專利名稱：：仿生神經刺激裝置的制作方法仿生神經刺激裝置本申請涉及仿生神經刺激裝置的領域。一種神經失調的替代治療法是神經刺激療法。這樣的療法借助于外部或植入裝置對神經組織施加電或磁刺激。在Berger等的"BrainImplantableBiomimeticElectronicsasthenextErainNeuralProsthetics,"Proc.IEEE,Vol.89，#7，July2001pp.993-1012中描述了一種仿生神經刺激裝置。該文獻描述了由海馬體(hippocampus)執行的輸入-輸出變換的電子模型。期望使得已知裝置更適用更靈活。閱讀以下說明書和權利要求，將清楚目的和優點。從以下說明書中將清楚，更適用更靈活的裝置可用作損傷組織的修復術(prosthetic)，并包括至少一個信號處理設備(包括前饋路徑和調節路徑)。前饋路徑模擬嫌疑區域傳入和傳出的區域之間的神經信號處理。調節路徑響應于在其他地方接收的信號而通知前饋路徑。與前饋路徑的輸出相比，調節路徑可以進一步傳出地反饋信號。可利用此療法潛在治療的失調癥包括運動失調、認知失調或傷害。特別希望的是，這樣的更合適靈活的裝置將在諸如帕金森氏癥的神經失調癥中有用。可利用這樣的裝置潛在治療的失調癥的其他例子包括多發性硬化；癩癇癥；疼痛；以及更多認知失調(如阿爾茨海默癡呆癥)、抑郁、雙極人格失常、強迫癥以及癮癥；可能甚至是肥胖癥。此外，可在中風或外部腦傷之后的復原治療中使用該治療方法。現在將參照附圖通過非限制性的例子來描述本發明的各個方面，附圖中圖1A是病人頭部中的仿生神經刺激裝置和外部控制系統的示意圖。圖IB是一部分腦的電路性功能的示意視圖。圖2是圖IB的一部分的更詳細的示意圖。圖3示出了植入腦部或神經通路中的仿生神經刺激器的示意圖。圖4是示出圖3的裝置的操作的階段(stage)的流程圖。圖5說明了中繼功能。圖6說明了頻率變換功能。圖7說明了脈沖鏈。圖8示出了圖3的替代實施例。圖9A示出了輸入信號。圖9B示出了相對于第一輸入信號延遲了的另一輸入信號。圖9C示出了神經刺激器輸出。圖9D示出了替代神經刺激器輸出。在此通過引用合并以下附加專利文檔US5,913,882;WO2005053787A1;和US20050113744A1。圖1A是包括仿生神經刺激裝置102的病人頭部101的示意圖，仿生神經刺激裝置102配有可選的用于外部通信的天線103(示意性示出)。其他類型的外部通信也是可能的，如連接到病人頭骨外的導針(lead)。裝置102被示出為在腦內側，但它可以被放置到其他神經通路中，如在脊柱中。可選的外部系統104經由天線105與裝置102通信。外部系統104向裝置102提供數據，例如當醫療服務提供者檢測失調癥的進展或從一些傳感器檢測時。外部系統104可另外或替代地對102提供輔助處理或控制。作為典型腦電路的例子，圖1B顯示了基底神經節-丘腦皮層運動電路(Y.Temel等，ProgressinNeurobiologyvolume76,393-413頁(2005))。該圖示出了皮層150、黑質致密部(SNc)151、殼核152、蒼白球外側部(GPe)153、丘腦154、腦干和脊髓155、丘腦下核(STN)156以及蒼白球內側部(GPi)157。興奮連接標記為"+"，抑制連接標記為"-",調節連接標記為"m"。此電路中繪出的生理功能在例如帕金森氏癥、特發性震顫、肌張力障礙的運動疾病中受到影響。所提出的仿生神經刺激裝置較好地適合于校正這樣的腦電路中的病理信號。圖2是圖1B所示腦電路子部分的更詳細的示意圖。所繪出的神經6系統的區域呈現出主要在單方向上的信號流。運動控制的一些區域特別有可能具有這種流。通常，該流將從傳入(上游)區域前進到傳出(下游)區域。電路的子部分在其(突觸)輸入202處接收傳入信號7，并在其(突觸)輸出203處產生神經信號3。示出了四條線，作為輸入202和輸出203。四是一個任意數。事實上，來自腦部其他區域或其它神經通路的信號通常根據非常高維的輸入輸出函數5=/^)來調節(modulate)傳入信號。此外，O的大小和/的大小通常會不同。調節信號可以是抑制204和/或興奮205，并且通常包括前饋和反饋信號這兩者。傳入輸入和調節信號兩者性質上都是非靜態的，因此輸出將會高度動態。注意到，如圖1B所示，區域之間的雙向信號流(直接或經由更大的電路)是神經系統中的另一普遍問題。可按類似的方式描述這樣的電路的功能。圖3示出了植入腦部或神經通路中的仿生神經刺激器的示意圖。通路包括三個區域306、307和308。預期區域306和308保持健康，而區域307有損傷或預期有損傷。通過圖2，神經信號的主要流預期在一個方向上，例如，從306到307到308。通過作為虛線圖示流出307的信號325，圖示了307的預期機能障礙。植入式神經刺激器包括第一傳感器309;處理器310，包括訓練/記錄進程310a和穩態進程310b;刺激發射器311，以及第二傳感器312。第一傳感器309獲得來自損傷區域的傳入信號313。例如，刺激發射器311是電脈沖生成器。刺激發射器311向區域308提供受激響應。第二傳感器312獲得來自區域308的傳出信號314。可選的一個或多個外部單元315與處理器通信(以無線或其他方式)。一個或多個外部單元315可具有各種可選的特征，如感測除了神經活動以外的某些輸入(例如，肌肉活動、運動、消化或某些其他生理或非生理參數)的附加傳感器，或者在某些功能(尤其是訓練)需要更多處理器的情況下的補充處理器。元(element)316是模擬神經修復(nearomimeticprosthetic)裝置的輸出，而元317和318是輸入。傳感器309和312可以是許多類型的，包括電、光、化學、生物化學、電化學、磁或它們的組合。刺激發射器311可發出許多類型的刺激，包括電、磁、光、化學、生物化學或它們的組合。盡管在309和312處畫出了僅僅一個傳感器，但可使用多于一個。類似地，盡管畫出了僅僅一個刺激發射器311，但可使用多于一個。此外，也可以使用不止一個具有多于兩個子進程的處理器310。在另一示例實施例中，處理器310被設計為經過兩個階段的訓練，如圖4的流程圖所示。在第一階段中，假設區域307至少在某種程度上是工作的。在第一階段期間，進程310a在步驟401，僅僅監視信號313和314,并在步驟407,以區域307和308對信號313的響應的刺激/響應模式來訓練自己。然后，處理器310在步驟402檢測到區域307已經變為有損傷而使得必須替換其功能。這樣的檢測可響應于對傳出信號314的改變的觀察。可替換地，這樣的檢測可響應于來自外部單元315的信號330，例如，在醫生診斷出足以需要起動修復裝置的惡化的情況下。在訓練的第二階段中，進程310b繼續監視信號313和314;然而，在步驟403，它現在激活刺激器發射器單元311，引導它向區域308提供某種刺激316。然后，在步驟405，處理器比較信號313和314，以查看它們是否遵循在第一訓練階段期間記錄的刺激/響應模式。如果觀察的模式不同于訓練模式，則在步驟406，處理器必須調整刺激發射器模式316，返回步驟403，在步驟404監視更多，然后在步驟405再次比較信號313和314。訓練的第二階段可視情況繼續，對于區域307的持續惡化繼續調整發射刺激。可替換地，修復裝置參照刺激/響應模式的數據庫，僅僅使用訓練的第二階段。這樣的裝置比較適合于在例如中風或外部腦傷(其中與由于進行性的疾病引起的逐步衰弱相反，已經發生了腦機能的突然衰弱)之后的應用。圖4的進程的訓練方面可在可選的外部裝置315的控制之下執行。如果訓練進程計算強度高并且需要比可容易地安裝到植入式裝置中的硬件更多的硬件，則這是有利的。可選地，可要求病人在訓練的第一和/或第二階段期間執行任務。處理器310含有以下功能，所述功能使得從所感測信號中得到傳送給刺激發射器311(例如，脈沖生成器)的輸出。例如，此輸出可導致刺激發射器311生成的電刺激的幅度或頻率或相位調制。310中實現的功能可以是復雜的，如在Berger的論文中描述的。可替換地，處理器可具有更簡單的功能，如中繼(relay)功能或頻率變換功能。用于感測和分析所檢測的神經信號的手段是本領域公知的。例如，通過使用毛刺檢測算法(參見Zumsteg等，IEEETransactionsonNeuralSystemsandRehabilitationEngineering,2005，vol.13，p272-279),可以確定傳感元件檢測的神經毛刺信號的發生。據此，可獲得動作電勢的時間序列，其可進一步處理，例如進行頻率確定。圖5說明了適合于由處理器310使用的中繼功能。該圖示出了感測神經信號501和相對于感測神經信號具有固定延遲的輸出刺激信號502。在已經檢測到神經信號(例如，使用上述毛刺分類方法)之后，刺激器在給定延遲之后生成刺激脈沖。按照作為時間函數的電壓，繪出了兩個信號。典型的延遲值d是0.1-10ms。脈沖(impulse)的特定序列僅僅是示例說明。可使用其他序列。可使用調節輸入來增加/減少該延遲d。圖6說明了備選地適合于處理器310使用的頻率變換功能。在此圖中，在橫軸上示出的感測信號(動作電勢鏈、或場勢)的頻率與在縱軸上示出的輸出脈沖鏈的頻率相關聯。在此圖中，F0表示與橫軸的截距，"a"表示函數與橫軸的夾角。可由其他輸入(例如，反饋信號或其它信號)調節"F0"和"a"。該函數在此被顯示為線性的，但可采取其他形式。圖7說明了可由刺激發射器311產生的脈沖鏈。該圖示出了作為時間函數的脈沖電壓或電流。該圖示出了幅值A、延遲d，、寬度w的脈沖。典型的范圍是幅值0.1至4伏(或0.1-4mA,取決于電極阻抗)，脈寬l(MOOOns。特別期望的是，運動障礙(尤其是與帕金森氏癥有關的)會響應于圖3中所示種類的修復術，這是因為相信運動障礙是由于過度刺激引起的，未由反饋補償，并且未由前饋調整到準確的強度。圖8示出了圖3的替代實施例。在圖8中，框和橢圓的附圖標記的最后兩位表示與圖3中具有相同的最后兩位的那些框和橢圓的對應關系，在圖8的實施例中，受影響區域807具有與傳入和傳出區域的雙向信號流813、823、824、825。來自807的輸出823和825同樣用虛線繪出，表示預期在區域807有損傷時它們有損傷。圖8包括圖3中未示出的兩個附加反饋通路820和821。圖9a-d說明了基于感測信號調節神經刺激器輸出的實施例。圖9A和9B示出了兩個感測信號，輸入1和輸入2。每個感測信號分別包括輸入脈沖901和902。這里，根據兩個傳感器處的感測信號調節輸出特征。每個時間步長的調節幅值由S表示，在此例中，它與傳感器1和2上的檢測信號之間的時間延遲dt有關。被調節的輸出可以是例如如圖7所示的連續脈沖鏈，調節被應用于其一個或多個參數(例如，脈沖幅值、脈寬或脈沖頻率)。在此例中，S的值和符號取決于dt，如兩個概圖9C和9D所示。在第一種情況(圖9C)下，對于小的正值dt,調節是強正值的，并且隨著更加正值的dt值而下降。對于小的負值dt，調節是強負值的，隨著更加負值的dt值而變得沒那么負值。第二例子(圖9D)示出了調節對dt的另一依賴關系；它對于小dt值接近于零，并在特定的負(正)dt值附近具有強正(負)值，并對于大的負和正dt值再次下降到零。最終，仿生修復術被訓練使用的調節將取決于要替換哪個神經功能。總體上，通常可參照實驗數據來學習處理器310和810執行的功能，因此不必是事前可預測的。閱讀本公開后，本領域技術人員將清楚其他變型。這樣的變型可包括神經修復裝置的設計、制造和使用中已知的其他特征，其可取代或添加到這里已經描述的特征來使用。盡管已經在本申請中將權利要求表述為特征的特定組合，但應理解，本申請的公開范圍也包括在此明示或暗示公開的任何新穎特征或特征的新穎組合或其任何衍生物，無論它是否減輕如本發明的任何或全部相同技術問題。申請人在此提請注意，在本申請或從中得到的任何其他申請的審查過程中，可將新權利要求表述為這樣的特征。在此使用的詞語"包括"、"包含"不應被視為排除其他元素。在此使用的單數冠詞"一"不應被視為排除多個元素。權利要求1、一種神經模仿裝置，包括至少第一和第二輸入(317，318)，適合于接收神經信號，第一輸入(317)被布置為接收傳入到嫌疑區域(307)的信號，第二輸入(318)適合于接收來自除了嫌疑區域之外的神經區域(308)的信號；至少一個輸出(316)，適合于發射從嫌疑區域傳出的神經兼容信號；至少一個信號處理設備，包括被布置在所述第一輸入和所述輸出之間的前饋路徑(309、310，311)以及被布置為接收來自第二輸入的信號并向前饋路徑提供調節信號的調節路徑(312)。2、如權利要求l所述的裝置，其中所述除了嫌疑區域之外的神經區域(308)從所述嫌疑區域(307)傳出。3、如權利要求l所述的裝置，其中所述前饋路徑包括用于執行操作的至少一個處理器，所述操作包括監視(401)在第一時間段期間從第一和第二輸入接收的信號；在第一時間段期間訓練(407)處理器以產生處理功能，用來響應于在第一輸入接收的信號而產生在第二輸入接收的信號；檢測(402)到在第一時間段之后所述嫌疑區域已經變為功能障礙；在第二時間段期間執行(403)所學習的處理功能；在第二時間段期間監視(404)從笫一和第二輸入接收的信號；以及響應于確定(405)在第二輸入接收的信號未能匹配在訓練操作期間學習的信號，在第二時間段期間改變(406)所述處理功能。4、如權利要求3所述的裝置，還包括至少一個第三輸入(330),用于接收在病人身體之外(315)生成的信號，其中所述檢測響應于在第三輸入接收的信號。5、如權利要求l所述的裝置，其中所述前饋路徑包括耦連到所述輸出的刺激發射器單元(311)。6、如權利要求l所述的裝置，其中所述第二輸入被布置為接收從所述輸出傳出的信號，其中調節包括響應于那些傳出信號的反饋。7、如權利要求l所述的裝置，還包括至少一個第三輸入(330)，用于接收在病人身體之外(315)生成的信號。8、如權利要求l所述的裝置，其中所述前饋路徑包括第一傳感器(309)，被布置為接收從預期為保持健康的傳入笫一神經區域(306)輸出的第一信號；處理器(310),適合于學習和仿效作為第二神經區域的嫌疑區域(307)的功能；以及刺激發射器(311)，被布置為將信號提供給預期為保持健康的傳入第三神經區域(308)。9、如權利要求8所述的裝置，其中所述調節路徑包括第二傳感器(312)，被布置為從所述刺激發射器(311)的輸出傳入的第四區域接收信號并向所述處理器(310)提供調節信號。10、如權利要求8所述的裝置，其中所述嫌疑區域(807)與第一和笫三神經區域(806，808)雙向(813，823，824,825)通信;所述第一傳感器(809)還被布置為接收從所述嫌疑區域傳出但傳入到所述刺激發射器單元(811)的輸出(816)的第二信號；以及所述裝置還包括從所述刺激發射器單元(811)到傳入到第一輸入的區域到所述笫一傳感器的反饋路徑(821)。11、如權利要求l所述的裝置，其中所迷嫌疑區域(807)預期為與相鄰組織雙向(813,823，824,825)通信，并且所述裝置還包括第一耦連(820)，從位于所迷嫌疑區域和所述刺激發射器單元的輸出之間的區域到所迷笫一傳感器(809);以及第二耦連(821)，從所述刺激發射器單元到所述第一神經區域(806)。12、一種替代嫌疑神經組織的方法，該方法包括植入神經模仿裝置，該裝置包括適合于發射從嫌疑區域(307)傳出的神經兼容信號的至少一個輸出(316)，適合于接收神經信號的至少笫一(317)和笫二(318)輸入，第一輸入(317)被布置為接收傳入到嫌疑區域(307)的信號而第二輸入(318)適合于接收從所述輸出(316)傳出的信號，以及至少一個信號處理設備，所述至少一個信號處理設備包括被布置在所述第一輸入和所述輸出之間的前饋路徑(309、310，311)以及被布置為接收來自第二輸入的信號并向前饋路徑提供反饋信號的反饋路徑(312);基于處理功能發射(403)至少一個刺激；監視(404)從第一和第二輸入接收的信號；比較(405)在第一和第二輸入接收的信號的模式；以及基于比較的結果調整(406)發射模式。13、如權利要求12所述的方法，還包括在第一時間段期間接收(401)從第一和第二輸入接收的信號；在第一時間段期間訓練(407)處理功能，用來響應于在第一輸入(317)接收的信號而產生在第二輸入(318)接收的信號；檢測到(402)在第一時間段之后所述嫌疑區域已經變為功能障礙；以及在第二時間段期間執行所述發射(403)、監視(404)、比較(405)和調整(406)。全文摘要一種神經模仿裝置包括前饋通路和反饋通路。該裝置與嫌疑神經區域并行操作，被耦連在嫌疑區域傳入和傳出的區域之間。當嫌疑區域仍被當作有功能時，可訓練裝置以模仿嫌疑區域；然后，一旦該區域認為功能障礙，則替代該區域。在治療諸如帕金森氏癥的神經運動組織時該裝置尤其有用。文檔編號A61N1/36GK101636196SQ200780047593公開日2010年1月27日申請日期2007年12月18日優先權日2006年12月21日發明者H·C·F·馬滕斯,M·M·J·G·德克雷,Y·V·波諾馬雷夫申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司