專利名稱：一種植入式神經電脈沖刺激系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過對靶點的電脈沖刺激作用治療神經系統疾病的植入式神經電脈沖刺激系統，屬于植入式醫療儀器技術領域。
背景技術：
對某些類型的神經系統疾病，如帕金森病、癲癇、頑固性疼痛、扭轉痙攣、痙攣性斜頸、舞蹈病、特發性眩暈，臨床上常用藥物治療和外科手術治療，但副作用和并發癥是重要的弊端。電刺激療法通過對不同疾病相應的靶點進行慢性電脈沖刺激，如對帕金森病刺激丘腦底核及蒼白球，對癲癇刺激迷走神經，起到對因治療作用，是一種可逆性的神經調節治療，是一種理想的治療方法。
中國發明專利“多通道可植入的神經刺激器”(申請號86103049)，用外部傳送器把數字編碼信號連同能量通過皮膚送入植入的接收器/刺激器，刺激器將位流解碼，把電荷或電流波形送入植入聽覺神經或耳蝸的電極。該刺激器必須由外部傳送器控制同時工作，電路結構和算法決定了該刺激器只能用于聽覺神經修補系統。中國發明專利(申請號01810456.8)“用于刺激有機體器官和組織的植入式和可編程電刺激器”，將生物傳感器遍布外殼的整個表面，疾病導致的呼吸和心血管的變化被傳感器記錄，根據一定的算法，在線電極上形成電流脈沖。該刺激器以呼吸和心血管的生理信號為依據，通過電刺激改變組織器官的機能活動，不適用于神經刺激。
目前臨床應用的植入式電脈沖刺激系統主要由Medtronic、Cyberonics等美國公司生產，技術方案未公開。缺點在于，脈沖參數(包括脈沖幅度、脈寬、周期)只能粗略調節，分幾檔至幾十檔；脈沖參數誤差大，達到±25％甚至更高；脈沖發生器植入體內后，軟硬件無法改動，一旦由于外界原因出現任何故障，或者軟件需要升級換代，必須手術取出更換，既增加患者痛苦，又加重經濟負擔。
發明內容
針對現有技術中存在的不足，本發明的目的是為神經系統疾病患者，提供一種植入式神經電脈沖刺激系統，可用于刺激腦部或神經，有效控制和治療疾病，該系統可用于治療神經系統疾病。
本發明的特征在于該系統含有植入人體內相應部位的電極、植入人體內且外殼用純鈦制造的脈沖發生器、位于體外的掌上電腦、程控器，其中脈沖發生器含有微處理器、體內外雙向通信部件、電流脈沖刺激部件和電源，其中微處理器，在該微處理器內部集成了作為程序存儲器用的大容量的FLASH存儲器，并且支持自編程操作；程控振蕩器，該振蕩器的控制信號輸入端與所述微處理器的相應輸出端相連；發射線圈，該線圈的發射信號輸入端與所述程控振蕩器的相應輸出端相連；檢波器，該檢波器的數據信號輸出端與所述微處理器的相應輸入端相連；放大器，該放大器的信號輸出端與所述檢波器的信號輸入端相連；接收線圈，該線圈的接收信號輸出端與所述放大器的信號輸入端相連；所述程控振蕩器、發射線圈、檢波器、放大器和接收線圈共同構成所述脈沖發生器與體外的程控器兩者之間的雙向通信部件；程控電壓源，該電壓源由一個DC-DC轉換器構成，由脈沖發生器電源供電，輸出電壓的控制信號輸入端與所述微處理器相應的輸出端相連，在該微處理器控制下，所述程控電壓源的輸出電壓是多檔可調的；程控電流源，該電流源的電源信號輸入端與所述程控電壓源的電源輸出端相連；DA轉換器，該轉換器的數字信號輸入端與所述微處理器的相應輸出端相連，該轉換器的模擬電源輸出端與所述程控電流源的輸出電流控制信號輸入端相連；電流反饋電路，該電路的檢測信號輸入端與所述的程控電流源的電流輸出端相連，該電流反饋電路的反饋信號輸出端與所述微處理器的相應輸入端相連；上述程控電壓源、程控電流源、DA轉換器以及電流反饋電路構成一個電流脈沖刺激部件；脈沖發生器電源；程控器，含有電源電路、信號發射電路和信號接收電路，其中電源電路，由電池和電壓變換器串聯而成；信號發射電路，由發射轉換器、振蕩器、發射信號功率放大電路以及發射線圈依次串聯而成，所述脈沖發生器中的接收線圈接收該程控器中信號發射電路發出的發射信號；信號接收電路，由接收轉換器、接收檢波器、接收信號放大電路以及接收線圈依次串聯而成，所述脈沖發生器中的發射線圈向所述程控器中的信號接收電路發出信號；掌上電腦，通過其串口與所述程控器雙向通信，以便對所述脈沖發生器進行信息和狀態遙測、運行參數程控和微處理器程序更新。
電極，通過導線與所述脈沖發生器的電流脈沖刺激信號輸出端相連。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果(1)使用DA轉換器，不僅脈沖幅度參數和脈寬、周期等時間參數控制精確、靈活，而且實現了任意波形發生功能，既可輸出常規矩形刺激脈沖，也可輸出復雜波形刺激脈沖；(2)使用大容量Flash作為程序存儲器，能夠通過PDA和程控器更新植入脈沖發生器的軟件，它可以實現基于最新的科研和臨床成就，更新刺激方式，從而無需手術即可更新有關算法和刺激模式，實現產品的更新換代，減小患者的手術痛苦和經濟負擔；同時提供了神經刺激器從通用型到針對每個病人的情況提供不同解決方案的可能性；(3)全國有上千萬帕金森、癲癇等神經系統疾病患者，本發明具有極高的經濟效益和社會效益。
圖1是本發明的系統框圖。
圖2是本發明的植入脈沖發生器的原理框圖。
圖3是本發明的刺激電脈沖波形示意圖。
圖4是本發明的體外程控器的原理框圖。
具體實施例方式
為了達到上述目的，本發明的技術方案用如下方案實現一種植入式神經電脈沖刺激系統，包括，植于人體內的脈沖發生器和電極，所述脈沖發生器包括微處理器和數模轉換器，數模轉換器將微處理器輸出的數字信號轉換成模擬信號，以向所述電極輸出參數可調的刺激電脈沖。
本發明脈沖發生器的外殼可由生物相容性的純鈦制造，沖壓成型，激光焊接密封。
進一步地，脈沖發生器可包括程控電流源，通過所述模擬信號控制所述程控電流源的輸出電流值，向所述電極提供參數可調的刺激電脈沖。
進一步地，脈沖發生器可包括程控電壓源，以向所述程控電流源供電。
進一步地，脈沖發生器可包括電流反饋電路，所述微處理器通過調節所述程控電壓源的輸出電壓，兼顧所述程控電流源輸出電流的精確性和所述脈沖發生器的功耗。
進一步地，脈沖發生器可包括電荷平衡電路，用于向被刺激的神經提供反向電流補償。
此外，本發明的系統具有自動刺激模式和磁鐵刺激模式兩種工作模式，且所述兩種工作模式可由脈沖發生器內部的簧片開關的開合來實現。當沒有外加磁場時，簧片開關釋放，以正常發射電脈沖，此時為自動刺激模式；當具有外加磁場時，簧片開關吸合，停止發射電脈沖，此時為磁鐵刺激模式。上述模式的轉換可通過控制程控電流源的通斷來實現，所述外加磁場可由控制磁鐵施加，所述簧片開關優選為單刀雙擲型。
進一步地，本發明的系統可包括掌上電腦PDA，其與所述脈沖發生器的射頻通訊電路建立射頻雙向通訊，用于遙測所述脈沖發生器的信息和工作狀態，并設置所述脈沖發生器的脈沖參數。所述遙測的脈沖發生器信息包括序列號、電池電量、電極阻抗。所述脈沖參數包括脈沖波形、脈寬、頻率、脈沖發射時間及脈沖間歇時間。
此外，PDA可通過程控器與所述脈沖發生器建立射頻雙向通訊，所述程控器為所述PDA和所述脈沖發生器的通訊接口設備，其包括發射電路和接收電路。所述發射電路包括轉換器、振蕩器、功率放大器和發射線圈，所述PDA的輸出信號經所述轉換器電平轉換后，由所述振蕩器調制，經所述功率放大器進行功率放大后驅動所述發射線圈。所述接收電路包括接收線圈、放大器、檢波器和轉換器，所述接收線圈接收信號，經所述放大器放大，所述檢波器解調及所述轉換器的電平轉換后，輸出給所述PDA。
進一步地，射頻通訊電路包括發射電路和接收電路。所述發射電路由振蕩器和發射線圈構成，所述微處理器輸出的TTL電平信號控制所述振蕩器的工作狀態，通過所述振蕩器的振蕩與停振兩種工作狀態切換，得到二進制幅度鍵控調制電磁波信號，由所述的發射線圈發射電磁波。所述接收電路由接收線圈、放大器和檢波器構成，所述接收線圈接收到調制電磁波，得到的微弱電信號由所述放大器放大，再經所述檢波器解調為TTL電平信號，輸出給所述微處理器。
此外，本發明的微處理器內部集成了大容量的FLASH存儲器作為程序存儲器，所述微處理器通過與PDA的射頻通訊，可獲得新的程序文件，再通過對FLASH的重新擦除與寫入，實現微處理器軟件的體外更新。
下面結合附圖對本發明的植入式神經電脈沖刺激系統的優選實施方式作出詳細說明。
如圖1所示，本發明的植入式神經電脈沖刺激系統，由植入人體內的脈沖發生器1、導線2和電極3，以及位于人體外的程控器4、PDA 5和磁鐵6構成。脈沖發生器1產生刺激電脈沖，經導線2傳送到電極3，刺激靶點。導線2要求生物相容性好且柔軟光滑，一般由金屬導線外面包覆硅橡膠制成，金屬可選用鈷基合金、鉑銥合金或不銹鋼。電極3要求生物相容性好且穩定性高，可使用鉑或鉑銥合金材料制成。程控器4作為脈沖發生器1和PDA5的通訊接口，在二者之間建立無線通訊，遙測脈沖發生器的信息和工作狀態，并設置脈沖參數。磁鐵6用于控制脈沖發生器1的簧片開關吸合，從而使脈沖發生器切換為磁鐵刺激模式。
如圖2所示，本發明的植入式脈沖發生器，由電源10、微處理器11、晶振12、程控電壓源13、DA轉換器14、程控電流源15、電流反饋電路16、電荷平衡電路17、簧片開關18、程控振蕩器19、發射線圈20、接收線圈21、放大器22、檢波器23構成。
電源10一般由鋰電池和穩壓器構成，如果使用的電池放電曲線平緩、且輸出電壓在3V左右，可以直接用電池為脈沖發生器的電路供電，而省略穩壓器。
微處理器11選用高集成度低功耗單片機，具有多種節電模式，集成FLASH、RAM、定時器、串行通訊端口等，DA轉換器14可以是單獨的器件，但最好集成在微處理器11內部，以簡化電路設計、提高系統可靠性并降低功耗。
晶振12可選用32.768kHz的低頻鐘表晶振，以降低植入刺激器功耗。
微處理器11控制程控電壓源13、DA轉換器14、程控電流源15、電流反饋電流16、電荷平衡電路17，組成電流脈沖刺激電路。程控電壓源13的核心是一個DC-DC轉換器，由鋰電池供電，微處理器的IO口控制電壓源的輸出電壓為16檔，最低為鋰電池電壓，最高為12V，輸出電壓應盡量低，以降低功耗。程控電流源15由程控電壓源13供電，DA轉換器14將微處理器11輸出的數字信號轉換為模擬電壓，控制程控電流源15的輸出電流值。微處理器11輸出的數字信號改變，則電流源15的輸出電流相應改變。電流反饋電路16檢測程控電流源15輸出的電流，當實際電流值達不到設定電流值時，說明電極阻抗偏大，導致程控電壓源13輸出電壓不足，微處理器11通過IO口設置，提高程控電壓源13的輸出電壓，實現程控電流源15的精確電流波形輸出，適應不同病人的神經組織阻抗的差異性、以及植入式神經電脈沖刺激系統使用過程中電極阻抗增大的情況。由于DA轉換器的分辨率一般可高達12位，結合程控電壓源的16檔輸出，電流源15輸出的電流值可分上千級調節，可實現脈沖幅度的精確、靈活控制。用微處理器內部的定時器控制DA轉換器14的輸出變化，時間分辨率高，可實現脈寬、周期等時間參數的精確、靈活控制。這樣，單片機根據PDA設置的脈沖參數(包括脈沖幅度、脈寬、周期等)，控制DA的輸出數值，對靶點神經提供恒流電脈沖刺激。在刺激脈沖過后，電荷平衡電路17為被刺激的神經提供反向電流補償，保證補償的總電荷與刺激脈沖的總電荷相等，實現電中性，從而使被刺激的神經電荷平衡，以免造成損傷。圖3是一個典型的刺激脈沖波形，在脈沖間歇期間自動電荷平衡補償。
簧片開關18為單刀雙擲型，在沒有外加磁場時，簧片開關18釋放，接通程控電流源15，刺激器可正常發射電流脈沖。當用磁鐵施加外加磁場時，簧片開關18吸合，程控電流源15被斷開，脈沖發生器不再發射電流脈沖，同時微處理器11檢測到簧片開關18的吸合動作，在程序控制下，脈沖發生器將在磁鐵移去后切換為磁鐵刺激模式。
程控振蕩器19、發射線圈20、接收線圈21、放大器22、檢波器23構成植入脈沖發生器與體外儀器的雙向通訊模塊，用2ASK調制方式傳送二進制數據信息。發送數據時，微處理器11的串口輸出的數據流控制程控振蕩器19在振蕩和停止兩種狀態間切換，實現2ASK調制編碼，通過發射線圈20發射電磁波，由體外程控器接收并處理。接收數據時，接收線圈21接收到體外程控器的2ASK調制編碼信號，因信號微弱，放大器22將信號放大，檢波器23進行解調，微處理器11的串口接收通訊數據并進行處理。
微處理器11內部集成了大容量的FLASH存儲器作為程序存儲器，并且支持自編程操作，即可以在執行Flash中的程序的同時，對Flash進行擦除和寫入操作。通常，寫入微處理器的軟件長度為2-3k字節，而FLASH存儲器可能擁有多達60k字節的容量。通過FLASH的多次擦除與寫入，可實現微處理器軟件的在線更新。實施過程如下開發人員在計算機上修改植入脈沖發生器的程序并重新編譯，將執行代碼文件拷貝到PDA，PDA通過程控器與微處理器進行通訊，逐字節發送代碼文件，微處理器接收到數據后，在FLASH的冗余空間依次寫入數據，完成后修改脈沖發生主程序入口變量，指向新程序的起始地址，然后使微處理器再次進入刺激模式，即開始執行更新后的程序。
如圖4所示，程控器4主要包含三部分電源電路、信號發射電路和信號接收電路，各部分的組成及工作原理分別說明如下電源電路由電池41和電壓變換器42組成，電池41可選用9V堿性電池，電壓變換器42為一組DC-DC變換器，產生程控器4所需的15V和10V、-10V三路電源。
信號發射電路由轉換器43、振蕩器44、功率放大器45和發射線圈46組成。PDA串口發出的信號電壓為RS232電平，由轉換器43轉換為TTL電平，控制振蕩器44振蕩或停止，進行2ASK調制編碼，經功率放大器45(可使用功率MOSFET)驅動發射線圈46。發射線圈46兩端可并聯一個電容，產生諧振提高發射線圈46的發射能力。
信號接收電路由接收線圈47、放大器48、檢波器49和轉換器50組成。接收線圈47接收到植入脈沖發生器發射的2ASK信號，因信號微弱，先經放大器48放大后，再由檢波器49進行檢波，檢波時首先經過比較器，得到TTL電平的調制信號，然后經過低通濾波器得到TTL電平的原始信號，再由轉換器50轉換為RS232電平，輸入到PDA的串口。
本發明具體實施方式
所描述的系統的功能特點簡述如下1.使用DA轉換器，不僅脈沖幅度參數和脈寬、周期等時間參數控制精確、靈活，而且實現了任意波形發生功能，既可輸出常規矩形刺激脈沖，也可輸出復雜波形刺激脈沖。
2.植入脈沖發生器的微處理器內部集成了大容量的FLASH存儲器作為程序存儲器，微控制器通過與PDA和程控器的無線通訊，可獲得新的程序文件，再通過對FLASH的重新擦除與寫入，實現微處理器軟件的體外更新。
3.PDA控制程控器，與病人體內的植入脈沖發生器進行射頻通訊，讀取脈沖發生器信息和工作狀態，并設置自動刺激模式和磁鐵刺激模式的脈沖參數。
4.脈沖發生器默認工作狀態為自動刺激模式，根據設置的脈沖參數定時向電極發射刺激脈沖，控制病情的發作。
5.如果需要立即實施電刺激，只需用磁鐵在病人胸前刷過，脈沖發生器立即啟動磁鐵刺激模式，根據設置的磁鐵刺激模式脈沖參數向電極發射刺激脈沖。
6.如果需要關閉植入脈沖發生器，只需要用PDA控制程控器，將自動刺激模式的脈沖幅度設置為零即可。如果將自動刺激模式的脈沖幅度設置為零，而磁鐵刺激模式的脈沖幅度不是零，則實現了電刺激的手動控制，即只在病人胸前刷過磁鐵時脈沖發生器發射設置參數的刺激脈沖。
上述方式只是本發明優選的實施方式，對于本領域內的普通技術人員而言，在本發明公開了使用DA轉換器來向電極輸出參數可調的刺激電脈沖的基礎上，很容易想到將其應用于各種植入式神經電脈沖刺激系統，而不僅限于本發明具體實施方式
所描述的系統結構，因此前面描述的方式只是優選的，而并不具有限制性的意義。
權利要求
1.一種植入式神經電脈沖刺激系統，其特征在于，該系統含有植入人體內相應部位的電極、植入人體內且外殼用純鈦制造的脈沖發生器、位于體外的掌上電腦、程控器，其中脈沖發生器含有微處理器、體內外雙向通信部件、電流脈沖刺激部件和電源，其中微處理器，在該微處理器內部集成了作為程序存儲器用的大容量的FLASH存儲器，并且支持自編程操作；程控振蕩器，該振蕩器的控制信號輸入端與所述微處理器的相應輸出端相連；發射線圈，該線圈的發射信號輸入端與所述程控振蕩器的相應輸出端相連；檢波器，該檢波器的數據信號輸出端與所述微處理器的相應輸入端相連放大器，該放大器的信號輸出端與所述檢波器的信號輸入端相連；接收線圈，該線圈的接收信號輸出端與所述放大器的信號輸入端相連；所述程控振蕩器、發射線圈、檢波器、放大器和接收線圈共同構成所述脈沖發生器與體外的程控器兩者之間的雙向通信部件程控電壓源，該電壓源由一個DC-DC轉換器構成，由脈沖發生器電源供電，輸出電壓的控制信號輸入端與所述微處理器相應的輸出端相連，在該微處理器控制下，所述程控電壓源的輸出電壓是多檔可調的；程控電流源，該電流源的電源信號輸入端與所述程控電壓源的電源輸出端相連；DA轉換器，該轉換器的數字信號輸入端與所述微處理器的相應輸出端相連，該轉換器的模擬電源輸出端與所述程控電流源的輸出電流控制信號輸入端相連；電流反饋電路，該電路的檢測信號輸入端與所述的程控電流源的電流輸出端相連，該電流反饋電路的反饋信號輸出端與所述微處理器的相應輸入端相連；上述程控電壓源、程控電流源、DA轉換器以及電流反饋電路構成一個電流脈沖刺激部件；脈沖發生器電源；程控器，含有電源電路、信號發射電路和信號接收電路，其中電源電路，由電池和電壓變換器串聯而成；信號發射電路，由發射轉換器、振蕩器、發射信號功率放大電路以及發射線圈依次串聯而成，所述脈沖發生器中的接收線圈接收該程控器中信號發射電路發出的發射信號；信號接收電路，由接收轉換器、接收檢波器、接收信號放大電路以及接收線圈依次串聯而成，所述脈沖發生器中的發射線圈向所述程控器中的信號接收電路發出信號；掌上電腦，通過其串口與所述程控器雙向通信，以便對所述脈沖發生器進行信息和狀態遙測、運行參數程控和微處理器程序更新。電極，通過導線與所述脈沖發生器的電流脈沖刺激信號輸出端相連。
2.根據權利要求1所述的一種植入式神經電脈沖刺激系統，其特征在于在所述的脈沖發生器中，在程控電流源和所述電極之間有一個電荷平衡電路，以便向被刺激的神經提供反向電流補償，實現被刺激神經的電荷平衡。
3.根據權利要求1所述的一種植入式神經電脈沖刺激系統，其特征在于在所述的脈沖發生器內，有一個簧片開關，在體外有一塊磁鐵，所述簧片開關與所述微處理器檢測信號輸入端以及程控電流源的電源信號輸入端相連，當磁鐵作用于人的胸前皮膚時，所述簧片開關吸合，斷開程控電流源，所述脈沖發生器不再發射電脈沖，同時在程序控制下，脈沖發生器在將磁鐵移走后切換為磁鐵刺激模式，而簧片開關釋放，接通程控電流源，脈沖發生器發射電脈沖。
全文摘要
本發明涉及植入式醫療儀器領域，其特征在于它由植于人體內的脈沖發生器、導線電極以及體外程控遙測的程控器、掌上電腦PDA、控制磁鐵構成。該脈沖發生器由外部磁鐵、程控器和PDA非接觸式控制工作狀態和調節脈沖參數，通過電極對靶點區域實現脈沖幅度、頻率、脈寬等參數精確、靈活調節的任意波形的電脈沖刺激，有利于找到最佳電刺激治療參數。還可通過PDA和程控器更新內部控制器的軟件，從而無需手術實現產品軟件的更新換代，提高了植入式脈沖發生器的可靠性、可維護性和使用壽命。本發明可用于帕金森病、癲癇、疼痛、扭轉痙攣等神經系統疾病的電刺激治療。
文檔編號A61N1/36GK1745857SQ20051011670
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月28日 優先權日2005年10月28日
發明者李路明, 郝紅偉, 馬伯志, 薛林 申請人:清華大學