进行编程，以在第一持续时间之前或之后发生的第二持续时间期间在电极阵列中的阴极处提供多个阴极脉冲；以及校准阳极脉冲、阴极脉冲、或阳极脉冲和阴极脉冲的幅度，以在组织中引发反应。
在一个示例中，阳极脉冲和阴极脉冲都被校准以在组织中引发反应。在一个示例中，使用来自患者的反馈来校准幅度以便在患者组织中引发反应。在一个示例中，使用患者组织中的神经反应的测量来校准幅度以便在患者组织中引发反应。在一个示例中，响应于阳极脉冲引发的反应包括患者组织的去极化，其中响应于阴极脉冲引发的反应包括患者组织的去极化。在一个示例中，阳极和阴极在电极阵列中彼此处于预定位置。在一个示例中，该方法还包括以保持它们相对于彼此的预定位置的方式来移动所述电极阵列中的阳极和阴极。在一个示例中，在第一持续时间期间不向电极阵列提供阴极脉冲。在一个示例中，在第二持续时间期间不向电极阵列提供阳极脉冲。在一个示例中，第一和第二持续时间在时间上并不重叠。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在第一持续时间期间为阳极脉冲提供阴极电流返回，并且其中外壳电极在第二持续时间期间为阴极脉冲提供阳极电流返回。在一个示例中，该方法还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在阳极脉冲之后在阳极处提供阴极电荷恢复脉冲，并且对脊髓刺激器设备进行编程，以在阴极脉冲之后在阴极处提供阳极电荷恢复脉冲。在一个示例中，阴极电荷恢复脉冲在第二持续时间期间与阴极脉冲重叠。在一个示例中，阳极脉冲的幅度大于阴极电荷恢复脉冲的幅度，并且其中每个阴极脉冲的幅度大于阳极电荷恢复脉冲的幅度。在一个示例中，阳极脉冲与阳极处的阴极电荷恢复脉冲是电荷平衡的，并且其中每个阴极脉冲与在每个阴极处的阳极电荷恢复脉冲是电荷平衡的。在一个示例中，阳极脉冲在脊髓刺激器设备中的第一时序通道中进行编程，并且其中阴极脉冲在脊髓刺激器设备中的第二时序通道中进行编程。在一个示例中，阳极脉冲的电荷与阴极脉冲的电荷之和相等但相反。在一个示例中，阳极脉冲的幅度等于阴极脉冲的幅度之和。在一示例中，阴极脉冲的幅度相等。在一个示例中，阳极位于多个电极的其中之一处。在一个示例中，阴极各自位于多个电极中的不同电极处。在一个示例中，至少两个阴极在电极阵列中相对于阳极是首尾对齐的。在一个示例中，至少一个阴极在电极阵列中相对于阳极是中位横向对齐的。在一个示例中，至少两个阴极在电极阵列中相对于阳极是中位横向对齐的。在一个示例中，阳极脉冲和阴极脉冲包括脉冲组，并且还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在电极阵列中周期性地提供多个脉冲组。在一个示例中，该方法还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以将脉冲组的至少一些移动到电极阵列中的新位置。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在第二持续时间期间以阴极脉冲进行进一步编程。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在第一持续时间期间以阳极脉冲进行进一步编程。
在另一个示例中，一种用于对的脊髓刺激器设备进行编程的方法，该脊髓刺激器设备包括包含电极阵列的多个电极。该方法可以包括：对脊髓刺激器设备进行编程，以在不同时间段期间提供脉冲，其中在每个时间段期间向电极阵列中的三个或更多个极点位置提供脉冲，其中对脊髓刺激器设备进行编程，以在不同时间段的每个期间在极点位置之一处提供阴极脉冲，以及在两个或更多个极点位置处提供阳极脉冲，其中将阴极脉冲在不同时间段中的至少一些期间移动到不同的极点位置。
在一个示例中，不同的时间段是连续的。在一个示例中，三个或更多个极点位置在电极阵列中是中位横向地间隔开的。在一个示例中，脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中外壳电极在不同时间段中的至少一些期间提供电流返回。在一个示例中，在不同时间段中的至少一些期间，阴极脉冲不与阳极脉冲电荷平衡。在一个示例中，该方法还包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在每个不同时间段期间在阴极脉冲和阳极脉冲之后在极点位置处提供电荷恢复脉冲。在一个示例中，阴极脉冲和阳极脉冲在每个不同的时间段期间完全重叠。在一个示例中，阴极脉冲和阳极脉冲在每个不同的时间段期间并不完全重叠。在一个示例中，在每个不同的时间段期间，阴极脉冲包括第一电荷，并且阳极脉冲总共包括与第一电荷相等且相反的第二电荷。在一个示例中，在每个不同的时间段期间，阴极脉冲的幅度等于阳极脉冲的幅度之和。在一个示例中，在每个不同的时间段期间，阴极脉冲和一个或多个阳极脉冲在单个时序通道中形成。在一个示例中，脉冲被形成在每个不同极点位置处在不同时序通道中。在一个示例中，在每个极点位置，阴极脉冲在一些不同时间段内与阳极脉冲是电荷平衡的。在一个示例中，在每个极点位置，在一些不同时间段内，阴极脉冲的幅度等于阳极脉冲的幅度之和。在一个示例中，在每个不同的时间段内，阳极脉冲具有相等的幅度。在一个示例中，在位于多个电极之一的极点位置处提供在每个不同时间段期间的阴极脉冲。在一个示例中，在每个位于多个电极中的不同电极的极点位置处提供在每个不同的时间段期间阳极脉冲。在一个示例中，在每个不同的时间段期间，将阴极脉冲移动到不同的极点位置。在一个示例中，在每个不同的时间段期间，在两个或多个极点位置处的阳极脉冲之一的幅度大于在其他极点位置处的阳极脉冲的幅度。在一个示例中，在不同时间段的下一个期间，在幅度较大的阳极脉冲的极点位置处提供阴极脉冲。
本发明还可以以以下形式驻留：用于执行上述方法的编程的外部设备(经由其控制电路)、用于执行上述方法的编程的IPG或ETS(经由其控制电路)、包括用于执行上述方法的编程的外部设备和IPG或ETS的系统，或作为用于执行上述方法的计算机可读介质存储在外部设备或IPG或ETS。
附图说明
图1示出了根据现有技术的可用于脊髓刺激(SCS)的可植入脉冲发生器(IPG)。
图2A和2B示出了根据现有技术的通过IPG分别采用主动电荷恢复和被动电荷恢复而可产生的刺激脉冲的示例。
图3示出了根据现有技术的在IPG中使用以提供刺激脉冲的刺激电路。
图4示出了根据现有技术的可用于在IPG植入之前提供刺激的外部试验刺激器(ETS)的使用。
图5示出了根据现有技术的能够与IPG和ETS进行通信并且对IPG和ETS中的刺激进行编程的各种外部设备。
图6示出了根据现有技术的用于设置或调节刺激参数的临床医生编程器外部设备的图形用户界面(GUI)。
图7示出了较低频率与最佳脉冲宽度相关联的数据，可用于在IPG或ETS中提供亚感知刺激。
图8示出了在较低频率下可用于提供亚感知治疗的对称双相脉冲。
图9示出了脊髓的横截面，其显示了背柱和背根纤维的位置。
图10示出了可以提供给电极阵列以模拟图8的对称双相脉冲的反应的脉冲示例，其使用在第一时间发出的中央阳极脉冲以及在第二时间发出的相邻电极处的阴极脉冲。
图11A和11B分别示出了在阳极脉冲和阴极脉冲期间背部纤维的神经募集的效果。
图12A-12F示出了图10-11B中描述的脉冲技术的变化。
图13A-13F示出了脉冲如何通过电极阵列移动以募集或抑制各种背柱纤维的募集。
图14A-14D示出了另一个示例，其中阴极和阳极脉冲可用于募集或抑制各种背柱纤维的募集。
具体实施方式
虽然脊髓刺激(SCS)治疗可以作为缓解患者疼痛的有效手段，但是此类刺激也可以导致感觉异常。感觉异常(有时被称为“超感知(supra-perception)”治疗)是一种可以伴随SCS治疗的感觉，诸如发麻、刺痛、热、冷等。通常，感觉异常的影响是轻微的，或者至少不过度涉及患者。此外，针对其慢性疼痛现已由SCS治疗得到控制的患者，感觉异常通常是适度折衷的。一些患者甚至发现感觉异常是舒适和令人宽慰的。
尽管如此，至少针对一些患者，SCS治疗将理想地提供彻底的疼痛缓解而无感觉异常——这通常被称为患者无法感受的“亚感知(sub-perception)”或亚阈值治疗。有效的亚感知治疗可以通过在更高频率下发出刺激脉冲来提供无感觉异常情况下的疼痛缓解。不幸地，此类更高频率的刺激可能需要更多功率，其趋向于耗尽IPG 10的电池14。见例如US专利申请公开2016/0367822。如果IPG的电池14为一次电池并且不可再充电的，则高频刺激意味着将需要更快速地更换IPG 10。可替选地，如果IPG电池14是可再充电的，则将需要更频繁地在更长的时间段内对IPG 10进行充电。无论哪种方式，都会给患者造成不便。
在SCS应用中，期望的是确定将对每个患者有效的治疗刺激程序。确定有效治疗刺激程序的重要部分是确定用于在每个患者中刺激的“甜点”，即，选择哪个电极应该是激活的(E)以及利用什么极性(P)和相对幅度(X％)来募集并且因此治疗在患者中疼痛源起所在的神经部位。选择邻近疼痛的该神经部位的电极可能难以确定，并且通常进行试验来选择电极的最佳组合以提供患者的治疗。在患者首次植入电极阵列之后，即在接收他们的IPG或ETS之后，用以确定电极以在其后用于治疗刺激的甜点搜索在试验设置中特别有用，但也可以在IPG的生命周期内随时进行甜点搜索以优化治疗。
如US专利申请公开2019/0046800(‘800公开)中所描述的，当使用亚感知治疗时，针对给定患者选择电极可能甚至是更加困难的，这是因为患者没有感受到刺激，并且因此患者可能很难感受到刺激是否正在“覆盖”他的疼痛并且因此难以感受到选定电极是否有效。此外，亚感知刺激治疗在其能够变得有效之前可能需要“洗入(washin)”期。洗入期可能占用一天或更多，并且因此亚感知刺激可能不会立即有效，这使电极选择更加困难。
‘800公开公开了：甜点搜索因此可以优选地使用超感知刺激而发生，即使要在甜点搜索之后提供的作为结果的刺激治疗是亚感知的也是如此。根据定义，超感知治疗允许患者感受到刺激，这使患者能够在甜点搜索期间向临床医生提供基本即时的反馈：感觉异常是否似乎很好地覆盖了他的疼痛，而无需洗入期。此外，在甜点搜索期间使用超感知刺激，可以确保所确定的电极能够很好地募集到患者疼痛的神经部位。因此，在甜点搜索完成并且在所确定的电极处提供最终亚感知治疗之后，该亚感知治疗的洗入可以不需要太长时间，这是因为良好募集所需的电极已经有把握地确定。
‘800公开解释说，即使在IPG 10或ETS 40中使用较低量功率的较低频率(小于或等于10kHz)下也可以发生有效的亚感知治疗，并且当将脉冲宽度调整为在每个频率下的特定值时，在这种较低频率下的有效性就会实现。取自’800公布文本的图被示出在图7中，其示出了这种较低频率和脉冲宽度之间的关系，其被注意到提供基于经验测试的最佳亚感知治疗。’800公开更深入地分析了这些数据，包括识别特定关系(曲线拟合)和指示亚感知有效性的频率/脉冲宽度区域。在这样的频率和脉冲宽度下提供的刺激的幅度A可以降低，直到达到亚感知。假定读者熟悉’800公开，因此在此处不再重复这些细节。
‘800公开中值得注意的是，有效的亚感知治疗可以在非常低的频率(小于或等于200Hz)下实现。在’800公开中，在亚感知治疗期间使用的脉冲优选是对称双相脉冲，如图8所示。脉冲包括至少两个主动驱动的相位30a和30b，其中在每个相位期间的幅度A相同(但极性相反)，并且脉冲宽度PW也相等。假设由于每个相位30a和30b将倾向于主动地募集患者组织中的不同神经目标，因此有效性得到加强。即，在相位30a期间募集第一组神经目标，并且在相位30b期间募集第二(可能重叠)组神经目标。特别是，募集将发生在最显著地靠近阴极，这是因为神经组织通常更容易由阴极电流注入进行募集。因此，通常来说，在图8的示例中，在相位30a期间将优先募集靠近E14的神经组织，而在相位30b期间将优先募集靠近E13的神经组织。因此，刺激覆盖范围扩大。此外，使用对称双相脉冲是有益的，因为如上所述，这种脉冲是电荷平衡的，因此(理想地)在第二相位30b结束时恢复所有所存储的电荷。
发明人公开了形成脉冲的新方法，这些脉冲可用在电极阵列17或17'中以产生与图8中所示的对称双相脉冲大致相同的效果。期望这种新脉冲在以较低频率提供亚感知治疗方面特别有用，类似于’800公开中所公开的内容。即，所公开的脉冲可以用于超感知治疗，并且如果需要的话可以以更高的频率进行。在介绍这种脉冲和技术之前，先提供脊髓中的刺激机制的简要讨论。
如US专利申请公开2015/0151125中所解释以及图9所示，典型的脊髓横断面将包括基本上被椭圆形的白质(有髓轴突)的外部区域包围的中央“蝴蝶”形的灰质(神经元细胞体)的区域。背角是“蝴蝶”形的灰质的中央区域的背侧部分，其包括神经元细胞末梢、神经元细胞体、树突和轴突。传统的SCS程序具有作为其治疗目标的最大限度地刺激(即募集)沿脊髓纵轴在白质中行进的背柱纤维、以及最小限度地刺激垂直于脊髓纵轴行进的其他纤维(主要是背根纤维)。背柱的白质主要包括形成传入纤维的较大的有髓轴突。
虽然背柱中的纤维平行于脊髓的长轴x行进(即，首尾方向)，但背角中的纤维可以在许多方向上定向，包括垂直于脊髓的长轴。背角纤维和背柱纤维对电刺激具有不同的反应。背柱纤维的刺激强度(即去极化或超极化)由所谓的“激活函数”d2V/dx2描述，其可以通过对沿脊柱纵轴(x)的组织的电压(V)取二阶空间导数来确定，这是因为传播经过刺激电极的背柱更有可能沿轴突被激活。这部分是因为背柱中的较大的有髓轴突主要沿脊柱纵向对齐。另一方面，在背角纤维和神经元中生成动作电位的可能性最好由dV/dx(另外也称为电场，E)描述，这是因为背角纤维和神经元(通常被限定在电极的正下方)可能更容易在树突和轴突处做出反应。因此，背角的“激活函数”不与二阶导数成正比，而是与沿纤维轴的电压的一阶导数成正比。因此，与电场位点的距离对背角激活函数的影响小于对背柱激活函数的影响。通常参见D.R.McNeal，“Analysis of a Model for Excitation of MyelinatedNerve，”IEEE Trans.on Biomedical Eng’g 4，pp.329-37(1976)；J.T.Rubinstein，“AxonTermination Conditions for Electrical Stimulation，”IEEE Trans.on BiomedicalEng’g 40.7，pp.654-63(1993)。
本文公开的新脉冲技术采用从背柱激活函数d2V/dx2中学到的教导来促进或抑制背柱中神经目标的激活。第一个示例示于图10，其示出了提供给电极阵列17或17'(以下为简单起见称为阵列17)中的各个电极16的脉冲。在所示的示例中，阵列17是二维的，并且包括三行(首尾排列；x)和三列(中位横向排列)的电极16。这可以通过使用桨状引线19或多个经皮引线15(见图1)来实现，尽管为简单起见在图10中未示出引线的具体细节。
该示例中的电极被激活以形成交叉图案，其中在第一相位30a期间在时间tl向中央电极提供阳极脉冲，并且在第一相位31a期间在时间t2向周围电极E-1、E-2、E-3和E-4提供阴极脉冲。时间段t1和t2可以由较小的时间间隔(td)分开，该时间间隔可以是10微秒左右。在时间段t1期间提供的阳极脉冲被示为具有+A1a的幅度和PW1a的脉冲宽度，而在时间段t2期间提供的阴极脉冲被示为具有-A2a的幅度和PW2a的脉冲宽度。在这个示例中，阴极脉冲的幅度小于阳极脉冲；即，|A2a|小于|A1a|。这有几个原因可以解释为什么这是可取的。首先，如上所述，神经组织通常对阴极脉冲更敏感(更容易被募集)，并且因此阴极脉冲的幅度可以小于阳极脉冲。例如，阳极脉冲募集神经组织所需的幅度可能是类似阴极脉冲的两到四倍。在这个示例中，阳极脉冲的幅度是阴极脉冲幅度的四倍(即，|A1a|＝4*|A2a|)。以这种方式调整阳极和阴极脉冲的幅度也很有用，这是因为它允许指定幅度为A的单个电流，以使得可以向中央电极E+提供100％*+A，并向四个阴极电极E-1到E-4中的每一个提供25*-A(这有效地设置了|A1a|＝4*|A2a|)。
在每个电极处脉冲优选地是电荷平衡的，并且在这方面，在tl(30a)期间在阳极电极E+处的阳极脉冲之后跟着在第二相位30b期间的相反极性的阴极脉冲(幅度为-Alb)。优选地，提供该阴极脉冲仅用于电荷恢复的目的，并且将低于阳极脉冲的幅度(即，|A1b|>|A1a|)。最优选地，幅度为-A1b在幅度上足够低而不募集神经组织，并且在这方面，在t1期间提供的阳极脉冲实际上是单相的。为了提供电荷恢复，并且由于幅度为-A1b是较低的，因此在相位30b期间的脉冲宽度PW1b必须相对较长，使得|A1a|*PW1a＝|A1b|*PW1b。
在阴极E-1至E-4处的每一处的脉冲也优选地是电荷平衡的，并且因此在t2(31a)期间提供的阴极脉冲之后跟着在第二相位31b期间的相反极性的阳极脉冲(幅度为+A2b)。同样，这些阳极脉冲优选地被提供用于电荷恢复，并且将低于阴极脉冲的幅度(即，|A2a|>|A2b|)，其中幅度为+A2b足够低而不募集神经组织，使得在t2期间提供的阴极脉冲实际上是单相的。同样，为了电荷平衡，在相位31b期间的脉冲宽度PW2b必须相对较长，使得|A2a|*PW2a＝|A2b|*PW2b。在阳极再充电相位PW2b之后立即可以递送短时间的剩余“修饰”(touchup)相位以考虑任何剩余的不完美的电荷平衡(例如由于在刺激和恢复脉冲期间的带电粒种的扩散造成)。
在所示示例中，在t1期间的阳极脉冲的脉冲宽度和t2期间提供的阴极脉冲的脉冲宽度相等(PW1a＝PW2a)，随后的主动电荷恢复周期的脉冲宽度也是如此(PW1b＝PW2b)。然而，这并不是严格必要的，并且这些不同的脉冲相位可以具有不同的脉冲宽度。此外，电荷恢复在第二脉冲相位30b和31b期间可以是被动的。被动电荷恢复已在前面讨论过，为方便起见并未示出。
在一个示例中，具有治疗意义的脉冲相位30a和31a以为患者提供亚感知治疗的方式发出，并且因此在相位(A1a，A2a)期间使用的幅度可以相应地滴定下降。此外，脉冲以频率F发出，在一个示例中，该频率可以包括相对较低频率的脉冲(例如，10kHz或更低、1kHz或更低、或甚至200Hz或更低)，对于上面讨论的’800公开中所教导的亚感知刺激是有用的。然而，所公开的脉冲方案也可以用于超感知刺激，并且以被认为对特定患者有用的任何期望频率进行。
在该示例中，外壳电极Ec优选地用作电流返回(current return)，并且在这方面，提供给电极阵列17的脉冲是业内已知的单极的。为了便于说明，对于阳极脉冲和阴极脉冲，外壳电极Ec处的返回电流被清楚地示出。因此，在图10的顶部，可以看到Ec处的电流仅包括在单个阳极E+处发出的电流，但具有相反的极性。在图10的底部，Ec处的电流必须恢复来自四个阴极电极E-1到E-4提供的电流，并且因此极性相反但幅度是四倍。虽然这些返回电流被有区别地示出，但实际上(因为只有一个外壳电极)，所以这些电流会在外壳电极处相加。例如，如果假设在时间t3处在第二脉冲相位30b和31b期间，|A1b|＝4*|A2b|，则外壳电极Ec处的电流将为零。
在一个示例中，E+处的阳极脉冲和E-1至E-4处的阴极脉冲在IPG或ETS中的两个不同时序通道(TC1和TC2)独立地形成。脉冲仲裁可以在外壳电极处关闭，从而允许返回电流在外壳电极处相加。然而，并非严格必须使用不同的时序通道来形成脉冲。相反，可以使用单个、多个更复杂的时序通道，诸如通过使用例如US专利申请公开2018/0071513中所公开的IPG架构和脉冲定义电路。
在一个示例中总结，图10示出了一种用于对植入患者组织中的脊髓刺激器设备进行编程的方法，该脊髓刺激器设备包括具有多个电极的电极阵列。这可以包括对脊髓刺激器设备进行编程，以在电极阵列中的阳极(E+)处提供第一脉冲的重复图样，每个第一脉冲包括阳极脉冲相位(30a)，其中第一脉冲包括至少一个相位(30a和30b)，并且其中阳极脉冲相位发生在第一持续时间期间在至少一个相位中的第一个期间；并且对脊髓刺激器设备进行编程，以在电极阵列中的一个或多个阴极(E-1至E-4)处提供多个第二脉冲的重复图样，每个第二脉冲包括阴极脉冲相位(31a)，其中第二脉冲各自包括至少一个相位(31a和31b)，并且其中阴极脉冲相位发生在第二持续时间期间在至少一个相位中的第一个期间，其中第一和第二脉冲是交错的，使得第一和第二持续时间(在30a和30b期间)在时间上是交错的。
图11A和11B分别解释了在时间tl和t2发出脉冲期间发生了什么，以及如何促进或抑制背柱中的刺激。这种促进或抑制通过查看相关电极下方的背柱纤维来理解，如查看相关激活函数d2V/dx2作为辅助那样。在这方面，电极下方的组织在图11A和11B中标记为130m和130f，其中“m”是指阵列中间的纤维，“f”是指从中位横向角度(沿y轴)来看位于中间侧翼(flank)的纤维。这样的组织130m和130f通常将会包含许多背柱轴突，如先前所述，这些轴突在x(首尾)方向上对齐。
图11A示出了时间t1时电极E+处的阳极脉冲。图11A的顶部示出了在中间纤维130m和侧翼纤维130f处沿x轴发生的电压。由于E+是阳极，因此相对于较远的外壳电极Ec，组织中将形成正电压V。该电压将沿着中间纤维130m的轴在位于阳极电极E+下方的位置处于最大值，并且将在更远的距离处下降到更小的值。沿着侧翼纤维130f的轴的电压将具有相同的基本形状，但随着这些侧翼纤维远离阳极电极，其幅度将会更小。
图11A的底部示出了沿130m和130f的轴产生的激活函数的形状，如上所述，其是通过取电压的二阶导数即d2V/dx2来确定。激活函数的曲线图上还示出了激活阈值(AT)，其可用于预测底层组织的去极化。众所周知，如果激活函数超过AT，组织将会去极化并且在这些位置点火；在负值时，组织激活被抑制。沿纤维130m观察激活函数，可以看出该函数在阳极E+上方和下方超过AT，并且标注了峰值点x1和x2。因此，背柱纤维130m被募集。因为刺激倾向于优先发生在靠近阴极的地方，所以x1和x2(以及沿130m超过AT的区域)可以被称为虚拟阴极，尽管在时间t1没有实际发生阴极刺激。相比之下，观察沿纤维130f的激活函数，可以看出该函数在任何点都不超过AT，这个归因于这些位置处的电压幅度较低。因此，在t1期间的阳极脉冲期间，背柱组织因此没有沿着纤维130f被募集。
在阳极电极E+处校准阳极脉冲的幅度(+Ala，图10)可能是有益的，以确保在组织中引发反应，例如，使得激活函数超过激活阈值AT。这种校准可以以不同的方式发生。例如，校准可以包括向患者提供不同幅度的阳极脉冲，并从患者接收关于每个幅度在解决患者症状(例如，疼痛)的有效性上的主观反馈。这种主观反馈还可以包括确定各种阈值。例如，幅度可以逐渐增加，直到患者报告感觉到刺激，从而建立感觉异常阈值。幅度也可以增加到超出这个阈值，例如增加到患者不能再忍受刺激的点，从而建立不适阈值。
校准还可以采用客观的可测量值。例如，可以测量响应于不同幅度的阳极刺激而在患者神经组织中产生的神经反应，以计量患者组织是否经历了去极化，并且因此是否激活阈值AT已被超过。在一个示例中，神经反应可以通过感测一个或多个IPG 10的电极16处的诱发复合动作电位(ECAP)来测量。对IPG中ECAP的感知在US专利申请公开2017/0296823、美国专利申请序列号16/661，549(于2019年10月23日提交)以及美国临时专利申请序列号62/825，981(于2019年5月29日提交)中进行了描述。在一个示例中，校准可以通过验证足以诱发足够的幅度或能量的ECAP的幅度而发生。众所周知，对阳极脉冲的幅度的校准可以在测试或“拟合”程序期间进行。
图11B示出了时间t2时电极E-1到E-4处的阴极脉冲。图11B的顶部再次示出了沿中间纤维130m和侧翼纤维130f发生的电压。因为脉冲是阴极的，所以负电压将在组织中形成，并且这些电压将通常小于阳极脉冲(图11A)的电压，这是因为如上所述阴极脉冲(优选地)具有较低幅度。沿中间纤维130m的x轴的电压将在接收阴极脉冲的电极E-1和E-2的位置处达到峰值(负)，并且将在这些峰值之间最小化(例如，在t1期间的E+位置处)。如图11B底部所示，这使峰值之间的激活函数最小化或扁平化，使得在中间纤维130m处不超过激活阈值AT。因此，背柱纤维130m在时间t2期间没有被募集。实际上，电极E-1和E-2处的阴极刺激在时间t2抑制了纤维130m处的神经募集。
沿着侧翼纤维130f的x轴的电压将大致在激活阴极电极E-3和E-4(x3)的位置处达到峰值(负)。(来自E-1和E-2的一些电压量可能耦合到130f，但这相对较小，因此未示出)。由此产生的激活函数将在沿130f的这些位置达到峰值，即，在x3，并且如图11B底部所示，可以超过激活阈值AT，这意味着背柱组织将靠近于这些点x3被募集。简而言之，背柱纤维130f在时间t2期间去极化。
与阳极脉冲(图11A)一样，对阴极脉冲的幅度的校准可以是有益的，以确保在组织中引发反应，例如，使得激活函数超过激活阈值AT以引起去极化。同样，这种校准可以通过接收来自患者响应于不同幅度的主观反馈、确定各种阈值、或通过测量在患者神经组织中生成的神经反应(例如，通过检测ECAP)而(例如，在测试或拟合过程期间)发生，如先前所述。对阴极电极E-1至E-4的幅度的校准可以单独发生，或者可以调节阴极电极的幅度直到这些阴极总共产生期望的反应。
考虑图11A和11B时的总体效果是背柱纤维130m在时间tl期间被募集，而纤维130f在时间t2期间被募集。这种募集本质上类似于图8中提供的对称双相波形，其中第一位置(即，靠近E14)处的背柱纤维的募集在第一脉冲相位30a期间被募集，并且第二位置(即，靠近E13)处背柱纤维的募集在第二脉冲相位30b期间被募集。因此，新的脉冲技术应该产生类似的结果，特别是对较低频率处的亚感知刺激具有类似的有益效果。
尽管并未描绘，但应当理解的是，阳极和阴极脉冲可以随时间变化。例如，阴极脉冲(例如，图11B)可以在时间t1发生，而阳极脉冲在时间t2发生。这仍然可以使在不同的时间点对背柱纤维130m和130f进行选择性募集。
图12A到12C示出了图10中描述的脉冲序列的有效变化。图12A示出了在tl期间E+处的阳极脉冲的幅度不需要与在时间t2提供的阴极脉冲的幅度有任何关系。因此，在t1期间提供给单个阳极E+的电流可以设置为A1a，而在t2期间提供给阴极E-1至E-4的总电流可以设置为A2a，其中阴极共享该总电流A2a。在此示例中，阴极电极以相等的比例(A2a的25％*)共享电流A2a。
图12B示出了时间t2期间的电流可以以不同比例分配到阴极电极E-1至E-4。在此示例中，阴极电极E-1接收总阴极电流(此示例中为A)的30％，而阴极电极E-2至E-4分别接收该电流的28％、22％和20％。如果这些电极中的某些电极相距正被刺激的背柱纤维较近或较远，则以不等比例分割阴极电流可以是特别有用的。与背柱耦合较好的较近电极可能需要更少的电流的量，而耦合较差的较远电极可能需要更多的电流的量。于2019年1月1日提交的美国临时专利申请序列号62/795，268中进一步讨论了用于确定电极与脊髓的耦合程度的技术，以及由此产生的对在每个电极处接收的刺激电流的调整。
尽管并未描绘，但应当注意的是，阴极电极E-1至E-4总共接收100％的阴极电流并不是严格必需的。尽管并未示出，但如果需要的话，外壳电极Ec可以接收剩余量的阴极电流。例如，90％的阴极电流可以由阴极电极共享，而外壳电极Ec接收剩余的10％。对于阳极电极E+也是如此，其也可以与外壳电极Ec共享电流。
图12C示出了中位横向地位于阳极E+侧翼的两个阴极电极都接收阴极电流并不是严格必要的。在图12C中，阳极电极E+位于阵列的边缘，并且因此左侧没有阴极电极E-3。尽管如此，仍然首尾方向地提供阴极电极E-1和E-2，以及仍然中位横向地(向右侧)提供阴极电极。因此，阳极电极E+下方的纤维130m将在t1期间被募集，而E-4下方的纤维130f将在时间t2期间被募集。阴极电极E-1和E-2如先前所述将在t2期间抑制纤维130m的激活。在图12C的示例中，首尾地放置的阴极电极E-1和E-2被示为接收38％的阴极电流-A，而单个中位横向地放置的阴极电极E-4接收24％。然而，值得注意的是阴极电流细分不应是任意的，并且可能需要实验或模拟来促进或抑制激活，如上所述的那样。
图12D示出了更大的阵列17，并且示出了阴极电极E-1至E-4不需要是离中央阳极电极E+最近的相邻电极。在此示例中，阴极电极E-1至E-4与阳极电极E+相隔额外的电极。此外，尽管并未示出，但是阴极电极E-1和E-4不需要相对于阳极电极E+对称地放置。例如，阴极电极E-3和E-2可以与阳极电极E+相邻(例如，如图12A所示)，而阴极电极E-1和E-4被一个或多个电极隔开(如图12D所示)。
图12E示出了可以形成阳极E+作为虚拟阳极140+，以及可以形成阴极电极作为虚拟阴极140-，其位置不一定对应于电极阵列17中的物理电极16的位置。在这方面，患者或临床医生可以使用临床医生编程器50或外部控制器45(例如，图5)的GUI 64(图6)来定义电极阵列17中的虚拟极点140+和140-的位置。当在GUI中设置极点的位置时，在外部设备中作为软件或固件操作的电极配置算法150可以计算哪些物理电极应该是激活的，以及使用哪些极性和电流细分，以在所需的位置最好地形成极点。假定读者熟悉该电极配置算法150，并且例如在US专利申请公开2019/0175915中对其进行了进一步描述。图12E的右侧示出了电极配置算法150如何工作的示例，其示出了在时间t1期间虚拟阳极E+140+的形成。虚拟阳极E+140+的位置(x1，y1)最靠近电极E12，稍微靠近电极E13和E4，并且大致邻近电极E5。结果，电极配置算法150可以在时间t1期间激活这些电极中的每一个，但是可以在它们之间以不同比例(例如分别为70、10、10和5％)共享阳极电流+A。电极算法150同样可以操作来定义在时间t2期间哪些物理电极应该是活跃的，以便在它们各自的位置处形成虚拟阴极140-，但是这个细节没有被示出。
最后，图12F示出了阳极脉冲和阴极脉冲的激活时序可以反转，阴极脉冲在时间tl在电极E-1到E-4处被激活，而阳极脉冲在时间t2时在电极E+处被激活。这起到相同的效果，但以相反的顺序刺激相关纤维。
图13A-13F示出了前述脉冲如何可以在电极阵列17中移动。这对于在更宽范围的神经组织上提供刺激是有用的。所示示例使用如图10所示和描述的脉冲，但也可以使用图12A-12F的任何前述修改。
图13A示出了在电极阵列17中的最左边位置施加的脉冲，其中阳极电极放置在阵列中的最左边一列，并且在时间t1期间发出阳极脉冲(募集纤维130a)。与图12C中所示的类似，使用了三个阴极电极，其中两个相对于阳极电极首尾地放置，以及一个向右侧中位横向地放置。这些阴极脉冲在时间t2时发出(募集纤维130b)。在图13B中，活跃电极向右移动，其中阳极脉冲在时间t3时发出(募集纤维130b)，以及阴极脉冲在时间t4时发出(募集纤维130a和130c)。应当注意的是，现在可以在阳极电极的左侧容纳第四个阴极电极。在图13C中，活跃电极再次向右移动，其中阳极脉冲在时间t5时发出(募集纤维130c)，以及阴极脉冲在时间t6时发出(募集纤维130b和130d)。在图13D中，活跃电极向右移动，其中阳极电极放置在阵列中的最右列，并且其中在时间t7期间发出阳极脉冲(募集纤维130d)。可以再次使用三个阴极电极，其中两个相对于阳极电极首尾地放置，一个向左侧中位横向地放置，在时间t8期间发出阴极脉冲(募集纤维130c)。在图13E中，活跃电极在阵列中向上移动(在t9为阳极；在t10为阴极)，在图13F中它们向左移动(在t11为阳极，在t12为阴极)，依此类推。总之，所公开的脉冲技术可以在电极阵列中移动，以在不同时间募集不同的背柱纤维。
图14A-14D示出了可用于选择性地促进或抑制背柱募集的不同阳极和阴极脉冲。在这些示例中，在阵列17中使用多个中位横向地间隔开的电极，例如图14A中所示的四个电极E1-E4，但是也可以使用三个或更多个电极。这些电极在不同的时间t1-t4接收阳极或阴极脉冲。在这个示例中，电极E1在时间t1接收阴极脉冲，而电极E2-E4接收阳极脉冲。尽管并未示出，但阴极脉冲和阳极脉冲也可以提供在阵列中的极点位置处，该极点位置不一定对应于电极的物理位置，类似于先前在图12E中所描述的。
与先前的图10-13D中提供的示例相比存在一些区别。首先，阴极脉冲在幅度上大于阴极脉冲。这是因为募集主要发生在阴极电极处，并且因此130a附近的纤维在时间t1期间被募集。E2-E4处较小幅度的阳极脉冲倾向于抑制募集，并且因此纤维130b-d在时间t1没有被募集。阳极脉冲还可在这些位置中服务于“预脉冲(pre-pulse)”纤维，如在图14B中进一步讨论。阴极脉冲和一个或多个阳极脉冲可以在单个时序通道中形成。
在图14A的示例中，可以并不一定使用外壳电极Ec。这是因为任何时间点的净电流/电荷都可能为零。例如，阴极脉冲的幅度|Ac|可以是阳极脉冲幅度|Aa|的三倍。此外，尽管并未示出，但阴极脉冲和阳极脉冲的脉冲宽度可以相同。
在时间t2，阴极脉冲移动到电极E2，其中电极E1、E3和E4包括阴极脉冲。这促进了纤维130b的募集并且倾向于抑制纤维130a、130c和130d的募集。随着阴极脉冲移动到不同电极(E3在t3时和E4在t4时)，其效果是在不同时间选择性地募集不同的中位横向地间隔的纤维130x。
应当注意的是，在该示例中，脉冲不必具有电荷恢复期(相比于图10中的脉冲相位30a/b和31a/b)。即，脉冲可以是单相的。这是因为随着时间的推移，即在包括t1-t4的时间段T内，每个电极的电荷是自然平衡的。以电极E1为示例：t1时注入的电荷等于-Q，而t2-t4时注入的电荷总共等于+Q。因此既不需要主动电荷恢复也不需要被动电荷恢复，尽管也可以使用它。
图14B提供了类似于图14B的不同示例，不同之处在于阳极脉冲的幅度在每个时间tx在每个电极处不相等。例如，在时间t1，幅度为–Ac的阴极脉冲在t1时被施加到E1。相邻电极E2接收幅度为+Aa1的阳极脉冲，而电极E3和E4接收幅度为+Aa2的阳极脉冲。在此示例中，Aa1＝2*Aa2。电极E2接收更高幅度的脉冲以在对该位置的纤维130b进行“预脉冲”。预脉冲趋向于使该位置处的纤维130b在稍后它们接收阴极脉冲时更易于募集，如在时间t2发生的那样。在此时间t2，E2接收到阴极脉冲，而E3现在接收幅度为Aa1的阳极预脉冲。电极E4和E1接收幅度为Aa2的较小阳极脉冲。这继续于在稍后将被施加到接收了预脉冲的电极的阴极脉冲。即在t3时，电极E3在t2时接收到预脉冲后接收阴极脉冲；在t4时，电极E4在t3时接收到预脉冲后接收阴极脉冲，等等。这种预脉冲趋向于促进稍后施加的阴极脉冲的募集，如先前所述。参见，例如，于2019年3月6日提交的美国专利申请序列号16/294，701(描述了预脉冲)。
类似于图14A，图14B中的脉冲可以是不需要电荷恢复的单相脉冲，这是因为在时间段T内每个电极处的电荷是平衡的。此外，由于在任何给定时间的净电荷/电流等于零，所以外壳电极Ec可以不是必需的。
图14C示出了与图14A中所示类似的另一个示例，不同之处在于脉冲的时序已经改变并且基本上随机化。因此，虽然脉冲大致出现在时间段t1’、t2’、t3’和t4’，但这些脉冲在这些时间段内并不严格重叠。此外，这些时间段可以重叠，例如，在时间段t2’和t3’出现。这个示例很有用，这是因为提供给组织的刺激在每个时间段tx'内不是恒定的，而是可以变化的。这会在不同的时间点创建许多不同的极点配置，并且因此趋向于募集不同的中位横向的纤维群。应当注意的是，电荷仍然可以在每个电极上平衡。以电极E1为示例，电荷在时间段T内仍然平衡，其中在t1'期间注入-Q，以及在t2'-t4'期间总共注入+Q。在该示例中，并且考虑在每个周期期间脉冲的不同时序，在不同电极(极点)位置中的每一个的不同时序通道中形成脉冲可以是有用的。
在图14C中，在某些时间点，可能有非零净电荷/电流注入到组织中。这不一定有问题，并且对于随机募集可能是有用的。尽管如此，在图14D中，外壳电极Ec用于平衡任何给定时间点的电荷/电流，使得任何时间点的净电荷/电流为零。与图14C的情况一样，脉冲大致出现在时间段t1’-t4’，尽管在这些时间段期间脉冲可能不会重叠。在这种情况下，电流被提供给外壳电极Ec，以将任何给定时间点的电流或电荷净为零。
应当注意的是，图14A-14D的示例可以以不同方式变化。例如，尽管并未示出，但阴极脉冲和阳极脉冲的脉冲宽度不需要全部相等。幅度也可以变化。正如技术人员将认识到的那样，在保持每个电极处的电荷平衡的同时，并且在需要时确保在任何时间点的净电荷/电流为零时，这样的变化仍然会发生。
形成所描述的各种脉冲的指令可以存储在与这些设备相关联的计算机可读介质中，诸如在磁性、光学或固态存储器中，诸如在IPG或ETS中发现的那些，或对植入物进行编程的外部设备(例如，临床医生编程器)。具有这种所存储的指令的计算机可读介质还可以包括外部设备可读的设备，例如在记忆棒或可移动磁盘中，并且可以无线地提供给IPG或ETS。该计算机可读介质可以驻留在其他地方。例如，计算机可读介质可以与服务器或任何其他计算机设备相关联，从而允许例如经由因特网将指令下载到临床医生编程器系统或外部控制器或IPG或ETS。
应当注意的是，虽然图10-13F强调涉及一种使用单个阳极(或电极)和使用侧翼阴极(或电极)的方法，但这些极性在其他示例中也可以反转，并使用单个阴极(或电极)和侧翼阳极(或电极)。同样，虽然图14A-14D强调在每个时间段期间使用单个阴极(或电极)和多个中位横向对齐的阳极电极的方法，但这些极性在其他示例中也可以反转，并在每个时间段期间使用单个阳极(或电极)和多个中位横向对齐的阴极电极。
应当注意的是，本公开要求优先权的一些应用是针对与本文所描述的阳极和阴极脉冲的形成相关的概念(例如，选择最佳刺激参数，并且特别是在较低频率下引起亚感知的刺激参数)。这种阳极和阴极脉冲也可用于这些优先应用的上下文中。

Claims (15)

1.一种用于对植入患者组织的脊髓刺激器设备进行编程的方法，所述脊髓刺激器设备包括具有多个电极的电极阵列，所述方法包括：
对所述脊髓刺激器设备进行编程以在第一持续时间期间在所述电极阵列中的阳极处提供阳极脉冲；
对所述脊髓刺激器设备进行编程以在所述第一持续时间之前或之后发生的第二持续时间期间，在所述电极阵列中的阴极处提供多个阴极脉冲；以及
校准阳极脉冲、阴极脉冲、或者阳极脉冲和阴极脉冲两者的幅度，以在组织中引发反应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极脉冲和所述阴极脉冲都被校准以在组织中引发反应。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用来自所述患者的反馈来校准所述幅度以在患者组织中引发反应。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用对所述患者组织中的神经反应的测量来校准所述幅度，以在所述患者组织中引发反应。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述阳极和阴极在所述电极阵列中彼此处于预定位置，并且
还包括：以保持它们相对于彼此的预定位置的方式来移动所述电极阵列中的阳极和阴极。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，在所述第一持续时间期间不向所述电极阵列提供阴极脉冲，并且其中，在所述第二持续时间期间不向所述电极阵列提供阳极脉冲。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第一和第二持续时间在时间上不重叠。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中所述外壳电极在所述第一持续时间期间为所述阳极脉冲提供阴极电流返回，并且其中所述外壳电极在所述第二持续时间期间为所述阴极脉冲提供阳极电流返回。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述阳极脉冲在所述脊髓刺激器设备中的第一时序通道中被编程，并且其中，所述阴极脉冲在所述脊髓刺激器设备中的第二时序通道中被编程。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述阳极脉冲的电荷与所述阴极脉冲的电荷之和相等但相反，或者其中，所述阳极脉冲的幅度与所述阴极脉冲的幅度之和相等。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述阴极中的至少两个在所述电极阵列中相对于所述阳极是首尾对齐的。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述阴极中的至少一个在所述电极阵列中相对于所述阳极是中位横向对齐的。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，所述阳极脉冲和阴极脉冲包括脉冲组，并且
还包括对所述脊髓刺激器设备进行编程以在所述电极阵列中周期性地提供多个所述脉冲组。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中，所述脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中，所述外壳电极在所述第二持续时间期间以阴极脉冲进行进一步编程。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，所述脊髓刺激器设备还包括导电外壳电极，并且其中，所述外壳电极在所述第一持续时间期间以阳极脉冲进行进一步编程。
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