专利名称：一种视皮层神经刺激装置及刺激方法
技术领域：
本发明涉及一种视皮层神经组织的刺激技术。
背景技术：
据不完全统计在世界上超过45,000,000的人失明。视觉传递通路的任何一个环节出现了异常，都会使视觉功能受损或缺失。目前医学界已经尝试了使用药物、激光、放射、细胞移植和黄斑转位手术等多种方法，但各自存在一定的适应症和缺点，疗效不尽人意。
从视觉形成和视觉信息传导通路的角度看，视觉功能修复可以在视网膜、视神经、视皮层三个层次展开，但已有的研究结果和技术水平还难以有效地达到视觉修复。目前国内外研究的热点是在视网膜功能修复，人工视网膜方面已经取得了很好的进展。但是，视网膜、视神经病变是重要神经性致盲眼病的共同点，最终均表现为视网膜各级神经元信息传导障碍，继而影响最后的视觉信息输出，高级视觉中枢未能接受到正常视觉信号，导致了患者视力的丧失。基于视皮层的视觉功能修复的基础是Brindley等发现电刺激视皮层能引起受试者产生光幻视(Phosphene)，于是出现了通过微电极阵列刺激视皮层的视觉修复研究。
基于视皮层刺激的视觉修复的基本原理是将外界图像信息编码为特定的电信号，电信号通过微电极阵列刺激视皮层神经组织的不同区域，以修复部分视觉功能。刺激电极可植入视皮层内部、视皮层表面、视皮层外甚至头皮外，微电极阵列对视皮层神经组织的刺激是其中的关键技术。在神经接口电极方面，美国专利US5,496,369公开了一种用于听觉皮层刺激的神经假体，该装置包含一个语音处理器，用以接收和处理语音信号；语音信号经过编码后通过微电极直接刺激听觉皮层区域。美国专利US6066163提出了一种自适应大脑刺激方法，它是将刺激装置植入皮层的需要刺激的区域，通过设置刺激参数来改变刺激模式，它可以通过改变刺激模式以实现在不同皮层区域的不同刺激。在已有的皮层神经刺激系统的设计上，都主要考虑了刺激信号模式和电极材料、结构的因素，每个微电极和刺激信号输出是一一对应关系，或者说每个刺激信号输出通道和电极之间是固定的连接关系，当微电极阵列固定在皮层区域后，刺激信号输出通道和皮层刺激的空间坐标位置也保持着固定的对应关系。
但是，申请人经长期的研究发现，刺激电极在对皮层神经组织进行电刺激的同时，神经组织会表现出对刺激电极的排异反应；而且随着连续刺激时间的延长，排异反应会增强，从而导致刺激电极的刺激效率下降，以致刺激电极工作实效。因此，已有的皮层神经接口微电极的有效工作时间都具有很大的局限性，在视皮层刺激的研究中也面临同样的问题。另一方面，针对某个特定的神经功能(如视觉信息处理)，大脑皮层神经组织具有聚类特性，即由一族完成相同功能的神经元聚集成团，共同完成该功能；同时，皮层神经组织具有自组织和可塑性功能，靠近某个功能区的神经元在外界刺激下可以加入该功能区域。由此，皮层神经组织的这些特性为设计新的皮层神经刺激假体提供了可能，从而可提高皮层神经刺激装置工作的长效性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种视皮层刺激装置及刺激方法，它将已有技术中的微电极上的刺激点分解为多个超微刺激点，通过控制电路交替性地将刺激信号连接到同一刺激单元的不同超微刺激点，避免单电极的连续刺激，减小神经组织对刺激电极的排异反应，增强微电极在皮层工作的长效性。
本发明的技术方案该如下一种视皮层神经刺激装置，它由微电极阵列芯片、信号通路控制部分、刺激信号产生及编码部分组成。
其中，微电极阵列芯片实现和视皮层神经组织接口，将刺激电信号传导到视皮层神经元，以产生需要的神经兴奋。所述微电极阵列芯片是由多个刺激单元阵列布局在一个基板上构成，每个刺激单元具有相对独立的空间位置，对应视皮层神经上的一个刺激部位，每个刺激单元中又包括多个微电极形成的多个超微刺激点。
所述信号通路控制部分的功能是通过选择刺激信号和刺激单元中超微刺激点的连接方式来调控皮层刺激模式，为刺激信号传导到皮层设置信号通路，将刺激信号通过选定的超微电极耦合到视皮层神经组织。其具体设置是一个刺激信号通路对应微电极阵列芯片上的一个刺激单元，每个刺激信号通路具有多个可选输出端口，分别与对应刺激单元中的各微电极(即超微刺激点)连接，在同一时刻刺激单元中仅一个超微刺激点有信号输出。
所述信号通路控制部分可采用目前使用较普遍的多路模拟开关及控制电路，也可以采用由刺激信号输出控制程序直接控制刺激信号经不同输出通道分时输出的方式。
利用上述的视皮层神经刺激装置实现视皮层神经刺激的方法如下首先，将外界图像信息经刺激信号产生及编码部分处理，转换为刺激电信号从多个通道输出给信号通路控制部分；然后由信号通路控制部分根据预先设定的模式为每个刺激信号提供信号通道，通过控制每个刺激信号在不同输出端口之间的切换，交替性地将刺激信号连接到同一刺激单元的不同超微刺激点，并控制在同一时刻每个刺激单元中仅有一个超微刺激点有信号输出，使刺激信号在对应的刺激单元中各超微刺激点上交替输出，实现对皮层功能区的刺激。
本发明与现有技术相比，具有以下的技术效果1、通过将已有技术中的微电极上的刺激点分解为多个超微刺激点，交替性地将刺激信号连接到同一刺激单元的不同超微刺激点，避免单电极的连续刺激，减小神经组织对刺激电极的排异反应，增强微电极在皮层工作的长效性。
2、通过信号通路控制部分可以灵活调控对皮层神经组织的刺激模式，实现了刺激电极的自组织化。
图1视皮层神经刺激实现方法总装置的结构示意图；其中1-视皮层神经组织、2-微电极阵列芯片、3-传导电缆、4-多路模拟开关及控制电路单元、5-刺激信号产生及编码部分；图2是表面微电极阵列芯片与多路模拟开关的连接示意图；图3是表面微电极阵列的一个刺激单元与多路模拟开关连接示意图；其中，22-表面微电极刺激单元、23-超微刺激点图4是针状微电极阵列与多路模拟开关连接示意图；图5是针状微电极阵列的一个刺激单元与多路模拟开关连接示意图；其中，6-针状微电极刺激单元图6是多路模拟开关控制原理图；图7是软件控制的刺激信号分时输出原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本装置由微电极阵列芯片2、多路模拟开关及控制电路单元4、刺激信号产生及编码部分5组成。微电极阵列芯片2实现和视皮层神经组织1接口，将刺激电信号传导到视皮层神经元，以产生需要的神经兴奋。多路模拟开关及控制电路单元4通过传导电缆3连接微电极阵列芯片2，控制微电极阵列芯片2中每个超微刺激点的信号通断，刺激信号产生及编码部分5与信号通路控制部分4采用有线或无线连接，将外界图像信息转换为刺激电信号从多个通道输出给多路模拟开关及控制电路单元4。
本发明的一个实施例如图2所示，是一种皮层神经表面刺激的微电极阵列，采用的是表面微电极阵列芯片。在本实施例中，表面微电极阵列芯片是在一个基板21上布置六个表面刺激单元22构成，每个刺激单元都具有相对独立的空间位置，对应视皮层神经上的一个刺激部位。每个刺激单元22中又包括四个超微电极形成的四个超微刺激点23。一个刺激信号通路对应一个刺激单元。本例中，信号通路控制采用的是多路开关控制电路4，刺激信号产生及编码部分产生的刺激信号通过多路开关控制电路4和传导电缆3连接到刺激单元22中的某个超微刺激点23时，该超微刺激点23发生作用。参见图3，每个刺激信号通路上设置一个开关，开关有四个输出端口，分别连接该刺激单元中的四个超微刺激点23。本实施例中的表面微电极阵列置于皮层神经组织时，每个刺激单元22和皮层神经组织1的某个具体部位接触；需要刺激皮层神经组织时，由多路模拟开关控制信号通路，将对应于每个刺激单元22中的刺激信号经多路开关和电缆传导到该刺激单元的一个超微刺激点23。通过控制多路开关的连通次序，就可以将同一通道的刺激信号在对应刺激单元的不同超微刺激点上交替输出，以刺激皮层神经组织，进而实现了微电极阵列刺激模式的自组织功能。
本发明的另一个实施例如图4所示，采用的是一种皮层神经刺激针状微电极阵列芯片。在本实施例中，微电极阵列是在一个基板2上的九个针状微电极刺激单元6组成，每个针状微电极刺激单元6又包括四个超微电极形成的四个超微刺激点7；刺激信号通过多路开关控制电路4和传导电缆3连接到针状微电极刺激单元6中的某个超微刺激点7，参见图5。当本实施例中的针状微电极阵列插入皮层神经组织时，每个针状微电极刺激单元6和皮层神经组织1的某个具体部位接触；需要刺激皮层神经组织时，每路刺激信号对应于一个针状微电极刺激单元6，由多路开关控制信号通路，将对应于每个针状微电极刺激单元6中的刺激信号经多路开关和电缆传导到该刺激单元的一个超微刺激点7。通过控制多路开关的连通次序，就可以将同一通道的刺激信号在对应针状微电极的不同超微刺激点7上交替输出，以刺激皮层神经组织，进而实现了微电极阵列刺激模式的自组织功能。
本发明中信号通路控制部分可以采用现有成熟的多种技术来实现，其一种实现方式如图4所示，由地址选通电路产生需要的地址信号，选通多路模拟开关电路的其中一个通道。在本实施例中，多路模拟开关采用CD4052双四选一逻辑电路，选通地址信号由单片机PIC16F877产生，经21、22端口输出到CD4052的9、10端口。当PIC16F877的21、22端口的输出状态分别为00、01、10、11时，将分别选通CD4052的端口1、5、2、4，将来自于端口3的输入刺激信号分别经1、5、2、4输出端口传送到各超微刺激点。
另一种实现方式如图5所示，由刺激信号输出控制程序直接控制刺激信号经不同输出通道分时输出。在本实施例中，单片机PIC16F877通过刺激信号输出控制程序控制刺激信号分时从四个公用输出通道19、20、21、22输出，使刺激脉冲信号从四个输出端口分时输出到刺激单元的四个超微刺激点。其中，刺激脉冲信号在19、20、21、22四个通道的输出顺序由单片机程序控制。
另外，刺激信号产生及编码部分的实现方式也可以采用本研究领域中成熟的技术方案，如将DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)相结合，产生与图像信息有关的多通道电刺激信号。
本发明的工作过程如下在某一时刻，外界图像信息被编码电路转换为刺激电信号从多个通道输出；多路模拟开关及控制电路根据预先设定的模式为每个刺激信号提供信号通道，将刺激信号通过各刺激单元中的某个超微刺激点耦合到皮层神经组织，以实现对皮层功能区的刺激。在下一个工作周期，多路模拟开关及控制电路再将各通道的刺激信号传导到对应刺激单元的另一个超微刺激点，以完成对皮层神经组织的刺激。这样，对每个刺激通道，刺激信号会在该通道对应的刺激单元中各超微刺激点上交替输出。由于超微刺激点构成的刺激单元物理尺寸很小，而皮层神经组织中同种功能的神经细胞以集团方式存在，所以刺激单元中各超微刺激点的刺激可以等效为对皮层同一功能点的刺激。由于刺激信号又在刺激单元中各超微刺激点上交替输出，所以又避免了已有皮层刺激中电极连续输出刺激信号的难题，从而有助于延长刺激电极有效工作时间。
权利要求
1.一种视皮层神经刺激装置，它由微电极阵列、信号通路控制部分、刺激信号产生及编码部分组成，其特征在于所述微电极阵列是由多个刺激单元阵列布局在一个基板上构成，每个刺激单元对应视皮层神经上的一个刺激部位，每个刺激单元中又包括多个超微刺激点，每个超微刺激点由一个超微电极承担；所述信号通路控制部分的一个刺激信号通路对应微电极阵列上的一个刺激单元，每个刺激信号通路具有多个可选输出端口，分别与对应的刺激单元中的各超微刺激点连接。
2.根据权利要求1所述的视皮层神经刺激装置，其特征在于所述信号通路控制部分采用多路模拟开关及控制电路或由刺激信号输出控制程序直接控制刺激信号经不同输出通道分时输出的方式。
3.利用权利要求1或2所述的视皮层神经刺激装置实现视皮层神经刺激的方法，其特征在于首先，将外界图像信息经刺激信号产生及编码部分处理，转换为刺激电信号从多个通道输出给信号通路控制部分；然后由信号通路控制部分根据预先设定的模式为每个刺激信号提供信号通道，通过控制每个刺激信号在不同输出端口间的切换，交替性地将刺激信号连接到同一刺激单元的不同超微刺激点，并控制在同一时刻每个刺激单元中仅有一个超微刺激点有信号输出，使刺激信号在该通道对应的刺激单元中各超微刺激点上交替输出，实现对皮层功能区的刺激。
全文摘要
本发明涉及一种可刺激视皮层神经组织的微电极阵列刺激装置及刺激方法，该装置能在控制电路作用下将电刺激信号经不同刺激点交替输出以刺激视皮层神经组织，可用于对视皮层神经组织的刺激。该装置包括微电极阵列芯片、信号通路控制部分、刺激信号产生及编码部分。微电极阵列芯片是由多个刺激单元阵列布局在一个基板上构成，每个刺激单元对应视皮层神经上的一个刺激部位，每个刺激单元中又包括多个微电极形成的多个超微刺激点。信号通路控制部分通过选择刺激信号和刺激单元中超微刺激点的连接方式来调控皮层刺激模式，将刺激信号通过选定的超微电极耦合到视皮层神经组织。利用本装置和方法可以实现对视皮层神经组织刺激的自组织化，可提高视皮层刺激电极工作的长效性。
文档编号A61F9/00GK101058004SQ200710078520
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月28日 优先权日2007年5月28日
发明者侯文生, 郑小林, 吴小鹰, 阴正勤, 杨军, 廖彦剑, 王星, 胡宁 申请人:重庆大学