CN109990964A - 一种神经电极体内微动损伤模拟*** - Google Patents

一种神经电极体内微动损伤模拟*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种神经电极体内微动损伤模拟***，涉及医疗器械测试领域，包括微动模拟部分和体内环境模拟部分；微动模拟部分包括控制驱动模块和执行模块；控制驱动模块包括波形发生器和压电控制器，波形发生器和压电控制器连接；执行模块包括升降台，L形转换工装，压电陶瓷制动器，电极夹具和神经电极；升降台顶板设置在执行模块顶板上，L形转换工装的一端与升降台底板连接；压电陶瓷制动器是圆柱形，设置在L形转换工装的另一端；电极夹具设置在压电陶瓷制动器的一端，神经电极的一端设置在电极夹具上。该发明可精确模拟神经电极的体内植入环境，将电极在体内的微动损伤纳入评估范畴，与生物实验相比，实验周期短且成本低。

Description

一种神经电极体内微动损伤模拟***
技术领域
本发明涉及医疗器械测试领域，尤其涉及一种神经电极体内微动损伤模拟***。
背景技术
神经科学以及神经工程需要对脑部神经元的电活动情况进行定量研究，以了解大脑产生、传输和处理信息的机制。植入式神经电极作为一种传感器件，可以记录神经***的电活动情况。通过神经电极，还可以对大脑特定区域或者外周神经施加电刺激，抑制不正常的神经信号，用来治疗帕金森病或其他慢性疼痛等疾病，也可以通过功能性电刺激来恢复瘫痪肢体的运动。由于神经电极植入病患体内，其使用寿命为至关重要的参数。如果电极寿命过短，需要多次执行外科手术重新植入新的电极，这样会极大加重治疗的难度和成本，也会增大病患的痛苦。数十年来，科研人员一直在谋求设计性能更为优良、使用寿命更长的神经电极，然而这项工作也遇到了非常大的挑战，因为定量评估神经电极寿命的前提是构建一个与实际植入环境高度一致的评估环境,而实现这种测试环境是非常困难的。目前国内外评估神经电极寿命的方法分为体内实验与体外实验两种。
体内实验是将待评估电极植入实验动物的体内，记录电极的使用寿命，如Barrese等人就采用了此种方法进行评估。这种方法的最大问题是成本高、实验周期长，加之实验动物之间存在差异与其他偶然因素，因此这种方法并未得到广泛运用。体外实验将电极浸泡在模拟生物组织溶液中，通过加热、施加超声波振动的方法产生一个较为恶劣的实验环境，从而评估神经电极的耐用性，如Takmakov等人便采用了此种方法进行评估。较之于体内实验，体外实验的测试条件更容易实现，但是其施加的评估环境与真实的生物组织内的环境相距甚远。近年来多篇文献均指出电极在体内植入后的实际寿命与评估实验所得出的预期寿命并不相符，因为该种评估方法未将神经电极在体内的微动损伤纳入评估范畴。AaronGilletti等人指出，由于脉搏跳动和呼吸作用，大脑组织会产生幅值数微米的周期性微动。根据马亚坤等人的结论：微动的幅值约10微米，频率约4赫兹。组织微动会使神经电极与大脑皮层组织之间不断产生微米级的相对运动，根据目前的临床研究经验，这种相对运动是导致神经电极表面发生疲劳损伤、功能退化的重要原因之一。这一因素在神经电极的老化过程中占主导地位，不能忽略。但是现有的神经电极寿命评估***均无能够模拟组织微动的设备，这也是造成当前评估方法不甚准确的最大原因。
本发明要解决的技术问题是如何精确模拟神经电极在体内微米级运动的***，解决实验成本高、费时费力以及耐用性差的问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种神经电极体内微动损伤模拟***，可精确模拟神经电极的体内植入环境，将电极在体内的微动损伤纳入评估范畴，与生物实验相比，实验周期短且成本低。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何精确模拟神经电极在体内微米级运动的***，解决实验成本高、费时费力以及耐用性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种神经电极体内微动损伤模拟***，包括微动模拟部分和体内环境模拟部分；所述微动模拟部分包括控制驱动模块和执行模块；所述控制驱动模块包括波形发生器和压电控制器，所述波形发生器和所述压电控制器连接；所述执行模块包括执行模块顶板，执行模块底板，执行模块支架，升降台，L形转换工装，压电陶瓷制动器，电极夹具和神经电极；所述升降台顶板设置在所述执行模块顶板上，所述L形转换工装的一端与所述升降台底板连接；所述压电陶瓷制动器是圆柱形，设置在所述L形转换工装的另一端，所述压电陶瓷制动器与所述执行模块支架平行；所述电极夹具设置在所述压电陶瓷制动器的一端，所述神经电极的一端设置在所述电极夹具上。
进一步地，所述体内环境模拟部分包括水浴锅、模拟脑组织和模拟脑脊髓液；所述模拟脑组织是包含软化剂的硅胶；所述模拟脑脊髓液是磷酸缓冲盐容易和去离子水的混合溶液。
进一步地，所述模拟脑组织设置在所述执行模块底板上，所述神经电极的另一端放置在所述模拟脑组织中。
进一步地，所述升降台顶板可拆卸地设置在所述执行模块顶板上。
进一步地，所述升降台顶板与所述执行模块顶板是螺栓连接。
进一步地，所述L形转换工装的一端与所述升降台底板是可拆卸连接。
进一步地，所述L形转换工装的一端与所述升降台底板是螺栓连接。
进一步地，所述压电陶瓷制动器可拆卸地设置在所述L形转换工装上。
进一步地，所述L形转换工装的另一端设置有制动器转接孔，所述压电陶瓷制动器可***所述制动器转接孔中。
进一步地，所述升降台包括微动螺母和制动机关，所述微动螺母与所述制动机关的一端相接触。
本发明可精确模拟神经电极的体内植入环境，将电极在体内的微动损伤纳入评估范畴，与生物实验相比，实验周期短且成本低。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的神经电极体内微动损伤模拟***示意图；
图2是神经电极体内微动损伤模拟***的执行模块结构示意图；
图3是神经电极体内微动损伤模拟***的升降台结构示意图；
图4是神经电极体内微动损伤模拟***的升降台制动机关结构示意图；
图5是神经电极体内微动损伤模拟***的L形转换工装结构示意图；
其中，1-神经电极，2-执行模块底板，3-模拟脑组织，4-电极夹具，5-L形转换工装，6-压电陶瓷制动器，7-升降台，8-执行模块支架，9-执行模块顶板，10-升降台顶板，11-升降台顶板孔，12-微动螺母，13-升降台底板，14-升降台底板孔，15-制动机关，16-转换工装固定孔，17-固定螺栓，18-固定孔，19-制动器转接孔。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，神经电极体内微动损伤模拟***包括微动模拟部分和体内环境模拟部分。体内环境模拟部分包括恒温水浴锅、模拟脑组织3和模拟脊髓液。恒温水浴锅用于调节模拟温度，模拟脑组织3是包含软化剂的硅胶，置于执行模块底板2的矩形槽内。微动模拟部分包括控制驱动模块和执行模块。控制驱动模块包括波形发生器和压电控制器。执行模块包括升降台7、L形转换工装5、压电陶瓷制动器6、电极夹具4和神经电极1。
如图2所示，在执行模块结构中，升降台顶板10通过螺栓穿过升降台顶板孔11固定在执行模块顶板9上，通过旋转微调螺母12调节神经电极1的初始高度；L形转换工装5通过螺栓穿过升降台底板孔14固定在升降台底板13上，压电陶瓷制动器6穿过L形转换工装转接孔19，压电陶瓷制动器6与执行模块支架8平行；电极夹具4通过螺纹连接与压电陶瓷制动器6的位移端面连接，可实现垂直方向微动；神经电极1通过医用粘合剂粘接在电极夹具4上。
如图3和图4所示，升降台顶板10和升降台底板13之间设置有制动机关15，通过旋转微动螺母12可以控制制动机关15调节升降台顶板10和升降台底板13之间的高度。
如图5所示，L形转换工装5的制动器转接孔19的侧面设置有固定孔18和固定螺栓17，固定螺栓17穿过固定孔18，可固定压电陶瓷制动器10。
以下为本发明的具体实施例：
实施例1
实验环境温度对微电子器件老化加速作用的公式：
t37＝tT×2(T-37)/10
其中：t37为模拟的在体温环境下的老化时间(即37℃环境下)，T为实际的实验环境温度，yT为老化实验的持续时间。使用医用粘合剂将神经电极1粘结在电极夹具4上，微调升降台7使神经电极1***模拟脑组织3中。波形发生器可以产生任意幅值、频率、相位的信号波形。信号波形在经过压电控制器放大处理后，施加至压电陶瓷制动器6上，使其带动电极夹具4产生微动，从而使神经电极1与模拟脑组织3产生竖直方向相对微动，模拟神经与大脑组织之间的微动作用。将执行模块浸泡于模拟脑脊液中，通过水浴加热法将模拟脑脊液加热至67℃(实际体温为37℃)，调节波形发生器与压电控制器，使神经电极1产生振幅为10微米、频率为32赫兹(实际组织振动频率为4赫兹)的竖直微动，形成8倍速的老化环境，持续24小时的老化实验，即可以较为精确地模拟持续192小时的神经电极体内老化。
实施例2
使用医用粘合剂将神经电极1粘结在电极夹具4上，微调升降台7使神经电极1***模拟脑组织中。波形发生器可以产生任意幅值、频率、相位的信号波形。信号在经过压电控制器放大处理后，施加至压电陶瓷制动器6上，使其带动电极夹具4产生微动，从而使神经电极1与模拟脑组织3产生竖直方向相对微动，模拟神经与大脑组织之间的微动作用。将执行模块放置于隔振实验平台上，在压电陶瓷制动器6的尾端接入精密力学测量装置。将执行模块浸泡在模拟脑脊液中，使用恒温水浴锅将模拟脑脊液加热至37℃，调节波形发生器与压电控制器，使神经电极1产生振幅为10微米、频率为4赫兹的竖直微动。通过读入精密力学测量装置，评估神经电极1在植入后与组织之间的力学作用，从而为优化神经电极1尺寸结构与表面形貌、减小电极与组织之间的作用力提供参考。
实施例3
目前，水凝胶、蚕丝蛋白、PLGA等新型可降解材料已经被广泛应用新型神经的电极设计中。受制于生物实验的局限性，可降解材料在体内的降解速度和降解过程难以观测。在神经电极1表面通过3D打印的方法涂抹一层PLGA涂层。使用医用粘合剂将神经电极1粘结在电极夹具4上，微调升降台7使神经电极1***模拟脑组织7中。波形发生器可以产生任意幅值、频率、相位的信号波形。信号在经过压电控制器放大处理后，施加至压电陶瓷制动器6上，使其带动电极夹具4产生微动，从而使神经电极1与模拟脑组织3产生竖直方向相对微动，模拟神经的电极与大脑组织之间的微动作用。将执行模块浸泡在模拟脑脊液中，通过水浴加热法将模拟脑脊液加热至37℃，调节波形发生器与压电控制器，使神经电极1产生振幅为10微米、频率为4赫兹的竖直微动。通过光学显微镜记录植入后电极表面形貌的变化，评估PLGA等新型可降解材料在植入后的降解速度，从而为研制应用于神经的电极新型可降解材料提供参考。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，包括微动模拟部分和体内环境模拟部分；所述微动模拟部分包括控制驱动模块和执行模块；所述控制驱动模块包括波形发生器和压电控制器，所述波形发生器和所述压电控制器连接；所述执行模块包括执行模块顶板，执行模块底板，执行模块支架，升降台，L形转换工装，压电陶瓷制动器，电极夹具和神经电极；所述升降台顶板设置在所述执行模块顶板上，所述L形转换工装的一端与所述升降台底板连接；所述压电陶瓷制动器是圆柱形，设置在所述L形转换工装的另一端，所述压电陶瓷制动器与所述执行模块支架平行；所述电极夹具设置在所述压电陶瓷制动器的一端，所述神经电极的一端设置在所述电极夹具上。
2.如权利要求1所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述体内环境模拟部分包括水浴锅、模拟脑组织和模拟脑脊髓液；所述模拟脑组织是包含软化剂的硅胶；所述模拟脑脊髓液是磷酸缓冲盐容易和去离子水的混合溶液。
3.如权利要求2所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述模拟脑组织设置在所述执行模块底板上，所述神经电极的另一端放置在所述模拟脑组织中。
4.如权利要求1所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述升降台顶板可拆卸地设置在所述执行模块顶板上。
5.如权利要求4所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述升降台顶板与所述执行模块顶板是螺栓连接。
6.如权利要求1所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述L形转换工装的一端与所述升降台底板是可拆卸连接。
7.如权利要求6所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述L形转换工装的一端与所述升降台底板是螺栓连接。
8.如权利要求1所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述压电陶瓷制动器可拆卸地设置在所述L形转换工装上。
9.如权利要求1所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述L形转换工装的另一端设置有制动器转接孔，所述压电陶瓷制动器可***所述制动器转接孔中。
10.如权利要求1所述的神经电极体内微动损伤模拟***，其特征在于，所述升降台包括微动螺母和制动机关，所述微动螺母与所述制动机关的一端相接触。
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