CN116685374A - 柔性电极载体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于神经刺激特别是用于脑皮层刺激和/或脑深层刺激的柔性电极载体(100)，该柔性电极载体具有近端(104)和远端(106)，其中柔性电极载体包括至少两个区域(110)，每个区域包括多个电极(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性电极载体，特别是用于脑刺激的柔性电极载体，特别是用于脑皮层刺激和/或脑深层刺激的柔性电极载体。
背景技术
在实践中，众所周知脑皮层刺激和/或脑深层刺激是一种用于诊断和治疗神经退行性疾病(例如帕金森病、癫痫和慢性疼痛)的方法。在这方面，通过植入大脑区域或部位(如丘脑底核和/或苍白球内部)的引线进行电刺激可以例如减轻患有抗药性帕金森病的患者的震颤症状。此外，可以记录来自植入引线的大脑部位或区域的信号，以及可以使用阻抗或生理测量来确定脑组织的状态。
通常，脑深层刺激(DBS)是用两条引线进行的，每条引线被植入大脑的一个半球。每个引线可以包括例如4个或8个电极的阵列，这些电极围绕引线的芯体布置成环形，其中电极的数量和形状以及引线上电极的具体布置决定了影响脑组织的电刺激场或波。
Daria Nesterovich Anderson等人，在2018年第15期的神经网络工程学报(Journal of Neural Engineering)中，提出了一种圆柱形定向脑深层刺激引线的优化编程算法，因为远离预期目标部位或区域的刺激可能导致精神、非运动和运动方面的副作用的原因，所以如果DBS引线没有精确击中其目标脑区，则编程就变得尤为重要。即使采用最先进的手术技术，在手术过程中，通常也会看到偏离目标区域2mm至4mm，尤其是在植入双侧DBS手术中的第一根引线后。通常，如果与目标的距离大于3mm，则引线或电极不会到达生理上定义为最佳的区域的任何部分。据报道，这种放置错误发生在超过40％的植入中。引线放置偏差的普遍性促使了定向DBS引线的产生。使用更多数量的较小电极，定向引线可以产生不对称的刺激轮廓，并将刺激引导回错过的目标。然而，定向引线日益复杂，增加了与编程相关的临床难度和时间负担。
发明内容
因此，本发明的目的是有利地进一步开发上述类型的柔性电极载体，特别是以仅用一个柔性电极载体就可以更好地到达一个以上的目标脑区域并且可以相对于目标脑区域更精确地调节刺激场的方式。
关于柔性电极载体的上述目的通过权利要求1的特征来实现。在从属权利要求2至8中描述了本发明关于柔性电极载体的有利配置。
根据本发明，提供了一种用于神经刺激、特别是用于脑皮层刺激和/或脑深层刺激的柔性电极载体，该柔性电极载体具有近端和远端，其中柔性电极载体包括至少两个区域，每个区域包括多个电极。
本发明的基本思想是刺激脑组织的不同区域并记录来自该区域的信号，其中这些目标不必布置或位于直线上，因为通过将至少两个区域与至少两个脑区域对准，柔性电极载体或引线可以适应于完全适配至少两个不同的脑区域。此外每个区域内的相应多个电极可以是不同的，从而可以考虑待刺激和/或记录的大脑区域之间可能存在的解剖或功能差异，其中，每个区域内的相应多个电极可以进一步是异质的，即，可以在每个区域内设置不同类型的电极，以能够使所产生的刺激场和/或记录分辨率精确地适应相邻的脑组织及其生理条件。换句话说：通过在同一电极载体上具有更多的有源区(也可以称之为引线)，而活性区域应被理解为至少两个(分组的)电极的区域，从而进一步具有例如具有不同功能的电极或具有不同解剖形状的电极，可以用一个引线同时处理多个待刺激区域。这降低了治疗的侵入性。此外，它还可以帮助添加新功能，且降低系统复杂性和可扩展性。此外，由于新的功能提供了新的治疗方法，治疗的有效性增加，可以开发新的疗法。
此外，大脑回路的动力学也可以成为治疗的目标和对象。也可能存在在大脑区域A处提供的刺激的效果在来自大脑区域B的大脑活动中最佳地观察到，或者最佳区域B由在区域C中触发的诱发电位确定，而治疗性刺激区域是A的情况。
柔性电极载体的柔性程度以这样的方式选择，一方面柔性电极载体形状是可调整的，另一方面是柔性程度，但另一方面，柔性程度还确保在插入之后基本上保持所需形状，柔性电极载体被带入所需形状以到达待刺激的期望大脑区域。
柔性电极载体可以是引线或引线桨或贴片或任何其他合适结构的形式。
用于柔性电极的材料可以是例如聚氨酯和硅酮等。可以使用任何生物相容的聚合物材料。
柔性电极载体的远端被定义为在插入期间居前面的端部，而柔性电极载体近端更靠近颅骨中的开口和/或脉冲发生器。
至少两个区域可以沿着柔性电极载体彼此直接相邻或间隔开地布置，优选地其中一个区域位于远端。
柔性电极载体可以包括至少32个刺激电极以能够足够精确地刺激相应的大脑区域，以及32个记录电极以实现足够高的分辨率。其他数量也是可以的。选择更高数量的电极(尤其是高于现在常用的4或8个电极)是可取的，因为4或8组的电极尺寸在功能相关的大脑信号的分辨率方面具有局限性，并且如果使用更高数量的刺激电极，则可寻址的相关脑区域的分辨率将增强。
在一个可能的实施例中，柔性电极载体至少基本上是细长的。
细长的电极载体允许到达大脑的不同的、间隔开的区域，这对于进一步了解刺激对相邻大脑区域以及可能的病理性大脑回路的影响可能特别有用。此外，可以想到的是，柔性电极载体的一个区域通过电极产生刺激场，而其他区域的电极记录其他大脑区域的信号，这些信号尤其可以被视为刺激场效应的直接结果。应该理解的是，刺激场是由控制柔性电极载体的电脉冲发生器产生的。
柔性电极载体细长延伸的另一个优点是，仅需要在颅骨中准备一个小开口或通孔来插入和放置柔性电极载体。
在另一个可能的实施例中，至少两个区域中的每个区域中的多个电极包括至少一种类型的电极。
这意味着在一个区域内设置某种类型的电极，或者在一个区内设置几种类型的电极(优选两种类型的电极)。随后，可以通过具有一种以上类型的电极的区域来产生不同的刺激场。优选地，可以单独地控制不同类型的电极。在同时控制不同类型的电极以产生刺激场的情况下，可以假设各个场彼此叠加。此外，例如，对于两种类型的电极，还可以设置为一种类型产生刺激场，而另一种类型记录受影响大脑区域的发射信号。因此，如果区域配置为使得各个类型的电极可以被单独地连接和控制，则是有利的。
在另一个可能的实施例中，电极的类型是尺寸、形状和材料组中的至少一种。
插入的柔性电极载体的电极类型必须能够满足相邻大脑区域的要求，特别是避免损坏它。因此，每种类型的电极都具有包括尺寸、形状和制造电极的材料的特定的特征。
该形状可以是例如环形或矩形等，以能够以尽可能好的方式刺激相应的大脑区域或部位，而不会影响甚至损害相邻区域。
不同尺寸的电极可能是产生与目标脑区域的尺寸相对应的刺激场所必需的。
由于电极是电子控制的或被施加一定的电压，因此材料必须与来自脉冲发生器的周期性电脉冲相对应，即它在预定的持续时间内承受这些脉冲，并且不会过早磨损、退化或腐蚀。特别重要的是，如果电极意外过载，或者存在材料缺陷，以及电极的部分脱落，这些部分对周围的脑组织没有毒性。
一般来说，在柔性电极载体上可以使用几种类型的电极。电极的类型可以在以下至少一个方面不同：参数尺寸、形状、布局、材料以及它们是否用于刺激或记录或两者。
在另一个可能的实施例中，制成电极的材料是还原的氧化石墨烯或铂铱合金。
还原的氧化石墨烯的特点是其高耐久性、优异的导电性和对高水平电荷的抵抗力，这就是为什么它特别适合作为电极材料的原因。需要考虑的一件事是，还原的氧化石墨烯非常脆，这就是为什么建议用保护层覆盖还原的氧化烯电极，以特别防止机械冲击。
然而，可以存在电极的未被覆盖的部分或部位。
此外，可以预见的是，电极没有被保护层覆盖。
在没有保护层或部分保护层的情况下，电极可以直接接触脑组织，脑脊液可以进入电极。
或者，可以使用铂铱合金、氧化铱、活化铱、铂或任何其他常用的电极金属/材料，其中还原的氧化石墨烯的有利性质可能不是必需的。
在另一个可能的实施例中，电极的类型每种以单独的样式布置在区域内。
为了对应于待刺激的大脑区域，如果一个区域内的不同类型的电极以类型相关的样式排列也是有利的，由此例如不同大小的两种电极类型可以不同地刺激目标大脑区域的两个部分，即具有两种不同的强度或具有不同的激活功能。激活函数是一种用于近似细胞外场对轴突或神经元的影响的数学形式。它是由Frank Rattay开发的，是一种可以近似评估功能性电刺激(FES)或神经调控技术对目标神经元的影响的有用工具。它指出了由作用在神经纤维上的电场引起的高度超极化和去极化的位置。根据经验，激活功能与细胞外电位沿轴突的二阶空间导数成比例。
附加地或可替代地，柔性电极载体在其远端被加宽。加宽可以通过扩大几何形状、增加直径、改变形状等来实现。
如果柔性电极载体要用于脑皮层刺激，则有利的或者甚至要求将电极布置在限定的平面中以覆盖预定的皮层区域。因此，远端的加宽意味着优选地在布置电极的远端处形成某种衬垫。该衬垫还需要灵活性，以便衬垫能够适应待刺激或记录的皮层的局部弯曲。此外，柔性还便于尽管在远端处加宽，但是柔性电极载体仍然可以通过颅骨中的狭窄开口插入，例如通过缠绕或滚动衬垫以进行插入。
可替代地，加宽的远端也可以形成圆形或闭合轮廓，其中电极可以沿着循环和/或内部圆形部分布置。
在另一个可能的实施例中，一个区域的电极被嵌入薄膜衬底中。
薄膜是一层厚度从几纳米(单层)到几微米不等的材料。薄膜材料的受控合成(称为沉积的过程)是许多应用中的基本步骤。将薄膜施加到表面的行为是薄膜沉积——将材料薄膜沉积到基底或先前沉积的层上的任何技术。“薄”是一个相对的术语，但大多数沉积技术将层厚度控制在几十纳米以内。薄膜制备技术可以分为非蒸汽技术和蒸汽技术。特别地，原子层沉积、PVD、CVD旨在进行原子控制，而湿法旋涂、浸涂、(电)喷涂通常在湿相中沉积微米至数十微米，根据干残留物和溶剂含量，留下数十纳米至数微米的最终层。
薄膜加工提供了目前常用的大块金属电极所无法提供的设计选项。这种电极目前由制造商提供，并且仅在DBS中的1-1-3-3或1-3-3-1分段引线中提供不超过3个矩形段。
此外，薄膜加工提供了更多的选择，通过使用掩模、剥离和光刻胶光刻或添加技术来组合不同的材料。
在形成薄膜衬底的层内，设置到电极的导电连接，使得可以对电极进行电气控制。
包括至少一种类型的多个电极的薄膜衬底被包裹在柔性电极载体的相应区域周围或施加到柔性电极载体上。
这样做的优点是实际的载体和包括电连接的电极可以单独制造，这有利于柔性电极载体的组装。
附图说明
在下文中，结合附图描述本发明的进一步优点和实施例。因此，表达方式“左”、“右”、“下”和“上”在允许附图标记的正常读取的附图的方向上指代附图。图纸不一定代表按比例执行的形式。相反，在有助于解释的情况下，图纸以示意图和/或轻微变形的形式执行。说明书、附图和权利要求书(无论是单独的还是任何组合的)中揭示的本发明的特征对于本发明的任何延续都是必不可少的。本发明的总体思想不限于下文所示和描述的优选实施例的确切形式或细节，也不限于与权利要求的主题相比将受到限制的主题。为了简单起见，相同或相似的部件或具有相同或相似功能的部件在下文中用相同的附图标记表示。
在附图中：
图1是根据本发明的具有两个区域的柔性电极载体的第一实施例；
图2是根据本发明的具有三个区域的柔性电极载体的第二实施例；
图3是根据本发明的柔性电极载体的远端处的区域的实施例；
图4是根据本发明的柔性电极载体的不同区域的四个实施例；
图5是根据本发明的柔性电极载体的加宽远端的第一实施例；
图6是根据本发明的柔性电极载体的加宽远端的第二实施例；以及
图7是根据本发明的柔性电极载体的加宽远端的第三实施例。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的细长柔性电极载体100(特别是用于脑深层刺激的细长柔性电极载体)的第一实施例，其中细长柔性电极载体100具有近端104和远端106。
此外，细长柔性电极载体100包括在近端104处的第一区域108和在远端106处的第二区域110，其中每个区域108、110包括多个电极112。
因为区域108、110是间隔开的，所以也间隔开的两个脑区域可以被同时或异步地刺激或记录。
图2示出了穿过颅骨14的开口12插入的细长柔性电极载体100的第二实施例。
细长柔性电极载体100包括三个区域108、110、114。
区域108、110和114中的每一个包括多个电极112。
图2中的细长柔性电极载体100被弯曲以适应脑组织的三个不同的脑区域(未示出)。柔性使得电极能够适应，其中柔性优选地被限制为使得弯曲或曲折的电极载体100基本上保持其形状。
在图3中，示出了柔性电极载体100的远端106处的区域116的实施例。
区域116包括多个第一类型的电极118和多个第二类型的电极120，第一类型的电极是与所提出的柔性电极载体100结合使用的默认或通用类型，第二类型的电极120是由于其尺寸、形状、材料等而可能不同于第一类型的电极118的特定电极。以彼此偏移或交错的布置方式来布置两种类型的电极118、120。这样的布置可以是(但不限于)六边形布置、线形布置、矩形布置、对称布置或非对称布置。特别地，六边形布置在对称性和最佳网格覆盖方面提供了优势。
由于图3所示区域116内的电极类型118、120形成的样式，假设两种类型的118、120同时被激活，则刺激场很可能是叠加的。但也有可能的是，例如第一类型电极118刺激大脑区域，而第二类型电极120记录受影响的大脑区域的信号。
在图4中，呈现了细长柔性电极载体100的一个区域内的不同的可能样式。样式a对应于图3中所示的类型的电极118、120的样式，而样式b和样式c是仅具有两种类型的电极118和120中的一种的对应样式。样式d还示出了第三类型的另一个电极122，其比前两个类型的电极118、120大得多，由此产生样式d。
在图5中，显示了柔性电极载体100的加宽远端106的实施例，优选用于脑皮层刺激，其中加宽远端106形成一种具有矩形形状的衬垫。然而，与目标大脑区域匹配的其他形状也是可能的。
另外，多个第一类型电极118和第二类型电极120被布置成彼此偏移的行，但是其他样式也是可能的。电极118、120被布置在一个平面中以覆盖待刺激的脑组织的相应区域。
加宽的远端106是柔性的，以使得一方面，垫状远端106可以适应目标脑区域的曲率。另一方面，垫状远端106可以围绕纵向轴线折叠或包裹以将柔性电极载体插入患者的颅骨14中。
在图6中，示出了另一个加宽远端106，其中第一类型电极118布置在形成框架的第三类型电极122内部。
最后，在图7中，示出了具有第一和第二类型电极118、120并形成圆形的加宽远端106的另一个实施例。如图7所示，加宽的远端106可以具有至少一个开口124。
附图标记
100 柔性电极载体
102 天线
104 近端
106 远端
108 第一区域
110 第二区域
112 电极
114 第三区域
116 远端区域
118 第一电极类型
120 第二电极类型
122 第三电极类型
200 可穿戴设备
300 移动设备
Claims (8)
1.一种柔性电极载体(100)，所述柔性电极载体(100)用于神经刺激，特别是用于脑皮层刺激和/或脑深层刺激，所述柔性电极载体(100)具有近端(104)和远端(106)，其中，所述柔性电极载体(100)包括至少两个区域(108、110、114、116)，每个区域包括多个电极(112、118、120、122)。
2.根据权利要求1所述的柔性电极载体(100)，其中，所述柔性电极载体(100)至少基本上是细长的。
3.根据权利要求1或2所述的柔性电极载体(100)，其中，在所述至少两个区域(108、110、114、116)中的每个区域中的所述多个电极(112、118、120、122)包括至少一种类型的电极(118、120、122)。
4.根据权利要求3所述的柔性电极载体(100)，其中，电极(118、120、122)的类型是尺寸、形状和材料中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的柔性电极载体(100)，其中，制成所述电极(118、120、122)的材料是还原的氧化石墨烯或铂铱合金。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的柔性电极载体(100)，其中，所述电极(118、120、122)的类型每种以单独的样式布置在所述区域(108、110、114、116)内。
7.根据前述任一权利要求所述的柔性电极载体(100)，其中，所述柔性电极载体(100)在所述远端(106)处被加宽。
8.根据前述任一权利要求所述的柔性电极载体(100)，其中，一个区域(108、110、114、116)的电极(112、118、120、122)被嵌入薄膜衬底中。
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