專利名稱：用于刺激生物組織的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般而言，本發(fā)明涉及生物材料內(nèi)在施用的電場或施用的電流源存在下 改變電流的領(lǐng)域，更具體地涉及通過機(jī)械、電子、光學(xué)、化學(xué)和/或熱裝置改 變與所施用的電場相關(guān)的局部組織介電常數(shù)特性來在活體組織中生成位移電 流，從而用于刺激生物組織的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
人和其他動物活體組織的電刺激可用于許多臨床應(yīng)用以及臨床研究和一 般生物研究。具體來說，神經(jīng)組織的電刺激已經(jīng)用于治療包括帕金森癥、抑 郁癥和疑難雜癥的各種疾病。腦部的聚焦刺激通常涉及進(jìn)行外科手術(shù)以除去 頭骨的一部分并且在腦部組織內(nèi)的特定位置植入電極。這些方法的創(chuàng)傷 (iiwasive)性使得它們困難且昂貴，并且對大量發(fā)病率負(fù)有責(zé)任。作為替代， 諸如經(jīng)顱直流刺激和經(jīng)顱磁刺激等無創(chuàng)刺激方法易于實(shí)現(xiàn)，并且與顯著的發(fā) 病率沒有關(guān)聯(lián)，然而，所刺激的區(qū)域過大，通常不能很好地辨別，并且可被 腦部組織的正常特征或病理特征顯著干擾。近來，腦部組織的超聲刺激已經(jīng) 探索出一定成就。
存在許多方法可產(chǎn)生用于生物組織刺激的電流。這些方法從在組織中植 入電源到經(jīng)由時變磁場在組織中感生電流。用于在組織中產(chǎn)生電流的通常方法是在組織中植入電源。該方法的實(shí)例在例如授予Barrems, Sr.等人的美國專 利5,895，416號、授予Rise的美國專利6,128, 537號、授予Palti的美國專利 7,146,210號和授予Bourgeois等人的美國專利6,091,992號中有所闡釋。還可 以用組織外部的源(如經(jīng)由在組織內(nèi)感應(yīng)電流的外部磁場)在組織內(nèi)產(chǎn)生電 流。該方法在例如授予Edrich等人的美國專利6,066,084號、授予Chaney的 美國專利5,061,234號、授予Thomas等人的美國專利6,234,953號中示出。另 一實(shí)例在授予Palti的美國專利7,146,210號中示出，該示例實(shí)施電磁輻射。在 授予Rossen的美國專利4,989,605號和授予Hyrman的美國專利4,709,700號 中說明了這樣的方法采用由處于與組織外部接觸的電源產(chǎn)生電流從而使得 電流通過所要刺激的組織區(qū)域表面的其他組織而衰減。這些技術(shù)都不是在所 施用的電場存在下通過介電常數(shù)擾動產(chǎn)生電流的。因此，這些技術(shù)都受到創(chuàng) 傷級別、聚焦度、滲透度和/或成本的限制。
在生物組織刺激的領(lǐng)域中，將場組合以產(chǎn)生更改的位移電流的概念相對 而言還未被探索。在腦部刺激的領(lǐng)域中，已在"霍耳效應(yīng)刺激"的領(lǐng)域中開 發(fā)結(jié)合超聲技術(shù)磁場，例如在Edrich等人的美國專利5,476,438號中，通過"神 經(jīng)組織中被離子化的粒子、特別是電子被遷移"從而使正負(fù)離子在正交磁場 的區(qū)域中分離，在該正交磁場內(nèi)離子在超聲影響下移動。這一方法沒有嘗試 通過修改組織介電常數(shù)以產(chǎn)生位移電流，而是僅僅通過對移動的離子施用磁 場以進(jìn)行局部離子分離。由于在現(xiàn)代醫(yī)療程序中所用磁場的強(qiáng)度，該技術(shù)對 于刺激是低效的。參見Rutten等人(1996)。同樣在腦部刺激的領(lǐng)域中，授予 Yamashiro的美國專利6,520,903號提出了通過聚焦于組織上的光場來增強(qiáng)磁 場的能量轉(zhuǎn)移的方法，但是該方法并沒有嘗試通過組織介電常數(shù)擾動來產(chǎn)生 位移電流。此外，在腦部刺激的領(lǐng)域中，授予Gluck的美國專利5，738，625號 (以下稱為"Gluck")提出了使用具有組合的超聲場和/或微波場的磁場以便 將神經(jīng)元的膜電位改變?yōu)榕c細(xì)胞的剩余電勢和分離的活性去極化態(tài)(separate active depolarized state)顯著不同的靜態(tài)值。Gluck提出了通過超聲改變組織
10電導(dǎo)率從而使通過磁場感應(yīng)出的電流能夠在經(jīng)更改電導(dǎo)率的路徑上流動。
Gluck還提出使用超聲來將神經(jīng)推入和推出由磁場產(chǎn)生的場。Gluck實(shí)現(xiàn)了更 改被暴露于磁場(或電流)的神經(jīng)的方法，因而Gluck的基于磁的方法由于
隨后的電流衰減而經(jīng)受效率損失。
此外，Gluck提出了將微波場和超聲場以可以對神經(jīng)導(dǎo)致不可逆改變的方 式組合的方法。參見Donald I. McRee， Howard Wachtel， Pulse Microwave Effects on Nerve Vitality, Radiation Research, Vol. 91， No. 1 (Jul. 1982)。本說明書不受 這些安全顧慮的影響或者并不會由于需要使用這樣的高頻電場而導(dǎo)致神經(jīng)損 傷。此外，本發(fā)明不限于僅應(yīng)用到只表現(xiàn)靜息狀態(tài)和活動狀態(tài)的神經(jīng)組織， 并因而適于動態(tài)地改變幾乎作為所有神經(jīng)活動特征的動作電位并且適于具有 動態(tài)放電(firing)性質(zhì)的神經(jīng)。
已經(jīng)提出了用于更改組織電導(dǎo)率以適應(yīng)電流的其他方法，如授予Mische 的美國專利6,764,498號、以及授予Elstrom等人的美國專利6,887,239號，但 是相似的是這些方法沒有提供通過改變組織的電磁性質(zhì)而產(chǎn)生新電流分量的 方法。
其他研究已經(jīng)提出用組合場來影響神經(jīng)刺激的技術(shù)，但是都受到這些技 術(shù)沒有嘗試產(chǎn)生用于刺激的位移電流而是嘗試通過其他裝置來影響刺激的固 有限制的影響。參見Rutten, W. L. C、E.， Droog等人；The influence of ultrasound and ultrasonic focusing on magnetic and electric peripheral nerve stimulation; 丄Nilsson， M. Panizza禾卩R Grandori; Pavia Advances in Magnetic Stimulation Mathematical Modeling and Clinical Applications" Italy. 2: 152. (1996)(以下稱為 "Rutten"); Mihran, R. T" F. S. Barnes等人，Temporally-Specific Modification of Myelinated Axon Excitability in Vitro Following a Single Ultrasound Pulse. Ultrasound Med Biol 16(3): 297-309(1990)(以下稱為"Mihran");以及Fry， W. J.， Electrical Stimulation of Brain Localized Without Probes-Theoretical Analysis ofaProposedMethod, JAcoustSocAm44(4) :919-31(1968)(以下稱為"Fry")。
iiMihran和Rutten關(guān)注在神經(jīng)元中改變離子牽張感受器。因此由于沒有關(guān) 注通過適當(dāng)組合電場和磁場以產(chǎn)生位移電流，這些研究在可應(yīng)用性和效率上 受到限制。更具體而言，Mihran研究將超聲與電刺激組合來測試牽張感受器 對神經(jīng)的效應(yīng)。Mihran沒有嘗試產(chǎn)生新電流以用于刺激。Mihmn故意將電場 和磁場分離。Rutteri的主要關(guān)注是將超聲和經(jīng)顱磁刺激(TMS)組合，然而， 該研究在與Mihran類似的分析牽張感受器效應(yīng)的嘗試中試驗(yàn)了電刺激和超 聲。Rutten沒有嘗試組合用于產(chǎn)生新電流分量的效果或以任何方式更改所施 用的刺激電流。
Fry提出關(guān)于如何通過以超聲改變組織電導(dǎo)率并因而通過電導(dǎo)率變化本 身來驅(qū)動神經(jīng)刺激，從而在腦中產(chǎn)生電流改變的構(gòu)思。Fry提出了基于使用超 聲和放置在腦部表面的電極的理論上的、偽創(chuàng)傷的方法。該方法基于以超 聲改變電流(由腦表面電極產(chǎn)生)而產(chǎn)生的溫度/壓力使組織電導(dǎo)率變化。該方 法還沒有對神經(jīng)刺激顯示有效，這可能是因?yàn)樵摾碚撌茉S多約束的限制。由 于專注于僅改變組織電導(dǎo)率以改變較高頻電場所產(chǎn)生的電流，刺激所需的源 強(qiáng)度不小。因此，該方法中必要的是必須放置于經(jīng)暴露的腦部表面上的電極 或遠(yuǎn)遠(yuǎn)更強(qiáng)的電流源，而該遠(yuǎn)遠(yuǎn)更強(qiáng)的電流源如果放置在頭皮表面上將受到 經(jīng)顱電刺激(TES)和電痙攣療法(ECT)的限制，即，激活頭皮表面的痛覺 受體的電流強(qiáng)度或具有可能潛在地導(dǎo)致頭皮燒傷的剌激所需的強(qiáng)度。并且該 理論刺激所需的超聲強(qiáng)度在量值上足夠大從而引起諸如組織中溫度升高、組 織成洞、以及組織消融的可能性等顧慮。因此，這些安全局限將妨礙把這種 類型的剌激通過頭皮表面上的或腦表面上的電極以任何持續(xù)時間施用。
在如授予Wen等人的美國專利6,645,144號以及授予Wen的美國專利 6,520,911號中所闡釋的，對與生物組織相關(guān)的機(jī)械和電場的概念已在對通過 電聲效應(yīng)、熱聲效應(yīng)和霍耳效應(yīng)成像的尋求中有所探索。這些方法關(guān)注于使 用一種物理場來收集關(guān)于其他場的信息，而并非是以組合方式用于生物組織 刺激?，F(xiàn)有領(lǐng)域的技術(shù)沒有嘗試通過與所施用的電場相對的介電常數(shù)擾動以產(chǎn) 生電容性電流(即位移電流)以用于生物組織刺激。因此從上面顯而易見的是， 需要一種改進(jìn)的設(shè)備和方法用于通過以機(jī)械裝置改變與所施用的電場相對的 局部組織介電常數(shù)特性、以在活體組織中產(chǎn)生位移電流來刺激生物組織。顯 而易見的是，需要一種創(chuàng)傷性較少并具有改善的聚焦度的經(jīng)改進(jìn)的方法用于 通過更改局部組織介電常數(shù)來刺激生物組織。同樣顯而易見的是，需要一種 與在路徑中更改電流的方法或更改暴露于磁場的神經(jīng)的方法相反的可借以產(chǎn) 生有效電流的設(shè)備和方法。還顯而易見的是，需要在組織邊界下產(chǎn)生電流， 而沒有如基于磁的方法和電的方法中發(fā)生的隨后的電流衰減和效率損失。顯 而易見的是，需要一種安全的方法，該方法不導(dǎo)致神經(jīng)或組織由于需要使用 高頻電磁場、高強(qiáng)度電磁場、和/或高強(qiáng)度超聲場而損傷。還顯而易見的是， 需要一種無需可在刺激期間激活痛覺受體的場強(qiáng)的可耐受方法。此外，顯而 易見的是，需要一種設(shè)備和方法，其不限于僅應(yīng)用到只展現(xiàn)靜息狀態(tài)或活動 狀態(tài)的神經(jīng)組織，并因此適于動態(tài)地改變幾乎作為所有神經(jīng)活動特征的動作 電位并且適于具有動態(tài)放電性質(zhì)的神經(jīng)元。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了用于在生物組織中產(chǎn)生電流的設(shè)備。本發(fā)明的設(shè)備 包括能夠產(chǎn)生穿透組織區(qū)域電場的電源和用于相對所述電場改變所述組織 介電常數(shù)的裝置，從而相對所述電場改變所述組織介電常數(shù)從而在所述組織 中產(chǎn)生位移電流。用于更改介電常數(shù)的所述裝置可包括化學(xué)源、光源、機(jī)械 源、熱源或電磁源。在一個實(shí)施方式中，該設(shè)備將超聲源實(shí)現(xiàn)為用于更改組 織介電常數(shù)的機(jī)械裝置。在另一實(shí)施方式中，該設(shè)備進(jìn)一步包括用于改變與 電場相關(guān)的組織的電導(dǎo)率從而改變歐姆電流的裝置。
在一個示例性實(shí)施方式中，該設(shè)備包括的電源能夠產(chǎn)生穿透一種組織或 多種組織的廣泛區(qū)域的電場。該設(shè)備還包括產(chǎn)生在組織的子區(qū)域上聚焦的機(jī)械場的超聲設(shè)備，因此電場和機(jī)械場的組合作用通過改變組織的電磁性質(zhì)而 在組織的子區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有新生位移電流的經(jīng)改變的電流。
可以以各種方式施用本發(fā)明的電源以實(shí)現(xiàn)特定效果。例如，所述電源可 產(chǎn)生脈沖調(diào)制的、時變的、 一系列時變脈沖的、或不時變的場。此外，用于 更改介電常數(shù)的所述裝置可以是脈沖調(diào)制的信號、時變信號、或一系列時變 脈沖信號。所述電源和/或用于更改組織介電常數(shù)的裝置可以被無創(chuàng)地施用。 例如，電極可以被配置為施用到特定組織、多種組織或者相鄰的組織。作為 一種替代，所述電源可以植入特定組織、多種組織或相鄰組織的內(nèi)部。通常，
所述電源是具有從大約DC到大致100，000Hz的頻率的電流。
在一個示例性實(shí)施方式中，處于治療目的可廣泛施用所述電場并且將所 述裝置聚焦到特定腦部結(jié)構(gòu)或多個結(jié)構(gòu)?？梢詮V泛施用所述電場并且可以將
所述裝置聚焦到一種結(jié)構(gòu)或多種結(jié)構(gòu)，例如包括下述結(jié)構(gòu)的腦部或神經(jīng)組織
背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)的任意部分、伏核、胃神經(jīng)核、腦干、丘腦、 下丘、上丘、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、初級運(yùn)動皮質(zhì)、輔助運(yùn)動皮質(zhì)、枕葉、布羅
德曼1-48區(qū)、初級感覺皮質(zhì)、初級視皮質(zhì)、初級聽皮質(zhì)、杏仁核、海馬、耳
蝸、腦神經(jīng)、小腦、額葉、枕葉、顳葉、頂葉、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)、外周神經(jīng)和/或
所述設(shè)備和方法可以輔助治療各種病癥，所述病癥包括多發(fā)性硬化、
肌萎縮側(cè)索硬化、阿爾茨海默病、張力失常、抽搐、脊髓損傷、外傷性腦損 傷、藥物成癮、食物成癮、酒精成癮、尼古丁成癮、口吃、耳鳴、痙攣、帕 金森病、帕金森神經(jīng)機(jī)能障礙、抑郁癥、強(qiáng)迫癥、精神分裂癥、雙相型障礙、 急性躁狂、張力缺失、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、孤獨(dú)癥、慢性痛綜合征、幻肢痛、 癲癇、中風(fēng)、幻覺、運(yùn)動障礙、神經(jīng)退行性疾病、疼痛障礙、代謝紊亂、成
癮障礙(Addictive Disorder)、精神障礙、外傷性神經(jīng)損傷和感覺障礙。類似地， 可以將電場和用于更改介電常數(shù)的裝置聚焦于特定腦部結(jié)構(gòu)以實(shí)施如下述的
程序感覺增強(qiáng)、感覺更改、麻醉誘導(dǎo)及維持、腦定位、癲癇定位、術(shù)前規(guī)
14劃、神經(jīng)修復(fù)與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用或控制、中風(fēng)及外傷性損傷的神經(jīng)修復(fù)、 膀胱控制、輔助呼吸、心臟起搏、肌肉刺激、以及由諸如偏頭痛、神經(jīng)病變 以及下背痛引起的疼痛綜合征或者諸如慢性胰腺炎或者癌癥等內(nèi)部臟器疾病 的治療。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備包括能夠產(chǎn)生穿透組織區(qū)域的電場的電 源和用于改變與所述電場相對的組織介電常數(shù)從而產(chǎn)生位移電流的裝置。該 設(shè)備進(jìn)一步包括用于改變與所述電場相對的組織電導(dǎo)率從而改變歐姆電流的 裝置。
本發(fā)明還提供了用于刺激生物組織的方法。該方法包括施用電源到生 物組織并通過施用改變與所述電場相關(guān)的所述組織介電常數(shù)的裝置從而改變 與所述電源相關(guān)的所述組織介電常數(shù)。對與所述電場相關(guān)的所述組織介電常 數(shù)的改變在所述組織中產(chǎn)生位移電流。所述用于改變介電常數(shù)的裝置可以是 包括化學(xué)源、光源、機(jī)械源、熱源或電磁源的各種源。例如，可以施用諸如 超聲源等機(jī)械源從而機(jī)械地更改變所述組織。所述組織可以是神經(jīng)組織、內(nèi) 分泌組織、電感受組織(electricallyreceptivetissue)、肌肉組織、結(jié)締組織或骨 骼組織。在另一實(shí)施方式中，該設(shè)備還包括用于改變與所述電場相關(guān)的組織 電導(dǎo)率從而更改歐姆電流的裝置。


通過結(jié)合附圖參考對本發(fā)明的實(shí)施方式的下述描述，本發(fā)明的上述特征 和目標(biāo)及其他特征和目標(biāo)、以及達(dá)到這些特征和目標(biāo)的方式將變得更加清楚， 并且將更好理解本發(fā)明自身，附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的用于刺激生物組織的設(shè)備的一個實(shí)施方 式的平面圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的用于刺激生物組織的設(shè)備的示例性實(shí)施 方式的頂視15圖3是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的實(shí)施化學(xué)源以改變介電常數(shù)從而刺激生 物組織的設(shè)備的示例性實(shí)施方式的頂視圖4是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的實(shí)施輻射源以更改介電常數(shù)從而刺激生
物組織的設(shè)備的示例性實(shí)施方式的頂視圖；及
圖5是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的實(shí)施光束以更改介電常數(shù)從而刺激生物 組織的設(shè)備的另 一示例性實(shí)施方式的頂視圖。
具體實(shí)施例方式
可預(yù)見的是本發(fā)明可用于在體內(nèi)刺激生物組織，包括被置于身體上以產(chǎn) 生電場的電源和改變與電場相對的組織介電常數(shù)的裝置，通過改變與電場相 對的組織介電常數(shù)從而在組織中產(chǎn)生位移電流。所公開的設(shè)備和方法的示例 性實(shí)施方式可用于神經(jīng)刺激的領(lǐng)域，其中可使用經(jīng)放大的、經(jīng)聚焦的、方向 經(jīng)改變的和/或衰減的電流通過直接刺激神經(jīng)元、去極化神經(jīng)元、超極化神經(jīng) 元、改變神經(jīng)膜電位、改變神經(jīng)細(xì)胞興奮性水平和/或改變神經(jīng)細(xì)胞放電的可 能性從而改變神經(jīng)活動。同樣的，用以刺激生物組織的方法還可以被應(yīng)用于 包括心臟剌激的肌肉刺激領(lǐng)域，其中可使用經(jīng)放大的、經(jīng)聚焦的、方向經(jīng)更 改的和/或衰減的電流通過直接剌激、去極化肌肉細(xì)胞、超極化肌肉細(xì)胞、改 變膜電位、改變肌肉細(xì)胞興奮性水平和/或改變細(xì)胞放電的可能性來更改肌肉 活動。相似的是，可以預(yù)見本發(fā)明可被應(yīng)用于細(xì)胞代謝、物理治療、藥物傳 遞和基因治療的領(lǐng)域。
本文公開了本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方式，然而可以理解的是所述的實(shí)施方式 對于可以以各種形式實(shí)施的本發(fā)明僅是示例性的。因此，本文所公開的具體 操作細(xì)節(jié)不應(yīng)被理解為限制性的，而僅應(yīng)理解為是權(quán)利要求書的基礎(chǔ)和用以 啟示本領(lǐng)域技術(shù)人員以任何適當(dāng)詳細(xì)的實(shí)施方式實(shí)質(zhì)上應(yīng)用本發(fā)明的代表性 基礎(chǔ)。
取決于具體的應(yīng)用和/或偏好，可以以諸如聚合物、凝膠、膜和/或金屬等
16適合于各種醫(yī)療應(yīng)用的材料制造本發(fā)明的組織剌激方法的組件。預(yù)期半剛性 和剛性聚合物、彈性材料(例如模制醫(yī)用級聚氨酯)、以及柔性材料或延展性 材料可用于制造?？梢砸赃m合于各種醫(yī)療應(yīng)用的材料制造該方法的電動機(jī)、 傳動裝置、電子元件、電源部件、電極和傳感器。本發(fā)明的方法還可以包括 用于計(jì)算機(jī)化控制的電路板、電路、處理器組件等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)意識到適合于本發(fā)明的組合裝置和制造品的其他材料和制造方法同樣是適 用的。
下面的討論包括用于根據(jù)本發(fā)明的原理在生物組織中產(chǎn)生電流的組件和 示例性方法的描述。還討論了替代性實(shí)施方式?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考在附圖中圖 示的本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，其中在所有附圖中相同的參考數(shù)字指示相似 的部分。
現(xiàn)在翻到圖1，圖1圖示了用于根據(jù)本發(fā)明，在施用的電場或施用的電流 源存在下通過在生物材料內(nèi)組合施用機(jī)械場以改變(例如，放大、聚焦、更 改方向和/或衰減)電流從而刺激生物細(xì)胞和/或組織的設(shè)備10的示例性實(shí)施 方式。例如，可以將圖1中所示的本發(fā)明的設(shè)備io應(yīng)用于神經(jīng)刺激的領(lǐng)域。 初始源電場14在組織中導(dǎo)致電流。電場14由電源、電流或電壓源產(chǎn)生。如 下面更詳細(xì)描述的，例如通過機(jī)械場改變與電場相對的組織介電常數(shù)，從而 產(chǎn)生附加的位移電流。
將電極12施用于頭皮并且在較大腦部區(qū)域產(chǎn)生低幅電場14。雖然電極 12在這一示例性實(shí)施方式中被使用并被施用于頭皮，但是可預(yù)見的是可以將 電極施用于包括頭皮周圍區(qū)域的許多身體上的不同區(qū)域。同樣可以預(yù)見的是 可以將一個電極放置得與正被刺激的組織接近，而另一個遠(yuǎn)離，例如一個電 極在頭皮而一個電極在胸部。還預(yù)期的是電源可以是具有單個電極的單極或 具有多個電極的多極。類似地，可以通過任何可醫(yī)用介質(zhì)將電源施用于組織。 還預(yù)期的是可以使用其中電源不需要與組織直接接觸的裝置，如例如感應(yīng)式 磁源，其中將整個組織區(qū)域置于產(chǎn)生磁場的大螺線管中或產(chǎn)生磁場的線圈附
17近，其中磁場在組織中感應(yīng)電流。
電源可以是直流的(DC)或交流的(AC)并且可以施用到感興趣的組織
的內(nèi)部或外部。此外，電源可以是時變的。類似地，電源可以是脈沖調(diào)制的 并且可以包括時變脈沖形式。電源可以是脈沖。而且，本發(fā)明的電源可以是 間歇式的。
諸如超聲源16等機(jī)械源被施用于頭皮并且以下述方式向所聚焦的神經(jīng)組 織區(qū)域提供集中的聲學(xué)能量18 (即，機(jī)械場)，其所影響的神經(jīng)元22的數(shù)目 比被電場14影響的神經(jīng)元數(shù)目更小，所述下述方式為通過機(jī)械場18對與 所施用的電場14相對的組織介電常數(shù)的改變，從而產(chǎn)生經(jīng)改變的電流20。機(jī) 械源可以是諸如超聲設(shè)備等任何聲源。通常，這樣的設(shè)備可以是包括能夠 將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的電機(jī)換能器(例如含有壓電材料的設(shè)備)的設(shè)備、包 括能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為機(jī)械能量的電機(jī)換能器(例如在使用電磁鐵的聲學(xué)揚(yáng)聲 器中的設(shè)備)的設(shè)備、其中機(jī)械源與驅(qū)動系統(tǒng)的分離機(jī)械裝置耦合的設(shè)備、或 能夠執(zhí)行將化學(xué)能、等離子能、電能、核能、或熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并產(chǎn)生機(jī) 械場的任何類似設(shè)備。
此外，機(jī)械場可以經(jīng)由在組織成像中使用的超聲換能器產(chǎn)生。機(jī)械場可 經(jīng)由橋接介質(zhì)連接到組織，所述橋接介質(zhì)例如有盛有鹽水的容器以輔助聚焦 或者改變機(jī)械源與組織之間聲學(xué)阻抗的凝膠和/或涂膏。機(jī)械場可以是時變的、 脈沖調(diào)制的、脈沖，或可以包括時變脈沖形式?？梢灶A(yù)見的是可以將機(jī)械源 施用于感興趣的組織的內(nèi)部或外部。對于可通過機(jī)械源施用的頻率沒有限制， 然而，示例性機(jī)械場頻率從kHz以下到數(shù)1000MHz。此外，可以例如以與聚 焦超聲陣列中所用源相似的源陣列的形式，使用以相似或不同頻率和/或相似 或不同機(jī)械場波形提供多個機(jī)械場的多個變換器。類似地，還可施用多個經(jīng) 改變的電場?？梢蚤g歇地控制電和機(jī)械的組合場從而引起特定模式的峰活動 或神經(jīng)興奮性的更改。例如，設(shè)備可以以固定頻率產(chǎn)生周期性信號，或以脈 沖調(diào)制頻率產(chǎn)生高頻信號，從而以在治療許多疾病中顯示有效的脈沖頻率引起刺激。這樣的刺激波形可以是在快速或e釋放TMS治療、深層腦部剌激治
療、硬膜腦部刺激治療、脊髓刺激治療等中實(shí)現(xiàn)的波形，或者用于外周電刺 激神經(jīng)治療?？梢詫⒊曉捶胖迷谂c電極位置相對的任何位置，即，在與電 極相同的位置的里面、上面、下面或外面，只要電場和磁場的分量處于相同 區(qū)域。各源的位置應(yīng)當(dāng)彼此相關(guān)，使得各場與所要刺激的組織和細(xì)胞相交叉， 或者相對正被刺激的細(xì)胞組分指導(dǎo)電流變化。
特別是在低頻施用的電場存在下本發(fā)明的設(shè)備和方法，可通過介電常數(shù) 在量值上的顯著變化產(chǎn)生電容性電流。生物組織中的組織介電常數(shù)比多數(shù)其 他非生物材料的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高，特別是對于電場透深為最高的低頻施用 電場。這是因?yàn)榻殡姵?shù)反比于所施用的電場的頻率，從而在較低頻率下組
織介電常數(shù)量值較高。例如，對于低于100,000Hz的電場頻率，腦組織具有 等于或大于自由空間的介電常數(shù)(每米8.854X10A-12法拉)的10A8 (100,000,000)倍的介電常數(shù)幅度，這樣，相對幅度的最小局部擾動可導(dǎo)致 顯著的位移電流產(chǎn)生。隨著電場頻率的增加，相對介電常數(shù)成量值地下降， 對于約100，000Hz的電場頻率下降到約為自由空間的介電常數(shù)(每米 8.854*10~12法拉)1(^3倍的量值。此外，通過不限于較高的電場頻率，本 發(fā)明的方法由于降低了透深限制并因此降低了場強(qiáng)要求從而是用于刺激生物 組織的有利方法。此外，因?yàn)槲灰齐娏鳟a(chǎn)生于介電常數(shù)改變的區(qū)域，所以可 僅經(jīng)由超聲完成聚焦。例如，為了通過如上所述與所施用電場相對的介電常 數(shù)擾動產(chǎn)生電容性電流，可以將寬DC或恰好低于細(xì)胞刺激閾值的低頻電源場 施用于腦部區(qū)域，但是通過在以諸如超聲源等機(jī)械源產(chǎn)生的機(jī)械場的聚焦區(qū) 域內(nèi)更改組織介電常數(shù)從而使刺激效果聚焦于較小區(qū)域內(nèi)。這可以無創(chuàng)地進(jìn) 行通過將電極和超聲設(shè)備都置于頭皮表面上使得各場穿透圍繞腦部區(qū)域的 組織并且在所靶向的腦部位置交叉，或通過將電極和/或超聲設(shè)備中的一個或 兩者植入頭皮表面下(在腦部或任何周圍的組織中)使得各場在所耙向的區(qū)域 中交叉。在低于閾值電場的存在下位移電流通過改變介電常數(shù)而產(chǎn)生并提供刺激 信號。除了在組織中發(fā)生了負(fù)責(zé)刺激(即，產(chǎn)生用于刺激的經(jīng)改變的電流)的主 要介電常數(shù)變化外，在組織中還發(fā)生了次要地改變電流的歐姆分量的電導(dǎo)率 變化。在另一實(shí)施方式中，可以將位移電流的產(chǎn)生和經(jīng)改變的歐姆電流分量 組合以用于刺激。通常，作為所施用的電場頻率的函數(shù)，組織電導(dǎo)率在DC
到100,000Hz頻率范圍上稍有改變，但是與介電常數(shù)改變的程度不同，并且
隨著所施用電場頻率的增加而增加。此外與其他材料不同，在生物組織中， 作為所施用的電場頻率的函數(shù)電導(dǎo)率和介電常數(shù)沒有顯示出簡單的一對一的 關(guān)系。介電常數(shù)的范圍如上面所討論的。
雖然可以以所施用的電場的任何頻率完成所述過程，但是示例性實(shí)施方
式中的方法以較低頻率施用的電場實(shí)施，這是由于這樣的事實(shí)組織的介電
常數(shù)量值等于或大于自由空間的介電常數(shù)倍，以及電場透深對于低頻施
用的電場為最高。較高頻施用的電場較不合意，這是因?yàn)樗鼈儗⑿枰^大的 輻射能量來穿透組織和/或改變介電常數(shù)用的更強(qiáng)的機(jī)械源來實(shí)現(xiàn)同樣的相對 組織介電常數(shù)的改變，即在較高的施用電場頻率組織的介電常數(shù)較低，并且 因此需要較大的全局?jǐn)_動以具有與較低頻相同的組織介電常數(shù)的全局變化。
由于在從DC到大約100，000Hz的范圍頻帶中的高組織介電常數(shù)和生物組織在 這些頻率的高透深，在該范圍內(nèi)的施用電場頻率是有利的。在該頻帶中，組 織位于相對組織介電常數(shù)的量值被最大地提升(即，等于或大于自由空間的 介電常數(shù)的101倍)的所謂"阿爾法分散帶"內(nèi)。在產(chǎn)生用于刺激生物細(xì)胞和 組織的位移電流的所述方法中，大于約IOO，OOO到1,000,00Hz的施用電場頻 率仍然是適用的，然而在這一頻帶中生物組織的組織介電常數(shù)和透深與之前 的頻帶相比均受到限制，但是仍然可以對一些應(yīng)用產(chǎn)生足夠量值的位移電流。 在該這一范圍中，可能需要增加所施用電場的量值，或用于改變與所施用電 場相對的已增加的介電常數(shù)的方法以帶來與所施用電場頻率的組織介電常數(shù) 量值相比更大的介電常數(shù)改變。此外，由于對于一些應(yīng)用的潛在安全性顧慮，與在之前的頻帶中可能的連續(xù)施用相反，可能需要限制各場的施用時間或脈 沖調(diào)制各場。對于其中安全性顧慮阻礙較深組織的技術(shù)的組織或應(yīng)用，該技 術(shù)仍可能在更淺表的應(yīng)用中以無創(chuàng)方式或通過創(chuàng)傷方法應(yīng)用。大于l,OO，OOO
到100,000,000Hz的較高頻施用電場可用于產(chǎn)生刺激生物細(xì)胞和組織的位移 電流。然而，這將需要更充分的介電常數(shù)變化或電磁輻射，因此就安全性而 言與之前的頻帶相比不夠理想。對于大于100,000,000Hz的施用電場的頻率， 生物細(xì)胞和組織刺激仍是可接受的，但是對于需要較小位移電流的特殊應(yīng)用 可能是受限的。
用于產(chǎn)生本發(fā)明的改變的電流的電和機(jī)械場的焦點(diǎn)可能導(dǎo)引到腦部或神
經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括但不限于背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng) 節(jié)的任意部分、伏核、胃神經(jīng)核、腦干、丘腦、下丘、上丘、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、
初級運(yùn)動皮質(zhì)、輔助運(yùn)動皮質(zhì)、枕葉、布羅德曼1-48區(qū)、初級感覺皮質(zhì)、初級
視覺皮質(zhì)、初級聽皮質(zhì)、杏仁核、海馬、耳蝸、腦神經(jīng)、小腦、額葉、枕葉、 顳葉、頂葉、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)、脊髓、神經(jīng)根、感覺器官、和外周神經(jīng)。 可以選擇所聚焦的組織從而使種類廣泛的疾病可以得到治療。這些可以
治療的疾病包括但不限于多發(fā)性硬化、肌萎縮側(cè)索硬化、阿爾茨海默病、 張力失常、抽搐、脊髓損傷、外傷性腦損傷、藥物成癮、食物成癮、酒精成 癮、尼古丁成癮、口吃、耳鳴、痙攣、帕金森病、帕金森神經(jīng)機(jī)能障礙、強(qiáng) 迫癥、抑郁癥、精神分裂癥、雙相型障礙、急性躁狂、張力缺失、創(chuàng)傷后應(yīng) 激障礙、孤獨(dú)癥、慢性痛綜合征、幻肢痛、癲癇、中風(fēng)、幻聽、運(yùn)動障礙、 神經(jīng)退行性疾病、疼痛障礙、代謝紊亂、成癮障礙、精神障礙、外傷性神經(jīng) 損傷和感覺障礙。此外，用于產(chǎn)生改變的電流的電場和機(jī)械場可以聚焦于特 定腦部或神經(jīng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)施如下程序感覺增強(qiáng)、感覺更改、麻醉誘導(dǎo)及維 持、腦定位、癲癇定位、神經(jīng)萎縮減輕、利用神經(jīng)系統(tǒng)的人工神經(jīng)相互作用 或控制、中風(fēng)及外傷性損傷的神經(jīng)修復(fù)、膀胱控制、輔助呼吸、心臟起搏、 肌肉刺激、以及由諸如偏頭痛、神經(jīng)病變以及下背部痛引起的疼痛綜合征或
21者諸如慢性胰腺炎或者癌癥等內(nèi)部器官疾病的治療。
在向其傳遞機(jī)械場的經(jīng)聚焦組織區(qū)域中，通過增加或減少神經(jīng)元的興奮 性，可以將個體神經(jīng)元的興奮性提高到可被組合的場刺激的點(diǎn)，或影響個體 神經(jīng)元的興奮性以便引發(fā)或放大由經(jīng)改變的電流所導(dǎo)致的神經(jīng)興奮性的變 化。神經(jīng)興奮性的這種改變可以持續(xù)超過刺激的持續(xù)時間，因此被用作提供 持續(xù)治療的基礎(chǔ)。此外，可以以多個但分離的時間段提供組合場，從而對細(xì) 胞和組織的興奮性具有總計(jì)的或累積的效果?？梢栽谄渌问降拇碳ぶ疤?供組合場，以準(zhǔn)備組織使其對其它后續(xù)形式的刺激更敏感或更不敏感。此外， 可以在間隔形式的刺激之后提供組合場，其中使用間隔形式的刺激以準(zhǔn)備組 織以使得其使其對本發(fā)明的刺激形式更敏感或更不敏感。此外，組合場可施 用漫長的時間周期。
圖2圖示了通過電場36和機(jī)械場38的組合效應(yīng)以在生物組織34中產(chǎn)生 具有新生的刺激用位移電流32的經(jīng)改變的電流的實(shí)施方法的設(shè)備30。將組織 或復(fù)合組織34放置在產(chǎn)生電場36的電源40的陽極和陰極附近。將電場36 與例如超聲場38的機(jī)械場組合，該超聲場38能夠聚焦于組織34并通過超聲 換能器42產(chǎn)生。在機(jī)械場38聚焦并與電場36交叉的組織44的子區(qū)域內(nèi)， 產(chǎn)生了位移電流32。通過振動和/或機(jī)械擾動組織44的子區(qū)域，可以相對所 施用電場36改變的組織44的介電常數(shù)以產(chǎn)生除了因電源場36而存在并且因 機(jī)械擾動引起在組織中的電導(dǎo)率變化而改變的電流之外的位移電流32。
通過向組織44的子區(qū)域提供機(jī)械場38，可以通過下述方式改變電場36 內(nèi)的介電常數(shù)通過組織44的子區(qū)域的新元件在電場內(nèi)外的振動使得組織連 續(xù)介電常數(shù)相對電場36改變，或者通過使得組織44的子區(qū)域的主體性質(zhì)和 介電常數(shù)或組織電容由于機(jī)械擾動而改變。在電場內(nèi)改變介電常數(shù)的實(shí)例可 以在具有不同介電常數(shù)的細(xì)胞膜和細(xì)胞外液在與電場相對的位置被機(jī)械場改 變時發(fā)生。與電場相對的不同介電常數(shù)的組織的這一變動將產(chǎn)生新的位移電 流。組織可具有高達(dá)或大于自由空間的介電常數(shù)的101倍的介電常數(shù)值，不同在于量值，和/或具有各向異性性質(zhì)，從而使組織自身取決于施用電場的相 對方向顯示出不同的介電常數(shù)量值。更改大塊組織介電常數(shù)的實(shí)例發(fā)生在大 塊組織的相對介電常數(shù)在電場的存在下直接被機(jī)械擾動改變?？梢詫C(jī)械源 (即，超聲源)置于與電極位置相對的任何位置，即，在與電極相同的位置的內(nèi) 部或外部，只要電場和機(jī)械場的分量處于相同區(qū)域中。
可以經(jīng)由多種方法相對所施用電場改變組織介電常數(shù)?？蓪C(jī)械技術(shù)用 于相對所施用電場改變大塊組織介電常數(shù)，或用于相對所施用電場移動不同 介電常數(shù)的組織成分。對于如前討論的所施用機(jī)械場的頻率沒有特定限制，
然而，示例性頻率范圍從kHz以下到數(shù)1000MHz?？蓪⒘硪粋€電磁場以與施 用的電磁場的初始頻率不同的頻率施用到組織，從而使其在初始施用電場的 頻率依賴點(diǎn)改變組織介電常數(shù)。還可以將光信號聚焦于組織上以相對所施用 電場改變組織介電常數(shù)。還可以將化學(xué)試劑或熱場施用到組織以相對所施用 電場改變組織介電常數(shù)。這些方法還可以組合使用以通過創(chuàng)傷性或無創(chuàng)性方 法相對所施用電場改變組織介電常數(shù)。
例如，圖3示出用于通過電場54和化學(xué)試劑56的組合效應(yīng)產(chǎn)生具有新 生的位移電流52的經(jīng)改變的電流的設(shè)備50。組織或組織復(fù)合58被放置在電 源60內(nèi)，該電源60產(chǎn)生電場54并與釋放可聚焦于組織58的化學(xué)試劑56的 化學(xué)源62組合。在組織64中化學(xué)試劑56被釋放的區(qū)域內(nèi)，電場54橫切組 織64的子區(qū)域，并且化學(xué)試劑56與組織64的子區(qū)域起作用以相對所施用電 場54改變組織相對介電常數(shù)。這產(chǎn)生了除了由于源電場54而存在的電流外 的位移電流52?；瘜W(xué)試劑56可以是任何可與組織或組織64的細(xì)胞成分起作 用以改變其相對于電場54的介電常數(shù)的試劑。這可以是通過熱反應(yīng)過程來提 高或降低組織64溫度，或通過化學(xué)反應(yīng)以改變例如沿位于組織64內(nèi)細(xì)胞壁 的離子雙層等細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外介質(zhì)的離子分布。類似地，組織64內(nèi)的蛋白質(zhì) 和其他帶電成分的構(gòu)象也可以被改變從而使組織介電常數(shù)相對低頻電場54改 變。該試劑還可以是使組織64內(nèi)的任何分子或化合物暫時或永久地順應(yīng)與低
23頻電場54相對的永久偶極矩的任何試劑。由化學(xué)試劑56驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)必
須足夠快速地發(fā)揮作用從而在電場54的存在下使組織的介電常數(shù)快速地改變 以產(chǎn)生位移電流52。該反應(yīng)還可以使得介電常數(shù)波動，從而隨著介電常數(shù)的 持續(xù)變化持續(xù)產(chǎn)生位移電流。除了在組織中發(fā)生的主介電常數(shù)變化外，在組 織中還可發(fā)生電導(dǎo)率變化，這次要地改變電流的歐姆分量。可以使用生物試 劑以替代或補(bǔ)充化學(xué)試劑56。該實(shí)施方式對于經(jīng)聚焦的藥物傳遞可具有特定 應(yīng)用，其中包括額外的化學(xué)或生物試劑以輔助組織的治療，或其中經(jīng)改變的 電流可驅(qū)動額外的電化學(xué)反應(yīng)以用于治療。例如，這可以用于諸如經(jīng)聚焦的 基因治療或經(jīng)聚焦的化學(xué)治療等領(lǐng)域。
另一實(shí)例如圖4所示，圖4圖示用于應(yīng)用通過低頻電場74和電磁輻射場 76的組合效應(yīng)產(chǎn)生具有新生位移電流72的經(jīng)改變電流的方法的設(shè)備70。組 織或復(fù)合組織78被放置在低頻電場74內(nèi)，該低頻電場74由電源80產(chǎn)生并 與產(chǎn)生可聚焦于組織78的輻射場76的輻射源82組合。在輻射場76在組織 78內(nèi)聚焦的區(qū)域中，電場74橫切組織84的子組分，其中輻射場76與組織 84的子組分相互作用從而相對所施用電場74改變組織相對介電常數(shù)，并且因 此產(chǎn)生了除由于源電場74或輻射源場76自身而存在的電流外的位移電流72。 電磁輻射場76可以例如通過以歐姆方式改變組織84的溫度從而與組織84相 互作用、通過電場力作用于離子改變例如沿著沿細(xì)胞壁的離子雙層等細(xì)胞和 細(xì)胞外介質(zhì)的離子分布、或通過電場力在組織內(nèi)改變蛋白質(zhì)和其他帶電成分 的構(gòu)象，從而相對低頻電場74改變組織介電常數(shù)。此外，通過經(jīng)由電限力移 動組織的成分，電磁場76可與組織84相互作用，如在各向異性組織中將看 到的，以對于低頻電場74改變組織的連續(xù)介電常數(shù)。除了在組織中出現(xiàn)的主 介電常數(shù)改變外，在組織中還出現(xiàn)次要地改變電流的歐姆分量的電導(dǎo)率變化。
圖5示出應(yīng)用通過電場94和光束96的組合效應(yīng)產(chǎn)生具有新生的位移電 流92的經(jīng)改變電流的方法的設(shè)備90。組織或復(fù)合組織98放置在由電源100 產(chǎn)生的并與產(chǎn)生可聚焦于組織98的光束96的光源102相組合的電場94內(nèi)。 在光束96聚焦于組織的區(qū)域中，電場94橫切組織104的子組分，其中光束96與組織起作用以相對所施用電場94改變組織相對介電常數(shù)，并且因此產(chǎn)生
除了因源電場94而存在的電流外的位移電流92。光束96可以例如通過以光 熱效應(yīng)和/或粒子激發(fā)改變組織的溫度而與組織相互作用；通過光學(xué)激發(fā)離子 的運(yùn)動而改變細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外介質(zhì)中的離子分布(例如沿著沿細(xì)胞壁的離子雙 層)；通過激光組織相互作用使組織離子化；或改變組織內(nèi)的蛋白質(zhì)和其他帶 電成分的構(gòu)象，從而相對低頻電場94改變組織介電常數(shù)。除了存在于組織中 的主介電常數(shù)變化外，在組織中還存在次要地改變電流的歐姆分量的電導(dǎo)率 變化。
在另一實(shí)施方式中，可以使用熱源以改變組織介電常數(shù)的。在這樣的實(shí) 施方式中，可以在所要刺激的組織的外部或內(nèi)部放置諸如加熱探針、冷卻探 針、或混合探針等熱源。熱源可通過直接依賴于組織溫度的介電常數(shù)、響 應(yīng)溫度變化的組織機(jī)械擴(kuò)展、或通過響應(yīng)溫度變化而改變的粒子和離子振動 而產(chǎn)生的機(jī)械力，從而相對所施用電場改變組織介電常數(shù)。除了存在于組織 中的主介電常數(shù)變化外，在組織中還存在次要地改變電流的歐姆分量的電導(dǎo) 率變化。這一實(shí)施方式可以用于存在組織急性損傷時的刺激，其中可使用熱 源來額外輔助組織損傷的治療，例如外傷性腦損傷或諸如心臟等任何器官中 的梗塞?？梢栽谔峁┐碳さ耐瑫r冷卻或加熱組織以減少損傷的影響。
在另一實(shí)施方式中，可將根據(jù)本發(fā)明的方法應(yīng)用到肌肉刺激的領(lǐng)域中， 其中可使用放大的、經(jīng)聚焦的、方向經(jīng)改變的和/或衰減的電流來通過直接剌 激、去極化肌肉細(xì)胞、超極化肌肉細(xì)胞，改變膜電位、和/或增加或減少肌肉 細(xì)胞的興奮性來改變肌肉活動。這種興奮性或激放電模式的改變可持續(xù)超過 刺激的持續(xù)時間并因而被用作提供玲續(xù)治療的基礎(chǔ)。此外，刺激可以以多個 但分離的時間段提供從而對于細(xì)胞和組織的興奮性具有總計(jì)的或累積的效 應(yīng)。此外，可以通過調(diào)整肌肉細(xì)胞興奮性提供刺激以使組織做好準(zhǔn)備使其對 后續(xù)的刺激形式更敏感或不敏感。可在使用另一形式的刺激使組織做好準(zhǔn)備 之后使用刺激。此外，可長時間施用刺激。這一實(shí)施方式可用于更改或輔助 心臟起搏或功能、輔助呼吸、用于康復(fù)的肌肉刺激、存在神經(jīng)或脊髓損傷的
25肌肉刺激以防止萎縮或輔助運(yùn)動、或作為替代物理鍛煉。
在另一實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法可應(yīng)用到物理治療的領(lǐng)域，其中 可使用放大的、聚焦的、方向改變的和/或衰減的電流通過將電流產(chǎn)生的焦點(diǎn) 施用到需要物理治療的受影響的區(qū)域從而刺激血液流動、增加或改變神經(jīng)細(xì) 胞響應(yīng)、消炎、加速疤痕組織分解、和加速康復(fù)?？梢灶A(yù)見的是本發(fā)明的方 法在物理治療的領(lǐng)域中具有廣泛的多樣性，包括外傷性損傷、運(yùn)動損傷、外 科手術(shù)康復(fù)、職業(yè)性治療的治療或康復(fù)、以及神經(jīng)或肌肉損傷后的輔助康復(fù)。 例如，在關(guān)節(jié)或肌肉損傷后，在該區(qū)域中通常存在增加的炎癥和疤痕組織和 降低的神經(jīng)和肌肉響應(yīng)。通常，在分別對神經(jīng)和肌肉提供電刺激的同時向受 影響的區(qū)域提供超聲以增加血液向該區(qū)域的流動并增加疤痕組織的代謝性重
吸收；然而，通過一起提供這些刺激，人們可以得到每種單獨(dú)效應(yīng)的好處， 但通過經(jīng)改變的電流而額外放大的刺激和代謝效應(yīng)?？梢允褂糜糜诋a(chǎn)生本文 所述的經(jīng)改變的電流的其它方法，通過產(chǎn)生的位移電流而輔助物理治療。
此外，可以將根據(jù)本發(fā)明的方法應(yīng)用到細(xì)胞代謝的領(lǐng)域，其中電流可用 于與電感受細(xì)胞或帶電膜相互作用以改變組織或細(xì)胞動力學(xué)。可以預(yù)見的是 這一實(shí)施方式可提供各種疾病的治療，其中電感受細(xì)胞響應(yīng)新產(chǎn)生的位移電 流和經(jīng)改變的電流分布。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法可應(yīng)用到基因治療的領(lǐng)域。放大的、聚焦的、 方向更改的和/或衰減的電流可用于與電感受細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的受體相互作用， 以影響蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移過程并改變細(xì)胞的遺傳內(nèi)容。組織內(nèi)經(jīng)改變的電流密度可 與組織相互作用以刺激這一經(jīng)更改的基因調(diào)控。此外，通過該方法產(chǎn)生的位 移電流還可以進(jìn)一步被用于通過經(jīng)改變的電流對試劑傳遞的影響而輔助藥物 傳遞和/或基因治療。
盡管己經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但是其應(yīng)當(dāng) 被認(rèn)為是闡釋性的而非在特征上的限制性，應(yīng)當(dāng)理解的是已經(jīng)顯示和描述了 實(shí)施方式并且本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)的所有變化和修改都需要被保護(hù)。
2權(quán)利要求
1. 一種用于在生物組織中產(chǎn)生電流的設(shè)備，所述設(shè)備包括能夠產(chǎn)生穿過組織區(qū)域的電場的電源；以及用于相對所述電場改變所述組織的介電常數(shù)的裝置，從而與所述電場相對的所述組織的介電常數(shù)的改變在所述組織中產(chǎn)生位移電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變所述介電常數(shù)的所述裝置選 自化學(xué)源、光源、機(jī)械源、熱源或電磁源。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于更改所述介電常數(shù)的所述裝置是 機(jī)械性的并且是超聲源。
4. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述電場是脈沖調(diào)制的。
5. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述電場是時變的。
6. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述電場是一系列時變脈沖。
7. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述電場是非時變的。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置是脈沖 調(diào)制的信號。
9. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置是時變 信號。
10. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置是由一 系列時變脈沖組成的信號。
11. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述組織是神經(jīng)組織。
12. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括被配置以施用于組織 的至少一個電極。
13. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括被配置以施用于所述 組織鄰近的或外部的組織的至少一個電極。
14. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述電源植入所述組織中。
15. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電源植入所述組織鄰近的、外部 的或內(nèi)部的組織中。
16. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置植入所 述組織內(nèi)部。
17. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置植入到 所述組織鄰近的、外部的或內(nèi)部的組織中。
18. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述電源被無創(chuàng)地施用。
19. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置被無創(chuàng)地施用。
20. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電源是從外部源產(chǎn)生的時變感應(yīng) 磁場。
21. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中出于治療目的所述電場被廣泛施用到 神經(jīng)組織的大片區(qū)域并且所述裝置被聚焦在神經(jīng)組織的特定區(qū)域。
22. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中出于治療目的所述電場被廣泛施用到 神經(jīng)組織的大片區(qū)域并且所述裝置被廣泛施用到神經(jīng)組織的大片區(qū)域。
23. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中出于治療目的所述電場和所述裝置被 聚焦在神經(jīng)組織的特定區(qū)域。
24. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中出于治療目的所述電場被聚焦在神經(jīng) 組織的特定區(qū)域并且所述裝置被廣泛施用到神經(jīng)組織的大片區(qū)域。
25. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場具有在從約DC到 100,000,000Hz的范圍內(nèi)的頻率分量或多個分量。
26. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場被廣泛施用并且用于改變介 電常數(shù)的所述裝置被聚焦并能夠被施用于神經(jīng)組織以輔助選自多發(fā)性硬化、 肌萎縮側(cè)索硬化、阿爾茨海默病、張力失常、抽搐、脊髓損傷、外傷性腦損 傷、藥物成癮、食物成癮、酒精成癮、尼古丁成癮、口吃、耳鳴、痙攣、帕 金森病、帕金森神經(jīng)機(jī)能障礙、強(qiáng)迫癥、抑郁癥、精神分裂癥、雙相型障礙、急性躁狂、張力缺失、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、孤獨(dú)癥、慢性痛綜合征、幻肢痛、 癲癇、中風(fēng)、幻聽、運(yùn)動障礙、神經(jīng)退行性疾病、疼痛障礙、代謝紊亂、成 癮障礙、精神障礙、外傷性神經(jīng)損傷和感覺障礙的疾病的治療。
27. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場和用于改變介電常數(shù)的所述 裝置被聚焦并且能夠施用到神經(jīng)組織以輔助選自多發(fā)性硬化、肌萎縮側(cè)索硬 化、阿爾茨海默病、張力失常、抽搐、脊髓損傷、外傷性腦損傷、藥物成癮、 食物成癮、酒精成癮、尼古丁成癮、口吃、耳鳴、痙攣、帕金森病、帕金森 神經(jīng)機(jī)能障礙、抑郁癥、強(qiáng)迫癥、精神分裂癥、雙相型障礙、急性躁狂、張 力缺失、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、孤獨(dú)癥、慢性痛綜合征、幻肢痛、癲癇、中風(fēng)、 幻聽、運(yùn)動障礙、神經(jīng)退行性疾病、疼痛障礙、代謝紊亂、成癮障礙、精神 障礙、外傷性神經(jīng)損傷和感覺障礙的疾病的治療。
28. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場被聚焦并且用于改變介電常 數(shù)的所述裝置被廣泛施用并且施用于神經(jīng)組織以輔助選自多發(fā)性硬化、肌萎 縮側(cè)索硬化、阿爾茨海默病、張力失常、抽搐、脊髓損傷、外傷性腦損傷、 藥物成癮、食物成癮、酒精成癮、尼古丁成癮、口吃、耳鳴、痙攣、帕金森 病、帕金森神經(jīng)機(jī)能障礙、抑郁癥、強(qiáng)迫癥、精神分裂癥、雙相型障礙、急 性躁狂、張力缺失、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、孤獨(dú)癥、慢性痛綜合征、幻肢痛、癲 癇、腦中風(fēng)、幻聽、運(yùn)動障礙、神經(jīng)退行性疾病、疼痛障礙、代謝紊亂、成 癮障礙、精神障礙、外傷性神經(jīng)損傷和感覺障礙的疾病的治療。
29. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場和用于改變介電常數(shù)的所述 裝置被廣泛施用并且被施用于神經(jīng)組織以輔助選自多發(fā)性硬化、肌萎縮側(cè)索 硬化、阿爾茨海默病、張力失常、抽搐、脊髓損傷、外傷性腦損傷、藥物成 癮、食物成癮、酒精成癮、尼古丁成癮、口吃、耳鳴、痙攣、帕金森病、帕 金森神經(jīng)機(jī)能障礙、抑郁癥、強(qiáng)迫癥、精神分裂癥、雙相型障礙、急性躁狂、 張力缺失、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、孤獨(dú)癥、慢性痛綜合征、幻肢痛、癲癇、腦中 風(fēng)、幻聽、運(yùn)動障礙、神經(jīng)退行性疾病、疼痛障礙、代謝紊亂、成癮障礙、精神障礙、外傷性神經(jīng)損傷和感覺障礙的疾病的治療。
30. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場被廣泛施用并且用于更改介 電常數(shù)的所述裝置被聚焦到在腦部或神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一個結(jié)構(gòu)或多個結(jié)構(gòu)，該 腦部或神經(jīng)系統(tǒng)選自背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)的任意部分、伏核、胃 神經(jīng)核、腦干、丘腦、下丘、上丘、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、初級運(yùn)動皮質(zhì)、輔助運(yùn)動皮質(zhì)、枕葉、布羅德曼l-48區(qū)、初級感覺皮質(zhì)、初級視覺皮質(zhì)、初級聽覺皮質(zhì)、杏仁核、海馬、耳蝸、腦神經(jīng)、小腦、額葉、枕葉、顳葉、頂葉、 皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)、外周神經(jīng)和脊髓。
31. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場和用于改變介電常數(shù)的所述 裝置被聚焦到在腦部或神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一個結(jié)構(gòu)或多個結(jié)構(gòu)，該腦部或神經(jīng)系 統(tǒng)選自背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)的任意部分、伏核、胃神經(jīng)核、腦干、 丘腦、下丘、上丘、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、初級運(yùn)動皮質(zhì)、輔助運(yùn)動皮質(zhì)、枕葉、 布羅德曼1-48區(qū)、初級感覺皮質(zhì)、初級視覺皮質(zhì)、初級聽覺皮質(zhì)、杏仁核、 海馬、耳蝸、腦神經(jīng)、小腦、額葉、枕葉、顳葉、頂葉、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)、外周 神經(jīng)和脊髓。
32. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場被聚焦并且用于改變介電常 數(shù)的所述裝置被廣泛施用到在腦部或神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一個結(jié)構(gòu)或多個結(jié)構(gòu)，該 腦部或神經(jīng)系統(tǒng)選自背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)的任意部分、伏核、胃 神經(jīng)核、腦干、丘腦、下丘、上丘、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、初級運(yùn)動皮質(zhì)、補(bǔ)充 運(yùn)動皮質(zhì)、枕葉、布羅德曼1-48區(qū)、初級感覺皮質(zhì)、初級視覺皮質(zhì)、初級聽 覺皮質(zhì)、扁桃體、海馬組織、耳蝸、腦神經(jīng)、小腦、額葉、枕葉、顳葉、頂 葉、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)、外周神經(jīng)和脊髓。
33. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場和用于改變介電常數(shù)的所述 裝置被廣泛施用到在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一個結(jié)構(gòu)或多個結(jié)構(gòu)，該神經(jīng)系統(tǒng)選自背 外側(cè)前額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)的任意部分、伏核、胃神經(jīng)核、腦干、丘腦、 下丘、上丘、導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、初級運(yùn)動皮質(zhì)、補(bǔ)充運(yùn)動皮質(zhì)、枕葉、布羅德曼l-48區(qū)、初級感覺皮質(zhì)、初級視覺皮質(zhì)、初級聽覺皮質(zhì)、扁桃體、海馬、 耳蝸、腦神經(jīng)、小腦、額葉、枕葉、顳葉、頂葉、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)、外周神經(jīng)和
34. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場被廣泛施用并且用于改變介電常數(shù)的所述裝置被聚焦到神經(jīng)組織，以實(shí)施選自以下程序的程序感覺增 強(qiáng)、感覺更改、麻醉誘導(dǎo)及維持、腦定位、癲癇定位、術(shù)前規(guī)劃、神經(jīng)萎縮 減輕、神經(jīng)修復(fù)與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用或控制、中風(fēng)及外傷性損傷的神經(jīng)修 復(fù)、膀胱控制、輔助呼吸、心臟起搏、肌肉刺激、以及由諸如偏頭痛、神經(jīng) 病變以及下背痛引起的疼痛綜合征或者諸如慢性胰腺炎或者癌癥等內(nèi)部臟器 疾病的治療。
35. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場和用于改變介電常數(shù)的所述裝置被聚焦到神經(jīng)組織從而實(shí)施選自以下程序的程序感覺增強(qiáng)、感覺更改、 麻醉誘導(dǎo)及維持、腦定位、癲癇定位、術(shù)前規(guī)劃、神經(jīng)萎縮減輕、神經(jīng)修復(fù) 與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用或控制、中風(fēng)及外傷性損傷的神經(jīng)修復(fù)、膀胱控制、 輔助呼吸、心臟起搏、肌肉剌激、以及由諸如偏頭痛、神經(jīng)病變以及下背痛 引起的疼痛綜合征或者諸如慢性胰腺炎或者癌癥等內(nèi)部臟器疾病的治療。
36. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場被聚焦并且用于改變介電常數(shù)的所述裝置被廣泛施用到神經(jīng)組織從而實(shí)施選自以下程序的程序感覺增 強(qiáng)、感覺更改、麻醉誘導(dǎo)及維持、腦定位、癲癇定位、術(shù)前規(guī)劃、神經(jīng)萎縮 減輕、神經(jīng)修復(fù)與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用或控制、中風(fēng)及外傷性損傷的神經(jīng)修 復(fù)、膀胱控制、輔助呼吸、心臟起搏、肌肉刺激、以及由諸如偏頭痛、神經(jīng) 病變以及下背痛引起的疼痛綜合征或者諸如慢性胰腺炎或者癌癥等內(nèi)部臟器 疾病的治療。
37. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電場和用于改變介電常數(shù)的所述 裝置被廣泛施用到神經(jīng)組織從而實(shí)施選自以下程序的程序感覺增強(qiáng)、感覺更 改、麻醉誘導(dǎo)及維持、腦定位、癲癇定位、術(shù)前規(guī)劃、神經(jīng)萎縮減輕、神經(jīng)修復(fù)與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用或控制、中風(fēng)及外傷性損傷的神經(jīng)修復(fù)、膀胱控制、 輔助呼吸、心臟起搏、肌肉刺激、以及由諸如偏頭痛、神經(jīng)病變以及下背痛引 起的疼痛綜合征或者諸如慢性胰腺炎或者癌癥等內(nèi)部臟器疾病的治療。
38. —種用于刺激生物組織的方法，所述方法包括 施用電源到生物組織的區(qū)域以在所述組織中產(chǎn)生電場；和 通過應(yīng)用用于相對所述電場改變所述組織的介電常數(shù)的裝置而相對所述電源改變所述組織的介電常數(shù)，從而與所述電場相對的所述組織的介電常數(shù) 的改變在所述組織中產(chǎn)生位移電流。
39. 如權(quán)利要求38所述的設(shè)備，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置選自 化學(xué)源、光源、機(jī)械源、熱源或電磁源。
40. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中改變組織的所述介電常數(shù)包括施用 機(jī)械源以機(jī)械地改變組織的介電常數(shù)。
41. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置是超 聲源。
42.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述組織是神經(jīng)組織。
43.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述組織是內(nèi)分泌組織。
44.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述組織是電感受組織。
45.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述組織是肌肉組織。
46.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述組織是結(jié)締組織。
47.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述組織是骨骼組織。
48.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述方法被應(yīng)用于所述組織的所述區(qū)域的物理治療。
49. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述位移電流刺激所述組織的所述 區(qū)域中的血液流動。
50, 如權(quán)利要求38所述的方法，其中用于改變介電常數(shù)的所述裝置是施 用超聲到所述組織的區(qū)域的超聲源。
51. —種用于在生物組織中產(chǎn)生電流的設(shè)備，所述設(shè)備包括 能夠產(chǎn)生穿過組織區(qū)域的電場的電源，其中所述電源是附接到周圍組織區(qū)域的外表面的至少一個電極；和產(chǎn)生聚焦在組織的子區(qū)域的機(jī)械場的超聲設(shè)備，其中所述電場和所述機(jī)械 場的組合效果在所述組織區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有新生位移電流的經(jīng)改變的電流。
52. —種用于刺激生物組織的方法，所述方法包括施用電源到生物組織的區(qū)域以在所述組織中產(chǎn)生電場；和 用于相對所述電場改變所述組織的介電常數(shù)從而產(chǎn)生位移電流的裝置；和 用于相對所述電場改變所述組織的電導(dǎo)率從而更改歐姆電流的裝置。
53. —種用于在生物組織中改變電流的設(shè)備，所述設(shè)備包括 能夠產(chǎn)生穿過組織區(qū)域的電場的電源；和用于相對所述電場改變所述組織的介電常數(shù)從而產(chǎn)生位移電流的裝置；和 用于相對所述電場改變所述組織的電導(dǎo)率從而更改歐姆電流的裝置。
54. —種用于在生物組織中產(chǎn)生電流的設(shè)備，所述設(shè)備包括 能夠產(chǎn)生穿過組織區(qū)域的電場的電源；和產(chǎn)生聚焦在組織的子區(qū)域上的機(jī)械場的超聲設(shè)備，其中所述電場和所述機(jī) 械場的組合效果在所述組織區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有新生的位移電流的經(jīng)改變的電流。
55. —種用于在生物組織中改變電流的設(shè)備，所述設(shè)備包括 能夠產(chǎn)生穿過組織區(qū)域的電場的電源；和用于相對所述電場改變所述組織的電磁性質(zhì)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在生物組織中產(chǎn)生聚焦電流的設(shè)備。該設(shè)備包括能夠產(chǎn)生穿過組織區(qū)域的電場的電源和用于相對所述電場改變所述組織的介電常數(shù)從而產(chǎn)生位移電流的裝置。用于改變介電常數(shù)的裝置可以是化學(xué)源、光源、機(jī)械源、熱源、或電磁源。
文檔編號A61N1/00GK101500644SQ200780029409
公開日2009年8月5日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者提摩太·安德魯·瓦格納, 裕維·之為·依典 申請人:高地儀器公司