CN109936996A - 束内电极植入装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于束内刺激和/或感测外周神经的可植入装置，其包括：阻挡元件，其适于包裹神经并包括接入点和退出点；以及电极，其适于经由接入点和退出点横穿阻挡元件，并具有远端端部、近端端部、以及在远端端部与近端端部之间的长形本体，电极与除活性位点之外的周围环境电隔离。在另一方面，本发明提供一种系统，其包括本发明的可植入装置，该可植入装置与外部装置比如电刺激器和/或用于感测和记录电神经信号的感测装置可操作地联接。

Description

束内电极植入装置

技术领域

本发明涉及用于与活组织建立电接触的接口，具体地，本发明涉及用于刺激和/或感测外周神经的电极植入装置及其用途，例如在神经假体内的用途。

背景技术

神经是一种在中枢神经系统的某些部分与身体的某些其他区域之间传递冲动的绳状结构。神经由个体神经纤维(轴突)构成，该个体神经纤维(轴突)具有其鞘和支持细胞、小血管和周围结缔组织鞘。每个神经纤维均被细胞鞘(神经鞘)包围，据此每个神经纤维可能会或者可能不会被髓鞘分开。由一片结缔组织(神经束膜)包围的一组这样的神经纤维被称为神经束。神经束随后通过一层厚厚的结缔组织(神经外膜)束缚在一起以形成神经。

神经学家长期以来一直在寻找一种能够与神经内的大量个体轴突建立稳定的机械和电接触的电极装置。这样的装置将得到用于记录神经冲动的广泛医学应用，以便于分析和解释这种冲动，并且作为对这种分析的反应或者作为外部输入的结果向目标神经纤维递送电刺激。理想的电极装置将适于神经的解剖结构，使得理想的电极装置能够以非破坏性的方式穿透神经以与大量个体神经纤维形成集中电接触。

外周神经接口(2005年第10号，第229-258页，Navarro等人的“J.Peripher.Nerv.System”；2011年第3.1号，第55-67页，Shultz和Kuiken的“PM&R”；2016年第10号，Ciancio等人的“Frontiers in neuroscience”)已经用于记录来自人体神经的信号并用于将电流注入人体神经中。在这些当中，FINE阵列电极、CUFF阵列电极、LIFE阵列电极、TIME阵列电极和Utah阵列电极已使用在人体上。

FINE电极或CUFF电极在人体神经中的长期植入物中是稳定的(就生物相容性和功能性而言)，这是因为FINE电极或CUFF电极完全安置在人体神经周围。另一方面，FINE电极或CUFF电极没有选择性，从而在同一时间与多个神经束交换信息。这意味着，例如在感觉反馈恢复的情况下，FINE电极或CUFF电极可以在不调节其强度的情况下诱发局部感觉(2011年第8卷第3号，Badia等人的“J.Neural Eng.”)。

另一方面，LIFE/TIME/Utah阵列更具选择性并且因而允许传输渐进信息，例如触摸强度。然而，LIFE/TIME/Utah阵列不太稳定。特别地，LIFE和TIME由其上印有导电材料的基板例如聚酰亚胺构成。LIFE和TIME在长期植入物中的稳定性尚未得到证实。植入程序即使相当复杂仍有利于电极与神经之间的稳定的机械连接。Utah阵列电极在人体中是稳定的(通过大脑植入物已经得到证实)，但是外周神经中的植入技术不是高效的，这是因为一旦手术结束电极就可以移动。

若干医疗装置已经利用外周神经接口进行手假肢运动控制和感觉反馈恢复(2014年第6.222:222ra19-222ra19页，Raspopovic等人的“Science translational medicine”；2014年第6(257)号，第257ra138-257ra138页，Tan等人的“Science translationalmedicine”)、膀胱控制(临床实践)、癫痫/抑郁症治疗(例如，Cyberonics)、足垂症治疗(例如，Ottobock(奥托博克))、视力恢复(例如，Second Sight)。

许多文献描述了外周神经接口。例如，US4969468和WO2016005400公开了一种在内表面中呈现成尖状物阵列的套管接口。套管用作支承件以用于将尖状物稳定地插入神经中。

US5634462描述了一种FINE电极，该FINE电极根据构型以不同的方式对神经进行塑造，以使与神经自身接合的选择性最大化。

WO2012149039和US2014128951公开了一种由一组线缆构成的电极，所述一组线缆中的每个线缆由被绝缘护套包围的导电材料构成。线缆被纵向地插入神经中。

EP1726329公开了一种特别地用于神经元接口且更具体地作为皮质植入物的气密密封的三维电极装置。该三维电极装置包括来自于基板的成组件(阵列)的导电电极，其中，电极密封地粘合至基板。电极还包括绝缘层，该绝缘层使至少一个区域或至少一个孔暴露，以用于制造与组织的集中电接触。该植入物的一个主要问题——例如针对Utah阵列而言——是如果该植入物使用在外周神经上时的不稳定性，并且需要预先确定每个电极针的长度或者电极针上的电显示位置，以实现高效的组织刺激。US4969468也报道了类似的教示。

尽管在该领域中进行了大量研究和开发，但仍然需要一种可植入装置，该可植入装置在保证与外周神经的稳定和持久的结合的同时，确保与单个神经束的高效和选择性的电接触。

发明内容

根据本发明的一个方面，提出并解决了背景技术中的有关外周神经的电极接口的稳定性和功效这两方面的缺点。提出了一种新颖的装置，该装置通过神经和植入设施同时保证了刺激/感测选择性以及机械稳定性。

接口主要由阻挡元件和一个或优选地多个(阵列)长形电极构成，该阻挡元件适于包裹神经。可以作为套管嵌入的阻挡元件是具有内部腔的绝缘刚性或半刚性结构(例如，成形为矩形直角棱柱)内部腔中安置有神经。该结构可以成形为单个本体元件或者可以由至少两个元件构成，所述至少两个元件例如在一侧处通过铰链连结并且在另一侧上具有允许其卡接在一起的机构。由于该结构基本上是刚性的，因此该结构在其围封神经时对神经进行塑造。

在阻挡元件的至少两个(通常是相对的)部分或面上存在一个孔或多个孔，涂有绝缘材料的长形电极可以插入通过所述一个孔或多个孔。绝缘层具有活性位点，例如无隔离点，如通孔或条带，该活性位点允许一旦植入便在导电材料与诸如神经的周围组织之间进行电接触。电极插入穿过套管和神经以与其内部神经束相接触。一旦植入，电极就可以固定至套管，以确保长久的联接并固定整个结构。电极绝缘涂层中的活性位点被置于不同电极上的不同长度处，以允许与相对于套管的表面设置在不同深度处的神经束连接。替代性地，具有定位在相等长度处的活性位点的电极以不同的深度固定在套管中以实现相同的结果。除了阻挡元件的孔成阵列之外，还设置有由导电材料制成的两个板。电极可以用作活性位点和地两者，而所述两个板具有地的功能。

阻挡元件一旦安置在神经周围就会以不允许两个本体之间的相对运动的方式对神经进行塑造。由于该属性，电活性位点随着时间的推移而在神经中保持处于相同的位置(促进接合的稳定性)。因此，本发明的主要优点在于，可以容易地安装在神经上，同时在神经束中的各个轴突与至少一个电能导电构件之间提供改善的紧密电气和机械接触。

电极设计促进了植入过程：一旦神经被分配在套管中，电极(体现为例如针或线缆)便穿过套管自身和神经，并且最后通过机构固定在套管上。同时，该设置赋予了卓越的制造优势以及选择性优势：根据需要，电极的数量可以根据具体情况选择以减少无用的元件(因此在将电极植入受试者中时还减少了装置的侵入性以及因此减少了炎症反应)，并且活性位点在每个电极上的位置是精确地针对特定神经束的，无需对固定植入物中的每个电极和任意电极进行在先的塑造。

因此，本发明的另一方面涉及一种用于束内刺激和/或感测外周神经的可植入装置，其特征在于，该可植入装置包括：

a)阻挡元件，该阻挡元件适于包裹神经并且包括接入点和退出点；以及

b)电极，该电极适于经由接入点和退出点横穿阻挡元件，该电极具有远端端部、近端端部、以及位于远端端部与近端端部之间的长形本体，所述电极与除活性位点之外的周围环境电隔离。

在一个实施例中，活性位点沿着长形本体定位。

在一个实施例中，活性位点是无隔离点或条带。

在一个实施例中，阻挡元件是可打开和可关闭的。

在一个实施例中，电极是线缆电极。

在一个实施例中，所述装置还包括用于将电极固定至阻挡元件的器件。

在一个实施例中，活性位点可以沿着长形本体移位。

本发明的又一方面涉及一种用于束内刺激和/或感测外周神经的系统，该系统包括以上装置，该装置与电刺激器和/或分析仪可操作地连接。

附图说明

图1和图2示出了根据本发明的一方面的装置的一个实施例；以及

图3示出了根据本发明的另一方面的与用于将长形电极固定至阻挡元件的器件有关的三个实施例。

具体实施方式

通过参照以下结合附图呈现的详细描述将更容易地理解本公开，其中附图构成本公开的一部分。应当理解的是，本公开不限于本文中所描述和/或所示出的特定条件或参数，并且本文中所使用的术语仅出于通过示例的方式对特定实施例进行描述的目的，并非意在限制所要求保护的公开内容。

如本文中和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数形式，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对“电极”的引用包括多个这样的电极，并且对“活性位点”的引用包括对一个或多个活性位点的引用，等等。

此外，除非另有说明，否则“或”的使用意味着“和/或”。类似地，“包括(comprise、comprises、comprising)”和“包含(include、includes、including)”是可互换的，并且并非意在是限制性的。还应当理解的是，在使用术语“包括(comprising)”的各种实施例的描述中，本领域技术人员将理解的是，在某些特定情况下，实施例可以使用“基本上由……构成”或“由……构成”的用语来替代性地描述。

现在将在以下定义和附图的帮助下对本发明进行描述。

参照图1，示出了根据本发明的一个方面的可植入装置1的一个非限制性实施例。在所描绘的实施例中，用于分配外周神经的阻挡元件100由两部分构成，所述两部分限定了上表面101和底表面102，上表面101和底表面102之间是相对的。这两个部分在一侧上通过铰链103联接而在另一侧上通过闭合机构104联接，从而允许将两个部分夹持和固定在其之间。该设置允许打开和关闭阻挡元件100，以便在不损坏神经干的情况下将阻挡元件100容易地植入在外周神经周围进而接合并牢固地包裹所述神经。在替代性实施例中，阻挡元件100由单个本体元件构成，该单个本体元件经由神经中的接入点沿着神经干滑动(例如，在发生意外或手术切断神经的情况下)。

由于其形状，阻挡元件100限定出具有足够尺寸来接纳神经干的腔孔或腔300。腔300可以具有任何合适的形状，比如圆形、方形、矩形或椭圆形，只要腔300容置神经干并允许阻挡元件100的结构在植入受试者中时牢固地包裹神经即可。很明显，腔300的尺寸可以随着神经而变化，同时其长度取决于针对特定应用所需采用的电极的数量(正比关系)，如稍后将详述的。作为示例，对于正中神经中的植入物，阻挡元件100应当具有10mm×1.5mm的腔300。

上表面101包括至少一个但优选地多个开口500，该开口500在本文中也称为“接入点”，而底表面102包括至少一个开口501，该开口501在本文中称为“退出点”。由于在相对的表面上，所以接入点500和退出点501之间也是相对的，优选地但非排他性地以镜面的方式相对。开口500和开口501表示长形电极200可以穿过开口500和开口501横穿阻挡元件100以建立与神经结构的电接触的方式。所述电极具有远端端部200a、近端端部200b和长形本体200c。在本公开的框架中，长形本体200c表示电极200的本体的长度，该本体意在跨越元件100的整个厚度(即，在装置的腔300内)。

为了清楚起见，措辞“远端”和“近端”指的是电极的处于危险状态的部分与外部装置之间的距离，其中，电极可操作地连接至该外部装置以例如输送电流。措辞“(能够)可操作地连接”或甚至“可操作地设置”在本文中用于反映装置或系统的两个或更多个部件之间的功能关系，即，这样的措辞意味着所要求保护的部件必须以执行指定功能的方式连接。“指定功能”可以根据连接中所涉及的不同部件而改变；例如，可操作地连接至电刺激器的电极的指定功能是将电流输送到神经束中以便电刺激神经束。本领域技术人员将容易地理解并清楚的是：基于本公开内容，本发明的装置或系统的每个和每一个部件的指定功能及其相关性是什么。

阻挡元件100可以由任何合适的介电材料或绝缘的生物相容材料构成，该介电材料或绝缘的生物相容材料比如为聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氧化锆，或聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氧化锆的组合。为了确保与外周神经的稳定接触，在优选实施例中，阻挡元件100具有刚性或半刚性性质，即，阻挡元件100在植入受试者中时不能改变其形状或者仅仅最小程度地改变其形状。

回到电极200，本发明的植入装置1设想至少一个且优选地多个这样的电极：该电极具有长形形状，比如针状、管状、圆锥形、金字塔形或线缆形状，以便沿着其厚度完全横穿电极200。在一些实施例中，远端端部200a可以具有尖锐的外观以便于插入穿过神经的结构，但也可以设想钝的或圆形的远端端部200a。此外，针和线可以连接至电极200并引导电极200。

电极200由导电部分201构成，该导电部分201同轴地设置在绝缘部分202内，绝缘部分202至少沿着长形本体200c的整个长度将导电部分201与周围环境电隔离。导电部分201可以优选地由常见导电材料制成，所述常见导电材料比如为与人体相容的金属或合金(金、铂、活化铱、铂-铱合金、氧化铂、氧化铱、亚硝酸钛、铼、钛等)、导电聚合物、碳或其组合。绝缘元件202可以是例如聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氧化锆、以及任何其他合适的与人体生物相容的绝缘材料。通常，电极200具有长形本体200c，该长形本体200c的长度在2mm至20mm之间且横截面在10μm至1000μm之间，这取决于应用和目标神经。可以采用微光刻和/或微集成电子器件以及本领域中容易获得的其他技术来制造电极的部件。

在电极200上并且优选地在长形本体200c上，存在活性位点203，从而允许电极200的导电部分201与周围环境(即，神经)之间的电连接。在一个实施例中，活性位点203是无隔离点，即这样的电极部分：在该部分中，不存在绝缘涂层202或者绝缘涂层202在制造过程期间已经移除，从而允许直接或间接的电流从导电部分201流到神经。活性位点203可以具有任何合适的尺寸和形状比如圆形、方形等，或者活性位点203可以是暴露的导电材料条带。通过利用电极中存在的活性位点的该构型，这些电极可以插入并固定在外周神经内的期望深度处，以将活性位点安置在特定的目标位置中。

替代性地，活性位点203可以是导电部分201的从绝缘涂层202凸出的突出部。在另一替代性实施例中，活性位点203是安置成与导电部分201物理接触并且穿过绝缘部分202朝向神经突出的附加的导电元件。在该布置结构中，通过沿着沿长形本体200c的绝缘部分202设置切口，附加的导电元件能够沿着长形本体200c可能地移位，以调整活性位点在神经厚度内的位置。

电极200在阵列设置中的间距可以改变。电极200的间距在三维空间中为大约100μm至大约2000μm，这取决于与神经电接触的期望密度。

在阵列设置的优选实施例中，活性位点203的尺寸和相互间距(即，在神经的横截面中，并且在垂直于该截面的方向上)必须反向变化，以保持选择性。特别地，活性位点203的表面越大，电极200的密度(数量)就越小。在本发明的实施例中，在三个空间方向(d1、d2和d3，图2)上，活性位点203的面积为20×10^-3mm²，并且电极200之间的距离为500μm。

参照图3，示出了用于将电极200固定至阻挡元件100的一些合适的机构。在示出的实施例中，电极200被描绘为线缆电极。在一种情况下，在阻挡元件100的上表面101和底表面102上安置或制造有包括腔孔的突起400a，其中，线缆200应当在接入点500和退出点501附近固定在该突起400a中(图3a)。替代性地，通过铰链来约束阻挡元件100的上表面101和底表面102的面板400b被推在阻挡元件100自身上并缝合，以便一旦线缆200插入通过接入点500和退出点501就固定线缆200(图3b)。

在图3c中示出的另一替代性实施例中(同样参见图2)，线缆200设计有位于远端端部200a和近端端部200b的水平处且位于活性位点203上方和下方的两个侵入部400c，所述两个侵入部400c使得一旦穿过阻挡元件100的接入点500和退出点501就能使线缆200固定。两个侵入部400c以及阻挡元件100的两个接入点500和退出点501设计成具有不同的尺寸和/或形状，以避免在仅一个侵入部穿过阻挡元件100时(并且因此没有活性位点203穿过)，线缆200被固定。在本发明的实施例中，第一侵入部成形为使得其限制拉动，而另一侵入部成形为使得其限制推动。在另一实施例中，一对侵入部和接入点小于另一对侵入部和接入点。在本发明的实施例中，上述三种机构可以以任意组合的方式使用。

本发明的另一方面涉及一种用于束内刺激和/或感测外周神经的系统，该系统包括本发明的装置1，该装置1与外部装置比如电刺激器和/或分析仪可操作地连接。在这种情况下，电极可以用于记录来自神经的神经活动和/或用于刺激传出或传入轴突，以诱导肌肉收缩或感觉(视觉、触觉、本体感觉等)。电极200可以连接至连接器，连接器使得电极200继而能够与可植入装置或外部装置连接。替代性地，线缆可以被直接焊接至可植入装置或外部装置。该系统可以包括附加部件，例如可以将电极以微米级精度定位在神经组织中以便找到、优化和跟踪由外周神经内的各个神经束产生的电信号的机械或机电装置。这种附加部件的示例可以是经过适当修改后的2009年第28卷第9号第1240-1256页，Wolf等人的“TheInternational Journal of Robotics Research”所描述的机器人微型驱动器，该出版物的全部内容在此通过参引并入本文。

本发明的装置1和相关系统可以用于与包括感觉反馈、运动反馈和勃起恢复在内的外周神经病理状况有关的许多应用中。

例如，在本发明的实施例中，外部装置是植入在受试者的任何合适的身体部位比如肢体(例如，腿)中的神经刺激器，并且外部装置被连线至插入在神经中的电极200。神经刺激可以被在身体外部的控制器无线驱动，从而将配装到脚下的鞋中的鞋底传感器的读出转换成刺激参数。恢复来自脚底的感觉反馈的这种布置使糖尿病患者能够正确地行走且能够治疗溃疡，从而避免截肢。事实上，足部溃疡的主要原因是因脚底下的敏感性丧失而引起的步态异常，而脚底下的敏感性丧失则是由脚中的神经末梢退化引起的。

Claims (8)

1.一种用于束内刺激和/或感测外周神经的可植入装置(1)，所述可植入装置(1)包括：

a)阻挡元件(100)，所述阻挡元件(100)适于包裹神经并且包括接入点(500)和退出点(501)；以及

b)电极(200)，所述电极(200)适于经由所述接入点(500)和所述退出点(501)横穿所述阻挡元件(100)，并且所述电极(200)具有远端端部(200a)、近端端部(200b)、以及位于所述远端端部(200a)与所述近端端部(200a)之间的长形本体(200c)，所述电极(200)与除活性位点(203)之外的周围环境电隔离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述活性位点(203)沿着所述长形本体(200c)设置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述活性位点(203)是无隔离点或条带。

4.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中，所述阻挡元件(100)是能够打开和能够关闭的。

5.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中，所述电极(200)是线缆电极。

6.根据任一项前述权利要求所述的装置，还包括用于将所述电极(200)固定至所述阻挡元件(100)的器件(400)。

7.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中，所述活性位点(203)能够沿着所述长形本体(200c)移位。

8.一种用于束内刺激和/或感测外周神经的系统，所述系统包括根据权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其中所述装置(1)与电刺激器和/或分析仪可操作地连接。