[发明专利]用于治疗神经系统紊乱的对于能量效率最优化的波形形状

说明书

相关申请

本申请要求于2010年5月27日提交的题为“用于神经刺激的能量-优化双相波形形状(Energy-Optimal Biphasic Waveform Shapes for Neural Stimulation)”的第61/348,963号美国临时专利申请的权益，其通过引用结合到本文中。

政府特许权利

本发明部分在政府支持的美国国立卫生研究院(NIH)基金第R01 NS040894号和第R21 NS054048号资助下进行。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及在哺乳动物特别是人类中刺激神经的系统和方法。

背景技术

可植入的和外部的电刺激器帮助了成千上万的神经障碍的个体。这些刺激器产生电波形，它们通过导线被递送至目标组织区域以治疗神经障碍。使用电刺激治疗神经障碍的实例包括深部大脑刺激、脑皮层刺激(cortical stimulation)、迷走神经刺激、骶神经刺激、脊髓刺激和心脏起搏器和心脏去纤颤器。

可植入刺激器通过原电池或可充电电池供电。当原电池的能量耗尽时，必须通过昂贵的且入侵性的外科手术更换整个刺激器。可充电电池的能量容量决定了再充电间隔，以及植入物的整体体积。

减少电池更换手术的频率或缩短再充电间隔以及减少刺激器自身的物理尺寸(体积)具有临床益处。问题是如何在不牺牲临床功效和产生不希望的副作用的前提下通过改变刺激参数来实现所述目标。例如，不可孤立地看待刺激的能量效率(即，用于产生给定的刺激脉冲需要消耗多少能量)。在植入设备中刺激的电荷效率同样是重要的考虑方面。在刺激脉冲中递送的电荷增加了组织损伤的风险(Yuen等，1981；McCreery等，1990)。如果能量效率刺激参数递送过量的电荷，则高能量效率的益处将被减少。

如在图1A和图1B中所示，刺激参数的能量效率取决于刺激脉冲的振幅(典型地例如以从10μA向上达10mA表示)；刺激脉冲的宽度或持续时间(典型地例如以从20μs向上达500μs表示)；施加时间内的脉冲频率(典型地例如以从10Hz向上达200Hz表示)；和脉冲的形状或波形(例如，典型地，取决于治疗目标，正方形(矩形)(参见图2A)，或上升斜坡(参见图2B)，或正弦曲线(参见图2C)，或下降指数(参见图2D)，或上升指数(参见图2E))。

以前的研究已经使用被动膜模型以分析波形形状对效率的影响。所有使用被动膜模型的以前的研究均已得出结论：能量最佳波形形状为上升指数型(Offner1946；Fisher 2000；Kajimoti等，2004；Jezernik和Morari，2005)。

然而，在更真实的模型和体内实验中，本发明人已经发现，上升指数波形证明并不比矩形波形、斜坡或衰减指数波形的能量效率高。事实上，在真实膜模型中，本发明人已经发现，由于定义模型中的兴奋性膜的方程的复杂性和非线性，因此不能通过分析确定能量最佳波形的形状。同样，因为可能波形形状的数量是无限的，因此检测每种可能波形形状的“强力(brute force)”方法也不可行。

发明内容

本发明的一个方面提供了结合最优化算法的体系和方法论，如将全局优化算法(例如遗传算法)结合至哺乳动物有髓鞘的轴突的细胞外刺激的计算模型，用于导出一组对于所需参数(如能量效率)经优化的刺激波形。

本发明的一个方面提供了将遗传算法(GA)结合至哺乳动物细胞有髓鞘的轴突的细胞外刺激的计算模型的系统和方法论，用于导出一组对于能量效率最优化的刺激波形。本发明的此方面使得以系统方式产生和分析验证能量-优化波形形状成为可能。

本发明的另一方面提供了包括一组使用特定设置的遗传算法(GA)优化的刺激波形的系统和方法论，所述优化的刺激波形在神经刺激过程中较常规波形更具能量-效率，以及在体内兴奋神经纤维方面较常规波形更具能量-效率。优化的GA波形也是电荷有效的。

根据本发明导出的能量-效率最优化的刺激波形使得延长刺激器的电池寿命成为可能，从而降低充电频率、花费、更换电池的外科手术风险和可植入刺激器的体积。