專利名稱：生物親和的電極刺激裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可植入的生物親和的電極刺激裝置，屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于對人體神經(jīng)系統(tǒng)紊亂和疾患，如癲癇、中風(fēng)后遺癥、疼痛及毒品成癮等的檢測、診斷、控制和治療。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，可植入的神經(jīng)替代品和神經(jīng)/肌肉調(diào)制裝置已逐漸應(yīng)用于臨床，如心臟起搏器、控制癲癇的迷走神經(jīng)刺激器、治療疼痛的脊髓刺激器、人工視網(wǎng)膜等。在這些裝置中，一個設(shè)置的生物電脈沖通過電極或電極列陣傳送到肌肉或者神經(jīng)組織來活化或阻止神經(jīng)/肌肉系統(tǒng)活動，有時(shí)電極也用來采集和反饋生物電信號，如誘發(fā)電位。在這些裝置的完善和發(fā)展中，有一個傾向就是電極變小，電極在電極列陣上的數(shù)目增多，以提供更多的刺激模式和更精確的刺激部位。除此之外，電極要具有生物的兼容性，還要求電極設(shè)計(jì)應(yīng)保證與電化學(xué)和電生理有關(guān)的安全性。
生物體對于植入體內(nèi)的異體物質(zhì)會產(chǎn)生不同程度的組織反應(yīng)，如纖維組織增生，斑痕組織的出現(xiàn)等，加上電極變小，導(dǎo)致高電極阻抗和植入手術(shù)后電極阻抗升高，這是當(dāng)前面臨的急需解決的一個重要問題。因?yàn)椋杩股吣苡绊戨姶碳っ}沖的傳送和生物電信號的采集，限制了電刺激脈沖的參數(shù)，影響整個裝置的治療效果和安全系數(shù)。另外，阻抗升高也能導(dǎo)致刺激閥值升高， 電池使用壽命減少。實(shí)質(zhì)上這表明電極--組織界面不穩(wěn)定，還表明生物兼容性需要改進(jìn)。經(jīng)文獻(xiàn)資料查詢，現(xiàn)有技術(shù)已出現(xiàn)了一種降低阻抗的技術(shù)方案，如美國專利(US Pat.5,489,294，1996年2月6日)提出通過電極輸送類固醇類的抗炎性藥物來減輕組織反應(yīng)；另一個美國專利(US Pat.6,253,110，2001年6月26日)提出的方案是先在電極上鍍鉑黑來增加表面面積，增加電極的雙電層電容，然后吸附類固醇類的抗炎性藥物；還有一個美國專利(USPat.5,103,837，1992年4月14日)公開的方案是在多孔電極表面鍍上一層含有類固醇類藥物的親水聚合物，通過類固醇類藥物，如可的松、地塞米松緩慢地釋放來減緩周邊組織對植入異體的反應(yīng)。上述現(xiàn)有的技術(shù)中，針對組織反應(yīng)而引起的阻抗升高是用緩釋類固醇類藥物來實(shí)現(xiàn)。這個方法不足之處在于1、用導(dǎo)管長期緩釋藥液，會增加裝置的復(fù)雜性；2、長期用藥，引起副作用的可能性隨時(shí)存在，會限制部分病人的使用；3、抗炎性藥物釋放過程中，特別是釋放完后，界面的物理化學(xué)和生化性質(zhì)也會變化，所以界面還是處于一個不穩(wěn)定阻抗?fàn)顟B(tài)，不利于安全地和有效地、長久地發(fā)揮電極刺激作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生物親和的電極刺激裝置，它能改善現(xiàn)有技術(shù)中這類裝置植入后電極--組織界面不穩(wěn)定的情況，克服生物電刺激閥值增高以及檢測生物電信號噪音高的缺點(diǎn)，降低植入后電極阻抗，提高電極刺激裝置對多種相關(guān)疾病的診斷、控制、治療的效力。
本發(fā)明所公開的技術(shù)方案是所述一種生物親和的電極刺激裝置，它包括電極和信號處理單元；電極為刺激電極或/和采集信號電極，主要由電極頭，導(dǎo)線和絕緣層組成，至少電極頭的表面上附著有膠層，該膠層的材料為水凝膠，膠層中吸附和存儲有生物親和的生物電解質(zhì)溶液；信號處理單元包括電刺激信號處理部分或/和信號采集處理部分；電極與信號處理單元連通。
本發(fā)明原理和效果是在電極上附著一薄層含水高的水凝膠或者它的復(fù)合物，使生物電解質(zhì)溶液，如生理鹽水在電極表面形成一層穩(wěn)定層，使阻抗降低，界面穩(wěn)定，刺激閥值低而穩(wěn)定，檢測時(shí)噪音低，信噪比高，提高電極刺激裝置的刺激或/和檢測效果；同時(shí)，水凝膠與活體生物材料相似，生物兼容性好，從而減少了人體對植入電極的組織反應(yīng)；本發(fā)明技術(shù)方案對現(xiàn)有技術(shù)的界面材料進(jìn)行了改善，從而具有很好的導(dǎo)電性和生物親和性；本發(fā)明電極與信號處理單元相連通、組合有多種方案，構(gòu)成一個完整的、有多種形式的電極刺激裝置。


圖1是本發(fā)明裝置植入人體內(nèi)治療坐骨神經(jīng)疼痛的示意圖；圖2是電極為電極列陣的示意圖；圖3是電極1、膠層4、生物電解質(zhì)溶液5及生物體內(nèi)部組織6相對位置示意圖；圖4是電極1與信號處理單元2連接為一整體的電路方框示意圖；圖5是電極1在體內(nèi)，信號處理單元(2)在體外，兩者以導(dǎo)線7連通的電路方框示意圖；圖6是電極1和信號處理單元2在體內(nèi)，另外，體外有指令/檢測單元3的電路方框示意圖；圖7是一個信號處理單元2的電路方框原理圖，其中電極1為電極列陣。
圖中相應(yīng)圖號名稱是1-電極 1.1-電極頭 1.1a、1.1b、……1.1n-電極列陳的電極頭，1.2-導(dǎo)線，1.3-接口；1.4-絕緣層；2-信號處理單元，其中電剌激信號處理部分2.1-接收器，2.2檢波器，2.3-整形電路，2.4-鑒頻電路，2.5-分頻觸發(fā)電路，2.6-譯碼電路，信號采集處理部分2.7-放大器，2.8-濾波器，2.9-調(diào)制器，2.10-發(fā)射器，2.11-電源生成器；3-指令/檢測單元；4-膠層；5-生物電解質(zhì)溶液；6-生物體內(nèi)組織；7-導(dǎo)線；8-發(fā)射/接收天線。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例以電極刺激裝置是否全部植入體內(nèi)來劃分實(shí)施例。改變不同的技術(shù)要素進(jìn)行組合，將成為眾多不同的實(shí)施例。
實(shí)施例1如圖1、圖2、圖3、圖4所示，(圖1是長期植入人體治療坐骨神經(jīng)痛的實(shí)施例示意圖)是一種全部植入體內(nèi)的生物親和的電極刺激裝置。電極1與信號處理單元2通過導(dǎo)線1.2直接連通為能植入體內(nèi)的一個整體；電極1為刺激電極和采集信號電極，也可以只是刺激電極；所述電極1為刺激電極和采集信號電極是指采集的信號由信號處理單元2處理后再指示電極1進(jìn)行電刺；電極1也可以只是刺激電極，指示信號在信號處理單元2中預(yù)先設(shè)置好，按預(yù)定程序進(jìn)行刺激，不作信號反饋和調(diào)整；電極1由電極頭1.1，導(dǎo)線1.2和絕緣層1.4組成；電極頭1.1的表面上附著有膠層4，可以是絕緣層1.4外也同時(shí)附著有膠層4，還可以是整個裝置上均附著有膠層4；該膠層4的材料為水凝膠，選用聚丙烯酰胺水凝膠；膠層4中吸附和存儲有生物親和的生物電解質(zhì)溶液5，采用生理鹽水，即本發(fā)明的生物親和的電極刺激裝置組裝好后，先放在生理鹽水中浸潤，吸入了生理鹽水后再封裝，然后進(jìn)行滅菌待用；信號處理單元2有電刺激信號處理部分和信號采集處理部分，根據(jù)需要也可以只有電刺激信號處理部分，或信號采集處理部分；電極1與信號處理單元2通過導(dǎo)線1.2連通；本實(shí)施例中所述的生物電解質(zhì)溶液除可選用生理鹽水，還可選用含膠原蛋白子和神經(jīng)生長因的生理鹽水，這樣可獲得更好的電極刺激效果；水凝膠除選用聚丙烯酰胺水凝膠，還可以選 膠原-聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)水凝膠，還有以烯烴二醇、烯烴二胺、氨基烷醇制作的聚合物；膠層4材料的吸水率為所吸附的水的重量∶膠層材料自身重量＝1∶1，還可以是0.4∶1，或4∶1，視植入的部位和疾患要求確定；電極1上附著的膠層4是薄膠層；如圖3所示，是多孔電極頭在鍍上高吸附能力的水凝膠后電極1在電極--組織界面中的示意圖；這個水凝膠層厚度還可以選為0.5毫米，一般在10到1000微米之間，厚的可選為2毫米，也可以達(dá)4毫米，視電極1的大小和植入的部位及治療要求而定；水凝膠選含水量高的水凝膠，可以是由烯烴二醇，烯烴二胺，氨基烷醇制作而成，這些單體經(jīng)交鏈劑聚合形成不溶于水的但含水很高的膠層；膠層4通過是浸鍍、或旋轉(zhuǎn)鍍、或噴濺鍍將膠層沉積到電極1表面上；如圖2所示，本實(shí)施例的電極1為電極列陣，它是具有10個獨(dú)立的、多孔的電極頭1.1的電極列陣，分為兩列，每列有5個電極頭1.1，分別連接導(dǎo)線1.2并有硅膠絕緣層1.4，每個電極頭有獨(dú)立的導(dǎo)線1.2，5個成為一列。每個電極頭1.1為環(huán)形，套在絕緣層1.4上；電極還可以選為由兩個獨(dú)立的、多孔的電極頭1.1與各自的導(dǎo)線1.2組成，此時(shí)一個為主電極，另一個為輔電極，還可以是16個、256個或更多個電極頭組成電極列陳，有利于得到更好的電刺激效果；電極頭1.1的材料為生物兼容的惰性導(dǎo)體材料制成；本實(shí)施例裝置的信號處理單元主要工作參數(shù)是1、刺激輸出電壓為3∽15伏；2、雙向?qū)ΨQ方波脈沖，方波寬度25微秒∽100毫秒；3、電流方波幅度0.1∽3毫安；4、方波頻率1∽1000赫茲，本實(shí)施例的參數(shù)為刺激輸出電壓6伏，雙向?qū)ΨQ方波脈沖，方波寬度150毫秒；3、電流方波幅度1.2毫安；4、方波頻率100赫茲；如圖7所示，是一個信號處理單元2的電路方框原理圖，其中電極1為電極列陣，電極頭為1a、1b、…1n，在本實(shí)施例中n取為10，信號處理單元2分為兩部分其中電刺激信號處理部分的2.11-電源生成器，2.1-接收器、2.2檢波器、2.3-整形電路、2.4-鑒頻電路2.5-分頻觸發(fā)電路2.6-譯碼電路連通后與電極1的導(dǎo)線1.2連通；信號采集處理部分的2.7-放大器也與電極1的導(dǎo)線1.2連通、采集的信號通過2.8-濾波器、2.9-調(diào)制器、2.10-發(fā)射器反饋給電刺激信號處理部分，另外，當(dāng)電極1只作為刺激電極使用而不需要信號檢測和反饋調(diào)整時(shí)，信號處理單元2可以只有電刺激信號處理部分。
實(shí)施例2如圖5所示，與實(shí)施例1不同的是電極1在體內(nèi)，信號處理單元2位于體外，是一個半植入式的實(shí)施例；電極1為刺激電極，也可以是采集信號電極，還可以同時(shí)是刺激電極和采集信號電極，根據(jù)需要，一個電極可置于體外與表皮接觸。一般由信號處理單元2來賦于電極1的功能；信號處理單元2與電極1通過導(dǎo)線7連通；一般而言，有導(dǎo)線7的半植入式是短時(shí)間應(yīng)用。
實(shí)施例3如圖6所示，與實(shí)施例1不同的是電極1與信號處理單元2通過導(dǎo)線1.2直接連通為能植入體內(nèi)的一個整體，另外，有一個指令/檢測單元3位于體外；電極1為刺激電極，也可以是采集信號電極，還可以同時(shí)是刺激電極和采集信號電極，根據(jù)需要，由指令/檢測單元通過信號處理單元2來賦于電極1的功能；指令/檢測單元3的發(fā)射/接收天線8與信號處理單元2的發(fā)射/接收天線8通過電磁波連通。
對本發(fā)明上述實(shí)施例作進(jìn)一步的說明如下圖2是一種電極列陣的示意圖。如圖所示電極列陣由生物兼容的惰性導(dǎo)體材料，如鉑、銥、鈦(Pt，Ir，Ti)或它們的合金，圖2中10個電極頭1.1是這些導(dǎo)體材料構(gòu)成的工作電極的電極頭，它們經(jīng)細(xì)導(dǎo)線1.2獨(dú)立的與信號處理單元2直接連通或通過接口1.3連通；柔軟的硅膠作為絕緣層1.4可將電極列陣制作成不同的形狀；電極頭1.1通過在酸性電解質(zhì)溶液中電蝕，其表面形成多孔形貌，孔的大小一般在30-1000納米之間。
圖3是電極1在電極--組織界面中的示意圖；圖中，水凝膠的膠層4中緩沖生理鹽水5的含量在40％-400％。能在電極表面保存一層電解質(zhì)溶液層，使生理鹽水這一電解質(zhì)溶液中主要的鈉離子，氯離子和鉀離子能遷移和擴(kuò)散；電極制作好后，浸泡在緩沖生理鹽水中，使之平衡。在植入體內(nèi)后，只有電解質(zhì)溶液、氨基酸、小蛋白質(zhì)可以擴(kuò)散進(jìn)入膠層，與體液平衡后，膠層的液體還是以緩沖生理鹽水為主；即使電極周邊有組織包囊或瘢痕組織出現(xiàn)，體液減少，它也不會影響膠層的含液量；所以，電極阻抗會不受組織反應(yīng)的影響；水凝膠還選用水凝膠的復(fù)合材料，包括與導(dǎo)電聚合物的和與膠原蛋白的復(fù)合材料，這類材料可以進(jìn)一步強(qiáng)化電極的導(dǎo)電性和生物兼容性.用含膠原蛋白或神經(jīng)生長因子的生理鹽水浸泡膨脹膠層，還可以有益于神經(jīng)纖維的生長和修復(fù)。
本發(fā)明植入體內(nèi)的信號處理單元2、需要用合金、如鈦合金將它封裝，外層還可以有水凝膠，以便確保微電子器件不與體液接觸，又兼顧植入的裝置的生物親合性。
權(quán)利要求
1.一種生物親和的電極刺激裝置，其特征在于，它包括電極(1)和信號處理單元(2)；電極(1)為刺激電極或/和采集信號電極，主要由電極頭(1.1)，導(dǎo)線(1.2)和絕緣層(1.4)組成，至少電極頭(1.1)的表面上附著有膠層(4)，該膠層(4)的材料為水凝膠，膠層(4)中吸附和存儲有生物親和的生物電解質(zhì)溶液(5)；信號處理單元(2)包括電刺激信號處理部分或/和信號采集處理部分；電極(1)與信號處理單元(2)連通。
2.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，所述的生物電解質(zhì)溶液主要選自于生理鹽水、含膠原蛋白的生理鹽水、含神經(jīng)生長因子的生理鹽水。
3.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，水凝膠主要選自于聚丙烯酰胺水凝膠、膠原-聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)水凝膠、還有以烯烴二醇、烯烴二胺、氨基烷醇制作的聚合物。
4.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，膠層(4)材料的吸水率為所吸附的水的重量∶膠層材料自身重量＝0.4∽4∶1。
5.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，電極(1)上附著的膠層(4)是通過浸鍍、或旋轉(zhuǎn)鍍、或噴濺鍍將膠層沉積到電極(1)表面上的薄膠層，膠層厚度小于4毫米。
6.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，電極(1)為電極列陣，主要由至少兩個獨(dú)立的、多孔的電極頭(1.1)及導(dǎo)線(1.2)組成；每個電極頭(1.1)與每個導(dǎo)線(1.2)獨(dú)立地連接；電極頭(1.1)的材料為生物兼容的惰性導(dǎo)體材料制成，該材料主要選自于鉑金、鉑金合金、鈦金、鈦金合金、銥金、銥金合金；導(dǎo)線(1.2)外層有絕緣層(1.4)，其材料主要選自硅膠；電極頭(1.1)通過接口(1.3)或/和導(dǎo)線(1.2)與信號處理單元(2)連通。
7.按權(quán)利要求1或6所述的電極刺激裝置，其特征在于，電極(1)為具有10個電極頭(1.1)的電極列陣，分為兩列，每列有相同個數(shù)的電極頭(1.1)；導(dǎo)線(1.2)上有硅膠絕緣層(1.4)；每個電極頭(1.1)為環(huán)形，套在絕緣層(1.4)上。
8.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，電極(1)與信號處理單元(2)通過導(dǎo)線(1.2)直接連通為能植入體內(nèi)的一個整體；電極(1)為刺激電極或/和采集信號電極。
9.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，電極(1)為刺激電極或/和采集信號電極，位于體內(nèi)；信號處理單元(2)位于體外，與電極(1)通過導(dǎo)線(7)連通。
10.按權(quán)利要求1所述的電極刺激裝置，其特征在于，電極(1)為刺激電極或/和采集信號電極與信號處理單元(2)通過導(dǎo)線(1.2)直接連通為能植入體內(nèi)的一個整體，指令/檢測單元(3)位于體外；指令/檢測單元(3)的發(fā)射/接收天線(8)與信號處理單元(2)的發(fā)射/接收天線(8)通過電磁波連通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可植入的生物親和的電極刺激裝置，特別適用于對人體神經(jīng)系統(tǒng)紊亂和疾患等的檢測、診斷、控制和治療。它包括電極和信號處理單元；電極為刺激電極或/和采集信號電極，主要由電極頭，導(dǎo)線和絕緣層組成，至少電極頭的表面上附著有膠層，該膠層的材料為水凝膠，膠層中吸附和存儲有生物親和的生物電解質(zhì)溶液；信號處理單元包括電刺激信號處理部分或/和信號采集處理部分；電極與信號處理單元連通。優(yōu)點(diǎn)是植入后能提供生物親和、穩(wěn)定的電極—組織界面，避免植入后組織反應(yīng)造成的電極阻抗升高和不穩(wěn)定，從而增強(qiáng)檢測、診斷及治療效果，降低能耗，增加整個裝置的功能和提高工作效率。
文檔編號A61N1/36GK1583191SQ200410013280
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者段晏文, 文貴華 申請人:文貴華