CN102596143A - 用于刺激机械感觉神经末梢的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于刺激机械感觉神经末梢的装置可包括：包括有内腔和第一和第二开口的壳体；覆盖壳体的第一开口的膜，所述膜在收到振动机构的振动刺激时具有足够的弹性去振动；和在第二开口处的连接机构用于液力连通振动机构，其中整个装置由磁性非响应材料组成。所述壳体可为圆柱形，或任意多边形。膜可与壳体为一体或连接其上，比如：用粘合剂。可选择地，所述膜与所述壳体为可拆卸连接。

Description

用于刺激机械感觉神经末梢的装置、系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2009年8月26日提交的美国临时申请61/237,211的权益，该临时申请整体以具体引用的方式被纳入本申请。

本发明是在国家卫生研究院给予的NIH ROI DC003311、NIH P30 HD02528和NIH P30 DC005803的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

适应性是一个由于重复的感官刺激而导致神经元敏感度降低的动态过程，其可以跨越从毫秒到生物体的生存期的宽的时间范围。在感官系统(视觉、听觉、  嗅觉和体觉)中，由于适应性而产生的感官反应的衰减是一个共同的机制，这是刺激特定的(因为它取决于比如刺激的强度和频率的因素)，且其一般在皮层比皮层下层更明显(常(Chung)等人，2002年)。由于感官系统有不同数量的输出来代表宽范围的环境刺激，所以适应性被认为在动态地重新分配有限的输出组来编码变化范围的刺激是必不可少的。为此，人们对用于实施监测感官系统的适应性的研究的装置和系统进行了研究和开发。

人们对透过皮肤激活感觉神经末梢的电流的传输进行了研究，但电流是一种非自然的刺激形式，而且在自深层激活纤维和表皮感受器的过程中还可能绕开外围的机械感受器(威利斯和高基斯歇尔，1991年)。这种刺激方式潜在地导致了改变的输入募集模式，其由于神经纤维在光谱基础上的电阻抗差异，和与刺激位置邻近的输出神经纤维的附带激活。此外，若将生物磁场技术如脑磁图扫描(MEG)用于研究皮层响应的适应性，电刺激显示为神经磁性记录中的干扰源。还对提供振动刺激的压电式转换器进行了研究，并且得到了理想的频率响应。但是，压电式转换器的位移幅度有限，并且需要大电流源来运行压电晶体。这些转换器接近MEG传感器阵列会产生大量的电干扰。磁盘振动器(川平等，2004年；白桥等，2007年)可以提供振动刺激，但其运行在单一的频率下并且由于其复合的噪声源(电、磁和声)而与核磁共振成像扫描仪(MRI)和MEG不兼容。近来，在核磁共振成像扫描仪(MRI)中，压缩空气总管利用空气喷(黄等，2007年)和冯弗雷纤维丝(德雷泽尔等，2008年)来产生触觉刺激。但是，由于仪器对时间的需求，参与者可能会限制协定应用，并且在刺激过程中面部或四肢的移动可能会改变刺激部位。

因此，仍需要继续改进设备和系统以对监测感官系统的适应性进行研究。

发明内容

在一个实施例中，用于刺激机械感觉的神经末梢的装置可以包括：带有内腔和第一、第二开口的壳体；覆盖壳体的第一开口的膜，所述膜在收到振动机构的振动刺激时具有足够的弹性产生振动；和在第二开口处的连接机构用于液力连通振动机构，其中所述整个装置由磁性非响应材料组成。壳体可为圆柱形，或任意多边形。膜可以与壳体一体结构或者连接在壳体上，比如采用粘合剂。可选择地，膜与壳体可为可拆卸地连接。

在一个实施例中，所述装置可包括带有通孔的盖子。盖子可用于将膜固定在壳体上。盖子和壳体可以包括相应的紧固件，使得盖子可以固定在壳体上。相应的紧固件可以包括下述的一个或多个：快式接头，舌片和槽沟，对应的螺纹，粘合剂，或夹子。

在一个实施例中，用于接收振动刺激的连接机构可包括有用于内腔与振动机构之间的液力连通的流体连接机构。例如，该连接机构可包括鲁尔接口。可选择地，该连接机构可位于壳体壁内。另一种选择为，该连接机构可位于内腔的膜的对面。

在一个实施例中，所述装置可包括一个与连接机构相连的管路，该管路能够与振动机构相连。该管路具有足够的长度以伸出MRI或MEG的磁场，使得管路的另一端可与具有磁性响应成分的元件相连接，而该处的磁性响应成分对磁场不响应。

在一个实施例中，膜具有与壳体的横截面形状相应的横截面形状。一方面，膜具有灵活的回弹性和/或弹性。一方面，膜的厚度小于约0.5mm。另一方面，膜小于约0.127mm或约0.0005英寸。膜的厚度的可大幅度地变化。膜被设置成用于充分地振动来激活皮肤的机械性感受器以此来沿着初级躯体感觉通路传送神经冲动并在大脑中编码。膜具有至少1mm的正向振动位移。优选地，振动位移至少为约4mm。

在一个实施例中，本发明可包括有用于刺激机械感觉的神经末梢的系统。该系统可包括：如本文中所描述的装置；设置成用于与所述装置的连接机构液力连接的振动机构；和设置成用于所述装置和振动机构之间液力连接的磁性非响应的管路。

在一个实施例中，振动机构用于震荡流体进入腔室和/或从腔室出来使得膜振动或使得流体内的压强变化。可选择地，振动机构包括一个伺服电机。一方面，振动机构与磁性非响应管路液力连接，磁性非响应管路与连接机构液力连接。

在一个实施例中，系统可包括一个可与振动机构可控连接的计算机系统。

一方面，计算机系统与振动机构可控连接。

在一个实施例中，系统包括一个MRI系统。

在一个实施例中，系统包括一个MEG系统。

在一个实施例中，本发明可包括一种刺激机械感觉神经末梢的方法。该方法包括：提供如文中描述的装置或系统，将膜放置在受试者的皮肤上，并振动皮肤上的膜。

在一个实施例中，在MRI中刺激机械感觉神经末梢。

在一个实施例中，在MEG中刺激机械感觉神经末梢。

在一个实施例中，刺激机械感觉神经末梢是作为物理治疗的一部分。

在一个实施例中，刺激被用于带有发展性感觉动作障碍或损伤的患者的运动恢复。

在任何测试中，方法可包括在刺激神经末梢过程中监测受试者的大脑。

本发明的这些和其它实施例以及特点将在下面的说明书和所附的权利要求中更充分地表现出来，或从本发明的下述实例中得到。

说明书附图

为了进一步说明本发明的上述和其它优点和特点，参考本发明的插有附图的具体的实施例，将提出本发明的更具体的说明。应该理解，这些附图说明只用于解释发明的实施例，因此并不视为其范围的限制。通过采用下述附图，本发明将被仔细地描述和解释。

图1A-1B包括脑部MRI图(图1A中A图片和B图片)和触觉刺激对频率的反应(图1B中A-F图片)。这些附图显示出了对一个受试者的源重建结果。偶极子位于响应唇部刺激的双侧(图1A中A图片)，和位于右手刺激的对侧(图1A中B图片)。偶极子位置和方向显示在了正交的(横轴位、冠状位)MRI片上。在图片右侧的每个刺激比率下的S1偶极子随时间的强度被示出(图1B的图片A-F)。

图2A-2B包括的曲线图示出了在2、4和8Hz下对唇部和手部刺激的初级躯体感觉皮层(S1)波峰偶极子强度的比较。

图3A-3C包括的曲线图示出了在2(图3A)、4(图3B)和8HZ(图3C)下对唇部和手部刺激的S1波峰偶极子强度潜伏期的比较。

图4A-4B示出了TAC-Cell设备的一个实施例，其示出了一个聚乙烯的圆柱体，0.005″厚的硅膜，和将单元连接到伺服控制的气动泵上的鲁尔管路接头。

图5包括有TAC-Cell刺激控制系统的示意图。

图6包括的曲线图示出了样本的刺激电压脉冲和相应的TAC-Cell位移响应。TAC-Cell的机械响应时间(MRT)是17ms。

图7的图片示出了TAC-Cell设备通过在MEG记录区域前的双面胶带被固定在上下唇的唇红的中线上。TAC-Cell设备也可被固定在身体其它部位，比如右手(食指和中指)的无汗毛的表面和面部的嘴角。

图8示出了模型化的刺激序列，其作为输入传输到MEG部分的TAC-Cell气动伺服控制器。在2、4和8Hz下的125次脉冲序列被单独地用于手部和下面部的无汗毛的皮肤上。每个脉冲序列无论序列率均包括有六个50ms的脉冲。

图9A-9C包括的曲线图示出了在2Hz、4Hz和8Hz下的对以秒为时间的以毫米为单位的TAC-Cell的位移。

图10包括的曲线图示出了在2Hz、4Hz和8Hz下的面部刺激和相应的皮层MEG响应的平均全场电位的降低，其表明了对刺激的适应性。

具体实施方式

总的来说，本发明涉及使用具有相对高的瞬时分辨率的MEG技术来在毫秒时间内刺激振动皮肤进而比较和表征神经系统(比如，使用人类的手部和唇部刺激振动)初级躯体感觉皮层S1经由皮肤的刺激振动对一系列的合成的气动的皮肤刺激的短期适应模式。已证明MEG的空间分辨率足以绘制人体包括唇、舌、手指和手的S1表征图，也可以用于身体的其他部位。尽管以往的研究表明震动触觉适应机制存在于手部和面部中，但对于人类的反复点状机械刺激下的手部或面部的S1的短期适应机制知之甚少。可采用与MRI/MEG兼容的触觉刺激单元(TAC-Cell)来产生刺激振动。人们认为反复的皮肤振动刺激能导致短期适应性的频率依赖模式，其表现在诱发的神经磁S1响应。人们还认为面部和手部的适应模式的时空特征存在巨大的差异，是由于机械性刺激感受器的神经分布和运动行为功能的根本区别。

TAC-Cell设备能非侵入性地向面部和手部传递模型化的皮肤刺激，以研究初级躯体感觉皮层(S1)的神经磁响应的适应模型。每个TAC-Cell可被放置在任何皮肤体表面，比如右手的无汗毛的表面，和文中所述的上下唇的唇红的中线。一个151通道脑磁图(MEG)扫描仪可用于记录在TAC-Cell提供的皮肤刺激下的皮层反应，其由重复的6脉冲序列组成并通过振动的TAC-Cell膜表面以三种不同频率传递。诱发的S1的活力(手部刺激的对侧和唇部刺激的两侧)可由最早的突出响应部分的最佳偶极子表征。S1响应表现出显著的对点状的气动刺激序列的频率和刺激位置(无汗毛的唇部对比无汗毛的手部)的调节和适应功能。

TAC-Cell对于在MRI/MEG扫描仪环境下利用点状的、可调整的刺激激活人类的体感人脑通路是非常有用的。TAC-Cell是非侵入性的并在神经元刺激应用上是有效的。

相应地，本发明包括有用TAC-Cell去刺激面部和手部皮肤的机械感觉神经末梢的装置、系统和的方法。该装置是由非磁响应材料(比如：对于磁场不响应的材料，例如：非铁磁性的、非反铁磁性的、非铁淦氧磁性的、非抗磁性的，或其它类似材料)制备的。所述刺激可被用于大脑成像设备，比如：磁共振成像(MRI)和脑磁图(MEG)大脑扫描仪。在使用过程中，装置刺激神经元，从而允许在外围神经刺激过程中大脑响应成像。

所述装置可包括一个容器，其具有一个开口端，一个微膜与该开口适配，容器还具有一个带孔的盖子，其适合越过膜紧固在圆柱体上。容器还包括另一个开口，其具有一个使流体(例如，液压油或动力气体，如空气)流入和流出容器内腔的接头，此处的为响应压力运动的压力的变化导致微膜像鼓一样振动。开口和接头可配置成连接到提供流体，如空气或类似物的压力源，通过流体快速流入和流出内腔震荡来产生振动。TAC-Cell可被用于神经治疗的干涉设备，其在成人和儿童的运动障碍方面有很大的潜力。TAC-Cell可以有其它的结构，以提供如本文所述的振动刺激，并且能够兼容MRI和/或MEG进行操作。

TAC-Cell可在人类大脑成像和动作电位修复应用中用于刺激面部、手部或其它身体部位的皮肤上的机械感觉神经末梢。TAC-Cell可用于对(1)患有发展性感觉运动障碍的患者，和(2)带有持续脑血管中风的成人的动作恢复的临床研究。TAC-Cell的其它用途也可以预计，例如，用于物理治疗，在脑扫描过程中监测大脑活动，或与脑电图相结合。

TAC-Cell可被配置成一个小口径的气动执行机构，其包括一个膜可响应由气动装置提供的气动变换而振动。TAC-Cell可配置成与MRI/MEG兼容的，非侵入性的，并对带有和不带有神经损伤/疾病的成人和儿童均适用。举一个例子，TAC-Cell可由一个圆柱形腔体(例如，直径为19.3mm)制成，其腔体由非磁性响应材料(例如，聚乙烯容器)制成，并且包括一个覆在圆柱体腔体的开口的振动膜(例如，0.005″硅膜片)使得振动膜可响应圆柱体腔室的流体压力变化而振动。例如，振动膜可以放置在圆柱体腔室的瓶唇和挡圈之间。然而，其他的连接机构可用于将振动膜连接到圆柱体腔室上，比如，将膜粘贴到腔室上。对于直径(或者片的横断面尺寸)尺寸参数可变化，在约0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm、5mm、或甚至大到2cm、5cm，甚至可能更大。并且，TAC-Cell腔室和/或膜的材质可变化，只要是磁性非响应材料即可。也就是说，TAC-Cell材质不是磁响应的。因此，腔体可由各种聚合物和陶瓷材料制备，其中的膜由聚合物和某些橡胶制备。在保持磁性非响应特性下，材料变化可通过大量的材料来实现。

包括TAC-Cell的TAC-Cell系统包括有其他组件，比如，提供振动流体使膜振动的气动设备。此外，TAC-Cell系统可包括MRI和/或MEG或其它扫描仪。一个例子，包括有151通道的CTF脑磁图扫描仪，其用于记录在TAC-Cell提供的气动触觉刺激下的皮质脑磁反应。气动设备可配置成向TAC-Cell提供振动刺激，其包括重复的6-脉冲序列(脉冲宽度为50ms，序列间的间隔＝5s，125次(reps)/序列比率，序列比率[2，4，和8Hz，见图8])，然而，气动触觉刺激的其他变化和形式也可实施。

TAC-Cell设备/系统还可包括一个连接件，用于将TAC-Cell固定在受试者的皮肤上。所述连接件的例子有：粘合剂、胶带、夹具、粘合圈，双面胶带圈，或其他类型的非铁的连接件，如：粘合物、夹子、包裹物、绷带、和可用于将TAC-Cell固定到受试者上的类似物。连接件可配置成能将TAC-Cell固定到皮肤的不同位置，比如，在面部、手部、手指、指尖、手掌、脚部、脚底、胳膊、腿、躯干，或任何其它位置。举例来说，连接件可配置成夹持TAC-Cell到某些皮肤位置，比如右手的无汗毛的表面(食指/中指)，和上下唇的唇红的中线。

一个TAC-Cell可被固定到受试者的皮肤的任何部位。可选择地，一组TAC-Cell设备可被固定到一个受试者的一个或多个皮肤部位。

此外，本发明可包括一个多通道的TAC-Cell组(例如，复合TAC-Cell设备)，其能用于刺激与面部和手部或身体其他部位的与明显运动和方向相关的感官体验。TAC-Cell组可能包括几个在空间上分布的TAC-Cell，其可以按顺序(如，w/从一个邻近的TAC-Cell到另一有短时间如10ms的延迟)激活。可选择地，放置位置和激活可随机或预先设计。对于患有急性脑血管中风而影响面部(讲话、吞咽和表情)和手部(操作)运动的患者，TAC-Cell组可用做神经治疗刺激(干预)的新形式来诱发和提升患者的脑部可塑性和恢复机制。

TAC-Cell可用在其它变化的情况和实施例中。比如：TAC-Cell可包括一个“穹顶”膜，网纹膜，与TAC-Cell本体为一体的膜(比如：无挡圈)小型化动伺服控制器，和当可提供时、高速气动开关(阀)是可行的；移动膜的一体振动特点，比如：微型伺服器或泵；其他各种特征也可被修改。TAC-Cell有可能被伺服电子器件驱动。

同时，TAC-Cell可被磁性响应气动装置驱动，其安装在TAC-Cell设备的远端，并且在TAC-Cell和气动装置之间液力连接有磁性非相响应的管路。

气动伺服控制气动装置使TAC-Cell膜震荡，以在皮肤上产生振动刺激。由磁性非响应材料制成的一个流体导管可向TAC-Cell输送振动流体，以使膜振动。TAC-Cell的活跃的“脉动”表面可被用于对皮肤产生点状的机械输入(例如，振动位移可为4.25mm，上升/下降时间为25ms)，其中根据流体震荡和膜的横断面和大小，上升和震荡可变化。然而，所有的尺寸、震荡、材料和其他参数均可合理的改变。

如图4A-4B所示，TAC-Cell设备400的一个实施例包括有带有内腔402a和覆盖内腔402a的一个开口404的膜403的壳体402，其中膜403被配置用于响应振动机构而振动。如图，一个可选的环形环405被用于将膜403固定在壳体402上使其覆盖开口404。TAC-Cell设备400可包括与壳体402相连的颈部406，并且颈部406的内腔408从内腔402a延伸到开口412。颈部406可还包括一个位于开口412处的连接元件410，其可与气动设备相连，比如通过管道。连接元件410，比如，可被配置成一个鲁尔接头。

在一个实施例中，壳体402、膜403、环形盖404(带有孔，如果膜与壳体为非一体)、颈部406和连接元件可以为塑料、聚合物、橡胶、硅树脂、聚乙烯、聚丙烯、陶瓷或类似物，只要不是磁性响应材料即可。

图5示出了TAC-Cell系统的实施例。如图，TAC-Cell通过一个气动管路与伺服电机液力连接。伺服电机可包括一个位置传感器，其与伺服电机控制器可操作性相接。同时，伺服电机控制器可接收中央处理机(CPU)的输入，例如，带有16位模/数转换器ADC/数/模转换器DAC。另外，伺服电机控制器可与放大器可操作性的连接，可在提供给伺服电机之前放大来自伺服电机控制器的信号。因此，通过磁性非响应的气动管路，TAC-Cell可被远端的伺服电机控制和接收流体气动振动。

相应地，TAC-Cell402包括一个位于内腔402a、可与外部的振动机构(如，伺服电机)相连的流体联接器以产生震荡动作。伺服器可为一个精密的伺服系统，其控制和产生压力以驱动膜403。伺服器或其它振动机构可远离壳体402和膜403设置，使得无金属或其它磁性响应元件与壳体402和膜403相连，使其可在脑部扫描仪上使用。

在一个实施例中，壳体可类似于标准瓶，比如：样品瓶或化学试剂瓶。瓶盖可被机械加工使其开有开口(孔)，膜(比如，5000分之一英寸厚的硅膜)可覆盖瓶口并通过盖子开口振动。壳体可配置成包括一个流体连接机构，比如鲁尔接头。流体连接机构可位于壳体的底部或壳体内的其他任意位置。流体连接器(比如，鲁尔锁紧接头)可与硅管路或其它磁性非响应的管路连接，硅管路或其它磁性非响应的管路的另一端与振动机构液力连接。

可用计算机(例如，CPU)来控制振动机构，使得TAC-Cell内的压强得到控制和非常精确的调节。振动机构可驱动TAC-Cell，膜快速移动使得凸出或吸进圆柱体，并10-90％的上升/下降时间在25ms。25000分之一秒内，根据膜的尺寸，膜可移动3.6mm或其它距离，其对皮肤表面产生了强烈的刺激，并进而驱动皮肤的体觉神经元。

之前，由于在磁场环境下，比如MRI或MEG，刺激体感系统的问题，使得在MRI或MEG内提供刺激一直很困难。磁性非响应的TAC-Cell可提供皮肤或触觉刺激而不受磁场的影响。这使得允许感觉到皮肤上的压力的变化，并允许医疗专业人员能够观察到当受试者的皮肤的压力发生变化时，其大脑内部的变化。TAC-Cell利用两种扫描技术MRI和MEG能够提供一种客观地检测人类神经系统的整个通路的方法。TAC-Cell的感觉就像是在皮肤上敲打，因为刺激的来去速度非常的快。膜刺激器具有达到约30Hz的良好频率响应。这里的例子是2、4和8Hz。TAC-Cell可振动皮肤表面并激活皮肤内的数千个感觉神经末梢，其发送神经群发(信号)通过脊髓或脑干，然后到丘脑并转到体感皮层。

相应地，TAC-Cell提供一个与MRI兼容并与MEG兼容的气动触觉刺激单元膜用于体感刺激，也可以用于人类神经磁皮肤刺激。它也可用于任何动物，如鱼类、鸟类、爬行类和类似的。

TAC-Cell可用于基本的大脑功能的神经评估，利用MRI和MEG扫描技术，尤其是绘制完整的人类大脑的三叉神经-脑丘皮层(面部)和内侧丘系-丘脑-皮层(手部-上肢/脚-下肢)的体感途径和神经适应的特点。

TAC-Cell可被用于研究动物，利用MEG扫描仪来绘制大脑对TAC-Cell振动刺激响应的图。TAC-Cell可被用于激活人类大脑中的体感通路。

图10中示出了一个伺服控制的刺激波形，其用于驱动气动泵，进而调节TAC-Cell内的压强。它们是离散的、快速脉冲，其持续时间仅有几毫秒。图形下方的波形示出了大脑神经磁响应。如图所示的面部刺激，在每次刺激脉冲后的50ms内大脑开始响应。

TAC-Cell能刺激大脑以致在脑扫描图(见图1A)中刺激非常明显可见。TAC-Cell设备对于映射出病变的诊断很有用，并可用于确定神经信号通路是否被中断。同时，TAC-Cell设备可识别患者在中风期间是否持续受损。TAC-Cell也可用于受损脑部的修复。因此，TAC-Cell可被用于激活神经系统，并作为治疗刺激来帮助受伤后的大脑的通路的重建。

在物理治疗中，TAC-Cell可用于代替电刺激。电刺激的一个缺点是它颠倒了神经元被募集的次序。另一个缺点是电刺激不区分感觉和动作纤维激活。当人们向皮肤上引入电流时，具有最低电流刺激阀值的神经将首先激活，并可能涉及感觉和/或动作神经的混合激活。TAC-Cell消除了这个问题，有选择性地激活机械感受传入神经且不直接刺激动作神经。在皮肤刺激的自然形态下(也就是：与使用电流相反的触摸、压力、振动)，维持了正常的募集次序和神经元类型。TAC-Cell特别地适合有选择性地模拟与快速适应I型(FA I)和II型(FA II)以及在皮肤中发现的用于编码触觉、振动、纹理和皮肤伸展的慢速适应(SA I and SA II)感觉神经纤维有关的AR初级传入。因此，TAC-Cell在这些方面优于电刺激。

单个或一组TAC-Cell可被用于不同刺激研究方法的所有不同类型中。其包括有右侧身体研究、左侧身体研究、双侧刺激和半球偏侧。

一个一组的例子，5个TAC-Cell被放置在了预先确定的位置，每个TAC-Cell被单独的流体管路单独控制。TAC-Cell被排成一条直线，然后间隔一段时间来打开一个TAC-Cell，比如在每个TAC-Cell之间间隔10ms，大脑解释这种感觉为明显的动作或运动。这可提供一个治疗脑部的实际运动经验，动作的感知和体验将真正地帮助受损的神经和皮层重建和形成联接。这是大脑可塑性的一部分。

TAC-Cell设备可被用于采用相同模式的刺激来刺激唇部或手部，并且可有效地诱导S1短期适应。手部和唇部的短期适应模式的不同可能是在皮肤和皮下的区域的机械感受器的类型的不同的作用，也由于面部和边缘的肌肉组织的差异。与身体的其它部位也可能存在差异。S1响应衰减幅度取决于刺激频率，并且对于手部和唇部衰减最大的时的脉冲指数为8Hz，衰减最小时的脉冲指数为2Hz。手部和唇部S1的最大偶极子强度的潜伏期的显著差异是由于轴突长度和从唇部和手部的机械感受神经末梢到它们的S1的中心目标的距离的差异造成的。

TAC-Cell可利用MRI和MEG扫描技术来进行基本的脑部功能神经评估，尤其是绘制完整的人类大脑的三叉神经-丘脑皮层(面部)和背柱-内侧丘系-丘脑-皮层(手部-上肢/脚-下肢)的体感途径。比较正常健康的成年人和不同的临床人群比如自闭症儿童的空间适应模式，具有创伤性脑损伤或脑血管中风的成年人可能在基础感觉过程上具有新的理解。

例如：对自闭症儿童的重复的触觉刺激会导致高度敏感，和增强的但慢速的适应反应。由于用于合成氨基丁酸的蛋白质的降低而导致的一种抑制氨基丁酸能的抑制机制被认为对这些非正常响应特性负责。

另一个实施例包括利用TAC-Cell或TAC-Cell组用于动作恢复的特定的体感刺激。持续的体感刺激能增强动作皮层兴奋性并在皮层受损后在动作学习和功能恢复方面具有暗示。因此，除了体感通路的功能性的定位，TAC-Cell还可在动作障碍的成人和儿童的恢复中作为一种新的神经治疗干涉设备有所应用。

实验例

参与这项研究的由十个没有神经疾病史的健康的女性(平均年龄＝24.8岁[标准偏差SD＝2.9])。使用的TAC-Cell是一个常规的，带有卡口型盖子(科尔-帕默，零件号：R-08936-00)的5ml的圆瓶，其上有小孔气动执行机构。聚乙烯帽被加工开有直径为19.3mm的内孔。0.005″的硅片膜(AAA-ACME橡胶公司)被牢牢地固定在瓶边和加工过的卡口型帽之间。当气动启动后，TAC-Cell的活跃的硅膜表面产生了一个上升/下降时间为27ms(基于10％-90％的截距)的4.25mm的峰位移。

与常见的

牌的玻璃圆柱体相连(Airpot公司，2K4444P系列)，并在位置反馈(生物通讯(Biocommunication)电子有限责任公司，511型伺服控制器)和计算机控制下操作的一个惯常的非整流伺服电机(H2W技术公司，NCM 100-2LB)利用气动压力阀来驱动TAC-Cell。计算机配备有一个16位多功能卡(PCI-6052E，国家仪器公司)。在我们实验室，利用

软件(8.0版，国家仪器公司)进行了刺激控制信号的常规编程。这些信号作为伺服控制器的输入，并也用于触发MEG扫描仪的数据采集。此硬件配置达到了刺激产生和MEG数据采集之间的同步。15英尺长的硅管(内直径0.125″，外直径0.250″OD，壁厚0.063″)用于将气动刺激脉冲从伺服电机引至MEG扫描仪中受试者上的TAC-Cell。机械响应时间(MRT)定义为脉冲序列电压波形的前缘和相应的TAC-刺激启动位移之间的延时，其对于所有刺激频率均为17ms(图6)。记录的峰偶极子强度潜伏期的值反映了TAC-Cell的MRT的校正量。

如图7所示，双面胶带圈450用于固定各个TAC-Cells400到受试者460的两个皮肤位置，包括右手的无汗毛的表面(食指/中指)(未示出)，和上下唇的唇红的中线(示出)。在各个皮肤位置上放置要在1分钟内完成。

气动伺服控制用于产生脉冲序列(序列间的间隔为5s，125次/序列频率)。每个脉冲序列包括6个单相脉冲[脉冲宽度为50ms](图8)。对于每个皮肤位置，采用包括2、4和8Hz的三个脉冲序列率的任意块设计来对TAC-Cell的模式化的输入的皮质神经磁性响应的短期适应性进行评估。2、4和8Hz刺激块各自持续大约16、14和12分钟。在受试者中刺激频率的顺序和刺激位置的状况是随机的。

图7还示出了正在被全脑MEG系统(CTF Omega欧米茄)440分析的受试者460，该全脑MEG系统440配置有用于记录对TAC-Cell输入皮层响应的151个轴向梯度传感器。一根磁性非响应管路420与连接机构410相连。本地线圈430和436放在包括鼻根、左边和右边的耳前点的三个位置上，以确定相对于传感器线圈的头部位置。两个双极电极432被用来记录眼电图(EGG)，其被用来确认受眼动伪差和眨眼影响的试验。登记的标示被放置在了相同的3个位置，其用于标示本地线圈的位置。在MEG记录过程后，TAC-Cell从皮肤位置上移走，受试者被立即移入邻近房间内的MRI扫描仪内进行大脑解剖摄像。

MEG数据采用一个双向四阶巴特沃斯(Butterworth)滤波器进行1.5Hz到50Hz之间的数字带通滤波。相应于在脉冲序列刺激之前和之后的1s的试验是肉眼可见的伪影和那些包括运动或眨眼人为信号的伪影，其均被丢弃。对于每个试验条件下的剩余的试验被平滑，并采用预刺激期作为基线进行DC补偿。在每个试验条件下，每个受试者的不少于90个试验被用于平滑。

CURRY^TM(COMPUMEDICS神经扫描)是一个用于分析MEG记录中的数据的专业信号处理软件。CURRY^TM也可用于关联登入带有MEG数据的MRI解剖图像以绘制生物磁偶极子源。因此，利用与从MRI数据中获得的每个受试者的头颅相配备的球形的对称容积的导体模型，源重建可在CURRYTM中实施。源空间被定义为一个贯穿大脑空间的规则点的网格(点与点之间的平均距离为4mm)。采用最小范数最小二乘(MNLS)用于序列第一响应(比如：以最佳的信噪比(SNR)为特点)来对电流密度进行分析，进而区分对应S1活动的活动空间峰值。位置限制的偶极子分析(偶极子位置设置在由MNLS重新得到的空间最大值处)被接着用于评估序列的每个脉冲后的S1活动的偶极子方向和峰强(uAmm＝微安-毫米)。

采用三因子方差分析来比较峰偶极子、峰强和潜伏期在不同刺激地点(唇部和手部)、频率(2、4和8Hz)和序列中的脉冲指数方面的显著区别。相应于唇部和手部刺激的左大脑半球的偶极子位置的差异，被使用单因子方差分析测试统计显著性。SPSS软件(17版，SPSS公司)被用于统计分析。

对于手指或脚趾的刺激，通过受试者可持续观察到的最早的突出响应部分的峰在每个皮肤脉冲后的74.3±6.7ms。对于唇部刺激，受试者的最早部分的峰在50.3±5.8ms。对于两种刺激位置，这些早期的部分之后是一些具有不同时空形态和空间格局的磁场的晚期的部分。

对于最早的响应部分，穿过传感器阵列的诱发磁场的分布与手部刺激条件的对侧S1和唇部刺激的双侧S1的源的存在相一致。源重建的结果证明了这一点，见图1A。在图1A中，标示的区域指代下述内容：100(在初级躯体感觉皮层中面部表征的偶极子激活)；102(在初级躯体感觉皮层中面部表征的偶极子激活)；104(在初级躯体感觉皮层中对侧的手部表征的偶极子激活)。偶极子源始终位于左边的S1(手部刺激)的手表征内和双侧的位于S1(唇部刺激)的面部表征内。

唇部和手部S1响应的平均偶极子位置记录在表1中。对每个三维笛卡尔坐标采用单因子方差分析来比较唇部和手部刺激在左大脑半球的偶极子位置，其结果显示沿其所有三个方向的S1源的显著不同：横向(p＜0.001)，前部(p＝0.008)，下部(p＜0.001)。结果与初级躯体感觉皮层的躯体组织(潘菲尔德和拉斯穆森，1968年)相一致，即代表的唇部S1更朝向中央后回底部，比如：比手部S1刺激更侧向、前向和下向。

峰偶极子强度用于量化皮层响应的大小，以作为刺激速率和在序列中的连续的位置的函数。S1响应的潜伏期由峰偶极子强度确定并为机械响应时间(MRT)校正。以刺激位置、刺激频率、刺激序列内的脉冲指数为因子的偶极子强度峰的三因子方差分析，显示出了频率(p＜0.001)和脉冲指数(p＜0.001)在统计上显著的主效果。刺激位置和频率(p＝0.016)之间，频率和脉冲指数(p＝0.003)之间的相互作用在统计上也显著。

S1响应的峰偶极子强度(图2A-2B)示出了随着序列中的刺激位置逐渐衰减。在8HZ刺激条件下，神经磁反应的急剧衰减让我们不能对唇部和手部刺激条件下第三个偶极子强度峰值之外的潜伏期进行分析。在三个不同的测试频率下，唇部的S1适应程度要大于手部的，这可以部分地被解释成沿丘系和丘脑皮层系统的机械感受器代表和中央集成机制的差异。

以刺激位置、刺激频率和在序列刺激中的脉冲指数为因子的S1峰潜伏期的三因子方差分析，示出了刺激位置(p＜0.001)这一主要因素是统计显著的。在这种情况下，相互作用不显著。这显示，在全部三种刺激频率下的手部和唇部之间的TAC-Cell诱发S1响应峰潜伏期非常的不同(图3A-3C)，这与三叉神经通路的较短的传导时间一致。

本发明可以在不脱离其实质和本质特征的情况下体现为其他的具体方式。所描述的实施例在各方面均仅作为说明，而不是限制。因此，本发明的范围被所附的权利要求指出而不是上述的说明书。所有与权利要求的等同含义和范围内的改变均包括在其范围内。

表格

表1

唇部(对侧和同侧的大脑半球)和手部(对侧的大脑半球)S2的偶极子位置与2、4和8HzTAC-Cell的刺激相关。多受试者的平均值±标准偏差，基于头皮的外部标示，被在笛卡尔坐标系统中表示，其x轴通过预耳穴从左到右，其y轴从脑后到鼻根，其z轴指向头顶。

Claims (35)

1.一种用于刺激机械感觉神经末梢的装置，该装置包括：

包括有内腔和第一和第二开口的壳体；

覆盖所述壳体的第一开口的膜，所述膜在收到振动机构的振动刺激时具有足够的弹性去振动；

和在所述第二开口处的连接机构用于液力连通所述振动机构，其中所述整个装置由磁性非响应材料组成。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体为圆柱形。

3.如权利要求1-2之一所述的装置，其特征在于，所述膜与所述壳体为一体。

4.如权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述膜与所述壳体为可拆卸连接。

5.如权利要求1-4之一所述的装置，还包括有具有通孔的盖子。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述盖子用于将所述膜固定在所述壳体上。

7.如权利要求5-6之一所述的装置，其特征在于，所述盖子和所述壳体包括有相应的紧固件使得盖子可固定在壳体上。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述相应的紧固件为下述的一个或几个：快式接头，舌片和槽沟，对应的螺纹，粘合剂，或夹子。

9.如权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，用于接收振动刺激的连接机构包括有流体连接机构，所述流体连接机构将内腔与振动机构液力连通。

10.如权利要求1-9之一所述的装置，其特征在于，所述连接机构包括有鲁尔锁。

11.如权利要求1-10之一所述的装置，其特征在于，所述连接机构位于所述壳体壁内。

12.如权利要求1-11之一所述的装置，其特征在于，所述连接机构位于相对于内腔的所述膜的对面。

13.如权利要求1-12之一所述的装置，还包括与所述连接机构相连的管路，所述管路可与所述振动机构相连。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述管路具有足够的长度以伸出MRI或MEG的磁场外，使得管路的另一端可与具有磁性响应成分的元件相连接，此处的磁性响应成分对磁场不响应。

15.如权利要求1-14之一所述的装置，其特征在于，膜具有与壳体横截面形状相应的横截面形状。

16.如权利要求1-15之一所述的装置，其特征在于，所述膜具有灵活的回弹性和/或弹性。

17.如权利要求1-16之一所述的装置，其特征在于，所述膜的厚度小于约0.5mm。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述膜小于约0.127mm。

19.如权利要求1-18之一所述的装置，其特征在于，所述膜产生足够的振动使得大脑收到刺激。

20.如权利要求1-19之一所述的装置，其特征在于，所述膜具有至少1mm正向振动位移。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，振动位移至少约4mm。

22.一种用于刺激机械感觉神经末梢的系统，系统包括：

如权利要求1-21之一所述的装置；

用于液力连接到连接机构的振动机构；和

用于将所述装置液力连接到振动机构的磁性非响应的管路。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述振动机构用于震荡流体流入和/或流出腔室使得膜振动或使得流体内的压力变化。

24.如权利要求22-23之一所述的系统，其特征在于，所述振动机构包括伺服电机。

25.如权利要求22-24之一所述的系统，还包括可与所述振动机构可操作性连接的计算机系统。

26.如权利要求22-24之一所述的系统，其特征在于，所述振动机构与所述磁性非响应的管路液力连接，所述磁性非响应的管路与所述连接机构液力连接。

27.如权利要求25-26之一所述的系统，其特征在于，计算机系统可操作性地与所述振动机构连接。

28.如权利要求22-27之一所述的系统，还包括MRI系统。

29.如权利要求22-27之一所述的系统，还包括MEG系统。

30.一种用于刺激机械感觉神经末梢的方法，该方法包括：提供如权利要求1-29之一所述的装置或系统；将膜放置在受试者的皮肤上，振动皮肤上的膜。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述机械感觉神经末梢是在MRI中被刺激。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述机械感觉神经末梢是在MEG中被刺激。

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述机械感觉神经末梢被刺激是作为物理治疗的一部分。

34.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述刺激用于患有发展性感觉动作障碍或损伤的患者的动作恢复。

35.如权利要求30所述的方法，还包括在刺激神经末梢的过程中监测受试者的脑部。

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