专利名称：微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对包括人类在内的脊椎动物的感觉、运动和内脏信号进行检测、激励和再生的方法和装置，尤其涉及一种微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置。
背景技术：
神经的损伤与再生一直是神经科学研究中的一项重要课题。真正意义上的神经再生应当是中断的神经沿着近端和远端原定的通道、通过神经细胞的分裂增殖或自动生长而实现神经的再连通。最近，美国加州大学Irvine分校Anderson教授领导的研究小组在利用人类神经干细胞修复老鼠脊髓神经损伤方面取得了进展(《科学时报》2005年9月23日)。但是，该实验存在如下问题1)他们是在老鼠脊髓神经损伤9天后才注入人类神经干细胞。这里存在的一个问题是，脊髓受伤后多久注入干细胞进行治疗才是有效的——没有人知道老鼠生命中的9天对应到人类生命是多长时间。
2)4个月之后接受治疗的老鼠才开始用后爪爬行，这段时间是否太长？3)研究者在喂养中控制了老鼠的免疫系统。而当该疗法用于人体时，也需要抑制一个人的免疫系统，这本身会带来一些严重的问题。
其他实验还表明，对于损伤6个月以上的神经束，采用干细胞方法进行修复是无效的。所有这些表明，采用干细胞方法修复人类脊椎神经损伤还有一个艰难的历程。
综上，现有技术是用生物学方法使受损神经纤维从受损的一端生长到另一端。
发明内容
本发明提供一种用微电子学方法修复受损脊椎神经的方法及其装置。
本发明所述方法采用以下技术方案一种用于对包括人类在内的脊椎动物的感觉、运动和内脏信号进行检测和再生的微电子系统辅助神经信道功能重建方法，包括下行神经信道功能重建和上行神经信道功能重建两部分，下行神经信道功能重建是在受损神经束或神经纤维的近端施加下行神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号进行放大、识别和提取，然后将提取出来的神经信号输出到下行激励器，由该下行激励器形成功能电刺激信号，再将其施加到下行信号刺激电极上，从而在远端受损神经束或神经纤维上重新产生生物神经信号；上行神经信道功能重建是在受损神经束或神经的远端施加上行神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号进行放大、识别和提取，然后将提取出来的神经信号输出到上行激励器，由该上行激励器形成功能电刺激信号，再将其施加到上行刺激电极上，从而在近端受损神经束或神经纤维上重新产生生物神经信号。
本发明所述的用于实施上述微电子系统辅助神经信道功能重建方法的装置，至少包括一路下行神经信道功能重建支路和一路上行神经信道功能重建支路；下行神经信道功能重建支路包括用于检测受损神经束或神经纤维的近端运动神经信号的下行近端检测电极、下行神经信号处理器、下行激励器和用于向远端神经束或神经纤维实施功能电刺激的下行远端刺激电极；由下行近端检测电极检测受损神经束或神经纤维的近端运动神经信号经下行处理器处理后，送入下行激励器放大并形成功能电刺激信号，该功能电刺激信号被施加于下行远端刺激电极，从而在远端受损的运动神经束或神经纤维上再生出运动神经信号；上行神经信道功能重建支路包括用于检测受损神经束或神经纤维神经信号的上行远端检测电极、上行神经信号处理器、上行激励器和用于向近端感觉神经束或神经纤维实施功能电刺激的上行近端刺激电极；由上行远端检测电极检测到受损神经束或神经纤维的感觉神经信号经上行处理器处理后，送入上行激励器放大并形成功能电刺激信号，该功能电刺激信号被施加于上行近端刺激电极从而在近端受损神经束或神经纤维上再生出感觉神经信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点本发明用检测电极检测出受损神经束或神经纤维的近端(或远端)微弱的神经电信号，再对信号进行放大、识别和提取，控制产生功能电刺激信号，刺激远端(或近端)受损神经束或神经纤维，再生出相应的生物神经信号。因此，本发明是采用微电子方法去恢复受损神经束或神经纤维的功能。而本发明所述装置则是把受损神经束或神经纤维一端的神经信号检测出来，经放大、滤波等信号处理后，再激励另一端神经、再生出同样的生物神经信号，从而，实现微电子系统辅助神经信道桥接与神经功能恢复，即本发明实现外围和脊髓损伤后神经信道桥接，实现神经功能重建。譬如，①使脊髓损伤导致瘫痪的病人排尿、排便失禁可实现自主控制。②使下肢瘫痪病人摆脱轮椅，下肢运动实现可自主控制，最终实现可自主行走。
图1是本发明神经信号微电子再生系统功能框图。
图2是本发明电极系统图。
图3是本发明放大电路示意图。
图4是本发明滤波器实施例电路图。
具体实施例方式
实施例1一种用于对包括人类在内的脊椎动物的感觉、运动和内脏信号进行检测和再生的微电子系统辅助神经信道功能重建方法，包括下行神经信道功能重建和上行神经信道功能重建，下行神经信道功能重建是在受损神经束或神经纤维的近端施加下行神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号进行放大、识别和提取，然后将提取出来的神经信号输出到下行激励器，由该下行激励器形成功能电刺激信号，再将其施加到下行信号刺激电极上，从而在远端受损神经束或神经纤维上重新产生生物神经信号；上行神经信道功能重建是在受损神经束或神经的远端施加上行神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号进行放大、识别和提取，然后将提取出来的神经信号输出到上行激励器，由该上行激励器形成功能电刺激信号，再将其施加到上行刺激电极上，从而在近端受损神经束或神经纤维上重新产生生物神经信号。
本实施例使下行检测电极检测到的神经信号经过下行切换开关阵列后再进行放大和处理，由上述下行激励器形成的功能电刺激信号经过另一下行切换开关阵列后再施加到信号刺激电极上，该下行切换开关用于切换因神经受损而发生位错的神经束或神经纤维；本实施例还使施加于受损神经束或神经纤维远端的上行神经信号检测电极检测到的神经信号经过上行切换开关阵列后再进行放大和处理，由上述上行激励器形成的功能电刺激信号经过另一上行切换开关阵列后再施加到上行信号刺激电极上，该切换上行开关用于对接因神经受损而发生位错的神经束或神经纤维。
实施例2本实施例是一种用于实施上述微电子系统辅助神经信道功能重建方法的装置，至少包括一路下行神经信道功能重建支路1和一路上行神经信道功能重建支路2，即可以是多路下行神经信道功能重建支路1和多路上行神经信道功能重建支路2，例如可根据需要选择2路、4路或8路等，上述下行神经信道功能重建支路包括用于检测受损神经束或神经纤维的近端运动神经信号的下行近端检测电极11、下行神经信号放大器12、下行神经信号处理器13、下行激励器14和用于向远端神经束或神经纤维实施功能电刺激的下行远端刺激电极15，由下行近端检测电极11检测受损神经束或神经纤维的近端运动神经信号经下行放大器12放大和下行处理器13处理后，送入下行激励器14放大并形成功能电刺激信号，该功能电刺激信号被施加于下行远端刺激电极15，从而在远端受损的运动神经束或神经纤维上再生出运动神经信号；上行神经信道功能重建支路2包括用于检测受损神经束或神经纤维神经信号的上行远端检测电极21、上行神经信号放大器22、上行神经信号处理器23、上行激励器24和用于向近端感觉神经束或神经纤维实施功能电刺激的上行近端刺激电极25，由上行远端检测电极21检测到受损神经束或神经纤维的感觉神经信号经上行放大器22放大和上行处理器23处理后，送入上行激励器24放大并形成功能电刺激信号，该功能电刺激信号被施加于上行近端刺激电极25从而在近端受损神经束或神经纤维上再生出感觉神经信号。
上述下行近端检测电极11及上行近端刺激电极25采用接触点阵列电极，具体可采用卡肤电极，在下行近端检测电极11与下行神经信号放大器12的输入端之间以及在上行激励器24的输出端与上行近端刺激电极25之间设有第一切换开关阵列，在该第一切换开关阵列上分别有用于连接下行近端检测电极11与下行神经信号放大器12的输入端的开关16和用于连接上行激励器24的输出端与上行近端刺激电极25的开关27；上行远端检测电极21及下行远端刺激电极15采用接触点阵列电极，在上行远端检测电极21与上行神经信号放大器22的输入端之间以及在下行激励器14的输出端与下行远端刺激电极15之间设有第二切换开关阵列，在该第二切换开关阵列上分别有用于连接上行远端检测电极21与上行神经信号放大器22的输入端的开关26和用于连接下行激励器14的输出端与下行远端刺激电极15的开关17，切换开关阵列的作用是根据两个电极接触点阵列与受损神经束或神经纤维两个端头的接触情况，改变各电极的作用和连接关系，达到中断了的不同神经信道的正确互连；上述神经信号处理器3的作用主要是识别和提取神经信号，它包括有源低通滤波器，该有源低通滤波器包括一个RC网络和一个运算放大器电路31，经放大器2放大后的神经信号经过第二、第三电阻R2、R3输出至运算放大器电路31的同相输入端，在运算放大器电路31的同相输入端上连接有第一电容C1并通过第一电容C1接地，在第二、第三电阻R2、R3的节点与运算放大器电路31输出端上并联连接有电容C2，在运算放大器电路31的反相输入端上连接有第一电阻R1并通过第一电阻R1接地，在运算放大器电路31的反相输入端与输出端上并联连接有电阻Rf。
上述下行神经信号放大器12或上行神经信号放大器22均包括第一、第二放大器1221、1222或2221、2222和加法器1223或2223，第一、第二放大器1221、1222或2221、2222的输出端与加法器1223或2223的输入端连接，加法器1223或2223的输出端作为下行神经信号放大器12或上行神经信号放大器22的输出端；检测电极11或21采用卡肤式神经电极，卡肤式神经电极上的位于同一直线上的三个电极触点中的中间触点与上述第一、第二放大器1221、1222或2221、2222的反相输入端连接，其余两电极触点分别与第一、第二放大器1221、1222或2221、2222的同相输入端连接。神经信号放大器的作用是将电极检测到的微弱信号放大到后续电路可以进一步处理的电压幅度。
在本实施例中，无论是检测电极还是刺激电极都由相同的排成一行的三个接触点组成。当用作检测电极时，三个接触点可构成文献中给出的三电极系统。当用作刺激电极时，可选取三个接触点中的两个，例如外边两个构成差动刺激系统。它们的作用是根据两个电极接触点阵列与受损神电极25的接触点与更多支路的电极的接触点构成近端神经电极接触点阵列。阵列中三个一组形成的一行接触点既可以用作神经信号检测，也可以用作神经信号刺激。这取决于它们在应用中所接触神经束的部分是运动还是感觉神经纤维。
此外，本发明还涉及到(1)神经信号放大神经信号源本身是高内阻的微弱信号源。通过检测电极获得的电压幅度在微伏量级。同时，高内阻神经信号源本身由于生物体内的各种生理活动具有相当大的噪声和扰动。这个问题可以通过设计高灵敏度、低噪声的放大器得以解决。鉴于神经信号的低频性质(400～4000Hz)，所以有希望设计出高灵敏度的放大器。我们已经采用0.6μm CMOS工艺设计了一种1.8V电源高增益甚低功耗生物医学用CMOS运算放大器，开环增益70.6dB，增益带宽积3.42MHz，功耗小于20μW。然而，由于神经信号的频谱集中在低频，这里有源半导体器件特别是CMOS器件的1/f噪声电平很高，高灵敏度、低噪声神经信号前置放大器的设计仍是富有挑战性的课题。(2)生物电信号处理当反映生理变化的信号通过电极检测并以电信号表达之后，进一步的处理问题就属于电信号的处理问题。这一方面有足够多的方法、技术和电路。仅就中枢神经信号的有源再生而言，可以通过插入模数变换、数字信号处理和数模变换的处理方法。但为了简化电路，减小电路功耗，本发明首推信号放大加滤波的传统的模拟信号处理方法。(3)产生神经大幅度功能电刺激信号的FES信号发生电路的功能是输出足够大的电流和电压。考虑到刺激电极与神经组织组成的二端口网络输入电阻的不确定性，可采用恒流刺激的形式。
权利要求
1.一种用于对包括人类在内的脊椎动物的感觉、运动和内脏信号进行检测和再生的微电子系统辅助神经信道功能重建方法，其特征在于包括下行神经信道功能重建和上行神经信道功能重建两部分；下行神经信道功能重建是在受损神经束或神经纤维的近端施加下行神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号进行放大和识别等处理，然后输出到下行激励器，由该下行激励器形成功能电刺激信号，再将其施加到下行信号刺激电极上，从而在远端受损神经束或神经纤维上重新产生生物神经信号；上行神经信道功能重建是在受损神经束或神经纤维的远端施加上行神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号进行放大和识别等处理，然后输出到上行激励器，由该上行激励器形成功能电刺激信号，再将其施加到上行刺激电极上，从而在近端受损神经束或神经纤维上重新产生生物神经信号。
2.根据权利要求1所述的微电子系统辅助神经信道功能重建方法，其特征在于使下行检测电极检测到的神经信号经过下行切换开关阵列后再进行放大等处理，由上述下行激励器形成的功能电刺激信号经过另一下行切换开关阵列后再施加到信号刺激电极上，该下行切换开关用于切换因神经受损而发生位错的神经束或神经纤维。
3.根据权利要求1所述的微电子系统辅助神经信道功能重建方法，其特征在于使施加于受损神经束或神经纤维远端的上行神经信号检测电极检测到的神经信号经过上行切换开关阵列后再进行放大等处理，由上述上行激励器形成的功能电刺激信号经过另一上行切换开关阵列后再施加到上行信号刺激电极上，该切换上行开关用于切换因神经受损而发生位错的神经束或神经纤维。
4.一种用于实施权利要求1所述微电子系统辅助神经信道功能重建方法的装置，其特征在于至少包括一路下行神经信道功能重建支路(1)和一路上行神经信道功能重建支路(2)，下行神经信道功能重建支路包括用于检测受损神经束或神经纤维的近端运动神经信号的下行近端检测电极(11)、下行神经信号放大器(12)、下行神经信号处理器(13)、下行激励器(14)和用于向远端神经束或神经纤维实施功能电刺激的下行远端刺激电极(15)，由下行近端检测电极(11)检测受损神经束或神经纤维的近端运动神经信号经下行放大器(12)放大和下行处理器(13)处理后，送入下行激励器(14)放大并形成功能电刺激信号，该功能电刺激信号被施加于下行远端刺激电极(15)，从而在远端受损的运动神经束或神经纤维上再生出运动神经信号；上行神经信道功能重建支路(2)包括用于检测受损神经束或神经纤维神经信号的上行远端检测电极(21)、上行神经信号放大器(22)、上行神经信号处理器(23)、上行激励器(24)和用于向近端感觉神经束或神经纤维实施功能电刺激的上行近端刺激电极(25)，由上行远端检测电极(21)检测到受损神经束或神经纤维的感觉神经信号经上行放大器(22)放大和上行处理器(23)处理后，送入上行激励器(24)放大并形成功能电刺激信号，该功能电刺激信号被施加于上行近端刺激电极(25)从而在近端受损神经束或神经纤维上再生出感觉神经信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，下行近端检测电极(11)及上行近端刺激电极(25)采用接触点阵列电极，在下行近端检测电极(11)与下行神经信号放大器(12)的输入端之间以及在上行激励器(24)的输出端与上行近端刺激电极(25)之间设有第一切换开关阵列，在该第一切换开关阵列上分别有用于连接下行近端检测电极(11)与下行神经信号放大器(12)的输入端的开关(16)和用于连接上行激励器(24)的输出端与上行近端刺激电极(25)的开关(27)；上行远端检测电极(21)及下行远端刺激电极(15)采用接触点阵列电极，在上行远端检测电极(21)与上行神经信号放大器(22)的输入端之间以及在下行激励器(14)的输出端与下行远端刺激电极(15)之间设有第二切换开关阵列，在该第二切换开关阵列上分别有用于连接上行远端检测电极(21)与上行神经信号放大器(22)的输入端的开关(26)和用于连接下行激励器(14)的输出端与下行远端刺激电极(15)的开关(17)
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于神经信号处理器(3)包括有源低通滤波器(31)，该有源低通滤波器包括一个RC网络和一个运算放大器电路(31)，经放大器(2)放大后的神经信号经过第二、第三电阻(R2、R3)输出至运算放大器电路(31)的同相输入端，在运算放大器电路(31)的同相输入端上连接有第一电容(C1)并通过第一电容(C1)接地，在第二、第三电阻(R2、R3)的节点与运算放大器电路(31)输出端上并联连接有电容(C2)，在运算放大器电路(31)的反相输入端上连接有第一电阻(R1)并通过第一电阻(R1)接地，在运算放大器电路(31)的反相输入端与输出端上并联连接有电阻(Rf)。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于下行神经信号放大器(12)或上行神经信号放大器(22)均包括第一、第二放大器(1221、1222或2221、2222)和加法器(1223或2223)，第一、第二放大器(1221、1222或2221、2222)的输出端与加法器(1223或2223)的输入端连接，加法器(1223或2223)的输出端作为下行神经信号放大器(12)或上行神经信号放大器(22)的输出端，检测电极(11或21)采用卡肤式神经电极，卡肤式神经电极上的位于同一直线上的三个电极触点中的中间触点与上述第一、第二放大器(1221、1222或2221、2222)的反相输入端连接，其余两电极触点分别与第一、第二放大器(1221、1222或2221、2222)的同相输入端连接。
全文摘要
本发明公开了一种用于对包括人类在内的脊椎动物的感觉、运动和内脏信号进行检测、激励和再生的方法和装置，尤其涉及一种微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置。它包括下行神经信道功能重建和上行神经信道功能重建两部分，用检测电极检测出受损神经束或神经纤维的近端(或远端)微弱的神经电信号，再对信号进行放大、识别和提取，控制产生功能电刺激信号，刺激远端(或近端)受损神经束或神经纤维，再生出相应的生物神经信号，它实现采用微电子方法去恢复受损神经束或神经纤维的功能。而本发明所述装置实现微电子系统辅助神经信道桥接与神经功能恢复，即实现外围和脊髓损伤后神经信道桥接和功能重建。
文档编号A61N1/00GK1810203SQ20051013554
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月30日 优先权日2005年12月30日
发明者王志功, 顾晓松, 吕晓迎 申请人:东南大学, 南通大学