專利名稱：一種視皮層神經(jīng)刺激裝置及刺激方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種視皮層神經(jīng)組織的刺激技術。
背景技術：
據(jù)不完全統(tǒng)計在世界上超過45,000,000的人失明。視覺傳遞通路的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了異常，都會使視覺功能受損或缺失。目前醫(yī)學界已經(jīng)嘗試了使用藥物、激光、放射、細胞移植和黃斑轉位手術等多種方法，但各自存在一定的適應癥和缺點，療效不盡人意。
從視覺形成和視覺信息傳導通路的角度看，視覺功能修復可以在視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視皮層三個層次展開，但已有的研究結果和技術水平還難以有效地達到視覺修復。目前國內(nèi)外研究的熱點是在視網(wǎng)膜功能修復，人工視網(wǎng)膜方面已經(jīng)取得了很好的進展。但是，視網(wǎng)膜、視神經(jīng)病變是重要神經(jīng)性致盲眼病的共同點，最終均表現(xiàn)為視網(wǎng)膜各級神經(jīng)元信息傳導障礙，繼而影響最后的視覺信息輸出，高級視覺中樞未能接受到正常視覺信號，導致了患者視力的喪失?；谝暺拥囊曈X功能修復的基礎是Brindley等發(fā)現(xiàn)電刺激視皮層能引起受試者產(chǎn)生光幻視(Phosphene)，于是出現(xiàn)了通過微電極陣列刺激視皮層的視覺修復研究。
基于視皮層刺激的視覺修復的基本原理是將外界圖像信息編碼為特定的電信號，電信號通過微電極陣列刺激視皮層神經(jīng)組織的不同區(qū)域，以修復部分視覺功能。刺激電極可植入視皮層內(nèi)部、視皮層表面、視皮層外甚至頭皮外，微電極陣列對視皮層神經(jīng)組織的刺激是其中的關鍵技術。在神經(jīng)接口電極方面，美國專利US5,496,369公開了一種用于聽覺皮層刺激的神經(jīng)假體，該裝置包含一個語音處理器，用以接收和處理語音信號；語音信號經(jīng)過編碼后通過微電極直接刺激聽覺皮層區(qū)域。美國專利US6066163提出了一種自適應大腦刺激方法，它是將刺激裝置植入皮層的需要刺激的區(qū)域，通過設置刺激參數(shù)來改變刺激模式，它可以通過改變刺激模式以實現(xiàn)在不同皮層區(qū)域的不同刺激。在已有的皮層神經(jīng)刺激系統(tǒng)的設計上，都主要考慮了刺激信號模式和電極材料、結構的因素，每個微電極和刺激信號輸出是一一對應關系，或者說每個刺激信號輸出通道和電極之間是固定的連接關系，當微電極陣列固定在皮層區(qū)域后，刺激信號輸出通道和皮層刺激的空間坐標位置也保持著固定的對應關系。
但是，申請人經(jīng)長期的研究發(fā)現(xiàn)，刺激電極在對皮層神經(jīng)組織進行電刺激的同時，神經(jīng)組織會表現(xiàn)出對刺激電極的排異反應；而且隨著連續(xù)刺激時間的延長，排異反應會增強，從而導致刺激電極的刺激效率下降，以致刺激電極工作實效。因此，已有的皮層神經(jīng)接口微電極的有效工作時間都具有很大的局限性，在視皮層刺激的研究中也面臨同樣的問題。另一方面，針對某個特定的神經(jīng)功能(如視覺信息處理)，大腦皮層神經(jīng)組織具有聚類特性，即由一族完成相同功能的神經(jīng)元聚集成團，共同完成該功能；同時，皮層神經(jīng)組織具有自組織和可塑性功能，靠近某個功能區(qū)的神經(jīng)元在外界刺激下可以加入該功能區(qū)域。由此，皮層神經(jīng)組織的這些特性為設計新的皮層神經(jīng)刺激假體提供了可能，從而可提高皮層神經(jīng)刺激裝置工作的長效性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種視皮層刺激裝置及刺激方法，它將已有技術中的微電極上的刺激點分解為多個超微刺激點，通過控制電路交替性地將刺激信號連接到同一刺激單元的不同超微刺激點，避免單電極的連續(xù)刺激，減小神經(jīng)組織對刺激電極的排異反應，增強微電極在皮層工作的長效性。
本發(fā)明的技術方案該如下一種視皮層神經(jīng)刺激裝置，它由微電極陣列芯片、信號通路控制部分、刺激信號產(chǎn)生及編碼部分組成。
其中，微電極陣列芯片實現(xiàn)和視皮層神經(jīng)組織接口，將刺激電信號傳導到視皮層神經(jīng)元，以產(chǎn)生需要的神經(jīng)興奮。所述微電極陣列芯片是由多個刺激單元陣列布局在一個基板上構成，每個刺激單元具有相對獨立的空間位置，對應視皮層神經(jīng)上的一個刺激部位，每個刺激單元中又包括多個微電極形成的多個超微刺激點。
所述信號通路控制部分的功能是通過選擇刺激信號和刺激單元中超微刺激點的連接方式來調(diào)控皮層刺激模式，為刺激信號傳導到皮層設置信號通路，將刺激信號通過選定的超微電極耦合到視皮層神經(jīng)組織。其具體設置是一個刺激信號通路對應微電極陣列芯片上的一個刺激單元，每個刺激信號通路具有多個可選輸出端口，分別與對應刺激單元中的各微電極(即超微刺激點)連接，在同一時刻刺激單元中僅一個超微刺激點有信號輸出。
所述信號通路控制部分可采用目前使用較普遍的多路模擬開關及控制電路，也可以采用由刺激信號輸出控制程序直接控制刺激信號經(jīng)不同輸出通道分時輸出的方式。
利用上述的視皮層神經(jīng)刺激裝置實現(xiàn)視皮層神經(jīng)刺激的方法如下首先，將外界圖像信息經(jīng)刺激信號產(chǎn)生及編碼部分處理，轉換為刺激電信號從多個通道輸出給信號通路控制部分；然后由信號通路控制部分根據(jù)預先設定的模式為每個刺激信號提供信號通道，通過控制每個刺激信號在不同輸出端口之間的切換，交替性地將刺激信號連接到同一刺激單元的不同超微刺激點，并控制在同一時刻每個刺激單元中僅有一個超微刺激點有信號輸出，使刺激信號在對應的刺激單元中各超微刺激點上交替輸出，實現(xiàn)對皮層功能區(qū)的刺激。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的技術效果1、通過將已有技術中的微電極上的刺激點分解為多個超微刺激點，交替性地將刺激信號連接到同一刺激單元的不同超微刺激點，避免單電極的連續(xù)刺激，減小神經(jīng)組織對刺激電極的排異反應，增強微電極在皮層工作的長效性。
2、通過信號通路控制部分可以靈活調(diào)控對皮層神經(jīng)組織的刺激模式，實現(xiàn)了刺激電極的自組織化。


圖1視皮層神經(jīng)刺激實現(xiàn)方法總裝置的結構示意圖；其中1-視皮層神經(jīng)組織、2-微電極陣列芯片、3-傳導電纜、4-多路模擬開關及控制電路單元、5-刺激信號產(chǎn)生及編碼部分；圖2是表面微電極陣列芯片與多路模擬開關的連接示意圖；圖3是表面微電極陣列的一個刺激單元與多路模擬開關連接示意圖；其中，22-表面微電極刺激單元、23-超微刺激點圖4是針狀微電極陣列與多路模擬開關連接示意圖；圖5是針狀微電極陣列的一個刺激單元與多路模擬開關連接示意圖；其中，6-針狀微電極刺激單元圖6是多路模擬開關控制原理圖；圖7是軟件控制的刺激信號分時輸出原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本裝置由微電極陣列芯片2、多路模擬開關及控制電路單元4、刺激信號產(chǎn)生及編碼部分5組成。微電極陣列芯片2實現(xiàn)和視皮層神經(jīng)組織1接口，將刺激電信號傳導到視皮層神經(jīng)元，以產(chǎn)生需要的神經(jīng)興奮。多路模擬開關及控制電路單元4通過傳導電纜3連接微電極陣列芯片2，控制微電極陣列芯片2中每個超微刺激點的信號通斷，刺激信號產(chǎn)生及編碼部分5與信號通路控制部分4采用有線或無線連接，將外界圖像信息轉換為刺激電信號從多個通道輸出給多路模擬開關及控制電路單元4。
本發(fā)明的一個實施例如圖2所示，是一種皮層神經(jīng)表面刺激的微電極陣列，采用的是表面微電極陣列芯片。在本實施例中，表面微電極陣列芯片是在一個基板21上布置六個表面刺激單元22構成，每個刺激單元都具有相對獨立的空間位置，對應視皮層神經(jīng)上的一個刺激部位。每個刺激單元22中又包括四個超微電極形成的四個超微刺激點23。一個刺激信號通路對應一個刺激單元。本例中，信號通路控制采用的是多路開關控制電路4，刺激信號產(chǎn)生及編碼部分產(chǎn)生的刺激信號通過多路開關控制電路4和傳導電纜3連接到刺激單元22中的某個超微刺激點23時，該超微刺激點23發(fā)生作用。參見圖3，每個刺激信號通路上設置一個開關，開關有四個輸出端口，分別連接該刺激單元中的四個超微刺激點23。本實施例中的表面微電極陣列置于皮層神經(jīng)組織時，每個刺激單元22和皮層神經(jīng)組織1的某個具體部位接觸；需要刺激皮層神經(jīng)組織時，由多路模擬開關控制信號通路，將對應于每個刺激單元22中的刺激信號經(jīng)多路開關和電纜傳導到該刺激單元的一個超微刺激點23。通過控制多路開關的連通次序，就可以將同一通道的刺激信號在對應刺激單元的不同超微刺激點上交替輸出，以刺激皮層神經(jīng)組織，進而實現(xiàn)了微電極陣列刺激模式的自組織功能。
本發(fā)明的另一個實施例如圖4所示，采用的是一種皮層神經(jīng)刺激針狀微電極陣列芯片。在本實施例中，微電極陣列是在一個基板2上的九個針狀微電極刺激單元6組成，每個針狀微電極刺激單元6又包括四個超微電極形成的四個超微刺激點7；刺激信號通過多路開關控制電路4和傳導電纜3連接到針狀微電極刺激單元6中的某個超微刺激點7，參見圖5。當本實施例中的針狀微電極陣列插入皮層神經(jīng)組織時，每個針狀微電極刺激單元6和皮層神經(jīng)組織1的某個具體部位接觸；需要刺激皮層神經(jīng)組織時，每路刺激信號對應于一個針狀微電極刺激單元6，由多路開關控制信號通路，將對應于每個針狀微電極刺激單元6中的刺激信號經(jīng)多路開關和電纜傳導到該刺激單元的一個超微刺激點7。通過控制多路開關的連通次序，就可以將同一通道的刺激信號在對應針狀微電極的不同超微刺激點7上交替輸出，以刺激皮層神經(jīng)組織，進而實現(xiàn)了微電極陣列刺激模式的自組織功能。
本發(fā)明中信號通路控制部分可以采用現(xiàn)有成熟的多種技術來實現(xiàn)，其一種實現(xiàn)方式如圖4所示，由地址選通電路產(chǎn)生需要的地址信號，選通多路模擬開關電路的其中一個通道。在本實施例中，多路模擬開關采用CD4052雙四選一邏輯電路，選通地址信號由單片機PIC16F877產(chǎn)生，經(jīng)21、22端口輸出到CD4052的9、10端口。當PIC16F877的21、22端口的輸出狀態(tài)分別為00、01、10、11時，將分別選通CD4052的端口1、5、2、4，將來自于端口3的輸入刺激信號分別經(jīng)1、5、2、4輸出端口傳送到各超微刺激點。
另一種實現(xiàn)方式如圖5所示，由刺激信號輸出控制程序直接控制刺激信號經(jīng)不同輸出通道分時輸出。在本實施例中，單片機PIC16F877通過刺激信號輸出控制程序控制刺激信號分時從四個公用輸出通道19、20、21、22輸出，使刺激脈沖信號從四個輸出端口分時輸出到刺激單元的四個超微刺激點。其中，刺激脈沖信號在19、20、21、22四個通道的輸出順序由單片機程序控制。
另外，刺激信號產(chǎn)生及編碼部分的實現(xiàn)方式也可以采用本研究領域中成熟的技術方案，如將DSP(數(shù)字信號處理器)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)相結合，產(chǎn)生與圖像信息有關的多通道電刺激信號。
本發(fā)明的工作過程如下在某一時刻，外界圖像信息被編碼電路轉換為刺激電信號從多個通道輸出；多路模擬開關及控制電路根據(jù)預先設定的模式為每個刺激信號提供信號通道，將刺激信號通過各刺激單元中的某個超微刺激點耦合到皮層神經(jīng)組織，以實現(xiàn)對皮層功能區(qū)的刺激。在下一個工作周期，多路模擬開關及控制電路再將各通道的刺激信號傳導到對應刺激單元的另一個超微刺激點，以完成對皮層神經(jīng)組織的刺激。這樣，對每個刺激通道，刺激信號會在該通道對應的刺激單元中各超微刺激點上交替輸出。由于超微刺激點構成的刺激單元物理尺寸很小，而皮層神經(jīng)組織中同種功能的神經(jīng)細胞以集團方式存在，所以刺激單元中各超微刺激點的刺激可以等效為對皮層同一功能點的刺激。由于刺激信號又在刺激單元中各超微刺激點上交替輸出，所以又避免了已有皮層刺激中電極連續(xù)輸出刺激信號的難題，從而有助于延長刺激電極有效工作時間。
權利要求
1.一種視皮層神經(jīng)刺激裝置，它由微電極陣列、信號通路控制部分、刺激信號產(chǎn)生及編碼部分組成，其特征在于所述微電極陣列是由多個刺激單元陣列布局在一個基板上構成，每個刺激單元對應視皮層神經(jīng)上的一個刺激部位，每個刺激單元中又包括多個超微刺激點，每個超微刺激點由一個超微電極承擔；所述信號通路控制部分的一個刺激信號通路對應微電極陣列上的一個刺激單元，每個刺激信號通路具有多個可選輸出端口，分別與對應的刺激單元中的各超微刺激點連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的視皮層神經(jīng)刺激裝置，其特征在于所述信號通路控制部分采用多路模擬開關及控制電路或由刺激信號輸出控制程序直接控制刺激信號經(jīng)不同輸出通道分時輸出的方式。
3.利用權利要求1或2所述的視皮層神經(jīng)刺激裝置實現(xiàn)視皮層神經(jīng)刺激的方法，其特征在于首先，將外界圖像信息經(jīng)刺激信號產(chǎn)生及編碼部分處理，轉換為刺激電信號從多個通道輸出給信號通路控制部分；然后由信號通路控制部分根據(jù)預先設定的模式為每個刺激信號提供信號通道，通過控制每個刺激信號在不同輸出端口間的切換，交替性地將刺激信號連接到同一刺激單元的不同超微刺激點，并控制在同一時刻每個刺激單元中僅有一個超微刺激點有信號輸出，使刺激信號在該通道對應的刺激單元中各超微刺激點上交替輸出，實現(xiàn)對皮層功能區(qū)的刺激。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可刺激視皮層神經(jīng)組織的微電極陣列刺激裝置及刺激方法，該裝置能在控制電路作用下將電刺激信號經(jīng)不同刺激點交替輸出以刺激視皮層神經(jīng)組織，可用于對視皮層神經(jīng)組織的刺激。該裝置包括微電極陣列芯片、信號通路控制部分、刺激信號產(chǎn)生及編碼部分。微電極陣列芯片是由多個刺激單元陣列布局在一個基板上構成，每個刺激單元對應視皮層神經(jīng)上的一個刺激部位，每個刺激單元中又包括多個微電極形成的多個超微刺激點。信號通路控制部分通過選擇刺激信號和刺激單元中超微刺激點的連接方式來調(diào)控皮層刺激模式，將刺激信號通過選定的超微電極耦合到視皮層神經(jīng)組織。利用本裝置和方法可以實現(xiàn)對視皮層神經(jīng)組織刺激的自組織化，可提高視皮層刺激電極工作的長效性。
文檔編號A61F9/00GK101058004SQ200710078520
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月28日 優(yōu)先權日2007年5月28日
發(fā)明者侯文生, 鄭小林, 吳小鷹, 陰正勤, 楊軍, 廖彥劍, 王星, 胡寧 申請人:重慶大學