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用于电刺激神经结构的具有三维布局的植入物制作方法

  • 专利名称
    用于电刺激神经结构的具有三维布局的植入物制作方法
  • 发明者
    亨里·洛拉奇, 米兰·德吉拉斯, 布莱塞·伊弗特, 菲利普·伯贡佐, 加埃莱·利索尔久埃斯, 利奥内尔·卢梭, 尔亚德·本杰明·贝诺斯梅恩, 瑟吉·皮科德, 乔塞·萨黑尔, 西奥霍伊·伊恩格
  • 公开日
    2013年5月22日
  • 申请日期
    2011年4月29日
  • 优先权日
    2010年4月30日
  • 申请人
    皮埃尔和玛利居里大学(巴黎第六大学)
  • 文档编号
    A61N1/05GK103118739SQ201180029972
  • 关键字
  • 权利要求
    1.适用于神经结构的电刺激的植入物,包括 -电绝缘基底⑴; -形成于所述基底上表面中的空腔(2)阵列; -刺激电极(3),各个刺激电极都设置在其中一个所述空腔的底部;以及 -导电层,所述导电层在所述空腔上部形成接地面(4)2.根据权利要求1所述的植入物,其特征在于,各个空腔(2)都具有向外展开的形状,所述向外展开的形状从所述空腔的底部向所述基底(I)上表面扩展3.根据上述权利要求中任一项所述的植入物,其特征在于,所述空腔(2)的深度大于15 μ m04.根据上述权利要求中任一项所述的植入物,其特征在于,所述空腔(2)的深度小于50 μ m05.根据上述权利要求中任一项所述的植入物,其特征在于,所述空腔(2)的深度介于25和35 μ m之间6.根据上述权利要求中任一项所述的植入物,其特征在于,各个刺激电极(3)在其各自相对应的空腔(2)底部表面上的尺寸小于60 μ m7.根据上述权利要求中任一项所述的植入物,其特征在于,各个空腔(2)都具有被刺激电极(3)部分覆盖的绝缘底部表面`8.根据权利要求1至6中任一项所述的植入物,其特征在于,各个刺激电极⑶都具有在其各自相对应的空腔(2)的底部表面上扩展的中央部分,以及与所述空腔的侧壁相交叠的外围部分⑶9.根据权利要求8所述的植入物,其特征在于,所述刺激电极(3)中央部分的尺寸小于40 μ m010.根据上述权利要求中任一项所述的植入物,其特征在于,对于网络的各个空腔(2),形成接地面的导电层(4)包括与所述空腔的侧壁交叠的部分(7)
  • 技术领域
    本发明涉及能适用于电刺激神经结构的植入物对于许多运动或感官残障及病变来说,已经提出了神经结构的电刺激并且甚至已得到临床验证它涉及,例如,用于治疗帕金森症的高频电刺激,用于治疗耳聋的内耳刺激,以及最近用于治疗失明的视觉皮层或视网膜刺激然而,可以设想到非常大量的应用,尤其是用于括约肌的控制,癫痫症和其他神经系统疾病的治疗为了实现此类刺激,需要放置植入物,以便与相关的神经结构相接触这种植入物具有电极,可以利用该电极来施加电势差或者注入电流,从而刺激神经细胞为了获得对目标结构的有效刺激,已经提出了许多种电极配置在所谓的单极配置中,电流在刺激电极和远程返回电极(在无限远距离处)之间流动此单极配置所提供的刺激的空间选择性较差然而,在很多应用中,电刺激的空间选择性是一项必需的特性例如,如果植入物具有并列的微观单位阵列以便彼此相互独立地进行电刺激,尤其是用于将清晰图像传递至视网膜或视觉皮层的神经元,那么重要的是在这些单位或像素的各个位置上提供定位良好的电刺激,并且在相邻像素间的漏电(串扰)要越小越好双极配置使用一对电极用于所要刺激的神经结构的各个区域,并由正的和负的电势进行激励与单极配置相比较,电刺激的定位得到改进,但仍旧难以很好地满足一些应用实际上,具有接地面的电极配置要优选于双极电极,因为返回电极对于植入物的所有单位都是共用的,因此系统的内部布线分成两部分在“Improved Focalization ofElectrical Microstimulation Using Microelectrode ArraysA Modeling Study,,(见PLoS ONE, www.plosone.0rg, Vol.4, n0.3, e4828, March 2009)文章中,S.Joucla 和B.Yvert示出用 一组件来改善微刺激的聚焦性,该组件的表面具有与刺激电极共面的接地面在“Migration of retinal cells through a perforated membraneimplications for a high-resolution prosthesis,,(见 InvestigativeOphthalmology&Visual Science, September 2004, Vol.45, n0.9, pages3266_3270)文章中,D.Palanker等研究鼠视网膜细胞穿过电惰性打孔薄膜的迁移能力,并设想具有从薄膜突出的电极的三维配置的植入物然而,这种植入物在实践中很难制造通常,需要产生能够起到刺激作用而不损伤组织的定位刺激临床研究已经示出,有可能在目标神经元中获得响应的电流强度会超过组织的安全阈值此外,诸如视觉的应用需要在植入物总体大小保持不变的情况下增加电极的数量,从而提高它们的空间分辨率因此,需要设计既有可能提高刺激的聚焦性,又能限制所产生的电流幅度的电极结构提出了一种适用于神经结构的电刺激的植入物,包括-电绝缘基底;-形成于基底上表面中的空腔阵列;-刺激电极,各个刺激电极都设置在其中一个空腔的底部;以及-导电层,该导电层在空腔上部形成接地面植入物的安装是通过将装有接地面的基底的上表面放置成与包括所要刺激的神经细胞的组织相接触来实现,该植入物可定位在或多或少的大体深度处,通常为几十微米(μ m)处具有接地面的植入物的三维配置使得有可能聚焦空腔内目标细胞的电刺激因而确保较高的空间选择性,使之有可能以减小的总电流来获得在目标区域中的给定程度的刺激,从而最小化对被治疗组织的损伤所获得的选择性的另一优点是,它既能增加植入物刺激单位的数量,同时又能根据应用需要相互彼此独立地控制这些刺激单位在植入物的一个实施例中,各个空腔都具有向外展开的形状,该形状从空腔的底部向基底上表面扩展这有利于细胞在空腔中的渗透和扩散空腔的深度可选择作为目标细胞期望定位在所要刺激组织中的深度的函数通常,神经胶质细胞层生长在组织和电极间的界面上,并且希望刺激位于该层后方的神经元模拟已经示出,对于典型应用来说,深度大于15 μ m的空腔或井有可能在目标区域上获得良好的电刺激聚焦性具有过深深度的空腔也不是想要的,特别是当它们的侧壁倾斜时,因为这限制了基底上空腔的密度尤其是有可能维持小于50 μ m的空腔深度对于选择性和空腔尺寸之间的折衷来说,最佳的空腔深度介于25和35 μ m之间为了限制空腔的大小,各个刺激电极,在其相应空腔底部表面上,具有小于60 μ m的尺寸调整其它参数,可以优化植入物的性能在一种配置下,各个空腔都具有被刺激电极部分覆盖的绝缘底部表面从而,可能提升相对接近所要治疗组织表面的细胞的刺激在另一种配置下,各个刺激电极都具有在其相应空腔底部表面上扩展的中央部分,以及与所述空腔的侧壁交叠的外围部分有利的是,刺激电极中央部分的尺寸(直径或一侧)小于40 μ m,使得能够最大化电刺激聚焦性另一种可能性是调整形成接地面的导电层形状尤其是,对于阵列的各个空腔来说,可能将导电层形状设置为包括与所述空腔的侧壁交叠的部分通过对非限制性实施例的下述说明并参考附图,本发明的其它特征和优点将显现,附图包括-
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专利名称:用于电刺激神经结构的具有三维布局的植入物的制作方法图1是根据本发明的植入物的一个示例的透视图;-图2是图1所示植入物的空腔的剖面图;-图3和图4是与图2相似涉及植入物空腔的其它可能实施例的视图;-图5和图6分别示出了以不同维度参数值,通过模拟根据图3和4所示空腔的行为所获得的结果的图形;以及-图7和图8示出了一些参数的干扰对图5和图6所示模拟结果的影响。图1和图2示出根据本发明的植入物的示例性实施例。它包括电绝缘基底1,电绝缘基底的上表面具有空腔2阵列。刺激电极3位于各个空腔2的底 部。在图1和图2所示的示例中,导电层形成不同空腔所共用的返回电极4或者接地面,它基本覆盖空腔2外部基底I的整个上表面。在该导电层4和刺激电极3之间,空腔2具有不含导电材料的侧壁5。在刺激电极3和接地面4之间施加电势差或注入电流,导致电流在位于空腔2内部的介质中传输。空腔2和电极3、4的大小可以调整,从而通过最小化电流在周围介质中的传输,将电场或电流密度聚焦在空腔2中。在图1和图2所示的示例中,空腔2具有被切去顶端的常规倒棱锥形。各个空腔2因此具有平行于基底I上表面的平坦底部。在此示例中,该平坦底部整体被刺激电极3覆 也可设想通过修改初始结构的设计而具有不同形状和轮廓的空腔,例如圆形、三角形、六边形、八边形等。图3和图4示出了其它电极配置,其中空腔的常规几何结构保持与图1和图2的结构相似。 在图3所示的情况下,刺激电极3没有覆盖空腔2的整个底部。它被刺激电极3的边缘和空腔的侧壁5之间的绝缘边沿6环绕。空腔对称轴A和刺激电极3的边缘之间的距离标注为P1,以及刺激电极3的边缘和空腔2的侧壁5之间的距离标注为p2。因此,刺激电极3沿着平行于基底I的平面中的两个垂直方向的大小为2XPl,并且被宽度为P2的绝缘环6环绕。接地面4的导电层部分沿着基底I上表面的平面延伸,在各个空腔周围交叠于宽度P5并与各个空腔的侧壁5交叠,在各个壁5的上部形成宽度为P4的导电带7。空腔2的侧壁5的绝缘部分的宽度,介于导电带7的下端和空腔2的底部之间,标注为P30在图4所示的情况下,所示接地面4具有上述尺寸参数p4和p5,如同图3的情况一样。然而,刺激电极3覆盖空腔2的整个底部,尺寸为2XPl,并且在外围部分中与空腔2的侧壁5交叠。在这种情况下,此外围部分8沿着壁5具有标注为p2的宽度。其次,空腔2的侧壁5的绝缘部分的宽度p3在导电带7的下端和刺激电极3的外围部分8的上端之间进行测量。图1和图2所阐明的示例是图3和图4所示的一种限制情况,其中p2 = P4 = O。植入物意欲应用于活的有机体内并靠着神经组织,使其接地面4所覆盖的上表面面对该组织。空腔2具有向外展开的形状,该形状从空腔的底部向基底I上表面扩展,这一事实有利于神经细胞渗入这些空腔中。作为示例,横向限定空腔2的侧壁5与基底I上表面的平面形成125.3°的角度。换句话说,空腔2的侧壁5的倾斜度为54.7°,这相应于在晶向(100)的晶体硅表面中的优选蚀刻角度。已经对具有根据图3和图4所示剖面的空腔进行了模拟,并认为空腔2的形状具有关于它们的轴A的轴对称性。模拟所使用的物理模型是使用直流导电介质的具有轴对称性的二维模型,且由麦克斯韦方程定义:J=0.EVJ = QQ = -V ( σ.V V),其中:J是电流密度向量,E是电场向量,σ是介质的导电率,Q是电荷以及V是电势。在这些模拟中,下述边界条件受材料和刺激的特性影响。对于形成刺激电极3的各部分(如剖面图所示),电流流向内部,具有对应于电流强度为10 μ A的电流密度,其中该电流密度为该电流强度除以刺激电极的总面积。为了不过高估计选择性,返回电极(或接地面)不能作为理想接地面进行模拟,而能以位于零电势的分布式电阻(导电率为338S/m)进行模拟。除了这些导电部分外,该模型的其它部分都限定为电绝缘体。在矩形域D= [O,O] X [300 μ m,600 μ m]中计算电流密度分布。此域中的电阻率设置为50 Ω.m(退化视网膜中的残余层的电阻率的近似数值,这时感光体不再起作用)。优化电极的几何结构,从而获得该模型的最佳参数,以提供最好的刺激选择性。如果它的参数集在定义为矩形T =半宽(half-width) [O至20 μ m] X空腔中的高度[20 μ m至40μπι]的目标区域中产生最强的电流汇聚,则认为这一电极的几何结构是最优的。考虑到电极和视网膜组织之间的显微组织的薄绝缘层,选择此目标区域的尺寸大致对应于功能目标细胞的位置。在这些模拟中,通过目标区域中电流密度分布的面积分除以此目标区域外电流密度分布的面积分,来量化选择性。出于比较的目的,在平面结构的情况下(相似于图3的配置,但P3 = P4 = O)同样进行优化。表I中示出参数的范围以及在优化中使用的迭代之间的参数增量步长,其中与水平部分(在图3所示的情况下为Ρ1、Ρ2和P5以及在图4所示的情况下为P1和ρ5)相关的数值表示该部分的长度,而与倾斜部分(在图3所示的情况下为P3和P4以及在图4所示的情况下为&、?3和?4)相关的数值表示它们沿着轴A所投射的长度。在下述附加约束的情况下进行优化:(1)对应于有源电极表面的制造掩模的开口必须相互间隔至少5μπι以及(2)空腔深度不超过50 μ m。本发明涉及一种适用于电刺激神经结构特别是视网膜的植入物,它包括电绝缘基底(1),形成于基底上表面中的凹陷(2)阵列,设置在凹陷底部的刺激电极(3),以及形成在凹陷上部的接地面(4)的导电层。植入物的凹陷和电极的大小达到使得施加至神经结构的刺激电流的空间选择性最大化的程度。

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