CN101511424B - 具有并联栅的双平面电极 - Google Patents

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Abstract

一种神经刺激器(400)包括非导电载体(402)以及设置在所述载体(402)的相对侧面上的至少两个导电电极(404、406)。在载体的相对侧面上的电极(404、406)不电连接在一起。而是，信号源连接到载体(402)的一个侧面上的电极(404)中的一个，以及对信号源的返回路径连接到载体(402)的另一侧面上的相应的电极(406)。相应的电极(406)可以，但不必与载体(402)的另一侧面上的电极(404)直接相对。电极(404、406)可以是环、圆盘、其他的形状或其组合。可任选地，载体包括通过其的低阻抗的分路(500、502、1102、1104)。

Description

具有并联栅的双平面电极
技术领域
本发明涉及用于神经刺激的电极，且更具体地涉及设置在载体相对侧上的电极。
背景技术
神经组织的电刺激用于若干目的，包括疼痛控制、诊断以及神经复原。例如，耳蜗植入(CI)是小的电子器件，该耳蜗植入的一部分放置在深度耳聋或严重听力障碍人的耳后的皮肤下。耳蜗植入接收来自麦克风的信号并且电刺激佩戴者的听觉神经。虽然通过CI听力可能不同于正常听力，但是佩戴者觉察到声音并且其他人可以与佩戴者进行口头交流。
CI和其它神经刺激是通过将至少一个电极放置在接近神经组织附近并且将电信号发送至电极来完成的。该电信号根据第二(接地)电极来产生。也就是说，该信号跨过两个电极传输。第二电极可以放置在神经组织附近或距神经组织一些距离。神经组织一般地用双相脉冲进行刺激，即，首先将正脉冲发送到电极，几乎紧接其后的是负脉冲。
从更好的集中的电刺激获得更好的结果。神经组织通常很小。为了获得期望的结果，应该刺激选择的各个神经。然而，现有技术的神经刺激仪器不能将很好集中的电刺激传输到神经组织。
传统的纵向双极神经刺激方案包括并排布置在绝缘载体上的两个导电电极。信号被馈送到两个电极的第一个，另一个电极用作接地。在刺激信号的正相位期间，电流从电极之一通过被刺激的组织流到另一个(接地)电极。在刺激信号的负相位期间，电流以相反方向流动，即，流出接地电极，通过被刺激的组织，并流入第一电极。因此，每一个电极用作刺激点，并且该刺激没有被很好地集中。
传统的纵向三极方案包括在中心电极侧面的两个接地电极。在该情况下，流过两个侧面电极中的每一个的电流量是流过中心电极的电流量的一半。三极方案产生很好集中的刺激，但是他们需要三个电极。
发明内容
本发明的实施例提供一种神经刺激器，包括：非导电载体，具有第一侧面以及与所述第一侧面基本相对的第二侧面，其中所述载体包括至少一个孤立的并联栅，其全部地从所述第一侧面延伸通过所述载体到达所述第二侧面，用于提供从所述载体的所述第一侧面到所述第二侧面的低电阻路径；至少一个第一电极，设置在所述载体的所述第一侧面上；以及至少一个第二电极，设置在所述载体的所述第二侧面上，其中所述至少一个第一电极不电连接到所述至少一个第二电极。
载体可以具有圆形的、椭圆形的、长方形的或其它横截面形状。
至少一个第一电极中的每一个可以对应于至少一个第二电极中的一个。在该情况下，至少一个第二电极中的每一个可以以垂直地平分对应的第一电极的线为中心。可替选地，至少一个第二电极中的每一个可以不以垂直地平分相应的第一电极的线为中心。
神经刺激器还可以包括下述信号源，该信号源连接到至少一个第一电极中的一个并且连接到对应的第二电极。
载体可以包括通过其的至少一个并联栅。在该情况下，每一个并联栅限定通过该载体的低阻抗的电路径。至少一个并联栅中的一些或全部可以限定通过载体的孔(bore)。可任选地或可替选地，至少一个并联栅的一些或全部可以包括导电材料。
第二电极的一些或全部可以包括环形电极。环形电极的一些或全部可以由光刻工艺形成。可任选地或可替选地，环形电极的一些或全部可以由电沉积工艺形成。可任选地或可替选地，环形电极的一些或全部可以由激光烧蚀沉积方法形成。
至少一个第一电极可以包括布置成阵列的多个电极。在该情况中，至少一个第二电极可以包括多个电极，多个电极中的每一个包括环形电极。
载体可以包括紧邻每一个第一电极的至少一个并联栅。在该情况下，每一个并联栅限定通过该载体的低阻抗的电路径。
可任选地，至少一个第一电极中的每一个包括设置在载体表面之下的至少一个耳(ear)。
可任选地，至少一个第一电极包括载体的第一侧面的区域中的多个第一电极。该区域包括多个第一电极之间的空间。至少一个第二电极包括载体的第二侧面上的导电表面。该表面具有至少与载体的第一侧面上的区域一样大的面积。
附图说明
通过结合附图参考下面的特定实施例的详细说明将更全面地理解本发明。
图1是根据现有技术的神经刺激器的横截面及顶视图；
图2是根据现有技术的另一神经刺激器的横截面及顶视图；
图3是根据现有技术的又一神经刺激器的横截面及顶视图；
图4是根据本发明实施例的神经刺激器的横截面及顶视图；
图5是根据本发明另一实施例的神经刺激器的横截面图；
图6是图5的神经刺激器的顶视图；
图7是根据本发明若干实施例的并联栅的若干示例性形状及布置的顶视图；
图8是根据本发明又一实施例的神经刺激器的顶视图；
图9是图8的神经刺激器的底视图；
图10是根据本发明的一个实施例的环形电极的近视图；
图11是根据本发明的一个实施例的神经刺激器的一部分的近视图；
图12是根据本发明的一个实施例的电极耳的近顶视图及两个截面视图；
图13是根据本发明的一个实施例的神经刺激器的一部分的横截面视图；以及
图14是根据本发明另一实施例的神经刺激器的一部分的横截面视图。
具体实施方式
根据本发明，公开了用于使用集中的刺激信号来电刺激神经组织的方法和仪器。在一个实施例中，一对或更多对电极设置在绝缘载体上，从而每对电极中的一个设置在载体的一个侧面上，并且该电极对的另一个设置在载体的相对的侧面上。电刺激信号跨过该对电极传输。在简要讨论现有技术之后，下面描述其它实施例、替选以及选项。
图1是传统的纵向双极神经刺激器100的截面及顶视图。刺激器100包括非导电载体102及设置在载体102上的两个导电电极104和106。电极104和106被信号源(未示出)经由导电引线(未示出)馈入。例如，在双相刺激的一个相期间，电极104中的一个可以被馈入有正脉冲(如由正号表示的)，并且另一个电极106可以形成用于刺激信号的返回路径(如由负号表示的)。
箭头108和110表示大体的电流(I)流动的方向。在另一相位期间，电流流动被反转。因此，神经组织112被从两个位置刺激，即电极104和106，并且该刺激没有被很好地集中。通过电极104中的一个流入邻近电极104的组织或从邻近电极104的组织流出的电流(I)的量等于通过另一电极106从邻近另一电极106的组织流出或者流入邻近另一电极106的组织的电流(I)的量。换句话说，相等的电流流过两个电极104和106。
图2是传统的纵向三极神经刺激器200的截面及顶视图。刺激器200包括在非导电载体208上的三个电极202、204和206。两个电极204和206诸如通过引线210电连接在一起。流过中心电极202的电流被指定为I。该电流的一半(即，1/2)流过两个外部电极204和206中的每一个。同样，该刺激没有被很好地集中。
图3是又一传统的神经刺激器300的截面视图。刺激器300包括非导电载体302和两个电极304和306。两个电极304和306诸如通过引线308电连接在一起。因此，刺激电流的一半(1/2)流过两个电极304和306中的每一个。参考远距离的接地电极(未示出)提供刺激信号。与使用其它现有技术的神经刺激器一样，该刺激没有被很好地集中。
虚(virtual)四极神经刺激器
图4是根据本发明的一个实施例的神经刺激器400的截面视图。刺激器400包括非导电载体402和设置在载体402的相对侧面上的两个导电电极404和406。然而，与现有技术不同，两个电极404和406没有电连接在一起。相反，刺激信号(经由引线，未示出)被提供到电极404中相对于另一电极406的一个。即，跨过两个电极404和406提供信号。因此，相同量的电流(I)量流过电极404和406中的每一个。箭头408和410表示在刺激信号的一部分期间的电流流动。在刺激信号的另一部分期间，电流流动可以被反转。
如截面A-A中所示，载体402的横截面形状可以是圆形的或是椭圆形的。可替选地，如截面A-A(可替选的)中所示，载体402的横截面形状可以是长方形。在其它实施例中(未示出)，载体402可以具有其它横截面形状。载体402的厚度412，即，在两个电极404和406之间的距离与载体402的横截面形状一起能够被选择以提供具有需要的特性的刺激场。例如，在电极404和406之间的较大距离与较小分离距离相比需要较弱的刺激信号；然而，较大的分离往往产生较少集中的刺激场。
如在截面A-A和截面A-A(可替选的)中的箭头所示，一半电流(即，I/2)在载体402的每一个侧面上流动。因此，神经组织112被从单一的点刺激，即，面向神经组织112的电极404。典型地，刺激器400被定位成使得其处于与神经组织112的平面平行的平面中。因此，刺激电极404处于该平行平面中。另一电极406也处于与神经组织112的平行平面中，而另一电极406的平面位于刺激电极404的相对侧面上。另一电极406的平面在此被称为″反神经″，即，在与刺激电极404的平面的相对侧面上。已经发现设置返回电极406反神经集中刺激信号。
如从神经组织112看到的，并且如截面B-B中所示，神经刺激器400能够具有诸如圆形或长方形的任何形状。
电极404和406以及引线(未示出)能够使用传统的光刻、电沉积、脉冲激光烧蚀沉积或其它技术来制造。例如，铂能够沉积在传统的载体上。
并联栅
可任选地，如图5和图6中所示，“并联栅”500被包括在神经刺激器400的载体402中。(图6是神经刺激器400的顶视图。)并联栅500提供用于至少一些刺激信号的通过载体402的导电或低阻抗路径。因而，至少一些电流从电极404流过并联栅500到另一电极406，而不是一直在载体402周围流动。已经发现了，在一些情况下，并联栅500提供改善的刺激信号的集中。
并联栅500可以是通过载体402或在载体402上形成的空心的通道、洞、凹槽、缝隙或其它的开口(在此共同地称为“孔(bore)”)。在该情况下，导电的体液或组织填充并联栅500。可替选地，载体402可以形成具有由导电或低阻抗(在此共同地称为″低阻抗的″)材料形成的并联栅500，诸如电沉积的铂柱或诸如聚吡咯的导电聚合物。可任选地，并联栅500中的一些是空心通道，并且其它是载体402中的低阻抗材料。
并联栅500的电阻(R)是根据以下等式来计算的：
R＝(R0L)/A
其中R0是孔中的体液或组织的电阻率或并联栅500中的低阻抗材料的电阻率；L是每一个并联栅500的长度(典型地为载体402的厚度412)；以及A是并联栅500的横截面或表面面积。能够通过使用大面积(A)和/或小的长度(L)来获得低电阻(R)。
虽然在图6中示出的并联栅500是以对称、直线方式布置的直的、狭窄的缝隙，但是可以使用其它的并联栅形状、对称/不对称以及布置。图7示出其它示例性而非限制的形状、对称/不对称以及布置。
另外，并联栅不必垂直于载体的表面。例如，如图5中所示，并联栅502能够以与载体402的表面成除了90°之外的角度来形成。
此外，在并联栅500与刺激电极404之间的距离可以被改变。也就是说，不是所有的并联栅500需要被设置成与刺激电极404相距相同的距离。并联栅500的数目、形状、布置、(相对于刺激电极402的)角度以及位置可以根据需要来选择以成型并定向刺激场。例如，在刺激电极404与并联栅500之间的距离可以选择为产生具有需要的形状和/或定向的刺激场。可替选地或另外，并联栅500可以在刺激电极404周围被对称地或不对称地放置。载体的厚度412可以选择为获得在刺激电极412与返回电极406之间的需要的路径长度。只要该路径长度是相对较小，则该刺激场可以受上述的其它几何参数的影响。
刺激电极的阵列
上述神经刺激器400包括一个刺激电极404以及一个返回电极406。然而，在其它实施例中，由在图8中示出的神经刺激器800来举例说明，若干刺激电极802设置在单独的非导电载体804上。例如，对于脊髓刺激，神经刺激器800可以在载体上包含几百个刺激电极802，该载体可以是约1cm×3cm(1cm by 3cm)。可以使用其它数目的刺激电极802及其它尺寸。
一般地，虽然不必要，但是电极802中的每一个通过分离的引线(未示出)连接到信号源(未示出)。在一些实施例中，每一个电极802具有其自己的信号源。可任选地，开关矩阵或其它电路(未示出)连接在一个或多个信号源与电极802之间以选择在给定时间哪个电极802被提供有刺激信号，或者，哪个信号源连接到电极802。因而，电极802中的每一个可以分别地被提供有刺激信号，或不被提供有任何信号。因此，如可以是CI中的情况一样，神经组织的各个区域可以通过各个电极802或电极802的组来刺激。可任选地，电极802的组可以电连接在一起，并且因而接收共同的刺激信号。
在一些实施例中，刺激电极802中的每一个具有设置在载体804的相对侧面上的相应的返回电极(图8中不可见)。这些返回电极能够每一个具有在载体804中的关联的引线以提供到信号源的返回路径。返回电极可以但不必具有与对应的刺激电极802相同的大小与形状。可替选地，返回电极可以大于或小于对应的刺激电极802。类似地，返回电极可以具有与刺激电极802不同的形状。
在一些实施例中，每一个返回电极以垂直地延伸通过对应的刺激电极802的中心的线为中心。在其它实施例中，返回电极不与它们对应的刺激电极802共中心。在又一其它实施例中，开关矩阵或其它电路用于随时改变哪个返回电极对应于给出的刺激电极802。
环形电极
在一个实施例中，每一个返回电极是导电环900，如图9中所示。(图9是图8的神经刺激器800的底视图)。可替选地，能够以其它实心或空心的形状，诸如多边形制造返回电极900。不管电极的形状，空心形状多边形的返回电极在此被称为″环″。
每一个返回电极900优选地以其对应的刺激电极802为中心。可替选地，如上所述，返回电极不必以其对应的刺激电极为中心。可任选地，如上所述，开关矩阵或其它电路用于随时改变哪个返回电极900对应于给出的刺激电极。
优选地，暴露给组织的每一个环900的总导电面积近似等于暴露给组织的对应的刺激电极802的总导电表面面积。使用光刻、电沉积、脉冲激光烧蚀沉积或其它技术可以在载体804上制造返回电极900。
在一个实施例中，在图10中示出单独的环形电极900，每一个刺激电极802的直径约为300μ，并且每一个环形电极900具有600μ的内径1000。(在图10中，使用虚线示出刺激电极802以表示刺激电极802被隐藏，即，从载体804的底部看不到刺激电极802。)每一个环形电极900的宽度1002可以基于刺激电极802的直径及环900的直径1000来计算，从而两个电极具有近似相等的表面面积，如上所述。一般而言，环形电极802的宽度1002显著地小于刺激电极802的直径。例如，环900和刺激电极802的直径可以有如下关系：
Dout-Din≥D
其中Dout是环900的外径；Din是环900的内径1000；并且D是刺激电极802的直径。
在其它实施例中，可以使用刺激电极802的其它尺寸和/或环形电极900的其它尺寸。例如，可以使用直径小于约300μ的刺激电极，并且可以使用具有约1或2mm内径1000的环形电极900。
可替选地，返回电极900的组可以电连接在一起以为刺激电极802的组提供共同接地的返回电极。在一个实施例中，使用单一的导电平面，代替各个返回电极900。
在又一实施例中，在图11中示出一部分，载体1100包括在环形电极900与刺激电极802之间的并联栅1102。可任选地或可替选地，载体1100包括环形电极900外部的并联栅1104。如上所述，相对于刺激电极802及环状电极900，并联栅1102和1104可以是任何形状或尺寸并且具有任何定向。同样，如上所述环形电极900的一些或全部可以电连接在一起。在另一实施例中，载体1100的底部主要由单一的导电返回电极覆盖，由并联栅1102和/或1104穿孔。
电极锚
如所述的，电极由非导电载体中的导电材料制成。取决于所使用的材料及电极的尺寸，一些电极可以包括锚或耳以将电极稳固到载体。如图12中所示，在一个实施例中，载体1200包括电极1202。虽然电极1202的表面1204可以高于或低于载体1200的表面1206，但是优选地，电极1202的表面1204与载体1200的表面1206共面。锚(耳)1208形成在电极1202上并且在载体1200的表面1206之下以将电极1202稳固到载体1200。连接到电极1202的引线1210也将电极1202稳固到载体1200。相似的锚(耳)可以形成在环形(或其它形状)电极(未示出)上以将环形电极稳固到载体1200。
刺激模式
在一个或多个刺激电极的阵列以及设置在非导电载体的相对侧面上的一个或多个返回电极中，取决于电极的数目以及刺激信号被发送到哪对刺激和返回电极，能够产生具有不同的模式的刺激场。例如，如图13中所示，载体1300可以包括四个电极1、2、3和4，其任何对可以连接信号源(未示出)。电极1、2、3和4中的每一个具有引线(未示出)，经由引线，电极可以被连接到信号源，诸如通过开关矩阵或其它电路(未示出)。表1列出可以连接到信号源的可能的电极的组合。
如表1中所示，将信号源连接到电极1、2、3或4中的一个以及连接到远距离的接地电极是传统的。(在表1中称为“远距离的接地”未示出在附图中)。类似地，使用载体的同一侧面上的两个相邻电极，例如，电极1和2或电极3和4是传统的。
然而，如上所述，将信号源连接到载体的相对侧面上的两个电极，电极1和4或电极2和3是新颖的并且提供比现有技术更好的集中的刺激场。
此外，使用不直接在刺激电极后面的返回电极，例如，使用电极1和3或电极2和4，创建被导向“离开轴”，即不沿着垂直地二等分刺激电极的轴的刺激场。在这方面，使用在反神经平面中包括超过两个的返回电极的载体，如图14中所示，以及将特定刺激电极，诸如电极2与一个或多个返回电极3-7配对，刺激场可以被朝向神经组织112的被选择的部分转向。该转向能够提供比简单地选择在载体上直接彼此相对地放置的不同对电极更多空间分辨率。此外，返回电极3-7不必直接与刺激电极相对，并且载体可以具有比刺激电极更多或更少的返回电极。
虽然在图13和14中示出的神经刺激器包括少量电极，但是这些附图可以可替选地被解释为仅仅表示包括很多更多电极(未示出)的神经刺激器的一部分。另外，上述并联栅可以与成角度的双极刺激组合。在此描述的特征的其它组合也是可能的。
虽然通过上述示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解可以在不背离在此公开的发明构思的情况下对示出的实施例进行修改和变化。此外，虽然结合不同示意性材料和制造技术描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该认识到使用各种其它材料和制造技术可以实现该系统。类似地，虽然一些实施例可以用在耳蜗植入器(CI)中，但是这些及其它实施例可以使用其它类型的神经刺激，诸如大脑皮质、脊髓或膀胱刺激，用于疼痛控制、诊断、神经恢复及其它目的。因此，除了被所附权利要求的范围和精神限制以外，本发明不应该被看作被限制了。

Claims (28)

1.一种神经刺激器，包括：
非导电载体，具有第一侧面以及与所述第一侧面基本相对的第二侧面，其中所述载体包括至少一个孤立的并联栅，其全部地从所述第一侧面延伸通过所述载体到达所述第二侧面，用于提供从所述载体的所述第一侧面到所述第二侧面的低电阻路径；
至少一个第一电极，设置在所述载体的所述第一侧面上；以及
至少一个第二电极，设置在所述载体的所述第二侧面上，其中所述至少一个第一电极不电连接到所述至少一个第二电极。
2.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述载体具有圆形的横截面形状。
3.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述载体具有椭圆形的横截面形状。
4.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述载体具有长方形的横截面形状。
5.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述至少一个第一电极中的每一个对应于所述至少一个第二电极中的一个，并且所述至少一个第二电极中的每一个以垂直于并且以对应的第一电极为中心的线为中心。
6.根据权利要求5所述的神经刺激器，还包括信号源，所述信号源连接到所述至少一个第一电极中的一个以及连接到对应的第二电极。
7.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述至少一个第一电极中的每一个对应于所述至少一个第二电极中的一个，并且所述至少一个第二电极中的每一个不以垂直于并且以对应的第一电极为中心的线为中心。
8.根据权利要求7所述的神经刺激器，还包括信号源，所述信号源连接到所述至少一个第一电极中的一个以及连接到对应的第二电极。
9.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中每一个并联栅限定通过所述载体的孔。
10.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中每一个并联栅包括导电材料。
11.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中每一个第二电极包括环形电极。
12.根据权利要求11所述的神经刺激器，其中每一个环形电极通过光刻工艺形成。
13.根据权利要求11所述的神经刺激器，其中每一个环形电极通过电沉积工艺形成。
14.根据权利要求11所述的神经刺激器，其中每一个环形电极通过激光烧蚀沉积方法形成。
15.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述至少一个第一电极包括布置成阵列的多个电极。
16.根据权利要求15所述的神经刺激器，其中所述至少一个第二电极包括多个电极，所述至少一个第二电极的多个电极中的每一个包括环形电极。
17.根据权利要求15所述的神经刺激器，其中所述载体包括紧邻每一个第一电极的至少一个并联栅，每一个并联栅延伸通过所述载体。
18.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述至少一个第一电极中的每一个包括在所述载体的表面下面设置至少一个耳。
19.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中：
所述至少一个第一电极包括在所述载体的所述第一侧面的区域中的多个第一电极，所述区域包括在所述多个第一电极之间的空间；以及
所述至少一个第二电极包括在所述载体的第二侧面上的导电表面，所述表面具有至少与在所述载体的第一侧面上的区域一样大的面积。
20.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述至少一个第二电极包括多个电极，其中的一个电极能连接到信号源。
21.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述并联栅中的至少一个垂直地延伸通过所述载体。
22.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述并联栅中的至少一个非垂直地延伸通过所述载体。
23.根据权利要求1所述的神经刺激器，其中所述至少一个并联栅布置在所述至少一个第一电极中的一个的周围。
24.根据权利要求17所述的神经刺激器，其中每一个并联栅限定通过所述载体的孔。
25.根据权利要求17所述的神经刺激器，其中每一个并联栅包括导电材料。
26.根据权利要求1-25中任一个所述的神经刺激器，其中，被导向为至少部分地沿着垂直于并且以所述第一电极为中心的轴的刺激场被创建。
27.根据权利要求1-25中任一个所述的神经刺激器，其中，被导向为沿着不垂直于所述第一电极的轴的刺激场被创建。
28.根据权利要求1-25中任一个所述的神经刺激器，其中，由所述第一电极以及所述第二电极创建的刺激场被转向。
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