用于电刺激组织的系统和方法与流程

本发明涉及医疗设备，更具体地说，涉及用于电刺激身体组织的设备。

背景技术：

1、对身体组织进行电刺激可用于治疗慢性和急性疾病，可以使用植入式或表面电极进行。植入电极通常用于直接刺激所需部位的组织。植入式电极虽然能够有效刺激目标组织，但也存在植入部位感染、电极故障和电极位移等明显缺陷。

2、尽管近年来植入式电极技术有所改进，但经皮电刺激(tes)仍然是刺激靠近皮肤表面的肌肉和神经组织的最常用方法，常用于缓解疼痛、康复和治疗偏头痛。tes利用表面电极而不是植入电极来向肌肉或神经组织等组织传递电信号。表面电极不需要植入手术，因此避免了植入电极的一些缺点。虽然经皮电极克服了上述一些植入式电极的缺点，但它们在皮肤表面的位置通常会转移来自目标组织(例如神经、肌肉)的电信号，并迫使电信号穿过电阻组织(例如皮肤的角质层)。表面电极的这些缺点常常使得它们不适合用于刺激深层组织，例如用于治疗膀胱过度活动症的胫神经或用于治疗自身免疫和炎症疾病的迷走神经。

3、使用表面电极的最大缺点在于：对于许多应用而言，表面电极距离要刺激的组织太远，无法产生有效刺激。对于皮肤表面电极，电信号将穿过皮肤的表层，如角质化皮肤层，其中大部分信号被消散，电信号将无法到达更深层的目标组织(神经或肌肉)。

4、美国专利号10,688,301公开了一种tes系统，该系统采用微针阵列在组织表面形成导电微孔。研究发现，皮肤表层微孔的形成增强了电刺激对组织深层的渗透，从而克服了标准表面电极系统上述的一些缺点。虽然美国专利号10,688,301中公开的系统大大改善了tes，但仍然需要一种使用表面电极电刺激组织的系统和方法。

技术实现思路

1、除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。尽管在本发明的实践或测试中可以使用与本文所述方法和材料类似或等同的方法和材料，但下文描述了合适的方法和材料。如果有冲突，则以专利说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实施例仅供说明之用，并不旨在限制。

2、本发明的方法和系统的实施涉及手动、自动或二者结合执行或完成选定的任务或步骤。此外，根据本发明的方法和系统的优选实施例的实际仪器和设备，几个选定的步骤可以由硬件或由任何固件的操作系统上的软件或它们的组合来实现。例如，作为硬件，本发明的选定步骤可以实现为芯片或电路。作为软件，本发明的选定步骤可以被实现为由使用任何合适的操作系统的计算机执行的多个软件指令。无论如何，本发明的方法和系统的选定步骤可以描述为由数据处理器(例如用于执行多个指令的计算平台)来执行。

3、在其一个方面中，本发明提供了一种用于电刺激身体组织的系统。在其一个实施例中，本发明的系统包括一个涂抹器，该涂抹器包括两个或更多个微针的阵列。微针由不锈钢等导电材料制成，除了能够穿刺组织表面进入组织之外，微针还可以充当电极。

4、该系统还可以包括控制单元，该控制单元包括处理单元、信号发生器、电源单元和开关电路。处理单元控制开关电路，在治疗的各个阶段间歇地将系统的各个电极连接到信号发生器的极点。

5、该系统还可以包括可并入涂抹器中的力检测器。当微针穿透组织时，涂抹器被压入组织表面，力检测器检测微针尖端对组织表面施加的压力。

6、该系统还包括一个或多个表面电极。处理单元还控制开关电路间歇地将两个或多个表面电极连接到电源单元和/或信号发生器的极点。

7、在使用时，将涂抹器施加到要治疗的更深的第二组织区域上方的第一组织表面上。第二组织可以是例如神经或神经组织。例如，在治疗中可以将涂抹器放置在个体颈部的迷走神经上，以刺激迷走神经。当涂抹器施加压力时，力检测器检测施加到组织表面的压力并产生指示压力的电信号，该电信号输入到处理单元。处理单元不断监测或由力传感器输入的信号触发，确定涂抹器在组织表面的力是否至少达到阈值压力。在替代的实施例中，力检测器关闭开关，从而向处理单元发送已检测到压力的信号。

8、当涂抹器在组织表面的压力至少为预定压力时，这表明微针正在施加所需的压力，并且这表明微针处于所需的位置。如果是皮肤，当微针尖端穿过皮肤角质层时，微针就会施加必要的压力。

9、附加地或可替代地，一些或所有的微针可以连接到信号发生器的极点和施加到组织表面的接地电极。信号发生器在微针和接地电极之间产生电信号，从而产生非刺激能量的直流或脉冲信号(例如1v或2ma)。处理单元监测电流，并根据电信号计算组织阻抗。低于预定阈值的组织阻抗表明微孔的形成，并且正在施加所需的压力。

10、当确定施加了所需压力时，信号发生器生成消融信号，并将其施加到一方面的一个或多个微针的第一子集与另一方面的微针的第二子集之间。消融信号旨在引起第一子集中微针周围组织的消融。由于组织本质上具有弹性，当微针移动时，微针形成的微孔往往会部分或完全关闭。为了确保微针阵列形成的微孔在移除微针后保持开放，使用烧蚀电信号来确保微孔保持开放。

11、当消融信号施加在两个子集的微针之间时，处理单元监测两个子集的微针之间流动的电流，并确定第一子集中微针周围的消融是否令人满意。对微针周围组织的满意消融可降低组织的整体阻抗，并降低有效治疗所需的表面电极的治疗信号幅度。

12、通过对第一和第二子集的微针进行不同的选择，该过程重复一次或多次。然后，处理单元确定组织的整体消融是否令人满意。当确定组织区域的消融令人满意时，将涂抹器从组织表面移除，并将治疗表面电极放置在组织表面上，位于组织中形成的微孔上方。然后，在穿过组织表面下方的第二组织的治疗表面电极之间产生治疗信号。在任何应用中，治疗都会按要求继续进行。

13、该系统可以包括用于与外部设备(例如智能手机、计算机等)和/或基于云的数据库服务器进行无线通信的通信模块。通信模块可用于存储数据(也可以在基于云的存储库中)，用于软件更新、培训、远程协助以及本系统与医生之间的通信。通信模块可以使医疗保健专业人员远程访问数据和信息，并可以实时响应并提供指导。

14、该系统还可以包括用于测量受试者的生理参数(例如心率、血压、汗液、呼吸频率和温度)的传感器。分析这些参数有助于确定表面电极传输的电信号的类型和/或时间。例如，已知向迷走神经传递电信号会影响血压。感测血压并进行分析可能会影响所传输的电信号的特性和时间。

15、流体分析单元也可并入/连接到本系统以提供血液、尿液、汗液或唾液化学成分。这样的分析可能会对电信号传输的时间和特性以及传输的位置产生影响。例如，血液样本中的细胞因子分析可以表明治疗的有效性以及是否需要修改电信号特性和/或时间来影响细胞因子水平。

16、电从表面电极通过微孔传导至组织的效率取决于微孔的质量(例如深度、直径、形状、结构等)。本发明可以验证微针阵列形成的微孔具有所需的特性。这反过来有助于最大限度地提高患者的舒适度。

17、本系统可用于美容治疗(例如面部皮肤)或治疗可受益于电刺激(例如肌肉或神经组织)的各种疾病/病症。

18、以下是本发明可治疗的疾病或病症的不完整列表。

19、(i)缓解疼痛-背痛、神经性疼痛、腕管综合症、肩痛、慢性和难治性疼痛，包括糖尿病性神经病变、复杂性局部疼痛综合症、幻肢痛、缺血性肢体疼痛、难治性单侧肢体疼痛综合征、带状疱疹后神经痛和急性带状疱疹疼痛。

20、可以通过电刺激胫神经来进行疼痛治疗。示例性电信号可以具有10ma的电流和100hz的频率。

21、(ii)康复——恢复功能，例如，抓握以支持日常生活任务。向直接或间接支配各种肌肉的神经产生电信号。示例性电信号可以具有15ma的电流和50hz的频率。

22、(iii)失禁(大便失禁或尿失禁)和膀胱过度活动症。示例性电信号可以具有5ma至20ma的电流和20hz的频率。

23、(iv)通过例如刺激迷走神经或其分支之一附近的颈部、面部、胸部或胃部，治疗癫痫、抑郁症、阿尔茨海默病、焦虑症、肥胖症、贪食症、耳鸣、强迫症、高血压或心力衰竭。示例性电信号可以具有10ma的电流和10hz的频率。

24、(v)治疗癌症、肿瘤，如前列腺癌、脑癌、乳腺癌。癌症和肿瘤的治疗可以与化疗治疗一起进行或附加进行。本发明的系统和方法可以增强化疗过程。示例性电信号可以具有10ma的电流和10hz的频率。

25、(vi)调节免疫系统，治疗自身免疫性疾病，减少全身炎症。示例性电信号可以具有10ma的电流和10hz的频率。

26、(vii)通过刺激头皮促进头发生长。示例性电信号可以具有5ma的电流和1mhz的频率。

27、本发明的系统的一个特定用途是治疗受益于迷走神经刺激或其分支之一的疾病。这些疾病包括但不限于物质成瘾、焦虑症、自闭症、双相情感障碍、脑瘫、慢性头痛、与阿尔茨海默病相关的认知障碍、昏迷、抑郁症、饮食失调(例如厌食症和贪食症)、特发性震颤、纤维肌痛、心力衰竭、持续性偏头痛、青少年肌阵挛性癫痫、偏头痛、情绪障碍、发作性睡病、肥胖、强迫症、睡眠障碍、耳鸣和图雷特综合征，轻躁狂型人格障碍或任何其他器质性嗜睡症、紧张型头痛、酒精引起的睡眠障碍、药物引起的睡眠障碍、发作性心境障碍、自闭症、强迫症、心境恶劣障碍、酒精依赖综合征、药物依赖、非依赖性药物滥用、神经性厌食症、非器质性原因的特定睡眠障碍、未指明的饮食障碍、紧张性头痛、昼夜节律性睡眠障碍、器质性异睡症、器质性睡眠障碍、特发性和其他特定形式的震颤、持续性偏头痛、婴儿脑瘫、偏头痛、猝倒和发作性睡病、风湿性心力衰竭、肌痛和肌炎、睡眠障碍、多食症、情绪、帕金森病和头痛、贲门失弛缓症、艾迪生病、成人斯蒂尔病、丙种球蛋白血症、斑秃、淀粉样变性、强直性脊柱炎、抗gbm/抗tbm肾炎、抗磷脂综合征、自身免疫性血管性水肿、自身免疫性自主神经功能紊乱、自身免疫性脑脊髓炎、自身免疫性肝炎、自身免疫性内耳疾病(aied)、自身免疫性心肌炎、自身免疫性卵巢炎、自身免疫性睾丸炎、胰腺炎、急性胰腺炎、自身免疫性胰腺炎、自身免疫性视网膜病变、自身免疫性荨麻疹、轴突和神经元神经病变(aman)、巴洛病、白塞氏病、良性粘膜类天疱疮、大疱性类天疱疮、铃铛病(cd)、乳糜泻、恰加斯病、慢性炎症性脱髓鞘性多发性神经病(cidp)、慢性复发性多灶性骨髓炎(crmo)、查格-施特劳斯综合征(css)或嗜酸性肉芽肿(egpa)、瘢痕性类天疱疮，cogan综合征、冷凝集素病、先天性心脏传导阻滞、柯萨奇心肌炎、crest综合征、克罗恩病、疱疹样皮炎、皮肌炎、德维克病(视神经脊髓炎)、盘状红斑、心肌梗死后综合征、子宫内膜异位症、嗜酸性食管炎(eoe)、嗜酸性筋膜炎、结节性红斑、原发性混合性冷球蛋白血症、evans综合征、纤维肌痛、纤维化肺泡炎、巨细胞动脉炎(颞动脉炎)、巨细胞性心肌炎、肾小球肾炎、古德帕斯彻综合征、肉芽肿性多血管炎、格雷夫斯病、格林-巴利综合征、桥本甲状腺炎、溶血性贫血、过敏性紫癜(hsp)、疱疹妊娠期红斑狼疮或妊娠期类天疱疮(pg)、化脓性汗腺炎(hs)(逆向性痤疮)、低丙种球蛋白血症、iga肾病、igg4相关硬化性疾病、免疫性血小板减少性紫癜(itp)、包涵体肌炎(ibm)、间质性膀胱炎(ic)、幼年关节炎、幼年糖尿病(1型糖尿病)、幼年肌炎(jm)、川崎病、肌无力综合征、白细胞破碎性血管炎、扁平苔藓、硬化性苔藓、木样结膜炎、线性iga病(lad)、狼疮、慢性莱姆病、梅尼埃病、显微镜下多血管炎(mpa)、混合性结缔组织病(mctd)、蚕蚀性溃疡、病痘疮样副银屑病、多灶性运动神经病(mmn)或mmncb、多发性硬化症、重症肌无力、髓鞘少突胶质细胞糖蛋白抗体疾病、肌炎、发作性睡病、新生儿狼疮、视神经脊髓炎、中性粒细胞减少症、眼部瘢痕性类天疱疮、视神经炎、回文性风湿病(pr)、熊猫病、副肿瘤性小脑变性(pcd)、阵发性夜间血红蛋白尿(pnh)、帕-罗二氏综合征、睫状体扁平部炎(周围葡萄膜炎)、神经痛性肌萎缩综合征、天疱疮、周围神经病变、静脉周围脑脊髓炎、恶性贫血(pa)、poems综合征、结节性多动脉炎、i、ii、iii型多腺体综合征、风湿性多肌痛、多肌炎、心肌梗死后综合征、心包切开术后综合征、原发性胆汁性胆管炎、原发性硬化性胆管炎、孕酮性皮炎、牛皮癣、银屑病关节炎、纯红细胞再生障碍(prca)、坏疽性脓皮病、雷诺现象、反应性关节炎、反射性交感神经性营养不良、复发性多软骨炎、躁动腿综合征(rls)、腹膜后纤维化、风湿热、类风湿性关节炎、结节病、施密特综合征、巩膜炎、硬皮病、干燥综合征、精子和睾丸自身免疫、僵人综合征(sps)、亚急性细菌性心内膜炎(sbe)、苏萨克综合征、交感性眼炎(so)、高安动脉炎、颞动脉炎/巨细胞动脉炎、血小板减少性紫癜(ttp)、甲状腺眼病(ted)、托洛萨-亨特综合征(ths)、横贯性脊髓炎、1型糖尿病、溃疡性结肠炎(uc)、未分化结缔组织病(uctd)、葡萄膜炎、血管炎、白癜风、沃格特-小柳-原田病、败血症、出血性疾病。

28、治疗可以通过迷走神经的其他分支或其他对疾病有影响的神经进行。要么通过连接到迷走神经，要么通过连接到控制疾病的区域。

29、迷走神经刺激可以激活人体的自然炎症反射，从而抑制炎症并改善临床体征和症状。炎症反射是一种调节人体免疫系统的神经生理机制。它感知感染、组织损伤和炎症，并将这些信息传递给中枢神经系统，然后通过迷走神经和脾神经反射性地增加外周神经信号，广泛支配脾脏和其他内脏器官。信号被传输到脾脏中的t细胞，t细胞进而指示效应细胞(包括单核细胞和巨噬细胞)减少引发和延续炎症的介质的产生。炎症在类风湿性关节炎、炎症性肠病、牛皮癣、糖尿病、心脏病和多发性硬化症等急性和慢性疾病中起着重要作用。

30、在其一个方面中，本发明提供了一种用于电刺激身体组织的系统，包括：(a)微针阵列，所述微针由导电材料形成并且适于穿刺组织表面；

31、(b)动力单元；

32、(c)一个或多个表面电极，配置为连接到电源单元并向身体组织提供电刺激；

33、(d)处理单元，配置为根据输入到处理单元的信号确定以下一项或多项：

34、●如果微针阵列中的微针位于组织中的预定位置；并且

35、●如果一个或多个微针周围的组织已经被消融。

36、一个或多个表面电极可以是可湿润电极。

37、根据本发明的系统还可以包括一个或多个力检测器，每个力检测器被配置为检测组织对阵列中的一个或多个微针施加的压力，该压力指示微针在组织中的位置，并且生成指示一个或多个微针的位置的信号，该信号被输入到处理单元。一个或多个力检测器可以包括位移机构，当力检测器检测到力时，该位移机构启动力检测器。力检测器可以是基于弹簧的检测器，其中弹簧的压缩程度指示阵列中的微针施加的压力。力检测器也可以是基于称重传感器的力检测器。

38、一个或多个力检测器可以包括闭合的开关，当力检测器检测到预定的力时，开关的闭合产生电信号输入至处理单元。

39、处理单元可以被配置为监测时间相关的电信号，并且确定微针阵列中的微针是否处于组织中的预定位置可以涉及确定组织对微针施加的压力何时高于预定阈值。

40、本发明的系统还可以包括开关电路，该开关电路配置为将微针的一个或多个可选择子集间歇地电连接到电源单元，并且将一个或多个表面电极间歇地电连接到电源单元。

41、本发明的系统还可以包括信号发生器，并且处理单元还可以被配置为激活信号发生器以在可选择的第一子集微针和可选择的第二子集微针之间或在可选择的第一组微针和至少一个表面电极之间传递电信号。处理单元可以进一步配置为激活信号发生器以在第一可选择的微针子集与第二可选择的微针子集和一个或多个表面电极之间传递消融信号，选择消融信号以引起一个或多个微针周围的组织的消融。处理单元还可以被配置为仅在处理单元确定微针阵列处于预定位置之后才激活信号发生器以传送消融信号。处理单元还可以被配置为激活信号发生器以在第一可选择的微针子集与第二可选择的微针子集和一个或多个表面电极之间产生测试信号，并且确定第一可选择子集中的微针周围的组织是否已被消融涉及分析组织对测试信号的响应。处理单元还可以被配置为在多个第一可选择的微针子集和一个或多个第二可选择的微针子集以及一个或多个表面电极之间产生测试信号，并确定阵列中的微针的消融是否满足预定标准。处理单元还可以被配置为确定阵列中微针的数量，其中微针周围的组织已经被消融。预定标准可以是阵列中微针周围组织已被消融的微针的数量高于预定阈值。处理单元可以被配置为当满足预定标准时向组织传递电刺激。

42、消融信号可以是电压信号。消融信号可以由一系列波列脉冲组成。消融信号可以包括交替符号的方波电压脉冲，或者正弦波信号。消融信号可以具有例如200伏至800伏的幅度和1khz至1,000khz的频率。

43、确定第一可选子集中的微针周围的组织是否已被消融可能涉及监测组织的电流或阻抗响应，并确定电流是否高于预定阈值或阻抗是否低于预定阈值。

44、本发明的系统可以被配置为通过皮肤递送电刺激。此时，微针的预定位置是微针已经穿透皮肤角质层的位置。该系统可被配置为向皮肤表面下的一个或多个神经(例如迷走神经)传递电刺激。

45、一种用于电刺激身体组织的方法，包括：

46、(a)将微针阵列应用到身体组织表面，并刺穿组织表面以在组织中产生微孔；

47、(b)将一个或多个表面电极施加到微孔上方的组织表面，并通过一个或多个表面电极输送电刺激：

48、(c)确定以下一项或多项：

49、●如果微针阵列中的微针位于组织中的预定位置；并且

50、●如果一个或多个微针周围的组织已经被消融。