[发明专利]用于神经假体的安全的直流激励器的人工控制和微型化

说明书

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。