CN100409909C - 生物亲和的电极刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可植入的生物亲和的电极刺激装置，特别适用于对人体神经系统紊乱和疾患等的检测、诊断、控制和治疗。它包括电极和信号处理单元；电极为刺激电极或/和采集信号电极，主要由电极头，导线和绝缘层组成，至少电极头的表面上附着有胶层，该胶层的材料为水凝胶，胶层中吸附和存储有生物亲和的生物电解质溶液；信号处理单元包括电刺激信号处理部分或/和信号采集处理部分；电极与信号处理单元连通。优点是：植入后能提供生物亲和、稳定的电极-组织界面，避免植入后组织反应造成的电极阻抗升高和不稳定，从而增强检测、诊断及治疗效果，降低能耗，增加整个装置的功能和提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种可植入的生物亲和的电极刺激装置，属于生物医学工程技术领域，特别适用于对人体神经系统紊乱和疾患，如癫痫、中风后遗症、疼痛及毒品成瘾等的检测、诊断、控制和治疗.
背景技术
随着科学技术进步和发展，可植入的神经替代品和神经/肌肉调制装置已逐渐应用于临床，如心脏起搏器、控制癫痫的迷走神经刺激器、治疗疼痛的脊髓刺激器、人工视网膜等。在这些装置中，一个设置的生物电脉冲通过电极或电极列阵传送到肌肉或者神经组织来活化或阻止神经/肌肉系统活动，有时电极也用来采集和反馈生物电信号，如诱发电位。在这些装置的完善和发展中，有一个倾向就是电极变小，电极在电极列阵上的数目增多，以提供更多的刺激模式和更精确的刺激部位。除此之外，电极要具有生物的兼容性，还要求电极设计应保证与电化学和电生理有关的安全性。
生物体对于植入体内的异体物质会产生不同程度的组织反应，如纤维组织增生，斑痕组织的出现等，加上电极变小，导致高电极阻抗和植入手术后电极阻抗升高，这是当前面临的急需解决的一个重要问题。因为，阻抗升高能影响电刺激脉冲的传送和生物电信号的采集，限制了电刺激脉冲的参数，影响整个装置的治疗效果和安全系数。另外，阻抗升高也能导致刺激阀值升高，电池使用寿命减少。实质上这表明电极--组织界面不稳定，还表明生物兼容性需要改进。经文献资料查询，现有技术已出现了一种降低阻抗的技术方案，如美国专利(US Pat.5,489,294，1996年2月6日)提出通过电极输送类固醇类的抗炎性药物来减轻组织反应；另一个美国专利(US Pat.6,253,110，2001年6月26日)提出的方案是先在电极上镀铂黑来增加表面面积，增加电极的双电层电容，然后吸附类固醇类的抗炎性药物；还有一个美国专利(USPat.5,103,837，1992年4月14日)公开的方案是在多孔电极表面镀上一层含有类固醇类药物的亲水聚合物，通过类固醇类药物，如可的松、地塞米松缓慢地释放来减缓周边组织对植入异体的反应。上述现有的技术中，针对组织反应而引起的阻抗升高是用缓释类固醇类药物来实现。这个方法不足之处在于：1、用导管长期缓释药液，会增加装置的复杂性；2、长期用药，引起副作用的可能性随时存在，会限制部分病人的使用；3、抗炎性药物释放过程中，特别是释放完后，界面的物理化学和生化性质也会变化，所以界面还是处于一个不稳定阻抗状态，不利于安全地和有效地、长久地发挥电极刺激作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物亲和的电极刺激装置，它能改善现有技术中这类装置植入后电极--组织界面不稳定的情况，克服生物电刺激阀值增高以及检测生物电信号噪音高的缺点，降低植入后电极阻抗，提高电极刺激装置对多种相关疾病的诊断、控制、治疗的效力。
本发明所公开的技术方案是：所述一种生物亲和的电极刺激装置，它包括电极和信号处理单元；电极为刺激电极或/和采集信号电极，主要由电极头和导线组成，至少电极头的表面上附着有胶层，该胶层的材料为水凝胶，胶层中吸附和存储有生物亲和的生物电解质溶液；信号处理单元包括电刺激信号处理部分或/和信号采集处理部分；电极与信号处理单元连通；所述的电极头(1.1)的材料为生物兼容的惰性导体材料制成，该材料选自于铂金、铂金合金、钛金、钛金合金、铱金、铱金合金；所述的生物电解质溶液(5).选自于生理盐水，含胶原蛋白的生理盐水、含神经生长因子的生理盐水；所述的水凝胶选自于聚丙烯酰胺水凝胶、胶原-聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶、或烯烃二醇、烯烃二胺、氨基烷醇制成的聚合物来构成水凝胶。
本发明原理和效果是：在电极上附着一薄层含水高的水凝胶或者它的复合物，使生物电解质溶液，如生理盐水在电极表面形成一层稳定层，使阻抗降低，界面稳定，刺激阀值低而稳定，检测时噪音低，信噪比高，提高电极刺激装置的刺激或/和检测效果；同时，水凝胶与活体生物材料相似，生物兼容性好，从而减少了人体对植入电极的组织反应；本发明技术方案对现有技术的界面材料进行了改善，从而具有很好的导电性和生物亲和性；本发明电极与信号处理单元相连通、组合有多种方案，构成一个完整的、有多种形式的电极刺激装置。
附图说明
图1是本发明装置植入人体内治疗坐骨神经疼痛的示意图；
图2是电极为电极列阵的示意图；
图3是电极1、胶层4、生物电解质溶液5及生物体内部组织6相对位置示意图；
图4是电极1与信号处理单元2连接为一整体的电路方框示意图；
图5是电极1在体内，信号处理单元(2)在体外，两者以导线7连通的电路方框示意图；
图6是电极1和信号处理单元2在体内，另外，体外有指令/检测单元3的电路方框示意图；
图7是一个信号处理单元2的电路方框原理图，其中电极1为电极列阵。
图中相应图号名称是：1-电极 1.1-电极头 1.1a、1.1b、......1.1n-电极列陈的电极头，1.2-导线，1.3-接口；1.4-绝缘载体；2-信号处理单元，其中电刺激信号处理部分：2.1-接收器，2.2检波器，2.3-整形电路，2.4-鉴频电路，2.5-分频触发电路，2.6-译码电路，信号采集处理部分：2.7-放大器，2.8-滤波器，2.9-调制器，2.10-发射器，2.11-电源生成器；3-指令/检测单元；4-胶层；5-生物电解质溶液；6-生物体内组织；7-导线；8-发射头；9-接收头。
具体实施方式
以下实施例以电极刺激装置是否全部植入体内来划分实施例。改变不同的技术要素进行组合，将成为众多不同的实施例。
实施例1：如图1、图2、图3、图4所示，(图1是长期植入人体治疗坐骨神经痛的实施例示意图)是一种全部植入体内的生物亲和的电极刺激装置。电极1与信号处理单元2通过导线1.2直接连通为能植入体内的一个整体；电极1为刺激电极和采集信号电极，也可以只是刺激电极；所述电极1为刺激电极和采集信号电极是指：采集的信号由信号处理单元2处理后再指示电极1进行电刺；电极1也可以只是刺激电极，指示信号在信号处理单元2中预先设置好，按预定程序进行刺激，不作信号反馈和调整；电极1由电极头1.1，导线1.2和绝缘层1.4组成；电极头1.1的表面上附着有胶层4，可以是绝缘层1.4外也同时附着有胶层4，还可以是整个装置上均附着有胶层4；该胶层4的材料为水凝胶，选用聚丙烯酰胺水凝胶；胶层4中吸附和存储有生物亲和的生物电解质溶液5，采用生理盐水，即本发明的生物亲和的电极刺激装置组装好后先放在生理盐水中浸润，吸入了生理盐水后再封装，然后进行灭菌待用；信号处理单元2有电刺激信号处理部分和信号采集处理部分，根据需要也可以只有电刺激信号处理部分，或信号采集处理部分；电极1与信号处理单元2通过导线1.2连通；本实施例中：
所述的生物电解质溶液除可选用生理盐水，还可选用含胶原蛋白质和神经生长因子的生理盐水，这可获得更好的电极刺激效果；水凝胶除选用聚丙烯酰胺水凝胶，还可以选胶原-聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶，还有以烯烃二醇、烯烃二胺、氨基烷醇制作的聚合物；胶层4材料的吸水率为：所吸附的水的重量∶胶层材料自身重量＝1∶1，还可以是0.4∶1，或4∶1，视植入的部位和疾患要求确定；电极1上附着的胶层4是薄胶层；如图3所示，是多孔电极头在镀上高吸附能力的水凝胶后电极1在电极--组织界面中的示意图；这个水凝胶层厚度还可以选为0.5毫米，一般在10到1000微米之间，厚的可选为2毫米，也可以达4毫米，视电极1的大小和植入的部位及治疗要求而定；水凝胶选含水量高的水凝胶，可以是由烯烃二醇，烯烃二胺，氨基烷醇制作而成，这些单体经交链剂聚合形成不溶于水的但含水极高的胶层；胶层4通过是浸镀、或旋转镀、或喷溅镀将胶层沉积到电极1表面上；如图2所示，本实施例的电极1为电极列阵，它是具有10个独立的、多孔的电极头1.1的电极列阵，分为两列，每列有5个电极头1.1，分别连接导线1.2并有硅胶绝缘层1.4，每个电极头有独立的导线1.2，5个成为一列。每个电极头1.1为环形，套在绝缘层1.4上；电极还可以选为由两个独立的、多孔的电极头1.1与各自的导线1.2组成，此时一个为主电极，另一个为辅电极，还可以是16个、256个或更多个电极头组成电极列陈，有利于得到更好的电刺激效果；电极头1.1的材料为生物兼容的惰性导体材料制成；本实施例装置的信号处理单元主要工作参数是：1、刺激输出电压为3～15伏；2、双向对称方波脉冲，方波宽度25微秒～100毫秒；3、电流方波幅度0.1～3毫安；4、方波频率1～1000赫兹，本实施例的参数为：刺激输出电压6伏，双向对称方波脉冲，方波宽度150毫秒；3、电流方波幅度1.2毫安；4、方波频率100赫兹；如图7所示，是一个信号处理单元2的电路方框原理图，其中电极1为电极列阵，电极头为1a、1b、...1n，在本实施例中n取为10，信号处理单元2分为两部分：其中电刺激信号处理部分的2.11-电源生成器，2.1-接收器、2.2检波器、2.3-整形电路、2.4-鉴频电路2.5-分频触发电路 2.6-译码电路连通后与电极1的导线1.2连通，信号采集处理部分的 2.7-放大器也与电极1的导线1.2连通、采集的信号通过 2.8-滤波器、2.9-调制器、2.10-发射器反馈给电刺激信号处理部分，另外，当电极1只作为刺激电极使用而不需要信号检测和反馈调整时，信号处理单元2可以只有电刺激信号处理部分。
实施例2：如图5所示，与实施例1不同的是电极1在体内，信号处理单元2位于体外，是一个半植入式的实施例；电极1为刺激电极，也可以是采集信号电极，还可以同时是刺激电极和采集信号电极，根据需要，一个电极可置于体外与表皮接触。一般由信号处理单元2来赋于电极1的功能；信号处理单元2与电极1通过导线7连通；一般而言，有导线7的半植入式是短时间应用。
实施例3：如图6所示，与实施例1不同的是电极1与信号处理单元2通过导线1.2直接连通为能植入体内的一个整体，另外，有一个指令/检测单元3位于体外；电极1为刺激电极，也可以是采集信号电极，还可以同时是刺激电极和采集信号电极，根据需要，由指令/检测单元通过信号处理单元2来赋于电极1的功能；指令/检测单元3的发射头8与信号处理单元2的接收头9通过电磁波连通。
对本发明上述实施例作进一步的说明如下：
图2是一种电极列阵的示意图。如图所示电极列阵由生物兼容的惰性导体材料，如铂、铱、钛(Pt，Ir，Ti)或它们的合金，图2中10个电极头1.1是这些导体材料构成的工作电极的电极头，它们经细导线1.2独立的与信号处理单元2直接连通或通过接口1.3连通；柔软的硅胶作为绝缘体和载体1.4可将电极列阵制作成不同的形状；电极头1.1通过在酸性电解质溶液中电蚀，其表面形成多孔形貌，孔的大小一般在30-1000纳米之间。
图3是电极1在电极--组织界面中的示意图；图中，水凝胶的胶层4中缓冲生理盐水5的含量在40％-400％。能在电极表面保存一层电解质溶液层，使生理盐水这一电解质溶液中主要的钠离子，氯离子和钾离子能迁移和扩散；电极制作好后，浸泡在缓冲生理盐水中，使之平衡。在植入体内后，只有电解质溶液、氨基酸、小蛋白质可以扩散进入胶层，与体液平衡后，胶层的液体还是以缓冲生理盐水为主；即使电极周边有组织包囊或瘢痕组织出现，体液减少，它也不会影响胶层的含液量；所以，电极阻抗会不受组织反应的影响；水凝胶还选用水凝胶的复合材料，包括与导电聚合物的和与胶原蛋白的复合材料，这类材料可以进一步强化电极的导电性和生物兼容性.用含胶原蛋白或神经生长因子的生理盐水浸泡膨胀胶层，还可以有益于神经纤维的生长和修复。
本发明植入体内的信号处理单元2、需要用合金、如钛合金将它封装，外层还可以有水凝胶，以便确保微电子器件不与体液接触，又兼顾植入的装置的生物亲合性。
Claims (7)
1. 一种生物亲和的电极刺激装置，其特征在于，它包括电极(1)和信号处理单元(2)；电极(1)为刺激电极或/和采集信号电极，主要由电极头(1.1)，导线(1.2)和绝缘载体(1.4)组成，至少电极头(1.1)的表面上附着有胶层(4)，该胶层(4)的材料为水凝胶，胶层(4)中吸附和存储有生物亲和的生物电解质溶液(5)；信号处理单元(2)包括电刺激信号处理部分或/和信号采集处理部分；电极(1)与信号处理单元(2)连通；所述的电极头(1.1)的材料为生物兼容的惰性导体材料制成，该材料选自于铂金、铂金合金、钛金、钛金合金、铱金、铱金合金；所述的生物电解质溶液(5)选自于生理盐水、含胶原蛋白的生理盐水、含神经生长因子的生理盐水；所述的水凝胶选自于聚丙烯酰胺水凝胶、胶原-聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶、或烯烃二醇、烯烃二胺、氨基烷醇制成的聚合物来构成水凝胶。
2. 按权利要求1所述的电极刺激装置，其特征在于，胶层(4)材料的吸水率为：
所吸附的水的重量∶胶层材料自身重量＝0.4∶1～4∶1。
3. 按权利要求1所述的电极刺激装置，其特征在于，电极(1)为电极列阵，主要由至少两个独立的、多孔的电极头(1.1)及导线(1.2)组成；导线(1.2)外层有绝缘层(1.4)，其材料主要选自硅胶；电极头(1.1)通过接口(1.3)或/和导线(1.2)与信号处理单元(2)连通。
4. 按权利要求1或3所述的电极刺激装置，其特征在于，电极(1)为具有10个电极头(1.1)的电极列阵，分为两列，每列有相同个数的电极头(1.1)；导线(1.2)上有绝缘硅胶层(1.4)；每个电极头(1.1)为环形，套在绝缘层(1.4)上。
5. 按权利要求1所述的电极刺激装置，其特征在于，电极(1)与信号处理单元(2)通过导线(1.2)直接连通为能植入体内的一个整体；电极(1)为刺激电极或/和采集信号电极。
6. 按权利要求1所述的电极刺激装置，其特征在于，电极(1)为刺激电极或/和采集信号电极，位于体内；信号处理单元(2)位于体外，与电极(1)通过导线(7)连通。
7. 按权利要求1所述的电极刺激装置，其特征在于，电极(1)为刺激电极或/和采集信号电极与信号处理单元(2)通过导线(1.2)直接连通为能植入体内的一个整体，指令/检测单元(3)位于体外；指令/检测单元(3)的发射头(8)与信号处理单元(2)的接收头(9)通过电磁波连通。
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