CN104096313B - 一种植入式神经电刺激装置与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入式神经电刺激装置，包括个人数字助理(PDA)、体外控制器、体内刺激器和刺激电极。用户使用PDA记录实验动物信息、体内刺激器和刺激电极的工作状态，编程刺激参数并经双向无线射频通信传输至体外控制器；体外控制器与体内刺激器之间利用体内外线圈耦合进行数据和能量的经皮无线传输；体内刺激器采用生物兼容的硅胶材料密封，产生特定参数的刺激脉冲输出至手术植入硬膜外腔的刺激电极，实施脊髓神经电刺激；刺激电极为基于柔性电路板工艺的多触点电极，采用聚酰亚胺对多个镀金电极触点进行绝缘封装。本发明用于镇痛和促进脊髓损伤后运动功能康复的机理研究，也可用于帕金森等神经系统疾病电刺激疗法的动物实验研究。
Description
技术领域
本发明属于植入式神经假体技术领域，更具体地，涉及一种植入式神经电刺激装置与系统。
背景技术
硬膜外脊髓电刺激(epiduralspinalcordstimulation,ESCS)是指通过手术将电极植入脊髓硬膜外隙背侧后，电刺激器产生特定参数的刺激脉冲通过电极刺激脊髓组织，达到检测和治疗的目的。自20世纪70年代末以来，ESCS已在慢性顽固性疼痛治疗领域确立了不可低估的重要地位，除镇痛外，还被开发用于神经系统疾病的诊断、抑制震颤和促进运动功能恢复，尤其对于不完全脊髓损伤(incompletespinalcordinjury,ISCI)患者的行走功能恢复与重建有积极的治疗效果，近年成为神经系统与康复工程的研究热点。
目前临床应用的植入式神经电刺激器主要由Medtronic、BostonScientific、St.JudeMedical等公司提供，但这些产品主要用于镇痛，其刺激参数调整范围不能满足脊髓损伤后运动功能康复的需求，而且由于ESCS用于镇痛和促进脊髓损伤后运动功能恢复的机理目前尚不明确，迫切需要通过动物实验研究阐明该疗法的神经机制，指导临床应用，但已有的植入式刺激器产品根本不能用于小型实验动物(如大鼠等)的手术植入，同时价格昂贵，不适合动物实验，因此目前用于动物实验的可植入硬膜外脊髓电刺激装置是一空白。
中国发明专利ZL200510116704.6所述的“一种植入式神经电脉冲刺激系统”由植入人体内的脉冲发生器、导线电极、体外程控器、掌上电脑(PDA)、控制磁铁构成。该脉冲发生器由外部磁铁、体外程控器和PDA实现非接触式控制工作状态和调节脉冲参数，产生幅值、频率、脉宽等参数可调的电刺激脉冲，通过刺激电极对靶点区域实现电刺激，从而找到最佳电刺激治疗参数；还可通过PDA和程控器更新内部控制器的软件，从而无需手术也能实现产品软件的更新换代。该刺激装置利用体外发射线圈与体内接收线圈之间的磁耦合经皮传递数据，但其通讯距离短、数据传送率低。该刺激装置植入体内存在电池耗尽需二次手术的问题，而且不是专门针对动物实验设计，不适用于动物实验。
中国发明专利ZL200610025658所述的“植入式可编程神经刺激器”具有无线信息和能量传输功能，包括通信单元、处理控制单元和电极驱动单元，通信单元通过无线射频方式与体外控制器相连，其后连接处理控制部分，处理控制部分后连接电极驱动部分以驱动电极阵列，通信部分对通过无线射频方式传入的能量和信息进行处理，处理控制部分使用FPGA实现对传入信息的解码、信息分配与传送控制、电极驱动电路的控制以及电源的控制，电极驱动部分使用模拟电路产生微电流或电压，并多次级联放大，以满足不同刺激所需的条件，同时还实现电荷累积消除的功能。该刺激器采用体外无线供能方法，专门针对患者设计，主要用于产生人工听觉、视觉，不是针对神经电刺激疗法的动物实验应用，采用钛或钛合金封装刺激器的方法提高了装置成本，不能很好满足动物实验调整多个体内刺激器刺激参数的要求，因此不适用于动物的分组实验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于动物实验的全植入式神经电刺激装置，可实施脊髓硬膜外电刺激。本发明还提供了该刺激器的体外控制系统，个人数字助理(PDA，或称掌上电脑)通过体外控制器可控制多只刺激器同时工作。
本发明公开了一种专门针对动物实验的全植入神经电刺激装置，用于镇痛和促进脊髓损伤后运动功能康复的机理研究，也可用于电刺激治疗帕金森、癫痫等其他神经系统疾病的动物实验研究。
为实现上述目的，本发明提供了一种植入式神经电刺激装置，所述装置包括个人数字助理、体外控制器、体内刺激器和刺激电极，其中：
所述个人数字助理，用于记录实验动物信息、体内刺激器和刺激电极的工作状态信息，并提供设置刺激参数的人机界面，通过双向无线射频通信与体外控制器连接，将所述刺激参数传输到所述体外控制器，同时接收体外控制器发送来的体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并显示；
所述体外控制器，用于与体内刺激器之间利用体内线圈和体外线圈的感性耦合，进行刺激参数和能量的经皮无线传输，接收体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并通过无线射频通信传送给个人数字助理；
所述体内刺激器，用于根据所述刺激参数产生刺激脉冲输出至刺激电极，实施脊髓神经电刺激，同时通过测量电极与被刺激靶组织间的接触阻抗，获取刺激器和刺激电极在动物体内的工作状态信息。
在本发明的一个实施例中，所述体外控制器包括射频信号发生器、E类功率放大模块、能量和数据发射模块、射频收发器、微处理器、数据调制模块以及电池模块，其中：
所述射频信号发生器与E类功率放大模块相连接，射频信号发生器产生射频载波经E类功率放大模块进行功率放大，E类功率放大模块输出连接至能量和数据发射模块，驱动能量和数据发射模块工作；
所述微处理器与射频收发器相连接，接收个人数字助理通过无线射频通信发送的刺激参数，发送体内刺激器通过负载调制模块经皮无线传来的刺激器和刺激电极工作状态信息至个人数字助理；
所述微处理器还与数据调制模块相连接，串行地输出刺激参数至数据调制模块，通过数据调制模块对E类功率放大模块输出至能量和数据发射模块的射频载波进行数据调制；
所述调制的射频信号载波通过体内外线圈的磁耦合传送至体内刺激器，完成能量和数据的经皮无线传输；
所述电池模块，用于对所述射频信号发生器和所述E类功率放大模块供电。
在本发明的一个实施例中，所述的体内刺激器包括能量和数据接收模块、整流滤波模块、DC/DC变换模块、数据解调模块、微处理器、刺激波形产生模块、阻抗检测模块以及负载调制模块，其中：
所述能量和数据接收模块，用于通过体内与体外线圈之间的磁耦合接收从体外控制器传来的能量与数据；
所述能量和数据接收模块，还用于与整流滤波模块连接，并通过整流滤波模块将能量传送给DC/DC变换模块，从而对微处理器和其后的刺激波形产生模块供电；
所述能量和信息接收模块，还与数据解调模块相连，数据解调模块将能量和信息接收模块接收的数据调制波进行解调，并将解调出来的数据输出至微处理器；
所述微处理器与刺激波形产生模块相连，根据所述解调的刺激参数控制刺激波形产生模块输出刺激脉冲至刺激电极；
所述阻抗检测模块通过在恒定直流电压激励下测量刺激回路电流大小获取刺激电极与被刺激组织之间的接触阻抗，确定刺激器和刺激电极的工作状态；
所述负载调制模块与阻抗检测模块相连，用于根据发送数据对应的高低电平接入不同阻抗的负载至体内线圈，通过负载调制效应将体内刺激器和刺激电极的工作状态信息通过体内外线圈的耦合传送至体外控制器。
在本发明的一个实施例中，所述刺激电极为基于柔性电路板工艺的多触点电极，手术植入动物体内，通过电极两侧小孔采用椎骨棘突或肌肉筋膜固定方式降低电极植入后的移位发生率和失效率。
在本发明的一个实施例中，所述刺激电极中，采用聚酰亚胺对多个镀金电极触点进行绝缘封装，两侧小孔用于在椎骨棘突或肌肉筋膜上进行电极的手术固定，降低电极手术植入后的移位发生率和失效率。
本发明还提供了一种植入式神经电刺激系统，所述系统包括一个个人数字助理、多个体外控制器、多个体内刺激器和多个刺激电极，其中：
所述个人数字助理，用于记录实验动物信息、体内刺激器和刺激电极的工作状态信息，并提供设置刺激参数的人机界面，通过双向无线射频通信连接至体外控制器，并将所述刺激参数传输到所述体外控制器，同时接收体外控制器传来的体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并显示；
所述体外控制器，用于与体内刺激器之间利用体内线圈和体外线圈的感性耦合，进行刺激参数和能量的经皮无线传输，接收体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并通过无线射频通信传送给个人数字助理；
所述体内刺激器，用于根据所述刺激参数产生刺激脉冲输出至手术植入硬膜外腔的刺激电极，实施脊髓神经电刺激；
所述体内刺激器，通过阻抗测量获取刺激器和刺激器电极的工作状态信息，利用体内线圈对体外线圈的负载调制将状态信息经皮无线传送至体外控制器；
所述个人数字助理与多个体外控制器构成星形拓扑结构的网络，个人数字助理作为该星形网络的中心节点；
通过电池供电的包含发射线圈的体外控制器置于动物所穿马夹口袋内，体外发射线圈与植入动物背部皮下刺激器的体内接收线圈准直正对；
用户通过个人数字助理编程刺激参数并发送至多个体外控制器，体外控制器将刺激参数通过体内线圈和体外线圈的耦合经皮无线传送至对应的体内刺激器，控制体内刺激器产生特定参数的刺激脉冲连接至对应的刺激电极；体内刺激器测量获取刺激器和刺激电极的工作状态信息，通过体内线圈对体外线圈的负载调制将状态信息传送至体外控制器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用无线数据传输技术，个人数字助理、体内刺激器与体外控制器均通过无线信号进行通信，并可组成无线网络进行管理，可构建多组刺激器同时工作的控制系统，可由PDA发送控制命令字为多个体外控制器编程刺激参数，并通过体外控制器控制对应体内刺激器工作，提供了分组动物实验方案的实时定制实施；
2、采用无线能量传递方式对体内刺激器进行经皮供能，实现了数据和能量的同时传输，避免了体外电池供电的经皮导线而引起的感染风险和一次性电池耗尽造成的手术更换风险，为长期动物实验提供了先进手段；
3、体内刺激电路输出参数灵活可调的刺激脉冲，并产生电荷平衡的双相脉冲波形，消除电荷积累引起的电化学反应；利用阻抗检测及负载调制将刺激器和刺激电极的工作状态信息无线经皮传送至体外控制器，经无线射频通信发送至PDA，为实验人员及时了解实验状态提供便捷手段；采用生物兼容的硅胶材料封装，降低装置成本，特别适合用于动物实验研究；
4、刺激电极为基于柔性电路板工艺的多触点电极，手术植入动物体内，通过电极两侧小孔采用椎骨棘突或肌肉筋膜固定方式降低电极植入后的移位发生率和失效率，电极的成本低，特别适合用于动物实验研究；
5、本发明所述的神经电刺激器可应用于大鼠等小型实验动物对相应脊髓节段实施硬膜外脊髓电刺激，研究ESCS的镇痛机制、ESCS对脊髓损伤部位神经再生的作用以及ESCS对脊髓内中枢模式产生器的作用机制，阐明ESCS镇痛和促进脊髓损伤后运动功能康复的疗效及机理，指导ESCS的临床应用，因此本发明具有较高的科学意义及重要的经济价值。
附图说明
图1为本发明的植入式神经电刺激装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中PDA与多个体外控制器射频无线通信所使用的控制命令字；
图3为本发明一实施例中的刺激波形产生示意图；
图4为本发明一实施例中的硬膜外刺激电极结构图；
图5为本发明一实施例中用于分组动物实验的示意图；
图6为本发明一实施例中用于脊髓电刺激和减重训练组合疗法的动物实验研究示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的系统构成如图1所示，包括个人数字助理(PDA)、体外控制器、体内刺激器和刺激电极。用户通过PDA编程刺激参数、记录实验动物信息和体内刺激器的工作状态信息，PDA通过双向无线射频通信与体外控制器相连接，体外控制器利用体内线圈1和体外线圈2之间的感性连接将PDA编程的刺激参数和能量无线传输给体内刺激器，体内刺激器根据刺激参数产生需要的刺激脉冲输出至刺激电极实施神经电刺激，同时体内刺激器通过监测电极状态，利用体内外线圈之间的感性连接将信息反馈回体外控制器，体外控制器通过无线射频方式传送给PDA。
体外控制器通过发送特定格式的命令控制字(图2)将编程的刺激脉冲参数和选择的工作模式传送至实验动物的体内刺激器，其中校验码用于标识控制命令字，模式选择则包括刺激模式和阻抗检测模式：若为刺激模式，体内刺激器根据接收的控制命令字所对应的刺激脉冲参数产生两路刺激脉冲信号u1和u2(图3)，并通过具有TEFLON镀层的多股不锈钢丝焊接到镀金过孔9分别连接至电极触点6和电极触点7(图4)，合成负相3在前、正相5在后、正负相之间有一定时间段4间隔的电荷平衡双相刺激波形ustim刺激神经组织，同时消除电荷积累引起的电化学反应，避免损伤生物的神经组织，正、负相波形间的时间间隔使得正相平衡波形不会阻断负相刺激波形引起的动作电位传播；若为阻抗检测模式，体外控制器将接收体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并传送至PDA。
刺激电极采用柔性电路板技术制作，如图4所示，利用聚酰亚胺对镀金电极触点6和7进行绝缘封装，将刺激电极手术植入目标组织，通过电极中间部分的两侧小孔8采用椎骨棘突或肌肉筋膜固定方式降低植入后的移位发生率和失效率。
本发明可用于动物分组实验，如图5所示，个人数字助理(PDA)10与多个体外控制器11构成星形拓扑结构的网络，同时个人数字助理10作为该星形网络的中心节点。将电池供电的包含发射线圈1的体外控制器8置于动物所穿马夹口袋13内，发射线圈1与植入动物背部皮下体内刺激器12所包含的接收线圈2准直正对，用户通过个人数字助理10编程刺激参数并发送至多个体外控制器11，体外控制器11将刺激参数通过体内线圈1和体外线圈2的耦合经皮无线传送至体内刺激器12，控制体内刺激器产生特定参数的刺激脉冲连接至刺激电极14。
本发明可用于减重训练和脊髓电刺激组合疗法的动物实验研究，如图6所示，铝片16与跑台18的减重杠杆17相连接，将电池供电的包含发射线圈1的体外控制器11固定于铝片的外侧表面，动物所穿马夹19的背部通过铝片16内侧表面的尼龙搭扣15与铝片16粘牢，同时体外控制器11的发射线圈1与植入动物背部皮下体内刺激器12的接收线圈2准直正对。用户通过个人数字助理10编程刺激参数并发送至体外控制器11，体外控制器11将刺激参数通过体内线圈1和体外线圈2的耦合经皮无线传送至体内刺激器12，控制体内刺激器12产生特定参数的刺激脉冲传送至植入脊髓硬膜外腔的刺激电极14，实施脊髓电刺激。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种植入式神经电刺激装置，其特征在于，所述装置包括个人数字助理、体外控制器、体内刺激器和刺激电极，其中：
所述个人数字助理，用于记录实验动物信息、体内刺激器和刺激电极的工作状态信息，并提供设置刺激参数的人机界面，通过双向无线射频通信与体外控制器连接，将所述刺激参数传输到所述体外控制器，同时接收体外控制器发送来的体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并显示；
所述体外控制器，与体内刺激器之间利用体内线圈和体外线圈的感性耦合，进行刺激参数和能量的经皮无线传输，接收体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并通过无线射频通信传送给个人数字助理；
所述体内刺激器，用于根据所述刺激参数产生刺激脉冲输出至刺激电极，实施脊髓神经电刺激，同时通过测量刺激电极与被刺激靶组织间的接触阻抗，获取体内刺激器和刺激电极在动物体内的工作状态信息；
其中所述体外控制器包括射频信号发生器、E类功率放大模块、能量和数据发射模块、射频收发器、微处理器、数据调制模块以及电池模块，其中：
所述射频信号发生器与E类功率放大模块相连接，射频信号发生器产生射频载波经E类功率放大模块进行功率放大，E类功率放大模块的输出连接至能量和数据发射模块，驱动能量和数据发射模块工作；
所述微处理器与射频收发器相连接，接收个人数字助理通过无线射频通信发送的刺激参数，并将体内刺激器通过负载调制模块经皮无线传来的体内刺激器和刺激电极的工作状态信息发送至个人数字助理；
所述微处理器还与数据调制模块相连接，串行地输出刺激参数至数据调制模块，通过数据调制模块对E类功率放大模块输出至能量和数据发射模块的射频载波进行数据调制；
所述经过数据调制的射频载波通过体内线圈和体外线圈的感性耦合传送至体内刺激器，完成能量和刺激参数的经皮无线传输；
所述电池模块，用于对所述射频信号发生器和所述E类功率放大模块供电。
2.如权利要求1所述的植入式神经电刺激装置，其特征在于，所述的体内刺激器包括能量和数据接收模块、整流滤波模块、DC/DC变换模块、数据解调模块、微处理器、刺激波形产生模块、阻抗检测模块以及负载调制模块，其中：
所述能量和数据接收模块，用于通过体内线圈和体外线圈的感性耦合接收从体外控制器传来的能量与刺激参数；
所述能量和数据接收模块，还与整流滤波模块连接，并通过整流滤波模块将能量传送给DC/DC变换模块，从而对微处理器和其后的刺激波形产生模块供电；
所述能量和数据接收模块，还与数据解调模块相连，数据解调模块将能量和数据接收模块接收的刺激参数进行解调，并将解调出来的刺激参数输出至微处理器；
所述微处理器与刺激波形产生模块相连，根据所述解调的刺激参数控制刺激波形产生模块输出刺激脉冲至刺激电极；
所述阻抗检测模块通过在恒定直流电压激励下测量刺激回路电流大小获取刺激电极与被刺激靶组织之间的接触阻抗，确定体内刺激器和刺激电极的工作状态；
所述负载调制模块与阻抗检测模块相连，用于根据与发送数据对应的高低电平接入不同阻抗的负载至体内线圈，通过负载调制效应将体内刺激器和刺激电极的工作状态信息通过体内线圈和体外线圈的感性耦合传送至体外控制器。
3.如权利要求1所述的植入式神经电刺激装置，其特征在于，所述刺激电极为基于柔性电路板工艺的多触点电极，手术植入动物体内，通过刺激电极两侧小孔采用椎骨棘突或肌肉筋膜固定方式降低刺激电极植入后的移位发生率和失效率。
4.如权利要求3所述的植入式神经电刺激装置，其特征在于，所述刺激电极中，采用聚酰亚胺对多个镀金电极触点进行绝缘封装，两侧小孔用于在椎骨棘突或肌肉筋膜上进行刺激电极的手术固定，降低刺激电极手术植入后的移位发生率和失效率。
5.一种植入式神经电刺激系统，其特征在于，所述系统包括一个个人数字助理、多个体外控制器、多个体内刺激器和多个刺激电极，其中：
所述个人数字助理，用于记录实验动物信息、体内刺激器和刺激电极的工作状态信息，并提供设置刺激参数的人机界面，通过双向无线射频通信连接至体外控制器，并将所述刺激参数传输到所述体外控制器，同时接收体外控制器传来的体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并显示；
所述体外控制器，与体内刺激器之间利用体内线圈和体外线圈的感性耦合，进行刺激参数和能量的经皮无线传输，接收体内刺激器和刺激电极的工作状态信息并通过无线射频通信传送给个人数字助理；
所述体内刺激器，用于根据所述刺激参数产生刺激脉冲输出至手术植入硬膜外腔的刺激电极，实施脊髓神经电刺激；
所述体内刺激器，通过阻抗测量获取体内刺激器和刺激电极的工作状态信息，利用体内线圈对体外线圈的负载调制将体内刺激器和刺激电极的工作状态信息经皮无线传送至体外控制器；
所述个人数字助理与多个体外控制器构成星形拓扑结构的网络，个人数字助理作为该星形拓扑结构的网络的中心节点；
通过电池供电的包含体外线圈的体外控制器置于动物所穿马夹口袋内，体外线圈与植入动物背部皮下的体内刺激器的体内线圈准直正对；
用户通过个人数字助理编程刺激参数并发送至多个体外控制器，体外控制器将刺激参数通过体内线圈和体外线圈的感性耦合经皮无线传送至对应的体内刺激器，控制体内刺激器产生特定参数的刺激脉冲输出至对应的刺激电极；体内刺激器通过阻抗测量获取体内刺激器和刺激电极的工作状态信息，通过体内线圈对体外线圈的负载调制将体内刺激器和刺激电极的工作状态信息传送至体外控制器。
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