專利名稱：用于治療心肌缺血的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于醫(yī)院對(duì)心肌缺血患者進(jìn)行輔助性物理治療的裝置，屬于醫(yī) 療器械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
冠心病是目前威脅人類健康、生命的主要疾病之一。它是由于冠狀動(dòng)脈及其分支粥 樣硬化，造成管腔狹窄或阻塞引起的心臟病變，以心臟供血不足為主要特征，因而又稱 為缺血性心臟病。改善心肌缺血，控制心絞痛是治療冠心病的基本原則。治療心肌缺血 的方法很多，包括改變生活方式、各種藥物治療、血管形成術(shù)、冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)等。通 過標(biāo)準(zhǔn)治療方案，絕大多數(shù)病人能控制癥狀，心肌缺血得到改善。然而，藥物治療的副 作用及耐藥性，手術(shù)治療費(fèi)用昂貴及受到病人身體狀況的限制，這些都是不容忽視的； 而且臨床上仍有很大一部分病人，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)治療方式無效或收效甚微。
控制心血管活動(dòng)的神經(jīng)元分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)從脊髓到大腦皮層的各個(gè)水平，包括 了延髓心血管中樞和延髓以上的心血管中樞。心血管系統(tǒng)受交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的調(diào) 節(jié)，剌激這些神經(jīng)對(duì)冠狀動(dòng)脈血流量有直接作用或間接作用。自從上世紀(jì)60年代Shealy 等發(fā)現(xiàn)脊髓電刺激法(Spinal cord stimulation, SCS)具有鎮(zhèn)痛作用后，硬脊膜外腔 電刺激療法逐漸被應(yīng)用于治療頑固性心絞痛和心肌缺血等心血管疾病。另外，小腦除了 對(duì)大腦的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)指令加以調(diào)節(jié)外，電刺激小腦頂核(Fastigial Nucleus Stimulation, FNS)能改變心血管的活動(dòng)。通過電刺激小腦頂核(FNS)產(chǎn)生的神經(jīng)源性 神經(jīng)保護(hù)作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心腦等重要器官的保護(hù)，防治其缺血性病變。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者， 在大鼠心肌梗死模型上,從抗氧化損傷角度探討了 FNS防治有關(guān)心血管疾病的潛在應(yīng)用價(jià) 值，發(fā)現(xiàn)FNS可減輕心肌梗死后大鼠心肌損傷,減小心肌梗死面積，推測(cè)FNS對(duì)心臟具有 保護(hù)作用。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)心肌缺血的治療方法主要包括改變生活方式、各種藥物治療、血 管形成術(shù)、冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)、安裝血管支架、體外反搏等。通過這些治療，絕大多數(shù)病 人能控制癥狀，心肌缺血得到改善。然而，藥物治療的副作用及耐藥性，手術(shù)治療費(fèi)用 昂貴及受到病人身體狀況等因素的限制，臨床上仍有很大一部分患者，無法接受手術(shù)治 療而又對(duì)藥物治療方式無效或收效甚微。利用脊髓電刺激法治療頑固性心絞痛和心肌缺血等心血管疾病，也僅停留在通過植入在硬脊膜外腔的電極來刺激脊髓的有創(chuàng)性治療方 法上。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種利用脊髓電刺激 (Spinal Cord Stimulation, SCS)的鎮(zhèn)痛和減少心肌耗氧等效應(yīng)及小腦頂核電刺激 (Fastigial Nucleus Stimulation, FNS)的神經(jīng)源性保護(hù)原理，通過體表電極無創(chuàng)性地 刺激脊髓和小腦核來治理心肌缺血的治療儀器。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于由電源電 路、調(diào)制波發(fā)生電路、調(diào)制波整形電路、調(diào)幅電路、恒流源電路、刺激電極、CPLD載波 發(fā)生電路、載波整形電路、輸出強(qiáng)度控制電路和單片機(jī)組合而成；其中，電源電路分別 與各電路相連接，為其提供電源；調(diào)制波發(fā)生電路、調(diào)制波整形電路和調(diào)幅電路依次相 連接，CPLD載波發(fā)生電路經(jīng)過載波整形電路與調(diào)幅電路相連接，調(diào)幅電路的輸出經(jīng)過恒 流源電路與刺激電極相連；單片機(jī)分別連接并控制調(diào)制波發(fā)生電路、CPLD載波發(fā)生電路 和輸出強(qiáng)度控制電路。
所述刺激電極為兩路，產(chǎn)生兩路獨(dú)立的剌激電流輸出，其中一路經(jīng)由分別貼于第七 頸椎和第七胸椎處的體表電極將治療電流加載到脊椎內(nèi)的脊髓，另一路經(jīng)由分別貼于兩 側(cè)耳后乳突處的體表電極將治療電流加載到顱內(nèi)深處的小腦頂核。 相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 提出了一種新的物理療法的治療設(shè)備，通過經(jīng)皮脊髓電刺激和小腦頂核電刺激來 治療心肌缺血；
2、 無創(chuàng)性，通過體表刺激電極將穩(wěn)定的刺激電流有效地加載到脊髓和小腦頂核；
3、 無痛感電刺激，通過對(duì)刺激波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到既可將刺激電流有效地經(jīng)體表
電極送到脊椎內(nèi)的脊髓和顱內(nèi)深部的小腦頂核，又不會(huì)對(duì)體表皮膚產(chǎn)生刺痛感，使患者
在舒適感覺中進(jìn)行治療；
4、 克服機(jī)體的適應(yīng)性，采用慢變化的隨機(jī)電流對(duì)脊髓和小腦頂核進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間有效的 閾下刺激，克服機(jī)體對(duì)刺激電流的適應(yīng)性；
5、 治療儀有兩路獨(dú)立的刺激電流輸出，其中一路經(jīng)由分別貼于第七頸椎和第七胸椎 處的體表電極將治療電流加載到脊椎內(nèi)的脊髓，另一路經(jīng)由分別貼于兩側(cè)耳后乳突處的 體表電極將治療電流加載到顱內(nèi)深處的小腦頂核。本實(shí)用新型應(yīng)用現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等系列先進(jìn)高新技術(shù) 研制，主要由中央處理器、顯示屏、波形合成電路、恒流電路、電極輸出等幾部分組 成；是將低頻慢變化節(jié)奏的隨機(jī)信號(hào)，以脈沖幅度調(diào)制的方式，調(diào)制在具有特定頻譜結(jié) 構(gòu)的中頻載波信號(hào)上，通過體表電極以電流的形式從體外將低頻電流加載到人體的脊髓 和小腦頂核，通過改善冠脈血流、降低心肌耗氧量、控制疼痛和神經(jīng)源性神經(jīng)保護(hù)作用 達(dá)到治療心肌缺血的治療作用。


圖1是本實(shí)用新型基本原理結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖波形圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，用于治療心肌缺血的裝置，由電源電路(圖中省略)、調(diào)制波發(fā)生電 路1、調(diào)制波整形電路2、調(diào)幅電路3、恒流源電路4、刺激電極5、 CPLD載波發(fā)生電路 6、載波整形電路7、輸出強(qiáng)度控制電路8和單片機(jī)9組合制成；其中，電源電路分別與 各電路相連接，為其提供電源；調(diào)制波發(fā)生電路l、調(diào)制波整形電路2和調(diào)幅電路3依次 相連接，CPLD載波發(fā)生電路6經(jīng)過載波整形電路7與調(diào)幅電路3相連接，調(diào)幅電路3的 輸出經(jīng)過恒流源電路4與刺激電極5相連；單片機(jī)9分別連接并控制調(diào)制波發(fā)生電路1、 CPLD載波發(fā)生電路6和輸出強(qiáng)度控制電路8。另外，單片機(jī)9還可以分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 10和通過數(shù)據(jù)命令與通信接口電路11和PC機(jī)12相連。
所述電源電路是把外部輸入的交流電或直流電轉(zhuǎn)換在本儀器各電路所需的直流電 源；所述調(diào)制波發(fā)生電路1和調(diào)制波整形電路2在單片機(jī)9的設(shè)置下，實(shí)現(xiàn)調(diào)制波形l、 2、 3、 4的選擇，調(diào)整波信號(hào)輸出給調(diào)幅電路3; CPLD載波發(fā)生電路6和載波整形電路 7在單片機(jī)9的控制下，產(chǎn)生脈沖頻率范圍為lkHz-2kHz脈沖波，并能控制其脈沖按單、 雙和連續(xù)多脈沖的形式輸出，載波信號(hào)輸出給調(diào)幅電路3;同時(shí)，調(diào)幅電路3在單片機(jī)9 和輸出強(qiáng)度控制電路8的控制下，控制調(diào)制波和CPLD載波的輸出強(qiáng)度(其調(diào)幅波的輸出 峰值電流在0—30mA之間連續(xù)可調(diào))，再經(jīng)過恒流源電路4和刺激電極5輸出所需要的 剌激脈沖作用于受試者。所述刺激電極5為兩路，產(chǎn)生兩路獨(dú)立的刺激電流輸出，其中 一路經(jīng)由分別貼于第七頸椎和第七胸椎處的體表電極將治療電流加載到脊椎內(nèi)的脊髓， 另一路經(jīng)由分別貼于兩側(cè)耳后乳突處的體表電極將治療電流加載到顱內(nèi)深處的小腦頂 核。本實(shí)用新型所采用的電器元件均為市購的本領(lǐng)域常規(guī)產(chǎn)品。
作為上位機(jī)的PC是系統(tǒng)的功能控制和數(shù)據(jù)處理的核心，而下位機(jī)是實(shí)現(xiàn)特定功能的 子控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的功能與應(yīng)用類型的特征標(biāo)志，本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)作為下位 機(jī)的控制中心。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是下位機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)。在PC上運(yùn)行 應(yīng)用軟件，提供簡(jiǎn)潔、友好的用戶界面，方便使用者通過軟件進(jìn)行治療操作。PC和單片 機(jī)間通過通信接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的交互。單片機(jī)接收PC的各種命令，并通過控制 下位機(jī)各單元電路的工作實(shí)現(xiàn)用戶的操作。調(diào)制波、載波發(fā)生整形電路和調(diào)幅電路受控 于單片機(jī)，產(chǎn)生刺激信號(hào)傳輸?shù)胶懔髟措娐?，最后產(chǎn)生所需要的電流作用于受試者。
當(dāng)操作者啟動(dòng)治療后，系統(tǒng)工作的流程可以分為以下幾個(gè)步驟
(1) PC上的應(yīng)用程序根據(jù)治療方式把相應(yīng)的調(diào)制波數(shù)據(jù)通過通信接口電路、單片機(jī)暫 存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；
(2) 單片機(jī)定時(shí)讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的調(diào)制波；
(3) 單片機(jī)控制載波發(fā)生電路產(chǎn)生載波信號(hào)，并被整形為微分型指數(shù)脈沖；
(4) 調(diào)制波與指數(shù)脈沖經(jīng)調(diào)幅電路、恒流源電路、刺激電極作用于患者身上。 在治療過程中，操作者可以修改治療的強(qiáng)度和方式等治療參數(shù)。 隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅治療波形的函數(shù)表達(dá)式為
F (0 = S "^"(a 2 + w 2(y 2 )"2 cos(歸"O )
式中，A是(一V， +V)之間服從拉普拉斯分布的隨機(jī)變量，其歸一化概率密度函數(shù) 為A(")^I"^W; 0 是在[0， 2Jt]內(nèi)服從均勻分布的隨機(jī)變量，且A與①n統(tǒng)計(jì)獨(dú)
立。隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖波形如圖2所示。
使用本實(shí)用新型的方法是在接通外接電源后，根據(jù)患者的實(shí)際情況，調(diào)整單片機(jī)9 的控制程序，選擇需要的調(diào)整波信號(hào)和CPLD載波信號(hào)；刺激信號(hào)傳輸?shù)胶懔髟措娐?，體 表刺激電極5分別置于人體的第七頸椎和第七胸椎處、兩側(cè)耳后乳突處，將最后產(chǎn)生的
所需要的電流作用于受試者。治療儀采用兩路獨(dú)立的刺激電流輸出為宜，其中一路經(jīng)由 分別貼于第七頸椎和第七胸椎處的體表電極將治療電流加載到脊椎內(nèi)的脊髓，另一路經(jīng) 由分別貼于兩側(cè)耳后乳突處的體表電極將治療電流加載到顱內(nèi)深處的小腦頂核。
本實(shí)用新型利用脊髓電刺激和小腦頂核電刺激治療心肌缺血的機(jī)制 脊髓電刺激治療心肌缺血的機(jī)制主要有三方面的因素改善冠脈血流、降低心肌耗
氧量、控制疼痛本身。這些因素之間是相互聯(lián)系、相互影響的，是多種因素同時(shí)存在。
1、改善冠脈血流和降低心肌耗氧量支配心臟的交感、副交感神經(jīng)很豐富。冠脈血管含有a,、 a2腎上腺素能受體，當(dāng)其 被神經(jīng)末梢釋放出的或血液中的去甲腎上腺素激活后，可引起收縮反應(yīng)。相反，刺激迷 走神經(jīng)能使冠狀血管擴(kuò)張，這種擴(kuò)張是由乙酰膽堿介導(dǎo)的，能被阿托品所阻斷。由大腦 的邊緣部分發(fā)出的下行纖維能控制心血管系統(tǒng)。早有研究表明，邊緣系統(tǒng)的一些結(jié)構(gòu)受 到刺激后能改變冠脈血流，脊髓電刺后，病人的冠脈血流速度明顯增加。
現(xiàn)有的研究表明，SCS可抑制交感神經(jīng)傳出，阻滯心絞痛的反射弧，減少交感神經(jīng)的 過分激活。Emanuelsson等研究發(fā)現(xiàn)，SCS可降低收縮壓，降低血液中腎上腺素和去甲腎 上腺素水平，表明SCS具有抗缺血作用。Hautvast等經(jīng)正電子斷層掃描(PET)研究發(fā) 現(xiàn)，SCS治療6周后，在缺血階段進(jìn)行雙密達(dá)莫(潘生丁)負(fù)荷測(cè)試時(shí)，再灌注率顯著大 于非缺血區(qū)，因?yàn)樵诳偣嘧⒘繜o變化時(shí)，SCS可導(dǎo)致非缺血區(qū)到缺血區(qū)的血流量重新分 布。
心率一血壓乘積被認(rèn)為是衡量冠心病人心肌耗氧量的良好指標(biāo)。Mannheimer的研究 小組發(fā)現(xiàn)，SCS并不明顯增加冠狀竇的血流量，但可降低心率一血壓的乘積，減少心肌耗
氧量，這種作用與e受體阻滯劑的作用類似，提示SCS的抗缺血作用繼發(fā)于心肌耗氧量
的減少。
根據(jù)上述研究結(jié)果可以確定，刺激脊髓背側(cè)后可導(dǎo)致一定數(shù)量的階段神經(jīng)發(fā)射，使 交感神經(jīng)張力降低，體循環(huán)腎上腺素濃度降低，交感神經(jīng)的活性反射性下降，增加心肌 供血，降低心肌耗氧量，同時(shí)增加缺血區(qū)的血液供應(yīng)。
2、緩解疼痛
SCS早期主要被用于治療慢性頑固性疼痛，主要是指周圍傳入阻滯性疼痛如幻肢痛，以 及手術(shù)后疼痛，現(xiàn)己擴(kuò)展到所有的頑固性疼痛，包括帶狀皰疹后周圍性神經(jīng)痛、脊髓損傷 后疼痛等。
SCS的鎮(zhèn)痛機(jī)理，主要有以下幾種假說。(l)刺激脊髓后索產(chǎn)生的逆行性沖動(dòng)與順行傳 遞的痛覺沖動(dòng)發(fā)生沖突(collision); (2)刺激脊髓后索產(chǎn)生的逆行性沖動(dòng)在脊髓后角產(chǎn) 生"閘門"；(3)刺激后根產(chǎn)生"閘門"；(4)由于刺激后索上行通路,在延腦、腦干、丘 腦和大腦皮質(zhì)產(chǎn)生干涉作用；(5)脊髓后索順行性沖動(dòng)的下行性抑制通路的激活；(6)內(nèi)源 性鎮(zhèn)痛物質(zhì)的參與。除上述假說外，一些與鎮(zhèn)痛作用間接有關(guān)的現(xiàn)象提示，刺激脊髓還能 產(chǎn)生:交感神經(jīng)活動(dòng)抑制作用；肌肉活動(dòng)抑制作用；神經(jīng)可塑性變化(臨床上的神經(jīng)功能 恢復(fù)作用)；神經(jīng)機(jī)能、代謝的活化作用等。
心臟的感受器由神經(jīng)末梢構(gòu)成，其中主要為交感神經(jīng)末梢。當(dāng)心肌缺血、缺氧時(shí)局 部產(chǎn)生的代謝物刺激這些感受器，引起異常的神經(jīng)沖動(dòng)，這些沖動(dòng)經(jīng)交感神經(jīng)的傳入纖維(初級(jí)傳入纖維)進(jìn)入椎旁神經(jīng)節(jié)，這些信息在此被傳導(dǎo)到相應(yīng)脊髓段的后角神經(jīng)元 并交叉入對(duì)側(cè)的脊髓丘腦側(cè)束上行入丘腦，最后傳入大腦，大腦皮層在覺察這種"異常 感覺"后產(chǎn)生疼痛。在神經(jīng)沖動(dòng)上傳中樞的過程中，這種信息不斷被調(diào)控，其中最主要 的調(diào)控部位在脊髓。閘門理論表明，小的神經(jīng)纖維向大腦傳遞痛覺信息，大的神經(jīng)纖維 向大腦傳遞非痛覺信息，刺激大的神經(jīng)纖維可"淹沒"小的神經(jīng)纖維向大腦傳遞的痛覺 信息。SCS作用機(jī)理符合了閘門控制理論，即心絞痛的神經(jīng)沖動(dòng)受到較粗的傳入纖維傳入 沖動(dòng)的抑制。
小腦頂核電刺激對(duì)缺血性損害以及其它多種性質(zhì)的損害均具有神經(jīng)保護(hù)作用；小腦 頂核存在一群自主神經(jīng)元,這些自主神經(jīng)元的興奮可對(duì)心、腦等重要器官產(chǎn)生明顯的缺血 性保護(hù)，使缺血損傷減輕或不出現(xiàn),使缺血損傷的范圍明顯縮小。
權(quán)利要求1、用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于由電源電路、調(diào)制波發(fā)生電路(1)、調(diào)制波整形電路(2)、調(diào)幅電路(3)、恒流源電路(4)、刺激電極(5)、CPLD載波發(fā)生電路(6)、載波整形電路(7)、輸出強(qiáng)度控制電路(8)和單片機(jī)(9)組合而成；其中，電源電路分別與各電路相連接，為其提供電源；調(diào)制波發(fā)生電路(1)、調(diào)制波整形電路(2)和調(diào)幅電路(3)依次相連接，CPLD載波發(fā)生電路(6)經(jīng)過載波整形電路(7)與調(diào)幅電路(3)相連接，調(diào)幅電路(3)的輸出經(jīng)過恒流源電路(4)與刺激電極(5)相連；單片機(jī)(9)分別連接并控制調(diào)制波發(fā)生電路(1)、CPLD載波發(fā)生電路(6)和輸出強(qiáng)度控制電路(8)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于所述單片機(jī)(9) 還分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(10)和通過數(shù)據(jù)命令與通信接口電路(11)和PC機(jī)(12)相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于所述調(diào)制波發(fā)生電 路(1)產(chǎn)生低頻慢變化的隨機(jī)波。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于所述CPLD載波發(fā) 生電路(6)產(chǎn)生脈沖頻率范圍為lkHz-2kHz脈沖波，并能控制其脈沖按單、雙和連續(xù)多 脈沖的形式輸出。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于所述刺激電極 (5)輸出的最終脈沖為幅度被低頻慢變化的隨機(jī)波調(diào)制的頻率為1kHz-2kHz的指數(shù)脈沖波。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于所述刺激電極 (5)輸出的最終脈沖為直流或交流型，由單片機(jī)(9)預(yù)先設(shè)置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1、 5或6所述的用于治療心肌缺血的裝置，其特征在于所述刺激 電極(5)為兩路，產(chǎn)生兩路獨(dú)立的刺激電流輸出。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種用于治療心肌缺血的裝置，由電源電路、調(diào)制波發(fā)生電路、調(diào)制波整形電路、調(diào)幅電路、恒流源電路、刺激電極、CPLD載波發(fā)生電路、載波整形電路、輸出強(qiáng)度控制電路和單片機(jī)組合而成。它具有無創(chuàng)性、無痛感電刺激、克服機(jī)體的適應(yīng)性等特點(diǎn)，使患者在舒適感覺中接受治療。使用本實(shí)用新型通過經(jīng)皮脊髓電刺激和小腦頂核電刺激可輔助治療心肌缺血。本實(shí)用新型應(yīng)用現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等系列先進(jìn)高新技術(shù)研制的，將低頻慢變化節(jié)奏的隨機(jī)信號(hào)，以脈沖幅度調(diào)制的方式，調(diào)制在具有特定頻譜結(jié)構(gòu)的中頻載波信號(hào)上，通過體表電極以電流的形式從體外將低頻電流加載到人體的脊髓和小腦頂核，通過改善冠脈血流、降低心肌耗氧量、控制疼痛和神經(jīng)源性神經(jīng)保護(hù)作用達(dá)到治療心肌缺血的治療作用。
文檔編號(hào)A61N1/36GK201139869SQ20082009752
公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者朱冰蓮, 田學(xué)隆, 翁振興, 董為偉, 陳運(yùn)貞 申請(qǐng)人:重慶大學(xué);重慶海坤醫(yī)用儀器有限公司