一種迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)

趙太云，陳昭陽(yáng)，楊德智，薛 林

1.北京大學(xué)第一醫(yī)院，北京 100034

2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083

0 引言

癲癇是一種常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾患，其發(fā)作時(shí)表現(xiàn)為大腦神經(jīng)元興奮性增高以及過(guò)度同步化放電，并導(dǎo)致短暫性中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常[1]。從1988年起，左側(cè)迷走神經(jīng)間斷性電刺激被提議作為癲癇的一種輔助療法，該迷走神經(jīng)電刺激方法（VNS）是一種可逆性的神經(jīng)調(diào)節(jié)治療，不破壞腦組織和神經(jīng)組織，起到對(duì)因治療作用，治療或延緩病情進(jìn)展，是目前最理想的外科治療方法[2，3]。作為難治性癲癇的輔助治療方法，VNS對(duì)于難治性部分性癲癇的成人和兒童患者均有效并耐受性良好[5]。除此以外，即使癲癇發(fā)作沒(méi)有顯著降低，患者的生活質(zhì)量也有所改善[5]。

然而，由于迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的體積小，重量輕，要滿足長(zhǎng)期植入要求，其加工工藝復(fù)雜，涉及到生物相容性材料、高精度制造加工及工藝設(shè)計(jì)以及生物醫(yī)學(xué)工程等多方面的學(xué)科，技術(shù)門檻高，加之國(guó)外廠商的技術(shù)保密，導(dǎo)致我國(guó)的迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的發(fā)展緩慢。

本文對(duì)植入式迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的脈沖刺激系統(tǒng)和外圍電極導(dǎo)管的集成化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)行了研究，解決了其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并進(jìn)行家兔動(dòng)物試驗(yàn)，驗(yàn)證了其有效性和可靠性。

1 迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)方案

系統(tǒng)的組成及其工作方式：迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)包括脈沖刺激系統(tǒng)和電極導(dǎo)管兩部分組成，如圖1所示。其中，脈沖刺激系統(tǒng)包括脈沖發(fā)生器和體外控制器；電極導(dǎo)管包括導(dǎo)管和刺激電極；而體外控制器包括磁鐵和程控儀三部分。

圖1 迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)圖

迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的工作方式為：

1）程控儀，與病人體內(nèi)的植入脈沖發(fā)生器進(jìn)行射頻通訊，讀取脈沖發(fā)生器的狀態(tài)信息，并設(shè)置自動(dòng)刺激模式和磁鐵刺激模式的脈沖參數(shù)；

2）脈沖發(fā)生器默認(rèn)工作狀態(tài)為自動(dòng)刺激模式，根據(jù)設(shè)置的脈沖參數(shù)定時(shí)向刺激電極發(fā)射刺激脈沖；

3）如果需要立即實(shí)施電刺激，只需用磁鐵在病人胸前對(duì)準(zhǔn)植入體內(nèi)的脈沖發(fā)生器劃過(guò)，脈沖發(fā)生器立即啟動(dòng)磁鐵刺激模式，根據(jù)設(shè)置的磁鐵刺激模式脈沖參數(shù)向電極發(fā)射刺激脈沖。

其中，迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的核心部件是脈沖發(fā)生器和電極導(dǎo)管，其結(jié)構(gòu)如圖2和3所示。

圖2 脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

脈沖發(fā)生器的外殼用于將電源和刺激電路封裝在一個(gè)氣密性空間內(nèi)；饋通用于將電刺激信號(hào)引出外殼；頂蓋提供適當(dāng)?shù)男螤羁臻g便于饋通與電極導(dǎo)管進(jìn)行可靠電連接；連接體在饋通和電極導(dǎo)管之間作為電連接中間體；緊固螺釘將連接體和電極導(dǎo)管相連；密封塞用于在緊固螺釘緊固后將其絕緣隔離；錨件用于將外殼和頂蓋機(jī)械聯(lián)接。

圖3 電極導(dǎo)管結(jié)構(gòu)圖

電極導(dǎo)管中連接器、導(dǎo)線、電極三部分。電極直接和迷走神經(jīng)接觸，進(jìn)行放電刺激；連接器和頂蓋內(nèi)部的連接體進(jìn)行電連接，將刺激信號(hào)引導(dǎo)至電極導(dǎo)管；導(dǎo)線將連接器和電極電連接。電極導(dǎo)管的外部將電刺激信號(hào)引入迷走神經(jīng)，是脈沖發(fā)生器與目標(biāo)神經(jīng)的聯(lián)系紐帶。

2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

完成10只家兔的植入式迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的動(dòng)物試驗(yàn)，手術(shù)過(guò)程簡(jiǎn)述如下：植入刺激器和電極導(dǎo)管消毒，手術(shù)器械消毒；家兔固定在手術(shù)臺(tái)上并麻醉；鋪無(wú)菌單，分離左側(cè)迷走神經(jīng)，安裝電極，放置好兩個(gè)電極螺旋的位置，妥善固定；家兔左側(cè)背部切口，創(chuàng)建皮下隧道，引導(dǎo)管至背部切口處；將導(dǎo)管插入脈沖發(fā)生器，旋緊兩個(gè)緊固螺釘，進(jìn)行電極阻抗測(cè)試；逐層縫合傷口；進(jìn)行通訊連接，確認(rèn)正常。手術(shù)過(guò)程照片如圖4所示。

圖4 神經(jīng)電刺激系統(tǒng)植入手術(shù)

圖5 家兔頸部皮膚測(cè)量的刺激脈沖波形

家兔手術(shù)后13天，恢復(fù)良好，開(kāi)始進(jìn)行電刺激功能測(cè)試。在家兔頸部用盤(pán)電極測(cè)量到的電刺激信號(hào)。在家兔頸部的傷口上、下各布置一個(gè)電極，然后兩通道差分得到電刺激信號(hào)。在啟動(dòng)電刺激后，在頸部電極附近皮膚測(cè)量到刺激脈沖的波形，如圖5中的“BP1”所示。

3 結(jié)論

本文基于迷走神經(jīng)電刺激抗癲癇的機(jī)制，設(shè)計(jì)出迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)家兔動(dòng)物試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的功能和安全。

本文提出的植入式迷走神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足了迷走神經(jīng)刺激的要求，在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同的神經(jīng)目標(biāo)更換相應(yīng)刺激電極即可用于深部腦刺激、骨髓刺激、肌肉刺激以及膀胱組織刺激等不同場(chǎng)合，為我國(guó)植入電刺激儀器的拓展進(jìn)行了初步探索。

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[3]周建鵬.迷走神經(jīng)電刺激治療難治性癲癇的作用機(jī)制與臨床應(yīng)用[J].中國(guó)微侵襲神經(jīng)外科，2011，16(11)：522-525.

[4]趙妍，付饒，王庭槐.迷走神經(jīng)刺激治療難治性癲癇的研究現(xiàn)狀[J].新醫(yī)學(xué)，2010，41(2)：123-127.

[5]Kostov k，Long term vagus nerve stimulation in the treatment of Lennox-Gastaut syndrome.Epilepsy Behav，2009，16(2):321-324.