CN102215905A - 可植入医疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可植入医疗系统，在可植入医疗系统中包含可植入设备以及具有远端和近端的探针，该可植入设备包括可操作地连接到适于生成电脉冲的电组件的电源。该远端具有适于与目标组织电接触的一个或多个电极和用于将所述一个或多个电极连接到可植入设备的线缆。所述线缆将电脉冲从可植入设备传导到所述一个或多个电极并且传导到目标组织中。该探针具有至少一个电容器和用于将所述至少一个电容器连接到可植入设备中的电组件以使得所述至少一个电容器形成可植入设备的电组件的一部分的线缆。

Description

可植入医疗系统

背景技术

本发明涉及可植入医疗系统且涉及适于连接到该可植入医疗系统中所包括的可植入设备的探针。

背景技术

深度脑刺激（DBS）用于治疗多种失能神经症状，例如帕金森病（PD）症状，比如震颤、僵硬、僵直、移动缓慢和行走问题。该过程也用于治疗特发性震颤(这是一种常见的神经运动障碍)。

在DBS中，将细长的探针（8-10cm长）穿过头骨顶部的钻孔深深植入脑部内。探针的远端包含电极并且被定位在目标脑部内。这些电极通过电缆连接到具有电组件和电池的可植入设备。该可植入设备包含电容器，该电容器可能是电池电压到生成电脉冲所需的可编程更低或更高电压的电容性电压转换所需要的。一旦探针和可植入设备处于适当位置，从可植入设备发送电脉冲到电极从而进入目标脑组织。这些电流脉冲干扰目标脑组织的神经活动，这导致震颤和PD症状减少或者甚至消除。

当前的DBS系统和其他类似系统（比如心脏起搏器系统）的问题在于，所述电组件包含各种庞大的电容器以用于例如（a.o.）电压变换、电平移位、电荷平衡和频率调谐。在DBS系统的情况下，可植入设备包含电组件和电池。可植入设备中的电容器耗费该可植入设备中的宝贵空间，这实际上减少了（可再充电的）电池的尺寸和/或DBS刺激器的可用功能。

发明内容

本发明的目的是通过使得可植入医疗系统尤其更加紧凑且用户友好来改进现有技术的可植入医疗系统。

根据第一方面，本发明涉及一种可植入医疗系统，包括：

可植入设备，其包括可操作以连接到适于生成电脉冲的电组件的电源，以及

探针，其具有远端和近端，该远端包括适于与目标组织电接触的一个或多个电极和用于将一个或多个电极连接到可植入设备的线缆，其中这些线缆从可植入设备传导电脉冲到一个或多个电极并且进入目标组织，

其中该探针包括至少一个电容器和线缆，该线缆用于将该至少一个电容器连接到可植入设备中所包括的电组件以使得所述至少一个电容器形成可植入设备的电组件的一部分。

因此，执行可植入设备的各种功能所需要的一些或所有电容器从可植入设备移动到探针中。这意味着在可植入设备中有更多的空间可用于其他目的，或者可植入设备可被制造得更小。

而且，可植入医疗系统的电池寿命可以增加，这是因为通过将电容器从可植入设备移出并且移入探针中，可植入设备中会有更多的空间可用于增加电池的尺寸。而且，假设设备的充电与能耗之间的时间不变，通过使得电池更大，百分比放电变得更小。一般地，电池的放电水平变得越小，它可能被充电得越频繁，即充电循环的数量上升并且同一电池在需要用新电池替换之前可以使用得更长。

在一个实施例中，探针中所包括的至少一个电容器的形状适合于探针的几何形状。以此方式，电容器的尺寸和探针中空间使用被最大化了。

在一个实施例中，除了所述至少一个电容器之外，可植入设备中所包括的电组件包含至少一个另外电容器。

在一个实施例中，探针的几何形状是圆柱形的。

在一个实施例中，该电容器被分成多个并联和/或串联连接的子电容器。在一个实施例中，探针被分成通过可弯曲的分隔部分链接的多个段，其中这些段至少包括（at least of）所述子电容器。因此，增强了探针的机械柔性和可弯曲性。

在一个实施例中，电容器由层状结构形成，该层状结构至少包括由介电层分隔的第一和第二导电层。

在一个实施例中，介电层的介电常数大于5。

在一个实施例中，介电层的厚度小于25nm。

在一个实施例中，该层状结构被微结构化，从而增加了介电层的厚度。

在一个实施例中，层状结构包括叉指型电容器设计，从而增加层状结构的有效表面积。

因此，通过增加电容和/或减少介电层的厚度和/或增加介电层的厚度，可以增加电容，从而使得它有助于可植入设备中的电组件。

在一个实施例中，层状结构包括金属-电介质-金属层的重复或叉指型电容器设计的重复。

在一个实施例中，电容器并联连接。

在一个实施例中，层状结构还包含互连层，其中线缆嵌入在互连层内以用于将至少一个电容器和可植入设备中所包括的所述电组件连接在一起。

根据第二方面，本发明涉及一种适于连接到可植入设备的探针，其中该可植入设备包括可操作地连接到适于生成电脉冲的电组件的电源，其中该探针具有远端和近端，该远端包括：适于与目标组织电接触的一个或多个电极；和从一个或多个电极延伸到近端的线缆，以适于将电极连接到可植入设备以用于从可植入设备传导电脉冲到一个或多个电极并且进入目标组织，

其中该探针包括：至少一个电容器；和从至少一个电容器延伸到近端的线缆，以适用于将至少一个电容器连接到可植入设备中所包括的电组件以使得至少一个电容器形成可植入设备的电组件的一部分。

该探针可以通过使用标准技术来制造，在该技术中，导电层和介电层被交替沉积到用于探针的衬底上。

导电层和介电层的交替沉积可以重复两次或更多次，从而形成多层电容器。

可以通过使用物理气相沉积来沉积导电层。物理气相沉积包括但不限于如下这样的技术：蒸发、电子束蒸发和溅射。

导电层的沉积也可以通过电镀来执行。

介电层的沉积可以通过化学或物理气相沉积来执行。

衬底可以具有与探针相同的几何形状，或者它可以是在完成沉积之后接着成形的平坦衬底。

衬底可以使用微制造或纳米制造技术（比如光刻和蚀刻）以微结构或纳米结构图案化。

衬底可以用由微结构或纳米结构（比如纳米管或纳米颗粒）构成的材料涂覆。

本发明的各个方面中的每一个可以与其他方面中的任意一个组合，本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例而清楚并且参照这些实施例而被阐明。

附图说明

将参照附图仅通过实例的方式描述本发明的实施例，在附图中

图1示出根据本发明实施例的可植入医疗系统，

图2示出根据本发明实施例的探针，

图3a、b示出根据本发明实施例的探针的一个实施例，其中探针被分成多个段，

图4示出包含由晶片实现的电容器的薄膜层结构，

图5示出金属层和介电层中的用于增加有效表面积的微结构，

图6和7示出叉指型电容器布局的横截面和概观，以及

图8示出用于创建多个并联的电容器的堆叠的夹层结构。

具体实施方式

图1示出根据本发明实施例的可植入医疗系统100，其包括可植入设备104和探针101。可植入设备104包括可操作地连接到用于生成电脉冲的电组件106a的电池107。作为实例，这些电组件可以包含各种电子元件和电子部件、电路、电容器等等。探针101具有远端109和近端108。远端包括适于与目标组织105电接触的一个或多个电极102和用于将一个或多个电极102连接到可植入设备104的线缆103。在使用期间，线缆将电脉冲从可植入设备104传导到一个或多个电极102并且进入目标组织105。探针101包括至少一个电容器106b和线缆（未示出），该线缆用于将至少一个电容器106b连接到可植入设备104中所包括的电组件106a从而使得该至少一个电容器106b形成可植入设备104的电组件106a的一部分。

应当注意，尽管这里所示出的电容器106被分成可植入设备104中所包括的至少一个电容器和探针106b中所包括的至少一个电容器，但是整个电容器106还可以包括在探针101中。

如图2中将更详细地讨论的那样，电容器106b的几何形状适合于探针101的几何形状，其形状可以例如是圆柱形（具有圆形横截面）。该探针还可以具有不同的横截面，例如椭圆形、三角形、矩形等。

通过将电容器106的一部分（或整体）从可植入设备104移出并且移入到探针101中，释放了可植入设备中的空间，这可以有利地用于减少可植入设备的尺寸和/或形状因数。

图1中所示的实施例示出这样的情形：其中根据本发明实施例的可植入医疗系统100用作深度脑刺激（DBS）设备，其中将细长的探针（例如长8-10cm且直径为1-2毫米）穿过头骨顶部的钻孔深深植入脑部内。探针101在其远端109上具有与目标脑组织105直接接触的一个或多个电极。电极102（有时称为“地点”）将由可植入设备104提供的电荷传送到脑组织105。这些电极可以经由多路复用器/交叉点开关而连接到可植入设备中的电子元件，从而使得能够选择那些电极向目标脑区域105提供刺激。

电容器106a、b可以应用于多种功能，例如应用在电容式电压转换器中。如果使得所应用的电容器较大，则电容式电压转换器的效率上升，但这导致可植入设备中用于其它组件（包含电池）的空间减少。因此，有利的是将（较大的）电容器移动到探针，因为这导致更高的转换效率和在可植入设备中安装更大的电池的可能性。

尽管医疗系统100在此被示出为DBS设备，但是它也可以是心脏起搏器或脊髓刺激器或膀胱刺激器或胃刺激器或包含用于刺激的探针的医疗系统，等等。

图2示出根据本发明实施例的探针101，其中远端包括经由线缆103电连接到所述可植入设备104中包括的电子元件的所述电极102。这些电极适于与目标组织105直接电接触。电容器106b的一部分或整个电容器106被嵌入探针101内并且适于连接到所述可植入设备104。电容器106b的几何形状优选地适合于探针101的几何形状。如这里所描绘，由于探针具有圆柱形形状，电容器的几何形状也具有圆柱形形状。

图2中左侧所示出的层状结构由一个或多个层状结构形成，该一个或多个层状结构至少包括由第一介电层207分隔的第一和第二导电层206、208。在这里所示出的实施例中，最外面的层是第二介电层209，其可以具有与第一介电层相同的类型，第一介电层将电容器与目标组织105隔离开。在该实施例中，最里面的三层是：介电层205，其可以与最外面的介电层相同；互连层204；和介电层203，其可以与最外面的介电层相同。在一个实施例中，互连层204包括嵌入在互连层204内的线缆，该线缆将电极102电连接到可植入设备104。线缆的厚度（直径）应当优选地小于互连层204的厚度。而且，互连层204将探针101中的各个电容器内部地连接在一起。作为实例，单个集成的电容器106b可以被分成两个圆柱形部分：上部和下部。互连层204随后可以用于通过例如将上部的第二导电层208连接到下部的第一导电层206而将这两个部分连接在一起。互连层的其他几何形状也是可能的。互连层也可以（部分地）被用作集成电容器的附加导电层以增加其电容。

在该实施例中，探针的中心具有空腔202，其为将探针插入到脑部中所需的硬引导线留出空间；一旦探针处于适当位置（参见图1）则移除该引导。

图3a、b示出根据本发明的探针101的一个实施例，其中该探针被分成多个由可弯曲的分隔部分302链接的段301，该可弯曲的分隔部分302可以是任何类型的可变形材料，比如橡胶、塑料等。电极102通过嵌入在如先前实例中所讨论的互连层204内的连接线缆（未示出）连接到所述可植入设备104。如这里所描绘的那样，电容器106b被分成多个并联和/或串联连接的子电容器，其中一个或多个子电容器嵌入到每个相应的段301中。如这里所示，一个电容器被嵌入到一个段301中。如果串联连接中的每个电容器可单独寻址，则该串联连接典型地将是有用的，因为否则将简单地减小电容的值。如图3b所描绘，通过将电容器106b和探针分成这样的段/子电容器，将增强包括电容器106b的探针101的机械柔性和可弯曲性。

在一个实施例中，包括嵌入其中的电容器106b的探针101可以通过金属和电介质层在衬底（未示出）上的直接沉积来制造，其中该衬底可以是圆柱形（例如，空心圆柱体）或平坦的衬底，其随后被弯曲成最终的形状。例如，该衬底可以已经包含嵌入在电介质中的互连层204（见图2）或者该互连层也可以通过与电容器的其他层相同的方式来制造。该衬底可以在蒸发器中旋转，其中金属（例如金或铂）薄层围绕该衬底被蒸发。随后，例如聚对二甲苯-C的共形层可以通过化学气相沉积来沉积。可以重复旋转蒸发和化学气相沉积步骤直到实现最终的结构（例如图2所示的结构）为止。

可以集成在圆柱形探针中的电容可以由下面的公式近似：

其中ε_r为材料的介电常数，d为介电层的厚度，D为探针101的直径，L为探针101的长度。作为实例，如果D=1.27mm，L=10cm，ε_r=3（对于聚对二甲苯-C），d=1μm，则所得的电容C变为0.01μF。

所述公式已经指示如何可以获得更大的电容，即通过增加材料的介电常数、减小介电层的厚度和/或增加电容器的有效面积。这一点将在下面三个实例中更详细地解释：

1．使用高ε_r电介质：

大多数生物相容性聚合物具有近似3.0的低介电常数。然而氮化硅具有较高的ε_r（6.0-8.0）。该层状结构（比如图4中所示的结构）可以使用标准的薄膜微制造技术来实现。这些层可以从例如硅晶片中释放，在形成之后，层状结构随后被卷绕以形成所述探针101。文献已经示出低应力氮化硅可以长期经受弯曲而不会损坏。

在该实例中，最上面的层401可以是聚对二甲苯-C，第二层402可以是金属1，第三层403可以是氮化硅，第四层404可以是金属2（其可以与金属1相同），第五层405可以是聚酰亚胺以及底层406可以是所述硅晶片。

2．减小介电层厚度：

此外，介电层厚度可以容易地使用薄膜技术来减小。在CMOS制作中常规地沉积薄于10nm的陶瓷层（比如氧化硅）。这已经给出了电容的100倍增加（对10nm厚的介电层，C≈1μF）。

3．增加有效表面积。

薄膜技术也可以用于在这些层中引入微结构并且以此方式增加有效表面积。图5示意性示出这种微结构的实例，其中可以实现多于两倍的有效表面积（在几何面积上）的增加。

图5中的层布置相似于图4的层，即最上面的层501可以是聚对二甲苯-C，第二层502是金属1，第三层503可以是氮化硅，第四层504可以是金属2（其可以与金属1相同），第五层505可以是聚酰亚胺以及底层506可以是硅晶片。

图6和7示出利用叉指型电容器布局增加有效表面积的另一种方式。该叉指型电容器布局在图6中以横截面示出，在图7中以示出其内部金属手指结构的顶视图示出。在图6所示的实施例中，最上面的层604是电介质（例如聚对二甲苯-C），白色区域部分603是电介质材料，阴影部分602是金属（例如金属1）以及图案化部分601是金属（例如金属2）。底层606可以是硅晶片并且其上面的层605可以是例如聚酰亚胺。

在所选的工艺技术中如果内部金属横向电容具有比垂直的内部金属电容更高的比表面积电容，则该叉指型结构是有利的。这将在金属厚度变得充分大于同一金属层中两个轨道之间的最小允许间隔的情况下发生。

图8示出堆叠的夹层结构以创建并联的多个电容器，该图示出了由介电层803分隔的金属层802、804的重复。顶层优选地是介电层801，底层可以例如是硅晶片806，以及在硅晶片上面例如是聚酰亚胺层805。

对所公开实施例的某些特定细节的陈述是为了解释的目的而非限制，从而提供对本发明的清楚和彻底的理解。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可以在不是确切地遵照本文所提出的细节的其他实施例中实践，而不明显地脱离本公开的精神和范围。而且，在该上下文中且为了简洁和清楚的目的，已经省略了对公知的装置、电路和方法的详细描述，从而避免不必要的细节和可能的混淆。

权利要求中包含附图标记，然而包含附图标记仅仅是为了清楚的原因并且不应当解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种可植入医疗系统（100），包括：

可植入设备（104），其包括可操作地连接到适于生成电脉冲的电组件（106a）的电源（107），以及

探针（101），其具有远端（109）和近端（108），该远端包括适于与目标组织（105）电接触的一个或多个电极（102）和用于将所述一个或多个电极（102）连接到可植入设备（104）的线缆（103），其中所述线缆从可植入设备（104）传导电脉冲到所述一个或多个电极（102）并且进入目标组织（105），

其中该探针（101）包括：至少一个电容器（106b）；和用于将所述至少一个电容器（106b）连接到所述可植入设备（104）中所包括的电组件（106a）、以使得所述至少一个电容器（106b）形成所述可植入设备（104）的电组件（106a）的一部分的线缆。

2.根据权利要求1的可植入医疗系统，其中所述探针（101）中所包括的所述至少一个电容器的形状适合于所述探针（101）的几何形状。

3.根据权利要求1的可植入医疗系统，其中除了所述至少一个电容器（106b）之外，可植入设备（104）中所包括的电组件（106a）还包含至少一个另外电容器（106a）。

4.根据权利要求2的可植入医疗系统，其中所述探针（101）的几何形状是圆柱形的。

5.根据权利要求1的可植入医疗系统，其中所述电容器（106b）被分成多个并联和/或串联连接的子电容器。

6.根据权利要求1或3的可植入医疗系统，其中所述探针（101）被分成由可弯曲的分隔部分（302）链接的多个段（301），其中所述段（301）至少包括所述子电容器。

7.根据权利要求1的可植入医疗系统，其中所述电容器由层状结构形成，所述层状结构至少包括由介电层（207）分隔的第一和第二导电层（206,208）。

8.根据权利要求7的可植入医疗系统，其中所述介电层的介电常数大于5。

9.根据权利要求7的可植入医疗系统，其中所述介电层的厚度小于25nm。

10.根据权利要求7的可植入医疗系统，其中所述层状结构被微结构化，从而增加该层状结构的有效表面积。

11.根据权利要求7的可植入医疗系统，其中所述层状结构包括叉指型电容器设计，从而增加该层状结构的有效表面积。

12.根据权利要求7的可植入医疗系统，其中所述层状结构包括金属-电介质-金属层的重复或叉指型电容器设计的重复。

13.根据权利要求10的可植入医疗系统，其中所述电容器并联连接。

14.根据权利要求7的可植入医疗系统，其中所述层状结构还包含互连层（204），其中所述线缆嵌入其中，以用于将所述至少一个电容器和可植入设备中所包括的所述电组件连接在一起。

15.一种适于连接到可植入设备（104）的探针（101），其中该可植入设备（104）包括可操作地连接到适于生成电脉冲的电组件（106a）的电源（107），其中该探针（101）具有远端（109）和近端（108），该远端包括适于与目标组织（105）电接触的一个或多个电极（102）和从一个或多个电极（102）延伸到近端（108）的线缆（103），该线缆适于将所述电极连接到所述可植入设备（104）以用于从可植入设备（104）传导电脉冲到所述一个或多个电极（102）并且进入目标组织（105），

其中该探针（101）包括至少一个电容器（106b）和从所述至少一个电容器（106b）延伸到近端（108）的线缆，该线缆适用于将所述至少一个电容器（106b）连接到可植入设备（104）中所包括的电组件（106a）以使得所述至少一个电容器（106b）形成可植入设备（104）的电组件（106a）的一部分。

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