CN102058396B

CN102058396B - 手持式皮层电刺激器及皮层电刺激方法

Info

Publication number: CN102058396B
Application number: CN 201110031857
Authority: CN
Inventors: 白红民; 姜涛; 王伟民; 赵锦萌; 吴效明
Original assignee: South China University of Technology SCUT; General Hospital of Guangzhou Military Command
Current assignee: South China University of Technology SCUT; General Hospital of Guangzhou Military Command
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102058396A

Abstract

本发明公开了手持式皮层电刺激器及皮层电刺激方法。皮层电刺激器中，参数设置电路和参数显示电路与主控芯片连接，双极压控恒流源电路的控制端与主控芯片的数模转换输出端口相连，输出端连接刺激电极的一端；电流电压转换电路的输入端与刺激电极的另一端连接，电流电压转换电路的输出端与主控芯片的模数转换输入端连接；实际脉冲强度显示电路与主控芯片相连；双极电压产生电路的输入端与主控芯片的另一数模转换输出端口相连，输出端连接双极压控恒流源电路；所述方法通过将指定频率、脉宽、电流的双相脉冲刺激施加到皮层，本发明成本低，操作简单，不需要计算机辅助，皮层电刺激器的安全系数高，能提高功能区病变病人的术后生活质量。

Description

手持式皮层电刺激器及皮层电刺激方法

技术领域

本发明属于医疗电子器械领域，具体涉及术中脑功能定位的手持式皮层电刺激器。

背景技术

进入二十一世纪以来，关注神经外科手术后患者生存质量问题的研究逐渐增加，这是随着社会的进步，科学的发展和人们日益增加的对生活需求的结果。人们对生活质量的要求越来越高，不仅要求能生活自理，而且需要重返工作，达到身心健康。

大脑功能区病变，主要指位于运动、感觉和语言区的肿瘤，血管畸形和癫痫灶，其发病率，由世界卫生组织在我国组织的大规模的调查报告仅仅癫痫的患病率就有8‰，我国现有癫痫病人1000多万人，其中药物难治性癫痫占癫痫病人的30％左右，我国目前有300万的难治性癫痫病人需要手术治疗，这还不包括位于功能区的低级别胶质瘤，转移瘤，原发良性肿瘤，海绵状血管瘤和动静脉畸形等。大脑功能区病变不仅严重威胁人的生命，而且严重影响病人的生存和生活质量，而此类病人的手术治疗是神经外科临床工作的一个难题。传统手术不能完全分辨和掌握功能结构与病变的关系，极易在切除病灶时导致大脑功能结构损害，有人统计传统手术的永久性神经功能损害并发症为13-27％。另外，由于功能区病变手术容易出现严重并发症，也使得手术医生手术切除不积极，常常进行姑息性切除，如低级别胶质瘤的完全切除和次全切除率仅为43％。这样不仅使病变术后治疗变得困难，而且容易造成疾病的复发或症状难以控制，严重影响治疗预后。最大限度地切除病灶，同时尽可能地保护正常脑功能，关系到患者术后生存质量，越来越受到临床重视。而此类手术的关键就是如何术中准确实时“脑功能区”定位。

术中皮层/皮层下直接电刺激技术（Direct electrical stimulation, DES）是目前为止最准确可信的脑功能区定位方法，它可实时确定运动、感觉、语言甚至记忆等脑功能的必须部位，可对大脑、脑干、脊髓的皮质和皮质下进行术中功能区定位。1874年，美国神经外科医生Bartholow首先在病人脑部使用电极刺激，出现运动反应并记录下来。1931年，欧洲神经外科医生Macewen，Bennett和Horsley等逐渐在癫痫病人术中使用皮质直接电刺激定位癫痫灶和功能区皮质。随后，加拿大蒙特利尔神经病学研究所的Penfield将该项技术应用成熟，在此基础上建立了著名的“倒置小矮人”模型，此后直接电刺激技术在西方国家迅速推广，成为神经外科功能区手术的一项必备技术之一。主要用于功能区胶质瘤、癫痫灶和其他血管病变的手术治疗，用于术中实时脑功能区定位。

DES是一种安全可信的定位方法，组织学检查未发现刺激部位的炎症和其他损伤，病人随访也没有发现明显的并发症。但如果刺激方法不正确，很容易造成假阳性和假阴性结果，甚至造成病人癫痫持续状态，影响手术操作，进一步造成病人术后永久性神经功能障碍。因此，术中直接电刺激过程中采用正确的刺激方法和刺激参数显得格外重要。

目前国内尚无自主知识产权在临床上应用的手持式皮层和皮层下的直接电刺激器，国内专门用于皮层电刺激的仪器仅有德国Inomed生产的ORISIS皮层电刺激器，该仪器和使用刺激抬头价格均比较昂贵，需要计算机辅助才能调节参数。因此研发国内具有自主知识产权，经济，实用，便捷，安全性好的术中直接电刺激器，将有助于国内功能区手术新理念的推广，提高功能区病变病人的术后生活质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供手持式皮层电刺激器及皮层电刺激方法。本发明的手持式皮层电刺激器可用于功能区胶质瘤、癫痫灶和其他血管病变的手术治疗中脑功能区实时定位、能够产生参数可调（电流、脉冲宽度、频率等）恒流脉冲进行电刺激。操作者通过控制恒流脉冲参数精确控制脉冲强度，从而对不同对象产生不同强度的双相恒流脉冲，可应用于术中皮层和皮层下功能区实时定位。

手持式皮层电刺激器，包括刺激电极、参数设置电路、参数显示电路、双极压控恒流源电路、电流电压转换电路、实际脉冲强度显示电路、双极电压产生电路和主控芯片，参数设置电路和参数显示电路直接连接主控芯片，参数显示电路用于显示参数设置电路所设置的参数；双极压控恒流源电路的控制端与主控芯片的数模转换输出端口相连，输出端连接刺激电极的一端；电流电压转换电路的输入端与刺激电极的另一端连接，电流电压转换电路的输出端与主控芯片的模数转换输入端连接；实际脉冲强度显示电路与主控芯片相连，显示主控芯片发送过来的皮层实际电流；双极电压产生电路的输入端与主控芯片的另一数模转换输出端口相连，输出端连接双极压控恒流源电路，为其提供直流电压。

上述的手持式皮层电刺激器中，所述双极压控恒流源电路包括相互连接的恒定电流产生电路和驱动电路，恒定电流产生电路的输入端与主控芯片的数模转换输出端相连，驱动电路的输出端与刺激电极连接。

上述的手持式皮层电刺激器中，所述恒定电流产生电路为双相方波电流产生电路，受主控芯片直接控制，产生双相方波。

上述的手持式皮层电刺激器中，双极电压产生电路包括相互连接的双相电压产生电路和最高电压产生电路；最高电压产生电路将双相电压产生电路产生的电压降至所需要的最高电压，最高电压范围为20V-90V。

上述的手持式皮层电刺激器，还包括与主控芯片连接的声光报警电路，用于当实际皮层电流刺激时间超过设定值或实际皮层电流超出设定阈值时进行声光报警。

利用上述的手持式皮层电刺激器的皮层电刺激方法，将刺激电极与皮层接触，通过参数设置电路设置刺激电极的电流参数和最高电压，电流参数包括频率、脉冲宽度和幅值，主控芯片根据所设置的电流参数控制双极压控恒流源电路产生刺激电极的输出电流，主控芯片同时根据所设置的最高电压控制双极电压产生电路产生刺激电极的最高电压。

上述的皮层电刺激方法，所述电流频率为50~70Hz，脉冲宽度为0.1~2.5ms、幅值为0.1mA -15mA，所述最高电压为20~90V；刺激电极两端之间的皮层电阻为5K-6K欧姆。

上述的皮层电刺激方法，被刺激对象清醒状态下的所述电流幅值为2~4mA，被刺激对象在全麻状态下的所述电流为4-6mA。

上述的皮层电刺激方法，通过参数设置电路控制皮质刺激初始电流为1mA，并以0.1mA为间隔逐步递增或递减。

上述的皮层电刺激方法，主控芯片将实际流经皮层的电流通过实际脉冲强度显示电路显示。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1. 目前尚未有在临床上应用的皮层和皮层下手持式皮层电刺激器，专门用于皮层电刺激的仪器仅有德国Inomed生产的ORISIS皮层电刺激器，但仪器价格昂贵，需要计算机辅助才能调节参数。本发明为可在临床手术应用的手持式皮层直接电刺激器，成本低，操作简单，不需要计算机辅助，将有助于国内功能区手术新理念的推广，能提高功能区病变病人的术后生活质量。

2. 本发明所涉及的刺激方法已经过多年的临床实践，刺激方法的技术特点包括：①双极神经电刺激；②采用双相方波，正弦波会造成刺激过程细胞膜产生适应性调节，所需刺激电流增大，造成假阳性结果或诱发癫痫发作，双相波避免由于电流在细胞膜周围叠加、使局部脑脊液中粒子出现电离水解、产热而造成的神经细胞损伤；③刺激频率采用60Hz，刺激脉冲宽度为1ms，消除了刺激频率太块容易产热，刺激频率太慢易造成阴性刺激的缺点。

3. 操作流程简单，操作者只需通过皮层电刺激器上的设定按钮和参数显示与主控芯片交互，将双相恒流脉冲的电流、脉冲宽度、频率、最高电压等参数设定完毕后，皮层电刺激器即可产生符合操作者要求的双相恒流脉冲。

4. 本发明采用最高电压产生电路将人体与高压隔离、光电耦合器将高电压与数字电路隔离的方法，降低了皮层电刺激中假阳性的发生概率，提高了皮层电刺激器的安全系数。

附图说明

图1 为实施方式中刺激脉冲参数示意图。

图2 为实施方式中手持式皮层电刺激器总体结构框图。

图3为皮层电刺激器中双极压控恒流源电路的结构示意图。

图4为皮层电刺激器中最高电压产生电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方案和保护范围不限于此。

如图1 为刺激脉冲参数示意图，其中电流大小表示流经皮层的电流幅值，零上部分和零下部分幅值大小相等，脉冲宽度表示正负电流的持续时间，周期是连续两次出现相同刺激波形的时间，是刺激频率的倒数。

手持式皮层电刺激器的操作面板分为刺激提示区和参数设置区。刺激提示区的主要功能是显示实际流入生物体的电流大小、声光提醒操作者。声光提醒的开启和关闭按钮位于刺激提示器的中部，可以随时开启或关闭。参数显示位于参数设置区的左部，自上向下依次显示刺激电流、脉冲宽度、刺激频率、最大电压；参数调节按钮位于参数设置区的右部，共4行8个按钮，自上向下依次控制刺激电流、脉冲宽度、刺激频率、最大电压四个参数，每一行的左边按钮表示参数的上升，右边按钮表示参数的下降。

图2为手持式皮层电刺激器总体框图，包括刺激电极、参数设置电路、参数显示电路、双极压控恒流源电路、电流电压转换电路、实际脉冲强度显示电路、双极电压产生电路和主控芯片。参数设置电路和参数显示电路直接连接主控芯片，参数显示电路用于显示参数设置电路所设置的参数；双极压控恒流源电路的控制端与主控芯片的数模转换输出端口相连，输出端连接刺激电极的一端；电流电压转换电路的输入端与刺激电极的另一端连接，电流电压转换电路的输出端与主控芯片的模数转换输入端连接；实际脉冲强度显示电路与主控芯片相连，显示主控芯片发送过来的皮层实际电流；双极电压产生电路的输入端与主控芯片的另一数模转换输出端口相连，输出端连接双极压控恒流源电路，为其提供直流电压。以下再具体实施例对手持式皮层电刺激器的构成部分和参数设置作详细说明。

（1）参数设置电路和参数显示电路：双相脉冲的设置参数包括刺激电流、脉冲宽度、刺激频率、最大电压。参数设置按钮共有8个，分别控制不同参数，方便操作者操作。参数显示采用数码管显示方式，亮度高，显示大，驱动电路和软件控制简单。操作者打开皮层电刺激器的总开关以后，数码管显示的是默认的参数，即刺激频率为60Hz，脉冲宽度为2ms，电流为3mA，最大电压为20V。刺激频率的上下限为50Hz-70Hz，每次调节会使频率变化1Hz；脉冲宽度的上下限为0.1ms-2.5ms，每次调节会使脉冲宽度变化0.1ms；刺激电流的上下限为0.1mA -15mA，每次调节会使电流变化0.1mA；最大电压的上下限为20V-90V，每次调节会使最大电压变化5V。如果操作者想要修改脉冲参数，按下相应参数的上、下键即可进行操作。如按下刺激频率左边的上键，刺激频率会在当前设定频率的基础上上升1 Hz，按下下键，刺激频率会下降1 Hz，长按上键或者下键，刺激频率会按照每200ms上升或下降1 Hz的速率变化；按下脉冲宽度的上键，脉冲宽度会在当前设定脉冲宽度的基础上增大0.1ms，按下脉冲宽度的下键，脉冲宽度会减小0.1ms，长按上键或者下键，脉冲宽度会按照每200ms增大或减小0.1ms的速率变化；按下刺激电流的上键，刺激电流会在当前设定刺激电流的基础上增大0.1mA，按下刺激电流的下键，刺激电流会减小0.1mA，长按上键或者下键，刺激电流会按照每200ms增大或减小0.1mA的速率变化。

（2）实际脉冲强度显示电路和声光报警电路：实际通过皮层的电流显示在皮层电刺激器的面板上，提醒操作者注意，提高皮层电刺激器的安全性。声光报警电路采用蜂鸣器与LED双重提醒，当刺激探针接触到生物体组织并有电流通过时，蜂鸣器鸣笛，同时伴有灯光提示。当刺激持续时间达到4s时，蜂鸣器发出短促报警声，提示灯光闪烁，频率为2Hz。

（3）双极压控恒流源电路：图3为双极压控恒流源电路，双极压控恒流源电路由恒定电流产生电路和驱动电路构成，其中恒定电流产生电路由加法器电路、双相恒流源电路构成。恒定电流产生电路的输入端301接主控芯片的数模转换输出端口，输出端302接光电耦合器U1的输入端304和光电耦合器U2的输入端305，光电耦合器U1的另一输入端303和光电耦合器U2的另一输入端306接地，光电耦合器U1的输出端307接第一第一电阻R1的一端，光电耦合器U1的另一输出端308接光电耦合器U2的输出端309和刺激电极P1的一端，光电耦合器U2的另一输出端310接第三第三电阻R3的一端，第一电阻R1的另一端接+Vmax，第三电阻R3的另一端接-Vmax，刺激电极的另一端接精密电阻R2的一端，精密电阻的另一端接地。加法器电路的功能是将主控芯片输出的单极性脉冲转变为双极性脉冲，从而控制后面的双相恒流源电路。驱动电路主要解决压控恒流源的驱动能力有限，不能满足皮层负载的要求的问题。皮层负载阻值一般在5K-6K，光电耦合器在此范围内电流变化不到0.05mA，能够满足技术要求。驱动电路结构简单，可靠性强，并将电路的高压部分与低压部分隔离，防止高压对数字电路产生破坏性影响，输出电流只是取决于主控芯片的数模转换输出端口。

（4）最高电压产生电路：图4为最高电压产生电路，最高电压产生电路采用脉冲宽度调制方式，包括脉冲宽度调制电路401和电压产生电路402。脉冲宽度调制电路401的输入端404接主控芯片的数模转换输出端口，正反馈输入端403（+Feedback）接电压产生电路402的输出端412，负反馈输入端405（-Feedback）接电压产生电路402的输出端415，输出端406和输出端407分别连接电压产生电路402的输入端409和410，电压产生电路402的输入端（408、409）接电压产生电路产生的+110V和-110V电压，电压产生电路402的输出端（413、414）为产生的正负最高电压。用到的芯片包括TL494（脉冲宽度调制器）、TL521（光电耦合器）、LM358（运算放大器），三极管包括MPSA92和MPSA42。TL494通过控制脉冲宽度精确控制最大电压。其中LM358的作用是将得到的负反馈电压转变正电压，提供给TL494。为了得到双相电源，电路采用双变压器隔离。110V电压采用HIP5600芯片产生，HIP5600为三端可调稳压器，稳压范围为50V-400V。HIP5600的低压端与另一HIP5600的高压端共同接到模拟地，从而产生了正负110V的高压。最大电压产生电路的工作过程如下：

主控芯片的控制信号到TL494的电压比较器的反相输入端与正相输入端电压进行比较从而产生一定的脉冲，此脉冲输入到TL521控制其开关状态，从而控制与TL521相连的三极管状态，进而控制电容的充电状态。电压输出端通过电阻变压后反馈到TL494电压比较输入端的正相输入端。当正反相输入端的电压相等时，输出脉冲宽度停止变化，此时的输出脉冲保持不变。

（5）电源电路：主要功能是为皮层电刺激器的各个芯片提供电源支持。变压器将市电转换成所需要的交流电压，整流后通过L7805、L7905三端稳压器转换成正负5V电压，为除主控芯片以外的芯片供电。+5V电压通过LM1117-3.3转换成+3.3V电压后为主控芯片供电。

操作者通过手持式皮层电刺激器的参数设置电路和参数显示电路与主控芯片交互，将双相恒流脉冲的电流、脉冲宽度、频率、最高电压等参数设定完毕后，主控芯片通过控制双极压控恒流源电路产生符合操作者要求的双相恒流脉冲。本发明通过将指定频率、脉宽、电流的双相脉冲刺激施加到皮层，使人体产生特定的生理、病理反应，主要用于功能区胶质瘤、癫痫灶和其他血管病变的手术治疗中脑功能区实时定位，是重要的手术器械。

Claims

1.手持式皮层电刺激器，包括刺激电极，其特征在于还包括参数设置电路、参数显示电路、双极压控恒流源电路、电流电压转换电路、实际脉冲强度显示电路、双极电压产生电路和主控芯片，参数设置电路和参数显示电路与主控芯片连接，参数显示电路用于显示参数设置电路所设置的参数；双极压控恒流源电路的控制端与主控芯片的第一数模转换输出端口相连，双极压控恒流源电路的输出端连接刺激电极的一端；电流电压转换电路的输入端与刺激电极的另一端连接，电流电压转换电路的输出端与主控芯片的模数转换输入端连接；实际脉冲强度显示电路与主控芯片相连，显示主控芯片发送过来的皮层实际电流；双极电压产生电路的输入端与主控芯片的第二数模转换输出端口相连，输出端连接双极压控恒流源电路。

2.根据权利要求1所述的手持式皮层电刺激器，其特征在于所述双极压控恒流源电路包括相互连接的恒定电流产生电路和驱动电路，恒定电流产生电路的输入端与主控芯片的第一数模转换输出端口相连，驱动电路的输出端与刺激电极的所述一端连接。

3.根据权利要求2所述的手持式皮层电刺激器，其特征在于所述恒定电流产生电路为双相方波电流产生电路。

4.根据权利要求1所述的手持式皮层电刺激器，其特征在于双极电压产生电路包括相互连接的双相电压产生电路和最高电压产生电路；所述最高电压产生电路将双相电压产生电路产生的电压降至所需要的最高电压，最高电压范围为20V-90V。

5.根据权利要求1~4任一项所述的手持式皮层电刺激器，其特征在于还包括与主控芯片连接的声光报警电路，用于当皮层实际电流刺激时间超过设定值或皮层实际电流超出设定阈值时进行声光报警。