CN101904776A - 一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定方法及装置，该装置由调压板、调压螺钉、立体定位架组成。调压板实现微电极阵列芯片与骨窗内硬脑膜之间的接口，通过调压螺钉可精细调节微电极阵列芯片与所植入的硬脑膜区域的压力，通过立体定位架的横梁调节支架及转接口的水平距离，以提高神经电刺激信号在硬脑膜等神经组织的有效传递、记录信号的有效性。该装置能有效地固定硬脑膜外电刺激视皮层假体，并且有效调节微电极阵列芯片与硬脑膜之间的压力，从而确保微电极阵列芯片刺激信号与记录电压信号的准确性、真实性及稳定性。

Description

一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种皮层神经假体的调压固定技术。

背景技术

神经功能受损会给病人带来巨大痛苦，目前很难利用生物学方法治愈绝大部分的神经系统损伤。随着微电子技术和神经生物学相关领域技术的迅猛发展，产生了一个崭新的跨学科研究领域，即利用神经通路受损后存活神经元的功能，通过植入电极、功能集成电路以完成生物信息获取、处理和再生激励的功能，从而达到神经系统功能修复与重建的目的。神经功能修复的最终目标是研制出神经微电极与功能恢复集成电路完全集成或混合集成的、可植入人体内的系统芯片，以实现神经功能的修复。

从神经功能信息传导通路的角度看，神经功能修复可以在感受器、传入神经、神经中枢、传出神经及效应器等层次展开。大脑皮层是最高级的神经中枢，是神经修复效果最好的神经假体方法。皮层电刺激方法，根据刺激电极植入的位置，第一种是硬脑膜外电刺激(Epidural Microstimulation，EMS)，将电极阵列植入到硬脑膜外，损伤较小，第二种是皮层下电刺激假体(Intracortical Microstimulation，ICMS)，将电极阵列插入皮层内进行刺激，损伤较大。由于硬脑膜外电刺激(Epidural Microstimulation，EMS)损伤较小，近年来EMS在皮层神经假体的研究报道较多。硬脑膜外皮层假体技术具有优势：一是微创性。开颅手术对脑造成微创伤。二是脑组织保持完整。由于微电极、功能集成电路植入的位置是硬脑膜外，所以使脑组织得以保持完整。三是感染风险小。由于微电极、功能集成电路植入的位置在硬脑膜外，因此不存在脑脊液泄露引起的感染。

硬脑膜外电刺激视皮层的视觉修复的基本原理是：主要是将微电极、功能集成电路植入人体硬脑膜的特定区域，通过对该特定区域正下方的视皮层进行电刺激来激活视皮层靶区域的神经元，使原先由于病理原因导致阻断的神经通路再次激活，从而修复视皮层靶区域对应的神经功能。

在硬脑膜外电刺激视皮层假体方面，国内的专利比较少。(200710078520.4)提出一种视皮层刺激装置及刺激方法。

申请者经长期的研究发现，植入电极芯片与所植入硬脑膜的连接不牢固，植入电极芯片所受到的机械牵拉会影响记录/刺激电信号。因此，已有皮层神经假体接口的有效工作时间有很大的局限性，电极芯片所植入的位置，在动物颅顶上所开出的骨窗内，电极芯片与骨窗内硬脑膜紧密接触，这些特性为设计新的皮层神经假体固定方法提供了可能，从而提高皮层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，提出一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定装置及方法，以使微电极阵列芯片与骨窗内硬脑膜之间的压力可调，避免机械压力对硬脑膜的异常刺激，减小电极芯片对硬脑膜组织的机械伤害，提高电极芯片记录信号的真实性、准确性，增强皮层神经假体电极芯片工作的长效性。

本发明的技术方案如下：

一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的固定装置，所述装置由微电极阵列芯片、琼脂盖片、调压板和立体定位架组成；所述微电极阵列芯片放置于骨窗内，琼脂盖片通过调压板压在微电极阵列芯片上，调压板的两端通过螺钉固定在骨窗的外侧颅骨上，中央设置调节螺钉，调节螺钉压在调压板上，通过调节螺钉的螺距来实现对微电极阵列芯片的压力调节。

微电极阵列芯片通过引线与转接口的一端相连，外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪经引线与转接口的另一端相连。引线靠近转接口的一段固定在支架的顶端。

立体定位架由调节支架，横梁和主架构成，主架通过横梁连接调节支架上端，调节支架与横梁之间采用可滑动连接，使调节支架沿横梁水平滑动，由于转接口固定在调节支架的下端，可调节转接口的空间位置，从而调节微电极阵列芯片的引线应力，通过调节微电极阵列芯片与骨窗内硬脑膜的紧密接触程度，从而提高电信号在微电极阵列芯片与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪之间的准确传递。

本发明同时提出一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定方法，所述方法是采用由微电极阵列芯片、琼脂盖片、调压板和立体定位架组成的调压固定装置，将微电极阵列芯片植入骨窗内，将微电极阵列芯片由琼脂盖片通过调压板压紧在骨窗内，调压板通过螺钉固定在骨窗的外侧颅骨上，并通过调节螺钉压在琼脂盖片上，通过调节平底螺钉的螺距来实现对微电极阵列芯片的压力调节；所述微电极阵列芯片实现和视皮层上方硬脑膜组织接口，其刺激电信号由外界神经电刺激信号发生器发出，经引线、转接口输入给微电极阵列芯片，再经微电极阵列芯片传导到视皮层上方的硬脑膜组织，通过脑脊液传导，最终传递到视皮层神经元，以产生需要的神经兴奋。为检测神经电刺激效果，所述微电极阵列芯片实现和视皮层上方硬脑膜组织接口，被刺激视皮层的神经兴奋信号，通过脑脊液传导，传递到视皮层上方的硬脑膜组织，再经微电极阵列芯片采集到，经引线、转接口(8)输入为多通道生理信号记录仪上，供后续分析。

本发明与现有技术相比，具有以下的技术效果：

该装置和方法将微电极阵列芯片用琼脂压住、塑形，并在微电极阵列芯片2所在骨窗的颅骨边缘上，采用调压装置调节微电极阵列芯片与骨窗内硬脑膜之间的压力，能有效地固定硬脑膜外电刺激皮层假体，并且有效调节微电极阵列芯片与硬脑膜之间的压力，从而确保微电极阵列芯片刺激信号与记录电压信号的准确性、真实性及稳定性。并能避免机械压力对硬脑膜的异常刺激，减小微电极阵列芯片对硬脑膜组织的机械伤害。通过立体定位架调节转接口的空间位置，降低微电极阵列的引线应力，调节微电极阵列芯片与骨窗内硬脑膜的紧密接触程度，从而提高电信号在微电极阵列芯片2与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪之间的准确传递

附图说明

图1硬脑膜外电刺激视皮层假体调压固定装置的使用状态示意图

图2硬脑膜外电刺激视皮层假体调压固定装置的调压部分的工作示意图

图3硬脑膜外电刺激视皮层假体的调压板结构示意图

图4立体定位架的结构示意图

具体实施方式

如图1和图2所示，硬脑膜外电刺激皮层神经假体的调压固定装置由微电极阵列芯片2、琼脂盖片3、调压板4和立体定位架组成。图中1为视皮层区域的骨窗外侧颅骨、5为视皮层区域的颅骨下硬脑膜层，6为视皮层区域硬脑膜下方的脑脊液层，7为视皮层区域的软脑膜及皮层，8为转接口，转接口8的一端经引线12与微电极阵列芯片2相连，转接口的另一端经引线12与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪相连。微电极阵列芯片2用于实现和视皮层上方硬脑膜组织接口，一方面可以将刺激电信号传导到视皮层上方的硬脑膜组织，通过脑脊液传导，最终传递到视皮层神经元，以产生需要的神经兴奋，另一方面，微电极阵列芯片2也可采集经视皮层产生后经脑脊液传导传递到视皮层上方硬脑膜的视皮层神经兴奋信号，经转接口8和引线13输入为多通道生理信号记录仪上，供后续分析。骨窗外侧颅骨1用于调压板4两侧四颗小尺寸螺钉13的固定。琼脂盖片3是微电极阵列芯片2的基底层，所有外界机械应力等接触先通过琼脂盖片3才能传递到微电极阵列芯片2，琼脂盖片3起到保护微电极阵列芯片2的作用。调压板4通过两侧共四颗小尺寸螺钉13固定在骨窗的外侧颅骨上，中央大尺寸平底螺钉作为调节螺钉14，通过调节螺距来实现对微电极阵列芯片2的压力调节。

本装置设计了立体定位架，其由调节支架9、横梁10和主架11构成。引线12靠近转接口8的一段固定在支架9的顶端。调节支架9和横梁10之间可以滑动，从而调节转接口8空间位置，通过调节微电极阵列芯片的引线12应力，从而调节微电极阵列芯片2与骨窗内硬脑膜的紧密接触程度，最终提高电信号在微电极阵列芯片2与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪之间的准确传递。经过植入骨窗内的微电极阵列芯片2，将电刺信号传递给骨窗内暴露的硬脑膜5组织，经过该硬脑膜区域下方的脑脊液的传递，外界电刺激神经信号最终传递到软脑膜及皮层7组织上，从而使靶区域的皮层组织兴奋，以达到修复特定神经功能的目的。

参见图3，本发明的调压板实现微电极阵列芯片2与骨窗内硬脑膜之间的接口，精细调节微电极阵列芯片2与所植入的硬脑膜区域的压力，以提高神经电刺激信号对硬脑膜等神经组织的有效性。调压板采用铝材，中央为一个大尺寸螺口，两端分别有两个线性排列的小尺寸螺口。两端的螺口，采用小尺寸螺钉13旋进去，使调压装置固定在颅骨上。调压板4中央的螺口，采用大尺寸平底螺钉14旋进去，螺钉末端与调压装置下方骨窗内植入电极阵列上端的固态琼脂13接触，通过旋转大尺寸螺钉精细调节调压板4与微电极阵列芯片2的距离，从而调节植入电极阵列与硬脑膜的精确压力。

利用上述的视皮层神经固定装置实现视皮层神经刺激的方法如下：

首先，以液态琼脂为原材料，覆盖在微电极阵列芯片的导电电极阵列的背面，厚度5mm，待琼脂凝固后，用刀片沿着微电极阵列芯片的外形切出矩形体的琼脂盖片。

然后，剪开动物头部皮肤，暴露颅骨，准确定位微电极阵列芯片植入的位置，后沿此区域开出骨窗，此区域即为芯片植入区域，待硬脑膜完全暴露后。

再次，将调压板放置在骨窗位置，在骨窗外侧颅骨上用铅笔画出调压板上b、c、d、e四颗螺钉的位置，使用骨钻在颅骨上打出四个螺纹。将微电极阵列芯片的电极导电一侧平整放置在骨窗内硬脑膜上，将微电极阵列芯片的焊盘引线端放置在骨窗的外侧颅骨上。将b、c、d、e四颗螺钉旋进骨窗外侧颅骨的对应螺纹里，从而将调压板固定在骨窗位置。通过调节调压板中央的平底螺钉a，保证芯片稳定放置于硬脑膜与调压板之间。通过立体定位架调节转接口8的空间位置，经调节微电极阵列芯片引线12的应力，从而调节微电极阵列芯片2与骨窗内硬脑膜的紧密接触程度，最终提高电信号在微电极阵列芯片2与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪之间的准确传递。

Claims (2)

1.一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定装置，所述装置由微电极阵列芯片(2)、琼脂盖片(3)、调压板(4)和立体定位架组成；其特征在于：所述微电极阵列芯片(2)放置于骨窗内，琼脂盖片(3)通过调压板(4)压在微电极阵列芯片(2)上，调压板(4)的两端通过螺钉固定在骨窗的外侧颅骨上，中央设置调节螺钉(14)，调节螺钉(14)压在调压板(4)上，通过调节螺钉的螺距来实现对微电极阵列芯片(2)的压力调节；所述微电极阵列芯片(2)经引线(12)通过转接口(8)与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪连接；

所述立体定位架由调节支架(9)、横梁(10)和主架(11)构成，主架(11)通过横梁(10)连接调节支架(9)上端，转接口(8)固定在调节支架(9)的下端；调节支架(9)与横梁(10)之间采用可滑动连接，使调节支架(9)沿横梁(10)水平滑动，由此通过调节支架(9)调节转接口(8)的空间位置，从而调节微电极阵列芯片(2)的引线(12)应力，调节微电极阵列芯片(2)与骨窗内硬脑膜的紧密接触程度，提高电信号在微电极阵列芯片(2)与外界神经电刺激信号发生器/多通道生理信号记录仪之间的准确传递。

2.一种硬脑膜外电刺激视皮层神经假体的调压固定方法，所述方法是采用由微电极阵列芯片(2)、琼脂盖片(3)、调压板(4)和立体定位架组成的调压固定装置，将微电极阵列芯片(2)植入骨窗内，将微电极阵列芯片(2)由琼脂盖片(3)通过调压板(4)压紧在骨窗内，调压板(4)通过螺钉固定在骨窗的外侧颅骨上，并通过调节螺钉(14)压在琼脂盖片(3)上，通过调节螺钉的螺距来实现对微电极阵列芯片(2)的压力调节；所述微电极阵列芯片(2)实现和视皮层上方硬脑膜组织接口，一方面，其刺激电信号由外界神经电刺激信号发生器发出，经转接口(8)和引线(12)输入给微电极阵列芯片(2)，再经微电极阵列芯片(2)传导到视皮层上方的硬脑膜组织，通过脑脊液传导，最终传递到视皮层神经元，以产生需要的神经兴奋；另一方面，也可用于采集视皮层的神经兴奋信号，通过脑脊液传导，传递到视皮层上方的硬脑膜组织，再经微电极阵列芯片(2)采集到，经转接口(8)和引线(13)输入为多通道生理信号记录仪上，供后续分析。

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