CN110478617A - 一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，属于红外/太赫兹技术领域。该探针包括探针管状结构和探针端封口；所述探针管状结构从外侧向内侧依次由探针外壳、聚碳酸绝缘套层、黄铜套层、聚碳酸酯基层、银膜、碘化银膜组成；黄铜套层从所述探针管状结构伸出构成探针针尖，所述探针针尖处嵌有光纤透镜，探针针尖端封口采用环烯树脂封口。本发明提出的探针既可以将高频电磁信号耦合进高等动物脑内特定的靶点、又可以紧贴在靶点神经细胞上对刺激效果进行实时电信号检测的脑深部电磁刺激探针，能够提供高效、微创、高靶向的刺激方式，并能精准的探测功能区的动作电位，最终实现更有效的脑深部电磁刺激与检测。

Description

一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针
技术领域
本发明涉及一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，属于红外/太赫兹技术领域。
背景技术
脑深部电刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)是近20年来神经外科领域发展最迅猛的技术，是通过立体定向方法进行精确定位,在脑深部特定部位进行高频电刺激，从而改变相应核团兴奋性以达到改善帕金森病症状、特发性震颤、扭转痉挛、癫痫和强迫症、严重抑郁症、严重焦虑症和恐怖症、神经性厌食症、痉挛性斜颈、抽动秽语综合征等的一种神经外科疗法。DBS具有选择性好、靶点明确、微创、可调、可逆等优点，对于不同的神经疾病需要刺激不同的脑深部功能区。现有的用于脑深部电刺激的探针主要为在靶点植入的刺激电极，该电极与能产生高频电信号刺激的脉冲发生器相连，通过施加电脉冲信号刺激兴奋或抑制核团异常的神经活动，并且有着专用的电生理检测系统对刺激效果如动作电位进行检测。然而，从硬件方面考虑，传统的脑深部电刺激与检测，不仅需要刺激电极，还需要紧贴在特定神经细胞上的电生理检测系统，这就造成了手术的复杂度，更容易引起相关不良并发症。并且，脑深部电信号刺激治疗的作用机制目前也尚不完全清楚，不仅有许多问题尚未解决，而且可能会引起与手术相关、硬件相关、刺激相关等的不良反应。此外，随着闭环DBS技术的快速发展和疾病运动、认知功能等多功能症状的同步调控，对刺激电极、乃至触点的精准定位和功能区的精细探测提出了更高的要求。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明提供了一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，可以将高频电磁信号耦合聚焦进高等动物脑内特定的靶点，完成基于高频电磁波与生物大分子产生谐振的刺激，提供高效、微创、高靶向的刺激方式；又可以紧贴在靶点神经细胞上对刺激效果进行实时电信号检测，精准的探测功能区的动作电位，减少手术复杂度，最终实现更有效的脑深部电磁刺激与检测。
本发明中的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针通过将高频电磁刺激耦合进高等动物脑内特定的靶点，在脑深部特定部位进行高频电磁刺激，该高频电磁(太赫兹/红外波)的频率位于0.1THz-100THz。该频段的电磁波具有与生物大分子相近的振动、转动频率，高频电磁波通过与生物大分子的谐振，改变其运动状态，使神经细胞中的离子通道变化加快离子跨膜运输，使得膜电位变化速度改变。在该脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针中设计有吸附并传递电信号的结构，可以将探针尖端吸附在刺激靶点神经细胞上对刺激效果进行实时电信号检测，并经过探针传递给外部检测系统。
本发明提出的一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，包括：
一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，包括探针管状结构和探针端封口；其中，
所述探针管状结构从外侧向内侧依次由探针外壳、聚碳酸绝缘套层、黄铜套层、聚碳酸酯基层、银膜、碘化银膜组成；银膜与碘化银膜构成碘化银/银空芯光纤，用于红外到太赫兹波段的高频电磁波在探针内的传输；不锈钢接地外壳层与黄铜套层之间的聚碳酸绝缘套层将不锈钢接地外壳与黄铜套层进行隔离绝缘；黄铜套层与银膜层中之间的聚碳酸酯基层，使红外到太赫兹波段的高频电磁波在碘化银/银空芯光纤内传输时可以更好的反射，减少电磁波传输时的损耗；
黄铜套层从所述探针管状结构伸出构成探针针尖，所述探针针尖处嵌有光纤透镜，用于将碘化银/银空芯光纤内传输的红外到太赫兹波段的高频电磁波汇聚至高等动物脑内特定靶点；探针针尖采用封口设计，将探针内部空芯结构与探针外围脑内组织液体隔离，以防止脑组织液进入探针内部增大电磁信号传输时的损耗。
进一步的，所述光纤透镜的制作方法如下：采用激光非接触式加工方法将Ge材料光纤的始末端分别加工成半球面透镜。
进一步的，所述光纤透镜的直径等于探针内侧直径，长度等于边缘厚度与两倍的光纤透镜始末端透镜的曲率半径之和，所述边缘厚度等于两倍的焦距，所述焦距与光纤透镜始末端半球面透镜曲率根据探针所传输的高频电磁波的频率范围而定。
进一步的，所述脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针外侧直径为1-2mm，长度为10-25cm。
进一步的，所述探针外壳为不锈钢接地外壳。
进一步的，所述探针外壳厚度为0.02-0.1mm。
进一步的，聚碳酸酯绝缘层厚度为0.02-0.1mm，聚碳酸酯基层厚度为0.05-0.2mm。
进一步的，黄铜套层层厚为0.05-0.3mm。
进一步的，探针针尖采用环烯树脂封口。
进一步的，黄铜套层从所述探针管状结构伸出长度为0.2-3mm。
本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和效果：本发明的技术提出了既可以将高频电磁信号耦合进高等动物脑内特定的靶点、又可以紧贴在靶点神经细胞上对刺激效果进行实时电信号检测的脑深部电磁刺激探针，能够提供高效、微创、高靶向的刺激方式，并能精准的探测功能区的动作电位，最终实现更有效的脑深部电磁刺激与检测。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实时例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针的整体示意图。
图2为本发明脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针的剖面示意图。
图3为本发明脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针的针尖局部示意图。
图4为本发明脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针尖端内部光纤透镜示意图。
其中：1.探针外壳，2.碘化银膜(AgI)，3.银膜(Ag)，4.聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)基层，5.黄铜套层，6.聚碳酸酯绝缘套层，7.光纤透镜，8.环烯树脂封口(Cyclic OlefinPolymer，Cop)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施案例做进一步的仔细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1、2、3、4所示，本发明的一个实施例提供了一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，所述探针外侧总体直径为1.5mm，长度19cm，可以满足传统脑深部电刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)时所需刺激电极的尺寸，方便置放在手术时所应用的安装架上。所述探针包括探针管状结构和探针端封口。
所述探针管状结构从外侧向内侧依次由探针外壳1、聚碳酸绝缘套层6、黄铜套层5、聚碳酸酯基层4、银膜3、碘化银膜2组成。
探针外壳1为不锈钢接地外壳，既可以实现新型探针整体的接地保护，得以对高等动物脑部组织的保护，又可以实现探针位置的固定。在本发明的实施例中，不锈钢接地外壳厚度为0.05mm。
不锈钢接地外壳层1与黄铜套层5之间的聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)绝缘套层6将不锈钢接地外壳1与黄铜套层5进行隔离绝缘，使黄铜套层与不锈钢接地外壳更好的发挥作用。在本发明的实施例中，聚碳酸酯绝缘层厚度为0.05mm。
在本发明的实施例中，黄铜套层层厚为0.2mm，探针中的黄铜套层的尖端可以紧贴在靶点神经细胞上，对神经细胞动作电位进行实时监测，对刺激效果进行实时电信号检测，并经过黄铜套层对电信号进行传递。探针中的黄铜套层暴露出的针尖尖端长度为0.5mm，便于更好的定位，确定刺激部位，具有高度靶向性。
黄铜套层5与Ag膜层3中的聚碳酸酯基层作为镀制银膜时的基管，可以提高所镀银膜的光滑度，使电磁波在AgI/Ag空芯光纤内传输时可以更好的反射，减少电磁波传输时的损耗。聚碳酸酯基层作为镀制银膜时的基管，使银膜镀制时更加光滑，减少银膜的粗糙度。在本发明的实施例中，聚碳酸酯基层厚度为0.1mm。
管内银膜3与碘化银膜4构成AgI/Ag空芯光纤，可以实现红外到太赫兹波段的高频电磁波在探针内的传输，传输的电磁波段位于红外及太赫兹波段，该波段与生物大分子的振动及转动频率相近，并可以使生物大分子产生谐振，提高神经细胞离子通道开关速度，加快神经信号传导的速度，从而达到刺激兴奋或抑制核团异常的神经元活动。AgI/Ag空芯光纤的制作过程主要有两个步骤：在聚碳酸酯基管内壁镀银膜、将银膜碘化。碘化银膜的厚度由目标波长决定，比如优化在1μm波长附近的AgI/Ag空芯光纤的碘化银膜厚度约为70nm。
黄铜套层从所述探针管状结构伸出构成探针针尖，所述探针针尖处嵌有光纤透镜7，用于将碘化银/银空芯光纤内传输的红外到太赫兹波段的高频电磁波汇聚至高等动物脑内特定靶点；探针端封口处嵌入的光纤透镜7外侧采用环烯树脂(Cyclic Olefin Polymer，Cop)封口8进行封口处理，将探针内部空芯结构与探针外围脑内组织液体隔离，以防止脑组织液进入探针内部增大电磁信号传输时的损耗。
光纤透镜采用Ge材料，采用激光非接触式加工技术将Ge材料光纤的始末端分别加工成半球面透镜，以此达到汇聚高频电磁波的效果同时尽量减少传输损耗，所述光纤透镜的直径等于探针内侧直径，长度即中心厚度，等于边缘厚度与两倍的光纤透镜始末端透镜的曲率半径之和，所述边缘厚度等于两倍的焦距，所述焦距与光纤透镜始末端透镜曲率根据探针所传输的高频电磁波的频率范围而定。
在使用时，本脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针放置在DBS手术时所应用的安装架上，将频段覆盖红外到太赫兹波段的高频电磁波源发出的电磁波经过光纤耦合器耦合至脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，将不锈钢接地外壳经导线接地，将黄铜套层接线引入电生理检测装置。通过电磁波在银膜和碘化银膜所构成的AgI/Ag空芯光纤传输，并由光纤透镜耦合汇聚至高等动物脑内特定靶点，以及黄铜套层对电生理信号的传递，首先实现将高频电磁信号耦合汇聚进高等动物脑内特定的靶点，完成基于高频电磁波与生物大分子产生谐振的刺激，提供高效、微创、高靶向的刺激方式，其次实现探针局部紧贴在靶点神经细胞上对刺激效果进行实时电信号检测，精准的探测功能区的动作电位，减少手术复杂度，最终实现有效的脑深部电磁刺激与检测。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，包括探针管状结构和探针针尖；其中，
所述探针管状结构从外侧向内侧依次由探针外壳、聚碳酸绝缘套层、黄铜套层、聚碳酸酯基层、银膜、碘化银膜组成；银膜与碘化银膜构成碘化银/银空芯光纤，用于红外到太赫兹波段的高频电磁波在探针内的传输；不锈钢接地外壳层与黄铜套层之间的聚碳酸绝缘套层将不锈钢接地外壳与黄铜套层进行隔离绝缘；黄铜套层与银膜层中之间的聚碳酸酯基层，使红外到太赫兹波段的高频电磁波在碘化银/银空芯光纤内传输时可以更好的反射，减少电磁波传输时的损耗；
黄铜套层从所述探针管状结构伸出构成探针针尖，所述探针针尖处嵌有光纤透镜，用于将碘化银/银空芯光纤内传输的红外到太赫兹波段的高频电磁波汇聚至高等动物脑内特定靶点；探针针尖采用封口设计，将探针内部空芯结构与探针外围脑内组织液体隔离，以防止脑组织液进入探针内部增大电磁信号传输时的损耗。
2.如权利要求1所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，所述光纤透镜的制作方法如下：采用激光非接触式加工方法将Ge材料光纤的始末端分别加工成半球面透镜。
3.如权利要求2所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，所述光纤透镜的直径等于探针内侧直径，长度等于边缘厚度与两倍的光纤透镜始末端透镜的曲率半径之和，所述边缘厚度等于两倍的焦距，所述焦距与光纤透镜始末端半球面透镜曲率根据探针所传输的高频电磁波的频率范围而定。
4.如权利要求1或2或3所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，所述探针外侧直径为1-2mm，长度为10-25cm。
5.如权利要求1或2或3所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，所述探针外壳为不锈钢接地外壳。
6.如权利要求5所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，所述探针外壳厚度为0.02-0.1mm。
7.如权利要求1或2所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，聚碳酸酯绝缘层厚度为0.02-0.1mm。
8.如权利要求1或2所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，黄铜套层层厚为0.05-0.3mm，聚碳酸酯基层厚度为0.05-0.2mm。
9.如权利要求1或2所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，探针针尖采用环烯树脂封口。
10.如权利要求1或2所述的脑深部电磁耦合刺激与电信号检测的探针，其特征在于，黄铜套层从所述探针管状结构伸出长度为0.2-3mm。
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