專(zhuān)利名稱(chēng)：：外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種醫(yī)用器械
技術(shù)領(lǐng)域：
中的裝置，具體涉及一種外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置。
背景技術(shù)：
：神經(jīng)系統(tǒng)疾病或損傷，可能?chē)?yán)重影響人體的運(yùn)動(dòng)或感覺(jué)功能。隨著神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)處理等技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大腦與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備通信和控制，讓嚴(yán)重癱瘓病人用思維或意識(shí)控制外部設(shè)備，盲人利用人工視覺(jué)重見(jiàn)光明，正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。而完成這種功能的系統(tǒng)稱(chēng)為神經(jīng)接口(Neuralinterface,NI)。神經(jīng)接口通過(guò)神經(jīng)假體實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和感官功能修復(fù)，研究神經(jīng)刺激的治療效果，使外部電子設(shè)備與神經(jīng)系統(tǒng)建立信息連接。一個(gè)神經(jīng)接口系統(tǒng)主要包括信號(hào)產(chǎn)生部分，刺激器與電極部分，通過(guò)有線或無(wú)線的方式進(jìn)行信息傳輸。首先，根據(jù)需要由體外信號(hào)產(chǎn)生部分，將控制信息編碼成電信號(hào)，傳送至刺激器驅(qū)動(dòng)電極，產(chǎn)生電脈沖刺激神經(jīng)或肌肉組織。神經(jīng)刺激裝置是神經(jīng)接口的重要組成部分，不但可以用來(lái)有效地進(jìn)行功能恢復(fù)，還可以緩解神經(jīng)性疾病的癥狀，如帕金森病(PD)，難治性抑郁癥與頑固性疼痛等。隨著神經(jīng)刺激裝置的迅速發(fā)展，功能性神經(jīng)外科的治療，如帕金森病、難治性抑郁癥、頑固性疼痛及其他特發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙，越來(lái)越傾向于采用神經(jīng)刺激方式的微創(chuàng)手術(shù)。國(guó)內(nèi)神經(jīng)接口領(lǐng)域的研究大都是通過(guò)繁瑣的導(dǎo)線將神經(jīng)接口系統(tǒng)的刺激器與控制單元相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刺激波形的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。這種有線連接方式妨礙了動(dòng)物行為的自由度，使得研究結(jié)果不能真實(shí)反映神經(jīng)刺激的效果。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國(guó)家專(zhuān)利局公開(kāi)的專(zhuān)利CN101185789A"植入式神經(jīng)微刺激和采集遙控芯片"陳述了一種遙控式神經(jīng)微刺激裝置。由于該專(zhuān)利是將神經(jīng)微刺激芯片植入于動(dòng)物的腦內(nèi)，并專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了能量耦合電源模塊，以達(dá)到向植入芯片供能的目的。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，采用非接觸式能量耦合傳輸方案，能量傳輸效率很低("AnalysisofClass-EAmplifierwithMixedDataModulationforBiotelemetry，，，inProc.IEEE29thEMBSAnn.InternConf.,Aug2007,pp.5679-5682.，一文中指出，經(jīng)PSK、00K、FSK載波調(diào)制后，能量傳輸效率仿真結(jié)果分別只有25.9%，32.7%,29%。而在實(shí)際電路中初、次級(jí)線圈易受空氣間隙大小、傳輸頻率、相對(duì)位置影響，效率不足10%)。非接觸式能量耦合傳輸方案電能傳輸效率低，功耗大，嚴(yán)重影響對(duì)植入芯片的驅(qū)動(dòng)能力。另外，考慮到個(gè)體差異、不同病癥以及刺激敏感水平不同，刺激波形要求得到實(shí)時(shí)、連續(xù)控制，該專(zhuān)利沒(méi)有提出準(zhǔn)確的刺激波形控制方法，不能保證輸入體內(nèi)電荷平衡，產(chǎn)生的電流易造成動(dòng)物神經(jīng)損傷。綜上所述缺陷，導(dǎo)致該專(zhuān)利不能得到實(shí)際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，使其在上述現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用實(shí)時(shí)的刺激波形控制和無(wú)線通訊以及模塊化的電源提供方案，更加適用于各種神經(jīng)接口的神經(jīng)刺激系統(tǒng)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括控制臺(tái)部分、微電流剌激器部分和刺激電極部分?？刂婆_(tái)部分和微電流刺激器部分置于體內(nèi)，刺激電極置于體內(nèi)。微電流刺激器部分通過(guò)無(wú)線射頻方式與控制臺(tái)部分相連，通過(guò)有線的方式與植入體內(nèi)的剌激電極部分相連。其中控制臺(tái)部分完成刺激參數(shù)輸入，并將刺激參數(shù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，采用無(wú)線方式發(fā)送給微電流刺激器部分；微電流刺激器部分將接收到的信息解碼，根據(jù)刺激參數(shù)選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形；刺激電極部分植入動(dòng)物體內(nèi)，刺激波形由刺激參數(shù)唯一決定，剌激通道也由刺激參數(shù)唯一決定。所述的控制臺(tái)部分，包括PC、USB通訊模塊、USB供電模塊和射頻發(fā)送單元。射頻發(fā)送單元包括發(fā)送控制模塊和發(fā)送模塊。PC的輸出端接USB通訊模塊的輸入端，USB通訊模塊的輸出端連接至射頻發(fā)送單元中發(fā)送控制模塊的輸入端，發(fā)送控制模塊的輸出端連接至發(fā)送模塊的輸入端。由PC輸入的具體刺激參數(shù)，經(jīng)USB通訊模塊，將刺激參數(shù)從USB通訊模塊通過(guò)UART口傳輸至射頻發(fā)送單元的發(fā)送控制模塊，經(jīng)發(fā)送控制模塊編碼后產(chǎn)生控制命令字，通過(guò)SPI口將控制命令字輸出到發(fā)送模塊。發(fā)送模塊完成命令字射頻發(fā)送功能。控制臺(tái)部分的USB供電模塊完成對(duì)射頻發(fā)送單元中發(fā)送控制模塊和發(fā)送模塊的供電，將PC的USB口電壓經(jīng)降壓整流后直接提供給射頻發(fā)送單元。由于在USB的信號(hào)傳遞過(guò)程中會(huì)摻雜進(jìn)瞬間的高壓噪聲，這些噪聲對(duì)USB口的收發(fā)電路將產(chǎn)生致命的危害，因此USB通訊模塊包括濾波電路對(duì)這些噪聲電壓進(jìn)行抑制，以保證硬件設(shè)備的安全。所述的微電流剌激器部分，包括射頻接收單元，電極驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊。射頻接收單元包括接收模塊和接收控制模塊。接收模塊的輸出端連接接收控制模塊的輸入端，接收控制模塊的輸出端連接電極驅(qū)動(dòng)模塊。電源管理模塊的輸出端連接至接收模塊、接收控制模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊。射頻發(fā)送單元的發(fā)送模塊將控制命令字經(jīng)無(wú)線方式發(fā)送后，射頻接收單元的接收模塊接收到并通過(guò)SPI口將控制命令字送至接收控制模塊，經(jīng)接收控制模塊解碼后，接收控制模塊根據(jù)刺激參數(shù)控制電極驅(qū)動(dòng)模塊，選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形。電極驅(qū)動(dòng)模塊采用ASIC工藝集成多通道，體積小，并具有隔離功能，將刺激電極與電源、控制電路以及刺激波形信號(hào)完全隔離，以確保被測(cè)試生物的安全。微電流刺激器部分的電源管理模塊采用鋰離子電池，完成對(duì)射頻接收單元的接收模塊、接收控制模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊的供電。所述的刺激電極部分，包括導(dǎo)線束和剌激電極。刺激電極通過(guò)導(dǎo)線束與微電流刺激器部分的電極驅(qū)動(dòng)模塊相連。刺激電極要求可以安全植入到動(dòng)物體內(nèi)。本發(fā)明刺激波形的控制采用無(wú)線通訊方式，避免繁瑣導(dǎo)線帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)不便；使用2.4GHz的無(wú)線頻段，該頻段屬于無(wú)需申請(qǐng)的許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段；電極驅(qū)動(dòng)模塊采用ASIC工藝集成多通道，有助于裝置的微型化，功能強(qiáng)大；將微電流刺激器部分外置，采用模塊化供電方式，實(shí)用性大大增加，適用于各種神經(jīng)接口的神經(jīng)刺激系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，功能完備，有助于仿真祌經(jīng)電刺激的過(guò)程，也可以完成動(dòng)物以及臨床實(shí)驗(yàn)。圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本發(fā)明刺激參數(shù)決定波形示意圖圖3為本發(fā)明電極驅(qū)動(dòng)模塊接口示意圖具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括控制臺(tái)部分、微電流剌激器部分和刺激電極部分?？刂婆_(tái)部分和微電流刺激器部分置于體內(nèi)，刺激電極置于體內(nèi)。微電流刺激器部分通過(guò)無(wú)線射頻方式與控制臺(tái)部分相連，通過(guò)有線的方式與植入體內(nèi)的刺激電極部分相連?？刂婆_(tái)部分完成刺激參數(shù)輸入，并將刺激參數(shù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，采用無(wú)線方式發(fā)送給微電流刺激器部分；微電流刺激器部分將接收到的信息解碼，根據(jù)剌激參數(shù)選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形。刺激電極部分植入動(dòng)物體內(nèi)。刺激波形由刺激參數(shù)唯一決定，刺激通道也由刺激參數(shù)唯一決定。刺激參數(shù)決定波形示意圖如圖2所示，主要功能為通過(guò)設(shè)置刺激參數(shù)控制微電流刺激器部分選擇刺激通道和波形。刺激通道選擇和波形需要9個(gè)參數(shù)決定。從No.1到No.8參量可以確定唯一的波形，波幅、頻率、持續(xù)時(shí)間和延遲時(shí)間都連續(xù)可調(diào)。No.9參量設(shè)定通道電極。表l.刺激參數(shù)說(shuō)明<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>控制臺(tái)部分框圖如圖l所示，包括PC、USB通訊模塊、USB供電模塊和射頻發(fā)送單元。射頻發(fā)送單元包括發(fā)送控制模塊和發(fā)送模塊。PC的輸出端接USB通訊模塊的輸入端，USB通訊模塊的輸出端連接至發(fā)送控制模塊的輸入端，發(fā)送控制模塊的輸出端連接發(fā)送模塊的輸入端。由PC輸入的具體刺激參數(shù)，經(jīng)USB通訊模塊，將刺激參數(shù)從USB通訊模塊通過(guò)UART口傳輸至發(fā)送控制模塊，經(jīng)發(fā)送控制模塊編碼后產(chǎn)生控制命令字，通過(guò)SPI口將控制命令字輸出到發(fā)送模塊。發(fā)送模塊完成命令字射頻發(fā)送功能?？刂婆_(tái)部分的USB供電模塊完成對(duì)射頻發(fā)送單元的發(fā)送控制模塊和發(fā)送模塊的供電，將PC的USB口電壓經(jīng)降壓整流后直接提供給射頻發(fā)送單元。由于在USB的信號(hào)傳遞過(guò)程中會(huì)慘雜進(jìn)瞬間的高壓噪聲，這些噪聲對(duì)USB口的收發(fā)電路將產(chǎn)生致命的危害，因此USB通訊模塊包括濾波電路對(duì)這些噪聲電壓進(jìn)行抑制，以保證硬件設(shè)備的安全。在本發(fā)明當(dāng)中選擇功耗更低、封裝小MCU和射頻發(fā)射芯片，進(jìn)一步節(jié)省了電能?？刂婆_(tái)部分與無(wú)線神經(jīng)刺激器部分的無(wú)線通訊采用ZigBee技術(shù)。ZigBee(IEEE802.15.4)是早己為人所熟知的一種低復(fù)雜度、成本和功耗的無(wú)線連接技術(shù)，可以嵌入在各種固定、便攜或移動(dòng)式控制設(shè)備中。ZigBee節(jié)點(diǎn)可以工作在3種不同的頻段內(nèi)(915MHz、838MHz和2.4GHz)。本發(fā)明中，剌激波形控制字?jǐn)?shù)據(jù)包僅含8個(gè)波形參數(shù)和1個(gè)通道選擇參數(shù)，每秒鐘幾十字節(jié)以上的通信速率即可滿足要求。因此射頻通訊收發(fā)部分采用2.4GHzISM頻段，有16個(gè)頻道，基本傳播速率為250Kbps。與藍(lán)牙等無(wú)線通訊技術(shù)相比，ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms.節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，有利于控制臺(tái)對(duì)剌激波形的實(shí)時(shí)控制。微電流刺激器部分示意圖如圖1、3所示，包括射頻接收單元，電極驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊。射頻接收單元包括接收模塊和接收控制模塊。射頻接收單元中接收模塊的輸出端連接至接收控制模塊的輸入端，接收控制模塊的輸出端連接電極驅(qū)動(dòng)模塊。電源管理模塊的輸出端接接收模塊、接收控制模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊。射頻發(fā)送單元中發(fā)送模塊的控制命令字經(jīng)無(wú)線方式發(fā)送后，射頻接收單元中接收模塊接收到并通過(guò)SPI口將控制命令字送至接收控制模塊，經(jīng)接收控制模塊解碼后，接收控制模塊根據(jù)刺激參數(shù)控制電極驅(qū)動(dòng)，選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形。電極驅(qū)動(dòng)模塊采用ASIC工藝集成多通道，體積小，并具有隔離功能，將刺激電極與電源，控制電路以及刺激波形信號(hào)完全隔離，以確保被測(cè)試生物的安全。微電流刺激器部分的電源管理模塊采用鋰離子電池，完成對(duì)射頻接收單元的接收模塊、接收控制模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊的供電。基于ASIC工藝的電極驅(qū)動(dòng)，以利用高阻抗性驅(qū)動(dòng)16個(gè)通道的雙向微電流刺激，體積為3cmX2cmX0.3cm。微電流刺激器部分的供電采用3V可充電鋰離子電池供電。鋰離子電池重量輕、體積小、能量密度高，可以保證持續(xù)刺激約24hour。ASIC設(shè)計(jì)的電極驅(qū)動(dòng)模塊接口采用12引腳，包括Vdd、Vss和10根控制線。表2電極驅(qū)動(dòng)模塊接口與接收控制模塊接口連接方法<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在上表中，將電極驅(qū)動(dòng)模塊與接收控制模塊的對(duì)應(yīng)管腳連接。AddrO、Addrl、Addr2、Addr2四根地址線能夠?qū)?6通道進(jìn)行選擇；Polarity為高電平是，輸出正向脈沖，Polarity為低電平時(shí)，輸出負(fù)向脈沖。Gain0、Gainl、Gain2可以是刺激波形的幅度在8個(gè)數(shù)量級(jí)可調(diào)。通過(guò)軟件編程，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)16通道的剌激波形的控制，包括刺激脈沖的波形、頻率、脈寬和幅度，實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)調(diào)節(jié)。微電流刺激器部分示意圖如圖1所示，包括導(dǎo)線束和刺激電極。刺激電極通過(guò)導(dǎo)線束與微電流刺激器部分的電極驅(qū)動(dòng)模塊相連。刺激電極要求可以安全植入到動(dòng)物體內(nèi)。權(quán)利要求1.一種外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征在于包括控制臺(tái)部分、微電流刺激器部分和刺激電極部分，控制臺(tái)部分和微電流刺激器部分置于體內(nèi)，刺激電極置于體內(nèi)，微電流刺激器部分通過(guò)無(wú)線射頻方式與控制臺(tái)部分相連，通過(guò)有線的方式與植入體內(nèi)的刺激電極部分相連，其中控制臺(tái)部分完成刺激參數(shù)輸入，并將刺激參數(shù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，采用無(wú)線方式發(fā)送給微電流刺激器部分；微電流刺激器部分將接收到的信息解碼，根據(jù)刺激參數(shù)選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形；刺激電極部分植入動(dòng)物體內(nèi)，刺激波形由刺激參數(shù)唯一決定，刺激通道也由刺激參數(shù)唯一決定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征是，所述的控制臺(tái)部分，包括PC、USB通訊模塊、USB供電模塊和射頻發(fā)送單元，射頻發(fā)送單元包括發(fā)送控制模塊和發(fā)送模塊，其中PC的輸出端接USB通訊模塊的輸入端，USB通訊模塊的輸出端連接至射頻發(fā)送單元中發(fā)送控制模塊的輸入端，發(fā)送控制模塊的輸出端連接至發(fā)送模塊的輸入端，由PC輸入的具體刺激參數(shù)，經(jīng)USB通訊模塊，將刺激參數(shù)從USB通訊模塊通過(guò)UART口傳輸至射頻發(fā)送單元的發(fā)送控制模塊，經(jīng)發(fā)送控制模塊編碼后產(chǎn)生控制命令字，通過(guò)SPI口將控制命令字輸出到發(fā)送模塊，發(fā)送模塊完成命令字射頻發(fā)送功能，控制臺(tái)部分的USB供電模塊完成對(duì)射頻發(fā)送單元中發(fā)送控制模塊和發(fā)送模塊的供電，將PC的USB口電壓經(jīng)降壓整流后直接提供給射頻發(fā)送單元。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征是，所述USB通訊模塊包括濾波電路，對(duì)在USB的信號(hào)傳遞過(guò)程中摻雜進(jìn)的瞬間高壓噪聲進(jìn)行抑制。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征是，所述的微電流刺激器部分，包括射頻接收單元、電極驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊，射頻接收單元包括接收模塊和接收控制模塊，其中射頻接收單元中接收模塊的輸出端連接至接收控制模塊的輸入端，接收控制模塊的輸出端連接電極驅(qū)動(dòng)模塊，電源管理模塊的輸出端接接收模塊、接收控制模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊，射頻發(fā)送單元中發(fā)送模塊的控制命令字經(jīng)無(wú)線方式發(fā)送后，射頻接收單元中接收模塊接收到并通過(guò)SPI口將控制命令字送至接收控制模塊，經(jīng)接收控制模塊解碼后，接收控制模塊根據(jù)刺激參數(shù)控制電極驅(qū)動(dòng)，選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形，電極驅(qū)動(dòng)模塊將刺激電極與電源，控制電路以及刺激波形信號(hào)完全隔離，電源管理模塊采用鋰離子電池，完成對(duì)射頻接收單元的接收模塊、接收控制模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊的供電。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征是，所述微電流刺激器部分通過(guò)刺激參數(shù)控制其選擇刺激通道和波形，刺激通道選擇和波形需要9個(gè)參數(shù)決定，9個(gè)參數(shù)分別為循環(huán)個(gè)數(shù)CycNum、初始延遲時(shí)間StaTime、脈沖開(kāi)始NegFirst、正相脈沖增益PosGain、正相脈沖持續(xù)時(shí)間PosTime、負(fù)相脈沖增益、負(fù)相脈沖持續(xù)時(shí)間NegTime、脈沖每一個(gè)周期結(jié)束后的延遲時(shí)間OffTime、設(shè)定每一個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的電極ProbCh，其中參數(shù)ProbCh設(shè)定通道電極，其他8個(gè)參數(shù)能確定唯一的波形，實(shí)現(xiàn)剌激波形幅度、頻率、間隔時(shí)間可調(diào)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征是，所述的電極驅(qū)動(dòng)模塊采用ASIC工藝集成多通道。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，其特征是，所述的刺激電極部分，包括導(dǎo)線束和刺激電極，刺激電極通過(guò)導(dǎo)線束與電極驅(qū)動(dòng)模塊相連，剌激電極能安全植入到動(dòng)物體內(nèi)。全文摘要一種醫(yī)用器械
技術(shù)領(lǐng)域：
的外置式無(wú)線神經(jīng)刺激裝置，包括控制臺(tái)部分、微電流刺激器部分和刺激電極部分。所述的控制臺(tái)部分完成刺激參數(shù)輸入，并將刺激參數(shù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，采用無(wú)線方式發(fā)送給微電流刺激器部分；微電流刺激器部分將接收到的信息解碼，根據(jù)刺激參數(shù)選擇刺激發(fā)生通道，產(chǎn)生刺激波形。刺激電極部分植入動(dòng)物體內(nèi)。刺激波形由刺激參數(shù)唯一決定，刺激通道也由刺激參數(shù)唯一決定。本發(fā)明無(wú)線傳輸方案和模塊化供電，既實(shí)現(xiàn)對(duì)刺激電脈沖實(shí)時(shí)控制，又增加了刺激裝置的適用性、安全性，具備了體積小、功耗低、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。文檔編號(hào)A61N1/00GK101391130SQ20081020162公開(kāi)日2009年3月25日申請(qǐng)日期2008年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日發(fā)明者任秋實(shí),吳開(kāi)杰,柴新禹,帥牛,王洪良申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)