阅读说明：本技术 一种基于mems技术的脑深部刺激电极 (Brain deep stimulation electrode based on MEMS technology ) 是由 程瑜华 兰舒 王高峰 李文钧 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于MEMS技术的脑深部刺激电极,其包括绝缘体内芯,以及包裹在绝缘体内芯上的柔性电极薄膜。柔性电极薄膜卷曲包裹在绝缘体内芯的侧面上,且两侧边缘对接在一起。柔性电极薄膜的内表面与绝缘体内芯粘接在一起。柔性电极薄膜包括绝缘外层,以及设置在绝缘外层上的金属触点和金属导线。金属导线设置在绝缘外层内表面。本发明通过MEMS技术制备出平面的柔性电极薄膜后,将其卷曲固定到绝缘体内芯上,从而通过平面制造技术加工出了,具有三维空间结构的脑部刺激到电极,大大降低了电极制造成本。此外,使用MEMS技术制备柔性电极薄膜,使得金属触点和金属导线之间实现一体化,二者的连接相较于传统工艺更加稳固。(The invention discloses a brain deep stimulation electrode based on an MEMS (micro-electromechanical systems) technology, which comprises an insulator inner core and a flexible electrode film wrapped on the insulator inner core. The flexible electrode film is coiled and wrapped on the side surface of the insulator inner core, and the two side edges are butted together. The inner surface of the flexible electrode film is bonded to the insulator core. The flexible electrode film comprises an insulating outer layer, and a metal contact and a metal lead which are arranged on the insulating outer layer. The metal wire is arranged on the inner surface of the insulating outer layer. After the planar flexible electrode film is prepared by the MEMS technology, the planar flexible electrode film is curled and fixed on the inner core of the insulator, so that the planar flexible electrode film is processed by the planar manufacturing technology, a brain with a three-dimensional space structure stimulates the electrode, and the manufacturing cost of the electrode is greatly reduced. In addition, the flexible electrode film is prepared by using the MEMS technology, so that the metal contact and the metal wire are integrated, and the connection between the metal contact and the metal wire is more stable compared with the traditional process.)

一种基于MEMS技术的脑深部刺激电极

技术领域

本发明属于植入式医疗器械和MEMS微机电系统领域，具体涉及一种基于MEMS技术的脑深部刺激电极。

背景技术

神经性疾病深刻影响着人类的健康与生活质量，造成巨大的社会经济负担。神经性疾病的传统治疗方法包括了早中期的药物治疗和晚期的手术治疗，病人需要常年甚至终生服药，这不仅给患者造成巨大的经济负担，而且药物治疗的效果会随着病人生理抗药性的不同程度增强而减弱。随着科学技术的发展，脑深部刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)疗法逐渐成为了重要的神经性疾病治疗手段。

DBS通过手术在大脑植入电极，这种侵入式疗法通过电极对脑深部的神经组织核团进行电刺激。植入手术使用精确的定位技术，使电极放置于刺激靶点，术后需要进行刺激参数和刺激模式的调整。现在主要应用的刺激电极是美国美敦力公司的电极，以3389型号为例，该电极共有四个金属圆柱形触点，每个触点都可以作为正极或者负极，实现单极至四极的刺激模式。DBS有利有弊，术后调整刺激参数和刺激模式就是为了尽可能地较小其弊端，DBS的副作用主要是因为刺激了非目标区域的神经核团，以刺激底丘脑核(SubthalamicNucleus,STN)治疗帕金森病为例，该神经核团直径为3～4mm的球状，且周围是控制人体其他功能的神经核团，对这些非目标区域的刺激会产生不可预知的副作用，例如皮质核(主要是皮质球状纤维)紧挨着STN的边界，对其误刺激可能导致言语功能的恶化。

手术的精确定位和术后调整刺激参数和刺激模式，就是为了找到刺激治疗的最佳平衡点，达到最好的治疗效果和最小的副作用。即使定位误差为零，但后期因为电极与组织的相对运动、磁共振偏差、病情变化等原因也会造成副作用的增加。通过调节刺激幅度、刺激脉宽、刺激频率这三个参数，可以从软件层面寻找治疗最佳平衡点。在硬件上，现有的刺激电极存在弊端，长条形绝缘体圆柱上排列着四个圆柱形金属触点，虽然有单极到四极的四种刺激模式，但是有着最小的刺激区域的单极模式也会对周围非目标神经核团进行刺激产生副作用，现有电极的刺激精度和灵活性不足，导致对病情的适应性不够从而加重副作用。

此外，现有的刺激电极，特别是具有三维立体刺激位点结构的刺激电极的制作工艺复杂，金属触点和金属导线之间的连接稳固性较差，各种不可预测的因素容易导致二者之间的连接处脱离。

发明内容

本发明的目的在于针对现有脑深部刺激电极的不足，设计一种基于MEMS技术的脑深部刺激电极。

本发明提供一种基于MEMS技术的脑深部刺激电极，其包括绝缘体内芯，以及包裹在绝缘体内芯上的柔性电极薄膜。柔性电极薄膜卷曲包裹在绝缘体内芯的侧面上，且两侧边缘对接在一起。柔性电极薄膜的内表面与绝缘体内芯粘接在一起。

所述的柔性电极薄膜包括绝缘外层，以及设置在绝缘外层上的金属触点和金属导线。金属导线设置在绝缘外层内表面。多组金属触点沿绝缘体内芯轴线方向依次间隔排列。一组金属触点包括沿绝缘体内芯轴线的周向均布的多个金属触点；金属触点呈圆弧形贴附在绝缘体内芯上。各金属触点分别通过相互独立的金属导线引出至绝缘体内芯的尾端端部位置。

该基于MEMS技术的脑深部刺激电极的制备方法如下：

步骤一、使用MEMS技术制作柔性电极薄膜，形成嵌有金属触点阵列的绝缘外层，及分别将各个金属触点单独引出至绝缘外层内表面的端部边缘处金属导线。

步骤二、将步骤一所得的柔性电极薄膜的内表面涂胶且卷曲包裹到绝缘体内芯的外侧面上，使得柔性电极薄膜的两侧边缘对接。柔性电极薄膜与绝缘体内芯粘接完成后，得到脑深部刺激电极。

作为优选，所述的金属触点展开后呈圆角矩形。

作为优选，在制备方法的步骤一中，只做完成的柔性电极薄膜上的各金属导线处于绝缘外层边缘的端部各自连接至对应的接线端子。

作为优选，所述的绝缘体内芯呈圆柱状，且头端设置有呈半球形的头部绝缘块。头部绝缘块伸出柔性电极薄膜的覆盖范围以外。

作为优选，一组金属触点均包括对中设置在沿绝缘体内芯两侧的两个金属触点。一个金属触点对应的圆心角为120°。

作为优选，任意两组相邻金属触点的间距相等。

作为优选，所述绝缘体内芯的材质为硅胶。绝缘外层的材质为聚一氯对二甲苯。金属触点的材质采用铂铱合金。

作为优选，各金属导线连接至神经刺激器的信号输出接口。

作为优选，该脑深部刺激电极的直径为1.27mm，单个金属触点的宽度为1.5mm，相邻两组金属触点的间距为1mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过MEMS技术制备出平面的柔性电极薄膜后，将其卷曲固定到绝缘体内芯上，从而通过平面制造技术加工出了，具有三维空间结构的脑部刺激到电极，大大降低了电极制造成本。此外，使用MEMS技术制备柔性电极薄膜，使得金属触点和金属导线之间实现一体化，二者的连接相较于传统工艺更加稳固。

2、本发明的金属触点呈阵列状均匀分布在圆柱形的电极外侧，对电极表面的利用率较高，能够在小尺寸电极上集成多个刺激点，进而实现更为灵活的电刺激。

3、本发明的电极金属触点为弯曲的圆角矩形，相比于常规的矩形电极尖角处的电荷密度，本发明圆角部的电荷密度较小，整个金属触点的电荷密度更加均匀，使得对脑部的刺激效果更加易于控制。此外，本发明提供的电极头端位置设置有呈半球形的头部绝缘块，能够减小手术植入时对脑组织的伤害。

4、本发明的刺激电极与刺激器相连通，刺激器通过对刺激电极的控制，进行刺激通道的切换选择与开关，实现刺激区域的位置和大小可进行更精确地调整，从而实现更精准更立体的刺激区域、更灵活多变的刺激模式组合。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的侧面示意图。

图3是本发明中柔性电极薄膜展开后的外表面示意图。

图4是本发明中柔性电极薄膜展开后的内表面示意图。

图5是本发明不同剖面的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。

如图1、2、3、4和5所示，一种基于MEMS技术的脑深部刺激电极，其外形整体呈圆柱状，具体包括绝缘体内芯1和包裹在绝缘体内芯1上的柔性电极薄膜。柔性电极薄膜展开情况下呈矩形，卷曲后两侧边缘对接在一起，呈现圆筒状。柔性电极薄膜的内表面与绝缘体内芯1的外侧面粘接在一起。绝缘体内芯1为柔性电极薄膜提供物理支撑。

柔性电极薄膜包括绝缘外层2、金属触点3和金属导线5。绝缘外层2呈圆筒状包裹在绝缘体内芯1的外侧。金属导线5设置在绝缘体内芯1与绝缘外层2之间。绝缘体内芯1的头端一体成型有呈半球形的头部绝缘块4。头部绝缘块伸出绝缘外层2外。绝缘外层2上设置有沿电极轴线方向依次间隔排列的多组金属触点3。一组金属触点3包括对称设置在电极轴线两侧的两个呈圆弧形的金属触点3。本实施例中，金属触点3有四组，合计八片，形成金属触点阵列。

一体成型的绝缘体内芯1和头部绝缘块4采用硅胶制成。绝缘外层2的材质为具有生物相容性的聚一氯对二甲苯。金属触点3的材质采用具有生物相容性、高耐蚀能力和低接触电阻的铂铱合金。该脑深部刺激电极的直径a为1.27mm，单个金属触点的宽度b为1.5mm，相邻两组金属触点的间距c为1mm；整个金属触点阵列总宽度d为9mm。

柔性电极薄膜分为内外两层，柔性电极薄膜的外表面展开平铺后的形态如图3所示，呈矩形，柔性电极展开后的宽度e为4mm(即该脑深部刺激电极的周长为4mm)。金属触点11展开后呈圆角矩形，其展开后的长度f为1.33mm。在该脑深部刺激电极植入人体大脑后，柔性电极薄膜的外表面直接与大脑组织接触。

柔性电极薄膜的内表面展开平铺后的形态如图4所示，金属触点贯穿绝缘外层2；金属导线513位于绝缘外层的内表面上。每个金属触点15通过独立的金属导线513从绝缘体内芯1的尾端引出，并连接至神经刺激器。各金属导线513通过绝缘外层2隔离开。绝缘外层2实现了金属导线513与大脑组织的隔离；金属触点18与大脑组织接触，实现刺激功能。

该基于MEMS技术的脑深部刺激电极的制备方法如下：

步骤一、使用MEMS技术制作柔性电极薄膜，形成嵌有金属触点阵列的绝缘外层2，及分别将各个金属触点单独引出至绝缘外层2内表面的端部边缘处金属导线5。各金属导线5处于绝缘外层2边缘的端部各自连接至对应的接线端子。由于薄膜沉积工艺可在常温下进行，具有相对简单的加工工艺，故柔性电极薄膜的制备过程十分便捷。

步骤二、将步骤一所得的柔性电极薄膜的内表面涂胶且卷曲包裹到绝缘体内芯1的外侧面上，使得柔性电极薄膜的两侧边缘对接，形成圆筒状。柔性电极薄膜与绝缘体内芯1粘接完成后，即获得脑深部刺激电极。绝缘体内芯1提前使用具有生物相容性的硅胶制作得到。

在使用时，将该脑深部刺激电极上带有金属触点阵列的部分植入大脑中需要电刺激的位置；并将该脑深部刺激电极尾端的接线端子引出至神经刺激器。可见，本发明能够用于治疗神经性疾病的脑深部刺激疗法，需要手术植入大脑，使整个刺激电极前端的金属触点阵列直接接触相关疾病的神经核团，对该核团进行电流刺激。在手术植入的时候，利用立体定向技术，进行刺激电极金属触点阵列的精确放置。通过刺激器的控制程序，可以根据患者的反应情况调节刺激通道，选择最佳的刺激组合模式，达到最优治疗效果和最小副作用。