CN117919590A - 一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，包括控制器、驱动器组件、刺激电极组件；其中，刺激电极组件包括刺激电极和连接到刺激电极的微型线圈接收电路，所述微型线圈接收电路由接收线圈、第二谐振匹配电路、AM解调电路、双极性电刺激电路组成；所述双极性电刺激电路包括电压‑电流变换电路、极性调控电路，通过电压‑电流变换电路和极性调控电路，将所述方波电压转换为电流恒定且极性可切换的电刺激波形，所述电刺激波形产生的恒定电流值范围为1.1‑5.9mA。本发明在刺激波形的纹波、响应速度、过冲、死区等关键参数上具有良好的性能，实现稳定、精准、安全、小体积、低成本、低功耗的神经电刺激。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体地涉及一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***。
背景技术
“脑卒中”又称“中风”，是一种急性脑血管疾病。目前医学上除了相关副作用显著的预防用药外，还使用介入手术的治疗方式。临床前研究发现，在急性缺血性卒中模型中，刺激该神经节可以增加大脑侧支循环血流量、稳定血脑屏障、减少梗死面积。初步的临床随机研究也发现，刺激蝶腭神经节对缺血性卒中患者也有潜在益处，蝶腭神经节通常被认为是主要治疗靶点。
神经调控是治疗该种疾病的具体疗法，目前已经实现了广泛的应用。使用电刺激的方法进行神经调控，诱导蝶腭页神经节血管适度扩张，增加流向大脑的血流量。目前主要有三种常见的刺激方式：电压刺激模式、电流刺激模式和电荷刺激模式。
专利US20180132947A1公开了神经刺激器的植入和输送***，包括植入物阻抗感应电极，辅助阻抗感应电极，第一和第二导线分别电耦合到植入物阻抗感测电极和辅助阻抗感测电极，和基于阻抗的导航电路，包括：电压发生器，被配置为通过导线在注入阻抗感测电极和辅助阻抗感测电极之间施加电流，阻抗传感器，被配置为基于电流的施加来测量植入阻抗感测电极与辅助阻抗感测电极之间的阻抗，和位置***，其被配置为基于所测量的阻抗的变化来确定在大神经管中的可植入神经刺激器的位置。
现有的电压刺激器无法精确控制刺激电流，容易导致人体组织受损；电荷刺激器由于需要通过切换电容器组来设定刺激的总电荷量，而使用的电容器组面积较大，致使其无法完全植入；传统的电流刺激器在宽刺激电压范围内无法精确控制刺激电流，已无法满足各类应用场景的需要。
此外，现有方案都不能实现完全植入体内，外部电池供电需要大体积电池且需要定期更换，超声波供电需要进行能量转换，效率低且复杂，能量转换的部件体积较大；射频供电容易导致辐射伤害，会对人体造成不可逆损伤，因此现有方案均不适合目前完全植入且精准可控的刺激器要求。
发明内容
本发明是一款采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，通过对蝶腭神经节进行电刺激，可以促进脑卒中患者脑部缺血周围的血管代偿，从而达到治疗脑卒中的目的。
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本申请提供一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，包括发射端和接收端；发射端包括控制器和驱动器组件，接收端为刺激电极组件；其中，
刺激电极组件包括刺激电极和连接到刺激电极的微型线圈接收电路，刺激微电极通过手术植入人体口腔腭管腔道内，微型线圈接收电路贴在特定牙齿的侧面；
所述微型线圈接收电路由接收线圈、第二谐振匹配电路、AM解调电路、双极性电刺激电路组成；
接收端通过AM解调电路，将对于无线线圈接收到的幅度调制信号，通过AM解调后形成方波电压；
所述双极性电刺激电路包括电压-电流变换电路、极性调控电路，通过电压-电流变换电路和极性调控电路，将所述方波电压转换为电流恒定且极性可切换的电刺激波形，所述电刺激波形产生的恒定电流值范围为1.1-5.9mA。
在一个实施例中，所述极性调控电路内部通过MOS管构成比较器电路，与预设的阈值电压进行比较，根据输入电压大小改变开关管的通断，从而控制电流方向，实现正负极性刺激。
进一步地，AM解调电路利用肖特基二极管在较高频率下的开关特性滤除了载波。
在一个实施例中，电压-电流变换电路产生恒定电流进行刺激，该电流不随人体负载的变化而变化。
进一步地，电压-电流变换电路中，每一路恒流刺激由两个运放组成；Rdiv1、Rdiv2对检波器输出的调制信号进行分压，防止运放饱和，并有Rdiv1+Rdiv2=Rd，即AM解调模块中提到的检波器负载电阻；Rsamp是电流采样电阻，其两端电压进入U2组成的减法放大器，并反馈到U1。
进一步地，电压-电流变换电路中，当满足运算放大器U1工作在线性区以及负载电阻在设定范围内两个条件时，该电路的输出电流完全由电路内部参数决定，不受负载的电容和电阻值影响。电压-电流变换电路中，对于由运算放大器U1组成的开环放大电路，其开环增益为AOL>100；对于由运算放大器U2组成的减法放大器，使得其中的电阻R3=R4>>Rsamp。
进一步地，为了确保运放工作在线性区， Rdiv1:Rdiv2取1:2； Ccomp取值为10pF量级；运放的供电电压为AM解调模块得到的电压，并通过一个100nF的电容进行稳压。
进一步地，当供电电压为5V时，电路支持的负载阻值范围为10Ω~2500Ω，大于蝶腭页神经的阻值范围200Ω~1500Ω。
在一个实施例中，在极性调控电路中，与预设的阈值电压进行比较，根据输入电压大小改变开关管的通断，从而控制电流方向，实现正负极性刺激。
进一步地，根据电压阈值定义正、负刺激区；当调制信号落在正刺激区时，刺激电流从阳极流出、阴极流入；当调制信号落在负刺激区时，则电流从阴极流出、阳极流入。
本申请技术方案的优点和有益效果如下：
本方案提出了一种电刺激电流控制方法，在完全采用模拟电路的情况下，支持通过外部线圈以无线的形式对刺激电流、频率、脉冲宽度等进行高精度调节，不需要电池及长导线。
本发明采用运放设计实现恒流刺激，由其构成的电压-电流变换电路，通过特定的电阻电容网络实现可靠的刺激波形；采用MOS管设计的极性调控电路，具有高响应速度，低死区时间。
本发明在刺激波形的纹波、响应速度、过冲、死区等关键参数上具有良好的性能，实现稳定、精准、安全、小体积、低成本、低功耗的神经电刺激。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本申请的原理框图；
图2是本申请AM解调原理图；
图3是电压-电流变换电路原理图；
图4是极性调控电路原理图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
实施例1
本实施例介绍用于采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***的整体结构。包括发射端和接收端；发射端包括控制器和驱动器组件，接收端为刺激电极组件；其中，
控制器包括上位机、信号发生电路、电源管理电路、滤波放大电路，用于对治疗参数进行设置，控制器电连接到驱动器组件；
驱动器组件包括第一谐振匹配电路和发射线圈，通过无线耦合方式在脸颊外侧向内侧的刺激电极组件进行供电及刺激信号传输；
刺激电极组件包括刺激电极和连接到刺激电极的微型线圈接收电路，刺激微电极通过手术植入人体口腔腭管腔道内，微型线圈接收电路贴在特定牙齿的侧面；
所述微型线圈接收电路由接收线圈、第二谐振匹配电路、AM解调电路、双极性电刺激电路组成；
接收端通过AM解调电路，将对于无线线圈接收到的幅度调制信号，通过AM解调后形成方波电压；
所述双极性电刺激电路包括电压-电流变换电路、极性调控电路，通过电压-电流变换电路和极性调控电路，将所述方波电压转换为电流恒定且极性可切换的电刺激波形，所述电刺激波形产生的恒定电流值范围为1.1-5.9mA，优选为2-4mA。
实施例2
图1是植入式电刺激电流控制电路的原理框图。在接收端的刺激电极组件中，AM解调模块从无线线圈接收到的幅度调制波形中提取出信号和能量，转换为低频的方波信号，为后续电路供电。同时，该方波信号也输入至电压-电流变换模块与极性调控电路。
电压-电流变换模块采用跨导放大器原理，将电压转换为恒定的电流。
极性调控电路内部通过MOS管构成比较器电路，与预设的阈值电压进行比较，根据输入电压大小改变开关管的通断，从而控制电流方向，实现正负极性刺激。
实施例3
图2是AM解调模块的原理图。AM解调采用非相干方式（包络检波）完成。为了减少检波器占用的面积，这里没有使用传统的二极管—RC并联支路结构，而是直接利用肖特基二极管在较高频率下的开关特性滤除了载波，使用二极管的扩散电容取代了额外的检波电容。
Rd的取值经过计算，兼顾了缩短上升/下降沿时间和抑制载波分量。
实施例4
图3是电压-电流变换模块的原理图。该电路的目的是产生恒定电流I out进行刺激，该电流不随人体负载的变化而变化。
每一路恒流刺激由两个运放U1、U2组成。Rdiv1、Rdiv2对检波器输出的调制信号进行分压，防止运放饱和，并有Rdiv1+Rdiv2=Rd，即AM解调模块中提到的检波器负载电阻。Rsamp是电流采样电阻，其两端电压进入U2组成的减法放大器，并反馈到U1。
电路的具体工作原理如下：
对于由运算放大器U1组成的开环放大电路，其开环增益为A OL ，有：
①
对于由运算放大器U2组成的减法放大器，使得R1=R2=R3=R4，有：
②
联立①②，可得：
当R3=R4>>Rsamp，可以近似认为刺激电流I out 即为流经R samp 的电流I samp 。
当运放的A OL 足够大（>100）时，可以近似地认为刺激电流
因此有：
当满足运算放大器U1工作在线性区以及负载电阻在设定范围内两个条件时，该电路的输出电流完全由电路内部参数决定，不受负载的电容和电阻值影响。为了确保运放工作在线性区， Rdiv1:Rdiv2取1:2。为了防止电路自激振荡，使用Ccomp补偿反馈网络的相位特性， Ccomp取值为10pF量级。运放的供电电压为AM解调模块得到的电压，并通过一个100nF的电容进行稳压。
在一个实施例中，蝶腭页神经节的刺激电流为2mA，当供电电压为5V时，电路支持的负载阻值范围为10Ω~2500Ω，大于蝶腭页神经的阻值范围200Ω~1500Ω。
实施例5
图4是极性调控电路的原理图。AM调制的信号是没有极性的，为了产生双极性刺激，设定一个电压阈值，并根据这一阈值定义正、负刺激区。当调制电压信号落在正刺激区时，刺激电流从阳极流出，阴极流入。当调制电压信号落在负刺激区时，则电流从阴极流出、阳极流入。
电压阈值是Q1~Q3确定的，它们以G-S-G-S-G-S的形式串联，从而使器件的阈值电压Vth提高了三倍。VDD在这里是线圈电压整流滤波得到的，可以视作AM检波后的调制信号。调制电压高于阈值时，Q3导通、Q4关断，因此Q6导通、Q5关断，I1从左向右流过负载；调制电压低于阈值时则为I2从右向左负载。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，包括发射端和接收端；发射端包括控制器和驱动器组件，接收端为刺激电极组件；其中，
刺激电极组件包括刺激电极和连接到刺激电极的微型线圈接收电路，刺激微电极通过手术植入人体口腔腭管腔道内，微型线圈接收电路贴在牙齿的侧面；
所述微型线圈接收电路由接收线圈、第二谐振匹配电路、AM解调电路、双极性电刺激电路组成；
接收端通过AM解调电路，将对于无线线圈接收到的幅度调制信号，通过AM解调后形成方波电压；
所述双极性电刺激电路包括电压-电流变换电路、极性调控电路，通过电压-电流变换电路和极性调控电路，将所述方波电压转换为电流恒定且极性可切换的电刺激波形，所述电刺激波形产生的恒定电流值范围为1.1-5.9mA。
2.根据权利要求1所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，所述极性调控电路内部通过MOS管构成比较器电路。
3.根据权利要求1所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，AM解调电路利用肖特基二极管在较高频率下的开关特性滤除了载波。
4.根据权利要求1所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，电压-电流变换电路产生恒定电流进行刺激，该电流不随人体负载的变化而变化。
5.根据权利要求4所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，电压-电流变换电路中，每一路恒流刺激由两个运放U1、U2组成；Rdiv1、Rdiv2对检波器输出的调制信号进行分压，防止运放饱和，并有Rdiv1+Rdiv2=Rd，即AM解调模块中提到的检波器负载电阻；Rsamp是电流采样电阻，其两端电压进入U2组成的减法放大器，并反馈到U1。
6.根据权利要求5所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，电压-电流变换电路中，对于由运算放大器U1组成的开环放大电路，其开环增益为AOL >100；对于由运算放大器U2组成的减法放大器，使得其中的电阻R3=R4>>Rsamp。
7.根据权利要求6所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，为了确保运放工作在线性区， Rdiv1:Rdiv2取1:2； Ccomp取值为10pF量级；运放的供电电压为AM解调模块得到的电压，并通过一个100nF的电容进行稳压。
8.根据权利要求6所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，当供电电压为5V时，电路支持的负载阻值范围为10Ω~2500Ω，大于蝶腭页神经的阻值范围200Ω~1500Ω。
9.根据权利要求1所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，在极性调控电路中，与预设的阈值电压进行比较，根据输入电压大小改变开关管的通断，从而控制电流方向，实现正负极性刺激。
10.根据权利要求9所述的一种采用恒定电流刺激蝶腭神经节的脑卒中治疗***，其特征在于，根据电压阈值定义正、负刺激区；当调制电压信号落在正刺激区时，刺激电流从阳极流出、阴极流入；当调制电压信号落在负刺激区时，则电流从阴极流出、阳极流入。
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2024
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