CN110327547A - 一种多通道多刺激源的脑深部电刺激系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道多刺激源的脑深部电刺激系统，包括植入式神经刺激器、程控仪、刺激电极、专用操作部，其中植入式神经刺激器包括植入逻辑控制单元、电源管理单元、无线充电单元、植入无线通信单元、专用ASIC单元、功能保护单元，程控仪包括程控逻辑控制单元、显示单元、状态灯指示单元、按键交互单元、语音提示单元、无线充电发射单元、存储单元、程控无线通信单元、USB通信单元、电池充电管理单元。该系统具备传统脑深部电刺激系统(DBS)的有效性同时极大的降低了副作用，为患者带来更好的使用体验。
Description
技术领域
本发明属于神经刺激领域，涉及一种多通道多刺激源的脑深部电刺激系统。
背景技术
帕金森病(Parkinson’s Disease)是一种常见的中老年神经系统退行性疾病，主要以黑质多巴胺能神经元进行性退变和路易小体形成的病理变化，纹状体区多巴胺递质降低、多巴胺与乙酰胆碱递质失平衡的生化改变，震颤、肌强直、动作迟缓、姿势平衡障碍的运动症状和嗅觉减退、便秘、睡眠行为异常和抑郁等非运动症状的临床表现为显著特征。
近些年来，无论是对帕金森发病机制的认识以及对早期诊断生物学标志物的发现，还是对其治疗方法和手段的探索，都有了显著的进步。每一例帕金森患者都会先后或同时表现出运动症状和非运动症状，但在整个病程中都会伴有这两类症状，有时会产生多种非运动症状，不仅运动症状影响了患者的工作生活能力，非运动症状也明显干扰了患者的生活质量。因此，我们对帕金森的运动症状和非运动症状采取全面综合的治疗。
治疗方法和手段包括：药物治疗、手术治疗、运动疗法、心理疏导及照料护理等。药物治疗为首选，且是整个治疗过程中的主要治疗手段，手术治疗则是药物治疗的一种有效补充。早期药物治疗显效明显，而长期治疗的疗效明显减退，或出现严重的运动波动及异动症。1987年，法国功能神经外科医生Benabid教授一次意外给的患者脑部施加了高频刺激，结果发现病人的肢体不抖动了，也没有明显的副作用，由此产生了DBS疗法。手术疗法主要包括神经核毁损术和脑深部电刺激(DBS)，DBS因其相对无创、安全和可调控性而作为主要选择。
脑深部电刺激疗法(DBS)通过植入大脑中的电极，发放电脉冲至控制运动的相关神经核团，调控异常的神经电活动，达到减轻和/或控制症状的目的。手术靶点包括苍白球内侧部GPi、丘脑腹中间核VIM和丘脑底核STN，其中在STN行DBS对改善震颤、强直、运动迟缓和异动症的疗效最为显著。另外，FDA已批准DBS用于精神疾病治疗，像强迫症(厌食症、网瘾、药物依赖等)，还有尝试治疗抑郁症、抽动秽语综合征等心理疾病。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多通道多独立刺激源的脑深部电刺激系统，该设计在植入式神经刺激器内部直接设置多路独立电压源，如2个及2个以上通路的独立电压源、多路独立电流源，如8个及8个以上通路的独立电流源、多路独立电流阱，如8个及8个以上通路的独立电流阱，每个电压源、电流源、电流阱可通过专用ASIC单元的数字接口进行程序化配置。
每个电压源、电流源、电流阱可设定不同的刺激幅度、刺激脉宽、刺激频率，由此输出的电脉冲信号经过隔直电容及电极配置网络可同时作用于脑部植入电极的相应触点端，通过配置不同电极通道的刺激信号幅度、脉宽和频率及电极组合可产生不同的电荷效应范围，在具备传统DBS刺激疗效的同时又极大的降低了对周围核团的刺激副作用，进一步提升患者体验感及满意度。为了降低电脉冲刺激对于脑组织的损伤，在多电流源同时工作产生靶向性刺激效应的同时会控制电极端点处的电荷密度，常规刺激场合下该电荷密度皆小于30uC/cm2/Phase。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种多通道多刺激源的脑深部电刺激系统，包括植入式神经刺激器、程控仪、刺激电极、专用操作部，其中，植入式神经刺激器与程控仪和刺激电极分别连接，程控仪还与专用操作部连接；
所述植入式神经刺激器包括植入逻辑控制单元、电源管理单元、无线充电单元、植入无线通信单元、专用ASIC单元和功能保护单元；
所述程控仪包括程控逻辑控制单元、显示单元、状态灯指示单元、按键交互单元、语音提示单元、无线充电发射单元、存储单元、程控无线通信单元、USB通信单元和电池充电管理单元，其中，
所述植入逻辑控制单元与电源管理单元、无线充电单元、植入无线通信单元、专用ASIC单元和功能保护单元分别连接，对上述电路进行控制；
所述电源管理单元包括电池、电源管理电路和测量保护电路，电源管理电路无线充电单元整流输出的信号进行稳压及管理，将电池的输出进行升压或者降压变换至所需电压幅度，测量保护电路对电池内阻、电池电压和电池输出进行测量和监控；
所述无线充电单元接收来自体外的无线充电信号并将双向谐振信号进行整流得到脉动直流，无线充电频率为KHz级或MHz级；
所述植入无线通信单元为近场耦合通信或远场通信，实现植入式神经刺激器与体外程控仪间的双向数据传输；无线通信单元也可以采用射频通信，或者磁元件感应；
所述专用ASIC单元包括高度集成的刺激发生电路、电极配置电路及反馈电路，刺激发生电路可产生多路电压源、多路电流源、及多路电流阱，各个电压源、各个电流源、电流阱之间相互独立，反馈电路测量电极植入部位阻抗及采集指定区域脑电波形；
所述功能保护单元防止刺激信号过流、过压及频率上限防护、最大脉宽防护，防止过度电荷刺激保护植入部位安全；对总回路电流监控，预判接端点的短路、半短路、断路状况；
所述程控逻辑控制单元控制显示单元、状态灯指示单元、按键交互单元、语音提示单元、无线充电发射单元、存储单元、程控无线通信单元、USB通信单元和电池充电管理单元；
所述显示单元包括液晶或数码管，显示操作菜单界面，引导使用程控仪；
所述状态灯指示单元包括若干颜色的LED，提示充电状态；
所述按键交互单元包括若干按键，按动按键进行程控功能选择；
所述语音提示单元包括蜂鸣器或人声语音播放器，发出不同状态提示音，提示操作状态；
所述无线充电发射单元为植入式神经刺激器中的电池进行无线充电，为近距离感应式无线充电技术或磁/电场谐振无线充电，无线充电频率为KHz级或MHz级；
所述存储单元为外置Flash芯片，存储显示字符及图形画面；
所述程控无线通信单元包括天线、低功耗蓝牙通信模块和/或近场耦合通信模块和/或远场通信模块，近场耦合通信模块包括脉冲频率调制或脉冲宽度调制或数字幅度调制或频移键控调制，通过天线实现植入式神经刺激器与程控仪间的双向数据传输；低功耗蓝牙通信模块将程控仪与专用操作部间进行双向数据传输和控制；
所述USB通信单元包括USB2.0或USB3.0接口，实现电脑端专用控制软件对程控仪的程控及数据传输；
所述电池充电管理单元包括充电管理电路和充电电池，充电管理电路对充电电池进行充电管理及将充电电池输出电压Buck/Boost变化至所需电压幅度；
所述刺激电极为圆柱状、扇面状、条状，电极数目为4-12个。
优选地，所述植入逻辑控制单元包括MCU或MPU或DSP或FPGA或ASIC。
优选地，所述无线充电单元中整流为全桥整流或全波整流。
优选地，所述植入无线通信单元的近场耦合通信为脉冲频率调制或脉冲宽度调制或数字幅度调制或频移键控调制。
优选地，所述专用ASIC单元的刺激发生电路包括逻辑控制器数字接口、数字解码电路、逻辑控制电路，与电压源电路、电流源电路、电流阱电路和反馈电路分别连接；刺激发生电路能够产生多路电压源、多路电流源及多路电流阱，各路电压源、电流源及电流阱之间相互独立，根据逻辑控制器数字接口进行幅度、频率、脉宽控制。
本发明中的植入式神经刺激器设置了反馈电路，具备生物反馈功能，可用于测定电极植入部位的脑组织阻抗及测量特定核团区域的脑电波形(EEG)，EEG波形的分析处理可根据系统灵敏度需要配置为植入式神经刺激器内部逻辑单元进行波形分析处理或将EEG信号经过无线通信方式发送至体外控制软件中进行EEG分析处理，经对脑电信号分析处理可提取脑电波的相关特征值如β波等，该特征值可用于闭环控制神经刺激激活或待机。因此，本发明可灵活的配置为连续型刺激模式或基于脑电波形特征预判的刺激模式，特别针对特征预判模式，当帕金森脑电波形特征值达到触发条件时启动电刺激，低于触发条件时电刺激关闭，防止过度无用的刺激，且更为省电。
有益效果至少包括：
1.输出的刺激具备多路刺激源，可根据实际临床患者治疗需要进行选择，每路独立分开，互不干涉，可自由配置；
2.多通道独立的电压源、电流源、电流阱回路，可灵活的程控配置幅度、脉宽、频率，以实现靶向刺激效果，保证疗效的同时降低副作用；
3.高度集成的模数混合ASIC设计，具备上述功能的同时进一步降低了电路功耗、节省电路体积且系统保密性增强；
4.刺激电极在左右脑各具备4个或更多的电极触点，电极触点可为圆柱状、扇面状、条状或其他异形形状，每个触点可灵活配置为正极或负极，植入式神经刺激器壳体可作为正极；
5.具备闭环生物反馈功能，可采集相应部位阻抗及脑电波型，并提供连续型刺激模式和基于脑电波特征值预判的刺激模式，预判刺激模式下可减少过度无用的刺激且节省系统功耗；
6.植入式神经刺激器无线充电具备自适应调节，可进一步降低充电过程中涡流效应，减少温升；
7.植入式神经刺激器可充电，具备更长久的使用寿命；
8.植入式神经刺激器中电源管理单元可有效监测电池内阻、电池容量、电池端电压及回路总电流，可提前预估电池续航能力及系统连接端子的腐蚀情况。
附图说明
图1为本发明具体实施例的多通道多刺激源的脑深部电刺激系统的结构框图；
图2为本发明具体实施例的多通道多刺激源的脑深部电刺激系统的植入式神经刺激器结构框图；
图3为本发明具体实施例的多通道多刺激源的脑深部电刺激系统的程控仪结构框图；
图4为本发明具体实施例的多通道多刺激源的脑深部电刺激系统的专用ASIC单元结构框图；
图5为本发明具体实施例的多通道多刺激源的脑深部电刺激系统的无线充电示意图；
图6为本发明具体实施例的多通道多刺激源的脑深部电刺激系统的刺激电极应用示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1-5，所示为本发明实施例的一种多通道多刺激源的脑深部电刺激系统结构框图，包括植入式神经刺激器10、程控仪20、刺激电极30、专用操作部40，其中，植入式神经刺激器10与程控仪20和刺激电极30分别连接，程控仪20还与专用操作部40连接；
植入式神经刺激器10包括植入逻辑控制单元101、电源管理单元102、无线充电单元103、植入无线通信单元104、专用ASIC单元105和功能保护单元106；
程控仪20包括程控逻辑控制单元201、显示单元202、状态灯指示单元203、按键交互单元204、语音提示单元205、无线充电发射单元206、存储单元207、程控无线通信单元208、USB通信单元209和电池充电管理单元210，其中，
植入逻辑控制单元101与电源管理单元102、无线充电单元103、植入无线通信单元104、专用ASIC单元105和功能保护单元106分别连接，对上述电路进行控制；
电源管理单元102包括电池、电源管理电路和测量保护电路，电源管理电路无线充电单元103整流输出的信号进行稳压及管理，将电池的输出进行升压或者降压变换至所需电压幅度，测量保护电路对电池内阻、电池电压和电池输出进行测量和监控；电源管理电路包括小封装、升压效率高、纹波噪声低、高可靠性的电源管理芯片，用于将2.2V-4.2V电池电压升至9V-15V或其他电压等级，为植入式神经刺激器10提供稳定电压；
无线充电单元103为近距离感应式无线充电技术或(磁/电)场谐振无线充电技术，接收来自体外的无线充电信号并将双向谐振信号进行整流得到脉动直流，无线充电频率为KHz级或MHz级,接收线圈601可放置于植入式神经刺激器壳体内部或外部，壳体可采用钛合金壳体或钛合金与陶瓷结合壳体，无线充电具备充电状态检测、过流保护、过压保护及金属异物检测功能；
植入无线通信单元104为近场耦合通信或远场通信，实现植入式神经刺激器10与体外程控仪20间的双向数据传输；无线通信单元也可以采用射频通信，或者磁元件感应；
专用ASIC单元105包括高度集成的刺激发生电路、电极配置电路507及反馈电路508，刺激发生电路可产生多路电压源、多路电流源、及多路电流阱，各个电压源、各个电流源、电流阱之间相互独立，反馈电路508测量电极植入部位，即负载509阻抗及采集指定区域脑电波形；
功能保护单元106防止刺激信号过流、过压及频率上限防护、最大脉宽防护，防止过度电荷刺激保护植入部位安全；对总回路电流监控，预判连接端点的短路、半短路、断路状况；
程控逻辑控制单元201控制显示单元202、状态灯指示单元203、按键交互单元204、语音提示单元205、无线充电发射单元206、存储单元207、程控无线通信单元208、USB通信单元209和电池充电管理单元210；
显示单元202包括液晶或数码管，显示操作菜单界面，引导使用程控仪20；
状态灯指示单元203包括若干颜色的LED，提示充电状态；
按键交互单元204包括若干按键，按动按键进行程控功能选择；
语音提示单元205包括蜂鸣器或人声语音播放器，发出不同状态提示音，提示操作状态；
无线充电发射单元206为植入式神经刺激器10中的电池进行无线充电，为近距离感应式无线充电技术或磁/电场谐振无线充电，无线充电频率为KHz级或MHz级,无线充电发射单元206具备发射线圈610对准提示功能、天线对准引导功能、金属异物检测功能及充电过程中电流防护及温度控制功能；
存储单元207为外置Flash芯片，存储显示字符及图形画面；
程控无线通信单元208包括天线、低功耗蓝牙通信模块和/或近场耦合通信模块和/或远场通信模块，近场耦合通信模块包括脉冲频率调制或脉冲宽度调制或数字幅度调制或频移键控调制，通过天线实现植入式神经刺激器10与程控仪20间的双向数据传输；低功耗蓝牙通信模块将程控仪20与专用操作部40间进行双向数据传输和控制；
USB通信单元209包括USB2.0或USB3.0接口，实现电脑端专用控制软件对程控仪20的程控及数据传输；
电池充电管理单元210包括充电管理电路和充电电池，充电管理电路对充电电池进行充电管理及将充电电池输出电压Buck/Boost变化至所需电压幅度；
刺激电极30为圆柱状、扇面状、条状，电极数目为4-12个。
具体实施例中，植入逻辑控制单元101包括MCU或MPU或DSP或FPGA或ASIC。
植入无线通信单元104的近场耦合通信为脉冲频率调制或脉冲宽度调制或数字幅度调制或频移键控调制。
专用ASIC单元105的结构参见图4，刺激发生电路包括逻辑控制器数字接口501、数字解码电路502、逻辑控制电路503，与电压源电路504、电流源电路505、电流阱电路506和反馈电路508分别连接；刺激发生电路能够产生多路电压源、多路电流源及多路电流阱，各路电压源、电流源及电流阱之间相互独立，根据逻辑控制器数字接口501进行幅度、频率、脉宽控制。专用ASIC单元105内部设计巧妙，在无需更改电路结构的前提下只需调整外部供电电压升压值即可实现更大动态范围的刺激信号输出，如10V电压范围时各项指标为电流0-20mA可调、电压0-10V可调、频率0-250Hz可调、脉宽0-620uS可调，将供电电压升压至15V或更高电压值，可增大上述电流及电压的输出范围；反馈电路508可用于测量电极植入部位阻抗及采集特定区域脑电波形(EEG)。
无线充电单元103中整流为全桥整流或全波整流，无线充电示意图参见图5，在体外部分由高频激励源611输出电能，经发射线圈610与体内的接收线圈601耦合接收电能，再输出给充电负载602。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多通道多刺激源的脑深部电刺激系统，其特征在于，包括植入式神经刺激器、程控仪、刺激电极、专用操作部，其中，植入式神经刺激器与程控仪和刺激电极分别连接，程控仪还与专用操作部连接；
所述植入式神经刺激器包括植入逻辑控制单元、电源管理单元、无线充电单元、植入无线通信单元、专用ASIC单元和功能保护单元；
所述程控仪包括程控逻辑控制单元、显示单元、状态灯指示单元、按键交互单元、语音提示单元、无线充电发射单元、存储单元、程控无线通信单元、USB通信单元和电池充电管理单元，其中，
所述植入逻辑控制单元与电源管理单元、无线充电单元、植入无线通信单元、专用ASIC单元和功能保护单元分别连接，对上述电路进行控制；
所述电源管理单元包括电池、电源管理电路和测量保护电路，电源管理电路无线充电单元整流输出的信号进行稳压及管理，将电池的输出进行升压或者降压变换至所需电压幅度，测量保护电路对电池内阻、电池电压和电池输出进行测量和监控；
所述无线充电单元接收来自体外的无线充电信号并将双向谐振信号进行整流得到脉动直流，无线充电频率为KHz级或MHz级；
所述植入无线通信单元为近场耦合通信或远场通信，实现植入式神经刺激器与体外程控仪间的双向数据传输；无线通信单元也可以采用射频通信，或者磁元件感应；
所述专用ASIC单元包括高度集成的刺激发生电路、电极配置电路及反馈电路，刺激发生电路可产生多路电压源、多路电流源、及多路电流阱，各个电压源、各个电流源、电流阱之间相互独立，反馈电路测量电极植入部位阻抗及采集指定区域脑电波形；
所述功能保护单元防止刺激信号过流、过压及频率上限防护、最大脉宽防护，防止过度电荷刺激保护植入部位安全；对总回路电流监控，预判连接端点的短路、半短路、断路状况；
所述程控逻辑控制单元控制显示单元、状态灯指示单元、按键交互单元、语音提示单元、无线充电发射单元、存储单元、程控无线通信单元、USB通信单元和电池充电管理单元；
所述显示单元包括液晶或数码管，显示操作菜单界面，引导使用程控仪；
所述状态灯指示单元包括若干颜色的LED，提示充电状态；
所述按键交互单元包括若干按键，按动按键进行程控功能选择；
所述语音提示单元包括蜂鸣器或人声语音播放器，发出不同状态提示音，提示操作状态；
所述无线充电发射单元为植入式神经刺激器中的电池进行无线充电，为近距离感应式无线充电技术或磁/电场谐振无线充电，无线充电频率为KHz级或MHz级；
所述存储单元为外置Flash芯片，存储显示字符及图形画面；
所述程控无线通信单元包括天线、低功耗蓝牙通信模块和/或近场耦合通信模块和/或远场通信模块，近场耦合通信模块包括脉冲频率调制或脉冲宽度调制或数字幅度调制或频移键控调制，通过天线实现植入式神经刺激器与程控仪间的双向数据传输；低功耗蓝牙通信模块将程控仪与专用操作部间进行双向数据传输和控制；
所述USB通信单元包括USB2.0或USB3.0接口，实现电脑端专用控制软件对程控仪的程控及数据传输；
所述电池充电管理单元包括充电管理电路和充电电池，充电管理电路对充电电池进行充电管理及将充电电池输出电压Buck/Boost变化至所需电压幅度；
所述刺激电极为圆柱状、扇面状、条状，电极数目为4-12个。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植入逻辑控制单元包括MCU或MPU或DSP或FPGA或ASIC。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线充电单元中整流为全桥整流或全波整流。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植入无线通信单元的近场耦合通信为脉冲频率调制或脉冲宽度调制或数字幅度调制或频移键控调制。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述专用ASIC单元的刺激发生电路包括逻辑控制器数字接口、数字解码电路、逻辑控制电路，与电压源电路、电流源电路、电流阱电路和反馈电路分别连接；刺激发生电路能够产生多路电压源、多路电流源及多路电流阱，各路电压源、电流源及电流阱之间相互独立，根据逻辑控制器数字接口进行幅度、频率、脉宽控制。
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