CN101306225B

CN101306225B - 用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统

Info

Publication number: CN101306225B
Application number: CN2007100187111A
Authority: CN
Inventors: 曹军; 李辉; 杨斌; 陆斌; 涂晓丽; 邵时云
Original assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Current assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Priority date: 2007-09-30
Filing date: 2007-09-30
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2027-09-30
Also published as: CN101306225A

Abstract

本发明涉及医学神经功能恢复领域，特别是用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，它包括电极和控制电路，其特征是：所述的电极包括一个硅胶套管和固定在硅胶套两端的两个圆形电极，两个圆形电极分别有电极引出线，电极植入到负责支配眼轮匝肌的面神经分支周围，电极引出线沿硅胶套管轴向引出并穿过皮下滞留于身体的隐蔽处与神经电刺激控制装置相连，神经电刺激控制装置将刺激波信号输入到电极。这种用于闭眼功能恢复的植入式神经电极及控制系统，它能使肌肉产生随意、正常的各种功能运动，以防止面神经功能损伤后会引起相应的肌肉瘫痪。

Description

用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统

技术领域

本发明涉及医学神经功能恢复领域，特别是用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，以功能性电刺激方法恢复面瘫后患者闭眼功能。

背景技术

神经系统是一个高度复杂的信息处理和运动控制系统，人的生命活动是完全依靠神经系统的正常调节与控制来完成的，神经系统中的任何一个环节发生了问题，人的生命活动都会发生障碍甚至死亡。功能性神经肌肉刺激(Functional Neuromuscular Stimulation，FNS)或功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)技术所要解决的问题正是复杂的神经系统中有待解决的许多问题中的一个。在中风、脑伤、肿瘤或脊髓损伤中，神经系统中的高位运动神经元的传导会被阻滞，因此高级中枢神经所传出的对肌肉运动的调节与控制信息就不能到达效应器官，这样正常生理运动所需要的肌肉的协调收缩就不可能实现，给正常生命活动带来了障碍，严重时会导致死亡。但是，在这种高位运动神经元的损伤中，处于外周的运动神经元及其支配的肌肉群往往是完好无损的，它们之所以不能正常工作，是因为中枢神经不能下达正确的控制信息，如果这时能够用电刺激的方法使外周神经或肌肉兴奋，那么他们同样能收缩并完成一定的功能，这就是功能性神经肌肉刺激的基本思想。

面神经总干及各分支干的断裂缺损可导致面神经功能的永久性丧失，一般为单侧性的，常见原因有外伤时面神经干被切断、腮腺肿瘤侵犯面神经干需将受累面神经一并切除以及医源性的手术损伤等。面神经功能损伤后会引起相应的肌肉瘫痪，俗称面瘫，表现为口眼歪斜、额纹消失、眼不能闭合、口角及人中沟偏向健侧、鼓腮漏气、闭合不严、口涎外溢等，给患者身心带来难以忍受的痛苦。如果这种面神经缺损较大、张力过大不能直接缝合时，目前医学尚无有效的治疗方法以恢复损伤的面神经功能、解除面瘫症状，患者就会出现永久性面瘫，其原因在于神经的再生问题还是一个世界性的尚未攻克的难题，正如脊髓及其它高位神经元损伤造成的四肢肌肉功能瘫痪一样，尽管人们在不断探索、尝试神经移植、诱导神经再生等治疗措施，但目前仍无法全面地恢复损伤神经的功能，使肌肉产生随意、正常的各种功能运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，它能使肌肉产生随意、正常的各种功能运动，以防止面神经功能损伤后会引起相应的肌肉瘫痪。

本发明的目的是这样实现的，用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，它至少包括电极和控制电路，其特征是：所述的电极包括一个硅胶套管和固定在硅胶套两端的两个圆形电极，两个圆形电极分别有电极引出线，电极植入到负责支配眼轮匝肌的面神经分支周围，电极引出线沿硅胶套管轴向引出并穿过皮下滞留于身体的隐蔽处与神经电刺激控制装置相连，神经电刺激控制装置将刺激波信号输入到电极。

所述的刺激波信号为正负脉冲信号。

所述的正负脉冲信号中的正负电荷积累相等。

所述的神经电刺激控制装置，至少包括信号产生电路、正负脉冲输出电路，信号产生电路与正负脉冲输出电路电连接；正负脉冲输出电路将刺激波信号输入到植入式神经电极；刺激波信号作用于神经，激发神经产生效应信号，神经效应信号传导于眼轮匝肌，使其收缩产生闭眼动作。

所述的信号产生电路通过接口连接控制单元，信号产生电路接收控制单元的刺激脉冲的参数信息。

所述的刺激脉冲的参数信息是正脉冲的宽度τ_p和负脉冲的宽度τ_n，正脉冲的幅度I_p和负脉冲的幅度I_n，正负脉冲间隔τ_D，刺激脉冲频率。

所述的刺激脉冲频率在0.1Hz～100Hz。

所述的信号产生电路包括单片机、D\A转换电路，单片机的I/O口与D\A转换电路的数据线和控制线电连接；D\A转换电路的模拟输出信号端与上述的正负脉冲输出电路电连接。

所述的信号产生电路是带D\A转换电路的单片机，单片机的模拟输出信号端与上述的正负脉冲输出电路电连接。

本发明的优点是：将电刺激信号作用于支配眼轮匝肌的面神经分支，使其产生兴奋信号，然后通过神经将这种神经兴奋信号传输、作用于眼轮匝肌，使眼轮匝肌产生收缩、发生眼睑闭合动作。为了克服刺激脉冲由单一频率或对称强度产生神经麻痹，刺激脉冲的正负脉冲的宽度τ_p和τ_n，幅度I_p和I_n，正负脉冲间隔τ_D可通过控制单元随时修改。使其兴奋频率点始终处于非适应状态。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是本发明使用状态图；

图3是刺激脉冲信号波形图；

图4是神经电刺激控制装置电路图；

图5是信号产生电路原理图；

图6是正负双向脉冲输出电路原理图。

图中，1、硅胶套管；2、植入式神经电极；3、引线；4、神经电刺激控制装置；5、信号产生电路；6、正负脉冲输出电路；7、控制单元；8、神经；9、眼轮匝肌。

具体实施方式

如图1所示，植入式神经电极2是在硅胶套管1沿管径方向固定两个圆形电极，两个圆形电极分别通过固定引线3沿硅胶套管轴向引出与神经电刺激控制装置4电连接。两个圆形电极一个作为正极性电极，另一个为负极性电极。这种电极能将电刺激直接作用在外周神经周围，因而降低了引起动作电位所需的刺激强度，从而使得电化学过程所附带的损伤危险最小化，并且减小了刺激系统所需的能量消耗。另外，Cuff电极固定较为稳定，可以有效地防止肌肉运动时引起的电极断线和移动等问题，适合作为永久性的埋入电极长期使用。

如图2所示，植入式神经电极2电极植入到负责支配眼轮匝肌的面神经分支周围，植入式神经电极2的导线穿过皮下滞留于身体的隐蔽处，通过神经电刺激控制装置4将刺激波信号输入到植入式神经电极2。电刺激信号作用于神经8，激发神经产生效应信号，神经效应信号传导于眼轮匝肌9，使其收缩产生闭眼动作。

图3是神经电刺激控制装置4电路框图，包括信号产生电路5、正负脉冲输出电路6和控制单元7。控制单元7通过接口与产生电路5电连接，由控制单元7向信号产生电路5输入刺激脉冲的参数信息，如正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n、正脉冲幅度I_p和负脉冲幅度I_n、周期脉冲间隔τ_D，信号产生电路5产生上述参数的信号由正负脉冲输出电路6将刺激波信号输入到植入式神经电极2。

信号产生电路5和控制单元7也可以是一体的，这时信号产生电路5带有设定电路和显示电路，设定电路和显示电路用于输入正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n、正脉冲幅度I_p和负脉冲幅度I_n、周期脉冲间隔τ_D。

实施例电路中的正负脉冲输出电路6是将信号产生电路5提供的电压信号变成需要的恒流电压信号。由于眼轮匝肌的阻抗随人体的差异有所变化，因此，正负脉冲输出电路6的输出电流是恒流输出的，这样就不会由于眼轮匝肌的阻抗随人体的差异有所变化而电流变化。当需要调整参数时，重新通过控制单元7或设定电路和显示电路进行参数设定。

图4给出的是刺激脉冲信号的波形示意图，正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n，正脉冲幅度I_p和负脉冲幅度I_n，正负脉冲间隔τ_D，刺激脉冲频率中的每一个参数都是可以调节的。为了适应人体对电刺激脉冲信号的作用有效，刺激脉冲频率在0.1Hz～100Hz之间。这就决定了正脉冲宽度τ_p、负脉冲宽度τ_n和正负脉冲间隔τ_D只能在0.1Hz～100Hz选取参数。参数的选取要保证正负双向脉冲电荷平衡，使组织损伤尽量减小。关于这一点，正负双向脉冲电荷平衡从波形上讲是要求正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n的积分值相等。对正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n相同情况下，正负双向脉冲电荷是平衡的；在正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n不相同时(输入的参数不同)，要求正脉冲宽度τ_p宽，负脉冲宽度幅度则大，反之，正脉冲宽度τ_p小，负脉冲宽度幅度则小，也就是上述要求的正脉冲宽度τ_p和负脉冲宽度τ_n的积分值相等。

图5给出了一种信号产生电路5的实施电路图，包括单片机AT89C51、D\A转换器ADC0832和两个运算放大器，由D\A转换器ADC0832和两个运算放大器组成的D\A输出电路是一种经常使用的电路，在这里不作祥细的电路部件描述和连接说明。AT89C51的I/O口与ADC0832的数据线和控制线电连接；D\A转换电路的模拟输出信号经D\A输出电路后与正负脉冲输出电路6电连接。电路采用9V的镍氢电池供电，单片机AT89C51通过串口光电隔离器RS232-I来隔离控制单元7中RS232接口的地线回路，提高抗干扰能力。

工作时单片机AT89C51通过串口光电隔离器RS232-I来接收控制单元7输入的参数，再由单片机AT89C51通过ADC0832产生刺激电压脉冲，最后通过正负脉冲输出电路6转化为恒定的电流脉冲。当DAC的输入为0～127之间时输出正脉冲，而当DAC输入为129～255之间时输出负脉冲，当DAC输入为128时，输出零。采取该电路结构，DAC的输出分辨率7bit。

对于本发明信号产生电路5也可采用其它的电路形式，如单片机本身带D\A转换电路，如TI的MSP430单片机。MSP430单片机有在其内集成了高精度A/D转换电路和D/A转换电路，采用MSP430单片机会使电路结构更加简单、可靠。同时方便的在其内加入键盘电路和显示电路就能实现参数的输入，可省去控制单元7。关于后一种形式的电路在TI的网站下载资料将会有详细说明，在这里也不做过多描述。

图5中的正负脉冲输出电路由图6进行放大给出。如图6所示正负脉冲输出电路包括两个运算放大器、8个三极管构成镜像的正负脉冲输出电路，电路中的正脉部输出电路是：一个运算放大器U1的输出端与其中一个NPN三极管Q1的基极电连接，运算放大器U1的负输入端与三极管Q1的发射极电连接，它们的连接点通过电阻R6接地；三极管Q1的集电极与一个PNP三极管Q2集电极电连接，连接点与NPN三极管Q7基极电连接；所述的三极管Q2发射极通过电阻R8与电源电连接，三极管Q2的基极同时与PNP三极管Q3的基极和集电极，与三极管Q7的发射极电连接，三极管Q7的集电极与负脉部输出电路的其中的一个PNP三极管Q8集电极电连接，供同提供正负脉冲输出信号；所述的负脉部输出电路是：另一个运算放大器U2的输出端与其中一个PNP三极管Q4的基极电连接，运算放大器U2的负输入端与三极管Q4的发射极电连接，它们的连接点通过电阻R7接地；三极管Q4的集电极与一个NPN三极管Q5集电极电连接，连接点与NPN三极管Q8基极电连接；所述的三极管Q5发射极通过电阻R8与负电源电连接，三极管Q5的基极同时与NPN三极管Q6的基极与集电极，与三极管Q8的发射极电连接，三极管Q8的集电极与正脉部输出电路的三极管Q7集电极电连接，所述的三极管Q6通过电阻R11与负电源电连接。

Claims

1.用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，它至少包括电极和控制电路，其特征是：所述的电极包括一个硅胶套管和固定在硅胶套两端的两个圆形电极，两个圆形电极分别有电极引出线，电极植入到负责支配眼轮匝肌的面神经分支周围，电极引出线沿硅胶套管轴向引出并穿过皮下滞留于身体的隐蔽处与神经电刺激控制装置相连，神经电刺激控制装置将刺激波信号输入到电极；神经电刺激控制装置，至少包括信号产生电路、正负脉冲输出电路，信号产生电路与正负脉冲输出电路电连接；正负脉冲输出电路将刺激波信号输入到植入式神经电极；刺激波信号作用于神经，激发神经产生效应信号，神经效应信号传导于眼轮匝肌，使其收缩产生闭眼动作。

2.根据权利要求1所述的用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，其特征是：所述的刺激波信号为正负脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，其特征是：所述的正负脉冲信号中的正负电荷积累相等。

4.根据权利要求5所述的用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，其特征是：所述的刺激脉冲的参数信息是正脉冲的宽度τ_p和负脉冲的宽度τ_n，正脉冲的幅度I_p和负脉冲的幅度I_n，正负脉冲间隔τ_D，刺激脉冲频率。

5.根据权利要求6所述的用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，其特征是：所述的刺激脉冲频率在0.1Hz～100Hz。

6.根据权利要求4所述的用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，其特征是：所述的信号产生电路包括单片机、D\A转换电路，单片机的I/O口与D\A转换电路的数据线和控制线电连接；D\A转换电路的模拟输出信号端与上述的正负脉冲输出电路电连接。

7.根据权利要求4所述的用于闭眼功能恢复的植入式神经电极控制系统，其特征是：所述的信号产生电路是带D\A转换电路的单片机，单片机的模拟输出信号端与上述的正负脉冲输出电路电连接。