CN104623808A - 脑深部刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式脑深部刺激系统，包括位于患者体外的外置检测控制和超声发送装置、植入患者脑组织深处的脑内超声接收和刺激治疗装置，外置检测控制和超声发送装置主要包括微处理器、存储单元、检测单元、电极阵列、超声信号放大器、换能器、显示单元、键盘单元、电源单元和时钟单元；脑内超声接收和刺激治疗装置主要包括换能器、电压增益及整流电路、稳压器、控制电路单元和刺激电极。本发明的系统用于帕金森病、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、癫痫等神经系统疾病的治疗。

Description

脑深部刺激系统

发明领域

本发明属于医疗器械领域，涉及神经系统疾病治疗系统，尤其涉及一种植入式脑深部刺激系统，用于帕金森病、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、癫痫等神经系统疾病的治疗。

背景技术

对帕金森病、癫痫、顽固性疼痛、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病等神经系统疾病，临床上常用药物治疗和外科手术治疗，但容易产生副作用和并发症。电刺激疗法，如脑深部刺激术，通过对不同疾病相应的靶点进行慢性电脉冲刺激，如对帕金森病刺激丘脑核及苍白球，对癫痫刺激迷走神经，起到对因治疗的作用，这种可逆的神经调节治疗是一种理想的治疗方法。

癫痫就是上述常见的神经系统疾病之一。据世界卫生组织保守估计，截止2005年，全球约有5000万人遭受癫痫的折磨，其中80%的病人生活在发展中国家。在我国，大规模调查报告表明国内的患病率约为8‰，这意味着国内大约有一千多万癫痫患者。目前临床上采用的主要治疗方法有药物治疗和外科手术治疗。但药物长期应用会导致疗效减退，发展成难治性癫痫，并出现严重的副作用；外科手术切除神经组织治疗的方法往往会出现很多严重的术后并发症，并且这种治疗是不可逆的。这一现实迫使人们寻找一种可逆的，可以达到治疗癫痫效果的方法，那么脑深部刺激术成为较好的治疗手段。

脑深部刺激系统（简称：DBS）的研究起始于上世纪六十年代，神经学家与神经外科医师开始使用电刺激以定位并区分脑中的特殊部位，发现刺激脑内某部分结构会产生抑制神经疾病症状的结果。80年代，Medtronic公司与一些杰出的内科研究学者发展出一套脑部刺激技术。1995年2月Medtronic丘脑刺激疗法在欧洲，加拿大与澳洲通过，用以治疗原发性震颤与帕金森病震颤。1995年秋在全球有18个利用丘脑底核或苍白球刺激以控制重度帕金森病症状。1997年，美国FDA批准进入美国市场。国内自1999年开始已有20家医院开展脑起搏器手术。

目前，临床上使用的DBS都是开环系统，且刺激电极和刺激器之间是通过导线连接的。

现有产品的最大缺点在于：首先，现有的脑深部刺激系统是开环系统，即刺激模式是连续刺激，植入体内后每隔几分钟就刺激脑部组织一段时间，这种治疗模式会增加系统的能量消耗，而系统的供电电池是一次性的，其寿命大约为3～5年，一旦电池能量耗尽，病人只得再次接受手术更换电池，这既增加了患者的痛苦和手术风险，又加重了其经济负担；其次，通过脑深部刺激系统治疗后虽然能够明显减少癫痫发作次数，但仍然不能完全杜绝癫痫发作，由于其不能预测癫痫，癫痫的不定期发作会使得患者存在潜在的危险，将极大的限制患者日常生活中的一些活动；最后，现有的脑深部刺激系统的刺激器一般是植入在患者锁骨下或胸部附近的地方，其必须通过导线与刺激电极连接，而导线则通过外科手术植入在患者头皮及皮肤下面，这会给患者在手术和治疗过程中带来一些明显的问题，如因感染产生的并发症、刺激器与电极之间没有连通、电极与导线发生错位等。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种植入式脑深部刺激系统，用于帕金森病、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、癫痫等神经系统疾病的治疗。本发明的脑深部刺激系统，包括外置检测控制和超声发送装置、脑内超声接收和刺激治疗装置。外置检测控制和超声发送装置首先将电信号转换成超声波信号，然后由脑内超声接收和刺激治疗装置将接收到的超声波信号再转换成电信号并经过整流和过滤后，传送给刺激电极刺激治疗该电极附近的脑深部组织。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种脑深部刺激系统，包括外置检测控制和超声发送装置1、脑内超声接收和刺激治疗装置2，所述外置检测控制和超声发送装置1主要包括微处理器101、存储单元102、检测单元103、电极阵列104、超声信号放大器107、第一超声换能器108、显示单元105、键盘单元106、电源单元109和时钟单元110，所述电极阵列104、检测单元103、微处理器101、超声信号放大器107与第一超声换能器108依次连接，所述微处理器101还同时与存储单元102、显示单元105和键盘单元106分别连接；

所述脑内超声接收和刺激治疗装置2主要包括超声接收和电脉冲信号控制装置206和刺激电极205；超声接收和电脉冲信号控制装置206主要包括第二超声换能器201、电压增益及整流电路202、稳压器203和控制电路单元204，所述第二超声换能器201、电压增益及整流电路202、稳压器203和控制电路单元204依次连接；

所述第一超声换能器108与第二超声换能器201连接，达到外置检测控制和超声发送装置1与脑内超声接收和刺激治疗装置2连接的目的。

本发明所述外置检测控制和超声发送装置1用于癫痫检测和发送超声波信号；所述脑内超声接收和刺激治疗装置2用于信号生成和刺激治疗脑深部组织。

本发明所述外置检测控制和超声发送装置1位于患者体外，所述脑内超声接收和刺激治疗装置2植入患者脑深部组织，并且位于外置检测控制和超声发送装置1发射的超声波路径上。

本发明所述微处理器101对检测单元103传送过来的脑电信号与存储单元102中预设的对比数据进行对比、分类，并判断是否有癫痫发作；所述检测单元103用于对提取的患者大脑皮层脑电信号进行滤波、放大和数模转换；所述电极阵列104用于获取大脑皮层脑电信号；

本发明所述第一超声换能器108用于发射超声波信号；所述第二超声换能器201用于接收来自所述外置检测控制和超声发送装置1发射的超声波信号，并能够将超声波信号转换成电信号，并通过该超声波传送能量给脑内刺激治疗装置2。

本发明所述脑内超声接收和刺激治疗装置2的超声接收和电脉冲信号控制装置206外部为封闭的、生物相容性好的外壳。

本发明所述脑内超声接收和刺激治疗装置2生成的电脉冲信号的频率为0～400Hz，脉冲宽度为20～700ms，脉冲幅度为0～15v。

本发明所述第二超声换能器201由压电陶瓷、压电晶体或压电聚合物等制成。

本发明所述刺激电极205的材料为铂、铱或黄金。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）外置检测控制和超声发送装置安置在患者体外，所用的供电电池相对于植入在患者脑内的一次性电池而言更容易更换，不用担心供电电池的使用寿命，不需要对患者进行再次手术，也无需增加患者的经济负担；

（2）外置检测控制和超声发送装置采用大脑皮层脑电信号代替颅内脑电信号进行分析和计算，避免了颅内植入获取脑电信号的电极，使检测用电极安装手术简单且创伤小；

（3）采用超声代替导线传送能量的工作方式，使手术过程变得简单，即患者不需要在胸部及胸部至大脑皮肤下进行外科手术；

（4）避免了植入导线带来的问题，如因感染产生的并发症、刺激器与电极之间没有连通、电极与导线发生错位等。

附图说明

图1为本发明的脑深部刺激系统与患者之间的连接关系示意图。

图2为本发明的外置检测控制和超声发送装置1的逻辑框架图。

图3为本发明的脑内超声接收和刺激治疗装置2逻辑框架图。

图4为本发明脑深部刺激系统为患者治疗时的超声波信号与电脉冲信号的转换示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步解释说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

如图1所示，本发明的脑深部刺激系统主要包括外置检测控制和超声发送装置1和脑内超声接收和刺激治疗装置2。外置检测控制和超声发送装置1具有癫痫检测模块和超声波信号生成作用，脑内超声接收和刺激治疗装置2具有超声接收模块和电脉冲刺激治疗作用。

外置检测控制和超声发送装置可悬挂于患者耳朵上或特制的帽子上。其中，癫痫检测模块的电极阵列104置于患者脑部前额区、顶区、枕区，用于大脑皮层脑电信号的采集，患者在使用时，只需要在电极阵列104上涂上少许导电胶，然后再把电极阵列104轻轻压在头皮上，确保其与头皮良好接触，就可以获取大脑皮层脑电信号。

脑内超声接收和刺激治疗装置被植入患者脑组织深处，并且位于外置检测控制和超声发送装置1发射的超声波路径上。其中，该装置的超声接收和电脉冲信号控制装置206具有一个封闭的、生物相容性材料制成的外壳，刺激电极205通过导线与超声接收和电脉冲信号控制装置206连接。脑内超声接收和刺激治疗装置2具有第二超声换能器，用于接收来自检测控制和超声发送装置1发送的超声波，即采用超声波信号代替导线连接检测控制和超声发送装置1和脑内超声接收和刺激治疗装置2，并传送能量给刺激电极205治疗该电极附近组织。

如图2所示，外置检测装置1主要包括微处理器101、存储单元102、检测单元103、电极阵列104、显示单元105、键盘单元106、超声信号放大器107、第一换能器108、电源单元109和时钟单元110。电极阵列104将采集到的信号传送到检测单元103，检测单元103对采集到的信号进行预处理，例如，该预处理包括滤波、几次多级放大以及A/D转换，预处理后的信号送入微处理器101中进行前期预测。微处理器101通过执行植入其中的算法提取脑电信号的特征，一般每隔5秒钟提取一次脑电信号的特征，然后再和存储在存储单元102中的预设对比数据进行比对、分类，微处理器101进而识别出患者3所处的状态，这里识别用可以采用任意的模式识别方法，例如，可采用其中的支持向量机方法进行识别，判断患者是否有癫痫发生。

在预测到癫痫即将发生的情况下，微处理器101通过算法控制，生成一个电信号，然后经过超声信号放大器107进行放大，传送到第一换能器108，第一换能器108将该电信号转换成超声波信号，传送给被植入在脑深部的处于超声波信号发射路径中的脑内超声接收和刺激治疗装置2。其中，存储单元102也可选用有一定存储空间的存储器，例如flash存储器、DDR或者SDRAM等等，主要用于存储脑电信号，现阶段的刺激参数和相应程序；显示单元105选用LCD显示屏或者LED显示屏，主要用于显示现阶段的刺激参数，电池的电量等信息；键盘单元106控制外部检测控制装置的开关，以及刺激参数的选择和参数大小的设定；换能器108用于发射超声波信号，选用压电陶瓷、压电晶体或压电聚合物等能够将电信号转换成声信号的材料；电源单元109是常见的纽扣电池，可以通过打开外置检测控制和超声发送装置1内侧的盖子进行更换。

如图3所示，脑内超声接收和刺激治疗装置2主要包括第二换能器201、电压增益及整流电路202、稳压器203、控制电路204和刺激电极205。第二换能器201接收到来自外置检测控制和超声发送装置1中的第一换能器108发射的超声波信号，因超声波在传播过程中有衰减，因此第二换能器201接收到的超声波信号在信号幅度上只有发射的超声波信号的一部分，并将接收到超声波信号转换成电信号传送至电压增益及整流电路202进行整流、过滤，再经稳压器203调整以防止尖峰等现象出现，然后将电信号送至控制电路单元204，其可输出一个脉冲幅度小于换能器108发射的超声波信号幅度、但脉冲宽度大致相等与脉冲频率一样的电脉冲信号，然后传送给刺激电极205治疗该电极附近的脑深部组织。其中，第二换能器201用作接收超声波信号，选用压电陶瓷、压电晶体或压电聚合物等能够将声信号转换成电信号的材料；刺激电极205选用铂、铱或黄金等生物相容性好的材料，并通过导线与超声接收和电脉冲信号控制装置206连接。

如图4所示，图中只示出了一个周期信号，实际应是以相同周期、幅度及间隔不断重复的波形图，首先由外置检测控制和超声发送装置1生成一个电信号301并经第一换能器108产生一个超声波信号302，电信号301和超声波信号302在信号宽度和频率上是一样的，但信号幅度不一样。脑内超声接收和刺激治疗装置2的第二换能器201接收到第一换能器108发送的超声波信号302，并输出一个电信号303，该信号的频率和宽度与超声波信号302是一样的，但信号幅度不一样。该电信号303经过电压增益及整流电路202、稳压器203及控制电路单元204的整流、过滤之后就可以生成一个脉冲宽度和频率与电信号303一样、脉冲幅度与电信号303的信号幅度成比例的理想的电脉冲信号304，其中，理想的电脉冲信号频率为0～400Hz，脉冲宽度为20～700ms，脉冲幅度为0～15v。

Claims (9)

1.一种脑深部刺激系统，包括外置检测控制和超声发送装置（1）、脑内超声接收和刺激治疗装置（2），其特征在于：

所述外置检测控制和超声发送装置（1）主要包括微处理器（101）、存储单元（102）、检测单元（103）、电极阵列（104）、超声信号放大器（107）、第一超声换能器（108）、显示单元（105）、键盘单元（106）、电源单元（109）和时钟单元（110），所述电极阵列（104）、检测单元（103）、微处理器（101）、超声信号放大器（107）与第一超声换能器（108）依次连接，所述微处理器（101）还同时与存储单元（102）、显示单元（105）和键盘单元（106）分别连接；

所述脑内超声接收和刺激治疗装置（2）主要包括超声接收和电脉冲信号控制装置（206）和刺激电极（205）；超声接收和电脉冲信号控制装置（206）主要包括第二超声换能器（201）、电压增益及整流电路（202）、稳压器（203）和控制电路单元（204），所述第二超声换能器（201）、电压增益及整流电路（202）、稳压器（203）和控制电路单元（204）依次连接；

所述第一超声换能器（108）与第二超声换能器（201）连接，达到外置检测控制和超声发送装置（1）与脑内超声接收和刺激治疗装置（2）连接的目的。

2.根据权利要求1所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述外置检测控制和超声发送装置（1）用于癫痫检测和发送超声波信号；所述脑内超声接收和刺激治疗装置（2）用于信号生成和刺激治疗脑深部组织。

3.根据权利要求2所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述外置检测控制和超声发送装置（1）位于患者体外，所述脑内超声接收和刺激治疗装置（2）植入患者脑深部组织，并且位于外置检测控制和超声发送装置1发射的超声波路径上。

4.根据权利要求3所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述微处理器（101）对检测单元（103）传送过来的脑电信号与存储单元（102）中预设的对比数据进行对比、分类，并判断是否有癫痫发作；所述检测单元（103）用于对提取的患者大脑皮层脑电信号进行滤波、放大和数模转换；所述电极阵列（104）用于获取大脑皮层脑电信号。

5.根据权利要求3或4所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述第一超声换能器（108）用于发射超声波信号；

所述第二超声换能器（201）用于接收来自所述外置检测控制和超声发送装置（1）发射的超声波信号，并能够将超声波信号转换成电信号，并通过该超声波传送能量给脑内刺激治疗装置（2）。

6.根据权利要求5所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述脑内超声接收和刺激治疗装置（2）的超声接收和电脉冲信号控制装置（206）外部为封闭的、生物相容性材料制成的外壳。

7.根据权利要求6所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述脑内超声接收和刺激治疗装置（2）生成的电脉冲信号的频率为0～400Hz，脉冲宽度为20～700ms，脉冲幅度为0～15v。

8.根据权利要求7所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述第二超声换能器（201）由压电陶瓷、压电晶体或压电聚合物等制成。

9.根据权利要求8所述的脑深部刺激系统，其特征在于，所述刺激电极（205）的材料为铂、铱或黄金。