CN101636196A - 仿生神经刺激装置 - Google Patents

Abstract

一种神经模仿装置包括前馈通路和反馈通路。该装置与嫌疑神经区域并行操作，被耦连在嫌疑区域传入和传出的区域之间。当嫌疑区域仍被当作有功能时，可训练装置以模仿嫌疑区域；然后，一旦该区域认为功能障碍，则替代该区域。在治疗诸如帕金森氏症的神经运动组织时该装置尤其有用。

Description

仿生神经刺激装置

本申请涉及仿生神经刺激装置的领域。

一种神经失调的替代治疗法是神经刺激疗法。这样的疗法借助于外部或植入装置对神经组织施加电或磁刺激。在Berger等的“BrainImplantable Biomimetic Electronics as the next Era in NeuralProsthetics，”Proc.IEEE，Vol.89，#7，July 2001pp.993-1012中描述了一种仿生神经刺激装置。该文献描述了由海马体(hippocampus)执行的输入-输出变换的电子模型。

期望使得已知装置更适用更灵活。

阅读以下说明书和权利要求，将清楚目的和优点。从以下说明书中将清楚，更适用更灵活的装置可用作损伤组织的修复术(prosthetic)，并包括至少一个信号处理设备(包括前馈路径和调节路径)。前馈路径模拟嫌疑区域传入和传出的区域之间的神经信号处理。调节路径响应于在其他地方接收的信号而通知前馈路径。与前馈路径的输出相比，调节路径可以进一步传出地反馈信号。

可利用此疗法潜在治疗的失调症包括：运动失调、认知失调或伤害。特别希望的是，这样的更合适灵活的装置将在诸如帕金森氏症的神经失调症中有用。可利用这样的装置潜在治疗的失调症的其他例子包括：多发性硬化；癫痫症；疼痛；以及更多认知失调(如阿尔茨海默痴呆症)、抑郁、双极人格失常、强迫症以及瘾症；可能甚至是肥胖症。此外，可在中风或外部脑伤之后的复原治疗中使用该治疗方法。

现在将参照附图通过非限制性的例子来描述本发明的各个方面，附图中：

图1A是病人头部中的仿生神经刺激装置和外部控制系统的示意图。

图1B是一部分脑的电路性功能的示意视图。

图2是图1B的一部分的更详细的示意图。

图3示出了植入脑部或神经通路中的仿生神经刺激器的示意图。

图4是示出图3的装置的操作的阶段(stage)的流程图。

图5说明了中继功能。

图6说明了频率变换功能。

图7说明了脉冲链。

图8示出了图3的替代实施例。

图9A示出了输入信号。

图9B示出了相对于第一输入信号延迟了的另一输入信号。

图9C示出了神经刺激器输出。

图9D示出了替代神经刺激器输出。

在此通过引用合并以下附加专利文档：US 5,913,882；WO2005053787A1；和US20050113744A1。

图1A是包括仿生神经刺激装置102的病人头部101的示意图，仿生神经刺激装置102配有可选的用于外部通信的天线103(示意性示出)。其他类型的外部通信也是可能的，如连接到病人头骨外的导针(lead)。装置102被示出为在脑内侧，但它可以被放置到其他神经通路中，如在脊柱中。

可选的外部系统104经由天线105与装置102通信。外部系统104向装置102提供数据，例如当医疗服务提供者检测失调症的进展或从一些传感器检测时。外部系统104可另外或替代地对102提供辅助处理或控制。

作为典型脑电路的例子，图1B显示了基底神经节-丘脑皮层运动电路(Y.Temel等，Progress in Neurobiology volume 76，393-413页(2005))。该图示出了皮层150、黑质致密部(SNc)151、壳核152、苍白球外侧部(GPe)153、丘脑154、脑干和脊髓155、丘脑下核(STN)156以及苍白球内侧部(GPi)157。兴奋连接标记为“+”，抑制连接标记为“-”，调节连接标记为“m”。此电路中绘出的生理功能在例如帕金森氏症、特发性震颤、肌张力障碍的运动疾病中受到影响。所提出的仿生神经刺激装置较好地适合于校正这样的脑电路中的病理信号。

图2是图1B所示脑电路子部分的更详细的示意图。所绘出的神经系统的区域呈现出主要在单方向上的信号流。运动控制的一些区域特别有可能具有这种流。通常，该流将从传入(上游)区域前进到传出(下游)区域。电路的子部分在其(突触)输入202处接收传入信号并在其(突触)输出203处产生神经信号示出了四条线，作为输入202和输出203。四是一个任意数。事实上，来自脑部其他区域或其它神经通路的信号通常根据非常高维的输入输出函数 $\stackrel{\→}{O}=F\left(\stackrel{\→}{I}\right)$ 来调节(modulate)传入信号。此外，O的大小和I的大小通常会不同。调节信号可以是抑制204和/或兴奋205，并且通常包括前馈和反馈信号这两者。传入输入和调节信号两者性质上都是非静态的，因此输出将会高度动态。注意到，如图1B所示，区域之间的双向信号流(直接或经由更大的电路)是神经系统中的另一普遍问题。可按类似的方式描述这样的电路的功能。

图3示出了植入脑部或神经通路中的仿生神经刺激器的示意图。通路包括三个区域306、307和308。预期区域306和308保持健康，而区域307有损伤或预期有损伤。通过图2，神经信号的主要流预期在一个方向上，例如，从306到307到308。通过作为虚线图示流出307的信号325，图示了307的预期机能障碍。

植入式神经刺激器包括第一传感器309；处理器310，包括训练/记录进程310a和稳态进程310b；刺激发射器311，以及第二传感器312。第一传感器309获得来自损伤区域的传入信号313。例如，刺激发射器311是电脉冲生成器。刺激发射器311向区域308提供受激响应。第二传感器312获得来自区域308的传出信号314。

可选的一个或多个外部单元315与处理器通信(以无线或其他方式)。一个或多个外部单元315可具有各种可选的特征，如感测除了神经活动以外的某些输入(例如，肌肉活动、运动、消化或某些其他生理或非生理参数)的附加传感器，或者在某些功能(尤其是训练)需要更多处理器的情况下的补充处理器。

元(element)316是模拟神经修复(nearomimetic prosthetic)装置的输出，而元317和318是输入。

传感器309和312可以是许多类型的，包括：电、光、化学、生物化学、电化学、磁或它们的组合。刺激发射器311可发出许多类型的刺激，包括：电、磁、光、化学、生物化学或它们的组合。尽管在309和312处画出了仅仅一个传感器，但可使用多于一个。类似地，尽管画出了仅仅一个刺激发射器311，但可使用多于一个。此外，也可以使用不止一个具有多于两个子进程的处理器310。

在另一示例实施例中，处理器310被设计为经过两个阶段的训练，如图4的流程图所示。

在第一阶段中，假设区域307至少在某种程度上是工作的。在第一阶段期间，进程310a在步骤401，仅仅监视信号313和314，并在步骤407，以区域307和308对信号313的响应的刺激/响应模式来训练自己。然后，处理器310在步骤402检测到区域307已经变为有损伤而使得必须替换其功能。这样的检测可响应于对传出信号314的改变的观察。可替换地，这样的检测可响应于来自外部单元315的信号330，例如，在医生诊断出足以需要起动修复装置的恶化的情况下。

在训练的第二阶段中，进程310b继续监视信号313和314；然而，在步骤403，它现在激活刺激器发射器单元311，引导它向区域308提供某种刺激316。然后，在步骤405，处理器比较信号313和314，以查看它们是否遵循在第一训练阶段期间记录的刺激/响应模式。如果观察的模式不同于训练模式，则在步骤406，处理器必须调整刺激发射器模式316，返回步骤403，在步骤404监视更多，然后在步骤405再次比较信号313和314。

训练的第二阶段可视情况继续，对于区域307的持续恶化继续调整发射刺激。

可替换地，修复装置参照刺激/响应模式的数据库，仅仅使用训练的第二阶段。这样的装置比较适合于在例如中风或外部脑伤(其中与由于进行性的疾病引起的逐步衰弱相反，已经发生了脑机能的突然衰弱)之后的应用。

图4的进程的训练方面可在可选的外部装置315的控制之下执行。如果训练进程计算强度高并且需要比可容易地安装到植入式装置中的硬件更多的硬件，则这是有利的。

可选地，可要求病人在训练的第一和/或第二阶段期间执行任务。

处理器310含有以下功能，所述功能使得从所感测信号中得到传送给刺激发射器311(例如，脉冲生成器)的输出。例如，此输出可导致刺激发射器311生成的电刺激的幅度或频率或相位调制。310中实现的功能可以是复杂的，如在Berger的论文中描述的。可替换地，处理器可具有更简单的功能，如中继(relay)功能或频率变换功能。

用于感测和分析所检测的神经信号的手段是本领域公知的。例如，通过使用毛刺检测算法(参见Zumsteg等，IEEE Transactions on NeuralSystems and Rehabilitation Engineering，2005，vol.13，p272-279)，可以确定传感元件检测的神经毛刺信号的发生。据此，可获得动作电势的时间序列，其可进一步处理，例如进行频率确定。

图5说明了适合于由处理器310使用的中继功能。该图示出了感测神经信号501和相对于感测神经信号具有固定延迟的输出刺激信号502。在已经检测到神经信号(例如，使用上述毛刺分类方法)之后，刺激器在给定延迟之后生成刺激脉冲。按照作为时间函数的电压，绘出了两个信号。典型的延迟值d是0.1-10ms。脉冲(impulse)的特定序列仅仅是示例说明。可使用其他序列。可使用调节输入来增加/减少该延迟d。

图6说明了备选地适合于处理器310使用的频率变换功能。在此图中，在横轴上示出的感测信号(动作电势链、或场势)的频率与在纵轴上示出的输出脉冲链的频率相关联。在此图中，F0表示与横轴的截距，“a”表示函数与横轴的夹角。可由其他输入(例如，反馈信号或其它信号)调节“F0”和“a”。该函数在此被显示为线性的，但可采取其他形式。

图7说明了可由刺激发射器311产生的脉冲链。该图示出了作为时间函数的脉冲电压或电流。该图示出了幅值A、延迟d’、宽度w的脉冲。典型的范围是幅值0.1至4伏(或0.1-4mA，取决于电极阻抗)，脉宽10-1000μs。

特别期望的是，运动障碍(尤其是与帕金森氏症有关的)会响应于图3中所示种类的修复术，这是因为相信运动障碍是由于过度刺激引起的，未由反馈补偿，并且未由前馈调整到准确的强度。

图8示出了图3的替代实施例。在图8中，框和椭圆的附图标记的最后两位表示与图3中具有相同的最后两位的那些框和椭圆的对应关系。在图8的实施例中，受影响区域807具有与传入和传出区域的双向信号流813、823、824、825。来自807的输出823和825同样用虚线绘出，表示预期在区域807有损伤时它们有损伤。图8包括图3中未示出的两个附加反馈通路820和821。

图9a-d说明了基于感测信号调节神经刺激器输出的实施例。图9A和9B示出了两个感测信号，输入1和输入2。每个感测信号分别包括输入脉冲901和902。这里，根据两个传感器处的感测信号调节输出特征。每个时间步长的调节幅值由δ表示，在此例中，它与传感器1和2上的检测信号之间的时间延迟dt有关。被调节的输出可以是例如如图7所示的连续脉冲链，调节被应用于其一个或多个参数(例如，脉冲幅值、脉宽或脉冲频率)。在此例中，δ的值和符号取决于dt，如两个概图9C和9D所示。在第一种情况(图9C)下，对于小的正值dt，调节是强正值的，并且随着更加正值的dt值而下降。对于小的负值dt，调节是强负值的，随着更加负值的dt值而变得没那么负值。第二例子(图9D)示出了调节对dt的另一依赖关系；它对于小dt值接近于零，并在特定的负(正)dt值附近具有强正(负)值，并对于大的负和正dt值再次下降到零。最终，仿生修复术被训练使用的调节将取决于要替换哪个神经功能。

总体上，通常可参照实验数据来学习处理器310和810执行的功能，因此不必是事前可预测的。

阅读本公开后，本领域技术人员将清楚其他变型。这样的变型可包括神经修复装置的设计、制造和使用中已知的其他特征，其可取代或添加到这里已经描述的特征来使用。尽管已经在本申请中将权利要求表述为特征的特定组合，但应理解，本申请的公开范围也包括在此明示或暗示公开的任何新颖特征或特征的新颖组合或其任何衍生物，无论它是否减轻如本发明的任何或全部相同技术问题。申请人在此提请注意，在本申请或从中得到的任何其他申请的审查过程中，可将新权利要求表述为这样的特征。

在此使用的词语“包括”、“包含”不应被视为排除其他元素。在此使用的单数冠词“一”不应被视为排除多个元素。

Claims (13)

1、一种神经模仿装置，包括：

至少第一和第二输入(317，318)，适合于接收神经信号，第一输入(317)被布置为接收传入到嫌疑区域(307)的信号，第二输入(318)适合于接收来自除了嫌疑区域之外的神经区域(308)的信号；

至少一个输出(316)，适合于发射从嫌疑区域传出的神经兼容信号；

至少一个信号处理设备，包括被布置在所述第一输入和所述输出之间的前馈路径(309、310，311)以及被布置为接收来自第二输入的信号并向前馈路径提供调节信号的调节路径(312)。

2、如权利要求1所述的装置，其中所述除了嫌疑区域之外的神经区域(308)从所述嫌疑区域(307)传出。

3、如权利要求1所述的装置，其中所述前馈路径包括用于执行操作的至少一个处理器，所述操作包括：

监视(401)在第一时间段期间从第一和第二输入接收的信号；

在第一时间段期间训练(407)处理器以产生处理功能，用来响应于在第一输入接收的信号而产生在第二输入接收的信号；

检测(402)到在第一时间段之后所述嫌疑区域已经变为功能障碍；

在第二时间段期间执行(403)所学习的处理功能；

在第二时间段期间监视(404)从第一和第二输入接收的信号；以及

响应于确定(405)在第二输入接收的信号未能匹配在训练操作期间学习的信号，在第二时间段期间改变(406)所述处理功能。

4、如权利要求3所述的装置，还包括至少一个第三输入(330)，用于接收在病人身体之外(315)生成的信号，其中所述检测响应于在第三输入接收的信号。

5、如权利要求1所述的装置，其中所述前馈路径包括耦连到所述输出的刺激发射器单元(311)。

6、如权利要求1所述的装置，其中所述第二输入被布置为接收从所述输出传出的信号，其中调节包括响应于那些传出信号的反馈。

7、如权利要求1所述的装置，还包括至少一个第三输入(330)，用于接收在病人身体之外(315)生成的信号。

8、如权利要求1所述的装置，其中所述前馈路径包括：

第一传感器(309)，被布置为接收从预期为保持健康的传入第一神经区域(306)输出的第一信号；

处理器(310)，适合于学习和仿效作为第二神经区域的嫌疑区域(307)的功能；以及

刺激发射器(311)，被布置为将信号提供给预期为保持健康的传入第三神经区域(308)。

9、如权利要求8所述的装置，其中所述调节路径包括第二传感器(312)，被布置为从所述刺激发射器(311)的输出传入的第四区域接收信号并向所述处理器(310)提供调节信号。

10、如权利要求8所述的装置，其中：

所述嫌疑区域(807)与第一和第三神经区域(806，808)双向(813，823，824，825)通信；

所述第一传感器(809)还被布置为接收从所述嫌疑区域传出但传入到所述刺激发射器单元(811)的输出(816)的第二信号；以及

所述装置还包括从所述刺激发射器单元(811)到传入到第一输入的区域到所述第一传感器的反馈路径(821)。

11、如权利要求1所述的装置，其中所述嫌疑区域(807)预期为与相邻组织双向(813，823，824，825)通信，并且所述装置还包括：

第一耦连(820)，从位于所述嫌疑区域和所述刺激发射器单元的输出之间的区域到所述第一传感器(809)；以及

第二耦连(821)，从所述刺激发射器单元到所述第一神经区域(806)。

12、一种替代嫌疑神经组织的方法，该方法包括：

植入神经模仿装置，该装置包括适合于发射从嫌疑区域(307)传出的神经兼容信号的至少一个输出(316)，适合于接收神经信号的至少第一(317)和第二(318)输入，第一输入(317)被布置为接收传入到嫌疑区域(307)的信号而第二输入(318)适合于接收从所述输出(316)传出的信号，以及至少一个信号处理设备，所述至少一个信号处理设备包括被布置在所述第一输入和所述输出之间的前馈路径(309、310，311)以及被布置为接收来自第二输入的信号并向前馈路径提供反馈信号的反馈路径(312)；

基于处理功能发射(403)至少一个刺激；

监视(404)从第一和第二输入接收的信号；

比较(405)在第一和第二输入接收的信号的模式；以及

基于比较的结果调整(406)发射模式。

13、如权利要求12所述的方法，还包括：

在第一时间段期间接收(401)从第一和第二输入接收的信号；

在第一时间段期间训练(407)处理功能，用来响应于在第一输入(317)接收的信号而产生在第二输入(318)接收的信号；

检测到(402)在第一时间段之后所述嫌疑区域已经变为功能障碍；以及

在第二时间段期间执行所述发射(403)、监视(404)、比较(405)和调整(406)。

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