CN101284160A - 一种利用微线圈对神经组织进行磁刺激的植入式装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可植入式神经磁刺激装置及方法，微线圈被植入神经组织中，电刺激信号发生装置输出的刺激电流在微线圈周围产生磁场，利用该磁场在微线圈周围神经组织中的感应电流调节微线圈周围的神经元电兴奋模式，实现对神经组织进行磁刺激。该装置由电刺激信号发生装置、微线圈、连接导线组成。利用本装置和方法对神经组织进行刺激，避免了刺激电流直接经刺激电极流入神经组织，从而减小神经组织对刺激电极的排异反应，增强植入刺激装置工作的长效性。

Description

一种利用微线圈对神经组织进行磁刺激的植入式装置与方法

技术领域

本发明属于神经磁刺激技术领域，具体涉及一种利用微线圈对神经组织进行植入式磁刺激的装置与方法。

背景技术

近年来，可植入神经电刺激技术已经在神经修复医学工程中得到广泛应用，如已经在治疗控制帕金森病、癫痫、慢性疼痛、尿失禁、性功能与运动、睡眠、呼吸、听视觉障碍等多个方面取得较大进展，利用深部脑刺激治疗控制帕金森病患者运动功能障碍和利用电子耳蜗重建听觉已是神经电刺激技术实用化的重要里程碑。

神经电刺激的基本原理是利用植入体内的电极向神经组织注入刺激电流，以调控被刺激神经组织的兴奋过程。在神经接口电极方面，美国专利US5,496,369公开了一种用于听觉皮层刺激的神经假体，该装置包含一个语音处理器，用以接收和处理语音信号；语音信号经过编码后通过微电极直接刺激听觉皮层区域；美国专利US6066163提出了一种自适应大脑刺激方法，它是将刺激装置植入皮层的需要刺激的区域，通过设置刺激参数来改变刺激模式，它可以通过改变刺激模式以实现在不同皮层区域的不同刺激。但是，刺激电极在对皮层神经组织进行电刺激的同时，神经组织会表现出对刺激电极的排异反应；而且随着连续刺激时间的延长，排异反应会增强，从而导致刺激电极的刺激效率下降，以致刺激电极工作失效，这是神经工程研究中遇到的神经-电接口问题。如中国科学院上海微系统与信息技术研究所提出了一种基于聚合物基底的凸起电极、制作方法(专利公开号200610026292.1)，其特征在于采用具有生物相容性和柔性聚合物作为基底材料和加工凸起电极结构，保证电极的刺激点与神经的充分接触，改善神经电刺激和神经信号记录的效果；重庆大学提出了一种视皮层神经刺激装置及刺激方法(专利公开号200710078520.4)，它涉及一种可刺激视皮层神经组织的微电极阵列刺激装置及刺激方法，该装置能在控制电路作用下将电刺激信号经不同刺激点交替输出以刺激视皮层神经组织，可提高视皮层刺激电极工作的长效性；美国专利US7,221,981公开了一种神经刺激电极设计方法，它将电极加工成弧线型，以使被刺激神经组织得到更有效刺激，从而提高刺激电极工作的可靠性。

神经磁刺激是一种利用脉冲磁场产生感应电流来调节神经组织生理活动的物理诊疗技术，因其无创、无痛的特点，近年来在研究神经活动、神经性疾病的诊断和治疗等方面越来越受到重视。自20世纪80年代起，磁刺激技术不断被应用于基础医学研究、临床疾病的诊断和治疗。磁刺激的主要生物效应是改变神经组织的生理活动，它是由脉冲磁场引起的感应电场使神经元去极化，进而产生动作电位。利用脉冲磁场对正常神经电活动的干预，磁刺激可以被用于研究不同皮层区域的功能，也可以用于研究神经活动之间的功能联系。在神经磁刺激方面，天津大学提出了一种多导脑部磁刺激仪(专利公开号200510015749.4)，它涉及一种多导脑部磁刺激仪，其主要特征是放置于一个高度可调节的支架上的磁刺激头罩，位置已编号的若干刺激线圈通过弹簧固定于头罩内侧，每个刺激线圈对应连接一个独立的控制电路模块，电路模块通过热溶胶固定于头罩内，可以对脑部多点进行独立或同时刺激。四川大学提出了一种可用于电导率成像及功能磁刺激用磁场聚焦线圈阵列(专利公开号200610021203.4)，它涉及一种可用于电导率成像及功能磁刺激用磁场聚焦线圈阵列，其特征在于该半球面排列线圈阵使用了17个单元线圈，共3层。该阵列产生的磁场分布不但可以聚焦在单个区域，而且根据需要通过改变激励电流大小，也可以聚焦在多个区域。

综上所述，虽然研究人员正试图从电极材料的生物相容性、电极物理/化学修饰等方面寻找神经-电接口的解决方案，以提高植入式神经电刺激可靠性和有效性，但目前这个问题还没有得到很好的解决。神经磁刺激也是一种广泛采用的调控神经兴奋模式的技术手段，其重要特征是外加刺激电信号经刺激线圈产生磁场，再偶合到神经组织产生感应电流改变神经组织的兴奋模式，在被刺激神经组织和外加刺激信号间无直接的电流传导联系。植入式神经电刺激中神经组织对刺激电极的排异反应的重要原因是刺激电流经电极流入神经组织。因此，如果将神经磁刺激和神经电刺激技术相结合，将神经电刺激中各刺激电极的刺激电流转换为磁场信号，再以磁场对需要刺激的神经组织神经活动模式进行调节，就可以避免神经电刺激中刺激电流注入过程中神经组织对电极的排异反应，进而提高植入式神经刺激装置工作的长效性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种将神经电刺激和神经磁刺激相结合的神经刺激装置及方法，它将已有神经电刺激中通过刺激电极流入神经组织的刺激电流转换为磁场，再利用磁场在神经组织中产生的感应电流调节神经元的兴奋模式，以实现对微线圈附件神经组织的刺激。由于它避免了神经组织-刺激电极间电流的传导，可减小神经组织对刺激电极的排异反应，增强微电极在皮层工作的长效性。

本发明的技术方案该如下：

一种将植入式神经电刺激中流过刺激电极电流转换为磁场，并利用磁场对神经组织进行磁刺激的植入式装置，装置包括：微线圈、刺激电流发生装置、连接导线；

所述微线圈是由线状导电材料构成，包括一个输入端和一个输出端，分别用于连接刺激电流的输出和输入端。

所述刺激电流由刺激电流发生装置产生，它经电流通路到达微线圈，并流经微线圈通过电流传导回路直接流回刺激电流发生装置；刺激装置中的用于传导刺激电流的导电结构经绝缘材料封装后与生物组织接触，刺激电流只在刺激电流发生装置和微线圈之间构成电流回路。由此，所述的刺激电流不会对神经组织直接产生刺激作用，而是通过微线圈产生的磁场对需要刺激的神经组织进行刺激，利用磁场在神经组织中产生的感应电流调控神经元的兴奋模式。

所述磁场是刺激电极电流通过微线圈时所形成的，其基本原理是安培定则，即线圈中通过一定电流，将在线圈中产生磁场，磁场方向由安培右手法则确定，磁场大小与通过线圈电流强度、线圈匝数、线圈大小、距离线圈空间位置等因素有关，线圈匝数越多、通过电流越大所产生的磁场越强。

所述微线圈的匝数可以为1匝或多匝，形状可以是圆形、方形等规则形状或非规则形状，空间结构以及微线圈尺寸等参数可根据应用场合、加工工艺等因素确定。

根据上述利用磁场对神经组织进行磁刺激的植入式装置，本发明还公开了一种实现神经磁刺激的方法：

首先，微线圈被植入神经组织中，刺激电流发生装置输出的刺激电流在微线圈周围产生磁场，利用该磁场在微线圈周围神经组织中的感应电流调节微线圈周围的神经元电兴奋模式；

其次，刺激电流只在刺激电流发生装置和微线圈之间构成电流回路，刺激电流发生装置产生的刺激电流不会流经神经组织，神经组织的刺激是由微线圈产生的磁场实现的。

本发明与现有技术相比，具有以下的技术效果：

(1)通过将已有植入式神经电刺激技术中的微电极上集成微线圈，并使刺激电流通过微线圈，从而在微线圈周围产生和刺激电流相关的磁场。

(2)微线圈产生的磁场在周围神经组织产生感应电流，进而对神经组织进行刺激。由于避免了刺激电流直接经刺激电极流入神经组织，从而减小神经组织对刺激电极的排异反应，增强植入刺激装置工作的长效性。

附图说明

图1基于微线圈的神经磁刺激示意图；

其中：1-神经组织、2-微线圈、3-刺激电流回路流出端、4-刺激电流回路流入端、5-刺激电流发生装置；

图2植入式视皮层神经磁刺激装置的结构示意图；

其中：6-视皮层、7-微线圈、8-基座、9-导电连接线、10-视皮层电刺激发生装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明所涉及的基于微线圈的神经磁刺激方法是将微线圈2植入到需要刺激的神经组织1，刺激电流通过微线圈2中产生磁场，磁场在神经组织1中产生感应电流将调节神经元的兴奋模式，从而实现对神经组织1的磁刺激。其中刺激电流发生装置5产生刺激电流，经刺激电流回路流出端3流入微线圈2，再通过刺激电流回路流入端4回到刺激电流发生装置，构成电流回路。它既避免了因刺激电流进入神经组织引起的排异反应，又通过微线圈产生的磁场对神经组织实现了刺激。

本发明的一个实施例如图2所示，是一种植入式视皮层神经磁刺激装置。在本实施例中，微线圈7随基座8一起被插入视皮层6内，每个基座8上包括四个微线圈7，由于这四个微线圈7在基座上的空间位置不同，可以实现对深浅不同位置的视皮层6神经组织的刺激。同时，本实施例中包含四个基座8共16个微线圈7，一起组成了一个微线圈7阵列，可以实现对视皮层6中16个不同位置的分别刺激。每个微线圈7在基座8上有互相独立、相互绝缘的输入、输出电流通路，这些通路再通过导电连接线9与植入式视皮层电刺激信号发生装置10的独立端口相连，由植入式视皮层电刺激信号发生装置10对16个微线圈7分别提供相互独立的激励电流。植入式视皮层电刺激信号信号发生装置10可以采用本研究领域中成熟的技术方案，如微控制器(MSP430)与功率放大电路相结合，或FPGA(现场可编程门阵列)与功率放大电路相结合，产生需要的多通道电刺激信号。

本发明的工作过程如下：植入式视皮层电刺激信号发生装置产生16通道电刺激刺激电信号，刺激电流从各端口的流出端经连接导线到达对应的微线圈，刺激电流通过微线圈后经连接导线从各端口的流入端回到电刺激信号信号发生装置，构成刺激电流回路。刺激电流通过微线圈时将在微线圈周围产生磁场，磁场在微线圈附近的视皮层神经组织中产生感应电流，从而引起该区域视皮层神经元电活动的改变，实现对视皮层神经兴奋模式的调节。由于微线圈的尺寸小，产生的磁场仅作用于微线圈附近局部的视皮层神经组织，从而实现了对视皮层神经组织的多点分别刺激。由于利用了刺激电流经微线圈产生的磁场对视皮层神经组织进行刺激，植入装置和视皮层神经组织之间无电流通路，从而避免了由刺激电流引起的视皮层神经组织对植入装置的排异反应，有助于延长视皮层植入式刺激装置的有效工作时间。

Claims (7)

1、一种利用微线圈对神经组织进行磁刺激的植入式装置，包括：微线圈、刺激电流发生装置、连接导线；其特征在于：所述微线圈植入神经组织内，其由1匝或多匝线状导电材料构成，该微线圈两端分别用于连接刺激电流发生装置的刺激电流输出端和刺激电流输入端；所述刺激电流发生装置用于输出能通过微线圈产生刺激磁场的刺激电流；所述连接导线是用于将刺激电流流入微线圈的导电材料，使刺激电流发生装置产生的刺激电流流经微线圈后回到电刺激信号发生装置，构成闭合电流回路。

2、根据权利要求1所述的植入式装置，其特征为：所述的刺激电流不会对神经组织直接产生刺激作用，而是通过微线圈产生的磁场对需要刺激的神经组织进行刺激，利用磁场在神经组织中产生的感应电流调控神经元的兴奋模式。

3、根据权利要求1或2所述的植入式装置，其特征为：所述微线圈形状为规则形状或非规则形状，微线圈的空间结构以及微线圈尺寸参数根据应用场合、加工工艺因素确定。

4、根据权利要求1所述的植入式装置，其特征为：所述刺激电流发生装置采用微控制器与功率放大电路相结合的方式，或现场可编程门阵列FPGA与功率放大电路相结合的方式，根据需要产生多通道电刺激信号。

5、根据权利要求1或4所述的植入式装置，其特征为：该装置还包括基座，通过在基座上安装一个或多个微线圈，每个微线圈在基座上有互相独立、相互绝缘的输入、输出电流通路，并分别与电刺激信号发生装置的各自独立的刺激电流输入端和刺激电流输出端相连，微线圈随着基座一起植入神经组织内，根据安装在基座上的多个微线圈安装位置不同，用以实现对深浅不同位置的神经组织的刺激。

6、根据权利要求5所述的植入式装置，其特征为：该装置还包括多个安装有一个或多个微线圈的基座，所述多个基座植入不同位置的神经组织中，用于实现对不同位置的神经组织的分别刺激。

7、一种利用权利要求1所述植入式装置置实现神经磁刺激的方法，其特征在于：

首先，将微线圈植入神经组织中，刺激电流发生装置输出的刺激电流在微线圈周围产生磁场，利用该磁场在微线圈周围神经组织中的感应电流调节微线圈周围的神经元电兴奋模式；

其次，刺激电流只在刺激电流发生装置和微线圈之间构成电流回路，刺激电流发生装置产生的刺激电流不会流经神经组织，神经组织的刺激是由微线圈产生的磁场实现的。