CN104984475A - 基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的表面电刺激系统，包括依次连接的肌电信号采集模块、肌电信号预处理模块、信号分析与控制模块、肌电刺激器模块和刺激电极模块，所述肌电信号采集模块包括由正电极片和负电极片组成的记录电极，以及参考电极。本发明通过贴在前臂肌肉皮肤表面处的电极片实时监测肌肉的电信号，经信号分析与控制模块对所采集的肌电信号进行运算分析，检测肌电信号的频率特征值。一旦超出预设的具有帕金森静息性震颤的频率特征值，系统便驱动肌电刺激器模块及时给予患者电刺激治疗，达到抑制上肢震颤的目的。本发明是便携式可穿戴设备，可实现康复治疗过程的自动化与智能化，操作简单、易于控制、安全可靠。

Description

基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，公开了一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，并首次阐述了该系统的原理和设计方案。

背景技术

帕金森病(简称PD)又称震颤麻痹，是最常见的神经退行性疾病之一，老年人多见。其临床表现主要有运动障碍、肌肉强直、静息性震颤、姿势以及步态异常等。帕金森病人的静息性震颤是由于上肢多对拮抗肌的交替收缩运动所产生的，震颤频率一般在3-9Hz之间，震颤信号源位于大脑皮层的神经元活动网络。

目前对帕金森病的主要治疗方式是药物治疗和外科手术。在疾病的早期，药物可以很好地改善症状，但局限在于必须长期服用，一旦停止治疗，病情则会反复，并且在长期服用以后，药物的有效时间将会逐渐缩短，药物的副作用也使得药物治疗的方法受到了极大的限制。外科治疗主要是对脑内特定核团靶点进行刺激或者损毁，对于高龄患者来说往往会伴有并发症。

研究表明，从大脑皮层产生的单倍和双倍震颤频率的信号共同作用引起了帕金森病人的静息性震颤，位于C3-C4的脊髓固有神经元在将大脑皮层震颤信号传导至外围肌肉的通路中起到了重要的作用，这些固有神经元网络将大脑皮层产生的单倍和双倍频率的命令信号进行进一步加工后，产生了伸肌和屈肌的交替性运动，从而产生静息性震颤。仿真结果表明，单倍和双倍频率的信号在经过脊髓固有神经元(简称PN)加工后产生的在前臂肌肉的震颤与帕金森病人的实际静息性震颤相似，而不经过神经元网络加工的信号在前臂肌肉处不能形成与帕金森病人实际震颤情况相似的震颤。此外，对桡神经通过处进行电刺激，可以通过传入神经抑制PN的活性，从而使得由大脑皮层产生的震颤信号不能被PN所加工，也就抑制了静息性震颤的发生。

发明内容

为了实时、有效的抑制帕金森病人的静息性震颤，本发明提供了一种便携式医疗设备，即基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统。本发明实时获取病人的表面肌电信号，分析运算后如果认为病人处于静息性震颤状态，则会对桡神经通过处输出电刺激治疗方案，通过该传入神经抑制PN活性，从而抑制震颤。本发明的目的是提供一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，实时获取病人的表面肌电信号，做出运算分析后利用肌电刺激器输出治疗方案。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

本发明公开的一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：包括依次连接的肌电信号采集模块、肌电信号预处理模块、信号分析与控制模块、肌电刺激器模块和刺激电极模块。

进一步地，所述肌电信号预处理模块包括滤波电路、放大电路和模数转换器，所述滤波电路的一端与所述肌电信号采集模块相连，所述滤波电路的另一端经所述放大电路与所述模数转换器的一端相连，所述模数转换器的另一端与所述信号分析与控制模块相连。

进一步地，所述滤波电路由高通滤波器和低通滤波器组成，所述放大电路具有高共模抑制比，所述模数转换器将放大后的模拟信号转化为数字信号并输出给所述信号分析与控制模块。

进一步地，所述信号分析与控制模块包括信号处理单元、特征值单元、控制单元、显示单元和手动调整单元，所述特征值单元分别连接所述信号处理单元、所述控制单元、所述显示单元和所述手动调整单元。其中所述信号处理单元的另一端与所述肌电信号预处理模块相连，具体的是与所述模数转换器的另一端相连；所述控制单元的另一端与所述肌电刺激器模块相连。

进一步地，所述信号处理单元对所输入的数字信号进行浮点运算，得出特征值与所述特征值单元中的帕金森静息性震颤的特征的特征值相比较，根据比较结果所述控制单元控制所述肌电刺激器模块输出电刺激治疗方案，所述显示单元显示计算所得的特征值以及治疗方案，所述手动调整单元为用户提供修改参数及治疗方案的途径。

进一步地，所述肌电刺激器模块为单通道专用输出电路，接收所述控制单元提供的控制信号，转化为电刺激信号传递给所述刺激电极模块，实现实时的电刺激输出治疗方案。

进一步地，所述肌电信号采集模块包括由正电极片和负电极片组成的记录电极，以及参考电极，其中所述记录电极和所述参考电极均与所述肌电信号预处理模块相连。

本发明将提供一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统的应用方法，其特征在于：使用时，将所述的正负记录电极片平行于肌纤维的排列方向，贴于人体前臂表面与震颤相关的肌肉肌腹处，所述参考电极贴于人体的距离上肢较远且震颤时不会产生电位变化的皮肤上；所述刺激电极贴于手背桡神经经过处。具体的是刺激电极贴于手背桡神经经过处，尽量避开肌肉。记录电极与刺激电极均为表面电极片，是无创伤器件。

本发明的核心理念是基于皮肤反射对脊髓运动通路中的脊髓固有神经元(简称PN)具有强烈抑制作用的原理，通过贴在前臂肌肉皮肤表面的电极片实时监测肌肉的发放信号，信号分析与控制模块对所采集的肌电信号进行运算分析，一旦检测到肌电信号的特征值超出预设的具有帕金森静息性震颤的特征的特征值，通过所述信号分析与控制模块驱动肌电刺激器模块及时给予病人电刺激治疗方案。

本发明的技术特征补充及有益效果：

1、本发明为便携式可穿戴的一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，实时性强，对肌电信号进行实时的无创采集、特征值提取，与预设的特征值进行比较，根据不同的比较结果，控制所述肌电刺激器模块输出不同的治疗方案，从而实现治疗的自动化与智能化。

2、本发明设计为按键式人机交互方式，可预设固定的治疗方案以及自由编程模式。输出的治疗方案电流值将在所述显示单元上显示，医生或病人自己可以根据实际情况按键式调整电流大小，控制精度高、灵活性好。同时所述显示单元带有液晶显示屏，所述液晶显示屏上将显示预设的特征值参数以及所采集到的实时肌电信号分析而得到的特征值参数，使病人对自己的静息性震颤程度有一种直观的认识。

3、本发明的所述信号分析与控制模块将治疗方案以及刺激电流显示在所述液晶显示屏上，若因病人操作失误导致刺激电流过大，可通过所述刺激电极模块切断所述肌电刺激器模块输出的刺激电流，并发出警报，自动关机，从而提高了安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明在人体上的应用示意图。

图2是本发明的结构方框图。

图3是本发明使用时的记录电极和参考电极的位置示意图。

图4是本发明的肌电信号预处理模块的结构示意图。

图5是本发明的信号分析与控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，为本发明在人体上的应用示意图。本发明的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统1包括记录电极2和刺激电极4。记录电极2贴于前臂的肌肉10的肌腹表面，肌肉10可以是腕伸肌或腕屈肌，记录电极2实时记录肌肉10因为静息性震颤而产生的肌电信号3。刺激电极模块4贴于手背的桡神经11经过处，且应尽量避开手背肌肉，将基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统1发出的电刺激脉冲5传递给桡神经11。通过对桡神经11进行电刺激而抑制脊髓固有神经元(简称PN)7的活性，从而抑制PN7对中枢震颤信号6的加工处理以及传递给α运动神经元(简称αMN)8的通路，从而抑制了传给肌肉10的震颤信号9，最终抑制了病人的静息性震颤。

如图2所示，本发明的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统1，由肌电信号采集模块12、肌电信号预处理模块13、信号分析与控制模块14、肌电刺激器模块15以及刺激电极模块16组成。帕金森病人由其中枢神经系统17产生的震颤信号经脊髓固有神经元网络(简称PN)7整合加工后使得其肌肉10收缩，异常放电导致震颤，从而产生了静息性震颤。肌电信号采集模块12实时从帕金森病人的上肢骨骼肌肌腹处采集表面肌电信号；肌电信号预处理模块13将采集到的肌电信号进行滤波、放大、AD转换等预处理后输入到信号分析与控制模块14；信号分析与控制模块14对输入的信号进行分析计算并提取特征值，根据特征值的不同情况选取不同的治疗方案，并在数码管中显示所取信号的特征值以及治疗方案，以供用户参考，用户可以根据实际情况按键式调整刺激参数；肌电刺激器模块15为单通道电刺激器，可以实现实时的电刺激输出治疗方案，根据信号分析与控制模块14给予的不同控制信号，对病人输出不同的治疗方案；刺激电极模块16贴于病人桡神经11等感觉神经上，并尽量避免贴于肌肉处。桡神经11受到电刺激后，将反馈并抑制PN7的兴奋性，从而抑制了病人的静息性震颤，达到治疗的效果。

如图3所示，记录电极2由正极电极片21和负极电极片22组成，应贴在肌肉10(最好为骨骼肌的肌腹)上方的皮肤上，方向平行于肌纤维的走向，参考电极18贴于人体与上肢较远的皮肤上。

如图4所示，肌电信号预处理模块13由滤波电路24、放大电路25、模数转换器26组成，滤波电路24由高通滤波器、低通滤波器组成，放大电路25具有高共模抑制比，模数转换器26将放大后的模拟信号转化为数字信号并输出给信号分析与控制模块。

如图5所示，信号分析与控制模块由信号处理单元27、特征值单元28、控制单元29、显示单元31、手动调整单元30组成，信号处理单元27对所输入的数字信号进行浮点运算，得出特征值，控制单元29控制肌电刺激器模块输出电刺激治疗方案，显示单元31显示计算所得的特征值以及治疗方案，手动调整单元30为用户提供修改参数及治疗方案的途径。

本发明的使用方法为：将记录电极2顺着肌纤维的走向贴于病人上肢震颤肌肉10的肌腹上，将刺激电极模块4贴于病人上肢的感觉神经区域，比如桡神经11，打开开关，利用记录电极2采集震颤肌肉的肌电信号13，分析运算后，自动控制肌电刺激器模块15输出合适的治疗方案，病人可根据液晶屏上显示的特征值参数以及治疗方案，以实际情况通过简单按键对治疗方案进行调整，达到最佳的治疗效果。

本发明体积小，为便携式可穿戴的康复设备，利用病人异常的表面肌电信号驱动电刺激器输出治疗方案，实现了康复治疗过程的自动化与智能化，同时本发明操作简单，易于控制，无需受过专业训练的人员操作，安全可靠。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：包括依次连接的肌电信号采集模块、肌电信号预处理模块、信号分析与控制模块、肌电刺激器模块和刺激电极模块。

2.如权利要求1所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述肌电信号预处理模块包括滤波电路、放大电路和模数转换器，所述滤波电路的一端与所述肌电信号采集模块相连，所述滤波电路的另一端经所述放大电路与所述模数转换器的一端相连，所述模数转换器的另一端与所述信号分析与控制模块相连。

3.如权利要求2所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述滤波电路由高通滤波器和低通滤波器组成，所述放大电路具有高共模抑制比，所述模数转换器将放大后的模拟信号转化为数字信号并输出给所述信号分析与控制模块。

4.如权利要求1所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述信号分析与控制模块包括信号处理单元、特征值单元、控制单元、显示单元和手动调整单元，所述特征值单元分别连接所述信号处理单元、所述控制单元、所述显示单元和所述手动调整单元，其中所述信号处理单元的另一端与所述肌电信号预处理模块相连，所述控制单元的另一端与所述肌电刺激器模块相连。

5.如权利要求2所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述信号分析与控制模块包括信号处理单元、特征值单元、控制单元、显示单元和手动调整单元，所述特征值单元分别连接所述信号处理单元、所述控制单元、所述显示单元和所述手动调整单元，其中所述信号处理单元的另一端与所述模数转换器的另一端相连，所述控制单元的另一端与所述肌电刺激器模块相连。

6.如权利要求4所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述信号处理单元对所输入的数字信号进行浮点运算，得出特征值与所述特征值单元中的帕金森静息性震颤的特征的特征值相比较，根据比较结果所述控制单元控制所述肌电刺激器模块输出电刺激治疗方案，所述显示单元显示计算所得的特征值以及治疗方案，所述手动调整单元为用户提供修改参数及治疗方案的途径。

7.如权利要求1所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述肌电刺激器模块为单通道专用输出电路，接收所述控制单元提供的控制信号，转化为电刺激信号传递给所述刺激电极模块，实现实时的电刺激输出治疗方案。

8.如权利要求1～7任一项所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统，其特征在于：所述肌电信号采集模块包括由正电极片和负电极片组成的记录电极，以及参考电极，其中所述记录电极和所述参考电极均与所述肌电信号预处理模块相连。

9.如权利要求8所述的基于皮肤反射原理的抑制帕金森静息性震颤的电刺激系统的应用方法，其特征在于：使用时，将所述的正负记录电极片平行于肌纤维的排列方向，贴于人体前臂表面与震颤相关的肌肉肌腹处，所述参考电极贴于人体的距离上肢较远且震颤时不会产生电位变化的皮肤上；所述刺激电极贴于手背桡神经经过处。