WO2023245709A1 - 用于植入电极丝的系统及其运行方法 - Google Patents

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WO2023245709A1
WO2023245709A1 PCT/CN2022/102394 CN2022102394W WO2023245709A1 WO 2023245709 A1 WO2023245709 A1 WO 2023245709A1 CN 2022102394 W CN2022102394 W CN 2022102394W WO 2023245709 A1 WO2023245709 A1 WO 2023245709A1
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implant
needle
implantation
electrode
electrode wire
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PCT/CN2022/102394
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赵郑拓
李雪
周旸
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中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
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Definitions

  • the present disclosure relates to systems for implanting electrode wires, systems for implanting bioelectrodes into a target, systems for implanting electrode wires into a target, and methods for operating systems in accordance with the present disclosure.
  • Manual implantation is a purely manual method of implanting electrode wires.
  • the first step is to prepare in advance all the electrode wires to be implanted and the guide needles corresponding to each electrode wire.
  • the electrode wires need to be adhered or sheathed in advance.
  • a ring is fixed on each guide needle, and then the brain tissue area to be implanted is found, and a row of guide needles with electrode wires are implanted into the target area at the same time.
  • Robots have the ability to complete work more accurately than humans and the ability to complete repetitive tasks more consistently.
  • the implant head is installed on a three-axis moving platform. This will cause the implant head to be unable to be implanted at different angles and can only move linearly on the XYZ axis. Since the surface of the human brain is not plane, which will cause the electrode wire to be implanted at an unpredictable angle.
  • Another problem is that the needle and clip implanted in the head can easily cause the electrode wire to break unless the electrode wire is hard enough, but hardness can cause increased damage to brain tissue, so this structure is risky.
  • the purpose of this disclosure is to propose systems for implanting electrode wires, systems for implanting bioelectrodes into a target, systems for implanting electrode wires into a target, and methods for operating systems according to the disclosure, It can overcome the shortcomings in the existing technology.
  • a system for implanting an electrode wire into the brain of a living body comprising: an implantation device, the implantation device
  • the implantation device includes an implantation needle, an implantation feeding mechanism and an implantation actuator.
  • the implantation needle is configured to engage the free end of the electrode wire with its needle portion so as to drive the electrode wire to move.
  • the feeding mechanism is configured to move the implant needle in the longitudinal direction of the implant device, and the implant actuator is configured to drive the implant needle to pierce the needle portion of the implant needle into the brain;
  • first A light source the first light source is used to provide a first light suitable for observing the free end of the implant needle and the electrode wire;
  • a second light source the second light source is used to provide a second light suitable for observing the brain surface ;
  • a first camera the first camera is configured to acquire a first image of the needle portion and the free end of the electrode wire with the assistance of the first light;
  • a second camera the second camera is configured to acquire a first image of the needle portion and the free end of the electrode wire with the assistance of the first light; Acquiring a second image of the needle portion and the free end of the electrode wire with assistance, wherein the light path of the first camera and the light path of the second camera are at an angle to each other;
  • a brain surface camera the brain surface camera is configured on the second acquiring a third image of the brain surface with
  • a system for implanting a biological electrode into a target object including: an actuator configured to drive a guide device coupled with the biological electrode to move, so that the guide device together with the biological electrode enters the target object. ; a position adjustment mechanism configured to adjust the position of the actuator so that the guide device is close to the target implantation area of the target object; and an orientation adjustment mechanism configured to adjust the orientation of the actuator so that the guide device can be positioned at the target implantation area
  • the target is entered at a specific angle relative to the surface of the target implant area.
  • a system for implanting an electrode wire into a target object including an implantation subsystem including: an actuator configured to drive a guide device engaged with the electrode wire Move along the longitudinal direction of the actuator toward the target object at a first speed so that the guide device together with the electrode wire enters the target object; and a longitudinal position adjustment mechanism configured to adjust the position of the actuator at a second speed along the longitudinal direction so that the The guiding device approaches a target implantation area of the target object in a longitudinal direction, wherein the first speed is greater than the second speed.
  • a method for operating a system includes the following steps: arranging an electrode wire on an electrode wire holder; and performing a processing device based on the first image and the second image identifies the relative position between the free end of the electrode wire and the needle portion of the implant needle, and controls the movement of the implant device and/or the electrode wire holder based on the relative position, so that the needle portion of the implant needle Align the free end of the electrode wire in the longitudinal direction; move the implant needle along the longitudinal direction of the implantation device through the implantation feeding mechanism to engage with the free end of the electrode wire, and separate the electrode wire from the electrode wire holder; by The processing device identifies the implantable area of the brain based on the third image and determines the target position of the implant in the implantable area; the processing device controls the movement of the implantation device so that the needle part of the implantation needle moves in a specific direction.
  • Angle-aligning the implantation feeding mechanism at the target position implanting the feeding mechanism through the implantation feeding mechanism so that the implantation needle drives the electrode wire to move to a predetermined distance from the surface of the target position; and driving the implantation through the implantation actuator The needle moves forward along with the electrode wire.
  • 1 to 3 are schematic perspective views from different views of a system for implanting electrode wires according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an implant device or an actuator and an arc-shaped guide rail for adjusting the orientation of the implant device or actuator according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a detailed schematic perspective view of an implant device or actuator in accordance with an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a side view of the implant device or actuator of FIG. 5 .
  • Figure 7 is a detailed schematic perspective view of the implant needle of Figure 5 and a second implant carrier for securing the implant needle.
  • FIGS. 8A-8E are schematic diagrams of electrode wire guiding and spraying steps in a method for operating a system according to the present disclosure, according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 9 is a schematic diagram of the spatial arrangement of a vision module according to an embodiment of the present disclosure.
  • an element is referred to as being “on,” “attached to,” “connected to,” “coupled to” or “contacting” another element.
  • the element can be directly on, attached to, connected to, coupled to, or contacting another element, or intervening elements may be present.
  • one element is said to be “directly on”, “directly attached to”, “directly connected to”, “directly coupled to” another element or, or “directly coupled” to another element.
  • a feature being arranged “adjacent” to another feature may mean that one feature has a portion that overlaps the adjacent feature or a portion that is above or below the adjacent feature.
  • Coupled means that one element/node/feature can be directly or indirectly mechanically, electrically, logically, or otherwise connected to another element/node/feature to permit mutual interaction. effect, even though the two characteristics may not be directly connected. That is, “coupled” is intended to encompass both direct and indirect connections of elements or other features, including connections via one or more intervening elements.
  • spatial relationship terms such as “up”, “down”, “left”, “right”, “front”, “back”, “high”, “low”, etc. can explain the relationship between one feature and another feature. Relationships in the attached figure. It will be understood that the spatially relative terms encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientation depicted in the drawings. For example, if the device in the figures is turned over, features described as “below” other features would now be described as “above” other features. The device may be otherwise oriented (rotated 90 degrees or at other orientations) and the relative spatial relationships interpreted accordingly.
  • a or B includes “A and B” as well as “A or B” and does not exclusively include only “A” or only “B” unless specifically stated otherwise.
  • exemplary means “serving as an example, instance, or illustration” rather than as a “model” that will be accurately reproduced. Any implementation illustratively described herein is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other implementations. Furthermore, the disclosure is not bound by any expressed or implied theory presented in the above technical field, background, brief summary or detailed description.
  • the term “substantially” is meant to include any minor variations resulting from design or manufacturing defects, device or component tolerances, environmental effects, and/or other factors.
  • the term “substantially” also allows for differences from the perfect or ideal situation due to parasitics, noise, and other practical considerations that may be present in actual implementations.
  • first,” “second,” and similar terms may also be used herein for reference purposes only and are therefore not intended to be limiting.
  • the words “first,” “second,” and other such numerical terms referring to structures or elements do not imply a sequence or order unless clearly indicated by the context.
  • FIG. 1 to 3 illustrate schematic perspective views from different views of a system for implanting an electrode wire 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • 4 shows a schematic diagram of an implant device 100 or an actuator and an arc-shaped guide rail 220 for adjusting the orientation of the implant device 100 or an actuator according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 5 shows a detailed schematic perspective view of an implant device 100 or actuator in accordance with an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 6 shows a side view of the implant device 100 or actuator of Figure 5 .
  • FIG. 7 shows a detailed schematic perspective view of the implant needle 110 from FIG. 5 and the second implant carrier 134 for fastening the implant needle 110 .
  • a system for implanting an electrode wire 1 includes an implantation device 100 .
  • the implantation device 100 may include an implantation needle 110 , an implantation feeding mechanism 120 and an implantation actuator 130 .
  • the implant needle 110 may be configured to engage the free end of the electrode wire 1 with its needle portion 111 so as to drive the electrode wire 1 to move.
  • the implant feed mechanism 120 may be configured to move the implant needle 110 in the longitudinal direction of the implant device 100 .
  • the implant actuator 130 may be configured to drive the implant needle 110 to insert the needle portion 111 of the implant needle 110 into the brain.
  • the system for implanting the electrode wire 1 also includes an implantation movement mechanism, which is matched with the implantation device 100 .
  • the implantation movement mechanism may be configured to enable the implantation device 100 to implant the electrode wire 1 from different angles and in different orientations.
  • the system for implanting a bioelectrode into a target object includes an actuator configured to drive movement of a guide device coupled with the bioelectrode so that the guide device together with the bioelectrode enters the target object.
  • the guide device may be configured as an implant needle 110 .
  • the target may include the brain. Targets may include non-flat surfaces.
  • the target may be the surface of the brain.
  • the biological electrode may include a flexible electrode wire 1 (or called a wire-shaped flexible electrode).
  • the system for implanting biological electrodes into a target object also includes a position adjustment mechanism and an orientation adjustment mechanism.
  • the position adjustment mechanism is configured to adjust the position of the actuator so that the guide device is close to the target implantation area of the target object.
  • the orientation adjustment mechanism The guide device is configured to adjust the orientation of the actuator so that the guide device can enter the target at a specific angle relative to the surface of the target implantation area.
  • the implant movement mechanism includes a robotic arm 210 that can move freely in space.
  • the robotic arm 210 may be a common multi-axis robotic arm 210 .
  • the robot arm 210 can achieve 6 degrees of freedom or 7 degrees of freedom.
  • the implant movement mechanism may further include an arc-shaped guide rail 220 on which the implant device 100 can slide.
  • the arc-shaped guide rail 220 may be provided with a sliding groove (not shown).
  • the end of the implantation device 100 away from the implantation needle 110 is provided with a slider that matches the slide groove, and the slider allows the implantation device 100 to slide along the arcuate track on the arcuate guide rail 220 .
  • the arc-shaped guide rail 220 can rotate around a rotation axis normal to the arc of the arc-shaped guide rail 220 and extending through the center of the arc-shaped guide rail 220 .
  • the implant device 100 can be oriented in substantially any orientation within a hemispherical area.
  • at least one of the robotic arm 210 and the arc-shaped guide rail 220 may be provided. In FIGS. 1 to 3 , an embodiment is shown in which only the robot arm 210 is provided.
  • the implantation device 100 can be connected to the robotic arm 210 via the arc-shaped guide rail 220 .
  • the device that generates angle change motion can be brought closer to the execution terminal, that is, the implant needle 110, from the perspective of the error chain, so that the angle change error can be effectively controlled.
  • the position adjustment mechanism may be implemented as a robotic arm 210 .
  • the position adjustment mechanism may include a coarse position adjustment module and a fine position adjustment module.
  • At least part of the orientation adjustment mechanism and the coarse position adjustment module may be implemented as a robotic arm 210 . Therefore, on the one hand, the entire assembly mounted on the robotic arm 210 and the guide device belonging to the assembly can be translated in various directions or roughly adjusted in position, and on the other hand, the orientation of the guide device can be adjusted.
  • the position fine adjustment module may include a micromotor. The micromotor may be arranged at the end of the guide device or implant needle 110 close to the target.
  • the needle portion 111 of the implant needle 110 may be equipped with a micromotor that enables movement of the needle portion 111 in the transverse direction of the implant device 100. Therefore, after rough position and orientation adjustment by the robotic arm 210, the position of the guide device can be finely adjusted through the micromotor on the guide device according to the specific conditions of the target object, so that the guide and implantation operations can be performed accurately.
  • the orientation adjustment mechanism may further include an arc-shaped guide rail 220, and a first end of the actuator away from the guide device is mounted to the arc-shaped guide rail 220, so as to adjust the orientation of the actuator toward the adjustment mechanism.
  • the arcuate guide rail 220 can rotate about its rotation axis as described above.
  • the orientation adjustment mechanism such as the arc-shaped guide rail 220, can be disposed on the position adjustment mechanism, so that the position adjustment mechanism adjusts the position of the actuator by adjusting the position of the orientation adjustment mechanism.
  • the actuator is fixedly arranged on the back plate 230
  • the back plate 230 is installed on the robot arm 210 .
  • the system for implanting the wire electrode 1 includes a holder for the wire electrode 1 , which is capable of receiving the wire electrode 1 .
  • the holder for the wire electrode 1 is arranged on a load-bearing frame 240 , and the load-bearing frame 240 is fixed on the back plate 230 .
  • the electrode wire 1 holder is movably arranged on the carrying frame 240 .
  • the electrode wire 1 holder is connected to the carrying frame 240 through a planar motion mechanism configured to move both in a direction substantially parallel to the back plate 230 and in a direction substantially perpendicular to the back plate 230 .
  • the electrode fixing device 300 for fixing the electrode may be arranged on the transverse adjustment module 250 so that the electrode fixing device 300 can move in the transverse direction, and the transverse adjustment module 250 can move on the longitudinal adjustment module, whereby the electrode fixing device 300 overall can move in both transverse and longitudinal directions.
  • the actuator is fixed in the frame structure placed on the robot arm 210, and the electrode fixing device 300 for fixing the electrode is movable to adjust the relative position between the actuator and the electrode.
  • the position adjustment mechanism may further include a longitudinal adjustment module and a transverse adjustment module 250, wherein the longitudinal adjustment module is configured to adjust the position of the actuator along the longitudinal direction of the actuator, so that the guide device approaches the target implantation area in the longitudinal direction. ; And the lateral adjustment module 250 is configured to adjust the position of the actuator on a plane perpendicular to the longitudinal direction, so that the guiding device approaches the target implantation area in the lateral direction.
  • the actuator can be arranged on the longitudinal adjustment module, which can move on the transverse adjustment module 250 , or the actuator can be arranged on the transverse adjustment module 250 , and the transverse adjustment module 250 can move on the longitudinal adjustment module.
  • the actuator is movable in the frame structure, while the electrode fixing device 300 for fixing the electrode may be fixed.
  • the actuator is arranged on the longitudinal adjustment module or the transverse adjustment module 250, sufficient installation space can be provided for the installation of the arc-shaped guide rail 220.
  • a fixing member for example, can be extended perpendicularly to the back plate 230, and the arc-shaped guide rail 220 can be rotatably installed on the fixing member. on the fixings.
  • the transverse adjustment module 250 and/or the longitudinal adjustment module can be designed as a motor, such as a stepper motor.
  • the needle portion 111 of the implantation device 100 is disposed on a slide plate, which can be quickly moved on the slide rail by the implant actuator 130 to perform the implantation operation.
  • FIGS. 5 to 7 Another embodiment of an implant device 100 is shown in FIGS. 5 to 7 .
  • the implant device 100 may further include a first implant carrier 133 for arranging the implant actuator 130 , and the first implant carrier 133 can linearly move through the implant feeding mechanism 120 sports.
  • the implant feeding mechanism 120 may include a first guide block 121 and a first linear guide rail 122 .
  • the first guide block 121 can perform linear motion on the first linear guide rail 122 .
  • the first guide block 121 can perform linear motion on the first linear guide rail 122 via a transmission mechanism that can convert the rotational motion into linear motion of the first guide block 121 .
  • the implant feed mechanism 120 can be configured as a stepper motor. This gear can be designed as a spindle gear 123 .
  • the first implant carrier 133 is integrally constructed with the first guide block 121 of the implant feeding mechanism 120 .
  • the first implant carrier 133 may also be detachably arranged on the first guide block 121 of the implant feeding mechanism 120 .
  • the first implant carrier 133 may, for example, be threadedly connected to the first guide block 121 of the implant feeding mechanism 120 .
  • the implantation device 100 may further include a second implant carrier 134 for fixing the implant needle 110.
  • the implant actuator 130 can drive the second implant carrier 134 to perform linear motion, thereby moving the implant needle 110.
  • the needle part 111 is inserted into the brain.
  • the implant actuator 130 may be configured as a high-speed drive motor to drive the second implant carrier 134 through magnetic force to perform a high-speed implant operation.
  • the second implant carrier 134 is equipped with a second guide block 131 and a second linear guide rail 132.
  • the second guide block 131 can perform linear motion on the second linear guide rail 132.
  • the second implant carrier 134 is arranged on the second linear guide rail 132. on the guide block 131 , so that the second implant carrier 134 linearly moves on the second linear guide rail 132 via the second guide block 131 in a guided manner when driven by the implant actuator 130 .
  • the implant actuator 130 may be configured as an electromagnetic actuator capable of driving the second implant carrier 134 together with the second guide block 131 to move a defined stroke on the second linear guide 132 to move the needle portion 111 Limited itinerary.
  • the implant actuator 130 can also be configured as a pneumatic actuator, with a stopper provided on the second linear guide rail 132, and the pneumatic actuator can drive the second implant carrier 134 together with the second guide block 131 in the second straight line.
  • the guide rail 132 moves on the guide rail 132 until the second guide block 131 stops on the stop portion, thereby causing the needle portion 111 to move a defined stroke.
  • the implantation feeding mechanism 120 and the transmission screw configured as a stepper motor can move the entire implantation actuator 130 downward to a predetermined height, and then the implantation actuator 130 drives the implantation needle 110 for electrode implantation. After the implantation is completed, the implantation feeding mechanism 120 returns the implantation needle 110 upward to the initial height.
  • the second implant carrier 134 may include an implant needle fixing block 135, and the implant needle 110 can be detachably fixed on the implant needle fixing block 135.
  • the implant needle 110 may be constructed in two pieces.
  • the implant needle 110 may include a barrel portion 112 and a needle portion 111 .
  • the needle portion 111 may be fixed on an end of the barrel portion 112 or embedded in the barrel portion 112 .
  • the implant needle 110 can be fixed on the implant needle fixing block 135 via an adapter.
  • the end of the needle tube part 112 away from the needle part 111 can be fixed on the implant needle fixing block 135 via an adapter.
  • the fixing method can be threaded. Fixation and epoxy resin fixation methods.
  • the implant needle 110 may be materially connected to the adapter, wherein the adapter and the needle tube part 112 may be connected, for example, by bonding, welding, or the like.
  • the implantation actuator 130 can make the needle part 111 penetrate into the brain at a speed between 0.5m/s and 5m/s or between 0.01m/s and 10m/s. department.
  • the target object needs to be anesthetized; after the scalp is prepared and cut to expose the skull, the skull is opened in the target implantation area to form a brain window; and then the brain window is removed The dura mater within the range exposes the brain surface.
  • the implant actuator 130 can drive the needle part 111 to move toward the target implantation area at a speed greater than or equal to 1 m/s, so that the needle part 111 can penetrate the leptomeninges and enter the target implantation area.
  • the dura mater within the brain window may not be removed. Instead, a targeted dural hole is made at the target site of implantation.
  • PFA pulsed electric field ablation
  • thermal ablation thermal ablation
  • microwave ablation microwave ablation
  • light wave ablation, radiofrequency ablation, laser ablation, cryoablation and other ablation methods are used as opening technologies.
  • pulsed electric field ablation is used. Because compared with other ablation methods, pulsed electric field ablation is a non-contact, non-thermal, and specific ablation method.
  • the implant actuator 130 can drive the needle portion 111 to move toward the open implant site to perform implantation.
  • the speed of movement may be equal to or preferably slightly higher than the speed of movement of the needle part 111 when the dura mater is removed.
  • the above two methods may not be used.
  • the outer plate of the skull (the dense part of the calvarium) where the target object is implanted may be ground away, for example, a surgical cranial drill may be used to grind away the target implantation area.
  • the outer plates of the skull but do not expose the brain surface.
  • the implant actuator 130 can drive the needle part 111 to move toward the target implantation area at a speed of greater than or equal to 3 m/s, so that the needle part 111 can penetrate the thinned skull and enter the target implantation area.
  • the implantation depth When implanting, the implantation depth needs to be controlled.
  • Two parameters related to the implantation depth are the initial implantation position (referring to the position along the z-axis of the implantation device 100) and the implantation stroke.
  • the implantation stroke is achieved as described above by a defined stroke generated by the electromagnetic actuator or the pneumatic actuator itself.
  • the initial implantation position may be represented by the distance between the tip of the needle portion 111 and the brain surface.
  • a system according to embodiments of the present disclosure may include a brain surface detection device capable of detecting that the conductive needle portion 111 contacts the brain surface.
  • the brain surface detection device may include a detection circuit, the needle part 111 is connected to the detection circuit, and another part implanted in the living body is connected to the circuit, wherein a voltage measuring device is connected to the circuit, and the needle part 111 contacts the brain
  • the circuit is turned on and the voltage measuring device measures the voltage, indicating that the needle part 111 is in contact with the surface of the brain.
  • the implant feeding mechanism 120 is controlled to retract the implant needle 110 a predetermined distance, so that the tip of the needle portion 111 of the implant needle 110 is located at a predetermined distance from the brain surface, That is, it is at the initial position.
  • the depth D at which the tip of the needle portion 111 needs to enter the target implantation area can be determined based on the depth at which the electrode needs to be implanted, and the position at which the electrode is joined to the needle portion 111 .
  • the system for implanting the electrode wire 1 into a target object includes an implantation subsystem, and the implantation subsystem includes: an actuator configured to drive the guide device engaged with the electrode wire 1 along the axis of the actuator. Longitudinal movement toward the target object at a first speed, so that the guide device together with the electrode wire 1 enters the target object; and a longitudinal position adjustment mechanism configured to adjust the position of the actuator at a second speed in the longitudinal direction, so that the guide device along the The target implantation area is longitudinally approached to the target object, wherein the first speed is greater than the second speed.
  • the actuator is further configured to drive the guiding device that enters the target object to retreat longitudinally at a third speed in a direction away from the target object, so that the guiding device exits the target object.
  • both the first speed and the third speed are between 0.5m/s and 5m/s, or between 0.01m/s and 10m/s.
  • different speeds can be set as needed to achieve leptomeningeal puncture, dura mater puncture, and thin skull puncture.
  • the acceleration of the actuator-driven guide device retraction is between 25m/ s2 and 35m/ s2 .
  • the guide device retracts at a greater acceleration, which is conducive to the separation of the electrode and the guide device and avoids the withdrawal of the guide device from the target implantation.
  • the actuator may include an electromagnetic actuation module, a high-speed motor actuation module, or a pneumatic module.
  • the actuator is further configured to drive the guiding device to move a specific stroke in the longitudinal direction.
  • the implantation subsystem further includes: an implantation depth control module configured to control the longitudinal position adjustment mechanism to position the tip of the guiding device at a distance from the target implantation area. At a predetermined distance from the surface, the actuator is controlled to drive the guide device to move.
  • the implantation depth control module is further configured to control the longitudinal position adjustment mechanism to bring the guide device close to the target implantation area until the tip of the guide device contacts the surface of the target implantation area, and then controls the longitudinal position adjustment mechanism to retract the guide device.
  • the implantation depth control module detects that the tip of the guiding device contacts the surface of the target implantation area through a detection circuit that is turned on when the tip of the guiding device contacts the surface of the target implantation area.
  • the implantation subsystem further includes: an orientation adjustment mechanism configured to adjust the orientation of the actuator so that the guiding device can enter the target object at a target implantation area of the target object at a specific angle relative to the surface of the target implantation area.
  • the implantation subsystem further includes: a lateral position adjustment mechanism configured to adjust the position of the actuator on a plane perpendicular to the longitudinal direction to align the guide device with the target implantation area.
  • the implant subsystem may further include an electrode fixation device 300 configured to detachably fix the electrode wire 1 on its surface close to the target.
  • the guide device is movable, while the motor electrode fixing device 300 may be stationary.
  • the electrode fixing device 300 can also be equipped with a transverse position adjustment mechanism, so that the electrode fixing device 300 can adjust its position on a plane perpendicular to the longitudinal direction, and the position of the actuator can be fixed.
  • the lateral position adjustment mechanism may have an adjustment accuracy of less than 4 ⁇ m.
  • the electrode fixation device 300 includes a support plate 310 , which may The electrode substrate 320 is detachably fixed on its surface close to (or facing) the target object.
  • the electrode wire 1 may be adhered to the electrode substrate 320 to be fixed on the support plate 310 . Since the electrode wire 1 has greater flexibility and less mechanical strength and is inconvenient to be fixed on the support plate 310 , an electrode substrate 320 with a higher hardness than the electrode wire 1 can be used.
  • the electrode substrate 320 can be made of high molecular polymer and is manufactured together with the electrode wire 1 to provide positioning and support for the electrode wire 1 before being implanted into the target object.
  • a plurality of electrode wires 1 are usually formed together in batches, and such a plurality of electrode wires 1 may be formed to be adhered to the electrode substrate 320 side by side. According to the needs of implantation, one of the plurality of electrode wires 1 can be implanted into the target object, or a plurality of the plurality of electrode wires 1 can be implanted into the target object in sequence.
  • the implantation subsystem may further include: an electrode position adjustment mechanism configured to adjust the position of the electrode fixation device 300 along a plane perpendicular to the longitudinal direction, so that the guide device moves longitudinally from the first lateral electrode of the electrode fixation device 300 away from the target object.
  • an electrode position adjustment mechanism configured to adjust the position of the electrode fixation device 300 along a plane perpendicular to the longitudinal direction, so that the guide device moves longitudinally from the first lateral electrode of the electrode fixation device 300 away from the target object.
  • a ring may be provided on the free end of the electrode wire 1 , such as a circular ring, an elliptical ring, a semicircular ring, a rectangular ring, etc., and the tip of the implant needle 110 or the guiding device can pass through the ring to engage the free end of the electrode wire 1 department.
  • the system for implanting the electrode wire 1 may further include: a first light source 410 , the first light source 410 is used to provide a light source suitable for observing the implant needle.
  • the second light source 420, the second light source 420 is used to provide the second light suitable for observing the brain surface;
  • the first camera 430, the first camera 430 configured to acquire a first image of the needle portion 111 and the free end of the electrode wire 1 with the assistance of the first light;
  • a second camera 440 configured to acquire the needle portion 111 with the assistance of the first light and a second image of the free end of the electrode wire 1, in which the optical path of the first camera 430 and the optical path of the second camera 440 are at an angle to each other;
  • a brain surface camera 450 configured to be in the second Acquire a third image of the brain surface with the assistance of light;
  • a processing device configured to identify the relative position of the needle portion 111 and the free end of the electrode wire 1 based on the first image and the second image, and based on the third image.
  • the first light includes one or more of white light, blue light, red light, infrared light and near-ultraviolet light, and/or the second light includes green light.
  • the first camera 430 and the brain surface camera 450 may be arranged on the back panel 230 .
  • the second camera 440 may be arranged on the first carrying section of the carrying frame 240 opposite to the back plate 230 and substantially parallel to the back plate 230 .
  • the first camera 430 and/or the second camera 440 are configured to be position-adjustable in order to adjust their position such that the needle part 111 and the free end of the electrode wire 1 are presented in their field of view with a clearness that can be observed.
  • the first camera 430 and the second camera 440 may be arranged such that the optical paths of the first camera 430 and the second camera 440 converge at the free end of the electrode wire 1 .
  • the observation target (the end of electrode wire 1) is located at the origin O of the coordinate system in the figure.
  • the first camera 430 and the second camera 440 need to observe the target at the same time.
  • the optical path of the first camera 430 and the optical path of the second camera 440 show the observation directions of the two cameras.
  • the first camera 430 and its lens may be arranged on the XZ plane, and the second camera 440 and its lens may be arranged on the YZ plane.
  • the initial set angle between the optical path of the first camera 430 and the X-axis can be 45°, and can be adjusted according to user requirements.
  • the initial set angle between the optical path of the second camera 440 and the Y-axis can also be 45°, and can be adjusted according to user requirements.
  • the system for implanting the electrode wire 1 into the target object may further include an observation subsystem including: a vision module 400 configured to acquire the guide device for engaging the electrode wire 1 and a first image of the end of the electrode wire 1 fixed on the electrode fixing device 300 for engaging the guide device; and an arithmetic control module configured to identify the end of the guide device and the electrode based on the first image
  • the electrode position adjustment mechanism is controlled to adjust the position of the electrode fixing device 300 and/or the transverse position adjustment mechanism is controlled to adjust the position of the actuator, so that the guiding device is longitudinally moved from the electrode fixing device 300 During the movement from the first side to the second side, the end of the guiding device can be engaged with the end of the electrode wire 1 fixed on the electrode fixing device 300 .
  • the vision module 400 is further configured to acquire a second image of the target object
  • the computing control module is further configured to identify the target implantation area of the target object based on the second image, and control the lateral position adjustment mechanism to adjust the position of the actuator based on the recognition result, so that The guide device is aimed at the target implantation area.
  • the system for implanting the electrode wire 1 may further include a spray device 500 configured to keep the brain surface and/or the surrounding environment moist, and/or to make the electrode wire 1 adhere.
  • the system for implanting the electrode wire 1 into the target object may further include an auxiliary subsystem, which includes: a first spray device arranged near the target object and configured to provide spray to maintain the surface of the target object; /or the surrounding environment is humid; and/or the second spray device is arranged near the joint between the guide device and the electrode wire 1 and is configured to apply spray to the electrode wire 1 so that the electrode wire 1 adheres to the guide device.
  • FIGS. 8A-8E are schematic diagrams of electrode wire guiding and spraying steps in a method for operating a system according to the present disclosure, according to an embodiment of the present disclosure. The method for running the system according to the embodiment of the present disclosure is described below with reference to FIGS.
  • the method includes the following steps: arranging the electrode wire 1 on the electrode wire 1 holder; using the processing device based on the first image and the second image to identify the relative position between the free end of the electrode wire 1 and the needle portion 111 of the implant needle 110, and control the movement of the implant device 100 and/or the electrode wire 1 stent based on the relative position, so that the implant
  • the needle portion 111 of the insertion needle 110 is aligned with the free end of the electrode wire 1 in the longitudinal direction;
  • the implantation needle 110 is moved along the longitudinal direction of the implantation device 100 by the implantation feeding mechanism 120 to engage with the free end of the electrode wire 1 and the electrode wire 1 is separated from the electrode wire 1 holder;
  • the processing device identifies the implantable area of the brain based on the third image, and determines the target position of implantation in the implantable area;
  • the processing device controls the implantation
  • the insertion device 100 moves so that the needle portion 111 of the implant needle 110 is aligned with the target position at a specific angle and
  • Arranging the wire electrode 1 on the wire electrode 1 holder includes: arranging the head section of the wire electrode 1 on the wire electrode 1 holder, and making the head end of the wire electrode 1 extend out of the wire electrode 1 holder to become the free end. and making the partial section between the tail section and the head section of the electrode wire 1 used for connection with the circuit to be suspended in a non-tensioned state.
  • the front section of the electrode wire 1 is arranged on the electrode fixing device 300 so that the joint portion at the front end of the electrode wire 1 extends out of the electrode fixing device 300 to facilitate engagement with the guide device.
  • the electrode wire 1 is fixed on the electrode fixing device 300, there is a partial section (hereinafter referred to as the "rear section") suspended between the rear section and the front section of the electrode wire 1 for connection with the circuit. It is in a non-tensioned state (the "suspended part" as shown in the figure).
  • the actuator may be positioned approximately on an extension line from the implanted target object to the electrode fixation device 300 and drive the guiding device for guiding the electrode wire 1 to move approximately toward the target object.
  • the guide device may include a needle part 111 located at the end of the guide device and a needle tube part 112 for mounting the needle part 111.
  • the needle part 111 may be installed on the needle tube part 112 by, for example, bonding or sheathing.
  • An actuator may be positioned at the top end of the needle portion 112 to drive the needle portion 111 via movement of the needle portion 112 .
  • the actuator drives the guide device to continue to move downward, for example, to pull the electrode wire 1 , that is, to exert a pulling force on the front end of the electrode wire 1 , thereby
  • the electrode wire 1 is at least partially separated from the electrode fixing device 300, as shown in FIG. 8B.
  • the guide device can continue to move downward toward the target under the drive of the actuator to continue to exert pulling force on the electrode wire 1 through the front end of the electrode wire 1, so that the electrode wire 1 can be completely separated from the electrode fixing device 300, as shown in Figure 8C Show.
  • the spray device 500 may be positioned to face a portion of the electrode wire 1 that is separated from the electrode fixing device 300 (particularly toward the section portion near the front end) and to face the guide device, and the spray device 500 may be positioned to be able to spray a material having a diameter approximately from the electrode
  • the section part near the front end of the wire 1 is directed to the liquid of the ejection force of the guide device, as shown in Figure 8D, so that at least the section part close to the front end of the electrode wire 1 is attached to the guide device under the action of the ejection liquid, As shown in Figure 8E.
  • the spray device 500 sprays liquid in an atomized state.
  • the sprayed liquid may include pure water or a solution suitable for the target substance.
  • the spray device 500 By arranging the spray device 500 so that at least the section near the front end of the electrode wire 1 is attached to the guide device, large incision damage to the biological tissue of the target can be avoided. In addition, further technical effects can be achieved by ejecting liquid.
  • the electrode wire 1 After the guiding device is engaged with the joint portion of the electrode wire 1 fixed on the electrode fixing device 300, and after the guiding device completely separates the electrode wire 1 from the electrode fixing device 300, as shown in FIG. 8C, the electrode wire 1 is lifted by its own gravity. Under the action of the electrode wire 1, the joint part may fall off from the guide device, resulting in undesirable separation of the electrode wire 1 from the guide device.
  • the connection between the electrode wire 1 and the guide device can be strengthened to avoid electrode damage caused by the electrode's own gravity. Wire 1 falls off the guide device.
  • controlling the movement of the implant device 100 includes: sliding the implant device 100 on the arc-shaped guide rail 220 and rotating the arc-shaped guide rail 220 around an arc normal to the arc-shaped guide rail 220 and extending through the center of the arc-shaped guide rail 220 The axis is rotated and/or the mechanical arm 210 that is freely movable in space is moved to change the orientation of the needle portion 111 of the implant needle 110 .
  • the illumination angle, illumination intensity and/or light source color of the first light source 410 can be adjusted, and the imaging parameters and positions of the first camera 430 and/or the second camera 440 can be adjusted. And/or the light path is directed so that the first camera 430 and the second camera 440 can obtain respective clear images.
  • the illumination angle, illumination intensity and/or light source color of the second light source 420 can be adjusted, and the imaging parameters, position and/or light path direction of the brain surface camera 450 can be adjusted so that the brain surface camera 450 can obtain clear imaging.
  • the implant device 100 can be controlled to move longitudinally until the tip of the needle portion 111 contacts the brain surface and stops, and the tip position of the needle portion 111 is marked in the third image as subsequent control.
  • the implantation device 100 moves to align the needle portion 111 of the implantation needle 110 with the initial position of the target position.
  • the implantation device 100 can be controlled to move longitudinally until the tip of the needle portion 111 contacts the brain surface and stops, and then the implantation device 100 can be controlled to retract the predetermined distance longitudinally, so that the implantation needle 110 drives the electrode wire 1 to move. to a predetermined distance from the surface of the target location.
  • a detection circuit that is turned on when the tip of the needle portion 111 contacts the surface of the target location can be used to detect that the tip of the needle portion 111 contacts the surface of the target location.
  • the micromotor on the needle part 111 can be used to fine-tune the XY position of the needle part 111 to align the landing point with a point in the implantable area. After aligning the implantation point, the implantation feeding mechanism 120 in the implantation device 100 slowly moves the needle part 111 toward the target position.
  • the implant actuator 130 causes the implant needle 110 to be implanted downward quickly, where the predetermined height is related to the implant depth and the limited stroke of the implant actuator 130. For example, when the implant depth is 2 mm, and the implant actuator When the limited stroke of 130 is 5 mm, lift the implant needle 110 to the point where its tip is 3 mm away from the brain surface). Then, the implant needle 110 is quickly withdrawn, for example, at a speed of 30 m 2 /s, so that the electrode wire 1 is separated from the implant needle 110 and remains in the brain tissue. After the implant needle 110 is withdrawn, the needle portion 111 of the implant needle 110 can be cleaned. The electrode fixation device 300 can then be moved for the next implantation.

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Abstract

一种植入电极丝（1）的系统，用于将电极丝（1）植入到生物体的脑部中，包括：植入装置（100）、第一光源（410）、第二光源（420）、第一相机（430）、第二相机（440）、脑部表面相机（450）以及处理装置；其中，植入装置（100）配设有植入运动机构，植入运动机构构造成用于使植入装置（100）能够从不同角度在不同的朝向下进行电极丝（1）的植入。

Description

用于植入电极丝的系统及其运行方法 技术领域
本公开涉及用于植入电极丝的系统、用于向目标物植入生物电极的系统、用于向目标物植入电极丝的系统以及用于运行根据本公开的系统的方法。
背景技术
柔性神经电极作为脑机接口领域的重要工具目前正在被国内外科研及商业机构开发并逐渐完善中。柔性神经电极相比于传统硬质神经电极最大的优势在于其优良的机械相容性，不易在脑组织中形成瘢痕。但也由于电极丝本身机械强度低、易变形，在植入脑组织过程中容易断裂，不容易穿过脑膜进入到组织中。因此，目前植入柔性神经电极的工具和方式是一个技术难点。
目前现存的植入方案中，主要分为两大类：手动植入与机器辅助植入。手动植入是以纯人工操作手段进行电极丝的植入，通常第一步是要提前准备好所有要植入的电极丝以及对应每根电极丝的引导针，需要将电极丝提前以粘连或者套环的方式固定在每根引导针上，然后找到要植入的脑组织区域，将一排引导针带电极丝同时植入到目标区域。此方法存在许多问题包括：1)准备时间长；2)因为电极整体尺寸限制，一次只能植入有限数量的一排电极丝，如果需要植入超过一排电极丝的数量则需要准备多个引导针加电极丝的组合，耗费大量准备时间和资源；3)由于每次需要将一排电极丝同时植入，无法自由选择植入的位点；4)手动植入还存在植入速度不够，可能会导致引导针无法穿过硬脑膜将电极丝植入。
综上所述，手动植入的方式存在许多问题，鉴于这些问题，由机器人辅助植入的方式是目前最具希望解决方案。机器人具有相较于人更精确的工作完成能力以及完成重复性工作的一致性能力。目前仍然存在诸多问题，比如植入头安装在一个三轴的移动平台上，这样会导致植入头无法以不同的角度进行植入，只能在XYZ轴上做直线运动，由于人脑表面并非平面，这样会导致电极丝无法预计植入的角度。另外一个问题是植入头部的针加夹子的形式容易导致电极丝断裂，除非电极丝的硬度够大，但硬度大又会导致脑组织的损伤加大，所以此结构存在风险。
发明内容
本公开的目的是提出用于植入电极丝的系统、用于向目标物植入生物电极的系统、用于向目标物植入电极丝的系统以及用于运行根据本公开的系统的方法，其能够克服现有技术中的缺陷。
根据本公开的第一方面，提供一种用于植入电极丝的系统，所述系统用于将电极丝植入到生物体的脑部中，所述系统包括：植入装置，所述植入装置包括植入针、植入进给机构和植入执行机构，所述植入针构造成用于将以其针头部分接合电极丝的自由端部，以便带动电极丝运动，所述植入进给机构构造成用于使植入针沿植入装置的纵向方向移动，所述植入执行机构构造成用于驱动植入针以将植入针的针头部分扎入脑部中；第一光源，所述第一光源用于提供适于观察植入针和电极丝的自由端部的第一光；第二光源，所述第二光源用于提供适于观察脑部表面的第二光；第一相机，所述第一相机构造成在第一光的辅助下获取针头部分和电极丝的自由端部的第一图像；第二相机，所述第二相机构造成在第一光的辅助下获取针头部分和电极丝的自由端部的第二图像，其中，第一相机的光路和第二相机的光路彼此成角度；脑部表面相机，所述脑部表面相机构造成在第二光的辅助下获取脑部表面的第三图像；以及处理装置，所述处理装置构造成基于第一图像和第二图像识别针头部分与电极丝的自由端部相对位置，以及基于第三图像识别脑部表面的可植入区域；其中，所述植入装置配设有植入运动机构，所述植入运动机构构造成用于使所述植入装置能够从不同角度在不同的朝向下进行电极丝的植入。
根据本公开的第二方面，提供一种用于向目标物植入生物电极的系统，包括：执行机构，构造成驱动与生物电极接合的引导装置运动，以使引导装置连同生物电极进入目标物；位置调整机构，构造成调整执行机构的位置，以使引导装置接近目标物的目标植入区域；以及朝向调整机构，构造成调整执行机构的朝向，以使引导装置能够在目标植入区域处以相对于目标植入区域表面的特定角度进入目标物。
根据本公开的第三方面，提供一种用于向目标物植入电极丝的系统，包括植入子系统，所述植入子系统包括：执行机构，构造成驱动与电极丝接合的引导装置沿执行机构的纵向以第一速度朝靠近目标物的方向运动，以使引导装置连同电极丝进入目标物；以及纵向位置调整机构，构造成沿纵向以第二速度调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向接近目标物的目标植入区域，其中，所述第一速度大于第二速度。
根据本公开的第四方面，提供一种用于运行根据本公开的系统的方法，其中，所 述方法包括以下步骤：将电极丝布置在电极丝支架上；由处理装置基于所述第一图像和所述第二图像识别电极丝的自由端部以及植入针的针头部分之间的相对位置，并基于相对位置控制植入装置和/或电极丝支架运动，以使得植入针的针头部分沿纵向方向对准电极丝的自由端部；通过植入进给机构使植入针沿植入装置的纵向方向运动以接合到电极丝的自由端部，并使电极丝脱离电极丝支架；由处理装置基于所述第三图像识别脑部的可植入区域，并在可植入区域中确定植入的目标位置；由处理装置控制植入装置运动，以使植入针的针头部分以特定角度对准目标位置植入进给机构；通过植入进给机构植入进给机构使得植入针带动电极丝运动到距离目标位置的表面的预定距离处；以及通过植入执行机构驱动植入针连同电极丝向前运动。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
图1至图3是根据本公开实施例的用于植入电极丝的系统的不同视角的示意性透视图。
图4是根据本公开实施例的植入装置或执行机构以及用于调整植入装置或执行机构的朝向的弧状导轨的示意图。
图5是根据本公开实施例的植入装置或执行机构的详细的示意性透视图。
图6是图5中的植入装置或执行机构的侧视图。
图7是图5中的植入针以及用于固定植入针的第二植入承载件的详细的示意性透视图。
图8A至图8E是根据本公开实施例的用于运行根据本公开的系统的方法中的电极丝引导以及喷雾步骤的示意图。
图9是根据本公开实施方式的视觉模块的空间布置示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。
应当理解的是，本文中的用语仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本公开的范围。本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
在本文中，称一个元件位于另一元件“上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件上、附接至另一元件、连接至另一元件、联接至另一元件或接触另一元件，或者可以存在中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件或、或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在本文中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。
在本文中，可能提及了被“耦接”在一起的元件或节点或特征。除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
在本文中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用语可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用语除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相 应地解释相对空间关系。
在本文中，用语“A或B”包括“A和B”以及“A或B”，而不是排他地仅包括“A”或者仅包括“B”，除非另有特别说明。
在本文中，用语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
在本文中，用语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。用语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
图1至图3示出根据本公开实施例的用于植入电极丝1的系统的不同视角的示意性透视图。图4示出根据本公开实施例的植入装置100或执行机构以及用于调整植入装置100或执行机构的朝向的弧状导轨220的示意图。图5示出根据本公开实施例的植入装置100或执行机构的详细的示意性透视图。图6示出图5中的植入装置100或执行机构的侧视图。图7示出图5中的植入针110以及用于固定植入针110的第二植入承载件134的详细的示意性透视图。
如图所示，根据本公开的用于植入电极丝1的系统包括植入装置100。植入装置100可以包括植入针110、植入进给机构120和植入执行机构130。植入针110可以构造成用于将以其针头部分111接合电极丝1的自由端部，以便带动电极丝1运动。植入进给机构120可以构造成用于使植入针110沿植入装置100的纵向方向移动。植入执行机构130可以构造成用于驱动植入针110以将植入针110的针头部分111扎入脑部中。此外，用于植入电极丝1的系统还包括植入运动机构，该植入运动机构与植入装置100相配设。植入运动机构可以构造成用于使植入装置100能够从不同角度在不 同的朝向下进行电极丝1的植入。换言之，根据本公开的用于向目标物植入生物电极的系统包括执行机构，该执行机构构造成驱动与生物电极接合的引导装置运动，以使引导装置连同生物电极进入目标物。该引导装置可以构造为植入针110。该目标物可以包括脑。目标物可以包括非平坦的表面。例如，目标物可以脑部表面。该生物电极可以包括柔性电极丝1(或称为丝状柔性电极)。用于向目标物植入生物电极的系统还包括位置调整机构以及朝向调整机构，该位置调整机构构造成调整执行机构的位置，以使引导装置接近目标物的目标植入区域，该朝向调整机构构造成调整执行机构的朝向，以使引导装置能够在目标植入区域处以相对于目标植入区域表面的特定角度进入目标物。
如图1至图3所示，植入运动机构包括可在空间中自由运动的机械臂210。该机械臂210可以为常见的多轴机械臂210。通过该机械臂210可以实现6自由度或7自由度。如图4所示，植入运动机构还可以包括弧状导轨220，植入装置100可以在该弧状导轨220上滑移。在该弧状导轨220上可以开有未示出的滑槽。在植入装置100的背离植入针110的端部上设有与该滑槽相配合的滑块，通过该滑块可使得植入装置100在弧状导轨220上沿着弧状轨道滑移。弧状导轨220能够围绕法向于弧状导轨220的弧线并且延伸穿过弧状导轨220中心的转动轴线转动。由此，通过使弧状导轨220的转动与植入装置100在弧状导轨220上的滑移相组合，植入装置100基本上可以在一个半球形的区域内以任意朝向定向。在此，可以设置有机械臂210和弧状导轨220中的至少一个。在图1至图3中，示出仅设置有机械臂210的实施例。本领域技术人员应理解，在其他实施例中，也可以仅设置有弧状导轨220，或者同时设置有机械臂210和弧状导轨220。在同时设置有机械臂210和弧状导轨220时，植入装置100能够经由弧状导轨220与机械臂210连接。通过直接将植入装置100布置在弧状导轨220上，可以使产生角度变化运动的装置从误差链角度看更靠近执行终端、即植入针110，从而可以有效地控制角度变化误差。
位置调整机构的至少部分可以被实现为机械臂210。位置调整机构可以包括位置粗调模块和位置精调模块。朝向调整机构和位置粗调模块的至少部分可以被实现为机械臂210。由此，通过机械臂210一方面可以实现安置在机械臂210上的整个组件和属于该组件的引导装置沿各个方向的平移或者说位置粗调，另一方面可以实现引导装置朝向的调节。位置精调模块可以包括微动电机。微动电机可以布置在引导装置或者说植入针110的靠近目标物的端部处。例如，植入针110的针头部分111可以配备有 微动电机，微动电机能够使所述针头部分111在植入装置100的横向方向上运动。由此，在通过机械臂210进行位置粗调和朝向调节之后，可以根据目标物的具体情况通过引导装置上的微动电机对引导装置的位置进行精细调节，以位置精确地进行引导和植入操作。为了实现朝向的调节，朝向调整机构还可以包括弧状导轨220，执行机构的远离引导装置的第一端被安装到弧状导轨220，以便朝向调整机构调整执行机构的朝向。弧状导轨220如上所述可以围绕其转动轴线转动。朝向调整机构、如弧状导轨220可以设置于位置调整机构上，以使得位置调整机构通过调整朝向调整机构的位置来调整执行机构的位置。在图1至图3所示的实施例中，执行机构固定布置在背板230上，该背板230安置在机械臂210上。用于植入电极丝1的系统包括电极丝1支架，电极丝1支架能够接纳电极丝1，电极丝1支架布置在承载框架240上，承载框架240固定在背板230上。电极丝1支架可运动地布置在承载框架240上。电极丝1支架通过平面运动机构连接到承载框架240，平面运动机构构造为沿基本上平行于背板230的方向和基本上垂直于背板230的方向两者运动。换言之，用于固定电极的电极固定装置300可以布置在横向调整模块250上，使得该电极固定装置300可以沿横向方向移动，而横向调整模块250可以在纵向调整模块上移动，由此电极固定装置300总体上可以沿横向和纵向方向移动。在这种情况下，执行机构在安置在机械臂210上的框架结构中是固定的，而用于固定电极的电极固定装置300是可移动的，以调节执行机构与电极之间的相对位置。在其他实施例中，位置调整机构还可以包括纵向调整模块和横向调整模块250，其中，纵向调整模块构造成沿执行机构的纵向调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向接近目标植入区域；以及横向调整模块250构造成在与纵向垂直的平面上调整执行机构的位置，以使引导装置沿横向接近目标植入区域。执行机构可以布置纵向调整模块上，纵向调整模块可以在横向调整模块250上移动，或者执行机构可以布置在横向调整模块250，横向调整模块250可以在纵向调整模块上移动。在这种情况下，执行机构在框架结构中是可移动的，而用于固定电极的电极固定装置300可以是固定的。通过将执行机构布置在纵向调整模块或横向调整模块250上，可以为弧状导轨220的安装提供足够的安装空间。当然，在执行机构在框架结构上固定设置时，为了给弧状导轨220的安装提供安装空间，可以垂直于背板230伸出例如一个固定件，该固定件弧状导轨220可以可转动地安装在该固定件上。横向调整模块250和/或纵向调整模块可以构造为电机、如步进电机。
在图1至图3中所示的实施例中，植入装置100的针头部分111设置在滑板上， 该滑板可以通过植入执行机构130在滑轨上快速移动，以执行植入操作。在图5至图7中示出植入装置100的另一种实施例。在该另一种实施例中，植入装置100还可以包括用于布置植入执行机构130的第一植入承载件133，第一植入承载件133能够通过植入进给机构120进行直线运动。植入进给机构120可以包括第一引导块121和第一直线导轨122。第一引导块121能够在第一直线导轨122上进行直线运动。第一引导块121能够经由传动机构在第一直线导轨122上进行直线运动，所述传动机构能够将旋转运动转变为第一引导块121的直线运动。该植入进给机构120可以构造为步进电机。该传动机构可以构造为螺杆传动机构123。第一植入承载件133与植入进给机构120的第一引导块121一体式构造。第一植入承载件133也可以可拆卸地布置在植入进给机构120的第一引导块121上。第一植入承载件133例如可以螺纹连接在植入进给机构120的第一引导块121上。植入装置100还可以包括用于固定植入针110的第二植入承载件134，所述植入执行机构130能够驱动第二植入承载件134进行直线运动，从而将植入针110的针头部分111扎入脑部中。植入执行机构130可以构造为高速驱动电机，通过磁力驱动第二植入承载件134执行高速植入操作。第二植入承载件134配设有第二引导块131和第二直线导轨132，第二引导块131能够在第二直线导轨132上进行直线运动，第二植入承载件134布置在第二引导块131上，从而第二植入承载件134在被植入执行机构130驱动时以被引导的方式经由第二引导块131在第二直线导轨132上进行直线运动。植入执行机构130可以构造为电磁执行机构，所述电磁执行机构能够驱动第二植入承载件134连同第二引导块131在第二直线导轨132上运动限定的行程，从而使针头部分111运动限定的行程。植入执行机构130也可以构造为气动执行机构，在第二直线导轨132上设置有止挡部，所述气动执行机构能够驱动第二植入承载件134连同第二引导块131在第二直线导轨132上运动，直到第二引导块131止挡在止挡部上，从而使针头部分111运动限定的行程。构造为步进电机的植入进给机构120及传动螺杆可以将整个植入执行机构130向下移动至制定高度，然后由植入执行机构130驱动植入针110进行电极植入。植入完成之后再由植入进给机构120将植入针110向上送回初始高度。
由图7可以清楚看出，第二植入承载件134可以包括植入针固定块135，植入针110能够可拆卸地固定在植入针固定块135上。植入针110可以两件式地构造，植入针110可以包括针管部分112和针头部分111，针头部分111可以固定在针管部分112的端部上或嵌入到针管部分112中。植入针110能够经由转接头固定在植入针固定块 135上，其中，针管部分112的背离针头部分111的端部可以经由转接头固定在植入针固定块135上，固定方式可以采用螺纹固定以及环氧树脂固定方法。植入针110可以材料锁合地连接在转接头上，其中，转接头与针管部分112可以例如通过粘接、焊接等进行连接。
为了将针头部分111扎入脑部，植入执行机构130能够使针头部分111以介于0.5m/s至5m/s之间或介于0.01m/s至10m/s之间的速度扎入脑部。在一个示例中，进行脑部神经植入之前，需要将植入目标物进行麻醉；备皮剪开头皮以暴露颅骨之后，在目标植入区域打开颅骨，形成一个脑窗；然后揭掉脑窗范围内的硬脑膜，将脑表面暴露出来。植入执行机构130可以驱动针头部分111以大于等于1m/s的速度朝向目标植入区域运动，以便针头部分111可以穿刺软脑膜进入目标植入区域。在一个示例中，可以不揭掉脑窗范围内的硬脑膜，替代地，在植入的目标位点处进行定点硬脑膜开孔，例如可以使用脉冲电场消融(PFA)、热消融、微波消融、光波消融、射频消融、激光消融、冷冻消融等消融手段作为开孔技术。其中，较佳地，使用脉冲电场消融的方式。因为与其他消融方式相比，脉冲电场消融是非接触式、非热能、特异性的消融方式。然后，植入执行机构130可以驱动针头部分111朝向开孔的植入位点处运动，以便进行植入。运动的速度可以等于或者较佳地略高于揭掉硬脑膜的情况下针头部分111的运动速度。在一个示例中，可以不采用上述两种方式，替代地，将植入目标物的颅骨的外板(颅盖骨骨密质的部分)磨去，例如用外科颅钻磨去目标植入区域的颅骨的外板，但不暴露脑表面。植入执行机构130可以驱动针头部分111以大于等于3m/s的速度朝向目标植入区域运动，以便针头部分111可以穿刺磨薄的颅骨进入目标植入区域。
在进行植入时，需要控制植入深度，涉及植入深度的两个参量是植入初始位置(指沿植入装置100的z轴的位置)和植入行程。植入行程如上所述通过电磁执行机构或气动执行机构本身所产生的限定的行程来实现。植入初始位置可以体现为针头部分111的尖端与脑表面之间的距离。为确定该距离，根据本公开实施例的系统可以包括脑表面探测装置，脑表面探测装置能够检测到可导电的针头部分111接触脑部表面。脑表面探测装置可以包括探测电路，针头部分111连接在探测电路上，被植入生物体的另一个部位接入电路，其中，在该电路上连接有电压测量装置，在针头部分111接触脑部表面时，电路接通，电压测量装置测量到电压，以指示针头部分111接触到脑部表面。在针头部分111接触到脑部表面之后，控制植入进给机构120以使植入针110 回撤预定距离，从而使得植入针110的针头部分111的尖端位于距离脑表面的预定距离处，即位于初始位置处。该预定距离d可以根据针头部分111的尖端需要进入目标植入区域的深度D和电磁/气动执行机构具有的限定的行程S来确定，即d＝S-D。针头部分111的尖端需要进入目标植入区域的深度D可以根据电极需要被植入的深度、以及电极接合到针头部分111的位置来确定。
换言之，根据本公开实施例的用于向目标物植入电极丝1的系统包括植入子系统，植入子系统包括：执行机构，构造成驱动与电极丝1接合的引导装置沿执行机构的纵向以第一速度朝靠近目标物的方向运动，以使引导装置连同电极丝1进入目标物；以及纵向位置调整机构，构造成沿纵向以第二速度调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向接近目标物的目标植入区域，其中，所述第一速度大于第二速度。执行机构还构造成驱动进入目标物的引导装置沿纵向以第三速度朝远离目标物的方向回撤，以使引导装置退出目标物。在此，第一速度和第三速度均介于0.5m/s至5m/s之间，或介于0.01m/s至10m/s之间。如上所述，可以根据需要设置不同的速度，以实现软脑膜穿刺、硬脑膜穿刺以及薄颅骨穿刺。执行机构驱动引导装置回撤的加速度介于25m/s 2至35m/s 2之间，引导装置以较大的加速度回撤，有利于电极与引导装置脱离，尽量避免引导装置撤出目标植入区域时带出电极。执行机构可以包括电磁致动模块、高速电机致动模块、或气动模块。执行机构还构造成驱动引导装置沿纵向运动特定的行程，所述植入子系统还包括：植入深度控制模块，构造成控制纵向位置调整机构以使引导装置的尖端位于距离目标植入区域的表面的预定距离处，再控制执行机构驱动引导装置运动。植入深度控制模块还构造成控制纵向位置调整机构以使引导装置接近目标植入区域，直至引导装置的尖端接触到目标植入区域的表面停止，然后控制纵向位置调整机构以使引导装置回撤预定距离，从而使得引导装置的尖端位于距离目标植入区域的表面的预定距离处。植入深度控制模块通过在引导装置的尖端接触到目标植入区域的表面即被接通的探测电路，来探测引导装置的尖端接触到目标植入区域的表面。
此外，植入子系统还包括：朝向调整机构，构造成调整执行机构的朝向，以使引导装置能够在目标物的目标植入区域处以相对于目标植入区域表面的特定角度进入目标物。如上文所述类似地，植入子系统还包括：横向位置调整机构，构造成在与纵向垂直的平面上调整执行机构的位置，以使引导装置对准目标植入区域。植入子系统还可以包括电极固定装置300，构造为在其靠近目标物的表面上可分离地固定所述电极丝1。在该实施例中，引导装置是可移动的，而电机电极固定装置300可以是固定 不动的。在其他实施例中，电极固定装置300也可以配设有横向位置调整机构，使得电极固定装置300在与纵向垂直的平面上调整位置，而执行机构的位置可以是固定不动的。横向位置调整机构可以具有小于4μm的调整精度。上述两种实施例都可以实现执行机构与电极固定装置300之间的相对位置的变化。当然，在其他实施例中，电极固定装置300和执行机构也可以都构造为可移动的。
在此参考描述根据本公开实施例的用于运行根据本公开的系统的方法中的电极丝引导步骤的图8A至图8C，可看出，电极固定装置300包括支撑板310，支撑板310可以在其靠近(或朝向)目标物的表面上可分离地固定电极基板320。电极丝1可以被粘附于电极基板320上，从而被固定在支撑板310上。由于电极丝1具有较大的柔性并且具有较小的机械强度，不便于固定在支撑板310上，因此可以借助于硬度高于电极丝1的电极基板320。电极基板320可以由高分子聚合物制成，并与电极丝1共同被制造，以为被植入目标物之前的电极丝1提供限位与支撑。在实施中，多个电极丝1通常被批量地共同形成，这样的多个电极丝1可以被形成为并排粘附于电极基板320上。根据植入的需要，可以将这多个电极丝1中的一个电极丝1植入目标物，也可以将这多个电极丝1中的多个电极丝1依次植入目标物。
植入子系统还可以包括：电极位置调整机构，构造成沿与纵向垂直的平面调整电极固定装置300的位置，以使引导装置沿纵向从电极固定装置300的远离目标物的第一侧向电极固定装置300的靠近目标物的第二侧运动的过程中，能够与固定在电极固定装置300上的电极丝1相接合。在电极丝1的自由端部上可以设置有环，例如圆环、椭圆环、半圆环、矩形环等，植入针110或引导装置的尖端能够穿过环以接合电极丝1的自由端部。
在使植入针110或者说引导装置与电极丝1相接合时，需要观察定位电极丝1前端的接合部位和植入针110的尖端。如图1至图3所示，为此根据本公开实施例的用于植入电极丝1的系统还可以包括：第一光源410，所述第一光源410用于提供适于观察植入针110和电极丝1的自由端部的第一光；第二光源420，所述第二光源420用于提供适于观察脑部表面的第二光；第一相机430，所述第一相机430构造成在第一光的辅助下获取针头部分111和电极丝1的自由端部的第一图像；第二相机440，所述第二相机440构造成在第一光的辅助下获取针头部分111和电极丝1的自由端部的第二图像，其中，第一相机430的光路和第二相机440的光路彼此成角度；脑部表面相机450，所述脑部表面相机450构造成在第二光的辅助下获取脑部表面的第三图 像；以及处理装置，所述处理装置构造成基于第一图像和第二图像识别针头部分111与电极丝1的自由端部相对位置，以及基于第三图像识别脑部表面的可植入区域。第一光包括白光、蓝光、红光、红外光和近紫外光中的一个或多个，和/或，所述第二光包括绿光。第一相机430以及脑部表面相机450可以布置在背板230上。第二相机440可以布置在承载框架240的与背板230相对置并基本上平行于背板230的第一承载区段上。第一相机430和/或所述第二相机440构造成位置可调整的，以便调整其位置使得针头部分111和电极丝1的自由端部以可被观察的清晰度呈现在其视野中。第一相机430和第二相机440可以布置成，使得第一相机430的光路和第二相机440的光路在电极丝1的自由端部处汇聚。如图9所示，假定观察目标(电极丝1末端)位于图中坐标系原点O。第一相机430与第二相机440需要同时观察目标。第一相机430的光路与第二相机440的光路显示两个相机的观察方向。第一相机430及其镜头可以布置在XZ平面上，第二相机440及其镜头布置在YZ平面上。第一相机430的光路与X轴的初始设定夹角可以为45°，且可根据使用者要求进行调整。第二相机440的光路与Y轴的初始设定夹角同样可以为45°，且可根据使用者要求进行调整。
换言之，根据本公开实施例的用于向目标物植入电极丝1的系统还可以包括观察子系统，所述观察子系统包括：视觉模块400，构造成获取引导装置的用于接合电极丝1的端部、以及被固定在电极固定装置300上的电极丝1的用于接合引导装置的端部的第一图像；以及运算控制模块，构造成基于第一图像识别引导装置的端部与电极丝1的端部的相对位置，并基于识别结果控制电极位置调整机构调整电极固定装置300的位置和/或控制横向位置调整机构调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向从电极固定装置300的第一侧向第二侧运动的过程中，引导装置的端部能够与固定在电极固定装置300上的电极丝1的端部相接合。视觉模块400还构造成获取目标物的第二图像，运算控制模块还构造成基于第二图像识别目标物的目标植入区域，并基于识别结果控制横向位置调整机构调整执行机构的位置，以使引导装置对准目标植入区域。
如图1至图3所示，用于植入电极丝1的系统还可以包括喷雾装置500，喷雾装置500构造为保持脑部表面和/或周围环境湿润、和/或使电极丝1贴附于植入针110。换言之，用于向目标物植入电极丝1的系统还可以包括辅助子系统，所述辅助子系统包括：第一喷雾装置，被布置在目标物附近，构造成提供喷雾以保持目标物表面和/或周围环境湿润；和/或第二喷雾装置，被布置在引导装置与电极丝1的接合处附近，构造成对电极丝1施加喷雾，以使得电极丝1贴附于引导装置。
图8A至图8E是根据本公开实施例的用于运行根据本公开的系统的方法中的电极丝引导以及喷雾步骤的示意图。下面参照8A至图8C说明用于运行根据本公开实施例的系统的方法，其中，所述方法包括以下步骤：将电极丝1布置在电极丝1支架上；由处理装置基于所述第一图像和所述第二图像识别电极丝1的自由端部以及植入针110的针头部分111之间的相对位置，并基于相对位置控制植入装置100和/或电极丝1支架运动，以使得植入针110的针头部分111沿纵向方向对准电极丝1的自由端部；通过植入进给机构120使植入针110沿植入装置100的纵向方向运动以接合到电极丝1的自由端部，并使电极丝1脱离电极丝1支架；由处理装置基于所述第三图像识别脑部的可植入区域，并在可植入区域中确定植入的目标位置；由处理装置控制植入装置100运动，以使植入针110的针头部分111以特定角度对准目标位置植入进给机构120；通过植入进给机构120植入进给机构120使得植入针110带动电极丝1运动到距离目标位置的表面的预定距离处；以及通过植入执行机构130驱动植入针110连同电极丝1向前运动。在植入针110完成植入操作之后，可以通过植入执行机构130驱动植入针110回撤。将电极丝1布置在电极丝1支架上包括：将电极丝1的头部区段布置在电极丝1支架上，并使得电极丝1的头端部伸出电极丝1支架成为所述自由端部；以及使得电极丝1的用于与电路连接的尾部区段与头部区段之间的部分区段悬空为非张紧的状态。
如图8A所示，电极丝1的前部区段布置在电极固定装置300上，并使得电极丝1的位于前端的接合部伸出电极固定装置300以便于与引导装置接合。电极丝1被固定在电极固定装置300上之后，在电极丝1的用于与电路连接的后部区段与前部区段之间，存在部分区段(下文称为“后段”)悬空为非张紧的状态(如图中所示的“悬空部分”)。
执行机构可以被大致定位在植入目标物到电极固定装置300的延长线上并驱动用于引导电极丝1的引导装置大致朝向目标物运动。如图所示，引导装置可以包括位于引导装置末端的针头部分111和用于安装针头部分111的针管部分112，针头部分111可以以例如粘接或套接等方式安装在针管部分112上。执行机构可以被定位在针管部分112的顶端，从而经由驱动针管部分112运动来驱动针头部分111。在引导装置与被固定在电极固定装置300上的电极丝1的接合部相接合之后，执行机构驱动引导装置继续例如向下运动以牵引电极丝1，即对电极丝1的前端施加拉力，从而将电极丝1至少部分地从电极固定装置300上分离，如图8B所示。引导装置可以在执行机构的 驱动下朝着目标物继续向下运动，以继续通过电极丝1的前端对电极丝1施加拉力，从而可以使得电极丝1完全脱离电极固定装置300，如图8C所示。由于电极丝1的后段悬空(未紧密固定在电极固定装置300上)并且后段为非张紧的状态，因此，在电极丝1完全脱离电极固定装置300之后，在电极丝1的前端到其后端(未示出，指用于连接电路的端部)之间也呈非张紧状态地被悬挂。
在植入针110接合到电极丝1的自由端部之后，通过喷雾装置500向悬挂在植入针110旁的电极丝1施加喷雾，以使得电极丝1的头部区段贴附在植入针110上。
喷雾装置500可以被定位为面向电极丝1的与电极固定装置300分离的部分(特别是面向靠近前端的区段部分)并面向引导装置，并且喷雾装置500可以被定位为能够喷射具有大致从电极丝1的靠近前端的区段部分到引导装置的指向的喷射力的液体，如图8D所示，以便电极丝1的至少靠近前端的区段部分在喷射液体的作用下贴附于引导装置，如图8E所示。喷雾装置500使液体以被雾化的状态被喷射。喷射的液体可以包括纯水或适用于目标物的溶液。
通过设置的喷雾装置500使得电极丝1的至少靠近前端的区段部分贴附于引导装置，能够避免对目标物的生物组织形成较大的切口损伤。此外，通过喷射液体还能带来进一步的技术效果。在引导装置与被固定在电极固定装置300上的电极丝1的接合部相接合、并且在引导装置使得电极丝1完全脱离电极固定装置300之后，如图8C所示，电极丝1在自身重力的作用下，可能使得其接合部从引导装置上脱落，从而导致不期望的电极丝1与引导装置分离的后果。而通过喷射液体使得电极丝1贴附于引导装置之后，即使得电极丝1处于图8E所示的状态后，可加强电极丝1与引导装置之间的接合，避免因电极自身重力导致的电极丝1从引导装置上脱落。
在本实施例中，控制植入装置100运动包括：使植入装置100在弧状导轨220上滑移并且使弧状导轨220围绕法向于弧状导轨220的弧线延伸穿过弧状导轨220中心的转动轴线转动，和/或使可在空间中自由运动的机械臂210运动，以改变植入针110的针头部分111的朝向。
在对植入装置100和电极丝1进行观察时，可以调节第一光源410的照射角度、照射强度和/或光源颜色，以及调节第一相机430和/或第二相机440的成像参数、位置和/或光路指向，以使得第一相机430和第二相机440能够获得各自的清晰成像。此外，可以调节第二光源420的照射角度、照射强度和/或光源颜色，以及调节脑部表面相机450的成像参数、位置和/或光路指向，以使得脑部表面相机450能够获得清 晰成像。
在由处理装置控制植入装置100运动时，可以控制植入装置100沿纵向运动直至针头部分111的尖端接触到脑部表面停止，并在第三图像中标记针头部分111的尖端位置作为后续控制植入装置100运动以使植入针110的针头部分111对准目标位置的初始位置。此外，可以控制植入装置100沿纵向运动直至针头部分111的尖端接触到脑部表面停止，再控制植入装置100沿纵向回撤所述预定距离，以使得植入针110带动电极丝1运动到距离目标位置的表面的预定距离处。为了确定针头部分111的尖端已接触到脑部表面，可以利用在针头部分111的尖端接触到目标位置的表面即被接通的探测电路来探测针头部分111的尖端接触到目标位置的表面。在此，可以利用针头部分111上的微动电机微调针头部分111的XY位置，将落点对准可植入区域中的点。对准植入点后，植入装置100中的植入进给机构120使针头部分111缓慢地朝着目标位置，在接触到脑表面之后，将植入针110回撤至预定高度，再驱动植入执行机构130使植入针110快速向下植入，其中，该预定高度与植入深度以及植入执行机构130的限定行程有关，例如，当植入深度为2mm，而植入执行机构130的限定行程为5mm时，则将植入针110抬到其尖端离脑部表面3mm处)。接着，快速地、例如以30m 2/s的速度回撤植入针110，使电极丝1脱离植入针110留在脑组织内。在植入针110回撤之后，可以对植入针110的针头部分111进行清洗。接着可以移动电极固定装置300，以进行下一次植入。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (72)

  1. 一种用于植入电极丝的系统，所述系统用于将电极丝植入到生物体的脑部中，所述系统包括：
    植入装置，所述植入装置包括植入针、植入进给机构和植入执行机构，所述植入针构造成用于将以其针头部分接合电极丝的自由端部，以便带动电极丝运动，所述植入进给机构构造成用于使植入针沿植入装置的纵向方向移动，所述植入执行机构构造成用于驱动植入针以将植入针的针头部分扎入脑部中；
    第一光源，所述第一光源用于提供适于观察植入针和电极丝的自由端部的第一光；
    第二光源，所述第二光源用于提供适于观察脑部表面的第二光；
    第一相机，所述第一相机构造成在第一光的辅助下获取针头部分和电极丝的自由端部的第一图像；
    第二相机，所述第二相机构造成在第一光的辅助下获取针头部分和电极丝的自由端部的第二图像，其中，第一相机的光路和第二相机的光路彼此成角度；
    脑部表面相机，所述脑部表面相机构造成在第二光的辅助下获取脑部表面的第三图像；以及
    处理装置，所述处理装置构造成基于第一图像和第二图像识别针头部分与电极丝的自由端部相对位置，以及基于第三图像识别脑部表面的可植入区域；
    其中，所述植入装置配设有植入运动机构，所述植入运动机构构造成用于使所述植入装置能够从不同角度在不同的朝向下进行电极丝的植入。
  2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述植入运动机构包括可在空间中自由运动的机械臂。
  3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述植入运动机构包括弧状导轨，所述植入装置能够在该弧状导轨上滑移。
  4. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述弧状导轨能够围绕法向于弧状导轨的弧线并且延伸穿过弧状导轨中心的转动轴线转动。
  5. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述植入运动机构包括可在空间中自由运动的机械臂，所述植入装置能够经由弧状导轨与机械臂连接。
  6. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述植入装置还包括用于 布置所述植入执行机构的第一植入承载件，所述第一植入承载件能够通过植入进给机构进行直线运动。
  7. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述植入进给机构包括第一引导块和第一直线导轨，所述第一引导块能够在第一直线导轨上进行直线运动，其中，第一植入承载件与植入进给机构的第一引导块一体式构造或可拆卸地布置在植入进给机构的第一引导块上。
  8. 根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一引导块能够经由传动机构在第一直线导轨上进行直线运动，所述传动机构能够将旋转运动转变为第一引导块的直线运动。
  9. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述植入装置还包括用于固定植入针的第二植入承载件，所述植入执行机构能够驱动第二植入承载件进行直线运动，从而将植入针的针头部分扎入脑部中。
  10. 根据权利要求9所述的系统，其中，所述第二植入承载件包括植入针固定块，所述植入针能够可拆卸地固定在植入针固定块上。
  11. 根据权利要求10所述的系统，其中，所述植入针能够经由转接头固定在植入针固定块上。
  12. 根据权利要求11所述的系统，其中，所述植入针材料锁合地连接在转接头上。
  13. 根据权利要求9所述的系统，其中，所述第二植入承载件配设有第二引导块和第二直线导轨，所述第二引导块能够在第二直线导轨上进行直线运动，所述第二植入承载件布置在第二引导块上，从而所述第二植入承载件在被植入执行机构驱动时以被引导的方式经由第二引导块在第二直线导轨上进行直线运动。
  14. 根据权利要求13所述的系统，其中，所述植入执行机构构造为电磁执行机构，所述电磁执行机构能够驱动第二植入承载件连同第二引导块在第二直线导轨上运动限定的行程，从而使针头部分运动限定的行程。
  15. 根据权利要求13所述的系统，其中，所述植入执行机构构造为气动执行机构，在第二直线导轨上设置有止挡部，所述气动执行机构能够驱动第二植入承载件连 同第二引导块在第二直线导轨上运动，直到第二引导块止挡在止挡部上，从而使针头部分运动限定的行程。
  16. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述植入针两件式地构造，所述植入针包括针管部分和针头部分，所述针头部分固定在针管部分的端部上或嵌入到针管部分中。
  17. 根据权利要求2或5所述的系统，其中，在机械臂的自由端部上布置有背板，其中，所述植入装置布置在背板上。
  18. 根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一相机以及脑部表面相机布置在背板上。
  19. 根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统包括电极丝支架，所述电极丝支架能够接纳电极丝，所述电极丝支架布置在承载框架上，所述承载框架固定在背板上。
  20. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述电极丝支架可运动地布置在承载框架上。
  21. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述电极丝支架通过平面运动机构连接到承载框架，所述平面运动机构构造为沿基本上平行于背板的方向和基本上垂直于背板的方向两者运动。
  22. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二相机布置在承载框架的与背板相对置并基本上平行于背板的第一承载区段上。
  23. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述第一相机和/或所述第二相机构造成位置可调整的，以便调整其位置使得针头部分和电极丝的自由端部以可被观察的清晰度呈现在其视野中。
  24. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述第一相机和所述第二相机布置成，使得第一相机的光路和第二相机的光路在电极丝的自由端部处汇聚。
  25. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，在所述电极丝的自由端部上设置有环，针头部分能够穿过所述环以接合电极丝的自由端部。
  26. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述第一光包括白光、蓝光、红光、红外光和近紫外光中的一个或多个，和/或，所述第二光包括绿光。
  27. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述植入针的针头部分配备有微动电机，所述微动电机能够使所述针头部分在植入装置的横向方向上运动。
  28. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括喷雾装置，所述喷雾装置构造为保持脑部表面和/或周围环境湿润、和/或使电极丝贴附于植入针。
  29. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述植入执行机构能够使针头部分以介于0.5m/s至5m/s之间或介于0.01m/s至10m/s之间的速度扎入脑部。
  30. 根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括脑表面探测装置，所述脑表面探测装置能够检测到可导电的针头部分接触脑部表面。
  31. 根据权利要求30所述的系统，其中，所述脑表面探测装置包括探测电路，针头部分连接在探测电路上，被植入生物体的另一个部位接入电路，其中，在该电路上连接有电压测量装置，在针头部分接触脑部表面时，电路接通，电压测量装置测量到电压，以指示针头部分接触到脑部表面。
  32. 一种用于向目标物植入生物电极的系统，包括：
    执行机构，构造成驱动与生物电极接合的引导装置运动，以使引导装置连同生物电极进入目标物；
    位置调整机构，构造成调整执行机构的位置，以使引导装置接近目标物的目标植入区域；以及
    朝向调整机构，构造成调整执行机构的朝向，以使引导装置能够在目标植入区域处以相对于目标植入区域表面的特定角度进入目标物。
  33. 根据权利要求32所述的系统，其中，所述朝向调整机构被实现为机械臂。
  34. 根据权利要求32或33所述的系统，其中，所述位置调整机构的至少部分被实现为机械臂。
  35. 根据权利要求32所述的系统，其中，所述位置调整机构包括位置粗调模块和位置精调模块，其中，所述朝向调整机构和位置粗调模块的至少部分被实现为机械臂，所述位置精调模块包括微动电机。
  36. 根据权利要求32所述的系统，其中，所述朝向调整机构包括弧状导轨，所述执行机构的远离引导装置的第一端被安装到弧状导轨，以便所述朝向调整机构调整执行机构的朝向。
  37. 根据权利要求36所述的系统，其中，所述弧状导轨构造为能够围绕法向于弧状导轨的弧线并且延伸穿过弧状导轨中心的轴线转动。
  38. 根据权利要求36所述的系统，其中，所述朝向调整机构设置于所述位置调整机构上，以使得所述位置调整机构通过调整所述朝向调整机构的位置来调整执行机构的位置。
  39. 根据权利要求32或38所述的系统，其中，所述位置调整机构包括纵向调整模块和横向调整模块，其中，
    所述纵向调整模块构造成沿执行机构的纵向调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向接近目标植入区域；以及
    所述横向调整模块构造成在与纵向垂直的平面上调整执行机构的位置，以使引导装置沿横向接近目标植入区域。
  40. 根据权利要求32所述的系统，其中，所述目标物包括脑。
  41. 根据权利要求32所述的系统，其中，所述生物电极包括丝状柔性电极。
  42. 一种用于向目标物植入电极丝的系统，包括植入子系统，所述植入子系统包括：
    执行机构，构造成驱动与电极丝接合的引导装置沿执行机构的纵向以第一速度朝靠近目标物的方向运动，以使引导装置连同电极丝进入目标物；以及
    纵向位置调整机构，构造成沿纵向以第二速度调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向接近目标物的目标植入区域，
    其中，所述第一速度大于第二速度。
  43. 根据权利要求42所述的系统，其中，所述执行机构还构造成驱动进入目标物的引导装置沿纵向以第三速度朝远离目标物的方向回撤，以使引导装置退出目标物。
  44. 根据权利要求43所述的系统，其中，所述第一速度和第三速度均介于0.5m/s至5m/s之间，或介于0.01m/s至10m/s之间。
  45. 根据权利要求43所述的系统，其中，所述执行机构驱动引导装置回撤的加速度介于25m/s 2至35m/s 2之间。
  46. 根据权利要求42或43所述的系统，其中，所述执行机构包括电磁致动模块、高速电机致动模块、或气动模块。
  47. 根据权利要求42或43所述的系统，其中，所述执行机构还构造成驱动引导装置沿纵向运动特定的行程，所述植入子系统还包括：
    植入深度控制模块，构造成控制纵向位置调整机构以使引导装置的尖端位于距离目标植入区域的表面的预定距离处，再控制执行机构驱动引导装置运动。
  48. 根据权利要求47所述的系统，其中，所述植入深度控制模块还构造成控制纵向位置调整机构以使引导装置接近目标植入区域，直至引导装置的尖端接触到目标植入区域的表面停止，然后控制纵向位置调整机构以使引导装置回撤预定距离，从而使得引导装置的尖端位于距离目标植入区域的表面的预定距离处。
  49. 根据权利要求48所述的系统，其中，所述植入深度控制模块通过在引导装置的尖端接触到目标植入区域的表面即被接通的探测电路，来探测引导装置的尖端接触到目标植入区域的表面。
  50. 根据权利要求42或43所述的系统，其中，所述植入子系统还包括：
    朝向调整机构，构造成调整执行机构的朝向，以使引导装置能够在目标物的目标植入区域处以相对于目标植入区域表面的特定角度进入目标物。
  51. 根据权利要求42或43所述的系统，其中，所述植入子系统还包括：
    横向位置调整机构，构造成在与纵向垂直的平面上调整执行机构的位置，以使引导装置对准目标植入区域。
  52. 根据权利要求51所述的系统，其中，所述植入子系统还包括：
    电极固定装置，构造为在其靠近目标物的表面上可分离地固定所述电极丝。
  53. 根据权利要求52所述的系统，其中，所述电极固定装置构造为在其靠近目标物的表面上可分离地固定电极基板，其中，所述电极丝被粘附于所述电极基板上，从而被固定在所述电极固定装置上。
  54. 根据权利要求53所述的系统，其中，所述电极基板的硬度高于所述电极丝 的硬度。
  55. 根据权利要求53所述的系统，其中，待植入的电极丝为多个，多个所述电极丝被并排粘附于所述电极基板上。
  56. 根据权利要求52所述的系统，其中，所述植入子系统还包括：
    电极位置调整机构，构造成沿与纵向垂直的平面调整电极固定装置的位置，以使引导装置沿纵向从电极固定装置的远离目标物的第一侧向电极固定装置的靠近目标物的第二侧运动的过程中，能够与固定在电极固定装置上的电极丝相接合。
  57. 根据权利要求56所述的系统，还包括观察子系统，所述观察子系统包括：
    视觉模块，构造成获取引导装置的用于接合电极丝的端部、以及被固定在电极固定装置上的电极丝的用于接合引导装置的端部的第一图像；以及
    运算控制模块，构造成基于第一图像识别引导装置的端部与电极丝的端部的相对位置，并基于识别结果控制电极位置调整机构调整电极固定装置的位置和/或控制横向位置调整机构调整执行机构的位置，以使引导装置沿纵向从电极固定装置的第一侧向第二侧运动的过程中，引导装置的端部能够与固定在电极固定装置上的电极丝的端部相接合。
  58. 根据权利要求57所述的系统，其中，
    视觉模块还构造成获取目标物的第二图像，
    运算控制模块还构造成基于第二图像识别目标物的目标植入区域，并基于识别结果控制横向位置调整机构调整执行机构的位置，以使引导装置对准目标植入区域。
  59. 根据权利要求42所述的系统，还包括辅助子系统，所述辅助子系统包括：
    第一喷雾装置，被布置在目标物附近，构造成提供喷雾以保持目标物表面和/或周围环境湿润；和/或
    第二喷雾装置，被布置在引导装置与电极丝的接合处附近，构造成对电极丝施加喷雾，以使得电极丝贴附于引导装置。
  60. 根据权利要求42所述的系统，其中，所述目标物包括非平坦的表面。
  61. 根据权利要求42所述的系统，其中，所述横向位置调整机构具有小于4μm的调整精度。
  62. 一种用于运行根据权利要求1至31中任一项所述的系统的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
    将电极丝布置在电极丝支架上；
    由处理装置基于所述第一图像和所述第二图像识别电极丝的自由端部以及植入针的针头部分之间的相对位置，并基于相对位置控制植入装置和/或电极丝支架运动，以使得植入针的针头部分沿纵向方向对准电极丝的自由端部；
    通过植入进给机构使植入针沿植入装置的纵向方向运动以接合到电极丝的自由端部，并使电极丝脱离电极丝支架；
    由处理装置基于所述第三图像识别脑部的可植入区域，并在可植入区域中确定植入的目标位置；
    由处理装置控制植入装置运动，以使植入针的针头部分以特定角度对准目标位置植入进给机构；
    通过植入进给机构植入进给机构使得植入针带动电极丝运动到距离目标位置的表面的预定距离处；以及
    通过植入执行机构驱动植入针连同电极丝向前运动。
  63. 根据权利要求62所述的方法，还包括：
    通过植入执行机构驱动植入针回撤。
  64. 根据权利要求62所述的方法，其中，将电极丝布置在电极丝支架上包括：
    将电极丝的头部区段布置在电极丝支架上，并使得电极丝的头端部伸出电极丝支架成为所述自由端部；以及
    使得电极丝的用于与电路连接的尾部区段与头部区段之间的部分区段悬空为非张紧的状态。
  65. 根据权利要求64所述的方法，还包括：
    在植入针接合到电极丝的自由端部之后，通过喷雾装置向悬挂在植入针旁的电极丝施加喷雾，以使得电极丝的头部区段贴附在植入针上。
  66. 根据权利要求62所述的方法，其中，控制植入装置运动包括：使植入装置在弧状导轨上滑移并且使弧状导轨围绕法向于弧状导轨的弧线延伸穿过弧状导轨中心的转动轴线转动，和/或使可在空间中自由运动的机械臂运动，以改变植入针的针头部分的朝向。
  67. 根据权利要求62所述的方法，还包括：
    调节第一光源的照射角度、照射强度和/或光源颜色，以及调节第一相机和/或第二相机的成像参数、位置和/或光路指向，以使得第一相机和第二相机能够获得各自的清晰成像。
  68. 根据权利要求62所述的方法，还包括：
    调节第二光源的照射角度、照射强度和/或光源颜色，以及调节脑部表面相机的成像参数、位置和/或光路指向，以使得脑部表面相机能够获得清晰成像。
  69. 根据权利要求62所述的方法，还包括：
    控制植入装置沿纵向运动直至针头部分的尖端接触到脑部表面停止，并在第三图像中标记针头部分的尖端位置作为后续控制植入装置运动以使植入针的针头部分对准目标位置的初始位置。
  70. 根据权利要求62所述的方法，还包括：
    控制植入装置沿纵向运动直至针头部分的尖端接触到脑部表面停止，再控制植入装置沿纵向回撤所述预定距离，以使得植入针带动电极丝运动到距离目标位置的表面的预定距离处。
  71. 根据权利要求69或70所述的方法，其中，利用在针头部分的尖端接触到目标位置的表面即被接通的探测电路来探测针头部分的尖端接触到目标位置的表面。
  72. 根据权利要求63所述的方法，还包括：
    在植入针回撤之后，对植入针的针头部分进行清洗。
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