一种迷走神经磁刺激装置的制作方法

本发明涉及一种用于抑制癫痫的医疗设备，特别涉及一种无创的迷走神经磁刺激装置。

背景技术：

癫痫即俗称的“羊角风”或“羊癫风”，发病时大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍，是一种常见的、反复发作的严重威胁人类身心健康的慢性功能性神经疾病，以反复发作性抽搐为主要特征，伴有认知和神经心理功能障碍以及生活质量降低。我国约有1000万癫痫患者，其中约30％是通过药物或手术无法抑制的难治性癫痫患者。迷走神经刺激术是治疗药物难治性癫痫的新途径。目前，迷走神经刺激治疗癫痫的机制仍没有定论，有可能是迷走神经刺激增加了抑制性神经递质和减少了兴奋性神经递质，如增加γ-氨基丁酸的释放和降低谷氨酸亚胺甲基转移酶的释放，从而提高癫痫的发作阈，发挥抗癫痫作用。迷走神经刺激术在1994年获得欧盟批准应用于临床治疗癫痫，1997年获得美国食品和药品监督管理局认证，我国也已经引入迷走神经刺激治疗癫痫的治疗方法多年。在迷走神经刺激系统方面，虽然目前市场上主要是美国Cyberonics公司和我国品驰医疗公司的迷走神经刺激器。

癫痫治疗的效果通常使用“50％应答率”来表征，它是指治疗组与对照组比较能“显著”减少癫痫的发作频率，使癫痫发作减少50％以上。迷走神经刺激治疗癫痫的50％应答率在35％左右，这意味着大约65％的患者在植入刺激器后癫痫发作次数的减少并不明显，有少数患者植入迷走神经刺激器后没有出现症状的改善，亦有一小部分患者因为在测试中出现心脏骤停而取消了植入计划。这意味着迷走神经刺激器不仅没有给这部分病人带来生活质量的改善，还引入了植入风险，不必要的手术和护理费用。造成这种迷走神经刺激治疗50％应答率不高和部分严重副作用的原因主要在于迷走神经刺激器植入的术前评估工作不够充分，目前在其他治疗方法无效的情况下，难治性癫痫患者均可以接受迷走神经刺激术的治疗，并没有考虑刺激器植入后是否能够充分发挥作用。因此在迷走神经刺激器植入前，需要一种有效的迷走神经刺激术前评估手段，提高植入后的应答率并降低严重副作用的发生。迷走神经刺激术前评估方法有效的前提是其能产生与迷走神经刺激类似的效果，而且必须是无创的。

在无创迷走神经刺激领域，欧盟已经批准了经皮耳迷走神经刺激用于癫痫治疗，但现有文献报道难治性癫痫患者在接受经皮耳迷走神经刺激治疗24周后，癫痫发作次数减低不足50％，即50％应答率为零，显然其不能达到产生与迷走神经刺激类似效果的要求。其原因在于刺激电极固定在患者皮肤表面，实际到达迷走神经的电流较小而且聚焦性差，影响了刺激效果。如果增加刺激强度，又会引起患者的疼痛等不适感。美国专利，US2011/0190569A1公布了另一种无创迷走神经刺激技术，该专利采用电磁感应的原理，由一个电磁线圈产生磁场，由磁场在患者组织和导电介质中激发感应电场对迷走神经进行刺激，该项技术需要在患者皮肤和刺激线圈之间加入导电介质，依靠导电介质传导感应电流。该项技术尚没有临床试验的报道。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于磁刺激的无创迷走神经刺激装置。本发明用于模拟迷走神经刺激器植入后的治疗方式，同时对患者的呼吸频率和心电进行监测，呼吸和心率异常时立即停止刺激，达到安全、无创治疗癫痫的目的。

迷走神经支配呼吸、消化两个系统的绝大部分器官以及心脏的感觉、运动以及腺体的分泌，迷走神经刺激会对心脏和呼吸活动造成影响，包括声带麻痹，面部无力，心动过缓和心搏停止，部分患者在迷走神经刺激器植入后的测试中出现心脏骤停。迷走神经刺激的同时需要实时监测呼吸频率和心率，避免迷走神经刺激引起的严重副作用。磁刺激是一种无创的刺激方法，用磁刺激产生的感应电流模拟迷走神经刺激参数，可以和迷走神经刺激同样起到治疗癫痫的作用。与植入式电刺激相比，磁刺激是一种无创的刺激方法，利用电、磁之间的相互转化关系实现迷走神经的无创刺激。虽然磁刺激的方法耗电高，体积大，不便于携带，还无法做到完全取代迷走神经刺激，但是可将磁刺激与呼吸频率、心率监测相结合，用于迷走神经刺激术前评估，对磁刺激作用良好、副作用较小的患者进行迷走神经刺激手术，从而完善迷走神经刺激治疗难治性癫痫的标准流程，进一步提高植入后的50％应答率，避免不必要的手术和护理费用。

本发明迷走神经磁刺激装置包括刺激线圈、两个呼吸频率检测电极、三个心电检测电极、刺激脉冲发生器、呼吸频率监测模块、心电监测模块、控制模块和显示模块。刺激线圈贴在患者颈部皮肤表面，刺激线圈与刺激脉冲发生器的输出端连接。刺激脉冲发生器的输入端与控制模块的第一输出端连接。两个呼吸频率检测电极同时作为电流注入电极和电压检测电极，第一呼吸频率检测电极布置在患者右锁骨下，第二呼吸频率检测电极布置在患者左腹部，两个呼吸频率检测电极与呼吸频率监测模块的第一输出端连接，两个呼吸频率检测电极与呼吸频率监测模块的第一输入端连接，呼吸频率监测模块的第二输入端与控制模块的第二输出端连接，呼吸频率监测模块的第二输出端与控制模块的第一输入端连接。三个心电检测电极分别布置在患者右手、左手和右腿皮肤表面，三个心电检测电极与心电监测模块的第一输入端连接，心电监测模块的第二输入端与控制模块的第三输出端连接，心电监测模块的输出端与控制模块的第二输入端连接。控制模块的第三输入端与显示模块的输出端连接，控制模块的第四输出端与显示模块的输入端连接。

所述的刺激脉冲发生器产生脉冲电流，脉冲电流通过刺激线圈发出脉冲磁场，脉冲磁场在患者迷走神经中产生感应电流，使迷走神经兴奋。呼吸频率监测模块通过两个呼吸频率检测电极测量患者的呼吸频率，将呼吸频率传送至控制模块，并在显示设备上显示。心电监测模块通过三个心电检测电极测量患者心电，计算心率，将心率传送至控制模块，并在显示设备上显示。在刺激过程中，如果患者出现心率和呼吸频率异常，控制模块可以自动停止刺激脉冲发生器工作，避免进一步的不良反应。

所述的刺激线圈为平面圆盘型线圈或“8”字形线圈，激励线圈由漆包铜线绕制而成，外面套有绝缘外壳。平面圆盘型线圈匝数为几匝到十几匝，线圈直径不超过10厘米，线圈轴向厚度不超过1厘米。“8”字形线圈由两个绕线方向相反的平面圆盘形线圈组成，形成数字“8”的形状。刺激线圈的电感在几微亨到几十微亨的量级。刺激线圈在脉冲电流的作用下在其附近空间产生脉冲磁场，脉冲宽度为几百微秒。患者迷走神经以及周围组织在脉冲磁场的作用下产生感应电流，迷走神经中的感应电流峰值大于等于1mA，引起迷走神经兴奋，发放动作电位。

所述的刺激脉冲发生器包括储能电容、快速晶闸管、续流二极管、二极管、限流电阻和高压直流电源。在放电回路中，储能电容的第一引脚与快速晶闸管的阳极连接，储能电容的第二引脚与刺激线圈的一端连接，快速晶闸管的阴极与刺激线圈的另一端连接，快速晶闸管的门极与控制模块的第一输出端连接。续流二极管的阴极与快速晶闸管的阳极连接，续流二极管的阳极与快速晶闸管的阴极连接。在充电回路中，储能电容的第一引脚和二极管的阴极连接，二极管的阳极和限流电阻的一端连接，限流电阻的另一端与高压直流电源的正输出端连接，高压直流电源的负输出端与储能电容的第二引脚连接。高压直流电源的输入端与控制模块连接。刺激脉冲发生器工作时，首先由控制模块设定充电电压、充电电流、刺激频率等参数，然后高压直流电源对储能电容进行充电，达到设定电压时停止充电。刺激时控制模块通过第一输出端向快速晶闸管的门极发送触发信号，快速晶闸管导通，储能电容对刺激线圈放电，完成一次刺激。重复此过程可实现重复刺激，重复频率为几十赫兹。

所述的两个呼吸频率检测电极为帖片电极，同时作为电流注入电极和电压检测电极。所述的呼吸频率监测模块可产生频率为几千赫兹到几百千赫兹的交流电信号，并通过第一输出端施加到两个呼吸频率检测电极，电流不超过5mA。同时呼吸频率监测模块可以通过第一输入端口检测两个呼吸频率检测电极之间的电压，用测得的电压值除以输入电流可得到患者胸部的阻抗。人体呼吸时胸部阻抗呈周期性变化，呼吸频率监测模块通过胸部阻抗变化的周期计算呼吸频率，并通过频率监测模块的第一输出端口将呼吸频率数据发送至控制模块。

所述的三个心电检测电极为帖片电极或心电电极夹，所述的心电监测模块和三个心电检测电极一起工作检测到患者的心电，心电监测模块通过心电变化的周期计算心率，并通过心电监测模块的第一输出端将心率数据发送至控制模块。

所述的显示设备完成整个监护装置显示功能并提供人机交互界面。一方面，装置操作人员可通过显示设备输入刺激参数，如刺激强度、刺激频率、刺激时间等，然后可点击屏幕上的“开始刺激”按钮，通过控制模块启动刺激脉冲发生器，进行迷走神经磁刺激。另一方面，显示设备接收到呼吸频率和心率信息后，在屏幕上实时显示患者呼吸频率、心率数据，以及胸部阻抗变化图和心电图，给装置操作者提供迷走神经磁刺激的反馈信息。

所述的控制模块完成整个监护装置控制功能，包括以下三个方面：

(1)接收到显示设备发送的开始刺激信号后，控制模块根据设定的刺激强度、刺激频率、刺激时间等参数启动刺激脉冲发生器，开始迷走神经磁刺激；

(2)接收来自呼吸频率监测模块的呼吸频率信息，如果呼吸频率过快或过慢则停止刺激；

(3)接收来自心电监测模块的心率信息，如果心率过快或过慢值则停止刺激。

本发明所述装置的操作过程如下：

第一步，将刺激线圈布置于患者颈部，将呼吸频率检测电极粘贴于右锁骨下方和左腹部，将心电监测电极布置于右手、左手和右腿；

第二步，在显示设备上设定刺激强度、刺激频率、刺激时间等刺激脉冲发生器参数，以及呼吸频率监测模块的正常呼吸频率范围和心电监测模块的正常心率范围；

第三步，点击显示设备屏幕上的“开始刺激”按钮，本发明装置同时开始以下三项工作：

(1)刺激脉冲发生器按照设定参数向刺激线圈发放脉冲电流，并在刺激线圈附近形成脉冲磁场，对迷走神经进行刺激；

(2)呼吸频率监测模块通过第一输出端向两个呼吸频率检测电极输出交流电流，同时检测两个呼吸频率检测电极之间的电压，计算患者胸部阻抗变化周期，然后由呼吸频率监测模块的第二输出端向控制模块发送呼吸频率；

(3)心电监测模块通过第一输入端口检测患者心电信号，计算患者心率，然后由心电监测模块第一输出端口向控制模块发送心率；

第四步，控制模块将接收到的呼吸频率数据和心率数据与设定的正常范围进行比较，判断刺激过程中患者有无呼吸频率或心率异常的情况，如果“有”装置自动停止刺激，进入第五步，如果“无”进行第六步；

第五步，装置等待医护人员决定是否重新刺激，如果“是”则回到第二步，如果“否”进行第六步；

第六步，刺激结束，关闭装置，将刺激线圈从患者颈部移除，取下呼吸频率检测电极和心电检测电极。

本发明装置的优点在于以下几个方面：

首先，本发明装置与现有技术使用植入式迷走神经刺激器相比，无需植入患者，易于被患者接受。

其次，本发明装置与现有技术使用经皮耳迷走神经刺激器相比，治疗效果更好。本发明所述装置完全模拟植入式迷走神经刺激器的参数，可以达到植入式迷走神经刺激器的治疗效果，植入式迷走神经刺激器治疗癫痫的50％应答率在35％左右，而经皮耳迷走神经刺激器治疗癫痫的50％应答率为0。

第三，本发明装置包含了呼吸和心电监测系统，可以在呼吸或者心电异常情况发生时立即停止刺激，保证了迷走神经刺激的安全性。

附图说明

图1为本发明迷走神经磁刺激装置原理图；

图2为本发明所述装置刺激脉冲发生器原理图；

图3为本发明所述装置刺激线圈形状示意图；

图4为本发明所述装置刺激线圈位置图；

图5为本发明所述装置刺激线圈在颈部横断面的位置图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明装置的原理图。本发明迷走神经磁刺激装置包括刺激线圈101、第一呼吸频率检测电极102a、第二呼吸频率检测电极102b、第一心电检测电极103a、第二心电检测电极103b、第三心电检测电极103c、刺激脉冲发生器104、呼吸频率监测模块105、心电监测模块106、控制模块107和显示模块108。刺激线圈101贴在患者109颈部皮肤表面，刺激线圈101与刺激脉冲发生器104的输出端连接。刺激脉冲发生器104的输入端与控制模块107的第一输出端连接。两个呼吸频率检测电极同时作为电流注入电极和电压检测电极，第一呼吸频率检测电极102a布置在患者109右锁骨下，第二呼吸频率检测电极布置在患者109左腹部，两个呼吸频率检测电极同时与呼吸频率监测模块105的第一输出端和第一输入端连接，呼吸频率监测模块105的第二输入端与控制模块107的第二输出端连接，呼吸频率监测模块105的第二输出端与控制模块107的第一输入端连接。第一心电检测电极103a、第二心电检测电极103b、第三心电检测电极103c分别布置在患者右手、左手和右腿皮肤表面，三个心电检测电极与心电监测模块106的第一输入端连接，心电监测模块106的第二输入端与控制模块107的第三输出端连接，心电监测模块106的输出端与控制模块107的第二输入端连接。控制模块107的第三输入端与显示模块108的输出端连接，控制模块107的第四输出端与显示模块108的输入端连接。

本发明迷走神经磁刺激装置中，刺激脉冲发生器104可产生脉冲电流，脉冲电流通过刺激线圈101发出脉冲磁场，脉冲磁场在患者迷走神经中产生感应电流，使迷走神经兴奋。呼吸频率监测模块105可通过第一、第二呼吸频率检测电极102a、102b测量患者的呼吸频率，将呼吸频率传送至控制模块107，并在显示设备108上显示。心电监测模块106可通过第一、第二、第三个心电检测电极103a、103b、103c测量患者心电、计算心率，将心率传送至控制模块107，并在显示设备108上显示。在刺激过程中，如果患者出现心率和呼吸频率异常，控制模块107可以自动停止刺激脉冲发生器104工作，避免进一步的不良反应。

本发明装置的操作过程如下：

第一步，将刺激线圈布101置于患者109颈部，将呼吸频率检测电极102a、102b粘贴于右锁骨下方和左腹部，将心电监测电极103a、103b、103c布置于右手、左手和右腿；

第二步，在显示设备108上设定刺激强度、刺激频率、刺激时间等刺激脉冲发生器104参数，以及呼吸频率监测模块105的正常呼吸频率范围和心电监测模块106的正常心率范围；

第三步，点击显示设备108屏幕上的“开始刺激”按钮，本发明装置同时开始以下三项工作：

(1)刺激脉冲发生器104按照设定参数向刺激线圈101发放脉冲电流，并在刺激线圈101附近形成脉冲磁场，对迷走神经进行刺激；

(2)呼吸频率监测模块105通过第一输出端向两个呼吸频率检测电极102a、102b输出交流电流，同时检测两个呼吸频率检测电极102a、102b之间的电压，计算患者109胸部阻抗变化周期，然后由呼吸频率监测模块105的第二输出端向控制模块107发送呼吸频率；

(3)心电监测模块106通过第一输入端口检测患者109心电信号，计算患者109心率，然后由心电监测模块106第一输出端口向控制模块107发送心率；

第四步，控制模块107将接收到的呼吸频率数据和心率数据与设定的正常范围进行比较，判断刺激过程中患者109有无呼吸频率或心率异常的情况，如果“有”装置自动停止刺激，进入第五步，如果“无”进行第六步；

第五步，装置等待医护人员决定是否重新刺激，如果“是”则回到第二步，如果“否”进行第六步；

第六步，刺激结束，关闭装置，将刺激线圈101从患者109颈部移除，取下呼吸频率检测电极102a、102b和心电检测电极103a～103c。

图2为本发明装置的刺激脉冲发生器原理图。所述的刺激脉冲发生器包括充电回路和放电回路两个部分。放电回路包括储能电容201、快速晶闸管202、续流二极管203和刺激线圈204。充电回路包括储能电容201、二极管205、限流电阻206和高压直流电源207。在放电回路中，储能电容201的第一引脚与快速晶闸管202的阳极连接，储能电容201的第二引脚与刺激线圈204的一端连接，快速晶闸管202的阴极与刺激线圈204的另一端连接，快速晶闸管204的门极与图1中控制模块107的第一输出端连接。续流二极管203的阴极与快速晶闸管204的阳极连接，续流二极管203的阳极与快速晶闸管204的阴极连接。在充电回路中，储能电容201的第一引脚和二极管205的阴极连接，二极管205的阳极和限流电阻206的一端连接，限流电阻206的另一端与高压直流电源207的正输出端连接，高压直流电源207的负输出端与储能电容207的第二引脚连接。高压直流电源的输入端207与图1中控制模块107的第一输出端连接。刺激脉冲发生器工作时，首先由控制模块107设定充电电压、充电电流、刺激频率等参数，然后高压直流电源207对储能电容201进行充电，达到设定电压时停止充电。由于二极管205的存在，储能电容201充满电后不能向高压直流电源207一端放电。刺激时控制模块通过第一输出端向快速晶闸管202的门极发送触发信号，快速晶闸管202导通，储能电容201对刺激线圈204放电，电流由储能电容201的第一引脚流出，经过快速晶闸管202和刺激线圈204回流到储能电容201的第二引脚；当电流降为零时，储能电容201上的反向电压达到最大，电流由储能电容201的第二引脚流出，经过刺激线圈204和续流二极管203回流到储能电容201的第一引脚；当电流降为零时，储能电容201上的电压第二次反向，快速晶闸管202已经关断，刺激结束。重复此过程可实现重复刺激，本实施例储能电容201的电容值为150μF，耐压3000V，充电电压为1500V，刺激线圈204电感值为18μH，电阻值为50mΩ。由计算可知，刺激线圈304中电流最大值约为4000A，脉宽330μs。限流电阻206的阻值大于10欧姆，保证充电回路电阻远大于放电回路电阻。

图3为本发明所述装置“8”字形刺激线圈形状示意图。“8”字形刺激线圈由一根导线绕制而成，导线为长4mm宽1mm的矩形截面或直径为2mm圆形截面的漆包铜线。左、右两半部分平面圆盘形线圈在同一平面上，且具有相同的外径、内径和匝数。左半部分的线圈绕制方向为逆时针，右半部分的线圈绕制方向为顺时针，形成“8”字形状。图中箭头所指为电流方向，在“8”字中心位置，左、右两部分线圈的电流方向一致，左、右两个在“8”字中心产生的感应电场叠加。这种“8”字线圈相比圆形线圈具有更大的感应电场和更好的聚焦性。

图4为本发明所述装置刺激线圈位置图。401为患者第一颈椎骨，402为患者第五颈椎骨，403为患者第六颈椎骨，404为患者第七颈椎骨。刺激线圈405的位置在401～407之间紧贴皮肤。

图5为本发明所述装置刺激线圈颈部横断面位置图。结合图5说明刺激线圈布置方法，迷走神经507与颈总动脉506、颈内静脉505共同位于颈动脉鞘504内。布置刺激线圈501时，首先需要患者向右转头，暴露颈部左侧胸锁乳突肌503，在胸锁乳突肌503前缘深部，可触及明显的搏动，就是颈总动脉506。将“8”字形刺激线圈501的中心对准该位置，紧贴皮肤502放置，对迷走神经507进行刺激，根据患者感受在该位置附近对刺激线圈501的位置进行微调，确定最终刺激线圈位置。