FR2798295A1 - Combined micro-macro brain stimulation lead has micro segment movable in macro segment between retracted position, deployed position extending through macro segment opening - Google Patents
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Abstract
Description
Cette invention concerne une sonde destinée à être utilisée dans un procédé de stimulation cérébrale (BS). Plus particulierement, cette invention concerne une sonde qui combine macro-électrode pour une stimulation d'essai et une stimulation chronique ultérieure avec une micro-électrode rétractable pour un enregistrement d'une seule cellule ou semi-micro électrode pour des enregistrement de plusieurs cellules. This invention relates to a probe for use in a brain stimulation (BS) method. More particularly, this invention relates to a probe which combines macro-electrode for test stimulation and subsequent chronic stimulation with a retractable micro-electrode for recording of a single cell or semi-micro electrode for recording of several cells.
Les sondes électriques sont utilisées pour stimuler tissu cérébral dans le traitement de maladies telles que la maladie à tremblement de Parkinson et le "Tremblement Essentiel". Un procédé de stimulation électrique du cerveau est décrit dans le brevet U.S. n 5 938 688 délivré à Schi Un système typique de stimulation électrique du cerveau comprend un générateur d'impulsions relié fonctionnellement au cerveau par une sonde. La sonde a une ou plusieurs électrodes de stimulation à son extrémité distale et est conçue pour être implantée dans le cerveau du patient, de manière que le système d'électrodes soit positionné de manière optimale et sûre pour la stimulation souhaitée. brevet U.S. n 5 464 446 concerne un système d'ancrage de sonde et décrit un procédé pour positionner la sonde de sorte que les électrodes soient situées à un emplacement souhaité de stimulation. La sonde est positionnée en utilisant un instrument stéréotaxique qui permet des déplacements précis, par exemple de 1 mm, à l'intérieur du cerveau. Electrical probes are used to stimulate brain tissue in the treatment of diseases such as Parkinson's tremor and "Essential Tremor". A method of electrical stimulation of the brain is described in U.S. Patent No. 5,938,688 issued to Schi. A typical system of electrical stimulation of the brain includes a pulse generator operatively connected to the brain by a probe. The probe has one or more stimulation electrodes at its distal end and is designed to be implanted in the patient's brain, so that the electrode system is optimally and safely positioned for the desired stimulation. U.S. Patent No. 5,464,446 relates to a probe anchoring system and describes a method for positioning the probe so that the electrodes are located at a desired stimulation location. The probe is positioned using a stereotaxic instrument which allows precise movements, for example of 1 mm, inside the brain.
L'étape initiale avant une stimulation effective du cerveau comprend une localisation ou une cartographie des structures fonctionnelles du cerveau. Spécialement, quand la cible est nouvelle, dans le sens où les données statistiques pour identifier l'emplacement de la cible de maniere fiable sont peu nombreuses ou absentes, il est nécessaire de déter miner , dans les limites de la zone cible fonctionnelle, une stimulation efficace et sûre peut être fournie. The initial step before effective brain stimulation involves locating or mapping the functional structures of the brain. Especially, when the target is new, in the sense that the statistical data to identify the location of the target reliably are few or absent, it is necessary to determine, within the limits of the functional target area, stimulation effective and safe can be provided.
L'avantage thérapeutique et des effets souhaita bles de lésion du cerveau et de neuromodulation chronique dépendent de manière critique de cette procédure de locali sation. La procédure met en oeuvre trois étapes principales. D'abord, une localisation anatomique des cibles du cerveau est réalisée en utilisant des atlas anatomiques du cerveau, une imagerie au moyen de rayons X â contraste positif, une tomodensitographie ou une imagerie par résonance magnétique dans des conditions stéréotaxiques. De telles techniques classiques, bien connues, d'imagerie sont utilisées pour faire une détermination initiale de coordonnées de l'empla cement de la cible vers laquelle sera dirigée la sonde. The therapeutic advantage and desirable effects of brain damage and chronic neuromodulation depend critically on this localization procedure. The procedure involves three main steps. First, anatomical localization of brain targets is accomplished using anatomical atlases of the brain, positive contrast X-ray imaging, computed tomography or magnetic resonance imaging under stereotaxic conditions. Such well-known conventional imaging techniques are used to make an initial determination of the coordinates of the location of the target to which the probe will be directed.
Ensuite, une identification électrophysiologique des limites fonctionnelles entre des structures cérébrales est effectuée au moyen d'un enregistrement d'une ou de plusieurs cellules ou d'enregistrement multiples de motifs caractéris tiques de décharge de cellule. Une telle procédure peut aus si être appelée micro-enregistrement ou semi-micro-enregistrement. Le micro-enregistrement et le semi-micro-enregistrement nécessitent l'utilisation d'une électrode qui soit assez petite pour faire la différence entre une activité d'une ou de plusieurs cellules, et néces sitent donc une micro-électrode ayant une surface très ré duite, par exemple entre 1 et 500 micromètres carrés pour une semi-micro-électrode et moins d'un micromètre carré pour une micro-électrode. Then, an electrophysiological identification of the functional boundaries between brain structures is carried out by means of a recording of one or more cells or of multiple recording of characteristic patterns of cell discharge. Such a procedure can also be called micro-recording or semi-micro-recording. Micro-recording and semi-micro-recording require the use of an electrode which is small enough to differentiate between an activity of one or more cells, and therefore requires a micro-electrode having a very large surface. reduced, for example between 1 and 500 square micrometers for a semi-micro-electrode and less than a square micrometer for a micro-electrode.
La troisième étape comprend une stimulation électri que d'essai dans les structures fonctionnelles du cerveau qui ont été localisées. La stimulation d'essai de la struc ture sélectionnée du cerveau est nécessaire pour déterminer (1) l'efficacité d'une stimulation dans la structure fonctionnelle identifiée du cerveau, et (2) tous effets se condaires provoqués par une stimulation cérébrale dans cette zone. Si l'électrode de stimulation est trop proche de la limite de la structure identifiée du cerveau, la fonction des structures adjacentes du cerveau peut être modulée, ce qui peut son tour provoquer des effets secondaires non souhaitables. La stimulation d'essai est, du point de vue clinique, la plus pertinente quand elle est effectuée avec une électrode ou des électrodes ayant une surface équivalen te à celle des électrodes chroniques implantables, par exem ple dans la gamme d'environ 1 à 20 millimètres carrés. The third step involves electrical stimulation that is tested in the functional structures of the brain that have been localized. Test stimulation of the selected brain structure is necessary to determine (1) the effectiveness of stimulation in the identified functional structure of the brain, and (2) any side effects caused by brain stimulation in this area. . If the stimulation electrode is too close to the limit of the identified brain structure, the function of adjacent brain structures can be modulated, which in turn can cause undesirable side effects. Trial stimulation is, from a clinical point of view, the most relevant when it is carried out with an electrode or electrodes having an area equivalent to that of implantable chronic electrodes, for example in the range of about 1 to 20 square millimeters.
Actuellement, après la première étape de détermina tion d'un emplacement cible, une sonde contenant une micro- électrode est placée dans le cerveau pour identifier des limites fonctionnelles à l'aide d'un enregistrement une cellule. Ensuite, la sonde contenant la micro-électrode est retirée du tissu cérébral. La microsonde est alors rempla cée par une macro-sonde contenant une macro-électrode pour effectuer une stimulation d'essai. Après cette étape, une autre étape de retrait de la macro-sonde et de son remplace ment par une troisième sonde de stimulation cérébrale chro nique peut aussi avoir lieu. Ces remplacements, typiquement, nécessitent de nombreuses insertions de sondes, de préféren ces toutes le long du même trajet, et augmentent en consé quence le risque d'hémorragies intracrâniennes dont la conséquence potentielle serait une grave invalidité perma nente. De plus, une fois qu'une sonde est positionnée et essayée pour déterminer que les résultats de la stimulation sont satisfaisants, il est critique que la sonde reste à la même place, parce que même un millimètre de déplacement de l'électrode dans la mauvaise direction peut entraîner des résultats non satisfaisants ou une blessure au cerveau. Le retrait d'une microsonde et son remplacement par la macro- sonde augmentent le risque que la macro-sonde ne soit plus positionnée dans la cible fonctionnelle identifiée par le micro-enregistrement ou suffisamment près d'elle. En consé quence, il serait souhaitable de créer une sonde qui soit capable de toutes ces trois fonctions : enregistrement d'une cellule, stimulation essai et même stimulation chronique. Currently, after the first step in determining a target location, a probe containing a microelectrode is placed in the brain to identify functional limits using a cell recording. Then the probe containing the micro-electrode is removed from the brain tissue. The microprobe is then replaced by a macro-probe containing a macro-electrode to perform test stimulation. After this step, another step of removing the macro-probe and replacing it with a third chronic brain stimulation probe can also take place. These replacements, typically, require numerous insertion of probes, preferably all of them along the same route, and consequently increase the risk of intracranial hemorrhages, the potential consequence of which would be severe permanent disability. In addition, once a probe is positioned and tested to determine that the stimulation results are satisfactory, it is critical that the probe remains in the same place, because even a millimeter of displacement of the electrode in the wrong direction can lead to unsatisfactory results or brain injury. Removing a microprobe and replacing it with the macro-probe increases the risk that the macro-probe is no longer positioned in the functional target identified by the micro-recording or close enough to it. Consequently, it would be desirable to create a probe which is capable of all these three functions: cell registration, test stimulation and even chronic stimulation.
Une micro-électrode ne suffit généralement pas pour stimuler un volume suffisamment grand de tissu cérébral afin d'évaluer une efficacité et des effets secondaires. C'est pourquoi il n'a été possible d'effectuer une sti mulation efficace d'essai avec une micro-électrode à une cellule. De plus, il n'a pas été possible d'effectuer un enregistrement d'une seule cellule avec une macro-électrode, parce qu'une macro-électrode détecte une zone trop étendue pour l'enregistrement d'une seule cellule. Les différences entre les surfaces des micro- et macro-électrodes (typiquement moins de 0,001 millimètre carré en comparaison avec 1 à 20 millimètres carrés) et leurs densités associées de courant entraînent une stimulation de volumes de cellules cérébrales très différents et entraînent donc des effets thérapeutiques et des effets secondaires différents. D'autres descriptions concernant les procédés et les dispositifs de stimulation de tissu cérébral comprennent les brevets U.S. énoncés dans le tableau 1.
La fig. 1 est une vue schématique d'un mode de alisation de la sonde de stimulation cérébrale fabriquée selon la présente invention, avec le micro-segment rétracté et maintenu en position par un instrument stéréotaxique ; la fig. 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisation de la sonde de stimulation cérébrale selon la présente invention, avec le micro-segment dans une position d'enregistrement étendue ou saillante ; la fig. 3 est une vue en perspective du micro- segment de la fig. 1 ; la fig. 4 est une vue agrandie de la pointe d'enre gistrement du micro-segment de la fig. 1 ; la fig. 5 est une représentation schématique de la sonde de la fig. 1 par rapport à une portion fonctionnelle du cerveau d'un patient ; et la fig. 6 est un ordinogramme représentant au moins certaines des étapes parcourues lors de l'utilisation du mode de réalisation de la présente invention représenté la fig. 1 pour effectuer des enregistrements d'une seule cellu le, identifier des limites fonctionnelles, exécuter une sti mulation d'essai et effectuer une stimulation chronique.
Fig. 1 is a schematic view of an embodiment of the brain stimulation probe manufactured according to the present invention, with the micro-segment retracted and held in position by a stereotaxic instrument; fig. 2 is a perspective view of an embodiment of the brain stimulation probe according to the present invention, with the micro-segment in an extended or projecting recording position; fig. 3 is a perspective view of the micro-segment of FIG. 1; fig. 4 is an enlarged view of the recording tip of the micro-segment of FIG. 1; fig. 5 is a schematic representation of the probe of FIG. 1 relative to a functional portion of a patient's brain; and fig. 6 is a flowchart representing at least some of the steps taken when using the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 to make single cell recordings, identify functional limits, perform test stimulation and perform chronic stimulation.
Dans la description et les revendications jointes, le terme "sonde" est utilisé dans son sens le plus large et comprend dans sa portée une sonde de stimulation, une sonde de détection, leur combinaison ou toute autre pièce allon gée, telle qu'un cathéter, qui peut être inséré utilement dans un tissu cérébral. Le terme "électrode" désigne une surface électriquement conductrice configurée pour une expo sition un tissu humain et/ou à des fluides et conçue pour détecter des signaux électriques ou pour en fournir. In the description and the appended claims, the term "probe" is used in its broadest sense and includes within its scope a stimulation probe, a detection probe, their combination or any other elongated part, such as a catheter. , which can be usefully inserted into brain tissue. The term "electrode" refers to an electrically conductive surface configured for exposure to human tissue and / or to fluids and designed to detect or provide electrical signals.
En se référant maintenant à la fig. 1 et à la 2, un mode de réalisation préféré d'une sonde selon la pré sente invention pour une stimulation du cerveau est repré senté globalement par 30. La sonde 30 de stimulation du cerveau comprend un macro-segment 40 (représenté à la fig. 2), comprenant une ouverture 50 à l'avant de celui-ci, et un micro-segment 70 positionné de manière mobile dans le macro- segment 40. Le micro-segment 70 peut être déplacé entre une position rétractée (représentée à la fig. 1), dans laquelle le micro-segment 70 est logé à l'intérieur du macro-segment 40, et une position saillante (représentée à la fig. 2), dans laquelle le micro-segment 70 s'étend à travers 1 ouver ture 50 du macro-segment 40. Une membrane facultative 53 est configurée pour permettre à un stylet ou micro-segment 70 d'être poussé vers le bas à travers une ouverture centrale pouvant être scellée, disposée en son centre, quand seg ment 70 est poussé vers le bas dans une position saillante. La membrane 53, de préférence, empêche la pénétration des fluides corporels dans les portions intérieures du segment 40 quand le segment 70 est placé en position rétractée à la fin de la procédure d'implantation, et aussi établit de pré férence un contact d'étanchéité avec les parois latérales du segment 70 quand le segment 70 est dans une position sail lante pendant la procédure d'implantation. Referring now to FIG. 1 and 2, a preferred embodiment of a probe according to the present invention for stimulating the brain is represented overall by 30. The probe 30 for stimulating the brain comprises a macro-segment 40 (represented in FIG. . 2), comprising an opening 50 at the front thereof, and a micro-segment 70 positioned movably in the macro-segment 40. The micro-segment 70 can be moved between a retracted position (shown in the Fig. 1), in which the micro-segment 70 is housed inside the macro-segment 40, and a projecting position (shown in Fig. 2), in which the micro-segment 70 extends through 1 opening 50 of the macro-segment 40. An optional membrane 53 is configured to allow a stylus or micro-segment 70 to be pushed down through a central sealable opening, disposed in its center, when segmented 70 is pushed down into a position prominent. The membrane 53, preferably, prevents the penetration of bodily fluids into the interior portions of the segment 40 when the segment 70 is placed in the retracted position at the end of the implantation procedure, and also preferably establishes a sealing contact. with the side walls of segment 70 when the segment 70 is in a flying position during the implantation procedure.
Comme représenté à la fig. 1, la sonde de stimula tion peut être maintenue en position par un instrument sté- réotaxique. L'instrument stéréotaxique peut être un dispositif disponible dans le commerce et a une armature représentée schématiquement en 10. L'armature 10 porte un ensemble de support de sonde désigné par 11, qui supporte à son tour un support 12 de sonde. La sonde 30 peut être posi tionnée travers le support 12 de sonde et à travers un tube guide, ou canule, 20. Un micro-positionneur, représenté schématiquement par 13, peut alors être utilisé pour avancer indépendamment la sonde 30 de stimulation du cerveau ou la micro-électrode, la semi-micro-électrode ou la macro- électrode de stimulation, d'une cellule à la fois. La tech nique pour positionner une sonde intracrânienne avec un ins trument stéréotaxique est bien connue dans la profession. As shown in fig. 1, the stimulation probe can be held in position by a stereotaxic instrument. The stereotaxic instrument can be a commercially available device and has an armature shown schematically at 10. The armature 10 carries a probe support assembly designated by 11, which in turn supports a probe support 12. The probe 30 can be positioned through the probe support 12 and through a guide tube, or cannula, 20. A micro-positioner, represented schematically by 13, can then be used to independently advance the brain stimulation probe 30 or the micro-electrode, the semi-micro-electrode or the stimulation macro-electrode, of one cell at a time. The technique for positioning an intracranial probe with a stereotaxic instrument is well known in the profession.
Comme représenté aux fig. 1 et 2, le macro-segment 40 comprend de préférence un boîtier 42 de sonde. La macro- électrode 44 est positionnée de préférence à l'extrémité distale du boîtier 42 adjacente à l'ouverture 50. La macro- électrode 44 peut avoir la forme et l'étendue de surface d'une électrode DBS (stimulation cérébrale profonde) classi que d'une électrode BS (stimulation cérébrale), la surfa ce ayant de préférence une valeur comprise entre 1 et 20 millimètres carrés. Un système de conducteurs 60 peut s'étendre à l'intérieur du boîtier 42 et prolonge de préfé rence la longueur du macro-segment 40. As shown in fig. 1 and 2, the macro-segment 40 preferably comprises a probe housing 42. The macro-electrode 44 is preferably positioned at the distal end of the housing 42 adjacent to the opening 50. The macro-electrode 44 can have the shape and the surface area of a DBS (deep brain stimulation) electrode classi than a BS (brain stimulation) electrode, the area preferably having a value between 1 and 20 square millimeters. A system of conductors 60 may extend inside the housing 42 and preferably extend the length of the macro-segment 40.
Le boîtier 42 de sonde, fabriqué en un matériau bio- compatible et biostable classique, tel que le polyuréthane, enrobe la longueur de la sonde 30 d'une manière connue. Des exemples de sondes connues susceptibles d'être adaptees pour être lisées avec la présente invention comprennent les sondes de stimulation cérébrale profonde des modèles n 3387 et 3389 de Medtronic . Un matériau biocompatible approprié provoque peu de réactions allergéniques de la part corps du patient et est résistant à une corrosion due à une im plantation dans un corps humain. De plus, un matériau bio- compatible approprié ne devrait pas provoquer de stress supplémentaire au corps d'un patient. Un manchon isolant 51 contient les enroulements des conducteurs 60 et constitue un orifice axial dans lequel un stylet, ou de préférence le micro-segment 70, peut être inséré. The probe housing 42, made of a conventional biocompatible and biostable material, such as polyurethane, coats the length of the probe 30 in a known manner. Examples of known probes that can be adapted to be read with the present invention include the deep brain stimulation probes of Medtronic models 3387 and 3389. A suitable biocompatible material causes few allergenic reactions on the part of the patient's body and is resistant to corrosion due to implantation in a human body. In addition, a suitable biocompatible material should not cause additional stress to the body of a patient. An insulating sleeve 51 contains the windings of the conductors 60 and constitutes an axial orifice into which a stylus, or preferably the micro-segment 70, can be inserted.
Le matériau dans lequel le macro-segment 40 est for mé peut être choisi parmi une multitude de matériaux biocom- patibles et biostables. La macro-électrode 44 peut être fabriquée en un matériau typique d'électrode de stimulation chronique tel que, par exemple, l'acier inoxydable, le pla tine ou l'indium. Le macro-segment 40 ressemble de préféren ce à une sonde typique de stimulation cérébrale profonde telle que la sonde du modèle n DBS 3280 de Medtronic, qui est isolée avec du Teflon-Silastic- souple et a des électro des en platine ou en iridium. The material in which the macro-segment 40 is formed can be chosen from a multitude of biocompatible and biostable materials. Macro-electrode 44 can be made of a typical chronic stimulation electrode material such as, for example, stainless steel, platinum or indium. Macro-segment 40 preferably resembles a typical probe for deep brain stimulation such as the probe of model n DBS 3280 from Medtronic, which is isolated with flexible Teflon-Silastic- and has platinum or iridium electro.
La fig. 1 représente le micro-segment 70 rétracté dans l'ouverture 50 et à l'intérieur du macro-segment 40, tandis que la fig. 2 représente le micro-segment 70 s'éten dant travers l'ouverture 50 et la membrane 53 d'étanchéi té. Dans un mode de réalisation de la présente invention, le micro-segment 70 est laissé dans une position rétractée dans le macro-segment 40 après un enregistrement et la sonde 30 est positionnée de manière appropriée pour permettre une utilisation chronique. Dans un autre mode de realisation de la présente invention, tel que représenté à la fig. 3, un micro-segment 70 peut être retiré complètement du macro- segment 40 et enlevé du cerveau du patient, permettant ainsi une utilisation chronique de la sonde 30. Fig. 1 shows the micro-segment 70 retracted in the opening 50 and inside the macro-segment 40, while FIG. 2 shows the micro-segment 70 extending through the opening 50 and the membrane 53 for sealing. In one embodiment of the present invention, the micro-segment 70 is left in a retracted position in the macro-segment 40 after recording and the probe 30 is appropriately positioned to allow chronic use. In another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a micro-segment 70 can be completely removed from the macro-segment 40 and removed from the patient's brain, thus allowing chronic use of the probe 30.
La micro-électrode 74 est située à l'extrémité dis- tale du micro-segment 70 et est de préférence positionnée à l'extrémité en pointe du micro-segment 70. Comme représenté la fig. 4, la micro-électrode 74, à sa pointe exposée, a surface d'électrode inférieure à environ micromètres carrés, et même, de préférence, une surface d'électrode in férieure à 1 micromètre carré pour des applications d'enre gistrement d'une seule cellule. Par exemple, l'électrode 74 peut avoir une surface de 1 à 500 micromètres carrés pour une semi-micro-électrode, et une surface inférieure à 1 mi cromètre carré pour une micro-électrode (par exemple 0,1 micromètre carré). The micro-electrode 74 is located at the distal end of the micro-segment 70 and is preferably positioned at the pointed end of the micro-segment 70. As shown in FIG. 4, the micro-electrode 74, at its exposed tip, has an electrode surface of less than about square micrometers, and even, preferably, an electrode surface of less than 1 square micrometer for recording applications of a single cell. For example, the electrode 74 can have an area of 1 to 500 square micrometers for a semi-micro electrode, and an area less than 1 mi square crometer for a micro electrode (for example 0.1 square micrometer).
Le micro-segment 70 devrait être fabriqué en un ma- teriau durable pour une utilisation dans l'établissement d'au moins un trajet, mais de préférence devrait être utili sé pour établir 1 à 10 trajets. Le matériau dans lequel le micro-segment est formé peut être choisi parmi une pluralité de matériaux biocompatibles, biostables tels que le silicium ôu le tungstène. Le micro-segment 70, de préférence, com prend la micro-électrode 74 enrobée dans une couche isolante 72. La couche isolante 72 peut être réalisée en une variété de matériaux biocompatibles tels que le polyuréthane. La micro-électrode 74 devrait être fabriquée en un matériau biocompatible capable de conserver sa robustesse et sa rigi dité quand il est utilisé pour former des objets ou des for mes de petit diamètre. Le matériau utilisé couramment dans la technique qui satisfait le mieux à cette description est le tungstène. D'autres matériaux tels que le platine ou l'iridium peuvent être utilisés pour la micro-électrode 74. Au début de la procédure d'implantation, l'extrémité distale de la sonde 30 est insérée dans un trou 14 fraisé dans le crâne du patient. Des techniques pour positionner une sonde intracrânienne avec un instrument stéreotaxique sont bien connues dans la profession. Micro-segment 70 should be made of a durable material for use in establishing at least one route, but preferably should be used to establish 1 to 10 routes. The material in which the micro-segment is formed can be chosen from a plurality of biocompatible, biostable materials such as silicon or tungsten. The micro-segment 70, preferably, comprises the micro-electrode 74 coated in an insulating layer 72. The insulating layer 72 can be made of a variety of biocompatible materials such as polyurethane. Microelectrode 74 should be made of a biocompatible material capable of retaining its robustness and rigidity when used to form objects or shapes of small diameter. The material commonly used in the art which best meets this description is tungsten. Other materials such as platinum or iridium can be used for the micro-electrode 74. At the start of the implantation procedure, the distal end of the probe 30 is inserted into a hole 14 milled in the skull of the patient. Techniques for positioning an intracranial probe with a stereotaxic instrument are well known in the art.
L'extrémité proximale de la sonde 30 est reliée à un stimulateur et enregistreur 15 approprié, comme représenté symboliquement à la figure 1. Un tel stimulateur est capa ble, de préférence, de produire des trains d'ondes de ten sion de toute forme souhaitée (sinusoïde, onde carrée, pointes, rectangulaire, triangulaire, etc.) dans une gamme d'amplitudes de tension pouvant être sélectionnée (par exem ple, de 0,1 volt environ à 10 volts environ) et dans une gamme de fréquences pouvant être sélectionnée. En pratique, les trains d'impulsions et les amplitudes de tension utili- sont sélectionnés par tâtonnements en évaluant la répon se d'un patient à divers types et amplitudes de stimulation électrique pendant une durée comprise entre 1 mois environ et 12 mois environ. The proximal end of the probe 30 is connected to a suitable stimulator and recorder 15, as symbolically shown in FIG. 1. Such a stimulator is preferably capable of producing voltage wave trains of any desired shape (sine wave, square wave, points, rectangular, triangular, etc.) in a range of voltage amplitudes that can be selected (for example, from 0.1 volts approximately to 10 volts approximately) and in a range of frequencies that can be selected. In practice, the pulse trains and the voltage amplitudes used are selected by trial and error by evaluating a patient's response to various types and amplitudes of electrical stimulation for a period of between approximately 1 month and approximately 12 months.
La longueur du micro-segment 70 quand il est sail lant (c'est-à-dire la longueur depuis l'extrémité distale du macro-segment 40 jusqu'à la pointe du micro-segment 70), est comprise de préférence entre 0 mm et 25 mm environ, et enco re mieux entre 1 mm environ et 15 mm environ. D'autres gam mes appropriées de longueur d'extension sont celle comprise entre 1 mm environ et 10 mm environ, et entre 2 environ et 5 mm environ. Cette longueur d'extension définit la dis tance entre les deux électrodes 44, 74. Cette distance entre électrodes est importante, parce qu'une électrode 44 plus grande devrait être suffisamment éloignée pour que sa péné tration ne perturbe pas des cellules en train d'être trai tées par la micro-électrode 74. Les conducteurs 60 sont des enroulements qui s'étendent de l'extrémité proximale de la sonde 30 aux électrodes 44. La micro-électrode 74 est reliée électriquement par l'intermédiaire de l'intérieur du micro- segment 70. La sonde 30 doit être rigide du point de vue stéreo- taxique pour une insertion dans le tissu cérébral. Les son des actuelles de stimulation cérébrale profonde et de stimulation cérébrale contiennent un stylet pour leur confé rer la rigidité stéréotaxique nécessaire. Dans le cas de sonde combinée micro-macro de la présente invention, le micro-segment 70 peut remplir 1a fonction consistant à don ner la rigidité stéréotaxique voulue au macro-segment 40 et donc la totalité de la sonde 30. La sonde 30 doit aussi avoir une longueur suffisante pour atteindre la zone cible du cerveau. Etant donné que le rayon d'une armature stéréo- taxique est typiquement de 190 mm, et que la sonde 30 doit de préférence atteindre la cible avec une marge de sécurité, la sonde 30 doit, de préférence, avoir plus de 30 cm de long environ. The length of the micro-segment 70 when it is sailant (that is to say the length from the distal end of the macro-segment 40 to the tip of the micro-segment 70) is preferably between 0 mm and 25 mm approximately, and still better between approximately 1 mm and approximately 15 mm. Other suitable ranges of extension length are that between approximately 1 mm and approximately 10 mm, and between approximately 2 and approximately 5 mm. This extension length defines the distance between the two electrodes 44, 74. This distance between electrodes is important, because a larger electrode 44 should be sufficiently distant so that its penetration does not disturb the cells in the process of be processed by the micro-electrode 74. The conductors 60 are windings which extend from the proximal end of the probe 30 to the electrodes 44. The micro-electrode 74 is electrically connected via the interior of the micro-segment 70. The probe 30 must be rigid from the stereotaxic point of view for insertion into the brain tissue. The sounds of current deep brain stimulation and brain stimulation contain a stylus to give them the necessary stereotaxic rigidity. In the case of a combined micro-macro probe of the present invention, the micro-segment 70 can fulfill the function consisting in giving the desired stereotaxic rigidity to the macro-segment 40 and therefore the whole of the probe 30. The probe 30 must also be long enough to reach the target area of the brain. Since the radius of a stereotaxic armature is typically 190 mm, and the probe 30 must preferably reach the target with a safety margin, the probe 30 must preferably be more than 30 cm long about.
La fig. 5 est une représentation schématique de la sonde 30 par rapport à une représentation fonctionnelle du cerveau du patient, la portion fonctionnelle étant désignée par une limite F. Le micro-segment 70 est représenté en ex tension depuis le macro-segment 40. A la fois la macro- électrode 44 et la micro-électrode 74 sont représentées dans la portion fonctionnelle F. La ligne pointillée Th indique la distance de la macro-électrode 44 à laquelle une densité de courant fournie par une impulsion de stimulation d'essai est supérieure au seuil de stimulation. Fig. 5 is a schematic representation of the probe 30 relative to a functional representation of the patient's brain, the functional portion being designated by a limit F. The micro-segment 70 is represented in ex tension from the macro-segment 40. At the same time the macro-electrode 44 and the micro-electrode 74 are represented in the functional portion F. The dotted line Th indicates the distance from the macro-electrode 44 at which a current density supplied by a test stimulation pulse is greater than the stimulation threshold.
I1 est bien connu qu'une sonde classique de stimula tion cérébrale profonde ou de stimulation cérébrale suivra un trajet préfabriqué droit de manière stéréotaxique à l'in térieur du cerveau, tel que le trajet représenté par T. Ce trajet est créé généralement par l'insertion d'un tube creux ou d'une canule, remplie par un stylet. Une sonde classique de stimulation cérébrale profonde ou de stimulation cérébra le est alors insérée à travers la canule. La sonde 30 de la présente invention peut aussi être insérée le long d'un tel trajet créé typiquement jusqu'à la partie la plus profonde du trajet préfabriqué, appelée Td. La ligne désignée par Th indique la distance de la macro-électrode 44 pour laquelle la densité actuelle de cou rant fournie par une impulsion de stimulation d'essai est supérieure au seuil des stimulation. Quand la pointe est déplacée le long du trajet T indiqué par des lignes pointil lées travers la structure fonctionnelle, des enregistre ments de cellule peuvent être pris en utilisant la micro-électrode 74 dans sa position étendue, et des impul sions de stimulation d'essai peuvent être fournies par l'in termédiaire de la macro-électrode 44. Connaissant la cartographie du seuil et la distance entre les deux électro des, un médecin peut vérifier quelles cellules enregistrées correspondent à un traitement efficace sans effets secondai res non souhaités. I1 est important de remarquer que dans un mode de réalisation de la présente invention, un déplacement relatif indépendant entre la micro-électrode ou la semi- micro-électrode et la macro-électrode de stimulation est autorisé. Une telle structure permet à un micro- enregistrement d'être réalisé avant que la structure céré brale ne soit traversée par la macro-électrode de stimulation. It is well known that a conventional deep brain stimulation or brain stimulation probe will follow a straight prefabricated path stereotaxically inside the brain, such as the path represented by T. This path is generally created by the insertion of a hollow tube or cannula, filled with a stylus. A conventional probe for deep brain stimulation or brain stimulation is then inserted through the cannula. The probe 30 of the present invention can also be inserted along such a typically created path to the deepest part of the prefabricated path, called Td. The line designated by Th indicates the distance from the macro-electrode 44 for which the current current density supplied by a test stimulation pulse is greater than the stimulation threshold. When the tip is moved along the path T indicated by dotted lines through the functional structure, cell records can be taken using microelectrode 74 in its extended position, and test stimulation pulses can be supplied via macro-electrode 44. Knowing the threshold mapping and the distance between the two electrodes, a doctor can check which recorded cells correspond to an effective treatment without unwanted side effects. It is important to note that in one embodiment of the present invention, independent relative displacement between the micro-electrode or the semi-micro-electrode and the stimulation macro-electrode is allowed. Such a structure allows micro-recording to be carried out before the brain structure is crossed by the stimulation macro-electrode.
En se référant maintenant à la fig. 6, on a repré senté un ordinogramme des étapes principales consistant réaliser des enregistrements d'une seule cellule, effectuer une stimulation électrique d'essai et effectuer une stimula tion chronique avec la sonde de la présente invention. Referring now to FIG. 6, there is shown a flow chart of the main steps of making single cell recordings, performing test electrical stimulation, and performing chronic stimulation with the probe of the present invention.
Une fois que les coordonnées initiales de la cible de sonde dans le cerveau ont été déterminées en utilisant des techniques classiques d'imagerie, la sonde de la présen te invention peut être utilisée selon le procédé représenté à la fig. 6. De préférence, et comme indiqué à une étape 99, le micro-segment 70 est rétracté dans le macro-segment de la sonde 30 avant d'être utilisé. Once the initial coordinates of the probe target in the brain have been determined using conventional imaging techniques, the probe of the present invention can be used according to the method shown in FIG. 6. Preferably, and as indicated in a step 99, the micro-segment 70 is retracted into the macro-segment of the probe 30 before being used.
Comme indiqué par 100 à la fig. 6, un trajet est créé tel que, par exemple, le trajet T de la fig. 5. Un tel trajet est créé généralement en insérant un tube creux ou une canule contenant un stylet. Une sonde classique de stimulation cérébrale profonde ou une autre sonde de stimu lation cérébrale est insérée dans la canule. La sonde 30 de la présente invention peut aussi être insérée le long d'un tel trajet jusqu'à la partie la plus profonde du trajet fabriqué désignée par Td. As indicated by 100 in fig. 6, a path is created such as, for example, the path T of FIG. 5. Such a path is usually created by inserting a hollow tube or a cannula containing a stylet. A conventional deep brain stimulation probe or other brain stimulation probe is inserted into the cannula. The probe 30 of the present invention can also be inserted along such a path to the deepest part of the fabricated path designated by Td.
A une étape 101, le micro-segment 70 peut être dans une position étendue si la sonde 30 est utilisée pour effec tuer un micro-enregistrement des cellules de la partie la plus profonde du trajet Td, qui est généralement proche de la limite F de la structure fonctionnelle. De préférence, cependant, l'étape 101 de la fig. 6, le micro-segment 70 est dans une position rétractée et la sonde 30 est configu- rée de sorte que la macro-électrode 44 soit positionnée à la partie la plus profonde du trajet T. Si, par exemple, la structure fonctionnelle est bien connue, le chirurgien peut choisir, lors d'une étape 102, de commander une stimulation d'essai, passant ainsi à une étape 106 par l'intermédiaire d'une étape 102a de déplacement de la macro-électrode. L'étape 102a consiste à déplacer la macro-électrode vers le bas et â maintenir fixe la position de la micro-électrode. In a step 101, the micro-segment 70 can be in an extended position if the probe 30 is used to carry out a micro-recording of the cells of the deepest part of the path Td, which is generally close to the limit F of functional structure. Preferably, however, step 101 of FIG. 6, the micro-segment 70 is in a retracted position and the probe 30 is configured so that the macro-electrode 44 is positioned at the deepest part of the path T. If, for example, the functional structure is well known, the surgeon can choose, during a step 102, to order a test stimulation, thus passing to a step 106 by means of a step 102a of moving the macro-electrode. Step 102a consists in moving the macro-electrode downwards and in keeping the position of the micro-electrode fixed.
Si, au contraire, la structure fonctionnelle n'est pas bien connue, à l'étape 102 le chirurgien peut choisir de commencer la procédure par un enregistrement d'une seule cellule pour déterminer des limites fonctionnelles, et passe alors à des étapes 103 et 104, dans lesquelles le micro- @egment 70 est étendu vers une seule cellule à la fois et des motifs de décharge de cellule sont enregistrés au moyen de la micro-électrode 74. Ces motifs sont utilisés à une étape 105 pour identifier des limites fonctionnelles. If, on the contrary, the functional structure is not well known, in step 102 the surgeon can choose to start the procedure with a recording of a single cell to determine functional limits, and then proceeds to steps 103 and 104, in which the micro- @egment 70 is extended to only one cell at a time and cell discharge patterns are recorded by means of micro-electrode 74. These patterns are used in step 105 to identify functional limits .
A la fig. 5, les étapes 103 à 105 sont exécutées quand la micro-électrode 74 avance d'une seule cellule à la fois de Td à Th. Après l'étape 105, une impulsion de stimu lation d'essai est fournie (étape 106), et on détermine si la stimulation est efficace et ne provoque pas d'effets se condaires non souhaitables dans la zone où la stimulation d'essai a été fournie. Un enregistrement d'une seule cellule (étapes 103 à 105) suivi de la stimulation (étape 106) d'essai peut être répété de cette manière jusqu'à ce que la micro-électrode 74 ait traversé ou quitté la zone fonction nelle de structure. In fig. 5, steps 103 to 105 are carried out when the microelectrode 74 advances by one cell at a time from Td to Th. After step 105, a test stimulation pulse is supplied (step 106), and determining whether the stimulation is effective and does not cause unwanted side effects in the area where the trial stimulation was provided. A single cell recording (steps 103-105) followed by test stimulation (step 106) can be repeated in this manner until micro-electrode 74 has passed through or left the functional area of structure .
Une fois que la sonde 30 a terminé son déplacement dans la zone fonctionnelle (c'est-à-dire que la sonde 30 a été positionnée au-delà de la limite fonctionnelle F), l'ef ficacité de la stimulation est déterminée comme indiqué à une étape 107 de la fig. 6. Si la stimulation essai de l'étape 106 ne se révèle pas satisfaisante, un nouveau tra jet de trajectoire peut être établi et les étapes 99 à 107 peuvent être répétées jusqu'à ce qu'un emplacement approprié de stimulation ait été trouvé. Once the probe 30 has completed its movement in the functional area (i.e. the probe 30 has been positioned beyond the functional limit F), the effectiveness of the stimulation is determined as indicated at a step 107 of FIG. 6. If the trial stimulation of step 106 is not satisfactory, a new trajectory path can be established and steps 99 to 107 can be repeated until an appropriate stimulation location has been found.
Comme indiqué ci-dessus, dans tout cas donné l'éta blissement de plusieurs trajets différents de trajectoire peut être nécessaire pour trouver un emplacement approprié de stimulation. Le micro-segment 70 est, par conséquent, de préférence formé par des matériaux qui peuvent etre utilisés pour former plus d'un trajet de trajectoire. As noted above, in any case given the establishment of several different trajectory paths may be necessary to find an appropriate stimulation location. The micro-segment 70 is therefore preferably formed from materials which can be used to form more than one trajectory path.
Après la détermination d'un emplacement approprié pour une stimulation chronique, la sonde entière combinée micro-macro 30 peut être retirée et remplacée une sonde classique de stimulation cérébrale profonde chronique. On préfère, cependant, que le micro-segment 70 soit retiré, par exemple lors de l'étape 107a de la fig. 6, et que le macro- segment 40 reste à une emplacement fixe par rapport au crâne du patient. Une stimulation chronique peut alors être mise en oeuvre, comme représenté à l'étape 108, de préférence en produisant et en fournissant des impulsions de stimulation par l'intermédiaire du macro-segment 40 et de la macro- électrode 44. En conséquence, la sonde de cette invention peut encore être utilisée comme sonde d'essai qui est jetée après avoir déterminé un site de stimulation chronique, ou elle peut etre utilisée à la fois pour la procédure d'essai et une stimulation chronique. I1 est important de remarquer que la portée et l'application de la présente demande ne sont pas limitées à des applications, des dispositifs et des procédés stimulation cérébrale profonde, mais peuvent s'étendre des dispositifs et des procédés pour detecter et stimuler d'autres régions ou portions du cerveau. After determining a suitable location for chronic stimulation, the entire micro-macro combined probe 30 can be removed and replaced with a conventional chronic deep brain stimulation probe. It is preferred, however, that the micro-segment 70 be removed, for example during step 107a of FIG. 6, and that the macro-segment 40 remains at a fixed location relative to the patient's skull. Chronic stimulation can then be implemented, as shown in step 108, preferably by producing and providing stimulation pulses via the macro-segment 40 and the macro-electrode 44. Consequently, the The probe of this invention can also be used as a test probe which is discarded after determining a site of chronic stimulation, or it can be used for both the test procedure and chronic stimulation. It is important to note that the scope and application of this application is not limited to applications, devices and methods for deep brain stimulation, but may extend to devices and methods for detecting and stimulating others regions or portions of the brain.
Bien que des modes de réalisation spécifiques de l'invention aient été présentés ici en détail, il doit être entendu que ceci a été fait dans un but d'illustration seu lement, et ne doit pas être considéré comme une limitation de la portée de l'invention telle que définie dans les re vendications jointes. I1 doit être entendu que des varian tes, substitutions et modifications diverses peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ici sans quitter l'esprit et la portée des revendications jointes. Although specific embodiments of the invention have been presented here in detail, it should be understood that this has been done for the purpose of illustration only, and should not be considered as a limitation on the scope of the invention. invention as defined in the attached claims. It should be understood that variations, substitutions and various modifications can be made to the embodiment described here without departing from the spirit and scope of the appended claims.
Dans les revendications, les clauses "moyen plus fonction" sont destinées à couvrir les structures décrites ici comme remplissant la fonction mentionnée et seule ment des équivalents structurels mais aussi des structures équivalentes. En conséquence, bien que la colle chirurgicale et une vis puissent ne pas être semblables du point de vue structurel, en ce que la colle chirurgicale utilise des liants chimiques pour réunir ensemble des composants biocom- patibles, tandis qu'une vis utilise une surface hélicoïdale, dans l'environnement des moyens de fixation la colle chirur gicale et une vis sont des structures équivalentes.In the claims, the "medium plus function" clauses are intended to cover the structures described here as fulfilling the mentioned function and only structural equivalents but also equivalent structures. Consequently, although the surgical glue and a screw may not be structurally similar, in that the surgical glue uses chemical binders to join biocompatible components together, while a screw uses a helical surface , in the environment of the fixing means the chirur gicale glue and a screw are equivalent structures.
Claims (12)
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