CN105521561B - 一种闭路小肠电刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭路小肠电刺激装置，包括电刺激装置本体，电刺激装置本体主要由控制装置、刺激器、输出电极、输入电极、放大器、无线模块和电源组成。本发明的有益效果为：①加速小肠转运和减少脂肪吸收：减少肠道吸收时间，更快的将更多营养物转运至远端小肠；②延迟胃排空：增加餐后饱胀感，延长进餐间隔时间，从而减少进食量；③激活中枢饱胀神经元，抑制胃Ghrelin，增加小肠GLP‑1释放：GLP‑1增加使得餐后饱胀感增强，Ghrelin的抑制使食欲下降，从而使小肠电刺激的长效性得到保障。Ghrelin的下降和GLP‑1的增加不仅影响胃肠动力，而且能够促进胰岛素的分泌从而使血糖下降，这对治疗糖尿病及肥胖合并糖尿病患者十分有利。

Description

一种闭路小肠电刺激装置

技术领域

本发明涉及一种电刺激装置，具体是一种闭路小肠电刺激装置。

背景技术

糖尿病和肥胖是全世界常见的公共健康问题，其发病率正以令人担忧的速度上升。我国现有9240万糖尿病人，2011年用于糖尿病的医疗花费高达4650亿美元。II型糖尿病病例占所有糖尿病的90-95％，80％的II型糖尿病患者是由肥胖引起。两种疾病的药物治疗因副作用或缺乏长期疗效而前景欠佳。为了解决肥胖和糖尿病并存的问题，现在，西方国家采用有一种叫做胃旁路术的侵入性外科手术来治疗伴有肥胖的糖尿病病人。在这个手术中，通过切除并缝合90％的胃而形成一个小胃囊来减少食物的摄入和旁路一部分近端小肠而减少营养素的吸收。但胃旁路手术的并发症发生率及死亡率均很高，另外，由于手术治疗的不可逆转性，它将对那些治疗无效的患者带来极大的问题。

目前，基于胃/肠电肌电活动的电刺激治疗是针对糖尿病及肥胖的最新方法。美国胃/肠电刺激治疗肥胖仍处于临床研究阶段，国内尚未开展这一方法。因此，现阶段用于消化道电刺激治疗肥胖的方法仅限于：胃电刺激和小肠电刺激。胃/肠电刺激主要分为长脉冲、短脉冲和串脉冲刺激(图1)。长脉冲由重复性的单个脉冲组成，每个脉冲宽幅约数毫秒(应用于小肠电刺激的为10-300毫秒)，可以起搏自发性慢波，因此也被称为电起搏或胃/肠起搏。在这种方法中，由于目前市场上尚无脉冲宽幅超过2毫秒的植入式设备，并且长脉冲的正负电荷难以平衡，刺激电极容易侵蚀和毁坏，尤其是在慢性电刺激过程中。因此，宽幅长脉冲刺激，目前主要用于基础实验和短期的临床研究。短脉冲的脉冲宽幅明显缩短，大约几百微秒，绝大多数用于心脏起搏或神经刺激，不影响胃排空或小肠转运。串脉冲刺激则是由重复性的脉冲序列和调控信号结合而成，即持续高频短脉冲(约5-100赫兹)和一个用于开启和关闭脉冲的控制信号。这种类型的刺激经常用于神经刺激。

目前市场上仅有应用于减肥的人体植入式刺激仪，但存在以下问题：

1)只能产生脉冲宽幅低于1毫秒的串脉冲。已获得美国FDA批准的植入式胃电刺激器为0.3-0.6毫秒的波宽，均为获得商业许可的源于神经刺激的发生器，不符合胃肠电生理。

这种刺激器仅于对饱胀/饥饿中枢和激素水平有一定的影响，并不能够改变胃肠道动力。因此，使用这种植入式胃电刺激法治疗的肥胖病人仍然可以大量进食，没有长期的减肥作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闭路小肠电刺激装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种闭路小肠电刺激装置，包括电刺激装置本体，电刺激装置本体主要由控制装置、刺激器、输出电极、输入电极、放大器、无线模块和电源组成，所述刺激器主要由小肠肌电信号采集电路、电源管理模块、电池、脉冲发生器、输出电路、神经调控模式复用开关、调控脉冲算法单元、同步信号单元和信号分析与诊断单元构成，其中信号分析与诊断单元的输出端分别通过同步信号单元和调控脉冲算法单元连接神经调控模式复用开关的输入端，神经调控模式复用开关的输出端连接脉冲发生器，脉冲发生器通过输出电路连接输出电极，从而实现小肠电刺激的功能；所述信号分析与诊断单元通过小肠肌电信号采集电路连接控制装置的信号输出接口，且小肠肌电信号采集电路、脉冲发生器、神经调控模式复用开关、调控脉冲算法单元、同步信号单元和信号分析与诊断单元均通过电源管理模块连接电池，通过电池单独为刺激器进行供电，所述控制装置的信号输入接口依次连接放大器和输入电极，通过输入电极采集人体小肠自发产生的电信号。

作为本发明进一步的方案：所述闭路小肠电刺激装置的刺激方法为：

(1)输入电极将检测到的小肠电信号通过控制装置传入刺激器的肌电信号采集电路，经信号分析与诊断单元的运算，分析出小肠慢波和峰电位是否符合进食后电信号特征，从而决定是否启动电刺激；

(2)电刺激分为与小肠慢波同步或非同步：a、同步刺激由从小肠电活动导出的同步信号单元决定每一脉冲或脉冲串的输出时间；b、非同步刺激则由调控脉冲算法单元决定；

(3)神经调控模式复用开关根据检测出的小肠电信号向脉冲发生器发出指令，最后由输出电路将刺激电信号传送到输出电极上，从而实现小肠电刺激。

作为本发明进一步的方案：所述控制装置通过无线模块连接无线充电器和计算机系统，通过无线充电器对控制装置连接的电源进行充电。

作为本发明进一步的方案：所述输出电极和输入电极包埋在十二指肠肠道浆膜层。

作为本发明进一步的方案：所述输出电极和输入电极通过电极线连接电刺激装置本体。

作为本发明进一步的方案：所述电刺激装置本体放置在腹壁皮下。

作为本发明进一步的方案：所述电刺激装置本体具有如下参数：脉冲宽度0.1-10毫秒，脉冲频率5-100Hz，脉冲强度1-10毫安,脉冲为连续的或者间断的；如果是间断的，每一串脉冲的频率与小肠电活动的慢波频率一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的脉冲波宽波为2毫秒或更宽，刺激频率(单位时间的脉冲串)为小肠电慢波的生理频率，其效果为：

①加速小肠转运和减少脂肪吸收：减少肠道吸收时间，更快的将更多营养物转运至远端小肠；

②延迟胃排空：增加餐后饱胀感，延长进餐间隔时间，从而减少进食量；

③激活中枢饱胀神经元，抑制胃Ghrelin，增加小肠GLP-1释放：GLP-1增加使得餐后饱胀感增强，Ghrelin的抑制使食欲下降，从而使小肠电刺激的长效性得到保障。Ghrelin的下降和GLP-1的增加不仅影响胃肠动力，而且能够促进胰岛素的分泌从而使血糖下降，这对治疗糖尿病及肥胖合并糖尿病患者十分有利；

2)应用与小肠肌电活动同步的小肠电刺激，即同步小肠电刺激(SynchronizedIntestinal Electrical Stimulation，SIES)，它将外界的刺激能量叠加于小肠每个内源性慢波峰值，SIES不仅改善小肠收缩，而且更有效地加快小肠转运；

3)本发明具有进食检测程序，从而在进食时自动启动电刺激。当进食开始时小肠的肌电慢波频率下降而峰电位增加，通过输入电极和控制装置能检测到这些肌电活动变化并自动开启刺激器进行小肠电刺激或同步小肠电刺激，使之更加精确和有效。

4)输出电极、输入电极和刺激器均可以通过微创手术进行放置，并且是可调和可逆的，安装携带方便。

附图说明

图1为本发明安装的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为刺激器的结构示意图。

图4为小肠电刺激对高脂食物喂养大鼠体重影响的直方图；图中:DES-十二指肠电刺激；Sham DES-十二指肠假性电刺激；Pair-fed-配对喂养组。

图5为小肠电刺激对胃动力影响的直方图；图中：IES加快小肠传输时间(左)；IES延缓尾排空(右)。

图6为肠电刺激对餐后血浆GLP-1影响的直方图。

图7为小肠电刺激对餐后血糖影响的直方图。

图中：电刺激装置本体1、输入电极10、输出电极11、十二指肠肠道浆膜层12、13、14、15。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～7，本发明实施例中，一种闭路小肠电刺激装置，包括电刺激装置本体1，电刺激装置本体1主要由控制装置、刺激器、输出电极11、输入电极10、放大器、无线模块和电源组成，所述刺激器主要由小肠肌电信号采集电路、电源管理模块、电池、脉冲发生器、输出电路、神经调控模式复用开关、调控脉冲算法单元、同步信号单元和信号分析与诊断单元构成，其中信号分析与诊断单元的输出端分别通过同步信号单元和调控脉冲算法单元连接神经调控模式复用开关的输入端，神经调控模式复用开关的输出端连接脉冲发生器，脉冲发生器通过输出电路连接输出电极11，从而实现小肠电刺激的功能；所述信号分析与诊断单元通过小肠肌电信号采集电路连接控制装置的信号输出接口，且小肠肌电信号采集电路、脉冲发生器、神经调控模式复用开关、调控脉冲算法单元、同步信号单元和信号分析与诊断单元均通过电源管理模块连接电池，通过电池单独为刺激器进行供电。

所述控制装置的信号输入接口依次连接放大器和输入电极10，通过输入电极10采集人体小肠自发产生的电信号，通过控制装置对人体小肠自发产生的电信号进行采集判断，便于及时准确的控制刺激器进行工作。

所述控制装置通过无线模块连接无线充电器和计算机系统，通过无线充电器对控制装置连接的电源(可充电的锂电池等)进行充电，从而方便患者使用。

所述输出电极11和输入电极10包埋在十二指肠肠道浆膜层12、13、14、15，从而发挥刺激肠道平滑肌和肠神经的作用，输出电极11和输入电极10通过电极线连接电刺激装置本体1，电刺激装置本体1可以放置在腹壁皮下，从而方便携带。通过输出电极11和输入电极10可以检测小肠慢波的峰电位和检测进食时间，并通过体外遥控装置，调控刺激肠道的程序和参数，给予小肠电刺激(IES)或者小肠肌电活动同步的小肠电刺激(SIES)，以达到改善和治疗肥胖和糖尿病的功效。

本发明能在进食时自动产生波宽为2毫秒或更宽的连续脉冲或脉冲串，或与小肠电慢波同步的脉冲或脉冲串。

所述电刺激装置本体具有如下参数：脉冲宽度0.1-10毫秒，脉冲频率5-100Hz，脉冲强度1-10毫安,脉冲为连续的或者间断的；如果是间断的，每一串脉冲的频率与小肠电活动的慢波频率一致。

所述闭路小肠电刺激装置的刺激方法为：

(1)输入电极10将检测到的小肠电信号通过控制装置传入刺激器的肌电信号采集电路1，经信号分析与诊断单元的运算，分析出小肠慢波和峰电位是否符合进食后电信号特征，从而决定是否启动电刺激。

(2)电刺激可分为与小肠慢波同步或非同步：a、同步刺激由从小肠电活动导出的同步信号单元决定每一脉冲或脉冲串的输出时间；b、非同步刺激则由调控脉冲算法单元决定。

(3)神经调控模式复用开关根据检测出的小肠电信号向脉冲发生器发出指令，最后由输出电路将刺激电信号传送到输出电极11上，从而实现小肠电刺激。

本发明能检测小肠肌电活动的慢波高峰电位，并将刺激能量叠加于小肠每个内源性慢波峰值，即同步电刺激。小肠肌电活动与胃相似，包括慢波和峰电位两个成分。小肠慢波起源于十二指肠近端1厘米处，并以环型波方式向远处传播，它决定着小肠收缩的频率和方向。峰电位叠加于慢波，是小肠收缩的电效应。人类的十二指肠和近端空肠的慢波频率约12次/分钟，至回肠末端逐渐变为9次/分钟。大鼠，空腹时近端小肠的慢波频率约41次/分钟，并在进餐后立即降至38次/分钟。实验证明，同步电刺激增强小肠收缩、加快小肠转运。

举例说明：

选用已被世界公认的高脂食物喂养的Sprague Dawley(SD)大鼠作为肥胖模型。将大鼠随机分为两组：1)对照组，继续用标准大鼠食物喂养；2)高脂组，用含有50％脂肪的高脂大鼠食物喂养。14周后，大约67％的大鼠体重达标，被称为食物诱导的肥胖大鼠(Diet-induced obese,DIO)。经无菌手术操作将两对心电起搏电极包埋于幽门下1cm处十二指肠浆肌层。每对电极间间距为1.0cm,每个电极间间距0.3-0.5cm。通过右侧胸腹壁皮下和已放置在颈背部的硅胶底坐处引出连接到Tether系统。Tether系统和BioDAQ设备连接在一起，不仅可以连续记录动物在自由活动状态下饮食情况，而且可以连接多道刺激器，进行IES/SIES。应用连接记录电极的肠电生理记录仪和视窗识别器，检测每个内源性的小肠慢波和波峰。当视窗识别器探测到每个内源性慢波峰值时，立即启动刺激器，发送一个串脉冲，即将外源性刺激能量叠加于内源性慢波的波峰，产生SIES。

研究结果显示：1)IES组比假性IES组总体重减少13％；2)IES组同配对喂养组(消耗和IES组相同成分和重量的食物)相比，总体重减少9.7％。这说明，IES引起的体重减轻，可能是由于营养吸收减少或能量消耗增加所引起的。而相同实验环境中能量消耗是相当的，因此体重减轻主要是营养物吸收减少造成的(图5)；3)与假性IES相比，IES能明显加快小肠转运，延缓胃排空(P<0.01)(图6)；4)IES能增加血浆GLP-1，使得餐后饱胀感增强，进食量减少(图7)；5)IES降低餐后血糖，并推迟血糖高峰时间，这与营养吸收减少及GLP-1等激素相关。SIES比IES在加快小肠传输及延缓胃排空方面更具潜力。

本发明具有以下临床应用价值：

1)治疗肠运动功能障碍患者，如术后肠梗阻或假性肠梗阻。此应用中，将调整本装置加快营养物质通过小肠。

2)治疗肥胖病人。此应用中，将编程本装置加速肠道转运并延迟胃排空。通过这样，本装置能够减少食物摄取和每天进食的数目，而且通过加快肠道转运从而缩短营养物质和肠道接触的时间减少了营养物质的吸收。

3)治疗糖尿病患者。此应用中，将设置本装置加速肠道转运并同时间提高一种特殊激素GLP-1的分泌。这种激素将刺激胰岛素的分泌，因此本装置应用能降低血糖。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种闭路小肠电刺激装置，包括电刺激装置本体，其特征在于，电刺激装置本体由控制装置、刺激器、输出电极、输入电极、放大器、无线模块和电源组成，所述刺激器由小肠肌电信号采集电路、电源管理模块、电池、脉冲发生器、输出电路、神经调控模式复用开关、调控脉冲算法单元、同步信号单元和信号分析与诊断单元构成，其中信号分析与诊断单元的输出端分别通过同步信号单元和调控脉冲算法单元连接神经调控模式复用开关的输入端，神经调控模式复用开关的输出端连接脉冲发生器，脉冲发生器通过输出电路连接输出电极，从而实现小肠电刺激的功能，所述信号分析与诊断单元通过小肠肌电信号采集电路连接控制装置的信号输出接口，且小肠肌电信号采集电路、脉冲发生器、神经调控模式复用开关、调控脉冲算法单元、同步信号单元和信号分析与诊断单元均通过电源管理模块连接电池，通过电池单独为刺激器进行供电，所述控制装置的信号输入接口依次连接放大器和输入电极，通过输入电极采集人体小肠自发产生的电信号，所述输出电极和输入电极包埋在十二指肠肠道浆膜层，所述电刺激装置本体放置在腹壁皮下。

2.根据权利要求1所述的一种闭路小肠电刺激装置，其特征在于，所述控制装置通过无线模块连接无线充电器和计算机系统，通过无线充电器对控制装置连接的电源进行充电。

3.根据权利要求1所述的一种闭路小肠电刺激装置，其特征在于，所述输出电极和输入电极通过电极线连接电刺激装置本体。

4.根据权利要求1或3所述的一种闭路小肠电刺激装置，其特征在于，所述电刺激装置本体具有如下参数：脉冲宽度0.1-10毫秒，脉冲频率5-100Hz，脉冲强度1-10毫安，脉冲为连续的或者间断的，如果是间断的，每一串脉冲的频率与小肠电活动的慢波频率一致。