CN110433394B - 一种基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统，包括逻辑控制单元、电源管理单元、多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路、电荷平衡电路、电极配置电路、隔直电路和反馈电路。通过多个独立电流阱通道既可以异步输出不同的刺激电流，也可以同步输出不同幅度的刺激电流，施加于脑深部苍白球内侧部GPi或丘脑腹中间核VIM或丘脑底核STN等核团，调控脑部核团区域异常的神经电活动，控制肢体震颤、肌强直及异动症状。本发明大大降低了对周围其他功能核团的电刺激副作用，刺激负半周采用负向可控电压源或者电流源进行电荷抵消，实现刺激波形正负双向完全电中性，避免直流累积，保护生物组织安全。
Description
技术领域
本发明属于神经刺激领域，涉及一种基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统。
背景技术
1997年，美国FDA批准脑深部电刺激疗法(DBS)用于治疗特发性震颤和帕金森病(PD，Parkinson’s disease)；1998年，中国成功开展第一例DBS手术；2002年，美国FDA批准DBS用于控制和缓解中晚期帕金森病的运动症状；2012年，欧洲、澳大利亚、韩国等多国陆续批准癫痫作为DBS治疗的适应症。
近些年来，针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，及对其治疗方法和手段的探索，都有了显著的进步，治疗方法也更加系统准确化。脑深部电刺激疗法是治疗帕金森(PD)病的有效方法，也是帕金森药物治疗之外的一种有效补充手段。脑深部电刺激疗法(DBS)适用于原发性帕金森病、服用复方左旋多巴曾有良好疗效、疗效已明显下降或出现严重的运动波动或异动症，影响生活质量，除外痴呆和严重的精神疾病。手术对肢体震颤和(或)肌强直有较好的疗效，但对躯体性中轴症状如姿势平衡障碍则无明显疗效。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，DBS也在逐步用于精神疾病治疗，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。
脑深部电刺激技术经过近些年的发展，在为广大的帕金森患者带来福音的同时也暴露了越来越多的刺激副作用，如刺痛感(感觉异常)、语言问题，如低声说话(发音困难)及拼字困难(构音障碍)、头昏眼花或头晕(眩晕感)、脸部及四肢肌肉无力或部分麻木感、肢体运动有问题或协调性降低、震动或摇晃感等。产生这些刺激副作用的原因很大程度是因传统的DBS刺激器内部刺激源单一且刺激源通路较少，常规DBS刺激调控采用单一固定频率及强度对靶点核团施加电脉冲，电脉冲在靶点核团周围会产生一定范围的电荷传递效应，导致周围非靶点核团受到电刺激进而出现一些不良反应，刺激效应如图9示；目前也有一些新的刺激算法产生，是基于高频切换刺激信号在不同的电极触点端施加电脉冲，参见图5示，通过T0、T1、T2的间隙交替产生高频切换刺激，使电荷在核团周围的影响区域相对集中，刺激效应如图10示，但该算法只是一定程度上的逼近，并非实时直接作用于靶点附近的电极触点，因此只能适当降低对周围非靶点核团的刺激副作用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种在左/右脑电极植入核团位置处使用多路互相独立的电流阱，且多路刺激电流可同步或异步施加于电极端点而非使用模拟开关高速切换，结合程序控制可同步产生靶向性电刺激，定向引导刺激电荷至目标核团区域，进一步缩小对周围其他脑核团的影响，每个电流阱可设定不同的刺激幅度，多路电脉冲信号经过隔直电容后同时作用于脑部植入电极的相应触点端，产生电刺激效应。此外，通过医生调试设置不同电极通道的极性、刺激信号幅度、脉宽和频率可产生不同的电荷效应范围，结合特殊的异形状电极如扇面状电极等，可实现更准确的靶向刺激作用。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统，包括逻辑控制单元、电源管理单元、多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路、电荷平衡电路、电极配置电路、隔直电路和反馈电路，其中，
所述逻辑控制单元与电源管理单元、多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路、电荷平衡电路、电极配置电路和反馈电路分别连接，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，电源管理电路将电池输出的源电压进行降压和/或升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；
所述多路电压源电路与逻辑控制单元、电源管理单元和电极配置电路分别连接，根据逻辑控制单元产生所需刺激幅度的电压源，包括多个相互独立的电压源，分别程控；
所述多路电流源电路与逻辑控制单元、电源管理单元和电极配置电路分别连接，逻辑控制单元产生所需刺激幅度的电流源，包括多个相互独立的电流源，分别程控；
所述多路电流阱电路与逻辑控制单元、电源管理单元和电极配置电路分别连接，逻辑控制单元产生所需刺激幅度的电流阱，包括多个相互独立的电流阱，分别程控；
所述电荷平衡电路包括可调电压源或者可调的电流源，为负向电荷平衡电路，平衡每个刺激周期内的正负电荷；
所述电极配置电路包括多触点电极选择电路、多通道模拟开关控制回路和刺激电极，各个通道之间独立；
所述隔直电路与电极配置电路连接，对负载输出刺激信号，隔离交流电脉冲中的直流分量，降低直流电荷累积；
所述反馈电路与负载连接，测量电极阻抗、脑电波形及刺激信号幅度，反馈给逻辑控制单元。
优选地，所述逻辑控制单元包括MCU或MPU或DSP或FPGA或ASIC。
优选地，所述电源管理单元将电池输出的3.3V-4.2V电压进行升压至15V或以上，将电池输出电压降压变换至2.2V或3V。
优选地，所述多路电压源电路将逻辑控制单元输出的模拟电压变换调整至所需刺激电压幅度，包括固定增益或可变增益比例的放大器，放大器的电压轨根据输出范围需要进行编程控制。
优选地，所述多路电压源电路包括2-4个电压源。
优选地，所述多路电流源电路将逻辑控制单元输出的模拟电压线性变换至对应电流范围，由下式得到电流源输出电流Iout，
Iout＝F*Uin，
F为变换因子，Uin为逻辑控制单元输出的模拟电压，所述多路电流源电路包括三极管构成的简易电流源或电流镜电流源或程控DAC电流源或Howland电流源。
优选地，所述多路电流源电路包括8个或以上的电流源。
优选地，所述多路电流阱电路将逻辑控制单元输出的模拟电压变换至对应电流范围，由下式得到电流阱输出电流Iout1，
Iout1＝H*Uin，
H为变换因子，Uin为逻辑控制单元输出的模拟电压，所述多路电流阱电路包括三极管构成的简易电流阱或程控DAC电流阱或运放构成的电流阱。
优选地，所述多路电流阱电路包括8个或以上的电流阱。
优选地，所述电极配置电路的刺激电极包括圆柱状电极或扇面状电极或条状电极或片状电极或异形状电极，多通道模拟开关控制回路将多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路的刺激输出信号连接至输出的刺激电极通道，将电荷平衡电路按需连接至输出的刺激电极通路。
本发明在具备传统DBS刺激效果的同时又极大的降低了对周围核团的刺激副作用，进一步提升体验感及满意度；另外，多通道互相独立的刺激源(电压源、电流源、电流阱)也为未来探索更好的刺激算法提供了硬件条件，在无需更改刺激器硬件设计的条件下即可验证新的刺激算法，大大提高了效率，缩短了周期。
有益效果至少包括：
1.采用多通道独立电流阱同步刺激，而非高频切换刺激，靶点核团刺激准确度更高，刺激疗效明显且刺激副作用低；
2.丰富的刺激源，可实现多种组合刺激；
3.每个刺激源及刺激通道完全独立，分开程控，可独立设置不同极性，不同大小的刺激幅度、脉宽、频率，各通道互不干涉；
4.可程控的负向脉冲平衡电路，避免直流累积，实现刺激周期内的电中性；
5.多种异形状电极方案，可满足不同靶点核团的应用需求，如体积略大的核团可采用圆柱状电极，体积略小的核团可采用扇面状电极或条状电极等；
6.完善的反馈机制，采集相关生物信号可用于闭环控制神经刺激开启或关闭，监控刺激信号的输出，确保生物电刺激的安全性。
附图说明
图1为本发明具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的结构框图；
图2为本发明具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路原理图；
图3为本发明具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的电流阱电路原理图；
图4为本发明具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的电荷平衡电路原理图；
图5为现有技术中高频切换的刺激示意图；
图6为本发明一具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的多电流阱同步刺激示意图；
图7为本发明又一具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的多电流阱同步刺激示意图；
图8为本发明具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的电荷平衡电路刺激波形图；
图9为现有技术中传统DBS单一固定频率及强度刺激对靶点核团及周围组织的影响示意图；
图10为现有技术中高频切换刺激对靶点核团及周围组织的影响示意图；
图11为本发明具体实施例的基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统的对靶点核团及周围组织的影响示意图。
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，所示为本发明实施例的一种基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统结构框图，包括逻辑控制单元10、电源管理单元11、多路电压源电路12、多路电流源电路13、多路电流阱电路14、电荷平衡电路15、电极配置电路16、隔直电路17和反馈电路18，其中，
逻辑控制单元10与电源管理单元11、多路电压源电路12、多路电流源电路13、多路电流阱电路14、电荷平衡电路15、电极配置电路16和反馈电路18分别连接，对上述电路进行控制；
电源管理单元11包括电池、电源管理电路和测量保护电路，电源管理电路将电池输出的源电压进行降压和/或升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；
多路电压源电路12与逻辑控制单元10、电源管理单元11和电极配置电路16分别连接，根据逻辑控制单元10产生所需刺激幅度的电压源，包括多个相互独立的电压源，分别程控；
多路电流源电路13与逻辑控制单元10、电源管理单元11和电极配置电路16分别连接，逻辑控制单元10产生所需刺激幅度的电流源，包括多个相互独立的电流源，分别程控；
多路电流阱电路14与逻辑控制单元10、电源管理单元11和电极配置电路16分别连接，逻辑控制单元10产生所需刺激幅度的电流阱，包括多个相互独立的电流阱，分别程控；
电荷平衡电路15包括电压源或者可调的电流源，为负向电荷平衡电路15，平衡每个刺激周期内的正负电荷；
电极配置电路16包括多触点电极选择电路、多通道模拟开关控制回路和刺激电极，各个通道之间独立；
隔直电路17与电极配置电路16连接，对负载19输出刺激信号，隔离交流电脉冲中的直流分量，降低直流电荷累积；
反馈电路18与负载19连接，测量电极阻抗、脑电波形及刺激信号幅度，反馈给逻辑控制单元10。
具体实施例中，逻辑控制单元10包括MCU或MPU或DSP或FPGA或ASIC，监控电源管理单元11，当在刺激电路发生过流过压等异常情况下直接切断电源管理单元11的输出，保护刺激的安全；控制多路电压源电路12、多路电流源电路13、多路电流阱电路14、电荷平衡电路15的电压输入及电压参考，控制电极配置电路16的电极选择及刺激通道连接，控制反馈电路18测量相关生物指标。
电源管理单元11将电池输出的3.3V-4.2V电压进行升压至15V或以上，将电池输出电压降压变换至2.2V或3V。
多路电压源电路12将逻辑控制单元10输出的模拟电压变换调整至所需刺激电压幅度，包括固定增益或可变增益比例的放大器，放大器的电压轨根据输出范围需要进行编程控制；包括2-4个电压源。
多路电流源电路13将逻辑控制单元10输出的模拟电压线性变换至对应电流范围，由下式得到电流源输出电流Iout，
Iout＝F*Uin，
F为变换因子，Uin为逻辑控制单元10输出的模拟电压，多路电流源电路13包括三极管构成的简易电流源或电流镜电流源或程控DAC电流源或Howland电流源；包括8个或以上的电流源。
多路电流阱电路14将逻辑控制单元10输出的模拟电压变换至对应电流范围，由下式得到电流阱输出电流Iout1，
Iout1＝H*Uin，
H为变换因子，Uin为逻辑控制单元10输出的模拟电压，多路电流阱电路14包括三极管构成的简易电流阱或程控DAC电流阱或运放构成的电流阱；包括8个或以上的电流阱，电流阱靠近低端，对电源轨要求较低，电路设计灵活性较强。
参见图2，为上述多路电压源电路12、多路电流源电路13、多路电流阱电路14原理图，U0为电流源、U1为电压源、U2为电流阱，之间相互独立，经隔直电容C0对负载输出刺激信号，反馈电路18与负载19连接，测量电极植入部位的阻抗、脑电波形及各刺激电路的输出信号幅度，测量电极植入位点的阻抗可用于判断电极是否发生移位或开路、短路，脑电信号的采集分析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，监控刺激电路的输出信号幅度可防止过电流、过电压等。电流阱的电路原理图参见图3，VH为高压、VL为低压。
电荷平衡电路15为低压可变电压源构成的负向电荷平衡，用于平衡每个刺激周期内的正负电荷；常规神经刺激器负向放电回路采用RC网络进行电荷泄放，可称为被动放电，但由于RC放电在放电后期速度变慢，理论上存在残留电荷，长时间刺激后会存在直流累积的风险，参见图4，被动放电回路为S0、S1悬空、S2闭合、S3接地，形成泄放回路；采用低压可变电压源负向放电可称为主动放电，可精确控制负向端的电荷量，避免刺激过程中产生直流累积，基于图4，主动放电回路为S0悬空、S1切换至U2档、S2悬空、S3切换至U3可变电压源，借助U3可变电压源的电势形成“电荷外推”效应，借助U2电流阱的“电荷外拉”效应，可实现电荷平衡泄放；U0为电流源、U1为电压源、U2为电流阱、U3为可变电压源、S0/S1/S2/S3为切换开关、C0为隔直电容。
本发明中采用被称为“主动放电”技术的低压可变电压源负向放电，通过接在隔直电容C0正端的电流阱U2、隔直电容C0负端的可变电压源U3，配合模拟开关S0/S1/S2/S3的切换连接及程序控制可精确控制负向端的电荷量，实现刺激周期内的电中性，避免刺激过程中产生直流累积；程控波形参见图8，图8A为电压源U1刺激充/放电波形模式一、图8B为电流源U0刺激充/放电波形模式一、图8C为电压源U1刺激充/放电波形模式二、图8D为电流源U0刺激充/放电波形模式二，其中A0、W0为正向脉冲幅度及脉冲宽度，A1、W1为负向脉冲幅度及脉冲宽度，t为延时。
电极配置电路16的刺激电极包括圆柱状电极或扇面状电极或条状电极或片状电极或异形状电极，多通道模拟开关控制回路将多路电压源电路12、多路电流源电路13、多路电流阱电路14的刺激输出信号连接至输出的刺激电极通道，将电荷平衡电路15按需连接至输出的刺激电极通路。
隔直电路17包括耐高压、低漏电流且等效电阻低的电容器，用于隔离交流电脉冲中的直流分量，降低对细胞的直流电荷累积。
在左/右脑电极植入核团位置处使用多路互相独立的电流阱U2且多路刺激电流可同步施加于电极端点而非使用模拟开关高速切换，参见图2，结合程序控制可同步产生靶向性电刺激，定向引导刺激电荷至目标核团区域，进一步缩小对周围其他脑核团的影响，每个电流阱U2可设定不同的刺激幅度A0、A1、A2，脉冲宽度W0、W1、W2，参见图6，而图7中的CH1设定0.8*A0、CH2设定0.5*A0、CH3设定0.2*A0，这几路电脉冲信号经过隔直电容C0后同时作用于脑部植入的刺激电极的相应触点端，产生的电刺激效应参见图11，明显优于图9与图10中的电刺激效应。此外，通过医生调试设置不同电极通道的极性、刺激信号幅度、脉宽和频率可产生不同的电荷效应范围，结合特殊的异形状电极如扇面状电极等，可实现更准确的靶向刺激作用。
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 (8)
1.一种基于多通道独立电流阱的脑深部靶向电刺激系统，其特征在于，包括逻辑控制单元、电源管理单元、多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路、电荷平衡电路、电极配置电路、隔直电路和反馈电路，其中，
所述逻辑控制单元与电源管理单元、多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路、电荷平衡电路、电极配置电路和反馈电路分别连接，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，电源管理电路将电池输出的源电压进行降压和/或升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；
所述多路电压源电路与逻辑控制单元、电源管理单元和电极配置电路分别连接，根据逻辑控制单元产生所需刺激幅度的电压源，包括多个相互独立的电压源，分别程控；
所述多路电流源电路与逻辑控制单元、电源管理单元和电极配置电路分别连接，逻辑控制单元产生所需刺激幅度的电流源，包括多个相互独立的电流源，分别程控；
所述多路电流阱电路与逻辑控制单元、电源管理单元和电极配置电路分别连接，逻辑控制单元产生所需刺激幅度的电流阱，包括多个相互独立的电流阱，分别程控；
所述电荷平衡电路包括可调电压源或者可调的电流源，为负向电荷平衡电路，平衡每个刺激周期内的正负电荷；
所述电极配置电路包括多触点电极选择电路、多通道模拟开关控制回路和刺激电极，各个通道之间独立；
所述隔直电路与电极配置电路连接，对负载输出刺激信号，隔离交流电脉冲中的直流分量，降低直流电荷累积；
所述反馈电路与负载、逻辑控制单元分别连接，测量电极阻抗、脑电波形及刺激信号幅度，反馈给逻辑控制单元；
所述逻辑控制单元包括MCU或MPU或DSP或FPGA或ASIC；
所述多路电压源电路将逻辑控制单元输出的模拟电压变换调整至所需刺激电压幅度，包括固定增益或可变增益比例的放大器，放大器的电压轨根据输出范围需要进行编程控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源管理单元将电池输出的3.3V-4.2V电压进行升压至15V或以上，将电池输出电压降压变换至2.2V或3V。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多路电压源电路包括2-4个电压源。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多路电流源电路将逻辑控制单元输出的模拟电压线性变换至对应电流范围，由下式得到电流源输出电流Iout，
Iout= F*Uin，
F为变换因子，Uin为逻辑控制单元输出的模拟电压，所述多路电流源电路包括三极管构成的简易电流源或电流镜电流源或程控DAC电流源或Howland电流源。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多路电流源电路包括8个或以上的电流源。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多路电流阱电路将逻辑控制单元输出的模拟电压变换至对应电流范围，由下式得到电流阱输出电流Iout1，
Iout1=H*Uin，
H为变换因子，Uin为逻辑控制单元输出的模拟电压，所述多路电流阱电路包括三极管构成的简易电流阱或程控DAC电流阱或运放构成的电流阱。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多路电流阱电路包括8个或以上的电流阱。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电极配置电路的刺激电极包括圆柱状电极或扇面状电极或条状电极或片状电极或异形状电极，多通道模拟开关控制回路将多路电压源电路、多路电流源电路、多路电流阱电路的刺激输出信号连接至输出的刺激电极通道，将电荷平衡电路按需连接至输出的刺激电极通路。
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