带固定孔的刺激电极结构及人工视网膜的植入装置

摘要

本发明提供了一种带固定孔的刺激电极结构，其特征在于：包括：绝缘衬底，其由具有生物兼容性的柔性材料构成，并包括固定孔；以及多个刺激电极，其设置在绝缘衬底中，并且构成沿着与绝缘衬底平行的二维方向排列的阵列体，刺激电极从绝缘衬底的表面突起，多个刺激电极的各个刺激电极的电极高度大致相同，多个刺激电极的顶端与绝缘衬底的表面相距的电极距离从阵列体的中央向阵列体的边缘逐渐减小。在本发明所涉及的人工视网膜的电极阵列中，既形成了由三维刺激电极构成的阵列体，同时也降低了刺激电极之间的阻抗差异，从而能够更加有效地对视网膜进行刺激。

说明书

本申请是申请日为2016年08月01日、申请号为201610624835.3、发明名称为刺激电极结构及人工视网膜的植入装置的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种带固定孔的的刺激电极结构及人工视网膜的植入装置。

背景技术

在神经刺激领域中，刺激电极或刺激电极阵列往往作为刺激部件直接作用于神经区域，例如心脏的心肌、脑部的深处(深脑部)、眼球内的视网膜等。通过刺激电极或刺激电极阵列对这些神经区域进行电刺激，能够使这些神经区域产生相应的神经反馈，从而获得预期的生物效应例如光感等。在上述刺激过程中，刺激电极是否与受刺激部位有效贴合可能会极大地影响刺激电极的刺激效果。

例如，对于布置在视网膜上的刺激电极阵列而言，为了让刺激电极阵列有效地刺激视网膜并产生光感，一般会将刺激电极阵列放置于视网膜的中央凹的位置。此外，由于视网膜例如中央凹处具有一定的弧度，因此为了匹配该弧度，也有将人工视网膜的刺激电极阵列制作成具有相应曲率的形状。

发明内容

然而，考虑到刺激电极阵列的制作难易程度，现有的刺激电极阵列一般被制作成平面型的刺激电极阵列。在这样的平面型的刺激电极阵列中，通常在绝缘衬底上制作电极，接着在电极上覆盖绝缘保护层并使电极露出于绝缘保护层。由此，通过露出于绝缘保护层的电极来对视网膜神经产生电刺激。然而，这样的平面刺激电极阵列由于不能很好地贴合受刺激部位例如视网膜，导致对受刺激部位例如视网膜神经细胞或节细胞的刺激效果变弱。

本发明有鉴于上述现有技术的状况而完成，其目的在于提供一种用于神经刺激并且能够提高神经刺激效果的刺激电极阵列。

为此，本发明的一方面提供了一种刺激电极结构，其特征在于：包括：绝缘衬底；以及多个刺激电极，其设置在所述绝缘衬底中，并且构成沿着与所述绝缘衬底平行的二维方向排列的阵列体，所述刺激电极从所述绝缘衬底的表面突起，所述多个刺激电极的各个刺激电极的电极高度大致相同，所述多个刺激电极与所述绝缘衬底的表面相距的电极距离从所述阵列体的中央向所述阵列体的边缘逐渐减小。

在本发明所涉及的刺激电极结构中，多个刺激电极与所述绝缘衬底的表面相距的电极距离从所述阵列体的中央向所述阵列体的边缘逐渐减小，而且各个刺激电极的电极高度大致相同。因此，从电极阵列的形貌上看，形成了电极距离从阵列体的中央向阵列体的边缘逐渐减小的三维刺激电极，另外，通过保持各个刺激电极的电极高度大致相同，能够抑制多个刺激电极的各个刺激电极之间的阻抗差异，从而能够更加有效地对受刺激部位例如视网膜进行有效刺激。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，所述电极距离从所述阵列体的中央向所述阵列体的边缘以匹配视网膜的植入部位的曲率的方式逐渐减小。在这种情况下，能够使刺激电极阵列更加有效地贴合于眼球的视网膜，产生更加有效的神经刺激。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，还包括与所述多个刺激电极不同的回路电极。由此，能够在受刺激部位附近形成有效的刺激回路，产生有效的神经刺激。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，所述衬底是由柔性材料构成的绝缘衬底。在这种情况下，由于衬底由柔性材料构成，因此更加易于变形且贴合于眼球的视网膜。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，所述绝缘衬底由PDMS、聚氯代对二甲苯(Parylene C)或聚酰亚胺(Polyimide) 构成。在这种情况下，能够确保绝缘衬底的生物兼容性。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，所述刺激电极由铂、钛、金或氧化铱构成。在这种情况下，能够确保刺激电极的生物兼容性。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，所述刺激电极由电镀或无电镀形成。在这种情况下，能够通过控制电镀或无电镀的时间来控制刺激电极的电极高度。

另外，在本发明所涉及的刺激电极结构中，可选地，通过电镀或无电镀实现所述电极距离从所述阵列体的中央向所述阵列体的边缘逐渐减小。

此外，本发明的另一方面提供一种具有上述刺激电极结构的人工视网膜的植入装置，其特征在于：包括：如上所述的刺激电极结构；电子封装体，其具有驱动所述刺激电极结构的所述多个刺激电极的处理电路；以及接收天线，其与所述电子封装体电连接，接收从外部获取的图像信息并将所述图像信息传送给所述电子封装体内的所述处理电路。

另外，在本发明所涉及的人工视网膜的植入装置中，可选地，所述刺激电极结构还包括设置在所述绝缘衬底内的多根电极引线，所述刺激电极结构的所述多个刺激电极经由所述多根电极引线与所述电子封装体电连接。

在本发明中，多个刺激电极的各个刺激电极的电极高度大致相同，并且各自经由设置在绝缘衬底内的引线连接，多个刺激电极与绝缘衬底的表面相距的电极距离从阵列体的中央向阵列体的边缘逐渐减小。由此，既形成了三维刺激电极阵列，同时也降低了刺激电极之间的阻抗差异，从而能够更加准确地对视网膜进行有效刺激。

附图说明

图1是示出了本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构的局部立体结构图。

图2是示出了本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构的内部连接的示意图。

图3是示出了图1所示的刺激电极结构的示意截面图。

图4是示出了单个刺激电极20的示意截面图。

图5是示出了图1所示的刺激电极结构1的形状变化的示意截面图。

图6是示出了本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构的整体示意图。

图7是本发明的实施方式所涉及的人工视网膜的植入装置的组成示意图。

图8是示出本发明的实施方式所涉及的人工视网膜的刺激电极结构放置在视网膜上的示意图。

图9是示出本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构对视网膜进行刺激的示意图。

符号说明：

1…刺激电极结构，10…绝缘衬底，20(201,202,203)…刺激电极， 21…基部段，22…露出段，30(31,32,33)…连接引线，1b…基端，40…焊接区(焊盘)，100…阵列体。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本发明的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

图1示出了本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构1的局部立体结构图。图2示出了本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构1的内部连接的示意图。在图1中，为了方便说明和理解，仅显示了刺激电极结构1的刺激端1a部分。

在本实施方式中，刺激电极结构1作为对神经进行刺激的刺激部件，不仅可以用于稍后描述的人工视网膜的植入装置I(参见图7)的刺激部件，也可以适用于其他神经刺激领域例如深脑部、人工耳蜗、心脏起搏器等的刺激部件。

在本实施方式中，刺激电极结构1可以包括绝缘衬底10、以及设置在绝缘衬底10中的多个刺激电极20。另外，在本实施方式中，刺激电极20具有立体的结构，是三维刺激电极。在这种情况下，刺激电极 20能够更好地与受刺激部位贴合，从而提高刺激效率。

另外，在图1中，示出了刺激电极结构1包括17个刺激电极20 的情形。但是在本实施方式中，刺激电极结构1的刺激电极20的数量并没有特别限定，也可以是其他数量例如为4、16、64、256、1024等。

另外，如图1所示，绝缘衬底10可以大体呈薄片状。另外，绝缘衬底10的一端(即刺激电极结构1的刺激端1a)可以呈弧状。在这种情况下，能够方便地将刺激电极结构1的刺激端1a例如穿过眼球上的切口而布置在视网膜的植入部位，降低刺激电极结构1移动时对组织带来的损伤。另外，在本实施方式中，绝缘衬底10的该端也可以采用其他形状例如矩形。

在本实施方式中，绝缘衬底10起到支撑和保护多个刺激电极20 的作用。此外，绝缘衬底10可以由具有生物兼容性的柔性材料构成。在一些示例中，绝缘衬底10可以由PDMS、聚氯代对二甲苯(Parylene C)或聚酰亚胺(Polyimide)等柔性材料构成。

在本实施方式中，通过采用柔性材料构成的绝缘衬底10，可以抑制在植入的过程中，刺激电极结构1对植入部位例如眼组织的损伤。另外，还可以通过绝缘衬底10的柔性变形来适应视网膜的植入部位的曲率，从而使设置在绝缘衬底10的刺激电极20能够与视网膜的植入部位更充分地贴合，实现更好的电刺激效果。

如图1和图2所示，刺激电极20设置在绝缘衬底10中，并且从绝缘衬底10的表面突起。也即，刺激电极20的一端设置在绝缘衬底 10中，另一端从绝缘衬底10的表面12突起，并且与绝缘衬底10相距规定距离。

另外，多个刺激电极20可以间隔排列，构成沿着与绝缘衬底10 平行的二维方向排列的阵列体100(参见图2)。这里，二维方向指的是沿着绝缘衬底10的表面12的各个方向。

如上所述，多个刺激电极20分布排列而形成阵列体100。通过将刺激电极以规定的方式分布排列而组成期望的阵列体形状，从而能够更加有效地对视网膜的植入部位进行电刺激。

作为一种示例，如图2所示，从刺激电极结构1的刺激端1a的俯视图看，多个刺激电极20可以大体呈梅花状地排列。具体而言，在由多个刺激电极20构成的阵列体100中，例如阵列体100的中央可以布置一个刺激电极，外围的刺激电极围绕着布置在中央的该刺激电极而逐渐向外扩展或环绕地排列。在本实施方式中，刺激电极20的排列方式不限于此，也可以呈矩阵状或者其它形状地排列。

图3是示出了图1所示的刺激电极结构1的示意截面图。图4是示出了单个刺激电极20的示意截面图。图5是示出了图1所示的刺激电极结构1的形状变化的示意截面图。

在本实施方式中，如图3所示，刺激电极20可以大体呈柱状。另外，从便于工艺实现的角度看，刺激电极20可以进一步呈圆柱状。此外，在本实施方式中，刺激电极20不限于上述形状，也可以呈锥体状。

另外，如图4所示，各个刺激电极20(包括刺激电极201、刺激电极202、刺激电极203)可以包括基部段21和露出段22。基部段21 可以位于绝缘衬底10的内部。也即基部段21的底部布置在绝缘衬底 10的内部。

此外，基部段21可以通过布置在绝缘衬底10内部的连接引线30 而与提供刺激信号的部件(即，稍后描述的图7所示的电子封装体) 连接。换言之，刺激信号经由连接引线30传送到刺激电极20的基部段21。

另外，如图4所示，露出段22可以从绝缘衬底10突起而露出于绝缘衬底10的外部。露出段22与受刺激部位直接接触并提供电刺激。例如，在人工视网膜的应用示例中，刺激电极20可以通过固定装置例如钛钉等而贴近于视网膜的神经节细胞，刺激电极20的露出段22通过提供特定波形的电刺激能够对神经节细胞或靠近神经节细胞的双极细胞进行电刺激。

如上所示，刺激电极20可以大体呈柱状。在这种情况下，基部段 21和露出段22也形成为相应的形状。另外，在刺激电极20为其他形状例如椎体状的情况下，基部段21和露出段22也可以一同形成为椎体状，并且露出段22的远离绝缘衬底10表面的一端形成为尖端形状。

如图3所示，连接引线30可以为多层布线的引线。在本实施方式中，连接引线30可以由第一层连接引线31、第二层连接引线32和第三层连接引线33构成。也即，第一层连接引线31、第二层连接引线 32和第三层连接引线33相互之间位于不同层，因此可以避免彼此之间的交叉或干扰。通过连接引线30，可以将多个刺激电极20对应地引出到稍后描述的电子封装体2(参考图7)。

尽管这里示出了连接引线30为三层布线的方式，但本实施方式不限于此，根据具体需求，连接引线30可以为单层布线、双层布线或者其他数量层的布线。

此外，在一些示例中，也可以不采用连接引线30而采用馈通孔(电极)的方式直接将刺激电极20引出。在这种情况下，刺激信号直接通过馈通孔电极提供给刺激电极20。

此外，各个刺激电极20的电极高度大致相同。也即，各个刺激电极20的基部段21与露出段22的长度之和大致相同。在这种情况下，由于各个刺激电极20的电极高度大致相同，因此能够确保各个刺激电极20自身的阻抗大致相同，由此能够抑制各个刺激电极20之间的电极阻抗的差异，减小刺激电极20自身对电刺激带来的不良影响。

这里，需要说明的是，在本实施方式中，各个刺激电极20一般被设置成低部的面积也大致相同。在这种情况下，各个刺激电极20之间的自身阻抗大致相同，由此能够减小刺激电极20之间的阻抗差异带来的不良影响。

在本实施方式中，刺激电极20与绝缘衬底10的表面相距的电极距离可以从阵列体100的中央向阵列体100的边缘逐渐减小。这里，刺激电极20与绝缘衬底10表面相距的电极距离实质上就是上述所提到的各个刺激电极20的露出段22。

具体而言，在图5所示的示例中，以刺激电极201(20)、刺激电极202(20)、刺激电极203(20)为例。其中，布置在阵列体100大致中央的刺激电极20(201)的露出段21的高度h1最大，靠近位于中央的刺激电极20(201)的刺激电极20(202)的露出段21的高度h2 次之，远离布置在阵列体100大致中央的刺激电极20(201)的刺激电极20(203)的露出段21的高度h3最小，也即，h1＞h2＞h3。由此，从截面视图看，刺激电极201的顶端(即露出段21远离绝缘衬底10 的一端)、刺激电极202的顶端、刺激电极203的顶端形成有弧度的排列。以同样的方式，从阵列体100的中央向阵列体100的边缘，刺激电极20的露出段21的高度逐渐减小。

另外，在人工视网膜的应用示例中，刺激电极20与绝缘衬底10 的表面12相距的电极距离从阵列体的中央向阵列体的边缘以匹配视网膜的植入部位的曲率的方式逐渐减小。在这种情况下，能够使刺激电极结构1的刺激电极20更加有效地贴合于眼球的视网膜，与视网膜的植入部位例如中央凹充分接触，产生更加有效的神经刺激。

另外，刺激电极20可以由铂、钛、金或氧化铱构成。由于铂、钛、金或氧化铱等金属或它们的合金具有良好的生物兼容性，因此，由这些材料构成的刺激电极20能够确保生物兼容性。另外，这样的刺激电极20能够更加适用于对生物兼容性要求严格的植入式器件。

另外，刺激电极20可以通过电镀或者无电镀的方式来形成。通过电镀或无电镀的方式能够方便地控制刺激电极20的电极高度。另外，通过电镀或无电镀能够实现刺激电极20与绝缘衬底10表面相距的电极距离从阵列体100的中央向阵列体100的边缘逐渐减小。

如上所述，在本实施方式中，由于各个刺激电极20的电极高度(基部段21与露出段22的长度之和)大致相同。由此，在电镀或无电镀的过程中，通过简单地统一控制电镀或无电镀的时间，便能够实现各个刺激电极20的电极高度大致相同，而且还能够实现刺激电极20与绝缘衬底10表面相距的电极距离(露出段22的高度)由阵列体100 的中央向阵列体100的边缘逐渐减小。

图6是示出了本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构的整体示意图。在图6中，为了表示出刺激电极结构1的刺激端1a和基端1b 整体长度。

如图6所示，在本实施方式中，刺激电极结构1可以大体呈长条状。刺激电极结构1大体包括刺激端1a、基端1b、以及连接刺激端1a 与基端1b的线缆(cable)1c。在人工视网膜的应用示例中，长条状的外形方便手术医生操作，特别是方便手术医生将刺激电极结构1经由眼球上的切口而放置于视网膜的植入部位例如中央凹(参见图8)。

在刺激电极结构1中，具有阵列体100的部分是刺激端1a。该刺激端1a通常布置成贴近于受刺激部位。另外，刺激电极结构1的基端 1b经由线缆1c(参见图6)与刺激端1a连接。

此外，基端1b可以设置有与前述的多根连接引线30电连接的多个焊接区(焊盘)40。基端1b可以通过这些焊接区与稍后描述的电子封装体2电连接。

另外，多根连接引线30将刺激端1a的刺激电极20与基端1b的焊接区40对应连接。这里，多根连接引线30的主体主要位于线缆1c 内。换言之，线缆1c包括了多根连接引线30的主要部分。

在本实施方式中，各个引脚61通过相应的连接引线30与对应的刺激电极20电连接。另外，引脚61与稍后描述的驱动刺激电极结构1 的处理电路电连接。因此，可以单独驱动每个刺激电极20，并且能够针对性地对受刺激部位例如视网膜实施电刺激。

此外，在本实施方式中，绝缘衬底10还可以包括固定孔(未图示)。固定孔13贯通绝缘衬底10，可以用于穿过医用钛钉，从而将绝缘衬底 10固定于受刺激部位例如视网膜上。另外，固定孔13的位置没什么特别限制，只要对连接引线30和刺激电极20不产生负面影响即可。在一些示例中，固定孔13可以靠近刺激电极结构1的刺激端1a的前端。

在本实施方式中，刺激电极结构1还可以包括与刺激电极20不同的回路电极(未图示)。通过回路电极，可以形成对受刺激部位进行刺激时的刺激回路。

以下，以多层布线为例，简单地描述本实施方式所涉及的刺激电极结构1的制作方法。在下面的描述中，对于常规的微电子或MEMS 制造工艺，由于属于本领域技术人员熟知的技术，因此在这里不再赘述。

首先，通过常规薄膜工艺形成例如由PDMS、聚氯代对二甲苯 (Parylene C)或聚酰亚胺(Polyimide)构成基底层(步骤S1)。这里的薄膜工艺例如可以为化学气相沉积等。在步骤S1中，所制作的基底层的厚度例如为10μm至100μm。

接着，在基底层上形成金属布线(步骤S2)。在基底层形成金属布线的方法例如包括形成溅射、电镀或无电镀、蒸镀等，接着进行蚀刻来形成特定的布线图案。这里，布线图案例如包括了阵列体的部分的分布图案。

接着，在具有金属布线图案的基底层上，再次利用薄膜工艺等形成例如由PDMS、聚氯代对二甲苯(Parylene C)或聚酰亚胺(Polyimide) 中间层(步骤S3)。根据多层布线的情况，可以多次形成中间层、以及设置在中间层之间的布线图案。这里，在设计布线图案时，需要考虑构成阵列体的多个刺激电极与所形成的绝缘衬底的表面相距的电极距离从阵列体的中央向阵列体的边缘逐渐减小以确保阵列体的形状。

然后，在中间层形成开孔，使需要形成刺激电极的部位露出(步骤S4)。根据需要，可以形成多个中间层。各个中间层的金属布线经由开孔互连。这里，形成开孔的方法没有特别限制，例如可以使用物理刻蚀等。

最后，通过电镀或无电镀的方式在需要形成刺激电极的位置形成具有三维形状的刺激电极(步骤S5)。这里，通过控制电镀或无电镀的时间，可以控制三维刺激电极所形成的电极高度。一般而言，通过统一控制所有刺激电极的形成时间，可以形成具有大致相同高度的三维刺激电极。

以下，说明本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构作为人工视网膜的植入装置的刺激部件的应用例子。

图7是本发明的实施方式所涉及的人工视网膜的植入装置I的组成示意图。图8是本发明的实施方式所涉及的人工视网膜的植入装置I 的刺激电极结构1放置在视网膜上的示意图。图9是示出本发明的实施方式所涉及的刺激电极结构1对视网膜进行刺激的示意图。在图8 中，为了方便说明，省略了人工视网膜的植入装置I的电子封装体2 和接收天线3而仅显示了刺激电极结构1部分。

如图7所示，本实施方式所涉及的人工视网膜的植入装置I可以包括刺激电极结构1、电子封装体2和接收天线3。这里，人工视网膜的植入装置I可以植入到眼内，作为刺激部件的刺激电极结构1则与眼内的视网膜贴合，从而让刺激电极结构1的刺激电极20能够对视网膜产生有效刺激。另外，人工视网膜的植入装置I可以经由接收天线3与外部设备(未图示)耦合。例如，外部设备可以将能量和数据经由接收天线3而传输给刺激电极20。

另外，在本实施方式中，电子封装体2可以分别与刺激电极结构1 和接收天线3连接。具体而言，刺激电极结构1的连接引线30可以与基端1b的焊盘41电连接。焊盘41可以与电子封装体2电连接。因此，刺激电极20可以通过连接引线30与电子封装体2实现电连接。如上所述，刺激电极结构1还包括设置在绝缘衬底10内的多根电极连接引线30，由此，刺激电极结构1的多个刺激电极20经由多根电极连接引线30与电子封装体2电连接。

另外，电子封装体2还具有驱动刺激电极结构1的多个刺激电极 20的处理电路。这里的处理电路可以包括专用集成电路、DSP等。

此外，接收天线3与电子封装体2电连接。接收天线3接收从外部获取的图像信息并将该图像信息传送给电子封装体2内的处理电路 (未图示)。在一些示例中，电子封装体2与接收天线3可以成型为一体并固定于眼球外。

如图8所示，刺激电极结构1的包含刺激电极20的刺激端1a被放置于视网膜的植入部位例如视网膜中央凹。具体而言，本实施方式所涉及的人工视网膜的植入装置I的刺激电极结构1的刺激端1a经由眼球上的切口而送入眼球内，并通过医用钛钉等(未图示)贴合于视网膜的植入部位例如中央凹。

一般认为，视网膜中央凹处的每一个感受器均与一个单独的双极细胞相连，而该双极细胞又是与一个单独的神经节细胞相连。因此，中央凹区域的每个视锥细胞都有一条直接到大脑的通路，这条通路给大脑提供了输入的精确位置。因此，将本实施方式所涉及的刺激电极结构1的刺激端1a贴合于视网膜中央凹，能够更加有效地提高刺激电极结构对视网膜的刺激效率。

如上所述，由多个刺激电极20构成的阵列体100可以与视网膜的植入部位例如中央凹的曲率匹配。在这种情况下，能够使多个刺激电极20与视网膜更好地贴合，对视网膜产生更加有效的刺激。

在图9中，示出了刺激电极结构1的刺激电极20对视网膜的刺激示意图。如图9所示，刺激电极20被贴合于视网膜中央凹处。在一些示例中，刺激电极20能够发放例如双向脉冲电流信号作为电刺激信号。这里，刺激电极20与视网膜中央凹之间存在着组织液，由刺激电极20 发放的电刺激信号经由组织液传导而对视网膜的神经节细胞或与神经节细胞邻近的双极细胞进行电刺激。神经节细胞或双极细胞受到刺激后，所形成的刺激信号经由视觉通路在大脑皮质层中形成光感。

虽然以上结合附图和实施方式对本发明进行了具体说明，但是其并不是为了限制本发明，应当理解，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的情况下，可以对本发明进行变形和改变，这些变形和改变均落入本发明的权利要求所保护的范围内。

例如，尽管上述示出了刺激电极结构1作为人工视网膜的植入装置I的电极刺激结构的刺激部件，然而刺激电极结构1的应用并不限于此，例如也可以适用于其他神经刺激领域例如深脑部、人工耳蜗、心脏起搏器等的刺激部件。