腦深部電刺激中的平面線(xiàn)圈信號耦合技術(shù)

　　帕金森病(Parkinson’s Disease，PD)是一種常見(jiàn)的中老年神經(jīng)系統變性疾病，病變發(fā)生在中腦部位，該處有一群黑質(zhì)神經(jīng)元，可以合成一種叫做“多巴胺”的神經(jīng)遞質(zhì)，投射到大腦中的某些區域，對運動(dòng)功能進(jìn)行調節[1]。如果這些黑質(zhì)神經(jīng)元變性死亡80%以上，大腦內的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺不能再調節神經(jīng)系統正常功能，就會(huì )出現帕金森病的癥狀。在我國，55歲以上老年人中約有170多萬(wàn)帕金森病患者，患病率與歐美國家接近。

　　現階段除了藥物治療以外，外科手術(shù)治療也可以起到很好的療效，常用方法有：腦細胞移植術(shù)、毀損術(shù)以及腦深度電刺激技術(shù)(Deep Brain Stimulation, DBS)即腦起搏器。腦細胞移植術(shù)和基因治療雖然已經(jīng)在動(dòng)物實(shí)驗上取得了很大成功，但由于臨床缺乏理想的移植組織[3]，目前仍停留在實(shí)驗室階段，不宜普遍采用。毀損術(shù)是利用電燒灼法破壞腦內功能異常興奮核團，雖然效果已經(jīng)被公認，但作為一種具有破壞性的手術(shù)，并發(fā)癥較高、易復發(fā)，而且對患者的年齡、適應癥等要求也較高，存在明顯不足之處[4]。腦深度電刺激技術(shù)[5]是利用腦立體定向手術(shù)在腦內某一特殊的位置植入電極，通過(guò)高頻電刺激抑止異常電活動(dòng)的神經(jīng)元，從而起到治療的效果。該技術(shù)最大的特點(diǎn)是療效確切、安全、可通過(guò)術(shù)后調整控制到最佳狀態(tài)，副作用小，不破壞腦組織，不影響今后其他新方法的治療。因此，目前DBS技術(shù)已經(jīng)基本取代了毀損術(shù)成為帕金森病外科治療的首選。

　　臨床應用的腦起搏器主要包括四部分[6]，植入患者體內的部分有：神經(jīng)刺激器、腦起搏器導線(xiàn)、延長(cháng)線(xiàn)，體外部分為控制磁鐵。神經(jīng)刺激器包括一個(gè)電池和一組微電路系統，植入鎖骨附近皮下，可經(jīng)延長(cháng)線(xiàn)將產(chǎn)生的電信號傳導至腦內深層的目標部位。每一條腦起搏器導線(xiàn)都包括4條薄絕緣線(xiàn)圈及尖端的4個(gè)1.5mm電極，導線(xiàn)利用一個(gè)電極或多電極組合來(lái)傳遞刺激。延長(cháng)線(xiàn)植于皮下，通過(guò)頭、頸、肩的絕緣線(xiàn)，用以連接導線(xiàn)與植入的神經(jīng)刺激器?？刂拼盆F為患者操控部分，患者可將控制磁鐵置于神經(jīng)刺激器上方以控制刺激器的開(kāi)關(guān)。這種腦起搏器的缺點(diǎn)是脈沖發(fā)生器的電池一般只能維持5～8年，電池用盡后需要更換鎖骨皮下的脈沖發(fā)生器，而且，體內多處植入異物容易引起皮膚潰爛。目前只有美國的美敦力公司(Medtronic Inc.)生產(chǎn)的腦起搏器(Activa Therapy)獲得了美國食品藥品管理局(FDA)的認可通過(guò)[6]，因此美敦力公司占據著(zhù)臨床所需腦起搏器的壟斷地位，對于中國的患者來(lái)說(shuō)價(jià)格昂貴。鑒于此，對腦深度電刺激系統的自主研發(fā)和進(jìn)一步改善就顯得尤為重要。

　　本文討論一種新型腦起搏器——外置式腦起搏器，這種腦起搏器在傳統腦起搏器的基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，將信號發(fā)生裝置、控制裝置以及電源全部移至體外，顱內只留下刺激電極。這種設計的優(yōu)點(diǎn)是避免了鎖骨下方的創(chuàng )口，同時(shí)避免了大量的導線(xiàn)在體內通過(guò)，減少了感染的危險，最大程度減少了病人的痛苦。體外脈沖發(fā)生器的隨意更換使患者不再受電池電量的制約，使用起來(lái)更加方便、輕松。

　　系統設計

　　外置式腦起搏器利用線(xiàn)圈可以耦合交流信號的特性來(lái)傳遞刺激信號。系統分為兩部分，分別位于人腦頭頂頭皮的兩側，體外部分包括信號發(fā)生器、控制器、電源和顯示裝置，體內部分主要為刺激器，系統框圖見(jiàn)圖1。兩個(gè)相對獨立的部分由一對線(xiàn)圈連接起來(lái)，將刺激信號由體外耦合至體內的刺激器。外置式腦起搏器在給患者帶來(lái)使用上方便的同時(shí)，也給設計帶來(lái)了一定的挑戰。由于信號是經(jīng)過(guò)頭皮傳輸過(guò)去的，所以要保證顱內接受到的脈沖信號的波形和功率能夠達到治療的要求。

　　腦內線(xiàn)圈(次級線(xiàn)圈)與腦外線(xiàn)圈(初級線(xiàn)圈)

　　次級線(xiàn)圈為需要和刺激電極相連的線(xiàn)圈，由于次級線(xiàn)圈要植入人腦內，所以需采用特殊形狀線(xiàn)圈以節省空間，希望線(xiàn)圈越小越薄越理想。本文設計的為一平面圓盤(pán)形線(xiàn)圈，理論上使線(xiàn)圈繞制成單層，猶如蚊香的形狀，但考慮到實(shí)際繞制時(shí)的技術(shù)原因，將線(xiàn)圈分為了10層平面圓盤(pán)，每層100匝。選用線(xiàn)徑為0.06mm的漆包線(xiàn)，所以整個(gè)線(xiàn)圈厚度也只有0.6mm，外徑d1=30mm，內徑d2=18mm。