相關申請案的交叉參考

本申請案要求于2014年10月16日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/064,924的優(yōu)先權權益，該申請案的全部內容以引用方式并入本文中。

本申請案大體上涉及受到治療刺激的肌肉的生理狀態(tài)的評估。具體而言，本申請案涉及一種用于監(jiān)測肌肉康復的過程的系統(tǒng)和方法。

背景技術：

在背的下方區(qū)域或腰椎區(qū)域的背部疼痛是常見的。在許多情況下，背部疼痛的原因未知。人的背部是包含骨頭、肌肉、韌帶、肌腱、神經(jīng)和其它結構的復雜結構，這些結構共同形成脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)。脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)可以從概念上包含三個子系統(tǒng)：1)脊柱，其提供內在機械穩(wěn)定性；2)脊柱肌肉，其圍繞脊柱并且提供動態(tài)機械穩(wěn)定性；以及3)神經(jīng)運動控制單元，其通過協(xié)調的肌肉反應來評估和確定穩(wěn)定性的要求。在正常工作的系統(tǒng)中，存在于脊柱的結締組織和脊柱肌肉的肌梭中的神經(jīng)運動控制單元傳感器各自通過神經(jīng)將信號傳輸?shù)酱竽X的運動皮層，以提供例如肌肉施加的力或關節(jié)的位置等信息。運動皮層使用來自人體的神經(jīng)運動控制單元傳感器的信號來形成人體在空間中的位置的感覺。此感覺稱為本體感受。大腦的運動皮層將信號傳回脊柱肌肉以控制脊柱在空間中的位置。因此，在具有功能穩(wěn)定系統(tǒng)的患者中，三個子系統(tǒng)一起工作以形成向脊柱提供機械穩(wěn)定性的反饋回路。申請人意識到，下背痛通常由這些子系統(tǒng)的功能障礙以及反饋回路的擾亂引起。

背部疼痛的一些情況由脊柱的異常機制引起。脊柱由脊椎、韌帶(例如，脊柱韌帶)、盤環(huán)(discannulus)或關節(jié)囊(facetcapsule)組成。這些結構的退行性病變、韌帶的損傷、急性創(chuàng)傷或反覆性微創(chuàng)傷可能通過炎癥、生化和營養(yǎng)變化、免疫因素、終板或盤的結構或材料的變化以及神經(jīng)結構的病狀而引起背部疼痛。

據(jù)認為，在一些背部疼痛的患者中，脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)功能障礙。在正常情況下，存在于韌帶、關節(jié)囊、盤環(huán)和其它結締組織中的機械感受器產(chǎn)生描述脊柱姿勢、動作和負載的信號。這些信號將信息提供到神經(jīng)肌肉控制單元，所述神經(jīng)肌肉控制單元產(chǎn)生肌肉反應模式以激活和協(xié)調脊柱肌肉提供動態(tài)機械穩(wěn)定性。神經(jīng)肌肉控制單元基于若干因素產(chǎn)生肌肉反應模式，所述若干因素包含脊柱穩(wěn)定性的需求、姿勢控制、平衡和各個脊柱成分上的應力減小。如果脊柱結構(例如)由于受傷、退化或粘彈性蠕變而受到損傷，則可以調整肌肉穩(wěn)定性以補償和維持脊柱穩(wěn)定性。然而，韌帶損傷、軟組織疲勞、粘彈性蠕變和其它結締組織損傷可以使機械感受器產(chǎn)生關于脊椎位置、運動或負載的損壞信號，從而引起不當?shù)募∪夥磻?。另外，肌肉本身可能會受傷、疲勞、萎縮或失去強度，從而加重脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的功能障礙。此外，肌肉可能因痙攣、在應保持不活動時收縮、形成激痛點(triggerpoint)，或與其它肌肉無序收縮而破壞脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)。此肌肉功能障礙可以使肌肉脊柱機械感受器向運動皮層發(fā)送異常信號，這可以進一步通過反饋回路損傷正常肌肉激活模式。

通過此機制，對脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的破壞可以引起脊柱不穩(wěn)定性，脊柱不穩(wěn)定性可以引起下背疼痛。具體而言，當脊柱移動超過其中性區(qū)時，脊柱不穩(wěn)定性可以引起在脊柱結構上產(chǎn)生高負載。中性區(qū)是從中性位置測量的椎間運動的范圍，在所述范圍內，以最小內部阻力產(chǎn)生脊柱運動。高負載會引起炎癥、椎間盤退化、小關節(jié)退化和肌肉疲勞。由于終板和環(huán)具有豐富的神經(jīng)分布，因此認為，由脊柱不穩(wěn)定性引起的此類結構上的異常高的負載可能是疼痛的常見原因。到小關節(jié)的負載傳輸也可以隨椎間盤疾病的惡化而增加，從而導致小關節(jié)發(fā)炎和小關節(jié)疼痛。

對許多下背疼痛的患者來說，存在改善脊柱穩(wěn)定性的需要。申請人假設，背部的局部肌肉系統(tǒng)的重復性和偶發(fā)性收縮可以產(chǎn)生傳入信號到大腦，該傳入信號能夠重新激活或喚醒脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)，由此穩(wěn)定脊柱且減少疼痛。

局部肌肉系統(tǒng)包含深肌(deepmuscle)以及在脊椎上具有其起端或附著處的一些肌肉的部分。這些局部肌肉控制脊柱節(jié)段的剛度和椎間關系。所述局部肌肉提供用于對椎間運動的控制進行微調的高效機制。脊椎與脊椎連接在一起的腰椎多裂肌是局部肌肉系統(tǒng)中的肌肉的示例。

多裂肌是腰背部肌肉的最大和最內側肌肉。多裂肌具有復雜機構，所述復雜結構具有源于脊椎的錐板和棘突的重復的一系列神經(jīng)束，這些神經(jīng)束在尾部地展現(xiàn)一致的連接模式。這些神經(jīng)束布置在五個重疊組中，使得五個腰椎骨中的每一個產(chǎn)生這些組中的一個組。在每個節(jié)段層，神經(jīng)束由棘突的底部和尾外側邊緣產(chǎn)生，并且若干神經(jīng)束借助于共同的肌腱由棘突的尾側尖端產(chǎn)生。盡管在起端處彼此匯合，但是每組中的神經(jīng)束在尾部發(fā)散以采取獨立的連接到乳頭突起(mamillaryprocess)、髂骨和骶骨。連接到乳頭突起的神經(jīng)束中的一些深纖維連接到乳頭突起附近的小關節(jié)囊。背支神經(jīng)的內側支神經(jīng)支配來自給定椎骨的棘突的神經(jīng)束，所述背支神經(jīng)從所述椎骨下方產(chǎn)生。

腰椎多裂肌和其它骨骼肌由多個機械耦合在一起的特化細長細胞組成。神經(jīng)纖維在稱為終板的區(qū)域處連接到肌肉細胞。肌肉細胞或細胞組與使其受神經(jīng)支配的神經(jīng)纖維的的組合被稱為運動單位(motorunit)。運動單位具有不同大小，在給定相等的刺激時，與較小運動單位相比，較大運動單位產(chǎn)生較大的力。傳輸?shù)缴窠?jīng)的電信號將沿著神經(jīng)纖維行進并且引起肌肉纖維的細胞壁的去極化，由此在肌肉細胞內觸發(fā)生化過程，所述生化過程產(chǎn)生收縮抽搐以及合力產(chǎn)生。

骨骼肌神經(jīng)通常包含運動神經(jīng)和感覺神經(jīng)的混合。運動神經(jīng)是傳出神經(jīng)，其載送從大腦產(chǎn)生的電信號以引起肌肉的動作，并且感覺神經(jīng)是傳入神經(jīng)，其將信號從較遠結構載送到大腦以向大腦提供信息。

自從伽爾伐尼(galvani)在1791年觀察到青蛙的此種收縮之后，就知道了引起肌肉收縮的外部電刺激。隨著時間推移，已知施加電刺激以引起肌肉收縮的最節(jié)能方式是刺激運動單位的神經(jīng)纖維，因為刺激神經(jīng)纖維以引起收縮所需的能量比刺激肌肉以引起收縮所需的能量小1000倍。

如果電刺激電極放置于支配肌肉的神經(jīng)上或附近，則單個電脈沖將引起肌肉的單次收縮(稱為抽搐)。肌肉內的力快速增加并且更緩慢地衰退到零。主要通過所刺激的運動單位的數(shù)目來確定收縮的肌肉的量以及因此確定抽搐時的收縮力。

如果施加額外的刺激脈沖，則產(chǎn)生額外的抽搐。如果刺激速率使得在先前的抽搐衰退之前出現(xiàn)新刺激脈沖，則新抽搐將大部分疊加在先前抽搐上，從而產(chǎn)生力的總和。隨著刺激速率增加，此力的總和使得抽搐一起混合以產(chǎn)生平滑的收縮。力產(chǎn)生從間歇(快速抽搐)過渡到平滑收縮的刺激頻率通常稱為融合頻率。以融合頻率或高于融合頻率的速率進行刺激會引起平滑力產(chǎn)生。一般來說，刺激速率顯著高于融合頻率對收縮的強度或性質具有最小影響，并且實際上可能對肌肉疲勞具有不利影響。刺激頻率高于獲得所需(例如，最大)力必需的頻率是高能耗的，這是植入式裝置的重要考量。

功能性電刺激(fes)是施加電刺激以在神經(jīng)系統(tǒng)例如由于中風或脊髓損傷而受損之后使肢體重新動起來。fes是很多現(xiàn)有技術和科學出版物的主題。在fes中，目標一般是繞過受損神經(jīng)系統(tǒng)并且直接將電刺激提供到神經(jīng)或肌肉，這會刺激神經(jīng)系統(tǒng)的動作。fes的一個遠大目標是讓癱瘓的人能夠再次行走，這需要許多肌肉的協(xié)調動作來激活若干關節(jié)。對于脊髓損傷患者來說，通常感覺神經(jīng)系統(tǒng)以及運動系統(tǒng)受損，并且因此患病的人失去了肌肉和肢體正在做什么的本體感受。fes系統(tǒng)通常尋求通過附接到關節(jié)或肌肉的其它傳感器來再生或模仿受損的本體感覺系統(tǒng)。

神經(jīng)肌肉電刺激(nmes)是用于肌肉收縮的電刺激的一般領域的子集，因為其通常施加到在解剖學上完整，但以不同方式功能紊亂的神經(jīng)和肌肉。nmes可以通過外部系統(tǒng)，或在一些應用中，通過植入系統(tǒng)來傳遞。

通過外部施加皮膚電極的nmes已用于在相關關節(jié)受傷或手術后使骨骼肌康復。此方法通常用于在膝關節(jié)手術之后幫助腿的四頭肌的康復。已知電刺激不僅改進肌肉的強度和耐力，而且恢復對肌肉的功能紊亂運動控制。參看例如貢丹(gondin)等人的“electromyostimulationtrainingeffectsonneuraldriveandmusclearchitecture(對神經(jīng)驅動和肌肉架構的肌肉電刺激訓練效果)”，medicine&scienceinsports&exercise37,no.8,pp.1291-99(august2005)。

植入式nmes系統(tǒng)用于通過刺激支配尿道或肛門括約肌肌肉的神經(jīng)來治療失禁。例如，fang的第5,199,430號美國專利描述用于協(xié)助尿道括約肌放松的植入式電子設備。

對于在解剖學上完整(即，功能紊亂)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的康復，主要目標是恢復神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的正常功能。植入式nmes系統(tǒng)的一個應用是恢復脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的正常功能，以便改善遭受下背疼痛的患者的脊柱穩(wěn)定性。此應用描述于薩克斯(sachs)的第8,428,728和8,606,358號美國專利以及克羅斯比(crosby)的第2011/0224665號美國申請公開，所述專利和申請案中的每一個以引用方式全文并入本文中。這些參考文獻描述被設計成恢復神經(jīng)驅動并且使背部的局部肌肉(例如，多裂肌)康復以改進脊柱的穩(wěn)定性的植入式電刺激裝置。此處據(jù)推論，隨著時間推移，使用植入式nmes系統(tǒng)將適當?shù)碾姶碳ぬ峁┑蕉嗔鸭∫援a(chǎn)生多裂肌的重復性和偶發(fā)性收縮可以重新激活反饋回路和脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)。

另一形式的刺激治療是經(jīng)顱磁刺激(tms)，這也可以用于激活骨骼肌。在tms中，產(chǎn)生時變磁場以感應電流。用位于患者的顱骨上方的線圈施加此磁場可以在患者的大腦組織中感應電流。此技術已經(jīng)被用于通過在大腦的某些區(qū)域(主要位于運動皮層)上方施加和聚焦磁場來刺激運動皮層的部分。患者對tms脈沖的反應可以觀察為肌肉抽搐或電信號，例如，肌電圖(emg)。tms用于在由于半月板切除術而失去意志性四頭肌激活之后重新激活四頭肌。

例如nmes和tms的刺激治療的一個挑戰(zhàn)是監(jiān)測以確保刺激裝置適當定位，從而施加適當?shù)拇碳に讲⑶耶a(chǎn)生積極的治療效果。對于例如腰椎多裂肌的深神經(jīng)束等的深肌，監(jiān)測可能尤其具有挑戰(zhàn)性，所述深肌為收縮處于太深位置而無法在視覺上可靠地觀察。對于骨骼肌的康復來說，nmes和tms的相關挑戰(zhàn)是診斷治療何時成功并且何時可以中斷。這對于無法交流的患者(例如，幼兒)或不想交流的患者(例如，動機是治療不成功的裝病者，因為這將導致?lián)p失工傷保險補償)尤其重要。

因此，需要提供一種客觀地監(jiān)測進程并且診斷骨骼肌的刺激治療何時成功的系統(tǒng)和方法。為了未來治療的進一步研究和發(fā)展，還需要提供一種系統(tǒng)和方法，其能夠實現(xiàn)運動皮層的各個區(qū)域處的映射以及實現(xiàn)肌肉的運動皮層表示的產(chǎn)生和顯示。因此，提供一種實現(xiàn)由各個運動皮層刺激產(chǎn)生的肌肉反應的受控監(jiān)測的系統(tǒng)和方法將是非常有利的。此肌肉反應可以產(chǎn)生可記錄信號，例如，誘發(fā)電位。

誘發(fā)電位是從身體的一部分記錄的電信號，該電信號通過對身體的一部分提供刺激而產(chǎn)生。誘發(fā)電位包含(例如)體感誘發(fā)電位(ssep)、視覺誘發(fā)電位(vep)、運動誘發(fā)電位(mep)和腦干聽覺誘發(fā)電位(baep)。ssep由反映神經(jīng)結構在體感通路中的有序激活的一系列電波組成。可以在大腦皮層處或在沿著體感通路的各個位置處(包含在末梢神經(jīng)處)測量ssep?？梢匝刂w感通路(例如，在末梢神經(jīng)處)用電刺激觸發(fā)ssep。ssep還可以通過末梢神經(jīng)附近的機械刺激觸發(fā)。

在一些臨床程序中，誘發(fā)電位目前用作神經(jīng)功能的測量。誘發(fā)電位測試的當前臨床應用包含測量神經(jīng)信號傳導速度，這可以作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病(例如，多發(fā)性硬化)的重要診斷工具，并且包含在脊柱手術中驗證脊髓功能，如在麥克法林(mcfarli)等人的第8,016,846號美國專利以及蓋斯特(geist)等人的第7,981,144號美國專利中所描述。誘發(fā)電位還可以臨時用于幫助將電極放置在神經(jīng)系統(tǒng)中或附近，例如，背根神經(jīng)節(jié)處，如在金姆(kim)等人的第7,337,006號美國專利中所描述。已開發(fā)多種技術用于分析誘發(fā)電位，例如，在羅(luo)等人的第8,391,966號美國專利、福庫祖米(fukuzumi)等人的第5,638,825號美國專利以及勇(yong)等人的第8,498,697號美國專利中所描述的技術。

與其它生物信號相比，許多類型的誘發(fā)電位非常小。通常，在臨床情況下，當施加單個刺激時，誘發(fā)電位的小尺寸在原始數(shù)據(jù)中不可見。為了從背景噪聲中提取所關注的電信號，采用信號平均的技術。信號平均化可以是空間的、時間的或一些組合(即，空間-時間平均化)。在空間平均中，響應于刺激，在空間的某一區(qū)域內收集信號的數(shù)學組合。在時間平均中，響應于刺激，時間同步信號的數(shù)學組合。通過時間平均，使用模數(shù)轉換器對刺激之后記錄的電信號進行采樣，隨后樣本的時間序列相加并且除以樣本數(shù)以保持比例。時間序列與刺激事件同步。以此方式，與刺激異步的背景信號趨向于其平均值零，并且誘發(fā)電位平均值趨向于高于背景噪聲的有用值。信噪比用平均化的響應數(shù)的平方根來提高。如本領域技術人員將了解，通過待測量的誘發(fā)電位的本質確定濾波參數(shù)、采樣頻率和待平均的掃描數(shù)的特定組合。

在本文提供的描述中，術語“誘發(fā)電位”指電信號。存在響應于刺激產(chǎn)生的其它“誘發(fā)響應”信號，例如，肌肉響應于電刺激的力產(chǎn)生或移動以及眼睛響應于視覺刺激的運動(眼掃視)。

需要提供一種用于檢測和測量誘發(fā)電位和其它誘發(fā)響應以客觀地監(jiān)測進程、優(yōu)化治療并且診斷何時獲得骨骼肌的康復的系統(tǒng)或方法。

需要提供一種用于監(jiān)測和記錄用于腰椎多裂肌的康復的nmes或tms的進程的系統(tǒng)或方法。

此外，需要提供一種系統(tǒng)和方法，其提供所需數(shù)據(jù)以基于肌肉性能的測量調整nmes或tms系統(tǒng)的操作參數(shù)，由此不斷地優(yōu)化刺激系統(tǒng)。

還需要監(jiān)測刺激系統(tǒng)對組織的電活動的影響，例如，以確認申請人的以下假設：背部的局部肌肉系統(tǒng)的重復性和偶發(fā)性收縮產(chǎn)生到大腦的傳入信號，該傳入信號能夠重新激活或喚醒脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)。因此，需要提供一種能夠檢測和記錄由患者的身體響應于對背部的局部肌肉系統(tǒng)的重復性和偶發(fā)性刺激以及背部的局部肌肉系統(tǒng)的收縮而產(chǎn)生的信號的系統(tǒng)和/或方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過提供用于測量人體對刺激的反應以客觀地監(jiān)測刺激康復協(xié)議的進程以及對刺激康復協(xié)議作出明智調整的系統(tǒng)和方法來克服先前已知系統(tǒng)的缺點。

刺激監(jiān)測系統(tǒng)包含：用戶輸入接收器模塊，其被配置成從用戶接收刺激參數(shù)輸入；以及可選的刺激激活器模塊，其被配置成將從用戶接收的輸入傳輸?shù)酱碳て髂K。刺激器模塊可以被配置成基于刺激參數(shù)輸入而產(chǎn)生待施加到患者的身體的刺激。系統(tǒng)可以進一步包含：信號接收器模塊，其被配置成接收、檢測和記錄由身體響應于刺激而產(chǎn)生的響應信號；信號處理器模塊，其被配置成例如通過放大、濾波、數(shù)字化和時間平均化所記錄的信號來處理所記錄的響應信號；觸發(fā)檢測器模塊，其被配置成當產(chǎn)生刺激時警告信號處理器模塊以實現(xiàn)響應信號與刺激的同步以進行準確的時間平均化；以及圖形用戶接口，其被配置成將表示響應信號的數(shù)據(jù)提供給用戶。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于監(jiān)測肌肉的康復的方法。所述方法可以包含：從體外源接收限定第一刺激協(xié)議的第一輸入，其中第一刺激協(xié)議包含用于產(chǎn)生電流或電壓的多個參數(shù)；將第一刺激協(xié)議自動地施加到患者的身體的一部分以使與腰脊柱的控制相關聯(lián)的骨骼目標肌的收縮；自動地記錄由患者的身體響應于第一刺激協(xié)議而產(chǎn)生的響應信號；自動地處理所記錄的響應信號以產(chǎn)生處理信號；自動地顯示指示處理信號的信息；從體外源接收第二輸入以調整第一刺激協(xié)議；以及將調整后的刺激協(xié)議自動地施加到身體部分以使骨骼目標肌收縮。

第一輸入可以由臨床醫(yī)生輸入并且可以規(guī)定第一刺激協(xié)議的一個或多個參數(shù)。可以從(例如)脈沖振幅、脈沖寬度、刺激速率、刺激頻率、斜坡時間、循環(huán)時間、療程時間(sessiontiming)、占空比、激活的觸點、分配到每個觸點的電流百分比以及刺激的位置等的參數(shù)中選擇此類參數(shù)。

目標肌肉可能無力、損傷或功能障礙。在一個實施例中，目標肌肉是腰椎多裂肌。在另一實施例中，目標肌肉是腰椎多裂肌、腹橫肌、豎脊肌、髂肋肌或最長肌中的至少一個。第一刺激協(xié)議被施加到的患者的身體部分可以是使腰椎多裂肌受神經(jīng)支配的背側支神經(jīng)的內側支。

第一刺激協(xié)議的電流或電壓可以包含由植入神經(jīng)肌肉電刺激裝置產(chǎn)生的多個電脈沖，并且電脈沖可以通過第一植入刺激電極施加到患者的身體。

響應信號可以是電信號、力信號或運動信號中的至少一個。在一個實施例中，響應信號是誘發(fā)電位。響應信號可以由第二植入電極(其可以是記錄電極或刺激和記錄電極)記錄，并且所記錄響應信號或處理信號可以無線地傳輸?shù)酵獠拷邮掌鳌；蛘?，響應信號可以由在身體的頭部、頸部、脊柱或其它部分處附接到患者的表面電極記錄，并且所記錄響應信號可以由處理器通過有線或無線連接從表面電極接收。在另一替代實施例中，電流可以由經(jīng)顱磁刺激裝置產(chǎn)生并由電感線圈施加到患者的顱骨，并且響應信號可以由在深骨骼目標組織上、中或附近植入的植入記錄電極記錄，并且所記錄響應信號或處理信號可以無線地傳輸?shù)酵獠拷邮掌鳌?/p>

如果所記錄響應信號是電信號，則處理所記錄響應信號可以包含：放大所記錄響應信號；濾波所記錄響應信號；數(shù)字化所記錄響應信號；和/或時間平均化所記錄響應信號。在時間平均化所記錄響應信號的實施例中，所述方法可以進一步包含在開始施加第一刺激協(xié)議時產(chǎn)生觸發(fā)信號；以及使所記錄響應信號與觸發(fā)信號同步。

指示處理信號的信息可以顯示在計算機監(jiān)測器或其它顯示屏上。此信息可以包含處理信號的波形。另外或替代地，所顯示信息可以包含處理信號的一個或多個定量度量，例如：振幅、寬度、頻率、相對于第一刺激協(xié)議的施加的時延，和/或斜率。

所述方法可以進一步包含：記錄響應于調整后的刺激協(xié)議而產(chǎn)生的第二響應信號；處理第二響應信號以產(chǎn)生第二處理信號；以及顯示指示第二處理信號的信息。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于監(jiān)測肌肉的康復的反饋回路系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以包含：用戶接口，其被配置成從用戶接收限定刺激協(xié)議的第一輸入，所述刺激協(xié)議包括用于產(chǎn)生電流的多個參數(shù)；經(jīng)顱磁刺激裝置，其以通信方式耦合到用戶接口以接收刺激協(xié)議，所述經(jīng)顱磁刺激裝置包括可定位在患者的顱骨上方并且被配置成根據(jù)刺激協(xié)議產(chǎn)生電磁場的電感線圈；植入式裝置，其包括記錄電極和處理器，所述處理器被配置成接收、檢測和記錄由身體響應于刺激協(xié)議而產(chǎn)生的響應信號；觸發(fā)檢測器，其以通信方式耦合到經(jīng)顱磁刺激裝置并且被配置成在施加刺激協(xié)議之后將無線信號傳輸?shù)街踩胧窖b置；以及外部接收器，其包括無線地耦合到植入式裝置并且被配置成從植入式裝置接收響應信號的電磁或射頻遙測單元；以及具有屏幕的輸出顯示器，所述屏幕被配置成顯示表示響應信號的數(shù)據(jù)。

觸發(fā)檢測器可以包含電磁或射頻遙測單元。經(jīng)顱磁刺激裝置的電感回路可以容納在鄰近或接觸頭部的頭盔或其它單元內。用戶接口和輸出顯示器可以集成到共同裝置中。類似地，觸發(fā)檢測器和外部接收器可以集成到共同裝置中。

附圖說明

圖1a和1b各自描繪表示根據(jù)本發(fā)明的原理構造的刺激監(jiān)測系統(tǒng)的示例性實施例的功能特征的功能框圖。

圖2a描繪根據(jù)本發(fā)明的原理構造的刺激監(jiān)測系統(tǒng)的示例性實施例的一般框圖。在所描繪系統(tǒng)中，植入式nmes裝置產(chǎn)生刺激脈沖并且進一步記錄響應信號。

圖2b和2c描繪圖2a的刺激監(jiān)測系統(tǒng)的替代性一般框圖，其中圖2b的系統(tǒng)具有外部放置的記錄電極以及用于記錄響應信號的位于外部的裝置，并且圖2c的系統(tǒng)具有產(chǎn)生刺激的位于外部的tms裝置以及記錄響應信號的植入式記錄裝置。

圖3a描繪形成根據(jù)本發(fā)明的原理構造的刺激監(jiān)測系統(tǒng)的示例性實施例的一些或所有組件的示意圖。在所描繪系統(tǒng)中，植入式nmes裝置產(chǎn)生刺激脈沖并且進一步記錄響應信號。

圖3b和圖3c描繪圖3a的刺激監(jiān)測系統(tǒng)的替代性示意圖，其中圖3b的系統(tǒng)具有類似于圖3a的植入式nmes裝置，其中提供額外的外部組件，并且圖3c的系統(tǒng)具有用于產(chǎn)生刺激的位于外部的tms裝置以及用于記錄響應信號的植入式記錄裝置。

圖4描繪植入式nmes裝置(例如，圖3的nmes裝置)的一般框圖。

圖5描繪編程計算機(例如，在圖3的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的編程計算機)的一般框圖。

圖6描繪根據(jù)本發(fā)明的原理的用于施加、監(jiān)測和調整刺激治療的示例性方法。

具體實施方式

本文描述用于監(jiān)測骨骼肌的刺激治療的系統(tǒng)和方法。神經(jīng)肌肉電刺激(nmes)和經(jīng)顱磁刺激(tms)越來越多地用于治療肌肉以及使肌肉康復。人們認為，此療法可以通過改進肌肉與控制肌肉的神經(jīng)系統(tǒng)之間的反饋回路的功能來達到積極的效果。nmes可以通過植入的nmes設備應用于患者，例如，通過在薩克斯(sachs)的第8,428,728和8,606,358號美國專利以及克羅斯比(crosby)的第2011/0224665號美國申請公開中描述的可植入式脈沖發(fā)生器(ipg)，所述專利和申請案中的每一個以引用方式并入本文中。或者，tms可以從外部使用位于患者的顱骨上或附近的電磁線圈來應用于患者。盡管已知此類技術將引起肌肉收縮的刺激電流或電壓傳遞到患者，所述肌肉收縮可以導致肌肉功能改善，但是難以監(jiān)測此療法的精確生理效應。需要一種反饋系統(tǒng)，所述反饋系統(tǒng)使臨床醫(yī)生能夠客觀地且定量地監(jiān)測由刺激治療引起的生理變化。

本文描述的各個實施例提供一種滿足上述需求中的一個或多個的反饋系統(tǒng)。本文揭示的系統(tǒng)和相關方法可以使臨床醫(yī)生能夠在刺激治療期間和之后定量地追蹤神經(jīng)功能的變化，由此使臨床醫(yī)生能夠追蹤治療進程且觀察治療調整的效果。通過此數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)生能夠優(yōu)化肌肉康復治療。

參考圖1a和圖1b，提供根據(jù)本發(fā)明的原理構造的示例性刺激監(jiān)測系統(tǒng)的概述。圖1b的刺激監(jiān)測系統(tǒng)10’類似于圖1a的刺激監(jiān)測系統(tǒng)1構造，其中通過相似的帶上標的參考數(shù)字識別相似組件。在每個實施例中，系統(tǒng)都產(chǎn)生可以引起肌肉收縮的刺激并且向用戶提供關于此刺激的效果的反饋。在圖1a和圖1b中，該系統(tǒng)從功能上描述為，其中功能框圖中的每個塊表示刺激監(jiān)測系統(tǒng)10或10’的不同功能模塊。系統(tǒng)10/10'每個都包含，至少包含，刺激構件(例如，刺激器11或tms系統(tǒng)18和19)、信號接收器12/12’和信號處理器13/13’。這些模塊一起用于：向患者的身體bo的一部分提供刺激，以及測量由患者的神經(jīng)系統(tǒng)ns的一部分作為響應產(chǎn)生的誘發(fā)電位或其它響應信號。

在一個實施例中，刺激器11是電刺激源；所述刺激器產(chǎn)生待施加到患者的身體bo的刺激。刺激器11可以是例如可植入式nmes裝置。在各個實施例中，刺激器11將電信號傳遞到刺激電極、刺激線圈或被配置和定位成將電流或電壓施加到患者的一部分的其它施用器。在刺激器11被配置成植入的實施例中，刺激器11可以包含例如通過導線耦合到nmes裝置或可植入式脈沖發(fā)生器(ipg)的一個或多個電極。電極可以被定位成在神經(jīng)進入骨骼肌的位置刺激末梢神經(jīng)，所述骨骼肌可以是多裂肌、腹橫肌、腰方肌、腰大肌、內直肌、腹外斜肌、髂肋肌、最長肌和豎棘肌中的一個或多個。此刺激可以誘發(fā)肌肉的收縮以恢復神經(jīng)控制并且使肌肉康復，由此改善腰脊柱的局部節(jié)段肌肉的肌肉功能，改善腰脊柱穩(wěn)定性并且減少背部疼痛。

在替代實施例中，通過tms系統(tǒng)施加刺激，所述tms系統(tǒng)包含連接到tms控制單元19的線圈18。tms系統(tǒng)產(chǎn)生使大腦的運動皮層中的神經(jīng)元興奮的磁場，由此引發(fā)信號，所述信號可以導致與由神經(jīng)的電刺激引發(fā)的肌肉收縮類似的肌肉收縮。

信號接收器12/12’接收、檢測和記錄響應信號，所述響應信號由身體bo響應于刺激(例如，從大腦)產(chǎn)生。信號接收器12/12’從一個或多個記錄電極接收信號。在一些實施例中，可植入式nmes裝置耦合到刺激和記錄電極并且執(zhí)行刺激器11和信號接收器12兩者的功能。優(yōu)選地，記錄電極被配置成記錄由背的腰椎部分(例如，背支的內側支)中的神經(jīng)產(chǎn)生的誘發(fā)電位。因此，記錄電極被配置成：在背的腰椎部分內的目標神經(jīng)上、周圍或附近植入患者內，或從外部施加在目標神經(jīng)的位置上方或附近。在其它實施例中，信號接收器12是單獨植入的記錄裝置。

在另一些其它實施例中，信號接收器12是外部裝置，例如，外部控制器，所述外部裝置可以包含被編程以接收和記錄從外部記錄電極接收的信號的處理器。外部記錄電極可以放置在適當位置中以接收響應信號，例如，放置在被刺激神經(jīng)或肌肉附近或大腦皮層上方的顱骨上。

信號處理器13/13'例如通過放大、濾波、數(shù)字化和時間平均化記錄信號來處理記錄信號以形成處理信號。信號處理器13/13’可以另外分析處理信號以識別有臨床意義的數(shù)據(jù)，例如，處理信號的平均振幅、峰值振幅、頻率、形狀或斜率。信號處理器13/13'從信號接收器12/12’接收記錄信號。各個實施例的信號處理器13/13’是計算機處理器，其經(jīng)配置，例如具有編程指令，以執(zhí)行信號處理并且可選地信號分析功能。在一些實施例中，通過位于單獨設備內的多個計算機處理器執(zhí)行信號處理器13/13’的功能。例如，在一些實施例中，信號的放大和濾波發(fā)生在第一裝置內，而信號的數(shù)字化和時間平均化發(fā)生在第二裝置內。信號分析可以發(fā)生在第三裝置內?？梢酝ㄟ^可植入式nmes裝置或單獨植入的記錄裝置執(zhí)行一些或所有信號處理器13/13’功能。另外或替代地，一些或所有信號處理器13/13’功能可以通過例如外部控制器或編程計算機的外部裝置執(zhí)行。

如所描繪，圖1a的系統(tǒng)10還包含用戶輸入接收器14、可選的刺激激活器15、觸發(fā)檢測器16和輸出顯示器17。類似地，圖1b的所描繪系統(tǒng)10’還包含用戶輸入接收器14’、觸發(fā)檢測器16’和輸出顯示器17’。在刺激監(jiān)測系統(tǒng)10/10’內，用戶輸入接收器14/14’用于從用戶接收指令以選擇刺激協(xié)議并且調整刺激參數(shù)。例如，使用用戶輸入接收器14/14’，用戶可能夠編程刺激的強度、持續(xù)時間、脈沖模式、頻率、開始時間和/或停止時間。可以通過本領域技術人員已知的任何合適的輸入裝置執(zhí)行用戶輸入接收器14/14’功能，所述輸入裝置例如，鼠標、鍵盤、一個或多個旋鈕、一個或多個按鈕或觸摸屏。用戶輸入接收器14/14’被配置成使用已知的通信技術通過有線和/或無線通信將指示用戶輸入的信號傳輸?shù)酱碳ぜせ钇?5、刺激器11和/或tms控制單元19。

在圖1a的實施例中，可選的刺激激活器15使用已知的通信技術通過有線或無線通信將從用戶接收的指令從用戶輸入接收器14傳輸?shù)酱碳て?1。指令以電信號的形式傳輸。作為示例，當刺激器11是可植入nmes裝置時，刺激激活器15是具有以通信方式耦合到輸入接收器14的外部控制器的外部裝置。外部控制器將從輸入接收器14接收的信號傳輸?shù)絥mes裝置，以便根據(jù)從用戶接收的指令開始、停止、設定和/或調制刺激信號。如下文更詳細描述，外部控制器可以包含電感線圈或可用于將信號跨越皮膚無線地傳輸?shù)轿挥趦炔康膎mes裝置的其它天線。

在其它實施例中，當刺激構件是例如tms系統(tǒng)(包含tms控制單元19和線圈18)的外部刺激裝置時，可以不需要刺激激活器15。在此類實施例中，用于開始和停止刺激的刺激參數(shù)和指令可以從輸入接收器14’直接傳送到tms控制單元19。在一個實施例中，用戶輸入接收器14’集成到tms控制單元19中，使得tms控制單元19還執(zhí)行用戶輸入接收器14’的功能并且不需要單獨裝置或信號的外部傳輸。

觸發(fā)檢測器16與刺激器11通信并且識別何時產(chǎn)生刺激。類似地，觸發(fā)檢測器16’與tms控制單元19通信以識別何時產(chǎn)生刺激。觸發(fā)檢測器16/16’還與信號處理器13/13’通信，從而在識別刺激之后將數(shù)據(jù)發(fā)送到信號處理器13/13’。從觸發(fā)檢測器16/16’接收的數(shù)據(jù)通過信號處理器13/13’開始信號處理和分析，并且由此實現(xiàn)響應信號與刺激的同步。有利的是，響應信號與刺激的同步實現(xiàn)準確的時間平均化?？梢酝ㄟ^外部控制器執(zhí)行觸發(fā)檢測器16功能，所述外部控制器耦合到外部信號處理裝置和植入式刺激裝置?；蛘撸梢酝ㄟ^外部控制器執(zhí)行觸發(fā)檢測器16/16’功能，所述外部控制器耦合到外部刺激裝置和植入式信號處理裝置。

輸出顯示器17/17’將反饋和刺激結果提供到用戶。例如，輸出顯示器17/17’可以顯示圖形用戶接口(gui)，所述圖形用戶接口向用戶提供刺激信號和/或處理信號的視覺表示。另外或替代地，輸出顯示器17/17’可以顯示gui，所述gui向用戶提供指示所記錄響應信號或處理信號的視覺呈現(xiàn)的數(shù)字數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)可以包含處理信號的平均振幅、峰值振幅、頻率，或斜率，或通過信號處理器計算的其它數(shù)據(jù)。輸出顯示器可以包含觸摸屏，或其它屏幕、顯示器，或用于呈現(xiàn)或傳送結果的其它輸出裝置。在一些實施例中，輸出顯示器17/17’和用戶輸入接收器14/14’集成到例如筆記本電腦、平板電腦、智能手機，或其它計算裝置的共同裝置中。

根據(jù)輸出顯示器17/17’的gui中顯示的視覺表示，醫(yī)療保健人員可以能夠識別關于刺激所針對的一個或多個肌肉的一個或多個特征和/或獲得一個或多個診斷或其它結論。例如，醫(yī)療保健人員可能夠根據(jù)gui內顯示的信息識別最近去神經(jīng)支配肌肉和受神經(jīng)支配肌肉的定量度量特征。最近去神經(jīng)支配肌肉可以例如通過正銳波和/或纖維性顫動(fibrillation)識別；最近受神經(jīng)支配的肌肉可以例如通過多向電位識別。本文所提供的一個或多個系統(tǒng)和/或方法可以實現(xiàn)神經(jīng)再支配的追蹤。

參考圖2a，提供在刺激監(jiān)測系統(tǒng)的一個實施例中的結構組件的框圖。在系統(tǒng)100中，系統(tǒng)100的不同組件被植入，而其它組件在體外。具體而言，在圖2a中，nmes裝置30被植入身體內并且被配置成執(zhí)行與上文關于圖1a的刺激器11描述的那些功能類似的功能。在所描繪的實施例中，nmes裝置30還被配置成執(zhí)行與信號接收器12的功能類似的功能以及由圖1a中的信號處理器13執(zhí)行的功能中的至少一些功能。計算機50可以可選地執(zhí)行由信號處理器13執(zhí)行的額外功能。計算機50進一步被配置成執(zhí)行用戶輸入接收器14和輸出顯示器17的功能。刺激激活器15功能可以通過外部控制器40執(zhí)行。如果通過計算機50執(zhí)行信號同步和時間平均化的信號處理步驟，則外部控制器40還執(zhí)行與觸發(fā)檢測器16類似的功能?；蛘?，nmes裝置30還執(zhí)行此類信號處理步驟和觸發(fā)檢測器16的功能。

在圖2a中，nmes裝置30是脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器例如通過具有安置于其上的電極的一個或多個導線連接到多個刺激電極20，以將一個或多個電脈沖傳遞到身體bo的一部分。刺激電極20可以位于末梢神經(jīng)附近或周圍，例如，位于神經(jīng)進入骨骼肌的位置處或附近。在優(yōu)選實施例中，刺激電極20可以位于使腰椎多裂肌受神經(jīng)支配的背側支神經(jīng)的內側支上或附近。刺激電極20可以將神經(jīng)肌肉電刺激脈沖傳遞到神經(jīng)。

在此實施例以及本文所描述的其它實施例中，各個刺激構件(例如，刺激電極和脈沖發(fā)生器或tms控制單元和線圈)可以誘發(fā)肌肉的收縮，以隨著時間推移實現(xiàn)神經(jīng)控制的恢復和肌肉的康復，如在薩克斯(sachs)的第8,428,728號和第8,606,358號上述美國專利中所描述。另外或替代地，刺激構件可以被配置成傳遞足夠低強度的電刺激，所述電刺激不會引起肌肉收縮，但是可以刺激本體感覺(即，傳入)通路，由此將輸入提供到大腦以幫助恢復神經(jīng)控制和肌肉的康復。刺激參數(shù)的適當選擇可以產(chǎn)生肌肉收縮和本體感覺信號。

nmes裝置30還可以連接到記錄電極25以接收從身體bo記錄的信號，包含誘發(fā)電位。在所描繪的實施例中，植入式刺激電極20和記錄電極25是安置于單獨導線上的單獨電極；然而，本領域技術人員應了解，位于一個導線上的一組電極可以用作刺激和記錄電極?；蛘?，一組刺激電極和單獨的一組記錄電極可以位于同一導線上。如果記錄電極25安置于與刺激電極導線分離的導線上，則記錄電極25可以靠近或遠離刺激電極植入。如本領域技術人員將明白，各個電極位置和配置將是可接受的，包含一個、兩個、三個、四個或更多個電極的使用。一個或多個電極可以是多個電極的陣列，或可以是簡單的單個電極，其中電路包括放置在任何位置(例如，皮膚表面塊)的電極(未示出)。

nmes裝置30可以由外部控制器40控制并且可選地由外部控制器40供電，所述外部控制器通過天線與nmes裝置30通信，所述天線可以包括被配置成跨越皮膚sk以雙向方式傳輸功率和傳送信息的電感線圈。適當?shù)奶炀€技術是本領域技術人員熟知的并且可以包含磁體、一卷電線、長距離遙測系統(tǒng)(例如，使用可購自加拿大渥太華的卓聯(lián)半導體公司(zarlinksemiconductor)的micsrftelemetry)，或類似于起轉器程序控制器的技術?；蛘?，線圈可以存在于外部控制器40內以僅傳輸功率，和/或單獨的射頻發(fā)射器可以提供于外部控制器40和nmes裝置30中以建立雙向數(shù)據(jù)通信。

外部控制器40可以硬線連接(通過電纜連接)到計算機50或無線連接到計算機50。計算機50可以是具有微處理器52、輸入裝置54和輸出裝置56的常規(guī)筆記本電腦、臺式電腦或平板計算機。在某些實施例中，輸入裝置54包含鼠標和鍵盤，并且輸出裝置56包含顯示屏。在其它實施例中，觸摸屏形成輸入裝置54和輸出裝置56兩者。

在所說明的實施例中，軟件可以安裝在存儲器中并由計算機50內的處理器52執(zhí)行，并且被臨床醫(yī)生使用以提供通過外部控制器40傳送到nmes裝置30的編程。在病人就診期間，外部控制器40可以耦合到計算機50以下載存儲于nmes裝置30上的檢查數(shù)據(jù)，或調整nmes裝置的操作參數(shù)。

在使用時，計算機處理器52運行軟件應用程序，所述軟件應用程序使臨床醫(yī)生能夠通過使用輸入裝置54輸入選擇來選擇刺激協(xié)議和/或調整刺激參數(shù)。這些輸入由計算機50傳遞到外部控制器40，所述外部控制器將此類輸入無線傳送到nmes裝置30。nmes裝置30根據(jù)輸入產(chǎn)生刺激協(xié)議，從而通過刺激電極20將一個或多個電脈沖傳遞到患者的身體bo的一部分。作為響應，此種刺激從身體bo的神經(jīng)系統(tǒng)ns引發(fā)電信號，即誘發(fā)電位。還具有存在于身體bo內的其它信號。這些信號可以對刺激監(jiān)測系統(tǒng)100產(chǎn)生噪聲。因此，當記錄電極25記錄來自身體bo的信號時，所述信號可以含有噪聲和誘發(fā)電位兩者。記錄電極25通過導線將含有誘發(fā)電位的信號傳遞到nmes系統(tǒng)30。nmes裝置30存儲、放大和數(shù)字化信號以無線傳輸?shù)酵獠靠刂破?0，所述外部控制器進而將信號傳送到計算機50。

當外部控制器40在本文中通常描述為單個裝置時，本領域技術人員將了解，可以通過兩個或兩個以上裝置執(zhí)行外部控制器40的功能。例如，如圖2a中所示，系統(tǒng)可以包含外部控制器40和可選的遠程控制器45。在此類實施例中，外部控制器40耦合到計算機50并且被配置成從計算機50接收編程數(shù)據(jù)，例如，刺激協(xié)議數(shù)據(jù)。外部控制器40進一步被配置成將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絥mes裝置30，以編程nmes裝置30以供操作。遠程控制器45可以包含接口、處理器和通信構件，并且被配置成將信號傳輸?shù)絥mes裝置30以開始和停止個別刺激療程。此系統(tǒng)更詳細地描述于薩克斯(sachs)等人的第2014/0046398號美國申請公開中，所述申請以引用方式全文并入本文中。盡管未示出，但是本文預期圖2b的外部控制器40’和圖2c的外部控制器40”還可以實施于兩個或兩個以上的單獨裝置，例如，外部控制器和遠程控制器中。

為了增加刺激監(jiān)測的準確性，可以執(zhí)行信號的進一步處理以改進誘發(fā)電位的信噪比。在所描繪的實施例中，可以通過nmes裝置30和/或編程計算機50執(zhí)行此處理。信號處理可以包含：放大，例如通過運算放大器放大；濾波，例如通過低通、高通和/或帶通濾波器濾波；數(shù)字化；以及平均化，例如通過時間平均化來平均化。所記錄響應信號的所述處理產(chǎn)生處理信號，所述處理信號可以被分析以識別所關注測量并且向臨床醫(yī)生提供所關注測量。還可以通過nmes裝置30或計算機處理器52執(zhí)行此分析。指示所處理誘發(fā)電位信號的數(shù)據(jù)隨后可以在輸出裝置56上向臨床醫(yī)生顯示。

參考圖2b，刺激反饋系統(tǒng)100’類似于圖2a的反饋系統(tǒng)100構造，其中通過相似的帶上標的參考數(shù)字識別相似組件。因此，例如，圖2b中的30’對應于圖2a的30等。如通過比較圖2a和圖2b觀察到，nmes裝置30’不直接連接到記錄電極25’；所述nmes裝置被配置成僅刺激。nmes裝置30’連接到刺激電極20’以將一個或多個電脈沖傳遞到患者的身體bo的一部分。類似于圖2a，臨床醫(yī)生可以與具有微處理器52’、輸入裝置54’和輸出裝置56’的計算機50’交互，以輸入新的刺激參數(shù)，調整現(xiàn)有參數(shù)并且接收關于誘發(fā)電位的呈數(shù)據(jù)形式的視覺反饋以監(jiān)測刺激的效果。在圖2b中，計算機50’硬線連接(通過電纜連接)到外部控制器40’或無線連接到外部控制器40’，所述外部控制器進而無線耦合到nmes裝置30’。在所描繪實施例中，外部控制器40’還耦合到位于外部的記錄電極25’。此記錄電極25’可以是一次性的或可重復使用的皮膚表面電極、針電極或細線電極。外部記錄電極25’施加在合適位置上以檢測誘發(fā)電位。記錄電極可以放置于患者的脊柱上方、頭皮上或所關注肌肉上方；在一些實施例中，記錄電極25’放置于腰椎多裂肌上方或附近。在一些實施例中，放置多個記錄電極，以便記錄從患者的身體上的多個位置產(chǎn)生的信號。

在所描繪實施例中，nmes裝置30’執(zhí)行刺激器11功能，而外部控制器40’內的微處理器單元執(zhí)行刺激激活器15、觸發(fā)檢測器16以及可選地信號處理器13功能。外部控制器40’還執(zhí)行信號接收器12功能。計算機50’可以另外或替代地執(zhí)行信號處理13功能。計算機50’另外執(zhí)行用戶輸入接收器14和輸出顯示器17的功能。

如本領域技術人員將了解，盡管nmes裝置30和30'是說明性地可植入的，但是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，這些裝置可以臨時地或永久地安置于患者的身體外部。在此實施例中，nmes裝置30或30’可以通過經(jīng)皮導線耦合到電極?；蛘撸琻mes裝置和電極可以完全在外部，使得導線在合適位置上施加到皮膚，以引發(fā)肌肉刺激和收縮。

參考圖2c，構造刺激反饋系統(tǒng)100”以執(zhí)行與圖2a的反饋系統(tǒng)100類似的功能。在圖2c中，通過類似的帶雙上標的參考數(shù)字識別與圖2a的組件類似的組件。如通過比較圖2a和圖2c觀察到，nmes裝置或刺激電極都不存在于刺激監(jiān)測系統(tǒng)100”中。相反，刺激通過tms系統(tǒng)60產(chǎn)生并且通過電磁線圈68從外部施加到身體bo。如在圖2a中，可以引導刺激以引起肌肉(例如，背部的局部肌肉系統(tǒng)中的肌肉)的刺激和收縮。優(yōu)選地，可以引導刺激以引起腰椎多裂肌或其它下背部肌肉的刺激和收縮，以使所述肌肉康復。

在使用時，tms系統(tǒng)60的處理器62運行軟件應用程序，所述軟件應用程序使臨床醫(yī)生能夠通過使用輸入裝置64輸入此類參數(shù)來設定和/或調整刺激參數(shù)。tms系統(tǒng)60根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生刺激協(xié)議，從而將電磁場施加到患者大腦的一部分(例如，運動皮層或其一部分)上，以便將刺激電流傳遞到患者。作為響應，此種刺激從身體bo的神經(jīng)系統(tǒng)ns引發(fā)電信號，即誘發(fā)電位。植入式記錄電極25”記錄來自身體bo的信號時，所述信號可以含有誘發(fā)電位以及另外噪聲。記錄電極25”隨后將信號傳遞到植入式記錄裝置70，記錄電極通過導線耦合到所述植入式記錄裝置。植入式記錄裝置70存儲、放大和數(shù)字化信號，使得數(shù)字化信號(或其更多處理版本)可以無線地傳送到外部控制器40”。外部控制器40”進而將數(shù)字化信號(或其處理版本)傳送回tms系統(tǒng)60。

如圖2a中，為了增加刺激監(jiān)測的準確性，處理信號以改進所記錄響應信號(例如，誘發(fā)電位)的信噪比。信號處理可以包含放大、濾波、數(shù)字化和時間平均化。此處理產(chǎn)生所處理誘發(fā)電位信號，可以分析所述所處理誘發(fā)電位信號以識別所關注測量并且向臨床醫(yī)生提供所關注測量。信號處理和分析可以通過以下所述裝置中的一個或多個來進行：植入式記錄裝置70、外部控制器40”以及tms系統(tǒng)60。指示所處理誘發(fā)電位信號的數(shù)據(jù)可以在輸出裝置66上向臨床醫(yī)生顯示。一些實施例的輸出裝置66是在tms系統(tǒng)60內提供的顯示器屏幕。

在所描繪實施例中，tms系統(tǒng)60的組件執(zhí)行用戶輸入接收器14’、tms控制單元19、線圈18和輸出顯示器17功能。植入式記錄裝置70執(zhí)行信號接收器12’以及可選地信號處理13’功能。外部控制器40”和/或tms系統(tǒng)60可以另外或替代地執(zhí)行信號處理13’和觸發(fā)檢測器16’功能。

現(xiàn)在參考圖3a，描述刺激監(jiān)測系統(tǒng)1000的一個示例性實施例。具體來說，圖3a提供與圖2a中的塊中描繪的那些組件類似的組件的一般示意圖。在圖3a中，未在相對或絕對基礎上按比例描繪系統(tǒng)的組件。刺激器系統(tǒng)1000包含電極導線200、呈可植入脈沖發(fā)生器(ipg)的形式的nmes裝置300、外部控制器400和編程計算機500。

電極導線200包含具有多個電極(說明性地，電極204、206、208和210)的導線體202。電極導線200被配置用于植入組織中或附近，所述組織例如，神經(jīng)組織、肌肉、韌帶和/或包含與腰脊柱的局部節(jié)段控制相關聯(lián)的組織的關節(jié)囊。電極導線200例如通過連接器塊302耦合到nmes裝置300。nmes裝置300被配置成產(chǎn)生脈沖，使得電極204、206、208和/或210將神經(jīng)肌肉電刺激傳遞到目標組織。在一個實施例中，電極可以被定位成在神經(jīng)進入骨骼肌的位置刺激末梢神經(jīng)，所述骨骼肌可以是多裂肌、腹橫肌、腰方肌、腰大肌、內直肌、腹外斜肌和豎棘肌中的一個或多個。此刺激可以誘發(fā)肌肉的收縮以恢復神經(jīng)控制并且使肌肉康復，由此改善腰脊柱的局部節(jié)段肌肉的肌肉功能，改善腰脊柱穩(wěn)定性并且減少背部疼痛。另外或替代地，此刺激可以刺激本體感覺通路，由此將輸入提供到大腦以幫助恢復神經(jīng)控制和肌肉的康復。電極可以是環(huán)形電極、部分電極、分段電極、放置于使目標肌肉受神經(jīng)支配的神經(jīng)周圍的神經(jīng)卡膚電極(cuffelectrode)，或類似者。另外，如本領域技術人員將理解，電極導線可以含有多于或少于四個的電極。

在一些實施例中，電極導線200的電極204、206、208和210傳遞和記錄電信號。在其它實施例中，電極導線200上的一個或多個電極刺激時，電極導線200上的一個或多個不同的電極記錄。在另一些其它實施例中，系統(tǒng)1000包含至少兩個導線，第一導線具有一組刺激電極并且第二導線具有一組記錄電極。

nmes裝置300被配置成產(chǎn)生電傳輸?shù)诫姌O導線200的脈沖。在其它有源可植入醫(yī)療裝置中常見的是，nmes裝置電子設備容納在密封的金屬外殼304中。外殼304可以包括鈦或其它生物相容性材料，并且包含允許電極導線200通過通道306電耦合到外殼304內的電子設備的連接器塊302。通道306耦合到導體308、310、312和314，所述導體耦合到nmes裝置電子設備。當電極導線200的近端224插入通道306內時，導體308、310、312和314在近端224上電耦合到多個觸點，所述觸點進而電耦合到電極204、206、208和210。定位螺釘316被配置成在定位螺釘保持器244上擰緊以將電極導線200的一部分固定在通道306內。nmes裝置300可以進一步包含具有四個額外導體的第二通道(未示出)。兩個單獨通道可以用于促進雙側刺激或可以用于附接單獨導線以用于刺激和記錄。

外部控制器400被配置成通過將指令從外部編程計算機500傳輸?shù)絥mes裝置來控制nmes裝置300的內部功能組件。在所描繪實施例中，外部控制器400進一步被配置成從nmes裝置300接收含有誘發(fā)電位的數(shù)字化信號，并且將所述數(shù)字化信號傳遞到外部編程計算機500以供刺激結果的進一步處理、分析和/或顯示。外部控制器400包含允許能量和數(shù)據(jù)在nmes裝置300與編程計算機500之間傳輸?shù)倪b測組件。遙測組件可以包括電感線圈或rf收發(fā)器，所述電感線圈或rf收發(fā)器被配置成跨越患者的皮膚sk以雙向方式將信息傳送到nmes裝置300，并且可選地將功率傳輸?shù)絥mes裝置300。

可選地，外部控制器400可以包含可商購的微控制器單元，所述微控制器單元包含可編程微處理器和存儲器，以處理從nmes裝置300接收的信號。在所描繪實施例中，外部控制器400主要用作植入式nmes裝置300與體外編程計算機500之間的信號媒介，并且所有信號處理和分析通過nmes裝置和/或編程計算機執(zhí)行。

編程計算機500包含可編程微處理器、例如eeprom的非易失性存儲器以及例如閃存存儲器的非易失性存儲裝置。編程計算機500的存儲器可以存儲程序指令，所述程序指令在由編程計算機500的處理器502執(zhí)行時使處理器和nmes裝置300提供本文中歸因于所述程序指令的功能。

參考圖3b，刺激反饋系統(tǒng)1000’類似于圖3a的反饋系統(tǒng)1000構造，其中通過相似的帶上標的參考數(shù)字識別相似組件。因此，例如，圖3b中的300’對應于圖3a的300等。如通過比較圖3a和圖3b觀察到，在圖3b中，系統(tǒng)1000’包含額外組件。具體來說，圖3b包含外部控制器400’和遠程控制器450兩者。這些組件一起執(zhí)行由圖3a中的外部控制器400執(zhí)行的功能。例如，外部控制器400’可以在臨床醫(yī)生的辦公室內用于編程植入式nmes裝置300’，并且遠程控制器450可以由用戶(例如，患者)用于控制有限數(shù)目個操作參數(shù)，包含開始和/或停止個別刺激療程。外部控制器400’和遠程控制器450兩者可以被配置成使用已知的無線通信技術將信號無線地傳輸?shù)絥mes裝置300’。此系統(tǒng)設定更詳細地描述于薩克斯(sachs)等人的第2014/0046398號美國申請公開中，所述申請以引用方式全文并入本文中。

參考圖3c，刺激反饋系統(tǒng)1000”被構造以執(zhí)行與圖3a的反饋系統(tǒng)1000類似的功能。在圖3c中，通過類似的帶雙上標的參考數(shù)字識別與圖3a的組件類似的組件。如通過比較圖3a和圖3c觀察到，nmes裝置或刺激電極都不存在于刺激監(jiān)測系統(tǒng)1000”中。相反，刺激通過tms系統(tǒng)600產(chǎn)生并且通過電磁線圈608從外部施加到患者。

tms系統(tǒng)600由多個組件形成，包含輸入裝置604、輸出裝置606、處理器602和電磁線圈608。在所描繪的實施例中，輸入裝置604、輸出裝置606和處理器602一起形成具有與圖3a的計算機500相同或相似特性的計算裝置的部分。此計算裝置可以是平板計算機、筆記本電腦、臺式計算機或移動計算裝置。電磁線圈608被示為連接到計算裝置并且可以通過有線或無線連接進行控制。在另一實施例中，tms系統(tǒng)600的各個組件形成專用和集成tms裝置。專用tms裝置內的計算機仍可以具有與圖3a的計算機500相同或相似特性。

在圖3c中，輸入裝置604被配置成從用戶(例如，臨床醫(yī)生)接收輸入，以設定和/或調整用于系統(tǒng)1000”的刺激參數(shù)。處理器602被配置成處理在輸入裝置604處接收到的用戶輸入并且基于用戶輸入激活電磁線圈608。在使用時，根據(jù)用戶設定刺激參數(shù)的刺激通過電磁線圈608施加，所述電磁線圈被定位和配置成將電磁場施加到患者大腦的一部分(例如，運動皮層)上。電磁場產(chǎn)生刺激電流。此種刺激從神經(jīng)系統(tǒng)引發(fā)電信號，即，誘發(fā)電位。優(yōu)選地，電極導線250被植入到所關注神經(jīng)(例如，腰背部區(qū)域的神經(jīng))上、周圍、鄰近或附近，使得當通過神經(jīng)產(chǎn)生誘發(fā)電位時，電極導線250上的一個或多個記錄電極252、254或256記錄信號。在使用時，記錄電極導線250連接到植入式記錄裝置700，并且被配置成將記錄信號傳輸?shù)接涗浹b置700，以供存儲、放大和數(shù)字化。記錄裝置700可以含有軟件和/硬件以實現(xiàn)此類信號處理步驟。記錄裝置700進一步被配置成通過已知的無線通信技術將數(shù)字化信號無線地傳送到外部控制器400”。外部控制器400”進而被配置成將數(shù)字化信號發(fā)送到tms系統(tǒng)600。外部控制器400”可以通過有線或無線連接連接到tms系統(tǒng)600的至少一部分。tms系統(tǒng)600可以執(zhí)行數(shù)字化信號的額外處理，并且輸出裝置606被配置成例如通過gui顯示指示在數(shù)字化信號內發(fā)現(xiàn)的誘發(fā)電位的數(shù)據(jù)。

在圖4中的一般示意圖中表示nmes裝置的內部功能組件。盡管以下描述參考圖3a的nmes裝置300，但是這樣做僅為了便于參考，并且本領域技術人員將理解，在此相對于nmes裝置300描述的一些或所有特征可以存在于nmes裝置300’和/或植入式記錄裝置700中。

nmes裝置300可以包含控制單元318，與外部控制器400雙向通信的構件、電源324、電極開關陣列326、系統(tǒng)傳感器328和可選的治療電路模塊330。雙向通信的構件可以包括耦合到線圈322的遙測系統(tǒng)320和采用耦合到天線334的收發(fā)器332的通信電路中的一個或兩個。

控制單元318電耦合到nmes裝置300的內部功能組件，并且被配置成控制nmes裝置300的內部功能組件?？刂茊卧?18可以包括可商購的微控制器單元，其包含可編程微處理器、易失性存儲器、非易失性存儲器，例如用于存儲編程的eeprom、以及非易失性存儲裝置，例如用于存儲系統(tǒng)操作參數(shù)和患者數(shù)據(jù)的日志的閃存存儲器?？刂茊卧?18的存儲器可以收集和存儲在治療刺激期間從記錄電極接收到的含有誘發(fā)電位(原始或處理后)的所有信號，直到此類信號可以傳輸?shù)脚R床醫(yī)生的編程計算機?？刂茊卧?18的存儲器進一步存儲程序指令，所述程序指令在由控制單元318的處理器執(zhí)行時使處理器和nmes裝置300的功能組件提供歸因于此處所述程序指令的功能?？刂茊卧?18可以被配置成可編程的，使得編程數(shù)據(jù)存儲于控制單元318的存儲器中，并且可以使用外部控制器400和編程計算機500調整。編程數(shù)據(jù)可以包含脈沖振幅(電壓或電流)、脈沖寬度、刺激速率、刺激頻率、斜坡時間、循環(huán)時間、療程時間、占空比、電極配置、激活的觸點的位置和數(shù)目、分配到每個觸點的總電流的百分比。根據(jù)一個實施例，可編程參數(shù)、參數(shù)的范圍以及標稱值是：

控制單元318可編程以允許導線上的電極的任何選定組合之間的電刺激，由此提供簡單的雙極配置。另外，控制單元318可以被編程以保衛(wèi)式(guarded)雙極配置(1個以上的陽極圍繞中央陰極)傳遞刺激脈沖，或nmes裝置外殼304可以被編程為陽極，從而實現(xiàn)從電極中的任一個的單極刺激。

控制單元318可以進一步被編程有軟件程序以計算電極導線200處的阻抗。例如，控制單元318可以引導電源324以將電信號發(fā)送到發(fā)射電力的一個或多個電極。一個或多個其它電極接收所發(fā)射電力并且將接收信號發(fā)送到控制單元318，所述控制單元運行例程以基于發(fā)送信號和接收信號而計算阻抗。

控制單元318可選地耦合到包含遙測系統(tǒng)320的通信電路，所述遙測系統(tǒng)電耦合到線圈322，所述通信系統(tǒng)允許刺激命令以及可選地電力在nmes裝置300與外部控制器400之間傳輸，使得nmes裝置300可以通過外部控制器400由編程計算機500供電、編程和/或控制。例如，控制單元318可以響應于通過線圈322和遙測系統(tǒng)320從外部控制器400的對應遙測系統(tǒng)和線圈接收的刺激命令而開始或停止治療療程。作為另一實例，響應于通過線圈322和遙測系統(tǒng)320從外部控制器400接收的編程數(shù)據(jù)，控制單元318可以引導脈沖振幅(電壓或電流)、脈沖寬度、刺激速率、刺激頻率、斜坡時間、循環(huán)時間、療程時間、占空比、電極配置、激活的觸點的位置和數(shù)目、分配到每個觸點的總電流的百分比中的至少一個的改變。

用于遙測系統(tǒng)320和線圈322的技術是本領域技術人員熟知的并且可以包含磁體、短距離遙測系統(tǒng)、長距離遙測系統(tǒng)(例如，使用可購自加拿大渥太華的卓聯(lián)半導體公司(zarlinksemiconductor)的micsrftelemetry)，或類似于起轉器程序控制器的技術。

或者，線圈322可以用于僅傳輸電力，并且單獨的射頻(rf)收發(fā)器332和天線334可以在nmes裝置300內提供并且補充的rf發(fā)射器可以提供于外部控制器400中以建立雙向或單向數(shù)據(jù)通信。

在另一替代實施例中，具有收發(fā)器332和天線334的通信電路可以替代耦合到線圈322的遙測系統(tǒng)320。在此實施例中，收發(fā)器332優(yōu)選地包括rf收發(fā)器并且被配置用于通過天線334與安置于外部控制器400中的類似收發(fā)器電路雙向通信。例如，收發(fā)器332可以從外部控制器400接收刺激命令和編程數(shù)據(jù)。響應于從外部控制器400的對應收發(fā)器和天線接收的編程數(shù)據(jù)和/或刺激命令，包含用于開始或停止治療療程的命令，控制單元318可以引導脈沖振幅(電壓或電流)、脈沖寬度、刺激速率、刺激頻率、斜坡時間、循環(huán)時間、療程時間、占空比、電極配置、激活的觸點的位置和數(shù)目、分配到每個觸點的總電流的百分比中的至少一個的改變。收發(fā)器332還可以包含操作的低功率模式，使得所述收發(fā)器周期性地喚醒以偵聽傳入的消息，并且僅對包含分配到所述nmes裝置的唯一裝置標識符的那些消息作出響應。另外，收發(fā)器332可以采用加密例程以確保無法攔截或偽造從nmes裝置300發(fā)送或由nmes裝置300接收的消息。

除了從外部控制器400接收編程數(shù)據(jù)之外，雙向通信的構件(耦合到線圈322的遙測系統(tǒng)320和/或具有耦合到天線334的收發(fā)器332的通信電路)被配置成將信號傳輸回外部控制器400。具體而言，通信構件可以用于將所記錄響應信號、處理版本的信號和/或反映所處理誘發(fā)電位信號的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠靠刂破?00，以傳遞到編程計算機500以供分析和/或展示。

電源324為nmes裝置300的電氣組件供電，并且可以包括初級電池或蓄電池、次級(可再充電)電池或蓄電池，或兩者的組合。或者，電源324可以不包含電池或蓄電池，但是替代地包括電容器，所述電容器存儲經(jīng)由經(jīng)表皮能量傳輸系統(tǒng)(tet)，例如通過電感耦合或經(jīng)由微波能或經(jīng)由超聲波，傳輸通過皮膚的能量。在優(yōu)選實施例中，電源324包括鋰離子蓄電池。

控制單元318可以進一步耦合到電極開關陣列326，使得電極導線中的電極的任何子集可以可選擇地耦合到治療電路模塊330，如下文詳細描述。以此方式，可以從植入患者的身體中的電極的全部選擇中選擇適當?shù)碾姌O組，以實現(xiàn)所需治療效果。電極開關陣列326優(yōu)選地以高速操作，由此允許連續(xù)的刺激脈沖施加到不同電極組合。電極開關陣列326還可以使nmes裝置300能夠刺激和記錄刺激。當nmes裝置300不產(chǎn)生刺激脈沖時，所述nmes裝置偵聽來自導線處的記錄電極250的電信號。在一組電極進行刺激和記錄兩者的實施例中，電極開關陣列326可以在傳遞刺激脈沖之后充分地使電極去極化，使得電極準備接收電信號而不引起失真。在一個優(yōu)選實施例中，電極開關陣列326使nmes裝置300能夠在在一組電極上刺激與在不同組的電極上偵聽之間快速轉變，或同時執(zhí)行在一組電極上刺激和在不同組的電極上偵聽，由此在獲取響應信號的情況下允許刺激的重疊。

系統(tǒng)傳感器328可以包括一個或多個傳感器，其監(jiān)測nmes裝置300的系統(tǒng)的操作，并且記錄與系統(tǒng)操作以及系統(tǒng)故障有關的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)可以存儲于日志中以稍后使用編程計算機500讀出。在一個實施例中，系統(tǒng)傳感器328包含磁性傳感器，所述磁性傳感器被配置成感測磁場并且基于所感測磁場將信號傳輸?shù)娇刂茊卧?18，使得控制單元開始或停止治療療程。在另一實施例中，系統(tǒng)傳感器328包含一個或多個傳感器，所述傳感器被配置成感測肌肉收縮并且基于肌肉收縮而產(chǎn)生傳感器信號?？刂茊卧?18被配置成從系統(tǒng)傳感器328接收傳感器信號并且可以被配置成基于傳感器信號而調整刺激參數(shù)。在一個實施例中，系統(tǒng)傳感器328感測肌肉運動的增加或減少，并且控制單元318增加或減小刺激頻率以保持平滑和連續(xù)的肌肉收縮。

在一個實施例中，傳感器328可以包含加速計，所述加速計感測由肌肉收縮引起的肌肉運動或加速。加速計可以是1軸、2軸或3軸模擬或數(shù)字加速計，其確定(例如)患者活躍還是睡著或感測患者的總體活動，這可以作為臨床參數(shù)的替代測量(例如，越多活動暗示越少疼痛)；和/或心率或呼吸率(每分通氣量)監(jiān)測器，例如，所述監(jiān)測器可以使用安置于電極導線上的電極中的一個或多個獲得。在另外的實施例中，所提供的傳感器可以包含用于確定在地球表面上的方向的磁力計。加速計(和/或磁力計)可以用于在任何時候確定nmes裝置300的定向以及根據(jù)推理確定患者的定向。例如，在植入之后，外部控制器400可以用于例如在患者平躺時從植入物獲取讀數(shù)，以校準加速計的定向。如果在治療傳遞期間指示患者平躺，則加速計可以被編程以在刺激期間記錄患者的定向，由此提供關于病人配合度的信息。在其它實施例中，系統(tǒng)傳感器328可以包含被配置成感測肌肉收縮并且基于肌肉收縮產(chǎn)生傳感器信號的壓力傳感器、運動傳感器和/或應變計，并且在另一實施例中，包含加速計、磁力計、壓力傳感器、運動傳感器和/或應變計中的至少一個的各種組合。

傳感器328還可以包含，例如，用于測量外殼304內的水分的濕度傳感器，所述濕度傳感器可以提供與電子組件的狀態(tài)有關的信息，或包含溫度傳感器，例如，用于在充電期間測量蓄電池溫度以確保蓄電池的安全操作。來自系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)可以由控制單元318記入日志并且存儲于非易失性存儲器中，以稍后傳輸?shù)骄幊逃嬎銠C500。

如本領域技術人員將理解，系統(tǒng)傳感器328可以放置于各個位置中，包含在外殼302內，在所刺激的組織內或附近，和/或靠近待收縮且通過單獨導線連接到nmes裝置300的肌肉。在其它實施例中，傳感器324可以集成到用于刺激的導線中的一個或多個中，或可以是一個或多個獨立的傳感器，所述傳感器使用例如射頻(rf)信號可操作地耦合到nmes裝置300以傳輸和接收數(shù)據(jù)。

控制器318還可以耦合到可選的治療電路模塊330，所述治療電路模塊提供多個互補治療刺激、鎮(zhèn)痛刺激(例如，末梢神經(jīng)刺激或脊髓刺激)、反饋或消融治療方式中的任一個。nmes裝置300說明性地包含一個治療電路模塊330，但是取決于具體實施例的預期應用，額外的電路模塊可以用于具體實施例中，如在轉讓給本發(fā)明的申請人的克羅斯比(crosby)的第2011/0224665號美國專利申請公開中所描述，所述專利的全部內容以引用方式并入本文中。治療電路模塊330可以被配置成提供不同類型的刺激，或者誘發(fā)肌肉收縮、提供傳入神經(jīng)刺激以掩飾疼痛感覺，或者阻止傳入神經(jīng)纖維中的疼痛信號；監(jiān)測由刺激誘發(fā)的肌肉收縮并且按需要調整所施加的刺激機制以獲得所需結果；或選擇性地且間斷地切除神經(jīng)纖維以控制疼痛并且由此促進肌肉康復。

圖5提供編程計算機500的內部組件的功能框圖。本領域技術人員將了解，編程計算機500的組件的描述還適用于編程計算機500’以及其中提供處理器602的tms系統(tǒng)600。盡管單獨地描述，但是應了解，功能塊不需要是單獨的結構元件。例如，處理器502和存儲器508可以實施于單個芯片中；存儲器508可以實施于易失性和非易失性存儲器中；并且處理器502和接口510可以實施于單個芯片中。

處理器502可以是通用處理器、數(shù)字信號處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)或其它可編程邏輯器件、離散門或晶體管邏輯、離散硬件組件，或被設計成執(zhí)行本文所描述的功能的其任何合適組合。處理器502還可以實施為計算裝置的組合，例如，dsp和微處理器的組合，多個微處理器，結合dsp核心的一個或多個微處理器，或任何其它此配置。

處理器502通過一個或多個總線耦合以從存儲器508讀取信息和/或將信息寫入存儲器508。處理器502可以另外或替代地含有存儲器，例如，處理器寄存器。存儲器508可以包含處理器高速緩沖存儲器，包含多級分層高速緩沖存儲器，其中不同級具有不同容量和訪問速度。存儲器508還可以包含隨機存取存儲器(ram)、其它易失性存儲裝置、或非易失性存儲裝置，例如，硬盤驅動器、光盤、閃存存儲器和固態(tài)驅動器。

處理器502結合存儲于存儲器508中的軟件執(zhí)行操作系統(tǒng)，例如，windows、macos、macios、android、unix或solaris。處理器502還執(zhí)行存儲于存儲器508中的軟件應用程序。例如，存儲器508可以存儲各種刺激協(xié)議，所述刺激協(xié)議提供多個治療刺激、鎮(zhèn)痛、反饋或消融治療方式中的任一個。另外或替代地，存儲器508可以存儲用于處理和分析通過外部控制器400從nmes裝置300接收的所記錄響應信號的指令。另外或替代地，存儲器508可以存儲用于圖形用戶接口的程序指令，所述程序指令使臨床醫(yī)生能夠與編程計算機500交互以提供用于調整一個或多個刺激參數(shù)所需的合適用戶輸入，所述刺激參數(shù)包含脈沖振幅(電壓或電流)、脈沖寬度、刺激速率、刺激頻率和電極配置。在一個非限制性實施例中，軟件包括例如unixkornshell腳本。在其它實施例中，軟件可以用本領域技術人員已知的任何合適編程語言編寫，所述編程語言包含例如c++、php、ruby或java。

處理器502還耦合到輸入裝置504和輸出裝置506，以分別從臨床醫(yī)生或其它用戶接收輸入以及將輸出提供給臨床醫(yī)生或其它用戶。合適的輸入裝置包含，但不限于，鍵盤、按鈕、按鍵、開關、指向裝置、鼠標、操縱桿、遠程控制、運動檢測器和麥克風(可能耦合到音頻處理軟件以例如檢測語音命令)。合適的輸出裝置包含，但不限于，顯示器屏幕、觸摸屏和可聽見的輸出裝置。

處理器502可以進一步耦合到輸入/輸出接口510，所述輸入/輸出接口將由處理器502產(chǎn)生的信號傳送到耦合裝置，例如，外部控制器400，并且類似地從耦合裝置接收信號。在耦合裝置無線地耦合到處理器502的實施例中，輸入/輸出接口510可以包含無線收發(fā)器，所述無線收發(fā)器無線地調制和解調所傳送的信號。

盡管已在圖2a至圖5中描繪以及在本文中描述了刺激監(jiān)測系統(tǒng)100的示例性組件，本領域技術人員將了解，本文中使用的“示例性”表示“用作示例或說明”并且不應解釋為比其它實施例更為優(yōu)選或有利。在不脫離本文所呈現(xiàn)的主題的精神和范圍的情況下，可以利用其它實施例并且可以作出修改。如本文所描述和說明的本發(fā)明的各方面可以布置、組合和設計成各種不同配置，所有方面都被明確預期并且形成本公開的一部分。圖1中描繪的刺激監(jiān)測系統(tǒng)100的功能模塊以及下文和本文其它地方描述的方法可以通過上述組件或用合適的可編程指令和電極執(zhí)行，所述功能和方法可以通過在克羅斯比(crosby)的第2014/0058476號美國申請公開中描述的裝置或在薩克斯(sachs)的第2014/0046398號美國申請公開中描述的裝置執(zhí)行，所述申請公開案中的每一個通過引用全文并入本文中。

現(xiàn)在參考圖6，提供用于施加、監(jiān)測和調整刺激治療的示例性方法1600。在優(yōu)選實施例中，本文所描述的方法用于優(yōu)化骨骼肌的刺激。可以施加刺激，以便引起收縮并且最終改進肌肉強度和功能。另外或替代地，可以施加刺激以刺激本體感覺通路，并且最終恢復神經(jīng)控制并使肌肉康復。例如，一個實施例的方法用于優(yōu)化對腰椎多裂肌或其它背部肌肉的刺激治療，以便重新激活運動皮層與背部肌肉之間的正常生理控制信號，以減少脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的功能紊亂、穩(wěn)定脊柱并且減少下背疼痛。

在方法1600的步驟1602處，從用戶直接或間接地接收一個或多個輸入，所述輸入限定包含一個或多個電脈沖的第一刺激協(xié)議?？梢酝ㄟ^具有用戶接口的裝置(例如，輸入裝置54、54’、64、504、504’或604)接收輸入，所述用戶接口耦合到微處理器。用戶可以從存在于圖形用戶接口中的多個選項選擇第一刺激協(xié)議；另外或替代地，用戶可以輸入針對刺激協(xié)議的選擇個別參數(shù)的輸入。此類參數(shù)可以包含以下項中的一個或多個：脈沖振幅(電壓或電流)、脈沖寬度、刺激速率、刺激頻率、斜坡時間、循環(huán)時間、療程時間、占空比、電極配置、激活的觸點的位置和數(shù)目，以及分配到每個觸點的總電流的百分比。用戶可以是臨床醫(yī)生，例如，外科醫(yī)生或醫(yī)療技術人員。第一刺激協(xié)議可以提供治療刺激的應用，例如，預期使肌肉康復并增強肌肉的刺激和/或預期刺激傳入神經(jīng)通路并恢復神經(jīng)控制的刺激。或者，協(xié)議可以提供診斷刺激，所述診斷刺激僅刺激所關注組織以便觀察和追蹤身體對此類刺激的反應。通過追蹤身體反應隨時間的變化，單獨施加的刺激治療或其它治療的進程可以是可觀察的?；蛘?，協(xié)議可以提供用于研究目的。通過追蹤對運動皮層刺激的位置改變的身體反應變化，運動皮層的映射是可能的，因為其與各種肌肉的控制有關。在優(yōu)選實施例中，刺激協(xié)議是治療刺激。

任何數(shù)目的刺激協(xié)議可用于選擇或另外可以由用戶輸入。示例性協(xié)議包含施加以下項：慢間隔脈沖(例如，1至2hz)，所述脈沖中的每一個引起單次肌肉收縮；頻率增加直到達到融合頻率的脈沖(通常，對于類型i/慢抽搐肌為12至15hz并且對于類型ii/快抽搐肌為15至20hz)；低強度長時間脈沖，其可以阻止神經(jīng)纖維去極化；或包括電脈沖的“振動”刺激，所述電脈沖具有比對于每個脈沖引起單個明確脈沖收縮的脈沖高，但低于融合頻率的頻率，此刺激頻率(例如，2至10hz)可以響應于振動而激活某些生理結構或通路。

示例性刺激協(xié)議包含以下參數(shù)：以20hz的頻率刺激10秒、隨后休息20秒(不刺激)，重復20分鐘。此協(xié)議可以每天施加一次、兩次或更多次。

替代的刺激機制可以用于第一刺激協(xié)議并且可以基于治療的患者的具體情況來選擇。例如，如果基本的生理問題是傳入通路(即，從身體到大腦的本體感覺信號)的擾亂，則用于最大化傳入刺激的刺激機制可以產(chǎn)生更佳或更快的效果。此刺激機制可以包含短暫的突然的肌肉收縮，例如，收縮2秒，隨后放松2秒，以在肌肉收縮開始和停止時產(chǎn)生更多的傳入刺激。在另一示例中，如果基本的生理問題是腰椎多裂肌的收縮強度不夠，則具有更長持續(xù)時間和更高收縮力的電磁強度訓練可以產(chǎn)生更佳效果。此刺激協(xié)議可以包含，例如，最大收縮下具有20秒的頻率設置，然后間隔20秒的放松。

在步驟1604處，例如，使用電極20、20’、200或200’或電磁線圈68或608用第一刺激協(xié)議刺激患者的肌肉。目標肌肉可能無力、損傷或功能紊亂或需要康復的其他情況。刺激可以通過例如nmes或tms裝置產(chǎn)生并且通過一個或多個刺激電極傳遞。

在步驟1606處，例如使用電極25、25’、200、200'或250記錄信號，所述信號包括由患者的身體響應于第一刺激協(xié)議產(chǎn)生的誘發(fā)電位。信號可以通過一個或多個記錄電極獲得并且通過內部或外部放置的信號接收裝置記錄。信號可以包含所需的誘發(fā)電位和背景噪聲?？梢岳鐝囊韵码姌O記錄信號：放置于頭皮上的eeg電極、放置于脊柱上方用于記錄脊柱反射誘發(fā)電位的電極、放置于肌肉中的細線或針emg電極、雙重刺激/記錄電極，或放置于遠離刺激電極的位置處的神經(jīng)附近或中的電極，包含不同神經(jīng)上或附近的電極或不同位置處的相同神經(jīng)上或附近的電極。

刺激的選擇確定由身體產(chǎn)生的誘發(fā)電位的類型。例如，響應于以慢速重復的單個脈沖，可以檢測以下誘發(fā)電位：來自神經(jīng)的快速電響應以指示神經(jīng)去極化；來自神經(jīng)的時間上間隔開的若干響應，包含從脊柱反射弧產(chǎn)生的誘發(fā)響應；來自肌體的指示收縮程度的快速響應；來自肌體的指示響應于擾動而控制肌肉的稍后響應，例如，脊柱反射或皮層響應；和/或來自神經(jīng)的指示傳入信號的傳導的響應，例如，來自高爾基腱器官、肌梭或其它機械性刺激感受器的傳入信號。響應于融合頻率下或高于融合頻率的刺激，類似的誘發(fā)電位可以被引發(fā)并且通過適當放置的記錄電極觀察。另外，當施加融合頻率刺激時，可以檢測以下額外事件：emg特征從收縮開始隨時間的變化。還可以通過在不同強度之間改變刺激或通過以振動刺激頻率刺激來產(chǎn)生獨特的誘發(fā)電位響應。

在步驟1608處，例如，使用nmes裝置30、30’、300、300’、植入式記錄裝置70、700和/或處理器52、52’、62、502、502’或602處理記錄信號，以產(chǎn)生所處理誘發(fā)電位信號。處理可以包含放大、濾波、數(shù)字化、同步和/或時間平均化記錄信號。通過時間平均化，使用模數(shù)轉換器對刺激之后記錄的電信號進行采樣，隨后樣本的時間序列相加并且除以樣本數(shù)以保持比例。時間序列與刺激事件同步。例如，當施加融合頻率時，誘發(fā)電位信號可以與刺激脈沖訓練的開始、力生成的開始、力生成的停止，或這兩者的組合同步。以此方式，與刺激異步的背景信號趨向于其平均值零，并且誘發(fā)電位平均值趨向于高于背景噪聲的有用值。信噪比用平均化的響應數(shù)的平方根改善。原始信號或所處理誘發(fā)電位信號可以被存儲于存儲器中，至少直到用戶能夠通過耦合到計算機的用戶接口訪問信號或指示信號的信息。

在步驟1610處，向用戶顯示指示誘發(fā)電位的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以顯示在顯示器屏幕或其它用戶接口上，所述用戶接口耦合到計算機，例如，計算機50、50’、60、500、500’或600。所顯示數(shù)據(jù)可以包含，例如，誘發(fā)電位隨時間的波形、引發(fā)誘發(fā)電位的刺激信號隨時間的波形，和/或誘發(fā)電位的定量特征，例如，振幅、頻率、寬度、斜率或相對于刺激的時延。此信息顯示在圖形用戶接口中可以有助于臨床醫(yī)生觀察和理解誘發(fā)電位隨時間的變化。通過比較在刺激療程之前、期間和之后的誘發(fā)電位，和/或在刺激療程之間的時間期間的誘發(fā)電位，臨床醫(yī)生可以追蹤和監(jiān)測患者的治療。

在步驟1612處，例如通過輸入裝置接收一個或多個輸入，以調整刺激協(xié)議。例如，基于觀察到的誘發(fā)電位，臨床醫(yī)生可以希望增加或減小刺激的一個或多個參數(shù)，以產(chǎn)生更強的收縮、平滑收縮或其它所需結果。在步驟1614處，使用例如耦合到tms系統(tǒng)的nmes裝置或電感線圈的刺激電極用調整后的刺激協(xié)議刺激患者的肌肉。隨后可以如上所述記錄、處理和顯示由患者的身體響應于調整后的刺激協(xié)議而產(chǎn)生的含有誘發(fā)電位的所得信號。

記錄、處理和顯示誘發(fā)電位之間的時間至產(chǎn)生調整后刺激協(xié)議的時間可以根據(jù)需要改變。在一個實施例中，時間可以短，使得實時(或視覺上實時)調整刺激協(xié)議。在另一實施例中，時間可以長(小時、天、周或更長)，使得刺激協(xié)議的長期效果可以被調整以產(chǎn)生所需生理反應。

在一些實施例中，臨床醫(yī)生在病人就診期間設定治療刺激協(xié)議，并且在同一就診期間執(zhí)行刺激、記錄、處理、顯示和調整的步驟，從而使臨床醫(yī)生能夠用不同刺激協(xié)議進行試驗并調整刺激參數(shù)以獲得引起目標肌肉的最大激活或其它所需效果的治療刺激協(xié)議。以此方式，可以允許臨床醫(yī)生優(yōu)化患者的治療。

在其它實施例中，臨床醫(yī)生在病人就診期間設定治療刺激協(xié)議，并且有規(guī)律地(例如，每隔一天、每日、每日兩次、每小時)重復協(xié)議，直到患者的下一次就診。從每個刺激療程產(chǎn)生的誘發(fā)電位可以被記錄和存儲于患者的植入式刺激裝置中。在下一次就診時，臨床醫(yī)生隨后能夠從裝置檢索所存儲誘發(fā)電位數(shù)據(jù)，并且在用戶接口上查看指示誘發(fā)電位的數(shù)據(jù)以觀察變化和趨勢?；谟纱碳ぱb置獲取和保存的歷史誘發(fā)電位數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)生可以確定是否需要對刺激協(xié)議進行任何調整并且可以進一步確定如何繼續(xù)治療。

在另外的實施例中，系統(tǒng)可以是自調整的，使得通過裝置自動地調整刺激協(xié)議，以便獲得所需的生理反應。用于自調整的算法可以是硬接線的(例如，在系統(tǒng)中的軟件中)，或可以由臨床醫(yī)生確定(例如，通過編程某些參數(shù))。

所描述系統(tǒng)可以用于監(jiān)測其它類型的康復治療(例如，物理療法)或組合治療(例如，與用于康復的nmes和/或tms結合使用的物理療法)的進程。

盡管上文描述本發(fā)明的各個說明性實施例，但是本領域技術人員將明白，可以在不脫離本發(fā)明的情況下對其作出各種改變和修改。所附權利要求書意圖涵蓋屬于本發(fā)明的實際范圍內的所有此類改變和修改。