专利名称：用于体内电刺激/感测的装置及方法
用于体内顿ij激自鹏^as方法本公开通常涉及一种用于对生物组织进行电容式刺激和/或检测 的亚微米(例如，亚细胞大小)元件阵列。尤其是，本公开涉及一种用于针对神经疾病感测并触发神经元动作的FET电极阵列，更具体 地，涉及用于对运动障碍及其它神经疾病进行最佳控制的颅内刺激。有各种各样针对神经疾病的治疗方式，所述神经疾病包括诸如帕 金森氏病、亨廷顿氏病和不宁腿综合征的运动障碍，以及精神疾病， 包括抑郁症、双相情感障碍以及边缘型人格障碍。这些治疗方式适度 有效；不过，它们却具有严重的缺陷。一项用于控制神经疾病的通用常规技术包括对预定的神经区域 进行持续性电刺激。在试图功能上复制诸如苍白球切开术以及丘脑切 开术的组织切除的效应中，通常使用慢性高频颅内电刺激来抑制细胞 活性。在为了研究目的以及为了针对各种神经疾病的神经手术期间的 目标定位而对脑结构进行识别中使用对神经组织进行急性电刺激和 电记录以及阻抗测量已有数十年了。在术中进行电刺激的期间，使用 典型为大约75至330 Hz的频率已经实现震颤的减少。基于这些发现， 长期植入式等幅电刺激器已经被植入到如下部位丘脑、丘脑下核以 及苍白球。典型地，植入式医疗器件的电极包括单个或多个具有电活性尖端 的针，例如"犹他电极"或"犹他探针"。使用所述电活性尖端对神 经活动进行记录或对其进行刺激，例如，以消除诸如帕金森氏病的神 经疾病的症状。在帕金森氏病的治疗中，电极通过外科手术被深深植 入到患者的脑中，然后被用于将电刺激传送到脑内控制运动的目标区 域，以阻断导致震颤及帕金森氏病症状的异常神经信号。很好接受的是，刺激的选择性对于改善当前的应用(脑深部，但还有其它种类的神经刺激——外周神经、迷走神经、骶骨、耳蜗、视 网膜等)以及允许现在还未知的未来应用至关重要。最大选择性将在 有可能处理单个神经元或轴突时实现。当前，所应用的电极还不能实 现这一目标，这是由于有源元件的大小(典型的哺乳动物神经元尺寸大约为l(^m，如图4所示)，或是由于只有少数电极能被插入活体组 织中的事实。当前方法的另一问题在于，刺激通常包括将大量电流输 入组织，这对于处理大量细胞是有效果的，但是提供的选择性差，并 且有时会对细胞产生比预期更大的损害。此外，当前的这一方法消耗 了大量来自电源的能量。因而，需要一种进行体内电刺激/感测的装置和方法，其能有效 地对大量细胞进行选择性处理，而不会损害细胞，并限制刺激组织所 消耗的功率。本公开提供了一种供治疗疾病使用的对生物组织进行电容式刺 激和/或检测的装置。在一个实施例中，该装置包括支撑结构；布置 在该支撑结构中或上的至少一个刺激器件和至少一个感测器件的阵 列；以及介电层，其具有一个层表面和相反的层表面。所述一个层表 面被可操作地连接到所述阵列，并且所述相反的层表面形成用于对生 物组织进行电容式刺激和/或检测的刺激和/或感测表面。为了选择性 地对生物组织的单个生物细胞进行处理，每一刺激器件和感测器件具 有亚微米器件的尺寸。本公开还提供了一种供治疗疾病使用的对生物组织进行电容式 刺激和/或检测的方法。在一个实施例中，该方法包括将至少一个 刺激器件和至少一个感测器件的阵列布置在硅衬底上；以及将介电层 安置在所述阵列与生物组织的中间。所述介电层具有一个层表面和一 个相反的层表面。所述一个层表面被可操作地连接到所述阵列，并且 相反的层表面形成用于对生物组织进行电容式刺激和/或检测的刺激 和/或感测表面。为了选择性地对生物组织的单个生物细胞进行处理， 每一刺激器件和传感器件具有亚微米器件的尺寸。在一个示例性实施例中，所述支撑结构是半导体结构，其包括例如具有场效应晶体管(FET)的CMOS半导体结构，所述场效应晶体管 上带有用作感测和/或刺激器件的栅极。在一个示例性实施例中，疾病是指下列神经疾病中的一种例如， 帕金森氏病、亨廷顿氏病、帕金森综合症、强直、偏身颤搐、舞蹈手 足徐动症、肌张力障碍、运动不能、运动徐缓、运动过度、其它运动 障碍、癫痫、或痫性发作。从下面的详细描述中，尤其是结合附图审査时，与所公开的装置 及方法相关的附加特征、功能和优点将变得显而易见。为了辅助本领域技术人员制作和使用所公开的装置及方法，应参考附图，在附图中
图1是在先技术中具有金属导体的杆柄的俯视图，其中该金属导 体收集神经组织内的电流并向其注射电流，从而分别感测和触发神经活动；图2是根据本公开示例性实施例的具有FET电极阵列的杆柄的 俯视图，其中该FET电极使用电容耦合来感测和域触发和/或阻断神 经动作的传播或其轴突；图3是图2中的小图的放大图，示出了根据本公开示例性实施例 的可单独处理的感测及触发FET;图4示出了按图2中所示的杆柄电极的比例绘出的典型哺乳动物 神经元；图5是图4中的小图的放大图，示出了从神经元的轴突丘延伸的 郎飞氏结；以及图6是根据示例性实施例的可操作地连接到神经组织的感测/刺 激器件和数字信号处理器(DSP)的放大剖视图。如前所述，本公开的装置有利地允许和方便了例如在植入式神经 刺激医疗器件中与神经组织进行接口连接。本公开可扩展到对单个或 多个细胞进行感测或刺激而期望与其进行电容耦合的任何应用。更具 体地，本公开建议使用与神经系统单元(例如，神经元和轴突)电容耦合的亚微米(和亚细胞大小)元件阵列，来替代常规使用的单个和 多个电极电刺激植入式器件中的金属杆柄。通过使用这种方法，能实 现在选择性、功率消耗和生物相容性上的显著改善。同样，本公开的装置有赖于主流IC制造技术，这使其成本得到了节省。参照图1，示出了现有技术中的杆柄电极IO，其具有三个金属导 体12，每个都具有大约10pX 10pm的尺寸。使用金属导体12来对神 经活动进行感测及触发，以分别收集神经组织中的电流及向其注射电 流。图2示出了具有场效应晶体管(FET)器件24 (见图6)的阵列22 的杆柄电极20的示例性实施例，所述场效应晶体管器件24替换了图 1中的金属电极12。应当注意的是，杆柄电极10和20的整体尺寸基 本上相同。图3示出了图2中小图A的放大。图3示出了图2中的 小图A是具有大约lnmXl^im尺寸的正方形硅衬底。衬底24包括多 个感测器件26和多个剌激器件28。更具体地，衬底24包括三列30 感测器件26和三列32刺激器件28。为了感测或触发在由邻近的感 测和刺激器件26、 28定义的区域内的电流，列30和32彼此交替， 以便感测器件26接近刺激器件28。例如，应当认识到，但并不局限 于此，图3的衬底24示出了在lpmX lpm的区域中有三十六个感测 和刺激器件26、 28总共七十二个器件。图3中的每一器件26、 28都 是FET电极，如图6中的金属触点40所示。现在参照图4，典型的哺乳动物神经元50的直径在大约l]iim至 大约10pm之间。图4是按图2的比例绘出的，其示出了基于阵列22 中器件26、 28的数目相对于神经元50增大的选择性。图4示出了神 经元50，该神经元具有细胞体52、细胞核54以及从细胞体52延伸 出的树突56。众所周知，用于感测和触发动作电位两者的最佳位置 是所谓具有亚微米尺寸的"轴突丘"60。图4中的小图B被在图5 中放大，图5示出了"郎飞氏结"62，其中示出了轴突66中大约lOpm 至大约20nm的部分未被髓鞘64保护。应当认识到，需要至少一对FET电极26和28来分别进行感测 和刺激。最好是4个、16个或更多，如图2和3所示的将允许选择适当的神经元50或总体，例如，即使是神经元50经由数字信号处理 器(DSP)移动。因此，需要深亚微米FET晶体管。本公开建议使用标 准硅技术，例如，0.13(im的CMOS节点技术作为一种可能，以使得 每一神经元50具有至少16个器件26、 28。现在参照图6，感测器件26与MOSFET 70合并，MOSFET 70 可操作地连接到神经组织72和信号处理器74，该信号处理器74能 够在快速微处理器、DSP (数字信号处理器)芯片、或者例如在下面 将详细描述的分析电路中实现。在一个示例性实施例中，信号处理器 74是数字信号处理器(DSP)74。图6示出了处理后的感测/刺激器件的 剖视图。虽然图6示出了感测器件，但是剌激器件将具有栅极电极， 该栅极电极被连接到电压端子或类似于非易失性存储器(NVM)中的 浮动栅电极(例如，能够从漏极/源极注入载体从而在栅极上产生足 够的电位来触发神经元50放电)。感测MOSFET 70包括衬底75，衬底75具有源极76和漏极80。 在示例性实施例中，衬底74是标准硅技术中使用的硅衬底。图6示出了 MOSFET 70，其具有用于感测/刺激的感测器件的栅 极90。栅极90由低损耗金属丝92经由金属触点40连接到介电层94 的上表面。使用介电层94实际耦合在MOSFET 70的电子组件和神 经组织72之间。因而图6的感测/刺激器件被配置为对包括类似考虑的细胞体进 行感测/刺激，包括可将感测/刺激以及甚至(动作电位传播的〉阻断 动作应用在"郎飞氏结"62——例如，轴突66未被髓鞘64保护的 10-20nm部分。如上所讨论的，刺激器件优选地包括栅极电极90，该栅极电极 的电位可从外部进行控制，且介电层94被布置在金属触点40上，该 金属触点40经由低损耗金属丝92与栅极90连接。支撑结构75优选地包括半导体结构。尤其是，半导体结构可以 是硅CMOS结构。感测器件优选地包括带有源极触点76、漏极触点80和栅极触点 90的FET。尤其是，FET可以是在CMOS工艺的"前端"中形成的p型晶体管或n型晶体管。根据本公开使用的介电层94优选地布置在感测器件的金属触点 40上，金属触点40以导电方式连接到场效应晶体管的栅极触点。半 导体结构优选地是CMOS半导体结构。尤其是，金属电极可以经由 低损耗金属丝的布置以导电方式连接到栅极触点90。 FET也可操作 地连接到DSP 74从而选择性地控制/读取阵列22中的每一栅极触点 90。在本发明的一个方面，公开了一种供治疗疾病使用的神经调节系 统，其提供了可变化的刺激强度。该刺激可以是活化、抑制、以及活 化和抑制的组合中的至少一种，并且疾病是神经疾病和精神疾病中的 至少一种。例如，神经疾病可包括帕金森氏病、亨廷顿氏病、帕金森 综合症、强直、偏身颤搐、舞蹈手足徐动症、肌张力障碍、运动不能、 运动徐缓、运动过度、其它运动障碍、癫痫、或痫性发作。精神疾病 可包括，例如，抑郁症、双相情感障碍、其它情感障碍、焦虑、恐惧 症、精神分裂症、多重人格障碍。精神障碍也可包括药物滥用、注意 力缺陷多动障碍、攻击控制受损、或性行为控制受损。在本发明另一方面，公开了神经控制系统。该神经控制系统调节 至少一种神经系统成分的活性，并且包括至少一种颅内刺激电极，其 每个被构建并布置为将神经调节信号传递到至少一个神经系统成分； 至少一个传感器，其每个被构建并布置为感测至少一个参数(包括但 不限于生理值和神经信号)，其指示疾病状态、症状程度以及对治疗的响应中的至少一个；以及剌激和记录单元，其被构建并布置为基于由所述至少一个传感器响应于先前传递的神经调节信号而感测的神 经响应来生成所述神经调节信号。通过在没有延长额外能量以提供不必要的过度治疗和浪费能量 的情况下，将刺激强度最小化到满意水平以提供控制疾病症状所必需 的治疗量水平，本公开的装置使在给予患者的治疗中使用的能量效率 得到优化。在现有的刺激系统中，固定水平的刺激被投递在大的区域上，当疾病状态及症状波动时就导致了下列两种不期望情况之一； (1)治疗不足，即震颤幅度超过期望水平；或者(2)过度治疗或过10度刺激，其中投递了比实际需要多的电能。在过度治疗的情况下，电
池寿命被不必要地减少。以刺^:信号形式投递给组织的能量代表植入
式器件实质上消耗的能量部分；该能量的最小化实质上延长了电池的
寿命，并相应延长了再次手术以更换耗尽的电池之间的时间。另外，
本公开的装置有赖于主流的ic制造技术，这为现有技术提供了节省
成本的解决方案。
虽然本公开的装置已经参考其示例性实施例进行了描述，但是本 公开并不局限于这样的示例性实施例。相反，这里公开的装置在不脱 离其精神或范围的情况下，容易进行各种修饰、增强和/或变化。因 此，在随附权利要求书的范围内，本公开体现并包含这样的修饰、增 强和/或变化。
权利要求
1、一种供治疗疾病使用的对生物组织进行电容式刺激和/或检测的装置，所述装置包括支撑结构(24)；布置在所述支撑结构(24)中或上的至少一个刺激器件(28)和至少一个感测器件(26)的阵列(22)；以及介电层(94)，其具有一个层表面和相反的层表面，所述一个层表面可操作地连接到所述阵列(22)，且所述相反的层表面形成用于对生物组织(72)进行所述电容式刺激和/或检测的刺激/或感测表面；其中，为了选择性地对所述生物组织(72)的单个生物细胞进行处理，每一刺激器件(28)和感测器件(26)具有亚微米器件的尺寸。
2、 如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个刺激器件(28) 和至少一个感测器件(26)的阵列(22)包括多个用于所述单个生物细胞 的每一刺激器件(28)和感测器件(26)。
3、 如权利要求2所述的装置，其中，所述多个每一刺激器件(28) 和感测器件(26)包括对于每一所述单个生物细胞有大约4个到大约16 个之间的器件。
4、 如权利要求1所述的装置，其中，所述刺激器件(28)包括金属 电极(邻)，所述金属电极(40)的电位可从外部进行控制，并且其中， 所述介电层(94)被布置在所述金属电极(40)上。
5、 如权利要求l所述的装置，其中，所述支撑结构(24)包括半导 体结构。
6、 如权利要求5所述的装置，其中，所述半导体结构是CMOS半导休结构。
7、 如权利要求5所述的装置，其中，所述CMOS半导体结构包 括0.13pm的CMOS节点技术。
8、 如权利要求5所述的装置，其中，每一刺激器件(28)和感测器 件(26)各自包括带有源极触点(76)、漏极触点(80)以及栅极触点(90)的 场效应晶体管(FET)。
9、 如权利要求7所述的装置，其中，所述介电层(94)被布置在 MOSFET器件(70)的金属电极(40)之上，所述金属电极(40)以导电方 式被连接到所述场效应晶体管的所述栅极触点(90)。
10、 如权利要求9所述的装置，其中，所述金属电极(40)经由低 损耗金属丝(92)的布置以导电方式被连接到所述栅极触点(90)。
11、 如权利要求10所述的装置，其中，所述介电层(94)被连接到 神经细胞(50)。
12、 如权利要求8所述的装置，其中，所述FET包括浮动栅FET， 使用所述浮动栅FET进行电容耦合以刺激动作电位的生成，或阻断 动作电位沿轴突(66)的传播。
13、 如权利要求l所述的装置， 生物组织(72)提供剌激，用于活化、 的至少一种。
14、 如权利要求1所述的装置， 神疾病中的至少一种。
15、 如权利要求l所述的装置，其中，所述刺激器件(28)向所述 抑制、以及活化和抑制的组合中其中，所述疾病是神经疾病和精其中，所述神经疾病包括下列疾病中的至少一种帕金森氏病、亨廷顿氏病、帕金森综合症、强直、 偏身颤搐、舞蹈手足徐动症、肌张力障碍、运动不能、运动徐缓、运 动过度、其它运动障碍、癫痫、或痫性发作。
16、 如权利要求15所述的装置，其中，所述精神疾病包括下列 疾病中的至少一种抑郁症、双相情感障碍、其它情感障碍、焦虑、 恐惧症、精神分裂症、多重人格障碍。
17、 如权利要求14所述的装置，其中，所述精神障碍包括药物 滥用、注意力缺陷多动障碍、攻击控制受损、或性行为控制受损。
18、 如权利要求l所述的装置，还包括-数字信号处理器(DSP) (74)，其可操作地与所述阵列(22)进行通 信，所述DSP(74)提供对所述阵列(22)中的每一刺激器件(28)和感测器 件(26)进行的选择性处理。
19、 如权利要求I所述的装置，其中，所述阵列(22)被安置在杆 柄上，所述杆柄是三维电极杆柄，其具有安置在所述杆柄的至少两个 活性表面上的所述阵列(22)，以增加选择的生物细胞的数目。
20、 一种供治疗疾病使用的对生物组织进行电容式刺激和/或检测的方法，所述方法包括将至少一个刺激器件(28)和至少一个感测器件(26)的阵列(22)布置在硅衬底(24)上；以及将介电层(94)安置在所述阵列(22)和生物组织(72)的中间，所述介 电层(94)具有一个层表面和相反的层表面，所述一个层表面可操作地 连接到所述阵列(22)，并且所述相反的层表面形成用于对所述生物组 织(72)的细胞进行所述电容式刺激和/或检测的刺激和/或感测表面；其中，为了选择性地对所述生物组织(72)的单个生物细胞进行处 理，每一刺激器件(28)和传感器件(26)具有亚微米器件的尺寸。
全文摘要
这里公开了一种用于神经疾病的电刺激治疗的装置及方法。该装置及方法包括亚微米(以及亚细胞大小)的FET电极(24)的阵列(22)，所述电极电容耦合到神经系统单元上(神经元(50)和轴突(66)两者)，并作为单电极和多电极电刺激植入式器件两者中的常规金属杆柄的替代。通过使用这种方法，能够实现选择性、功率消耗及生物相容性的显著改善，以及取决于其制造的主流IC制造技术，使其成本得到了节约。本公开也能够延伸到能够使用与单个或多个细胞的电容耦合对其进行感测和/或刺激的任何应用。
文档编号A61N1/05GK101262904SQ200680033410
公开日2008年9月10日 申请日期2006年9月13日 优先权日2005年9月15日
发明者M·默茨, R·皮杰宁博格, Y·波诺马廖夫 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司