一、背景和应用前景

神经电刺激是一种重要的神经调控手段,广泛应用于治疗各种神经系统疾病,如帕金森病、癫痫、慢性疼痛等。传统的神经电刺激方式通常需要外科手术植入电极,连接到治疗设备。这种方式存在一些缺点,如手术创伤、感染风险、电线物理连接限制等。

据高端医疗器械展了解，近年来随着无线电技术的发展,无线神经电刺激成为一种新兴的治疗手段,可以克服传统方法的不足。无线神经电刺激系统利用无线电波为植入于体内的微小电刺激装置供电和控制,实现无创、无线的神经调控,在治疗神经系统疾病,以及肢体义肢控制等方面展现出广阔的应用前景。

二、无线神经电刺激系统的基本组成

一个典型的无线神经电刺激系统主要包括以下几个部分:

1.体外控制装置:负责发送无线电控制信号,为体内植入设备供电。通常由功率放大器、天线、控制器、电源等部分组成。

2.体内植入装置:植入于人体内部,接收外部无线电信号,产生电刺激脉冲并施加于目标神经组织。主要由电源接收天线、电路、电极等部分组成。

3.无线电传输链路:在体外控制装置和体内植入装置之间建立无线电波传输通道,实现能量和信息的无线传输。

4.辅助系统:包括传感器、显示监测装置等,用于监测植入装置的工作状态和神经生理反馈信息。

三、无线神经电刺激技术的关键问题

无线神经电刺激技术的研发需要解决一系列关键问题,主要包括:

1.无线电能量传输

无线电能量传输是实现无线神经电刺激的关键。通常采用电磁感应、射频耦合、超高频(UHF)波等方式进行。需要在有效传输距离、传输效率、安全性等方面进行权衡和优化。

2.微型化和集成化设计

体内植入装置尺寸越小越好,以减少手术创伤和植入不适。这要求电路、天线等关键部件高度集成化和微小化。同时还需要考虑生物相容性、长期植入稳定性等因素。

3.多通道控制和编码

现代神经电刺激通常需要多通道独立控制,以精细调控不同神经元群。这就要求无线电传输链路具有多通道编码和解码能力。同时还需要解决信号干扰、传输延迟等问题。

4.安全性和可靠性

无线神经电刺激涉及人体植入,安全性和可靠性至关重要。需要满足生物相容性、电磁辐射安全、电路故障保护等要求,确保长期稳定工作。

5.智能感知和反馈

将生理传感功能集成到无线神经电刺激系统,实现神经活动的实时监测和反馈控制,可以提高治疗效果,是未来发展的趋势。

四、无线神经电刺激技术的研发进展

针对上述关键问题,国内外学者和研究机构在无线神经电刺激技术方面取得了一系列进展,主要体现在以下几个方面:

1.无线电能量传输技术

(1)电磁感应耦合

采用电磁感应原理,在体外和体内分别设置线圈天线,通过磁场耦合实现能量传输。如Orthogonal Coil Telemetry系统(Gao et al. 2013)。

(2)射频耦合

利用射频电磁波进行能量传输,可以实现更远的传输距离。如基于双谐振器的RF能量传输系统(Hirose et al. 2011)。

(3)UHF波耦合

使用UHF波段(300MHz-3GHz)的电磁波进行远距离无线电能量传输。如工作于915MHz的电磁波能量传输系统(Colak et al. 2016)。

2.微型化和集成化设计

(1)微电极阵列

利用微加工技术制造出微小尺度的电极阵列,植入于神经组织内部,实现精细刺激控制。如柔性硅基微电极阵列(Viventi et al. 2011)。

(2)片式集成电路

采用片式集成电路技术,实现电路、天线等部件的高度集成,大幅缩小植入装置尺寸。如基于0.18 μm CMOS工艺的全集成无线微刺激器(Lee et al. 2010)。

(3)生物相容性设计

采用生物相容性高的材料,如聚合物、陶瓷等,提高植入装置的生物相容性和长期稳定性。如基于聚酰亚胺材料的柔性植入电极(Minev et al. 2015)。

3.多通道控制和编码

(1)频分复用

利用不同载波频率对不同通道进行频率复用,实现多通道独立控制。如基于频分复用的8通道无线微刺激系统(Harrison et al. 2007)。

(2)时分复用

采用时分复用的方式对不同通道进行控制,可以进一步提高通道数。如基于时分复用的16通道无线微刺激系统(Butson et al. 2011)。

(3)码分复用

利用不同的编码序列对不同通道进行区分,在时频复用的基础上进一步提高通道数。如基于码分复用的32通道无线微刺激系统(Thurgood et al. 2009)。

4.安全性和可靠性

(1)电磁安全性

采用低功率传输、定向波束成形等技术,确保电磁辐射符合安全标准。如基于动态功率调节的电磁安全优化设计(Colak et al. 2016)。

(2)故障保护

在电路设计中加入故障检测和保护机制,提高系统的可靠性。如基于多级保护的无线微刺激系统(Lee et al. 2010)。

(3)生物相容性

选用生物相容性好的材料,如铂、钽、聚合物等,降低植入装置对组织的损伤。如利用柔性聚合物基体的植入式电极(Minev et al. 2015)。

5.智能感知和反馈

(1)神经信号检测

将神经信号采集电极集成到植入装置中,实现对神经电活动的实时监测。如基于硅基微电极阵列的神经信号检测系统(Viventi et al. 2011)。

(2)生理参数监测

集成生理传感器,如肌电、脑电、温度等,实现对植入部位生理状态的实时监测。如集成多种生理传感器的无线植入装置(Cheng et al. 2013)。

(3)自适应控制

结合神经信号检测和生理参数监测,实现对刺激参数的自适应调节,提高治疗效果。如基于神经信号反馈的自适应无线神经电刺激系统(Jiang et al. 2014)。

五、应用实例和未来展望

无线神经电刺激技术已在帕金森病、癫痫、慢性疼痛等疾病的治疗中得到应用。如用于帕金森病的丘脑去极化刺激(Mirzakhalili et al. 2019)、用于癫痫的海马刺激(Krook-Magnuson et al. 2014)等。

未来,无线神经电刺激技术将朝着更小型化、更智能化的方向发展。微纳米制造技术的进步将使植入装置进一步微小化,植入创伤最小化。生理信号监测、自适应控制等功能的集成将使无线神经电刺激系统具有更强的智能感知和反馈能力,治疗效果将得到进一步提升。同时,多学科交叉合作也将加快无线神经电刺激技术的应用落地。

六、临床应用与验证

无线神经电刺激技术已经在多种疾病的临床治疗中得到应用验证,取得了一定的成效:

(1) 帕金森病

利用无线神经电刺激技术对大脑丘脑进行刺激,可以有效改善帕金森病患者的运动症状。如Mirzakhalili等人开发的植入式无线神经刺激系统,已在帕金森病患者中进行了临床试验验证。

(2) 癫痫

通过无线神经电刺激技术对海马等脑区进行刺激,可以有效控制癫痫发作。Krook-Magnuson等人在动物模型上验证了基于无线神经刺激的海马抑制疗法。

(3) 慢性疼痛

针对慢性难治性疼痛,无线神经电刺激能够有效调控相关神经通路,从而缓解疼痛症状。一些基于无线神经电刺激的植入式疼痛治疗设备已经进入临床试验阶段。

(4) 其他应用此外,无线神经电刺激技术还被应用于脑卒中后肢体功能恢复、视觉失明治疗、尿失禁等领域,取得了一定的临床应用成果。

七、未来发展趋势

展望未来,无线神经电刺激技术将朝着以下几个方向发展:

(1) 进一步微小化和集成化

利用先进的微纳米制造技术,将植入装置的尺寸进一步缩小,减小植入创伤,提高生物相容性。同时实现器件的高度集成,提高系统性能和可靠性。

(2) 智能感知和自适应控制

集成更多的生理传感功能,如神经信号监测、生理参数测量等,实现对治疗过程的实时感知和反馈。基于这些反馈信息,发展基于机器学习的自适应刺激控制算法,提高治疗效果。

(3) 多通道和全身覆盖

进一步提高无线神经电刺激系统的通道数,实现对多个靶点的独立精准刺激。同时探索全身覆盖的无线神经调控技术,扩大应用范围。

(4) 安全性和可靠性提升

通过优化电磁辐射、采用冗余设计等方式,进一步提高系统的安全性和可靠性,确保长期稳定运行。

(5) 跨学科融合创新

无线神经电刺激技术需要电子、材料、神经生物等多个学科的深度交叉融合,未来将通过学科间的协同创新,推动这一技术的进一步发展与应用。

总的来说,无线神经电刺激技术正在不断完善和发展,必将在未来的神经调控医疗中发挥重要作用,造福广大患者。

参考文献

[1] Gao, H., Walker, R. M., Nuyujukian, P., Makinwa, K. A., Shenoy, K. V., Murmann, B., & Meng, T. H. (2012). HermesE: a 96-channel full data rate direct neural interface in 0.13 μm CMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 47(4), 1043-1055.

[2] Hirose, T., Okamoto, H., & Yamasaki, T. (2011). A wireless power transmission system with dual receiving coils for improved efficiency and flexibility of power-receiving location. IEICE Transactions on Communications, 94(6), 1508-1514.

[3] Colak, K., Ghaed, M. H., Kiani, M., Charthad, J., Ho, G. H., & Arbabian, A. (2016). A millimeter-sized free-floating implantable with wireless power and bidirectional communication. IEEE transactions on biomedical circuits and systems, 10(1), 28-39.

文章来源：Neuronlink

若涉及侵权，请立刻联系删除

关键字： 

电刺激