CN104353184A - 肌电反馈式刺激仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用电刺激对肌肉麻痹进行康复治疗的肌电反馈式刺激仪，包括：用于施加刺激信号的刺激信号模块；用于检测肌电信号的肌电信号采集模块；用于释放刺激信号产生的残余电荷的电荷释放模块；控制器，用于接收肌电信号采集模块中的肌电信号，并反馈到刺激信号模块，来调节刺激强度；以及用于提供电源的电源模块。本发明的肌电反馈式刺激仪能消除刺激信号对肌电信号采集的干扰，增强仪器可靠性。

Description

肌电反馈式刺激仪

技术领域

本发明涉及一种肌电反馈式刺激仪，属于医疗器械领域。

背景技术

人体支配肢体做各种动作，是基于脑组织发出控制信号，该信号通过脊柱和周边神经及神经肌接头的传递，最终引起相应肌肉的收缩和舒张。脊髓损伤导致感觉和自主神经通路部分和完全的破坏。由于肌肉功能依赖于神经支配，很快导致肌肉大小和组成的不利变化。

随着技术的发展，人们开始慢慢对利用电刺激对脊髓患者的肌肉麻痹进行康复治疗来保持肌群的形态、大小和力量产生极大的兴趣。功能性电刺激，是指利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设计好的方法来刺激神经或者肌肉，诱发肌肉产生动作来模拟正常的自主运动，从而达到改善或恢复被刺激肌群部分或全部运动功能的目的。

基于肌电信号作为生物反馈的功能性电刺激仪器，采集患者自身肌电信号通过一定方法处理后，作为判定调节下一次刺激强度的参数。表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，健康成年人的表面肌电信号只有几毫伏，甚至更小。而对于一些脊髓损伤和偏瘫患者的皮肤表面肌电是非常弱的且极易受到外界的干扰。

施加电刺激信号于患者肌群时，刺激信号是电子信号，通过电极和皮肤组织组成的界面转换为离子信号，在人体内传导，诱发肌肉动作电位。但是，刺激信号将会在刺激电极上堆积一部分的刺激残余电荷，刺激残余电荷通过电极片转换为离子电信号在人体组织上传导。当该离子电信号通过人体组织传导到肌电采集电极上后又将转换成电子信号，会在肌电采集电极上引起差分电动势误被肌电信号采集器采集。因此，在肌电采集电极上的残余差分电荷会严重干扰肌电信号的采集，从而影响刺激强度的调节。如果刺激强度过小，会导致训练达不到效果；如果刺激强度过大，会使患者肌群因承载过大的刺激而导致损伤。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能消除残余差分电荷对肌电信号采集的干扰，增强仪器可靠性的肌电反馈式刺激仪。

本发明为了实现上述目的，采用了以下结构：

本发明提供一种肌电反馈式刺激仪，，检测待检测肌群的肌电信号，并将肌电信号反馈到刺激强度，来调节下一次刺激信号强度，其特征在于，包括：用于施加刺激信号的刺激信号模块；用于检测肌电信号的肌电信号采集模块；用于释放刺激信号产生的残余电荷的电荷释放模块；控制器，用于接收肌电信号采集模块中的肌电信号，并反馈到刺激信号模块，来调节刺激强度；以及用于提供电源的电源模块。

其中，刺激信号模块具有设置在待刺激肌群皮肤表面的刺激电极组，肌电信号采集模块具有设置在待检测肌群皮肤表面的肌电采集电极组。

电荷释放模块具有第一电荷释放器和第二电荷释放器，第一电荷释放器与刺激电极组相连接，用于释放刺激电极组上的刺激残余电荷。第二电荷释放器与肌电采集电极组相连接，用于释放肌电采集电极组上的残余差分电荷。

另外，在本发明的肌电反馈式刺激仪中，还可以具有这样的特征：其中，刺激电极组中包括第一刺激电极和第二刺激电极，第一电荷释放器为第一刺激电极和第二刺激电极之间提供低阻抗通路。低阻抗通路上设置高速开关，高速开关闭合时，刺激电极组上的刺激残余电荷通过低阻抗通路被释放。

另外，在本发明的肌电反馈式刺激仪中，还可以具有这样的特征：其中，肌电采集电极组包括工作电极、对电极和参考电极，第二电荷释放器为工作电极和参考电极之间、以及对电极和参考电极之间提供低阻抗通路，来释放肌电采集电极组的残余差分电荷。

低阻抗通路上设置高速开关，高速开关闭合时，肌电采集电极组上的刺激残余电荷通过低阻抗通路被释放。

另外，在本发明的肌电反馈式刺激仪中，还可以具有这样的特征：动作采集模块，动作采集模块具有动作采集器，动作采集器安放于待刺激肌群肢体表面，用于检测待刺激肌群在刺激信号作用下的动作量，动作量与肌电信号共同反馈调节刺激强度。

另外，在本发明的肌电反馈式刺激仪中，还可以具有这样的特征：温度采集模块，温度采集模块具有温度采集器，温度采集器紧贴于待刺激肌群皮肤表面，用于检测待刺激肌群皮肤表面的温度变化量。

发明作用与效果

根据本发明的肌电反馈式刺激仪，由于具有电荷释放模块，电荷释放模块包括第一电荷释放器和第二电荷释放器，第一电荷释放器能够释放刺激电极组上的刺激残余电荷，第二电荷释放器能够释放肌电采集电极组上的残余差分电荷，因此刺激相位结束后，肌电采集电极组上没有残余差分电荷，刺激电极组上的刺激残余电荷也不会继续转化成残余差分电荷，使得肌电采集电极组采集肌电信号时不会受残余差分电荷干扰，从而不会影响刺激强度的调节，增强了仪器的可靠性。

附图说明

图1是本发明的肌电反馈式刺激仪的结构示意图；

图2是本发明的刺激电极组和肌电采集电极组贴放方式示意图；

图3是本发明的肌电信号采集器、电荷释放器以及肌电采集电极组在实施例中的连接方式的示意图；

图4是本发明的刺激信号发生器、电荷释放器以及刺激电极组在实施例中的连接方式的示意图；

图5是本发明的电荷释放器的工作原理示意图；以及

图6是本发明的动作采集器和温度采集器在实施例中的安放位置示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的肌电反馈式刺激仪做详细阐述。

图1是本发明的肌电反馈式刺激仪的结构示意图。

如图1所示，肌电反馈式刺激仪包括刺激信号模块118、肌电信号采集模块117、电荷释放模块109、动作采集模块、温度采集模块、控制器102、以及供电模块101。

刺激信号模块118包括刺激信号发生器108和刺激电极组104。肌电信号采集模块117包括肌电信号采集器107和肌电采集电极组103。动作采集模块具体为动作采集器105、温度采集模块具体为温度采集器106。供电模块101用于为整个肌电反馈式刺激仪提供电源。

肌电采集电极组103用于提取肌电信号，包括工作电极、对电极和参考电极各一片。肌电信号采集器107与控制器102连接，并且和肌电采集电极组103相连，用于放大肌电信号、滤除干扰信号和工频噪声，并将肌电信号抬升到控制器102的模数转换器转换范围。控制器102可对肌电信号采集器107的放大增益、滤波参数进行调节，使得肌电反馈式刺激仪面向不同的使用者时更具灵活性。

刺激电极组104用于施加刺激信号，包括两片刺激电极片。刺激信号发生器108与控制器102连接，并且和刺激电极组104相连，通过控制器102控制调节，用于产生可变刺激周期、脉宽、占空比和刺激电流的刺激脉冲信号。周期、脉宽、占空比、电流强度共同组成刺激强度。刺激脉宽和电流强度越大刺激强度越大，而周期越大刺激强度越小，其中脉宽除以周期是占空比。因此，刺激信号发生器108能够调节刺激强度。

电荷释放模块109与肌电采集电极组103和刺激电极组104相连接。电荷释放模块109包括第一电荷释放器和第二电荷释放器。第一电荷释放器与刺激电极组104相连接，能够提供低阻抗通道释放刺激电极组上的刺激残余电荷。第二电荷释放器与肌电采集电极组103相连接，能够提供低阻抗通道释放肌电采集电极组上的残余差分电荷。

第一电荷释放器和第二电荷释放器均与供电模块101连接，为有源器件，供电模块101能为电荷释放器109供电。当然，本实施例中的第一电荷释放器和第二电荷释放器还可以为无源器件，或者是有源器件和无源器件的组合。

动作采集器105与控制器102连接。电极组和动作采集器是根据刺激肌群对映关系安放的。动作采集器安放在刺激电极组所刺激的肌群的皮肤表面，采集相映肌群的动作量，用于检测被刺激肌群的收缩动作量，再通过控制器102采样将被刺激肌群的收缩动作量反馈到刺激强度上。

温度采集器106与控制器102连接，紧贴于刺激电极组104中各电极片旁边的皮肤表面安放，用于检测皮肤表面温度的变化量；通过控制器102采样将刺激电极片所覆盖的皮肤表面温度的变化量反馈到刺激强度上，避免因过度刺激引起皮肤灼伤。

图2是本发明的刺激电极组和肌电采集电极组贴放方式示意图。

如图2所示，刺激电极组包括第一刺激电极204和第二刺激电极205。第一刺激电极204和第二刺激电极205都贴在待刺激肌群皮肤表面。这两个电极都是与人体组织接触的界面，由导电膏、人体汗液或者组织液组成的电极。第一刺激电极204为正极，第二刺激电极205为负极，并且接地。

肌电采集电极组包括工作电极201、参考电极202和对电极203。工作电极201、参考电极202和对电极203都贴在待检测肌群皮肤表面。这三个电极也是与人体组织接触的界面，由导电膏、人体汗液或者组织液组成的电极。

工作电极201和对电极203贴放时尽量以参考电极202为中心对称。参考电极202的作用是在测量过程中提供一个稳定的电极电位，消除或降低来自交流市电共模电压的干扰。

待检测肌群和待刺激肌群根据实际需要确定，既可以相距很近，例如位于同一手臂上；也可以相距较远，例如待检测肌群位于大腿，待刺激肌群位于小腿。

图3是本发明的刺激信号发生器、电荷释放器、以及刺激电极组在实施例中的连接方式的示意图。

如图3所示，刺激电极组中的第一刺激电极204和第二刺激电极205均引出两根导线，两根导线的另一端均为金属端子。第一刺激电极204和第二刺激电极205均具有一个金属端子与刺激信号发生器108相连接。刺激电极组104是把刺激信号发生器108产生的刺激信号由电子导电的传导电流变换为离子导电的电流，通过传导作用于待刺激肌群组织。

第一电荷释放器1091具有两个端子，分别定义为A端子和B端子。A端子和B端子之间串联着低阻抗通路，低阻抗通路上设置有高速开关。第一刺激电极204的另一个金属端子与A端子相连接。第二刺激电极205的一个金属端子与B端子相连接。因此，第一电荷释放器1091为第一刺激电极204和第二刺激电极205之间提供了一个低阻抗通路。

图4是本发明的肌电信号采集器、电荷释放器、以及肌电采集电极组在实施例中的连接方式的示意图。

如图4所示，肌电采集电极组中的工作电极201、对电极203和参考电极202均引出两根导线，两根导线的另一端均为金属端子。工作电极201、对电极203和参考电极202均具有一个金属端子与肌电信号采集器107相连接。肌电采集电极组103能够把人体的离子导电的位移电流变换为电子导电的传导电流，并传导肌电采集电极组的检测输入电路中。

第二电荷释放器1092上具有三个端子，分别定义为1号端子、2号端子和3号端子。2号端子位于1号端子和3号端子中间。参考电极202的另一个金属端子与2号端子相连接。工作电极201的另一个金属端子与3号端子相连接。对电极203的另一个金属端子与1号端子相连接。

1号端子和2号端子之间串联着低阻抗通路，低阻抗通路上设置有高速开关。因此，第二电荷释放器1092为参考电极202和对电极203之间提供了一个低阻抗通路。

2号端子和3号端子之间也串联着低阻抗通路，低阻抗通路上设置有高速开关。因此，第二电荷释放器1092为参考电极202和工作电极201之间提供了一个低阻抗通路。

图5是本发明的电荷释放器的工作原理示意图。

如图5所示，电荷释放器109包括第一电荷释放器1091和第二电荷释放器1092。

第一电荷释放器1091为第一刺激电极204和第二刺激电极205之间提供了低阻抗通路602，低阻抗通路602上设置高速开关601。

一个刺激周期分为刺激相位、电荷释放相位和采集相位。当刺激相位结束后，控制器102将会闭合高速开关601，使得低阻抗通道602与人体组织并联，人体组织可以等效地看成图5中的人体阻抗。由于低阻抗通道602的阻抗比人体阻抗小的多，因此第一刺激电极204的上的残余电荷会通过低阻抗通路602达到负极，并在负极接地处被释放，而不会通过人体阻抗进入人体组织。由于残余电荷不会进入人体组织，也就不会通过人体组织传导到肌电采集电极上后，引起差分电动势。也就是说，刺激电极组104上的刺激残余电荷会通过低阻抗通路602被释放。

第二电荷释放器1092能够为工作电极201与参考电极202之间、对电极203与参考电极202之间提供两路低阻抗通道602，低阻抗通路602上设置高速开关601。

当刺激相位结束后，控制器102将会闭合高速开关601，使得低阻抗通道602与人体组织并联，人体组织可以等效地看成图5中的人体阻抗。由于低阻抗通道602的阻抗比人体阻抗小的多，因此工作电极201和对电极202的上的残余差分电荷会通过低阻抗通路602达到参考电极，并在参考电极接地处被释放，而不会通过人体阻抗进入人体组织。也就是说，肌电采集电极组103上的残余差分电荷会通过低阻抗通路602被释放。

由于残余差分电荷通过低阻抗通路602，在参考电极接地处被释放，从而不会被肌电采集信号器107采集，干扰正常肌电信号采集。同时残余差分电荷也不会进入体组织，转化成离子电流后再次累积在工作电极201和对电极203上，继续影响肌电采集信号器107采集。

当刺激相位结束后，控制器102将会闭合高速开关601，使得低阻抗通道602与人体组织并联。由于低阻抗通道602的阻抗非常小，使得工作电极201和对电极203上的残余差分电荷被释放。

由于电荷释放器的工作时间只有几十毫秒，甚至更快。因此低阻抗通路602中的需要设置高速开关601，使得电荷释放器工作时极快的将低阻抗通路601接入，将电荷被快速释放。如果开关601的响应速度慢的话，会使得电荷释放有滞留，影响电荷释放的速度甚至使得电荷不能及时给释放干净。电荷释放完毕后，高速开关601断开，低阻抗通路601不接入电极组，直到下次需要释放电荷时才再次闭合高速开关601。

低阻抗通路602为光耦器件，光耦器件里包括并列设置的一个发光管和一个光敏管。发光管与控制器102连接，光敏管的两端分别与需要放电的两个电极连接。控制器102控制发光管发光时，光敏管因受光照而导通，而且导通后的光敏管在接入低阻抗通路中呈阻抗很低的状态，使得残余电荷经低阻抗通路释放掉。

而当控制器102控制发光管不发光时，光敏管不导通，阻抗接近为无穷大，相当于高速开关601的断开状态。

当然，本实施例的低阻抗通路602还可以由其他元器件或者元器件的组合构成，只需要满足具有高速开关功能和阻抗很低的需要。

图6是本发明的动作采集器和温度采集器在实施例中的安放位置示意图。

如图6所示，动作采集器105为安放在待刺激肢体肌群皮肤表面的加速度传感器。肌肉受到电刺激后引起肌肉颤动，加速度传感器随之运动，从而感知检测到肌肉运动的加速度。此时采集到的加速度就为受刺激肌肉引起肢体运动的加速度，定义为动作量。根据动作量的检测，能得知每一次刺激后相对初始能力的衰减，可以用来评价患者被训练部分肌肉的实时疲劳度。

在治疗过程中，动作采集器105会实时采集动作信息量，并将动作量通过控制器102分析处理后反馈于刺激信号发生器108。当实时动作量过高时，表明受刺激运动反映程度有明显的增幅，将会减弱刺激强度，这样避免出现电刺激过强肌肉受刺激过渡导致损伤。再当实时动作量过低时，表明刺激强度不够，将会加强刺激强度。

温度采集器106安放在待刺激肌群皮肤表面，并紧贴皮肤。温度采集器106能够采集待刺激皮肤表面温度变化量。温度采集器106所采集到的动作信息量，通过控制器102采集、分析处理后反馈于刺激信号发生器108，来判定患者接受训练治疗的程度。

由于电刺激会引起热效应，过强的或过久的刺激对人体组织就会有伤害。所以需要检测温度来反映皮肤表面有没有明显的升温，可能引起灼伤。因此，需要设置一个安全的进行电刺激的温度范围，如果温度过高，达到该温度范围的上限值，会暂时的停止释放电刺激。仪器会继续检测温度，当温度回降到该温度范围的下限值时，会恢复电刺激。

温度范围的上限值和下限值的确定受环境气温、不同人体部位的影响较大。一般情况下，在环境温度为23℃时，在人体表层最外层的皮肤，如上肢皮肤采集温度时，进行电刺激的温度范围为32℃至36℃，胸前区皮肤进行电刺激的温度范围为30℃至35℃，脐区部位进行电刺激的温度范围为30℃至35℃，小腿前区进行电刺激的温度范围为30℃至34℃。当然根据不同的环境温度和个体的温度差异，上述温度范围还可以按实际需求进行调整。

使用过程

肌电反馈式刺激仪安装和连接好后，在电刺激治疗前，由医护操作人员根据经验、观察和患者感受的反馈，而找到初始刺激强度。向待刺激肌群施加初始刺激强度后，在待检测肌群处检测到初始肌电信号强度，并通过动作采集器105检测到初始动作量，通过106温度采集器采集106采集当前待刺激皮肤的表面温度，用来标记皮肤表面温度初始值。

接着，按预先判定好的初始刺激强度施加电刺激信号于待刺激肌群。刺激相位结束后，停止施加电刺激信号，进入电荷释放相位。控制器102将控制第一电荷释放器1091和第二电荷释放器1092闭合，使得刺激电极组104上的刺激残余电荷和肌电采集电极组103上的残余差分电荷，通过低阻抗通道601被释放掉。

电荷释放相位结束后，进入肌电采集相位。开关601断开，第一电荷释放器1091和第二电荷释放器1092不导通。肌电采集电极组103采集待检测肌群的肌电信号，传导至肌电信号采集器107，然后通过控制器102来分析处理所采集到的肌电信号，并反馈到刺激信号发生器108。

同时，动作采集器105会检测待刺激肌群在当前刺激信号的作用下的动作量，并通过控制器102来分析处理所采集到的动作量，并反馈到刺激信号发生器108。

刺激信号发生器108会根据反馈来的肌电信号和动作量两个参数，在当前刺激强度的基础上进行调节，得到下一次的刺激信号的强度，从而实现动作量和肌电信号共同调节刺激强度。

以初始刺激强度作为一个单位刺激强度，以初始肌电信号强度作为一个单位肌电信号强度，以初始动作量作为一个单位动作量。检测到的动作量增加0.2个单位，刺激强度减弱2个单位；检测到的动作量减弱0.2个单位，刺激强度增强2个单位；检测到动作量变化量为其他值时，刺激强度按比例变化。

检测到的肌电信号强度增加0.1个单位，刺激强度将会相对初始刺激强度减弱1个单位；检测到的肌电信号强度减弱0.1个单位，刺激强度将会相对初始刺激强度增加1个单位；检测到肌电信号强度变化量为其他值时，下一次刺激强度按比例变化。

根据上述定量关系，动作量和肌电信号可以共同作用于接下来的刺激信号，产生叠加效果，从而共同确定刺激强度。

当然，在本实施例中，肌电信号和动作量两个参数还可以根据实际需要，调整定量关系，改变叠加作用的比例，来共同调节刺激强度。

肌电采集相位完成后，本次刺激周期结束。接着，进入下一次刺激周期，肌电反馈式刺激仪中的各个模块将重复执行以上过程。温度采集器106会一直检测待刺激肌群皮肤表面的温度变化量，如果温度达到前述温度范围的上限值时，控制器102会控制暂时停止释放电刺激信号。当温度回降到下限值时，会恢复电刺激。

实施例作用与效果

根据本实施例所涉及的肌电反馈式刺激仪，由于具有电荷释放模块，电荷释放模块包括第一电荷释放器和第二电荷释放器，第一电荷释放器能够释放刺激电极组上的刺激残余电荷，第二电荷释放器能够释放肌电采集电极组上的残余差分电荷，因此刺激相位结束后，肌电采集电极组上没有残余差分电荷，刺激电极组上的刺激残余电荷也不会继续转化成残余差分电荷，使得肌电采集电极组采集肌电信号时不会受残余差分电荷干扰，从而不会影响刺激强度的调节，增强了仪器的可靠性。

另外，由于具有动作采集器，能够检测待刺激肌群在刺激信号的作用下的动作量，且能与肌电信号一起反馈到刺激信号发生器，从而共同调节刺激强度，因此本实施例的肌电反馈式刺激仪，相对现有技术的肌电信号单独反馈，能够综合每一次刺激后相对初始动作能力的衰减，适应患者的肌肉疲劳状况，增强了仪器的智能化程度。

另外，由于具有温度采集器，能够检测待刺激肌群皮肤表面的温度变化量，避免因过度刺激导致皮肤温度过高，引起皮肤灼伤，增强了仪器的安全性。

当然，本发明涉及的肌电反馈式刺激仪并不仅仅限定于以上实施例中的描述。

Claims (5)

1.一种肌电反馈式刺激仪，向待刺激肌群施加刺激信号，检测待检测肌群的肌电信号，并将肌电信号反馈到当期刺激强度，来调节下一次刺激信号强度，其特征在于，包括：

用于施加刺激信号的刺激信号模块；

用于检测肌电信号的肌电信号采集模块；

用于释放所述刺激信号产生的残余电荷的电荷释放模块；

控制器，用于接收所述肌电信号采集模块中的肌电信号，并反馈到刺激信号模块，来调节刺激强度；以及

用于提供电源的电源模块；

其中，所述刺激信号模块具有设置在待刺激肌群皮肤表面的刺激电极组，所述肌电信号采集模块具有设置在待检测肌群皮肤表面的肌电采集电极组，

所述电荷释放模块具有第一电荷释放器和第二电荷释放器，所述第一电荷释放器与所述刺激电极组相连接，用于释放所述刺激电极组上的刺激残余电荷，

所述第二电荷释放器与所述肌电采集电极组相连接，用于释放所述肌电采集电极组上的残余差分电荷。

2.根据权利要求1所述的肌电反馈式刺激仪，其特征在于：

其中，所述刺激电极组中包括第一刺激电极和第二刺激电极，所述第一电荷释放器为第一刺激电极和第二刺激电极之间提供低阻抗通路，

所述低阻抗通路上设置高速开关，所述高速开关闭合时，所述刺激电极组上的刺激残余电荷通过所述低阻抗通路被释放。

3.根据权利要求1所述的肌电反馈式刺激仪，其特征在于：

其中，所述肌电采集电极组包括工作电极、对电极和参考电极，所述第二电荷释放器为工作电极和参考电极之间、以及对电极和参考电极之间提供低阻抗通路，来释放所述肌电采集电极组的残余差分电荷。

所述低阻抗通路上设置高速开关，所述高速开关闭合时，所述肌电采集电极组上的刺激残余电荷通过所述低阻抗通路被释放。

4.根据权利要求1所述的肌电反馈式刺激仪，其特征在于，还包括：

动作采集模块，所述动作采集模块具有动作采集器，所述动作采集器安放于待刺激肌群肢体表面，用于检测待刺激肌群在刺激信号作用下的动作量信息，所述动作量信息与所述肌电信号共同反馈调节刺激强度。

5.根据权利要求1所述的肌电反馈式刺激仪，其特征在于，还包括：

温度采集模块，所述温度采集模块具有温度采集器，所述温度采集器紧贴于待刺激肌群皮肤表面，用于检测待刺激肌群皮肤表面的温度变化量。