本申請(qǐng)要求申請(qǐng)日于2014年4月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/984,914的優(yōu)先權(quán)，其公開全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種呼吸植入系統(tǒng)，例如可植入的呼吸起搏系統(tǒng)和睡眠呼吸暫停治療系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

喉位于頸部中并且參與呼吸、發(fā)聲(說(shuō)話)以及保護(hù)氣管免于吸入食物和水。附圖1A示出人喉100的后位解剖圖并且附圖1B示出了從上面觀察的喉，包括會(huì)厭101、甲狀軟骨102、聲帶/韌帶103、環(huán)甲肌104、杓狀軟骨105、環(huán)杓后肌(PCA)106、聲帶肌107、環(huán)狀軟骨108、喉返神經(jīng)(RLN)109、杓橫肌110、杓斜肌111、喉上神經(jīng)112、舌骨113(注：舌骨通常不被認(rèn)為是喉的一部分，嚴(yán)格地被包含在附圖1A和1B中以用于輔助定位)、甲狀舌骨膜117以及彈性膜或者彈性圓錐的較厚的下部118。附圖1C示出頭部和頸部區(qū)域的側(cè)視圖并且附圖1D示出頭部和頸部區(qū)域的矢狀剖視圖，所述側(cè)視圖和矢狀剖視圖示出了喉100及其結(jié)構(gòu)、氣管114、食道115以及咽116，包括環(huán)杓關(guān)節(jié)119、環(huán)甲關(guān)節(jié)120和舌121。

在呼吸的吸氣階段，喉100的神經(jīng)和肌肉控制(打開)聲帶103以允許空氣進(jìn)入肺。在呼吸的呼氣階段期間，喉100的神經(jīng)和肌肉控制(關(guān)閉)聲帶103來(lái)產(chǎn)生濁音。在靜止時(shí)，呼吸頻率通常在每分鐘12到25次呼吸。所以，例如，每分鐘20次呼吸導(dǎo)致3秒的呼吸時(shí)間，其中1.5秒吸氣階段，和1.5秒呼氣階段(假定50/50的比例)。呼吸頻率變化取決于身體活動(dòng)。

喉返神經(jīng)(RLN)109的單側(cè)和雙側(cè)的損傷或者斷裂最初會(huì)導(dǎo)致喉(和喉下部)支撐肌暫時(shí)的局部麻痹。RLN 109的雙側(cè)中斷導(dǎo)致環(huán)杓后肌(PCA)106控制功能的喪失，這是具有急性窒息和生命威脅的情況。這樣嚴(yán)重的情況通常需要雙側(cè)聲帶麻痹外科治療，例如脊髓前側(cè)柱切斷術(shù)或者杓狀軟骨切除術(shù)，繼而會(huì)限制發(fā)聲并且存在生理性氣道保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。

另一個(gè)最新的治療RLN損傷的方法是使用在吸氣時(shí)電刺激(起搏)PCA肌肉106來(lái)控制(打開)聲帶103的呼吸植入。在呼氣時(shí)，聲帶103放松(關(guān)閉)來(lái)促進(jìn)發(fā)聲。在這些呼吸植入系統(tǒng)中，患者能夠根據(jù)他或她的身體狀態(tài)(如休息、正常行走、走樓梯等等)，通過(guò)手動(dòng)切換起搏裝置的刺激頻率來(lái)調(diào)整(改變)起搏/呼吸頻率(每分鐘呼吸次數(shù))，前提是人體可以在一定的鎖定范圍內(nèi)適應(yīng)人工外部施加的呼吸頻率。因此，患者和呼吸起搏器能夠被描述為幾乎在相同頻率上但是沒有相位匹配(沒有鎖相)的自激振蕩器。有時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)是同相的，但是其它時(shí)候兩個(gè)系統(tǒng)可能是異相的，因此對(duì)患者的益處將會(huì)減少。

除了用于RLN損傷的喉起搏器之外，還有呼吸植入神經(jīng)刺激器，該呼吸植入神經(jīng)刺激器電刺激支配舌根的舌下神經(jīng)促以治療睡眠呼吸暫停。這些睡眠呼吸暫停系統(tǒng)使用呼吸的吸氣階段執(zhí)行觸發(fā)的呼吸傳感器，例如，在胸膜間隙使用生物阻抗測(cè)量或者壓力傳感器。

發(fā)明概述

本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)用于呼吸障礙患者的呼吸植入系統(tǒng)(例如，喉起搏器系統(tǒng))。該系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，所述溫暖的傳感器被配置成沿著患者氣道放置進(jìn)內(nèi)壁組織中，例如，沿著喉壁的黏膜中，并且被配置成測(cè)量?jī)?nèi)壁組織中的溫度，以便基于測(cè)量的溫度生成一個(gè)溫度信號(hào)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：起搏處理器，所述起搏處理器被配置成從溫度傳感器接收溫度信號(hào)并且根據(jù)溫度信號(hào)生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號(hào)；刺激電極，配置成將呼吸起搏信號(hào)從起搏處理器傳送到患者的呼吸神經(jīng)組織以促進(jìn)患者呼吸。

本發(fā)明的實(shí)施例還針對(duì)使用呼吸植入系統(tǒng)、在具有呼吸障礙的患者中生成呼吸起搏信號(hào)以促進(jìn)呼吸的方法。該方法包括使用一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，沿著患者氣道植入進(jìn)內(nèi)壁組織中，測(cè)量沿著氣道的內(nèi)壁組織中的溫度，并且基于測(cè)量的溫度和患者的呼吸周期生成溫度信號(hào)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：基于該溫度信號(hào)生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號(hào)，并且將此呼吸起搏信號(hào)傳送到患者的呼吸神經(jīng)組織以促進(jìn)患者呼吸。

在相關(guān)的實(shí)施例中，溫度傳感器可以在聲門下沿著氣道放置在內(nèi)壁組織中。例如，溫度傳感器可以放置進(jìn)位于患者的環(huán)狀軟骨和甲狀軟骨之間的甲狀舌骨膜中。優(yōu)選地，溫度傳感器具有大約每5ms變化1℃或者更快的反應(yīng)時(shí)間，并具有約0.05℃或者更小的溫度分辨率。溫度傳感器可以聯(lián)接到刺激電極。測(cè)量的溫度可以基于氣道中吸入空氣的溫度和/或氣道中呼出空氣的溫度得到。刺激電極可以被配置為將呼吸起搏信號(hào)傳送到喉內(nèi)的環(huán)杓后肌。

呼吸植入系統(tǒng)可以用作喉植入系統(tǒng)，并且刺激電極可以將呼吸起搏信號(hào)傳送到喉內(nèi)的環(huán)杓后肌、舌下神經(jīng)、和/或喉內(nèi)上神經(jīng)(iSLN)。

附圖說(shuō)明

附圖1A示出了人喉的后位解剖圖并且附圖1B示出了人喉的上位解剖圖。附圖1C示出了側(cè)視圖，附圖1D示出了頭部和頸部區(qū)域的矢狀剖視圖，示出了喉、氣管和食道。

附圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的呼吸植入系統(tǒng)，具有放置進(jìn)環(huán)杓后肌(PCA)的刺激電極。

附圖3示出了利用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的呼吸植入系統(tǒng)的一個(gè)聲帶在刺激時(shí)打開。

附圖4示出了溫度傳感器的溫度變化的波形和呼吸周期的波形對(duì)比參考信號(hào)波形。

詳細(xì)描述

本發(fā)明的各種實(shí)施例針對(duì)下述改進(jìn)的呼吸植入：使用沿著患者的氣道(例如，沿著咽、喉和/或氣管)植入進(jìn)內(nèi)壁組織中的一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，并且被配置成測(cè)量沿著氣道的內(nèi)壁組織中的溫度。例如，內(nèi)壁組織可以基于氣道內(nèi)吸入和/或呼出的空氣的溫度而改變溫度?；诖藴y(cè)量的溫度，生成溫度信號(hào)并且此溫度信號(hào)用于生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號(hào)。然后，刺激電極將呼吸起搏信號(hào)傳送到呼吸神經(jīng)組織，例如，患者喉部?jī)?nèi)的環(huán)杓后肌、舌下神經(jīng)和/或喉內(nèi)上神經(jīng)，來(lái)促進(jìn)患者呼吸。這種呼吸植入系統(tǒng)包括，例如，喉起搏器系統(tǒng)。

本發(fā)明的實(shí)施例利用氣道中空氣溫度會(huì)根據(jù)呼吸周期階段而變化的潛在影響。例如，一般而言，吸入的空氣比氣道冷，并且因此在呼吸的吸氣階段空氣在氣道中變熱。因此，在大多數(shù)情況下，吸入和呼出的空氣存在溫度差使得吸入的空氣比呼出的空氣更冷。這些溫度差異能夠在從鼻子/口到肺的氣道的內(nèi)壁組織中很容易地測(cè)量，例如沿著氣管支氣管樹。吸氣時(shí)必然的熱量交換來(lái)自于黏膜，或者覆蓋喉部肌肉的內(nèi)壁組織，沿著加熱冷空氣的氣道表面。熱量從黏膜移動(dòng)到吸入的空氣，這是存在于空氣流和遍布?xì)獾赖酿つぶg溫度差異的一個(gè)直接作用。在呼氣時(shí)，過(guò)程相反。離開肺泡的空氣比黏膜溫度高，并且在它移動(dòng)到口腔的過(guò)程中，熱量從空氣持續(xù)地回到氣道表面。因此，內(nèi)壁組織基于氣道中吸入和/或呼出空氣的溫度來(lái)改變溫度。

附圖2示出了呼吸植入系統(tǒng)130的實(shí)施例，所述呼吸植入系統(tǒng)130具有沿著患者氣道植入的一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器132。溫度傳感器132被配置成測(cè)量沿著氣道的內(nèi)壁組織中的溫度(例如，沿著咽、喉和/或氣管)，以便基于測(cè)量的溫度生成溫度信號(hào)。優(yōu)選地，溫度傳感器具有遠(yuǎn)短于吸氣和呼氣周期的快速反應(yīng)時(shí)間(例如每5ms變化1℃或者更快)以及良好的溫度分辨率(例如0.05℃或者更小)，使得在吸氣階段開始時(shí)，溫度的下降被溫度傳感器132檢測(cè)到，相似地，在呼氣階段開始時(shí)，溫度的上升被溫度傳感器132檢測(cè)到。優(yōu)選地，溫度傳感器132被放置進(jìn)位于聲門下的環(huán)狀軟骨108和甲狀軟骨102之間的甲狀舌骨膜(黏膜)117中，例如，沿著附圖1C所示的黑色箭頭。將溫度傳感器132放置在聲門下(在氣管114和食道115之間的間隔之下)提供了如下益處：將喝熱飲料時(shí)產(chǎn)生的影響降到最小并且能減少感應(yīng)呼吸時(shí)的任何贗象。

呼吸植入系統(tǒng)130進(jìn)一步地包括：起搏處理器134，所述起搏處理器134被配置成從溫度傳感器132接收溫度信號(hào)并且被配置成基于溫度信號(hào)生成與患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信號(hào)。起搏處理器134將呼吸起搏信號(hào)經(jīng)由處理器導(dǎo)線138傳送到植入進(jìn)目標(biāo)呼吸神經(jīng)組織的刺激電極136，以促進(jìn)患者呼吸。例如，附圖3示出了在吸氣階段，當(dāng)通過(guò)刺激電極136刺激PCA肌肉時(shí)的聲帶打開。刺激電極136可以使用各種植入技術(shù)植入到呼吸神經(jīng)組織中。例如，本申請(qǐng)?jiān)诖藚⒖家昧薒indenthaler等的美國(guó)專利NO.8,136,532的全部?jī)?nèi)容，其公開了將刺激電極與喉組織，例如PCA肌肉，相連的各種方法。可以沿著與刺激電極136相同的植入路徑在黏膜中的放置溫度傳感器132。因此，溫度傳感器132可以放置在刺激電極136的外表面上，使得不需要額外的溫度傳感器電極，也不需要帶有溫度傳感器的刺激電極136的額外分支。在這種情況下，刺激電極136和溫度傳感器132位于同一電極上，與另一個(gè)分支的電極沒有功能上的分離，這使得刺激電極136的放置不存在感應(yīng)和刺激相同身體部位的問(wèn)題。在另一些實(shí)施例中，溫度傳感器132和刺激電極136可以在單獨(dú)的電極分支上。

附圖4示出了與參考信號(hào)波形對(duì)比沿著氣道在黏膜內(nèi)或者內(nèi)壁組織內(nèi)放置的溫度傳感器的溫度變化和呼吸周期的波形。第一個(gè)(上)波形由來(lái)自黏膜壁內(nèi)部的、放置在聲門下的溫度傳感器的溫度信號(hào)形成。第二個(gè)(下)波形由定義了吸氣和呼氣周期的肺活量計(jì)參考信號(hào)形成?？拷ㄐ伍_始處的兩條豎直的虛線表示每個(gè)吸氣周期的開始。溫度信號(hào)示出了吸氣時(shí)溫度下降和呼氣時(shí)溫度增加的高相關(guān)性。放置在氣管內(nèi)和黏膜內(nèi)之間的溫度傳感器的測(cè)量時(shí)延取決于呼吸模式，約100-300ms。該時(shí)延可能是由于相比空氣本身，組織需要更多的時(shí)間由空氣降溫。吸氣和呼氣之間測(cè)量的溫度差異幅度是大約0.2-0.4℃。這說(shuō)明放置進(jìn)黏膜壁中的具有高靈敏度(例如大約0.05℃或者更小)的溫度傳感器能夠檢測(cè)呼吸周期并且能夠用作任何呼吸神經(jīng)刺激器的觸發(fā)器。

起搏處理器134能夠?qū)?lái)自溫度傳感器132的溫度信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理來(lái)檢測(cè)吸氣的開始。例如，對(duì)于單側(cè)或者雙側(cè)聲帶麻痹的患者，溫度信號(hào)的峰值或變化點(diǎn)能夠用作用于刺激脈沖的刺激觸發(fā)。刺激觸發(fā)信號(hào)限定了呼吸周期期間的特定時(shí)間點(diǎn)以開始目標(biāo)神經(jīng)組織的刺激。此時(shí)間點(diǎn)具體可以是呼吸的吸氣或者呼氣階段的開始或者結(jié)束，或者任何其它確定的時(shí)間點(diǎn)。然后，生成呼吸起搏信號(hào)以將呼吸植入系統(tǒng)130和患者的呼吸周期同步。

除了溫度傳感器132之外，呼吸植入系統(tǒng)130還可以包括可以用來(lái)檢測(cè)呼吸周期和吸氣開始的其它傳感器，以便將呼吸植入系統(tǒng)130的計(jì)時(shí)與患者的呼氣周期同步。這些傳感器可以包括：例如，各種傳聲器、加速度計(jì)傳感器和壓力傳感器(位于胸膜間隙中)。例如，三軸加速度運(yùn)動(dòng)傳感器(未顯示)可以位于起搏處理器134的外殼內(nèi)，并且可以用來(lái)生成運(yùn)動(dòng)信號(hào)。肌動(dòng)電流圖(EMG)測(cè)量也可以用作檢測(cè)吸氣的開始。這些呼吸傳感器可以用于生成呼吸信號(hào)和/或運(yùn)動(dòng)信號(hào)，聯(lián)合或者代替溫度信號(hào)從而檢測(cè)呼吸周期和吸氣開始。例如，在周圍空氣和自身溫度基本相同的環(huán)境里，如果沒有檢測(cè)到溫度差異，則溫度傳感器132不能提供可靠的傳感信號(hào)。在這種情況下，一個(gè)或多個(gè)額外的呼吸傳感器可以為呼吸植入系統(tǒng)130提供可替代的傳感器來(lái)檢測(cè)呼吸周期，并且起搏處理器134可以基于溫度信號(hào)、呼吸信號(hào)和/或運(yùn)動(dòng)信號(hào)生成呼吸起搏信號(hào)從而同步呼吸植入系統(tǒng)130和檢測(cè)的患者的呼吸周期?？商娲兀虺酥?，呼吸植入系統(tǒng)130可以被配置成切換到無(wú)傳感器操作模式，在此模式下，打開聲帶的刺激速率是預(yù)定的或從之前的感應(yīng)周期獲得的。

本發(fā)明的實(shí)施例可以部分地由任何常規(guī)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言實(shí)施，例如VHDL、C語(yǔ)言、Verilog、ASM等等。本發(fā)明可替代實(shí)施例可以由預(yù)編程硬件元件、其它相關(guān)部件實(shí)施，或以硬件和軟件部件的結(jié)合實(shí)施。

實(shí)施例可以部分地由使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品實(shí)施。這種實(shí)施可以包括一系列固化在有形介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)指令，例如計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(例如磁盤、CD-ROM、ROM、或者硬盤)或者經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器或其它接口裝置能夠傳送到計(jì)算系統(tǒng)的，例如通過(guò)介質(zhì)連接到網(wǎng)絡(luò)的通信轉(zhuǎn)接器。介質(zhì)可以是有形介質(zhì)(例如光學(xué)或者模擬通信線路)或者通過(guò)無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的介質(zhì)(例如微波、紅外或者其它傳輸技術(shù))。一系列計(jì)算機(jī)指令體現(xiàn)了本文先前提到關(guān)于該系統(tǒng)的所有或者部分功能。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠知曉這些計(jì)算機(jī)指令可以以多種編程語(yǔ)言編寫，并用于多種計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。此外，這些指令可以存儲(chǔ)在任何存儲(chǔ)設(shè)備中，例如半導(dǎo)體、磁體、光或者其它存儲(chǔ)裝置，并且可以使用任何通信技術(shù)傳輸，例如光、紅外、微波或其它傳輸技術(shù)?？梢灶A(yù)期，這種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以以帶有印刷的或者電子文檔的可移動(dòng)介質(zhì)發(fā)布(例如，打包壓縮軟件)，隨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)預(yù)裝(例如，在系統(tǒng)ROM或者硬盤上)，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng)或者萬(wàn)維網(wǎng))從服務(wù)器或者電子公告板發(fā)布。當(dāng)然，本發(fā)明的一些實(shí)施例可以以軟件(例如計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)、硬件和/或固件的組合實(shí)施。另外，本發(fā)明的其它實(shí)施例可以完全以硬件或者完全以軟件(例如計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)實(shí)施。

盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例，但是，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，能夠做出獲得本發(fā)明的某些益處的各種變型和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的。