无影灯下，一位帕金森女性患者躺在手术台上，她将要接受的手术被称作脑深部电刺激术，虽说是手术，但医生并不会切除她的任何组织，而是仅仅将一根微米级别的电极植入到她的大脑核团之内。该患者由于帕金森的原因，多年来四肢一直有震颤的症状。经过2个小时的电极植入手术，在植入电极的刺激器开启瞬间，伴随了她14年的震颤消失了。

这是2019年播出的纪录片《手术两百年》中的一个片段，相信看过这集纪录片的观众对深部脑刺激这个神奇的技术印象深刻。

深部脑刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）指的是通过向患者特定的深部脑区植入电极，用微电极刺激脑区，主要用于治疗帕金森引起的震颤，癫痫，特发性震颤，妥瑞综合征等疾病引起的多种药物难治型的运动障碍。

 

（图：DBS示意图）

发展历史

对于大脑的探索，从古至今人类一直都没有停止前进的脚步。早在公元46年，就有人开始尝试通过将电鳐放在头上治疗头痛。直到18世纪，人们才逐渐意识到大脑是一个不均匀的电学器官。1864年，Fritsch和Hitzig医生注意到，在包扎一侧颅骨外伤伤口的时候，会引起对侧的肢体抽搐。恰逢此时电池发明不久，电学兴起。于是，在6年后，Fritsch和Hitzig在狗身上展开实验，通过电池，以分级的电能分别给狗的大脑皮层施加刺激，从而诱导出从细小的手臂运动到全身性震挛发作。

 

（图：Bartholow医生）

（图片来源：Wikipedia）

 为了尝试观察他人的动物实验是否在人类身上也适用，来自美国的Bartholow医生决定做出尝试。1874年，辛辛那提（Cincinnati），一位基底细胞癌晚期的病人，由于癌细胞侵袭了颅骨，精神异常。Bartholow医生得以用电流刺激她的大脑。起初，实验开展的比较顺利，电流刺激引起了对侧的肢体运动。然而，在随后的一次实验中，这位病人由于电流刺激，被诱导出癫痫发作。随后几天，癫痫成为自发性发作，随后该名患者最终死亡。

这在当时引起了不小的舆论压力，虽然Bartholow医生将患者的死亡归咎于基础疾病。然而仍旧受到了大量的谴责，美国医学会，英国医学期刊等机构认为患者精神异常并不能做出有效的知情同意，在实验过程中遭受痛苦的体验，以及加速了最终的死亡。

随后，关于电刺激对于人脑的影响便暂时停滞。

十年后，霍斯利（Horsley）医生提出了大脑存在功能性分区的概念，此外在他人的建议下，1887年他开展了癫痫外科病人使用的第一例皮质脑电图记录实验。1908年，他与Clarke医生一同发明了叫做立体定位手术的技术。简单讲就是将多组带有坐标刻度的支架固定在动物的颅骨上，用于在手术过程中对大脑区域进行精确定位，使其成为了神经外科手术的重要开创者之一。1947年，Spiegel等人改进和发明了脑立体定位器，用于患者的外科手术定位。至今为止，神经外科手术仍然使用这种方式对手术进行定位。

 

（图：Spiegel等人制作的早期立体定位仪（侧面观））

有了具体的定位手段，神经外科领域迅速发展。

在此之前，癫痫、帕金森、精神分裂症等多种疾病需要通过外科手术切除部分脑组织的方式加以治疗。1890年Horsley医生针对运动障碍的患者在椎体系统部位展开了皮质消融技术。尽管这些手术成功消除了不正常的运动症状，但是患者遗留了明显的后遗症，例如肢体瘫痪。

 

20世纪50年代，电刺激仅用于标记大脑重要的关键结构，用于矫正立体定位仪的误差。除此之外，在进行脑组织的外科切除之前，人们也需要对大脑进行长时间的信号记录。

1960年，Chardack等人改进了第一例可以植入的心脏起搏器。于是电刺激又一次进入了医生们的视野。

1967年Shealy发明了脊椎刺激器，为下一步电刺激治疗运动和精神障碍打好了基础。

但治疗脑部疾病的方式并不总是用外科的手段，1954年，氯丙嗪的出现用于替代了一些精神疾病的外科治疗手段。

 

（图：左旋多巴）

（图片来源：科研文献）

而1968年，随着左旋多巴的出现，使得帕金森这种疾病的外科治疗手段发展也趋于停滞。左旋多巴作为口服药物，很好地缓解了帕金森的一些症状。人们开始认为药物是治疗神经疾病的更好方式。由于外科手段的高风险与并发症和部分实验的伦理道德因素。1977年，美国国会通过了生物医学和行为研究人体受试者保护法案，许多医院对于心理疾病的外科治疗手段被禁止开展。

于是电刺激治疗的研究又一次陷入低谷。

随着时间推移，功能神经外科虽说发展缓慢，考虑到病人数量稀少，手术花费高昂，以及对设备和器械具有极高的要求，脑室造影和术中电生理学等发展受到了限制，但这些领域仍旧有些许进展。

20世纪50年代，临时植入在不同脑区的电极用于治疗疼痛取得了很好的效果。

20世纪70年代早期，出现了一些关于长期深部脑刺激系统植入到丘脑治疗疼痛的报道。

随后，美敦力公司（Medtronic）于1976年在明尼阿波利斯（Minneapolis)建立了第一个神经学分部，致力于开发治疗慢性疼痛的深部脑刺激设备。此外，也有其他公司将该技术用于解决植物状态的患者。

 

（图：美敦力神经外科）

（图片来源：美敦力官网）

DBS技术的发展逐渐加速

尽管多巴胺出现替代了帕金森的部分外科治疗手术，但是对于药物难治型的患者，以及由于其他病因导致的运动震颤患者，外科手术仍然是一种可选方案。

1991年，Benabid的团队，Blond和Siegfried的团队，都报道了丘脑DBS对于震颤的治疗，随后的研究也发现，丘脑的DBS比起外科手术而言，更加安全有效，尤其是对于双侧丘脑切除术。

这些研究促使美敦力的Active系统在1997年获得上市批准，用于特发性震颤以及pd震颤和丘脑进行DBS。2003年FDA批准了STN DBS和GPi DBS的人道主义器械豁免，批准用于丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）和苍白球（globus pallidus internus，GPi）的DBS治疗和缓解帕金森引发的症状。

人们逐渐意识到，左旋多巴再也不是曾经的灵丹妙药了。随着病情进展，左旋多巴诱发的运动紊乱以及更频繁的用药引起的运动不稳定，让患者们对于DBS的需求逐渐增加。

2009年，FDA批准用于原发性广泛性和节段性肌张力障碍以及强迫症，目前，深部脑刺激也已成功应用于治疗妥瑞综合征、抑郁症和癫痫，也有使用DBS治疗头痛、疼痛、植物人状态、成瘾、肥胖、痴呆和中风康复的病例报告。

 

DBS的治疗设备

DBS治疗震颤的原理目前尚不完全明确，有学者认为是由于高频电的振荡与脑内的正常神经震荡发生频率交互效应，抑制了异常放电频率的振荡。以使得脑内其他的电信号得以正常整合与传播。

类似于心脏起搏器，DBS设备包括需要植入到颅内的电极和导线部分，还有要植入到皮下的脉冲发生器部分。

 

（图：Kinetra IPG (Medtronic Inc.) 美敦力公司的双电极刺激器）

（图：美敦力的Medtronic 3387 DBS电极末端）

 通过立体定位器，医生将微电机插入脑内的相应核团区域，用脉冲电信号刺激目标区域，抑制该区域的不正常放电。从而消除患者的震颤症状。

 

（图：医生用程控仪）

（图：病人用程控仪）

 

国内外DBS研究概况

从现在的植入水平和数量而言，全国形成了以北京、上海、西安、长沙、成都和沈阳的六大中心，在北京，天坛医院和宣武医院是全国开展此类手术最早的医院之一，在上海，瑞金医院和长海医院也久负盛名。其次，西安的唐都医院，沈阳的沈阳军区总医院、成都的华西医院也是西北地区、西南地区和东北地区开展DBS手术最好的医院，而在中南地区，开展DBS手术最好的医院则是湘雅医院。

 

（图：天坛医院新院区）

（图片来源：医院官网）

首都医科大学天坛医院功能神经外科是该领域的领先团队，自1998年开展DBS以来，每年能完成五百多例DBS手术，此外还通过DBS用于治疗多种神经疾病，已达到国内外先进水平，2020年12月8日，由神经调控技术国家工程实验室研发的“方向脑深部电刺激系统”，由解放军总医院海南医院和首都医科大学附属北京天坛医院联合开展临床试验，此为国内首例方向脑深部电刺激系统成功实现临床植入。此外还有中国科学技术大学附属第一医院(安徽省立医院)神经外科主任牛朝诗教授团队正在这个领域开展联合研究，深入探讨脑深部核团的功能分区和基于此的智能手术导航系统，并有望在未来取得实质性突破。

不过，即便如此，与接受心脏起搏器治疗的患者类似，接受深部脑刺激设备植入的患者在术后的生活当中，仍有一些限制。尤其是不能接受某些治疗，例如钴60的放射治疗，部分超声波诊断和治疗。对与射频信号相关的设备使用也受到限制，也需要避免强电场和磁场设备的干扰。

此外，目前的电极大多是由铂和氧化铱作为材料的，因此刺激器在核磁共振检查中会产生金属伪影和热量，会影响医生观察和使患者产生不适，而且金属电极会随着植入时间的增加会产生退化现象。因此，为了提高微电极的核磁共振检查兼容性和植入设备的长期性，圣地亚哥州立大学工程师和德国KIT的研究人员在2019年合作开发了一种玻璃碳材料的电极来替代金属电极。这种电极与金属电极不同，不会被核磁设备所磁化，也不会刺激患者的大脑。新的材料可以延长植入时间和稳定植入效果，在将来是DBS设备中具有极高的价值。

总之，近年来对于可穿戴医疗设备电源的改进等等技术发展，也预示着未来的DBS刺激系统更安全更轻便，逐渐会解决这类问题。对于这部分的材料研发和技术进展，必然也会推动该领域的发展。未来随着材料科学的不断进步，控制理论和神经科学基础研究的不断深入，对于深部脑刺激设备的改进和升级也逐渐加速。上下游企业的进展会促进该领域新产品和新技术的公关改进。

 

生产企业

目前国内外致力于DBS设备的生产厂商有很多，其中最早的美敦力属于DBS设备的开拓者，与随后的雅培和波士顿科学，出现大企业三足鼎立的市场格局。但值得注意的是除此之外国外还有一些新兴上下游厂商和研发团队的加入，例如Cadence Neuroscience和Rune Labs等。

国内具有代表性的公司有北京品驰医疗，上海神奕医疗，北京轩承科贸，杭州承诺医疗科技，开封市学国生物，苏州景昱医疗，广州迈普再生医学，乐普医学，常州瑞神安，先健科技等。

目前国内该领域竞争初起，新兴公司与企业竞相出现，但由于各个公司所涉及的DBS的细分领域各不相同，无法直接进行比较。因此，本文的下半部分将对DBS设备的细分业务，对现有的公司做一些详细整理，以供该领域感兴趣的研究者进行参考。

 

参考文献以及图片来源：

[1] Schwalb JM, Hamani C. The history and future of deep brain stimulation. Neurotherapeutics. 2008 Jan;5(1):3-13. doi: 10.1016/j.nurt.2007.11.003. PMID: 18164479; PMCID: PMC5084122.

[2]西京医院神经外科：深部脑刺激授课讲座资料.