用于直接脊髓刺激的遠程控制的和/或橫向支持的設備的制造方法
【專利說明】用于直接脊髓刺激的遠程控制的和/或橫向支持的設備
相關申請交叉參考數據
[0001]本申請要求2010年11月11日提交的申請號為61/412，651的美國臨時申請的權益；其全部公開內容出于全部目的作為整體通過參考并入此處。
技術領域
[0002]本發明總體上涉及醫療設備和方法。更具體地，本發明涉及用于將電脈沖直接傳送到病人的脊髓以阻止疼痛以及用于其它目的的電極結構和系統。
【背景技術】
[0003]利用脊髓刺激(SCS)來緩解頑固性疼痛癥狀起源于1960年代，伴隨著疼痛知覺的神經基礎和慢性疼痛障礙的病理生理學的新興理論。來自動物實驗研究的結果證明了神經通路的存在，該神經通路起源于大腦內且投射(project)軸突穿過脊髓并最后終止于脊髓層面(level)，在脊髓層面，來自周圍神經系統的疼痛信號進入中樞神經系統。假定這些通路在疼痛知覺的自上而下的調控中發揮作用。人類SCS研究基于如下理論被開創:通過利用電刺激從而人為激活脊髓背柱內的下行通路，刺激部位以下的信號相關的疼痛的進程可被減弱、被阻塞或以其它方式被調控。
[0004]雖然構成這種療法的臨床療效的基礎的具體神經機制仍然難于理解，但現在有豐富的臨床證據表明SCS能夠給選定的具有頑固性慢性疼痛的病人提供持久的疼痛緩解。這種治療方法的最重要的限制是高比例的植入有SCS系統或設備的病人在他們的疼痛癥狀方面只會有微小改善或沒有改善。現有SCS系統常被報告只有50%或更低的治療成功率。
[0005]介導(mediate) SCS的臨床效果的神經機制是復雜的且可能包括對脊髓中的多個上行和下行神經通路的激活。基于經驗性的臨床證據，已出現了用于引導SCS策略的許多治療構思。一般而言，電刺激會喚起身體的疼痛區域中的感官知覺以便使治療有效。為了做到這一點，脊髓背柱內的包含與疼痛的身體功能性相關的軸突的區域必須被激活。背柱軸突被軀體局部地(somatotopically)組織，這意味著與特定身體區域功能性相關的軸突被定位為彼此極其接近，且在脊髓中具有組織的用于被連接到不同身體區域的不同軸突組的有序解剖模式。在頸脊髓中，舉例來說，功能性地連接到背部區域的背柱軸突可相對靠近脊髓中線，而連接到手臂的軸突則相對較側向地定位。
[0006]電刺激的副作用可由非目標神經結構的意外激活造成。當背根神經(dorsalnerve rootlets)被激活時，舉例來說，會導致不適。SCS治療的療效通常依賴于設備選擇性激活背柱的特定子區域中的目標軸突卻不激活附近的背根的能力。該構思被并入研究者對術語治療范圍(therapeutic range)的使用以描述高于知覺閾值(即療效閾值)但低于不適閾值的刺激強度的范圍，超出不適閾值，病人不再能忍受刺激效果。理想的SCS設備能夠有效地并安全地將高度集中的電刺激傳遞到背柱的目標子區域卻不激活附近的結構。電極接觸(electrode contact)應當被設置為盡可能靠近目標軸突且產生的組織激活的體積格局(volumetric pattern)應當嚴格符合目標神經通路的解剖。
[0007]脊髓是圓柱形的且被定位在椎管的中心。椎管由硬脊膜作襯壁且包含圍繞脊髓并填充脊髓外表面和硬脊膜內表面之間的區域的腦脊液(CSF)。該CSF填充腔在正常的脊髓生物力學中發揮了關鍵作用且在執行脊柱手術時是應當被考慮的重要因素。在正常的活動(比如身體的屈伸)中，脊髓在椎管內移動，改變其相對于椎管的硬脊膜襯壁(durallining)的位置。在這些活動過程中，圍繞脊髓的一定體積的CSF作為無摩擦緩沖物。在某些病理條件(例如脊髓栓系綜合征)下，脊髓的這種正常移動被橋接脊髓和硬脊膜襯壁之間的腔的組織附件防礙，導致脊髓的功能障礙。在其它病理條件下，擾亂CSF在脊髓表面上的正常流動的組織屏障在椎管內形成(例如因創傷或感染引起)。在這種設定下，CSF可積聚在脊髓物質(substance)內從而形成瘺管以及引起神經功能障礙。
[0008]椎管的硬脊膜襯壁在脊柱手術過程中應當被特別護理。如果該襯壁中產生缺陷，則會出現增加傷口并發癥(感染或開裂)的風險的CSF瘺管且可導致病人經受傷殘性體位頭痛(disabling posit1nal headaches)。為了進入脊髓本身，應當通過手術打開硬脊膜并且這以允許外科醫生在手術完成時實現“水密”封閉的方式被執行。這通常涉及在椎管的背側(在手術過程中容易進入且可視性良好的位置)上迅速地(sharply)切開硬脊膜。之后，通過將纖維膜的輪廓分明的(well defined)切口邊緣縫合在一起使硬脊膜重新接近(re-approximate)。該封閉技術以保護將硬脊膜和脊髓分開的CSF填充腔的方式被實施，從而在手術部位防止機械收縮或栓系。
[0009]這些解剖和手術注意事項已影響了大范圍的手術程序的演變，包括脊髓刺激器手術。當設計目的是最小化手術并發癥的風險時，最佳策略是完全避免打開硬脊膜并將植入體置于硬脊膜外面(硬脊膜外程序)。如果必須直接進入脊髓(硬脊膜內程序)，則手術應當以如下方式進行設計:防止CSF瘺管形成、脊髓對硬脊膜的機械栓系、或者對圍繞脊髓的CSF填充腔的物理性梗阻。
[0010]現有技術的性能特征上有限制。一個這樣的限制如下。現有SCS設備通過位于椎管(硬脊膜)的纖維襯壁外面的電極輸送電刺激。由于對分開硬脊膜襯壁和脊髓的腔進行填充的腦脊液的電氣分流效應，這導致低效且難于定位的脊髓激活模式。這種不能選擇性地激活脊髓的目標區域被認為是現有SCS設備大量發生治療效果次佳或不好的重要影響因素。盡管有這些限制，但仍有大量病人被植入。SCS市場的規模證明了這種公共健康問題的大范圍存在以及如下事實:在某些情況下，脊髓的電激活為所有其它治療方式對其均無效的病人提供了疼痛緩解。
[0011]現有技術的另一限制由脊髓刺激器的某些栓系形式的特性產生。當SCS電極最早被放到人類受試者體內時，大部分被植入在硬脊膜的表面上，但在某些情況中，硬脊膜被打開而電極被直接置于脊髓的表面上(硬脊膜內)(Gildenberg 2006年、Long 1977年、Long1978年、Shealy等人1970年)。來自直接置于脊髓上的電極的導線穿過硬脊膜，從而將該電極機械地栓系到硬脊膜。電極由常規的導電和絕緣材料構成，體積大，且只有有限數量的觸點，通過這些觸點，刺激可被傳遞。觸點相對于目標和非目標神經結構的位置難以控制且不能隨植入手術進行調整。因為這些因素，以及增加的與打開硬脊膜相關的風險，硬脊膜內的方式在當時沒有明顯的治療優勢。硬脊膜內刺激電極的使用最終被中斷且目前所有SCS設備均使用硬脊膜外刺激電極。
[0012]現有技術的再一限制出現在療效方面。有兩大類硬脊膜外刺激電極。一種類型可通過針經由皮膚置入硬膜外腔。這些電極具有沿著柔性的線性電極陣列的軸設置的小圓柱形的觸點。它們或者被用于在植入手術之前對刺激效果的微創性測試，或者被用作為永久植入的設備。另一類型的硬脊膜外電極在開放性手術過程中被放置且由設置在暴露的硬脊膜表面上的多個電極觸點的平面陣列組成。有經驗的醫生能夠以高度的安全性植入這些硬脊膜外電極。然而，當前SCS設備具有次優的療效。我們推測這個缺點在很大程度上是因為硬脊膜外電極不能選擇性地激活脊髓的背柱的目標子區域。因安全考慮而將設備置于硬脊膜外面，招致了療效上的固有缺點。硬脊膜外刺激電極和脊髓之間的CSF填充腔的存在顯著地降低了該設備創建選擇性地包含脊髓的目標子區域的大量的電激活(electricalactivat1n)的能力。這由CSF的導電性能引起。CSF是遠比脊柱內的任何其它組織更有效的電導體(Holsheimer，1998年)。當由硬脊膜外電極傳遞的電刺激橫穿硬脊膜并進入硬脊膜和脊髓之間的CSF填充腔時，刺激的絕大部分被電氣“分流”擴散在該CSF填充腔內。研究者估計硬脊膜外刺激導致脊髓接收少于所傳遞刺激的10%。刺激效應穿透脊髓的距離為0.25mm或更小且廣義體積模式包括目標(即背柱)和非目標(即背根)神經結構(He等人，1994 年，Holsheimer, 1998 年，Holsheimer, 2002 年，Holsheimer 等人，2007 年)。
[0013]現有技術的這些限制在臨床上的重要性反映在由設備制造商作出的對緩和所述問題的許多努力上。這些包括對空間分布的多觸點硬脊膜外陣列和實現電荷分布在廣大變化的解剖模式上的傳遞的刺激方案(stimulat1n protocols)的發展。該策略允許醫師調整硬脊膜表面上的最大刺激的解剖學位置，但CSF分流的存在繼續明顯地減弱脊髓內的刺激效果。臨床醫生還使用出于機械地減小CSF填充腔的大小的目的在硬脊膜外腔內放置多個圓柱形電極并將電極觸點置換到更靠近脊髓的位置的策略(Holsheimer等人，2007年)。由SCS設備的最大生產商之一最近引進的設備改造尋求解決與當病人改變體位時發生的脊髓在CSF填充的椎管內的移動相關的問題。這些體位的改變改變了硬脊膜外電源和脊髓之間的空間關系，以及組織激活的模式。新設備出于達到穩定療效的目的感測病人的體位并自動調整刺激參數。如同迄今為止被引入的所有其它的SCS設計變化，體位傳感器的添加并沒有解決電刺激的CSF分流的根本問題。
【發明內容】
[0014]本發明解決了一個重大的公共健康問題:醫學上的頑固性慢性疼痛。具體地，本發明的實施方式為遭受由損傷或影響人體的肌肉骨骼、外周神經和其它器官系統的疾病引起的慢性疼痛綜合征的病人提供了用于提供有效的癥狀緩解的設備和方法。更具體地，本發明的實施方式提供了適于神經系統的組織的電刺激的外科手術植入設備。再具體些，本發明的一些示例性實施方式提供了可選地通過將來自可位于硬脊膜上、圍繞脊髓的電信號發生器的信號無線感應耦合到適于被直接植入在脊髓的表面上的電極組件來實現對脊髓的直接電刺激，從而消除對配置穿過