专利名称：神经植入电极模拟测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及神经工程，是一种生物医学工程技术领域的新型设计，具体涉及一种对脑部环境与脑部微动模拟，并对神经植入电极的工作性能，包括强度、寿命等进行模拟测试的测试系统。
背景技术：
神经系统是一个开放的复杂巨系统，对于神经系统的深入研究是人类最富挑战的探索。几个世纪以来人类一直在努力探索神经系统的奥秘，寻求治疗神经疾患的有效手段。 随着人们对神经科学研究的深入，衍生了神经工程这样一门学科，它是神经科学、材料科学、微电子技术以及信息科学的交叉学科，在揭示神经系统的工作机理以及神经疾病的治疗和神经康复等方面具有重要意义。神经假体设备，如深部脑刺激器，应用神经微电极来作为神经系统与外部设备的接触界面。深部脑刺激是一种神经外科学治疗方案，即用电子信号来刺激大脑，多年以来，它已变成了一个非常成功的治疗方法用来治疗一些难治性疾病， 例如慢性疼痛，帕金森病，震颤和肌张力障碍。在神经工程系统中，最关键的部件就是神经-电子接口即神经电极。它的功能主要表现为两种形式一种是将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析研究；另一种是利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激。神经植入电极模拟测试系统是用于测试神经植入电极的工作性能，而为了使测试的结果真实可信，测试系统的环境必须能真实模拟生物组织的环境(对于本课题而言，面向的是植入人体大脑的神经植入电极，所以这个环境就是人体脑组织的生物环境)。脑组织的生物环境有很大的特殊性，作为人体的内环境的一部分，组织液的腐蚀、体内细胞组织对外来物体的攻击是不可避免的。而神经植入电极的工作失效还有一个非常重要的因素，就是脑组织的微动。脑组织的微动来源很多，其振幅、频率都很复杂，长期的作用很容易对神经植入电极造成疲劳等机械损伤，表现为神经纤维变细，出现神经纤维稀疏区，同时诱导纤维结缔组织包裹，导致微电极的刺激和记录性能下降，限制了微电极在人体周围神经中长期留置。因此神经植入电极必须具备良好的力学性能才能够维持长期的正常工作状态。鉴于此，有必要建立一套模拟测试系统对神经植入电极的力学性能进行测试，而这套测试系统必须至少有两项功能，即模拟脑部的环境和模拟脑组织的复杂的微动。经对现有技术文献的检索发现，D. Stewart在《Aircraft Engineering)) 1966 (4) p30-;35 撰文〃 A Platform with Six Degrees of Freedom"( “六自由度工作台”)。该文提出了一种经典的六自由度微振动平台，即Mewart平台(但在此之前V E Gough也提出过，所以有时也称为Gough/Stewart平台)。Mewart平台的主要特点就是有基座和载物台两部分，二者通过六个可以伸缩的连杆相连接，连杆与基座和载物台之间通过有特定自由度的铰链相连接，通过控制六个连杆的长度的变化，就可以实现载物台的六个自由度的运动。由于脑组织特殊的物理性能(如脑组织的弹性模量、密度、惯性等)和化学性能(如酸碱度、各种离子、化合物的浓度等)，需要特殊的模块来模拟脑部环境。此外，脑组织微动的频率具有不确定性，微动的振幅十分微小，对模拟测试系统精度和稳定性的要求非常高， 这是Mewart平台所不能达到的。因此，本发明在Mewart平台的基础上进行改进设计，发明出了一种可以模拟脑部环境和模拟脑组织的复杂微动的神经植入电极模拟测试系统。
发明内容
本发明的目的是为了实现对脑部物理化学环境和脑部复杂形式微动的模拟，以及对神经植入电极工作性能的检测评价，提出一种神经植入电极模拟测试系统，该系统可以提供脑部物理化学环境的模拟，并检测神经植入电极在此环境下的工作性能。本发明具体通过以下技术方案实现的一种神经植入电极模拟测试系统，其特点在于该系统包括脑部环境模拟模块、微振动平台模块和控制模块所述的脑部环境模拟模块由与脑组织具有相似物理化学性能的材料构成；所述的微振动平台模块是一个具有6自由度的微振动平台，该微振动平台由中心对称的3组连杆、基座和载物台构成，所述的基座呈圆筒形，其内周壁上间隔均勻地设有三组上台和下台，每组连杆由相互连接的上连杆和下连杆构成，所述的上连杆的上段和下段之间串联一个作动器，所述的下连杆的上段和下段之间串联一个作动器，所述的下连杆的上段的上端通过一个铰链与所述的上连杆的下段相连，该上连杆的上段的末端通过一个球型铰链与所述的载物台的底边缘相连，所述的上连杆的下段的下端和下连杆的下段的下端分别通过铰链连接在所述的基座的对应的上台上和下台上，所述的作动器使相应的连杆伸缩，通过连杆长度的变化使所述的载物台形成6个自由度上的微动，所述的基座的底部有丁基胶作为该微振动平台的隔振层实现隔振，所述的载物台供所述的脑部环境模拟模块置放；所述的控制模块是控制所述的微振动平台运动的控制机构，由作动器、驱动电源和控制系统构成，所述的驱动电源是可控双向恒流源，所述的控制系统由上位微机、数模/ 模数转换器、传感器、开关和仪表构成。所述的作动器的核心部件是一根超磁致伸缩材料棒，该超磁致伸缩材料棒的前端连接刚性的位移输出轴与所述的连杆的上段相连，该作动器的外套之底与所述的连杆的下段相连；所述的超磁致伸缩材料棒的后端与底板相贴，该底板与作动器外套之间还有对称分布的两个预紧弹簧，为超磁致伸缩材料棒提供预应力，在所述的超磁致伸缩材料棒左右对称地布置两个驱动线圈，该驱动线圈的两端均连接导磁体，以使所述的驱动线圈产生的磁场连续而均勻，最外围还有一圈大的偏置磁场线圈，由直流信号驱动提供一个稳定的偏置磁场，在驱动磁场和偏置磁场的共同作用下，超磁致伸缩材料棒输出轴向的位移。所述的脑部环境模拟模块进行脑部物理化学环境的模拟，力求该环境对神经植入电极的作用力、腐蚀等效应接近真实情况。微振动平台模块建立了一套能够产生6自由度微动的机构，来模拟脑部各种复杂的微动。控制模块产生并控制微振动的振幅、频率。本发明的技术效果如下该测试系统通过脑部环境模拟模块模拟脑部组织环境，并将神经电极植入脑部环境模拟模块，通过控制模块对作动器的动态响应特性进行观察，并可根据实际需要改变参数，控制微振动平台的动作，得到不同的微振动状态。通过传感器，可以记录在不同微振动状态下模拟模块的力学和形态特征，便于研究神经电极微动状态对脑组织的影响，从而为新型神经电极的提供实验依据。同时，脑部环境模拟模块若采用生物活性物质(如细胞)， 通过该微振动平台，可以观察不同微振动状态下，神经电极植入后脑组织的组织包裹现象， 以及神经电极的电学性能变化。这样不仅可以代替复杂的活体实验，简化操作，同时避免了活体实验带来的风险和危害。本发明的微振动平台采用并联机构，能够很好的模拟脑组织特殊的物理化学环境和各种复杂的微动，具有很高的定位精度、快速的运动响应、较高的承载能力和良好的稳定性等，且符合微动对其具有很小工作空间的要求。
图1是微振动平台的立体示意图。图2是微振动平台去基座后的连杆布置的立体示意图。图3是铰链布置示意图。铰链显示1、2、3是2个自由度的旋转铰链，铰链4是万向球铰。图4是作动器结构剖视图。图中1-一位移输出轴(连接超磁致伸缩材料，输出微振动的位移)；2-—作动器外套(外围贴有散热片以及时散出线圈产生的热量)；3—偏置线圈(由于超磁致伸缩材料的倍频现象，需要由永磁体外加一个恒定的偏置磁场，以在相同驱动磁场作用下获得更大的形变)；4—驱动线圈(左右对称布置，串联，以实现中间处磁场的均勻)；5—超磁致伸缩材料棒(目前甘肃天星稀土功能材料有限公司生产此类产品，同时该公司的技术标准也是国家标准)；6-—导磁体；7—预紧弹簧(两个，对称布置)。图5是控制电路模块图。图6是可控双向恒流源电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了具体的实施方法，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明神经植入电极模拟测试系统，其特征在于该系统包括脑部环境模拟模块、 微振动平台模块和控制模块所述的脑部环境模拟模块由与脑组织具有相似物理化学性能的材料构成，如水凝胶、粘蛋白等，同时可在这些材料里加入生物活性物质(如细胞)，增加模拟环境的真实度和可靠性。所述的微振动平台模块是一个具有6自由度的微振动平台，请参阅图1，该微振动平台由中心对称的3组连杆A、基座B和载物台C构成，所述的基座B呈圆筒形，其内周壁上间隔均勻地设有三组上台和下台，每组连杆A由相互连接的上连杆和下连杆构成，所述的上连杆的上段和下段之间串联一个作动器，所述的下连杆的上段和下段之间串联一个作动器，所述的下连杆的上段的上端通过一个铰链与所述的上连杆的下段相连，该上连杆的上段的末端通过一个球型铰链与所述的载物台C的底边缘相连，所述的上连杆的下段的下端和下连杆的下段的下端通过铰链分别固定在所述的基座B的对应的上台上和下台上，所述的作动器使相应的连杆伸缩，通过连杆长度的变化使所述的载物台形成6个自由度上的微动，所述的基座的底部有丁基胶作为该微振动平台的隔振层实现隔振，所述的载物台供所述的脑部环境模拟模块置放；所述的控制模块是控制所述的微振动平台运动的控制机构，由作动器、驱动电源和控制系统构成，所述的驱动电源是可控双向恒流源，所述的控制系统由上位微机、数模/ 模数转换器、传感器、开关、仪表构成。作动器2的核心部件是一根超磁致伸缩材料棒5，该超磁致伸缩材料棒5的前端连接刚性的位移输出轴1再与所述的连杆的上段相连，该作动器的外套2之底与所述的连杆的下段相连；所述的超磁致伸缩材料棒5的后端与底板相贴，该底板与作动器外套2之间还有对称分布的两个预紧弹簧7，为超磁致伸缩材料棒提供预应力，在所述的超磁致伸缩材料棒5左右对称地布置两个驱动线圈4，该驱动线圈4的两端均连接导磁体6，以使所述的驱动线圈4产生的磁场连续而均勻，最外围还有一圈大的偏置磁场线圈3，由直流信号驱动提供一个稳定的偏置磁场，在驱动磁场和偏置磁场的共同作用下，超磁致伸缩材料棒5输出轴向的位移。整个系统分成3大模块即脑部环境模拟模块、微振动平台模块、控制模块。脑部环境模拟模块进行脑部物理化学环境的模拟，力求该环境对神经植入电极的作用力、腐蚀等效应接近真实情况。微振动平台模块建立了一套能够产生6自由度微动的机构，来模拟脑部各种复杂的微动。控制模块能够产生并控制微振动的振幅、频率，并设计出完整的驱动电路。(1)脑部环境模拟模块。这一模块根据脑部材料(粘弹性材料)的性质(杨氏模量、密度)，脑部环境的特征(PH值、各种物质所占比例)，采用与脑组织具有相似物理化学性能的材料构成，如水凝胶、粘蛋白等，同时可在这些材料里加入生物活性物质(如细胞)，增加模拟环境的真实度和可靠性。(2)微振动平台模块这一模块为一个6自由度微振动平台的设计。该平台由中心对称的3组(每组上下2个)连杆、基座和载物台构成。连杆通过铰链连接基座和载物台，每个连杆上安装一个可以使连杆伸缩的作动器，通过连杆长度的变化可以控制载物台在6个自由度上的运动。 同时应用被动隔振的方法，用50mm厚度的丁基胶作为隔振台实现隔振。如图1所示，脑组织材料的模拟物水凝胶放置在载物台上，神经植入电极插入水凝胶中，六个作动器(图中连杆上的突起部分)控制着连杆的伸缩，由于铰链的约束，载物台就可以实现6自由度的振动。微振动平台的具体几何尺寸为几何参数数值
平台基座外径150mm~
平台基座内径130mm
平台整体高度200mm载物台半径r40mm
载物台高度50mm
上下杆铰链的垂直距离h IOOmm 作动器长度30mm
作动器半径IOmm(3)控制模块控制模块由3部分组成，即作动器、驱动电源和控制系统。其中作动器是产生微动的关键部件，为了能够很好模拟脑组织微动，选择了超磁致伸缩材料作动器。驱动电源为超磁致伸缩材料作动器提供驱动信号，必须工作稳定并且双向(正负方向)连续可调，因此选择了可控双向恒流源。控制器单元主要包括控制系统和控制方法。控制器单元借鉴了贾宇辉，谭久彬和翁虹等人的在《超磁致伸缩材料微位移驱动系统的研究》和《磁致伸缩致动器控制系统的研制》中提到的技术，由上位微机、数模/模数转换器、传感器、开关、仪表以及前面所述的超磁致伸缩材料作动器和可控双向恒流源构成。控制方法是通过对作动器的动态响应特性进行考察，然后改变一定的参数从而改进其响应性能。如图4所示，作动器的核心是一根直径4mm，长度15mm的超磁致伸缩材料棒5，该超磁致伸缩材料棒5的前端连接刚性的位移输出轴1，进而与平台的机械结构相连。该超磁致伸缩材料棒5的后端与底板相贴。该底板与作动器外套2之间还有对称的两个预紧弹簧 7，其作用是为超磁致伸缩材料棒提供预应力。预应力对超磁致伸缩材料棒的磁致伸缩效应有很大的增强作用，约为不加应力时的2倍。左右对称布置的驱动线圈4是来提供驱动超磁致伸缩材料棒的磁场。该驱动线圈4的两端均连接导磁体6以使得驱动线圈4产生的磁场连续而均勻。而最外围还有一圈大的偏置磁场线圈3，由直流信号驱动来提供一个稳定的偏置磁场。该偏置磁场同样是为了增大超磁致伸缩材料的磁致伸缩率而添加的。在驱动磁场和偏置磁场的共同作用下，超磁致伸缩材料棒可以输出轴向的位移。如图6所示，可控双向恒流源的控制信号为电压U。，输出信号为电流Itj，根据模拟电路的理论分析可以得到Itj =队/%。为了提高电流控制的精度，电阻&应该选用温度稳定性好的无感线绕电阻，为了减小电阻Rs的耗散功率，还应该在保证电路稳定工作的前提下尽量取小一些的阻值(譬如可以取队、R2> R3> R4的阻值的一半)，电阻队、R2> R3、R4也应当选用精度高的电阻(优于0. 5% )。本实施例所设计的微振动平台采用并联机构，能够很好的模拟脑组织特殊的物理化学环境和各种复杂的微动，具有很高的定位精度、快速的运动响应、较高的承载能力和良好的稳定性等，且符合微动对其具有很小工作空间的要求。
权利要求
1.一种神经植入电极模拟测试系统，其特征在于该系统包括脑部环境模拟模块、微振动平台模块和控制模块所述的脑部环境模拟模块由与脑组织具有相似物理化学性能的材料构成； 所述的微振动平台模块是一个具有6自由度的微振动平台，该微振动平台由中心对称的3组连杆(A)、基座⑶和载物台(C)构成，所述的基座⑶呈圆筒形，其内周壁上间隔均勻地设有三组上台和下台，每组连杆(A)由相互连接的上连杆和下连杆构成，所述的上连杆的上段和下段之间串联一个作动器，所述的下连杆的上段和下段之间串联一个作动器， 所述的下连杆的上段的上端通过一个铰链与所述的上连杆的下段相连，该上连杆的上段的末端通过一个球型铰链与所述的载物台(C)的底边缘相连，所述的上连杆的下段的下端和下连杆的下段的下端分别通过铰链固定在所述的基座的对应的上台上和下台上，所述的作动器使相应的连杆伸缩，通过连杆长度的变化使所述的载物台形成6个自由度上的微动， 所述的基座的底部有丁基胶作为该微振动平台的隔振层实现隔振，所述的载物台供所述的脑部环境模拟模块置放；所述的控制模块是控制所述的微振动平台运动的控制机构，由作动器、驱动电源和控制系统构成，所述的驱动电源是可控双向恒流源，所述的控制系统由上位微机、数模/模数转换器、传感器、开关、仪表构成。
2.根据权利要求1所述的模拟测试系统，其特征在于，所述的作动器(2)的核心部件是一根超磁致伸缩材料棒(5)，该超磁致伸缩材料棒( 的前端连接刚性的位移输出轴(1)再与所述的连杆的上段相连，该作动器的外套( 之底与所述的连杆的下段相连；所述的超磁致伸缩材料棒(5)的后端与底板相贴，该底板与作动器外套( 之间还有对称分布的两个预紧弹簧(7)，为超磁致伸缩材料棒提供预应力，在所述的超磁致伸缩材料棒( 左右对称地布置两个驱动线圈G)，该驱动线圈的两端均连接导磁体(6)，以使所述的驱动线圈(4)产生的磁场连续而均勻，最外围还有一圈大的偏置磁场线圈(3)，由直流信号驱动提供一个稳定的偏置磁场，在驱动磁场和偏置磁场的共同作用下，超磁致伸缩材料棒(5)输出轴向的位移。
全文摘要
一种神经植入电极模拟测试系统，包括脑部环境模拟模块、微振动平台模块和控制模块脑部环境模拟模块用与脑组织具有相似物理化学性能的材料，微振动平台模块由6自由度微振动平台模拟脑部微动，控制模块用超磁致伸缩材料作用器产生微动，并通过可控双向恒流源和控制电路对作动器进行控制。本发明采用并联机构，能够很好的模拟脑组织特殊的物理化学环境和各种复杂的微动，具有很高的定位精度、快速的运动响应、较高的承载能力和良好的稳定性等，且符合微动对其具有很小工作空间的要求。
文档编号G01M7/06GK102519695SQ201110431149
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者吴栋栋, 张文光, 汪洋 申请人:上海交通大学