CN116650830A - 一种可植入的电刺激设备、控制方法以及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种可植入的电刺激设备、控制方法以及控制系统，电刺激设备包括：电极探针，与控制电路电连接；第一电磁线圈，用于通过电磁感应与外部的终端设备进行无线通信，通过电磁感应接收外部的终端设备提供的电能；控制电路，与第一电磁线圈电连接，用于通过第一电磁线圈获取外部的终端设备提供的电能；还用于通过第一电磁线圈接收外部的终端设备发送的控制信号，在控制信号的触发下，通过电极探针释放对应该控制信号的电刺激信号。本申请可以实现通过电感线圈实现电刺激设备的控制与电刺激信号的释放，使用便捷。

Description

一种可植入的电刺激设备、控制方法以及控制系统

技术领域

本发明涉及电刺激设备技术领域，具体涉及一种可植入的电刺激设备、控制方法以及控制系统。

背景技术

在医疗设备领域中，一般采用电刺激设备对神经单元进行电刺激，目前，现有的电刺激设备多是独立的整机设备，每次都需要重新确定待刺激区域的位置，每次电刺激治疗都需要反复定位，导致治疗时间长，定位不准还会导致治疗效果差。

显然，这样的电刺激设备使用并不方便，对于需要频繁使用该疗法的患者而言显得过于繁琐。例如，当患者进行经皮电刺激神经疗法镇痛时，每次均需要准确下针，十分的不便。

其次，针对需要对体内神经进行电学信号量测的情况，现有的解决方案往往需要将探针植入体内，并使用较多的导线与之相连。当需要长时间或短期内多次量测时，插入的探针在导线的作用下存在对人体造成损伤的风险大大上升。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是现有的电刺激设备多为一次性装置(如插针)，短期内多次使用颇为不便。

根据第一方面，一种实施例中提供一种可植入的电刺激设备，包括：

电极探针，与控制电路电连接；

第一电磁线圈，用于通过电磁感应与外部的终端设备进行无线通信，通过电磁感应接收外部的终端设备提供的电能；

控制电路，与第一电磁线圈电连接，用于通过第一电磁线圈获取外部的终端设备提供的电能；还用于通过第一电磁线圈接收外部的终端设备发送的控制信号，在控制信号的触发下，通过电极探针释放对应该控制信号的电刺激信号。

根据第二方面，一种实施例中提供一种电刺激设备的控制方法，电刺激设备为第一方面所描述的电刺激设备，控制方法包括：

向电刺激设备发送采集控制信号，在采集控制信号的触发线，电刺激设备通过电极探针采集待刺激区域的第一信息；

获取电刺激设备发送的待刺激区域的第一信息，产生与待刺激区域的第一信息匹配的控制信号；

向电刺激设备发送控制信号，在控制信号的触发下，电刺激设备通过电极探针释放匹配的电刺激信号。

根据第三方面，一种实施例中提供一种电刺激控制系统，包括：终端设备以及第一方面所描述的电刺激设备；

终端设备包括第二电磁线圈，终端设备用于通过第二电磁线圈向电刺激设备供电以及发送控制信号。

依据上述实施例的可植入的电刺激设备、控制方法以及控制系统，电刺激设备可以通过第一电磁线圈实现无线通信与供电，可以通过微创手术植入到待刺激区域或者通过粘结的方式固定在皮肤上，在治疗完成之前都不需要重复定位，将外部的终端设备靠近待刺激位置，通过无线通信与供电就可以实现电极探针释放电刺激信号，从而实现快速且准确电刺激治疗，使用便捷。

附图说明

图1为本申请一种实施例提供的电刺激控制系统的结构示意图；

图2为本申请一种实施例提供的控制电路的结构示意图(一)；

图3为本申请一种实施例提供的控制电路的结构示意图(二)；

图4为本申请一种实施例提供的电刺激设备的使用示意图；

图5为本申请一种实施例提供的电刺激设备的结构示意图；

图6为本申请一种实施例提供的控制方法的流程图；

图7为阀门控制理论的示意图。

附图标记：1-控制电路；2-第一电磁线圈；3-电极探针；4-第一封装层；10-电刺激设备；11-处理子电路；12-放电子电路；20-终端设备；21-第二电磁线圈；22-处理模块。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

Melzack和Wall在1965年提出的“闸门控制学说”来阐释针刺镇痛机制，即针刺激活粗纤维，对细纤维诱导的背角神经元活动产生抑制而镇痛。而同样基于“闸门控制学说”产生和发展起来的经皮电刺激神经(transcutaneous electricnerve stimulation,TENS)疗法，经皮肤表面电极探针直接电刺激痛源部位或支配痛源部位的传入神经产生镇痛效应，其临床有效性也已得到充分的检验和证实。无论是针刺还是TENS，其作用不只是发生在外周，更多地在于脊髓和脑的中枢整合作用。

20世纪60年代中期我国著名神经生理学家张香桐提出“针刺镇痛是来自针刺穴位和痛源部位的传入信号在中枢神经系统相互作用、加工和整合的结果”的假说。大量的电生理研究证明，这种相互作用发生在中枢神经系统从脊髓到大脑皮质多个水平。针刺信号和痛信号的相互作用至少包括三个网络：①发生在同一水平甚至同一核团的直接的相互作用，如脊髓背角；②通过局部回路对痛敏神经元进行抑制性调制；③针刺激活下行抑制系统，抑制背角痛觉信息传递。针刺镇痛和阿片镇痛激活的神经结构有很大的相似性，包括背角、脑千网状结构(中缝核群、中央灰质等)等。实验证据来自三方面：①针刺可以激活这些结构的神经元活动。早期的电生理记录只能观察单个核团。20世纪90年代韩济生实验室的c-Fos研究显示针刺镇痛后全脑的功能激活。②损毁或阻滞其中之一的活动时，针刺镇痛效应出现不同程度的减弱。③直接刺激或阿片类药物注射到这些核团产生镇痛。总之，针刺激活这些结构，一方面通过脑高级部位的神经通路抑制丘脑痛敏神经元的活动，同时也通过中脑导水管周围灰质-中缝核群-脊髓背角的下行抑制系统阻滞背角投射神经元的痛觉传入。

功能性电刺激疗法是一种物理疗法，是一种应用低频脉冲电流或通过信号电流转换放大后，送入人体而产生即时效应的治疗方法。主要作用是用于神经和肌肉受损功能的恢复，在刺激神经肌肉的同时，刺激叶传入神经加上不断的重复运动模式信息，电刺激将传入中枢神经系统在皮层形成兴奋痕迹，逐渐恢复原有的运动功能。电刺激疗法的临床应用主要应用于各种脑血管意外、脑外伤、脊髓损伤、脑性瘫痪、多发性硬化等原因导致的上运动神经元瘫痪、各种呼吸功能障碍、排尿功能障碍、特发性脊柱侧弯和肩关节脱位等等。

本申请实施例通过采用电磁线圈实现无线供电与通信，可将电刺激设备10植入或固定在待刺激区域，不需要每次电刺激治疗都重复定位，可以快速且精准的实现治疗，使用便捷。

如图1所示，本申请实施例提供一种电刺激设备10以及电刺激控制系统，其中，电刺激控制系统可以包括：终端设备20以及电刺激设备10。

如图1所示，本实施例提供的可植入的电刺激设备10，可以包括：电极探针3、第一电磁线圈2以及控制电路1。

电极探针3与控制电路1电连接。

第一电磁线圈2用于通过电磁感应与外部的终端设备20进行无线通信，通过电磁感应接收外部的终端设备20提供的电能。

控制电路1与第一电磁线圈2电连接，用于通过第一电磁线圈2获取外部的终端设备20提供的电能；还用于通过第一电磁线圈2接收外部的终端设备20发送的控制信号，在控制信号的触发下，通过电极探针3释放对应该控制信号的电刺激信号。

终端设备20可以包括第二电磁线圈21，终端设备20用于通过第二电磁线圈21向电刺激设备10供电以及发送控制信号。

根据麦克斯韦方程：

∮_SB·dS＝0 (3)；

∮_SD·dS＝∫∫∫_VρdV (4)。

外部的终端设备20的交变电流(可有多个不同频率)能产生交变(有多个不同频率)的电磁场，通过第二电磁线圈21引发第一电磁线圈2中的磁通发生交替变化，从而在第一电磁线圈2中产生涡旋电场。

这种电场(其中某些频率)可为电刺激设备10提供能量；这种(其中某些频率)电场可以给电刺激设备10提供指令(信息交互)。具体的频率大小根据采用的无线通信的形式确定，可以采用通用的方式，例如NFC通信中，用于供电与通信都是采用13.56MHz的频率。

上述公式(2)指出，电场强度E沿任意闭合曲线的线积分等于穿过由该曲线所限定面积的磁通对时间的变化率的负值。因此，外部的终端设备20中的交边电场能使器件的第一电磁线圈2中的磁通发生变化，由公式(2)不难得到，第一电磁线圈2中将存在涡旋电场，该电场能为器件的运行提供能量。

为了实现器件本身无储能装置的目标，线圈接收到的信息(频率/电压)将直接/实时反馈到电极探针3上，因此，通过外部的终端设备20对第一电磁线圈2的信号即可直接控制电极探针3上输出的电刺激信号(电压/频率)。

由于电刺激设备10的输出电压完全由外部的终端设备20控制，可利用外部的终端设备20的处理模块22(如CPU、MCU等)控制第二电磁线圈21给电刺激设备10的供能的同时用控制信号传递信息(给不同的电压/频率)，因此电刺激设备10的输出电压的大小和频率均可调制(用于模拟不同神经元的放电)，此外，电刺激设备10可产生的电压大小可以为毫伏(mV)级，较现有其他现有的设备给出的更低。

控制电路1可识别并接收来自第一电磁线圈2的控制信号，并对信号进行处理、分析，得到控制信号，根据指令给电极探针3施加电压。

终端设备20和电刺激设备10通过无线数据链交换信号，包括但不限于近场通信(Near Field Communication，NFC)技术实现。通过终端设备20的不同的控制信号使得电刺激在电极探针3处产生不同(频率/电压)的电脉冲。

一些实施例中，电刺激设备10的控制电路1还用于通过电极探针3采集待刺激区域的第一信息，并通过第一电磁线圈2将待刺激区域的第一信息发送至外部的终端设备20。

终端设备20还可以包括处理模块22，处理模块22用于获取待刺激区域的第一信息，产生与待刺激区域的第一信息匹配的控制信号，将匹配的控制信号发送至电刺激设备10，以使得电刺激设备10通过电极探针3释放对应该控制信号的电刺激信号。其中，第一信息可以用于反映待刺激区域的相关生物信息，例如是血糖浓度、电解质浓度(如NaCl)等生物学信息或生理信息。

通过电刺激信号，可以对待刺激区域实现包括但不限于电疗、按摩、修复损伤的神经组织、杀死恶性组织等功效。因此本设备通过将电刺激设备植入到表皮下方，从而实现在一定时间内可以实现单次植入、多次使用的效果；本设备采用微创植入、无线传输的方式，有效的规避了长时间或短期内多次量测的不便之处。

一些实施例中，控制电路1可以包括处理子电路11与放电子电路12。

处理子电路11用于获取控制信号，根据控制信号的参数，产生与控制信号匹配的放电信号；控制信号的参数可以包括电压和/或频率。例如，可以对控制信号进行频率的变换、电压大小的变换以及交流直流的变化。

放电子电路12用于在放电信号的驱动下，通过电极探针3释放对应该控制信号的电刺激信号，电刺激信号的参数与控制信号的参数匹配。

例如，如图2所示，处理子电路11可以包括一个二极管D1，将第一电磁线圈2获取到的交流的控制信号转化为直流电，再流向放电子电路12。放电子电路12中的晶体管M1与M2的导通电压并不相同，因此，通过改变控制信号的电压大小，可以选通晶体管M1或M2，从而通过电阻R1或R2连通至电极探针3，以释放电刺激信号。其中，VDD端可以是连通至二极管D1的输出端，或者是通过独立的无线供电来实现。

又例如，控制电路1可以采用一个二极管与一个晶体管来实现，如图3所示，当控制信号的电压大于晶体管M1的导通电压时，晶体管M1导通，电极探针3直接输出直流的控制信号。此时，可以制备多个电刺激设备10，其内部的晶体管的导通电压不同时，可以通过不同电压的控制信号来控制多个电刺激设备10工作。终端设备20可以具有多个可被手持移动的第二电磁线圈21，同时控制多个不同位置的电刺激设备10工作，以使得多个电刺激设备10实现不同的电刺激效果，如热敷、冷敷相似的效果。

也就是说，外部终端设备产生的交变电流能在本电刺激设备的线圈中产生感应电动势。该电动势可以直接作用在本设备的控制电路一端的电极上，使另一端的电极(对应本申请中的电极探针3)上产生目标的电信号(控制信号)。

一些实施例中，在无线通信与供电中，两者是可以独立运行，可以通过不同频率来实现供电与通信。

例如，控制电路1可以为NFC控制电路1。NFC使用同一个13.56MHz的高频信号来实现无线供电和通信。当NFC设备靠近一个NFC标签或者另外一个NFC设备时，它生成一个13.56MHz的交变电磁场。这个电磁场会激励标签或者其他设备中的电磁线圈产生电流，从而实现无线供电。同时，交变电磁场与标签中的电磁线圈之间也会建立起一个交变磁场，可用于数据传输。NFC标签或设备通过这个交变磁场来将其存储的数据提供给NFC设备，或者通过修改交变磁场来实现对于设备的数据写入。由于NFC频率较高，因此通信距离较短，一般只在4厘米以内才能进行数据传输。

当然，上述NFC仅作为一个例子说明，本申请并不排除其他无线通信的方式，如RFID、UWB或蓝牙等方式。

如图4所示，本申请实施例为了实现可植入的电刺激设备10，控制电路1可以采用生物兼容材料制成。电极探针3可以为生物兼容的导电材料，第一电磁线圈2可以为生物兼容的导电材料。

或者，电刺激设备10还可以包括第一封装层4，如图5中的(A)所示，第一封装层4覆盖控制电路1以及第一电磁线圈2；或者，如图5中的(B)所示，第一封装层4覆盖控制电路1。其中，第一封装层4采用生物兼容的绝缘材料制成，电极探针3暴露在第一封装层4外。

通过生物兼容材料，来制造电刺激设备10，以使得电刺激设备10可以被植入到生物体内，在指定的待刺激位置产生电刺激信号。

例如，生物兼容的导电材料可以为金、钛、钨或钽；第一封装层4为聚己内酯、聚乳酸、聚己二酸丁二醇酯或聚己内酯-羟基磷灰石复合材料。

如图6所示，本申请实施例还提供一种电刺激设备10的控制方法，电刺激设备10为上述实施例描述的电刺激设备10，控制方法可以包括：

步骤1、向电刺激设备10发送采集控制信号，在采集控制信号的触发线，电刺激设备10通过电极探针3采集待刺激区域的第一信息。其中，第一信息可以用于反映待刺激区域的相关生物信息，例如是血糖浓度、电解质浓度(如NaCl)、神经元动作电位等生物学信息或生理信息。

步骤2、获取电刺激设备10发送的待刺激区域的第一信息，产生与待刺激区域的第一信息匹配的控制信号。例如，随着电刺激治疗，待刺激区域对应的第一信息会发生变化，此时可以是增大或减少控制信号的电压，以增大或减少电刺激的强度；或者改变频率的大小。

步骤3、向电刺激设备10发送控制信号，在控制信号的触发下，电刺激设备10通过电极探针3释放匹配的电刺激信号。

综上所述，本申请实施例提供的可植入的电刺激设备10、控制方法以及控制系统，至少具有以下技术效果。

1、电刺激设备10的电极探针3产生的电压可通过激活痛源部位或支配痛源部位的传入神经产生镇痛效应。

如图7所示，电刺激设备10能模拟感受器的放电行为，可模拟(触摸、疼痛、热觉等)神经信号，激活传入神经元。根据阀门控制理论，刺激兴奋Aβ传入时，SG细胞兴奋，闸门关闭，抑制T细胞活动，减少或阻遏伤害性信息向中枢传递，使疼痛缓解。

2、电刺激设备10的电极探针3可产生的电压信号，这种电压作用在神经或肌肉损伤的部位可达到功能性电刺激疗法。

3、电刺激设备10的电刺激的作用位置可以由植入或固定位置决定，通常可植入在痛源部位或支配痛源部位的传入神经末梢以实现镇痛作用；植入在神经或肌肉损伤的部位以实现神经和肌肉受损功能的恢复功能。

4、由于电刺激设备10本身无储能功能，因此当且仅当皮外电子设备靠近并开启交互功能时，电刺激设备10才工作，无隐私安全问题。

5、电极探针3可作为探针，记录神经元的电学脉冲信号，并通过控制电路1处理后，由第一电磁线圈2传递给外部的终端设备20。

6、随着皮肤的新陈代谢，电刺激设备10会逐渐被带至皮肤表面(同时失效)，可回收再利用。

7、电刺激设备10可针对恶性组织(包括但不限于肿瘤组织)进行破坏，施加相对较高的电压，杀死目标恶性组织。

8、电刺激设备10选用生物可兼容材料制作(包括导线、衬底、电极等)，不会引起免疫排斥作用，不会释放有毒有害物质危害用户身体健康。

本文参照了各种示范实施例进行说明。然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本文范围的情况下，可以对示范性实施例做出改变和修正。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件，可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现(例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中)。

虽然在各种实施例中已经示出了本文的原理，但是许多特别适用于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和部件的修改可以在不脱离本披露的原则和范围内使用。以上修改和其他改变或修正将被包含在本文的范围之内。

前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此，对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的，并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样，有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素，或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体，皆属于非排他性包含，这样包括要素列表的过程、方法、文章或设备不仅包括这些要素，还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统、文章或设备的其他要素。此外，本文中所使用的术语“耦合”和其任何其他变体都是指物理连接、电连接、磁连接、光连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

具有本领域技术的人将认识到，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种可植入的电刺激设备，其特征在于，包括：

电极探针(3)，与控制电路(1)电连接；

第一电磁线圈(2)，用于通过电磁感应与外部的终端设备(20)进行无线通信，通过电磁感应接收所述终端设备(20)提供的电能；

控制电路(1)，与所述第一电磁线圈(2)电连接，用于通过所述第一电磁线圈(2)获取外部的终端设备(20)提供的电能；还用于通过所述第一电磁线圈(2)接收所述终端设备(20)发送的控制信号，在所述控制信号的触发下，通过所述电极探针(3)释放对应该控制信号的电刺激信号。

2.如权利要求1所述的电刺激设备，其特征在于，所述控制电路(1)包括处理子电路(11)与放电子电路(12)；

所述处理子电路(11)用于获取所述控制信号，根据所述控制信号的参数，产生与所述控制信号匹配的放电信号；所述控制信号的参数包括电压和/或频率；

所述放电子电路(12)用于在所述放电信号的驱动下，通过所述电极探针(3)释放对应该控制信号的电刺激信号，所述电刺激信号的参数与所述控制信号的参数匹配。

3.如权利要求1所述的电刺激设备，其特征在于，所述控制电路(1)为NFC控制电路(1)。

4.如权利要求1所述的电刺激设备，其特征在于，所述控制电路(1)采用生物兼容材料制成；

或者，所述电刺激设备(10)还包括第一封装层(4)，所述第一封装层(4)覆盖所述控制电路(1)或所述第一封装层(4)覆盖所述控制电路(1)以及所述第一电磁线圈(2)，所述第一封装层(4)采用生物兼容的绝缘材料制成，所述电极探针(3)暴露在所述第一封装层(4)外。

5.如权利要求4所述的电刺激设备，其特征在于，所述电极探针(3)为生物兼容的导电材料，所述第一电磁线圈(2)为生物兼容的导电材料。

6.如权利要求5所述的电刺激设备，其特征在于，所述生物兼容的导电材料为金、钛、钨或钽；

所述第一封装层(4)为聚己内酯、聚乳酸、聚己二酸丁二醇酯或聚己内酯-羟基磷灰石复合材料。

7.如权利要求1所述的电刺激设备，其特征在于，所述控制电路(1)还用于通过所述电极探针(3)采集待刺激区域的第一信息，并通过所述第一电磁线圈(2)将所述待刺激区域的第一信息发送至所述终端设备(20)。

8.一种电刺激设备的控制方法，其特征在于，所述电刺激设备(10)为权利要求1-7任一项所述的电刺激设备，所述控制方法包括：

向所述电刺激设备(10)发送采集控制信号，在所述采集控制信号的触发线，所述电刺激设备(10)通过所述电极探针(3)采集待刺激区域的第一信息；

获取所述电刺激设备(10)发送的所述待刺激区域的第一信息，产生与所述待刺激区域的第一信息匹配的控制信号；

向所述电刺激设备(10)发送所述控制信号，在所述控制信号的触发下，所述电刺激设备(10)通过所述电极探针(3)释放匹配的电刺激信号。

9.一种电刺激控制系统，其特征在于，包括：终端设备(20)以及权利要求1-7中任一项所述的电刺激设备(10)；

所述终端设备(20)包括第二电磁线圈(21)，所述终端设备(20)用于通过所述第二电磁线圈(21)向所述电刺激设备(10)供电以及发送所述控制信号。

10.如权利要求9所述电刺激控制系统，其特征在于，所述电刺激设备(10)还用于通过所述电极探针(3)采集待刺激区域的第一信息，并通过所述第一电磁线圈(2)将所述待刺激区域的第一信息发送至所述终端设备(20)；

所述终端设备(20)包括处理模块(22)，所述处理模块(22)用于获取所述待刺激区域的第一信息，产生与所述待刺激区域的第一信息匹配的控制信号，将匹配的所述控制信号发送至电刺激设备(10)，以使得所述电刺激设备(10)通过所述电极探针(3)释放对应该控制信号的电刺激信号。