CN102872533B - 瘫痪肢体肌肉复能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械领域，公开了一种瘫痪肢体肌肉复能系统。本发明中，上元瘫病人由于失神经支配造成肢体瘫痪，但上元瘫病人的下运动神经元、肌肉以及运动终板，无论是组织还是细胞都未受到直接伤害，它们还完全可以接收刺激、传导信息和收缩运动。神经能传导生物电，能接受电刺激并能传导电信号，我们在神经运动传导路的末段，即神经入肌肉的肌门这个节点，进行人工电子运动控制，外置的无线信号控制器通过无线信号传输遥控体内的刺激器，刺激器发出的刺激直接刺激肌肉，肌肉接收到刺激信息后开始收缩运动，带动肢体动作，从而实现肢体活动，让瘫痪肢体动起来，满足锻炼康复和生活自理的需求。

Description

瘫痪肢体肌肉复能系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及瘫痪肢体康复设备。

背景技术

日常生活中，经常可以看到坐在轮椅上或者躺在床上的瘫痪病人，据不完全统计，中国的瘫痪病人有数百万。中风或外伤等致瘫痪后，由于失神经支配造成肢体瘫痪，因而失去劳动甚至生活自理能力，给病人造成极大的痛苦和心理压力，给社会和家庭造成极大的负担。更糟糕的是，一旦瘫痪后，自我恢复的几率非常小，目前几乎没有有效的治疗办法和手段。

研究发现，瘫痪病人的中枢神经，无论是大脑或者脊髓，病变发生后，中枢神经病变区有一定程度的病理性修复，但是仅仅限于病变区的胶质反应，几乎见不到神经元的再生替代。因这种上运动神经元传导束的中断，导致从大脑皮层到运动终板的整个传导路的信号传输不能，造成永久瘫痪，是为上元瘫，由于恢复无望，被视为“绝症”。

但是，上元瘫病人的下运动神经元、运动器官即肌肉以及它们之间的连接装置即运动终板，无论是组织还是细胞都未受到直接伤害，短期内一般不会发生废用性萎缩退化，它们还完全可以接收刺激、传导信息、收缩运动。

现代电子元器件、电子设备和计算机的发展与应用，使得人工控制肌肉运动成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瘫痪肢体肌肉复能系统，从而实现肢体活动，让瘫痪肢体动起来，满足锻炼康复和生活自理的需求。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种瘫痪肢体肌肉复能系统，包括：置于体内的刺激器、导电电极和置于体外的无线信号控制器；

无线信号控制器中包括：

无线信号生成器，用于生成控制所支配肌肉运动的无线信号；

无线信号发射单元，用于发射无线信号生成器生成的无线信号；

刺激器中包括：

无线信号接收单元，用于接收无线信号发射单元发射的无线信号；

无线信号解码单元，用于将无线信号接收单元接收的无线信号进行解码后输出；

电脉冲生成单元，用于根据无线信号解码单元输出的信号生成控制所支配肌肉运动的电脉冲信号；

导电电极，与所支配肌肉肌门处的运动支配神经连接，电脉冲生成单元生成的电脉冲信号通过该导电电极释放。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

上元瘫病人由于失神经支配造成肢体瘫痪，但上元瘫病人的下运动神经元、运动器官即肌肉以及它们之间的连接装置即运动终板，无论是组织还是细胞都未受到直接伤害，它们还完全可以接收刺激、传导信息和收缩运动。神经能传导生物电，能接受电刺激并能传导电信号，我们在神经运动传导路的末段，即运动支配神经进入肌肉的肌门这个节点，进行人工电子运动控制，外置的无线信号控制器通过无线信号传输遥控体内的刺激器，刺激器发出的刺激直接刺激肌肉，肌肉接收到刺激信息后开始收缩运动，带动肢体动作，从而实现肢体活动，让瘫痪肢体动起来，满足锻炼康复和生活自理的需求。

进一步地，无线信号控制器发出信息的数据基础是基于病人的自主愿望或者病人生理生物电或反射电，可以接收病人身体生理自然产生的生物电，同步或者延迟控制内置的刺激器，瘫痪肢体“活动”的指令来自患者自己健侧肢体的活动信息，让患者活动健侧肢体时，同时带动患侧肢体一起同步、协调地活动起来，达到双侧肢体“同向运动”或“镜像运动”，从而实现患者对瘫痪肢体的意志支配。

进一步地，人为设置运动程式，运动程式包括了生理动作的尽可能多的运动范式，让瘫痪肢体按照设定的运动模式进行动作，可以恢复瘫痪肢体的部分运动，可以充分利用病人自体，盘活器官，减少器官废用退化及其带来的潜在致病风险。

进一步地，在运动支配神经进入肌肉的肌门处安置刺激器，可以确保无线信号能传输给所支配肌肉的相关运动支配神经，达到控制所支配肌肉运动的目的。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中一种瘫痪肢体肌肉复能系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施方式中一种瘫痪肢体肌肉复能系统用于瘫痪下肢的示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种瘫痪肢体肌肉复能系统。图1是该瘫痪肢体肌肉复能系统的结构示意图。

具体地说，如图1所示，该瘫痪肢体肌肉复能系统包括：置于体内的刺激器、导电电极和置于体外的无线信号控制器。

无线信号控制器中包括：

无线信号生成器，用于生成控制所支配肌肉运动的无线信号。

无线信号发射单元，用于发射无线信号生成器生成的无线信号。

刺激器中包括：

无线信号接收单元，用于接收无线信号发射单元发射的无线信号。

无线信号解码单元，用于将无线信号接收单元接收的无线信号进行解码后输出。

电脉冲生成单元，用于根据无线信号解码单元输出的信号生成控制所支配肌肉运动的电脉冲信号。

导电电极，与所支配肌肉肌门处的运动支配神经连接，电脉冲生成单元生成的电脉冲信号通过该导电电极释放。

需要说明的是，上述置于体内的刺激器、导电电极和置于体外的无线信号控制器是为了实现短距离无线通信技术，这一技术已经是成熟的现有技术，在这里不再详细阐述。

刺激器可以直接安装在所支配肌肉的运动支配神经进入该所支配肌肉的肌门处。

在运动支配神经进入所支配肌肉的肌门处，安置刺激器，让刺激器发出刺激信息给予神经末段，信息通过神经末段向下传导，通过运动终板后，传至肌肉，肌肉接收到刺激信息后开始收缩运动，带动肢体动作。

入肌门处的神经，在成分上已经比较单一，主要含有躯体运动神经纤维，包括控制肌梭内肌和肌梭外肌的神经纤维，还有少量源自肌肉的本体感觉神经纤维。由于中风偏身瘫痪一般伴有同侧偏身感觉传导障碍，所以来自肌肉的本体感觉神经不会将神经刺激信息上传到大脑产生本体感觉。

在神经入肌的肌门处安置刺激器，可以确保无线信号能传输给所支配肌肉的相关运动支配神经，达到控制所支配肌肉运动的目的。

另外，刺激器也可以置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，引导并安置在所支配肌肉的运动支配神经进入该所支配肌肉的肌门处。

传出线是绝缘的，只有在肌门处裸露，将刺激信息从刺激器传导到肌门处的运动神经。

肌肉接到信息后开始收缩运动，带动肢体动作，从而实现肢体活动。

刺激器的控制器即无线信号控制器是外置的，该无线信号控制器通过无线信息传输遥控内置的刺激器；刺激器发出的刺激，直接刺激肌肉并在肌肉内瞬间传播到所有运动单元即一块肌肉或一个肌肉群，激发运动单元一起收缩，完成一个动作。

刺激器可以是一个，也可以是多个，分别对应关键的一块肌肉或一个肌肉群。

下面，我们以人类肢体上的肌肉举例加以具体说明：

对于人类来讲，上下肢分工明确，机体的行走位移与运动主要由下肢完成，由于行走和运动对于机体的生物学意义大于上肢，对于瘫痪病人来讲，最最渴望的也首先是能够恢复站立与行走。

髋关节、膝关节、踝关节三关节是下肢直立站立以及开步行走的最基本的关节链条，它们的运动范围尺度、运动灵活性能、稳定性能、尤其是它们之间的联动机制和彼此运动之间的时空关系等，是保证下肢行使功能的基础前提。

股四头肌是伸膝和稳定膝关节的一个重要和主要的一块肌肉，在其四个头的肌门处，安装刺激器，人工进行刺激和控制股四头肌的运动，对于瘫痪病人的直立站立、瘫痪下肢的负重、以及下肢尤其是膝关节的直立(伸直)位稳定，至关重要，对于病人树立直立与行走的自信心甚为关键。

上肢是劳动器官，手同时具有外交礼仪和表情功能，比下肢的功能在更高级的层次，因此，也是非常的重要。在上肢，由于肌肉肌群力量对比的结果，偏瘫病人的上肢呈现肘关节、指间关节等众多关节屈曲畸形的特殊病态体位。

在上肢的自由上肢肌中，比如上臂的肱三头肌，它是伸肘的主要力量来源，将它与肱二头肌分别在其肌门处，安装刺激器，人工进行刺激和控制，可以实现对肘关节的激活与控制。避免由于瘫痪造成的肱二头肌强直挛缩和肘关节屈曲畸形。

在前臂，前臂伸肌群由于其综合肌力小于前臂屈肌，因此，上肢在上元瘫后，手指表现为屈腕屈指畸形。在前臂伸指肌群中尤其是在指伸肌、示指伸肌和拇长伸肌，在前臂屈肌群中尤其拇长屈肌、指浅屈肌、指深屈肌等肌肉的肌门处安装刺激器，刺激和控制上述肌肉或肌群的运动，可以帮助瘫痪病人实现伸腕运动和伸指运动，防止出现腕关节和指间关节等屈曲畸形，非常基础而又十分重要。

刺激器可以是微型芯片，例如RF芯片等。由于微型芯片已经是比较成熟的技术，在这里不进行详细阐述。

神经能传导生物电，能接受电刺激并能传导电信号。神经纤维传导的生物电在本质上都是相同的，都是电脉冲，所不同的是电压高低、电流强度、频率、波形和持续时间等。电流、电压、频率、波形和持续时间等生物电的参数变化决定了所支配肌肉的收缩反应，同时参与的神经的多寡、多条参与神经的组合方式、时间阵列等决定了不同的运动模式，如肌力大小、肌张力大小、收缩时程和收缩频率等。

无线信号控制器通过控制所生成的无线信号的频率、波长、周期、波幅、强弱、增益、电压、电流和持续时间控制所支配肌肉的运动。刺激器根据收到的无线信号的频率、波长、周期、波幅、强弱、增益、电压、电流和持续时间，将该无线信号传输给对应的所支配肌肉的肌门处神经。

优选地，该瘫痪肢体肌肉复能系统还包括：运动传感器，安装在健康肢体上对应所支配肌肉的肌肉上，用于将健康肢体上对应所支配肌肉的肌肉的物理运动转化为电信号输出。

无线信号控制器接收运动传感器输出的电信号，并根据该接收到的电信号，生成控制所支配肌肉运动的无线信号。

需要指出的是，无线信号控制器发出信息的数据基础是基于病人的自主愿望或者病人生理生物电或反射电，可以接收病人身体生理自然产生的生物电，同步或者延迟控制内置的刺激器，瘫痪肢体“活动”的指令来自患者自己健侧肢体的活动信息，让患者活动健侧肢体时，同时带动患侧肢体一起同步、协调地活动起来，达到双侧肢体“同向运动”或“镜像运动”，从而实现患者对瘫痪肢体的意志支配。由此，可以使患肢参与力所能及的“劳动”，恢复一定的生活技能，减轻对别人和社会的依赖，患而不废，变“废”为“能”。

由于患者可以“主动”支配自己的瘫痪肢体，因此能够缓解由于长期无法自主运动而产生的消极心理，有助于患者恢复自信，更加积极地、主动地回归社会。

另外，无线信号控制器也可以根据人为设置的运动程式，生成控制所支配肌肉运动的无线信号。

将肌肉的物理运动转换为表示运动的电信号是一种现有技术，有多种实现的方法。例如，以肘关节为例，可以在肘关节内侧设置两个点，以位置传感器感知两个点之间的距离，肘弯曲时距离就变小，肘伸直时距离就变大，距离的变化就代表了肘关节运动的方向，其它关节的运动方式与肘关节相似，也可以采用类似的方案。又如，在关节处放一个弹性器材(如一个弹簧或弹性条)，连接一个压力或拉力传感器，关节运动带动弹性器材形变，弹性器材上的压力或拉力也会随之变化，从压力或拉力传感器输出的信号就反应了关节运动的方向和幅度。再如，在关节的两侧设置一个微型无线发射点和一个微型无线接收点，关节运动时，微型无线发射点和微型无线接收点之间的距离也会随之变化，微型无线发射点发射强度不变的情况下，距离变化导致接收的信号的强度也发生变化，从微型无线接收点收到的无线信号的强度可以计算出距离变化的情况，从而知道关节运动的方向和幅度。

人为设置运动程式，运动程式包括了生理动作的尽可能多的运动范式，让瘫痪肢体按照设定的运动模式进行动作，可以恢复瘫痪肢体的部分运动，可以充分利用病人自体，盘活器官，减少器官废用退化及其带来的潜在致病风险。

图2是该瘫痪肢体肌肉复能系统用于瘫痪下肢的示意图。具体地说，如图2所示，在瘫痪侧肢体03上内置刺激器01，在健康侧肢体04上安装运动传感器05，无线信号控制器02可以接收该运动传感器05输出的源自健康侧肢体的生理生物电信息，也可以根据人为设置的运动程式，生成控制瘫痪侧肢体03上所支配肌肉运动的无线信号。

上元瘫病人由于失神经支配造成肢体瘫痪，但上元瘫病人的下运动神经元、运动器官即肌肉以及它们之间的连接装置即运动终板，无论是组织还是细胞都未受到直接伤害，它们还完全可以接收刺激、传导信息和收缩运动。神经能传导生物电，能接受电刺激并能传导电信号，我们在神经运动传导路的末段，即神经入肌肉的肌门这个节点，进行人工电子运动控制，外置的无线信号控制器通过无线信号传输遥控体内的刺激器，刺激器发出的刺激直接刺激肌肉，肌肉接收到刺激信息后开始收缩运动，带动肢体动作，从而实现肢体活动，让瘫痪肢体动起来，满足锻炼康复和生活自理的需求。

本发明第二实施方式涉及一种瘫痪肢体肌肉复能系统。

第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：

刺激器安装在下肢带肌的运动支配神经进入该下肢带肌的肌门处。或者，将刺激器置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，引导并安置在下肢带肌的运动支配神经进入该下肢带肌的肌门处。

一般来讲，一个运动需要有若干块肌肉共同参与完成，根据其各自具体的功能作用分为：主动肌、辅动肌和拮抗肌等；

相应地，一块肌肉可以参与许多不同的动作运动，在不同的运动活动中，可以担当完成主动肌、辅动肌和拮抗肌等不同的角色任务；

以下肢的下肢带肌运动髋关节为例：

瘫痪病人的最大愿望和最迫切的需求就是恢复站立、行走功能。中风偏瘫或脊髓截瘫的瘫痪病人，由于下肢肌肉包括髋关节周围的下肢带肌、大腿肌、小腿肌、足部肌几乎都失去意识性神经支配，所以，不能随意运动。但是，由于属于上元瘫或硬瘫，肌肉的肌张力还是存在的，给予包括机械刺激在内的刺激后，还会引发病理性反射，引致肌肉不自主的收缩。同时，在发病初期，病人的骨性结构没有发生退行性变，所以病人的下肢是可以被动站立、并能够负重的，也是具有一定的关节稳定性的。

由于髋关节周围肌—下肢带肌在偏瘫时，其受损程度似乎会低一些，随病程也会首先或较明显地得以恢复，加之，借助腹部和腰部部分肌肉的力量，病人在一定程度上是能够屈髋提腿的。

所以，我们在下肢带肌的运动支配神经进入该下肢带肌的肌门处加以刺激，直接刺激该下肢带肌，下肢带肌接收到刺激信息后开始收缩运动，带动下肢动作，帮助瘫痪病人恢复站立、行走功能。

需要说明的是，该瘫痪肢体肌肉复能系统可以应用于任意一块瘫痪肌肉上，本实施方式只是一种优选的实施方式举例，在本发明的其它某些实施方式中，可以根据需要应用于其它任意的瘫痪肌肉上。

本发明第三实施方式涉及一种瘫痪肢体肌肉复能系统。

第三实施方式在第二实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：具体地说：

刺激器为三个，分别安装在胫骨前肌、踇长伸肌和趾长伸肌的运动支配神经分别进入该三肌肉的肌门处。或者将刺激器置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，分别引导并安置在胫骨前肌、踇长伸肌和趾长伸肌的运动支配神经分别进入该三肌肉的肌门处。

我们同样以下肢小腿肌肉运动踝关节为例：

中风偏瘫或脊髓截瘫的瘫痪病人在恢复站立和行走功能以后，在康复阶段的初始时期，妨碍病人前驱，导致病人害怕，担心摔倒的最大的因素就是“脚尖拖地”，亦即踝关节背屈不能，也就是胫骨前肌瘫痪所致。

一般来讲，一个运动需要有若干块肌肉共同参与完成，具体地说，

使踝关节运动的肌肉有：

完成踝关节跖屈动作需要共同参与的肌肉有：小腿三头肌、踇长屈肌、趾长屈肌、胫骨后肌、腓骨长肌和腓骨短肌。

完成踝关节背屈动作需要共同参与的肌肉有：胫骨前肌、踇长伸肌、趾长伸肌和第三腓骨肌。

完成踝关节内翻动作需要共同参与的肌肉有：踇长屈肌、趾长屈肌、胫骨后肌和胫骨前肌。

完成踝关节外翻动作需要共同参与的肌肉有：趾长伸肌、第三腓骨肌、腓骨长肌和腓骨短肌等。

完成踝关节背屈动作的肌肉中胫骨前肌是主动肌，踇长伸肌、趾长伸肌和第三腓骨肌是辅动肌，小腿后群肌(小腿三头肌、踇长屈肌、趾长屈肌和胫骨后肌等)是拮抗肌；

所以，胫骨前肌的人工控制就是，解决瘫痪病人行走过程中的“脚尖拖地”问题的关键。

我们可以在胫骨前肌、踇长伸肌、趾长伸肌的运动支配神经分别进入该三肌肉的肌门处，分别安置固定刺激器；或者将刺激器置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，分别引导并安置在胫骨前肌、踇长伸肌和趾长伸肌的运动支配神经分别进入该三肌肉的肌门处，以实现人工控制，解决瘫痪病人行走过程中的“脚尖拖地”问题。

需要说明的是，该瘫痪肢体肌肉复能系统可以应用于任意一块瘫痪肌肉上，本实施方式只是一种优选的实施方式举例，以小腿背屈肌群为代表加以叙述，在本发明的其它某些实施方式中，可以根据需要应用于其它任意的瘫痪肌肉上。

需要说明的是，本发明各实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述实施方式并不存在其它的单元。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，包括：置于体内的刺激器、导电电极和置于体外的无线信号控制器；

所述无线信号控制器中包括：

无线信号生成器，用于生成控制所支配肌肉运动的无线信号；

无线信号发射单元，用于发射所述无线信号生成器生成的无线信号；

所述刺激器中包括：

无线信号接收单元，用于接收所述无线信号发射单元发射的无线信号；

无线信号解码单元，用于将所述无线信号接收单元接收的无线信号进行解码后输出；

电脉冲生成单元，用于根据所述无线信号解码单元输出的信号生成控制所支配肌肉运动的电脉冲信号；

所述导电电极，与所支配肌肉肌门处的运动支配神经连接，所述电脉冲生成单元生成的电脉冲信号通过该导电电极释放；

所述系统还包括：运动传感器，安装在健康肢体上对应所支配肌肉的肌肉上，用于将健康肢体上对应所支配肌肉的肌肉的物理运动转化为电信号输出；

所述无线信号控制器接收所述运动传感器输出的电信号，并根据该接收到的电信号，生成控制所支配肌肉运动的无线信号；

所述刺激器时多个，分别对应关键的一个肌肉群。

2.根据权利要求1所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述无线信号控制器通过控制所生成的无线信号的频率、波长、强弱、电压、电流和持续时间控制所支配肌肉的运动。

3.根据权利要求1或2所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述刺激器安装在所支配肌肉的运动支配神经进入该所支配肌肉的肌门处。

4.根据权利要求1或2所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述刺激器置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，引导并安置在所支配肌肉的运动支配神经进入该所支配肌肉的肌门处。

5.根据权利要求3所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述刺激器安装在下肢带肌的运动支配神经进入该下肢带肌的肌门处。

6.根据权利要求4所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述刺激器置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，引导并安置在下肢带肌的运动支配神经进入该下肢带肌的肌门处。

7.根据权利要求3所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述刺激器为三个，分别安装在胫骨前肌、踇长伸肌和趾长伸肌的运动支配神经分别进入该三肌肉的肌门处。

8.根据权利要求4所述的瘫痪肢体肌肉复能系统，其特征在于，所述刺激器置于皮下，该刺激器的传出线深入穿行，分别引导并安置在胫骨前肌、踇长伸肌和趾长伸肌的运动支配神经分别进入该三肌肉的肌门处。