CN104168950A - 用于神经假体的安全的直流激励器的人工控制和微型化 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例提供了一种向目标神经组织安全地递送直流离子流，同时也消除了由用于控制装置中的电流的阀的非理想操作产生的在装置输出端的中断的装置和方法。该装置包括两个协同工作的阀操作的系统。第一和第二产生电流的系统被配置为一起使用以消除电流的周期性中断。在使用中，一个系统驱动电流通过目标组织，而另一系统首先关闭所有阀，然后顺序开启其阀。关闭所有阀的中间步骤防止非预期的电流通过任一个系统分流。该装置还包括将直流电流引导到目标组织的两个导体。

Description

用于神经假体的安全的直流激励器的人工控制和微型化

政府支持

本发明是根据由美国国家卫生研究院授予的NIH R01DC009255在政府的支持下完成的。政府具有本发明中的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年12月20日提交的编号为61/577,821的美国临时专利申请的权益，该申请通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明一般涉及神经刺激。更具体地，本发明涉及一种用于向目标组织递送DC电流的装置和方法。

背景技术

在有效治疗一些神经系统疾病时，神经假体是受限的，因为它们可以刺激神经元，但不能有效地抑制它们。施加于与神经组织接触的金属电极的直流电(DC)可以刺激或抑制神经活动；然而，DC刺激在生物学上是不安全的，因为它在金属电极-组织界面引起电化学反应。为了避免这些安全隐患，神经假体通常递送交流电(AC)脉冲以引起动作电位。

虽然耳蜗和视网膜假体通过调制在它们的自发性活动上的传入纤维的放电率来采用交流电脉冲编码感觉信息，其他神经假体应用在单独使用刺激实现有效治疗方面有很大困难。例如，协助排尿的假体需要刺激骶神经来激活逼尿肌且同时抑制腰神经以放松尿道括约肌。同样，为了适当的平衡，内耳前庭传入纤维不仅仅需要刺激来编码朝向头部受到刺激的一侧的头部运动，而且也需要抑制来编码远离它的头部运动。在恢复正常的生理机能时，因此，对神经假体而言，抑制和刺激神经元的能力将是有用的。此外，以高神经放电率为特征的一些疾病，如耳鸣、慢性疼痛和癫痫可以通过能够进行神经抑制的假体有效地治疗。细胞外电位的逐步调制而不是引起或抑制峰值可以通过解决刺激性对抑制性不平衡以进一步地延伸治疗疾病(如自闭症)的神经假体的能力，以及支持直流电位以治疗血管纹听力损失的能力。

在低振幅，DC可以通过改变靠近电极的细胞外电场以实现神经活动的分级控制。通过改变电场，DC调制神经放电阀值，增加或减少峰值引发的可能性。在较高的DC振幅，阴极电流刺激神经元，而阳极电流抑制它们。在电极-盐水界面不产生电化学反应的DC刺激能够使得神经系统疾病的更灵活的治疗比目前可能的治疗有效。

DC激励安全问题的一种解决方法是通过与应用于电极的AC方波同相地切换机械阀来将DC离子流引导到目标组织，所述电极被浸入离子溶液。该方法从电极-盐水界面去除DC，而保持通过组织的DC离子流。图1A示出系统的两种电位状态。图1B示出在阀与递送到电极的AC同步操作时，良好运行的SDCS的输出。该装置的一个重要方面是它在两级配置中工作，所以流入一个管的离子由流出另一管的同种类型的离子重新装满，因此导致在两管之间的组织中的净零离子改变。这种配置解决了可能对神经组织有害的pH值的变化。

如图1B所示，由于在装置中使用的机械阀的非理想特性，DC信号的保真度因电流中的周期性中断而降低。中断的发生是因为在开启到关闭和关闭到开启的转换期间，当阀暂时地且同步地开启或关闭时，离子流绕过组织。例如，如果B2和A2在转变中都关闭，没有电流流过组织。中断的持续时间取决于阀从开启到关闭状态和从关闭到开启状态的转换速度。然而DC电流中的任何中断将引起目标神经元中神经活动的不良截击。

因此，提供一种去除直流离子流中的中断的方法将是有利的。

发明内容

上述需求在很大程度上通过本发明得到满足，其中在一个方面，用于递送直流电的装置包括被配置为接收交流电的第一组两个电极和第二组两个电极。该装置还包括第一组阀。第一组阀包括第一对阀和第二对阀。该装置还包括第二组阀。第二组阀包括第三对阀和第四对阀。第一组阀和第二组阀被配置为开启和关闭，并进一步被配置为与应用于第一电极和第二电极的交流电同相地切换。管填充有导电材料且被配置为将直流离子流引导到目标组织。此外，装置被配置为当第三对阀和第四对阀开启时关闭第一组阀，和当第一对阀和第二对阀开启时关闭第二组阀。

根据本发明的另一方面，两个系统协同工作。在本发明描述的布置中，一个系统控制到组织的离子流系统输出，而第二个系统经历不影响装置输出的阀转换。在第二个系统的阀转换状态之后，装置输出的控制从第一个系统电子地切换到第二个系统，从而允许第一个系统切换其阀而不影响装置输出。以这种方式，装置的平稳的离子流输出得以保持，而不受阀转换速度的支配。

根据本发明的一个方面，导体采取界定穿过其延伸的中空腔的管的形式。管的中空腔填充有导电材料，且导电材料是离子溶液或离子水凝胶。该系统还包括具有多个层的外壳。外壳的每一个层包括电极或第一组阀及第二组阀两者之一。外壳的层1包括填充有离子溶液或电解凝胶以导通离子流的通道。层2密封和保护层1且提供通过其层1的通道可被连接或断开以控制流过其离子流的开口。层3和4增加了通过层2中的开口机械地连接或断开通道的能力，形成用于操作装置的阀。该阀可以采取机械阀、桥式整流器或离子二极管的形式。此外，机械阀可以使用镍钛合金丝(Nitinol wire)驱动。

根据本发明的另一方面，用于递送直流电的方法包括应用交流电于浸入离子溶液的电极。该方法也包括关闭第一组阀并顺序地且与交流电同相地切换第二组阀。此外，该方法包括将直流离子流引导到目标组织。

根据本发明的另一方面，第一组阀包括第一对阀和第二对阀，且第二组阀包括第三对阀和第四对阀。第一组阀和第二组阀被配置为开启和关闭，并进一步被配置为与应用于电极的交流电同相地切换。导体用于将直流离子流引导到目标组织。导体包括界定细长的内腔的管且管的细长的内腔填充有导电材料。导电材料是离子溶液或离子水凝胶。该方法还包括当第三对阀和第四对阀开启时关闭第一组阀，以及当第一对阀和第二对阀开启时关闭第二组阀。

附图说明

附图提供了将用于更充分地描述本文所公开的代表实施例的视觉再现，且附图可以由本领域的技术人员使用以更好地理解它们和其固有的优点。在这些图中，相似的参考数字标识对应的元素以及：

图1A图示了当向设备内的金属电极递送交流电时，给组织提供直流电激励背后的基本概念的原理图。其示出了同一系统的两种状态。

图1B示出了在来自图1A描述的设备的原型的系统输出处发生的周期性中断。在交流电和阀状态的每一个相位转变发生中断。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于向目标组织递送直流电和被配置为消除电流中断的装置。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的用于构建在图2中描述的系统的层组件。

图3B示出了在图3A中示出的组装为完成的装置的系统组件。

图3C示出了四个金属电极相对于装置的其他组件的位置。

图4示出了根据本发明的一个实施例的装置的电子器件的框图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的用于将离子流从装置递送到神经组织的两个管导体(管电极(TE))中的一个。

具体实施方式

目前公开的主题将在下文参考附图被更充分地描述，在附图中示出了本发明的一些而非所有实施例。相似的数字始终指示相似的元素。目前公开的主题可以以许多不同的形式体现且不应该被解释为局限于在此陈述的实施例；相反，这些实施例被提供以便本公开内容将满足适用的法律要求。事实上，在受益于在前文描述和相关附图中呈现的教导后，本文公开的主题所属领域的技术人员将容易想到在此陈述的目前公开的主题的许多修改和其他实施例。因此，应理解的是，目前公开的主题不限于公开的具体实施方式，而且修改和其他实施例意在被包括在所附的权利要求的范围之内。

根据本发明的一个实施例提供了一种向目标组织递送直流电同时也消除了电流中的中断的装置和方法。两个系统协同使用以通过两个导体向神经组织递送不间断的电流。两个导体(又名管电极)用于将离子流从装置引导到目标组织。第一和第二产生电流的系统被配置为一起使用以消除电流的周期性中断。在使用中，一个系统驱动电流通过目标组织，而另一个系统首先关闭所有阀，然后顺序开启其阀。关闭所有阀的中间步骤防止非预定电流通过任一个系统分流。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于向目标组织递送直流电和被配置为消除电流中断的装置。如图2所示，装置10包括左系统12和右系统14，其都被配置为向目标组织16递送电流。左系统12包括一对电极18和20且右系统14包括一对电极22和24。电极18、20和22、24被配置为分别从电流源I1或I2接收交流电。在电流进入左系统或右系统中的任何一个之后，它行进通过导电材料，如盐水，或本领域技术人员已知的任何其他合适的导电材料或溶液。左系统12包括阀A1、A2、B1和B2，且右系统14包括阀C1、C2、D1和D2。阀可以采取机械阀的形式、本领域技术人员已知的或可想象的其他阀技术。此外，阀可以使用微机电微型化(MEMS)或其他微型化技术被微型化。阀A1总是与阀A2处于相同的状态，阀B1总是与阀B2处于相同的状态等等。

此外，图2示出了在电极18和20之间的通过装置10以向目标组织16递送电流的电流26的流动例子。在图2给出的例子中，离子流26很容易地通过任何开启的阀，例如，在图2中，如阀B1、B2、D1和D2而不通过关闭的阀，如由A1、A2和C1、C2表示的阀。如上所述，装置10使用左系统12和右系统14。一个系统驱动电流通过组织，而另一系统首先关闭所有阀，然后顺序开启下一组阀。下面的表1示出了针对不同阀关闭的装置10的状态。状态被顺序进入且在S12之后再重复。装置的状态在左栏中表示。星号(*)表示从先前的状态控制流通过组织的电流源中的转换。“0”表示阀关闭。“1”表示阀开启。电流源I1、I2可以控制每个系统中的从较高电极到较低电极的流动，用“+”表示；从较低电极到较高电极用“-”表示；或是关闭，用“0”表示。还应注意的是直流电从填充导电流体的顶部管到底部管递送到目标组织16。

表1

虽然由图2的原理图表示的装置可以使用不同的方法构建，图3A示出了本发明的装置的一个实施例和用于构建的组件。图3B示出了在图3A中示出的组装为已完成的装置的装置组件，和图3C示出了电极相对于装置的其他组件的位置。如图3A和图3C所示的，层1、28包括电极18、20、22和24，以及通过其电流可流过盐溶液的通道。通道对应于在图2所示的那些。层1的通道被填充盐溶液或离子的水凝胶(如基于琼脂或明胶)以导通离子流。层2和30保护和覆盖层1和28，和向阀A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1和D2提供阀开口以连接/断开层1的通道中的离子流。没有示出的硅树脂的薄层用于覆盖层2和30，将阀中的盐水/凝胶和设置在层3和34的阀柱塞32隔离。层3和34以及层4和36包括用于致动阀的阀柱塞和镍钛合金丝38。镍钛合金丝38的每一个致动一对阀。所有的层都由塑料或任何其他合适的材料形成并用防水胶、密封机，或其他合适的粘合剂粘在一起。

此外，如图3B所示，阀由镍钛合金丝38驱动。当通过电激活时，使用微控制器控制的电子电路，如在此进一步描述的，镍钛合金丝的长度减少5％，允许开启预定的阀。每个镍钛合金丝38驱动一对阀致动器、A、B、C、D。当常闭致动器由通过直径为100微米的镍钛合金丝施加的张力变形时，阀开启。当驱动180毫安的电流通过导线时，导线被加热到70-90℃，导线长度缩短。当关闭电流时，柱塞32返回到其原来的位置且使导线回到原来的长度。导线可以经历周期最高在2Hz的伸展收缩。

图4示出了根据本发明的一个实施例的装置的电子器件的框图。电源模块产生三个功率输出。第一个功率输出是驱动电流源I1和I2的60V、2mA。第二个是支持电子器件的3V、30mA。第三个是用于驱动镍钛致动器的1.5V、800mA。阀驱动器A、B、C、D保持通过对应的镍钛致动器的电流。I1/I2电流驱动器可以在正或负方向引导电流通过对应的一对电极。差分放大器检测被引导通过组织的离子流并向I1/I2电流驱动器发送成比例的电压信号以控制电流源的输出。微控制器(μC)控制如表1所示的装置的状态机。

如图5所示，使用两个管电极(导体)以将直流离子流从装置输送受激组织。与用于神经刺激的典型PtIr电极丝相比，此图示出了这样一个管电极的实施例。这些管导体可以通过使用琼脂和离子溶液的无菌混合物填充(TE)离心机20μL的毛细管(0.25mm OD，0.2毫米ID)来制备。虽然凝胶自由导通离子流，但它阻止流入和流出管的流体运动以及它给植入组织的生物污染提供了物理屏障。

促进安全的DC刺激的深远计划包括使用能够调制离子导电性以控制离子流而不是机械阀的离子二极管或离子晶体管。离子二极管技术正在迅速发展以产生半渗透膜，该半渗透膜被构造成允许离子在一个方向上流动而阻止在相反的方向流动。因为机械阀是SDCS中耗电最高的元件，使用根本不消耗功率的离子二极管将大大降低整个安全DC系统的功率。可以以类似于在桥式整流器配置中使用二极管的方式在安全DC系统构造中使用离子二极管来代替阀。桥式整流器是通常用于将电力从AC转换到DC的电源的4-二极管的电子元件。离子二极管将控制离子流而不是由传统的二极管控制的电子流。

假定离子二极管可以减小尺寸，描述的技术的更极端的微型化也将使多个刺激通道同时递送到不同的刺激目标，因为几个单独的安全DC激励器可以组装在一个装置中。

从详细的说明书中本发明的许多特征和优点是显然的，因此，旨在通过所附的权利要求覆盖落入本发明的真正精神和范围内的本发明的所有这些特征和优点。此外，由于对本领域的技术人员而言，容易想到许多修改和变化，不期望将本发明限制到示出和描述的准确构造以及操作，因此，所有合适的修改和等同物可以被采用，且落入本发明的范围内。

虽然已经结合其优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解可以做出没有具体地描述的添加、删除、修改，和替换，而没有背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于递送直流电的装置，包括：

第一组两个电极和第二组两个电极，所述第一组两个电极和所述第二组两个电极被配置为接收交流电；

第一组阀和第二组阀，其中所述第一组阀包括第一对阀和第二对阀，其中所述第二组阀包括第三对阀和第四对阀，其中所述第一组阀和所述第二组阀被配置为开启和关闭，并还被配置为与应用于所述第一电极和所述第二电极的交流电同相地切换；

管，所述管填充有导电材料且被配置为将直流离子流引导到目标组织中；以及

其中所述装置被配置为当所述第三对阀和所述第四对阀开启时所述第一组阀是关闭的，且当所述第一对阀和所述第二对阀开启时所述第二组阀是关闭的。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述导体包括界定穿过其延伸的中空腔的管。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述管的所述中空腔填充有导电材料。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述导电材料是离子溶液或离子水凝胶。

5.如权利要求1所述的装置，还包括外壳。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述外壳包括层。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述外壳的所述层的每一个包括所述电极和所述第一组阀与所述第二组阀两者之一。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述阀包括机械阀。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述机械阀包括镍钛合金丝。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述阀包括桥式整流器。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述阀包括离子二极管。

12.一种用于递送直流电的方法，包括：

把交流电应用于浸入离子溶液的电极；

关闭第一组阀；

顺序地且与所述交流电同相地切换第二组阀；以及

将直流离子流引导到目标组织中。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一组阀包括第一对阀和第二对阀，且所述第二组阀包括第三对阀和第四对阀。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述第一组阀和所述第二组阀被配置为开启和关闭，并还被配置为与应用于所述电极的交流电同相地切换。

15.如权利要求12所述的方法，还包括使用导体将直流离子流引导到所述目标组织。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述导体包括界定细长的内腔的管。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述管的所述细长的内腔填充有导电材料。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述导电材料是离子溶液或离子水凝胶。

19.如权利要求13所述的方法，还包括当所述第三对阀和所述第四对阀开启时，关闭所述第一组阀。

20.如权利要求13所述的方法，还包括当所述第一对阀和所述第二对阀开启时，关闭所述第二组阀。