CN103561811A - 靶向治疗运动障碍的装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于靶向治疗运动障碍的装置、系统和方法。具体地，所述系统和装置被用于刺激一个或多个背根神经节，同时最小化或者排除对于其它组织例如周围或者附近的组织、脊神经前根以及与靶向治疗的身体区域不相关的身体构造部分不期望的刺激。所述的背根神经节特别是由于它们在运动中的特定作用而被利用。正是在这些区域中感觉纤维与运动纤维相隔离。感觉纤维参与多种涉及运动控制的反射，并且这些反射可被利用于多种不同运动障碍的治疗中。由此，通过在这些区域中刺激感觉纤维，就可以影响基本的反射，从而减轻运动障碍的症状。

Description

靶向治疗运动障碍的装置、系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2011年2月2日提交的美国临时申请No.61／438,895的优先权，其全文通过引用而并入本文。
关于在联邦政府资助下进行研究和开发的发明权利的声明
不适用
关于在压缩磁盘上提交的“序列表”、表格或者计算机程序清单附件
不适用
发明背景
运动障碍为影响产生并控制身体运动能力的神经系统疾病。特别地，这样的障碍干扰到运动的速度、频率、质量和容易性。并且在某些情况中，认知和自主神经功能会受到影响。当前，估计超过四千万的个体罹患某种程度的运动障碍。它们可能会发生在从幼年到中老年的所有年龄段。
运动障碍的治疗取决于其根本原因。在绝大多数情况中，治疗的目标在于缓解症状。治疗包括药物治疗、肉毒杆菌毒素注射治疗和外科手术治疗。通常使用的药物包括如下：抗癫痫药、抗惊厥药物、β受体阻滞剂、多巴胺激动剂和镇定剂。然而，这些药物具有各种不同的副作用。抗癫痫药的副作用包括头晕、嗜睡、反胃和呕吐。抗惊厥药物可能会导致协调和平衡的缺失(共济失调)、头晕、反胃和疲劳。β受体阻滞剂所导致的副作用包括减慢心率(心搏徐缓)、抑郁、轻度头痛和反胃。多巴胺激动剂可能会导致反胃、头痛、头晕和疲劳。例如为苯二氮卓类的镇定剂可能会导致血凝块(血栓)、嗜睡和疲劳。
肉毒杆菌毒素注射治疗被用于治疗某些类型的运动障碍(例如痉挛性斜颈、睑痉挛、肌阵挛、震颤)。在这种治疗中，将有效的神经毒素(由肉毒梭菌制造)注射至肌肉以抑制导致肌肉收缩的神经传递素的释放。在某些情况中，每3至4个月重复进行治疗。然而，病人随着时间的流逝会产生对于毒素的抗体，导致治疗变得无效。副作用包括所治疗肌肉群的暂时性衰弱、所治疗肌肉之外的那些肌肉的意外瘫痪、以及罕见的流感状症状。
当药物无效的时候，严重的运动障碍就可能会需要进行手术。在这样的情况中，会实施脑深层刺激手术，其中，手术植入的神经刺激器被用于将电刺激传递至控制运动的脑部区域。电荷会阻断触发非正常运动的神经信号。在脑深层刺激手术中，引线通过颅骨内的微小切口而被插入，并被植入在脑部的目标区域中。绝缘线在皮肤下穿过头部、颈部和肩部，将所述引线连接至通过手术植入至胸腔或者上腹内的神经刺激器。然而，可能会出现脑深层刺激手术的不良副作用，包括：植入位置的出血、抑郁、肌肉张紧度受损、感染、丧失平衡、轻度瘫痪(局部麻痹)、口齿不清(构音障碍)、以及头部或者手部刺麻感(感觉异常)。
另一种类型的运动障碍外科手术治疗为切除手术。切除手术中，脑内部导致非正常运动的产生化学或电刺激的目标区域被定位、靶向并随后破坏(切除)。在这种手术中，热探针或者电极被插入至目标区域中。在该过程中，病人保持清醒以确定问题是否已被排除。局部麻醉剂被用于麻醉脑部和颅骨的外侧部分。脑部对于疼痛是不敏感的，所以病人并不会感觉到实际的操作过程。然而，在某些情况中，确定将要被切除的组织量以及所使用的热量用量是十分困难的。这种类型的手术涉及切除被称为苍白球的部分脑部(所谓的苍白球切开术)或者切除丘脑内的脑组织(所谓的丘脑切开术)。苍白球切开术可被用于消除不受控制的运动障碍(例如抽筋、不自主运动)，丘脑切开术可被实施以消除震颤。一种相关的操作为丘脑冷冻切除术，其使用被插入至丘脑内的过冷探针来冷冻并损毁产生震颤的区域。
除了与上文所述治疗相关的风险和副作用，这些治疗对于运动障碍的治疗并不总是有效的。因此，具有更高效率和更低副作用的改善疗法就是所期望的。至少这些目标中的某些将通过下文的发明来实现。
发明概述
在本发明的第一方面中，提供了用于治疗具有运动障碍的病人的刺激系统。在某些实施方式中，该刺激系统包含具有至少一个电极的引线，其中所述引线设置为用于植入，从而使所述至少一个电极中的至少一个相邻于与可用于影响运动障碍症状的反射弧相关的背根神经节布置；以及被电连接至引线的脉冲发生器，其中所述脉冲发生器将信号提供给所述至少一个电极中的至少一个，其刺激背根神经节的至少一部分从而激活反射弧以减少运动障碍症状。
在某些实施方式中，反射弧的激活包含刺激至少一个感觉神经元从而激活α运动神经元的至少一个胞体。在某些情况中，所述至少一个感觉神经元包含Ia感觉纤维。在其它情况中，所述至少一个感觉神经元包含Ib感觉纤维。在某些实施方式中，所述至少一个电极中的至少一个的尺寸能够选择性刺激所述至少一个感觉神经元。在某些实施方式中，所述至少一个电极中的至少一个的形状能够选择性刺激至少一个感觉神经元。
在某些实施方式中，信号具有至少一个可编程以选择性刺激所述至少一个感觉神经元的参数。在某些实施方式中，所述至少一个参数包含频率。在某些实例中，所述频率是可编程的且数值最高达约100Hz。在某些实例中，所述频率是可编程的且数值最高达约50Hz。
在某些实施方式中，所述刺激系统进一步包含至少一个设置用以感测运动障碍指标(indicator)的传感器。在某些实施方式中，所述至少一个传感器包含加速计、应变仪或者测量肌肉或神经的电活动的电气设备。在某些实施方式中，所述指标指示运动障碍症状的发作，并且其中，刺激信号被提供以减少或者避免症状的发作。在某些实施方式中，所述指标指示运动障碍症状的状态，并且其中，刺激信号被提供以实时治疗所述症状。在某些实施方式中，所述指标指示病人躯体至少一部分的位置。
在某些实施方式中，所述系统进一步包含至少一个设置用以感测病人活动或者活动程度的传感器。
在本发明的第二方面中，提供了用于治疗具有运动障碍的病人的系统，所述系统包含具有至少一个电极的引线，其中所述引线设置为放置在使得所述至少一个电极中的至少一个能够刺激与运动障碍相关的目标背根的至少一部分；至少一个设置用以感测运动障碍的症状的传感器；和可与所述引线相连的可植入脉冲发生器，其中所述发生器包括电子电路，其设置为接收来自于所述至少一个传感器的信息并将刺激信号提供给响应于所感测的运动障碍症状的所述引线，其中在所述引线被如此布置的情况下所述刺激信号具有比直接刺激与目标背根相关的前根的能量阈值低的能量。
在某些实施方式中，所述至少一个传感器感应运动障碍症状的发作，并且刺激信号会被提供以减少或避免所述症状的发作。在某些实施方式中，所述至少一个传感器感应运动障碍症状的状态，并且刺激信号被提供以实时治疗症状。在某些实施方式中，所述至少一个传感器感测病人的活动或者活动程度。在某些实施方式中，所述至少一个传感器检测病人的位置。在某些情况中，所述至少一个传感器包含加速计、应变仪或者测量肌肉或神经的电活动的电气设备。
在本发明的第三方面中，提供了用于治疗具有运动障碍的病人的方法。在某些实施方式中，所述方法包含提供具有运动障碍的病人，将具有至少一个电极的引线放置在病人体内，从而使至少一个电极邻近于与可用于影响运动障碍症状的反射弧相关的目标背根神经节放置，以及将刺激能量提供至至少一个电极以选择性刺激目标背根神经节的至少一部分，从而激活反射弧以缓解运动障碍症状，同时不直接对前根提供刺激能量或者仅提供细微量的刺激能量。在某些实施方式中，运动障碍包括帕金森氏病、多发性硬化症、脱髓鞘运动障碍、脑性麻痹、舞蹈病、肌张力障碍、痉挛、抽动障碍或者震颤。可以理解的是其它的运动障碍也可以利用本发明的方法、装置和系统来治疗。
在某些实施方式中，激活反射弧包括刺激至少一个感觉神经元从而激活α运动神经元的至少一个胞体。在某些实例中，所述至少一个感觉神经元包括Ia感觉纤维。在某些实例中，所述至少一个感觉神经元包含Ib感觉纤维。
在某些实施方式中，刺激至少一个感觉神经元包括通过选择刺激能量的刺激信号参数来选择性刺激至少一个感觉神经元。在某些实例中，刺激至少一个感觉神经元包括通过选择刺激能量的频率来选择性刺激至少一个感觉神经元。在某些实例中，刺激至少一个感觉神经元包括通过选择至少一个电极的尺寸、至少一个电极的形状和／或至少一个电极的位置来选择性刺激至少一个感觉神经元。
在某些实施方式中，提供刺激能量包括提供响应于被设置用以感测运动障碍指标的至少一个传感器的刺激能量。在某些实施方式中，所述指标包含运动障碍症状的发作，并且其中刺激信号被提供以减少或者避免所述症状的发作。在某些实施方式中，所述指标包含运动障碍症状的状态，并且其中刺激信号被提供以实时治疗所述症状。
在某些实施方式中，提供刺激能量包括提供响应于被设置用以感测病人的活动或活动程度的至少一个传感器的刺激能量。
在某些实施方式中，提供刺激能量包括提供响应于被设置用以检测病人身体的至少一部分的位置的至少一个传感器的刺激能量。
在本发明的第四方面中，提供了治疗病人运动障碍的方法，所述方法包含沿着病人的硬膜外腔推进具有弯曲远端的鞘，将所述弯曲远端放置成导引引线在其中朝向与运动障碍相关的脊神经前进，推进具有至少一个电极的引线穿过所述鞘，从而使得至少一个电极邻近于所述脊神经放置，以及将刺激能量提供至至少一个电极从而以减少运动障碍症状的方式刺激所述脊神经的至少一部分。在某些实施方式中，所述的运动障碍包括帕金森氏病、多发性硬化症或者脱髓鞘运动障碍、脑性麻痹、舞蹈病、肌张力障碍、痉挛、抽动障碍或者震颤。可以理解的是其它的运动障碍也可以利用本发明的方法、装置和系统来治疗。
在某些实施方式中，所述至少一部分的脊神经包括与运动障碍相关的至少一部分背根神经节。在某些实施方式中，提供刺激能量包括调整至少一个信号参数从而减少运动障碍的症状。在某些实施方式中，调整至少一个信号参数包括调整刺激能量的频率。在某些实例中，调节刺激能量的频率包括选择小于或者等于约100Hz的频率。在某些实例中，调节刺激能量的频率包含选择小于或等于约50Hz的频率。
本发明的其它目的和优点将根据下文结合附图的详细说明而变得更清楚。
附图说明
图1描述了可植入刺激系统的实施方式。
图2描述了在病人身体结构内图1实施方式引线置入的实施例。
图3描述了在目标背根神经节上、在其附近或者围绕其设置有引线的单个脊柱平面的横截面视图的实施例。
图4-5描述了在治疗运动障碍时激活反射弧的实施例。
发明详述
本发明提供了用于靶向治疗运动障碍的装置、系统和方法。这样的运动障碍包括，例如
1)静坐不能
2)运动不能(缺乏运动)
3)联合运动(镜像运动或者同侧的联带运动)
4)手足徐动症(扭曲的扭转或转动)
5)共济失调
6)投掷症(强烈无意识的快速和不规则运动)和偏身投掷症(仅影响身体的一侧)
7)运动迟缓(缓慢运动)
8)脑性麻痹
9)舞蹈病(快速的、无意识的运动)，包括西登哈姆氏舞蹈病、风湿性舞蹈病和亨廷顿氏舞蹈病
10)肌张力障碍(持续扭转)，包括肌肉组织张力障碍、眼睑痉挛、书写痉挛、痉挛性斜颈(头部和颈部的扭转)和多巴反应性肌张力障碍(日间变动的遗传性进行性肌张力不全或者Swgawa氏疾病)
11)Geniospasm(下巴和下唇的间歇性无意识上下运动)
12)肌阵挛(肌肉或肌肉群的短暂无意识性的颤搐)
13)代谢运动综合征(Metabolic General Unwellness MovementSyndrom，MGUMS)
14)多发性硬化症
15)帕金森氏病
16)不安腿综合征(维特马克克包姆氏病)
17)痉挛(收缩)
18)刻板型活动障碍
19)刻板症(重复)
20)迟发性运动障碍
21)抽动障碍(无意识的、强迫的、重复的、固定不变的)，包括图雷特氏综合征
22)震颤(摆动)
23)静止性震颤(约4-8Hz)
24)体位性震颤
25)动作性震颤
26)特发性震颤(约6-8Hz可变振幅)
27)小脑性震颤(约6-8Hz可变振幅)
28)帕金森氏震颤(约4-8Hz可变振幅)
29)生理性震颤(约10-12Hz低振幅)
30)威尔逊氏病。
本发明提供了对这些病症的有害副作用(例如不期望的运动反应或者不期望的对未受影响的身体区域的刺激)最小的靶向治疗。其通过直接对与所述病症相关的目标身体构造部分进行神经调节、同时使不期望的其它身体构造部分的神经调节最小化或者排除来实现。在绝大多数实施方式中，神经调节包括刺激，然而可以理解的是，神经调节可以包括通过将电和／或药剂直接递送至目标区域而进行多种不同形式的神经活性的改变或调节。出于说明性的目的，本文将在刺激和刺激参数方面进行说明，然而，可以理解的是这样的说明并不限于此，并且可以包括任意形式的神经调节和神经调节参数。
通常，该系统和装置可被用于刺激中枢神经系统的神经组织的一部分，其中所述中枢神经系统包括脊髓和沿脊髓的被称作脊神经的脊髓神经对。所述脊神经包括背根和前根，其相互融合以产生作为外周神经系统一部分的混合神经。至少一个背根神经节(DRG)会位于在混合节点之前的每个背根上。由此，所述中枢神经系统的神经组织被认为是包括背根神经节并且不包括超出背根神经节的神经系统部分，例如外周神经系统的混合神经。通常，本发明的系统和装置被用于刺激一个或多个背根神经节、背根、背根入髓区或其一部分，同时最小化或者排除对于其他组织所不期望的刺激，例如与靶向治疗的身体区域不相关的周围或者附近的组织、前根以及身体构造部分。然而，可以理解的是其它组织的刺激是可预期的。
本发明的目标刺激区域、特别是背根神经节由于它们在运动中的特殊角色而被利用。感觉纤维正是在这些区域中与运动纤维相隔离。感觉纤维参与多种涉及运动控制的反射，并且这些反射可被利用于多种运动障碍的治疗。由此，通过刺激这些区域中的感觉纤维，就可以影响到基本的反射从而缓解运动障碍的症状。此外，这样的靶向刺激减弱了所不期望的副作用，例如疼痛的刺痛或者由对诸如前根内的运动神经的直接刺激所导致的不期望运动。
运动控制涉及多种不同的运动反射。反射或反射弧为调节反射动作的神经通路。运动反射动作通过激活脊髓内的运动神经元而不延迟信号经过脑部的传送而相对快速地发生。通常地，源自于脑内神经细胞(上运动神经元)的信息被传递至脑干和脊髓中的神经细胞(下运动神经元)，并由其传递至特定的肌肉。由此，上运动神经元指导下运动神经元产生运动，例如行走或者咀嚼。下运动神经元控制手臂、腿、胸腔、面部、咽喉和舌部的运动。然而，下运动神经元可以经由反射弧而规避上部神经元的参与而到达。当响应于有害的刺激，例如热表面的时候其为有利的，其中速度是至为关键的。并且，当存在会导致运动障碍的影响上部神经元的损害或者疾病的时候，其为有利的。
本发明利用这样的反射弧来治疗具有一种或多种运动障碍的病人。图1说明了用于治疗这种病人的可植入刺激系统100的实施方式。所述系统100包括可植入脉冲发生器(IPG)102以及可连接于其上的至少一个引线104。在优选的实施方式中，如所示的，所述系统100包括四个引线104，然而可以使用任意数量的引线104，包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、高至五十八个或者更多。每个引线104包括至少一个电极106。在优选的实施方式中，如所示的，每个引线104包括四个电极106，然而可以使用任意数量的电极106，包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个、十二个、十三个、十四个、十五个、十六个或者更多。每个电极可被构建为断开、阳极或者阴极。在某些实施方式中，尽管每个引线和电极可被单独地设置，但是在任意给定的时刻软件会确保仅有一个引线在该时刻产生刺激。在其它的实施方式中，在任意时刻可以有多于一个的引线产生刺激，或者由所述引线产生的刺激被交错或者叠加。
再次参见图1，IPG102包括电子电路107以及电源110，例如电池，像可充电或者一次性电池，从而一旦编程并被启动，IPG102就可以不借助外部硬件独立地运行。在某些实施方式中，电子电路107包括处理器109和记忆体108内的可编程刺激信息。
可植入刺激系统100可被用于刺激病人体内多个不同的身体构造位置。在优选的实施方式中，系统100被用于刺激一个或多个背根，特别是一个或多个背根神经节。图2说明了图1实施方式的引线104在病人体内放置的实施例。在该实施例中，每个引线104在顺行方向上单独地在脊柱S内前进。每个引线104均具有可朝向目标DRG导向的远端，并且其可以被放置成使得其电极106邻近于目标DRG。特别地，每个引线104均可被放置成使得其电极106能够选择性地刺激DRG，无论是出于位置、电极构型、电极形状、电场形状、刺激信号参数还是其组合。图2描述了四个DRG的刺激，每个DRG均由一个引线104所刺激。这四个DRG被布置在三个层面上，其中两个DRG在相同的层面上被刺激。可以理解的是任意数量的DRG和DRG的任意组合均可利用本发明的刺激系统100来刺激。还可以理解的是可以设置多于一个的引线104来刺激单个的DRG，并且可以设置一个引线104来刺激多于一个的DRG。
图3描述了在目标DRG上、在其附近或者围绕其设置的刺激系统100的引线104的单个脊柱平面的横截面视图的实施例。引线104沿着脊柱S推进至合适的脊柱平面，其中引线104会朝向目标DRG侧向地推进。在某些情况中，引线104前进穿过或者部分穿过孔。至少一个、某些或者全部的电极106被设置在DRG上、围绕或者邻近于其设置。在优选的实施方式中，如在图3中所示的，引线104被放置成使得电极106沿着相对于前根VR的DRG表面来布置。可以理解的是相对于前根VR的DRG表面可以正对于前根VR的某些部分，但是不限于此。这样的表面可以沿着与前根VR相距一定距离的DRG的多个不同区域而存在。
在某些情况中，这样的电极106可以提供由虚线110所示出的刺激区域，其中DRG会接收刺激区域内的刺激能量，而前根VR则不会，因为其处于刺激区域之外。由此，引线104的如此布置会由于距离而有助于降低任何可能的前根VR刺激。然而，可以理解的是电极106可以放置在与DRG有关的多个不同的位置，并且由于距离以外的因素或者加上距离因素而可以选择性地刺激DRG，举例来说，例如取决于刺激曲线形状和刺激信号参数。还可以理解的是，目标DRG可以通过其它方法来到达，例如逆行硬膜外方法。类似地，DRG可以从脊柱的外侧而到达，其中引线104从外周方向朝向脊柱前进，任选地经过或者部分经过孔并被植入，以使得至少某些电极106被设置在DRG上，围绕或者邻近于其设置。
为了使引线104如此紧密地邻近于DRG设置，引线104具有恰当的尺寸并且被适当地设置以灵活穿过身体构造。在某些实施方式中，这样的灵活运用包括沿着脊柱S非创伤性的硬膜外前进，朝向DRG穿过急弯曲线，并且任选地穿过孔，其中所述引线104的远端设置为以随后停留在例如为DRG的微小目标附近。相继地，所述引线104相对于传统的脊柱刺激器引线显著地更小并且更加容易操作。示例性的引线和用于将引线传输至例如为DRG的目标的传输系统公开于美国专利申请12／687,737中，其名称为“Stimulation Leads，Delivery Systems and Methodsof Use”，其全部通过参考而被并入本文。
图4说明了引线104被设置在DRG附近从而在治疗运动障碍时激活示例性的反射弧。在该实施例中，所述反射弧包括感觉神经元SN，其包括位于DRG内的胞体SA和延伸穿过背根DR至脊柱S的背角的轴突AX。感觉神经元SN连接于脊柱S内的多个运动神经元MN和互连神经元IN。在该实施例中，感觉神经元SN连接两个运动神经元MN1、MN2和连接运动神经元MN3的互连神经元IN。运动神经元MN1(α运动神经元)包括位于脊柱S的前角内的胞体SA1和延伸穿过前根VR并支配骨骼肌M1(如例如为屈肌)活动的轴突AX1。运动神经元MN2(第二α运动神经元)包括位于脊柱S的前角内的胞体SA2和延伸穿过前根VR并支配与肌肉M1相协同的骨骼肌M2活动的轴突AX2。运动神经元MN3(第三α运动神经元)包括位于脊柱S的前角内的胞体SA3和延伸穿过前根VR并支配骨骼肌M3(其与肌肉M1和肌肉M2对抗)活动的轴突AX3。
在许多运动障碍中，会产生不恰当的动作电位，无论是源自上运动神经元的损害还是源自其它的原因。在某些情况中，如此不恰当的动作电位会导致肌肉(例如肌肉M1)和协同肌肉(例如M2)不期望地收缩，同时导致对抗肌肉(例如肌肉M3)不期望地松弛。在某些实施方式中，这种病症的治疗通过使用恰当布置的引线104来提供对于与肌肉M1、M2、M3相关的背根和／或DRG的选择性刺激而实现，如图4所示。如上所述的，至少一个、某些或者所有的电极106被设置在目标DRG上、设置在其周围或者附近。在某些实施方式中，所涉及的感觉神经元SN、特别是目标DRG内的胞体SA被选择性地刺激，从而抑制导致肌肉M1、M2收缩以及肌肉M3松弛的不恰当的动作电位。当所涉及的感觉神经元SN为Ia感觉纤维的时候更是如此。这样的刺激在该病症的治疗中减少了运动障碍的症状。
在一些实施方式中，所涉及的感觉神经元SN的选择性刺激通过选择电极尺寸、电极形状、电极位置、刺激信号、模式或算法、或其任意组合而实现。这些选择性刺激刺激了靶向神经组织，同时排除了非靶向组织，例如周围或者附近组织。在某些实施方式中，刺激能量被传递至靶向神经组织从而使能量在靶向组织或区域以外消散或者减弱至不足以刺激调节或者影响该非靶向组织的程度。特别地，对诸如背根、DRG或其部分的组织的选择性刺激排除了对于前根的刺激，因为在引线如此设置时刺激信号的能量低于用于刺激与靶向背根相关的前根的能量阈值。用以实现背根和／或DRG的该选择性刺激的方法和装置的实例公开于美国专利申请12／607,009中，其名称为“Selective Stimulation Systemsand Signal Parameters for Medical Conditions”，其全文通过参考而被引入本文。可以理解的是，不加选择地刺激(例如源自会发射出直接刺激前根的刺激能量的电极)前根通常会导致病人感到不舒服的感觉，例如刺痛、蜂鸣或者不期望的动作或运动。因此，期望经由脊髓内的突触而不是直接经由前根来刺激运动神经元M1、M2和／或M3。
可以理解的是即使经由脊髓内的突触来刺激运动神经元，这样的刺激也不同于刺激脊髓来直接影响运动神经元。脊髓为身体结构上高度受神经支配的部分；源于遍布身体绝大部分的感觉器官的感觉信息通过将脉冲向上传导至脊髓的上行纤维束的方式而被传达至脑部，并且脑部以沿着脊髓的下行纤维束运行的神经脉冲的形式来指导运动活动。脊髓的白色物质由上行纤维束和下行纤维束组成。其位于所谓的索(funiculi)的白色物质的六个柱体内。上行纤维束传递源自皮肤感受器、本体感受器(肌肉和关节的感觉)和内脏感受器的感觉信息。下行纤维束传递运动信息，并且主要存在两组源自脑部的下行束：皮质脊髓束或者锥体束以及锥体外束。
80％-90％的皮质脊髓纤维在延髓的锥体内交叉成十字形(因此得名“锥体束”)，并且在皮质脊髓束侧面下降，其在脊髓内交叉成十字形。由于纤维的交叉，右侧的大脑半球会控制身体左侧的肌肉组织，而左半球则控制右侧的肌肉组织。皮质脊髓束主要涉及需要灵巧性的精细动作的控制。
由于在脊髓内存在高数量的纤维束并且纤维广泛交叉，对于脊髓的直接刺激通常会产生高度可变的和／或非特异性的大量结果。在脊髓上刺激电极位置的轻微变动就会产生可以轻易导致不期望的副作用的不同束的刺激。例如，当感觉信息和运动信息都在脊髓内传递的时候，试图对运动纤维束的刺激通常会导致对于感觉纤维束无意的刺激。类似地，考虑到脊髓内贯穿多个脊髓平面的通路的相互连结性，当向脊髓施加刺激时，靶向特定脊髓平面或者特定的一对相反肌肉组就是非常困难的。此外，当直接刺激脊髓的时候，通常还需要更高频率的信号以及更高的能量水平以试图达到对于特定神经类型的刺激。
通过采用背根神经节来刺激脊髓内的运动神经元可以避免与直接刺激脊髓相关的缺点。特别地，因为背根神经节主要容纳感觉神经元，而不是例如在脊髓内的混合神经元或者外周神经，所以可以消除对身体构造的不相关的或者不期望的意外刺激。此外，单独背根神经节的刺激仅影响受与背根神经节形成突触的运动神经支配的肌肉。相应地，单独的肌肉、单独的肌肉群、相反肌肉对或肌肉群或者特定的位置区域可以通过刺激相应的背根神经节而精确地靶向。这种的特异性和靶向对于治疗局部痉挛或者其它这种运动障碍，以及其他病症是有利的。而且，背根神经节的刺激与对于脊髓的刺激相比需要更少的能量。并且，背根神经节的刺激与对于脊髓的刺激相比涉及更低的频率。在某些实施方式中，使用低频率信号，特别是低于或者等于约100Hz的频率，更特别是低于或者等于约80Hz的频率，并且更特别是4-80Hz。在某些实施方式中，所述信号具有约小于或者等于70Hz、60Hz、50Hz、40Hz、30Hz、20Hz、10Hz或者5Hz的频率。可以理解的是，通常用于治疗运动障碍所期望的频率对于不同的病人是有所不同的。例如，对于一个病人来说，通过刺激特定的背根神经节，在使用具有例如为100Hz的给定频率的刺激信号时运动障碍的症状被缓解。而对于另一个具有相同或者类似的运动障碍的病人来说，通过刺激相应特定的背根神经节，使用具有例如为50Hz的不同频率的刺激信号时运动障碍的症状被缓解。这样的不同可能是由于，例如病人之间身体构造的轻微不同以及病理的不同。然而，可以理解的是该频率典型地处于低频范围。
在其它情况中，由于运动障碍的不恰当动作电位会导致肌肉(例如肌肉M1)和协同结构(例如M2)产生不期望的松弛，同时导致对抗肌(例如肌肉M3)产生不期望的收缩。在某些实施方式中，这种病症的治疗通过使用恰当布置的引线104来提供对于与肌肉M1、M2、M3相关的背根和／或DRG的选择性刺激而实现，如在图5中所示。在该实施例中，反射弧再次包括感觉神经元SN，其包括位于DRG内的胞体SA和延伸经过背根DR至脊柱S的背角的轴突AX。感觉神经元SN连接脊柱S内多个互连神经元IN1、IN2、IN3。互连神经元IN1连接支配骨骼肌M1(例如屈肌)的运动神经元MN1(0运动神经元)。互连神经元IN2连接支配骨骼肌M2(其与骨骼肌M1相协同)的运动神经元MN2(第二α运动神经元)。互连神经元IN3连接支配骨骼肌M3(其与肌M1和肌M2相对抗)的运动神经元MN3(第三α运动神经元)。如前所述的，至少一个、一些或者全部的电极106被布置在目标DRG上、其周围或附近。在某些实施方式中，所涉及的感觉神经元SN、特别是目标DRG内的胞体SA被选择性地刺激以抑制导致肌肉M1、M2松弛和肌肉M3收缩的不恰当的动作电位。当所涉及的感觉神经元SN为Ib感觉纤维的时候更是如此。在该病症的治疗中，这种刺激减少了运动障碍的症状。
在一些实施方式中，可植入的脉冲发生器(IPG)102包含响应于一个或多个传感器来启动或者改变电刺激的电路。其中，传感器的例子包括例如加速计、应变仪、测量肌肉和／或神经活动的电子设备、或者能够测量在治疗时指示运动障碍症状生理参数的其它设备。在某些实施方式中，一个或多个传感器感测运动障碍症状的发作，将该信息传递至IPG102的电子电路107从而将电刺激提供至病人以对抗、减少和／或避免运动障碍症状的发作。例如，在罹患震颤的病人中，这样的震颤可能会突然发作和缓解。某些在压力下会具有提高的发病率，或者当病人分神的时候具有降低的发病率。心因性震颤更是如此。在这样的病人中，震颤活动会被例如在患肢或者数个患肢上所穿戴的手环或者脚环上的传感器所感测。传感器可以感测例如肢体的加速、肢体运动频率、肢体位置或其组合的变化。可以理解的是，这样的传感器还可被用于身体其它受影响的区域，例如头部、颈部、肩部、躯干等。当震颤活动被感测为增加时，例如所述活动的发作或增加，电刺激就会被改变以抑制或者消除震颤活动的增加。这可以通过提高或者降低一个或者多个信号参数来实现，例如幅度、频率、脉冲宽度或其组合。同样，可以理解的是当震颤活动被感测为减少的时候，例如活动的消除或者缓解，电刺激就会被改变以更恰当地匹配震颤活动的刺激。在其它情况中，刺激可以在消除或者缓解震颤活动的过程中被改变以例如储存能量、延长电池寿命或者减少任何副作用或者与不必要或者不期望刺激相关的症状。可以理解的是震颤仅被用作为一个例子，其它的运动障碍或者运动障碍的相关症状可被类似地感测。例如，某些具有运动障碍的病人会表现出身体某部位的反射或者扭曲。这些反射运动可以由疼痛、特定的照明、或者甚至是大的噪声而被触发。这些症状的发生可以以如上所述的方式被感测并对抗。
在某些实施方式中，一个或多个传感器会感测运动障碍症状的状态，例如收缩或者肢体运动的程度。这样的状态信息被用于改变电刺激至适于实时对抗或者治疗运动障碍症状的水平。例如，罹患痉挛状态的病人在肌张力方面具有涉及张力亢进的改变的骨骼肌表现。其通常被称作不正常的肌肉紧密度、硬度和／或拉伸。痉挛状态被发现于脑部和／或脊髓被损害或者未能正常发育的病症中；其包括大脑性麻痹、多发性硬化、脊髓损伤和包括中风在内的后天性脑损伤。在某些情况中，痉挛状态的程度例如可以随着时间或者利用刺激而增加或降低。在某些实施方式中，例如痉挛状态的症状状态被感测以确定改变是否已发生。当症状被感测为发生变化的时候，电刺激就会被改变以抑制或者消除症状的变化。这可以通过提高或者降低一个或多个信号参数来实现，例如幅度、频率、脉冲宽度或其组合。再次地，可以理解的是痉挛状态仅被用作为一个例子，并且其它的运动障碍或者与运动障碍相关的症状可以类似地被感测。
在其它的实施方式中，一个或多个传感器会感测病人的特定活动或者活动程度。某些运动障碍与特定的活动相关联，例如行走。举例来说，功能性运动障碍通常会导致协调移动或行走方面的问题。这些问题可能包括拖动一只脚或者在行走时难于平衡。活动或者活动程度传感器可被用于检测活动的类型(例如行走)和／或活动量或程度(例如慢走或快走)。所感测的信息可被输入来动态改变刺激程序从而确定合适的刺激程度。作为替代或者另外地，可以基于特定病人的活动模式来针对个别的病人设计不同的预编程刺激算法。预编程的刺激算法可被存储在合适的介质中，以由在这里所描述的刺激系统所利用。传统的经皮编程技术也可被用于更新、改变或者移除刺激算法。
在其它实施方式中，一个或多个传感器包含可被用于检测病人位置的位置传感器。病人的位置可被输入至刺激控制系统从而动态地改变刺激程序，以确定合适的刺激水平。这样的传感器的一个例子为多轴加速计。传统的3或4轴加速计可被植入至病人体内或者保持在病人身上以提供位置、活动、活性程度、活动持续时间或者病人状态的其它指标。所检测的病人状态指标进而可以用于确定刺激程度和模式。一旦被设置或者植入在病人身上或体内，位置传感器就可被设定或校准。校准帮助传感器正确地认知人的方位和活动程度。
在一些实施方式中，传感器会在病人降低高度至平躺或者就眠的位置时感测。因为绝大多数的运动障碍很少发生在睡眠过程中，所以可以在睡眠过程中减少或者停止刺激从而减少能量消耗并延长电池寿命。
在一些实施方式中，传感器会在病人起身至站立的位置时感测，并且提供刺激以对抗与站立相关的运动障碍症状。例如，体位性震颤的特征在于在站立之后立即发生在腿部和躯干的快速(>12Hz)的节奏性肌肉收缩。当被要求站在一个地方的时候，股和腿会感到抽筋并且病人会不可控制地摇摆。当病人坐下或者被抬离地面的时候，不会存在其它的临床体征或症状并且摇摆会停止。高频率的震颤通常会使得所述震颤看上去就像是在站立时腿部肌肉的波动。对于这样的病人，刺激会基于所感测的站立而被提供，此时病人会立即感觉到这些症状的缓解。当病人移动至不同位置的时候，例如坐下，刺激就会被停止或者降低至所期望的水平。
在一些实施方式中，传感器会感测特定的运动模式，并且刺激会被提供以对抗与特定的运动模式相关的运动障碍症状。例如，小脑性震颤是发生在有目的的运动末期的缓慢的、广泛的四肢震颤，例如试图按压按钮或者令手指碰触某人鼻子的尖端。当这样的运动模式被感测到的时候，刺激随后就会被提供以对抗随后的运动障碍症状。小脑性震颤由源自中风、肿瘤或诸如多发性硬化或者某些遗传的退行性疾病的疾病所引起的小脑病变或损伤而导致。其还可以由慢性醇中毒或者某些药物的过度使用所导致。在典型的小脑性震颤中，脑部一侧的损害会产生身体相同侧的震颤，定向运动会更加恶化。小脑损伤还可能产生被称为红核震颤或者Holmes震颤的“翼跳动”类型的震颤，其为静止性震颤、动作性震颤和体位性震颤的组合。当受影响的人活动或者保持在特定姿势的时候，震颤通常是最为显著的。由此，多个的传感器可被用于复杂的系列决策，从而确定对于特定的病人来说刺激在何时和如何被提供或改变。
任选地，位置传感器位于与IPG102相同的物理壳体内。如果需要的话，位置传感器可以位于身体的其它地方，在被植入的位置或者可被穿戴在人体外。源自位置和／或活动传感器的位置信息使用合适的方式被提供至IPG102，包括直接连接或者经皮传输。尽管许多实施方式是合适的，但是以示例性的而并非被构建为对于本发明进行限定的方式，优选的模式采用一个或多个加速计来确定病人状态，其至少包括感测人体是否处于直立或者斜靠的能力。另外地，位置传感器可以经调整以提供活动或者活动程度的指示，例如行走和跑步之间的差别。在其它实施方式中，位置传感器可以经设置以感测特定的运动，例如身体特定部位的活动，从而检测例如用于运动障碍治疗的身体部分或者肢体的特定运动。在使用这种位置传感器实施方式的情况下，当个人开始运动障碍相关的活动时，传感器就将检测到这样的活动并提供合适的刺激。在其他替代方式中，位置和／或活动传感器包括一个或多个多轴加速计。
在某些实施方式中，可植入脉冲发生器(IPG)102包含响应于计时器或时钟而启动或改变电刺激的电路。由此，刺激可以在病人睡觉期间或者确定病人需要降低或者不需要治疗运动障碍期间来减弱或者消除。减少使用的这些时间可以延长电源110的寿命。
如上所述的，可以理解的是神经调节可以包括通过将电和／或药剂直接递送至目标区域的多个不同形式的神经活动的改变或调节。出于说明性的目的，本文的描述针对刺激和刺激参数来提供，然而，可以理解的是这样的描述并不限于此，可以包括任意形式的神经调节和神经调节参数，特别是将试剂传递至背根神经节。所述传递的方法、装置和试剂被进一步描述于美国专利申请13／309,429中，其名称为“Directed Deliveryof Agents to Neural Anatomy”，通过参考而被引入。
出于清楚理解的目的，尽管之前的发明已经通过说明和示例的方式描述了某些细节，但是多种不同的替换、改进和等价形式可被使用，并且上述的说明不应当被认为是对于本发明范围的限定，其范围由所附的权利要求而限定。

Claims (42)

1.用于治疗运动障碍病人的刺激系统，包含：
具有至少一个电极的引线，其中所述引线设置为用于植入，从而使所述至少一个电极中的至少一个相邻于与可用于影响运动障碍症状的反射弧相关的背根神经节布置；和
电连接至引线的脉冲发生器，其中所述脉冲发生器将信号提供给所述至少一个电极中的至少一个，其刺激背根神经节的至少一部分从而激活反射弧以缓解运动障碍症状。
2.如权利要求1的刺激系统，其中所述反射弧的激活包含刺激至少一个感觉神经元以激活α运动神经元的至少一个胞体。
3.如权利要求2的刺激系统，其中所述至少一个感觉神经元包含Ia感觉纤维。
4.如权利要求2的刺激系统，其中所述至少一个感觉神经元包含Ib感觉纤维。
5.如权利要求2、3或4的刺激系统，其中所述至少一个电极中的至少一个具有选择性刺激所述至少一个感觉神经元的尺寸。
6.如权利要求2、3、4或5的刺激系统，其中所述至少一个电极中的至少一个具有选择性刺激所述至少一个感觉神经元的形状。
7.如权利要求2、3、4、5或6的刺激系统，其中所述信号具有至少一个可编程的参数以选择性地刺激至少一个感觉神经元。
8.如权利要求7的刺激系统，其中所述至少一个参数包含频率。
9.如权利要求8的刺激系统，其中所述频率可编程为最高至约100Hz的值。
10.如权利要求8的刺激系统，其中所述频率可编程为最高至约50Hz的值。
11.如前述权利要求任一项的刺激系统，进一步包含至少一个设置为以感测运动障碍指标的传感器。
12.如权利要求11的系统，其中所述至少一个传感器包含加速计、应变仪或者测量肌肉或者神经电活动的电子设备。
13.如权利要求11或12的系统，其中所述指标指示运动障碍症状的发作，并且其中刺激信号被提供以减少或避免所述症状的发作。
14.权利要求11、12、13的系统，其中所述指标指示运动障碍症状的状态，并且其中刺激信号被提供以实时治疗所述症状。
15.权利要求11、12、13或14的系统，其中所述指标指示病人身体至少一部分的位置。
16.如前述权利要求任一项的系统，进一步包含至少一个设置为以感测病人活动或活动程度的传感器。
17.治疗运动障碍病人的系统，所述系统包含：
具有至少一个电极的引线，其中所述引线设置为布置成使得所述至少一个电极中的至少一个能够刺激与运动障碍相关的目标背根的至少一部分；
至少一个设置用以感测运动障碍症状的传感器；和
可连接于所述引线的可植入脉冲发生器，其中所述发生器包括电子电路，其设置用以接收源自所述至少一个反应传感器的信息并响应于所感测的运动障碍症状而将刺激信号提供至所述引线，其中所述刺激信号具有比所述引线如此布置时直接刺激与目标背根相关的前根的能量阈值低的能量。
18.如权利要求17的系统，其中所述至少一个传感器感测运动障碍症状的发作，并且其中刺激信号被提供以减少或避免所述症状的发作。
19.如权利要求17或18的系统，其中所述至少一个传感器感测运动障碍症状的状态，并且其中刺激信号被提供以实时治疗所述症状。
20.如权利要求17、18或19的系统，其中所述至少一个传感器感测病人的活动或活动程度。
21.如权利要求17的系统，其中所述至少一个传感器检测病人的位置。
22.如权利要求17、18、19、20或21的系统，其中所述至少一个传感器包含加速计、应变仪或者测量肌肉或者神经电活动的电子设备。
23.治疗运动障碍病人的方法，包含：
呈现具有运动障碍的病人；
将具有至少一个电极的引线设置在病人体内，从而使得所述至少一个电极邻近于与可用于影响运动障碍症状的反射弧相关的目标背根神经节布置；和
将刺激能量提供给所述至少一个电极以选择性地刺激目标背根神经节的至少一部分，从而以减少运动障碍症状的方式激活反射弧，同时不提供或者提供细微量的直接至前根的刺激能量。
24.如权利要求23的方法，其中运动障碍包括帕金森氏病、多发性硬化症、脱髓鞘运动障碍、脑性麻痹、舞蹈病、肌张力障碍、痉挛、抽动障碍或者震颤。
25.如权利要求23或24的方法，其中激活反射弧包含刺激至少一个感觉神经元从而激活α运动神经元的至少一个胞体。
26.如权利要求25的方法，其中所述至少一个感觉神经元包含Ia感觉纤维。
27.如权利要求25或26的方法，其中所述至少一个感觉神经元包含Ib感觉纤维。
28.如权利要求25、26或27的方法，其中刺激至少一个感觉神经元包含通过选择刺激能量的刺激信号参数来选择性地刺激至少一个感觉神经元。
29.如权利要求25、26、27或28的方法，其中刺激所述至少一个感觉神经元包含通过选择刺激能量的频率来选择性地刺激至少一个感觉神经元。
30.如权利要求25、26、27、28或29的方法，其中刺激所述至少一个感觉神经元包含通过选择所述至少一个电极的尺寸、所述至少一个电极的形状和／或所述至少一个电极的位置来选择性地刺激至少一个感觉神经元。
31.如权利要求23-30任一项的方法，其中提供刺激能量包含提供响应于至少一个设置用以感测运动障碍指标的传感器的刺激能量。
32.如权利要求31的方法，其中所述指标包括运动障碍症状的发作，并且刺激信号被提供以减少或者避免所述症状的发作。
33.如权利要求31或32的方法，其中所述指标包括运动障碍症状的状态，并且其中刺激信号被提供以实时治疗所述症状。
34.如权利要求23-33任一项的方法，其中提供刺激能量包含提供响应于至少一个设置用以感测病人活动或者活动程度的传感器的刺激能量。
35.如权利要求23-34任一项的方法，其中提供刺激能量包含提供响应于至少一个设置用以检测病人身体至少一部分的位置的传感器的刺激能量。
36.治疗运动障碍病人的方法，包含：
沿着病人的硬膜外腔推进具有弯曲远端的鞘；
设置所述弯曲远端以导引引线在其中朝向与运动障碍相关的脊神经前进；
推进具有至少一个电极的引线穿过所述鞘，从而使至少一个电极邻近于所述脊神经布置；并且
将刺激能量提供给所述至少一个电极，从而以减少运动障碍症状的方式刺激脊神经的至少一部分。
37.如权利要求36的方法，其中所述运动障碍包括帕金森氏病、多发性硬化症、脱髓鞘运动障碍、大脑性麻痹、舞蹈病、肌张力障碍、痉挛、抽动障碍或者震颤。
38.如权利要求36或37的方法，其中所述脊神经的至少一部分包含与运动障碍相关的背根神经节的至少一部分。
39.如权利要求36、37或38的方法，其中提供刺激能量包含调节至少一个信号参数从而减少运动障碍症状。
40.如权利要求39的方法，其中调节至少一个信号参数包含调节刺激能量的频率。
41.如权利要求40的方法，其中调节刺激能量的频率包含选择小于或者等于约100Hz的频率。
42.如权利要求41的方法，其中调节刺激能量的频率包含选择小于或者等于约50Hz的频率。
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Prochazka 184 Impaired Motor Function: Functional Electrical Stimulation
Prochazka In: Textbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery, edited by Lozano AM, Gildenberg PL, and Tasker RR. Berlin: Springer, 2009, p. 3047-3060.

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