面向膀胱功能修复的分体植入式神经调控微系统与相关机制研究

This project plans to develop a split implanted neural modulation microsystem for bladder-dysfunction restoring, which is based on a new treatment model of spinal cord nerve recording - sacral nerve stimulating - pudendal nerve blocking and suitable for minimally invasive surgery. This close-loop system consists of several split implanted nerve recording nodes, nerve stimulating nodes and nerve blocking nodes, aims at modulating nerve system systematically and preventing urinary complications, so as to achieve the goal of freely controllable urination after spinal cord injury. We will analysis the relationship between the urination behavior, spinal cord nerve activity, sacral neural stimulation and pudendal nerve conduction and building relevant mechanisms models for split nerve modulation system. We will research and develop a spinal cord neural recording microsystem with the properties of low-power and high-integration and summarize the special methods for analyzing the urination-related activities of spinal cord nerve. We will research the relevant mechanisms of sacral nerve anterior root stimulating and sacral nerve posterior root / pudendal nerve blocking, and develop a high-efficiency multi-modes nerve stimulator with the functions of neural evoking and blocking. We will research the power supply technologies for split implanted system. In order to realize the low power communication between the implanted nodes of nerve recording, nerve stimulating and nerve blocking, we will develop a body channel communication technology by spinal column or spinal dura mater. The implantable micro-system or key modules plan to be verified through in-vivo test.

本课题针对脊髓损伤后引起的排尿功能障碍治疗，以及预防由此引发的泌尿系统乃至全身的致命性并发症，研究适用于微创手术的基于"脊髓神经记录-骶神经刺激-阴部神经传导阻断"模型的新型分体植入式神经调控微系统。该闭环系统由多个分体植入的脊髓神经记录、阴部神经传导阻断与骶神经诱发节点组成，旨在系统性调控神经系统，实现脊髓损伤患者的自由有效排尿。课题拟分析排尿行为、脊髓神经电活动、骶神经电刺激、阴部神经传导之间的对应关系，建立分体式脊髓神经调控相关机制模型；研究排尿行为相关的脊髓神经信号的分析识别方法，研制低功耗高集成度的脊髓神经记录微系统；研究骶神经前根刺激及阴部神经传导阻断的相关机制，研制具有诱发和阻断功能的高效率多模式神经电刺激器；研究分体式植入设备的供电方法，研究以脊椎或脊髓硬膜为媒介的体信道基带传输技术，实现各记录、刺激及阻断节点间的低功耗通信；所设计的微系统或关键模块拟进行在体动物实验验证。

本课题针对脊髓损伤后引起的膀胱功能障碍及并发症的治疗，为了实现脊髓损伤患者自由有效地控制排尿，研究适用于微创手术的新型分体植入式神经调控微系统。课题研究了排尿行为与相关脊髓神经电活动之间的对应关系，通过多次实验建立动物脊髓模型、脊髓损伤模型等相关机制模型。基于建立的模型，研究了两款高集成度的脊髓神经记录前端芯片，第一款解决了电极输入阻抗引起信号衰减的问题，其在1Hz~5kHz范围内的等效输入噪声为6.74µV。第二款解决了植入条件下供电纹波较大、电压变化幅度高的问题，整个电路的工作电压为1.34至3.3V，其噪声为6.7µV。搭建了体外数据传输的原型系统，并编写了相应的软件，将采集到的信号直观地传输到手机或电脑上, 此外，研制了无线传感应答器芯片，其有效数据采集位数为10.8位，能够从线圈中获取能量，为神经电信号采集前端芯片和数据传输系统供电。为了提高线圈和整流器输出的谐振幅度，设计并实现了一款具有链路阻抗自适应功能的电感耦合能量传输前端芯片，其记录线圈和整流器输出的共振幅度与固定匹配网络相比，谐振幅度从1.61V增加到2.49V，并且整流器输出的500mV增压从2.65V增加到3.15V，整个搜索过程耗时0.4s，且在自适应阻抗匹配后，能量吸收比峰值从13.07MHz回到13.56MHz。此外，针对生理信号的特殊性及采集过程中遇到的各种问题，设计了一款适用于生理信号监测的低功耗、高精度QRS波检测芯片，与同类芯片相比，该款芯片的功耗最低，为0.12µW，检测准确率最高，平均检测敏感度为99.60%。研究了一种新型的基于经验模态分解的新型时域-频域分析框架，用于受严重伪迹干扰的近平稳生理信号的重建，其均值为1.07，第一、第三四分位点分别为0.12、1.41，性能优于同类其他方案。最后，针对植入体内的复杂环境，设计了两个专用开关芯片，能够灵活在线重新配置，并结合商用芯片设计了闭环植入式调控微系统，增益在61dB至120dB可调，频率响应为500Hz至5kHz。课题以成年比格犬为实验动物建立了模型，并对所设计的植入系统及部分关键模块进行了在体的动物实验验证。