CN1973918B - 可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列 - Google Patents
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Abstract
一种可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，属于医疗假体领域。本发明包括：金属丝刺激微电极、金属丝支撑微电极、金属丝刺激微电极簇、金属丝刺激微电极簇阵列、微电极基底，Q个金属丝刺激微电极粘合在金属丝支撑微电极的外壁上组成金属丝刺激微电极簇，微电极基底是三层结构，m*n个金属丝刺激微电极簇固定于微电极基底上组成金属丝刺激微电极簇阵列，从微电极基底中引出引线与外部设备相连。金属丝刺激微电极和金属丝微支撑微电极的材料是生物相容性好的金属材料。本发明能够根据人体神经系统部位的解剖学和形态学的特点，在有限空间内能更有效地刺激神经系统。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种医疗假体技术领域的可植入微电极，特别是一种可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列。
背景技术
神经假体领域包括运动神经假体、人工耳蜗(耳蜗植入体)和视觉神经假体等。运动神经假体是通过深部脑刺激治疗运动障碍疾病如帕金森病(PD)开发的神经系统微电子器件。深部脑刺激术多选用埋藏式电刺激系统，此系统一般由植入电极、连接导线至皮下接收器及电刺激器三部分组成。电极植入后，选择一定刺激参数和不同电极刺激触点，以观察植入效果并同时记录不同触点的参数，以供术后参考。实验过程中要保证电极不发生位移，以免影响疗效。因此电极设计是运动神经假体系统的重要部分。
人的耳蜗毛细胞是接受声音的感觉细胞。当耳蜗毛细胞损伤严重时，就会出现严重的耳聋。人工耳蜗由体外和体内装置两部分组成，体外部分包括麦克风、言语转换器、发射线圈；体内的部分包括接收线圈、处理器、刺激电极及参照电极组成。刺激电极采用的通道数目越多，电极就能对耳蜗内更多位置的听神经纤维进行刺激，最大限度地利用患者耳蜗的天然构造，建立出更完整的听觉音阶，电极形态的设计也是人工耳蜗的关键。
视觉神经假体是为帮助视网膜或其他视觉器官发生病变的患者重新获得光明和视觉的医用装置。其中，植入的电极阵列直接作用于中枢和周围神经系统，模拟视觉正常形成的过程，通过编码以特定的脉冲形式把电信号传递给刺激微电极阵列，作用于视皮层、视网膜或视神经。刺激电极传输的脉冲信号要足够大以便引起刺激部分发生动作电位，通过神经传递到视觉皮层，通过大脑皮层记录电极记录成像的波形。在整个神经假体系统中，刺激微电极是至关重要的，它必须具有良好生物相容性、易于加工、灵活柔韧、空间利用率高等特点。
经对现有技术文献的检索发现，专利申请号为03159801.3，公开日期为：2005年3月30日，专利名称为：“多电极阵列及其制造方法”，该发明提供了一种易于加工的、高密度的电极阵列，由微孔真列、单电极和固定树脂组成。虽然该发明也考虑了要实现电极阵列的高密度问题，但是仅提供了四电极阵列。由于电极的长度相同，没有考虑到用于神经束上时，对不同深度的神经纤维进行刺激，没有从根本上解决对人体神经系统进行电刺激的效率和实用问题，因此这类电极的综合性能还需要进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足与缺陷，提供一种能够对人体神经系统进行有效高密度电刺激的簇状微电极阵列，使其能够根据人体神经系统的解剖学和形态学的特点，在有限空间内能更有效地刺激神经系统。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：金属丝刺激微电极、金属丝支撑微电极和微电极基底，Q个长度不同的金属丝微电极粘合在金属丝支撑微电极的外壁上组成金属微电极簇，微电极基底是三层结构，m*n个金属丝微电极簇固定于微电极基底上组成m*n的金属丝刺激微电极簇阵列。从微电极基底中引出引线与外部设备相连。金属丝刺激微电极和金属丝微支撑微电极的材料是生物相容性好的金属材料。m表示阵列的行数，n表示阵列的列数，Q表示每个金属丝微支撑电极上金属丝微刺激电极的数目。
所述的生物相容性好的金属材料是指钨丝、金丝、铂铱合金丝的其中一种。
所述的金属丝刺激微电极和金属丝支撑微电极的杆部经过绝缘处理，尖端暴露的微电极。
所述的对金属丝刺激微电极和金属丝支撑微电极进行绝缘的材料是C型聚对二甲苯。
所述的对金属丝刺激微电极和金属丝支撑微电极的尖端采用强激光暴露。
所述的金属丝刺激微电极的直径为10-20μm。
所述的金属丝刺激微电极的尖端直径约为1μm。
所述的金属丝支撑微电极的直径为50-80μm。
所述的金属丝刺激微电极长度范围为300-1000μm。
所述的金属丝刺激微电极的尖端直径约为3μm。
所述的金属丝支撑微电极长度为1.2mm。
所述的金属丝刺激微电极簇的总直径为70-120μm。
所述的金属丝刺激微电极簇是Q个长度不同的金属丝刺激微电极按照一定长度的分布策略粘附在金属丝支撑微电极外壁上。把刺激电极的长度设计为长短不一，是为了能刺激到不同深度的神经纤维并实现多位点的刺激。把长度不一的金属丝刺激微电极按照一定次序交错排列，是为了保证整个金属丝刺激微电极簇阵列中每个金属丝刺激微电极簇的稳定性和机械强度。
所述的用于粘合金属丝刺激微电极与金属丝支撑微电极的粘接剂是：氰基丙烯酸盐粘合剂。
所述的金属丝刺激微电极长度的分布策略是：把金属丝刺激微电极长度设为lp＝ll+(p-1)*Δl，共p个，即电极长度为从ll到lp，相邻长度差为Δl。
所述的金属丝刺激微电极簇阵列的排列策略是：设阵列为A＝{m*n}，A的元素li，j(k)是位于金属丝刺激微电极阵列第i行，第j列金属丝微电极簇中第k个金属丝微刺激电极的长度，li，j(k)＝ll+[(i-1)*m+(j-1)]*Δl+m*n*(k-1)*Δl(i＝1、2...m，j＝1、2…n，k＝1、2…Q)。l表示金属丝微刺激电极的长度，A表示电极阵列(Array)，m表示阵列的行数，n表示阵列的列数，Q表示每个金属丝微支撑电极上金属丝微刺激电极的数目，p＝m*n*Q。
所述金属丝刺激微电极簇阵列的行间距为0.35-1.2mm，列间距为0.35-1.2mm。
所述的三层电极基底的构成是：表层的硅橡胶层，中间的导电层，底层的硅橡胶层。
所述的表层的硅橡胶层厚度为0.5-1mm。
所述的中间的导电层厚度为0.5-1mm。
所述的底层的硅橡胶层厚度为1-2mm。
与现有技术相比，本发明主要创新点技术如下：
1)充分考虑了人体神经系统的特点，针对现有神经刺激电极技术的缺陷，设计了该可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列。由于本发明设计的微刺激电极的长度不同，并有规律排列组合，可以对不同深度的神经纤维进行高效刺激。同时可以设计更多的实验方案，在试验中允许更多的信息输入输出，提高实验的成功率，让人们掌握更多的外界刺激与人体神经组织反应之间的关系。
2)充分考虑了所选电极材料的生物相容性和电特性：金属微电极具有电阻低、机械强度高、电噪声低的优点。金属微电极尤其有利于慢性植入实验的需要，是较理想的刺激电极。钨丝、金丝、铂铱合金丝等金属丝均可作为原料。钨丝生物相容性较好、强度大、价格低廉、制做方便，是在实验和科研中最早使用的也是很常用的电极材料。铂铱合金的生物相容性优异、物理化学特性稳定，尤其适合体内植入的需要，是最理想的电极材料。通过动物实验证明，不锈钢丝、钨丝、铂、铂铱合金均具有较小的毒性，铂铱合金在体内引起的组织炎症反应最小，钨丝和不锈钢丝次之。
3)对金属丝电极的绝缘问题，充分考虑了绝缘材料与组织的生物相容性问题，所选绝缘材料不引起组织反应和炎症反应并能保护植入器件不受生理环境的侵蚀，本发明所用的绝缘材料是C型聚对二甲苯(Parylene-C)。
本发明的有益效果是：充分考虑了所要植入人体部分的形态和解剖学特点，本发明设计的柔韧刺激微电极阵列尤其适用于对人体神经系统进行刺激。人们利用微加工技术制做高密度电极获得较高的刺激效率，从而可为临床实验和科学研究提供有意义的数据。用于制作神经刺激器的材料具有良好的生物相容性并能够保证器件不受体内生理环境的侵蚀。电极的几何尺寸可以根据要刺激部位的大小进行控制，而且电极簇中附着于支撑微电极的刺激电极的个数、直径以及长度都可以根据实际需要而变化，所以，该电极簇可以实现精确刺激，有利于人们寻找刺激位点的不同造成不同刺激效果的关系。
附图说明
图1为金属丝刺激微电极簇的示意图
图2为本发明结构示意图
图3为电极基底三层结构的示意图
图4为电极基底中间导电层排线的示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2、3、4所示，本实施例包括：金属丝刺激微电极1、金属丝支撑微电极2、金属丝刺激微电极簇3、金属丝刺激微电极簇阵列4、微电极基底5，Q个金属丝微电极1粘合在金属丝支撑微电极2的外壁上组成金属微电极簇3，微电极基底5是三层结构，m*n个金属微电极簇3固定于微电极基底5上组成m*n的金属丝刺激微电极簇阵列4，从微电极基底5中引出引线与外部设备相连。金属丝微电极1和金属丝支撑微电极2的材料是生物相容性好的金属材料。m表示阵列的行数，n表示阵列的列数，Q表示每个金属丝微支撑电极上金属丝微刺激电极的数目。
工作时，体外设备将设置的电信号，通过导线传送到体内植入部分，将电脉冲经金属丝刺激微电极1刺激电极尖端附近的神经系统，即金属丝刺激微电极1是体内植入部分与人体神经组织的接口。由于本实施例的金属丝微刺激电极1长度不同设计，可以对不同深度的神经进行刺激，可以弥补手术技术精度上的缺陷，并且本实施例的高密度刺激位点，提高了刺激效率，是以往技术不能比拟的优势。
所述的生物相容性好的金属材料是指：钨丝、金丝、铂铱合金丝的其中一种。
所述的金属丝刺激微电极1和金属丝支撑微电极2的杆部经过绝缘处理，尖端暴露的电极。
所述的对金属丝刺激微电极1和金属丝支撑微电极2进行绝缘的材料是C型聚对二甲苯。
所述的对金属丝刺激微电极1和金属丝支撑微电极2的尖端采用强激光暴露。
所述的金属丝刺激微电极1的直径为10-20μm。
所述的金属丝刺激微电极1的尖端直径约为1μm。
所述的金属丝支撑微电极2的直径为50-80μm。
所述的金属丝刺激微电极1的长度范围为l＝300-1000μm。
所述的金属丝刺激微电极1的尖端直径约为3μm。
所述的金属丝支撑微电极2的长度为1.2mm。
所述的金属丝刺激微电极簇3的总直径为70-120μm。
所述的金属丝刺激微电极簇3是Q个长度不同的金属丝刺激微电极1按照一定长度分布的策略粘附在金属丝支撑微电极2的外壁上。
所述的用于粘合金属丝刺激微电极1与金属丝支撑微电极2的粘接剂是：氰基丙烯酸盐粘合剂。
所述的金属丝刺激微电极1的长度的分布策略是：把金属丝刺激微电极1的长度设为lp＝ll+(p-1)*Δl，共p个即金属丝刺激微电极1的长度为从ll到lp，相邻长度差为Δl。
所述的金属丝刺激微电极簇阵列4的排列为设阵列为A＝{m*n}，A的元素li，jk是位于金属丝刺激微电极阵列4的第i行，第j列金属丝微电极簇3中的第k个金属丝微刺激电极1的长度，li，j(k)＝ll+[(i-1)*m+(j-1)]*Δl+m*n*(k-1)*Δl(i＝1、2...m，j＝1、2…n，k＝1、2…Q)。l表示金属丝微刺激电极的长度，A表示电极阵列(Array)，m表示阵列的行数，n表示阵列的列数，Q表示每个金属丝微支撑电极上金属丝微刺激电极的数目，p＝m*n*Q。
所述金属丝刺激微电极簇阵列4的行间距为0.35-1.2mm，列间距为0.35-1.2mm。
所述的金属丝刺激微电极簇阵列4上金属丝微刺激电极簇3中的金属丝微刺激电极1的直径相同，但长度各不相同；金属丝支撑微电极2的直径和长度相同。
所述的三层电极基底5的构成是：表层的硅橡胶层6，中间的导电层7，底层的硅橡胶层8。
所述的表层的硅橡胶层6厚度为0.5-1mm。
所述的中间的导电层7厚度为0.5-1mm。
所述的底层的硅橡胶层8厚度为1-2mm。
Claims (10)
1.一种可植入簇状视觉神经刺激微电极阵列，其特征在于，包括：金属丝刺激微电极(1)、金属丝支撑微电极(2)和微电极基底(5)，其中：Q个长度不同的金属丝刺激微电极(1)粘合在金属丝支撑微电极(2)的外壁上组成金属丝刺激微电极簇(3)，微电极基底(5)是三层结构，m*n个金属丝微电极簇(3)固定于微电极基底(5)上组成m*n的金属丝刺激微电极簇阵列(4)，从微电极基底(5)中引出引线与外部设备相连，金属丝刺激微电极(1)和金属丝微支撑微电极(2)的材料是生物相容性好的金属材料，对金属丝刺激微电极(1)和金属丝支撑微电极(2)进行绝缘的材料是C型聚对二甲苯；
所述的m表示阵列的行数，n表示阵列的列数，Q表示每个金属丝微支撑电极上金属丝微刺激电极的数目。
2.根据权利要求1所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的生物相容性好的金属材料是指钨丝、金丝和铂铱合金丝的其中一种；所述的金属丝刺激微电极(1)和金属丝支撑微电极(2)的杆部是经过绝缘处理和尖端强激光暴露的电极。
3.根据权利要求1或2所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的金属丝刺激微电极(1)的长度范围为1＝300-1000μm，直径为10-20μm，尖端直径为1-3μm。
4.根据权利要求1或2所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的金属丝支撑微电极(2)的长度为1.2mm，直径为50-80μm，尖端直径为1-3μm。
5.根据权利要求1所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的金属丝刺激微电极(1)粘合在金属丝支撑微电极(2)，具体是以氰基丙烯酸盐粘合剂进行粘合；所述的金属丝刺激微电极簇(3)的总直径为70-120μm。
6.根据权利要求1所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，每个金属丝刺激微电极簇(3)所包含的金属丝刺激微电极(1)的数目Q为4或6或8或10，并且每个金属丝刺激微电极(1)的长度不同，金属丝刺激微电极(1)的长度设为lp＝l1+(p-1)*Δl，共p个，即金属丝刺激微电极(1)的长度为从l1到lp，相邻长度差为Δl，l表示金属丝微刺激电极的长度，A表示电极阵列，m表示阵列的行数，n表示阵列的列数，Q表示每个金属丝微支撑电极上金属丝微刺激电极的数目，p＝m*n*Q。
7.根据权利要求1所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的金属丝刺激微电极簇阵列(4)的排列为：设阵列为A＝{m*n}，金属丝刺激微电极簇阵列(4)的行列数根据需要进行调整，即阵列A为m*n，m，n＝1、2、3、4…，A的元素li，j(k)是位于金属丝刺激微电极阵列(4)的第i行，第j列金属丝微电极簇3中的第k个金属丝微刺激电极1的长度li，j(k)＝l1+[(i-1)*m+(j-1)]*Δl+m*n*(k-1)*Δl，i＝1、2...m，j＝1、2…n，k＝1、2…Q。
8.根据权利要求1或者7所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的金属丝刺激微电极簇阵列(4)上金属丝微刺激电极簇(3)中的金属丝微刺激电极(1)的直径相同，但长度各不相同；所述的金属丝支撑微电极(2)的直径和长度相同。
9.根据权利要求1或者7所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的金属丝刺激微电极簇阵列(4)的行间距为0.35-1.2mm，列间距为0.35-1.2mm。
10.根据权利要求1所述的可植入人体神经系统的簇状刺激微电极阵列，其特征是，所述的微电极基底(5)是三层结构，具体包括：表层的硅橡胶层(6)、中间的导电层(7)和底层的硅橡胶层(8)，其中：表层的硅橡胶层(6)的厚度为0.5-1mm，中间的导电层(7)的厚度为0.5-1mm，底层的硅橡胶层(8)的厚度为1-2mm。
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