TWI589323B - Nerve stimulation system for living organisms - Google Patents

Description

適用於生物體的神經刺激系統

本發明是有關於一種神經刺激系統，特別是指一種適用於生物體的神經刺激系統。

腦部治療商品大致分為侵入式和非侵入式兩種。侵入式商品例如是VNS(Vagus Nerve Stimulation，植入式迷走神經刺激系統)、DBS(Deep Brain Stimulation，深層腦部刺激)、植入式生物晶片。非侵入式商品例如是TMS(Transcranial magnetic Stimulation，穿顱磁刺激儀)。

常見VNS(Vagus Nerve Stimulation，植入式迷走神經刺激系統)會先於頸部迷走神經處置入一個刺激器，然後透過無線方式控制該刺激器的參數，使不同程度地刺激迷走神經，進而觀察腦波變化。

臨床上，患者接受上述的迷走神經刺激後，醫師會視患者反應，憑藉個人經驗和直覺來評估患者可能的腦波變化，做為調整刺激器參數的參考。不過，較佳的腦波評估應該需分析腦波於頻譜上的能量變化和時域上的能量變化，很難僅憑個人經驗和直覺來獲得準確評估。因此，在沒有精確腦波分析的輔助下，醫師可能會做成錯誤判斷而調整出一組不洽當的參數，徒然浪費醫療資源，也拖 慢患者的診療進度。

因此，本發明之目的，即在提供一種適用於生物體的神經刺激系統，能有效調整用以刺激生物體的刺激器參數。

於是本發明適用於一生物體的神經刺激系統，包含：一刺激器，設置於該生物體內；多個感測單元，用以貼靠該生物體來取得該生物體訊號，其中一感測單元是貼靠於該生物體的頭部，且一感測單元是鄰近該刺激器貼靠；及一評估裝置，根據該等感測單元傳來的該生物體訊號進行評估；其中，該評估裝置包括：一信號處理器，接收該等感測單元傳來的該生物體訊號，且根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號而得到一分析信號；一格式信號產生器，電連接該信號處理器，並基於該分析信號調整一參數，且將調整後參數載入一格式信號；及一傳收器，電連接該格式信號產生器，將該格式信號無線發送給該刺激器，以供該刺激器根據該格式信號載有的該參數產生一個用以刺激該生物體的刺激信號。

且本發明導線接板，適用於一評估裝置，該評估裝置用以評估一個在體內設置有一刺激器的生物體，該導線接板具有：一個代表頭部的標記；一個代表該刺激器的標記；及多個接孔，鄰近該頭部標記的接孔用以連接偵 測該生物體頭部的導線，鄰近該刺激器標記的接孔用以連接偵測該刺激器鄰近處的導線；該導線接板藉由該等接孔連接的導線接收偵測該生物體所得到的資訊，以供該評估裝置調整用以刺激該生物體的刺激器參數。

而本發明適用於一生物體的神經刺激系統，適用於以多個感測單元取得該生物體的資訊，包含：一刺激器，設置於該生物體內，該等感測單元的其中一個是鄰近該刺激器貼靠，其中另一個是貼靠於該生物體的頭部；及一評估裝置，包括：一信號處理器，接收各感測單元取得的該生物體訊號，且根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號而得到一分析信號；一格式信號產生器，電連接該信號處理器，並基於該分析信號調整一參數，且將調整後參數載入一格式信號；及一傳收器，電連接該格式信號產生器，將該格式信號無線發送給該刺激器，以供該刺激器根據該格式信號載有的該參數產生一個用以刺激該生物體的刺激信號。

且本發明適用於一生物體的神經刺激系統，適用於以多個感測單元取得該生物體的資訊，該等感測單元的其中一個是鄰近一個設置於該生物體體內的刺激器貼靠，其中另一個是貼靠於該生物體的頭部，該神經刺激系統包含：一信號處理器，接收各感測單元取得的該生物體訊號，且根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳 來的該生物體訊號而得到一分析信號；及一格式信號產生器，電連接該信號處理器，並基於該分析信號調整一參數，做為刺激該生物體的基礎。

100‧‧‧神經刺激系統

100’‧‧‧神經刺激系統

200‧‧‧評估裝置

200’‧‧‧評估裝置

500‧‧‧神經刺激系統

600‧‧‧評估裝置

1‧‧‧導線接板

10‧‧‧接孔

2‧‧‧信號處理器

21‧‧‧類比至數位轉換器

22‧‧‧雜訊抑制器

23‧‧‧放大器

24‧‧‧時頻轉換器

24’‧‧‧時頻轉換器

25‧‧‧濾波器

25’‧‧‧濾波器

5‧‧‧格式信號產生器

6‧‧‧傳收器

7‧‧‧顯示器

8‧‧‧刺激器

80‧‧‧刺激處理單元

81‧‧‧第一刺激件

82‧‧‧第二刺激件

83‧‧‧刺激接線

85‧‧‧檢測器

86‧‧‧感測單元

87‧‧‧通訊單元

88‧‧‧通訊單元

9‧‧‧導線

B‧‧‧生物體

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明神經刺激系統之第一較佳實施例；圖2是一示意圖，說明刺激器設置於迷走神經處；圖3是一示意圖，說明導線貼靠於頭部、心臟和刺激器鄰近處；圖4是一示意圖，說明導線接板的接孔分佈；圖5是一方塊圖，說明神經刺激系統之另一態樣；及圖6是一方塊圖，說明本發明神經刺激系統之第二較佳實施例。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明神經刺激系統100之第一較佳實施例適用於一生物體B，包含一評估裝置200、一個設置於生物體B內的刺激器8、多個分別用以貼靠該生物體B的感測單元86，以及多條分別對應該等感測單元86的導線9。

評估裝置200包括一導線接板1、一信號處理器 2、一格式信號產生器5、一傳收器6和一顯示器7。信號處理器2、格式信號產生器5和傳收器6依序電連接。傳收器6可與刺激器8進行無線接取，且直接電連接信號處理器2。而顯示器7則電連接信號處理器2以顯示信號處理器2的處理結果。並且，信號處理器2包括一類比至數位轉換器21、一雜訊抑制器22、一放大器23、一時頻轉換器24和一濾波器25。

參閱圖2，較佳地，該生物體B是指人體，但不以此為限。刺激器8設置於人體內，具有一刺激處理單元80、一刺激接線83，以及間隔設置於人頸迷走神經上的第一刺激件81和第二刺激件82。刺激件81、82分別透過刺激接線83連接到刺激處理單元80。請注意，本例刺激件81、82是設置於人頸迷走神經上，但在其他應用中也可以設置於人體其他部位的神經處。

聯合參閱圖2和圖3，各導線9的一端電連接導線接板1，另一端電連接對應感測單元86。且感測單元86適用於貼靠人體皮膚以取得人體資訊，進而將人體資訊透過導線9傳遞到導線接板1。更明確地，該等導線9所連接的感測單元86中，有多個是貼靠於頭部(標示為A、B、C)，有一個是貼靠於心臟(標示為D)，且有一個是貼靠於鄰近第一刺激件81的第一量測部(標示為E)，有一個是貼靠於鄰近第二刺激件82的第二量測部(標示為F)。為方便說明，下文以第一導線信號代表貼靠於頭部(即貼靠頭皮處)的導線信號，第二導線信號代表貼靠於心臟的導線信號，第三 導線信號代表貼靠於迷走神經(即貼靠頸部皮膚處)的導線信號。

圖4的導線接板1具有多個接孔10，分別用以連接該等導線9。較佳地，為了滿足使用者視覺操作，導線接板1上繪製有頭部圖樣和頸部圖樣，頭部圖樣內的各接孔10用以連接一條可傳遞第一導線信號的導線9，頸部圖樣下方的各接孔10用以連接一條可傳遞第二導線信號的導線9，頸部圖樣內的各接孔10用以連接一條可傳遞第三導線信號的導線9。

回歸參閱圖1、圖2和圖3，第一導線信號、第二導線信號和第三導線信號分別經由對應導線9將人體資訊傳遞到導線接板1，導線接板1接收該等導線信號並提供給信號處理器2。信號處理器2中，類比至數位轉換器21根據第一導線信號轉換出第一數位信號，雜訊抑制器22根據第一數位信號進行雜訊抑制而得到一第一雜訊抑制信號，放大器23根據第一雜訊抑制信號放大得到一第一放大信號，時頻轉換器24根據一段觀察時間內的第一放大信號進行時域到頻域的轉換處理而得到一第一頻域信號。

同樣地，信號處理器2也為第二導線信號產生一第二數位信號、一第二雜訊抑制信號、一第二放大信號、一第二頻域信號。信號處理器2更為第三導線信號產生一第三數位信號、一第三雜訊抑制信號、一第三放大信號、一第三頻域信號。

然後，信號處理器2更藉由濾波器25根據第二 頻域信號和第三頻域信號來調整關於頭部的第一頻域信號，以得到一個作為分析信號的濾波信號。更明確地，濾波器25是從第一頻域信號中移除關於第二頻域信號和第三頻域信號的資訊來得到該作為分析信號的濾波信號。接著，格式信號產生器5基於分析信號調整一參數，並將調整後參數載入一格式信號中。傳收器6接收該格式信號並無線發出。

刺激處理單元80無線接收該格式信號，以分析出該參數進而產生不同特性的刺激信號，且透過刺激接線83將刺激信號傳遞到刺激件81、82，使刺激件81、82據以刺激迷走神經。其中，刺激信號特性例如是信號頻率，信號波形、信號幅值。

本例中，傳收器6和刺激處理單元80的通訊協定相匹配，該格式信號適用於所述通訊協定，例如是藍芽(bluetooth)、群蜂(ZigBee)、RFID(radio frequency identification，無線射頻識別)或紅外線傳輸。

整體來說，神經刺激系統100有以下三種操作模式：外控模式、研究模式，和分析模式。

在外控模式下，格式信號產生器5受外部控制調整該參數，傳收器6將載有該參數的格式信號無線發出。刺激處理單元80收到格式信號後會回覆一確認信號，且根據格式信號產生匹配於該參數的刺激信號，供刺激件81刺激迷走神經。

在研究模式下，神經刺激系統100的元件作動 相仿於外控模式，不過刺激處理單元80還會回覆關於刺激信號頻率、對應參數、刺激開始時間、刺激結束時間或其他刺激器8特性的資訊，做為進一步研究分析的基礎。

在分析模式下，濾波器25從第一頻域信號中移除關於第二頻域信號和第三頻域信號的資訊來得到分析信號。格式信號產生器5則基於分析信號調整該參數，傳收器6將載有該參數的格式信號無線發出。刺激處理單元80收到格式信號後會回覆一確認信號，且根據格式信號產生匹配於該參數的刺激信號來供刺激件81、82刺激迷走神經。並且，在刺激完成後，刺激處理單元80還會回覆關於刺激信號頻率、刺激參數、刺激開始時間、刺激結束時間或其他刺激器8特性的資訊給傳收器6，傳收器6再轉送給信號處理器2。而信號處理器2則根據刺激開始時間和刺激結束時間決定時頻轉換器24用以轉換處理的該段觀察時間。

特別說明的是，因為腦波受到刺激信號和心臟跳動的干擾，所以本例信號處理器2的濾波器25特地在分析模式下分析該等頻域信號，以從頭部的第一頻域信號中濾除關於第二頻域信號和第三頻域信號的成分，如此分析信號才能有效地反應腦波。

另外，雖然前述是說明先執行時頻轉換器24的處理，再使濾波器25於頻域中進行處理。但評估裝置200’的另一態樣也可以是如圖5所示，先使用濾波器25’於時域中，從第一放大信號移除關於第二放大信號和第三放大信號的資訊來得到濾波信號，再使用時頻轉換器24’根據 濾波信號轉換出一個作為分析信號的頻域信號。

請注意，本例為了方便說明，以圖3所示的導線數量為例。但在其他應用中，透過感測單元86貼靠於頭部的導線數量可以有多條，例如8至20條，甚至多達百條。透過感測單元86貼靠於心臟的導線數量可以只有一條或任意數條。在使用兩條導線貼靠心臟的情況下，通常是讓該兩條導線的感測單元86分別接近左胸口和右胸口，或是讓該兩條導線彼此間隔一段距離而置於心臟上方。另外，透過感測單元86貼靠於頸部(如迷走神經處)的導線數量可以是一條或任意數條，視實際應用而定。且較佳地，導線接板1能對應地具有對等導線數量的接孔10，而不需以圖4為限。

值得注意的是，時頻轉換器24、24’可以是利用快速傅立葉轉換(FFT，Fast Fourier Transform)、希爾伯特-黃轉換(HHT，Hilbert Huang Transform)，或是其他可將信號從時域轉換到頻域的方法。

且值得注意的是，信號處理器2、格式信號產生器5和傳收器6是可以整合於一電子裝置中，電子裝置例如是智慧型手機或電腦。再者，前述是說明導線接板1繪製有頭部圖樣和頸部圖樣等標記以滿足使用者視覺操作，但在其他應用中，也可以在導線接板1上標示出分別代表生物體B上不同檢測部位的標記，以便於接上相關導線9。檢測部位可以是頭部、心臟、頸部、刺激器8鄰近處或生物體B的其他部位。標記可以是符號、文字、圖樣、顏 色、形狀...等。例如：使貼靠於頭部的導線9連接到代表頭部的文字的接孔10。又例如：使接孔10和對應導線9具有相同色彩。或者，使接孔10和對應導線9的接頭具有匹配的形狀，以利於插接。

此外，雖然本例是說明刺激器8是設置於頸部迷走神經處，但在其他應用中也可以是設置於生物體其他部位的迷走神經，甚至是其他型態的神經。

並且，雖然本例是說明評估裝置200藉由多條導線9和對應的感測單元86連接到生物體B以為評估，但在另一應用中也可以僅使用一條導線連接到一個具有多個感測單元86的感應帽(圖未示)，當生物體B戴上該感應帽，該等感測單元86能透過該導線將偵測到的感應資訊提供給評估裝置200。

參閱圖6，相較於第一較佳實施例，本發明神經刺激系統500之第二較佳實施例的差異在於：評估裝置600更包括一個通訊單元88，而該等導線9是跨接於通訊單元88和導線接板1間。並且，神經刺激系統500是使用多個檢測器85來量測生物體B，每一檢測器85具有一感測單元86和一通訊單元87，感測單元86用以量測生物體B以取得相關資訊，通訊單元87則將生物體B資訊無線發送給評估裝置600的通訊單元88。然後，通訊單元88再透過該等導線9傳遞生物體B資訊到導線接板1。

當然，在另一態樣中，也可以省略導線接板1和該等導線9，由通訊單元88直接將生物體B資訊傳給信 號處理器2。而通訊單元87、88所採用的無線通訊協定，例如是藍芽(bluetooth)、群蜂(ZigBee)、RFID(radio frequency identification，無線射頻識別)或紅外線傳輸。此外，通訊單元88和傳收器6也可共同整合形成一個收發裝置(圖未示)。

綜上所述，前述較佳實施例中，導線接板1的接孔10分別連接貼靠於頭部、心臟和刺激器8鄰近處的導線9，所以信號處理器2根據導線信號獲得分析信號後，格式信號產生器5可據以有效地調整用以刺激迷走神經的參數，有助於腦部治療，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧神經刺激系統

200‧‧‧評估裝置

1‧‧‧導線接板

2‧‧‧信號處理器

21‧‧‧類比至數位轉換器

22‧‧‧雜訊抑制器

23‧‧‧放大器

24‧‧‧時頻轉換器

25‧‧‧濾波器

5‧‧‧格式信號產生器

6‧‧‧傳收器

7‧‧‧顯示器

8‧‧‧刺激器

86‧‧‧感測單元

9‧‧‧導線

B‧‧‧生物體

Claims (12)

1. 一種適用於一生物體的神經刺激系統，其用途為藉由刺激迷走神經並濾除雜訊干擾，以有效調整用以刺激迷走神經的參數，有助於腦部治療，該神經刺激系統包含：一刺激器，設置於該生物體內；至少二個感測單元，用以貼靠該生物體來取得該生物體訊號，其中一感測單元是貼靠於該生物體的頭部，且其中另一感測單元是鄰近該刺激器貼靠；及一評估裝置，根據該等感測單元傳來的該生物體訊號進行評估；其中，該評估裝置包括：一信號處理器，接收該等感測單元傳來的該生物體訊號，且根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號而得到一分析信號；一格式信號產生器，電連接該信號處理器，並基於該分析信號調整一參數，且將調整後參數載入以產生一載有調整後參數的格式信號；及一傳收器，電連接該格式信號產生器，將該格式信號無線發送給該刺激器，以供該刺激器根據該格式信號載有的該參數產生一個用以刺激該生物體的刺激信號；該信號處理器根據貼靠於該生物體頭部的該感 測單元所傳來的該生物體訊號進行濾波處理而得到一濾波信號，且是基於貼靠於該生物體心臟的該感測單元所傳來的該生物體訊號與鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號來進行濾波處理；並且該信號處理器更根據該濾波信號進行時頻轉換處理來得到該分析信號。
2. 如請求項1所述的神經刺激系統，更包含再一感測單元及多條分別對應該等感測單元的導線，其中，該評估裝置更包括一個導線接板；各導線的一端電連接對應的感測單元，另一端電連接該導線接板，且各導線能傳遞所對應感測單元取得的該生物體訊號給該導線接板；所增加之該感測單元是貼靠於該生物體的心臟，該信號處理器根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所對應的該導線信號，並根據貼靠於該生物體心臟的該感測單元所對應的該導線信號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所對應的該導線信號而得到該分析信號。
3. 如請求項1所述的神經刺激系統，其中，更包含再一感測單元，該感測單元是貼靠於該生物體的心臟；該信號處理器根據貼靠於該生物體頭部之感測單元所傳來的該生物體訊號轉換出一第一頻域信號，根據貼靠於該生物體心臟之感測單元所傳來的該生物體訊號轉換出一第二頻域信號，根據鄰近該刺激器貼靠的感測單元所傳來的該生物體訊號轉換出一第三頻域信號；且 該信號處理器從該第一頻域信號中濾除該第二頻域信號，且濾除該第三頻域信號，來得到該分析信號。
4. 如請求項2所述的神經刺激系統，其中，該導線接板具有多個接孔，分別用以電連接貼靠於該生物體頭部的該導線以及鄰近該刺激器貼靠的該導線；該導線接板更具有一個代表頭部的標記和一個代表該刺激器的標記，鄰近頭部標記的接孔用以電連接貼靠於該生物體頭部的該導線，鄰近該刺激器標記的接孔用以電連接鄰近該刺激器貼靠的該導線。
5. 如請求項4所述的神經刺激系統，其中，該代表頭部的標記是一頭部圖樣，且該導線接板更具有一個為頸部圖樣的標記；該導線接板的其中一接孔設置於該頭部圖樣內且用以電連接貼靠於該生物體頭部的該導線，該導線接板的又一接孔設置於該頸部圖樣下方且用以電連接貼靠於該生物體心臟的該導線。
6. 如請求項2所述的神經刺激系統，其中，該刺激器設置於該生物體的一神經處，且所產生的該刺激信號用以刺激該生物體的神經；該神經刺激系統的多條導線中，有兩條是間隔貼靠於該神經鄰近處。
7. 如請求項1所述的神經刺激系統，其中，該傳收器和該刺激器使用藍芽、無線射頻識別或紅外線傳輸協定進行通訊。
8. 如請求項1所述的神經刺激系統，更包含多個檢測器，每一檢測器具有所述的其中一個感測單元，以及一個通訊單元；其中，該評估裝置更包括一個用以耦接該信號處理器的通訊單元，且該等檢測器的通訊單元能分別將取得的該生物體訊號無線傳送給該評估裝置的通訊單元。
9. 一種適用於一生物體的神經刺激系統，其用途為藉由刺激迷走神經並濾除雜訊干擾，以有效調整用以刺激迷走神經的參數，有助於腦部治療，該神經刺激系統適用於以多個感測單元取得該生物體的資訊，包含：一刺激器，設置於該生物體內，該等感測單元的其中一個是鄰近該刺激器貼靠，其中另一個是貼靠於該生物體的頭部；及一評估裝置，包括：一信號處理器，接收各感測單元取得的該生物體訊號，且根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號而得到一分析信號；一格式信號產生器，電連接該信號處理器，並基於該分析信號調整一參數，且將調整後參數載入以產生一載有調整後參數的格式信號；及一傳收器，電連接該格式信號產生器，將該格式信號無線發送給該刺激器，以供該刺激器根據該 格式信號載有的該參數產生一個用以刺激該生物體的刺激信號；該信號處理器根據貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號進行濾波處理而得到一濾波信號，且是基於貼靠於該生物體心臟的該感測單元所傳來的該生物體訊號與鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號來進行濾波處理；並且該信號處理器更根據該濾波信號進行時頻轉換處理來得到該分析信號。
10. 如請求項9所述的神經刺激系統，其中，另一感測單元是貼靠於該生物體的心臟；該信號處理器根據貼靠於該生物體頭部之感測單元所傳來的該生物體訊號轉換出一第一頻域信號，根據貼靠於該生物體心臟之感測單元所傳來的該生物體訊號轉換出一第二頻域信號，根據鄰近該刺激器貼靠的感測單元所傳來的該生物體訊號轉換出一第三頻域信號；且該信號處理器從該第一頻域信號中濾除該第二頻域信號，且濾除該第三頻域信號，來得到該分析信號。
11. 一種適用於一生物體的神經刺激系統，其用途為藉由刺激迷走神經並濾除雜訊干擾，以有效調整用以刺激迷走神經的參數，有助於腦部治療，該神經刺激系統適用於以多個感測單元取得該生物體的資訊，該等感測單元的其中一個是鄰近一個設置於該生物體體內的刺激器貼靠，其中另一個是貼靠於該生物體的頭部，該神經刺激 系統包含：一信號處理器，接收各感測單元取得的該生物體訊號，且根據鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號，來處理貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號而得到一分析信號；及一格式信號產生器，電連接該信號處理器，並基於該分析信號調整一參數，以供該刺激器根據該參數產生一個用以刺激該生物體的刺激信號；該信號處理器根據貼靠於該生物體頭部的該感測單元所傳來的該生物體訊號進行濾波處理而得到一濾波信號，且是基於貼靠於該生物體心臟的該感測單元所傳來的該生物體訊號與鄰近該刺激器貼靠的該感測單元所傳來的該生物體訊號來進行濾波處理；並且該信號處理器更根據該濾波信號進行時頻轉換處理來得到該分析信號。
12. 如請求項11所述的神經刺激系統，更包含一個電連接該格式信號產生器的傳收器；其中，該格式信號產生器將調整後參數載入以產生一載有調整後參數的格式信號，且該傳收器將該格式信號無線發送給該刺激器，使該刺激器據以刺激該生物體。