CN110270009B - 用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，包括：眼球前刺激电极阵列、眼球后回收电极阵列和可编程多通道微电流刺激器，其中：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列实施电刺激，可编程多通道微电流刺激器分别与眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列相连并根据实际刺激需求传输不同参数的电刺激信号，采用直接刺激模式进行大面积区域电刺激或采用干涉刺激模式进行局部电刺激。本发明能够用于对视网膜局部区域进行电刺激治疗，同时可作为一种微创视网膜假体的刺激方法，诱发较大视野的人工视觉感受。

Description

用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备。
背景技术
现有的电刺激视觉损伤修复装置包括：经角膜电刺激装置和视网膜假体电刺激装置。其中，经角膜电刺激装置使用单电极刺激，仅对视网膜施加大范围弥散性的刺激，不具有空间汇聚性，无法实现空间上更局部的选择性刺激。然而，由于视网膜疾病早中期患者仅有局部组织发生病变，这种弥散刺激方式可能会对视网膜未病变区域造成过度刺激，导致正常组织不必要的损伤。而当前视网膜假体需要将电极结构植入眼球内部靠近视网膜的部位，植入手术存在着操作难度高、手术创伤大、植入不可逆等问题，容易造成复发性结膜糜烂、脉络膜积液、视网膜脱落等严重不良反应，对患者残存的视觉通路造成不可逆的损伤。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，能够用于对视网膜局部区域进行电刺激，同时可作为一种微创视网膜假体的刺激方法，满足诱发人工视觉感受的需求。
本发明是通过以下技术方案能够用于的：
本发明包括：眼球前刺激电极阵列、眼球后回收电极阵列和可编程多通道微电流刺激器，其中：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列实施电刺激，可编程多通道微电流刺激器分别与眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列相连并根据实际刺激需求传输不同参数的电刺激信号，采用直接刺激模式进行大面积区域电刺激或采用干涉刺激模式进行局部电刺激。
所述的眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列均包括：具有生物相容性的绝缘基底和多个电极，其中：电极设置于绝缘基底上，眼球前刺激电极阵列的电极和眼球后回收电极阵列的电极对应设置。
所述的眼球后回收电极阵列设有用于将电极固定于眼球壁的固定装置，该固定装置采用钛钉或生物相容性硬质材料。
所述的电刺激信号的参数包括：通道数、频率、波形或强度。
所述的直接刺激模式是指：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列采用单独或协同的方式输出电刺激信号，用于电刺激与电极接触或邻近的眼球组织或视网膜以实现视网膜大面积刺激或形成大面积光感。
所述的干涉模式是指：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列对应的电极形成电刺激通道，每个电刺激通道电极输出不同频率的正弦波形的刺激电流，关于视轴对称的两个电刺激通道构成一组干涉电刺激通道，一组干涉电刺激通道中的两个电刺激通道输出的刺激电流波形具有频率差，通过电场的干涉叠加，两个电刺激通道产生的干涉电场，在视网膜上形成一个高强度聚焦区域，进一步刺激或激活该区域内小面积的视网膜神经元。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够用于视网膜局部区域的治疗，或诱发大视野的人工视觉感受。
附图说明
图1为本实施例的电极阵列的侧视图；
图2为本实施例的电极阵列的结构示意图；
图3为本实施例的干涉刺激模式的原理图；
图中：绝缘基底1、第一至第四刺激电极2～5、第一至第四回收电极6～9、可编程多通道微电流刺激器10、连接导线11、固定装置12、眼球13、第一电刺激通道14、第二电刺激通道15、视网膜16、第一至第三波形17～19。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例包括：眼球前刺激电极阵列、眼球后回收电极阵列、可编程多通道微电流刺激器10和连接导线11，其中：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列实施电刺激，可编程多通道微电流刺激器10分别与眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列通过连接导线11相连并根据实际刺激需求传输不同参数的电刺激信号，采用直接刺激模式能够用于视网膜16的大面积区域电刺激干涉刺激模式能够用于视网膜16的局部电刺激
所述的眼球前刺激电极阵列包括：第一至第四刺激电极2～5和绝缘基底1，其中：第一至第四刺激电极2～5贴附或镶嵌于绝缘基底1的边缘侧并呈中心对称式分布。
所述的眼球后回收电极阵列包括：第一至第四回收电极6～9和眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列共用的绝缘基底1，其中：第一至第四回收电极6～9贴附或镶嵌于绝缘基底1上。
所述的眼球后回收电极阵列设有固定装置12以将第一至第四回收电极6～9固定于眼球后侧壁，该固定装置12采用钛钉或生物相容性硬质材料。
所述的可编程多通道微电流刺激器10，包括：刺激芯片、信号传输模块和供电模块，其中：刺激芯片与信号传输模块相连，信号传输模块将外部设备编码图像信息后产生的电刺激信号传输至刺激芯片，刺激芯片与刺激电极和回收电极相连并将控制信号分别传输至电极，供电模块通过有线或无线的方式为刺激芯片与信号传输模块供电。
所述的参数包括：通道数、频率、波形或强度，其中：刺激频率的范围为0～20千赫兹，强度的范围为0～1安培。
所述的连接导线11的电极引线为导电材料，如金属、导电氧化物、导电聚合物或导电纳米材料。
所述的连接导线11进一步设有生物相容性绝缘封装层，该封装层具有良好的柔软度与延展性，对电极引线起绝缘保护作用。
所述的绝缘基底1为柔性基底或与眼球13前侧曲率贴合的硬质基底，如聚酰亚胺PI或派瑞林(Parylene)。
所述的第一至第四刺激电极2～5和第一至第四回收电极6～9的形状为圆形、多边形或立体形状，具体尺寸为5微米到5毫米，电极间隔为5微米到10毫米。
所述的第一至第四刺激电极2～5和第一至第四回收电极6～9均采用导电的生物相容性材料，如金属、导电氧化物、导电聚合物或导电纳米材料。
所述的直接刺激模式是指：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列采用单独或协同的方式输出电刺激信号，用于电刺激与电极接触或邻近的眼球13组织或视网膜16以形成视网膜16大面积刺激或大面积光感。
所述的干涉模式是指：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列对应的电极形成电刺激通道，每个电刺激通道电极输出不同频率的高频正弦波形的刺激电流，关于视轴对称的两个电刺激通道构成一组干涉电刺激通道，一组干涉电刺激通道中的两个电刺激通道输出的刺激电流波形具有0.1～150赫兹的频率差，通过电场的干涉叠加，两个电刺激通道产生的干涉电场，在视网膜上形成一个高强度聚焦区域，可刺激或激活该区域内小面积的视网膜神经元。
所述的干涉刺激模式的每组干涉刺激通道中的两个电刺激通道通过改变输出的刺激电流的幅值来调控高强度聚焦区域面积的大小，并能够在视网膜约50度视野的范围内移动。
所述的干涉刺激模式能够有一组或多组干涉电刺激通道同时施加电刺激信号，用于调控不同范围的视网膜神经元。
所述的直接刺激模式与所述干涉刺激模式根据实际需求能够组合使用，刺激电极与回收电极输出的刺激电流频率、波形、幅值可随时间快速变化，使得利用有限电极便可在视网膜16上形成不同形状的电刺激图像，传递复杂的视觉信息。
如图3所示，举例分析干涉模式的工作过程如下：第一刺激电极2与第一回收电极6形成第一电刺激通道14，第二刺激电极3与第二回收电极7形成第二电刺激通道15，第一电刺激通道14与第二电刺激通道15关于视轴对称。可编程多通道微电流刺激器10根据刺激需求选择第一电刺激通道14和第二电刺激通道15作为干涉刺激模式的输出通道，并控制第一电刺激通道14输出第一刺激信号，该信号的频率为f1、幅值为I1的第一波形17；第二电刺激通道15输出第二刺激信号，该信号的频率为f2、幅值为I2的第二波形18。f1、f2为具有较小频率差df的较高频信号，如f1取1千赫兹，f2取1.01千赫兹，差值df为10赫兹，电流幅值I1和I2均为1毫安，根据电场与电流的线性关系，两个电刺激通道输出电流产生的空间电场也随时间呈正弦变化，两刺激通道单独输出产生的空间电场随时间变化波形与第一波形17和第二波形18产生的波形相似。根据电场干涉叠加原理，在视网膜16区域，叠加后电场随时间变化规律为：以f1与f2的均值1千赫兹为载波频率、以频率差值10赫兹为包络频率的干涉电场，干涉电场随时间变化形成第三波形19。视网膜16神经元对两个电刺激通道单独的高频刺激响应很弱或几乎不响应，而对两个电刺激通道同时输出电信号，干涉叠加产生的干涉电场则有响应，根据电场分布特性，这种电刺激模式会在视网膜16上产生具有空间汇聚性的高强度干涉电场区域，该区域内的视网膜神经元会对电刺激响应，达到阈值则被激活，从而能够用于对小范围区域内局部视网膜16神经元的刺激。若改变I1与I2的强度比值，如I1与I2分别取1.2毫安、0.8毫安，则该高强度干涉电场区域位置将改变，局部激活的区域位置可被调控。第三刺激电极4与第三回收电极8，以及第四刺激电极5与第四回收电极9也同样依据上述工作过程工作，能够用于向视网膜16的不同位置施加电刺激。
经过电场仿真计算结果表明：当眼球后回收电极夹角介于0～100度时，采用干涉刺激模式，可在视网膜上形成局部高强度干涉电场区域，调控回收电极位置(夹角)，刺激区域大小可在几十微米到几毫米范围内改变；改变第一、第二刺激通道输出电流强度的比值从0～1，刺激区域位置在回收电极之间的视网膜范围内移动，最大移动范围可覆盖约50度视野。本方法将眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列相结合，采用干涉叠加的刺激方法，与现有技术相比，提升在于：相较于经角膜单电极电刺激装置，能够产生局部汇聚的电场，实现对视网膜的局部治疗；相较于植入式的视觉假体电刺激装置，对眼球创伤较小，同时，可调控较大视野范围内的视网膜神经元。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个能够用于方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征在于，包括：眼球前刺激电极阵列、眼球后回收电极阵列和可编程多通道微电流刺激器，其中：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列实施电刺激，可编程多通道微电流刺激器分别与眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列相连并根据实际刺激需求传输不同参数的电刺激信号，采用直接刺激模式进行大面积区域电刺激或采用干涉刺激模式进行局部电刺激；
所述的直接刺激模式是指：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列采用单独或协同的方式输出电刺激信号，用于电刺激与电极接触或邻近的眼球组织或视网膜以实现视网膜大面积刺激或形成大面积光感；
所述的干涉模式是指：眼球前刺激电极阵列与眼球后回收电极阵列对应的电极形成电刺激通道，每个电刺激通道电极输出不同频率的正弦波形的刺激电流，关于视轴对称的两个电刺激通道构成一组干涉电刺激通道，一组干涉电刺激通道中的两个电刺激通道输出的刺激电流波形具有频率差，通过电场的干涉叠加，两个电刺激通道产生的干涉电场，在视网膜上形成一个高强度聚焦区域，进一步刺激或激活该区域内小面积的视网膜神经元。
2.根据权利要求1所述的用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征是，所述的眼球前刺激电极阵列和眼球后回收电极阵列均包括：具有生物相容性的绝缘基底和多个电极，其中：电极设置于绝缘基底上，眼球前刺激电极阵列的电极和眼球后回收电极阵列的电极对应设置。
3.根据权利要求2所述的用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征是，所述的绝缘基底为柔性基底或与眼球前侧曲率贴合的硬质基底。
4.根据权利要求2所述的用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征是，所述的电极的形状为圆形、多边形或立体形状并采用导电材料。
5.根据权利要求2所述的用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征是，所述的眼球后回收电极阵列设有用于将电极固定于眼球壁的固定装置，该固定装置采用钛钉或生物相容性硬质材料。
6.根据权利要求1所述的用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征是，所述的可编程多通道微电流刺激器，包括：刺激芯片、信号传输模块和供电模块，其中：刺激芯片与信号传输模块相连，信号传输模块将外部设备编码图像信息后产生的电刺激信号传输至刺激芯片，刺激芯片与刺激电极和回收电极相连并将控制信号分别传输至电极，供电模块通过有线或无线的方式为可编程多通道微电流刺激器供电。
7.根据权利要求1所述的用于视网膜局部电刺激的眼球外电极阵列设备，其特征是，所述的电刺激信号的参数包括：通道数、频率、波形或强度。
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