JP6196634B2 - 高周波電気刺激を脊髄に直接適用することによる背痛の管理 - Google Patents

Description

関連出願の参照
本願は、2012年1月30日に出願された米国特許仮出願第61/592,520号の優先権の恩典を主張する。この優先権主張を伴う出願および公開されたPCT出願WO2012/065125は全ての目的のために、これらの全体が参照により本明細書に組み入れられる。

発明の分野
本発明は、概して、医療機器および疼痛管理の分野に関する。特に、本発明は、高周波電気刺激を脊髄に適用するための構造、電極アレイ、および電子機器に関する。

背景
慢性疼痛は、脊髄損傷または脊髄疾患の耐え難い後遺症となることが多い。慢性疼痛は、患者の基本的な活動、効果的なリハビリテーション、および生活の質を妨げることがある。脊髄損傷患者の疼痛は治療に対して抵抗性であることが多い。この問題は、有効な薬理学的治療選択肢および非薬理学的治療選択肢の限られた利用可能性によって増幅される。

脊髄損傷患者における疼痛の罹患率は高く、いくつかの研究では患者の約62％〜84％に及ぶ。背痛は他の損傷および状態の特徴でもある。例えば、姿勢異常およびパーキンソン病における筋緊張の増加が背痛を引き起こすこともあり、罹患率が74％と高くなることがある。背痛に関連した他の状態には、うっ血性心不全および変形性関節症が含まれる。

臨床療法の現行の範囲内では背痛は難治性であることが多いので、疼痛管理用に設計された新たな技術が必要とされている。

本発明は、脊柱管内から脊髄表面へと刺激を直接適用するための新たな技術を提供する。この刺激は、感覚異常などの副作用のリスクを最小限にしながら背痛の症状および徴候を軽減する。

本発明の一局面は、脊髄に沿って伝達される有害な神経信号が生じやすい対象の脊髄を刺激するための方法、装置、およびシステムである。前記方法は、電極が脊髄と係合するように、対象の脊柱管内に電極アレイを移植する工程、および次いで、電気刺激が脊髄に沿った有害な神経信号の伝達を抑制するように、アレイ内の電極を介して電気刺激を脊髄に直接適用する工程を含む。電気刺激は感覚異常を抑制するのに十分な高い周波数を有する。

本発明の別の局面は、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するための方法である。前記方法は、脊髄内の感覚ニューロンを、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して不応にするように、脊髄と直接接触している複数の電極を介して電気刺激を適用する工程を含む。

本発明の別の局面は、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するための装置である。前記装置は、以下の構成要素を備えてもよい:(a)硬膜内の脊髄の領域に一致するように構成されているコンプライアント基材;(b)基材の内面に沿って並べられた複数の電極;および(c)複数の電極を介して脊髄に電気刺激を送り、それによって、脊髄内の感覚ニューロンを、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して不応にするための回路。

本発明の別の局面は、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するためのシステムである。前記システムは、以下の構成要素を備えてもよい:(a)脊髄の領域の表面に一致するように構成されている埋め込み型信号受信機であって、送受信機が、該領域内の対応する位置と電気的に結合するように構成された複数の接点を有する、埋め込み型信号受信機;および(b)電気刺激信号を発生するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備える信号発生器。受信機は、信号発生器から該信号を受信し、かつ脊髄の該領域内の対応する位置に該信号を送信するように構成されてもよい。これによって、脊髄内の感覚ニューロンは、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して不応となる。

本発明の別の局面は、脊髄に沿って伝達される有害な神経信号が生じやすい対象の脊髄を刺激するためのシステムである。前記システムは、以下の構成要素を備えてもよい:(a)脊髄の領域に一致するように構成されたコンプライアント基材と、基材の内面に配置された電気刺激面とを含む電気刺激装置であって、刺激が脊髄と係合するように対象の硬膜内に移植されるべく構成されている電気刺激装置;ならびに(b)電気刺激面と結合された信号発生器。発生器はマイクロプロセッサによって制御され得るものであり、かつ顕性の刺激誘導性感覚異常を抑制するのに十分な高い周波数で電気刺激面からの電気刺激を脊髄に直接適用するように構成およびプログラムされている。

これらの方法、装置、またはシステムのいずれにおいても、電気刺激は脊髄内の感覚ニューロンの確率論的脱分極を促進することが意図される。電気刺激は、1,000〜9,000ヘルツなどの高周波数で交番する電位を有してもよい。電気刺激は、不均一なパターンに従って変化する、または確率論的間隔で変化する電位を有してもよい。脊髄と直接接触している10個以上の電極からなるアレイを介して脊髄に刺激を施すことができる。前記装置は、アレイ内の異なる電極を介して異なる刺激が伝えられるように構成されていてもよい。

本発明の装置またはシステムはまた、脊髄を通る同期活動電位の伝達をモニタリングするための手段および脊髄を通る同期活動電位の伝達をさらに抑制するように電気刺激を調節するための手段も有してよい。したがって、使用者は、脊髄を通る同期活動電位の伝達をモニタリングし、かつ脊髄を通る同期活動電位の伝達をさらに抑制するように電気刺激を調節することができる。この刺激は、痛覚を抑制するように適用されてもよく、またはパーキンソン病、脊髄損傷、またはうっ血性心不全の症状を抑制するように適用されてもよい。

[本発明1001]
以下の工程を含む、脊髄に沿って伝達される有害な神経信号が生じやすい対象の脊髄を刺激するための方法:
電極が脊髄と係合するように、対象の脊柱管内に電極アレイを移植する工程;
電気刺激が、脊髄に沿った有害な神経信号の伝達を抑制するように、アレイ内の電極を介して電気刺激を脊髄に直接適用する工程であって、該電気刺激が、感覚異常を抑制するのに十分な高い周波数を有する、工程。
[本発明1002]
以下の工程を含む、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するための方法:
脊髄内の感覚ニューロンを、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して不応にするように、脊髄と直接接触している複数の電極を介して電気刺激を適用する工程。
[本発明1003]
電気刺激が、脊髄内の感覚ニューロンの確率論的脱分極を促進する、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1004]
電気刺激が、高周波数で交番する電位を含む、本発明1001〜1003のいずれかの方法。
[本発明1005]
高周波数が1,000〜9,000ヘルツである、本発明1004の方法。
[本発明1006]
電気刺激が、不均一なパターンに従って変化する電位を含む、本発明1001〜1003のいずれかの方法。
[本発明1007]
電気刺激が、確率論的な間隔で変化する電位を含む、本発明1001〜1003のいずれかの方法。
[本発明1008]
刺激が、脊髄と直接接触している10個以上の電極からなるアレイを介して脊髄に施される、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1009]
脊髄が、アレイ内の異なる電極を介して異なる刺激を適用することによって刺激される、本発明1008の方法。
[本発明1010]
脊髄を通る同期活動電位の伝達をモニタリングする工程、および脊髄を通る同期活動電位の伝達をさらに抑制するように電気刺激を調節する工程をさらに含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1011]
刺激が、対象の痛覚を抑制するように適用される、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1012]
刺激が、対象におけるパーキンソン病、脊髄損傷、またはうっ血性心不全の症状を抑制するように適用される、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1013]
a)硬膜内の脊髄の領域に一致するように構成され、内面および外面を有するコンプライアント基材;
b)該基材の内面に沿って並べられた複数の電極;ならびに
c)該複数の電極を介して脊髄に電気刺激を送り、それによって、脊髄内の感覚ニューロンを、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して不応にするための回路
を備える、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するための装置。
[本発明1014]
a)脊髄の領域の表面に一致するように構成されている埋め込み型信号受信機であって、送受信機が、該領域内の対応する位置と電気的に結合するように構成された複数の接点を有する、該埋め込み型信号受信機;および
b)電気刺激信号を発生するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備える信号発生器
を備える、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するためのシステムであって、
該受信機が、該信号発生器から該信号を受信し、かつ脊髄の該領域内の対応する位置に該信号を送信し、それによって、脊髄内の感覚ニューロンを、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して不応にするように構成されている、
前記システム。
[本発明1015]
a)脊髄の領域に一致するように構成されたコンプライアント基材と、該基材の内面に配置された電気刺激面とを含む電気刺激装置であって、刺激が脊髄と係合するように対象の硬膜内に移植されるべく構成されている該電気刺激装置;
b)電気刺激面と結合された信号発生器であって、顕性の刺激誘導性感覚異常を抑制するのに十分な高い周波数で電気刺激面からの電気刺激を脊髄に直接適用するように電気刺激面に通電すべく構成されている該信号発生器
を備える、脊髄に沿って伝達される有害な神経信号が生じやすい対象の脊髄を刺激するためのシステム。
[本発明1016]
電気刺激が、脊髄内の感覚ニューロンの確率論的脱分極を促進する、本発明1013〜1015のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1017]
電気刺激が、高周波数で交番する電位を含む、本発明1013〜1016のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1018]
高周波数が1,000〜9,000ヘルツである、本発明1017の装置またはシステム。
[本発明1019]
電気刺激が、不均一なパターンに従って変化する電位を含む、本発明1013〜1016のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1020]
電気刺激が、確率論的な間隔で変化する電位を含む、本発明1013〜1016のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1021]
電気刺激を脊髄に伝えるための10個以上の電極からなるアレイを含む、本発明1013〜1020のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1022]
アレイ内の異なる電極を介して異なる刺激が伝えられるように構成されている、本発明1021の装置またはシステム。
[本発明1023]
脊髄を通る同期活動電位の伝達をモニタリングするための手段、および脊髄を通る同期活動電位の伝達をさらに抑制するように電気刺激を調節するための手段をさらに備える、本発明1013〜1022のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1024]
対象の痛覚を抑制することにおける使用のための、本発明1013〜1023のいずれかの装置またはシステム。
[本発明1025]
対象におけるパーキンソン病、脊髄損傷、またはうっ血性心不全の症状を抑制することにおける使用のための、本発明1013〜1024のいずれかの装置またはシステム。
本発明の他の局面は以下の説明から明らかとなる。

電極の、それが並べられた基材から延在している状態での、断面略図である。 ある程度の移動性を提供するように基材の中に並べられた電極を示す。 図3(A)および(B)は、脊髄上に移植された電極アレイを示す。電力および制御信号をアレイに送るためにリード線202が脊柱管から出ている。 図4(A)および(B)は、リード線が硬膜を貫通するように適合されている細部を示す。図4(C)、(D)、および(E)は、硬膜を通る漏出を阻止する場所に、取り付け具が設置され、接着剤で付けられていることを示す。 電力および制御信号を無線で受信するように適合されている電極アレイを示す。 脊髄上に移植されたワイヤレスアレイの斜視図である。 移植後のアレイの横断図である。硬膜は切り取られている。 アレイが移植された脊髄の長軸の断面である。陰付きの輪は、治療の標的とされた領域に向かって、アレイから下向きに送っている電気刺激を表す。 電力および制御信号を供給する送信機と、電極アレイに隣接する受信機コイルとの間の誘導結合の模式図である。 図10(A)および(B)は、ラップアラウンド形態で脊髄に取り付けるための構成をとっている電極アレイを示す。 ラップアラウンド電子アレイを脊髄に移植するために脳神経外科医が使用することができる装置を示す。 ヒト脊髄および周囲組織の断面図を示す。 脊髄の両側にある歯状靭帯に把持固定されるように構成されている電極アレイを示す。挿入図は、アレイの延長部分を靱帯に付けるクリップの細部を示す。 図14(A)および(B)は、歯状靭帯に取り付けるための構成をとっている別の電極アレイを示す。この場合、アレイを付けるための鉤状部またはタブは、アレイの基材材料のさらなる延長部分である。

詳細な説明
本発明は、有害な感覚入力または望ましくない感覚入力の伝達に対して脊髄を不応にするように脊髄を刺激することによって、背痛、下肢痛、および他の状態を管理するための新たな技術を提供する。電気刺激は、一定のパターンもしくは複雑なパターンの高周波パルスまたはマイクロプロセッサ制御で確率論的に生成される高周波パルスを含む。この刺激は脊柱管内から脊髄の表面へと直接適用される。これにより以前の技術よりも重要な利益が得られる。この刺激は、感覚異常などの副作用のリスクを抑制または最小限にしながら、ならびに潜在的には運動ニューロン伝達および固有感覚などの必要不可欠な神経学的プロセスに及ぼす副作用を最小限にしながら、背痛の症状および徴候を軽減する。

基本原理
本セクションは、本発明の利益の一部の根底をなし得る、ある特定の神経生理学的現象について議論する。この議論は、読者の利益のために、および当技術分野の進歩に役立つように提供される。この議論は本発明の実施に制限を加えるものと解釈してはならない。読者は、ここで提起される現象を全く理解することも証明することもなく本発明の装置および方法を遂行し、進歩し得る。

脊髄の高周波刺激は、偽自発的(pseudospontaneous)軸索発火の状態を誘導することによって本特許に利益を与え得る。感覚軸索束は感覚刺激を伝達していない時にはランダムに発火すると考えられる。感覚刺激が示された時、束または経路の中にある軸索の相当な割合が同期して放電する、すなわち、ほぼ同時に軸索電位を発火する。これにより束の中で軸索に沿って感覚入力が伝達され、その結果、対象は感覚を経験し得る。別の言い方をすると、感覚が無いことは、束の中の軸索発火のランダムなタイミングによってコードされるのに対して、感覚認知は、軸索集団の同期発火によってコードされる。

下肢痛および背痛をもつ患者は、正常でランダムな発火パターンではなく、軸索の束が同期して(または何か他のランダムでないやり方で)自発発火しているというのが本発明の仮説である。電気パルスが軸索発火の段階を決定する。軸索の束に送られた1回のパルスによって軸索は全て同期して発火する。パルス列のそれぞれの電気ショック間の時間間隔が束の中にある軸索の不応期より長ければ、後のそれぞれのショックも全ての軸索を同期して活性化し、対象は感覚を経験する。背中に適用される低周波交流(50Hz)が痛覚の軽減に有効であることがあるが、刺激によって神経学的副作用、例えば、感覚異常(刺痛またはしびれ)が発生する可能性がある。

高周波電気刺激(およそ、約5,000Hz)の間隔は軸索の不応期より短い。個々の軸索は、最初のショックの効果から膜電位が回復するまで次のショックに反応して再発火することができず、これには時間がかかる。異なる軸索が異なる不応期を有する。高周波数の電気パルスを送ることによって、軸索の束の中にある個々の軸索による発火の相対的なタイミングはほぼランダムになり、異なる軸索が異なる時間で再度、興奮できるようになる。脊髄への高周波パルスの適用を用いて、脊髄を通っている感覚神経の活動静止状態(active quiescence)を回復することができる。

「静止状態」という用語が軸索の束に関して本開示において用いられる時、束の中にある軸索の確率論的な脱分極または発火の状態を指す。「静止状態」は、神経システムが活発に、束全体によって伝達されるべき感覚入力がないとの信号を伝達し得る天然状態である。「静止状態」は、本明細書で述べたように適切なやり方で有効な高周波電気パルスパターンを適用することによる偽自発的神経刺激によって誘導され得る。

利益
本発明は、高周波電気刺激が脊髄に直接適用される新たな技術を提供する。これは、背側細根が域値上レベルの電流に曝露されることなく標的軸索が電気刺激を受けることができるので背痛管理の重要な進歩である。

臨床家に新たな疼痛管理法を提供することに加えて、この技術の特性は以下を含む。

1)低電力消費。本発明の装置は刺激を脊髄に直接送るので、脊柱管外から背痛を治療するのに用いられる装置と比較して電力消費は低い。本発明の装置に必要とされる電力は、標準的な硬膜外電極に必要とされる電力の30％、10％、さらには5％以下と低くなり得る。一部の態様において、電池電源と一緒に移植される本発明の装置は疼痛緩和を数日間、多くの場合、一週間またはそれより長く提供し得る。

2)可変の波形および周波数。脳脊髄液(CSF)および他の軟部組織の影響のために、これらの組織を通って送られる高周波方形波形は、電気パルスが脊髄に到達する時間によって著しく減衰される、および歪められる。脊髄に到達したパルスは異なるスペクトル組成を有する、すなわち、潜在的に異なる周波数成分をもつ異なる波形である。本発明の装置からの電気刺激は、刺激電極と標的軸索との間に介在する液体または組織が無いので、上記の程度にまで歪められる、または減衰されることはない。複雑なパターンに従って、または確率論的にパルス振幅を変更すると、脊髄に直接送られた時に効果が高くなる可能性がある。

3)脊髄への挿入。本発明による直接接触型電極アレイを用いると、使用者は刺激を脊髄のかなり深部に(表面下0.5mmまたは1.0mmより深く)適用できる可能性がある。これは、前硬膜に隣接した脊髄表面に隣接した信号伝達を変更することに事実上限定され得る標準的な硬膜外電極に匹敵する。神経信号は、ニューロンによってある範囲の深さで少なくとも一部伝達され得るので、これは、他の技術を用いた治療にあまり適していない状態の治療を容易にし得る。

4)空間選択的な刺激。対象が地面を感知し、足を動かすためには正常な脊髄信号伝達が必要不可欠である。必要とされる神経経路には、同期して発火する軸索集団が関与する。この理由から、電気刺激によって脊髄内の活動電位の協調が無差別に妨害された場合(例えば、刺激を硬膜外に送った場合)、治療対象は固有感覚および運動感覚に欠陥を有する可能性がある。その結果として、つまずき、または歩調異常が引き起こされる可能性がある。本発明の技術は、痛覚を送る神経学的経路をより正確に標的化することによって、この問題を回避するのに役立つ。具体的には、前記装置は脊髄の側面に配置され、そのため、脊髄の白質の近位にある。さらに、疼痛緩和か、必要不可欠な情報を伝達する神経経路の妨害かの何らかの兼ね合いを最大限にするように、電極アレイを戦略的に配置することができる。

本発明の特別な特徴
本発明は、概して、対象の脊髄を刺激するための方法を提供し、例えば、疼痛管理または他のいくつかの医学的状態の治療において臨床的に望ましい場合がある。患者は、脊髄に沿って伝達される有害な神経信号が生じやすい、もしくは脊髄に沿って伝達される有害な神経信号に影響されやすく、または他の場合では治療を必要とする。電極アレイは、電極が脊髄と係合するように脊柱管内に移植される。電気刺激は、脊髄に沿った有害な神経信号の伝達を抑制するようにアレイ内の電極を介して脊髄に直接行われる。電気刺激は、感覚副作用、例えば、感覚異常(しびれ、または刺痛)を抑制するのに十分な高い周波数を有する。

言い換えると、脊髄内で開始される同期活動電位の伝達に対して感覚ニューロンを不応にする電気刺激を脊髄に直接適用することによって疼痛伝達を抑制するように、脊髄は刺激される。これにより、局所的に誘導された感覚入力からの背痛、および局所治療中に誘導され得る副作用、例えば、感覚異常が抑制される。電気刺激は脊髄内の感覚ニューロンの確率論的脱分極を促進し、したがって、神経静止状態を誘導すると考えられる。

これを成し遂げるために、電気刺激は、高周波数で交番する電位を含む。電位が経時変化し得るやり方とは無関係に、周波数は、単位時間当たりのプラスからマイナスの変化の回数を求めることによって計算され得る。有効な周波数範囲は、電極アレイを配置する場所、アレイの特徴、アレイが配置される組織の性質および健康状態、ならびに治療の目的に左右される。一般的な目的は、局所的に開始される有害な信号または同期脱分極事象を伝達する脊髄に対して不応性を誘導することである。これは、神経活動を確かめ、患者が経験する症状を記録することによって経験的に調節することができる。

治療の目的およびこの技術が配置されるやり方に応じて、有効なパルス繰り返し率または周波数は、100Hz(パルス/秒)、200Hz、500Hz、2,000Hz、もしくは5,000Hz、約1,000Hz、4,000Hz、もしくは10,000Hzの周波数、または約500〜50,000Hz、1,000〜9,000Hz、3,000〜8,000Hz、2,000〜20,000Hz、もしくは5,000〜15,000Hzの周波数範囲でもよく、これらを上回ってもよい。

電位は正弦波形または方形波形をとって一定の周波数で変化し得る。または、波形は、計算されたパターンまたは反復性のパターンに従ってパルスが様々な間隔および強度で現れる、より複雑なパターンでもよい。このようなパターンは脊髄内で実質的に連続した神経活性化を発生させるパルス列を含み、不規則なパルス間隔、不規則なパルス振幅、様々な波形(例えば、単相波形、二相波形、矩形波形、正弦波形、ならびに非相称的または不規則な波形)、またはその任意の組み合わせを組み込んでもよい。電位は、マイクロプロセッサ内にある適切な計算アルゴリズムまたは自動化制御プログラムの影響を受けて確率論的なまたは本質的にランダムな間隔および強度で変化する、本質的に、広帯域雑音であるものを作り出してもよい。

偽自発的神経刺激に関する、さらなる情報は、米国特許第6,295,472号および同第6,631,295号ならびにJT Rubenstein et al., Hearing Res. 127(1), 108-118, 1999に記載されている。これらは、全ての目的のために、これらの全体が参照により本明細書に組み入れられる。

高周波刺激を伝えるのに用いられる電極は、典型的には、直接脊髄に一致することを可能にする材料および形状で作られた柔軟な裏面上に並べられる。複数の電極は、少なくとも10個、少なくとも20個、少なくとも30個、または少なくとも50個の電極を含んでもよい。電極は基材上に格子、直線からなるパターン、または他の任意の有効な配列で並べられてもよい。任意で、この技術は、アレイ内の異なる電極を介して異なる刺激を適用するように構成されてもよい。

本発明に従って背痛を治療する工程は、有効な電子刺激を脊髄に施す工程、脊髄を通る同期活動電位の伝達をモニタリングする工程、次いで、脊髄を通る同期活動電位の伝達をさらに抑制するように電気刺激を調節する工程を含んでもよい。目的は、例えば、脊髄損傷、脊髄の疾患もしくは挫傷、パーキンソン病、変形性関節症、またはうっ血性心不全の間に起こり得る、対象の痛覚(特に、背痛)の軽減など臨床に価値があるものであれば何でもよい。

電気刺激は、感覚異常などの副作用を最小限にするように、ならびに運動ニューロン活動、ならびに固有感覚および運動感覚に関与する神経を含む必要不可欠な神経学的機能の伝達に及ぼす影響を最小限にするように、周波数または他の波形パラメータならびに適用方法の点で調節されてもよい。任意で、臨床家または使用者には、認知した症状に応じてパターンを選択する、周波数を調節する、および強度を調節するために入力手段が提供されてもよい。

本発明の装置およびシステムはまた、電極を介して電気刺激を脊髄に送るように構成された回路も有する。回路は電極と同じ基材の中に組み立てられてもよい。硬膜を通って出て行く電気リード線によって回路および電極に電力および制御信号を供給することができる。または、装置は、外部供給源から電力および制御信号を無線で受診するのに用いられるアンテナなどの受信手段を有してもよい。標準的な装置が、患者に見られるほぼ全範囲の脊髄解剖学的構造変形に対処できる、「フリーサイズ」設計が望ましい。これが実行できない場合は、電極アレイおよび脊髄表面または脊髄のまわりに固定するための特徴を、異なる患者に合わせるように異なるサイズで組み立てることができる。

技術プラットフォーム
本明細書において説明された本発明は、WO2012/065125にも記載されている特徴を取り入れている。本願は、遠隔操作され、横方向に支持された、脊髄を直接刺激のための装置を提供する。継続的に使用すべく電極アレイを脊髄に移植するために、装置は、脊髄の望ましい領域との直接接触を維持するように固定される。

この技術プラットフォームは、以前の装置および方法に比べて多くの点で疼痛管理の進歩をもたらす。以下が挙げられる。
・電極接点の高密度アレイは、高度に局在化した、空間時間的に同調した、かつ位置選択的な電気刺激を任意の標的脊髄領域に送る;
・埋め込み型電極アセンブリは、脊髄を取り囲む脳脊髄液(CSF)のフローパターンを妨げない、または変えない超薄型の物理的形状を有する;
・装置と脊髄との間の接触力は安定しており、かつ一定であり、したがって、患者が動いても、これらの接触特性は影響を受けない。その結果、電極接点と脊髄組織との間に最適な電気的結合が生じる;
・装置材料のコンプライアント特性は、有害な反動的または散逸的な反力を生じずに、脊髄の拍動に対処する;
・装置を移植するために用いられる外科的処置は十分に確立しており、かつ安全であり、熟練した専門家によって行われた時に、この処置によるCSFフィステル形成のリスクはほとんどなく、場合によっては30分で行うことができる;
・装置の製造は複雑でなく、かつ費用対効果が大きい。

この技術の局面を図1〜14に示し、以下で説明する。

図1は、基材または支持体の内面から突き出ている電極を模式的に示す。治療利益は、CSFによって短絡される電流密度を最小にしながら、脊髄自体の標的伝導路における電流密度を最大にすることによって増強され得る。電極は、図示したように脊髄の表面と係合され、スタンドオフカラム220は電極34の露出部分と移植支持体本体222の底面との間に延在している。これは、脊髄22の拍動に対処するように移植片を脊髄の表面から約100μm離して支持することができる。スタンドオフカラム220の表面を絶縁処理することによって、電極の露出部分が脊髄の軟膜表面24とのみ接触し、CSF自体と接触しないのでCSFの短絡作用を最小にすることが可能である。適度な内向きの圧力によって、電極は軟膜表面に小さな内向きの「くぼみ(dimpling)」を作る。結果として、電極の活性露出面は、接点の突出部分を覆い隠す脊髄組織によって「密封」される。小さな溝がアレイの電気的不活性部分を区切っており、それによって空間が生じる。この空間中で脊髄組織は、心臓の拍動サイクルとともに膨張および収縮することができる。

図2は、脊柱22の表面24の拍動と少なくとも同程度の距離分だけ電極が支持体に対して半径方向および/または横方向に弾力的に浮く、または動くことができるように、軟らかい弾力性のある材料232によって基材または支持体230に可撓式に取り付けられた個々の電極34を模式的に示す。それぞれの電極のこの動きは拍動中の脊髄の表面に対する電極の摺動係合を抑制し得る。いくつかの実施では、脊髄と直接係合する唯一のアレイ部品は電極接点である。これらは装置の機械的固定点として役立ち得る。これらは、脊髄の表面と良好な電気的接触を維持するのに十分な圧力を加える。加えられた圧力は、一般的に、全ての接点について均一にならなければならず、例えば、カーブのついたアタッチメントアーム174から電極をわずかに突き出させることによって均一にならなければならない。これにより、全ての接点が脊髄の表面に対して望ましい位置に配置される。(例えば、拍動および呼吸との)接点の外向きの動きおよび内向きの動きは半硬質のアタッチメントアームの動きによって対処される。

それぞれの接点は動かすことができ、伸縮性のある、またはばね状のインターフェイスを介して基材に取り付けられる。それぞれの接点がアタッチメントアームから延出する程度は、それぞれの接触位置においてアタッチメントアームと脊髄表面を隔てる距離によって決まる。それぞれの接点とアタッチメントアームとの間の接続に伸縮性があるために、望ましい組織接触力インターフェイスが実現するまで、それぞれの接点が独立して装置から突き出ることが可能になる。このように、アームが脊髄の形状に完全に一致しなくても、電極接点と脊髄との間に有効なインターフェイスが形成する。

図に示したように、電極本体234は支持体230の中にある開口部238を通って延在しており、支持体は柔軟であり、かつこの薄膜回路構成要素を支持するのに適した伸縮性を有する。軟らかいエラストマー材料236は支持体230から電極本体まで開口部にまたがっており、図中のエラストマー材料236は支持体の外面に付着された材料シートを構成する。または、電極は互いに、および支持体に関連して支持されてもよく、軟らかいエラストマー材料は直接、電極と開口部の壁との間にまたがっている。または、弾力性のある材料がカラム220を形成してもよい。可撓性のある導線(図示せず)が、伸縮性材料の内部で、または伸縮性材料の外側で支持体と電極本体との間に延在していてもよく、これらの導線は任意で曲がりくねっている、ループを有する、または他の場合では、支持体に関連してそれぞれの電極本体の動きに対処するように構成されている。

図3および図4は、ワイヤリード線によって外部供給源から電力および制御信号を受信するアレイ装置の構成要素を示す。リード線は、歯状靭帯の1つに沿って延在し、かつ歯状靭帯の1つに取り付けられ、かつ硬膜を通って延在している場所で密封される。装置200は、硬膜21を通って延在している可撓性リード線を有し、リード線は、好ましくは、靱帯アタッチメントアーム174の1つに沿って延在している。リード線は横方向および背側に、硬膜21の内面をはうように延設されており、任意で、ステープル、クリップ、縫合糸、またはステープルで留めたブラケット210を付けている。リード線202は切開部211を通り正中線に沿って硬膜21から出てもよい。リード線を搭載したアレイアタッチメントアーム174を歯状靭帯160に固定するために圧着クリップ176を配置することによって、歪みが緩和する。これは、潜在的に脊髄を傷つける、アレイ上でのリード線のねじれを防ぐのに役立つ。硬膜を横断するリード線取り付け具212がリード線の移動を抑制し、硬膜の水密閉鎖を容易にするのに役立つ場合があり、任意で、リード線は、標準技法を用いて切開部の大部分が閉鎖された後に、再度隣接させられた正中線部の硬膜切開部(durotomy)に沿って配置される。取り付け具214を取り囲んで硬膜の葉状部(leaflet)を互いに密封するのに役立つように、圧縮クリップ216が取り付け具214と係合することができる。閉鎖するために、組織接着剤218を圧縮クリップの表面に、および圧縮クリップの周囲に配置することもできる。

図5は、電力および制御信号を無線で受信するように構成されたアレイ構造要素28を示す。何回も巻いた、微細加工により作られたコイル30は、対となった送信機要素にある対応コイルと誘導結合する高周波受信機として役立つように構成されており、したがって、アレイは電力、情報、および制御信号を受信ことができる。回路32は、電極34に作用する刺激のサイズ、タイミング、および分布を調節する制御要素を構成する。可撓性アタッチメントアーム36は、中心本体、典型的には、回路構成要素32が取り付けられる支持体または基材材料で少なくとも一部形成される中心本体の両側から延在している。

図6は、脊髄表面における受信機装置28の配置を示す。この場合、受信機装置28の延長アーム36は脊髄の本体を部分的に取り囲み、したがって、装置を所定の位置に穏やかに把持固定する。延長アームは背側細根25の間にあるが、背側細根25と接触しないように配置される。配置に対処するために一部の背側細根は切断されてもよい。

図7は、硬膜21の表面にある送信機40および脊髄22の表面にある受信機28構成要素の相対位置の側面図を示す。電気リード線410は送信機40を電池および制御ボックスに接続する。送信機40(硬膜外にある電力および信号伝達回路の膜)ならびに受信機28パッチは、それぞれの表面にある巻線の中の電流によって確立された電磁場によって互いに誘導結合される。結合の強さは電流の強さを調節することによって調整することができる。このように、電力、情報、および制御信号は、硬膜の内面と脊髄の外面との間に存在するCSF 26の区画にまたがることができる。

図8は、硬膜21の表面にある送信機40および脊髄22の表面24にある受信機28装置の相対位置の断面図を示す。アレイを脊髄表面に直接配置することによって、刺激フィールド(stimulus field)が関心対象の治療区画全体を貫通し、かつCSFによって減衰されないように、電極を駆動することが可能である。この刺激フィールドの集中は、背側細根の付随的に発生する興奮(parasitic excitation)と、結果として生じる関連する疼痛とから守るのに役立つ。大ざっぱに見積もると、刺激区画内の瞬時電場Eは、E=σ/2κε₀で示される。式中、σは、電極表面で生じた表面電荷密度であり、κε₀は、脊髄支持体の比誘電率および自由空間の誘電率の積である。それぞれの個々の刺激電極の形状に関連した端効果はこの単純なモデルを修正し、同様に、1つまたは複数の隣り合う電極の同時活性化によるフィールドの重ね合わせも修正する。

図9は、送信機40と受信機28との間で起こる誘導結合の模式図である。システムの硬膜側にある送信機装置によって発生した電力、情報、および制御信号は、CSF液体を横断して受信機装置と誘導結合される。受信機装置において、電力、情報、および制御信号は内蔵コントローラによって動作され、刺激信号は電極に分配される。誘導結合は2組の巻線間の相互インダクタンスによって支配される。

脊髄が脈打っている間に、または対象が日常的に動いている間に装置がずれないようにするために、脊髄または隣り合った組織に固定されてもよい。本セクションは、脊髄に巻き付ける、または歯状靭帯に取り付けるように基材を延在させることによって電極アレイを固定し得るやり方について説明する。

図10は、ラップアラウンド設計によって脊髄22に直接固定される電極アレイを示す。電極接点62の高密度アレイは、装置の本体から延在しておりかつ脊髄を完全に取り囲むことができる可撓性バンド64に埋め込まれている。この可撓性バンド64は硬膜と脊髄との間にある空間に挿入され、脊髄の反対側に始端部が見えるまで、そっと進められる。次いで、電極バンドの始端部は融合点(fusion point)68において圧着されるか、またはピンで留められるか、他の場合では、圧着装置66によってメインアセンブリに固定される。柔軟なバンドは、脊髄の全周をカバーする連続した直線アレイ状に電極接点を配置する。

図11は、脊髄に巻き付く延長部分を備えた、電極アレイの移植において用いられる装置の一例を示す。この装置は本明細書では「I-Patch Applier 90」の名称で呼ばれる。IPA 90を用いると、外科医は受信機28のアレイメインアセンブリへの強固であるが、可逆的な取り付けを維持することができる。IPA 90のメインアセンブリを用いてアレイの強固な取り付けを維持しながら、外科医は、アレイの柔軟なアタッチメントアームを、漸進的で、正確に制御された、かつ可逆的なやり方で配置することができる。アレイが脊髄表面に配置され、可撓性アタッチメントアームが最終位置に配置された後、外科医はIPAからアレイを安全かつ効率的に外すことができる。

IPA 90において、安定プレート94がロッド92の末端に取り付けられている。プレート94はアレイ装置28の湾曲に適合するような外形をしており、その結果、脊髄(SC)の湾曲に適合するような外形をしている。アレイメインアセンブリは送受信機アンテナおよび制御回路を備え、IPA安定プレート94にぴったりと入る。アレイ可撓性アタッチメントアーム36はメインアセンブリから離れる方向に延在し、脊髄表面(S)の湾曲をなぞるような外形をしている。アレイを脊髄表面に配置するために、これらの可撓性アーム36の末端を、挿入手順の間に可逆的に延出させてもよい。この機能は、縫合糸を、可撓性アーム36の終点に配置されたアイレット96に通して固定することによって実現される。

次いで、二本あわせの縫合糸98を、ひと続きの島(islet)100に通してから、ノブ102を有する縫合糸張力調整ロッドに固定する。外科医はこのロッドを回転させて延長アームの形状を調整する。アレイが脊髄上に挿入されている時に、調整ロッドは、望ましい程度の可撓性アーム延長を実現する位置まで回転される。アレイが望ましい位置に配置されたら、外科医は、可撓性アームが予め形成された位置に戻り、その結果、アレイ装置全体と脊髄表面が均一に、適度に直接接触するまで調整ロッドを回転させる。次いで、外科医は張力縫合糸を切ることによってIPAをアレイから外す。切られた縫合糸がそっと取り出された後にIPAが取り出される。全挿入手順を約15秒で達成することができる。

代わりに、もしくは加えて、本発明の電極アレイを歯状靭帯に固定することができる。これは、歯状靭帯の正常機能が脊柱管内で脊髄を吊り下げることであるので効果的である。このアプローチを用いると、機械的につなぐことによる脊髄損傷のリスクが生じないやり方でアレイは安定化する。

図12は、脊髄と周囲の硬膜との間で横方向に延在している歯状靭帯160を示したヒト脊髄22の断面図である。背側細根162および腹側細根164もまた、脊柱から歯状靭帯160の背側および腹側に延在していることがある。歯状靭帯は、一般的に、脊髄の左側部分および右側部分を硬膜21の内面に沿って左領域および右領域に付着させる。脊髄解剖学的構造のさらなる詳細は、DS Nicholas et al.; J. Neurosurg 69:276-282 (1988)およびRS Tubbs et al.; J. Neurosurg 94:271-275 (2001)に示される。

図13は、歯状靭帯に把持固定するように適合された電極アレイを示す。装置170は、可撓性の支持体または基材を含む本体172によって支持された電極アレイ11を有し、アレイは脊髄の背側部分と係合するように構成されている。可撓性アーム174などの歯状靭帯取り付け特徴は、本体172の左側および右側から横方向に延在しており、アームは、任意で、本体を形成しているものと同じ支持体または基材材料を備える。延長部分は、アレイ11を脊髄と係合した状態で固定すべく、脊髄の治療領域の両側にある左右の歯状靭帯160に取り付けられるように構成されている。アタッチメントアーム174はアレイ基材より伸縮性が高くてもよく、電極アレイから横方向に延在している。アタッチメントアームは、アレイ側とは反対の側にある末端に隣接したさらに大きな幅にまで広がっていてもよく、アームを歯状靭帯に留める、圧着する、または接着剤で結合するのを容易にするように、これらの末端に、またはこれらの末端の近くにわずかに高くなったグローブ(grove)またはテクスチャーを有してもよい。挿入図は、アーム174を歯状靭帯160に取り付けるのに用いられるクリップ176の細部を示す。

図14(A)および14(B)は、インサイチューでの正常な脊髄拍動を制限しないように、全て高可撓性基材で作られた装置190を示す。それぞれの展性の、または可塑的に変形可能なアタッチメントアーム194の末端には簡単な鉤状部192がある。それぞれのアタッチメントアーム194の末端は歯状靭帯160に直接固定される。

技術の使用
本発明による装置からの電気刺激から患者が利益を得ることが確かめられたら、臨床家であれば最初に装置を脊髄に移植するであろう。脊椎を画像化し、および/または神経学的研究を行い、次いで、望ましい利益を伝える位置を選択することによって位置は予め決められてもよい。装置は、電極が脊髄と直接接触するように、並べられた電極を脊髄の領域に一致させ、次いで、装置を所定の位置に固定することによって移植される。脊髄の正常な拍動および移動ならびに患者の通常の日常活動における動きにもかかわらず、装置は所定の位置に固定されたら外科的縫合後は脊髄と接触したままになる。組織をほとんど傷つけずに、必要に応じて装置を後で取り外す、または位置を変えることができるように、装置の付着は好ましくは可逆的である。

装置が、歯状靭帯に取り付けるための構成をとっている延長部分を備える場合、図7に示したように配置されてもよい。アレイ170は露出した脊髄後柱を覆って配置および中央に合わせられる。アタッチメントアームの場所を作り出すために、任意で、少数の細根が切断されてもよい。脊髄の両側にある歯状靭帯には、それぞれのアタッチメントアームの広がった末端がかぶせられてもよい。患者が腹臥位にある状態で、重力によって、背側脊髄の表面にあるアレイの電極搭載部分は適度にはまる。重力の影響があっても表面血管は閉塞しない。アタッチメントアームを歯状靭帯に固定するためにマイクロクリップ176または他の固定装置もしくは圧着装置が用いられる。歯状靭帯の薄い、蜘蛛の巣状の性質のために幅広い取り付け面が有益である。背側脊髄表面および歯状靭帯には装置が簡単にかぶせられ、かつ装置は所定の位置に付けられる。

装置が所定の位置に配置されたら、装置を使用して脊髄の標的領域に電気刺激を送ることができる。電気刺激は、典型的には、患者に望ましい利益を提供することが予め確かめられている、または経験的に確かめられている電気パルスパターンを含む。刺激は痛覚を抑制するように適用されてもよく、または患者にとって望ましくないまたは破壊的な症状または感覚入力を抑制するように適用されてもよい。これは、パーキンソン病、脊髄損傷、またはうっ血性心不全などの疾患状態において発生し得る。刺激は装置によってフィードバックデータに反応して恒常的に脊髄に提供されてもよく、または患者の意識による制御を受けてもよい。

本開示において引用されたそれぞれの、および全ての刊行物および特許文書は、それぞれのこのような刊行物または文書が参照により本明細書に組み入れられるように詳細かつ個々に示されるのと同じ程度に、全ての目的のために、これらの全体が参照により本明細書に組み入れられる。

本発明は特定の態様に関して説明したが、ある特定の状況または目的の用途に適合するように変化を加え、均等物を代用し、それによって、特許請求の範囲から逸脱することなく本発明の利益を実現することができる。

Claims (16)

1. a)硬膜内の脊髄に一致するようにおよび該脊髄と直接接触して固定されるように構成され、内面および外面を有するコンプライアント基材;
   b)該基材の内面に沿って並べられた複数の電極;ならびに
   c)該複数の電極を介して脊髄に電気刺激を送るように構成された回路であって、刺激が少なくとも500Hzの周波数を有する、該回路
   を備える、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するように構成された装置。
2. a)硬膜内の脊髄に一致するようにおよび該脊髄と直接接触して固定されるように構成され、内面および外面を有するコンプライアント基材;
   b)該基材の内面に沿って並べられた複数の電極;ならびに
   c)該複数の電極を介して脊髄に電気刺激を送るように構成された回路であって、刺激が、脊髄内の感覚ニューロンのランダムな時間間隔での脱分極を促進するのに十分な高い周波数を有する、該回路
   を備える、疼痛伝達を抑制するように対象の脊髄を刺激するように構成された装置。
3. a)脊髄の軟膜表面と硬膜との間への配置のために構成され、内面および外面を有するコンプライアント基材;
   b)該基材の内面に沿って並べられた複数の電極;ならびに
   c)該複数の電極を介して脊髄に電気刺激を送るように構成された回路であって、刺激が、脊髄内の感覚ニューロンのランダムな時間的間隔での脱分極を促進するのに十分な高い周波数を有する、該回路
   を備える、疼痛伝達を抑制するために対象の脊髄を刺激するように構成された装置。
4. a)脊髄の領域の表面に一致するように構成されている埋め込み型信号受信機であって、送受信機が、該領域内の対応する位置と電気的に結合するように構成された複数の接点を有する、該埋め込み型信号受信機;および
   b)電気刺激信号を発生するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備える信号発生器
   を備える、請求項1に記載の装置。
5. a)脊髄の領域に一致するように構成されたコンプライアント基材と、該基材の内面に配置された電気刺激面とを含む電気刺激構成要素であって、刺激が脊髄と係合するように対象の硬膜内に移植されるべく構成されている該電気刺激構成要素;
   b)電気刺激面と結合された信号発生器であって、電気刺激面からの電気刺激を脊髄に直接適用するように電気刺激面に通電すべく構成されている該信号発生器
   を備える、請求項1に記載の装置。
6. 周波数が1,000〜9,000ヘルツである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
7. 周波数が少なくとも2,000ヘルツである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
8. 周波数が5,000〜15,000ヘルツである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
9. 電気刺激が、複雑形状を持った可変の波形に従って変化する電位を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
10. 電気刺激が、可変の周波数に従ってランダムなパルス間隔を持って変化する電位を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
11. 電気刺激を脊髄に伝えるための10個以上の電極からなるアレイを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
12. アレイ内の異なる電極を介して異なる刺激が伝えられるように構成されている、請求項11に記載の装置。
13. 脊髄を通る同期活動電位の伝達をモニタリングするための手段、および脊髄を通る同期活動電位の伝達をさらに抑制するように電気刺激を調節するための手段をさらに備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
14. 対象の痛覚を抑制することにおける使用のための、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
15. 対象におけるパーキンソン病、脊髄損傷、またはうっ血性心不全の症状を抑制することにおける使用のための、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
16. 硬膜を横断する水密リード線取り付け具を介して硬膜に対して固定するように構成された、支持構造をさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。

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