专利名称：植入式可编程神经刺激器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医用器械技术领域的仪器，具体的说，涉及的是一种植入式可编程神经刺激器。
背景技术：
以人工耳蜗和视觉假体为代表的神经假体主要包括体外信息收集部分和信号处理部分，体内神经刺激器与电极部分，其间通过射频无线传输进行信号与能量传递。首先，信号收集部分采集声音或图像信息，将该信息传递至信号处理部分，进行处理、编码成电信号，通过无线传输方式传送到体内植入部件，产生电脉冲刺激听神经或视神经(视网膜或视皮层)以产生听觉或视觉。神经假体可以帮助丧失听力的人成功地听到声音，令盲人重新看到世界。神经刺激器是神经假体中的核心组成部分之一，不但可以用来有效地进行功能恢复，还可以缓解神经性疾病的症状，如帕金森病(PD)，难治性抑郁症与顽固性疼痛等。随着立体定向技术及神经刺激装置的迅速发展，神经刺激已成为功能性神经外科用来治疗帕金森病、难治性抑郁症、顽固性疼痛及其他特发性运动障碍的一种新型微创的手术方法。
经对现有技术的文献检索发现，国内专利CN1593683A记录了一种用于治疗帕金森病的可充电的脑深部刺激器。其由位于人体外的电能转换器和外部控制监测器以及植入人体皮下的刺激脉冲发生器构成。其中植入人体皮下的刺激脉冲发生器由内部微控制器以及与内部微处理器连接的刺激脉冲输出模块、电极定位测量模块、内部无线射频通讯模块、开关控制模块、模块切换、电源模块构成，所述的模块切换连接有电极。该刺激器有其专用性，并不具备广泛的适用性。
另一美国专利US6415184B1记载了一种球状可植入式的神经刺激器，其为球状植入式半导体系统用来刺激神经系统的组织实现治疗各类神经性疾病。这一球状的植入半导体由一正向和一负向电极对及接收通过无线传输方式传送电刺激脉冲的接收器组成。通过体外的电脉冲产生系统产生电脉冲信号，无线传送至体内的球状半导体中的接收器，接收器将电脉冲信号应用于电极以产生刺激神经组织的信号，起到治疗的作用。该专利控制电路和实现功能相对简单，可控制通道数目比较少，适用范围小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，在对上述系统中的神经刺激器进行技术革新改造的基础上，提出一种适用于各种神经假体和治疗用的植入式可编程神经刺激器。若体外传入的是由声信号和光信号转换而来的电信号，经过本神经刺激器并连接电极后可用于人工耳蜗和视觉假体，帮助失聪和失明者恢复听觉和视觉；若体外传入的是固定频率的电信号，经过本神经刺激器并连接电极后可用于治疗和缓解帕金森病、难治性抑郁症、顽固性疼痛及其他特发性运动障碍等。具有适用性强、实时性高、体积小、功耗低、功能强大等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括通信部分、处理控制部分和电极驱动部分。其中，通信部分主要实现对通过无线射频方式传入的能量和信息进行处理的功能；处理控制部分主要使用FPGA来实现对传入信息的解码、信息分配与传送控制、电极驱动电路的控制以及电源的控制；电极驱动部分主要使用模拟电路产生微电流或电压，并多次级连放大，以满足不同刺激所需的条件，同时还实现电荷累积消除的功能。
所述的通信部分包括能量接收模块、信号处理模块、滤波整流模块、模拟/数字(A/D)转换模块，能量接收模块接收通过无线射频方式传送过来的能量，并经滤波整流后传送给处理控制部分以实现对其后的处理控制部分和电极驱动部分的供电；信号处理模块接收通过无线射频方式传送过来的所要进行的刺激信息，并经滤波整流和A/D转换后传送给处理控制部分，同时也将处理控制部分传来的电极信息传送到体外；滤波整流模块主要实现对通过无线射频方式传送过来的能量和信号滤波及整流的功能；模拟/数字(A/D)转换模块实现将经过滤波整流的信号转换为数字信号。
所述的处理控制部分包括信号解码、信息分配与传送控制模块、电源控制和管理模块、电极监测和调节模块。信号解码、信息分配与传送控制模块接收通过通信模块传送过来的刺激信息，并将其分解成基本控制信息和刺激参数，控制后端的数字/模拟转换模块和电极驱动模块，产生需要的刺激；电源控制模块实现对处理控制部分以及电极驱动部分的供电管理；电极监测和调节模块实现监控电极状态，并将其变化情况通过无线射频通信传递体外调节和控制电路以调节电极工作在正常状态。
所述的电极驱动部分包括数字/模拟转换模块和电极驱动模块。数字/模拟转换模块实现将数字部分传送来的数字刺激信号转换成模拟信号，传递给电极驱动模块；电极驱动模块根据传递来的刺激信号驱动电极产生满足各种参数要求的刺激，同时还实现电荷累积的消除功能。
本发明根据神经刺激的电刺激理论，分析各种电脉冲参数对神经刺激的影响，确定电刺激阈值和选择性刺激的电脉冲极性，产生、综合多种形态的刺激电信号和各种模式的刺激电脉冲信号序列，驱动电极阵列，直接对神经进行功能性电刺激，应用于产生人工听觉、视觉，缓解帕金森症与抑郁症的病状，减轻病人的痛感，适用范围十分广泛，具有极高的经济效益和社会效益。
本发明的外壳由具有生物兼容性的材料构成，其表面为光滑圆弧表面，无尖锐棱角。其生物兼容性材料可以是钛或钛合金。
图1为本发明的系统构成框图；图2为本发明的通信部分的构成框图；图3为本发明的处理控制部分的构成框图；图4为本发明处理控制部分中FPGA中功能模块构成框图；图5为本发明的电极驱动部分的构成框图；图6为本发明电极驱动部分的电极驱动控制电路图；图7为本发明电极驱动部分的电荷累积消除电路图。
具体实施例方式
本发明提出一种植入式可编程神经刺激器，具体实施结合各个附图详细说明如下本发明的系统构成如图1所示，包括通信、处理控制和电极驱动三部分。其中通信部分通过无线射频方式与体外控制部件相连，其后连接处理控制部分，处理控制部分后连接电极驱动部分以驱动电极阵列。通信部分向数字部分提供能量和刺激信号的信息；处理控制部分既接收来自通信部分的信息，控制电极驱动电路驱动电极对神经产生电刺激，同时又通过监测电极状态，将信息反馈给通信部分传出体外；电极驱动部分将传入的刺激信息转化为需要的电信号驱动电极刺激神经，同时消除累积电荷，避免对神经生物组织的损伤。
本实施例中的通信部分的组成如图2所示，包括能量接收模块、信号处理模块、滤波整流模块、模拟/数字(A/D)转换模块。其中能量接收模块和信号处理模块分别通过无线射频传输方式从体外接收传来的能量和信号，能量接收模块与滤波整流模块连接，并通过该模块将能量传输给后端的处理控制部分；信号处理模块也与滤波整流模块连接，并经模拟/数字(A/D)转换模块将数字信号传输给后端的处理控制部分。能量接收模块接收通过无线射频方式传送过来的能量，并经滤波整流后传送给处理控制部分中的主要控制硬件FPGA，以实现对FPGA和其后的数字/模拟转换电路、电极驱动电路的供电；信号处理模块接收通过无线射频方式传送过来的所要进行的刺激信息，并经滤波整流和A/D转换后传送给FPGA，同时也将通过FPGA传来的电极信息传送到体外；滤波整流模块主要实现对通过无线射频方式传送过来的能量和信号滤波及整流的功能；模拟/数字(A/D)转换模块实现将经过滤波整流的信号转换为数字信号。
本实施例中的处理控制部分的组成如图3所示，包括信号解码、信息分配与传送控制模块、电源控制和管理模块、电极监测和调节模块。该三个模块前端分别与通信部分连接，后端分别连接电极驱动部分。其中信号解码、信息分配与传送控制模块模块、电极监测和调节模块主要用FPGA实现功能。
本实施例中通过控制8个数字/模拟转换器(DAC)，每个DAC控制8路电极驱动电路，实现64个刺激电极阵列。其中FPGA中的基本构成如图4所示。解码、信息分配与传送控制模块是将传入的信息分解为刺激信息以及控制信息，分别将刺激数据传送给后端的不同的电极驱动电路，满足所需的刺激脉冲波形(单极性、双极性，其中单极性脉冲还要考虑正向、负向)、脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲频率以及脉冲序列中的脉冲数目。电极监测与调节模块主要是记录电极的状态信息，同时将记录的信息传送出体外，以便使用者调整电极状态，使其工作在正常状态。电极驱动电路放大倍数的控制采用8级放大，即当后端电极驱动电路的基准电流为1毫安时，最大可放大至8毫安。
本实施例中的电源管理和控制模块主要是接收通过无线射频传送来得能量，将其按FPGA以及后面电极驱动电路的需要转化为相应的电压，满足各个部分正常工作之需要。
本实施例中的电极驱动部分的组成如图5所示，包括8个DAC、8级放大的镜象电流源和电荷累积消除电路。其中DAC前端分别与处理控制部分连接，后端分别连接镜象电流源，镜象电流源后端分别连接刺激电极。8个DAC分别控制8个镜象电流源，共64个镜象电流源，每个镜象电流源最多可放大8级。通过使用匹配的场效应管实现刺激信号的单极性、双极性脉冲的输出，其电路如图6所示。信号极性的选择依赖前端FPGA分解出来的控制信息实现。
本实施例中的电荷累积消除电路如图7所示。这部分电路设计之必须是因为直流净电荷会促使骨质生长，破坏与刺激器交接的神经细胞组织，使植入物无用。同时，电荷不平衡的波形引起植入电极表面处的电解。电解使物质从电极释放出来，会缩短电极的寿命。因而刺激器必须回收传送到电极的所有电荷以防止神经细胞的破坏，并保证足够的植入物寿命。
权利要求
1.一种植入式可编程神经刺激器，包括通信部分、处理控制部分和电极驱动部分，其特征在于，通信部分通过无线射频方式与体外控制部件相连，其后连接处理控制部分，处理控制部分后连接电极驱动部分以驱动电极阵列，通信部分对通过无线射频方式传入的能量和信息进行处理，处理控制部分使用FPGA实现对传入信息的解码、信息分配与传送控制、电极驱动电路的控制以及电源的控制，电极驱动部分使用模拟电路产生微电流或电压，并多次级连放大，以满足不同刺激所需的条件，同时还实现电荷累积消除的功能。
2.根据权利要求1所述的植入式可编程神经刺激器，其特征是，所述的通信部分包括能量接收模块、信号处理模块、滤波整流模块、A/D转换模块，其中能量接收模块和信号处理模块分别通过无线射频传输方式从体外接收传来的能量和信号，能量接收模块与滤波整流模块连接，并通过该模块将能量传输给后端的处理控制部分；信号处理模块也与滤波整流模块连接，并经A/D转换模块将数字信号传输给后端的处理控制部分。
3.根据权利要求1或者2所述的植入式可编程神经刺激器，其特征是，所述的通信部分能量接收模块接收通过无线射频方式传送过来的能量，并经滤波整流后传送给处理控制部分以实现对其后的处理控制部分和电极驱动部分的供电；信号处理模块接收通过无线射频方式传送过来的所要进行的刺激信息，并经滤波整流和A/D转换后传送给处理控制部分，同时也将处理控制部分传来的电极信息传送到体外；滤波整流模块主要实现对通过无线射频方式传送过来的能量和信号滤波及整流的功能；A/D转换模块实现将经过滤波整流的信号转换为数字信号。
4.根据权利要求1所述的植入式可编程神经刺激器，其特征是，处理控制部分包括信号解码、信息分配与传送控制模块、电源控制和管理模块、电极监测和调节模块，该三个模块前端分别与通信部分连接，后端分别连接电极驱动部分，信号解码、信息分配与传送控制模块接收通过通信模块传送过来的刺激信息，并将其分解成基本控制信息和刺激参数，控制后端的数字/模拟转换模块和电极驱动模块，产生需要的刺激；电源控制模块实现对处理控制部分以及电极驱动部分的供电管理；电极监测和调节模块实现监控电极状态，并将其变化情况通过无线射频通信传递体外调节和控制电路以调节电极工作在正常状态。
5.根据权利要求1所述的植入式可编程神经刺激器，其特征是，电极驱动部分包括数字/模拟转换模块和电极驱动模块，数字/模拟转换模块前端连接处理控制部分，后端连接电极驱动模块，电极驱动模块后连接电极阵列，数字/模拟转换模块实现将数字部分传送来的数字刺激信号转换成模拟信号，传递给电极驱动模块；电极驱动模块根据传递来的刺激信号驱动电极产生满足各种参数要求的刺激，同时还实现电荷累积的消除功能。
6.根据权利要求1所述的植入式可编程神经刺激器，其特征是，外壳由具有生物兼容性的材料构成，其表面为光滑圆弧表面。
7.根据权利要求6所述的植入式可编程神经刺激器，其特征是，生物兼容性材料是钛或钛合金。
全文摘要
一种医用器械技术领域的植入式可编程神经刺激器，包括通信部分、处理控制部分和电极驱动部分，通信部分通过无线射频方式与体外控制部件相连，其后连接处理控制部分，处理控制部分后连接电极驱动部分以驱动电极阵列，通信部分对通过无线射频方式传入的能量和信息进行处理，处理控制部分使用FPGA实现对传入信息的解码、信息分配与传送控制、电极驱动电路的控制以及电源的控制，电极驱动部分使用模拟电路产生微电流或电压，并多次级连放大，以满足不同刺激所需的条件，同时还实现电荷累积消除的功能。本发明应用于产生人工听觉、视觉，缓解帕金森症与抑郁症的病状，减轻病人的痛感，适用范围十分广泛。
文档编号A61N1/36GK1868555SQ200610025658
公开日2006年11月29日 申请日期2006年4月13日 优先权日2006年4月13日
发明者任秋实, 柴新禹, 赵瑛, 王佳, 乐卫东 申请人:上海交通大学