CN101244312B - 一种植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，能准确地反馈植入参数的执行情况，更好的发挥植入电极特异性参数的治疗效果，真正实现个体化功能的改善和修复，提高植入装置的可靠性、有效性和可控制性。其技术方案为：本发明通过可植入肌体内的产生电刺激的体内发生器和控制刺激波参数和指令的体外控制器的结合，实现在线的体内参数的有效监测、反馈和调整，同时完成体外控制器中信号的传输。本发明应用于神经肌肉电刺激领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种神经肌肉刺激恢复系统，尤其涉及一种由植入肌体内部的电刺激发生器和体外程序控制系统结合的神经肌肉刺激恢复系统。
背景技术
人体的诸多功能是通过神经肌肉动作电位传导的兴奋过程，也即生物电传导的过程。当神经肌肉损伤或病变导致生物电的信号传导出现异常时，可以表现出不妥的症状，传导过快、过慢或传导丧失将引发肌肉萎缩、疼痛、胃肠功能紊乱不同的疾病。
当外伤或其他病因引发生物电传导异常后，人们开始使用电刺激设备进行治疗。现有的做法是将电刺激器的电极植入到包括大脑、心脏、胃等器官，产生刺激波以替代生物电对神经肌肉进行刺激。但现有的电刺激器输出的刺激波的波形基本固定，因此无法满足个体差异的需要。而且现有的电刺激器也缺少对刺激波参数输出后状态的在线监控，无法对实际的刺激波参数信息在线反馈，因此也无法根据肌体的实际情况调整刺激波的相关参数和指令。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，能准确地反馈植入参数的执行情况，更好的发挥植入电极特异性参数的治疗效果，真正实现个体化功能的改善和修复，提高植入装置的可靠性、有效性和可控制性。
本发明的技术方案为：本发明提供了一种植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，包括：
体外控制器模块，包括：
一指令编辑单元，编辑和/或修改预设刺激波的参数和指令，该预设刺激波包括脉冲波、方波、三角波其中之一，其频率调节范围为0.2～110HZ，占空比为1～99％，峰值电压的最大调节范围为1～100VPP；
一第一微处理器单元，连接该指令编辑单元，接收其发送的预设刺激波的参数和指令，将该些参数和指令打包成符合传输格式的数据；
一第一传输单元，连接该第一微处理器单元，与该第一微处理器单元进行数据交换，与体内发生器模块相互传输数据；
体内发生器模块，植入在人体内部，包括：
一第二传输单元，接收该体外控制器模块发出的包含预设刺激波参数和指令的数据；
一第二微处理器单元，进一步包括：
一刺激波发生单元，连接该第二传输单元，接收预设刺激波的参数和指令，并基于该些参数和指令产生相应的实际刺激波信号；
一模型参数对比单元与一自适应调整单元；
一工作波形驱动器单元，连接该第二微处理器单元，驱动来自该第二微处理器单元的实际刺激波信号；
一功率放大器单元，连接该工作波形驱动器单元，对该实际刺激波信号进行电能放大；
一功率控制单元和一馈电电路单元，连接该第二微处理器单元和该功率放大器单元，基于该第二微处理器单元的时序控制该功率放大器单元所需的电能；
一输出电路单元，连接该功率放大器单元，该单元设有输出电极，通过该输出电极将电能放大后的实际刺激波信号作用于负载以构成刺激电场；
一监测电路单元，连接该输出电路单元，实时监测刺激波作用于负载的动态响应信号；
一模数转换器单元，连接该监测电路单元，将该动态响应信号转换成数字信号并形成相应的数学模型；
其中，该第二微处理器单元中的模型参数对比单元将该监测到的动态响应信号的数学模型与预设刺激波参数和指令的预置响应数学模型进行分析参比；以及
该自适应调整单元根据该模型参数对比单元的分析参比结果在预设的安全工作范围内对实际刺激波参数和指令进行自动修正，以使实际刺激波与预设刺激波相一致。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该体外控制器模块还包括：
一第一数据存储器，记录预设刺激波参数和指令的修改过程和备份数据。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该体外控制器模块还包括：
一外设通讯单元，与一终端计算机接驳，将数据传输至该终端计算机；
一时钟基准单元，对该体外控制器模块与该终端计算机进行时间同步。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该体外控制器模块还包括：
一显示单元，显示该预设刺激波的参数和指令。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该第一传输单元和第二传输单元由RF基带单元和蓝牙模块构成。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该体内发生器模块还包括：
一第二数据存储器，存储来自该体外控制器模块的预设刺激波参数和指令及其预置响应数学模型、监测到的动态响应信号的数学模型以及对实际刺激波的自动修正操作。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该功率放大器单元是推挽驱动单点回路式放大器，组合成双极和/或多单极的输出电极形式。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，刺激波参数包括刺激波信号的幅值和时域。
上述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其中，该预设刺激波预防肌肉萎缩，治疗周围神经损伤和/或减轻疼痛。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明通过可植入肌体内的产生电刺激的体内发生器和控制刺激波参数和指令的体外控制器的结合，实现在线的体内参数的有效监测、反馈和调整，同时完成体外控制器中信号的传输。本发明更好地发挥植入电极特异性参数的治疗效果，改善神经麻痹，促进神经再生，防止肌肉萎缩，减轻疼痛，真正实现个体化功能的改善和修复，提高植入装置的可靠性、有效性和可控制性。
附图说明
图1是本发明的体外控制器模块的一个较佳实施例的框图。
图2是本发明的体内发生器模块的一个较佳实施例的框图。
图3是本发明的体外控制器模块的运行流程图。
图4是本发明的体内发生器模块的运行流程图。
图5是本发明的体内发生器模块的一个较佳实施例的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统产生可编程的有序的底频波束导入患者的受损神经和肌肉进行时域、幅值可控的智能刺激，达到改善患者的肢体功能。
神经肌肉电刺激系统是由体外控制器模块和体内发生器模块共同组成，首先请参见图1，图1示出了体外控制器模块的一个较佳实施例的原理。体外控制器模块主要由以下几个单元组成：MCU微处理器单元10、指令编辑单元11、电源管理单元12、显示单元13、数据存储器14、时钟基准单元15、外设通讯单元16、蓝牙模块17和2.4G的RF基带单元18。
MCU微处理器单元10控制整个体外控制器模块的运行。请同时参见图3，首先，体外控制模块进行初始化处理，包括预设一些参数和指令等。然后，操作键盘并通过指令编辑单元11编辑和/或修改预设刺激波的参数和指令，并将这些参数和指令发送给MCU微处理器单元10，同时通过设置显示模式来控制显示单元13的输出。预设刺激波用于预防肌肉萎缩、恢复周围神经损伤和减轻疼痛，包括脉冲波、方波、三角波的选择，其频率调节范围为0.2～110HZ，占空比为1～99％，峰值电压的最大调节范围为1～100VPP。MCU微处理器单元10判断预设刺激波的参数是否锁定以及当前是否需要传输数据。如果参数已被锁定且需要传输数据，则由MCU微处理器单元10将参数和指令打包成符合传输格式的数据，并通过蓝牙模块17和2.4G的RF基带单元18发送至植入肌体的体内发生器模块。否则，体外控制模块返回键盘操作模式以供重新对预设刺激波参数和指令进行编辑和/或修改。
体外控制器模块的数据存储器14有效地记录刺激波参数和指令的修改过程和备份数据，并通过时钟基准单元15进行时钟基准设置以确保系统的时间同步。体外控制器模块通过外设通讯单元16与终端计算机接驳，将数据传输至终端计算机，从而在计算机上实现数据图表处理以及程序方案的制定。显示单元13将预设的刺激波参数和指令显示在显示屏上供操作者参考。
请参见图2，图2示出了体内发生器模块的原理。体内发生器模块主要由以下单元组成：MCU微处理器单元20、工作波形驱动器单元21、功率放大器单元22、输出电路单元23、功率控制单元24、馈电电路单元25、监测电路单元26、模数转换器单元27、数据存储器28、电源管理单元29、蓝牙模块30以及2.4G的RF基带单元31。
MCU微处理器单元20控制整个体内发生器模块的运行。请同时参见图4，首先体内发生器模块进行初始化处理，再由MCU微处理器单元20的UART串口通讯所控制的蓝牙模块30和RF基带单元31实现对体外控制器模块发送的预设刺激波工作参数和控制指令的2.4G无线数字载频波的点对点链接，并通过蓝牙模块30处理将数据传送至MCU微处理器单元20完成接收刺激波工作参数和控制指令的数据传输。MCU微处理器单元20一接收到来自体外控制器模块的数据，就记录和备份相关的预设刺激波参数和指令执行数据。MCU微处理器单元20又包含刺激波发生单元201、模型参数对比单元202和自适应调整单元203。其中刺激波发生单元201基于接收到的预设刺激波工作参数和指令生成实际的刺激波信号。工作波形驱动器单元21对实际刺激波信号进行驱动，再由功率放大器单元22放大实际刺激波信号的电能以满足输出电极作用于负载构成刺激电场对生物肌体刺激能量。
请参见图5，功率放大器单元22采用了推挽驱动单点回路式放大器(即由四个晶体管Q3～Q6组成的电路)，可方便地组合成双极和单多极的输出电极形式以适应多样化的刺激波作用。
功率控制单元24和馈电电路单元25主要以DC-DC升压方式通过MCU微处理器单元20的时序控制提供功率放大器单元22所需的电能，并在刺激波的工作间隙关闭电能以实现系统的低能耗功效。
监测电路单元26和模数转换器单元27共同构成了对刺激波信号进行自适应调正的数字预处理。当实际的刺激波作用于生物肌体时，生物肌体机理的差异或变异造成了刺激电场所构成泄放电流响应信号的不同。监测电路单元26实时监测刺激波作用于负载的动态响应电流信号，并取样该信号经高速的模数转换器单元27进行数字化处理。MCU微处理器单元20中的模型参数对比单元202将监测到的动态响应信号的数学模型与预设刺激波的参数数据和指令的预置响应数学模型进行分析参比，找出实际刺激波与预设刺激波之间的差异。同时数据存储器28存储了上述的两个数学模型。再由自适应调整单元203在预设的安全电压范围内对实际的刺激波参数(包括幅值和时域等)修正刺激能量，自适应调整(对肌体最佳效用)刺激波参数数据的功能特征，以使实际刺激波尽可能地与预设刺激波相一致。同时在数据存储器28中记录调整的相关数据。
应理解，本发明的发明点在于：在体内发生器模块产生刺激波作用于肌体的同时，可采集肌体对刺激波的响应信号，并根据响应信号的数学模型与刺激波的预置数学模型比对，根据比对结果重新调整参数和指令以使实际刺激波与预设刺激波相一致。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (9)
1.一种植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，包括：
体外控制器模块，包括：
一指令编辑单元，编辑和/或修改预设刺激波的参数和指令，该预设刺激波包括脉冲波、方波、三角波其中之一，其频率调节范围为0.2～110HZ，占空比为1～99％，峰值电压的最大调节范围为1～100VPP；
一第一微处理器单元，连接该指令编辑单元，接收其发送的预设刺激波的参数和指令，将该些参数和指令打包成符合传输格式的数据；
一第一传输单元，连接该第一微处理器单元，与该第一微处理器单元进行数据交换，与体内发生器模块相互传输数据；
体内发生器模块，植入在人体内部，包括：
一第二传输单元，接收该体外控制器模块发出的包含预设刺激波参数和指令的数据；
一第二微处理器单元，进一步包括：
一刺激波发生单元，连接该第二传输单元，接收预设刺激波的参数和指令，并基于该些参数和指令产生相应的实际刺激波信号；
一模型参数对比单元与一自适应调整单元；
一工作波形驱动器单元，连接该第二微处理器单元，驱动来自该第二微处理器单元的实际刺激波信号；
一功率放大器单元，连接该工作波形驱动器单元，对该实际刺激波信号进行电能放大；
一功率控制单元和一馈电电路单元，连接该第二微处理器单元和该功率放大器单元，基于该第二微处理器单元的时序控制该功率放大器单元所需的电能；
一输出电路单元，连接该功率放大器单元，该单元设有输出电极，通过该输出电极将电能放大后的实际刺激波信号作用于负载以构成刺激电场；
一监测电路单元，连接该输出电路单元，实时监测刺激波作用于负载的动态响应信号；
一模数转换器单元，连接该监测电路单元，将该动态响应信号转换成数字信号并形成相应的数学模型；
其中，该第二微处理器单元中的模型参数对比单元将该监测到的动态响应信号的数学模型与预设刺激波参数和指令的预置响应数学模型进行分析参比；以及
该自适应调整单元根据该模型参数对比单元的分析参比结果在预设的安全工作范围内对实际刺激波参数和指令进行自动修正，以使实际刺激波与预设刺激波相一致。
2.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该体外控制器模块还包括：
一第一数据存储器，记录预设刺激波参数和指令的修改过程和备份数据。
3.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该体外控制器模块还包括：
一外设通讯单元，与一终端计算机接驳，将数据传输至该终端计算机；
一时钟基准单元，对该体外控制器模块与该终端计算机进行时间同步。
4.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该体外控制器模块还包括：
一显示单元，显示该预设刺激波的参数和指令。
5.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该第一传输单元和第二传输单元由RF基带单元和蓝牙模块构成。
6.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该体内发生器模块还包括：
一第二数据存储器，存储来自该体外控制器模块的预设刺激波参数和指令及其预置响应数学模型、监测到的动态响应信号的数学模型以及对实际刺激波的自动修正操作。
7.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该功率放大器单元是推挽驱动单点回路式放大器，组合成双极和/或多单极的输出电极形式。
8.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，刺激波参数包括刺激波信号的幅值和时域。
9.根据权利要求1所述的植入式自动反馈调整的神经肌肉电刺激系统，其特征在于，该预设刺激波预防肌肉萎缩，治疗周围神经损伤和/或减轻疼痛。
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