[发明专利]基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置

说明书

本发明公开了一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，包括MCU微控制器、DAC转换电路、可编程数字电位器电路、压控恒流源电路、单极性转双极性H桥电路和上位机。所述的上位机使用异步串口通信技术，给MCU微控制器发送指令，调节输出脉冲波形的频率、脉宽、幅度及定向电流系数参数。应用到视皮层神经电刺激修复中，解决现有仅通过提高微刺激电极阵列的密度而无法满足视皮层光幻视高分辨率的问题。在微电极的物理尺寸和数目不变的基础上，通过调整相邻两个微电极上的刺激信号的强度、脉宽及相位，在相邻微电极间建立电场强度峰值，建立电刺激的虚拟通道，达到类似插入一个更小电极的刺激效果，实现更高选择性的电刺激模式。

技术领域

本发明涉及一种视皮层神经电刺激系统，尤其是一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置。

背景技术

视觉假体的价值：世界卫生组织2014年最新统计全世界视盲患者迄今为止已经超过3900万，而且主要集中在发展中国家，给人民生活和社会带来了巨大的经济负担。其中，外层视网膜疾病例如视网膜色素变性、老年黄斑病变导致视网膜感光器的功能逐渐丧失，最终致盲。目前，基于电刺激视觉传递通路的视觉神经假体在视觉感受重建领域是一种具有巨大潜力的工程技术方法。

视皮层神经电刺激修复的独特价值：视觉重建大致可分为视网膜、视神经和视皮层三个层次，虽然前两者已进入临床试验阶段，然而视网膜发生病变最终会引起视神经不同程度的损害，故视皮层的视觉重建是视觉功能重建的一个重要研究方向；视皮层视觉假体的基本原理是通过施加刺激电流于视觉皮层来诱发视盲患者光幻视以形成视觉感受，并且早在1968年已被临床试验证实了该方法的安全性和有效性。

视皮层假体的研究现状：最早的视皮层刺激可以追溯到20世纪60-70年代，Brindley和Dobelle的研究验证了电刺激视皮层能诱发出持续的光幻视，但其刺激模式和空间分辨率都难以达到实际要求。近年来，微加工技术和电子技术的发展推动了皮层视觉重建技术的快速发展。Schmidt等1996年在一位视盲患者的临床植入实验证实刺激参数能影响光幻视的亮度和尺寸，而且电极间距500μm时能诱发出离散的光幻视。2000年Dobelle临床实验中视敏度能达到20/120。2002年，Halgren采用脑磁描记方法研究光幻觉的形状。目前最成功的视皮层刺入式微电极是犹他大学的Normann等研制的，直达视皮层第IV层神经元，所需刺激电流为μA级，而且电极间隔仅400μm，能在猫初级视皮层中观察到电刺激诱发的视皮层功能重建，并记录分析猫视皮层上SPIKE相关性的空间分布。欧洲有CORTIVIS项目研制基于视皮层微电极刺激的视觉功能重建系统。西班牙、澳大利亚研制了表面柔性微电极技术以降低对视皮层的损伤。国内也围绕柔性微电极、视皮层电刺激方面开展了相关研究。

存在的问题：视觉功能修复的质量受到光幻视有限分辨率的直接影响。然而，目前视觉假体引起盲人被试的光幻视的分辨率是比较低的，无法满足正常生活的需求。最初研究者通过提高微电极阵列的密度，来提高光幻视的分辨率。但是，随着项目的推进，研究者发现，一方面，有限的微电极制造工艺限制了微电极的尺寸和间距不可能无限小；另一方面，安全范围内的最大电荷安全密度制约了电极的最小尺寸，直径<100μm的电极易被人体内环境腐蚀；当电极尺寸和电极间距减小后，多通道刺激信号间的串扰会增强。这些情况导致无法单纯通过提高微刺激电极阵列的密度而来满足视皮层光幻视高分辨率的需求。因此，探索具有更高选择性的电刺激模式是视皮层视觉假体需要突破的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是解决现有仅通过提高微刺激电极阵列的密度而无法满足视皮层光幻视高分辨率的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，提供一种基于定向电流技术的多通道视皮层神经电刺激系统装置，包括MCU微控制器、DAC转换电路、可编程数字电位器、压控恒流源电路、单极性转双极性H桥电路及上位机。