CN102046239A

CN102046239A - 用于经皮神经电刺激刺激点的动态重新校准以使用防故障和自动恢复功能补偿变化电极条件的方法和系统

Info

Publication number: CN102046239A
Application number: CN2009801177805A
Authority: CN
Inventors: M·P·博德莱恩德; A·F·科伦; J·J·范赫克; M·M·德罗斯特; F·瓦格马克斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: US8620434B2; CN102046239B; EP2288408B1; EP2288408A1; WO2009138961A1; US20110066209A1

Abstract

本发明涉及一种经由电极(22)施加经皮神经电刺激的设备(10)以及一种经皮神经电刺激的方法。该设备包括电极，该电极布置成用于检测皮肤阻抗的变化且配置成在检测到变化的皮肤阻抗时从刺激神经的刺激操作模式(30)切换到重新校准操作模式(32)。在一实施例中，设备包括多个电极，该多个电极配置成检测皮肤阻抗的变化且配置成经由该多个电极调节流经皮肤的电流。

Description

用于经皮神经电刺激刺激点的动态重新校准以使用防故障和自动恢复功能补偿变化电极条件的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于经皮神经电刺激(TENS)的设备和方法。

背景技术

经皮神经电刺激(TENS；还参见图1)是电针镇痛(电疼痛缓解)的常用形式。存在TENS用于很多类型条件(诸如下背部痛、肌筋膜和关节痛、交感神经传导痛、尿失禁、神经性疼痛、内脏痛和术后痛)的成百上千的临床报告。TENS是在皮肤的表面(＝经皮)施加电刺激，主要用于疼痛缓解。经由使用由频率、脉冲周期和幅度表征的一些类型的电波形的外部表面电极施加TENS。施加电流来缓解疼痛的技术早就确立，但是建立关于疼痛缓解机制的科学基础之后，在1965年之后博得大量的科学兴趣。TENS是无药、非扩散和不致瘾的。它几乎没有任何禁忌。

已知TENS设备和方法的缺点在于它们不处理例如由于移动、湿气积累或变化温度导致的皮肤电导率的波动。在已知系统中，这可能导致以下结果：

-在皮肤与电极之间具有非常不良连接的情况中，刺激可能导致电压明显上升＝＞可能是不希望的痛苦体验。

-在电阻水平频繁变化的情况中不便或麻烦的防故障机制。如果设备进入防故障状态，则用户需要频繁地重启设备。这是用户不友好的。

-较早选择的刺激点可能不再是正确的点。

发明内容

除其它之外，本发明的目的是创建一种适于在皮肤和电极之间的电导率随时间波动的环境中使用的TENS设备。

为此，本发明提供权利要求1所述的设备和权利要求14所述的方法。

本发明的第一方面包括一种用于经由电极施加经皮神经电刺激的设备，该电极布置成用于检测皮肤阻抗的变化且配置成用于在检测到变化的皮肤阻抗时从刺激神经的刺激操作模式切换到重新校准操作模式。

本发明设备的效果在于，当检测到皮肤阻抗的变化时，设备将其操作模式从刺激操作模式变更为重新校准操作模式。在重新校准操作模式期间，电极的位置或从多个电极向皮肤提供神经刺激信号的所选电极可以变更。因此，设备例如可以在重新校准模式期间测量阻抗，且例如只要皮肤阻抗再次低于预定阈值就切换到刺激操作模式。因此，在皮肤和电极之间的电导率变化期间向重新校准操作模式的切换使得能够较快返回到刺激操作模式，因此在皮肤和电极之间的电导率变化被登记时使得能够仅仅较短地中断疼痛抑制。因此，设备的使用舒适性明显改善。

已知的TENS设备具有所谓的“防故障”机制，其在电极和皮肤之间的接触可能被打破时停止设备。如果发生这种中断，用户一般必须重启设备，这变得麻烦且使人不愉快。而且，“防故障”机制不对电极从皮肤上的一个位置到另一位置的移位做出反应。当电极移位而没有打破与皮肤的接触时，电极可能处于次最佳位置，这可能减小有效疼痛缓解且甚至可能引起疼痛。

在本发明的设备中，在检测出皮肤阻抗中的变化时进入重新校准模式。皮肤阻抗的这种变化可能源于电极到较不优化位置的移位或者可能是由于移动导致的电极和皮肤之间的不良接触。在重新校准模式中，电极向皮肤施加的信号一般较低且例如用于测量电极或多个电极的阻抗。当重新施加电极或者当使得电极返回到优选位置时，阻抗向原始值的返回被检测且设备可以直接返回到重新施加疼痛缓解的刺激操作模式。

在设备的一实施例中，设备包括多个电极，该多个电极配置成检测皮肤阻抗的变化且配置成调节经由多个电极流经皮肤的电流。使用电极阵列能够实现用于刺激信号的第一电极到将用于刺激信号的第二电极的较简单切换。

在设备的一实施例中，变化的皮肤阻抗导致设备功能中的故障。

在设备的一实施例中，设备配置成经由一个以上电极同时提供经皮神经电刺激，且其中设备配置成改变用于施加经皮神经电刺激的每个电极的电压。同时使用多个电极的好处在于，它能够减小皮肤和多个电极之间的阻抗，且可以增加接收刺激的面积。另一有利实施例包括电极阵列，其中电极具有较小的尺寸。1×1毫米或更小的尺寸使得能够选择很多电极，这些电极比较紧密地覆盖具有相对低阻抗的皮肤上的区域。这可以经由可制造亚毫米电极的已知半导体制造技术相对容易完成。甚至更优选地，电极的尺寸可以为0.5×0.5毫米或更小，这能够甚至更紧密地覆盖具有相对低阻抗的皮肤上的区域。

当用于施加经皮神经电刺激的每个电极的电压变化时，用于提供经皮神经电刺激的信号可以针对每个电极调节，因而例如由于局部阻抗变化的原因而优化电极。因此，提供到皮肤的电流可以均匀地分布到用于提供经皮神经电刺激的所有电极。

在设备的一实施例中，设备配置成响应于变化的皮肤阻抗将用于施加经皮神经电刺激的电压变化转换成用于提供经皮神经电刺激的电极数目的变化。用于提供经皮神经电刺激的所需电压变化被转变为用于刺激皮肤的电极数目的变化(因而电阻中的变化)。本实施例为医师提供刺激区域的更多控制，尤其是它允许非常小区域的刺激，这意味着电压接近其最大值。因此，如果用户希望增加电流，可以不再增加电压，因而可以增加电极数目，增加的电流经由这些电极供应到皮肤。

在设备的一实施例中，刺激操作模式包括刺激电压且其中重新校准操作模式包括测量电压，该测量电压低于该刺激电压。对于测量电极位置处的阻抗，典型地需要不太强的信号。为了减小重新校准操作模式期间的信号，设备消耗的总能量被减小。而且，在重新校准操作模式期间信号强度的减小改善了病人的方便性。当电极和皮肤之间的接触不是最佳时，较大电压可能出现，使得病人具有疼痛的体验。通过在重新校准操作模式期间减小信号强度可以避免此类事件发生。

在设备的一实施例中，设备配置成经由监控以基本上恒定电流施加经皮神经电刺激所需的电压和/或经由监控源于以基本上恒定电压施加经皮神经电刺激所得到的电流和/或经由测量电极的电阻来检测变化的皮肤阻抗。监控刺激电压使得能够检测阻抗中的变化，同时施加经皮神经电刺激。因此，皮肤阻抗变化的检测不需要中断施加经皮神经电刺激。不用于神经刺激的电极可以经由电阻测量方法测量，这一般需要较少的功率。

在包括多个电极的设备的一实施例中，设备配置成用于一个接一个地或者成组地测量电极的电阻。该组例如可以是原先已经具有较低电阻的电极集，因此可以相对快速地从多个电极导出用于提供经皮神经电刺激信号的新电极。

在包括多个电极的设备的一实施例中，该设备配置成用于在刺激操作模式期间检测皮肤阻抗的变化，经由监控用于施加经皮神经电刺激的电压测量来自该多个电极的刺激电极的电阻，其中该设备(10，12，14)配置成经由测量电极(22)电阻的测量电压检测来自该多个电极(18)的非刺激电极(22)的电阻，该刺激电极(22)配置成用于施加经皮神经电刺激，且该非刺激电极(22)配置成不施加经皮神经电刺激。在活性刺激(active stimulation)期间，电压测量用于检测(多个)刺激电极何时不再适于提供经皮神经电刺激。这可能由于其他电极之一的连接恢复，其他电极变得适于刺激。受益于这种可能的恢复，优选地还测量不被刺激的电极的电阻。只要当前电极不再合适，可以从已经完成的电阻测量中选择下一电极。因此，在刺激阶段期间，对刺激电极的电阻测量使用高电压测量方法。由于高电压和典型地短刺激脉冲，这种测量方法的精度较低，但是这种测量足以用于防故障机制的快速响应。对于非刺激电极以及对于更高精度测量，使用低电压测量方法。在这种中断期间测量所有电极或者在单一中断中测量电极子集，以保持这些中断在时间上受限制。如果在刺激期间检测出非刺激电极具有与(一些)刺激电极相当或甚至更低的电阻，该非刺激电极被添加到可用于刺激的电极集中。这一点取决于新电极是否用于刺激的实际刺激策略。对于本发明，优选地如果(多个)原始刺激电极失去它们与皮肤的良好连接，这种新发现的电极则可用于接管刺激。

在设备的一实施例中，设备配置成在施加经皮神经电刺激的瞬时中断期间测量非刺激电极的电阻。因为这种刺激将与低电压测量方法相干扰，这种测量发生在刺激中的瞬时中断中。而且，在低电压测量中使用的脉冲一般比在高电压测量中使用的脉冲周期更长以确保皮肤的电容器功能不减小测量精度。

在包括多个电极的设备的一实施例中，设备配置成在重新校准操作模式期间测量多个电极的电极电阻以识别新刺激电极。

在设备的一实施例中，设备配置成针对第一电极子集测量多个电极的电极电阻。该第一子集例如可以是原始已经在电极和皮肤之间具有较小阻抗值的电极集，因而可以包括经由其可以恢复经皮神经电刺激的电极或减小的电极集。

在设备的一实施例中，设备配置成在预定时间窗口向多个电极的第二电极子集施加刺激神经的刺激信号，监控第二子集的电极随时间的电阻变化，其中该设备配置成从第二子集中选择电阻随时间的变化低于预定极限的特定电极或特定电极组作为刺激电极或者多个刺激电极。在预定时间窗口期间的这种预刺激可用于更清晰地发现好的神经刺激电极。这种预刺激机制初始地刺激源自第二子集的所有可用电极一个有限的周期(5分钟的最大值就足够，但是在2.5分钟之后，皮肤电阻改善的斜率已经清晰)。这将导致所有点的皮肤电阻下降。因为电阻典型地下降至25％到1/12之间，这可以导致具有最低电阻的不同刺激点。仅在此时，基于最终电阻测量选择实际的刺激点。

备选地，监控电阻变化的历史。这给出平均刺激前和刺激后电阻以及电阻变化速度。当确定新的刺激点时，对于刺激的电极还考虑当将它们与非刺激电极相比时它们的刺激前电阻。如果使用该第二度量发现竞争性电极(例如，测量电阻差异小于X％，其中X为例如20％)，其可以被刺激有限的周期(2至5分钟)，使得它们的刺激后电阻也可以被比较。使用电阻变化速度，可以计算刺激电极是否到达其最低电阻，或者其电阻是否仍在降低。这一点是重要的，因为取决于人和环境，到达最低电阻所花费的时间从2分钟变化到15分钟。最后，选择具有竞争力的低刺激电阻(在预定时间窗口期间具有最低电阻变化)的电极。此原因在于，已经认识到好的刺激点一般比不良刺激点具有更低的电阻改善。后面的理论为良好刺激点具有自由神经末梢或比不良刺激点更接近皮肤的神经，且皮肤的刺激改善其电导率。因为对于好的点，存在较少的可以改善其电导率的皮肤组织，刺激的改善必然更低。

第二子集可以是例如电极焊盘上的设备可用的多个电极的简化集。备选地，第二子集可以是来自设备可用的多个电极中所有的电极。

在设备的一实施例中，设备配置成经由调节电极或多个电极的位置以减小电极或多个电极的电阻和/或经由重新施加电极或多个电极以减小电极或多个电极的电阻来调节重新校准操作模式期间的电流。例如，由于移动，电极与皮肤的连接不太好或者电极已经移动。通常，可以较容易地发现刺激点，因为皮肤的红色在原始刺激点可见。仅需要花费一些小小的努力来指导患者或临床医学家在接收到信号或者从设备接收到指令时将电极移动到其原始位置。

设备还可以配置成经由从用于施加经皮神经电刺激的多个电极中选择具有减小电阻的另一电极而在重新校准操作模式期间调节电流。选择具有减小电阻的不同电极无论是在位置上还是在幅度上还调节了流经皮肤的电流。

设备还可以配置成经由从用于施加经皮神经电刺激的多个电极中选择第三电极子集，同时经由用于减小电极或多个电极的电阻的第三电极子集的电极而在重新校准操作模式期间调节电流。选择多个电极能够较容易地减小阻抗，因为两个平行布置的阻抗的总阻抗小于任意一个独立的阻抗。而且，这种实施例能够遵循局部解剖学，因而改善刺激效果。

设备还可以配置成经由从用于施加经皮神经电刺激的多个电极中选择第四电极子集在重新校准操作模式期间调节电流，其中取决于局部生理机能、感测电阻和用户交互选择第四电极子集。用户能够变更经皮神经电刺激经由第四电极子集被施加的该第四电极子集的尺寸。备选地，局部生理机能决定第四电极子集的尺寸以确保设备的有效刺激(efficient stimulation)。

在当调节位置和/或重新施加电极或多个电极时的设备的一实施例中，设备配置成向用户提供用于调节位置和/或重新施加电极或多个电极的指令。例如，当保存了很多电极的测量历史时，有可能重定向患者或临床医学师在原先测量的相对低阻抗的方向中移动电极或多个电极。还可能通过在接收的测量中寻找预定图案对此进行扩展，尤其当使用多个电极阵列时。指令可以包括像“进一步向下移动电极”或者“检查皮肤接触”的用户通知。

在设备的一实施例中，其中设备配置成从多个电极中选择具有减小电阻的另一电极时，该多个电极布置在电极焊盘上。

本发明的第二方面包括经皮神经电刺激的方法，包括使用包含电极的设备，由此该方法包括以下步骤：

检测皮肤阻抗的变化，以及

当检测到变化的皮肤阻抗时从用于刺激神经的刺激操作模式

(30)切换到重新校准操作模式(32)。

在本发明的实施例中，该方法还包括通过向现有刺激电极添加相邻电极而动态调节用于刺激的电极数目的步骤，添加的相邻电极具有较低阻抗。该实施例的益处在于它允许遵循局部解剖学，因而改善刺激效果。

该方法还可包括向现有刺激电极动态添加相邻电极的步骤，其中相邻电极具有距离较低电阻位置最近的距离。该实施例的益处在于它改善了处理电极的轻微移位的能力，使得仍然刺激最低电阻点。

该方法还包括取决于电极阵列施加的身体部分的已知生理机能而动态添加电极的步骤。该实施例的益处在于它能够实现对更大尺寸的肌肉、腺体或神经的均匀刺激。

附图说明

本发明的上述和其他目的和特征将从结合附图(其公开了本发明的实施例)考虑的下述详细描述变得更加显现，在附图中：

图1示出已知TENS设备的实例；

图2示出支架/电极组合的实例；

图3示出便携式TENS设备；

图4示出凸出电极；

图5示出根据本发明的TENS设备状态的概览；

图6示出根据本发明的TENS设备的具有自动恢复机制的基本防故障的概要；

图7示出具有交叠刺激时间区间的刺激轨迹；

图8示出使用两个变量与仅使用一个变量的刺激估算的模拟；

图9示出在交叠周期中使用一个周期性复位变量与两个周期性复位变量的模拟中的误差；

图10示出为刺激选择的低电阻点以及部分环绕该低电阻点的三个中等电阻点。浅灰点具有太高的电阻而不适于刺激；

图11示出在刺激区域之间具有相等距离的有利几何形式；

图12示出具有三个电极的实例，其中每个电极施加相同的电流，同时提供不同的电压。在该实例中，刺激脉冲在时间上稍微偏移以简化保持在设备的电压限制内，同步刺激也是可行的；

图13示出测量电阻随时间的演变，绿线#2(底部)是刺激线；

图14示出高电阻电极的刺激。

具体实施方式

TENS设备的正确功能性很大程度上取决于其使用的连接到皮肤的电极是否与皮肤具有良好接触以及是否施加在正确位置。

由于技术微型化中的进步和电池寿命的进步，所谓的便携式TENS设备已经在市场上出现。这些对于用户是有益的，因为它们不仅在像医院这样的静态环境中而且在像家里、工作中或在移动时(例如，参见图3)的各种不同地点中提供疼痛缓解。尤其对于这种便携式TENS设备，由于身体的移动和变化的环境条件，电极和皮肤之间的接触难以维持。

图3：便携式TENS设备

典型地，使用将电极挤压到皮肤的支架或外衣或者使用二者的组合(例如见图2)，使用胶水将电极保持在适当位置(例如参见图1)。胶水的已知缺点在于长时间的使用通常刺激皮肤；因此，研发了越来越多的干性电极解决方案。第二缺点在于基于胶水或凝胶体的电极在使用有限次数之后失去其部分粘合强度。

将电极施加于正确的位置对于不是专家的设备用户而言是困难的。WO1999052588A1描述了使用电阻测量自动发现正确刺激点的电极群(比如矩阵)。可以通过在接收的测量中寻找预定图案对此进行扩展，且它包括像“进一步向下移动电极”或“检查皮肤接触”的用户通知。合起来，这些发明通过选择正确刺激点为用户提供巨大的好处。

改善电极和皮肤之间接触的另一方式是使用凸出电极，WO03/082104A1，见图4。

图4：凸出电极

上述机制都不能完全确保电极和皮肤之间的接触有时不被干扰(偶然)。例如，用于固定电极的胶水一般使得电极可以在使用之后容易去除，这一点限制了其粘合特性。支架和外衣具有在皮肤上移动它们位置的趋势且它们可能变型，失去电极和皮肤之间的连接。尽管凸出电极改善了皮肤接触，它们不能保证接触。

若干TENS设备具有防故障自动关闭机制，如果电极和皮肤之间的接触丢失，则停止刺激。这潜在地防止了偶然触及悬浮电极而可能对用户造成危险或不悦的电击。一旦设备关闭，需要用户命令来重启刺激。

已知防故障机制具有明显的缺点。首先，在动态环境中，电极和皮肤之间的接触可能十分频繁地断开且防故障机制频繁地停止设备。在这种情况下，用户必须频繁地重启设备，这一行为变得麻烦和使人不愉快。另外，如果用户忘记或者不能够重启设备，设备不再抑制疼痛。其次，已知防故障机制不对电极从皮肤上的一个位置到另一位置的移位做出反应。在这种情况下，尽管皮肤接触没有中断，现在可能刺激次最佳位置，这减小了有效的疼痛缓解且甚至可能引起疼痛。

实施例1：从皮肤和电极之间的不良连接自动恢复

TENS设备的功能性通过状态机描述。当设备通过电极活性刺激皮肤时，它向皮肤施加高电压(约80至160伏特0.3毫秒)。这是所谓的高电压刺激状态。

刺激机制典型地使用恒定电流I。因为电极和皮肤之间的连接的电阻R变化，刺激机制动态地调节电压以保持电流恒定：

R＝V/I

作为防故障机制，如果电压超过预定电压值V^maxstim(由于升高的电阻水平I)，则设备停止高电压刺激。

然而常规TENS防故障机制现在将进入停止状态，而本发明的TENS设备则切换到低电压测量状态。在此状态，没有刺激施加于皮肤，但是低电压电流(典型地介于1至10伏特)施加于电极子集，同时电流I不再保持恒定，但是允许其范围在0至I^maxstim之间。分离的电路(可能嵌入在(可重新配置的)大功率芯片中)优选地执行此操作。

如果设备具有多个电极，则有可能一个接一个地或者同时成组地测量这些电极的电阻。尤其是，同时测量原先都具有高电阻的电极集是有利的。如果测量出整个集的高电阻，所有电极被归类为具有高电阻。如果针对该组测量出低电阻，进一步测量该组中的子集可以判断哪些电极具有最低电阻。

电极的电阻测量将电极分为三个集。

低电阻集是具有足以用于刺激的V^maxstim低电阻而不超过V^maxstim的电极集。如果该集不再为空，则设备自动恢复且转到高电压刺激状态。

中等电阻集是具有这种电阻的电极集，该电阻使得活性刺激将导致电压超过V^maxstim，但是电阻低于第二截止水平R^max。该集中的电极连接到皮肤，该集中的电极其电阻不够低以刺激该集中的电极。

高电阻集是具有高于第二截止水平R^max的最高电阻的电极集。不再假设该集合中的电极连接到皮肤，因而不用于刺激。

如果电阻测量将所有电极分为高电阻电极，则电极贴片可以完整地从皮肤去除。在执行其他测量的有限周期之后，如果测量的所有其他测量结果将所有电极分类为高电阻电极，则设备进入停止状态。

在停止状态，设备不测量电阻且不刺激。需要用户行为以重启刺激。

图5提供单电极(以及接地)情况中三个类别以及设备怎样对测量电阻作出反应的概览。

具有三种状态的防故障刺激系统和两种电阻测量方法。

SM代表刺激模式。如果设备具有低于阈值Tl1的电阻水平，则设备开始刺激，包括电阻的高电压测量。

RM代表一种自动恢复的重新校准模式。如果设备测量出高于阈值Tl1的电阻值，则设备直接停止刺激但是开始电阻的低电压测量。

FS代表防故障。如果设备测量出高于阈值Tl2的电阻水平持续某一周期，则设备停止刺激且停止测量电阻，且将仅仅在明确的用户命令时重启。

图6示出状态转变图，概述了使用自动恢复机制的基本防故障。

NV＝无电压停止状态

SM＝高电压刺激状态，并且

RM＝重新校准模式且代表低电压测量状态

R＞Tl1＝电阻高于阈值Tl1，

R＜Tl1＝电阻低于阈值Tl1，

对于t＝D1，R＞Tl2＝对于周期D1，电阻高于Tl2

UC-stp＝用户命令停止

UC-strt＝用户命令开始

最初，设备处于停止状态NV，且不向其电极施加任何电压。如果用户给出开始刺激命令UC-strt，作为第一步骤，设备使用低电压测量电极是否可用于测量状态RM中的刺激。如果没有检测到这种电极，且发现太高的电阻，则在超时D1之后，设备关闭，返回到停止状态NV。另一方面，如果发现具有足够低电阻(R＜Tl1)的电极，则设备进入刺激状态SM。然后它向电极施加更高的电压以刺激用户。在该刺激期间，通过监控实际的电压测量(多个)刺激电极上的电阻。如果电阻针对有效刺激变得太高(R＞Tl1)，则设备停止刺激，且返回到测量状态RM。

用户通知#1：设备跟踪自身处于低电压测量状态多久，且该设备告知用户在某一时间周期USERTIMER1之后没有发现合适的刺激点。而且，当设备由于自动关闭机制进入停止状态(与用户命令所致相对)时，设备将这点告知用户。在这种情况下，用户将不需要改善电极和皮肤之间的接触。(还参见电极图案专利文献)。

用户通知#2：设备还可能偶发地进入刺激状态而持续一个简短时间，但是它主要处于测量状态。在这种情况下，有效刺激周期短，但是前一机制在未达到USERTIMER时将不告知用户。如果实际刺激时间在某一时间间隔USERTIMER2下降到低于X％，则如果用户被告知不良接触，这将是有利的。因此，设备跟踪最后的USERTIMER2时间，即它处于刺激阶段的时间多久：STIM％。如果STIM％＜X％，则告知用户。

维持STIM％的直接方式是维持存储器中的队列(time，stimevent)，其中stimevent是启动或停止。另外，除了如果对于＞USERTIMER2的时间刺激继续，STIMTOTAL1被设置为USERTIMER2之外，完全落在[timenow-USERTIMER2，timenow]内的所有闭区间[stimstart，stimend]的总和STIMTOTAL1被维持。

为了计算区间[timenow-USERTIMER2，timenow]内的总刺激时间，使用下面的简单算法：

STIMTOTAL＝STIMTOTAL1(包括所有闭区间)

如果(t，stimend)是队列中的最早事件，则STIMTOTAL+＝t-(timenow-USERTIMER2)。(包括最早事件，开区间)

如果(t，stimstart)是队列中的最新事件(包括最新事件，开区间)，则STIMTOTAL+＝timenow-t，

STIM％现在是STIMTOTAL/USERTIMER2。

采用下面的步骤来维持该队列：

如果对于队列中的最后事件(t，event)，t＜time-now-USERTIMER2成立，则从队列去除(t，event)。

如果event＝stimstart且队列不为空，则下一事件是(t2，stimend)，STIMTOTAL1-＝(t2-t)(注意stimtotal1仅维持闭区间)

如果event＝stimstart且队列现在为空，则STIMTOTAL1＝USERTIMER2(除了当刺激持续至少USERTIMER2时间之外，我们定义STIMTOTAL1为USERTIMER2)

如果设备从测量状态切换到刺激状态，则向队列添加(timenow，stimstart)

如果设备从刺激状态切换到测量状态，则向队列添加(timenow，stimend)

如果在队列中存在前一事件(t，stimstart)：STIMTOTAL1+＝(timenow-t)，

否则STIMTOTAL1＝0(队列为空)

这种直接实施方式的缺点在于它没有对队列的大小设置边界，这对于小型便携式设备可能是有问题的。为了简化保存STIM％的实施方式，可以改为保存STIM％的近似。

通过保存两个变量stim1和stim2获得STIM％的简单近似。

它们定义如下：

Stim1包含区间[timenow，P]中实际的刺激时间，其中P定义如下：

P＝Timenow-Timenow modulo 2＊USERTIMER2

Stim2包含区间[timenow，Q]中实际的刺激时间，其中Q定义如下：

Q＝Timenow-(Timenow+USERTIMER2)modulo2＊USERTIMER2

效果在图7中示出。Stim1和Stim2基本周期性地“复位”到0，具有两个交叠的周期。因此，在任意时间，变量之一至少精确跟踪在USERTIMER2时间发生多少刺激。

可以从这两个变量得出在最后USERTIMER周期中发生多少刺激的良好估算如下：

定义stim 1duration＝timenow modulo 2＊USERTIMER2

定义stim2duration＝(timenow+USERTIMER2)modulo2＊USERTIMER2

估算方法：

如果stim1duration＞stim2duration，则STIM％＝stim1/stim1duration；

否则STIM％＝stim2/stim2duration。

该方法确保刺激百分数总是在长度为USERTIMER2和2＊USERTIMER2之间长度的周期上进行估算。

该原则可以扩展到三个或更多交叠的变量，它们将收缩估算刺激百分数的长度区间的变化。

图8示出跟踪有效刺激时间的模拟，以及使用一个或两个周期复位stim变量的估算怎样不同于基于队列的计算。图11示出与使用一个变量相比，使用两个stim变量时与基于队列的计算的差异小得多。而且，可以看出，切换技术并不连续高估或低估实际stim％。

实施例2：物理相邻的多个电极的刺激以减小电阻变化和在皮肤上移位的影响。

中等电阻集中的电极仅在它们平行于低电阻集中的至少一个电极时用于刺激。所得组合的电阻保证低于单个电极，如下：

1/Rcombined＝1/Rlow+1/Rmed

刺激多个电极的好处在于，如果所选刺激电极的电阻变化(例如，明显上升)；对组合电阻的影响通过其他电极的存在而弱化。其他低电阻或中等电阻点可用于附加刺激点。有利的是，这种附加电极应物理地靠近所选刺激电极，如果电极在皮肤上移动，则附加电极可以移动到较低电阻点。例如参考图10。

图10：选择用于刺激的(绿色)低电阻点以及部分环绕该低电阻点的三个(深灰)中等电阻点。浅灰点具有太高的电阻而不适用于刺激。

图11：在刺激区域之间具有相等距离的有利几何形状

多个电极的优选几何形状是具有偏移行的蜂窝结构。这确保电极之间的距离都相等，使得更容易选择低电阻点周围的附加刺激点。例如参见图11。

本发明的目的是计算哪个区域应被活性刺激。

三种附加刺激点选择机制：

1)向具有局部最低电阻(所以比所有其它相邻点都低)的现有刺激点添加相邻点

a.优点：遵循解剖学，因而改善刺激效果。

2)向最低电阻点添加具有最小距离的相邻点以及等距离相邻点之间具有最低电阻的辅助点。

a.优点：改善处理电极的轻微移位的能力，仍然刺激最低电阻点。

3)根据施加电极阵列的身体部分的已知生理机能选择刺激点。

a.优点：这能够实现对更大尺寸的肌肉、腺体或神经的均匀刺激。

添加的附加刺激点的数目具有双重影响：

a)它增加了施加于身体的电流。不多于50mA可以施加于人体皮肤。因此，如果V＝I＊R＝＞I＝V/R，则不添加附加的相邻点。

因为在我们的原型中V最大是150伏特，安全的估计是：

I＝150/R

刺激电极集1...n的电阻R由下式定义：

R＝1/(1/R_1+1/R_2+...+1/R_n)

因为I＜50mA，如果

SAFESTIM：50mA＞150/(1/(1/R_1+1/R_2+...+1/R_n+1_R_(n+1)))

则，仍可以添加电极n+1。

对于具有不同V_max的器件，公式变化为：

SAFESTIMv：50mA＞V_max/(1/(1/R_1+1/R_2+...+1/R_n+1_R_(n+1)))

应当意识到，具有小尺寸电极阵列是有利的，因为这确保使用一个或更多电极总是可以满足SAFESTIM需求。

b)它改变接收刺激的人体上的区域。

尽管最大电流合法地约束为50mA，设备的用户可以在0至50mA之间控制向身体施加多少电流。TENS处理的官方推荐是将产生“强且舒适”的效果。电流水平是主观的，且针对不同对象而不同。

我们提出两种机制来控制多少电流施加于皮肤：

1)常规机制：增加电压，这进而将增加施加于皮肤的电流。

2)新机制，其中期望电压的变化被转化为用于刺激皮肤的电极数目的变化(因而R中的改变)。

该第二机制给予医师对刺激区域的更多控制，尤其是它允许极小的刺激区域，这意味着电压接近其最大值。因此，如果用户希望增加电流，则不能使用第一机制。

小刺激区域的优点在于：

a)更具针对性的刺激：所有能量都施加于所指区域且不消耗在非功能组织上。

在肌肉直接作为目标的功能电刺激的特定应用中，使用较低电压和较大面积是有利的，以确保整个肌肉组接收相同的刺激强度。

我们的设备能够改变每个电极的电压，这是有利的，因为它允许在不同电极上均匀地分布电流。

实施例3：刺激阶段中从恢复电极受益的两种测量模式

在活性刺激中，电压测量用于检测(多个)刺激电极何时不再适合用为电极。这可能是由于其他电极之一的连接恢复，其他电极变得适于刺激。为了从这种可能的恢复受益，优选地还为不被刺激的电极测量电阻。

因此，在刺激阶段，对于刺激电极的电阻测量使用高电压测量方法。由于高电压和典型的短刺激脉冲，这种测量方法的精度相对低，但是这种测量足以用于防故障机制的快速反应。对于非刺激电极且对于较高精度的测量，使用低电压测量方法。因为刺激将与低电压测量方法相干扰，这种测量发生在刺激的瞬时中断中。在这种中断中测量所有电极或者在单一中断中测量电极子集，以保持这些中断时间有限。而且，在低电压测量中使用的脉冲一般比在高电压测量中使用的脉冲周期更长，以确保皮肤的电容器功能不降低测量精度。

如果在刺激中检测出非刺激电极具有与(一些)刺激电极相当或甚至更低的电阻，该非刺激电极被添加到可用于刺激的电极集中。这一点于是取决于新电极是否用于刺激的实际刺激策略。对于本发明，优选地，如果(多个)原始刺激电极失去它们与皮肤的良好连接，这种新发现的电极则可用于接管刺激。

实施例4：补偿由皮肤刺激引起的电阻变化

图13示出16个电极的群的测量电阻的典型时间演变。在初始电阻测量之后，具有最低电阻的电极被活性刺激。在2至5分钟的周期上，电阻典型地显著降低，在该实例中降低了50％，而非刺激电极的电阻典型地并不降低得如此块。在该实例中，非刺激电极甚至增加其电阻。

该效果的两个优点在于：

1.如果电极在皮肤上移位，电阻中的大差异使得容易重新发现原先的刺激点。

2.当电阻下降时可以减小用于刺激的电极数目(参考上面)，使得刺激更加有针对性。

图13：测量电阻随时间的演变，绿线#2(底部)是刺激线。

然而，这种作用也具有必须克服的缺点。

图14：高电阻电极刺激

图14示出不是最低电阻电极被刺激而是最高电阻电极被刺激的刺激轨迹。在5分钟的刺激内，其电阻下降至1/3，且原先最高电阻电极现在为最低电阻电极。因此，如果由于临时环境错过了最初的最佳刺激点(例如，皮肤和特定电极焊盘的临时断开)，在5分钟之后，上述重新校准机制不再选择这些最佳刺激点。

为了补偿这种效应，定义下面的机制：

机制1：预刺激

1.最开始刺激所有可用电极而持续一个有限周期(5分钟的最大值就足够，但是在2.5分钟之后，皮肤电阻改善的斜率也清晰)。这将导致针对所有点的皮肤电阻下降。因为电阻典型地下降至25％到1/12之间，这可以导致具有最低电阻的不同刺激点。

2.仅在此时，基于最终电阻测量选择实际的刺激点。

机制2：存储器

1.针对每个电极保存其刺激历史(在两个水平之间)和其电阻测量范围。这给出刺激前和刺激后平均电阻以及电阻变化速度。当确定新刺激点时，对于刺激的电极也考虑当它们与非刺激电极相比时它们的刺激前电阻。如果使用该第二度量发现竞争性电极(例如，测量电阻差异小于X％，其中X为例如20％)，可以刺激有限的周期(2至5分钟)，使得也可以比较它们的刺激后电阻。

2.使用电阻变化速度，可以计算刺激的电极是否已到达其最低电阻，或者其电阻是否仍在降低。这一点是重要的，因为取决于人和环境，到达最低电阻所花费的时间从2分钟变化到15分钟。

3.选择具有最低电阻变化因子的有竞争力的低刺激后电阻的电极。此原因在于，已经认识到好的刺激点典型地比不良刺激点具有更低的电阻改善。对于这一点，背后的理论在于，良好刺激点具有自由神经末梢或比不良刺激点更接近皮肤的神经，且皮肤的刺激改善了其电导率。因为对于好的点，存在较少的可以改善其电导率的皮肤组织，刺激的改善必然更低。

此处描述的本发明实施例旨在说明而不具有限制意义。本领域技术人员可以对这些实施例做出各种修改而不偏离如所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims

1.一种用于经由电极(22)施加经皮神经电刺激的设备(10，12，14)，该电极(22)布置成用于检测皮肤阻抗的变化且配置成用于在检测到变化的皮肤阻抗时从刺激神经的刺激操作模式(30)切换到重新校准操作模式(32)。

2.根据权利要求1所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)包括多个电极(18)，该多个电极(18)配置成用于检测皮肤阻抗的变化且配置成用于经由该多个电极(18)调节流经皮肤的电流。

3.根据权利要求1或2所述的设备(10，12，14)，其中变化的皮肤阻抗导致设备(10，12，14)功能中的故障。

4.根据权利要求1、2或3所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成用于经由一个以上的电极(22)同时提供经皮神经电刺激，其中该设备(10，12，14)配置成改变用于施加经皮神经电刺激的每个电极(22)的电压

5.根据权利要求4所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成响应于变化的皮肤阻抗，将用于施加经皮神经电刺激的电压的变化转换成用于提供经皮神经电刺激的电极(22)数目的变化。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的设备(10，12，14)，其中该刺激操作模式(30)包括刺激电压且其中该重新校准操作模式(32)包括测量电压，该测量电压低于该刺激电压。

7.根据权利要求4所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成经由监控以基本上恒定电流施加经皮神经电刺激所需的电压和/或经由监控源于以基本上恒定电压施加经皮神经电刺激所得到的电流和/或经由测量电极(22)的电阻来检测变化的皮肤阻抗。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的设备(10，12，14)，该设备包括多个电极(18)，其中该设备(10，12，14)配置成用于在刺激操作模式(30)期间检测皮肤阻抗的变化，经由监控用于施加经皮神经电刺激的电压测量来自该多个电极(18)的刺激电极(22)的电阻，其中该设备(10，12，14)配置成经由测量电极(22)电阻的测量电压检测来自该多个电极(18)的非刺激电极(22)的电阻，该刺激电极(22)配置成用于施加经皮神经电刺激，且该非刺激电极(22)配置成不施加经皮神经电刺激。

9.根据权利要求8所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成在施加经皮神经电刺激的瞬时中断期间测量非刺激电极(22)的电阻。

10.根据权利要求8所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成针对第一电极子集测量多个电极(18)的电极(22)的电阻。

11.根据权利要求8所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成在预定时间窗口向多个电极(18)的第二电极子集(22)施加刺激神经的刺激信号，监控第二子集的电极(22)随时间的电阻变化，其中该设备(10，12，14)配置成从第二子集中选择电阻随时间的变化低于预定极限的特定电极(22)或特定电极(22)组作为刺激电极或者多个刺激电极。

12.根据权利要求2至10中任一项所述的设备(10，12，14)，其中该设备(10，12，14)配置成经由以下方法调节重新校准操作模式(32)期间的电流：

-调节电极(22)或多个电极(18)的位置以减小电极(22)或多个电极(18)的电阻，或

-重新施加电极(22)或多个电极(18)以减小电极(22)或多个电极(18)的电阻，或

-从用于施加经皮神经电刺激的多个电极(18)中选择具有减小电阻的另一电极(22)，或

-经由用于减小电极(22)或多个电极(18)的电阻的第三电极子集的电极(22)，同时从用于施加经皮神经电刺激的多个电极(18)中选择第三电极子集，或

-从用于施加经皮神经电刺激的多个电极中选择第四电极子集，该第四电极子集的选择取决于局部生理机能、感测电阻和用户交互。

13.根据权利要求12所述的设备(10，12，14)，当调节位置和/或重新施加电极或多个电极时，其中该设备(10，12，14)配置成向用户提供用于调节位置和/或重新施加电极(22)或多个电极(18)的指令。

14.一种经皮神经电刺激的方法，包括使用包含电极的设备，由此该方法包括以下步骤：

-检测皮肤阻抗的变化，以及

-当检测到变化的皮肤阻抗时从用于刺激神经的刺激操作模式(30)切换到重新校准操作模式(32)。

15.根据权利要求14所述的方法，其中该方法还包括通过以下方式动态调节用于刺激的电极(22)数目的步骤：

-向现有刺激电极(22)添加相邻电极(22)，添加的相邻电极(22)具有较低阻抗，和/或

-向现有刺激电极(22)添加相邻电极(22)，其中相邻电极(22)具有距离较低电阻位置最近的距离，和/或

-取决于电极阵列施加的身体部分的已知生理机能添加电极(22)。