CN103638604B - 一种助行系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于医疗器械技术领域，提供了一种助行系统，所述系统包括含有重组慢病毒载体的药用载体、定位装置、注射装置、信号采集和编码装置以及光照装置，所述重组慢病毒载体携带有由细胞特异启动子调控的编码光敏感离子通道蛋白基因，所述定位装置用于确定脊髓节段的位置，所述注射装置用于将所述含有重组慢病毒载体的药用载体注射至目标脊髓节段内；所述信号采集和编码装置用于采集不同行为运动对应的电活动并对各电活动进行编码，进而确定出相应的光刺激参数；所述光照装置用于接受相应的光刺激参数，对脊髓节段实施相应光刺激，以实现肢体的功能运动，可广泛应用于在临床功能修复中。

Description

一种助行系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种助行系统。

背景技术

脊髓损伤(Spinalcordinjury,SCI)是一种最具破坏性的神经系统疾病之一，患者在损伤平面以下存在感觉、运动、反射及尿便等功能障碍。流行病学调查，全世界每年仅新增脊髓损伤的患者就高达500,000人。美国每年大约有12,000例新增脊髓损伤的患者，年治疗费用高达70多亿美元。我国每年有60,000例新增脊髓损伤的患者，是美国患病率的5-6倍，位世界发病率最高。脊髓损伤多发生在青壮年男性，平均年龄为33岁，是社会财富的主要创造人群。脊髓损伤常常遗留严重的残疾，对国家、社会、家庭及患者本人均造成严重的经济及身心损失。尽管长期以来神经生物学家和神经科医生们花费大量的精力寻求脊髓损伤修复的方法(仅美国加州在脊髓损伤修复研究中投入的科研经费为62.5百万美元/年)，但是，至今仍一筹莫展。

目前最常用的脊髓损伤后行走功能修复的方法是功能性电刺激(Functionalelectricalstimulation,FES)。该方法主要是以下肢肌肉为治疗靶点，通过电刺激，诱发行走运动。其代表的设备有Parastep助行系统。该设备于1994年获得美国FDA批准，已投入使用超过20年，目前被纳入医保系统。但是，由于直接电刺激导致肌肉收缩的力度大，易引起肌肉组织疲劳，而且诱发的行走动作僵硬、笨拙，因此只有少部分人接受Parastep助行系统。目前仍没有开发出替代设备。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种助行系统，旨在解决现有助行系统直接电刺激导致肌肉收缩的力度大，易引起肌肉组织疲劳，而且诱发行走的动作僵硬、笨拙的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种助行系统，包括含有重组慢病毒载体的药用载体、定位装置、注射装置、信号采集和编码装置以及光照装置，所述重组慢病毒载体携带有由细胞特异启动子调控的编码光敏感离子通道蛋白基因，所述定位装置用于确定脊髓节段的位置，所述注射装置用于将所述含有重组慢病毒载体的药用载体注射至目标脊髓节段内；所述信号采集和编码装置用于采集不同行为运动对应的电活动并对各电活动进行编码，进而确定出相应的光刺激参数；所述光照装置用于接受相应的光刺激参数，对脊髓节段实施相应光刺激，以实现肢体的功能运动；所述光照装置包括激光器、光照机构以及用以将所述激光器发出的光传导至光照机构的光纤束，用以包绕脊髓的光照机构设于脊髓腔内，所述光照机构具有植入脊髓相应部位的光纤，所述光纤接收光纤束传导过来的光。

本助行系统具有细胞调节的特异性，因此易于在复杂神经组成的CPG中，对控制特定肌肉活动的特定类型和特定状态的神经元进行精确的调控，因而可广泛应用于在临床功能修复中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光照装置的结构示意图(位于脊髓腔内)；

图2是本发明实施例提供的光照装置的结构示意图(包绕脊髓)；

图3是本发明实施例提供的光照装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的光照机构的结构示意图；

图5是本发明实施例中的信号采集和编码装置的工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一个可能的脊髓损伤后行走功能修复的治疗靶点是中枢模式发生器(Centralpatterngenerator，CPG)。CPG的提出始于1911年，Brown认为在脊髓中存在一种神经网络，可以在无感觉输入和无大脑支配的情况下产生有节律的步行运动模式，这个神经网络即为CPG。CPG的定义是精致的神经网络，可以产生运动活动；并包含以适当的次序和强度激活不同运动神经元产生运动模式所需要的信息。大量的实验已经证实了CPG的存在。比如，分离的脊髓组织可以产生一种步行运动，其形式和动力学特征与正常脊髓组织在电刺激诱导下产生的步行运动相同。基础和临床研究已经证实，在脊髓损伤的动物以及患者中，电刺激或是NMDA等神经递质可以激活CPG，诱发出步行运动。如药物兴奋脊髓腰段CPG中的兴奋性神经元，可诱发下肢产生节律性的运动(KiehnO.AnnuRevNeurosci.2006)。药物阻断CPG中的抑制性神经递质可引起下肢屈、伸肌同步运动(HinckleyC,et.al.Neuroscience.2005)。另外利用转基因小鼠，发现脊髓特定部位的抑制性神经元参与左右肢体的协调运动(Lanuzaetal,Neuron.20040)，而另外一些部位的抑制性神经元掌控运动的节律(JenniferM.JNeurosci.2010)。最近利用光感基因技术，蓝光激活转染ChR2的腰膨大处的CPG的谷氨酸能神经元，可诱发出移动(locomotion)(M,et.al.NatNeurosci.2010)。因此，CPG是脊髓损伤后修复的一个十分具有前景的治疗靶点，人们希望通过调控CPG的活动，使其按照一定的次序和强度输出信号，在毫秒的水平内激活和协调肌肉，从而产生步行运动。

有鉴于此，本发明实施例提供一种助行人工假肢系统，用以帮助脊髓损伤和瘫痪病人实现自主行走或是康复训练。该助行系统包括含有重组慢病毒载体的药用载体、定位装置、注射装置、信号采集和编码装置以及光照装置，所述重组慢病毒载体携带有由细胞特异启动子调控的编码光敏感离子通道蛋白基因，所述定位装置用于确定脊髓节段的位置，所述注射装置用于将所述含有重组慢病毒载体的药用载体注射至目标脊髓节段内；所述信号采集和编码装置用于采集不同行为运动对应的电活动并对各电活动进行编码，进而确定出相应的光刺激参数；所述光照装置用于接受相应的光刺激参数，对脊髓节段实施相应光刺激，以实现肢体的功能运动。通常，先由定位装置确定脊髓节段(即目标脊髓节段)的位置，接着由所述注射装置将含有重组慢病毒载体的药用载体注射至目标脊髓节段内，然后安装所述光照装置；再由所述信号采集和编码装置采集不同行为运动对应的电活动并对各电活动进行编码，并确定出相应的光袭击参数；最后由所述光照装置接受相应的光刺激参数，对脊髓节段实施相应光刺激，从而实现肢体的功能运动。

其中，所述重组慢病毒载体携带有由细胞特异启动子调控的编码光敏感基因或其功能片段。编码光敏感基因(即编码光敏感离子通道蛋白基因)可以是兴奋型通道蛋白基因(Channelrhodopsin-2，ChR2)或者是与ChR2具有相同功能的基因(如ChR2-310、Chop2或者Chop2-310)；亦可以是抑制型的通道蛋白基因NpHR等。编码光敏感基因或其功能片段的多核苷酸序列可操作地连接一个荧光蛋白，以进行ChR2或NpHR的定位。荧光蛋白可以是绿色荧光蛋白(GreenFluorescentProtein，GFP)或黄色荧光蛋白(YellowFluorescentProtein，YFP)等。

重组慢病毒载体克服了逆转录病毒只能感染分裂期细胞的特点，可感染分裂期和非分裂细胞、目的基因整合至靶细胞基因组长期表达、感染效率高。对重组慢病毒载体进行了基因工程改造，使慢病毒的生活周期的复制能力失活。在病毒DNA不整合至宿主细胞染色体的情况下实现慢病毒表达，由此减小了插入诱变的风险。经过改建后的重组慢病毒载体可以容纳约l0kb左右的外源基因，可以兼容多个转录启动子。重组慢病毒载体可以是人体免疫缺损病毒、乳多空病毒、腺病毒、牛痘病毒、腺相关病毒、疱疹病毒或者逆转录病毒等。

此处携带有编码ChR2的重组慢病毒载体可置于药用载体中。药用载体包括水性溶剂、非水性溶剂、悬液及乳剂。水性溶剂可以是水、乙醇等。非水性溶剂可以是丙二醇、聚乙二醇、油酸乙酯等。

上述定位装置用于确定脊髓节段。定位装置可以是放射性核素计算机断层扫描装置、磁共振成像装置、电极装置、偶极子定位装置、磁共振波谱扫描装置、单光子发射计算机体层扫描装置、正电子发射体层扫描装置或脑磁图装置等。因为各种方法均有不同方面的局限性，优选的使用综合定位的方法。此处将脊髓固定于立体定位仪上，常规消毒、麻醉。采用立体定位注射装置将重组慢病毒载体注射到相应的脊髓节段内(CPG)，从而使编码光敏感基因导入到脊髓内的神经元中表达。

本发明实施例中所述光照装置包括光照机构1，光纤束2及激光器3。如图1～4所示，在此由环状光照机构1固定在脊髓腔4内，用以包绕脊髓5。在光照机构1中，可根据患者或动物的功能丧失的具体情况，在脊髓5相应部位植入光纤6，其中，图2、3示意性地画出了2根光纤6，图4示意性地画出了3根光纤6。光纤6可为单光纤，亦可为光纤阵列。所述光纤6由光纤束2导出接入激光器3。所述激光器3植入体内，接受远程控制，可由病人手控或由大脑即机接口调控完成，操作简单、方便。

通常，所述信号采集和编码装置用于采集不同行为运动对应的电活动并对各电活动进行编码，进而确定出相应的光刺激参数。具体地，由所述光照装置产生的光刺激脊髓的不同部位的表达光感基因的神经元，由所述信号采集和编码装置记录肌电的输出信号和行为学表现，明确CPG神经回路的结构功能特征与行为学输出的关系。由计算机分析电活动的类别码。定义光刺激器的N种刺激方案，同时定义N类不同的电活动，以及它们之间的对应关系，由定义好的对应关系得出对应的光刺激器的功能选择码，及对应配置方案中的一组刺激参数。

其中，所述信号采集和编码装置包括用于检测人体不同运动行为时产生的肌肉电信号的表面肌电检测电极、用于检测人体不同运动行为时产生的大脑神经元放电的神经元检测电极、多通道信号采集模块和信号分析编码模块，如图5所示。具体地，所述多通道信号采集模块包括多通道信号放大滤波器和A/D转换器，所述多通道信号放大滤波器将相应电极检测到的多导联肌电信号和神经元信号进行放大和滤波处理；A/D转换器将经过放大滤波处理的模拟电信号转换为数字信号并传入计算机系统。信号的分析编码在计算机内由所述信号分析编码模块进行，首先对信号进行数字滤波，去除趋势分量，得到较平滑的信号；接着特征抽取，对每个通道的肌电信号分别提取平均绝对值、过零率、波长和符号改变率等时域特征，对每通道神经元信号提取复杂度和信息熵特征；然后将所有特征联合在一起得到特征矩阵；最后利用基于Fisher判据的模式判别算法对联合特征矩阵进行分类编码。应当说明的是，所述表面肌电检测电极为市售差分电极，神经元检测电极为市售针电极。

综上，由于本助行系统具有细胞调节的特异性，因此易于在复杂神经组成的CPG中，对控制特定肌肉活动的特定类型和特定状态的神经元进行精确的调控，因而可广泛应用于在临床功能修复中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种助行系统，其特征在于，所述系统包括含有重组慢病毒载体的药用载体、定位装置、注射装置、信号采集和编码装置以及光照装置，所述重组慢病毒载体携带有由细胞特异启动子调控的编码光敏感离子通道蛋白基因，所述定位装置用于确定脊髓节段的位置，所述注射装置用于将所述含有重组慢病毒载体的药用载体注射至目标脊髓节段内；所述信号采集和编码装置用于采集不同行为运动对应的电活动并对各电活动进行编码，进而确定出相应的光刺激参数；所述光照装置用于接受相应的光刺激参数，对脊髓节段实施相应光刺激，以实现肢体的功能运动；所述光照装置包括激光器、光照机构以及用以将所述激光器发出的光传导至光照机构的光纤束，用以包绕脊髓的光照机构设于脊髓腔内，所述光照机构具有植入脊髓相应部位的光纤，所述光纤接收光纤束传导过来的光。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤为单光纤或光纤阵列。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集和编码装置包括用于检测人体不同运动行为时产生的肌肉电信号的表面肌电检测电极、用于检测人体不同运动行为时产生的大脑神经元放电的神经元检测电极、多通道信号采集模块和信号分析编码模块。

4.如权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述编码光敏感离子通道蛋白基因为兴奋型通道蛋白基因、与所述兴奋型通道蛋白基因具有相同功能的基因或者抑制型的通道蛋白基因。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述重组慢病毒载体为人体免疫缺损病毒、乳多空病毒、腺病毒、牛痘病毒、腺相关病毒、疱疹病毒或者逆转录病毒。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述定位装置为放射性核素计算机断层扫描装置、磁共振成像装置、电极装置、偶极子定位装置、磁共振波谱扫描装置、单光子发射计算机体层扫描装置、正电子发射体层扫描装置和脑磁图装置中的一种或多种。