耳蜗植入物和为耳蜗植入物生成刺激的方法技术

公开了一种耳蜗植入物(CI)和为CI生成刺激的方法。CI可以包括：被配置为生成具有至多1600nm的波长的多个光信号的至少一个光信号发生器；以及用于向沿着耳蜗神经的不同位置传送光信号的多个光发射器。该方法还可以包括通过对刺激波长和刺激脉冲形状的选择来优化刺激能量。激能量。激能量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】耳蜗植入物和为耳蜗植入物生成刺激的方法
[0001]政府利益声明
[0002]本专利技术是在美国政府根据由国家耳聋和其他沟通障碍研究所(美国国家卫生研究院的部分)资助的基金号R01
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DC011855和R56DC017492进行支持的情况下来创造的。美国政府对本专利技术享有一定的权利。
专利

[0003]本专利技术涉及在神经假体中、一般地和特别地在耳蜗植入物中的神经刺激。更特别地，本专利技术涉及用于为耳蜗植入物生成光学神经刺激的系统和方法。
[0004]专利技术背景
[0005]耳蜗植入物(CI)是向具有重度至极度感音神经性听力丧失的患者提供声音的感觉的以手术方式植入的神经假体设备。市场上可买到的CI包括电触点阵列(CI电极)，其以手术方式插入到耳蜗的鼓阶内以刺激耳蜗神经。大多数市场上可买到的CI包括12
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22个电触点。沿着耳蜗螺旋的接触位置被选择，以便刺激耳蜗神经的不同部位，其对应于不同的声频带。CI还包括被配置为捕获声信号(例如语音、音乐等)的麦克风和被配置为将声信号分成多个频带的声音处理器，该多个频带对应于沿着耳蜗螺旋放置的CI电极的电触点的数量。处理器然后确定电流应该被传送到哪个电触点以及在多大强度下被传送，以便刺激沿着耳蜗神经的相对应的位置。
[0006]耳蜗组织的电特性导致宽的电流分布，耳蜗神经的相对应的宽截面通过每个电触点进行刺激，导致沿着耳蜗的多达8个独立频带。
[0007]一些改进被做出以通过将电极及其电触点定位成更靠近耳蜗神经元的预弯电极设计(peri
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modiolar electrode designs)或多极刺激或电流导引来增加电刺激的空间分辨率，多极刺激使用电极触点中的多于一个电极触点来使电流场变窄，电流导引使用在相邻通道之间的相互作用和干扰来在用于传送电流的电极触点的位点之间唤起感知。电流导引增加了CI用户可以感知的音高(pitches)的数量。
[0008]已经提出了用于包括CI的下一代神经假体的利用光子的神经刺激。光子刺激的潜在好处是它对小神经元群的空间选择性激活。刺激沿着耳蜗的螺旋神经节神经元(SGN)群越小提供越大数量的独立通道来对声信息编码。听力可以以更高的保真度和在嘈杂听音环境中的性能、使用音调语言的性能下被恢复，且音乐欣赏可能提高。刺激神经的所需能量取决于刺激技术。电流是最有效的方式，而光刺激需要更高的刺激能量，且此外将电能转换成辐射能量进一步到刺激光的有限效率(电光转换效率(wall
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plug
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efficiency))增加了消耗的能量和散热。
[0009]存在用于耳蜗的光学神经刺激的两种已知的方法：光遗传学和红外神经刺激(INS)。光遗传学需要病毒载体来表达在目标神经元的膜中的光敏离子通道。INS不需要这样的治疗，因为在INS期间在目标组织中的流体吸收光子，且它们的能量转换为热量。结果是快速、空间受限的加热(dT/dt)，其引起导致去极化电流的细胞膜的电容变化、温度敏感离子通道(例如瞬时受体电位通道)的激活、钾和钠通道的选通动力学的变化、GABAergic传
输的调制(例如，关于或影响神经递质GABA(γ
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氨基丁酸))、第二信使的激活、细胞中的钙释放，或引起机械事件，例如具有可测量压力的应力松弛波。
[0010]先前用于神经刺激的波长为约1900nm，因为这些波长在目标组织的流体(例如盐溶液、水等)中具有高电磁(EM)辐射吸收系数，如图1所示。图1示出了水中的辐射能量的吸收系数与在1200nm
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2400nm之间的光谱处的波长的关系曲线图。
[0011]除了高辐射吸收系数之外，1900nm左右的波长也由于它们的低散射系数而被选择，并且临床激光器(如Ho:YAG和铥激光器)在该波长范围处是可得到的。
[0012]在光学耳蜗植入物中，刺激元件被插入到鼓阶内以刺激位于罗森塔尔氏管中的耳蜗神经的螺旋神经节(SG)。朝着SG传送的辐射能量由位于光子的从鼓阶到SG和听觉神经的路径中的所有组织(包括蜗轴状骨头(modiolar bone))吸收和散射。在光子束的路径中的组织使所传送的光子散射，并且可以急剧增加光斑尺寸并减少在目标组织处的每单位面积辐射能量。散射导致刺激的空间选择性的损失，并进一步增加刺激所需的辐射能量。因此，基于使用具有在1850
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2100nm之间的波长的EM能量进行的先前实验——先前实验显示了在刺激所需的辐射能量和(例如，引起损伤的)组织消融能量之间的高安全范围，由此得出结论，较短的波长较不适合或不适合于耳蜗神经刺激。
[0013]通过组织的辐射能量的减少以消光系数(μ
e
)描述，消光系数是光子的通过散射(μ
s
)和吸收(μ
a
)的损失之和。虽然光子的高散射在较短波长处占优势，但高吸收在较长波长处占优势。不足为奇的是，有人主张由于光子的散射，较短的波长对耳蜗神经的INS不太有益，这导致束斑尺寸的增宽和刺激的空间选择性的损失。
[0014]在1250nm和1600nm之间的辐射波长通常被用在电信行业中，并且低成本且容易得到的激光和光传送技术已经被开发。此外，IR激光二极管的电光转换效率对于较短的波长一般更大。
[0015]因此，如果可以以使用已经为电信行业开发的低成本且容易得到的技术的可能性找到在耳蜗中使用较短波长的设备和方法将是有益的。
[0016]专利技术概述
[0017]本专利技术的一些方面的目的在于一种耳蜗植入物(CI)，其包括：至少一个光信号发生器，该至少一个光信号发生器被配置为生成具有至多1600nm的波长的多个光信号；以及多个光发射器，所述多个光发射器用于向沿着耳蜗神经的不同位置传送光信号。
[0018]在一些实施例中，至少一个光信号发生器可以被配置成生成在1300
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1460nm的波长处的信号。在一些实施例中，多个光发射器是选自光栅、透镜、反射镜和棱镜的光学投射元件，并且耳蜗植入物还包括至少一个波导，该至少一个波导用于将所生成的光信号从至少一个光信号发生器传送到多个光发射器。在一些实施例中，该至少一个波导由被成形为适合耳蜗的光学聚合材料制成。在一些实施例中，每个波导管可以被成形为适合特定患者的耳蜗。
[0019]在一些实施例中，CI可以包括一束波导，以及其中，该一束波导被成形为适合特定患者的耳蜗。在一些实施例中，该至少一个波导可以包括嵌在该至少一个波导中的一个或更多个光放大器，以用于放大多个光信号中的至少一些光信号。在一些实施例中，至少一个光信号发生器是选自激光二极管和发光二极管(LED)的光子生成源。
[0020]在一些实施例中，光信号发生器可以是电源，以及多个光发射器选自激光二极管
和LED，并且耳蜗植入物还包括被配置为向激光二极管或LED提供电力的至少两根电线。
[0021]在一些实施例中，CI还可以包括：被配置为从控制器接收指令本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种耳蜗植入物，包括：至少一个光信号发生器，所述至少一个光信号发生器被配置为生成具有至多1600nm的波长的多个光信号；以及多个光发射器，所述多个光发射器用于向沿着耳蜗神经的不同位置传送所述光信号。2.根据权利要求1所述的耳蜗植入物，其中，至少一个光信号发生器被配置成生成在1300
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1460nm的波长处的所述信号。3.根据权利要求1或2所述的耳蜗植入物，其中，所述多个光发射器是选自由以下项组成的组的一个或更多个光学投射元件：光栅、透镜、反射镜和棱镜，并且所述耳蜗植入物还包括至少一个波导，所述至少一个波导用于将所生成的光信号从所述至少一个光信号发生器传送到所述多个光发射器。4.根据权利要求3所述的耳蜗植入物，其中，所述至少一个波导由被成形为适合耳蜗的光学聚合材料制成。5.根据权利要求4所述的耳蜗植入物，其中，每个波导被成形为适合特定患者的耳蜗。6.根据权利要求3所述的耳蜗植入物，包括一束波导，以及其中，所述一束波导被成形为适合特定患者的耳蜗。7.根据权利要求3
‑
6中的任一项所述的耳蜗植入物，其中，所述至少一个波导包括被嵌在所述至少一个波导中的用于放大所述多个光信号中的至少一些光信号的一个或更多个光放大器。8.根据权利要求3
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7中的任一项所述的耳蜗植入物，其中，所述至少一个光信号发生器是光子生成源，所述光子生成源选自激光二极管和发光二极管(LED)。9.根据权利要求1或2所述的耳蜗植入物，其中，所述光信号发生器是电源，以及所述多个光发射器选自由激光二极管和LED组成的组，并且所述耳蜗植入物还包括至少两根电线，所述至少两根电线被配置为向所述激光二极管或所述LED提供电力。10.根据权利要求1
‑
9中的任一项所述的耳蜗植入物，还包括：接收器，所述接收器被配置为从控制器接收指令，其中，所述控制器被配置为：控制所述至少一个光信号发生器以生成所述多个光信号。11.根据权利要求10所述的耳蜗植入物，其中，所述控制器还被配置为：控制所述至少一个光信号发生器来以选定脉冲形状生成所述多个光信号，所述选定脉冲形状选自方形脉冲、斜升形脉冲、斜降形脉冲、三角形脉冲和指数上升脉冲。12.根据权利要求10或11所述的耳蜗植入物，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：