CN114177472A - 一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统；包括：N个刺激电极、植入式刺激器和假肢；其中，植入式刺激器与假肢无线通信连接，用于接收假肢产生的刺激参数；植入式刺激器分别与N个刺激电极导线连接，用于将刺激参数转换为假肢受力模拟信号，并分别发送至N个刺激电极，从而实现N个刺激电极产生相应的刺激信号；通过该系统能够解决现有下肢假肢佩戴中患者无法真实感知假肢的运动状态，实现下肢残肢处肌肉群的收缩，增强患者使用假肢的真实感与自然感。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，特别是一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统。
背景技术
下肢截肢不仅造成患者运动功能缺失，还将使其触觉、本体感知等重要感知反馈丧失。为提高患者的生活质量，通常需要给截肢患者配备智能假肢恢复其肢体功能。然而当前智能下肢假肢主要研究集中在机械结构的设计与控制，患者残肢肌肉无法真实感知假肢的运动状态。
为增强假肢在使用中的真实感，即更逼近原生假肢的使用，通常需要将假肢控制信号反馈到使用者。目前常用的感知反馈方法可分为力反馈、震动反馈和电刺激反馈，相比于力反馈、震动反馈需要将电机、连杆等大体积和较重机构装载到肢体所带来的不便，电刺激通过电极下发刺激信号至神经或肌肉实现反馈更为便捷。电刺激反馈可分为侵入式与非侵入式两大类，侵入式较非侵入式而言，具备高仿生特性，使患者体验更为真实和自然。
因此，如何将侵入式电刺激反馈和患者的假肢相结合，增强患者使用假肢的真实感和自然感，成为当前研究的关键问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，通过该系统能够解决现有下肢假肢佩戴中患者无法真实感知假肢的运动状态，实现下肢残肢处肌肉群的收缩，增强患者使用假肢的真实感与自然感。
本发明实施例提供了一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，包括：N个刺激电极、植入式刺激器和假肢；
所述植入式刺激器与所述假肢无线通信连接，用于接收所述假肢产生的刺激参数；
所述植入式刺激器分别与所述N个刺激电极导线连接，用于将所述刺激参数转换为假肢受力模拟信号，并分别发送至所述N个刺激电极，从而实现所述N个刺激电极产生相应的刺激信号。
进一步地，所述假肢包括下肢假肢本体和安装在所述下肢假肢本体上的电机、压力传感器、处理器和主蓝牙模块；
其中，所述电机用于驱动所述下肢假肢本体运动；
所述压力传感器安装于所述下肢假肢本体的足底和接受腔内，用于实时采集所述下肢假肢本体的压力值，并将所述压力值发送至所述处理器；
所述处理器对所述压力值进行计算，获得所述下肢假肢本体的不同运动状态，并将所述下肢假肢本体的不同运动状态转换为对应的刺激参数，并将所述刺激参数通过所述主蓝牙模块发送至所述植入式刺激器。
进一步地，所述植入式刺激器包括：恒流刺激电路、从蓝牙模块和基板；
所述恒流刺激电路和从蓝牙模块安装于所述基板中；
所述恒流刺激电路通过所述从蓝牙模块与所述处理器无线通信连接，用于接收所述处理器发出的刺激参数；
所述恒流刺激电路与N个刺激电极导线连接，用于将所述刺激参数转换为假肢受力模拟信号，并分别发送至所述N个刺激电极，从而实现所述N个刺激电极产生相应的刺激信号。
进一步地，所述恒流刺激电路包括：数模转换器、脉冲处理电路和恒流源电路；
所述数模转换器、脉冲处理电路、恒流源电路和N个刺激电极依次连接；
所述数模转换器用于将所述刺激参数转换为假肢受力模拟信号后发送至所述脉冲处理电路；
所述脉冲处理电路将所述假肢受力模拟信号发送至所述恒流源电路；
所述恒流源电路将所述假肢受力模拟信号分别发送至所述N个刺激电极。
进一步地，所述植入式刺激器还包括锂电池；
所述锂电池安装于所述基板下方，用于为所述恒流刺激电路和从蓝牙模块进行供电。
进一步地，所述基板包括两层，其中一层内嵌有线圈，另一层内安装有所述恒流刺激电路；
所述线圈与所述锂电池连接，通过和无线充电基座磁共振来实现对所述锂电池进行充电。
进一步地，所述基板四周设有手术线缝合孔。
进一步地，所述刺激电极为双极电极。
进一步地，所述恒流刺激电路的数量为N条，分别对应N个刺激电极。
与现有技术人相比，本发明记载的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，具有如下有益效果：植入式刺激器可以将假肢所受到的压力转换为假肢受力模拟信号，并发送至刺激电极，从而实现刺激电极产生相应的刺激信号；基于此，将该系统应用于使用下肢假肢的患者身上，可以刺激患者的神经，从而增强患者使用假肢的真实感与自然感。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统示意图。
图2为本发明实施例提供的植入式刺激器结构示意图。
图3为本发明实施例提供的单根神经恒流刺激电路图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，包括：N个刺激电极、植入式刺激器和假肢；其中，植入式刺激器与假肢无线通信连接，用于接收假肢产生的刺激参数；植入式刺激器分别与N个刺激电极导线连接，用于将刺激参数转换为假肢受力模拟信号，并分别发送至N个刺激电极，从而实现N个刺激电极产生相应的刺激信号。本实施例在实际应用过程中，将上述N个刺激电极分别植入到患者的股神经、坐骨神经和闭孔神经处；同时将植入式刺激器植入到患者的下肢残肢皮下；植入式刺激器可将假肢所产生的刺激参数发送至N个刺激电极处，从而对N个刺激电极所对应的神经起到刺激的作用；患者的股神经、坐骨神经和闭孔神经收到刺激后，下肢残肢肌肉群就会发生收缩，从而增强患者使用假肢的真实感与自然感。
下面分别对上述三个部分进行详细说明。
一、假肢。
如图1所示，本实施例中将假肢划分为处理器、执行部件和主蓝牙模块三部分，其中执行部件为假肢的机械结构与电气结构；机械结构包含齿轮、齿条、气压与液压装置等，这些部件共同组合成下肢假肢本体；电气结构包含电机与压力传感器；其中电机、压力传感器和处理器均安装于下肢假肢本体上；电机用于驱动下肢假肢本体运动；压力传感器安装于下肢假肢本体的足底和接受腔内，用于实时采集下肢假肢本体在不同运动状态时的压力值，并将该压力值发送至处理器；处理器属于假肢的计算中心，处理器的ADC口用于采集压力传感器所发送的压力值，并基于步态周期对该压力值进行计算，从而实现对下肢假肢本体运动状态(慢走、正常走、快走)的识别，并将不同的运动状态转换为对应的刺激参数，通过主蓝牙模块发送至植入式刺激器中的从蓝牙模块；本实施例中的主蓝牙模块和从蓝牙模块的型号均为Risym HC-05，采用蓝牙2.0协议实现通讯。
例如，将患者的右脚跟着地作为起始点(t1)，当右脚跟再次着地时(t2)，则实现一次步态周期，步态周期(T)可用t2-t1来描述；也就是说，处理器可通过检测一个步态周期下两次同一侧脚跟着地的时刻点来完成步态周期时间的计算，实现运动运动状态(慢走、正常走、快走)的识别；不同运动状态下步态周期的对比关系为慢走步态周期(T1)>正常走步态周期(T2)>快走步态周期(T3)；步态周期具体时长可按照患者的实际情况进行设定。
假肢部位的充电与刺激电极处的充电不相关，假肢部位各器件由假肢内的电源模块供电，在假肢内设有锂电池，锂电池负责电源模块的供电；假肢内的电池可替换，当电量低于20％时，将其取下并更换满容量电池；替换下的低电量电池可用有线充电器完成充电。
二、植入式刺激器。
为避免电极植入神经后由于下肢的活动、与生物组织长期接触后电极阻值变化造成刺激阈值不确定，植入式刺激器基于恒流刺激电路将假肢受力模拟信号下发至神经处实现感知反馈，分别刺激神经股神经、坐骨神经及闭孔神经，以引起下肢大腿肌前部、后群及内侧群肌肉的收缩；刺激波形为双向平衡脉冲方波或者单向正脉冲方波，幅值为0.01mA-10mA可调，脉宽为50us-500us可调，频率为10-100Hz可调。
如图2所示，植入式刺激器包括线圈、恒流刺激电路、单片机、从蓝牙模块和锂电池组成，其中线圈、恒流刺激电路、单片机和从蓝牙模块均封装于基板中；该基板为柔性基板，使用时需植入到下肢残肢皮下3-5mm处，基板材料可为聚酰亚胺、液晶聚合物、树脂等，具体使用哪种材料，本实施例不予限定；基板的厚度为0.2mm-0.4mm；基板上设有电极线引导口，恒流刺激电路通过该电极线引导口与N个刺激电极导线连接，用于将将刺激参数传递至刺激电极对应的神经处；柔性基板可制作成矩形、圆形、椭圆形等形状，具体形状可根据患者的实际需求进行设定；基板包括两层，一层内嵌螺旋线圈，线圈的材料为铜，另一层上布置恒流刺激电路所需元器件，实现充电线圈与电路元器件的有效集成，减小了植入式刺激器的体积，减小植入手术时的切口长度，方便植入体内，降低感染的风险，更易于患者的术后恢复；基板使用生物兼容性水凝胶材料封装；为便于将植入式刺激器固定于下肢皮下组织，在柔性基板四周设有手术线缝合圆孔，圆孔尺寸2-3mm；其中单片机用于控制从蓝牙模块接收主蓝牙模块发送的参数信号，此外还控制恒流刺激电路将假肢受力模拟信号发送至刺激电极。
附图图3为单根神经的恒流刺激电路，基于运算放大器搭建，恒流刺激电路包含数模转换器、脉冲处理电路和恒流源电路三部分；本实施例中选用AD8629作为搭建脉冲处理电路，AD8629是零漂移、单电源、轨到轨输入/输出运算放大器，具有超低失调、漂移和偏置电流等特性，且无需外部电容；数模转换器、脉冲处理电路、恒流源电路和N个刺激电极依次连接；其中，数模转换器TLC7226将处理器发出的刺激参数，由数字信号转换成假肢受力模拟信号(D1、D2)传递至脉冲处理电路，再经恒流源电路下发至神经处；恒流电路的搭建基于ADA4522-2零漂移轨至轨运算放大器实现。假肢受力模拟信号的下发与刺激参数的控制通过单片机的GPIO控制TLC7226地址端实现；此外下肢3根神经的刺激采用3个相同的单根神经恒流刺激模块及2个TLC7226模数转换器。
锂电池置于柔性基板下方，具有充电和供电两个功能；从供电方面来讲，锂电池可用于对恒流刺激电路、单片机和从蓝牙模块进行供电；从充电方面来讲，可基于磁共振无线充电原理实现充电，具体为：可将外部无线充电基座贴于下肢表皮处；由于植入式刺激器中安装有体内线圈，该线圈为接收端，与锂电池连接，外部无线充电基座发射交流信号，与植入式刺激器中的体内接收线圈耦合，产生电流至锂电池端完成对锂电池的充电。此外，植入式刺激器中还可以使用无线充电芯片进行供电，例如选用瑞萨无线接收芯片P9222-R，其属于一种集成的无线功率接收器芯片，可以接收来自外部无线充电基座交流电源信号，并将其转换为整流输出5V电压，为植入式刺激器内元器件供电。
三、刺激电极。
本实施例中的刺激电极为袖套式双极电极，所谓双极电极，即同一块极板中一面为阴极，另一面为阳极，靠近阳极的一面起着阴极的作用，靠近阴极的一面起着阳极的作用。电极材料为铂、不锈钢、银等，共3个，分别植入到股神经、坐骨神经及闭孔神经处，内径为5mm-7mm。双极电极指正极与负极，相比于普通单极电极而言，对神经、肌肉的损伤程度比较更小，其原因是当刺激电流下发至神经处时，电流流过的范围只局限于双极之间的神经，而普通单极电极的电流通常是流过全身组织。因此，相比于单极电极，双极电极对神经的损伤程度要明显小于单极电极。袖套式电极是电极的外观形状为套筒形状，可套入神经，保证电极与神经外周的充分接触，更有效下发刺激电流。
刺激电极部位由恒流刺激电路下发恒流信号，锂电池为恒流电路供电；
本发明实施例提供了一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，针对现有智能下肢假肢缺乏感知反馈致患者使用假肢不真实、不自然等问题，设计将刺激器植入至患者下肢残肢皮下，刺激器无线接收智能假肢处理器的反馈刺激参数并通过刺激电极下发至股神经、坐骨神经及闭孔神经处，解决现有下肢假肢佩戴中患者无法真实感知假肢的运动状态，实现下肢残肢处肌肉群的收缩，增强患者使用假肢的真实感与自然感。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，包括：N个刺激电极、植入式刺激器和假肢；
所述植入式刺激器与所述假肢无线通信连接，用于接收所述假肢产生的刺激参数；
所述植入式刺激器分别与所述N个刺激电极导线连接，用于将所述刺激参数转换为假肢受力模拟信号，并分别发送至所述N个刺激电极，从而实现所述N个刺激电极产生相应的刺激信号。
2.如权利要求1所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述假肢包括下肢假肢本体和安装在所述下肢假肢本体上的电机、压力传感器、处理器和主蓝牙模块；
其中，所述电机用于驱动所述下肢假肢本体运动；
所述压力传感器安装于所述下肢假肢本体的足底和接受腔内，用于实时采集所述下肢假肢本体的压力值，并将所述压力值发送至所述处理器；
所述处理器对所述压力值进行计算，获得所述下肢假肢本体的不同运动状态，并将所述下肢假肢本体的不同运动状态转换为对应的刺激参数，并将所述刺激参数通过所述主蓝牙模块发送至所述植入式刺激器。
3.如权利要求2所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述植入式刺激器包括：恒流刺激电路、从蓝牙模块和基板；
所述恒流刺激电路和从蓝牙模块安装于所述基板中；
所述恒流刺激电路通过所述从蓝牙模块与所述处理器无线通信连接，用于接收所述处理器发出的刺激参数；
所述恒流刺激电路与N个刺激电极导线连接，用于将所述刺激参数转换为假肢受力模拟信号，并分别发送至所述N个刺激电极，从而实现所述N个刺激电极产生相应的刺激信号。
4.如权利要求3所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述恒流刺激电路包括：数模转换器、脉冲处理电路和恒流源电路；
所述数模转换器、脉冲处理电路、恒流源电路和N个刺激电极依次连接；
所述数模转换器用于将所述刺激参数转换为假肢受力模拟信号后发送至所述脉冲处理电路；
所述脉冲处理电路将所述假肢受力模拟信号发送至所述恒流源电路；
所述恒流源电路将所述假肢受力模拟信号分别发送至所述N个刺激电极。
5.如权利要求3所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述植入式刺激器还包括锂电池；
所述锂电池安装于所述基板下方，用于为所述恒流刺激电路和从蓝牙模块进行供电。
6.如权利要求5所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述基板包括两层，其中一层内嵌有线圈，另一层内安装有所述恒流刺激电路；
所述线圈与所述锂电池连接，通过和无线充电基座磁共振来实现对所述锂电池进行充电。
7.如权利要求6所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述基板四周设有手术线缝合孔。
8.如权利要求1所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述刺激电极为双极电极。
9.如权利要求4所述的一种应用于下肢假肢的植入式电刺激感知反馈系统，其特征在于，所述恒流刺激电路的数量为N条，分别对应N个刺激电极。
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