CN107249682A - 光伏电刺激设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在涉及借助于电耦合至电可兴奋组织(Zbio)的两个电极(3n，3p)向所述组织递送电流的医学治疗中使用的光电刺激设备，所述光电刺激设备包括：(a)电脉冲源(4)，电连接至发光源；(b)所述发光源(2)，与光伏电池光学连通；(c)所述光伏电池(1)，电连接至两个电极(3n，3p)以用于建立与所述组织的两个电触头并且因此形成由所述光伏电池(1)馈电的电刺激电路，所述光伏电池通过所述发光源(2)的辐射而被通电。

Description

光伏电刺激设备
技术领域
本发明涉及一种用于在涉及借助于电耦合至电可兴奋组织(如神经或肌肉)的两个电极向所述组织递送电流的医学治疗中使用的电刺激设备。具体地，本发明涉及这种设备使用光激光伏电池来生成第送至所述组织的电流。
背景技术
本领域已知向如神经或肌肉等组织递送电流用于诊断或治疗如帕金森氏病、癫痫、慢性痛、运动障碍等许多障碍以及许多其他应用。在其最简单的形式中，一种用于递送这种电脉冲的设备包括：电脉冲发生器、刺激电极以及将电极电耦合至电脉冲发生器的导线。根据这些应用，电极可以施加到皮肤上，并且电流经皮地传输至待治疗的组织。然而，对一些应用而言，电极必须直接施加到待治疗的组织上，这需要使用可植入设备。清楚的是，在后一种情况下，植入物的微型化是至关重要的。
根据待治疗的组织、所使用的电极的类型以及电极之间的距离，植入式电极之间所需要的电压通常大约为15V±5V。这种电压需要具有一定尺寸的电脉冲发生器，所述尺寸为使得电刺激植入物通常由以下两个单独部件形成：一方面，直接植入到待治疗的组织上的电极，以及另一方面，具有更大尺寸的电脉冲发生器，所述电脉冲发生器可以根据应用植入到身体的各个位置处，但是最经常在锁骨下区、下腹部区域或臀部区域。将脉冲发生器连接至电极的导线通常被卷绕以便提供灵活性、允许电脉冲发生器与电极之间的距离变化、并且以相对于身体移动的更高顺应性来增强机械稳定性。因为使用电线(具体地当被卷绕时)，所以这种植入物与磁共振成像(MRI)装置不兼容，并且还与简单的金属检测门(如在机场、银行等中使用的)不兼容。
如图1(b)中所示出的，数模转换器(DAC)通常用于向刺激电路递送所需要的电流和电压，但是很少有数模转换器在大于5V或者甚至大于10V的电压上让人满意地准确同时仍然提供足够的电流分辨率并且具有与可植入设备兼容的功耗。
复合动作电位(CAP)是由电极刺激的组织的所有单独光纤动作电位的代数和。记录CAP是重要的，因为其揭示了组织对刺激、阈值电压、CAP开始的等待时间、构成受刺激组织的光纤类型的分布等的反应性。对在刺激点附近的CAP响应的记录是相当有挑战的，因为神经CAP的小振幅(通常几十μV)，而刺激在5到15伏的范围内，这导致由严重模糊真实CAP信号的刺激假象输入的记录的大污染。
电刺激植入物中的电脉冲发生器通常由电池供电，一次电池(非可再充电电池)或者可再充电电池。可再充电电池必须以规则间隔再充电，同时再充电周期的数量减小了电池寿命和容量，这可能是从一天到几个月的范围，取决于电池的应用和类型和尺寸。如以上所讨论的，电池通常植入远离待刺激组织，在如子锁骨区域、腹部区域或臀部区域等地方。可以通过本领域已知的方式对电池经皮地再充电。例如，可植入医疗设备可以包括被配置成用于提供能量以便对电源(如电池)进行再充电的太阳能电池。太阳能电池可以植入到宿主的身体中，从而使得在透明皮肤层下提供太阳能电池的表面，这允许太阳能电池从身体外接收光。在US20090326597、WO2014136022或US20120035725中公开了这种系统的示例。
US8744568提出了一种包括由光伏电池作为电源来进行电刺激的可植入电活性聚合物的医疗设备。这种设备可以特别用于原位释放治疗剂。然而，这种设备不用于电刺激组织。
本领域仍然需要安全、可靠、具有较长自治的组织电刺激设备。其还应当与MRI兼容，允许CAP在刺激点附近进行记录并且对植入物而言具有小尺寸。本发明提出了一种这样的设备。下面的部分呈现了本发明的这些和其他优点。
发明内容
本发明在所附的独立权利要求中被限定。优选实施例在从属权利要求中进行定义。具体地，本发明涉及一种用于在涉及借助于电耦合至电可兴奋组织的两个电极向所述组织递送电流的医学治疗中使用的光电刺激设备，所述光电刺激设备包括：
(a)电脉冲源，电连接至发光源，
(b)所述发光源，与光伏电池光学连通，
(c)所述光伏电池，电连接至两个电极以用于建立与所述组织的两个电触头并且因此形成由所述光伏电池馈电的电刺激电路，所述光伏电池通过所述发光源的辐射而被供能。
在优选实施例中，所述电脉冲源适合于使所述发光源发射具有包括在1μs与10ms之间、优选地在10μs与1ms之间的持续时间的经校准的光脉冲。可以选择所述光伏电池，从而使得，当通过所述发光源而被供能时，其优选地以比可从所述电脉冲源获得的电压更高的电压递送包括在0.01μC与50μC之间、优选地在0.1μC与10μC之间的电荷。
在实践中，优选的是，所述光电刺激设备进一步包括外壳，所述外壳包含所述电脉冲源并且与所述电极物理地分离。所述刺激设备可以因此呈现以下配置之一：
(a)所述外壳还包含所述发光源、所述光伏电池，并且包括适合于将所述光伏电池电连接至所述两个电极以便形成所述电刺激电路的电连接器；或者
(b)所述外壳还包含所述发光源并且连接至光纤，所述光纤用于将由所述发光源发射的所述光传输至所述光伏电池，所述光伏电池封闭在被定位成与所述外壳分离并且与所述电极相邻的壳体中；或者
(c)所述壳体封闭所述光伏电池和所述发光源，所述发光源与包含在所述外壳中的所述电脉冲源电接触。
为了防止破坏性副作用，优选的是，所述光电刺激设备进一步包括：
●恢复发光源，与恢复光伏电池光学连通，
●所述恢复光伏电池，电连接至所述两个电极以用于建立与所述组织的两个电触头并且因此形成电荷恢复电路，所述电荷恢复电路与所述电刺激电路并联并且由所述恢复光伏电池馈电，
从而使得当所述恢复光伏电池通过所述恢复发光源而被供能时，电流在与所述电刺激电路中流动的所述电流相反的方向上流过所述组织，以便移除在所述电极组织界面处累积的任何电化学电荷。
出于安全原因并且为了防止直流电(DC)传输至所述刺激电路，优选的是，所述光电刺激设备进一步包括DC阻隔电路，所述DC阻隔电路包括与所述发光源串联放置的安全电容。
根据本发明的光电刺激设备可以包括无线控制系统，所述无线控制系统指示在刺激序列期间实际上递送至组织的电流。在一个实施例中，所述控制系统可以包括与所述电极和所述光伏电池串联定位的控制发光源，所述控制发光源当被电激活时发射光，所述设备进一步包括发光传感器，所述发光传感器与所述控制发光源光学连通并且耦合至被编程用于记录由所述控制发光源发射的所述脉冲的处理器，所述处理器优选地为所述电脉冲源的一部分。
在替代性实施例中，所述控制系统可以包括控制电路，所述控制电路包括：
(a)控制光伏电池(1C)，所述控制光伏电池与同所述刺激电路的所述光伏电池(1)相同的发光源(2)光学连通，
(b)控制发光源(13)，所述控制发光源当被所述控制光伏电池(1R)电激活时发射光，所述设备进一步包括：
(c)发光传感器(9)，所述发光传感器与所述控制发光源(13)光学连通，并且耦合至被编程用于记录由所述控制发光源发射的所述脉冲的处理器，所述处理器优选地为所述电脉冲源的一部分。
所述光电刺激设备可以采用植入物的形式被设计为使得可以在待电刺激的所述组织附近植入至少所述电极。可以在远离待刺激的所述组织的位置处植入至少包含所述电脉冲源的外壳。在优选实施例中，至少包含所述光伏电池的壳体可以植入到与所述电极以及待电刺激的所述组织相邻的位置。
优选地从(a)神经组织和(b)肌肉组织中选择被馈送有电流的所述电可兴奋组织。根据本发明的光电刺激设备可以用于在许多医疗应用中对神经和肌肉组织两者的诊断和治疗应用。除了可植入设备之外，根据本发明的光电刺激设备可以通过将电极施加到患者皮肤上而不是将其植入来经皮地刺激组织。体外设备可以类似地用于许多诊断和治疗应用。
附图说明
为了更充分理解本发明的性质，结合附图参考以下详细说明，在附图中：
图1：示出了(a)现有技术的电刺激设备的示例、(b)电脉冲源的示例、以及(c)电脉冲序列的示例。
图2：示出了(a)根据本发明的电刺激设备、以及(b)光伏电池的示例。
图3：示出了本发明的具有采用不同配置布置的电脉冲源(4)、发光源(2)以及光伏电池(1)的各个实施例。
图4：示出了(a)后接恢复脉冲的刺激脉冲；并且其余附图(b)至(d)示出了根据本发明的的刺激电路，(b)耦合至恢复电路、(c)包括并联的电阻、(d)包括串联的电容以及并联的电阻，并且(d)其中，发光电路包括电容。
图5：示出了用于在传输至受刺激组织的脉冲上提供反馈的各个实施例。
图6：示出了发光源和电脉冲源的各种配置。
具体实施方式
如图1(a)中所展示的，传统电脉冲刺激设备包括耦合至电极(3n，3p)的电脉冲源(4)，所述电极在体外电极的情况下施加到待刺激组织区域中的皮肤上，或者在式植入设备的情况下直接施加到待治疗的组织上。附图中，待刺激组织表示为Zbio。出于安全原因，电路中通常添加电容以便防止DC电流一不小心递送至组织。
电脉冲源(4)必须能够非常准确地递送具有强度包括在0.01mA与100mA之间以及更高并且持续时间包括在1μs与10ms之间、优选地在10μs与1ms之间的经校准的电流脉冲。图1(b)中表示了电流源(4)的示例，包括：发生器(如电池)；被编程用于递送具有所需形状、强度(i0)、持续时间(ti)的经校准的脉冲并且以所需频率(1/tf)对其进行递送的微控制器(μc)；以及用于将μc的数字信号转换成发送至电极的模拟信号的数模转换器(DAC)。通常需要分辨率为至少8位，以便确保所需要的选择性和微调。
根据本发明以及根据现有技术的电刺激设备必须能够将大约0.01μC到50μC(优选地0.1μC到10μC)的电荷递送至待治疗的组织。对植入式电极而言，组织的电阻Zbio大约为3kΩ到5kΩ。随着大约mA(如0.1mA到3mA)的电流，电极之间所需要的电压大约为10V。对使用体外(或经皮)电极的表面刺激设备而言，组织的电阻Zbio实质上更高，具有大约为100kΩ的典型值，并且对具有大约为不大于100mA的100μs长电流脉冲而言，电极之间可能需要大约为高达300V的电压。根据应用，电脉冲的持续时间可能在从1μs到10ms(优选地从10μs到1ms)的范围内。
如介绍中所讨论的，通过相对长的导线(所述导线通常被卷绕)递送电流是不利的，因为它们不兼容MRI和磁性金属检测门。此外，电刺激设备的电流需求是为使得它们需要大容量电池和/或电池的频繁充电，在频繁重复的情况下这对患者来说是长且乏味的操作。
如图2(a)中所展示的，根据本发明的电刺激设备以由电脉冲源(4)递送的电脉冲到达电极的方式不同于现有技术设备。电脉冲源(4)可以具有图1(b)中所表示的类型。本发明的主旨在于：与现有技术的设备相反，电流没有直接从脉冲发生器(4)递送至电极(3n，3p)，而是递送至发光源(2)。有利地，发光源(2)是发光二极管(LED)或激光LED。本文中术语“光(light)”在广义上使用，不限于可见光。适合于本发明的发光源(2)应当能够发射具有包括在300nm与2000nm之间(优选地在400nm与1800nm之间，更优选地在700nm与1550nm之间)的波长的光。所发射的光优选地是单色的。
当由电脉冲源(4)递送电流I4时，发光源(2)发射的光脉冲的能量借助于被定位成与发光源(2)光学连通并且递送电流I1的光伏(PV)电池(1)转换成电流。光伏电池(2)包括吸收光并将光转换成电流I12的吸收材料(例如，掺杂或非掺杂半导体)。光伏电池的关键特性之一是光功率转换(OPC)，所述光功率转换测量材料将光转换成电流的能力。给定光伏电池的光功率转换当然取决于所吸收的光的波长。因此，必须经常结合最适合与这种光伏电池一起使用的发光源来选择光伏电池的类型。已经实现了具有单色光的更高的光功率转换，并且已经在文献中报道了高达50％的OPC值。最常使用的光伏电池包括非晶、单晶或多晶硅PV电池、碲化镉PV电池(CdTe)、铜铟镓硒PV电池(CI(G)S)、砷化镓锗PV电池(GaA)等。
如图2(b)中所展示的，光伏电池的吸收材料(12)通常被模制为PV电路(10)，所述PV电路包括电流源(12)，所述电流源与二极管(11)并联并且与串联和并联的电阻并联。这种PV电路的电压输出取决于对其施加的负载以及二极管的特性。为了使光伏电池(1)的电压输出范围变宽，可以串联布置若干这种PV电路(10)，如图3(b)中由“Nx”指示的。
每个光伏电池由可从供应商处获得的电流与电压曲线表征，具有独立于电压递送的线性的、基本上恒定的强度，所述强度受限于限定电压的最大功率阈值，在所述电压之上电流突然下降。清楚的是，必须根据在电极处需要的期望电压来选择单独使用或者结合其他光伏电池使用(参照图6)的光伏电池(1)，从而使得，对于期望电流而言，所述电压正好在电流与电压曲线的线性部分内(即，正好在功率阈值之下)。本领域技术人员知道如何确保满足这种需求。
电流直接从光伏电池(1)而不像现有技术那样由电脉冲源(4)递送至电极(3n，3p)。这具有许多优点。例如，当植入式电极(3n，3p)之间需要大约为10V的电压时，发光源(2)需要更低的电压，大约为0.5V到4.5V(优选地0.8V到3V)，所述更低的电压在减小尺寸和延长电脉冲源(4)的自治方面具有明显的优势。例如，与如图1(a)中所展示的设备相反，本发明的设备不需要DC-DC转换器来将可用电池电压升压到高达所需要的高输出电压。
此外，在电脉冲串期间，系统仅在刺激期间需要电流。例如，图1(c)示出了刺激脉冲序列的示例，包括具有持续时间ts的两个刺激串，每一个包括具有强度i0以及持续时间ti、以频率1/tf重复的n个脉冲(此处为方形)，并且由休息周期tr隔开。相比而言，在如图1(a)中所表示的现有技术的刺激设备中，电流生成电路的一部分和高压模拟前端需要始终充电或者需要与刺激脉冲之间的持续时间不兼容的较长上电时间。结果就是，现有技术的这种刺激设备将在图1(c)中所表示的n个脉冲串的整个刺激周期ts期间需要由电池递送的能量(也就是，n×tf)，而根据本发明的设备中的电流仅在光脉冲由发光源(2)发射期间(即，在时间＝(n×ti)<(n×tf)期间)需要电流。例如，表示对癫痫的治疗的刺激序列由30个脉冲表征，针对刺激周期ts＝30s，频率为1/tf＝1Hz，具有持续时间ti＝250μs，并且针对休息周期tr＝300s，时间tinv(发光源(2)必须被供能的时间)与时间tPA(根据图1(a)的电路必须被供能的时间)之比tinv/tPA等于0.03％。在频率1/tf＝30Hz时，n＝900，并且比率tinv/tPA＝ti/tf＝0.75％。1结果就是，在n个脉冲的刺激序列的持续时间ts期间，根据本发明的刺激设备被供能的时间仅为现有技术的刺激设备被供能的时间的一小部分(在之前那两个示例中，小于时间的1％(即，tinv/tPA<1％))，导致相当低的能量消耗。
所组合的两个前述效果——更低的电压和更短的供能时间——允许显著减小电脉冲源(4)的大小，和/或延长电池的自治，因此，为了植入物的宿主的益处和舒适性，需要显著不频繁的电池再充电期段。除以上讨论的癫痫之外的应用需要其他类型的刺激序列。图1(c)的脉冲序列特别简单，并且本领域技术人员知道许多不同序列是可能的。
根据本发明的光电刺激设备的电脉冲源(4)应当适合于使发光源发射具有持续时间包括在10μs与10ms之间的经校准的光脉冲。发光源(2)和光伏电池(1)应当被选择为使得：在每个脉冲期间，包括在0.01μC与50μC之间(优选地在0.1μC与10μC之间)的电荷由光伏电池(1)以期望电压(优选地大约为5V到30V，针对植入式设备优选地为15V±7V，并且针对体外设备，大约为300V)递送。这在由光伏电池(1)递送的电压大于可从电脉冲源(4)处获得的电压(所述电压可以大约为0.5V到4.5V，优选地0.8V到3V)的情况下是有利的。
如图3(a)中所展示的，整个刺激电路可以封闭在外壳(20)中，所述外壳具有用于连接结束于电极(3n，3p)中的电线的电连接器(8)。这种配置将类似于现有技术植入式电刺激器中常规使用的配置，具有更低的能量消耗的优点。对体外电极而言，对电线的使用对于与包括电耦合至身体的电流发生器的任何系统有关的安全问题表现明显的优势，因为电极(3n，3p)与电脉冲源(4)电分离并且电隔离。另一方面，对于植入式电极，另一方面，对导电线的使用与MRI装置不兼容。
根据本发明的光电刺激设备是非常有利的，因为刺激电路的所有元件(除电池之外)都非常小，并且可以集成在封闭于具有非常小的尺寸
的壳体(30)内的集成电路(IC)中，具有非常有限的功耗和加热。结果就是，当电池可以包含在外壳(20)中时，刺激电路的剩余部分可以被定位成与电极相邻。例如，如图3(b)中所展示的，电脉冲源(4)可以存储在外壳(20)中；同时所有其他元件(包括发光源(2)和光伏源)都可以集成在同一封装体(30)中。
通过将发光源(2)移动到包含电脉冲源(4)的外壳(20)中，可以获得如图3(c)中所展示的无电线系统，其中，从外壳(20)发射的光借助于光纤(7)被传输至包含位于电极(3n，3p)附近或其上的光伏电池(1)的封装体(30)。这具有与包括导线的设备相反的完全MRI兼容的优点。
在图3(d)中所展示的实施例中，发光源(2)和电脉冲源(4)位于宿主身体之外，同时光伏电池(1)被皮下地植入，并且暴露于通过皮肤(7s)发射和传输的光下。此实施例也没有导线，但是仅适合于间歇性治疗，因为光伏电池(1)必须暴露于外部发光源(2)下。
递送至组织的电荷必须被恢复，以免将发生不可逆电化学变化。出于这个原因，优选的是，使电路为双极性，即，电流可以在两个方向上循环。刺激电路在第一方向上运输电荷以便刺激组织，并且形成在相反方向上运输电荷的电荷恢复电路。此过程在图4(a)中展示，图4(a)示出了后接平衡电荷恢复脉冲(R)的电刺激脉冲(S)，所述平衡电荷恢复脉冲应当理想地具有与刺激脉冲相同的电流×时间区域。图4(b)中展示了恢复电路的示例。电路的位于待治疗的组织(Zbio)的左手边的部分是如以上所讨论的刺激电路，并且与图2(a)中所展示的电路相对应。在组织(Zbio)右手边的电路是与刺激电路并联安装的恢复电路，并且仅由于电流I1R的方向相对于刺激电路的电流I1翻转而不同于后者。电荷恢复电路包括其自身的发光源(2R)和其自身的光伏电池(1R)。刺激电路和恢复电路旨在交替地激活而不是同时激活。
图3(e)中展示了恢复电路的另一个实施例，示出了：被并联并且在相反方向上定位的独立电脉冲源(4，4R)；发光源(2，2R)；以及光伏电池(1，1R)。在此实施例中，两个发光源(2，2R)位于借助于光纤光学地连接至包含两个光伏电池(1，1R)的壳体(30)的外壳(20)中。为了防止两个光伏电池(1，1R)被同时激活，滤波器(1F，1RF)被定位在发光源(2，2R)与光伏电池(1，1R)之间。发光源(2，2R)优选地以不同单色光谱进行发射，并且刺激滤波器(1F)截断恢复发光源(2R)的波长，同时恢复滤波器(1RF)截断由刺激发光源(2)所发射的波长。使用这种简单系统，当使用单个纤芯用于从这两个发光源(2，2R)进行光传输时，可以避免同时激活刺激电路和恢复电路。另一种选项(不一定需要滤波器(1F，1RF)并且允许使用具有同一波长的发光源)是使用两个单独的纤芯(7，7R)，每个纤芯用于将来自这两个源(2，2R)之一的光专门传输至相应光伏电池(1，1R)。这两个纤芯可以封闭在单个光纤包层内(参照图3(f))。
其他恢复系统也是可能的。例如，如图4(c)中所展示的，恢复电阻器被定位成与光伏电池(1)并联。在图4(d)中，与光伏电池(1)串联定位的电容(5d)允许恢复电荷。当然，在稍后阶段需要对由电容恢复的电荷进行放电。图4(e)中所展示的电路包括串联定位在发光源(2)的电路中的电容(5)。此系统提供了高等级安全，因为如果没有电流到达发光源(2)，则在刺激电路中不可能由光伏电池(1)生成电流。因为组织中的DC放电几乎不可能，所以这是很明显的优势。
记录复合动作电位(CAP)(即，实际流过组织(Zbio)的电流)是对负责治疗的人员的重要反馈。这种记录相当困难，因为其需要使用在处理器与电极之间延伸的附加电线来测量与电极相邻的信号。同时，对于完整的CAP测量而言，本发明的设备也需要这种额外电线，前者允许刺激电路与CAP测量电路电隔离，从而通过消除刺激假象来促进所述测量。本发明还允许无线地记录由光伏电池(1)实际传输至受刺激组织的电流。通过确保确实将由电脉冲源(4)所发射的信号递送至经治疗的组织，这种反馈系统可以检测光传输中的故障。还可以通过全电极电位测量来使反馈信息完整，所述全电极电位测量提供电极阻抗值，并且确认评估生理参数所需要的对目标组织的激活。图5示出了允许在PV电池或电极处对所生成的电流进行反馈测量的各个实施例。
图5(a)示出了包括控制光伏电池(1C)的实施例，所述控制光伏电池借助于单个光纤(7)而暴露于与刺激电路的光伏电池(1)相同的发光源(2)下。发光二极管耦合至控制光伏电池(1C)，并且当后者被电流I1C激活时发射光。位于光纤另一端并且耦合至微控制器的发光传感器(9)被提供用于记录指示发光源(2)确实到达光伏电池(1)以及控制电池(1C)的所有光信号。
当图5(a)的控制系统是间接的(由于没有直接在刺激电路上测量电流)时，图5(b)的实施例是直接控制系统。发光二极管(13)(LED)串联定位在刺激电路中。每当电流在刺激电路中循环时，LED(13)就发射光，所述光由耦合至微控制器的发光传感器(9)接收。此实施例以极其紧凑的形式给出了对实际上递送至组织的刺激电流的直接记录，不需要额外电线。
图5(c)的实施例与相对于具有附加恢复电路的图5(b)所讨论的实施例相同。刺激电路和恢复电路两者都提供有串联定位在对应电路中的LED(13)。发光传感器(9)被提供用于两个LED，并且耦合至微控制器，所述微处理器可以然后以刺激模式和恢复模式两者记录设备的CAP。
因为是高电压精度电流源，根据本发明的光电刺激设备是非常有利的。此外，其是非常多功能的，并且通过装配一些基础元件，其可以适应于各种需求，如电极处的电压输出动态。图6(a)示出了给定电脉冲源(4)、发光源(2)和光伏电池(1)的与图2(a)中所表示的设备相对应的基础组件。如图6(b)中所示出的，可以通过将光伏电池串联定位来增大电极处可用的电压。这是重要的特征，因为，如更早讨论的，电极处需要的电压从大约10V(并且针对植入式电极更大，并且针对体外电极高达300V)开始变化。替代性地，如图6(c)中所展示的，光伏电池(1)可以被并联定位以便增大电流强度。
取决于电脉冲源(4)的电压，若干发光源(2)(如LED(2))的采用不同配置的组件也可能是有利的。例如，如果电脉冲源(4)的电压相对低，例如，大约1.8V，则LED(2)可能优选地如图6(b)&6(c)所示出的那样被串联定位。另一方面，使用递送更高电压(例如，3.7V)的电脉冲源(4)，可能有利的是，如图6(d)中所示出的那样并联定位LED，以便防止电压随着电流递送的减少而下降。本设备的灵活性通过采用不同配置来安排基础部件而非常有利，并且降低了生产成本。若干发光源(2)与光伏电池(1)的其他安排(串联安排、并联安排或串联和并联安排的组合)是可能的。
出于以下原因，本发明的光电刺激设备也是非常有利的。首先，其满足了对组织刺激设备的要求。具体地，其能够向电极(3n，3p)递送所需要的电流(大约为0.01mA到100mA，并且更具体地大约为0.1mA到3mA)。电极处的期望电压可以很容易被递送，针对植入式电极(具有大约为10V以及更高的电压)以及体外电极(具有可以高达300V的电压)两者。设备可以很容易提供至少8位分辨率用于选择性和微调。其可以配备有非常高效的恢复电路，从而产生两级系统。因此，本发明的光电刺激设备适用于医疗应用中。然而，出于以下原因，其比现有刺激设备更有利。
本发明的光电刺激设备比图1(a)中所描绘的类型的现有设备紧凑的多。不仅因为比根据图1(a)的设备消耗更少的功率所以其需要更小的电池(或者同一电池具有更长的自治)，而且光伏电池(1)以及可选地发光源(2)可以紧凑到它们可以被定位成与电极相邻的程度(即使针对植入式电极)。这给出了使用光纤代替与MRI装置和磁金属检测器门不兼容(特别是当电线被卷绕时)的任何电线的可能性。利用由基础元件的各种组合提供的多功能性，本发明的光电刺激设备可以适应于最特定的医疗应用，不管待刺激组织的类型以及每种应用所需要的电压和电流如何。电脉冲源(4)的电压不需要匹配电极(3n，3p)之间所需要的电压。此外，其非常安全，这是对医疗设备而言非常重要的特征。这种设备中的泄漏(暗电流)是可以忽略的，大约为小于100nA。除了本领域已知的安全特征之外，被定位在发光电路中的电容几乎排除了DC电流到电极的任何递送。
医疗应用
根据本发明的光电刺激设备可以用于电刺激从(a)神经组织和(b)肌肉组织中所选择的电可兴奋组织(Zbio)。电极可以被植入并且直接施加到待刺激组织上，或者替代性地，它们可以在待刺激组织所位于的区域处被施加到皮肤上。在植入式电极的情况下，只要电极被植入，则所有实施例都是可能的。具体地，光伏电池(1)、发光源(2)和电脉冲源(4)可以被植入或者不被植入。如参照图3所讨论的，即使设备的所有元件被植入，它们也可以植入到宿主身体的不同区域处。本发明独一无二的特征是，光伏电池(1)以及可选地发光源(2)可以被小型化到一定程度，从而使得，它们可以植入到与电极以及待刺激组织相邻，同时仅电脉冲源(4)以及可选地发光源(2)被分别地植入，并且可以是无线的，如图3(c)中所展示的使用光纤来将光传输至光伏电池(1)。
根据本发明的可植入光电刺激设备可以有利地用于在以下应用中的任何应用中刺激(a)神经组织(Zbio)：
(a1)用于治疗帕金森氏病、癫痫、抑郁症、强迫症、肌张力障碍、特发性震颤、疼痛或失明的深部脑刺激；
(a2)用于治疗耳聋、失明或癫痫的皮质脑刺激；
(a3)用于治疗疼痛、截瘫、痉挛、帕金森氏病的脊髓刺激；
(a4)用于治疗疼痛、失禁的脊髓根刺激；
(a5)感觉神经刺激，如用于耳聋的耳蜗刺激或者用于失明的视神经刺激；
(a6)用于治疗中央来源的瘫痪如减足综合症的运动神经刺激，用于治疗呼吸道疾病的膈神经刺激，用于治疗睡眠呼吸暂停综合症的舌下神经刺激；
(a7)用于治疗疼痛或提供触觉反馈或具有假肢的患者的其他感觉形态信息的感觉神经刺激；
(a8)用于治疗癫痫、抑郁症、疼痛、炎症综合症、肥胖症、心力衰竭的迷走神经刺激；
类似地，其可以有利地用于在以下应用中的任何应用中刺激(b)肌肉组织(Zbio)：
(b1)用于治疗脊柱侧凸、外围来源的各种瘫痪、呼吸功能不全、睡眠呼吸暂停综合症的肌肉刺激；或者
(b2)用于治疗心率失常的心脏刺激。
根据本发明的体外光电刺激设备可以用于通过测量反应潜伏期、传导速度、反应幅度、刺激阈值、或者直接或反射性反应的募集曲线来诊断神经和肌肉疾病。这种诊断方法可以包括以下应用中的任何应用：
(i)运动神经测试，所述刺激器凭借所述运动神经测试通过皮肤激活运动或混合神经，同时相应机械或电肌肉活动被记录。
(ii)感觉神经测试，所述刺激器凭借所述感觉神经测试通过皮肤激活感觉神经，同时所产生的神经复合动作电位被记录。
(iii)对感觉或混合神经的经皮刺激，同时记录沿着中央路径上升到大脑的各个点处的诱发电位。
(iv)直接经皮肌肉刺激，同时相应机械或电肌肉活动被记录。
替代性地，本发明的体外光电刺激设备可以用于治疗应用，包括运动神经或肌肉的经皮刺激：
(i)在对中央来源的瘫痪或轻度瘫痪进行的假体治疗中进行，例如对‘减足综合症’的治疗，
(ii)维持外周器官的状态，同时瘫痪的中央神经结构再生，以便避免痉挛、褥疮和其他固定并发症。
(iii)在局部无力或如脊柱侧凸等不对称的情况下提高肌肉强度，
(iv)在健身和运动训练应用中进行。
本发明的体外光电刺激设备还可以用于通过感觉神经或敏感区的经皮刺激进行的治疗处理：
(i)减少疼痛。
(ii)在感觉替换设备中呈现具有图案化皮肤刺激的盲人。
(iii)在设备中提供警告或传入信号来对抗嗜睡。
参考 描述
1 光伏电池电刺激电路
1C 向控制光源(13)馈电的控制光伏电池
1F 用于刺激电路的发光源(2)专用的过滤元件
1R 向电恢复电路馈电的恢复光伏电池
1RF 用于恢复电路的发光源(2R)专用的过滤元件
2 向光伏电池(1)供能的发光源
2R 向恢复光伏电池(1R)供能的恢复发光源
3n 正极
3p 负极
4 电脉冲源
5 电容
6 电阻
7 光传输介质，例如，光纤
7R 光传输介质，例如，用于向恢复电路供能的光纤
7s 皮肤
8 电连接器
9 发光传感器
10 光伏电池中的光伏二极管电路
11 光伏二极管电路(10)中的二极管
12 光伏电池中的电流源(光伏部件)
13 控制发光源
20 至少包含所述电源(电池)的外壳
30 壳体(被定位成与待电刺激的组织相邻)

Claims (14)

1.一种用于在涉及借助于电耦合至电可兴奋组织(Zbio)的两个电极(3n，3p)向所述组织递送电流的医学治疗中使用的光电刺激设备，所述光电刺激设备包括：
(a)电脉冲源(4)，电连接至发光源，
(b)所述发光源(2)，与光伏电池光学连通，
(c)所述光伏电池(1)，电连接至两个电极(3n，3p)以用于建立与所述组织的两个电触头并且因此形成由所述光伏电池(1)馈电的电刺激电路，所述光伏电池通过所述发光源(2)的辐射而被供能。
2.根据权利要求1所述的光电刺激设备，其中，所述电脉冲源(4)适合于使所述发光源发射具有包括在1μs与10ms之间的持续时间的经校准的光脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的光电刺激设备，其中，当通过所述发光源(2)而被供能时，所述光伏电池(1)以比可从所述电脉冲源(4)获得的电压更高的电压递送包括在0.01μC与50μC之间、优选地在0.1μC与10μC之间的电荷。
4.根据以上权利要求中任一项所述的光电刺激设备，进一步包括外壳(20)，所述外壳包含所述电脉冲源(4)并且与所述电极物理地分离。
5.根据权利要求4所述的光电刺激设备，包括以下配置之一：
(a)所述外壳(20)还包含所述发光源(2)、所述光伏电池(1)，并且包括适合于将所述光伏电池(1)电连接至所述两个电极(3p，3n)以便形成所述电刺激电路的电连接器(8)；或者
(b)所述外壳(20)还包含所述发光源(2)并且连接至光纤(7)，所述光纤用于将由所述发光源(2)发射的所述光传输至所述光伏电池，所述光伏电池封闭在被定位成与所述外壳(20)分离并且与所述电极(3n，3p)相邻的壳体(30)中；或者
(c)所述封装体(30)封闭所述光伏电池(1)和所述发光源(2)，所述发光源与包含在所述外壳(20)中的所述电脉冲源电接触。
6.根据以上权利要求中任一项所述的光电刺激设备，进一步包括：
●恢复发光源(2R)，与恢复光伏电池光学连通，
●所述恢复光伏电池(1R)，电连接至所述两个电极(3n，3p)以用于建立与所述组织的两个电触头并且因此形成电荷恢复电路，所述电荷恢复电路与所述电刺激电路并联并且由所述恢复光伏电池(1R)馈电，
从而使得当所述恢复光伏电池(1R)通过所述恢复发光源(2R)而被供能时，电流(I1R)在与所述电刺激电路中流动的所述电流(I1)相反的方向上流过所述组织，以便移除在电极组织界面处所感生的任何电化学电荷。
7.根据以上权利要求中任一项所述的光电刺激设备，进一步包括DC阻隔电路，所述DC阻隔电路包括与所述发光源(2)串联放置的安全电容(5)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的光电刺激设备，进一步包括与所述电极(3p，3n)和所述光伏电池(1)串联定位的控制发光源(13)，所述控制发光源当被电激活时发射光，所述设备进一步包括发光传感器(9)，所述发光传感器与所述控制发光源(13)光学连通并且耦合至被编程用于记录由所述控制发光源发射的所述脉冲的处理器，所述处理器优选地为所述电脉冲源(4)的一部分。
9.根据权利要求4至7中任一项所述的光电刺激设备，进一步包括控制电路，所述控制电路包括：
(a)控制光伏电池(1C)，所述控制光伏电池与同所述刺激电路的所述光伏电池(1)相同的发光源(2)光学连通，
(b)控制发光源(13)，所述控制发光源当被所述控制光伏电池(1R)电激活时发射光，所述设备进一步包括：
(c)发光传感器(9)，所述发光传感器与所述控制发光源(13)光学连通，并且耦合至被编程用于记录由所述控制发光源发射的所述脉冲的处理器，所述处理器优选地为所述电脉冲源(4)的一部分。
10.根据以上权利要求中任一项所述的光电刺激设备，其中，所述光伏电池(1)包括单个光伏二极管电路(10)，或者替代性地包括被串联安排以便控制所述光伏电池(1)的电压的N个光伏二极管电路(10)，其中，N≥2。
11.根据以上权利要求中任一项所述的光电刺激设备，所述光电刺激设备采用植入物的形式被设计为使得可以在将被电刺激的所述组织处植入至少所述电极(3n，3p)，可以在远离待电刺激的所述组织的位置处植入至少包含所述电脉冲源(4)的外壳(20)，并且其中，优选地，至少包含所述光伏电池(1)的壳体(30)可以植入到与所述电极以及待电刺激的所述组织相邻的位置。
12.根据以上权利要求中任一项所述的光电刺激设备，其中，从(a)神经组织和(b)肌肉组织中选择被馈送有电流的所述电可兴奋组织(Zbio)。
13.根据权利要求11所述的光电刺激设备，所述光电刺激设备在以下刺激中的一种或多种刺激中用作至少部分可植入设备：
(a1)用于治疗帕金森氏病、癫痫、抑郁症、强迫症、肌张力障碍、特发性震颤、疼痛或失明的深部脑刺激；
(a2)用于治疗耳聋、失明或癫痫的皮质脑刺激；
(a3)用于治疗疼痛、截瘫、痉挛、帕金森氏病的脊髓刺激；
(a4)用于治疗疼痛、失禁的脊髓根刺激；
(a5)感觉神经刺激，如用于耳聋的耳蜗刺激或者用于失明的视神经刺激；
(a6)用于治疗中央来源的瘫痪如减足综合症的运动神经刺激，用于治疗呼吸道疾病的膈神经刺激，用于治疗睡眠呼吸暂停综合症的舌下神经刺激；
(a7)用于治疗具有假肢的患者的疼痛或提供触觉反馈或其他感觉形态信息的感觉神经刺激；
(a8)用于治疗癫痫、抑郁症、疼痛、炎症综合症、肥胖症、心力衰竭的迷走神经刺激；
(b1)用于治疗脊柱侧凸、外围来源的各种瘫痪、呼吸功能不全、睡眠呼吸暂停综合症的肌肉刺激；或者
(b2)用于治疗心率失常的心脏刺激。
14.根据权利要求11所述的光电刺激设备，所述光电刺激设备在以下刺激中的一种或多种刺激中用作体外设备：
(a)通过在以下结构中测量反应潜伏期、传导速度、反应幅度、刺激阈值、直接或反射性反应的募集曲线来诊断神经和肌肉疾病：
(i)运动神经测试，所述刺激器凭借所述运动神经测试通过皮肤激活运动或混合神经，同时相应机械或电肌肉活动被记录。
(ii)感觉神经测试，所述刺激器凭借所述感觉神经测试通过皮肤激活感觉神经，同时所产生的神经复合动作电位被记录。
(iii)对感觉或混合神经的经皮刺激，同时记录沿着中央路径上升到大脑的各个点处的诱发电位。
(iv)直接经皮肌肉刺激，同时相应机械或电肌肉活动被记录。
(b)通过运动神经或肌肉的经皮刺激进行的治疗处理：
(i)在对中央来源的瘫痪或轻度瘫痪进行的假体治疗中进行，例如对‘减足综合症’的治疗。
(ii)维持外周器官的状态，同时瘫痪的中央神经结构再生，以便避免痉挛、褥疮和其他固定并发症。
(iii)在局部无力或如脊柱侧凸等不对称的情况下提高肌肉强度。
(iv)在健身和运动训练应用中进行。
(c)通过感觉神经或敏感区的经皮刺激进行的治疗处理：
(i)减少疼痛。
(ii)在感觉替换设备中呈现具有图案化皮肤刺激的盲人。
(iii)在设备中提供警告或传入信号来对抗嗜睡。
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