專利名稱：植入式可編程神經(jīng)刺激器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用器械技術(shù)領(lǐng)域的儀器，具體的說，涉及的是一種植入式可編程神經(jīng)刺激器。
背景技術(shù)：
以人工耳蝸和視覺假體為代表的神經(jīng)假體主要包括體外信息收集部分和信號(hào)處理部分，體內(nèi)神經(jīng)刺激器與電極部分，其間通過射頻無線傳輸進(jìn)行信號(hào)與能量傳遞。首先，信號(hào)收集部分采集聲音或圖像信息，將該信息傳遞至信號(hào)處理部分，進(jìn)行處理、編碼成電信號(hào)，通過無線傳輸方式傳送到體內(nèi)植入部件，產(chǎn)生電脈沖刺激聽神經(jīng)或視神經(jīng)(視網(wǎng)膜或視皮層)以產(chǎn)生聽覺或視覺。神經(jīng)假體可以幫助喪失聽力的人成功地聽到聲音，令盲人重新看到世界。神經(jīng)刺激器是神經(jīng)假體中的核心組成部分之一，不但可以用來有效地進(jìn)行功能恢復(fù)，還可以緩解神經(jīng)性疾病的癥狀，如帕金森病(PD)，難治性抑郁癥與頑固性疼痛等。隨著立體定向技術(shù)及神經(jīng)刺激裝置的迅速發(fā)展，神經(jīng)刺激已成為功能性神經(jīng)外科用來治療帕金森病、難治性抑郁癥、頑固性疼痛及其他特發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙的一種新型微創(chuàng)的手術(shù)方法。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)專利CN1593683A記錄了一種用于治療帕金森病的可充電的腦深部刺激器。其由位于人體外的電能轉(zhuǎn)換器和外部控制監(jiān)測(cè)器以及植入人體皮下的刺激脈沖發(fā)生器構(gòu)成。其中植入人體皮下的刺激脈沖發(fā)生器由內(nèi)部微控制器以及與內(nèi)部微處理器連接的刺激脈沖輸出模塊、電極定位測(cè)量模塊、內(nèi)部無線射頻通訊模塊、開關(guān)控制模塊、模塊切換、電源模塊構(gòu)成，所述的模塊切換連接有電極。該刺激器有其專用性，并不具備廣泛的適用性。
另一美國專利US6415184B1記載了一種球狀可植入式的神經(jīng)刺激器，其為球狀植入式半導(dǎo)體系統(tǒng)用來刺激神經(jīng)系統(tǒng)的組織實(shí)現(xiàn)治療各類神經(jīng)性疾病。這一球狀的植入半導(dǎo)體由一正向和一負(fù)向電極對(duì)及接收通過無線傳輸方式傳送電刺激脈沖的接收器組成。通過體外的電脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，無線傳送至體內(nèi)的球狀半導(dǎo)體中的接收器，接收器將電脈沖信號(hào)應(yīng)用于電極以產(chǎn)生刺激神經(jīng)組織的信號(hào)，起到治療的作用。該專利控制電路和實(shí)現(xiàn)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，可控制通道數(shù)目比較少，適用范圍小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，在對(duì)上述系統(tǒng)中的神經(jīng)刺激器進(jìn)行技術(shù)革新改造的基礎(chǔ)上，提出一種適用于各種神經(jīng)假體和治療用的植入式可編程神經(jīng)刺激器。若體外傳入的是由聲信號(hào)和光信號(hào)轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)，經(jīng)過本神經(jīng)刺激器并連接電極后可用于人工耳蝸和視覺假體，幫助失聰和失明者恢復(fù)聽覺和視覺；若體外傳入的是固定頻率的電信號(hào)，經(jīng)過本神經(jīng)刺激器并連接電極后可用于治療和緩解帕金森病、難治性抑郁癥、頑固性疼痛及其他特發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙等。具有適用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、體積小、功耗低、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括通信部分、處理控制部分和電極驅(qū)動(dòng)部分。其中，通信部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通過無線射頻方式傳入的能量和信息進(jìn)行處理的功能；處理控制部分主要使用FPGA來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳入信息的解碼、信息分配與傳送控制、電極驅(qū)動(dòng)電路的控制以及電源的控制；電極驅(qū)動(dòng)部分主要使用模擬電路產(chǎn)生微電流或電壓，并多次級(jí)連放大，以滿足不同刺激所需的條件，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)電荷累積消除的功能。
所述的通信部分包括能量接收模塊、信號(hào)處理模塊、濾波整流模塊、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊，能量接收模塊接收通過無線射頻方式傳送過來的能量，并經(jīng)濾波整流后傳送給處理控制部分以實(shí)現(xiàn)對(duì)其后的處理控制部分和電極驅(qū)動(dòng)部分的供電；信號(hào)處理模塊接收通過無線射頻方式傳送過來的所要進(jìn)行的刺激信息，并經(jīng)濾波整流和A/D轉(zhuǎn)換后傳送給處理控制部分，同時(shí)也將處理控制部分傳來的電極信息傳送到體外；濾波整流模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通過無線射頻方式傳送過來的能量和信號(hào)濾波及整流的功能；模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將經(jīng)過濾波整流的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
所述的處理控制部分包括信號(hào)解碼、信息分配與傳送控制模塊、電源控制和管理模塊、電極監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)模塊。信號(hào)解碼、信息分配與傳送控制模塊接收通過通信模塊傳送過來的刺激信息，并將其分解成基本控制信息和刺激參數(shù)，控制后端的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生需要的刺激；電源控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)處理控制部分以及電極驅(qū)動(dòng)部分的供電管理；電極監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電極狀態(tài)，并將其變化情況通過無線射頻通信傳遞體外調(diào)節(jié)和控制電路以調(diào)節(jié)電極工作在正常狀態(tài)。
所述的電極驅(qū)動(dòng)部分包括數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將數(shù)字部分傳送來的數(shù)字刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳遞給電極驅(qū)動(dòng)模塊；電極驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)傳遞來的刺激信號(hào)驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生滿足各種參數(shù)要求的刺激，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)電荷累積的消除功能。
本發(fā)明根據(jù)神經(jīng)刺激的電刺激理論，分析各種電脈沖參數(shù)對(duì)神經(jīng)刺激的影響，確定電刺激閾值和選擇性刺激的電脈沖極性，產(chǎn)生、綜合多種形態(tài)的刺激電信號(hào)和各種模式的刺激電脈沖信號(hào)序列，驅(qū)動(dòng)電極陣列，直接對(duì)神經(jīng)進(jìn)行功能性電刺激，應(yīng)用于產(chǎn)生人工聽覺、視覺，緩解帕金森癥與抑郁癥的病狀，減輕病人的痛感，適用范圍十分廣泛，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
本發(fā)明的外殼由具有生物兼容性的材料構(gòu)成，其表面為光滑圓弧表面，無尖銳棱角。其生物兼容性材料可以是鈦或鈦合金。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成框圖；圖2為本發(fā)明的通信部分的構(gòu)成框圖；圖3為本發(fā)明的處理控制部分的構(gòu)成框圖；圖4為本發(fā)明處理控制部分中FPGA中功能模塊構(gòu)成框圖；圖5為本發(fā)明的電極驅(qū)動(dòng)部分的構(gòu)成框圖；圖6為本發(fā)明電極驅(qū)動(dòng)部分的電極驅(qū)動(dòng)控制電路圖；圖7為本發(fā)明電極驅(qū)動(dòng)部分的電荷累積消除電路圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種植入式可編程神經(jīng)刺激器，具體實(shí)施結(jié)合各個(gè)附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括通信、處理控制和電極驅(qū)動(dòng)三部分。其中通信部分通過無線射頻方式與體外控制部件相連，其后連接處理控制部分，處理控制部分后連接電極驅(qū)動(dòng)部分以驅(qū)動(dòng)電極陣列。通信部分向數(shù)字部分提供能量和刺激信號(hào)的信息；處理控制部分既接收來自通信部分的信息，控制電極驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電極對(duì)神經(jīng)產(chǎn)生電刺激，同時(shí)又通過監(jiān)測(cè)電極狀態(tài)，將信息反饋給通信部分傳出體外；電極驅(qū)動(dòng)部分將傳入的刺激信息轉(zhuǎn)化為需要的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電極刺激神經(jīng)，同時(shí)消除累積電荷，避免對(duì)神經(jīng)生物組織的損傷。
本實(shí)施例中的通信部分的組成如圖2所示，包括能量接收模塊、信號(hào)處理模塊、濾波整流模塊、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊。其中能量接收模塊和信號(hào)處理模塊分別通過無線射頻傳輸方式從體外接收傳來的能量和信號(hào)，能量接收模塊與濾波整流模塊連接，并通過該模塊將能量傳輸給后端的處理控制部分；信號(hào)處理模塊也與濾波整流模塊連接，并經(jīng)模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)傳輸給后端的處理控制部分。能量接收模塊接收通過無線射頻方式傳送過來的能量，并經(jīng)濾波整流后傳送給處理控制部分中的主要控制硬件FPGA，以實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA和其后的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路、電極驅(qū)動(dòng)電路的供電；信號(hào)處理模塊接收通過無線射頻方式傳送過來的所要進(jìn)行的刺激信息，并經(jīng)濾波整流和A/D轉(zhuǎn)換后傳送給FPGA，同時(shí)也將通過FPGA傳來的電極信息傳送到體外；濾波整流模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通過無線射頻方式傳送過來的能量和信號(hào)濾波及整流的功能；模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將經(jīng)過濾波整流的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
本實(shí)施例中的處理控制部分的組成如圖3所示，包括信號(hào)解碼、信息分配與傳送控制模塊、電源控制和管理模塊、電極監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)模塊。該三個(gè)模塊前端分別與通信部分連接，后端分別連接電極驅(qū)動(dòng)部分。其中信號(hào)解碼、信息分配與傳送控制模塊模塊、電極監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)模塊主要用FPGA實(shí)現(xiàn)功能。
本實(shí)施例中通過控制8個(gè)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，每個(gè)DAC控制8路電極驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)64個(gè)刺激電極陣列。其中FPGA中的基本構(gòu)成如圖4所示。解碼、信息分配與傳送控制模塊是將傳入的信息分解為刺激信息以及控制信息，分別將刺激數(shù)據(jù)傳送給后端的不同的電極驅(qū)動(dòng)電路，滿足所需的刺激脈沖波形(單極性、雙極性，其中單極性脈沖還要考慮正向、負(fù)向)、脈沖幅度、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖頻率以及脈沖序列中的脈沖數(shù)目。電極監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)模塊主要是記錄電極的狀態(tài)信息，同時(shí)將記錄的信息傳送出體外，以便使用者調(diào)整電極狀態(tài)，使其工作在正常狀態(tài)。電極驅(qū)動(dòng)電路放大倍數(shù)的控制采用8級(jí)放大，即當(dāng)后端電極驅(qū)動(dòng)電路的基準(zhǔn)電流為1毫安時(shí)，最大可放大至8毫安。
本實(shí)施例中的電源管理和控制模塊主要是接收通過無線射頻傳送來得能量，將其按FPGA以及后面電極驅(qū)動(dòng)電路的需要轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓，滿足各個(gè)部分正常工作之需要。
本實(shí)施例中的電極驅(qū)動(dòng)部分的組成如圖5所示，包括8個(gè)DAC、8級(jí)放大的鏡象電流源和電荷累積消除電路。其中DAC前端分別與處理控制部分連接，后端分別連接鏡象電流源，鏡象電流源后端分別連接刺激電極。8個(gè)DAC分別控制8個(gè)鏡象電流源，共64個(gè)鏡象電流源，每個(gè)鏡象電流源最多可放大8級(jí)。通過使用匹配的場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)刺激信號(hào)的單極性、雙極性脈沖的輸出，其電路如圖6所示。信號(hào)極性的選擇依賴前端FPGA分解出來的控制信息實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)施例中的電荷累積消除電路如圖7所示。這部分電路設(shè)計(jì)之必須是因?yàn)橹绷鲀綦姾蓵?huì)促使骨質(zhì)生長，破壞與刺激器交接的神經(jīng)細(xì)胞組織，使植入物無用。同時(shí)，電荷不平衡的波形引起植入電極表面處的電解。電解使物質(zhì)從電極釋放出來，會(huì)縮短電極的壽命。因而刺激器必須回收傳送到電極的所有電荷以防止神經(jīng)細(xì)胞的破壞，并保證足夠的植入物壽命。
權(quán)利要求
1.一種植入式可編程神經(jīng)刺激器，包括通信部分、處理控制部分和電極驅(qū)動(dòng)部分，其特征在于，通信部分通過無線射頻方式與體外控制部件相連，其后連接處理控制部分，處理控制部分后連接電極驅(qū)動(dòng)部分以驅(qū)動(dòng)電極陣列，通信部分對(duì)通過無線射頻方式傳入的能量和信息進(jìn)行處理，處理控制部分使用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)傳入信息的解碼、信息分配與傳送控制、電極驅(qū)動(dòng)電路的控制以及電源的控制，電極驅(qū)動(dòng)部分使用模擬電路產(chǎn)生微電流或電壓，并多次級(jí)連放大，以滿足不同刺激所需的條件，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)電荷累積消除的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式可編程神經(jīng)刺激器，其特征是，所述的通信部分包括能量接收模塊、信號(hào)處理模塊、濾波整流模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，其中能量接收模塊和信號(hào)處理模塊分別通過無線射頻傳輸方式從體外接收傳來的能量和信號(hào)，能量接收模塊與濾波整流模塊連接，并通過該模塊將能量傳輸給后端的處理控制部分；信號(hào)處理模塊也與濾波整流模塊連接，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)傳輸給后端的處理控制部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的植入式可編程神經(jīng)刺激器，其特征是，所述的通信部分能量接收模塊接收通過無線射頻方式傳送過來的能量，并經(jīng)濾波整流后傳送給處理控制部分以實(shí)現(xiàn)對(duì)其后的處理控制部分和電極驅(qū)動(dòng)部分的供電；信號(hào)處理模塊接收通過無線射頻方式傳送過來的所要進(jìn)行的刺激信息，并經(jīng)濾波整流和A/D轉(zhuǎn)換后傳送給處理控制部分，同時(shí)也將處理控制部分傳來的電極信息傳送到體外；濾波整流模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通過無線射頻方式傳送過來的能量和信號(hào)濾波及整流的功能；A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將經(jīng)過濾波整流的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式可編程神經(jīng)刺激器，其特征是，處理控制部分包括信號(hào)解碼、信息分配與傳送控制模塊、電源控制和管理模塊、電極監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)模塊，該三個(gè)模塊前端分別與通信部分連接，后端分別連接電極驅(qū)動(dòng)部分，信號(hào)解碼、信息分配與傳送控制模塊接收通過通信模塊傳送過來的刺激信息，并將其分解成基本控制信息和刺激參數(shù)，控制后端的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生需要的刺激；電源控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)處理控制部分以及電極驅(qū)動(dòng)部分的供電管理；電極監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電極狀態(tài)，并將其變化情況通過無線射頻通信傳遞體外調(diào)節(jié)和控制電路以調(diào)節(jié)電極工作在正常狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式可編程神經(jīng)刺激器，其特征是，電極驅(qū)動(dòng)部分包括數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊前端連接處理控制部分，后端連接電極驅(qū)動(dòng)模塊，電極驅(qū)動(dòng)模塊后連接電極陣列，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將數(shù)字部分傳送來的數(shù)字刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳遞給電極驅(qū)動(dòng)模塊；電極驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)傳遞來的刺激信號(hào)驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生滿足各種參數(shù)要求的刺激，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)電荷累積的消除功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式可編程神經(jīng)刺激器，其特征是，外殼由具有生物兼容性的材料構(gòu)成，其表面為光滑圓弧表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的植入式可編程神經(jīng)刺激器，其特征是，生物兼容性材料是鈦或鈦合金。
全文摘要
一種醫(yī)用器械技術(shù)領(lǐng)域的植入式可編程神經(jīng)刺激器，包括通信部分、處理控制部分和電極驅(qū)動(dòng)部分，通信部分通過無線射頻方式與體外控制部件相連，其后連接處理控制部分，處理控制部分后連接電極驅(qū)動(dòng)部分以驅(qū)動(dòng)電極陣列，通信部分對(duì)通過無線射頻方式傳入的能量和信息進(jìn)行處理，處理控制部分使用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)傳入信息的解碼、信息分配與傳送控制、電極驅(qū)動(dòng)電路的控制以及電源的控制，電極驅(qū)動(dòng)部分使用模擬電路產(chǎn)生微電流或電壓，并多次級(jí)連放大，以滿足不同刺激所需的條件，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)電荷累積消除的功能。本發(fā)明應(yīng)用于產(chǎn)生人工聽覺、視覺，緩解帕金森癥與抑郁癥的病狀，減輕病人的痛感，適用范圍十分廣泛。
文檔編號(hào)A61N1/36GK1868555SQ200610025658
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者任秋實(shí), 柴新禹, 趙瑛, 王佳, 樂衛(wèi)東 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)