用于深部脑刺激的系统和方法_C.F.马滕斯H.专利（深部,刺激,用于）-早鸽网

用于深部脑刺激的系统和方法

专利名称

用于深部脑刺激的系统和方法
发明者

C. F. 马滕斯 H.
公开日

2012年5月23日
申请日期

2010年7月23日
优先权日

2009年7月30日
申请人

沙皮恩斯脑部刺激控制有限公司
文档编号

A61N1/36GK102470247SQ201080033903
关键字

深部刺激用于系统
权利要求

1.一种用于深部脑刺激的系统(10)，所述系统(10)包括-探测器(11)，其具有用于获取信号的感测电极(12)的阵列，所述信号表示在脑部中的对应位置的神经元活动；以及刺激电极(12)的阵列，用于向对应脑部区域应用刺激幅度，-处理器(14)，其可操作地耦合到所述感测电极(12)和所述刺激电极(12)，用于 -从所述感测电极(12)接收获取的信号，-处理所述获取的信号以发现具有非典型神经元活动的至少一个脑部区域， -基于所述获取的信号来确定在所述刺激电极(12)的阵列上的刺激幅度的空间分布，并且-向所述刺激电极(12)的阵列应用所述刺激幅度的空间分布以便刺激具有非典型神经元活动的至少一个区域2.如权利要求1所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述感测电极(12)中的至少一个和所述刺激电极(12 )中的至少一个组合成一个组合的电极(12 )3.如权利要求2所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述电极(12)具有表面积在 0. I-Imm2范围中的电极表面4.如权利要求1所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中在所述脑部中的区域中的所述神经元活动在所述获取的信号或者处理的信号超过预定水平时被视为非典型5.如权利要求1所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述处理包括计算所述获取的信号的二阶空间导数6.如权利要求5所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中在脑部区域中的所述神经元活动在所述获取的信号的所述二阶空间导数超过预定限制时被视为非典型7.如权利要求5所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述刺激幅度的空间分布与所述获取的信号的所述二阶空间导数基本上成比例8.如权利要求1所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述处理包括带通滤波所述获取的信号9.如权利要求8所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中在所述脑部中的区域中的所述神经元活动在带通的信号示出过度活动时被视为非典型10.如权利要求1所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述处理包括从所述获取的信号提取至少一个明确特征11.如权利要求10所述的用于深部脑刺激的系统(10)，其中所述处理包括计算提取的明确特征的二阶空间导数12.一种用于为深部脑刺激确定刺激幅度的空间分布的方法，所述方法包括-从感测探测器上的感测电极的阵列接收(21)获取的信号，所述信号表示在脑部中的对应位置的神经元活动，-处理(22)所述获取的信号以发现具有非典型神经元活动的至少一个脑部区域，并且-基于所述获取的信号来确定(23)在刺激电极的阵列上的刺激幅度分布13.一种用于为深部脑刺激确定刺激幅度的空间分布的方法，所述方法包括-将具有感测电极的阵列的感测探测器用于获取信号，所述信号表示在脑部中的对应位置的神经元活动，-处理(22)所述获取的信号以发现具有非典型神经元活动的至少一个脑部区域， -基于所述获取的信号来确定(23)在刺激电极的阵列上的所述刺激幅度的空间分布，并且-向所述刺激电极的阵列应用(24)所述刺激幅度的空间分布以便刺激具有所述非典型神经元活动的至少一个区域14. 一种计算机程序产品，程序操作用于使处理器执行根据权利要求12或者13所述的方法
技术领域

本发明涉及一种用于深部脑刺激的系统，该系统包括探测器，具有用于向对应脑部区域应用刺激幅度的刺激电极的阵列；处理器，用于确定在刺激电极的阵列上的刺激幅度的空间分布并且用于向刺激电极的阵列应用确定的刺激幅度的空间分布以便刺激具有非典型神经元活动的至少一个区域本发明还涉及一种用于为深部脑刺激确定刺激幅度的空间分布的方法和一种用于执行所述方法的计算机程序产品
背景技术
具体实施例方式

图1示意地示出了根据本发明的用于深部脑刺激的系统10系统10包括探测器 11，该探测器11具有电极12的阵列电极12优选地规则布置于探测器表面的部分上可以设计所选电极12用于感测，可以提供其他电极用于刺激感测电极12的尺寸可以不同于刺激电极12的尺寸为了准确测量，电极12优选地为小为了用于刺激递送的较低阻抗，刺激电极12优选地稍微大些在根据本发明的系统10的一个优选实施例中，所有电极12可以用于感测以及用于刺激提供切换单元13用于在电极12的感测与刺激功能之间切换优选地平衡电极12 的尺寸以诸如允许准确感测和用于刺激的低阻抗目标大小(例如丘脑下核的子部分)可以是Imm —样小为了实现准确感测，双用电极因此优选地具有范围为0. I-Imm2的表面积使用双用电极12的重要优点在于确定适当刺激幅度分布的电问题变成对称的，并且因此给出最佳结果切换单元13由处理器14控制处理器14可以控制切换单元13 以将所有电极12置于相同模式(感测或者刺激)或者可以选择将电极12的部分用于刺激而其他电极12处于感测模式在处理器14的影响之下，切换单元13将电极12耦合到感测控制器15或者刺激控制器16系统10由可以包括功率管理模块的电池单元17供电电池单元17向系统的需要电功率的所有部分供电处理器14控制系统10的运转并且操作用于指示系统10的上述功能部分确定用于深部脑刺激的刺激强度的空间分布并且向电极12应用该空间分布将注意本发明也可以使用于从单独测量系统的植入探测器接收感测信号的离线系统中离线系统然后根据本发明处理信号并且向植入探测器发送刺激信号的空间分布植入探测器根据刺激信号的空间分布提供刺激图2示出了根据本发明的方法的流程图该方法可以在处理器14的控制之下由图1的系统10执行该方法始于感测步骤21，该步骤21用于从探测器11上的电极12获取表示神经元活动的信号出于该目的，处理器14指示切换单元13将电极12的至少部分耦合到感测控制器15电极12拾取如下信号，这些信号表示在(或者接近)电极的神经元活动处理器14然后经由感测控制器15接收获取的信号在图3中提供可以从电极12 接收的感测信号的例子图3示出了感测电极12的阵列获取的信号31的例子图3中所示信号31是出于示例目的而给出的仿真信号31在产生该测量的神经元活动信号31的仿真情况中，使用 1维探测器11，该探测器11具有距离为0. 5mm的33个等间隔电极12电极阵列的高度从 0至16mm病理(电)神经元活动源/宿分别在7和IOmm高度定位于与探测器11横向相距 Imm处从而产生在对应电极12处测量的峰值幅度在测量脑部中的神经元活动之后，处理器14在信号处理步骤22 (图2)中处理获取的信号31以便发现一个或者多个具有非典型活动的脑部区域此类具有非典型神经元活动的区域可以指示可以从电刺激受益的有病理表现的神经元在信号处理步骤22中，很多不同算法可以用于识别非典型或者可疑神经元活动在很基本的算法中，处理器14可以查找超过预定(正或者负)触发水平的信号幅度然后在测量过度神经元活动的电极12处指引刺激幅度在更高级的算法中，可以从获取的信号31提取特征例如，带通滤波器可以用于检测明确频率范围中的神经元活动在贝塔频带(8-30Hz)中的增加活动可能例如涉及帕金森疾病的症状这可以通过刺激具有最高处理信号幅度的电极12来处理在贝塔频带例子中，可以刺激在8-30Hz频率范围中拾取最大信号的电极12下文参照图4至图6阐述用于搜索非典型表现的神经元组织的优选算法该优选算法利用与赫姆霍兹(Helmholtz)互易定理组合的称为电流源密度成像的技术图4示出了图3的信号31的二阶空间导数41计算的二阶空间导数也在神经元活动源从获取的信号31不太直接可见时提供此类源的空间位置的很清楚指示替代地，系统可以使用从测量的信号提取的带通滤波信号的或者其他特征的二阶空间导数在幅度选择步骤23 (图2)中，确定刺激幅度的适当空间分布可以根据获取的信号31直接或者经由附加处理步骤间接导出该空间分布根据赫姆霍兹互易定理，按照与计算的二阶空间导数值的直接关系向电极12应用当前分布造成电刺激被引向测量的活动源图5示出了如基于图4中所示二阶空间导数值41确定的刺激幅度51的示例性空间分布对于该分布51，假设仅两个独立脉冲生成器可用首先，确定二阶空间导数值从零最强偏离的两个区域6. 5-7. 5mm和9. 5-10. 5mm在两个区域中，三个电极可用在两个区域上进行平均和缩放，向三个电极的第一区域应用刺激幅度+0. 15而向三个电极的第二区域应用-0. 15确定刺激幅度51的空间分布由处理器14执行在刺激步骤M中，处理器14然后指示刺激控制器16向电极12应用刺激幅度51 的空间分布，而切换单元13将探测器或者至少将必需电极12置于刺激模式图6示出了根据本发明的方法的刺激场电势；它是根据用于在横向Imm处并且在高度7mm和IOmm定位的神经元活动的二阶导数(图4)导出的该绘图示出了在假定的神经元活动的位置处产生强电势梯度图7示出了(驱动神经元激活的)所谓激活函数并且其与在所需位置7和IOmm的应用的刺激场峰值的2阶导数成比例在根据本发明的方法的一个实施例中，在电极12测量神经元活动两次一次没有患者服用药物而一次为患者停用药物测量的活动(或者导出特征)中最大差异的那些电极 12用于提供刺激幅度因而药物反应提供对使用哪些电极的预过滤将理解本发明也扩展至适于将本发明投入实践的计算机程序、特别是在载体上或者中的计算机程序程序可以是以源代码、目标代码、比如部分编译形式的代码中间源和目标代码的形式或者是以适合于在实施根据本发明的方法时使用的任何其他形式也将理解这样的程序可以具有很多的不同架构设计例如，实施根据本发明的方法或者系统功能的程序代码可以细分成一个或者多个子例程很多用于在这些子例程之间分布功能的不同方式将为本领域技术人员所清楚子例程可以一起存储于一个可执行文件中以形成自包含程序这样的可执行文件可以包括计算机可执行指令(例如处理器指令和/或解译器指令(例如Java解译器指令))替代地，一个或者多个或者所有子例程可以存储于至少一个外部库文件中并且例如在运行时与主程序静态或者动态地链接主程序包含对至少一个子例程的至少一个调用子例程也可以包括对彼此的函数调用一个涉及计算机程序产品的实施例包括与记载的方法中的至少一种方法的每个处理步骤对应的计算机可执行指令这些指令可以细分成子例程和/或存储于一个或者多个可以静态或者动态链接的文件中另一涉及计算机程序产品的实施例包括与记载的系统和/或产品中的至少一个系统和/或产品的每个装置对应的计算机可执行指令这些指令可以细分成子例程和/或存储于一个或者多个可以静态或者动态链接的文件中计算机程序的载体可以是任何能够携带程序的实体或者设备例如，载体可以包括存储介质(比如ROM (例如CD ROM或者半导体ROM)或者磁记录介质(例如软盘或者硬盘))另外，载体可以是可以经由电缆或者光缆或者通过无线电或者其他装置传送的可传输介质(比如电或者光信号)当程序体现于这样的信号中时，载体可以由这样的线缆或者其他设备或者装置构成替代地，载体可以是程序嵌入于其中的集成电路，该集成电路适于执行相关方法或者用于在执行相关方法时使用

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法律状态

专利名称：用于深部脑刺激的系统和方法深部脑刺激(DBS)是一种向脑部组织施加适度电脉冲以破坏病理(pathological) 活动的技术。现有DBS设备具有用于向组织递送脉冲的四个大型(通常为6mm2)圆柱形电极。这造成电能向组织的很不明确的递送。DBS目标可能如Imm—样小或者更小，并且利用这些现有DBS设备不能准确地使刺激电流以此类小特征为目标。该不明确的递送具有若干弊端。它例如可能由于电流激发与目标区相邻的组织而导致引起副作用。此外，它可能由于电流未最优覆盖目标结构而造成次优的治疗效果。在开发之中的新DBS设备可以通过提供(轴向和方位(azimuthally))以阵列状方式沿着探测器分布的大量电极(例如16-1 个)来解决该问题。通过具有此类刺激电极的高密度阵列，电刺激的很准确递送在原理上是可能的，从而改善更大电极的前述不足。就如此之多的刺激电极而言，最优分布电刺激是重要的。用于发现在阵列上的最佳刺激分布的优化问题由于新的高分辨率DBS设备所赋予的巨大自由程度而高度复杂。因此需要一种用于快速确定最优设置的实际和可靠方法。出于该目的开发了基于模型的优化方式。然而这些方式遭受固有限制，因为并非所有参数都是和可以充分详细已知(最明显的是局部不均勻和各向异性的传导率分布强烈地影响场、但是很难准确测量)。因此对于这些方式而言保持了不准确。本发明的目的在于提供一种用于确定刺激幅度的空间分布的较少复杂性并且更可靠的方法和系统。
根据本发明的第一方面，该目的通过提供一种用于深部脑刺激的系统来实现，该系统包括探测器和处理器。探测器包括用于获取信号的感测电极的阵列，这些信号表示在脑部中的对应位置的神经元活动；以及用于向对应脑部区域应用刺激幅度的刺激电极的阵列。处理器可操作地耦合到感测电极和刺激电极。处理器被布置用于从感测电极接收获取的信号、处理获取的信号以发现具有非典型神经元活动的至少一个脑部区域、基于获取的信号来确定在刺激电极的阵列上的刺激幅度的空间分布并且向刺激电极的阵列应用刺激幅度的空间分布以便刺激具有非典型神经元活动的至少一个区域。感测电极阵列用于确定神经元活动的空间概况。根据测量的神经元活动，确定在感兴趣的脑部区域中是否和何处有病理表现的神经元或者神经元结构。当神经元活动的局部热点被定位时，处理器确定刺激幅度的空间分布以便以那些热点为目标。在根据本发明的系统的一个实施例中，在脑部中的区域中的神经元活动在获取的信号超过预定水平时被视为非典型。在更高级实施例中，更复杂处理用于发现病理电活动的源。处理可以例如包括对获取的信号带通滤波。例如，增加的贝塔频带活动(8-30Hz)可能涉及帕金森疾病的可能症状。处理可以包括计算获取的信号的或者从获取的信号提取的具体特征的二阶空间导数(second spatial derivative).获取的信号的二阶空间导数提供活动源的清楚指示，并且因此提供如下有用信息，该信息用于确定待应用的刺激幅度的适当特殊分布。刺激幅度的空间分布可以选择成与获取的信号的二阶空间导数成比例。至少一个感测电极和至少一个刺激电极优选地组合于一个组合式电极中。可以提供切换装置用于在组合式电极的感测与刺激功能之间切换。可以同时针对所有组合式电极或者单独地针对每个组合式电极完成切换。根据本发明的第二方面，提供一种用于确定刺激幅度的空间分布的方法。该方法包括从感测探测器上的感测电极的阵列接收获取的信号，这些信号表示在脑部中的对应位置的神经元活动；处理获取的信号以发现具有非典型神经元活动的至少一个脑部区域；并且基于获取的信号来确定在刺激电极的阵列上的刺激幅度分布。根据下文描述的实施例清楚本发明的这些和其他方面，并且将参照这些实施例阐明这些和其他方面。在附图中图1示意地示出了根据本发明的用于深部脑刺激的系统，图2示出了根据本发明的方法的流程图，图3示出了感测电极阵列获取的信号的例子，图4示出了图2的信号的二阶空间导数，图5示出了刺激幅度的示例性空间分布，图6示出了图4的刺激幅度产生的细胞外电势分布，以及图7示出了用于作为目标的神经元组织的激活函数。
应当注意，上文提到的实施例举例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离所附权利要求书的范围。在权利要求书中，置于括号之间的任何参考标号不应理解为限制权利要求。使用动词“包括”及其变化并未排除存在除了在权利要求中书所言的元素或者步骤之外的单元或者步骤。在元素之前的冠词“一个”或 “一种”并未排除存在多个这样的元素。可以借助包括若干不同元素的硬件以及借助适当编程的计算机来实施本发明。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以由同一项硬件实现。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并未指示不能有利地使用这些措施的组合。

提供了一种用于深部脑刺激的系统(10)和方法。该系统(10)包括探测器(11)和处理器(14)。探测器(11)包括用于获取信号的感测电极(12)的阵列，这些信号表示在脑部中的对应位置的神经元活动；以及用于向对应脑部区域应用刺激幅度的刺激电极(12)的阵列。处理器(14)可操作地耦合到感测电极(12)和刺激电极(12)并且被布置用于执行根据本发明的方法。该方法包括从感测电极(12)接收(21)获取的信号；处理(22)获取的信号以发现具有非典型神经元活动的至少一个脑部区域；基于获取的信号来确定(23)在刺激电极(12)的阵列上的刺激幅度的空间分布；并且向刺激电极(12)的阵列应用(24)刺激幅度的空间分布以便刺激具有非典型神经元活动的至少一个区域。

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