用于直接脊髓刺激的远程控制的和/或横向支持的设备的制造方法
【专利说明】用于直接脊髓刺激的远程控制的和/或横向支持的设备
相关申请交叉参考数据
[0001]本申请要求2010年11月11日提交的申请号为61/412，651的美国临时申请的权益；其全部公开内容出于全部目的作为整体通过参考并入此处。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及医疗设备和方法。更具体地，本发明涉及用于将电脉冲直接传送到病人的脊髓以阻止疼痛以及用于其它目的的电极结构和系统。
【背景技术】
[0003]利用脊髓刺激(SCS)来缓解顽固性疼痛症状起源于1960年代，伴随着疼痛知觉的神经基础和慢性疼痛障碍的病理生理学的新兴理论。来自动物实验研究的结果证明了神经通路的存在，该神经通路起源于大脑内且投射(project)轴突穿过脊髓并最后终止于脊髓层面(level)，在脊髓层面，来自周围神经系统的疼痛信号进入中枢神经系统。假定这些通路在疼痛知觉的自上而下的调控中发挥作用。人类SCS研究基于如下理论被开创:通过利用电刺激从而人为激活脊髓背柱内的下行通路，刺激部位以下的信号相关的疼痛的进程可被减弱、被阻塞或以其它方式被调控。
[0004]虽然构成这种疗法的临床疗效的基础的具体神经机制仍然难于理解，但现在有丰富的临床证据表明SCS能够给选定的具有顽固性慢性疼痛的病人提供持久的疼痛缓解。这种治疗方法的最重要的限制是高比例的植入有SCS系统或设备的病人在他们的疼痛症状方面只会有微小改善或没有改善。现有SCS系统常被报告只有50%或更低的治疗成功率。
[0005]介导(mediate) SCS的临床效果的神经机制是复杂的且可能包括对脊髓中的多个上行和下行神经通路的激活。基于经验性的临床证据，已出现了用于引导SCS策略的许多治疗构思。一般而言，电刺激会唤起身体的疼痛区域中的感官知觉以便使治疗有效。为了做到这一点，脊髓背柱内的包含与疼痛的身体功能性相关的轴突的区域必须被激活。背柱轴突被躯体局部地(somatotopically)组织，这意味着与特定身体区域功能性相关的轴突被定位为彼此极其接近，且在脊髓中具有组织的用于被连接到不同身体区域的不同轴突组的有序解剖模式。在颈脊髓中，举例来说，功能性地连接到背部区域的背柱轴突可相对靠近脊髓中线，而连接到手臂的轴突则相对较侧向地定位。
[0006]电刺激的副作用可由非目标神经结构的意外激活造成。当背根神经(dorsalnerve rootlets)被激活时，举例来说，会导致不适。SCS治疗的疗效通常依赖于设备选择性激活背柱的特定子区域中的目标轴突却不激活附近的背根的能力。该构思被并入研究者对术语治疗范围(therapeutic range)的使用以描述高于知觉阈值(即疗效阈值)但低于不适阈值的刺激强度的范围，超出不适阈值，病人不再能忍受刺激效果。理想的SCS设备能够有效地并安全地将高度集中的电刺激传递到背柱的目标子区域却不激活附近的结构。电极接触(electrode contact)应当被设置为尽可能靠近目标轴突且产生的组织激活的体积格局(volumetric pattern)应当严格符合目标神经通路的解剖。
[0007]脊髓是圆柱形的且被定位在椎管的中心。椎管由硬脊膜作衬壁且包含围绕脊髓并填充脊髓外表面和硬脊膜内表面之间的区域的脑脊液(CSF)。该CSF填充腔在正常的脊髓生物力学中发挥了关键作用且在执行脊柱手术时是应当被考虑的重要因素。在正常的活动(比如身体的屈伸)中，脊髓在椎管内移动，改变其相对于椎管的硬脊膜衬壁(durallining)的位置。在这些活动过程中，围绕脊髓的一定体积的CSF作为无摩擦缓冲物。在某些病理条件(例如脊髓栓系综合征)下，脊髓的这种正常移动被桥接脊髓和硬脊膜衬壁之间的腔的组织附件防碍，导致脊髓的功能障碍。在其它病理条件下，扰乱CSF在脊髓表面上的正常流动的组织屏障在椎管内形成(例如因创伤或感染引起)。在这种设定下，CSF可积聚在脊髓物质(substance)内从而形成瘘管以及引起神经功能障碍。
[0008]椎管的硬脊膜衬壁在脊柱手术过程中应当被特别护理。如果该衬壁中产生缺陷，则会出现增加伤口并发症(感染或开裂)的风险的CSF瘘管且可导致病人经受伤残性体位头痛(disabling posit1nal headaches)。为了进入脊髓本身，应当通过手术打开硬脊膜并且这以允许外科医生在手术完成时实现“水密”封闭的方式被执行。这通常涉及在椎管的背侧(在手术过程中容易进入且可视性良好的位置)上迅速地(sharply)切开硬脊膜。之后，通过将纤维膜的轮廓分明的(well defined)切口边缘缝合在一起使硬脊膜重新接近(re-approximate)。该封闭技术以保护将硬脊膜和脊髓分开的CSF填充腔的方式被实施，从而在手术部位防止机械收缩或栓系。
[0009]这些解剖和手术注意事项已影响了大范围的手术程序的演变，包括脊髓刺激器手术。当设计目的是最小化手术并发症的风险时，最佳策略是完全避免打开硬脊膜并将植入体置于硬脊膜外面(硬脊膜外程序)。如果必须直接进入脊髓(硬脊膜内程序)，则手术应当以如下方式进行设计:防止CSF瘘管形成、脊髓对硬脊膜的机械栓系、或者对围绕脊髓的CSF填充腔的物理性梗阻。
[0010]现有技术的性能特征上有限制。一个这样的限制如下。现有SCS设备通过位于椎管(硬脊膜)的纤维衬壁外面的电极输送电刺激。由于对分开硬脊膜衬壁和脊髓的腔进行填充的脑脊液的电气分流效应，这导致低效且难于定位的脊髓激活模式。这种不能选择性地激活脊髓的目标区域被认为是现有SCS设备大量发生治疗效果次佳或不好的重要影响因素。尽管有这些限制，但仍有大量病人被植入。SCS市场的规模证明了这种公共健康问题的大范围存在以及如下事实:在某些情况下，脊髓的电激活为所有其它治疗方式对其均无效的病人提供了疼痛缓解。
[0011]现有技术的另一限制由脊髓刺激器的某些栓系形式的特性产生。当SCS电极最早被放到人类受试者体内时，大部分被植入在硬脊膜的表面上，但在某些情况中，硬脊膜被打开而电极被直接置于脊髓的表面上(硬脊膜内)(Gildenberg 2006年、Long 1977年、Long1978年、Shealy等人1970年)。来自直接置于脊髓上的电极的导线穿过硬脊膜，从而将该电极机械地栓系到硬脊膜。电极由常规的导电和绝缘材料构成，体积大，且只有有限数量的触点，通过这些触点，刺激可被传递。触点相对于目标和非目标神经结构的位置难以控制且不能随植入手术进行调整。因为这些因素，以及增加的与打开硬脊膜相关的风险，硬脊膜内的方式在当时没有明显的治疗优势。硬脊膜内刺激电极的使用最终被中断且目前所有SCS设备均使用硬脊膜外刺激电极。
[0012]现有技术的再一限制出现在疗效方面。有两大类硬脊膜外刺激电极。一种类型可通过针经由皮肤置入硬膜外腔。这些电极具有沿着柔性的线性电极阵列的轴设置的小圆柱形的触点。它们或者被用于在植入手术之前对刺激效果的微创性测试，或者被用作为永久植入的设备。另一类型的硬脊膜外电极在开放性手术过程中被放置且由设置在暴露的硬脊膜表面上的多个电极触点的平面阵列组成。有经验的医生能够以高度的安全性植入这些硬脊膜外电极。然而，当前SCS设备具有次优的疗效。我们推测这个缺点在很大程度上是因为硬脊膜外电极不能选择性地激活脊髓的背柱的目标子区域。因安全考虑而将设备置于硬脊膜外面，招致了疗效上的固有缺点。硬脊膜外刺激电极和脊髓之间的CSF填充腔的存在显著地降低了该设备创建选择性地包含脊髓的目标子区域的大量的电激活(electricalactivat1n)的能力。这由CSF的导电性能引起。CSF是远比脊柱内的任何其它组织更有效的电导体(Holsheimer，1998年)。当由硬脊膜外电极传递的电刺激横穿硬脊膜并进入硬脊膜和脊髓之间的CSF填充腔时，刺激的绝大部分被电气“分流”扩散在该CSF填充腔内。研究者估计硬脊膜外刺激导致脊髓接收少于所传递刺激的10%。刺激效应穿透脊髓的距离为0.25mm或更小且广义体积模式包括目标(即背柱)和非目标(即背根)神经结构(He等人，1994 年，Holsheimer, 1998 年，Holsheimer, 2002 年，Holsheimer 等人，2007 年)。
[0013]现有技术的这些限制在临床上的重要性反映在由设备制造商作出的对缓和所述问题的许多努力上。这些包括对空间分布的多触点硬脊膜外阵列和实现电荷分布在广大变化的解剖模式上的传递的刺激方案(stimulat1n protocols)的发展。该策略允许医师调整硬脊膜表面上的最大刺激的解剖学位置，但CSF分流的存在继续明显地减弱脊髓内的刺激效果。临床医生还使用出于机械地减小CSF填充腔的大小的目的在硬脊膜外腔内放置多个圆柱形电极并将电极触点置换到更靠近脊髓的位置的策略(Holsheimer等人，2007年)。由SCS设备的最大生产商之一最近引进的设备改造寻求解决与当病人改变体位时发生的脊髓在CSF填充的椎管内的移动相关的问题。这些体位的改变改变了硬脊膜外电源和脊髓之间的空间关系，以及组织激活的模式。新设备出于达到稳定疗效的目的感测病人的体位并自动调整刺激参数。如同迄今为止被引入的所有其它的SCS设计变化，体位传感器的添加并没有解决电刺激的CSF分流的根本问题。
【发明内容】
[0014]本发明解决了一个重大的公共健康问题:医学上的顽固性慢性疼痛。具体地，本发明的实施方式为遭受由损伤或影响人体的肌肉骨骼、外周神经和其它器官系统的疾病引起的慢性疼痛综合征的病人提供了用于提供有效的症状缓解的设备和方法。更具体地，本发明的实施方式提供了适于神经系统的组织的电刺激的外科手术植入设备。再具体些，本发明的一些示例性实施方式提供了可选地通过将来自可位于硬脊膜上、围绕脊髓的电信号发生器的信号无线感应耦合到适于被直接植入在脊髓的表面上的电极组件来实现对脊髓的直接电刺激，从而消除对配置穿过