專利名稱：電極陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于插入諸如腦、脊髓、內分泌器官、肌肉和結締組織之 類的軟組織且包括多個細絲狀電極的醫(yī)用電極陣列及其制造方法，和這種 電極陣列的應用。
背景技術：
可長期植入中樞神經系統(tǒng)(CNS)的電極具有廣泛的應用范圍。原則 上，可通過這些電極記錄或刺激所有的腦和脊髓組織，并監(jiān)測和控制它們 的功能。腦或脊髓的刺激在腦核變性或受損的情況下特別有價值。如果聯(lián) 系到藥物輸送或諸如電刺激之類的其它手段，可用于監(jiān)測腦活動。電極還 可用來損傷組織中的特定部位。為記錄和刺激腦結構，過去已經開發(fā)和使 用了多種形式的植入電極。用于此目的以電極陣列形式的多個電極的使用 是合乎需要的。從WO 2007/040442 Al已知一種合適的電極陣列或電極束， 該專利申請通過引用結合在此申請中。關于這個和其它已知電極陣列，期 望改進個別電極的移動自由度和它們在軟組織中的定位。
發(fā)明目的
本發(fā)明的一個目的是提供上述類型的電極陣列，在該電極陣列被插入 軟組織之后，該電極陣列的各個電極獲得相對于彼此的移動自由。
本發(fā)明的另一目的是提供上述類型的電極陣列，其很容易在軟組織中 的期望位置處定位并錨定在該處。
本發(fā)明的另一目的是提供上述類型的電極陣列，其能長期保持在軟組 織的選定位置，而且不容易因植入電極的人的軀體移動而移位。
本發(fā)明的又一目的是提供容易制造的上述類型的電極陣列。
根據對本發(fā)明的簡短描述、附圖中說明的多個優(yōu)選實施方式和所附權利要求書的研究，將明顯看出本發(fā)明的其它目的。 發(fā)明概述
本發(fā)明的電極陣列包括埋入固體基質的多個導電的細軟(優(yōu)選有彈性 的軟)電極，該固態(tài)基質在諸如活組織之類的水性環(huán)境中可溶解和/或可降 解。本發(fā)明的電極陣列旨在用于插入到活的軟組織中，具體包括腦和脊髓 組織，但也可例如插入到肝臟、腎臟或結締組織中。 一旦插入，保持電極 的基質將溶解和/或降解。該基質作為將電極保持在相對于彼此的固定位置 的膠水或粘合劑，直到在將電極陣列插入組織時溶解和/或降解為止。這使 電極陣列轉變成多個個別電極，這些電極不再受基質約束而可相對于彼此 運動。另一方面，電極在組織中的布置將至少在某種程度上反映它們在電 極陣列中的空間關系。
本發(fā)明的電極陣列優(yōu)選一般關于其中心軸對稱。本發(fā)明的長方形電極 陣列具有遠端和近端。在此申請中，"遠側"指的是離將電極陣列插入組織
的人比近端遠的電極陣列的部分，還指背離所述人的移動方向。至少電極 的近側部分平行或基本平行于中心軸設置。本發(fā)明的電極陣列可以是任何 合適的形狀，諸如相對于中心軸的橫截面為圓形、橢圓形或基本平坦形狀。 該中心軸一般與電極陣列插入組織的軸一致。電極陣列中的所有或某些電 極的遠側末端部分(前端部分)平行地設置或按照一構造來設置，在該構 造中至少某些電極從中心軸散開，或包括一旦包圍它們的基質部分通過電 極陣列沿遠側方向在組織中位移而溶解和/或降解就起作用的散開裝置。
除從近端和遠端延伸的部分之外，本發(fā)明電極優(yōu)選是絕緣的。未絕緣
的電極的遠端或尖端可以是任何合適的形狀。在WO 2007/040442中公開了 合適的形狀，具體而言是帶倒刺的尖端。在其近端，各個電極優(yōu)選通過多 引線軟電纜與電子設備導電接觸。這允許對各個電極單獨或成組地尋址。
本發(fā)明的電極可用于記錄和/或用于神經刺激目的。如果用于記錄目 的，可為本發(fā)明的電極配備微型前置放大器以改善信噪比，該前置放大器 有線連接至主放大器。
優(yōu)選本發(fā)明的電極設置有諸如倒刺之類的錨定裝置、粗糙表面部分或相對于周圍組織具有粘性的表面部分。優(yōu)選倒刺在非絕緣的情況下起電極 尖端的作用。還優(yōu)選本發(fā)明的電極長度不同且圍繞電極陣列的中軸排列在 該電極陣列中，其中最長電極離軸的距離近、最短電極離軸的距離較遠、 以及中等長度的電極離軸的距離中等，以使它們的遠側尖端形成電極陣列 尖端，同時它們的近端優(yōu)選設置在橫斷軸的平面中。不過，按照形成單側 斜面或者不對稱電極陣列尖端的方式來排列電極也在本發(fā)明的范圍內。根據本發(fā)明的優(yōu)選方面，該電極陣列包括一根或多根光纖，用來提供 對組織或其組分的輻射刺激和/或用于記錄從周圍組織發(fā)出的輻射。在對應 于電極的方式中，通過基質將上述一根或多根光纖保持在陣列中的選定位 置中。
根據本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，該電極陣列包括一個或多個可收縮 的雙金屬元件，當有電流流過這些雙金屬元件時它們會改變形狀，例如彎 曲?；蛘撸衫秒姌O陣列包括的一個或多個可收縮的聚合物元件來控制 其插入路徑。
根據本發(fā)明的第三優(yōu)選方面，電極陣列包括從遠端延伸的遠側末端 部分和從遠側末端部分沿近端方向延伸的主部分。優(yōu)選遠側末端部分沿遠 端方向錐形化，以形成例如圓錐形或平坦三角形遠側末端部分。對于某些 應用，遠側末端部分可具有鈍形，以使電極陣列插入期間血管破裂的風險 最小化。
根據本發(fā)明的第四優(yōu)選方面，該基質包括在軟組織中的溶解和/或降解 率不同的兩個或多個部分，具體而言是由遠側末端部分構成的第一部分、 以及由電極陣列的主部分構成的且沿其近端方向延伸(任選地延伸至近端) 以將近端埋入其中的第二部分。任選地，包括電極尖端的遠側電極部分的 短邊可從第一基質部分沿遠側或沿傾斜遠側方向延伸。優(yōu)選第一基質部分 的溶解速率顯著高于第二基質部分的溶解和/或降解速率，不過本發(fā)明還包 括第一和第二基質部分的其它溶解/降解速率關系。電極陣列一插入諸如腦 的軟組織之類的目標組織后，第一和第二基質部分就與體液接觸，而且隨 后通過此接觸溶解和/或降解，第一部分的溶解/降解速率顯著高于第二部分 的溶解/降解速率。優(yōu)選基質部分包括溶解/降解加強裝置，諸如可被體液浸
6潤的通道。因此優(yōu)選基質部分具有多孔結構。優(yōu)選電極包括兩個或三個軸 向接合的基質部分，特別是兩個基質部分。優(yōu)選基質部分包括糖和/或蛋白 質或者由其組成。
為將電極陣列插入軟組織，可將手動操作的或其它顯微操縱裝置附連 或可附連至電極陣列的近端部分，它沿近側方向從該近端部分延伸出來。
電極和電極陣列的基質的組合的相對剛度使它容易插入組織中。 一旦 插入后，第一遠側基質部分迅速溶解。因此，電極的遠側末端部分變得能 相對于相鄰電極橫向移動。電極陣列向組織中的進一步插入使包括散開裝 置的電極的遠側部分以展開的方式沿一般背離電極陣列軸的方向彎曲。第 二基質部分的溶解和/或降解釋放電極的近側部分，以使它變得能關于相鄰 電極橫向和/或軸向移動，且在組織中呈現(xiàn)浮動的布置，從而它在組織中的 位置穩(wěn)定，而且防止出現(xiàn)由于它與其它電極的聯(lián)合移動引起的組織反應/損 傷。
根據本發(fā)明的第五優(yōu)選方面，電極陣列包括附連至其近端且沿近側方 向從該端延伸的插入元件，如顯微操縱裝置所包括的接觸元件。優(yōu)選插入 裝置通過可在水性環(huán)境中溶解的粘合劑附連至電極陣列。優(yōu)選該粘合劑比 第二基質部分的物質在體液中溶解得迅速得多。因此該電極陣列在插入組 織之后的選定時間點時自動從顯微操縱裝置分離，從而允許將該顯微操縱 裝置撤回。
根據本發(fā)明的第六優(yōu)選方面，平行設置的兩個或多個電極陣列可通過 設置在其匹配表面之間的可溶解連接層接合。
根據本發(fā)明的第七優(yōu)選方面，本發(fā)明的電極陣列中的一個或多個電極 可由彼此臨時或永久保持固定關系(即相對于彼此保持固定關系)的電極 組替代，用于將它們保持固定關系的裝置可包括本發(fā)明的一種或多種基質 或由其組成，或與其無關。如果與一種或多種基質無關，則該裝置可以是
在水性介質中溶解和/或分解的裝置或永久的裝置，諸如將WO 2007/040442 的電極束保持為固定關系的裝置。類似地，本發(fā)明的電極陣列中的一個或 多個電極可由WO 2007/040442的電極束替代。
本發(fā)明的電極陣列適合于為了科學、醫(yī)療以及動物護理目的，通過測
7量氧化還原反應和精確損傷組織來進行長期刺激和對神經元電活動和神經 遞質濃度進行多通道記錄。
適用于本發(fā)明基質部分的物質具有生物相容的屬性，諸如糖和/或蛋白
性物質。為第一基質部分選擇的物質在約37'C的體液中的溶解速率優(yōu)選允 許電極的遠側部分在諸如1到3分鐘的短時間內變得游離(即自由浮動)。 為第二基質部分選擇的物質在約37'C的體液中的溶解速率優(yōu)選允許電極的 主部分抵抗分離至少5分鐘、優(yōu)選至少10分鐘，但無論如何該時間顯著長 于(諸如長1到20分鐘甚至更長)同一電極的遠端部分失去第一基質部分 的約束所需的時間。
根據本發(fā)明，還公開了一種制造該電極陣列的方法，其包括將電極 平行設置在具有電極陣列的遠端部分和主部分的輪廓且包括近側開口的包 膜或鞘中；按順序向鞘中加入第一和第二基質物質的溶液或懸浮液；分別 蒸發(fā)鞘中的溶液或懸浮液的溶劑；然后從電極陣列上去除鞘。優(yōu)選鞘由容 易從電極陣列去除的物質制成。用于鞘的優(yōu)選材料是低潤濕性的光滑物質， 諸如多氟化烴聚合物或硅橡膠。鞘的材料優(yōu)選為多孔性材料，特別是多微 孔性材料，以便于溶劑蒸發(fā)。
本發(fā)明還涉及電極陣列在通過測量氧化還原反應和損傷組織來進行長 期神經刺激以及對神經元電活動和神經遞質濃度進行多通道記錄中的應 用，其目的是科學、醫(yī)療以及動物護理。
現(xiàn)在將參考在包括多個附圖的草圖中說明的多個優(yōu)選實施方式更詳細 地說明本發(fā)明，不過這些附圖未按比例繪圖。
附圖描述 在附圖中示出


圖1包括埋入基質的多個電極的本發(fā)明電極陣列的第一實施方式的 剖視圖2在剛剛插入軟組織之后的圖1實施方式的剖視圖； 圖3在插入軟組織足以使第一基質部分溶解的時間之后的圖1實施 方式的剖視圖；圖4在插入軟組織足以使第二基質部分溶解的時間之后的圖1實施 方式的剖視圖5本發(fā)明的電極陣列的第二實施方式的與圖1實施方式相同的視
圖6包括插入引導元件的本發(fā)明電極陣列的第三實施方式的與圖1 實施方式相同的視圖(截面C-C，圖9);
圖7在插入軟組織足以使第一基質部分溶解的時間之后的圖6實施 方式的剖視圖8本發(fā)明的電極陣列的第四實施方式的與圖1實施方式相同的視
圖9穿過圖6實施方式的橫截面B-B; 圖10本發(fā)明第五實施方式的對應于圖9的橫截面； 圖11本發(fā)明的第六實施方式的對應于圖9的橫截面； 圖12本發(fā)明的第七實施方式的對應于圖9的橫截面； 圖13本發(fā)明的第八實施方式的對應于圖9的橫截面； 圖14本發(fā)明的第九實施方式的對應于圖9的橫截面； 圖15結合在本發(fā)明的電極陣列中的現(xiàn)有技術電極(WO 2007/040442) 的部分軸向剖視圖。
發(fā)明詳述
材料和尺寸
電極材料和尺寸。電極具有從10—4到10^m的合適直徑，具體而言是 從0.5到25pm。它們的直徑可隨長度改變以便于插入組織，具體而言電極 可向著它們的遠端錐形化。它們的遠端可以是尖銳的或鈍的，但優(yōu)選尖銳 的尖端。他們的遠側部分甚至可具有小于10—7 m的直徑。電極包括金屬 或聚合物類型的導電芯，具體而言是諸如鉑或金之類的貴金屬或包括超過 30%重量的貴金屬的合金中的一種；以及不導電涂層，例如聚氟代烯烴玻璃。對電極芯而言，還可有利地使用不銹鋼、鈦 以及鎢。電極還可由諸如玻璃、陶瓷、天然或聚合物纖維之類的不導電支 持材料組成，這些材料被諸如金屬，特別是貴金屬或貴金屬合金之類的導 電材料覆蓋或填充(在管狀支持材料的情況下)。有用的不導電支持材料 的其它示例是蛋白質纖維如絲綢，或碳如碳纖維，包括含碳納米管的纖維， 它們也可用作導電電極材料?？赏ㄟ^常規(guī)的濺射或蒸發(fā)技術將導電材料沉 積到支持材料上。
電極的表面可光滑或不平坦。優(yōu)選靠近尖端表面不平坦或粗糙以便改 善尖端的錨定性質。不過，也可將電極的其它部分設定為不平坦表面。為 進一步改善電極陣列的錨定性質，還可為電極配備阻止它們沿近側方向倒 退的軟倒刺。如果倒刺由導電物質組成，它們還可起到電極尖端的作用， 且在這種情況下不絕緣。
基質材料。電極的不同部分被埋入兩種或多種生物相容的基質材料中 一種短效材料，下文稱為膠l;以及另一種長效材料，下文稱為膠2。合適 的膠材料包括糖和/或蛋白性材料。用于包埋電極的遠端部分的膠1在諸如 血漿或間質液之類的體液中在37i:的溫度下的溶解速率允許埋入其中的電 極變得不受約束，即在短時間內，具體是0.5到3分鐘內相對于相鄰電極發(fā) 生移動。膠2在諸如血槳或間質液之類的體液中在37"C的溫度下的溶解允 許埋入其中的電極變得不受約束，即在l到IO分鐘或更長時間內相對于相
鄰電極發(fā)生移動，但無論如何該時間長于遠端部分的(側向)移動變得不受約 束所需的時間。在插入過程慢的情況下，例如在將相應的電極陣列插入非 常深的組織的情況下，可使用溶解時間較長(諸如長達20分鐘)的膠l和 相應的溶解時間更長的膠2。
膠1的適合材料包括已在水中煮沸10-30分鐘或更久以產生1-3分鐘的 溶解時間的諸如蔗糖之類的二糖。煮沸更長時間將產生具有更長溶解時間 的膠?？捎糜谀z1的其 它膠包括已溶解于40-5(TC的水中然后被干燥的明膠。
通過重復地煮沸和冷卻包含糖或糖的混合物和有機酸的水溶液可獲得 用作膠2的合適材料，所述糖選自蔗糖、乳糖、甘露糖、麥芽糖，所述有 機酸選自檸檬酸、蘋果酸、磷酸或酒石酸。這樣的膠的溶解時間的范圍從13到60分鐘(Erhan等人2003年的美國專利號6,613,378，該專利通過引 用結合于此)。
糖和有機酸的不同組合呈現(xiàn)不同的溶解時間。因此，還有可能使用溶 解時間與膠1和膠2不同的不同組合。例如，檸檬酸與甘露糖的組合可產 生13分鐘的溶解時間，而檸檬酸與蔗糖的組合可產生約30分鐘的溶解時 間(US 6,613,378 Bl)。因此，這兩個組合可分別用作膠1和膠2。
明膠也可同時用于膠1和膠2。眾所周知不同類型的明膠具有不同的 溶解時間。因此，通過選擇兩種不同類型的明膠的適當組合作為膠1和膠2， 有可能實現(xiàn)電極陣列的遠側基質部分(膠1)的溶解時間快于電極陣列的近 側基質部分(膠2)的溶解時間。也可能將基于糖的膠用于遠側基質部分， 將基于明膠的膠用于近側基質部分，反之亦然。
任選地，諸如改性膠原、纖維素衍生物、改性淀粉之類的溶解時間顯 著更長的膠或諸如VICRYLTM之類的其它生物相容材料在插入過程較長的
應用中也可用作膠1和膠2。例如，在插入期間通過例如X射線成像重復 評估電極陣列的軌跡線的情況下，和/或通過使電流流過電極陣列包括的可 收縮細絲來改變該軌跡線的情況下，完成插入過程可能花費相對較長時間。 如果電極陣列將要插入緊鄰皮膚或粘膜下方或腦或脊髓或另一組織的 表面附近的組織中，諸如插入小于2mm的組織深度，則使用一種膠，具體 是膠1就足夠了，因為只有展開的電極陣列的遠側部分將位于組織內。在 這種情況下，設置在電極陣列的近側部分的電極之間的膠2由于保持干燥 狀態(tài)而不會溶解。
任選地，膠2可用來保持電極部分設置在電極陣列的中央和/或近側部 分，而膠1用來保持電極部分設置在它們的遠端與膠2所保持的部分之間。 安排諸如明膠之類的與水介質接觸能溶脹、還能作為膠的中央軸向設置的 試劑，可提供使電極在與體液接觸時向遠離電極陣列的縱軸方向移動/展開 的單獨裝置。
任選地，電極陣列可涂有潤滑劑，以減小電極陣列插入組織期間的摩 擦力。該潤滑劑還能延緩體液接觸膠，從而延緩膠的溶解/降解。
11優(yōu)選實施方式
圖1的本發(fā)明的電極陣列的第一實施方式1包括圍繞中心軸A平行設 置的不同長度的多個細金電極2、 2'、 2"。電極2、 2'、 2"的近端設置在橫 切軸A的平面中，同時它們的遠端根據它們的不同長度進行適當安排，可 被設置成錐體。從它們的錐形遠側尖端3、 3'、 3"沿近側方向延伸的電極2、 2'、 2"的遠側部分被埋入第一膠基質5中，該膠基質5毗鄰第二膠基質6。 基質5、 6之間的界面9設置在橫切軸A的平面中。第一膠基質5包括遠側 錐體7的尖端。各個電極2、 2'、 2"在其近端分別連接至細的軟導電引線4、 4，、 4"。引線4、 4'、 4"在離電極陣列較短距離處被集合成連接至電子單元 (未示出)的多電極引線束8，以便通過電極2、 4'、 2"'給予電剌激和/或 記錄電極2、 2'、 2"感測到的電信號。除從它們的遠側尖端3、 3'、 3"分別 延伸的較短距離之外，電極2、 2'、 2"和它們相應的引線4、 4'、 4"被薄的 聚合物漆層絕緣(未示出)。與水或諸如體液之類的水溶液接觸時，第一 膠基質5比第二膠基質6顯著更快地溶解。在圖2中，示出電極陣列1插 入軟組織10 (指出其表面的為附圖標記11)到一定深度，使得僅有引線4、 4'、 4"和多電極引線束8從組織10延伸出。圖2中電極陣列1的狀態(tài)是剛 插入時的狀態(tài)。在諸如約1分鐘之類的短時間之后，到達圖3中所示的電 極陣列1的狀態(tài)。第一膠5已經在組織10的水性間質液中溶解。電極2、 2'等的遠端部分的橫向移動上，特別是它們的尖端3、 3'的移動不受約束。 然而，電極2、 2'等的近側部分仍埋在第二膠基質6中，該第二膠基質6僅 緩慢地溶解，使得徑向最外側設置的電極3保持埋入第二膠基質6中，直 到第一膠基質5完全溶解。第二膠基質6的溶解花費至少IO分鐘；當溶解 結束時到達圖4中所示的狀態(tài)，其中各個電極2、 2'分別能在組織10中軸 向和橫向移動而不受相鄰電極2'和2的阻礙。
圖5中所示的本發(fā)明的電極陣列101的第二實施方式與圖1的實施 方式的不同之處在于，它包括兩種類型的電極具有錐形遠側尖端103的 電極102設置在中央；圍繞它對稱設置有具有尖端103a、 103a'、 103b、 103b' 的不同長度的橫向電極102a、 102a，、 102b、 102b'，它們的遠端沿徑向傾 斜。各個電極102、 102a、 102a'、 102b、 102b，分別在它們的近端處連接至細軟導電引線104、 104a、 104a，、 104b、 104b，，這些導電引線在離電極陣 列101的近端短距離處組合成多電極引線束108，該多電極引線束108與第 一實施方式的多電極引線束8起相同作用。同樣，電極102、 102a、 102a'、 102b、 102b，埋入第一基質膠105中，該第一基質膠105延伸至錐形界面109 處與延伸至近端的第二基質膠106相連。第一和第二基質膠105、 106與第 一實施方式的膠5、 6是相同類型。與第一實施方式不同的是，電極陣列101 的遠側錐體的遠側尖端103由電極的尖端即中央電極102的尖端103構成。 以下結合本發(fā)明的電極陣列的第三實施方式說明傾斜尖端103a、 103a'、 103b、 103b，的功能。
圖6和9中所示的本發(fā)明的電極陣列201的第三實施方式與圖5的 實施方式的不同之處在于，中央電極103被換成終止于錐形遠側尖端213 的插入桿214。插入桿213從電極陣列201的近端延伸出一定長度，該長度 適合于在電極陣列201插入軟組織期間手動操作電極陣列。在遠端沿徑向 傾斜的具有尖端203a、 203a，、 203b、 203b，的不同長度的電極202a、 202a，、 202b、 202b，圍繞插入桿214對稱地設置。各個電極202a、 202a，、 202b、 202b'分別在它們的近端處連接至細軟導電引線204a、 204a'、 204b、 204b'， 這些引線在離電極陣列201的近端短距離處組合成多電極引線束208，該多 電極引線束208與第一實施方式的電纜8起相同作用。同樣，電極202a、 202a，、 202b、 202b，的遠側部分埋入第一基質膠205中，該第一基質膠205 延伸至界面209處與延伸至近端的第二基質膠206相連。第一和第二基質 膠205、 206與第一實施方式的膠5、 6是相同類型。電極陣列201的遠側 錐體由插入桿214的尖端213形成。傾斜尖端203a、 203a，、 203b、 203b， 的功能根據圖7很明顯，其中電極陣列201的第一基質膠已經溶解，而第 二基質膠仍將電極202a、 202a，、 202b、 202b，的近側部分保持埋入狀態(tài)。 包括傾斜尖端203a、 203a，、 203b、 203b，的電極202a、 202a，、 202b、 202b， 的遠端部分現(xiàn)在在橫向移動上不再受約束。將電極陣列201沿箭頭S指示 的方向進一步推入軟組織中(未在圖7中示出)將使傾斜尖端203a、 203a'、 203b、 203b，向外偏斜，即沿如虛線箭頭Pa、 Pa，以及Pb、 Pb，所指示方向朝背 離中央插入桿214的方向向外偏斜。因此傾斜電極尖端203a、 203a'、 203b、203b，為相應的電極202a、 202a，、 202b、 202b，提供了展開裝置，且為電極 陣列201提供了錨定裝置。如前所述，各個電極202a、 202a'、 202b、 202b' 分別連接至細導電引線204a、 204a，、 204b、 204b，，其引線被組合成多電 極引線束208。
圖8中所示的本發(fā)明的電極陣列301的第四實施方式與圖1的實施 方式不同之處在于，長度不同且設置有錐形尖端303a、 303a，、 303b、 303b， 的電極302a、 302a'、 302b、 302b'具有背離電極陣列303的中心軸M徑向 彎曲的遠側末端部分316a、 316a，、 316b、 316，。各個電極302a、 302a，、 302b、 302b，分別在它們的近端處連接至細軟導電引線304a、 304a，、 304b、 304b，， 這些引線在離電極陣列301的近端短距離處組合成多電極引線束308，該多 電極引線束308與第一實施方式的電纜8起相同作用。同樣，電極302a、 302a，、302b、302b，的遠側部分被埋入第一基質膠部分305。電極302a、302a'、 302b、 302b，從近端延伸的部分被埋入第二基質膠部分306，不過，該第二 基質膠部分306不延伸至第一基質膠部分305。替代地，第三基質膠部分 315設置在膠部分305與306之間。第三基質膠部分315的溶解性質類似于 第二基質膠部分306的溶解性質，但除此之外，第三基質膠部分315在溶 解之前會溶脹，從而將電極302a、 302a，、 302b、 302b，的遠側部分316a、 316a，、 316b、 316，進一步徑向地向外推。第一和第二基質膠305、 306與第 一實施方式的膠5、 6是相同類型。電極陣列301的遠側錐體具有由第一基 質部分305構成的圓形尖端313。 一旦第一膠基質306溶解，電極302a、 302a'、 302b、 302b'的遠端部分的彎曲構造控制它們沿路徑Qa、 Qa，以及Qb、 Qb，展開，從而沿箭頭T指示的近側方向推電極陣列301。同樣，各個電極 302a、 302a，、 302b、 302b，分別連接至細導電引線304a、 304a，、 304b、 304b，， 其引線被組合成多電極引線束308。
通過其它優(yōu)選實施方式的橫截面在圖IO至13中示出。 圖10所示的本發(fā)明的電極陣列401的第五實施方式的橫截面為橢圓 形。多個細軟電極402設置在中央光纖417周圍，通過該光纖可將輻射傳 導至感興趣的組織部位，任選地可將從組織反射回的輻射提取至諸如IR儀 器之類的輻射記錄儀器(未示出)。電極402被埋入第一和第二膠基質部
14分406中。此外，電極陣列401共有本發(fā)明的上述實施方式的主要設計特 點。
圖11中所示的本發(fā)明的電極陣列501的第六實施方式是平面設計， 且軸向剖視圖類似于圖1的實施方式。它包括中央插入桿514，包括埋入第 一和第二膠基質506中的細軟電極502的翼部從中央插入桿514伸出。此 外，電極陣列501共有本發(fā)明的上述實施方式的主要設計特點。
圖12所示的本發(fā)明的電極陣列601的第七實施方式的設計類似于本 發(fā)明的第五實施方式，不過它缺少中央插入桿。它包括埋入第一和第二膠 基質606的細軟電極602。此外，電極陣列601共有本發(fā)明的上述實施方式 的主要設計特點。
圖13所示的本發(fā)明的電極陣列701的第八實施方式是相同形狀的兩 個平坦電極陣列的組合，這兩個陣列各自對應于第七實施方式的電極陣列， 其中它們的平坦表面重疊并且通過隔開的膠部分718接合。它們的電極的 附圖標記分別為702a、 702b，而所示出的它們被埋入其中的第二膠部分的 附圖標記分別為706a、 706b。
圖14所示的電極陣列801的第九實施方式與圖6的實施方式基本一 致，除了電極尖端803a、 803a，、 803b、 803b，未埋入第一膠基質805 (因而 它們延伸出來)，而且插入桿814未延伸穿過整個電極陣列至其遠端。替 代地，插入桿814通過膠818安裝在電極陣列的第二膠基質部分806的平 坦近側表面中的中央圓柱形軸向凹槽中。膠818在水性環(huán)境中的溶解速率 顯著高于第二膠基質部分806的溶解速率。電極802a、 802a'、 802b、 802b' 具有沿近側方向朝電極陣列801的中軸(未示出)傾斜的尖端803a、 803a'、 803b、 803b'。它們的遠側部分埋入第一基質膠部分805中，該第一基質膠 部分805在水性介質中的溶解速率高于近側部分埋入的第二基質膠部分 806。第一與第二膠基質部分之間的界面809設置在電極陣列801的錐形遠 側部分的近側。各個電極802a、 802a，、 802b、 802b，的近端分別附連于細 軟導電引線804a、 804a，、 804b、 804b，，這些引線804a、 804a，、 804b、 804b， 在離電極陣列801的近端較短距離處組合成多電極引線束808。
結合在本發(fā)明的電極陣列901中的現(xiàn)有技術電極902 (圖15、 15a)包括倒刺920，該倒刺920沿鈍電極尖端903的近端方向延伸并終止于尖銳 端921。倒刺920與電極902是一體的，其由非常細的金屬導線制得。除倒 刺920和其尖端921 (圖15、 15a中的細點陰影部分)之外，電極902被薄 聚合物層(未示出)絕緣。在圖15中，彎曲倒刺209通過埋入第一膠基質 905而保持彈性緊靠于電極902。電極的近側部分包括埋入第二膠基質906 中的電極902的末端近側部分。細導線引線904在925處焊接至電極卯2 的從第二膠基質906延伸出來的短近側末端部分。在離焊點925較短距離 處，微信號放大器926與引線904是一體的。 一旦第一膠基質905溶解， 倒刺902的運動就不再受約束，并呈現(xiàn)圖15a所示的物理上不受限制的彎 曲構造。不過電極902的近端仍保持包埋在第二膠基質906中。
本發(fā)明的電極陣列的應用
本發(fā)明的電極陣列主要用于對患有疼痛、癲癇、抑郁、腦和/或脊髓損 傷或變性的人的治療；作為能進行假體控制或控制骨骼肌的腦一計算機通 信的接口；用于控制內分泌和外分泌器官功能；以及作為神經元網絡功能 以及神經系統(tǒng)的可塑性、發(fā)育和老化的研究中的研究工具。
本發(fā)明的電極陣列的臨床應用尤其可用來通過記錄例如中風或變性疾 病的情況下來自剩余神經元的信號來輔助患有各種類型的腦或脊髓損傷的 患者，和/或用來刺激神經元以彌補喪失的功能。相似的用途對動物也是可 能的。例如，這些電極可用來通過刺激止痛腦干中心，例如腦管周圍的灰 質中的核來緩解疼痛；通過基底神經節(jié)或相關核內的刺激可減輕或減少帕 金森綜合征中的顫抖、舞蹈癥運動或其它不自主運動；在阿爾茨海默疾病 或其它變性疾病的情況下通過刺激膽堿能和/或單胺能核來提高記憶力；通 過刺激腦邊緣中心或其它腦區(qū)域來控制情緒、攻擊行為、抑郁、焦慮、恐 懼、感動、過度性行為、陽萎、進食干擾；通過刺激大腦皮質中的剩余連 接或遞減的運動神經通道來使中風或腦/脊髓受損之后的患者康復；在脊髓 受損之后通過刺激脊髓中的相關部分來重新建立對諸如膀胱和腸清空之類 的脊髓功能的控制；通過刺激遞減的抑制脊椎中心或合適的小腦區(qū)域來控制痙攣。DMCE還可用來誘導患有失眠的人睡眠。
本發(fā)明的電極陣列可通過使電流流過組織來對特定組織部位進行電解 殺傷。適當強度的電流可用來加熱電極細絲從而將其溫度升高至一定水平， 在該水平鄰近的細胞被殺死。在這種情況下，選擇由電極束給予的電流強 度以使其足以在毗鄰電極束前端的一定組織空間內實現(xiàn)細胞死亡。例如， 電極陣列可用來殺傷腫瘤或在刺激或變性疾病之后產生異?；顒拥腃NS部 位。
記錄和刺激結合的示例包括通過與給予抗癲癇藥和/或電脈沖的系統(tǒng) 偶聯(lián)的植入癲癇病灶的電極來監(jiān)測癲癇發(fā)作；通過記錄中樞運動神經命令、 并刺激損傷處的運動神經系統(tǒng)末梢的執(zhí)行部分來補償運動神經系統(tǒng)中已喪 失的連接；通過記錄該部位處的神經元活動來選擇產生異常電活動的部位、 接著通過電極束給予足夠強度和足夠時長的電流來殺傷該部位處的組織。
本發(fā)明的電極陣列還可用作計算機與神經假體通信的接口。在周圍神 經系統(tǒng)有損傷的病人中，記錄來自CNS的命令信號是有用的。這些信號可 通過計算機程序來解釋，并用來控制諸如人造手或腳之類的神經假體，也 可用于控制對諸如膀胱和腸之類的肌肉和器官的刺激。
而且，對于激素分泌或調節(jié)缺陷的患者，本發(fā)明的電極陣列可用來測 量活性并控制來自外分泌或內分泌器官的激素分泌。
本發(fā)明電極陣列在研究腦和脊髓的正常以及異?；顒又械膽每砂?例如監(jiān)測例如主軀體感覺皮質或腦邊緣系統(tǒng)中的疼痛相關的神經元活動， 從而能夠評估可能的止痛化合物或止痛治療的潛能。另一示例是監(jiān)測動物 的癲癇行為，以測試抗癲癇化合物或治療的功效。其它示例包括記錄調節(jié) 睡眠的神經元中心的活動以研究睡眠紊亂，以及記錄調節(jié)食欲的神經元中 心以研究與肥胖相關的問題。
在這些研究中，有必要記錄神經元活動，同時與未受干擾的中樞神經 系統(tǒng)相互作用。針對此目的，本發(fā)明的電極陣列被長期植入CNS。它可用 作測量例如組織中多種分子濃度水平的生物傳感器的載體。
本發(fā)明的電極陣列如果配備有光纖，則可用來介導來自通過敲入基因 技術引入細胞中的熒光團(flu叩hore)的信號。本領域普通技術人員將能理解的是，本文中公開的本發(fā)明的電極陣列 的實施方式和用途僅作為示例給出。他或她還將理解，本發(fā)明還包括除本 文中具體說明的那些實施方式之外的多個實施方式的特征的純粹組合。
權利要求
1.一種用于插入包括人的動物的軟組織中的電極陣列，包括多個各自具有遠側尖端和近端的細軟電極，其中從近端延伸的所述電極的至少一部分平行設置，所述電極包埋在可溶解于諸如體液之類的水溶劑中的基質中，其中所述基質包括溶解速率不同的兩個或多個部分，包括第一部分，其包圍從其遠側部分，具體是從遠側尖端沿近側方向延伸的電極部分；以及第二部分，其包圍從所述第一部分向它們的近端延伸的電極部分。
2. 如權利要求1所述的電極陣列，其特征在于，所述第一基質部分的溶 解速率高于所述第二基質部分的溶解速率。
3. 如權利要求1或2所述的電極陣列，其特征在于，軟引線導電附連至 各個電極的遠端。
4. 如權利要求1至3中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，除遠端 之外，各電極電絕緣。
5. 如權利要求1至4中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，所述電極長度不同。
6. 如權利要求5所述的電極陣列，其特征在于，所述電極圍繞軸設置， 它們的遠端位于橫切所述軸的平面中，設置方式是長度朝所述軸方向遞增。
7. 如權利要求6所述的電極陣列，其特征在于，所述電極的遠側部分形 成錐體或錐體的對稱軸向剖面或類似的構造。
8. 如權利要求1至7中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，所述電 極的遠側部分包括展開裝置。
9. 如權利要求8所述的電極陣列，其特征在于，所述電極的遠側尖端沿 近側方向朝所述電極軸單側地傾斜。
10. 如權利要求8所述的電極陣列，其特征在于，從所述遠側尖端延伸的電極部分以背離所述中心軸的方向彎曲。
11. 如權利要求8所述的電極陣列，其特征在于，從所述遠側尖端延伸的 電極部分以彈性約束的方式設置在所述第一基質部分中，以允許它們在所述第 一基質部分溶解時以背離所述中心軸的方向彎曲。
12. 如權利要求1至11中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，所述 第一基質部分的溶解速率足以使它在所述第二基質部分溶解到足以使包埋電 極失去包埋狀態(tài)的程度之前充分地溶解。
13. 如權利要求1至12中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，包括設置在其電極之間的能夠在水性溶劑中溶脹的物質。
14. 如權利要求1至13中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，包括 一根或多根光纖。
15. 如權利要求1至14中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，包括 一個或多個可收縮的雙金屬元件，所述雙金屬元件在電流流過它們時改變它們 的形狀，例如發(fā)生彎曲，以便控制其插入路徑。
16. 如權利要求1至14中的任一項所述的電極陣列，其特征在于，包括 用于控制其插入路徑的一個或多個可收縮的聚合物元件。
17. 如權利要求1至14中的任一項所述的電極陣列，其特征在于， 一電 極被連接至設置在其近端附近的微型放大器。
全文摘要
一種用于插入軟組織的電極陣列包括多個細軟電極，每一個具有遠側尖端和近端，其中從近端延伸的電極的至少一部分平行設置。電極埋入在諸如體液之類的水溶液中可溶解的基質中。該基質包括溶解速率不同的兩個或多個部分。第一部分包圍沿其遠側部分向近側方向延伸的電極部分。第二部分包圍從第一部分向近端延伸的電極部分。
文檔編號A61B5/0478GK101616630SQ200880002662
公開日2009年12月30日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權日2007年1月23日
發(fā)明者J·斯科恩博格 申請人:神經毫微股份公司