用于记录神经刺激器中触发的呼吸信号的呼吸传感器

摘要

用于呼吸障碍患者的呼吸植入系统，包括一个或多个温度传感器，所述一个或多个温度传感器被配置成沿着患者的气道放置进内壁组织中，并被配置成测量内壁组织中的温度以基于测量的温度生成温度信号。该系统进一步地包括：起搏处理器，所述起搏处理器被配置成从温度传感器接收温度信号并且基于温度信号生成与患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信号；和刺激电极，所述刺激电极被配置成将呼吸起搏信号从起搏处理器传送到患者的呼吸神经组织以促进患者呼吸。该呼吸植系统可以用作喉起搏器系统。

权利要求

1.一种用于呼吸障碍患者的呼吸植入系统，所述系统包括：

一个或多个温度传感器，所述一个或多个温度传感器被配置成在声门下沿着所述患者的气道放置在内壁组织中，并且被配置成测量所述内壁组织中的温度从而基于所测量的温度生成温度信号；

起搏处理器，所述起搏处理器被配置成从所述温度传感器接收温度信号并且基于所述温度信号生成与所述患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信号；和刺激电极，所述刺激电极被配置成将所述呼吸起搏信号从所述起搏处理器传送到患者的呼吸神经组织以促进所述患者呼吸，其中，所述一个或多个温度传感器和所述刺激电极位于同一电极上。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个温度传感器被配置成放置进患者的甲状舌骨膜中。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个温度传感器具有每5ms变化1℃或者更快的反应时间。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个温度传感器具有0.05℃或者更小的温度分辨率。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个温度传感器位于所述电极的同一分支上，并且刺激电极位于所述电极的另一个分支上。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所测量温度基于所述气道中吸入的空气、所述气道中呼出的空气或者其组合。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述刺激电极被配置成将所述呼吸起搏信号传送到喉内的环杓后肌。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述刺激电极被配置成将所述呼吸起搏信号传送到舌下神经和/或喉内上神经。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个温度传感器位于所述刺激电极的外表面上。

说明书

用于记录神经刺激器中触发的呼吸信号的呼吸传感器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求申请日于2014年4月28日提交的美国临时专利申请61/984,914的优先权，其公开全部内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及一种呼吸植入系统，例如可植入的呼吸起搏系统和睡眠呼吸暂停治疗系统。

背景技术

[0004] 喉位于颈部中并且参与呼吸、发声(说话)以及保护气管免于吸入食物和水。附图1A示出人喉100的后位解剖图并且附图1B示出了从上面观察的喉，包括会厌101、甲状软骨
102、声带/韧带103、环甲肌104、杓状软骨105、环杓后肌(PCA)106、声带肌107、环状软骨
108、喉返神经(RLN)109、杓横肌110、杓斜肌111、喉上神经112、舌骨113(注：舌骨通常不被认为是喉的一部分，严格地被包含在附图1A和1B中以用于辅助定位)、甲状舌骨膜117以及弹性膜或者弹性圆锥的较厚的下部118。附图1C示出头部和颈部区域的侧视图并且附图1D示出头部和颈部区域的矢状剖视图，所述侧视图和矢状剖视图示出了喉100及其结构、气管
114、食道115以及咽116，包括环杓关节119、环甲关节120和舌121。

[0005] 在呼吸的吸气阶段，喉100的神经和肌肉控制(打开)声带103以允许空气进入肺。在呼吸的呼气阶段期间，喉100的神经和肌肉控制(关闭)声带103来产生浊音。在静止时，呼吸频率通常在每分钟12到25次呼吸。所以，例如，每分钟20次呼吸导致3秒的呼吸时间，其中
1.5秒吸气阶段，和1.5秒呼气阶段(假定50/50的比例)。呼吸频率变化取决于身体活动。

[0006] 喉返神经(RLN)109的单侧和双侧的损伤或者断裂最初会导致喉(和喉下部)支撑肌暂时的局部麻痹。RLN 109的双侧中断导致环杓后肌(PCA)106控制功能的丧失，这是具有急性窒息和生命威胁的情况。这样严重的情况通常需要双侧声带麻痹外科治疗，例如脊髓前侧柱切断术或者杓状软骨切除术，继而会限制发声并且存在生理性气道保护的风险。

[0007] 另一个最新的治疗RLN损伤的方法是使用在吸气时电刺激(起搏)PCA肌肉106来控制(打开)声带103的呼吸植入。在呼气时，声带103放松(关闭)来促进发声。在这些呼吸植入系统中，患者能够根据他或她的身体状态(如休息、正常行走、走楼梯等等)，通过手动切换起搏装置的刺激频率来调整(改变)起搏/呼吸频率(每分钟呼吸次数)，前提是人体可以在一定的锁定范围内适应人工外部施加的呼吸频率。因此，患者和呼吸起搏器能够被描述为几乎在相同频率上但是没有相位匹配(没有锁相)的自激振荡器。有时，两个系统是同相的，但是其它时候两个系统可能是异相的，因此对患者的益处将会减少。

[0008] 除了用于RLN损伤的喉起搏器之外，还有呼吸植入神经刺激器，该呼吸植入神经刺激器电刺激支配舌根的舌下神经促以治疗睡眠呼吸暂停。这些睡眠呼吸暂停系统使用呼吸的吸气阶段执行触发的呼吸传感器，例如，在胸膜间隙使用生物阻抗测量或者压力传感器。

[0009] 发明概述

[0010] 本发明的实施例针对用于呼吸障碍患者的呼吸植入系统(例如，喉起搏器系统)。该系统包括一个或多个温度传感器，所述温暖的传感器被配置成沿着患者气道放置进内壁组织中，例如，沿着喉壁的黏膜中，并且被配置成测量内壁组织中的温度，以便基于测量的温度生成一个温度信号。该系统进一步包括：起搏处理器，所述起搏处理器被配置成从温度传感器接收温度信号并且根据温度信号生成与患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信号；刺激电极，配置成将呼吸起搏信号从起搏处理器传送到患者的呼吸神经组织以促进患者呼吸。

[0011] 本发明的实施例还针对使用呼吸植入系统、在具有呼吸障碍的患者中生成呼吸起搏信号以促进呼吸的方法。该方法包括使用一个或多个温度传感器，沿着患者气道植入进内壁组织中，测量沿着气道的内壁组织中的温度，并且基于测量的温度和患者的呼吸周期生成温度信号。该系统进一步包括：基于该温度信号生成与患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信号，并且将此呼吸起搏信号传送到患者的呼吸神经组织以促进患者呼吸。

[0012] 在相关的实施例中，温度传感器可以在声门下沿着气道放置在内壁组织中。例如，温度传感器可以放置进位于患者的环状软骨和甲状软骨之间的甲状舌骨膜中。优选地，温度传感器具有大约每5ms变化1℃或者更快的反应时间，并具有约0.05℃或者更小的温度分辨率。温度传感器可以联接到刺激电极。测量的温度可以基于气道中吸入空气的温度和/或气道中呼出空气的温度得到。刺激电极可以被配置为将呼吸起搏信号传送到喉内的环杓后肌。

[0013] 呼吸植入系统可以用作喉植入系统，并且刺激电极可以将呼吸起搏信号传送到喉内的环杓后肌、舌下神经、和/或喉内上神经(iSLN)。

附图说明

[0014] 附图1A示出了人喉的后位解剖图并且附图1B示出了人喉的上位解剖图。附图1C示出了侧视图，附图1D示出了头部和颈部区域的矢状剖视图，示出了喉、气管和食道。

[0015] 附图2示出了根据本发明的实施例的呼吸植入系统，具有放置进环杓后肌(PCA)的刺激电极。

[0016] 附图3示出了利用根据本发明的实施例的呼吸植入系统的一个声带在刺激时打开。

[0017] 附图4示出了温度传感器的温度变化的波形和呼吸周期的波形对比参考信号波形。

[0018] 详细描述

[0019] 本发明的各种实施例针对下述改进的呼吸植入：使用沿着患者的气道(例如，沿着咽、喉和/或气管)植入进内壁组织中的一个或多个温度传感器，并且被配置成测量沿着气道的内壁组织中的温度。例如，内壁组织可以基于气道内吸入和/或呼出的空气的温度而改变温度。基于此测量的温度，生成温度信号并且此温度信号用于生成与患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信号。然后，刺激电极将呼吸起搏信号传送到呼吸神经组织，例如，患者喉部内的环杓后肌、舌下神经和/或喉内上神经，来促进患者呼吸。这种呼吸植入系统包括，例如，喉起搏器系统。

[0020] 本发明的实施例利用气道中空气温度会根据呼吸周期阶段而变化的潜在影响。例如，一般而言，吸入的空气比气道冷，并且因此在呼吸的吸气阶段空气在气道中变热。因此，在大多数情况下，吸入和呼出的空气存在温度差使得吸入的空气比呼出的空气更冷。这些温度差异能够在从鼻子/口到肺的气道的内壁组织中很容易地测量，例如沿着气管支气管树。吸气时必然的热量交换来自于黏膜，或者覆盖喉部肌肉的内壁组织，沿着加热冷空气的气道表面。热量从黏膜移动到吸入的空气，这是存在于空气流和遍布气道的黏膜之间温度差异的一个直接作用。在呼气时，过程相反。离开肺泡的空气比黏膜温度高，并且在它移动到口腔的过程中，热量从空气持续地回到气道表面。因此，内壁组织基于气道中吸入和/或呼出空气的温度来改变温度。

[0021] 附图2示出了呼吸植入系统130的实施例，所述呼吸植入系统130具有沿着患者气道植入的一个或多个温度传感器132。温度传感器132被配置成测量沿着气道的内壁组织中的温度(例如，沿着咽、喉和/或气管)，以便基于测量的温度生成温度信号。优选地，温度传感器具有远短于吸气和呼气周期的快速反应时间(例如每5ms变化1℃或者更快)以及良好的温度分辨率(例如0.05℃或者更小)，使得在吸气阶段开始时，温度的下降被温度传感器132检测到，相似地，在呼气阶段开始时，温度的上升被温度传感器132检测到。优选地，温度传感器132被放置进位于声门下的环状软骨108和甲状软骨102之间的甲状舌骨膜(黏膜)
117中，例如，沿着附图1C所示的黑色箭头。将温度传感器132放置在声门下(在气管114和食道115之间的间隔之下)提供了如下益处：将喝热饮料时产生的影响降到最小并且能减少感应呼吸时的任何赝象。

[0022] 呼吸植入系统130进一步地包括：起搏处理器134，所述起搏处理器134被配置成从温度传感器132接收温度信号并且被配置成基于温度信号生成与患者的呼吸周期同步的呼吸起搏信号。起搏处理器134将呼吸起搏信号经由处理器导线138传送到植入进目标呼吸神经组织的刺激电极136，以促进患者呼吸。例如，附图3示出了在吸气阶段，当通过刺激电极136刺激PCA肌肉时的声带打开。刺激电极136可以使用各种植入技术植入到呼吸神经组织中。例如，本申请在此参考引用了Lindenthaler等的美国专利NO.8,136,532的全部内容，其公开了将刺激电极与喉组织，例如PCA肌肉，相连的各种方法。可以沿着与刺激电极136相同的植入路径在黏膜中的放置温度传感器132。因此，温度传感器132可以放置在刺激电极136的外表面上，使得不需要额外的温度传感器电极，也不需要带有温度传感器的刺激电极136的额外分支。在这种情况下，刺激电极136和温度传感器132位于同一电极上，与另一个分支的电极没有功能上的分离，这使得刺激电极136的放置不存在感应和刺激相同身体部位的问题。在另一些实施例中，温度传感器132和刺激电极136可以在单独的电极分支上。

[0023] 附图4示出了与参考信号波形对比沿着气道在黏膜内或者内壁组织内放置的温度传感器的温度变化和呼吸周期的波形。第一个(上)波形由来自黏膜壁内部的、放置在声门下的温度传感器的温度信号形成。第二个(下)波形由定义了吸气和呼气周期的肺活量计参考信号形成。靠近波形开始处的两条竖直的虚线表示每个吸气周期的开始。温度信号示出了吸气时温度下降和呼气时温度增加的高相关性。放置在气管内和黏膜内之间的温度传感器的测量时延取决于呼吸模式，约100-300ms。该时延可能是由于相比空气本身，组织需要更多的时间由空气降温。吸气和呼气之间测量的温度差异幅度是大约0.2-0.4℃。这说明放置进黏膜壁中的具有高灵敏度(例如大约0.05℃或者更小)的温度传感器能够检测呼吸周期并且能够用作任何呼吸神经刺激器的触发器。

[0024] 起搏处理器134能够对来自温度传感器132的温度信号进行信号处理来检测吸气的开始。例如，对于单侧或者双侧声带麻痹的患者，温度信号的峰值或变化点能够用作用于刺激脉冲的刺激触发。刺激触发信号限定了呼吸周期期间的特定时间点以开始目标神经组织的刺激。此时间点具体可以是呼吸的吸气或者呼气阶段的开始或者结束，或者任何其它确定的时间点。然后，生成呼吸起搏信号以将呼吸植入系统130和患者的呼吸周期同步。

[0025] 除了温度传感器132之外，呼吸植入系统130还可以包括可以用来检测呼吸周期和吸气开始的其它传感器，以便将呼吸植入系统130的计时与患者的呼气周期同步。这些传感器可以包括：例如，各种传声器、加速度计传感器和压力传感器(位于胸膜间隙中)。例如，三轴加速度运动传感器(未显示)可以位于起搏处理器134的外壳内，并且可以用来生成运动信号。肌动电流图(EMG)测量也可以用作检测吸气的开始。这些呼吸传感器可以用于生成呼吸信号和/或运动信号，联合或者代替温度信号从而检测呼吸周期和吸气开始。例如，在周围空气和自身温度基本相同的环境里，如果没有检测到温度差异，则温度传感器132不能提供可靠的传感信号。在这种情况下，一个或多个额外的呼吸传感器可以为呼吸植入系统130提供可替代的传感器来检测呼吸周期，并且起搏处理器134可以基于温度信号、呼吸信号和/或运动信号生成呼吸起搏信号从而同步呼吸植入系统130和检测的患者的呼吸周期。可替代地，或除此之外，呼吸植入系统130可以被配置成切换到无传感器操作模式，在此模式下，打开声带的刺激速率是预定的或从之前的感应周期获得的。

[0026] 本发明的实施例可以部分地由任何常规的计算机编程语言实施，例如VHDL、C语言、Verilog、ASM等等。本发明可替代实施例可以由预编程硬件元件、其它相关部件实施，或以硬件和软件部件的结合实施。

[0027] 实施例可以部分地由使用计算机系统的计算机程序产品实施。这种实施可以包括一系列固化在有形介质上的计算机指令，例如计算机可读介质(例如磁盘、CD-ROM、ROM、或者硬盘)或者经由调制解调器或其它接口装置能够传送到计算系统的，例如通过介质连接到网络的通信转接器。介质可以是有形介质(例如光学或者模拟通信线路)或者通过无线技术实现的介质(例如微波、红外或者其它传输技术)。一系列计算机指令体现了本文先前提到关于该系统的所有或者部分功能。本领域技术人员能够知晓这些计算机指令可以以多种编程语言编写，并用于多种计算机结构和操作系统。此外，这些指令可以存储在任何存储设备中，例如半导体、磁体、光或者其它存储装置，并且可以使用任何通信技术传输，例如光、红外、微波或其它传输技术。可以预期，这种计算机程序产品可以以带有印刷的或者电子文档的可移动介质发布(例如，打包压缩软件)，随计算机系统预装(例如，在系统ROM或者硬盘上)，或者通过网络(例如因特网或者万维网)从服务器或者电子公告板发布。当然，本发明的一些实施例可以以软件(例如计算机程序产品)、硬件和/或固件的组合实施。另外，本发明的其它实施例可以完全以硬件或者完全以软件(例如计算机程序产品)实施。

[0028] 尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是，在不偏离本发明的范围的情况下，能够做出获得本发明的某些益处的各种变型和修改对于本领域技术人员来说是明显的。