專利名稱：用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)神經(jīng)功能恢復(fù)領(lǐng)域，特別是用于閉眼功能恢復(fù)的植入 式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，以功能性電刺激方法恢復(fù)面癱后患者閉眼功能。
背景技術(shù)：
神經(jīng)系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜的信息處理和運(yùn)動控制系統(tǒng)，人的生命活動 是完全依靠神經(jīng)系統(tǒng)的正常調(diào)節(jié)與控制來完成的，神經(jīng)系統(tǒng)中的任何一個 環(huán)節(jié)發(fā)生了問題，人的生命活動都會發(fā)生障礙甚至死亡。功能性神經(jīng)肌肉
刺激(Functional Neuromuscular Stimulation, FNS)或功能性電刺激 (Functional Electrical Stimulation, FES)技術(shù)所要解決的問題正是 復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)中有待解決的許多問題中的一個。在中風(fēng)、腦傷、腫瘤或 脊髓損傷中，神經(jīng)系統(tǒng)中的高位運(yùn)動神經(jīng)元的傳導(dǎo)會被阻滯，因此高級中 樞神經(jīng)所傳出的對肌肉運(yùn)動的調(diào)節(jié)與控制信息就不能到達(dá)效應(yīng)器官，這樣 正常生理運(yùn)動所需要的肌肉的協(xié)調(diào)收縮就不可能實(shí)現(xiàn)，給正常生命活動帶 來了障礙，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致死亡。但是，在這種高位運(yùn)動神經(jīng)元的損傷中， 處于外周的運(yùn)動神經(jīng)元及其支配的肌肉群往往是完好無損的，它們之所以 不能正常工作，是因?yàn)橹袠猩窠?jīng)不能下達(dá)正確的控制信息，如果這時(shí)能夠 用電刺激的方法使外周神經(jīng)或肌肉興奮，那么他們同樣能收縮并完成一定 的功能，這就是功能性神經(jīng)肌肉刺激的基本思想。
面神經(jīng)總干及各分支干的斷裂缺損可導(dǎo)致面神經(jīng)功能的永久性喪失， 一般為單側(cè)性的，常見原因有外傷時(shí)面神經(jīng)干被切斷、腮腺腫瘤侵犯面神 經(jīng)干需將受累面神經(jīng)一并切除以及醫(yī)源性的手術(shù)損傷等。面神經(jīng)功能損傷 后會引起相應(yīng)的肌肉癱瘓，俗稱面癱，表現(xiàn)為口眼歪斜、額紋消失、眼不 能閉合、口角及人中溝偏向健側(cè)、鼓腮漏氣、閉合不嚴(yán)、口涎外溢等，給 患者身心帶來難以忍受的痛苦。如果這種面神經(jīng)缺損較大、張力過大不能 直接縫合時(shí)，目前醫(yī)學(xué)尚無有效的治療方法以恢復(fù)損傷的面神經(jīng)功能、解 除面癱癥狀，患者就會出現(xiàn)永久性面癱，其原因在于神經(jīng)的再生問題還是 一個世界性的尚未攻克的難題，正如脊髓及其它高位神經(jīng)元損傷造成的四 肢肌肉功能癱瘓一樣，盡管人們在不斷探索、嘗試神經(jīng)移植、誘導(dǎo)神經(jīng)再 生等治療措施，但目前仍無法全面地恢復(fù)損傷神經(jīng)的功能，使肌肉產(chǎn)生隨 意、正常的各種功能運(yùn)動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，它能使肌肉產(chǎn)生隨意、正常的各種功能運(yùn)動，以防止面祌經(jīng)功能 損傷后會引起相應(yīng)的肌肉癱瘓。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及 控制系統(tǒng)，它至少包括電極和控制電路，其特征是所述的電極包括一個 硅膠套管和固定在硅膠套兩端的兩個圓形電極，兩個圓形電極分別有電極 引出線，電極植入到負(fù)責(zé)支配眼輪匝肌的面神經(jīng)分支周圍，電極引出線沿 硅膠套管軸向引出并穿過皮下滯留于身體的隱蔽處與神經(jīng)電刺激控制裝 置相連，神經(jīng)電刺激控制裝置將刺激波信號輸入到電極。
所述的刺激波信號為正負(fù)脈沖信號。
所述的正負(fù)脈沖信號中的正負(fù)電荷積累相等。
所述的神經(jīng)電刺激控制裝置，至少包括信號產(chǎn)生電路、正負(fù)脈沖輸出 電路，信號產(chǎn)生電路與正負(fù)脈沖輸出電路電連接；正負(fù)脈沖輸出電路將刺
激波信號輸入到植入式神經(jīng)電極2;電刺激信號作用于神經(jīng)8，激發(fā)神經(jīng)
產(chǎn)生效應(yīng)信號，神經(jīng)效應(yīng)信號傳導(dǎo)于眼輪匝肌9，使其收縮產(chǎn)生閉眼動作。 所述的信號產(chǎn)生電路通過接口連接控制單元，信號產(chǎn)生電路接收控制
單元的刺激脈沖的參數(shù)信息。
所述的刺激脈沖的參數(shù)信息是正脈沖的寬度^和負(fù)脈沖的寬度^ ，正
脈沖的幅度/p和負(fù)脈沖的幅度/ ，正負(fù)脈沖間隔r。，刺激脈沖頻率。 所述的刺激脈沖頻率在0.1Hz 100 Hz。
所述的信號產(chǎn)生電路包括單片機(jī)、DVV轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)的I/O 口與 D\A轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)線和控制線電連接；D\A轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出信號端 與正負(fù)脈沖輸出電路電連接。
所述的信號產(chǎn)生電路是帶D\A轉(zhuǎn)換電路的單片機(jī)，單片機(jī)的模擬輸 出信號端與上述的正負(fù)脈沖輸出電路電連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將電刺激信號作用于支配眼輪匝肌的面神經(jīng)分支， 使其產(chǎn)生興奮信號，然后通過神經(jīng)將這種神經(jīng)興奮信號傳輸、作用于眼輪 匝肌，使眼輪匝肌產(chǎn)生收縮、發(fā)生眼瞼閉合動作。為了克服刺激脈沖由單 一頻率或?qū)ΨQ強(qiáng)度產(chǎn)生神經(jīng)麻痹，刺激脈沖的正負(fù)脈沖的寬度、和^，幅 度/p和4，正負(fù)脈沖間隔^可通過控制單元隨時(shí)修改。使其興奮頻率點(diǎn) 始終處于非適應(yīng)狀態(tài)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖2是實(shí)施例使用狀態(tài)圖3是實(shí)施例刺激脈沖信號波形圖4是實(shí)施例神經(jīng)電刺激控制裝置電路圖5是實(shí)施例信號產(chǎn)生電路原理圖6是實(shí)施例正負(fù)脈沖輸出電路原理圖。
圖中，1、硅膠套管；2、植入式神經(jīng)電極；3、引線；4、神經(jīng)電刺激 控制裝置；5、信號產(chǎn)生電路；6、正負(fù)脈沖輸出電路；7、控制單元；8、 神經(jīng)；9、眼輪匝肌。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，植入式神經(jīng)電極2是在硅膠套管1沿管徑方向固定兩個 圓形電極，兩個圓形電極分別通過固定引線3沿硅膠套管軸向引出與神經(jīng) 電剌激控制裝置4電連接。兩個圓形電極一個作為正極性電極，另一個為 負(fù)極性電極。這種電極能將電刺激直接作用在外周祌經(jīng)周圍，因而降低了 引起動作電位所需的刺激強(qiáng)度，從而使得電化學(xué)過程所附帶的損傷危險(xiǎn)最 小化，并且減小了剌激系統(tǒng)所需的能量消耗。另外，Cuff電極固定較為 穩(wěn)定，可以有效地防止肌肉運(yùn)動時(shí)引起的電極斷線和移動等問題，適合作 為永久性的埋入電極長期使用。
如圖2所示，植入式神經(jīng)電極2電極植入到負(fù)責(zé)支配眼輪匝肌的面神 經(jīng)分支周圍，植入式神經(jīng)電極2的導(dǎo)線穿過皮下滯留于身體的隱蔽處，通 過神經(jīng)電刺激控制裝置4將刺激波信號輸入到植入式神經(jīng)電極2。電刺激 信號作用于神經(jīng)8，激發(fā)神經(jīng)產(chǎn)生效應(yīng)信號，神經(jīng)效應(yīng)信號傳導(dǎo)于眼輪匝 肌9，使其收縮產(chǎn)生閉眼動作。
圖3是神經(jīng)電刺激控制裝置4電路框圖，包括信號產(chǎn)生電路5、正負(fù) 脈沖輸出電路6和控制單元7?？刂茊卧?通過接口與產(chǎn)生電路5電連接， 控制單元7向信號產(chǎn)生電路5輸入刺激脈沖的參數(shù)信息，如正脈沖寬度、 和負(fù)脈沖寬度r。、正脈沖幅度/,和負(fù)脈沖幅度/ 、周期脈沖間隔^，信 號產(chǎn)生電路5產(chǎn)生上述產(chǎn)數(shù)的信號由正負(fù)脈沖輸出、電路6將刺激波信號輸 入到植入式神經(jīng)電極2。
信號產(chǎn)生電路5和控制單元7也可以是一體的，這時(shí)信號產(chǎn)生電路5 帶有設(shè)定電路和顯示電路，設(shè)定電路和顯示電路用于輸入正脈沖寬度^和 負(fù)脈沖寬度r"、正脈沖幅度/p和負(fù)脈沖幅度/ 、周期脈沖間隔^ 。
實(shí)施例電路中的正負(fù)脈沖輸出電路6是將信、號產(chǎn)生電路5提供的電壓信號變成所需的恒流電壓信號。由于眼輪匝肌8的阻抗隨人體的差異有所 變化，因此，正負(fù)脈沖輸出電路6的輸出電流是恒流輸出的，這樣就不會 由于眼輪匝肌8的阻抗隨人體的差異有所變化而電流變化。當(dāng)需要調(diào)整參 數(shù)時(shí)，重新通過控制單元7或設(shè)定電路和顯示電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。
圖4給出的是剌激脈沖信號的波形示意圖，正脈沖寬度^和負(fù)脈沖寬 度r"，正脈沖幅度/p和負(fù)脈沖幅度/"，正負(fù)脈沖間隔^，刺激脈沖頻率 中的每一個參數(shù)都是可以調(diào)節(jié)的。為了適應(yīng)人體對電刺激脈沖信號的作用 有效，刺激脈沖頻率在0. lHz 100 Hz之間。也就是說正脈沖寬度、、負(fù) 脈沖寬度r"和正負(fù)脈沖間隔^只能在0. 1Hz 100 Hz選取參數(shù)。參數(shù)的選 取要保證正負(fù)雙向脈沖電荷平衡，使組織損傷盡量減小。關(guān)于這一點(diǎn)，正 負(fù)雙向脈沖電荷平衡從波形上講是要求正脈沖寬度、和負(fù)脈沖寬度^的 積分值相等。對正脈沖寬度、和負(fù)脈沖寬度r"相同情況下，正負(fù)雙向脈沖 電荷是平衡的；在正脈沖寬度、和負(fù)脈沖寬度^不相同時(shí)(輸入的參數(shù)不 同)，要求正脈沖寬度、寬，負(fù)脈沖寬度幅度則大，反之，正脈沖寬度、小， 負(fù)脈沖寬度幅度則小，也就是上述要求的正脈沖寬度、和負(fù)脈沖寬度r。的 積分值相等。
圖5給出了一種信號產(chǎn)生電路5的實(shí)施電路圖，包括單片機(jī)AT89C51、 D\A轉(zhuǎn)換器ADC0832和兩個運(yùn)算放大器，由D\A轉(zhuǎn)換器ADC0832和兩個運(yùn) 算放大器組成的DVl》俞出電路是一種經(jīng)常使用的電路，在這里不作祥細(xì)的 電路部件描述和連接說明。AT89C51的1/0 口與ADC0832的數(shù)據(jù)線和控制 線電連接；D\A轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出信號經(jīng)D\A輸出電路后與正負(fù)脈沖輸 出電路6電連接。電路采用9V的鎳氫電池供電，單片機(jī)AT89C51通過串 口光電隔離器RS232-I來隔離與控制單元7中RS232接口的地線回路，提 高抗干擾能力。
工作時(shí)單片機(jī)AT89C51通過串口光電隔離器RS232-I來接收控制單元 7輸入的參數(shù)，再由單片機(jī)AT89C51通過ADC0832產(chǎn)生刺激電壓脈沖，最 后通過正負(fù)脈沖輸出電路6轉(zhuǎn)化為恒定的電流脈沖。當(dāng)DAC的輸入為0 127之間時(shí)輸出正脈沖，而當(dāng)DAC輸入為129 255之間時(shí)輸出負(fù)脈沖， 當(dāng)DAC輸入為128時(shí)，輸出零。釆取該電路結(jié)構(gòu)，DAC的輸出分辨率 7bit。
對于本發(fā)明信號產(chǎn)生電路5也可采用其它的電路形式，如單片機(jī) 本身帶D\A轉(zhuǎn)換電路，如TI的MSP430單片機(jī)。MSP430單片機(jī)在其內(nèi)集 成了高精度A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路，采用MSP430單片機(jī)會使電路結(jié)構(gòu)更加簡單、可靠。同時(shí)方便的在其內(nèi)加入鍵盤電路和顯示電路，就能
實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入，可省去控制單元7。關(guān)于后一種形式的電路在TI的網(wǎng)
站下載資料將會有祥細(xì)說明，在這里也不做過多描述。
圖5中的正負(fù)脈沖輸出電路由圖6進(jìn)行放大給出。如圖6所示正負(fù)脈
沖輸出電路包括兩個運(yùn)算放大器、8個三極管構(gòu)成鏡像的正負(fù)脈沖輸出電 路，電路中的正脈部輸出電路是 一個運(yùn)算放大器U1的輸出端與其中一 個NPN三極管Q1的基極電連接，運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端與三極管 Ql的發(fā)射極電連接，它們的連接點(diǎn)通過電阻R6接地；三極管Q1的集電 極與一個PNP三極管Q2集電極電連接，連接點(diǎn)與NPN三極管Q7基極 電連接；所述的三極管Q2發(fā)射極通過電阻R8與電源電連接，三極管Q2 的基極同時(shí)與PNP三極管Q3的基極和集電極，與三極管Q7的發(fā)射極電 連接，三極管Q7的集電極與負(fù)脈部輸出電路的其中的一個PNP三極管 Q8集電極電連接，供同提供正負(fù)脈沖輸出信號；所述的負(fù)脈部輸出電路 是另一個運(yùn)算放大器U2的輸出端與其中一個PNP三極管Q4的基極電 連接，運(yùn)算放大器U2的負(fù)輸入端與三極管Q4的發(fā)射極電連接，它們的 連接點(diǎn)通過電阻R7接地；三極管Q4的集電極與一個NPN三極管Q5集 電極電連接，連接點(diǎn)與NPN三極管Q8基極電連接；所述的三極管Q5發(fā) 射極通過電阻R8與負(fù)電源電連接，三極管Q5的基極同時(shí)與NPN三極管 Q6的基極與集電極，與三極管Q8的發(fā)射極電連接，三極管Q8的集電極 與正脈部輸出電路的三極管Q7集電極電連接，所述的三極管Q6通過電阻 Rll與負(fù)電源電連接。
8
權(quán)利要求
1、用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，它至少包括電極和控制電路，其特征是所述的電極包括一個硅膠套管和固定在硅膠套兩端的兩個圓形電極，兩個圓形電極分別有電極引出線，電極植入到負(fù)責(zé)支配眼輪匝肌的面神經(jīng)分支周圍，電極引出線沿硅膠套管軸向引出并穿過皮下滯留于身體的隱蔽處與神經(jīng)電刺激控制裝置相連，神經(jīng)電刺激控制裝置將刺激波信號輸入到電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，其特征是所述的刺激波信號為正負(fù)脈沖信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，其特征是所述的正負(fù)脈沖信號中的正負(fù)電荷積累相等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，其特征是所述的神經(jīng)電刺激控制裝置，至少包括信號產(chǎn)生電 路、正負(fù)脈沖輸出電路，信號產(chǎn)生電路與正負(fù)脈沖輸出電路電連接； 正負(fù)脈沖輸出電路將刺激波信號輸入到植入式神經(jīng)電極(2);電刺激信 號作用于神經(jīng)(8)，激發(fā)神經(jīng)產(chǎn)生效應(yīng)信號，神經(jīng)效應(yīng)信號傳導(dǎo)于眼輪匝肌(9)，使其收縮產(chǎn)生閉眼動作。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，其特征是所述的信號產(chǎn)生電路通過接口連接控制單元，信號產(chǎn)生電路接收控制單元的剌激脈沖的參數(shù)信息。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，其特征是所述的剌激脈沖的參數(shù)信息是正脈沖的寬度、和 負(fù)脈沖的寬度r"，正脈沖的幅度/,和負(fù)脈沖的幅度/ ，正負(fù)脈沖間隔 td，刺激脈沖頻率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，其特征是.*所述的刺激脈沖頻率在0.1Hz 100Hz。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控 制系統(tǒng)，其特征是所述的信號產(chǎn)生電路包括單片機(jī)、DVV轉(zhuǎn)換電路， 單片機(jī)的I/O 口與DV^轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)線和控制線電連接；DVV轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出信號端與正負(fù)脈沖輸出電路電連接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，其特征是所述的信號產(chǎn)生電路是帶D\A轉(zhuǎn)換電路的單片機(jī)，單片機(jī)的模擬輸出信號端與上述的正負(fù)脈沖輸出電路電連接。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，其特征是正負(fù)雙向脈沖輸出電路包括兩個運(yùn)算放大器、8個三 極管構(gòu)成鏡像的正負(fù)脈沖輸出電路，其中，所述的正脈部輸出電路是其中一個運(yùn)算放大器Ul的輸出端與其中一個NPN三極管Ql的基極電連 接，運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端與三極管Q1的發(fā)射極電連接，它們的連 接點(diǎn)通過電阻R6接地；三極管Ql的集電極與一個PNP三極管Q2集電 極電連接，連接點(diǎn)與NPN三極管Q7基極電連接；所述的三極管Q2發(fā)射 極通過電阻R8與電源電連接，三極管Q2的基極同時(shí)與PNP三極管Q3 的基極和集電極，與三極管Q7的發(fā)射極電連接，三極管Q7的集電極與 負(fù)脈部輸出電路的其中的一個PNP三極管Q8集電極電連接，供同提供正 負(fù)脈沖輸出信號；所述的負(fù)脈部輸出電路是另一個運(yùn)算放大器U2的輸 出端與其中一個PNP三極管Q4的基極電連接，運(yùn)算放大器U2的負(fù)輸入 端與三極管Q4的發(fā)射極電連接，它們的連接點(diǎn)通過電阻R7接地；三極 管Q4的集電極與一個NPN三極管Q5集電極電連接，連接點(diǎn)與NPN三 極管Q8基極電連接；所述的三極管Q5發(fā)射極通過電阻R8與負(fù)電源電 連接，三極管Q5的基極同時(shí)與NPN三極管Q6的基極與集電極，與三極 管Q8的發(fā)射極電連接，三極管Q8的集電極與正脈部輸出電路的三極管 Q7集電極電連接，所述的三極管Q6通過電阻Rll與負(fù)電源電連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)神經(jīng)功能恢復(fù)領(lǐng)域，特別是用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，它包括電極和控制電路，其特征是所述的電極包括一個硅膠套管和固定在硅膠套兩端的兩個圓形電極，兩個圓形電極分別有電極引出線，電極植入到負(fù)責(zé)支配眼輪匝肌的面神經(jīng)分支周圍，電極引出線沿硅膠套管軸向引出并穿過皮下滯留于身體的隱蔽處與神經(jīng)電刺激控制裝置相連，神經(jīng)電刺激控制裝置將刺激波信號輸入到電極。這種用于閉眼功能恢復(fù)的植入式神經(jīng)電極及控制系統(tǒng)，它能使肌肉產(chǎn)生隨意、正常的各種功能運(yùn)動，以防止面神經(jīng)功能損傷后會引起相應(yīng)的肌肉癱瘓。
文檔編號A61N1/36GK101306225SQ20071001871
公開日2008年11月19日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者軍 曹, 輝 李, 斌 楊, 涂曉麗, 邵時(shí)云, 斌 陸 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)