CN111214760A - 能够产生汇聚虚拟电极的视觉假体微电极阵列 - Google Patents

Abstract

一种能够产生汇聚虚拟电极的视觉假体微电极阵列，包括微电极阵列、公共回收电极和微电流刺激器，微电流刺激器根据接收到的外部刺激信号刺激微电极阵列中相邻的圆环电极，微电极阵列结合远端公共回收电极产生虚拟电极，通过调节相邻两个圆环电极的刺激电流比例使虚拟电极在一维方向移动，调节相邻四个电极的刺激电流比例以使虚拟电极在二维区域内移动并实现汇聚的虚拟电极刺激；本发明能够调节汇聚的虚拟电极的刺激位点，从而实现视网膜局部的虚拟电极刺激，增加视觉假体植入者感知位点数量，提升视觉假体植入者的感知视敏度。此外，本发明圆盘电极还能够实现局部的物理电极刺激，在虚拟电极刺激的同时，也能够保留原有的物理电极刺激位点。

Description

能够产生汇聚虚拟电极的视觉假体微电极阵列

技术领域

本发明涉及的是一种生物医学领域的技术，具体是一种能够产生汇聚虚拟电极的视觉假体微电极阵列。

背景技术

视网膜变性类疾病是一种不可逆的退行性致盲疾病。临床急性电生理研究表明，对这类疾病的患者进行电刺激后，患者均能感知到光幻视。目前世界上已有三款视觉假体获得临床应用批准，但由于受到手术安全及电极制造技术的限制，视觉假体植入者仅能获得离散的低分辨率、低视敏度的视觉感知。现有技术采用图像处理策略或者高密度微电极阵列刺激，但是图像处理策略不能增加额外的光幻视点，高密度微电极阵列刺激方法在技术实现和生物组织安全方面还存在诸多挑战。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种能够产生汇聚虚拟电极的视觉假体微电极阵列，该电极阵列利用其特有的三维同心圆环-圆盘电极结构，能够产生汇聚的虚拟电极。通过调控微电极阵列的相邻两个或者四个圆环电极的刺激电流比例，能够调节汇聚的虚拟电极的刺激位点，从而实现视网膜局部的虚拟电极刺激，增加视觉假体植入者感知位点数量，提升视觉假体植入者的感知视敏度。此外，本发明圆盘电极还能够实现局部的物理电极刺激，在虚拟电极刺激的同时，也能够保留原有的物理电极刺激位点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：微电极阵列、公共回收电极和微电流刺激器，其中：微电流刺激器根据接收到的外部刺激信号刺激微电极阵列中相邻的圆环电极，微电极阵列结合远端公共回收电极产生虚拟电极，通过调节相邻两个圆环电极的刺激电流比例使虚拟电极在一维方向移动，调节相邻四个电极的刺激电流比例可以使虚拟电极在二维区域内移动，利用该电极的特有的三维同心圆环-圆盘电极结构，能够实现汇聚的可移动的虚拟电极刺激，从而达到增加假体植入者感知视敏度的目的。

所述的圆盘电极能够在虚拟电极刺激的同时，保留原有的物理电极刺激位点。

所述的微电极阵列包括：多个设置于电极衬底上的三维同心圆环-圆盘电极单元。

所述的圆环-圆盘电极单元包括：由绝缘层连接的圆盘电极和圆环电极，其中：绝缘层的一侧边缘与圆盘电极的圆周相连，绝缘层的另一侧边缘与圆环电极的内圆周相连。

所述的圆盘电极的直径为10μm～400μm，与视网膜的距离为25μm以下。

所述的圆环电极的内径为10μm～400μm，其外径为20μm～800μm，与视网膜的距离为125μm～175μm。

所述的三维同心圆环-圆盘电极单元的间距为100μm～400μm。

所述的一维方向移动是通过调节相邻两个圆环电极的刺激电流比例实现。

所述的二维区域内移动是通过调节相邻四个圆环电极的刺激电流比例实现。

所述的圆环电极既可以作为回收电极使用，也可以作为刺激电极使用，其中：在实际刺激中，可以选取一部分圆环电极作为刺激电极，一部分圆环电极作为回收电极，作为回收电极的圆环电极结合远端公共回收电极调节回收电流比例以实现汇聚的虚拟电极刺激。

技术效果

本发明整体所解决的技术问题是：利用本发明的三维同心圆环-圆盘电极结构，能够产生汇聚的虚拟电极；结合现有的刺激策略，可以使该汇聚的虚拟电极发生移动。

与现有技术相比，本发明独有的新功能/效果包括：本发明可以形成汇聚的虚拟电极，同时结合刺激策略，可以实现汇聚的虚拟电极在特定的一维或二维区域内的移动。在不增加视觉假体刺激电极数量的前提下，增加假体植入者感知位点数量，达到增加假体植入者感知视敏度的目的。此外，该电极特有的三维同心圆环-圆盘电极结构，能够在虚拟电极刺激的同时，保留原有的物理电极刺激。

附图说明

图1为本发明视网膜上植入示意图；

图2为微电极阵列的示意图；

图3为圆环-圆盘电极单元的示意图；

图4为一维虚拟电极水平移动的示意图；

图中：a为α＝1.0的示意图；b为α＝0.7的示意图；c为α＝0.5的示意图；d为α＝0.3的示意图；e为α＝0的示意图；

图5为二维虚拟电极水平移动的示意图；

图中：a为α_x＝1.0，α_y＝0.5的示意图；b为α_x＝0.8，α_y＝0.5的示意图；c为α_x＝0.6，α_y＝0.5的示意图；d为α_x＝0.4，α_y＝0.5的示意图；e为α_x＝0.2，α_y＝0.5的示意图；f为α_x＝0，α_y＝0.5的示意图；

图中：微电极阵列1、圆环-圆盘电极单元2、公共回收电极3、微电流刺激器4、引线5、视网膜6、玻璃体7、圆盘电极8、圆环电极9、绝缘层10、电极衬底11、第一圆环电极91、第二圆环电极92、第三圆环电极93、第四圆环电极94。

具体实施方式

如图1所示，本实施例将微电极阵列1植入在在玻璃体7内且固定在视网膜6上，微电流刺激器4将接收的体外刺激信号经引线5传输至微电极阵列1，调节相邻两个圆环电极的刺激电流比例，使虚拟电极在一维方向移动，通过调节相邻四个圆环电极的刺激电流比例，可以实现虚拟电极在二维区域内移动，从而调节虚拟电极的刺激位点，由微电极阵列1刺激视网膜6，视网膜6将接收到的外界电刺激传输至视皮层，形成人工视觉感知。

所述的微电极阵列1固定于视网膜6的黄斑区上。

如图2所示，所述的微电极阵列1包括：多个设置于电极衬底11上的同心圆环-圆盘电极单元2。

所述的微电极阵列1采用微机电系统(MEMS)多层工艺加工制作。

如图3所示，所述的同心圆环-圆盘电极单元2包括：由绝缘层10连接的圆盘电极8和圆环电极9，其中：绝缘层10的一侧边缘与圆盘电极8的圆周相连，绝缘层10的另一侧边缘与圆环电极9的内圆周相连。

所述的圆盘电极8仅作为局部物理电极刺激使用，其直径为10μm～400μm，与视网膜6的距离为0μm～25μm。

所述的圆环电极9作为刺激电极或回收电极，其内径为10μm～400μm，其外径为20μm～800μm，与视网膜6的距离为125μm～175μm。

所述的圆盘电极8和圆环电极9之间存在高度差，即为绝缘层10的高度，其范围为125μm～175μm。

所述的圆环电极9与其引线5相连且位于一个平面，圆环电极9暴露在外，其引线5则设置于电极衬底11内，圆盘电极8的引线5也设置于电极衬底11内，引线5分别连接圆环电极8与圆盘电极9。

所述的引线5、圆盘电极8和圆环电极9采用金、铂、铂铱合金、氮化钛、钽、五氧化二钽、碳、乙烯二氧噻吩(PEDOT)等其它生物相容性良好的导电材料。

所述的电极衬底11采用聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯-C、医用硅胶、AB胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、液晶高分子(LCP)、环氧树脂型SU-8光刻胶中的一种或多种组合等其它生物相容性良好的绝缘材料。

所述的绝缘层10采用聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯-C、医用硅胶、AB胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、液晶高分子(LCP)、环氧树脂型SU-8光刻胶等其它生物相容性良好的绝缘材料。

所述的一维方向移动是通过调节相邻两个圆环电极9的刺激电流比例实现，具体是共同刺激相邻的第一圆环电极91和第二圆环电极92，产生电场叠加形成一个汇聚的虚拟电极，调节第一圆环电极91和第二圆环电极92的配比，实现一维方向上任意位点的虚拟电极刺激。

如图4所示，α为电流配比，I₉₁为第一圆环电极91的注入电流，I₉₂为第二圆环电极92的注入电流，α＝I₉₁/(I₉₁+I₉₂)，I₉₁+I₉₂为恒定值，单位为安培(I)。

如图4a所示，当α＝1.0，仅由第一圆环电极91刺激，虚拟电极位于第一圆环电极91中心正上方。

如图4b所示，当α＝0.7，第一圆环电极91刺激电流强度减弱，第二圆环电极92刺激电流强度增加，虚拟电极位点向右移动，该虚拟电极位点位于第一圆环电极91与第二圆环电极92中心连线左侧的正上方。

如图4c所示，当α＝0.5，第一圆环电极91刺激电流强度减弱至与第二圆环电极92刺激电流强度相同，虚拟电极位点位于第一圆环电极91与第二圆环电极92中心连线中点的正上方。

如图4d所示，当α＝0.3，第一圆环电极91刺激电流强度继续减弱，第二圆环电极92刺激电流强度继续增加，虚拟电极位点继续向右偏移，该虚拟电极位点位于第一圆环电极91与第二圆环电极92中心连线右侧的正上方。

如图4e所示，当α＝0，仅由第二圆环电极92刺激，虚拟电极位点位于第二圆环电极92中心的正上方。

所述的二维区域内移动是通过调节相邻的第一至第四圆环电极91～94的刺激电流比例实现二维区域内任意位点的虚拟电极刺激。

如图5所示，I₉₁、I₉₂、I₉₃、I₉₄分别表示第一至第四圆环电极91～94的注入电流，α_x为水平方向上的电流注入比例，α_y为竖直方向上的电流注入比例，α_x＝(I₉₁+I₉₃)/(I₉₁+I₉₂+I₉₃+I₉₄)，α_y＝(I₉₁+I₉₂)/(I₉₁+I₉₂+I₉₃+I₉₄)，I₉₁+I₉₂+I₉₃+I₉₄为恒定值，单位为安培(I)。

α_y＝0.5，则第一圆环电极91与第三圆环电极93刺激电流强度相等，第二圆环电极92与第四圆环电极94刺激电流强度相等。

如图5a所示，当α_x＝1.0，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极91和第三圆环电极93且刺激电流强度相同，不刺激第二圆环电极92和第四圆环电极94，虚拟电极位于第一圆环电极91与第三圆环电极93连续中点的正上方。

如图5b所示，当α_x＝0.8，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极91至第四圆环电极94，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，减少对第一圆环电极91和第三圆环电极93的刺激电流强度，增大对第二圆环电极92和第四圆环电极94的刺激电流强度，虚拟电极向正右侧偏移，位于水平中心线左侧的正上方。

如图5c所示，当α_x＝0.6，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极91至第四圆环电极94，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，继续减少对第一圆环电极91和第三圆环电极93的刺激电流强度，继续增大对第二圆环电极92和第四圆环电极94的刺激电流强度，虚拟电极继续向正右侧偏移，位于水平中心线左侧的正上方。

如图5d所示，当α_x＝0.4，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极91至第四圆环电极94，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，继续减少对第一圆环电极91和第三圆环电极93的刺激电流强度，继续增大对第二圆环电极92和第四圆环电极94的刺激电流强度，虚拟电极继续向正右侧偏移，位于水平中心线右侧的正上方。

如图5e所示，当α_x＝0.2，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极91至第四圆环电极94，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，继续减少对第一圆环电极91和第三圆环电极93的刺激电流强度，继续增大对第二圆环电极92和第四圆环电极94的刺激电流强度，虚拟电极继续向正右侧偏移，位于水平中心线右侧的正上方。

如图5f所示，当α_x＝0，α_y＝0.5时，同时刺激第二圆环电极92和第四圆环电极94且刺激电流强度相同，不刺激第一圆环电极91和第三圆环电极93，虚拟电极位于第二圆环电极92与第四圆环电极94连续中点的正上方。

经过具体实际实验，在圆盘电极直径为10μm～400μm、与视网膜距离为0μm～25μm的情况下，可以实现局部的物理电极刺激。在圆环电极作为刺激电极，其内径为10μm～400μm、其外径为20μm～800μm、与视网膜6的距离为125μm～175μm，且圆盘电极和圆环电极之间存在125μm～175μm的高度差、三维同心圆环-圆盘电极单元的间距为100μm～400μm的前提下，可以形成汇聚的虚拟电极(对应视网膜面积约为10-²mm²,兴奋神经节细胞个数约为25个)。改变电流配比，可以实现汇聚可移动的虚拟电极刺激。

与现有技术仅能够实现物理电极刺激或虚拟电极刺激的单一的功能相比，本发明特有的三维同心圆环-圆盘电极结构，既可以实现局部的物理电极刺激，又可以实现汇聚的虚拟电极刺激。结合现有的刺激策略，可以实现汇聚的可移动的虚拟电极刺激，最终达到提升假体植入者感知视敏度的目的。

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，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种能够产生汇聚虚拟电极的视觉假体微电极阵列，其特征在于，包括：微电极阵列、公共回收电极和微电流刺激器，其中：微电流刺激器根据接收到的外部刺激信号刺激微电极阵列中相邻的圆环电极，微电极阵列结合远端公共回收电极产生虚拟电极，通过调节相邻两个圆环电极的刺激电流比例使虚拟电极在一维方向移动，调节相邻四个电极的刺激电流比例以使虚拟电极在二维区域内移动并实现汇聚的虚拟电极刺激；

所述的微电极阵列包括：多个设置于电极衬底上的三维同心圆环-圆盘电极单元；

所述的圆环-圆盘电极单元包括：由绝缘层连接的圆盘电极和圆环电极，其中：绝缘层的一侧边缘与圆盘电极的圆周相连，绝缘层的另一侧边缘与圆环电极的内圆周相连。

2.根据权利要求1所述的视觉假体微电极阵列，其特征是，所述的圆盘电极的直径为10μm～400μm，与视网膜的距离为25μm以下；

所述的圆环电极的内径为10μm～400μm，其外径为20μm～800μm，与视网膜的距离为125μm～175μm；

所述的圆盘电极和圆环电极之间存在高度差，即为绝缘层的高度。

3.根据权利要求1所述的视觉假体微电极阵列，其特征是，所述的圆环电极与其引线相连且位于一个平面，圆环电极暴露在外，其引线则设置于电极衬底内，圆盘电极的引线也设置于电极衬底内，引线分别连接圆环电极与圆盘电极。

4.根据权利要求1所述的视觉假体微电极阵列，其特征是，所述的圆环电极作为回收电极或刺激电极，其中：作为回收电极的圆环电极结合远端公共回收电极调节回收电流比例以实现汇聚的虚拟电极刺激。

5.根据权利要求1所述的视觉假体微电极阵列，其特征是，所述的调节相邻两个圆环电极的刺激电流比例使虚拟电极在一维方向移动是指：电流配比α＝I₉₁/(I₉₁+I₉₂)，I₉₁+I₉₂为恒定值，单位为安培，I₉₁为第一圆环电极的注入电流，I₉₂为第二圆环电极的注入电流，其中：

当α＝1.0，仅由第一圆环电极刺激，虚拟电极位于第一圆环电极中心正上方；

当α＝0.7，第一圆环电极刺激电流强度减弱，第二圆环电极刺激电流强度增加，虚拟电极位点向右移动，该虚拟电极位点位于第一圆环电极与第二圆环电极中心连线左侧的正上方；

当α＝0.5，第一圆环电极刺激电流强度减弱至与第二圆环电极刺激电流强度相同，虚拟电极位点位于第一圆环电极与第二圆环电极中心连线中点的正上方；

当α＝0.3，第一圆环电极刺激电流强度继续减弱，第二圆环电极刺激电流强度继续增加，虚拟电极位点继续向右偏移，该虚拟电极位点位于第一圆环电极与第二圆环电极中心连线右侧的正上方；

当α＝0，仅由第二圆环电极刺激，虚拟电极位点位于第二圆环电极中心的正上方。

6.根据权利要求1所述的视觉假体微电极阵列，其特征是，所述的调节相邻四个电极的刺激电流比例以使虚拟电极在二维区域内移动是指：水平方向上的电流注入比例α_x＝(I₉₁+I₉₃)/(I₉₁+I₉₂+I₉₃+I₉₄)，竖直方向上的电流注入比例α_y＝(I₉₁+I₉₂)/(I₉₁+I₉₂+I₉₃+I₉₄)，I₉₁、I₉₂、I₉₃、I₉₄分别表示第一至第四圆环电极的注入电流，I₉₁+I₉₂+I₉₃+I₉₄为恒定值，单位为安培，其中：

α_y＝0.5，则第一圆环电极与第三圆环电极刺激电流强度相等，第二圆环电极与第四圆环电极刺激电流强度相等；

当α_x＝1.0，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极和第三圆环电极且刺激电流强度相同，不刺激第二圆环电极和第四圆环电极，虚拟电极位于第一圆环电极与第三圆环电极连续中点的正上方；

当α_x＝0.8，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极至第四圆环电极，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，减少对第一圆环电极和第三圆环电极的刺激电流强度，增大对第二圆环电极和第四圆环电极的刺激电流强度，虚拟电极向正右侧偏移，位于水平中心线左侧的正上方；

当α_x＝0.6，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极至第四圆环电极，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，继续减少对第一圆环电极和第三圆环电极的刺激电流强度，继续增大对第二圆环电极和第四圆环电极的刺激电流强度，虚拟电极继续向正右侧偏移，位于水平中心线左侧的正上方；

当α_x＝0.4，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极至第四圆环电极，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，继续减少对第一圆环电极和第三圆环电极的刺激电流强度，继续增大对第二圆环电极和第四圆环电极的刺激电流强度，虚拟电极继续向正右侧偏移，位于水平中心线右侧的正上方；

当α_x＝0.2，α_y＝0.5时，同时刺激第一圆环电极至第四圆环电极，竖直方向上，α_y为0.5，水平方向上，继续减少对第一圆环电极和第三圆环电极的刺激电流强度，继续增大对第二圆环电极和第四圆环电极的刺激电流强度，虚拟电极继续向正右侧偏移，位于水平中心线右侧的正上方；

当α_x＝0，α_y＝0.5时，同时刺激第二圆环电极和第四圆环电极且刺激电流强度相同，不刺激第一圆环电极和第三圆环电极，虚拟电极位于第二圆环电极与第四圆环电极连续中点的正上方。

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