專利名稱：可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫療假體技術領域的可植入微電極，特別是一種可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列。
背景技術：
神經假體領域包括運動神經假體、人工耳蝸(耳蝸植入體)和視覺神經假體等。運動神經假體是通過深部腦刺激治療運動障礙疾病如帕金森病(PD)開發的神經系統微電子器件。深部腦刺激術多選用埋藏式電刺激系統，此系統一般由植入電極、連接導線至皮下接收器及電刺激器三部分組成。電極植入后，選擇一定刺激參數和不同電極刺激觸點，以觀察植入效果并同時記錄不同觸點的參數，以供術后參考。實驗過程中要保證電極不發生位移，以免影響療效。因此電極設計是運動神經假體系統的重要部分。
人的耳蝸毛細胞是接受聲音的感覺細胞。當耳蝸毛細胞損傷嚴重時，就會出現嚴重的耳聾。人工耳蝸由體外和體內裝置兩部分組成，體外部分包括麥克風、言語轉換器、發射線圈；體內的部分包括接收線圈、處理器、刺激電極及參照電極組成。刺激電極采用的通道數目越多，電極就能對耳蝸內更多位置的聽神經纖維進行刺激，最大限度地利用患者耳蝸的天然構造，建立出更完整的聽覺音階，電極形態的設計也是人工耳蝸的關鍵。
視覺神經假體是為幫助視網膜或其他視覺器官發生病變的患者重新獲得光明和視覺的醫用裝置。其中，植入的電極陣列直接作用于中樞和周圍神經系統，模擬視覺正常形成的過程，通過編碼以特定的脈沖形式把電信號傳遞給刺激微電極陣列，作用于視皮層、視網膜或視神經。刺激電極傳輸的脈沖信號要足夠大以便引起刺激部分發生動作電位，通過神經傳遞到視覺皮層，通過大腦皮層記錄電極記錄成像的波形。在整個神經假體系統中，刺激微電極是至關重要的，它必須具有良好生物相容性、易于加工、靈活柔韌、空間利用率高等特點。
經對現有技術文獻的檢索發現，專利申請號為03159801.3，
公開日期為2005年3月30日，專利名稱為“多電極陣列及其制造方法”，該發明提供了一種易于加工的、高密度的電極陣列，由微孔真列、單電極和固定樹脂組成。雖然該發明也考慮了要實現電極陣列的高密度問題，但是僅提供了四電極陣列。由于電極的長度相同，沒有考慮到用于神經束上時，對不同深度的神經纖維進行刺激，沒有從根本上解決對人體神經系統進行電刺激的效率和實用問題，因此這類電極的綜合性能還需要進一步改進。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足與缺陷，提供一種能夠對人體神經系統進行有效高密度電刺激的簇狀微電極陣列，使其能夠根據人體神經系統的解剖學和形態學的特點，在有限空間內能更有效地刺激神經系統。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括金屬絲刺激微電極、金屬絲支撐微電極、金屬絲刺激微電極簇、金屬絲刺激微電極簇陣列、微電極基底，Q個金屬絲微電極粘合在金屬絲支撐微電極的外壁上組成金屬微電極簇，微電極基底是三層結構，m*n個金屬絲微電極簇固定于微電極基底上組成m*n的金屬絲刺激微電極簇陣列。從微電極基底中引出引線與外部設備相連。金屬絲刺激微電極和金屬絲微支撐微電極的材料是生物相容性好的金屬材料。m表示陣列的行數，n表示陣列的列數，Q表示每個金屬絲微支撐電極上金屬絲微刺激電極的數目。
所述的生物相容性好的金屬材料是指鎢絲、金絲、鉑銥合金絲的其中一種。
所述的金屬絲刺激微電極和金屬絲支撐微電極的桿部經過絕緣處理，尖端暴露的微電極。
所述的對金屬絲刺激微電極和金屬絲支撐微電極進行絕緣的材料是C型聚對二甲苯。
所述的對金屬絲刺激微電極和金屬絲支撐微電極的尖端采用強激光暴露。
所述的金屬絲刺激微電極的直徑為10-20μm。
所述的金屬絲刺激微電極的尖端直徑約為1μm。
所述的金屬絲支撐微電極的直徑為50-80μm。
所述的金屬絲刺激微電極長度范圍為300-1000μm。
所述的金屬絲刺激微電極的尖端直徑約為3μm。
所述的金屬絲支撐微電極長度為1.2mm。
所述的金屬絲刺激微電極簇的總直徑為70-120μm。
所述的金屬絲刺激微電極簇是Q個長度不同的金屬絲刺激微電極按照一定長度的分布策略粘附在金屬絲支撐微電極外壁上。把刺激電極的長度設計為長短不一，是為了能刺激到不同深度的神經纖維并實現多位點的刺激。把長度不一的金屬絲刺激微電極按照一定次序交錯排列，是為了保證整個金屬絲刺激微電極簇陣列中每個金屬絲刺激微電極簇的穩定性和機械強度。
所述的用于粘合金屬絲刺激微電極與金屬絲支撐微電極的粘接劑是氰基丙烯酸鹽粘合劑。
所述的金屬絲刺激微電極長度的分布策略是把金屬絲刺激微電極長度設為lp＝l1+(p-1)*Δl，共p個，即電極長度為從l1到lp，相鄰長度差為Δl。
所述的金屬絲刺激微電極簇陣列的排列策略是設陣列為A＝{m*n}，A的元素li，j(k)是位于金屬絲刺激微電極陣列第i行，第j列金屬絲微電極簇中第k個金屬絲微刺激電極的長度，li，j(k)＝l1+[(i-1)*m+(j-1)]*Δl+m*n*(k-1)*Δl(i＝1、2...m，j＝1、2…n，k＝1、2…Q)。l表示金屬絲微刺激電極的長度，A表示電極陣列(Array)，m表示陣列的行數，n表示陣列的列數，Q表示每個金屬絲微支撐電極上金屬絲微刺激電極的數目，p＝m*n*Q。
所述金屬絲刺激微電極簇陣列的行間距為0.35-1.2mm，列間距為0.35-1.2mm。
所述的三層電極基底的構成是表層的硅橡膠層，中間的導電層，底層的硅橡膠層。
所述的表層的硅橡膠層厚度為0.5-1mm。
所述的中間的導電層厚度為0.5-1mm。
所述的底層的硅橡膠層厚度為1-2mm。
與現有技術相比，本發明主要創新點技術如下1)充分考慮了人體神經系統的特點，針對現有神經刺激電極技術的缺陷，設計了該可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列。由于本發明設計的微刺激電極的長度不同，并有規律排列組合，可以對不同深度的神經纖維進行高效刺激。同時可以設計更多的實驗方案，在試驗中允許更多的信息輸入輸出，提高實驗的成功率，讓人們掌握更多的外界刺激與人體神經組織反應之間的關系。
2)充分考慮了所選電極材料的生物相容性和電特性金屬微電極具有電阻低、機械強度高、電噪聲低的優點。金屬微電極尤其有利于慢性植入實驗的需要，是較理想的刺激電極。鎢絲、金絲、鉑銥合金絲等金屬絲均可作為原料。鎢絲生物相容性較好、強度大、價格低廉、制做方便，是在實驗和科研中最早使用的也是很常用的電極材料。鉑銥合金的生物相容性優異、物理化學特性穩定，尤其適合體內植入的需要，是最理想的電極材料。通過動物實驗證明，不銹鋼絲、鎢絲、鉑、鉑銥合金均具有較小的毒性，鉑銥合金在體內引起的組織炎癥反應最小，鎢絲和不銹鋼絲次之。
3)對金屬絲電極的絕緣問題，充分考慮了絕緣材料與組織的生物相容性問題，所選絕緣材料不引起組織反應和炎癥反應并能保護植入器件不受生理環境的侵蝕，本發明所用的絕緣材料是C型聚對二甲苯(Parylene-C)。
本發明的有益效果是充分考慮了所要植入人體部分的形態和解剖學特點，本發明設計的柔韌刺激微電極陣列尤其適用于對人體神經系統進行刺激。人們利用微加工技術制做高密度電極獲得較高的刺激效率，從而可為臨床實驗和科學研究提供有意義的數據。用于制作神經刺激器的材料具有良好的生物相容性并能夠保證器件不受體內生理環境的侵蝕。電極的幾何尺寸可以根據要刺激部位的大小進行控制，而且電極簇中附著于支撐微電極的刺激電極的個數、直徑以及長度都可以根據實際需要而變化，所以，該電極簇可以實現精確刺激，有利于人們尋找刺激位點的不同造成不同刺激效果的關系。
圖1為金屬絲刺激微電極簇的示意2為本發明結構示意3為電極基底三層結構的示意4為電極基底中間導電層排線的示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1、2、3、4所示，本實施例包括金屬絲刺激微電極1、金屬絲支撐微電極2、金屬絲刺激微電極簇3、金屬絲刺激微電極簇陣列4、微電極基底5，Q個金屬絲微電極1粘合在金屬絲支撐微電極2的外壁上組成金屬微電極簇3，微電極基底5是三層結構，m*n個金屬微電極簇3固定于微電極基底5上組成m*n的金屬絲刺激微電極簇陣列4，從微電極基底5中引出引線與外部設備相連。金屬絲微電極1和金屬絲支撐微電極2的材料是生物相容性好的金屬材料。m表示陣列的行數，n表示陣列的列數，Q表示每個金屬絲微支撐電極上金屬絲微刺激電極的數目。
工作時，體外設備將設置的電信號，通過導線傳送到體內植入部分，將電脈沖經金屬絲刺激微電極1刺激電極尖端附近的神經系統，即金屬絲刺激微電極1是體內植入部分與人體神經組織的接口。由于本實施例的金屬絲微刺激電極1長度不同設計，可以對不同深度的神經進行刺激，可以彌補手術技術精度上的缺陷，并且本實施例的高密度刺激位點，提高了刺激效率，是以往技術不能比擬的優勢。
所述的生物相容性好的金屬材料是指鎢絲、金絲、鉑銥合金絲的其中一種。
所述的金屬絲刺激微電極1和金屬絲支撐微電極2的桿部經過絕緣處理，尖端暴露的電極。
所述的對金屬絲刺激微電極1和金屬絲支撐微電極2進行絕緣的材料是C型聚對二甲苯。
所述的對金屬絲刺激微電極1和金屬絲支撐微電極2的尖端采用強激光暴露。
所述的金屬絲刺激微電極1的直徑為10-20μm。
所述的金屬絲刺激微電極1的尖端直徑約為1μm。
所述的金屬絲支撐微電極2的直徑為50-80μm。
所述的金屬絲刺激微電極1的長度范圍為1＝300-1000μm。
所述的金屬絲刺激微電極1的尖端直徑約為3μm。
所述的金屬絲支撐微電極2的長度為1.2mm。
所述的金屬絲刺激微電極簇3的總直徑為70-120μm。
所述的金屬絲刺激微電極簇3是Q個長度不同的金屬絲刺激微電極1按照一定長度分布的策略粘附在金屬絲支撐微電極2的外壁上。
所述的用于粘合金屬絲刺激微電極1與金屬絲支撐微電極2的粘接劑是氰基丙烯酸鹽粘合劑。
所述的金屬絲刺激微電極1的長度的分布策略是把金屬絲刺激微電極1的長度設為lp＝l1+(p-1)*Δl，共p個即金屬絲刺激微電極1的長度為從l1到lp，相鄰長度差為Δl。
所述的金屬絲刺激微電極簇陣列4的排列為設陣列為A＝{m*n}，A的元素li，jk是位于金屬絲刺激微電極陣列4的第i行，第j列金屬絲微電極簇3中的第k個金屬絲微刺激電極1的長度，li，j(k)＝l1+[(i-1)*m+(j-1)]*Δl+m*n*(k-1)*Δl(i＝1、2...m，j＝1、2…n，k＝1、2…Q)。l表示金屬絲微刺激電極的長度，A表示電極陣列(Array)，m表示陣列的行數，n表示陣列的列數，Q表示每個金屬絲微支撐電極上金屬絲微刺激電極的數目，p＝m*n*Q。
所述金屬絲刺激微電極簇陣列4的行間距為0.35-1.2mm，列間距為0.35-1.2mm。
所述的金屬絲刺激微電極簇陣列4上金屬絲微刺激電極簇3中的金屬絲微刺激電極1的直徑相同，但長度各不相同；金屬絲支撐微電極2的直徑和長度相同。
所述的三層電極基底5的構成是表層的硅橡膠層6，中間的導電層7，底層的硅橡膠層8。
所述的表層的硅橡膠層6厚度為0.5-1mm。
所述的中間的導電層7厚度為0.5-1mm。
所述的底層的硅橡膠層8厚度為1-2mm。
權利要求
1.一種可植入簇狀視覺神經刺激微電極陣列，包括金屬絲刺激微電極(1)、金屬絲支撐微電極(2)、金屬絲刺激微電極簇(3)、金屬絲刺激微電極簇陣列(4)、微電極基底(5)，其特征在于Q個金屬絲微電極(1)粘合在金屬絲支撐微電極(2)的外壁上組成金屬絲刺激微電極簇(3)，微電極基底(5)是三層結構，m*n個金屬絲微電極簇(3)固定于微電極基底(5)上組成m*n的金屬絲刺激微電極簇陣列(4)，從微電極基底(5)中引出引線與外部設備相連，金屬絲刺激微電極(1)和金屬絲微支撐微電極(2)的材料是生物相容性好的金屬材料，對金屬絲刺激微電極(1)和金屬絲支撐微電極(2)進行絕緣的材料是C型聚對二甲苯；其中，m表示陣列的行數，n表示陣列的列數，Q表示每個金屬絲微支撐電極上金屬絲微刺激電極的數目。
2.根據權利要求1所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的生物相容性好的金屬材料是指鎢絲、金絲和鉑銥合金絲的其中一種，金屬絲刺激微電極(1)和金屬絲支撐微電極(2)是桿部經過絕緣處理、尖端暴露的電極，對金屬絲刺激微電極(1)和金屬絲支撐微電極(2)的尖端采用強激光暴露。
3.根據權利要求1或2所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的金屬絲刺激微電極(1)的長度范圍為l＝300-1000μm，直徑為10-20μm，尖端直徑為1-3μm。
4.根據權利要求1或2所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的金屬絲支撐微電極(2)的長度為1.2mm，直徑為50-80μm，尖端直徑為1-3μm。
5.根據權利要求1所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的用于粘合金屬絲刺激微電極(1)與金屬絲支撐微電極(2)的粘接劑是氰基丙烯酸鹽粘合劑，金屬絲刺激微電極簇(3)的總直徑為70-120μm。
6.根據權利要求1所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，每個金屬絲刺激微電極簇(3)所包含的金屬絲刺激微電極(1)的數目Q為4或6或8或10，并且每個金屬絲刺激微電極(1)的長度不同。金屬絲刺激微電極(1)的長度設為lp＝l1+(p-1)*Δl，共p個即金屬絲刺激微電極(1)的長度為從l1到lp，相鄰長度差為Δl，l表示金屬絲微刺激電極的長度，A表示電極陣列，m表示陣列的行數，n表示陣列的列數，Q表示每個金屬絲微支撐電極上金屬絲微刺激電極的數目，p＝m*n*Q。
7.根據權利要求1所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的金屬絲刺激微電極簇陣列(4)的排列為設陣列為A＝{m*n}，金屬絲刺激微電極簇陣列(4)的行列數根據需要進行調整，即陣列A為m*n，m，n＝1、2、3、4…，A的元素li，j(k)是位于金屬絲刺激微電極陣列(4)的第i行，第j列金屬絲微電極簇3中的第k個金屬絲微刺激電極l的長度li，j(k)＝l1+[(i-1)*m+(j-1)]*Δl+m*n*(k-1)*Δl，i＝1、2…m，j＝1、2…n，k＝1、2…Q。
8.根據權利要求1或者7所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的m*n金屬絲刺激微電極簇陣列(4)上金屬絲微刺激電極簇(3)中的金屬絲微刺激電極(1)的直徑相同，但長度各不相同；所述的金屬絲支撐微電極(2)的直徑和長度相同。
9.根據權利要求1或者7所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的m*n金屬絲刺激微電極簇陣列(4)的行間距為0.35-1.2mm，列間距為0.35-1.2mm。
10.根據權利要求1所述的可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，其特征是，所述的三層電極基底(5)的構成是表層的硅橡膠層(6)的厚度為0.5-1mm，中間的導電層(7)的厚度為0.5-1mm，底層的硅橡膠層(8)的厚度為1-2mm。
全文摘要
一種可植入人體神經系統的簇狀刺激微電極陣列，屬于醫療假體領域。本發明包括金屬絲刺激微電極、金屬絲支撐微電極、金屬絲刺激微電極簇、金屬絲刺激微電極簇陣列、微電極基底，Q個金屬絲刺激微電極粘合在金屬絲支撐微電極的外壁上組成金屬絲刺激微電極簇，微電極基底是三層結構，m*n個金屬絲刺激微電極簇固定于微電極基底上組成金屬絲刺激微電極簇陣列，從微電極基底中引出引線與外部設備相連。金屬絲刺激微電極和金屬絲微支撐微電極的材料是生物相容性好的金屬材料。本發明能夠根據人體神經系統部位的解剖學和形態學的特點，在有限空間內能更有效地刺激神經系統。
文檔編號A61F9/007GK1973918SQ20061011838
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月16日 優先權日2006年11月16日
發明者任秋實, 吳開杰, 柴新禹, 李瑩輝 申請人:上海交通大學