CN101357251B - 基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置，该装置包括刺激信号产生和发射单元阵列、刺激信号接收单元阵列，刺激信号产生和发射单元阵列是由多个刺激信号产生和发射单元排列而成，刺激信号接收单元阵列由多个刺激信号接收单元排列组成，刺激信号产生和发射单元由发射线圈、功率放大器、AM调制电路、脉冲信号发生电路、高频振荡电路构成，用于设定刺激脉冲的幅值、频率和脉宽，以高频共振电磁场的形式通过发射线圈耦合到植入体内的接收线圈，并供给刺激电极。本发明通过微线圈阵列建立多通道进行信号的并行传输，通道间的信号通过采用不同频率的载波信号独立传输，具有极高的经济效益和社会效益。

Description

基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置 

技术领域

本发明属于一种医疗仪器技术领域，特别涉及植入式医疗设备的透皮多通道神经电刺激传输装置。 

背景技术

植入式医疗仪器种类很多，应用范围也很广，如脑刺激器、脊髓刺激器、外周神经刺激器、肌肉刺激器、人工电子耳蜗以及人工视觉假体等。这些仪器本质上都属于神经电刺激系统，原理是利用神经传导束受损后上下神经元功能尚存的特性，通过电极与神经断端耦合，施加重复脉冲电刺激信号，利用神经对其的响应来传递外加的人工控制信号，从而产生与自然激发完全一样的神经冲动，实现神经信号的再生，使衰退的神经功能重建，达到治疗或功能康复与重建的目的。 

电刺激最初的应用是通过置于皮肤上的电极刺激神经、肌肉，起到止痛、改善血液循环、锻炼肌肉的治疗作用。近几十年，随着神经医学的发展，以及对疾病的解剖定位和病因的认识逐渐加深，有人对药物及手术治疗不明显的患者采用了相应神经部位实施电刺激的疗法并获得明显疗效。目前，随着生物学、电子学和材料学等学科的发展，植入式神经刺激技术发展迅速，已研究出了不同的植入式神经刺激设备，典型的有美国Medtronic公司的疼痛治疗仪、深部脑刺激器(Deep Brain Stimulator，DBS)和澳大利亚Cochlear公司的植入电子耳蜗等。近年来，国内也开展了这方面的研究，李刚等在中国专利(申请号200410019937.x)中报道了一种通过体外控制器对体内刺激器电池进行无线充电的植入式深部脑刺激系统；李路明等在中国专利(申请号200510116704.6)中报道了一种可体外软件升级的植入式神经电脉冲刺激系统。 

但上述这些植入刺激系统的外部控制器和体内植入刺激器之间只是点对点通信，仅能对单一神经或局部肌肉进行刺激，无法应用于需要多通道、多靶点刺激的神经刺激。一个完善的刺激器，应当由多个分开的刺激输出，可能会多于八个输出。因此，出现了多通道植入神经刺激系统，如中国发明专利“多通道可植入的神经刺激器”(申请号86103049)是采用一个体外传送器和一个体内接收器，接收器后面有多个输出通道接到刺激电极上。再如中国发明专利(申请号200710093244.9)“植入式无线肢体运动控制神经刺激网络系统及控制方法”是采用一个体外无线控制终端与多个体内刺激单元通过其射频收发器进行数据交换并接收控制命令。 

可见上述这些多通道系统的缺点是在体内与体外进行数据传输时未实现多个通道信号的并列传输，这样就限制了数据的传输频率。 

发明方法 

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置，在体内外建立多个通道实现信号的并列传输。 

本发明解决上述问题所采用的技术方案是： 

一种基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置，该装置包括刺激信号产生和发射单元阵列、刺激信号接收单元阵列，所述刺激信号产生和发射单元阵列是由多个刺激信号产生和发射单元排列而成，所述刺激信号接收单元阵列由多个刺激信号接收单元排列组成，每一个刺激信号产生和发射单元唯一对应一个刺激信号接收单元形成一个神经电刺激传输通道，其特征在于： 

所述刺激信号产生和发射单元包括脉冲信号发生电路、高频振荡电路、AM调制电路、功率放大器和发射线圈，AM调制电路的两输入端分别与脉冲信号发生电路和高频振荡电路的输出端相连，输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端连接由螺旋电感线圈构成的发射线圈的两端，所述AM调制电路将脉冲信号发生电路产生的脉冲信号以振幅调制的方式调制到高频振荡电路产生的高频载波信号上，经过振幅调制的脉冲信号通过功率放大器进行功率放大后由发射线圈以高频电磁波的形式发射出去； 

所述刺激信号接收单元包括接收线圈、二极管峰值包络检波电路、滤波电路和刺激电极，所述接收线圈的两端连接到二极管峰值包络检波电路的输入端，二极管峰值包络检波电路的输出端连接到滤波电路的输入端，滤波电路的输出端与刺激电极相连，所述接收线圈耦合发射线圈发射过来的高频电磁波信号，并感应出与高频载波信号频率一致的高频电信号，通过二极管峰值包络检波电路的检波和滤波电路的滤波最终解调出刺激脉冲，刺激脉冲经刺激电极导入靶区，对靶区神经元产生刺激作用。 

所述刺激信号产生和发射单元与所述的刺激信号接收单元一一对应，刺激信号产生和发射单元的发射线圈和刺激信号接收单元的接收线圈同轴对应。所述接收线圈小于所述发射线圈。 

所述刺激信号产生和发射单元阵列的发射线圈，以及刺激信号接收单元阵列的接收线圈均是微线圈；所述装置通过微线圈阵列建立多通道，各通道间信号的传输是并行的，每一个神经电刺激传输通道有自己单独的发射电路和接收电路，且刺激脉冲信号和载波信号单独设置，每一个神经电刺激传输通道采用不同频率的高频载波信号独立传输。 

所述的刺激信号接收电路单元，AM解调电路采用二极管峰值包络检波实现无源设计，无需电池供电。同时，接收线圈与二极管峰值包络检波电路、滤波电路的印制板一体化集成。 

所述的接收线圈采用双层或多层印制板平面螺旋电感线圈或者应用MEMS技术制造微线圈。 

所述的脉冲信号发生电路产生幅度、脉宽、频率都可以调节的脉冲信号。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

A、本发明采用AM调制、解调方式，解调电路选用二极管峰值包络检波电路，实现体内无源设计，无需将电池植入人体，避免了电池电能耗尽后的再次手术，减少了患者的痛苦和手术危险，减轻了患者的经济负担。 

B、本发明采用微线圈阵列的方式实现多通道的设计，可同时向体内传送多路信号，实现了体内外数据传送的多通道设计。 

C、本发明为植入式医疗仪器的多通道设计提供了技术支持。 

D、用途广泛，可用于各类植入式神经刺激器、肌肉刺激器、人工电子耳蜗等，本发明具有极高的经济效益和社会效益。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为单通道神经电刺激传输装置的原理框图。 

附图标记如下： 

1为刺激信号产生和发射单元阵列，2为人体组织，3为刺激信号接收单元阵列，4为发射线圈，5为接收线圈，6为脉冲信号发生电路，7为高频振荡电路，8为AM调制电路，9为功率放大器，10为二极管峰值包络检波电路，11为滤波电路，12为刺激电极。 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置作详细说明。 

如图1所示为本发明的基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置的结构，包括位于体外的刺激信号产生和发射单元阵列1和植入体内的刺激信号接收单元阵列3。每一个刺激信号产生和发射单元唯一对应一个刺激信号接收单元形成一个神经电刺激传输通道。 

进一步地，每一通道的结构如图2所示，刺激信号产生和发射单元由脉冲信号发生电路6、高频振荡电路7、AM调制电路8、功率放大器9、发射线圈4组成。刺激信号接收单元由接收线圈5、二极管峰值包络检波电路10、滤波电路11、刺激电极12构成。AM调制电路8将脉冲信号发生电路6产生的信号以振幅调制的方式调制到高频振荡电路7产生的高频载波信号上，振幅调制信号通过功率放大器9进行功率放大后由体外发射线圈4以高频电磁波的形式发射出去。基于电磁耦合原理，按同轴方式排列的接受线 圈5耦合发射线圈4发射过来的磁信号，并感应出与载波频率一致的高频电信号，通过二极管峰值包络检波电路10、滤波电路11最终解调出刺激脉冲，刺激脉冲经刺激电极12导入靶区，对靶区神经元产生刺激作用。 

其中，脉冲信号发生电路6用来产生发送到刺激电极12上的刺激脉冲，脉冲的幅度、脉宽、频率可根据不同需要进行调整。二极管峰值包络检波电路10由二极管和电容、电阻组成，结构简单，并且不需要电源供电，实现了体内电路无源的设计，并尽可能减小植入部分的体积和重量。 

如图1所示，多通道的实现是多个结构相同的单通道传输装置的排列组合。其中每一通道的刺激信号、载波频率可以根据需要单独设置，另外所传递的刺激信号通道之间互不干扰。 

体内接收线圈5既可以是双层或多层堆栈式印制板平面螺旋电感线圈也可是用MEMS技术加工成的微线圈，线圈的形状也有多种选择，每层可以设计成圆形、八边形、方形或者椭圆形等，整体外观可以是圆柱、锥形、或者平面结构。接收线圈最终实现与二极管峰值包络检波电路10、滤波电路11和刺激电极12的印制板一体化集成，减小植入部分的体积。 

刺激电极12可以采用钛金属或其他金属材料如金、银、铁等制成，制成后在刺激电极的外表面镀上钛金属保护层。 

基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置的实施实例之一如下： 

放置在人体外的发射电路中，脉冲信号发生电路产生幅度0.5-4伏(等效施加在内置的刺激电极上)、频率0.5-300赫兹、脉冲宽度100到1000微秒的脉冲，通过紧贴在患者头皮的发射线圈将脉冲耦合到植入颅骨下硬脑膜外的接收线圈上，接收线圈采用多层堆栈式印制板平面螺旋电感线圈设计。发射线圈的直径为5-10mm，线圈高度为1-5mm，接收线圈的最外环直径为3-5mm，采用四通道，载波频率分别为2MHZ、3.28MHZ、6MHZ、13.56MHZ，其中每个通道发射线圈和接收线圈以同轴方式对准，间距为3-7mm，四对线圈按照2*2矩阵方式排列。接收线圈接收到的刺激脉冲施加到安放在初级视皮层的刺激电极上，对视皮层神经组织进行刺激，在视皮层激发出特定的神经兴奋模式，以重建部分视觉功能。 

植入的接收线圈采用生物兼容性良好的聚酰亚胺或环氧树脂来进行密封。体外部分加以防水处理。 

Claims (2)

1.基于微线圈阵列的多通道神经电刺激传输装置，该装置包括刺激信号产生和发射单元阵列、刺激信号接收单元阵列，所述刺激信号产生和发射单元阵列是由多个刺激信号产生和发射单元排列而成，所述刺激信号接收单元阵列由多个刺激信号接收单元排列组成，每一个刺激信号产生和发射单元唯一对应一个刺激信号接收单元形成一个神经电刺激传输通道，其特征在于：

所述刺激信号产生和发射单元包括脉冲信号发生电路、高频振荡电路、AM调制电路、功率放大器和发射线圈，AM调制电路的两输入端分别与脉冲信号发生电路和高频振荡电路的输出端相连，输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端连接由螺旋电感线圈构成的发射线圈的两端，所述AM调制电路将脉冲信号发生电路产生的脉冲信号以振幅调制的方式调制到高频振荡电路产生的高频载波信号上，经过振幅调制的脉冲信号通过功率放大器进行功率放大后由发射线圈以高频电磁波的形式发射出去；所述刺激信号接收单元包括接收线圈、二极管峰值包络检波电路、滤波电路和刺激电极，所述接收线圈的两端连接到二极管峰值包络检波电路的输入端，二极管峰值包络检波电路的输出端连接到滤波电路的输入端，滤波电路的输出端与刺激电极相连，所述接收线圈耦合发射线圈发射过来的高频电磁波信号，并感应出与高频载波信号频率一致的高频电信号，通过二极管峰值包络检波电路的检波和滤波电路的滤波最终解调出刺激脉冲，刺激脉冲经刺激电极导入靶区，对靶区神经元产生刺激作用；

所述刺激信号产生和发射单元阵列的发射线圈，以及刺激信号接收单元阵列的接收线圈均是微线圈；所述装置通过微线圈阵列建立多通道，各通道间信号的传输是并行的，每一个神经电刺激传输通道有自己单独的发射电路和接收电路，且刺激脉冲信号和载波信号单独设置，每一个神经电刺激传输通道采用不同频率的高频载波信号独立传输。

2.根据权利要求1所述的多通道神经电刺激传输装置，其特征在于，

刺激信号产生和发射单元与刺激信号接收单元一一对应，刺激信号产生和发射单元的发射线圈和刺激信号接收单元的接收线圈同轴对应；所述接收线圈小于所述发射线圈。

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