Нейростимулятор и способ стимуляции нервной ткани
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к электродам для нейростимуляции и способам их использования. Нейростимулятор содержит непроводящий носитель, имеющий первую сторону и вторую сторону, в основном противоположную первой стороне, по меньшей мере один первый электрод на первой стороне носителя, по меньшей мере один второй электрод на второй стороне носителя, при этом первый электрод электрически изолирован от второго электрода, а носитель снабжен по меньшей мере одним шунтирующим каналом, проходящим через всю толщину носителя с возможностью обеспечения цепи низкого электрического сопротивления между первой и второй сторонами носителя. Способ стимуляции нервной ткани заключается в использовании нейростимулятора. Использование изобретения позволяет повысить качество стимуляции за счет улучшения ее фокусировки. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к медицинской технике, а именно к электродам для нейростимуляции, в частности к электродам, расположенным на противоположных сторонах носителя электродов.
Уровень техники
Электростимуляция нервной ткани используется для нескольких целей, включая устранение боли, диагностику, и восстановление нервных функций. Например, кохлеарный имплантат (КИ) представляет собой маленький электронный прибор, часть которого помещается позади уха под кожей пациента, страдающего сильной глухотой или тугоухостью. Кохлеарный имплантат принимает сигналы от микрофона и электрически стимулирует слуховые нервы пациента. Хотя восприятие звуков посредством КИ может отличаться от нормального восприятия, пациент воспринимает звуки, и другой человек может вступать с ним в устное общение. Нейростимуляция с помощью КИ и другими способами осуществляется путем размещения по крайней мере одного электрода вблизи нервной ткани и подачи электрических сигналов на электрод. Потенциал электрического сигнала - это потенциал относительно второго (заземляющего) электрода. Иначе говоря, сигнал подается в область, находящую между двумя электродами. Второй электрод может быть помещен вблизи нервной ткани или на некотором расстоянии от нее. Нервная ткань обычно стимулируется двухфазными импульсами, то есть подача на электрод первого импульса положительной полярности почти немедленно сопровождается подачей импульса отрицательной полярности.
Результаты оказываются тем лучшими, чем лучше электрическая стимуляция сфокусирована. Нервные ткани обычно имеют очень малые размеры. Для достижения желательных результатов следует стимулировать избранные индивидуальные нервы. Однако устройства для нейростимуляции, соответствующие предшествующему уровню техники, не позволяют обеспечить хорошо сфокусированную электрическую стимуляцию нервной ткани. Обычная продольная двухполюсная схема нейростимуляции включает два проводящих электрода, размещенных рядом друг с другом на изолированном носителе. Сигнал подается на первый из двух электродов, а другой электрод играет роль заземления. В течение положительной фазы стимулирующего сигнала ток от одного из электродов идет через стимулируемую ткань к другому (заземляющему) электроду. В течение отрицательной фазы стимулирующего сигнала ток протекает в противоположном направлении, то есть от заземляющего электрода через стимулируемую ткань к первому электроду. Следовательно, каждый из электродов функционирует как точка стимуляции, и стимуляция не является хорошо сфокусированной. Обычная продольная трехполюсная схема нейростимуляции включает два заземляющих электрода, расположенных по разные стороны от центрального электрода. В этом случае величина силы тока, идущего через каждый из двух боковых электродов, составляет половину силы тока, проходящего через центральный электрод. Трехполюсные схемы обеспечивают достаточно хорошо сфокусированную нейростимуляцию, но для них требуются три электрода.
Цель изобретения - разработка способа и устройства нейростимулятора, повышающих качество электростимуляции нервной ткани.
Раскрытие изобретения
Для достижения указанного технического результата разработан нейростимулятор, содержащий непроводящий носитель, имеющий первую сторону и вторую сторону, в основном противоположную первой стороне, по меньшей мере один первый электрод на первой стороне носителя, по меньшей мере один второй электрод на второй стороне носителя, при этом по меньшей мере один первый электрод электрически изолирован от, по меньшей мере, одного второго электрода, при этом носитель снабжен по меньшей мере одним шунтирующим каналом, проходящим через всю толщину носителя с возможностью обеспечения цепи низкого электрического сопротивления между первой и второй сторонами носителя. Носитель может быть выполнен с сечением круглой формы, или с сечением овальной формы, или с сечением прямоугольной формы. Каждый первый электрод может соответствовать одному из вторых электродов, и каждый из вторых электродов центрирован на прямой, перпендикулярной соответствующему первому электроду и проходящей через его центр. Нейростимулятор может дополнительно включать источник сигнала, соединенный с одним из первых электродов и с соответствующим ему вторым электродом. Каждый первый электрод может соответствовать одному из вторых электродов, и каждый из вторых электродов расположен в нецентрированном положении относительно прямой, перпендикулярной соответствующей первому электроду и проходящей через его центр.
В нейростимулятор может включаться дополнительно источник сигнала, соединенный с одним из первых электродов и с соответствующим вторым электродом. Каждый шунтирующий канал может представлять собой сквозное отверстие в носителе. Каждый шунтирующий канал может содержать проводящий материал. Каждый из вторых электродов сможет являться кольцевым электродом. Каждый кольцевой электрод может быть сформирован посредством фотолитографии, или посредством электроосаждения, или посредством напыления с помощью лазерной абляции. Нейростимулятор может иметь группу первых электродов, образующих матрицу. В нейростимуляторе может быть группа вторых электродов, каждый из которых включает в себя кольцевой электрод. Около каждого первого электрода носителя может быть расположен по меньшей мере один шунтирующий канал, проходящий через носитель. Каждый из первых электродов может включать в себя по меньшей мере один фиксатор, расположенный под поверхностью носителя. Нейростимулятор может содержать группу первых электродов в области первой стороны носителя, при этом указанная область включает зону, находящуюся между электродами группы первых электродов, по меньшей мере один второй электрод с проводящей поверхностью на второй стороне носителя, при этом указанная поверхность имеет площадь, по меньшей мере такую же, что и указанная область на первой стороне носителя. Нейростимулятор может содержать группу вторых электродов, каждый из которых выполнен с возможностью соединения с источником сигнала. Нейростимулятор может содержать по меньшей мере один шунтирующий канал, который проходит через носитель в направлении, перпендикулярном носителю. Нейростимулятор может содержать по меньшей мере один шунтирующий канал, который проходит через носитель в направлении, неперпендикулярном носителю. Нейростимулятор может содержать группу шунтирующих каналов, расположенных вокруг по меньшей мере одного из первых электродов. В нейростимуляторе каждый шунтирующий канал может быть выполнен в виде сквозного отверстия в носителе. Каждый шунтирующий канал может содержать проводящий материал.
Для достижения технического результата разработан способ стимуляции нервной ткани, в котором создают электрический потенциал между первым электродом и вторым электродом путем соединения источника сигнала с первым электродом и со вторым электродом, находящимся на противоположной по отношению к первому электроду стороне носителя.
В способе можно соединить источник сигнала со вторым электродом путем соединения источника сигнала со вторым электродом, центрированным на прямой, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр. В способе можно соединить источник сигнала со вторым электродом путем соединения источника сигнала со вторым электродом, находящимся в нецентрированном положении относительно прямой, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр. В способе возможно дополнительно создать поле стимуляции, направленное, по меньшей мере частично, по оси, перпендикулярной к первому электроду и проходящей через его центр. В способе можно дополнительно создать поле стимуляции с несовпадающим направлением по отношению к оси, перпендикулярной к первому электроду и проходящей через его центр. В способе можно дополнительно управлять полем стимуляции, созданным первым электродом и вторым электродом. В способе можно соединять источник сигнала со вторым электродом путем соединения источника сигнала с группой вторых электродов, расположенных на противоположной по отношению к первому электроду стороне носителя, при этом по меньшей мере один из электродов группы вторых электродов имеет нецентрированное положение относительно прямой, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр.
Суммируем вышесказанное. В одном варианте данного изобретения предлагается нейростимулятор, включающий непроводящий носитель, первые и вторые электроды соответственно на первой и второй стороне носителя. Носитель в поперечном сечении может иметь круглую, овальную, прямоугольную или иную форму. Каждый из первых электродов может соответствовать одному из вторых электродов. В этом случае каждый из вторых электродов может быть расположен центрально на прямой, перпендикулярной соответствующему первому электроду и проходящей через его центр. Альтернативно, каждый из одного или нескольких вторых электродов может не быть расположен центрально на прямой, перпендикулярной соответствующему первому электроду и проходящей через его центр. Нейростимулятор может также включать источник сигнала, соединенный с одним из первых электродов и к соответствующему ему второму электроду. Носитель может также содержать по крайней мере один шунтирующий канал. В таком случае каждый шунтирующий канал определяет низкоимпедансный канал, по которому ток проходит через носитель. Некоторые или все из вторых электродов могут представлять собой кольцевые электроды. Некоторые или все кольцевые электроды могут быть сформированы с помощью фотолитографического процесса. Дополнительно или альтернативно, некоторые или все кольцевые электроды могут быть сформированы с помощью процесса электролитического осаждения. Один или несколько первых электродов могут представлять собой группу электродов, образующих некоторый массив, или матрицу. В этом случае один или несколько вторых электродов могут представлять собой группу электродов, в которой каждый электрод является кольцевым электродом. Носитель может содержать для каждого первого электрода один или несколько близких к нему шунтирующих каналов. В этом случае каждый шунтирующий канал определяет низкоимпедансный канал через носитель. Дополнительно, каждый из одного из нескольких первых электродов включает по крайней мере один фиксатор, или язычок, находящийся под поверхностью носителя. Дополнительно, один или несколько первых электродов могут представлять собой группу первых электродов в некоторой области первой стороны носителя. Область включает пространство между электродами группы первых электродов. Один или несколько вторых электродов может (могут) представлять собой проводящую поверхность на второй стороне носителя. Поверхность имеет площадь по крайней мере такой же величины, как площадь указанной области на первой стороне носителя.
Краткое описание чертежей
Изобретение станет в большей мере понятным из следующего далее подробного описания конкретных вариантов, сопровождаемого следующими чертежами:
Фиг.1 - сечение и вид сверху нейростимулятора, соответствующего предшествующему уровню техники;
Фиг.2 - сечение и вид сверху другого нейростимулятора, соответствующего предшествующему уровню техники;
Фиг.3 - сечение и вид сверху еще одного нейростимулятора, соответствующего предшествующему уровню техники;
Фиг.4 - сечение и вид сверху нейростимулятора, согласно одному варианту данного изобретения;
Фиг.5 - сечение нейростимулятора, согласно другому варианту данного изобретения;
Фиг.6 - вид сверху нейростимулятора, представленного на фиг.5;
Фиг.7 - вид сверху для нескольких примеров шунтирующих каналов различной формы и в различных конфигурациях, согласно нескольким вариантам данного изобретения;
Фиг.8 - вид сверху нейростимулятора, согласно еще одному варианту данного изобретения;
Фиг.9 - вид снизу нейростимулятора, представленного на фиг.8;
Фиг.10 - вид в увеличенном масштабе кольцевого электрода, согласно одному варианту данного изобретения;
Фиг.11 - вид в увеличенном масштабе части нейростимулятора, согласно одному варианту данного изобретения;
Фиг.12 - вид сверху в увеличенном масштабе и два сечения фиксаторов электродов, согласно одному варианту данного изобретения;
Фиг.13 - поперечное сечение части нейростимулятора, согласно одному варианту данного изобретения;
Фиг.14 - поперечное сечение части нейростимулятора, согласно другому варианту данного изобретения.
Осуществление изобретения
Далее раскрываются способы и устройства, соответствующие данному изобретению, служащие для электрической стимуляции нервной ткани сфокусированными стимулирующими сигналами. В одном варианте одна или несколько пар электродов расположена (расположены) на изолирующем носителе таким образом, что один из электродов каждой пары расположен на одной стороне носителя, а другой электрод пары - на его противоположной стороне. Сигнал стимуляции подается в область между электродами пар. Другие варианты, альтернативы и режимы описываются далее после краткого обсуждения предшествующего уровня техники.
Фиг.1 - сечение и вид сверху обычного продольного двухполюсного нейростимулятора 100. Стимулятор 100 включает непроводящий носитель 102 и два проводящих электрода 104 и 106, расположенных на носителе 102. На электроды 104 и 106 ток от источником сигнала (не показан) подается через проводящие выводы (не показаны). Например, в течение одной фазы двухфазной стимуляции на один из электродов 104 может быть подан импульс положительной полярности (что обозначено знаком "плюс"), а другой электрод 106 может служить как канал обратного тока (что обозначено знаком "минус") стимулирующего сигнала. Стрелки 108 и 110 указывают общее направление прохождения тока (I). В течение другой фазы ток протекает в обратном направлении. Таким образом, нервная ткань 112 стимулируется из двух точек, а именно электродами 104 и 106, и стимуляция не является хорошо сфокусированной. Сила тока I (далее также - "ток"), проходящего через один из электродов 104 в ткань (или из нее), примыкающую к электроду 104, равна силе тока (I), проходящего через другой электрод 106 из ткани (или в нее), примыкающей к другому электроду 106. Другими словами, через два электрода 104 и 106 протекают токи равной величины.
Фиг.2 - сечение и вид сверху обычного продольного трехполюсного нейростимулятора 200. Стимулятор 200 включает три электрода 202, 204 и 206, расположенных на непроводящем носителе 208. Два электрода 204 и 206 из трех электрически соединены между собой, например, проводником 210. Ток, проходящий через центральный электрод 202, обозначен через I. Половина этого тока проходит через каждый из двух внешних электродов 204 и 206. Как и ранее, стимуляция не является хорошо сфокусированной.
Фиг.3 - вид в сечении еще одного обычного нейростимулятора 300. Стимулятор 300 включает непроводящий носитель 302 и два электрода 304 и 306. Два электрода 304 и 306 электрически соединены между собой, например, проводником 308. Следовательно, половина (I/2) стимулирующего тока проходит через каждый из двух электродов 304 и 306. Стимулирующий сигнал - это потенциал относительно отдаленного заземляющего электрода (не показан). Как и для других нейростимуляторов, относящихся к предшествующему уровню техники, стимуляция не является хорошо сфокусированной.
Виртуальный четырехполюсный нейростимулятор
Фиг.4 - вид в сечении нейростимулятора 400, согласно одному варианту данного изобретения. Стимулятор 400 включает непроводящий носитель 402 и два проводящих электрода 404 и 406, расположенных на противоположных сторонах носителя 402. Однако в отличие от предшествующего уровня техники два электрода 404 и 406 электрически не соединены. Вместо этого стимулирующий сигнал (подаваемый через выводы, которые не показаны) подается на один из электродов 404 как потенциал относительно другого электрода 406. Иными словами, сигнал подается как потенциал между электродами 404 и 406. Таким образом, через каждый из электродов 404 и 406 протекает ток одной и той же силы I. Стрелки 408 и 410 указывают направление тока в течение одного отрезка времени подачи стимулирующего сигнала. В течение другого отрезка времени подачи стимулирующего сигнала направление тока может быть обратным.
Как видно на сечении А-А, носитель 402 может быть в поперечном сечении круглым или овальным. Альтернативно, как показано на сечении А-А (Alternative), носитель 402 может иметь в поперечном сечении прямоугольную форму. В других вариантах (не показаны) носитель 402 может иметь в поперечном сечении другую форму. Толщина 412 носителя 402, то есть расстояние между двумя электродами 404 и 406, как и форма поперечного сечения носителя 402, могут быть выбраны так, чтобы получить стимулирующее поле, или поле стимуляции, обладающее желательными характеристиками. Например, при большом расстоянии между электродами 404 и 406 требуется меньшая мощность стимулирующего сигнала, чем при малом расстоянии между электродами; но при большом расстоянии поле стимуляции часто оказывается менее сфокусированным. Как показано стрелками на сечении А-А и альтернативном сечении А-А (Alternative), половина тока проходит через каждую из сторон носителя 402. Следовательно, нервная ткань 112 стимулируется из одной точки, а именно электрода 404, обращенного к нервной ткани 112. Обычно стимулятор 400 устанавливается в плоскости, параллельной плоскости нервной ткани 112. Таким образом, стимулирующий электрод 404 лежит в параллельной плоскости. Другой электрод 406 также лежит в плоскости, параллельной нервной ткани 112, но плоскость другого электрода 406 расположена на стороне, противоположной стимулирующему электроду 404. Плоскость другого электрода 406 будет называться "противоположной нервной ткани", то есть находящейся на противоположной стороне по отношению к плоскости стимулирующего электрода 404. Было обнаружено, что расположение электрода 406 обратного тока на стороне, противоположной нервной ткани, фокусирует стимулирующий сигнал. Форма нейростимулятора 400, как он виден со стороны нервной ткани 112 (что показано на сечении В-В), может быть любой, например круглой или прямоугольной. Электроды 404 и 406 и выводы (не показаны) могут быть изготовлены с помощью обычной фотолитографии, электролитическим осаждением, с помощью процесса удаления/напыления импульсным лазерным излучением или другими способами. Например, на обычном носителе может быть осаждена платина.
Шунтирующие каналы
Дополнительно, как показано на фиг 5 и 6, в носитель 402 нейростимулятора 400 могут быть включены шунтирующие каналы (шунты) 500 (фиг.6 - вид сверху нейростимулятора 400). Шунтирующие каналы 500 обеспечивают проводящие или низкоимпедансные каналы в носителе 402 для по крайней мере части тока стимулирующего сигнала. Таким образом, по крайней мере часть тока, поступающего от электрода 404, проходит через шунтирующий канал 500 к другому электроду 406, а не весь ток идет вокруг носителя 402. Обнаружено, что в некоторых ситуациях шунтирующие каналы 500 обеспечивают улучшение фокусировки стимулирующего сигнала.
Шунтирующие каналы 500 могут представлять собой проходы, отверстия, просветы, канавками, щели и т.д. (все они собирательно будут называться "отверстиями"), сформированные внутри носителя 403 или на нем. В этом случае отверстия 500 заполняются тканевыми жидкостями или тканями, обладающими электропроводностью. Альтернативно, носитель 402 может быть выполнен с шунтирующими каналами 500 из проводящего или низкоимпедансного (далее для обоих случаев используется термин "низкоимпедансный") материала, например, в виде полученных электроосаждением платиновых столбиков, или из проводящего полимера, например полипиррола. Дополнительно, некоторые из шунтирующих каналов 500 могут представлять собой открытые отверстия, а другие - области низкоимпедансного материала в носителе 402.
Электрическое сопротивление (R) шунтирующего канала 500 рассчитывается согласно уравнению:
R=(R0L)/А,
где R0 - удельное сопротивление жидкости тела или ткани в отверстии или удельное сопротивление низкоимпедансного материала шунтирующего канала 500, L - длина каждого шунтирующего канала 500 (обычно равная толщине 412 носителя 402), и А - площадь поперечного сечения или поверхности шунтирующего канала 500. Низкая величина удельного сопротивления R может быть достигнута, если выбирается большая величина площади А и/или малая длина L.
Хотя шунтирующие каналы 500, показанные на фиг.6, являются прямыми узкими щелями, симметрично расположенными по прямоугольной схеме, могут применяться шунтирующие каналы других форм, расположенные в соответствии с симметричными/асимметричными схемами. На фиг.7 представлены примеры (не ограничивающие изобретение) шунтирующих каналов другой формы и других симметричных/асимметричных схем размещения.
Кроме того, шунтирующие каналы не обязательно перпендикулярны поверхности носителя. Например, как показано на фиг.5, шунтирующие каналы 502 могут проходить под углом к поверхности носителя 402, отличным от 90°. Кроме того, расстояния между шунтирующими каналами 500 и стимулирующим электродом 404 могут варьироваться. Иными словами, не все шунтирующие каналы 500 должны находиться на одинаковом расстоянии от стимулирующего электрода 404. Число, форма (формы), общее расположение, угол (углы) и положение (положения) (относительно стимулирующего электрода 402) шунтирующих каналов 500 могут быть выбраны такими, чтобы сформировать и ориентировать поле стимуляции так, как это желательно. Например, расстояние между стимулирующим электродом 404 и шунтирующими каналами 500 может быть выбрано таким, чтобы сгенерировать поле стимуляции желаемой формы и/или ориентации. Альтернативно или дополнительно, шунтирующие каналы 500 могут быть установлены вокруг стимулирующего электрода 404 симметрично или асимметрично. Толщина 412 носителя может быть выбрана такой, чтобы достигалась желательная длина проводящего канала между стимулирующим электродом 412 и электродом обратного тока 406. Когда длина канала относительно невелика, поле стимуляции можно изменять, варьируя другие геометрические параметры, описанные выше.
Матрица стимулирующих электродов
Описанный выше нейростимулятор 400 включает один стимулирующий электрод 404 и один электрод обратного тока 406. Однако в других вариантах, которые иллюстрирует нейростимулятор 800, показанный на фиг.8, на одном непроводящем носителе 804 расположены несколько стимулирующих электродов 802. Например, при стимуляции спинного мозга нейростимулятор 800 может содержать сотни стимулирующих электродов 802, расположенных на носителе, размер которого может составлять примерно 1-3 см. Могут быть выбраны другое число и другие размеры стимулирующих электродов 802. Обычно, хотя и не обязательно, каждый из электродов 802 соединен отдельным выводом (не показан) с источником сигнала (не показан). В некоторых вариантах каждый электрод 802 имеет собственный источник сигнала. Дополнительно, для выбора электрода (электродов) 802, на который (на которые) в данное время подается стимулирующий сигнал, и, дополнительно, для выбора источника сигнала, соединенного с электродом (электродами) 802, применяется коммутационная матрица или другая схема (не показана), помещаемая между одним или несколькими источниками сигнала и электродами 802. Таким образом, на каждый отдельный электрод 802 может быть подан (или не подан) любой отдельный стимулирующий сигнал. Следовательно, конкретные области нервной ткани могут стимулироваться индивидуальными электродами 802 или группами электродов 802, что может быть реализовано в КИ. Дополнительно, группы электродов 802 могут быть электрически соединены и, таким образом, принимать общий для них стимулирующий сигнал.
В некоторых вариантах каждому из стимулирующих электродов 802 соответствует электрод обратного тока (не виден на фиг.8), расположенный на противоположной стороне носителя 804. Каждый из этих электродов обратного тока может иметь на носителе 804 соответствующий ему вывод, обеспечивающий канал для тока, возвращающегося к источнику сигнала. Электроды обратного тока могут (но не обязательно) иметь такие же размеры и форму, что и соответствующие стимулирующие электроды 802.
Альтернативно, электроды обратного тока могут иметь большие или меньшие размеры, чем соответствующие стимулирующие электроды 802. Аналогично, электроды обратного тока могут отличаться от стимулирующих электродов 802 по форме. В некоторых вариантах каждый электрод обратного тока центрирован относительно линии, проходящей в перпендикулярном направлении через центр соответствующего стимулирующего электрода 802. В других вариантах электроды обратного тока не центрированы относительно соответствующих им стимулирующих электродов 802. В некоторых дополнительных вариантах для изменения время от времени соответствия между данным стимулирующим электродом 802 и электродом обратного тока используется коммутационная матрица или другая схема.
Кольцевой электрод
В одном варианте каждый электрод обратного тока представляет собой проводящее кольцо 900, как показано на фиг.9 (фиг.9 - вид снизу нейростимулятора 800, показанного на фиг.8). Альтернативно, электроды обратного тока 900 могут быть выполнены в виде тел, например, полигональной формы, замкнутых (сплошных) или незамкнутых (имеющих пустоты). Полигональные электроды обратного тока незамкнутой формы (open shapes) будут называться здесь кольцами независимо от их формы.
Каждый электрод 900 обратного тока предпочтительно является центрированным относительно стимулирующего электрода 802. Альтернативно, как обсуждалось выше, электроды обратного тока не обязательно центрированы относительно соответствующих стимулирующих электродов. Дополнительно, как обсуждалось выше, для изменения время от времени соответствия между данным стимулирующим электродом и электродом обратного тока применяется коммутационная матрица.
Предпочтительно, чтобы суммарная площадь контактирующей с тканями проводящей поверхности каждого кольца 900 была примерно равна суммарной площади контактирующей с тканями проводящей поверхности соответствующего стимулирующего электрода 802. Электроды обратного тока 900 могут быть сформированы на носителе 804 с помощью фотолитографии, электролитического осаждения, с помощью удаления/напыления импульсным лазерным излучением или другими способами. В одном варианте для одного кольцевого электрода 900, показанного на фиг.10, диаметр каждого стимулирующего электрода 802 равен приблизительно 300 микрон, а внутренний диаметр 1000 каждого кольцевого электрода 900 равен приблизительно 600 микрон (на фиг.10 стимулирующий электрод 802 дан пунктиром; это означает, что стимулирующий электрод 802 не виден с нижней стороны носителя 804). Ширина 1002 каждого кольцевого электрода 900 может быть рассчитана исходя из диаметра стимулирующего электрода 802 и диаметра 1000 кольца 900 таким образом, чтобы эти два электрода имели примерно равные площади поверхности, как обсуждалось выше. В общем, ширина 1002 кольца кольцевого электрода 900 существенно меньше, чем диаметр стимулирующего электрода 802. Например, диаметр кольца 900 и стимулирующего электрода 802 могут быть связаны следующим образом:
Dout-Din≥D,
где Dout - наружный диаметр кольца 900; Din - внутренний диаметр 1000 кольца 900, и D - диаметр стимулирующего электрода 802.
В других вариантах могут применяться стимулирующие электроды 802 и/или кольцевые электроды 900 других размеров. Например, могут применяться стимулирующие электроды с диаметром, меньшим примерно 300 микрон, и кольцевые электроды 900, внутренний диаметр 1000 которых равен примерно 1 или 2 мм.
Альтернативно, группы электродов 900 обратного тока могут быть электрически соединены с целью обеспечить общий заземляющий электрод обратного тока для группы стимулирующих электродов 802. В одном варианте вместо индивидуальных электродов 900 обратного тока используется одна проводящая плоскость.
В еще одном варианте, который частично показан на фиг.11, носитель 1100 включает шунтирующие каналы 1102 между кольцевыми электродами 900 и стимулирующими электродами 802. Дополнительно или альтернативно, носитель 1100 включает шунтирующие каналы 1104, находящиеся вне кольцевых электродов 900. Как обсуждалось выше, шунтирующие каналы 1102 и 1104 могут иметь любые формы, размеры и ориентацию относительно стимулирующих электродов 802 и кольцевых электродов 900. Кроме того, как отмечено выше, некоторые или все кольцевые электроды 900 могут быть электрически соединены между собой. В другом варианте носитель 1100 снизу преимущественно покрывается одиночным электродом обратного тока, с которым соединены пронизывающие носитель шунтирующие каналы 1102 и/или 1104.
Фиксаторы электродов
Как отмечено выше, электроды изготовляются из проводящего материала и включаются в непроводящий носитель. В зависимости от используемых материалов и размеров электродов на некоторых электродах могут быть предусмотрены фиксаторы, или язычки, с помощью которых электроды надежно скрепляются с носителем. Как показано на фиг.12, в одном варианте электрод 1202 включен в носитель 1200. Предпочтительно, чтобы поверхность 1204 электрода 1202 была компланарна поверхности 1206 носителя 1200 также и в тех случаях, когда поверхность 1204 электрода 1202 образует выступ над поверхностью 1206 носителя 1200 или углубление в ней. Фиксаторы (язычки) 1208 формируются на электроде 1202 таким образом, чтобы они находились под поверхностью 1206 носителя 1200, благодаря чему обеспечивается надежное скрепление электрода 1202 с носителем 1200. Проводник 1210, соединенный с электродом 1202, также служит для скрепления электрода 1202 с носителем 1200. Аналогичные фиксаторы (язычки) могут быть сформированы на кольцевых электродах или электродах другой формы (не показаны) с целью надежного скрепления кольцевых электродов с носителем 1200.
Конфигурации стимуляции
В матрице, состоящей из одного или нескольких стимулирующих электродов и одного или нескольких электродов обратного тока, расположенных на противоположных сторонах непроводящего носителя, возможна генерация полей стимуляции, имеющих различные геометрические конфигурации, определяемые числом электродов и тем, на какие пары, состоящие из стимулирующего электрода и электрода обратного тока, подаются сигналы. Например, как показано на фиг.13, носитель 1300 может содержать четыре электрода 1, 2, 3 и 4, и любая их пара может быть соединена с источником сигнала (не показан). Каждый из электродов, 1, 2, 3 и 4 имеет вывод (не показан), через который электрод может быть соединен с источником сигнала, например, посредством коммутационной матрицы или другой схемы (не показана). Таблица 1 дает перечень возможных комбинаций электродов, описывающий возможные соединения электродов с источником сигнала.
| Таблица 1 | ||
| Комбинации электродов, соединенных с источником сигнала | ||
| Электрод(ы) | Конфигурация стимуляции | Комментарии |
| 1 (и удаленное заземление) | Однополюсная | Предшествующий уровень техники |
| 2 (и удаленное заземление) | Однополюсная | Предшествующий уровень техники |
| 3 (и удаленное заземление) | Однополюсная | Предшествующий уровень техники |
| 4 (и удаленное заземление) | Однополюсная | Предшествующий уровень техники |
| 1 и 4 | Виртуальная радиальная четырехполюсная | Новая |
| 2 и 3 | Виртуальная радиальная четырехполюсная | Новая |
| 1 и 2 | Продольная двухполюсная | Предшествующий уровень техники |
| 3 и 4 | Продольная двухполюсная | Предшествующий уровень техники |
| 1 и 3 | Угловая двухполюсная | Новая |
| 2 и 4 | Угловая двухполюсная | Новая |
Как отмечается в Таблице 1, распространенным является соединение источника сигнала с одним из электродов 1, 2, 3 или 4 и с отдаленным заземляющим электродом (удаленное заземление, упомянутое в таблице 1, не показано на чертежах). Таким же распространенным является использование двух смежных электродов, находящихся на одной стороне носителя, например электродов 1 и 2 или электродов 3 и 4.
Однако, как описано выше, соединения источника сигнала с двумя электродами, находящимися на противоположных сторонах носителя, например с электродами 1 и 4 или электродами 2 и 3, являются новыми и обеспечивают лучшую фокусировку поля стимуляции, чем способы, соответствующие предшествующему уровню техники. Кроме того, при использовании электрода обратного тока, расположенного не непосредственно позади стимулирующего электрода, например при использовании электродов 1 и 3 или электродов 2 и 4, создается поле стимуляции, которое направлено "не по оси", то есть под некоторым углом к оси, перпендикулярной стимулирующему электроду и проходящей через его центр. Это можно рассматривать как то, что при использовании носителя, содержащего более двух электродов обратного тока в плоскости, противоположной нервной ткани, как показано на фиг.14, сопоставляя конкретному стимулирующему электроду, например, электроду 2, один или несколько электродов обратного тока 3-7, можно направлять поле стимуляции к выбранным участкам нервной ткани 112. Такая возможность направлять поле может обеспечить более высокое пространственное разрешение, чем простой выбор из пар электродов, установленных на носителе в точности напротив друг друга. Более того, нет необходимости устанавливать электроды обратного тока 3-7 в точности напротив стимулирующих электродов, а носитель может включать электроды обратного тока, число которых как больше, так и меньше числа стимулирующих электродов.
Хотя нейростимуляторы, показанные на фиг.13 и 14, имеют небольшое число электродов, эти чертежи могут альтернативно интерпретироваться как представляющие лишь часть нейростимулятора, который включает намного больше электродов (не показаны). Кроме того, применение описанных выше шунтирующих каналов может сочетаться с угловой двухполюсной стимуляцией. Здесь также возможно осуществить другие комбинации описанных особенностей (признаков).
Хотя изобретение представлено через описанные выше варианты, взятые в качестве примеров, специалистам обычной квалификации в данной области должно быть понятно, что можно осуществить модификации и вариации вариантов, иллюстрирующих изобретение, без выхода за рамки раскрытых здесь концепций изобретения. Кроме того, хотя некоторые варианты описаны со ссылками на различные иллюстрирующие материалы и способы изготовления, специалист в данной области увидит, что устройство может быть реализовано с использованием ряда других материалов или способов изготовления. Аналогично, хотя некоторые варианты могут применяться в кохлеарных имплантатах (КИ), эти и другие варианты могут использоваться и для других видов нейростимуляции, например, стимуляции коры, спинного мозга или полостей, для устранения боли, диагностики, восстановления нервных функций и других целей. В соответствии с этим изобретение не должно рассматриваться как ограниченное чем-либо, кроме области и круга идей, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
1. Нейростимулятор, содержащий непроводящий носитель, имеющий первую сторону и вторую сторону, в основном противоположную первой стороне, по меньшей мере, один первый электрод на первой стороне носителя, по меньшей мере, один второй электрод на второй стороне носителя, при этом, по меньшей мере, один первый электрод электрически изолирован от, по меньшей мере, одного второго электрода, а носитель снабжен, по меньшей мере, одним шунтирующим каналом, проходящим через всю толщину носителя с возможностью обеспечения цепи низкого электрического сопротивления между первой и второй сторонами носителя.
2. Нейростимулятор по п.1, в котором носитель выполнен с сечением круглой формы.
3. Нейростимулятор по п.1, в котором носитель выполнен с сечением овальной формы.
4. Нейростимулятор по п.1, в котором носитель выполнен с сечением прямоугольной формы.
5. Нейростимулятор по п.1, в котором каждый первый электрод соответствует одному из вторых электродов и каждый из вторых электродов центрирован на прямой, перпендикулярной соответствующему первому электроду и проходящей через его центр.
6. Нейростимулятор по п.5, включающий дополнительно источник сигнала, соединенный с одним из первых электродов и с соответствующим ему вторым электродом.
7. Нейростимулятор по п.1, в котором каждый первый электрод соответствует одному из вторых электродов, а каждый из вторых электродов расположен в нецентрированном положении относительно прямой, перпендикулярной соответствующей первому электроду и проходящей через его центр.
8. Нейростимулятор по п.7, включающий дополнительно источник сигнала, соединенный с одним из первых электродов и с соответствующим вторым электродом.
9. Нейростимулятор по п.1, в котором каждый шунтирующий канал представляет собой сквозное отверстие в носителе.
10. Нейростимулятор по п.1, в котором каждый шунтирующий канал содержит проводящий материал.
11. Нейростимулятор по п.1, в котором каждый из вторых электродов является кольцевым электродом.
12. Нейростимулятор по п.11, в котором каждый кольцевой электрод сформирован посредством фотолитографии.
13. Нейростимулятор по п.11, в котором каждый кольцевой электрод сформирован посредством электроосаждения.
14. Нейростимулятор по п.11, в котором каждый кольцевой электрод сформирован посредством напыления с помощью лазерной абляции.
15. Нейростимулятор по п.1, в котором содержится группа первых электродов, образующих матрицу.
16. Нейростимулятор по п.15, в котором содержится группа вторых электродов, в которой каждый из электродов включает к себя кольцевой электродный элемент.
17. Нейростимулятор по п.15, в котором около каждого первого электрода носителя расположен, по меньшей мере, одни шунтирующий канал, проходящий через носитель.
18. Нейростимулятор, по п.1, в котором каждый из первых электродов включает в себя, по меньшей мере, один фиксатор, расположенный под поверхностью носителя.
19. Нейростимулятор по п.1, в котором содержится группа первых электродов в области первой стороны носителя, при этом указанная область включает зону, находящуюся между электродами группы первых электродов, по меньшей мере, один второй электрод с проводящей поверхностью на второй стороне носителя, при этом указанная поверхность имеет площадь, по меньшей мере, такую же, что и площадь указанной области на первой стороне носителя.
20. Нейростимулятор по п.1, в котором содержится группа вторых электродов, каждый из которых выполнен с возможностью соединения с источником сигнала.
21. Нейростимулятор по п.1, в котором по меньшей мере один шунтирующий канал проходит через носитель в направлении, перпендикулярном носителю.
22. Нейростимулятор по п.1, в котором, по меньшей мере, один шунтирующий канал проходит через носитель в направлении, неперпендикулярном носителю.
23. Нейростимулятор по п.1, в котором содержится группа шунтирующих каналов, расположенных вокруг но меньшей мере одного из первых электродов.
24. Нейростимулятор по п.17, в котором каждый шунтирующий канал выполнен в виде сквозного отверстия в носителе.
25. Нейростимулятор по п.17, в котором каждый шунтирующий канал содержит проводящий материал.
26. Способ стимуляции нервной ткани, в котором создают электрический потенциал между первым электродом и вторым электродом путем соединения источника сигнала с первым электродом и со вторым электродом, находящимся на противоположной по отношению к первому электроду стороне носителя, при этом носитель снабжают, по меньшей мере, одним шунтирующим каналом, проходящим через всю толщину носителя с возможностью обеспечения цепи низкого электрического сопротивления между первой и второй сторонами носителя.
27. Способ по п.26, в котором соединяют источник сигнала со вторым электродом путем соединения источника сигнала со вторым электродом, центрированным на прямой, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр.
28. Способ по п.26, в котором соединяют источник сигнала со вторым электродом путем соединения источника сигнала со вторым электродом, находящимся в нецентрированном положении относительно прямой, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр.
29. Способ по п.26, в котором дополнительно создают поле стимуляции. направленное, по меньшей мере, частично по оси, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр.
30. Способ по п.26, в котором дополнительно создают поле стимуляции с несовпадающим направлением по отношению к направлению оси, перпендикулярной к первому электроду и проходящей через его центр.
31. Способ по п.26, в котором дополнительно управляют полем стимуляции, созданным первым электродом и вторым электродом.
32. Способ по п.26, в котором соединяют источник сигнала со вторым электродом путем соединения источника сигнала с группой вторых электродов, расположенных на противоположной по отношению к первому электроду стороне носителя, при этом, по меньшей мере, один из электродов группы вторых электродов имеет нецентрированное положение относительно прямой, перпендикулярной первому электроду и проходящей через его центр.
