CN102247652A

CN102247652A - 神经肌肉电刺激装置

Info

Publication number: CN102247652A
Application number: CN2011100958125A
Authority: CN
Inventors: 雷敏; 孟光; 刘显波
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: CN102247652B

Abstract

一种康复医疗技术领域的神经肌肉电刺激装置，包括：肌电信号检测模块、比较控制模块、电刺激信号发生模块和输出模块，肌电信号检测模块与比较控制模块相连接并传输检测到的肌电信号信息，比较控制模块与电刺激信号发生模块相连接并传输电刺激信号选择控制信息，电刺激信号发生模块与输出模块相连接并传输电刺激信号信息，输出模块与外接电刺激电极相连接并传输经过幅度变换后的电刺激信号。本发明用于改善神经肌肉的电刺激康复治疗的效果，起到促进肌肉神经组织的生长，防止肌肉萎缩的作用。

Description

神经肌肉电刺激装置

技术领域

本发明涉及的是一种康复医疗技术领域的装置，具体是一种神经肌肉电刺激装置。

背景技术

通过电刺激信号作用于肌肉组织进行康复治疗在医学上具有广泛的用途，其工作原理是电流通过细胞会产生一些生理反应，反应的程度与形式随接受刺激的组织(如肌肉、神经、骨骼)与刺激电压、电流的形式(如强度、波宽、电压、电流密度)有密切关系。例如，在医疗康复与领域，电刺激信号通过表面肌肉电极被应用于手术后的伤口愈合治疗、神经再生治疗和防止肌肉萎缩。

在实际的医疗实践中，发现现有的电刺激康复医疗手段还存在一些问题，例如，通过表面肌肉电极作用于肌肉组织的电信号主要是单向或双向的脉冲电信号，虽然采用调节频率、幅度等方式使信号有一定的变化，但这些脉冲电信号仍然会引起被治疗者的不良反应，如肌肉疼痛、心脏的不适感等。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号为200710037653.7的《用于设置治疗模式的电刺激平台系统、方法及存储媒介》、中国专利申请号为200920269280.0的《肌电反馈式电刺激仪》、中国专利申请号为200920303301.6的《一种神经网络重建装置》等都涉及到了神经肌肉电刺激装置中的电刺激信号的产生，但是这些现有技术所采用的电刺激信号都还只是确定性的信号，这些确定性电刺激信号的采用正如上所述会引起被治疗者的不良反应，并且这种确定性被肌肉神经组织所适应，从而不能起到好的电刺激作用，影响康复治疗的效果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种神经肌肉电刺激装置，用于改善神经肌肉的电刺激康复治疗的效果，起到促进肌肉神经组织的生长，防止肌肉萎缩的作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：肌电信号检测模块、比较控制模块、电刺激信号发生模块和输出模块，其中：肌电信号检测模块与比较控制模块相连接并传输检测到的肌电信号信息，比较控制模块与电刺激信号发生模块相连接并传输电刺激信号选择控制信息，电刺激信号发生模块与输出模块相连接并传输电刺激信号信息，输出模块与外接电刺激电极相连接并传输经过幅度变换后的电刺激信号。

所述的比较控制模块根据检测到的人体肌电信号的强度与若干门限值进行比较，根据比较结果所确定的肌电信号的强度由弱到强依次选择混沌信号、周期四信号、周期二信号、周期一信号；当肌电信号强度与正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号的强度相比低于10％时，比较选择模块选择混沌信号作为电刺激信号输出；当肌电信号强度与正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号的强度相比大于等于10％小于30％之间时采用周期四信号作为电刺激信号；在大于等于30％小于60％之间时采用周期二信号作为电刺激信号；大于等于60％以上采用周期一信号作为电刺激信号。

所述的电刺激信号发生模块包括微处理器和D/A转换器，由微处理根据所述的电路状态方程确定的数字输出信号，经过D/A转化器变换为输出到电压放大模块的模拟信号，该电刺激信号发生模块的电路状态方程为：

并以电压

或者是电压

或者电流i_L作为输出。

所述的电刺激信号发生模块根据所述的电路状态方程中电阻R的取值不同分别产生混沌信号、周期四信号、周期二信号、周期一信号的信号输出。

所述的肌电信号检测模块由前级放大器和与之相连接的后级放大滤波电路组成。

所述的输出模块由幅度调节模块和升压变换模块组成，该输出模块将电刺激信号发生模块输出的所述的电刺激信号变换为肌肉组织适宜的范围内。

本发明提供的电刺激神经肌肉康复治疗装置，采用了混沌信号以及其它信号作为电刺激信号，并根据被治疗部位的所检测到的肌电信号强度选择电刺激信号类型，实现了混沌电刺激信号和其它电刺激信号的结合，有效地利用混沌信号具有宽的频谱特性以及丰富的非线性动力学特性的特点，解决常规周期性电刺激信号较容易使肌肉组织产生适应性，并影响电刺激治疗效果的问题。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为电刺激信号发生模块示意图。

图3为实施例电刺激信号发生模块示意图。

图4为实施例示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：肌电信号检测模块1、比较控制模块2、电刺激信号发生模块3和输出模块4，其中：肌电信号检测模块1与比较控制模块2相连接并传输检测到的肌电信号信息，比较控制模块2与电刺激信号发生模块3相连接并传输电刺激信号选择控制信息，电刺激信号发生模块3与输出模块4相连接并传输电刺激信号信息，输出模块4与外接电刺激电极相连接并传输经过幅度变换后的电刺激信号以作用于肌肉部位。

所述的肌电信号检测模块1通过与外接的肌电信号采集电极相连实现对肌电信号的采集，该外接的肌电信号采集电极可采用镀银的表面肌电电极，通常采用双极型电极，粘贴于创伤部位的沿神经纤维方向的前方并且两个电极构成的方向与神经纤维方向保持一致。由于肌电信号通常比较微弱，频带在0～1000Hz之间，因此很容易受到干扰，包括共模干扰、工频干扰等。

所述的肌电信号检测模块包括前级放大器和与之相连接的后级放大滤波电路，其中：前级放大器采用一级放大或多级放大，以避免在干扰较强时信号进入非线性区引起严重失真。为了消除工频干扰，在肌电信号检测模块中增加双T有源滤波器作为后级放大滤波电路来滤除50Hz的工频信号。

如图2所示，所述的电刺激信号发生模块包括：滤波电容C1、谐振电容C2、谐振电感L、可调电阻R、谐振电阻R₀以及非线性电阻g，其中：谐振电感L与谐振电阻R₀串联并与谐振电容组成振荡回路，滤波电容C1和可调电阻R构成低通滤波电路且输入端和输出端分别与振荡回路和非线性电阻g相连，其中：

以电压或者是电压

或者电流i_L作为输出。

如图3所示，所述的非线性电阻g通过两个级联的运算放大器实现，其中：

g (U_{c 1}) = G_{b} U_{c 1} + \frac{1}{2} (G_{a} - G_{b}) (| U_{c 1} + E | - | U_{c 1} - E |),

\begin{matrix} E = \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}} V_{cc} \\ G_{a} = - \frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{4}} \\ G_{b} = \frac{1}{R_{3}} - \frac{1}{R_{4}} \end{matrix} .

采用Matlab软件通过数值解法研究公式(1)的电路状态微分方程确定的电路特性。通过数值仿真可知，当调节可变电阻R的值，使电路处于周期一、周期二、周期四、混沌信号等不同的振荡状态，并且选择合适的振荡频率。在周期一振荡状态下，本实施例具有拟正弦调制的中频电疗法特征；在周期二振荡状态下，本实施例具有干扰电疗法的频率特点，所产生的电刺激信号既具有低频频率又具有中频频率；在周期四振荡状态下，本实施例可产生低中频4个频率混合的电刺激信号；在混沌状态下，本实施例可产生以低频为主的低中频连续频率的拟随机信号，即混沌信号，该特征与音频电疗法的频率特性相似。这里的混沌信号，是单涡旋或者是双涡旋混沌信号。在具体实施本装置的方案时，根据预先确定的电阻R的取值，采用开关选择的方式实现。

当采用数字电路实施本装置时，电刺激信号发生模块包括微处理器和D/A转换器，由微处理器根据所述的电路状态方程确定的数字输出信号，经过D/A转化器变换为输出到电压放大模块的模拟信号。采用微处理器的好处是方便地实现更多类型的输出信号的选择。

所述的比较控制模块2用于与肌电信号检测模块连接，将检测到的肌电信号强度与若干门限值进行比较，并根据比较结果控制选择电刺激信号发生模块输出的电刺激信号。不同的门限值由预先通过可调电阻获得的分压数值大小所确定，而根据比较器的输出结果选择电刺激信号，则通过开关选择的方式选择相应的电刺激信号类型。例如，在本实施例中，电刺激信号的类型分为混沌信号、周期四信号、周期二信号、周期一信号，分别设置三个肌电信号强度门限值对应，依次为第一门限值、第二门限值、第三门限值、门并满足第一门限值＜第二门限值＜第三门限值。这样，当检测到的肌电信号强度小于第一门限值时，选择混沌信号作为电刺激输出信号，当检测到的肌电信号强度大于第一门限值而小于第二门限值时，选择周期四信号作为电刺激输出信号，当检测到的肌电信号强度大于第二门限值而小于第三门限值时，选择周期二信号作为电刺激输出信号，当检测到的肌电信号强度大于第三门限值时，选择周期一信号作为电刺激输出信号。上述第一门限值的设置可理解为检测到的肌电信号的强度很弱，或者是甚至检测不到肌电信号时，比较选择模块选择混沌信号作为电刺激信号输出。这种情况对应于肌肉完全失神经支配，此时采用混沌信号激发神经肌肉组织的生长具有良好的效果。

所述的比较控制模块2采用离散电路实现，其具体结构为采用四个比较器，分别为第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器，其各自对应的比较电压门限值是第一门限值、第二门限值、第三门限值、第四门限值，通过逻辑电路实现开关选择的唯一。当所有比较器的输出均为逻辑“0”时，选择混沌信号，当第一比较器的输出为逻辑“1”而其余比较器的输出为逻辑“0”时，选择周期四信号，当第一比较器、第二比较器的输出为逻辑“1”而第三比较器的输出为逻辑“0”时，选择周期二信号，当所有比较器的输出都为逻辑“1”时，选择周期一信号。

为了消除干扰，提高开关选择的可靠性，还在比较器之前增加积分器电路。

当采用以微处理器为基础的数字信号处理技术时，肌电信号检测模块检测到的肌电信号经过A/D转换器变换为数字信号后，就进行数字信号的处理，从而更加方便地实现上述比较控制模块的功能，实现对电刺激信号的选择和输出控制。

本实施例的电刺激治疗仪，当用于手术后的神经和肌肉组织的康复治疗时，第一门限值的设置可理解为检测到的肌电信号的强度很弱，或者是甚至检测不到肌电信号时，此时比较选择模块选择混沌信号作为电刺激信号输出。这种情况对应于肌肉完全失神经支配，此时采用混沌信号激发神经肌肉组织的生长具有良好的效果。或者，通过检测正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号来确定门限值。例如，如果治疗部位是人体的左前臂肌肉组织，则正常对称肌肉是指右前臂对称部位的肌肉，通过测量在最大收缩力时的肌电信号，当所述的检测到的肌电信号强度与正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号的强度相比，低于10％时，比较选择模块选择混沌信号作为电刺激信号输出。当所述的检测到的肌电信号强度与正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号的强度相比，在大于等于10％小于30％之间时采用周期四信号作为电刺激信号，在大于等于30％小于60％之间时采用周期二信号作为电刺激信号，在大于等于60％以上采用周期一信号作为电刺激信号。

所述的输出模块用于与电刺激信号发生模块连接，对生成的电刺激信号进行幅度变换，并通过外接电刺激电极作用于肌肉组织，该输出模块包括：幅度调节模块和升压变换模块两级变换，其中：幅度调节模块主要进行电刺激输出信号的阻抗变换，而升压变换模块进一步完成电压的变换，将输出信号变换为肌肉组织适宜的范围内。外接的电刺激电极一般采用表面粘贴的双电极，在实施时粘贴于被治疗部位肌肉的皮肤处，例如神经方向在伤口部位的上下处个粘贴一个电极，需要注意的是伤口上部的电极应尽量靠近伤口部位，而伤口下部的电极应尽量靠近伤口肌肉组织的尾部，这样达到好的治疗效果，刺激神经的生长和防止肌肉组织的萎缩。

本实施例涉及上述装置的神经肌肉电刺激方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S401，检测肌电信号。具体通过肌电信号检测模块1完成。

步骤S402，将检测到的肌电信号强度与预先设定的门限值进行比较，并根据比较结果控制选择电刺激信号，所述的电刺激信号至少包括混沌信号。具体通过比较控制模块2完成，其中的电刺激信号由电刺激信号生成模块3完成

步骤S403，将所述的电刺激信号通过外接电刺激电极作用于肌肉部位。具体通过输出模块4完成。

Claims

1.一种神经肌肉电刺激装置，其特征在于，包括：肌电信号检测模块、比较控制模块、电刺激信号发生模块和输出模块，其中：肌电信号检测模块与比较控制模块相连接并传输检测到的肌电信号信息，比较控制模块与电刺激信号发生模块相连接并传输电刺激信号选择控制信息，电刺激信号发生模块与输出模块相连接并传输电刺激信号信息，输出模块与外接电刺激电极相连接并传输经过幅度变换后的电刺激信号。

2.根据权利要求1所述的神经肌肉电刺激装置，其特征是，所述的比较控制模块根据检测到的人体肌电信号的强度与若干门限值进行比较，根据比较结果所确定的肌电信号的强度由弱到强依次选择混沌信号、周期四信号、周期二信号、周期一信号；当肌电信号强度与正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号的强度相比低于10％时，比较选择模块选择混沌信号作为电刺激信号输出；当肌电信号强度与正常对称肌肉在最大收缩力的肌电信号的强度相比大于等于10％小于30％之间时采用周期四信号作为电刺激信号；在大于等于30％小于60％之间时采用周期二信号作为电刺激信号；大于等于60％以上采用周期一信号作为电刺激信号。

3.根据权利要求1所述的神经肌肉电刺激装置，其特征是，所述的电刺激信号发生模块包括微处理器和D/A转换器，由微处理根据所述的电路状态方程确定的数字输出信号，经过D/A转化器变换为输出到电压放大模块的模拟信号，该电刺激信号发生模块的电路状态方程为：

并以电压或者是电压

或者电流i_L作为输出。

4.根据权利要求1或3所述的神经肌肉电刺激装置，其特征是，所述的电刺激信号发生模块根据所述的电路状态方程中电阻R的取值不同分别产生混沌信号、周期四信号、周期二信号、周期一信号的信号输出。

5.根据权利要求1所述的神经肌肉电刺激装置，其特征是，所述的肌电信号检测模块由前级放大器和与之相连接的后级放大滤波电路组成。

6.根据权利要求1所述的神经肌肉电刺激装置，其特征是，所述的输出模块由幅度调节模块和升压变换模块组成，该输出模块将电刺激信号发生模块输出的所述的电刺激信号变换为肌肉组织适宜的范围内。