神經植入電極模擬測試系統的製作方法
2023-05-28 05:40:46
專利名稱：神經植入電極模擬測試系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及神經工程，是一種生物醫學工程技術領域的新型設計，具體涉及一種對腦部環境與腦部微動模擬，並對神經植入電極的工作性能，包括強度、壽命等進行模擬測試的測試系統。
背景技術：
神經系統是一個開放的複雜巨系統，對於神經系統的深入研究是人類最富挑戰的探索。幾個世紀以來人類一直在努力探索神經系統的奧秘，尋求治療神經疾患的有效手段。 隨著人們對神經科學研究的深入，衍生了神經工程這樣一門學科，它是神經科學、材料科學、微電子技術以及信息科學的交叉學科，在揭示神經系統的工作機理以及神經疾病的治療和神經康復等方面具有重要意義。神經假體設備，如深部腦刺激器，應用神經微電極來作為神經系統與外部設備的接觸界面。深部腦刺激是一種神經外科學治療方案，即用電子信號來刺激大腦，多年以來，它已變成了一個非常成功的治療方法用來治療一些難治性疾病， 例如慢性疼痛，帕金森病，震顫和肌張力障礙。在神經工程系統中，最關鍵的部件就是神經-電子接口即神經電極。它的功能主要表現為兩種形式一種是將神經活動轉換為電信號被記錄下來進行分析研究；另一種是利用電信號激勵或抑制神經活動以實現功能性電刺激。神經植入電極模擬測試系統是用於測試神經植入電極的工作性能，而為了使測試的結果真實可信，測試系統的環境必須能真實模擬生物組織的環境(對於本課題而言，面向的是植入人體大腦的神經植入電極，所以這個環境就是人體腦組織的生物環境)。腦組織的生物環境有很大的特殊性，作為人體的內環境的一部分，組織液的腐蝕、體內細胞組織對外來物體的攻擊是不可避免的。而神經植入電極的工作失效還有一個非常重要的因素，就是腦組織的微動。腦組織的微動來源很多，其振幅、頻率都很複雜，長期的作用很容易對神經植入電極造成疲勞等機械損傷，表現為神經纖維變細，出現神經纖維稀疏區，同時誘導纖維結締組織包裹，導致微電極的刺激和記錄性能下降，限制了微電極在人體周圍神經中長期留置。因此神經植入電極必須具備良好的力學性能才能夠維持長期的正常工作狀態。鑑於此，有必要建立一套模擬測試系統對神經植入電極的力學性能進行測試，而這套測試系統必須至少有兩項功能，即模擬腦部的環境和模擬腦組織的複雜的微動。經對現有技術文獻的檢索發現，D. Stewart在《Aircraft Engineering)) 1966 (4) p30-;35 撰文〃 A Platform with Six Degrees of Freedom"( 「六自由度工作檯」)。該文提出了一種經典的六自由度微振動平臺，即Mewart平臺(但在此之前V E Gough也提出過，所以有時也稱為Gough/Stewart平臺)。Mewart平臺的主要特點就是有基座和載物臺兩部分，二者通過六個可以伸縮的連杆相連接，連杆與基座和載物臺之間通過有特定自由度的鉸鏈相連接，通過控制六個連杆的長度的變化，就可以實現載物臺的六個自由度的運動。由於腦組織特殊的物理性能(如腦組織的彈性模量、密度、慣性等)和化學性能(如酸鹼度、各種離子、化合物的濃度等)，需要特殊的模塊來模擬腦部環境。此外，腦組織微動的頻率具有不確定性，微動的振幅十分微小，對模擬測試系統精度和穩定性的要求非常高， 這是Mewart平臺所不能達到的。因此，本發明在Mewart平臺的基礎上進行改進設計，發明出了一種可以模擬腦部環境和模擬腦組織的複雜微動的神經植入電極模擬測試系統。
發明內容
本發明的目的是為了實現對腦部物理化學環境和腦部複雜形式微動的模擬，以及對神經植入電極工作性能的檢測評價，提出一種神經植入電極模擬測試系統，該系統可以提供腦部物理化學環境的模擬，並檢測神經植入電極在此環境下的工作性能。本發明具體通過以下技術方案實現的一種神經植入電極模擬測試系統，其特點在於該系統包括腦部環境模擬模塊、微振動平臺模塊和控制模塊所述的腦部環境模擬模塊由與腦組織具有相似物理化學性能的材料構成；所述的微振動平臺模塊是一個具有6自由度的微振動平臺，該微振動平臺由中心對稱的3組連杆、基座和載物臺構成，所述的基座呈圓筒形，其內周壁上間隔均勻地設有三組上臺和下臺，每組連杆由相互連接的上連杆和下連杆構成，所述的上連杆的上段和下段之間串聯一個作動器，所述的下連杆的上段和下段之間串聯一個作動器，所述的下連杆的上段的上端通過一個鉸鏈與所述的上連杆的下段相連，該上連杆的上段的末端通過一個球型鉸鏈與所述的載物臺的底邊緣相連，所述的上連杆的下段的下端和下連杆的下段的下端分別通過鉸鏈連接在所述的基座的對應的上臺上和下臺上，所述的作動器使相應的連杆伸縮，通過連杆長度的變化使所述的載物臺形成6個自由度上的微動，所述的基座的底部有丁基膠作為該微振動平臺的隔振層實現隔振，所述的載物臺供所述的腦部環境模擬模塊置放；所述的控制模塊是控制所述的微振動平臺運動的控制機構，由作動器、驅動電源和控制系統構成，所述的驅動電源是可控雙向恆流源，所述的控制系統由上位微機、數模/ 模數轉換器、傳感器、開關和儀表構成。所述的作動器的核心部件是一根超磁致伸縮材料棒，該超磁致伸縮材料棒的前端連接剛性的位移輸出軸與所述的連杆的上段相連，該作動器的外套之底與所述的連杆的下段相連；所述的超磁致伸縮材料棒的後端與底板相貼，該底板與作動器外套之間還有對稱分布的兩個預緊彈簧，為超磁致伸縮材料棒提供預應力，在所述的超磁致伸縮材料棒左右對稱地布置兩個驅動線圈，該驅動線圈的兩端均連接導磁體，以使所述的驅動線圈產生的磁場連續而均勻，最外圍還有一圈大的偏置磁場線圈，由直流信號驅動提供一個穩定的偏置磁場，在驅動磁場和偏置磁場的共同作用下，超磁致伸縮材料棒輸出軸向的位移。所述的腦部環境模擬模塊進行腦部物理化學環境的模擬，力求該環境對神經植入電極的作用力、腐蝕等效應接近真實情況。微振動平臺模塊建立了一套能夠產生6自由度微動的機構，來模擬腦部各種複雜的微動。控制模塊產生並控制微振動的振幅、頻率。本發明的技術效果如下該測試系統通過腦部環境模擬模塊模擬腦部組織環境，並將神經電極植入腦部環境模擬模塊，通過控制模塊對作動器的動態響應特性進行觀察，並可根據實際需要改變參數，控制微振動平臺的動作，得到不同的微振動狀態。通過傳感器，可以記錄在不同微振動狀態下模擬模塊的力學和形態特徵，便於研究神經電極微動狀態對腦組織的影響，從而為新型神經電極的提供實驗依據。同時，腦部環境模擬模塊若採用生物活性物質(如細胞)， 通過該微振動平臺，可以觀察不同微振動狀態下，神經電極植入後腦組織的組織包裹現象， 以及神經電極的電學性能變化。這樣不僅可以代替複雜的活體實驗，簡化操作，同時避免了活體實驗帶來的風險和危害。本發明的微振動平臺採用並聯機構，能夠很好的模擬腦組織特殊的物理化學環境和各種複雜的微動，具有很高的定位精度、快速的運動響應、較高的承載能力和良好的穩定性等，且符合微動對其具有很小工作空間的要求。
圖1是微振動平臺的立體示意圖。圖2是微振動平臺去基座後的連杆布置的立體示意圖。圖3是鉸鏈布置示意圖。鉸鏈顯示1、2、3是2個自由度的旋轉鉸鏈，鉸鏈4是萬向球鉸。圖4是作動器結構剖視圖。圖中1-一位移輸出軸(連接超磁致伸縮材料，輸出微振動的位移)；2-—作動器外套(外圍貼有散熱片以及時散出線圈產生的熱量)；3—偏置線圈(由於超磁致伸縮材料的倍頻現象，需要由永磁體外加一個恆定的偏置磁場，以在相同驅動磁場作用下獲得更大的形變)；4—驅動線圈(左右對稱布置，串聯，以實現中間處磁場的均勻)；5—超磁致伸縮材料棒(目前甘肅天星稀土功能材料有限公司生產此類產品，同時該公司的技術標準也是國家標準)；6-—導磁體；7—預緊彈簧(兩個，對稱布置)。圖5是控制電路模塊圖。圖6是可控雙向恆流源電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了具體的實施方法，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。本發明神經植入電極模擬測試系統，其特徵在於該系統包括腦部環境模擬模塊、 微振動平臺模塊和控制模塊所述的腦部環境模擬模塊由與腦組織具有相似物理化學性能的材料構成，如水凝膠、粘蛋白等，同時可在這些材料裡加入生物活性物質(如細胞)，增加模擬環境的真實度和可靠性。所述的微振動平臺模塊是一個具有6自由度的微振動平臺，請參閱圖1，該微振動平臺由中心對稱的3組連杆A、基座B和載物臺C構成，所述的基座B呈圓筒形，其內周壁上間隔均勻地設有三組上臺和下臺，每組連杆A由相互連接的上連杆和下連杆構成，所述的上連杆的上段和下段之間串聯一個作動器，所述的下連杆的上段和下段之間串聯一個作動器，所述的下連杆的上段的上端通過一個鉸鏈與所述的上連杆的下段相連，該上連杆的上段的末端通過一個球型鉸鏈與所述的載物臺C的底邊緣相連，所述的上連杆的下段的下端和下連杆的下段的下端通過鉸鏈分別固定在所述的基座B的對應的上臺上和下臺上，所述的作動器使相應的連杆伸縮，通過連杆長度的變化使所述的載物臺形成6個自由度上的微動，所述的基座的底部有丁基膠作為該微振動平臺的隔振層實現隔振，所述的載物臺供所述的腦部環境模擬模塊置放；所述的控制模塊是控制所述的微振動平臺運動的控制機構，由作動器、驅動電源和控制系統構成，所述的驅動電源是可控雙向恆流源，所述的控制系統由上位微機、數模/ 模數轉換器、傳感器、開關、儀表構成。作動器2的核心部件是一根超磁致伸縮材料棒5，該超磁致伸縮材料棒5的前端連接剛性的位移輸出軸1再與所述的連杆的上段相連，該作動器的外套2之底與所述的連杆的下段相連；所述的超磁致伸縮材料棒5的後端與底板相貼，該底板與作動器外套2之間還有對稱分布的兩個預緊彈簧7，為超磁致伸縮材料棒提供預應力，在所述的超磁致伸縮材料棒5左右對稱地布置兩個驅動線圈4，該驅動線圈4的兩端均連接導磁體6，以使所述的驅動線圈4產生的磁場連續而均勻，最外圍還有一圈大的偏置磁場線圈3，由直流信號驅動提供一個穩定的偏置磁場，在驅動磁場和偏置磁場的共同作用下，超磁致伸縮材料棒5輸出軸向的位移。整個系統分成3大模塊即腦部環境模擬模塊、微振動平臺模塊、控制模塊。腦部環境模擬模塊進行腦部物理化學環境的模擬，力求該環境對神經植入電極的作用力、腐蝕等效應接近真實情況。微振動平臺模塊建立了一套能夠產生6自由度微動的機構，來模擬腦部各種複雜的微動。控制模塊能夠產生並控制微振動的振幅、頻率，並設計出完整的驅動電路。(1)腦部環境模擬模塊。這一模塊根據腦部材料(粘彈性材料)的性質(楊氏模量、密度)，腦部環境的特徵(PH值、各種物質所佔比例)，採用與腦組織具有相似物理化學性能的材料構成，如水凝膠、粘蛋白等，同時可在這些材料裡加入生物活性物質(如細胞)，增加模擬環境的真實度和可靠性。(2)微振動平臺模塊這一模塊為一個6自由度微振動平臺的設計。該平臺由中心對稱的3組(每組上下2個)連杆、基座和載物臺構成。連杆通過鉸鏈連接基座和載物臺，每個連杆上安裝一個可以使連杆伸縮的作動器，通過連杆長度的變化可以控制載物臺在6個自由度上的運動。 同時應用被動隔振的方法，用50mm厚度的丁基膠作為隔振臺實現隔振。如圖1所示，腦組織材料的模擬物水凝膠放置在載物臺上，神經植入電極插入水凝膠中，六個作動器(圖中連杆上的突起部分)控制著連杆的伸縮，由於鉸鏈的約束，載物臺就可以實現6自由度的振動。微振動平臺的具體幾何尺寸為幾何參數數值
平臺基座外徑150mm~
平臺基座內徑130mm
平臺整體高度200mm載物臺半徑r40mm
載物臺高度50mm
上下杆鉸鏈的垂直距離h IOOmm 作動器長度30mm
作動器半徑IOmm(3)控制模塊控制模塊由3部分組成，即作動器、驅動電源和控制系統。其中作動器是產生微動的關鍵部件，為了能夠很好模擬腦組織微動，選擇了超磁致伸縮材料作動器。驅動電源為超磁致伸縮材料作動器提供驅動信號，必須工作穩定並且雙向(正負方向)連續可調，因此選擇了可控雙向恆流源。控制器單元主要包括控制系統和控制方法。控制器單元借鑑了賈宇輝，譚久彬和翁虹等人的在《超磁致伸縮材料微位移驅動系統的研究》和《磁致伸縮致動器控制系統的研製》中提到的技術，由上位微機、數模/模數轉換器、傳感器、開關、儀表以及前面所述的超磁致伸縮材料作動器和可控雙向恆流源構成。控制方法是通過對作動器的動態響應特性進行考察，然後改變一定的參數從而改進其響應性能。如圖4所示，作動器的核心是一根直徑4mm，長度15mm的超磁致伸縮材料棒5，該超磁致伸縮材料棒5的前端連接剛性的位移輸出軸1，進而與平臺的機械結構相連。該超磁致伸縮材料棒5的後端與底板相貼。該底板與作動器外套2之間還有對稱的兩個預緊彈簧 7，其作用是為超磁致伸縮材料棒提供預應力。預應力對超磁致伸縮材料棒的磁致伸縮效應有很大的增強作用，約為不加應力時的2倍。左右對稱布置的驅動線圈4是來提供驅動超磁致伸縮材料棒的磁場。該驅動線圈4的兩端均連接導磁體6以使得驅動線圈4產生的磁場連續而均勻。而最外圍還有一圈大的偏置磁場線圈3，由直流信號驅動來提供一個穩定的偏置磁場。該偏置磁場同樣是為了增大超磁致伸縮材料的磁致伸縮率而添加的。在驅動磁場和偏置磁場的共同作用下，超磁致伸縮材料棒可以輸出軸向的位移。如圖6所示，可控雙向恆流源的控制信號為電壓U。，輸出信號為電流Itj，根據模擬電路的理論分析可以得到Itj =隊/%。為了提高電流控制的精度，電阻&應該選用溫度穩定性好的無感線繞電阻，為了減小電阻Rs的耗散功率，還應該在保證電路穩定工作的前提下儘量取小一些的阻值(譬如可以取隊、R2> R3> R4的阻值的一半)，電阻隊、R2> R3、R4也應當選用精度高的電阻(優於0. 5% )。本實施例所設計的微振動平臺採用並聯機構，能夠很好的模擬腦組織特殊的物理化學環境和各種複雜的微動，具有很高的定位精度、快速的運動響應、較高的承載能力和良好的穩定性等，且符合微動對其具有很小工作空間的要求。
權利要求
1.一種神經植入電極模擬測試系統，其特徵在於該系統包括腦部環境模擬模塊、微振動平臺模塊和控制模塊所述的腦部環境模擬模塊由與腦組織具有相似物理化學性能的材料構成； 所述的微振動平臺模塊是一個具有6自由度的微振動平臺，該微振動平臺由中心對稱的3組連杆(A)、基座⑶和載物臺(C)構成，所述的基座⑶呈圓筒形，其內周壁上間隔均勻地設有三組上臺和下臺，每組連杆(A)由相互連接的上連杆和下連杆構成，所述的上連杆的上段和下段之間串聯一個作動器，所述的下連杆的上段和下段之間串聯一個作動器， 所述的下連杆的上段的上端通過一個鉸鏈與所述的上連杆的下段相連，該上連杆的上段的末端通過一個球型鉸鏈與所述的載物臺(C)的底邊緣相連，所述的上連杆的下段的下端和下連杆的下段的下端分別通過鉸鏈固定在所述的基座的對應的上臺上和下臺上，所述的作動器使相應的連杆伸縮，通過連杆長度的變化使所述的載物臺形成6個自由度上的微動， 所述的基座的底部有丁基膠作為該微振動平臺的隔振層實現隔振，所述的載物臺供所述的腦部環境模擬模塊置放；所述的控制模塊是控制所述的微振動平臺運動的控制機構，由作動器、驅動電源和控制系統構成，所述的驅動電源是可控雙向恆流源，所述的控制系統由上位微機、數模/模數轉換器、傳感器、開關、儀表構成。
2.根據權利要求1所述的模擬測試系統，其特徵在於，所述的作動器(2)的核心部件是一根超磁致伸縮材料棒(5)，該超磁致伸縮材料棒( 的前端連接剛性的位移輸出軸(1)再與所述的連杆的上段相連，該作動器的外套( 之底與所述的連杆的下段相連；所述的超磁致伸縮材料棒(5)的後端與底板相貼，該底板與作動器外套( 之間還有對稱分布的兩個預緊彈簧(7)，為超磁致伸縮材料棒提供預應力，在所述的超磁致伸縮材料棒( 左右對稱地布置兩個驅動線圈G)，該驅動線圈的兩端均連接導磁體(6)，以使所述的驅動線圈(4)產生的磁場連續而均勻，最外圍還有一圈大的偏置磁場線圈(3)，由直流信號驅動提供一個穩定的偏置磁場，在驅動磁場和偏置磁場的共同作用下，超磁致伸縮材料棒(5)輸出軸向的位移。
全文摘要
一種神經植入電極模擬測試系統，包括腦部環境模擬模塊、微振動平臺模塊和控制模塊腦部環境模擬模塊用與腦組織具有相似物理化學性能的材料，微振動平臺模塊由6自由度微振動平臺模擬腦部微動，控制模塊用超磁致伸縮材料作用器產生微動，並通過可控雙向恆流源和控制電路對作動器進行控制。本發明採用並聯機構，能夠很好的模擬腦組織特殊的物理化學環境和各種複雜的微動，具有很高的定位精度、快速的運動響應、較高的承載能力和良好的穩定性等，且符合微動對其具有很小工作空間的要求。
文檔編號G01M7/06GK102519695SQ201110431149
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者吳棟棟, 張文光, 汪洋 申請人:上海交通大學