[发明专利]具有脉冲控制的电刺激系统

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的美国专利申请No.61/791/805的优先权权益，该申请的内容通过引用被结合于此。

技术领域

本公开内容涉及电刺激，并且例如，涉及功能性电刺激设备和系统。

背景技术

功能性电刺激(FES)的一般原理的根基在于神经和肌肉激励的生理过程。这些激励是在体内发生在神经和肌肉级别的动作电位(AP)的结果。AP是用于神经肌肉系统的信使信号。它们响应于刺激而在肌肉和神经系统组织中发生，其中刺激可以是天然的或人工的。在FES的情况下，这些刺激是电荷脉冲。依赖于这些刺激的幅度、持续时间和频率，它们会导致在不同组织中的激励。FES疗法使用这些激励脉冲治疗患者在身体不同区域中的损伤。由于生成AP的复杂性，能够生成这些AP的人工电刺激脉冲可能要求用于FES应用的特定脉冲类型和刺激方案。

所有体细胞都显示膜电位，这是跨膜的正和负电荷的分离。这种电位关于细胞内和细胞外液体之间钾离子(K⁺离子)、钠离子(Na⁺离子)和大细胞内蛋白质阴离子的不均匀分布并且关于质膜对这些离子的微分磁导率并且关于激活离子泵机制。

两种类型的细胞，肌肉细胞和神经细胞，逐步显现出对这种膜电位的专门用途。神经和肌肉是在它们的静息电位通过激励或其它生物过程改变时产生动作电位的可激励组织。动作电位允许神经和肌肉细胞进行通信。FES使用电脉冲形式的人工刺激在不同组织中引发激励。

神经肌肉电刺激(NMES)是改善运动原功能的有用治疗方法之一。调查NMES的使用的研究已经证明在关节活动范围、力和扭矩的产生、肌电图(EMG)肌肉活动的幅度以及肌肉张力方面的改进。功能性电刺激(FES)是一种设备介导的疗法，它在具有不同形式的神经肌肉病症的患者中，举几个例子来说，诸如中风、脊髓损伤、多发性硬化、大脑性麻痹和外伤性脑损伤等等，集成了感官运动原系统的电刺激与麻痹肢或身体部分或身体功能的重复功能性运动。

一些已知的FES设备，虽然有用，但是对于达到其全部潜能方面具有有限的成功。例如，一些之前的设备由于对时间特点和幅度的部分控制而无法保证随时间推移的电荷平衡。它们还提供有限数量的脉冲并且为了在不同FES应用中使用而需要复杂且昂贵的调整。

无论如何，各种功能性电刺激器已经被使用一段时间，以改善具有各种神经系统和肌肉骨骼疾病和肌肉萎缩的患者的生活，以及用于对运动损伤的治疗。已知的FES设备提供激活单个或一组肌肉的电脉冲，以创建运动(神经假体应用)和/或积累肌肉质量(神经肌肉刺激应用)。FES设备还已经被用于治疗膀胱问题、缓解帕金森氏病的症状以及各种其它应用。一般而言，对于每种应用，使用特定的FES系统。

一些现有的已知刺激器通常产生或者电压或者电流调节的电脉冲。电流调节的脉冲一般向组织输送相同数量的电荷，而不考虑组织的电阻。但是，调节电流的一些现有系统具有非常缓慢的电压上升时间，这会导致高稳态电流，从而导致不适。

鉴于以下详细描述，可以认识到其它困难。

发明内容

在本文认识到，利用非常快的电压上升时间(例如，10到20ns)刺激导致实现相同刺激所需的显著更小的稳态电流。在本文认识到，快的上升时间会有助于减小施加到患者的刺激强度。

至少一些示例实施例涉及功能性电刺激(FES)系统及关联的方法。经由施加到活体的区域的一根或多根电极引线，系统向该区域提供脉冲刺激，该区域包括关联的电阻元素和关联的电容元素。该系统可以包括具有可控的输出电压的脉冲发生电路，以便向一根或多根电极引线生成恒定电压脉冲，其中每个恒定电压脉冲的对应电流信号包括到稳态电流值的指数衰减。该系统包括控制器，该控制器被配置成估计区域的关联的电阻元素，确定要施加到区域的指定的目标稳态电流值，并控制脉冲发生电路，以便在计算出的电压电平向一根或多根电极引线生成恒定电压脉冲，其中计算出的电压电平对所述区域实现指定的目标稳态电流值。