一種植入式神經電脈衝刺激系統

《一種植入式神經電脈衝刺激系統》是清華大學於2005年10月28日申請的專利，該專利的公布號為CN1745857，申請公布日為2006年3月15日，發明人是李路明、郝紅偉、馬伯志、薛林。該發明屬於植入式醫療儀器技術領域。

《一種植入式神經電脈衝刺激系統》其特徵在於：它由植於人體內的脈衝發生器、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。該脈衝發生器由外部磁鐵、程控器和PDA非接觸式控制工作狀態和調節脈衝參數，通過電極對靶點區域實現脈衝幅度、頻率、脈寬等參數精確、靈活調節的任意波形的電脈衝刺激，有利於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體，從而無需手術實現產品軟體的更新換代，提高了植入式脈衝發生器的可靠性、可維護性和使用壽命。該發明可用於帕金森病、癲癇、疼痛、扭轉痙攣等神經系統疾病的電刺激治療。

2015年11月27日，《一種植入式神經電脈衝刺激系統》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種植入式神經電脈衝刺激系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種植入式神經電脈衝刺激系統
• 申請人：清華大學
• 申請日：2005年10月28日
• 申請號：2005101167046
• 公布號：CN1745857
• 公布日：2006年3月15日
• 發明人：李路明、郝紅偉、馬伯志、薛林
• 地址：北京市100084－82信箱
• 分類號：A61N1/36(2006.01)
• 類別：發明專利

專利背景

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，但副作用和併發症是重要的弊端。電刺激療法通過對不同疾病相應的靶點進行慢性電脈衝刺激，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於聽覺神經修補系統。中國發明專利（申請號01810456.8）“用於刺激有機體器官和組織的植入式和可程式電刺激器”，將生物感測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感測器記錄，根據一定的算法，線上電極上形成電流脈衝。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，不適用於神經刺激。

2005年前臨床套用的植入式電脈衝刺激系統主要由Medtronic、Cyberonics等美國公司生產，技術方案未公開。缺點在於，脈衝參數（包括脈衝幅度、脈寬、周期）只能粗略調節，分幾檔至幾十檔；脈衝參數誤差大，達到±25％甚至更高；脈衝發生器植入體內後，軟硬體無法改動，一旦由於外界原因出現任何故障，或者軟體需要升級換代，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

專利目的

針對2005年10月之前的技術中存在的不足，該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衝刺激系統，可用於刺激腦部或神經，有效控制和治療疾病，該系統可用於治療神經系統疾病。

技術方案

《一種植入式神經電脈衝刺激系統》的特徵在於：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製造的脈衝發生器、位於體外的掌上電腦、程控器，其中：脈衝發生器含有微處理器、體內外雙向通信部件、電流脈衝刺激部件和電源，其中：微處理器，在該微處理器內部集成了作為程式存儲器用的大容量的FLASH存儲器，並且支持自編程操作；程控振盪器，該振盪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盪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。

所述程控振盪器、發射線圈、檢波器、放大器和接收線圈共同構成所述脈衝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，由脈衝發生器電源供電，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，該轉換器的數位訊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衝刺激部件；脈衝發生器電源；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、振盪器、發射信號功率放大電路以及發射線圈依次串聯而成，所述脈衝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，所述脈衝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，以便對所述脈衝發生器進行信息和狀態遙測、運行參數程控和微處理器程式更新。電極，通過導線與所述脈衝發生器的電流脈衝刺激信號輸出端相連。

有益效果

與2005年10月之前的技術相比，《一種植入式神經電脈衝刺激系統》具有如下有益效果：

（1）使用DA轉換器，不僅脈衝幅度參數和脈寬、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衝，也可輸出複雜波形刺激脈衝；

（2）使用大容量Flash作為程式存儲器，能夠通過PDA和程控器更新植入脈衝發生器的軟體，它可以實現基於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，該發明具有極高的經濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1是《一種植入式神經電脈衝刺激系統》的系統框圖。

圖2是該發明的植入脈衝發生器的原理框圖。

圖3是該發明的刺激電脈衝波形示意圖。

圖4是該發明的體外程控器的原理框圖。

權利要求

1.《一種植入式神經電脈衝刺激系統》其特徵在於，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製造的脈衝發生器、位於體外的掌上電腦、程控器，其中：脈衝發生器含有微處理器、體內外雙向通信部件、電流脈衝刺激部件和電源，其中：微處理器，在該微處理器內部集成了作為程式存儲器用的大容量的FLASH存儲器，並且支持自編程操作；程控振盪器，該振盪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盪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。

所述程控振盪器、發射線圈、檢波器、放大器和接收線圈共同構成所述脈衝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，由脈衝發生器電源供電，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，該轉換器的數位訊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衝刺激部件；脈衝發生器電源；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、振盪器、發射信號功率放大電路以及發射線圈依次串聯而成，所述脈衝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，所述脈衝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，以便對所述脈衝發生器進行信息和狀態遙測、運行參數程控和微處理器程式更新。電極，通過導線與所述脈衝發生器的電流脈衝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衝刺激系統，其特徵在於：在所述的脈衝發生器中，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衝刺激系統，其特徵在於：在所述的脈衝發生器內，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，當磁鐵作用於人的胸前皮膚時，所述簧片開關吸合，斷開程控電流源，所述脈衝發生器不再發射電脈衝，同時在程式控制下，脈衝發生器在將磁鐵移走後切換為磁鐵刺激模式，而簧片開關釋放，接通程控電流源，脈衝發生器發射電脈衝。

實施方式

《一種植入式神經電脈衝刺激系統》脈衝發生器的外殼可由生物相容性的純鈦製造，衝壓成型，雷射焊接密封。進一步地，脈衝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衝。進一步地，脈衝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，脈衝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衝發生器的功耗。進一步地，脈衝發生器可包括電荷平衡電路，用於向被刺激的神經提供反向電流補償。

此外，該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衝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，以正常發射電脈衝，此時為自動刺激模式；當具有外加磁場時，簧片開關吸合，停止發射電脈衝，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，該發明的系統可包括掌上電腦PDA，其與所述脈衝發生器的射頻通訊電路建立射頻雙向通訊，用於遙測所述脈衝發生器的信息和工作狀態，並設定所述脈衝發生器的脈衝參數。所述遙測的脈衝發生器信息包括序列號、電池電量、電極阻抗。所述脈衝參數包括脈衝波形、脈寬、頻率、脈衝發射時間及脈衝間歇時間。

此外，PDA可通過程控器與所述脈衝發生器建立射頻雙向通訊，所述程控器為所述PDA和所述脈衝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、振盪器、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後，由所述振盪器調製，經所述功率放大器進行功率放大後驅動所述發射線圈。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後，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。所述發射電路由振盪器和發射線圈構成，所述微處理器輸出的TTL電平信號控制所述振盪器的工作狀態，通過所述振盪器的振盪與停振兩種工作狀態切換，得到二進制幅度鍵控調製電磁波信號，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製電磁波，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，該發明的微處理器內部集成了大容量的FLASH存儲器作為程式存儲器，所述微處理器通過與PDA的射頻通訊，可獲得新的程式檔案，再通過對FLASH的重新擦除與寫入，實現微處理器軟體的體外更新。

如圖1所示，該發明的植入式神經電脈衝刺激系統，由植入人體內的脈衝發生器1、導線2和電極3，以及位於人體外的程控器4、PDA5和磁鐵6構成。脈衝發生器1產生刺激電脈衝，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矽橡膠製成，金屬可選用鈷基合金、鉑銥合金或不鏽鋼。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製成。程控器4作為脈衝發生器1和PDA5的通訊接口，在二者之間建立無線通訊，遙測脈衝發生器的信息和工作狀態，並設定脈衝參數。磁鐵6用於控制脈衝發生器1的簧片開關吸合，從而使脈衝發生器切換為磁鐵刺激模式。

如圖2所示，該發明的植入式脈衝發生器，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、程控振盪器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3伏左右，可以直接用電池為脈衝發生器的電路供電，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、串列通訊連線埠等，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、提高系統可靠性並降低功耗。晶振12可選用32.768kHz的低頻鐘錶晶振，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，組成電流脈衝刺激電路。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12伏，輸出電壓應儘量低，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輸出的數位訊號轉換為模擬電壓，控制程控電流源15的輸出電流值。微處理器11輸出的數位訊號改變，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口設定，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衝刺激系統使用過程中電極阻抗增大的情況。由於DA轉換器的解析度一般可高達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，可實現脈衝幅度的精確、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，時間解析度高，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設定的脈衝參數（包括脈衝幅度、脈寬、周期等），控制DA的輸出數值，對靶點神經提供恆流電脈衝刺激。在刺激脈衝過後，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衝的總電荷相等，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衝波形，在脈衝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衝。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，脈衝發生器不再發射電流脈衝，同時微處理器11檢測到簧片開關18的吸合動作，在程式控制下，脈衝發生器將在磁鐵移去後切換為磁鐵刺激模式。程控振盪器19、發射線圈20、接收線圈21、放大器22、檢波器23構成植入脈衝發生器與體外儀器的雙向通訊模組，用2ASK調製方式傳送二進制數據信息。傳送數據時，微處理器11的串口輸出的數據流控制程控振盪器19在振盪和停止兩種狀態間切換，實現2ASK調製編碼，通過發射線圈20發射電磁波，由體外程控器接收並處理。接收數據時，接收線圈21接收到體外程控器的2ASK調製編碼信號，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並進行處理。

微處理器11內部集成了大容量的FLASH存儲器作為程式存儲器，並且支持自編程操作，即可以在執行Flash中的程式的同時，對Flash進行擦除和寫入操作。通常，寫入微處理器的軟體長度為2-3k位元組，而FLASH存儲器可能擁有多達60k位元組的容量。通過FLASH的多次擦除與寫入，可實現微處理器軟體的線上更新。實施過程如下：開發人員在計算機上修改植入脈衝發生器的程式並重新編譯，將執行代碼檔案拷貝到PDA，PDA通過程控器與微處理器進行通訊，逐位元組傳送代碼檔案，微處理器接收到數據後，在FLASH的冗餘空間依次寫入數據，完成後修改脈衝發生主程式入口變數，指向新程式的起始地址，然後使微處理器再次進入刺激模式，即開始執行更新後的程式。

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9伏鹼性電池，電壓變換器42為一組DC-DC變換器，產生程控器4所需的15伏和10伏、-10伏三路電源。信號發射電路由轉換器43、振盪器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，控制振盪器44振盪或停止，進行2ASK調製編碼，經功率放大器45（可使用功率MOSFET）驅動發射線圈46。發射線圈46兩端可並聯一個電容，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接收到植入脈衝發生器發射的2ASK信號，因信號微弱，先經放大器48放大後，再由檢波器49進行檢波，檢波時首先經過比較器，得到TTL電平的調製信號，然後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。

該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，不僅脈衝幅度參數和脈寬、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衝，也可輸出複雜波形刺激脈衝。

2.植入脈衝發生器的微處理器內部集成了大容量的FLASH存儲器作為程式存儲器，微控制器通過與PDA和程控器的無線通訊，可獲得新的程式檔案，再通過對FLASH的重新擦除與寫入，實現微處理器軟體的體外更新。

3.PDA控制程控器，與病人體內的植入脈衝發生器進行射頻通訊，讀取脈衝發生器信息和工作狀態，並設定自動刺激模式和磁鐵刺激模式的脈衝參數。

4.脈衝發生器默認工作狀態為自動刺激模式，根據設定的脈衝參數定時向電極發射刺激脈衝，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，脈衝發生器立即啟動磁鐵刺激模式，根據設定的磁鐵刺激模式脈衝參數向電極發射刺激脈衝。

6.如果需要關閉植入脈衝發生器，只需要用PDA控制程控器，將自動刺激模式的脈衝幅度設定為零即可。如果將自動刺激模式的脈衝幅度設定為零，而磁鐵刺激模式的脈衝幅度不是零，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衝發生器發射設定參數的刺激脈衝。

榮譽表彰

2015年11月27日，《一種植入式神經電脈衝刺激系統》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。