专利名称：智能脑神经核团电刺激系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学工程领域进行脑深部神经核团功能性电刺激的一种 新型的医用植入式装置。特别涉及智能脑神经核团电刺激系统。
背景技术：
脑功能性疾病是脑内核团或神经的功能异常而引起的一组临床症侯群，多 数病人不伴有器质病变。主要包括各种运动障碍性疾病，颅神经综合症，癫痫， 精神病，恶痛等多种疾病。脑功能性疾病的起病原因不同，但治疗方法近似。目前使用最为普遍的是 脑深部神经核团电刺激，它是近十年发展起来的治疗脑功能性疾病最有效的方式。国外已经设计并发明了相关的装置，并批准进入临床，已经实施了近2万例次植入手术，均取得了良好的疗效。国内还未曾见到相关的专利和报道，该类 医疗装置目前完全依赖进口。经过多年的临床调查和实验，我们发现脑深部刺激器作为毁损治疗的替代措施，具有明显优势，但诸多方面仍需要改进。例如(1) 脑深部刺激器系统没有采集记录功能，不能实施神经核团的精确定 位，影响疗效；缺乏可靠的病情数据采集、疗效评估及反馈控制体系，不能用 于对脑疾病的深入研究。(2) 无颅内压监测装置，无法监控术后大脑的恢复情况。(3) 采用一次性电池供电，使用时间和强度受到电池电量的限制。无法长期选择耗电量大的高电压高频率的刺激模式，影响疗效；而且必须定期更换 刺激装置。(4)刺激器(含电池)体积过大，手术部位的选择和手术过程中的定位 问题使得患者手术创面过大，且异物感也给患者造成长期的心理负担。这些都给患者带来不必要的肉体和精神上的痛苦和损伤，造成一定的经济 损失。发明内容本发明的目的在于提供一种智能脑神经核团电刺激系统，该系统具有神经信息记录，信息分析反馈，脑内核团电刺激等功能的治疗。它能够提供不同频率、电压和脉宽的电刺激信号；能够续、动态采集和记录神经电信号，用于植入电极的定位和信息分析；能够实施监测颅内压的变化，用于监控术后大脑的恢复情况；采用经皮电磁耦合供电方式，避免受到电池电量的限制，减小了植入部分的体积。本发明的技术方案是这样实现的本发明包括植入部分、射频控制部分和体外供电部分，体外供电部分通过 电磁耦合和植入部分的供电部分进行能量传输，两者的距离不能超过L5cm;射频控制部分和植入部分通过射频交换信息，射频控制部分向植入部分传入工作 模式命令，并接收植入部分采集的颅内压信息和神经点信号。所述的植入部分包括刺激信号发生以及信息处理单元、射频通讯单元、颅内压监测单元、神经信号采集单元、电极及传感器接口和供电单元；神经信号采集单元和颅内压监测单元与电极及传感器接口连接，电极及传感器及口与刺激信号发生以及信息处理单元的A/D端口连接，将采集到的信号数字化；刺激信号发生以及信息处理单元的D/A端口与电极及传感器接口连接，将产生的刺激信号序列输出至电极；刺激信号发生以及信息处理单元与射频通讯单元连接，其中供电单元通过电磁耦合接收体外供电部分传输的能量。射频控制部分包括控制单元、射频通讯单元、输入输出单元、信息分析处理单元、计算机接口和供电单元；控制单元的I/0口分别与瑜入输出单元、信息 分析处理单元、射频通讯单元连接；控制单元的JTAG调试口与计算机接口连接。体外供电部分包括传输线圈、高频逆变和供电单元；其中供电单元与高频 逆变连接，高频逆变通过匹配电容与传输线圈连接。输入输出单元采用直接设定或步进式搜索调整的方式调节刺激信号的频 率、电压和脉宽参数。高频逆变产生频率在500kHz—lMHz的占空比为5(E的方波。 传输线圈采用单股平面螺旋方式绕制，并和匹配电容形成振荡回路。供电单元由接收线圈、整流电路和电压调整电路构成，接收线圈与整流电路通过匹配电容连接，整流电路和电压调整电路连接。供电单元的接收线圈采用多股并绕平面螺旋的方式，和匹配电容形成振荡 回路。本发明是一种新型的可佩戴式脑深部神经核团刺激器。它适合脑功能型疾 病患者长期佩戴，能对脑深部神经和团实行靶向剌激，并能动态、连续地采集 相关生理和病理信息，通过对这些信息的分析处理，实现对刺激参数的反馈调 节。这种系统结构构思新颖，功能独特，其主要的技术特点在于(1)能够采集脑电信号，实现对刺激的参数的动态反馈调节。系统能够 动态、连续的采集刺激部位神经核团的电生理信息，分析处理后，主动调整电 剌激信号参数，达到刺激效果的最优化。(2) 能实时检测颅内压的变化，监测病人的恢复情况。(3) 实现设备的植入部分和外部供能部分的经皮能量传输，保证植入部分的稳定供电。(4) 实现设备的植入部分和外部控制部分的信息传输，保证植入部分具 有良好的可操控性，保证植入部分采集的信息能够完整地传输到控制部分并保 存。(5) 系统具有良好的生物兼容性和良好的治疗效果。
图l是本发明系统结构示意图。 图2是本发明的手术植入示意图。 图3是本发明的操作流程。
具体实施方式
图1所示，本发明由植入部分l、射频控制部分2和体外供电部分3三个部分 组成。其中植入部分1包括刺激信号发生以及信息处理单元4、射频通讯单元5、 颅内压监测单元6、神经信号采集单元7、电极及传感器接口8和供电单元9六个 子单元构成；射频控制部分2主要由控制单元10、射频通讯单元ll、输入输出单 元12 (含液晶显示和选择按键)、信息分析处理单元13、计算机接口单元14和供 电单元15六个子单元构成。外部供电部分主要由传输线圈16、高频逆变17和供 电单元18三个子单元构成。(1)植入部分l的主要组成及功能 植入部分1以刺激发生以及信息采集单元4为核心，该单元主要由单片机 MSP430F169组成。射频通讯单元5采用nRF2401通讯模块，工作频率为2.4GHz。 电极及传感器接口8使用双四选一多路模拟转换开关4052,通过MSP430F169的控制，实现对电极刺激或采集位点的选择。刺激发生以及信息采集单元4通过监测射频通讯单元5的输入信号，从射频 控制部分2获取工作状态参数，并选择相关电路实现其功能。如果接收的是刺激 参数，则根据参数产生刺激信号序列，通过电极及传感器接口8刺激脑深部神经 核团；如果接收的是采集参数，则通过电极及传感器接口8采集相应的神经核团 信息或颅内压信息，A/D转换后在传输至射频控制部分2。在刺激模式时，MSP430 F169可以根据刺激参数，选择刺激的频率、电压 以及脉冲的宽度，还可以选择刺激电极的刺激位点，使得刺激定位更加准确， 刺激强度更加合理，达到提高治疗效果的目的。在采集模式时，MSP43 F1690可以根据采集参数，选择采集颅内压信息或 神经电信号。采集颅内压信息时，颅内压监测单元6和植入在颅骨内侧面的压力 传感器相连，压力传感器将颅内压力转换为电信号输出至颅内压监测单元6，经 过整合后送至MSP430F169。采集神经信号时，MSP430F169将根据参数，选择相 应的电极采集位点，经过神经信息采集单元7滤波、放大后送至MSP430F169。 MSP430F169再将采集到的信息通过射频通讯单元5传输至射频控制部分2，以供 其分析处理。供电单元9由经皮能量传输系统的次级接收线圈、高频整流电路和电压调 整电路组成。次级线圈采用多股并绕平板螺旋的方式增加传输的效率，并与匹 配的电容构成LC振荡电路。高频整流电路将振荡变化的电压整流成直流电压； 电压调整电路则根据植入部分l所有功能单元的电源要求输出合适的电压。 (2)射频控制部分2的主要组成及功能射频控制部分2以控制单元10为核心，该单元主要由单片机MSP430F149组成。MSP430 F149通过接收输入输出单元12的输入参数来设定整个系统的工作模 式。信息分析处理单元13使用数字信号处理器TMS320VC5503作为处理芯片。计 算机接口 14采用TUSB2036芯片作为控制芯片。当系统处于采集信息模式时，控制单元10通过射频通讯单元11向植入部分 l发出命令参数，选择采集信息的类别和采集信息时的相关参数，并通过射频通 讯单元ll接收所采集到的信息，然后根据指令送至控制部分中的信息分析处理 单元13或通过计算机接口 14送至计算机。当系统处于手动刺激模式时，控制单元10读取输入输出单元12的刺激参数 设置，通过射频输出单元ll控制植入部分l的刺激信号序列的参数。同时，手动 输入模式可以按照不同的步进值来改变刺激信号的频率或电压，以方便搜索合 适的刺激参数。当系统处于自动刺激模式时，系统将采用分时复用的方式刺激或采集信 息。控制单元10将工作参数送至植入部分1后，植入部分将按照设定采集参数采 集颅内压和神经信息，并将信息反馈会射频控制部分2。其中的控制单元10将采 集到的信息送至信息分析处理单元13，经过一定方法的分析后，调整刺激参数， 再送回至植入部分l。植入部分l按照新的刺激参数刺激一定的时间后，再次采 集信息。信息分析处理单元13主要有DSP构成，其中集成了证明科学有效的非线性 分析方法。通过对输入的信息进行分析和处理，判断患者病症的类型和程度， 选择最适宜的刺激参数。输入输出单元12(3)外部供电部分3的主要组成和功能外部供电部分3主要包括原级传输线圈16和高频逆变17构成。高频逆变17 利用零电压开关-脉宽调制变换器技术，并改进其传输线圈的形式。PM1开关控 制芯片选用TI公司的低功耗占空比可调PWM控制芯片UCC3807-3，开关器件选用 高频开关管IRFU220，选择的工作频率在500kHz—lMHz之间。原级传输线圈16采用单股平面螺旋样式，其面积较之次级接收线圈为大， 可以有效提高传输效率。原级传输线圈和电容匹配，形成振荡频率和PWM开关控 制芯片工作频率相同的LC振荡回路。图2所示。本发明植入的位置应选择颅骨顶部距离所刺激的脑深部核团距 离较近的位置。与本发明配套的神经核团刺激电极23植入刺激的靶向神经核团， 颅内压传感器24植入颅骨内侧面，并于本发明的植入部分l、 19的电极及传感器 接口8连接。本发明的外部供电部分3的传输线圈16， 20贴于植入部分的头顶部皮 层的外侧，和植入部分l， 19的供电单元9的次级接收线圈同轴放置；高频逆变 部分17， 21置于耳部后方，通过导线22和传输线圈16，20连接。图3所示。打开外部供电部分3的开关后，植入部分l电路启动待机。打开 射频控制部分2，调整工作参数后，通过射频遥控植入部分l工作。可根据需要 通过将射频控制能部分2通过USB接口和计算机连接，采集需要的神经电信号和 颅内压信号，使用配套的软件进行记录、分析和处理后，将所得的参数传回射 频控制部分，用以调节植入部分的刺激信号序列。系统的一个实施例。当使用采集信号工作模式时，射频控制部分2将采集 的信号类型和电极采集位点的选择等参数通过射频ll传输给植入部分l，植入部 分1选择合适的通道8采集相应的信号，并通过射频5回传给射频控制部分2，射频控制部分2可以将采集到的信号传输至信号分析处理单元13，或经过计算机接口14传输至外部计算机。系统的另一个实施例。当使用手动刺激工作模式时，须通过输入输出单元12手动设置刺激信号的频率、电压以及脉宽等参数，如不设置则使用上次刺激 时的参数。射频控制部分2将所设定的参数传输至植入部分1，植入部分l根据得 到的参数进行电刺激。当需要选择刺激参数时，可以设定选择的某一参数的初 始值和步进值，则开始刺激后，选定的刺激参数会按照设定的步进值变化，达 到较好的刺激效果时，点击确定，可以选择此刻的刺激参数为默认的刺激参数。系统的另一个实施例。当使用自动刺激工作模式时，植入部分l首先开始 采集颅内压和神经电信号6， 7， 8，并传输至射频控制部分2，经过其中的信号 分析处理单元13的分析，将选定一定的刺激参数，该参数传回至植入部分l，植 入部分l按照此参数刺激一定的时间后，重新采集颅内压和神经电信号6， 7， 8 并反馈回射频控制部分2。通过这样的程序，达到了自动控制刺激信号序列的目 的。
权利要求
1.一种智能脑神经核团电刺激系统，包括植入部分(1)、射频控制部分(2)和体外供电部分(3)，其特征在于，体外供电部分(3)通过电磁耦合和植入部分(1)的供电部分进行能量传输，两者的距离不能超过1.5cm；射频控制部分(2)和植入部分(1)通过射频交换信息，射频控制部分(2)向植入部分(1)传入工作模式命令，并接收植入部分(1)采集的颅内压信息和神经点信号。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述的植入部分(1)包括 刺激信号发生以及信息处理单元(4)、射频通讯单元(5)、颅内压监测单元(6)、 神经信号采集单元(7)、电极及传感器接口 (8)和供电单元(9);神经信号采 集单元(7)和颅内压监测单元(6)与电极及传感器接口 (8)连接，电极及传 感器及口 (8)与刺激信号发生以及信息处理单元(4)的A/D端口连接，将采集 到的信号数字化；刺激信号发生以及信息处理单元(4)的D/A端口与电极及传 感器接口 (8)连接，将产生的刺激信号序列输出至电极；刺激信号发生以及信 息处理单元(4)与射频通讯单元(5)连接，其中供电单元(9)通过电磁耦合 接收体外供电部分(3)传输的能量。
3、 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，射频控制部分(2)包括控 制单元(10)、射频通讯单元(11)、输入输出单元(12)、信息分析处理单元(13)、 计算机接口 (14)和供电单元(15);控制单元(10)的I/0口分别与输入输出 单元(12)、信息分析处理单元(13)、射频通讯单元(11)连接；控制单元(10) 的JTAG调试口与计算机接口 (14)连接。
4、 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，体外供电部分(3)包括传输线圈(16)、高频逆变(17)和供电单元(18);其中供电单元(18)与高频 逆变(17)连接，高频逆变(17)通过匹配电容与传输线圈(16)连接。
5、 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，输入输出单元(12)采用直 接设定或步进式搜索调整的方式调节刺激信号的频率、电压和脉宽参数。
6、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，高频逆变(17)产生频率在 500kHz—lMHz的占空比为50。/。的方波。
7、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，传输线圈(16)采用单股平 面螺旋方式绕制，并和匹配电容形成振荡回路。
8、 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，供电单元(9)由接收线圈、 整流电路和电压调整电路构成，接收线圈与整流电路通过匹配电容连接，整流 电路和电压调整电路连接。
9、 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，供电单元(9)的接收线圈 采用多股并绕平面螺旋的方式，和匹配电容形成振荡回路。
全文摘要
本发明涉及一种智能脑神经核团电刺激系统。可用于手术过程中通过反馈电极周围神经的电信号帮助植入电极的定位，术后产生可以控制的电信号刺激靶向神经核团，或记录、传输和分析靶向神经核团的电信号，自动调整刺激信号序列，并监测颅内压变化。系统由植入部分、射频控制部分和体外供电部分三个部分组成。其中植入部分包括刺激信号发生以及信息处理单元、射频通讯单元、颅内压监测单元、神经信号采集单元、电极及传感器接口和供电单元六个子单元构成；射频控制部分主要由射频通讯单元、控制单元、输入输出单元信息分析处理单元和计算机接口五个子单元构成。外部供电部分主要由线圈和高频逆变电路两个子单元构成。
文档编号A61N1/05GK101259302SQ20081001767
公开日2008年9月10日 申请日期2008年3月10日 优先权日2008年3月10日
发明者张明明, 珏 王, 王庆丰, 忠 菅, 郑崇勋 申请人:西安交通大学