一種神經系統磁感應電刺激裝置制造方法及圖紙

一種神經系統磁感應電刺激裝置，包括刺激器（１）、激勵線圈（２）、感應線圈（３）、刺激電極（４）。感應線圈（３）位于患者皮下，與患者背部平面平行。刺激電極（４）固定在患者脊柱（５）上，刺激電極（４）一端與感應線圈（３）連接，另一端與神經相接觸。激勵線圈（２）位于患者體外，與感應線圈（３）同軸。刺激器（１）放置在患者近旁，為激勵線圈（２）提供脈沖電流。激勵線圈（２）與感應線圈（３）之間的距離在１０～３０ｍｍ之間。刺激時，激勵線圈（２）在由刺激器（１）提供的脈沖電流的作用下產生脈沖磁場，穿過感應線圈（３）的磁力線隨時間發生變化，感應線圈（３）中會產生感應電動勢并在兩電極之間的神經上形成電場，從而使神經興奮。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種神經系統磁感應電刺激裝置。
技術介紹
脊髓損傷(Spinal?Cord?Injury，SCI)后的功能重建是神經科學研究的難點之一，隨著微電子技術，微處理技術和神經科學的不斷發展，康復工程工作者成功的運用功能性電刺激(Functional?Electrical?Stimulation，FES)系統使脊髓損傷患者能夠用手和腿完成部分功能，并且獲得一定程度的控制排尿和通便的功能。為了達到長期使用的目的，FES系統需要植入體內，但是電源體積龐大以及需要更換的問題一直制約著FES的發展。早在上世紀70年代就有學者提出利用一對發射—接收線圈來實現電能的傳遞，一個接收線圈接收來自發射線圈的射頻信號，并將其轉化為直流電信號為植入體內的刺激器供電。目前很多植入式電刺激裝置采用這種能量傳輸方式，頻率一般為幾百兆赫，如美國專利5741316，6804561，7177698，7209792，7392091。雖然這種能量傳輸方式使植入器件的尺寸得到一定程度的減小，但是植入器件體積仍然較大，影響了患者的活動。目前還沒有專利采用脈沖電磁場進行能量傳遞。此外利用振蕩電場刺激可以促進SCI后軸突再生，使患者恢復部分功能。目前關于振蕩電場刺激儀器及治療方法的專利共有四項，均為美國專利(專利號4774967，4919140，6975907和7199110)，裝置采用電池供電，治療方式為植入或半植入式。但現有研究發現使用振蕩電場刺激治療的有效時間是6-12個月，現有的電池很難滿足長時間工作的要求(否則體積會很大)，因此現有專利技術很難做到長時間植入，而半植入式的裝置長時間工作(1年)很難避免感染等問題。相對于需要植入器件的FES系統，無創的磁刺激方法更容易為患者所接受。磁刺激是根據法拉第電磁感應定律，利用線圈內的時變電流所產生的時變磁場，在神經上形成感應電場，從而使神經興奮。從某種意義上講，磁刺激和電刺激的原理是相同的，當感應電場值超過閾值時，神經就會興奮，達到和電刺激相同的效果。目前在磁刺激的專利中，都是對位置較淺的神經進行刺激，中國專利200510015749.4設計了多導腦部磁刺激儀，在頭罩內側固定128個線圈，對應于128個電路控制塊，所有線圈形狀相同，刺激范圍可以達到人腦的任意范圍。中國專利200510077042.6使用一對同軸線圈對神經進行體外刺激，兩線圈都需要-->電源驅動。中國專利94102890.9將磁刺激與超聲相結合對皮下神經進行刺激。上述專利雖然實現了對于神經的體外無創刺激，但是由于磁場隨距離迅速衰減，磁刺激還無法作用于體內較深位置的神經，而且由于磁刺激的聚焦性差，刺激時會造成非靶組織興奮，造成副作用。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有植入式電刺激器含有內置電源而且體積龐大，以及直接磁刺激刺激深度淺、聚焦性差的缺點，通過在體內預埋入感應線圈和刺激電極，然后進行磁刺激的方法提高神經上的電場強度，可以應用于人體深部神經刺激。本專利技術由體外器件和體內器件兩部分組成。體外器件包括刺激器和激勵線圈，用來提供脈寬小于0.5毫秒的脈沖磁場，而非射頻電磁場；體內部分包括感應線圈和刺激電極，用來產生感應電動勢并完成電刺激，而體內部分本身不含內置電源。本專利技術體內部分是將很小的感應線圈埋入皮下，所述線圈兩端通過導線連接與神經相接觸的刺激電極，在體外放置一個與感應線圈同軸的激勵線圈。刺激時，激勵線圈在由刺激器提供的脈沖電流的作用下產生脈沖磁場，使感應線圈中產生感應電動勢并在兩電極之間的神經上形成電場，從而使神經興奮。本專利技術的刺激器利用儲存電能的電容對激勵線圈放電，產生脈沖電流。通過對刺激器參數的調整，實現對磁感應電刺激效果的體外控制。本專利技術的激勵線圈由銅線繞制而成，外面套有絕緣外殼。激勵線圈在脈沖電流的作用下在其附近空間產生脈沖磁場。激勵線圈的電感影響著脈沖磁場的幅度和脈寬，它的大小和形狀影響了磁場和感應電場的分布。本專利技術的感應線圈由高電導率材料制成，外面有生物相容性材料(如硅樹脂，Teflon，聚酰亞胺)包裹，其尺寸較小，直徑10～30mm，結構簡單，降低了植入風險，容易被患者接受。感應線圈用來接收體外傳遞到體內的能量，在脈沖磁場的作用下，穿過感應線圈的磁力線隨時間發生變化，根據法拉第電磁感應定律，感應線圈中會產生感應電動勢，此感應電動勢可作為神經刺激的刺激源，而無需內置電源。此外，當兩線圈形狀固定時，感應電動勢E由兩線圈之間的距離決定，而不是神經與激勵線圈之間的距離，這就相當于拉近了神經與激勵線圈之間的距離，解決了直接磁刺激刺激深度淺的問題；此外感應電動勢是感應電場在感應線圈上的環路積分，其效果是將磁刺激分散的能量聚焦到刺激電極兩端，改善了直接磁刺激的聚焦性。本專利技術的刺激電極一端與感應線圈連接，另一端與神經相接觸，當感應線圈中產生感應電動勢時，兩電極之間的神經上會產生電場。當此電場足夠大時，就可以使神經興奮。-->附圖說明圖1為磁感應電刺激的原理圖，圖中：1刺激器，2激勵線圈，3感應線圈，4刺激電極，5脊柱，6刺激器與激勵線圈之間的導線；圖2為磁感應電刺激裝置的工作過程框圖。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本專利技術。以脊髓的磁感應電刺激為例說明本專利技術的具體實施方式，如圖1所示，本專利技術包括刺激器1，激勵線圈2，感應線圈3，刺激電極4。感應線圈3直徑10～30mm，位于患者體內，與刺激電極4相連，刺激電極4固定在脊柱5上，刺激時可以使脊柱內的脊髓興奮，激勵線圈2位于患者體外，與感應線圈3同軸，激勵線圈2與感應線圈3之間的距離在10～30mm之間。刺激器1放置在患者近旁，為激勵線圈2提供脈沖電流，由導線6連接刺激器和激勵線圈。刺激器1的電路模型為RLC充放電回路，高壓直流電源給電容器C充電至初始電壓V0；充電完成后，對線圈L進行放電。令α＝R/2L，其中R為線圈電阻，在欠阻尼情況下(α2-1/LC<0)，線圈中的電流為：I(t)=V0ωLe-αtsin(ωt)---(1)]]>其中ω2＝1/(LC)-α2，實際應用時，只保留了電流波形的第一個正峰，其脈寬為Tp＝π/ω，其值在0.5ms以下。激勵線圈2為平面圓盤形線圈，在刺激器參數和脈沖電流的設計脈寬確定后，可以計算出激勵線圈的電感：L=Tp2Cπ2---(2)]]>激勵線圈的電感由其形狀決定，可以表示為：L=μ08πN2dψ---(3)]]>N、d分別為線圈的匝數和平均直徑，ψ是與線圈形狀有關的參數，可以在相關的計算手冊中查表得到。結合式(2)和式(3)對線圈的形狀進行優化。激勵線圈在空間任意點P(ρ，z)產生的矢量磁位為：其中：-->ki=4aiρ(ai+ρ)2+z2---(5)]]>K(k)和E(k)分別為第一類和第二類完全橢圓積分，ai為第i匝線圈的半徑，N為線圈匝數，為方向上的單位矢量。感應線圈3由高電導率材料制成，外層有生物相容性材料包裹，與激勵線圈同軸放置。在脈沖磁場的作用下，穿過感應線圈的磁力線隨時間發生變化，根據法拉第電磁感應定律，感應線圈中會產生感應電動勢，其值為沿感應線圈方向感應電場E的積分。忽略表面累積電荷的影響，半徑為b的感應線圈中的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種神經系統磁感應電刺激裝置，其特征在于包括刺激器（１）、激勵線圈（２）、感應線圈（３）、刺激電極（４）；感應線圈（３）位于患者皮下，與患者背部平面平行；刺激電極（４）固定在患者脊柱（５）上，刺激電極（４）一端與感應線圈（３）連接，另一端與神經相接觸；激勵線圈（２）位于患者體外，與感應線圈（３）同軸；刺激器（１）放置在患者近旁，為激勵線圈（２）提供脈沖電流，導線（６）連接刺激器（１）和激勵線圈（２）。

【技術特征摘要】
1、一種神經系統磁感應電刺激裝置，其特征在于包括刺激器(1)、激勵線圈(2)、感應線圈(3)、刺激電極(4)；感應線圈(3)位于患者皮下，與患者背部平面平行；刺激電極(4)固定在患者脊柱(5)上，刺激電極(4)一端與感應線圈(3)連接，另一端與神經相接觸；激勵線圈(2)位于患者體外，與感應線圈(3)同軸；刺激器(1)放置在患者近旁，為激勵線圈(2)提供脈沖電流，導線(6)連接刺激器(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張廣浩，宋濤，吳昌哲，江陵彤，霍小林，
申請(專利權)人：中國科學院電工研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]