CN107405076A - 包括电极和换能器的神经束袖带 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于记录和刺激神经和其他组织的系统和方法。本发明描述了组织接口，其可以被配置为袖带或带状物并包括多个电极和超声换能器。组织接口被配置为电子地和超声地刺激组织，诸如肌肉组织和神经组织。组织接口也被配置为通过利用一个或多个电极记录目标组织的电活动来监测目标组织并利用一个或多个超声换能器对目标组织进行成像。

Description

包括电极和换能器的神经束袖带

相关申请的交叉引用

本申请要求在2015年12月30日提交的、题为“NERVE BUNDLE CUFF INCLUDINGELECTRODES AND TRANSDUCERS”的美国专利申请No.14/983,998的优先权和权益，美国专利申请No.14/983,998要求在2015年2月13日提交的、题为“NERVE BUNDLE CUFF INCLUDINGELECTRODES AND TRANSDUCERS”的美国临时专利申请No.62/115,976的优先权和权益，两者的全部内容通过引用包含于此。

背景技术

电极可以被植入至目标组织中以从目标组织记录并刺激目标组织。例如，深度电极可以被植入至大脑中以用于治疗帕金森病和癫痫。患者的身体可能随着时间的推移用纤维组织包裹电极，从而降低其疗效。

发明内容

根据本发明的一个方面，组织接口装置包括生物相容的聚合物衬垫。装置还包括耦合至生物相容的聚合物衬垫的电极阵列。电极阵列包括与生物相容的聚合物衬垫的平面基本上垂直地突出的一个或多个电极轴杆。一个或多个电极轴杆中的每一个包括电极位置。装置还包括耦合至生物相容的聚合物衬垫的一个或多个超声换能器。

在一些实施方式中，一个或多个电极轴杆中的每一个包括沿着相应的一个或多个电极轴杆的长度分布的多个电极位置。一个或多个超声换能器可以包括块状铁电陶瓷、晶体的铁电体、铁电聚合物、电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电微机械换能器(pMUT)、以及电致伸缩聚合物中至少之一。

在一些实施方式中，装置包括控制器，其被配置为以用于刺激目标的第一频率和用于对目标进行成像的第二频率来激励一个或多个超声换能器。在一些实施方式中，控制器也被配置为记录在电极位置检测到的电信号。

在一些实施方式中，装置包括可充电电池。装置可以包括感应线圈以无线地接收来自外部源的能量并将所接收到的能量提供至可充电电池。

在一些实施方式中，电极阵列包括约2至约64个电极轴杆。在一些实施方式中，生物相容的聚合物衬垫是被配置为围绕神经缠绕的柔性袖带。

根据本发明的另一方面，方法包括将组织接口装置耦合至目标组织。组织接口装置包括生物相容的聚合物衬垫，以及耦合至生物相容的聚合物衬垫的一个或多个电极。装置还包括耦合至生物相容的聚合物衬垫的一个或多个超声换能器。方法还包括经由一个或多个电极将刺激信号输送至目标组织，并经由一个或多个超声换能器对目标组织进行成像。

在一些实施方式中，方法还包括经由一个或多个超声换能器超声地刺激目标组织。方法可以包括经由一个或多个超声换能器利用第一频率的超声能量对目标组织进行成像，以及经由一个或多个超声换能器利用与第一频率的超声能量不同的第二频率的超声能量超声地刺激目标组织。

在一些实施方式中，对目标组织进行成像包括检测目标组织上的瘢痕形成。在一些实施方式中，组织接口装置被配置为袖带并且将组织接口装置耦合至目标组织还包括围绕目标组织缠绕组织接口装置。

在一些实施方式中，一个或多个电极各自包括与生物相容的聚合物衬垫的平面基本上垂直地突出的电极轴杆，并且每个电极轴杆包括电极位置。在一些实施方式中，每个电极轴杆包括沿着电极轴杆的长度分布的多个电极位置。

在一些实施方式中，组织接口装置包括约2至约64个电极轴杆。在一些实施方式中，目标组织是神经组织。在一些实施方式中，一个或多个超声换能器包括块状铁电陶瓷、晶体的铁电体、铁电聚合物、电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电微机械换能器(pMUT)、以及电致伸缩聚合物中至少之一。方法还可以包括无线地对组织接口装置的电池进行充电。

附图说明

技术人员将理解这里描述的附图仅用于示意目的。应当理解，在一些情况中，所述实施方式的各个方面可以被扩大或放大地示出以便于理解所述实施方式。在图中，相同的附图标记通常在各个图中指相同的特征、功能上类似和/或结构上类似的元件。附图不必要按比例，而是强调示出教导的原则。附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。可以根据通过参考以下附图的以下示意性描述来更好地理解系统和方法，其中：

图1示出用于利用组织接口刺激和监测目标组织的示例性系统。

图2示出图1的系统中所示的示例性组织接口。

图3A和3B分别示出扁平和筒状构造的示例性袖带。

图4A和4B示出具有集成的超声换能器和电极的带状构造的另一示例性组织接口。

图5示出用于利用组织接口刺激目标组织的示例性方法的流程图。

具体实施方式

以上提出的并在以下更详细论述的各种概念可以以许多方式实现，所述概念不限于任何实施方式。具体实施和应用的示例被提供主要用于示意目的。

本发明描述了用于记录和刺激神经和其他组织的系统和方法。本发明描述了可以被配置为袖带或带状物并包括多个电极和超声换能器的组织接口。组织接口被配置为电子地和超声地刺激组织，诸如肌肉组织和神经组织。组织接口也被配置为通过利用一个或多个电极记录目标组织的电活动来监测目标组织并利用一个或多个超声换能器来对目标组织进行成像。

图1示出用于刺激和监测组织的示例性系统100。系统100包括围绕神经104(也称为目标组织104)缠绕的袖带构造(也称为袖带102)的组织接口102。袖带102包括多个超声换能器106和多个电极108。神经袖带102耦合至控制器110并由控制器110控制。控制器110由电源112供电并包括微处理器114，微处理器114控制电极刺激器和记录器(ESR)116以及换能器刺激器和记录器(TSR)118。由ESR116和TSR 118记录的数据可以被存储在存储器120中以用于之后的传送和分析。

系统100的控制器110控制组织104的刺激和监测。在一些实施方式中，控制器110是被配置为在目标组织104附近长期植入的气密地密封装置。在其它实施方式中，控制器110是位于患者外部并无线地或经由有线连接与袖带102进行通信的手持装置或计算机。控制器110包括一个或多个微处理器114，其控制ESR 116和TSR 118的功能。微处理器114可以是任何类型的单核或多核处理器或专用逻辑电路，诸如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。在一些实施方式中，控制器110将数据输出到其他装置进行分析。控制器110可以无线地或经由有线连接与其他装置通信。

控制器110的ESR 116生成用于在电极108的每个或子集处刺激组织104的电刺激。例如，ESR 116可以生成电脉冲或波，并可以控制刺激的频率、脉冲宽度、信号形状(例如，方形和正弦形)、振幅或附加的属性，诸如选择哪个电极刺激，哪个读出，以及哪个超声换能器驱动。ESR 116可以生成具有如下频率的刺激信号：在约10Hz和约25kHz之间、在约10Hz和约10kHz之间、在约100Hz和约1kHz之间、或在约100Hz和约500Hz之间。ESR 116还包括一个或多个模数转换器(ADC)，其将从组织104所测量的电活动转换成数字信号，该数字信号可以存储在存储器120中。ESR 116的ADC可以以在约10Hz和约10kHz之间、在约10Hz和约5kHz之间、在约10Hz和1kHz之间、在约50Hz和500Hz之间、或在约50Hz和约250Hz之间的频率对通过多个电极108中的每一个所测量的信号进行采样。控制器110的TSR 118生成用于刺激换能器106并生成超声能量的电刺激。

TSR 118被配置为生成脉冲，该脉冲使得换能器106谐振并生成在约0.5MHz和约20MHz之间、在约5MHz和约15MHz之间、或在约10MHz和约15MHz之间的超声能量。在一些实施方式中，TSR 118被配置为生成脉冲，该脉冲使得换能器106谐振并以用于刺激目标的第一频率和以用于对目标组织进行成像的第二频率生成超声能量。例如，刺激频率可以是与用于对目标组织进行成像的第二频率相比相对较高的频率(例如，10MHz以上)。在一些实施方式中，用于对目标组织进行成像的频率被选择以使得超声波具有类似于或小于对目标组织进行成像所需的分辨率的波长。例如，5MHz的超声信号具有在水中的约0.3mm的波长(λ)，其使用等式λ＝(信号的速度)/(信号的频率)。在一些实施方式中，超声换能器106用于响应于对目标组织的超声和/或电刺激而对目标组织内的变化进行成像。在一些实施方式中，超声换能器106用于检测随着时间的推移可能在组织接口102周围积聚的瘢痕组织的存在。例如，超声换能器106和目标组织之间的声学不匹配的增加会产生更大的回波返回，这可能标志着目标组织的瘢痕组织的发展。

系统100的控制器110还包括电源112。当控制器110被植入患者中时，电源112是电池。在控制器110在患者外部的实施方式中，电源112可以是电池，或者控制器110可以被插入至AC电源(例如，壁式插座)中。在一些实施方式中，电源112的电池是可充电的。例如，控制器110可以包括多个感应线圈，其能够在控制器110被植入患者中后使电池被无线充电。

仍参考图1，系统100还包括袖带102。袖带102关于图2-4进一步描述，但作为概述，袖带102由一个或多个生物相容的聚合物的层形成，诸如硅、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚亚安酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙烯-醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚氧化乙烯、或其任意组合。袖带102的表面包括多个换能器106和多个电极108。袖带102的电极108被配置为记录和电刺激组织104。袖带102还包括多个换能器106以超声地刺激组织104并对组织104进行成像。在一些实施方式中，控制器110的组件和功能中的一个或多个可以被合并至袖带102中。例如，袖带102可以包括集成电路和执行信号滤波、放大、模数转换和信道选择的其它电子器件。在一些实施方式中，袖带102是自包含的，并且还包括电源112(例如，可充电电池)和天线。植入的袖带102可以与位于患者外部的控制器110或其它装置无线通信。植入的、自包含的袖带102还可包括感应线圈，其能够使可充电电池通过磁耦合充电。

图2示出在植入之前的图1的示例性袖带102。袖带102包括嵌入在聚合物衬垫202内的多个换能器106。聚合物衬垫202的顶层可以被加工以暴露换能器106中的每一个的面206。在其他实施方式中，聚合物衬垫202不被加工以暴露换能器中的每一个的面206。例如，聚合物衬垫202可以被配置为具有与组织大致相同的声阻抗，以使得聚合物衬垫202不会实质上影响由换能器生成的超声能量。在其他实施方式中，聚合物基底用作改进超声换能器和周围组织之间的声耦合的阻抗匹配层。聚合物衬垫202是柔性的生物相容的材料，诸如硅树脂。在一些实施方式中，聚合物衬垫202利用形状记忆制造以使得聚合物衬垫202的两个尖端204向内卷曲以卷绕目标组织。在一些实施方式中，形状记忆合金可以嵌入在袖带102中以使得袖带缠绕目标组织。

袖带102还包括多个电极108。如所示，多个电极108被配置为电极阵列208。电极阵列208的电极108被配置为穿透深度电极。在一些实施方式中，每个深度电极沿着电极108的电极轴杆210的长度包含多个电极位置。例如，深度电极可以沿每个深度电极的电极轴杆210包括多个电极位置，以在目标组织的不同深度处提供读数(和刺激)。如所示，袖带102包括16个电极轴杆210。在其它实施方式中，袖带102包括约1至约256个电极轴杆210、约4至约144个电极轴杆210、约16至约100个电极轴杆210、或者约16至约64个电极轴杆210。在一些实施方式中，每个电极轴杆210包括约1至约32个电极位置、约1至约24个电极位置、约1至约12个电极位置、或者约1至约6个电极位置。电极轴杆210基本上与聚合物衬垫202的平面垂直地突出。

袖带102的电极108可以包括铂、铂铱合金、金、氧化铱、PEDOT、氯化银、或它们的组合。换能器106可以包括块状铁电陶瓷(例如，多晶锆钛酸铅(PZT)或铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)的切割板)、钛酸钡、氮化铝、氧化锌、电气石、块磷铝矿、石英、钽酸锂、铌酸钾、氧化铋铁、晶体的铁电体、铁电或电致伸缩聚合物(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))、电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电微机械超声换能器(pMUT)。

在一些实施方式中，换能器106可用于对组织104进行成像和刺激。利用来自换能器106的超声能量刺激诸如神经元的组织，与仅用来自电极108的电能刺激组织相比是有利的。例如，超声能量可以比电能更好地通过结缔组织和其他纤维组织。由于患者的身体自然地用纤维组织包裹异物，电刺激可能随着时间的推移变得越来越无效；然而，即使在袖带102被病人的身体包裹后，超声能量仍然可以有效地刺激目标组织。而且，与电能的传播波形相比，超声能量的有效刺激区可以扩展到更大的深度，使得超声波形比电能刺激更多的组织。可以选择超声能量的频率以提供超声能量的预定穿透轮廓。例如，高频超声能量与具有较低吸收率的低频超声能量相比，具有更高的吸收率，并且不能穿透得如低频超声能量一样深。在一些实施方式中，随着时间的推移，超声能量与电能相比可能对组织造成较少的损害。

在一些实施方式中，有利的是包括换能器106和电极108。例如，电极108可用于电刺激目标组织，而换能器106用于对目标组织进行成像。在另一个示例中，目标组织是神经，换能器106可用于超声地刺激神经，并且电极108可以用于记录响应于超声刺激由神经产生的电位。

图3A和3B分别示出扁平和筒状构造的另一个示例性袖带300。袖带300包括多个换能器306和多个电极308。电极308和换能器306沿着袖带300的长度交替。袖带300的电极308是非穿透性的扁平电极。在一些实施方式中，电极308具有在约50μm和约5mm之间、在约250μm和约4mm之间、在约750μm和约3mm之间、或在约1mm和约2mm之间的高度。电极308具有圆形、正方形、矩形或其他几何形状的面。袖带300还在袖带300的每个角部处包括切口310。切口310用于将袖带300固定至组织。例如，缝合线可以用于在每个切口处将袖带300缝合至组织。可替换地，一旦袖带300卷绕目标组织，则筒状构造(如图B所示)可以通过将两个顶部切口308缝合在一起并将底部的两个切口308缝合在一起来维持。通过增加或减少缝合线在切口对之间的松弛状态，筒状袖带的直径可以配置为期望直径。

图4A和4B示出具有集成的超声换能器和电极的带状构造的示例性组织接口400。如上关于袖带构造所述，带状电极400包括多个换能器406和多个电极408。在一些实施方式中，带状电极400围绕组织缠绕。在其它实施方式中，带状电极400被配置为穿过目标组织402。带状电极400可以通过目标组织402一次或多次。

在一些实施方式中，本文描述的组织接口通过利用诸如麦芽糖的牺牲层涂布硅晶片来制造。将第一聚合物层旋转涂布到牺牲层上并固化。然后将包括电极和换能器的第一金属层图案化到第一聚合物层上。第一金属层还可以包括电迹线和其它电路，例如放大器和模数转换器。在一些实施方式中，组织接口可以包括由介电材料分离的多个金属层。例如，组织接口可以包括用作布线层并且包括所有的迹线的第一金属层，以及包括换能器和电极的第二金属层。第二聚合物层可以被旋转涂布在暴露的第一聚合物层和金属层上，封装金属层。在第二聚合物层已固化之后，在第二聚合物层中用激光烧蚀或其它加工工艺制造窗口，以暴露换能器和电极的面。通过溶解牺牲层，从硅晶片移除已完成的组织接口。

图5示出用于刺激目标组织的示例性方法500的流程图。示例性方法500包括提供组织接口(步骤502)。组织接口围绕目标组织缠绕(步骤504)。刺激组织接口的电极(步骤506)，并且启动组织接口的超声换能器(步骤508)。

如上所述，方法500包括提供组织接口(步骤502)。组织接口可以是本文所述的任何组织接口。例如，组织接口可以被配置为袖带电极，该袖带电极被配置成围绕神经或其它神经组织缠绕。在一些实施方式中，组织接口是带状构造，并且被设计成插入至目标组织中。例如，目标组织可以是肌肉、中枢神经组织或周围神经组织。组织接口包括多个电极位置和超声换能器。在一些实施方式中，电极是盘状或其他构造的平面电极。在其它实施方式中，电极是深度电极，其包括沿每个深度电极的轴杆的一个或多个电极位置。

方法500还包括围绕目标组织缠绕组织接口(步骤504)。在一些实施方式中，组织接口通过缝合线、外科胶或夹具物理地固定到目标组织。例如，如果患者具有阻止患者激活肌肉的脊髓损伤，组织接口可以围绕神经被植入，该神经使损伤的神经组织远侧的肌肉受神经支配。组织接口可以用于刺激支配的神经–绕过神经的损伤部分。

在组织接口的植入之后，电极被刺激(步骤506)并启动超声换能器(步骤508)。组织接口的电极被ESR启动，ESR将电脉冲或波发送到电极以刺激目标组织。在一些实施方式中，ESR配置多个电极中的哪一个用作刺激电极，以及多个电极中的哪一个用作记录电极。类似地，TSR启动超声换能器以将超声能量输送至目标组织。超声换能器在TSR发送一系列的电脉冲至超声换能器时被启动，其使得超声换能器谐振。超声能量的频率由TSR控制，并且频率被选择以控制超声能量进入目标组织的穿透量。在一些实施方式中，超声能量被配置为引起来自目标组织的反应(例如，激活神经元)，以及在其他实施方式中，超声能量被配置为提供目标组织的A型或B型超声图像。

所公开的系统和方法可以在不背离其精神和本质特性的情况下以其他特定形式实现。因此，上述实施方式被认为在所有方面是示意性的，而不是本发明的限制。

Claims (20)

1.一种组织接口装置，包括：

生物相容的聚合物衬垫；

电极阵列，其耦合至所述生物相容的聚合物衬垫，所述电极阵列包括与所述生物相容的聚合物衬垫的平面基本上垂直地突出的一个或多个电极轴杆，其中，所述一个或多个电极轴杆中的每一个包括电极位置；以及

一个或多个超声换能器，其耦合至所述生物相容的聚合物衬垫。

2.根据权利要求1所述的组织接口装置，其中，所述一个或多个电极轴杆中的每一个还包括沿着相应的一个或多个电极轴杆的长度分布的多个电极位置。

3.根据权利要求1所述的组织接口装置，其中，所述一个或多个超声换能器各自包括块状铁电陶瓷、晶体的铁电体、铁电聚合物、电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电微机械换能器(pMUT)、以及电致伸缩聚合物中至少之一。

4.根据权利要求1所述的组织接口装置，还包括控制器，其被配置为以用于刺激目标的第一频率和用于对所述目标进行成像的第二频率来激励所述一个或多个超声换能器。

5.根据权利要求4所述的组织接口装置，其中，所述控制器进一步被配置为记录在所述电极位置检测到的电信号。

6.根据权利要求1所述的组织接口装置，还包括可充电电池。

7.根据权利要求6所述的组织接口装置，还包括感应线圈以无线地接收来自外部源的能量并将所接收到的能量提供至所述可充电电池。

8.根据权利要求1所述的组织接口装置，其中，所述电极阵列包括约2至约64个电极轴杆。

9.根据权利要求1所述的组织接口装置，其中，所述生物相容的聚合物衬垫是被配置为围绕神经缠绕的柔性袖带。

10.一种方法，包括：

将组织接口装置耦合至目标组织，所述组织接口装置包括：

生物相容的聚合物衬垫；

耦合至所述生物相容的聚合物衬垫的一个或多个电极；以及

耦合至所述生物相容的聚合物衬垫的一个或多个超声换能器；

经由所述一个或多个电极将刺激信号输送至所述目标组织；

经由所述一个或多个超声换能器对所述目标组织进行成像。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括经由所述一个或多个超声换能器超声地刺激所述目标组织。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括经由所述一个或多个超声换能器利用第一频率的超声能量对所述目标组织进行成像，以及经由所述一个或多个超声换能器利用与所述第一频率的超声能量不同的第二频率的超声能量超声地刺激所述目标组织。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，对所述目标组织进行成像还包括检测所述目标组织上的瘢痕形成。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述组织接口装置被配置为袖带并且将所述组织接口装置耦合至所述目标组织还包括围绕所述目标组织缠绕所述组织接口装置。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个电极各自包括与所述生物相容的聚合物衬垫的平面基本上垂直地突出的电极轴杆，其中每个电极轴杆包括电极位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，每个电极轴杆还包括沿着所述电极轴杆的长度分布的多个电极位置。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述组织接口装置包括约2至约64个电极轴杆。

18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述目标组织是神经组织。

19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个超声换能器包括块状铁电陶瓷、晶体的铁电体、铁电聚合物、电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电微机械换能器(pMUT)、以及电致伸缩聚合物中至少之一。

20.根据权利要求10所述的方法，还包括无线地对所述组织接口装置的电池进行充电。