毫米级无电池硬膜外皮质刺激器 Joshua E. Woods 1,& , Amanda L. Singer 1,2,& , Fatima Alrashdan 1 , Wendy Tan 1 , Chunfeng Tan 3 , Sunil A. Sheth 3 , Sameer A. Sheth 4 , Jacob T. Robinson 1,2,5,6,7 * 1 莱斯大学电气与计算机工程系，6100 Main St, Houston, TX, 77005 2 Motif Neurotech，702 Marshall St, Houston, TX, 77006 3 UTHealth McGovern 医学院神经内科，6431 Fannin St, Houston, TX, 77030 4 贝勒医学院神经外科系，1 Baylor Plaza, Houston, TX, 77030 5 莱斯大学生物工程系， 6100 Main St，休斯顿，德克萨斯州，77005 6 莱斯大学应用物理学项目，6100 Main St，休斯顿，德克萨斯州，77005 7 贝勒医学院神经科学系，1 Baylor Plaza，休斯顿，德克萨斯州，77030 & 这些作者贡献相同 * 通讯作者，jtrobinson@rice.edu 摘要 难治性神经和精神疾病越来越多地使用植入式神经调节装置进行脑刺激疗法治疗。然而，目前市售的刺激系统受到对植入式脉冲发生器和有线电源的需求的限制；这种架构的复杂性会产生多个故障点，包括导线断裂、移位和感染。实现微创方法可以增加获得这些疗法的机会。在这里，我们展示了第一个毫米大小的无导线脑刺激器，用于大型动物和人类受试者。这种数字化可编程的超脑治疗装置 (DOT) 宽度约为 1 厘米，但可以通过硬脑膜产生足够的能量来按需刺激皮质活动。这种极端的小型化是使用最近开发的磁电无线电力传输实现的，它使我们能够达到刺激大脑表面所需的功率水平，而无需直接接触皮质表面。这种外部供电的皮质刺激 (XCS) 开启了简单的微创外科手术的可能性，可以通过永不接触大脑表面的微型植入物实现精确、持久和在家的神经调节。当药物无效、效果不佳或产生无法忍受的副作用时，患者和临床医生越来越多地转向神经调节来寻求有效的治疗方法。对于帕金森病 (PD) 和特发性震颤 (ET)，深部脑刺激是治疗震颤 1 和其他症状 2 的标准治疗方法。对于重度抑郁症 (MDD) 和强迫症 (OCD) 等精神健康问题，越来越多的共识认为，当药物无法提供充分治疗时，通过神经生理学调节特定大脑区域的活动可以提供一种有效的治疗方法 3 。经颅磁刺激 (TMS) 就是应用这种刺激的一种方法。TMS 可以使用 1-2 特斯拉的外部磁场 4 ，非侵入性地激活大脑表面几毫米到几厘米大小的小区域，并且已经在大量临床研究中成功用于治疗神经精神疾病。自 1998 年以来，使用 TMS 治疗神经精神疾病的临床试验数量呈指数级增长，翻倍时间约为 2.5 年 5 。根据这些临床试验的数据，FDA 已批准使用 TMS 治疗难治性抑郁症，并且如果患者对传统抗抑郁疗法无效，大多数保险公司都会报销多次临床治疗的费用 6 。还有有希望的数据表明，TMS 可用于治疗强迫症 7 、创伤后应激障碍 8 和阿尔茨海默病 9 。虽然 TMS 是一种经过临床验证的疗法，但这种疗法有两个主要局限性。首先，TMS 系统目前需要大约 3 MW 10 的大峰值功率，这意味着它们目前仅获准在诊所使用。因此，对于住得离 TMS 设施较远或无法从工作或其他生活中抽出时间接受日常 TMS 治疗的患者，无法使用 TMS。其次，每次治疗定位可能不精确，因为每次患者在诊所时都必须对准刺激器。虽然还有其他非侵入性脑刺激形式，如经颅直流刺激 (tDCS) 和经颅交流刺激 (tACS)，但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用，可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强，而不会激活头皮中的神经，而头皮神经会产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激，持续激活大脑，但这些植入物需要复杂的外科手术，其成本和复杂性可能会限制患者的接受度。传统上，慢性刺激器的植入包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG)，通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时，导线必须穿过头部和颈部，据报道，4% 至 15% 的植入导线会因频繁移动而发生导线移位和断裂 16,17 。或者，也可以将 IPG 植入颅骨中，这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此，这些类型的设备已成功用于根据这些临床试验的数据，FDA 已批准使用 TMS 治疗难治性抑郁症，并且如果患者对传统抗抑郁疗法无效，大多数保险公司会报销多次诊所治疗的费用 6。还有有希望的数据表明，TMS 可用于治疗强迫症 7、PTSD 8 和阿尔茨海默病 9。虽然 TMS 是一种经过临床验证的疗法，但这种疗法有两个主要局限性。首先，TMS 系统目前需要大约 3 MW 10 的大峰值功率，这意味着它们目前仅被批准用于诊所。因此，对于那些住得离 TMS 设施很远或无法抽出时间离开工作或其他生活活动来参加日常 TMS 治疗的患者来说，TMS 是无法使用的。其次，由于患者每次在诊所时都必须对准刺激器，因此每次治疗的定位可能不精确。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激，如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS)，但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用，可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强，而不会激活头皮中的神经，而头皮神经会产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激，持续激活大脑，但这些植入物需要复杂的外科手术，其成本和复杂性会限制患者的采用。传统上，慢性刺激器的植入包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG)，通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时，导线必须穿过头部和颈部，据报道，4% 至 15% 的植入导线因频繁移动而导致导线移位和断裂 16,17 。或者，也可以将 IPG 植入颅骨中，这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此，这些类型的装置已成功用于根据这些临床试验的数据，FDA 已批准使用 TMS 治疗难治性抑郁症，并且如果患者对传统抗抑郁疗法无效，大多数保险公司会报销多次诊所治疗的费用 6。还有有希望的数据表明，TMS 可用于治疗强迫症 7、PTSD 8 和阿尔茨海默病 9。虽然 TMS 是一种经过临床验证的疗法，但这种疗法有两个主要局限性。首先，TMS 系统目前需要大约 3 MW 10 的大峰值功率，这意味着它们目前仅被批准用于诊所。因此，对于那些住得离 TMS 设施很远或无法抽出时间离开工作或其他生活活动来参加日常 TMS 治疗的患者来说，TMS 是无法使用的。其次，由于患者每次在诊所时都必须对准刺激器，因此每次治疗的定位可能不精确。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激，如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS)，但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用，可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强，而不会激活头皮中的神经，而头皮神经会产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激，持续激活大脑，但这些植入物需要复杂的外科手术，其成本和复杂性会限制患者的采用。传统上，慢性刺激器的植入包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG)，通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时，导线必须穿过头部和颈部，据报道，4% 至 15% 的植入导线因频繁移动而导致导线移位和断裂 16,17 。或者，也可以将 IPG 植入颅骨中，这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此，这些类型的装置已成功用于每次治疗定位可能不精确，因为患者每次去诊所时都必须对准刺激器。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激，如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS)，但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用，可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强，而不会激活头皮中的神经，从而产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激，持续激活大脑，但这些植入物需要复杂的外科手术，其成本和复杂性可能会限制患者的采用。慢性刺激器的植入传统上包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG)，并通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时，导线必须穿过头部和颈部，频繁移动会导致导线移位和断裂，据报道，植入导线中有 4% 至 15% 会发生这种情况 16,17 。或者，也可以将 IPG 植入颅骨中，这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此，这些类型的设备已成功用于每次治疗定位可能不精确，因为患者每次去诊所时都必须对准刺激器。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激，如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS)，但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用，可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强，而不会激活头皮中的神经，从而产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激，持续激活大脑，但这些植入物需要复杂的外科手术，其成本和复杂性可能会限制患者的采用。慢性刺激器的植入传统上包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG)，并通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时，导线必须穿过头部和颈部，频繁移动会导致导线移位和断裂，据报道，植入导线中有 4% 至 15% 会发生这种情况 16,17 。或者，也可以将 IPG 植入颅骨中，这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此，这些类型的设备已成功用于