腦深部電刺激中的平面線圈信號耦合技術(shù)

　　帕金森病(Parkinson’s Disease，PD)是一種常見的中老年神經(jīng)系統(tǒng)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(qū)域，對運(yùn)動功能進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。如果這些黑質(zhì)神經(jīng)元變性死亡80%以上，大腦內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺不能再調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)正常功能，就會出現(xiàn)帕金森病的癥狀。在我國，55歲以上老年人中約有170多萬帕金森病患者，患病率與歐美國家接近。

　　現(xiàn)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(xì)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(xì)胞移植術(shù)和基因治療雖然已經(jīng)在動物實(shí)驗(yàn)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(yàn)室階段，不宜普遍采用。毀損術(shù)是利用電燒灼法破壞腦內(nèi)功能異常興奮核團(tuán)，雖然效果已經(jīng)被公認(rèn)，但作為一種具有破壞性的手術(shù)，并發(fā)癥較高、易復(fù)發(fā)，而且對患者的年齡、適應(yīng)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(nèi)某一特殊的位置植入電極，通過高頻電刺激抑止異常電活動的神經(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、可通過術(shù)后調(diào)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(yīng)用的腦起搏器主要包括四部分[6]，植入患者體內(nèi)的部分有：神經(jīng)刺激器、腦起搏器導(dǎo)線、延長線，體外部分為控制磁鐵。神經(jīng)刺激器包括一個電池和一組微電路系統(tǒng)，植入鎖骨附近皮下，可經(jīng)延長線將產(chǎn)生的電信號傳導(dǎo)至腦內(nèi)深層的目標(biāo)部位。每一條腦起搏器導(dǎo)線都包括4條薄絕緣線圈及尖端的4個1.5mm電極，導(dǎo)線利用一個電極或多電極組合來傳遞刺激。延長線植于皮下，通過頭、頸、肩的絕緣線，用以連接導(dǎo)線與植入的神經(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(nèi)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(rèn)可通過[6]，因此美敦力公司占據(jù)著臨床所需腦起搏器的壟斷地位，對于中國的患者來說價格昂貴。鑒于此，對腦深度電刺激系統(tǒng)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(tǒng)腦起搏器的基礎(chǔ)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(nèi)只留下刺激電極。這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是避免了鎖骨下方的創(chuàng)口，同時避免了大量的導(dǎo)線在體內(nèi)通過，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，使用起來更加方便、輕松。

　　系統(tǒng)設(shè)計

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

　　腦內(nèi)線圈(次級線圈)與腦外線圈(初級線圈)

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