应用一平坦的、可挠性二维薄膜条带至活组织中的组件

摘要

应用一平坦的、可挠性二维薄膜条带至活组织的组件被描述，具体而言为脑。其包括：应用薄膜条带(6)本身，一应用工具(7)藉由一耦合装置的组件(8，13；15，16，18；23，29，36，37)可移除且仅机械地可连接至薄膜条带(6)，其中在原位薄膜条带(6)的应用之后，藉由机械地脱离耦合装置(8，13；15，16，18；23，29，36，37)本身从而留下薄膜条带(6)，应用工具(7)可从组织移除而无残留。

说明书

背景技术

可挠性基板上的传感器和作用器数组(effector arrays)之运用对于生物医学应用的关联逐渐提升。在生物兼容性基板上建构在长时间尺度上耐受之多样化装置的能力将允许增强的治疗性和诊断性介入，以及脑/机器接口的改善。然而，由于不同样的理想可挠性，目前仍难以将这些装置以微创方式植入体内。

以下使用之字汇薄膜条带是指可挠之薄膜的条带，且由于机械屏障(mechanicalbarriers)，故无法藉由其插入活组织中，如果考虑以脑作为例子，前述机械屏障如硬脑膜(dura mater)。条带带有被放置在活组织中的组件，例如电子电路、导光体、流体孔等。

多电极数组为目前革命性的基础和临床神经科学，因为其有着史无前例的能力来纪录和刺激神经单元的密集总数。制造多电极数组之最有前途的技术之一倚靠于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)光刻制程的应用，以实现在可挠性、聚酰胺类(polyimide-based)或聚对二甲苯类(parylene-base)膜上具有任意几何形状的密集数组。除此之外，在本发明范围中，这样的微机电系统被认为是平坦的、可挠性二维薄膜条带的一个例子。这样的技术被广为采纳在从脑纪录的表面，因为其提供了设计的自由、长时间尺度上的生物兼容性、且为微创的。然而，对研究和临床应用特别关注的脑的许多区域并非从这样的表面纪录容易得到的，且希望用于治疗刺激的目标通常位于距离脑之表面的数十公厘处。为了达到进入这些区域，希望以最小的方式穿过脑组织。然而，达到这个目标的当前的设计是肉眼可见的(大约一公厘)或使用易损坏的电极基板，例如硅。因此现有技术在植入时，以及在植入装置的寿命期间，有着对脑造成不必要的损伤之风险。

RUBEHN,B等人于IFESS第15次年度会议公报.维也纳.2010(Proceedings of the15th Annual Conference of the IFESS.Vienna.2010)中的「用于穿硬脑膜植入和长期纪录的可挠性轴电极(Flexible shaft electrodes for transdural implantation andchronic recording)」提出满足应用在插入期间之薄膜条带的刚性和在长期植入过程期间的可挠性之矛盾要求，用于薄膜条带的特制插入工具，在此事例下是用于轴电极。当轴本身为可挠时，一插入工具被使用于穿透硬脑膜。工具包括具有100微米之直径和一锥形顶端的钨杆体，以及具有50微米之直径和钝顶端的两个杆体。较厚的杆体被胶合于两个较薄的杆体之间且凸出超过它们。对于植入来说，其意图以锥形杆体滑入胶合至轴的顶端之背面的U字形轮廓。整个组合件打算被插入脑中，且当两个顿杆体承受U轮廓时，杆体的锥形顶端穿透硬脑膜，推动其通过硬脑膜中的孔洞并进入组织中。因为其贴附于U轮廓，可挠性轴被插入脑物质中(brain matter)。待放置轴于正确的位置后，钨插入工具被撤回，留下微加工的(micromachined)聚酰胺箔(薄膜条带)和U轮廓在脑中。

作者他们观察到当薄膜条带可被插入脑皮层(cortex)时，不可能使其穿过封闭的硬或软脑膜(closed dura or pia mater)。此外，留下U轮廓在脑中可能对组织造成不良的损伤。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种组件以应用一平坦的、可挠性二维薄膜条带至活组织中，具体而言为脑，尽可能地避免上述缺点。

前述目的藉由一组件而达成，前述组件包括

-应用薄膜条带本身，

-一应用工具藉由一耦合装置的组件可移除且仅机械地可连接至薄膜条带，其中在目标地点薄膜条带的应用之后，藉由机械地脱离耦合装置本身从而留下薄膜条带，应用工具可从组织移除而无残留。

这种系统之益处包括：

·能够使用可挠性装置瞄准深度脑结构，不然可能会无法完全穿透或可能无法精确地瞄准，

·薄膜条带的植入通过微创组件，

·刚性植入装置的移除而未留下任何残留，因此对脑组织的损伤在植入物的寿命期间最小化，

·自由决定插入的时机，亦即，穿透的长度和可挠性装置的释放之速度。

在一特定的较佳实施例中，薄膜条带为可挠性多电极数组形式的一微机电系统(MEMS)。本发明之此一实施例的组件允许这些微机电系统的应用能够进行上述的神经科学量测。

较佳的是，可挠性薄膜条带为在本发明的领域中为已知的聚酰胺类或聚对二甲苯类。

根据一较佳的实施例，可挠性薄膜条带于末端具有一加强保持孔，且应用工具由一插入针和一保持导线所构成，插入针具有一内部钻孔和在其末端开口旁之一侧朝向钻孔的一窗口，保持导线设计来在薄膜条带插入组织的期间穿过插入针的内部钻孔且穿过薄膜条带中的所述保持孔横卧于所述窗口，从而将可挠性薄膜条带可移除地锁定至插入针。

较佳地，插入针为一微加工(micro-machined)、手术级(surgical-grade)钢管，具有200微米的外径和100微米直径的钻孔。

在一较佳的实施例中，插入针具有一锥形顶端(「插入顶端」)，尖锐到足以(～18度)允许硬脑膜和脑组织的穿透。

较佳地，保持导线为一手术级不锈钢导线，具有70微米的直径，可穿过插入针的钻孔。

插入工具是用来将薄膜条带插入至脑中。所述薄膜条带以下将同样被称为是挠性轴(flexshaft)。举例而言，挠性轴耦合至插入针且接着在位于目标地区被释放。为了使挠性轴耦合至插入针，挠性轴靠近其端部配备有加强保持孔。这个孔可具有80微米的直径且帮助保持挠性轴在插入针上。挠性轴放置在位于插入针之一侧的窗口中，因此保持孔精确地配合在插入针的钻孔上通过窗口而暴露。保持导线接着穿过保持孔且更进入在窗孔另一端的插入针的顶端。从而，挠性轴牢固地贴附至插入针。

为了对保持导线形成毗邻，插入针的末端必须关闭。一旦多电极数组被放置在关注的区域中，保持导线可接着被移除，释放挠性轴，且随后，插入针可被撤回而无残留，在该地点留下挠性轴。

根据另一较佳的实施例，可挠性多电极数组逐渐变细至在其末端旁由聚酰胺线构成的一保持线(retaining thread)，且应用工具由在其末端具有一穿孔的实心插入针所构成，聚酰胺线被设计来在应用多电极数组之前穿过插入针的所述穿孔。

在这种方式中，聚酰胺挠性轴藉由聚酰胺线的组件耦合至插入针。这种技术允许了插入针的较小尺寸和较尖锐的顶端来穿透较坚韧的组织。插入针较佳由一直径200微米的钢杆体所构成。较佳地，插入针在初始的5.75公厘是以3度角逐渐变细，且在最后公厘处逐渐变细至10度的顶端。其具有一孔钻过角度平面从端部约为一公厘。典型的挠性轴用于此插入针端部带着5公分长和100微米宽的聚酰胺的线，其进一步变窄至40微米于其碰到挠性轴处。这个缩减的聚酰胺保持线允许了挠性轴被耦合至插入针来植入，但一旦装置被植入，可以从挠性轴机械地分离。保持线被引入通过插入针的孔，耦合挠性轴至插入针。挠性轴和保持线由单一块聚酰胺所制造且与插入针平齐。挠性轴以这种方式插入。一旦挠性轴被插入，保持线藉由在保持在线简单地拉动被从挠性轴机械地分离。当挠性轴保持于该地点时，插入针可接着被撤回而无残留。

根据又一个较佳的实施例，可挠性多电极数组具有一保持孔，在其末端旁边，且应用工具由一插入针和一分离的聚酰胺线所构成，插入针在其末端处具有一穿孔，聚酰胺线设计来在应用多电极数组之前穿过插入针中的所述穿孔，且穿过可挠性多电极数组中的保持孔。

在这种方式中，挠性轴藉由聚酰胺线的组件耦合至插入针。这个实施例因此为第一实施例中的挠性轴和第二实施例中的插入针之合并，第一实施例中的保持导线被分离的聚酰胺线取代。此第三实施例的处理类似于第二实施例的处理。在应用挠性轴至脑组织之前，挠性轴利用分离的线的组件，藉由将其穿过保持孔并穿过插入针中的穿孔，将挠性轴连接至插入针。一旦挠性轴被插入，聚酰胺线被拉动且至挠性轴的机械性连接被分离，因此插入针和聚酰胺线可从手术区域被拉出而无残留。

在又一较佳的实施例中，可挠性多电极数组于末端具有一加强保持孔，且应用工具由一插入针和一分离的聚酰胺线所构成，插入针在其末端具有两个穿孔，分离的聚酰胺线设计来在应用多电极数组之前以环状方式(loop-like manner)穿过插入针的所述穿孔，穿孔作为环线引导(loop thread guide)。

此第四个实施例与先前描述的第三个实施例密切相关。处理也非常类似除了从聚酰胺线通过插入针的顶端之穿孔来形成环。

本发明的组件和具体而言所有的前述实施例可较佳地更藉由一可移除的导管来开发，前述导管在应用应用工具、耦合装置和薄膜条带的组合件之前包围至少一部份的耦合装置和应用工具。

导管允许更小直径的插入针且在瞄准非常深的结构时增加定位(localization)的精准度。这是因为由导管所赋予的组合件的额外的机械稳定性。

根据一实施例，较佳的是导管的顶端具有一尖锐的插管型切割形状(sharpcannula-type cutting shape)。此尖锐端部的导管在应用和薄膜条带的植入之前穿透组织达一定的距离。这可允许穿透坚韧的组织且保证非常深的结构的准确瞄准，对于到达目标所需的应用工具之长度将导致应用工具的潜在弯曲和随后的错位而言。

根据另一实施例，导管的顶端具有一钝的或平坦的形状。钝端部的导管可定位抵靠硬脑膜，且应用工具和薄膜条带可通过硬脑膜和组织被植入。再次说明，这可允许抵达深处的目标，因为提供稳定性和保持应用工具的结构完整性。

较佳地，导管由具有220～260微米之内径和300～400微米之外径的钢管构成。

根据一非常优良的实施例，导管设有切入其外的通道，用于接受薄膜条带，允许薄膜条带在其插入活组织时待在导管之外。在使用时，应用工具放置于导管内，而薄膜条带通过通道被固定至应用工具。所述通道允许薄膜条带保持在该地点，其后应用工具和导管被移除。

附图说明

现在将使用根据所绘图式的实施例更详尽地描述本发明。

图1系表示根据本发明之第一实施例的组件，具体而言

图1a一插入针，

图1b一保持导线，

图1c以一可挠性多电极数组为形式的示意性的一薄膜条带，以及

图1d摆放在一起时的组件，准备好来使用，

图2系表示第二实施例的组件，具体而言

图2a一插入针的剖视图，

图2b插入针的俯视图，

图2c示意性的一可挠性多电极数组，在其末梢区域逐渐变细至一线，

图2d摆放在一起时的组件，

图3系表示第三实施例的组件，具体而言

图3a一插入针(剖视图和俯视图)，

图3b示意性的一可挠性多电极数组，

图3c摆放在一起时的组件，

图4系表示第四实施例的组件，具体而言

图4a一插入针(剖视图和俯视图)，

图4b示意性的一可挠性多电极数组，

图4c摆放在一起时的组件，

图5系表示第1d图的实施例藉由一导管而完成，前述导管包括具有一尖锐的插管型切割形状的一顶端，以及

图6系表示第4c图的实施例藉由一导管而完成，前述导管包括显露一钝的形状的一顶端。

具体实施方式

第1图系表示第一实施例的组件。其包括三个部分，即挠性轴9、作为应用工具的一插入针10以及一保持导线13。

挠性轴9仅示意性地表示。其在其末端具有一加强保持孔8。保持孔8在组件的应用之前和期间提供保持导线13的容置。保持导线13扣住挠性轴9横卧在一窗口12中以连至插入针10，前述窗口12位于插入针10的一侧在其末端旁边。为了达到这个目的，窗口12朝向插入针10的内部钻孔11开放，允许保持导线13穿过挠性轴9的保持孔8。以这种情况下，耦合装置藉由保持导线13与保持孔8和插入针10的相互作用而形成。

为了不费力的穿透硬脑膜，插入针10于其末端具有一锥形顶端14。

第2图系表示第二实施例的组件之一例子。如所示，应用工具7由实心插入针15所组成，较佳为由钢杆体所构成(没有内部钻孔)。然而其于其末端具有一穿孔16。穿孔16是设计来容置一可挠性多电极数组17或挠性轴。挠性轴逐渐变细至其末端18从例如100微米至40微米形成一聚酰胺线。

在使用应用工具前，组件藉由将挠性轴17穿过插入针15的穿孔16来预备，因此挠性轴17的锥状部分被保持在穿孔16的区域中。在这个组合中，一预定断点(breakingpoint)产生于挠性轴17的聚酰胺线。一旦挠性轴17位于关注的区域中，藉由简单地拉动其末端18，挠性轴17的保持线从挠性轴分离，保持线将导致其在穿孔16中断裂。接着插入针可从手术区域拉出而无残留。据此，耦合装置藉由可挠性多电极数组17的末端18与插入针15中的穿孔16之交互作用而形成。

第3图系表示另一实施例的组件。在此，应用工具7由实心插入针25组成，前述实心插入针25可由类似于前述实施例中的组件的插入针15所构成。这意味着插入针25较佳为由在其末端具有穿孔26的钢杆体所构成。本实施例中组件的另一零件为一分离的聚酰胺线29。聚酰胺线29可以使可挠性多电极数组24可释放地的且仅机械地连接至插入针25。出于这样的原因，可挠性多电极数组24类似于第一实施例的可挠性多电极数组9，并于其末端具有一保持孔23。此时，为了应用工具的穿透，分离的聚酰胺线29穿过可挠性多电极数组24的保持孔23且穿过插入针25的穿孔26。在可挠性多电极数组24插入脑中时，可挠性多电极数组24与插入针25的连接较为牢固，相较于其他实施例中的连接而言。

一旦可挠性多电极数组24抵达组织中期望的位置，聚酰胺线29被简单地拉动且破裂。破裂的聚酰胺线29的两端以及插入针25可从手术区域拉出而没有残留留下。据此，耦合装置在这种情况下系藉由聚酰胺线29与可挠性多电极数组24中的保持孔23和插入针25中的穿孔26之交互作用而形成。

可挠性多电极数组和插入针之间更牢固的连接可藉由根据第4图的实施例支持舰所达成。

此实施例与前述实施例非常类似。这是为何以下仅强调了差异。除此之外，参考实施例3的细节。

在此，实心插入针于其末端具有两个穿孔36、37。分离的聚酰胺线29此时需要穿过穿孔36、37两者以及穿过可挠性多电极数组24中的保持孔23。其结果是一个非常紧密且结实的数组定位，允许其被放入脑中即便需要通过坚硬的硬脑膜。

实施例3和4允许重复使用挠性轴。挠性轴所费不赀且例如可在动物实验中重复使用。与此相反，在实施例2中的挠性轴于末端18需要薄线。一旦此线被机械地分离后，需要使用一个全新的具有线的挠性轴，因为似乎不可能将一新的线修复至已使用的挠性轴。

当挠性轴电极插入细胞期间需要从挠性轴电极纪录电位，实施例4是较佳的应用，因为没有分离的线穿过挠性轴24。

第5图系表示第1d图的实施例。因此参考相应的描述。然而，在此，藉由一导管40完成实施例，导管40提供组件增强的机械稳定性。如同可看到的，保持线13和插入针10被放置在导管40之内而挠性轴9被放置在导管40之外。在此实施例中，导管40包括具有尖锐的插管型切割形状的顶端。

在第6图中示出第4c图的实施例。对于笔记参考相应的描述。然而，在此，导管41被加入其他零件的组合件。清楚地说，插入针35以及聚酰胺线29被放置在在导管41之内而可挠性多电极数组被放置在导管41之外。在此，导管41包括具有钝的形状的顶端43。

参考符号

6 可挠性薄膜条带

7 应用工具

8 保持孔

9 可挠性多电极数组

10插入针

11内部钻孔

12窗口

13保持导线

14锥形顶端

15插入针

16穿孔

17可挠性多电极数组

18末端

23保持孔

24可挠性多电极数组

25插入针

26穿孔

29聚酰胺线

35插入针

36穿孔

37穿孔

40导管

41导管

42顶端

43顶端