[实用新型]基于光电神经调控技术的脊髓损伤修复装置

说明书

提供了基于光电神经调控技术的脊髓损伤修复装置。所提供的基于光电神经调控技术的脊髓损伤修复及功能重塑装置，其特征在于，包括神经信号检测模块，神经信号处理模块和神经刺激模块；神经信号检测模块耦合检测电极，通过检测电极从受损脊髓的近脑端神经采集神经信号；神经信号采集模块的输出端耦合神经信号处理模块；神经信号处理模块将神经信号采集模块的输出转化成光电刺激控制信号；神经信号处理模块的输出端耦合神经刺激模块；神经刺激模块产生携带了原始神经信号信息的光电刺激信号，并将光电刺激信号耦合到刺激电极。

技术领域

本申请设计了一种基于植入式芯片和光电神经调控技术的多通道脊髓损伤修复及功能重塑装置，属于医疗器械领域，涉及神经电子学、生物医学、信号采集与处理以及电子设计等多个学科领域。

背景技术

脊髓损伤是人类最具破坏性的外伤之一。由于事故造成的传导束中断是脊髓损伤后功能障碍的主要原因。脊髓传导束的中断就好比传导神经信号的“电缆”被切断，使损伤面以下仍存活的脊髓运动神经元得不到来自大脑的运动控制信号，感觉信息也不能上传到大脑，从而使病人的感觉、运动功能丧失，给病人带来沉痛的生活及心理障碍。轻者会导致感觉功能障碍，运动能力障碍，括约肌功能障碍，严重者甚至无法自主呼吸。

近几十年来，人们一直在探讨脊髓损伤后神经系统功能恢复的各种方法。生物学修复脊髓损伤的方法有两种：一种是采用细胞及组织移植方法，另一种是利用神经营养因子提供神经元轴突生长所需的营养，并且引导其生长的方向。但是对于大部分的神经功能恢复，生物学方法目前还无能为力。因此，利用电子技术与信息处理技术来恢复神经系统功能成为本申请的一个立足点。

现在基于微电子信息技术的脊髓损伤功能重塑的技术方案有两种，一种技术方案是通过神经信号检测电极，将神经信号经过简单的滤波、放大后直接将检测到的神经信号通过刺激电极输出，如中国专利“脊髓损伤用生物电信号传导装置”(申请号CN208286999)，该技术方案全部基于模拟信号，信号分析困难且刺激效率低下；另一种技术方案是采用在程序中预先设定的电刺激脉冲或激光刺激脉冲进行输出，如中国专利“一种骶神经电刺激系统”(申请号CN201910728695)，该技术方案没有充分利用神经信号中所携带的信息，所产生的刺激脉冲只能实现单调的肌肉刺激，无法反映大脑控制肌肉运动的强度。无论哪一种技术方案，功能重塑效果都不理想。

不同于以往技术方案，本申请一方面在神经信号检测模块和神经刺激模块之间使用高性能微处理器对检测到的神经信号进行实时的处理和分析，根据神经信号的时域信息、频域信息等产生相应的刺激脉冲控制信号，将神经信号中携带的控制信息(如强度、频率等)转化成光电刺激控制信号，以光电刺激的方式对肌肉进行刺激；另一方面，本申请采用光电神经调控技术，不仅可以提高刺激的空间分辨率，实现对神经的选择性刺激，同时还可以降低所需的电刺激能量和激光刺激能量，因而，能够减轻对神经的电损伤和光损伤，具有更好的生物相容性，并且能够更精确的实现脊髓损伤后的神经功能重塑。

实用新型内容

本申请的目的是实现受损脊髓的神经功能恢复，重建神经信号上下行通路。本申请的基本思想是：首先在受损脊髓的近脑端施加神经信号检测电极，将检测到的微弱神经信号送入一个高增益、低噪声的放大器，放大到一定电平后送入微处理器，进行神经信号的实时识别和提取，然后根据提取到的神经信号的时域信息、频域信息等产生相应的刺激脉冲控制信号，将神经信号中携带的控制信息(如强度、频率等)转化成光电刺激控制信号，进而控制电刺激信号发生器和激光刺激信号发生器产生相应的刺激信号，最后将刺激信号施加到刺激电极上，刺激相应的神经，从而将信号传递给脊髓运动神经元，示意图如图1所示，包括三大核心模块：神经信号检测模块、神经信号处理模块和神经刺激模块。

本申请能够根据采集到的神经信号进行实时的处理和分析，并根据提取到的神经信号的信息(如强度、频率等)产生相应的光电刺激信号，将神经信号的强度实时反映在刺激信号中，同时具有无线数据收发功能，系统整体设计如图2所示。下面分别对各个模块进行说明。

1.神经信号检测模块