CN105311749B - 一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，采用体表探测电极在健康肢体相应位点处采集运动时的体表肌电动作电位信号，经由信号处理电路进行放大和滤波等处理后，利用脉冲幅度调制技术调制到高频载波上，调制后的高频信号施加到一只体外线圈上，产生高频电磁场，耦合到体内植入式电极的线圈上，感生出高频电压，经幅度检波后，形成刺激电压脉冲，施加到与受控神经束相接触的体内电极上，在神经束内激发出动作电位，实现瘫痪肢体的运动。本发明采用体表电极贴敷在健康肢体上获取运动相关肌电信号，具有非侵入的优点，而采用体内植入式电极进行功能电刺激，具有刺激电压低，控制灵敏度高和选择性强的优点。

Description

一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置

技术领域

本发明属于传统医学、康复医学和电子科学的交叉领域，涉及一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置。

背景技术

近十年以来，发明人研究与神经信号再生和功能重建的微电子神经桥，形成了通过桥接中断的神经通道来实现肢体神经功能再生的目标。在ZL 200510135541.6的发明专利中，提出了“微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置”，用于受损脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。这种方法的特点是以微电子方法去恢复受损神经束或神经纤维的功能，其缺点是需要手术将微电子系统植入体内，对身体有创伤。

因此，近五年来，发明人进一步将“微电子神经桥”发明专利思想扩展为神经到肌肉与肌肉到肌肉的应用场景，形成了“微电子肌电桥”的瘫痪肢体运动功能重建方法与装置。在专利号为201210342507.6的专利中，公开了一种“基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置”，该装置利用体表电极采集健康肢体的体表肌电动作电位信号，通过放大与处理，将其施加到贴于瘫痪肢体的体表电极，实现瘫痪肢体在健康肢体带动下的协调运动，从而实现瘫痪肢体功能重建的现场效果。该发明解决了“微电子神经桥”方案中神经信号探测电极与相关电路和功能电刺激电路与电极双重有创植入的问题，但存在着体表功能电刺激电压幅度高(数十伏)的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，解决体表功能电刺激电压幅度高的问题。

技术方案：一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，包括体表探测电极、信号处理电路、通信信道、激励信号生成电路以及植入式刺激电极电路；所述体表探测电极用于采集健康肢体运动时相应采集点的体表肌电动作电位信号并发送至信号处理电路；所述信号处理电路用于对所述体表肌电动作电位信号进行处理，得到多路神经或肌电特征信号；所述通信信道用于将所述多路神经或肌电特征信号发送至激励信号生成电路；所述激励信号生成电路用于对所述多路神经或肌电特征信号进行处理，生成与所述体表肌电动作电位信号对应的刺激电压脉冲信号后发送到所述植入式刺激电极电路；

其中，所述激励信号生成电路包括作为电路输出端的第一耦合线圈；所述植入式刺激电极电路包括依次顺序连接的第二耦合线圈、幅度检波电路和一对微电极；所述第一耦合线圈和第二耦合线圈之间为电磁耦合。

进一步的，还包括肌电信号记录与编程重播功能的装置；所述肌电信号记录与编程重播功能的装置包括电位信号输入接口电路、信号存储记录模块、编程重播模块以及编程重播信号输出接口电路；所述电位信号输入接口电路的输入端连接所述体表探测电极，用于接收从健康肢体检测得到的体表肌电动作电位信号，并将所述体表肌电动作电位信号存储在所述信号存储记录模块；

所述编程重播模块能够根据用户设定，从所述信号存储记录模块读取体表肌电动作电位信号，并对所述体表肌电动作电位信号进行编程重播处理后，经所述编程重播信号输出接口电路输出刺激电压脉冲信号；所述编程重播处理包括对所述体表肌电动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理。

进一步的，所述编程重播模块包括依次连接的用户操作接口、控制电路以及信号处理模块；所述用户操作接口用于提供用户进行操作指令和参数的输入；所述控制电路用于根据所述操作指令和参数来控制所述信号处理模块对体表肌电动作电位信号进行所述编程重播处理；

所述信号处理模块包括识别操作指令和参数子模块以及播放并保存文件子模块，还包括分别连接所述识别操作指令和参数子模块的输出端以及播放并保存文件子模块的输入端的调用存储文件子模块、剪辑文件子模块、时域压缩文件子模块、时域扩展文件子模块；其中，所述识别操作指令和参数子模块用于接收所述控制电路发出的操作指令和参数信号，并进行识别处理；所述调用存储文件子模块用于直接调用所述体表肌电动作电位信号后发送至所述播放并保存文件子模块；所述剪辑文件子模块用于调用并对所述体表肌电动作电位信号进行剪辑处理后发送至所述播放并保存文件子模块；所述时域压缩文件子模块用于调用并对所述体表肌电动作电位信号进行时域下参数N倍压缩后发送至所述播放并保存文件子模块；所述时域扩展文件子模块用于调用并对所述体表肌电动作电位信号进行时域下参数M倍扩展后发送至所述播放并保存文件子模块；所述播放并保存文件子模块用于将接收到的信号发送至所述编程重播信号输出接口电路。

进一步的，所述信号处理电路包括依次顺序连接的信号放大电路、滤波电路、信号模式识别和信源判定电路。

进一步的，所述通信信道包括顺序连接的载波调制电路、无线发射电路、无线接收电路和信号解调电路。

进一步的，所述体表探测电极为边长1～3厘米的正方形或半径1～3厘米的圆形探测电极。

进一步的，所述刺激电极电路包括植入式神经电极，植入式神经电极为平行针式或卡肤式。

有益效果：本发明的种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，采用体表探测电极在健康肢体相应位点处采集运动时的体表肌电动作电位信号，经由信号处理电路进行放大和滤波等处理后，利用脉冲幅度调制技术调制到高频载波上，调制后的高频信号施加到一只体外线圈上，产生高频电磁场，耦合到体内植入式电极的线圈上，感生出高频电压，经幅度检波后，形成刺激电压脉冲，施加到与受控神经束相接触的体内电极上，在神经束内激发出动作电位，实现瘫痪肢体的运动。本发明采用体表电极贴敷在健康肢体上获取运动相关肌电信号，具有非侵入的优点，而采用体内植入式电极进行功能电刺激，具有刺激电压低，控制灵敏度高和选择性强的优点。可用于因脑卒中、脊髓损伤和各类伤病造成的瘫痪病人肢体动作调控等场合。

通过在装置中加入肌电信号记录与编程重播功能的装置后，本发明装置适用对象可以是没有健康侧肢体四肢瘫痪患者或在不需要健康肢体现场带动情况下，仍可以使瘫痪肢体完成重复特定功能运动的目的。

附图说明

图1为植入式电刺激肢体运动功能的调控装置的结构示意图；

图2为编程重播模块的结构示意图；

图3为信号处理模块的结构示意图；

图4为信号存储记录模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，包括体表探测电极1、信号处理电路2、通信信道3、激励信号生成电路4、植入式刺激电极电路5以及肌电信号记录与编程重播功能的装置6。体表探测电极1用于采集健康肢体运动时相应采集点的体表肌电动作电位信号并发送至信号处理电路2。信号处理电路2用于对体表肌电动作电位信号进行处理，得到多路神经或肌电特征信号。通信信道3用于将多路神经或肌电特征信号发送至激励信号生成电路4。激励信号生成电路4用于对多路神经或肌电特征信号进行处理，生成与体表肌电动作电位信号对应的刺激电压脉冲信号后发送到所述植入式刺激电极电路5。

本发明装置可以做成穿戴式，其中体表探测电极1为边长1～3厘米的正方形或半径1～3厘米的圆形探测电极。刺激电极电路5包括植入式神经电极，植入式神经电极为平行针式或卡肤式。使用时，首先通过体表探测电极1采集健康肢体运动时相应位置点的体表肌电动作电位信号，采集到的信号发送至信号处理电路2。信号处理电路2包括依次顺序连接的信号放大电路、滤波电路、信号模式识别和信源判定电路。信号处理电路2对体表肌肉动作电位信号进行放大、滤波、模式识别和信源判定处理后，得到可独立或协调控制的多路神经或肌电特征信号。通信信道3包括顺序连接的载波调制电路、无线发射电路、无线接收电路和信号解调电路。载波调制电路用于将信号处理电路2发出的多路神经或肌电特征信号调制到高频载波上，得到高频载波信号。高频载波信号通过发射天线发射出去，位于受控肢体上的无线接收电路接收到高频载波信号后，经信号解调电路解调，还原出神经或肌电特征信号。激励信号生成电路4包括第一耦合线圈；植入式刺激电极电路5包括依次顺序连接的第二耦合线圈、幅度检波电路和一对微电极，幅度检波电路由半导体二极管与电阻电容构成。激励信号生成电路4将还原出的神经或肌电特征信号通过脉冲幅度调制技术调制到高频载波上，生成与体表肌电动作电位信号对应的刺激电压脉冲信号，然后通过第一耦合线圈和第二耦合线圈之间的电磁耦合作用发送至植入式刺激电极电路5的幅度检波电路。幅度检波电路对接收到的信号进行幅度检波后分离出刺激电压脉冲信号，通过刺激电极刺激神经束相应位置，产生动作电位，引起目标肌肉产生收缩，带动肢体产生期望的和谐动作，实现瘫痪肢体的运动。

本装置还包括肌电信号记录与编程重播功能的装置，用于对采集的体表肌电动作电位信号进行记录和编程重播处理，在有健康侧肢体四肢瘫痪患者或在不需要健康肢体现场带动情况下，仍可以使瘫痪肢体完成重复特定功能运动的目的。肌电信号记录与编程重播功能的装置包括电位信号输入接口电路61、信号存储记录模块62、编程重播模块63以及编程重播信号输出接口电路64。电位信号输入接口电路61的输入端连接体表探测电极1，用于接收从健康肢体检测得到的体表肌电动作电位信号，并将体表肌电动作电位信号存储在信号存储记录模块62。编程重播模块63能够根据用户设定，从信号存储记录模块62读取体表肌电动作电位信号，并对体表肌电动作电位信号进行编程重播处理后，经编程重播信号输出接口电路64输出刺激电压脉冲信号。编程重播处理包括对所述体表肌电动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理。输出的刺激电压脉冲信号通过脉冲幅度调制技术调制到高频载波上，然后通过第一耦合线圈和第二耦合线圈之间的电磁耦合作用发送至植入式刺激电极电路5的幅度检波电路。

其中，如图2所示，肌电信号记录与编程重播功能的装置的编程重播模块63包括依次连接的用户操作接口631、控制电路632以及信号处理模块633。用户操作接口631用于提供用户进行操作指令和参数的输入。控制电路632用于根据操作指令和参数来控制所述信号处理模块633对体表肌电动作电位信号进行处理。

如图3所示，信号处理模块633包括识别操作指令和参数子模块6332以及播放并保存文件子模块6337，还包括分别连接所述识别操作指令和参数子模块6332的输出端以及播放并保存文件子模块6337的输入端的调用存储文件子模块6333、剪辑文件子模块6334、时域压缩文件子模块6335、时域扩展文件子模块6336。其中，识别操作指令和参数子模块6332用于接收控制电路632发出的操作指令和参数信号，并进行识别处理。调用存储文件子模块6333用于直接调用体表肌电动作电位信号后发送至所述播放并保存文件子模块6337。剪辑文件子模块6334用于调用并对体表肌电动作电位信号进行剪辑处理后发送至播放并保存文件子模块6337。时域压缩文件子模块6335用于调用并对体表肌电动作电位信号进行时域下参数N倍压缩后发送至播放并保存文件子模块6337。时域扩展文件子模块6336用于调用并对体表肌电动作电位信号进行时域下参数M倍扩展后发送至播放并保存文件子模块6337。播放并保存文件子模块6337用于将接收到的信号发送至编程重播信号输出接口电路64。

本实施例中，信号存储记录模块62如图4所示，包括微处理器和带有文件系统的存储卡。微处理器选取ST半导体公司的型号为STM32F103ZET6但不限于该型号，存储卡选取金士顿公司1GB SD卡但不限于SD卡，存储卡文件系统为FATFS但不限于FATFS。电阻R1、R2、R3、R4和R5分别作为SD卡数据引脚的上拉电阻，负责为其提供上拉电流，保持引脚的电压稳定，防止其易受干扰。

在瘫痪患者没有健康侧肢体时或在不需要健康肢体带动情况下使瘫痪肢体完成特定的重复运动时，医护人员可以先通过体表探测电极1探测到健康肢体的体表肌电动作电位信号，经过信号放大、滤波、识别、提取以及A/D转换之后，将体表肌电动作电位信号以文件的形式通过本装置的神经/肌电动作电位信号输入接口电路61输入，并实时存储到信号存储记录模块62的文件系统中，完成体表肌电动作电位信号记录功能。在进行特定的重复运动时，医护人员可以将通过对操作编程重播模块63中用户操作接口631的设定，读取存储在信号存储记录模块62中的体表肌电动作电位信号后，经过信号处理模块633对源动作电位信号进行剪辑或时域压缩或时域扩展处理后，将新生成的刺激电压脉冲信号通过编程重播信号输出接口电路64按一定频率发送至植入式刺激电极电路5，通过刺激电极刺激神经束相应位置，达到不需要健康肢体现场带动情况下瘫痪肢体在仍可以重复完成特定的动作。

其中，根据瘫痪肢体需要重复完成的动作，对体表肌电动作电位信号进行剪辑、时域压缩或扩展处理。当瘫痪肢体需完成与记录的体表肌电动作电位信号所对应的健康肢体动作相同动作时，医护人员首先通过对用户操作接口31选择“调用”功能，并输入重复动作次数的参数；然后控制电路32将“调用”操作指令和参数输入信号处理模块33，通过对操作指令及参数识别后，调用存储文件子模块333直接调用存储的体表肌电动作电位信号并发送至播放并保存文件子模块337，从而使得瘫痪肢体完成与健康肢体同样的动作。当瘫痪肢体需要重复完成的动作是体表肌电动作电位信号所对应的健康肢体动作中的部分动作时，相应的，首先通过用户操作接口31选择“剪辑”功能，剪辑文件子模块334对读取的体表肌电动作电位信号进行剪辑处理，根据重复动作的需要剪辑获得刺激电压脉冲信号。当瘫痪肢体需要重复完成的动作是与体表肌电动作电位信号所对应的健康肢体动作相同，但动作速度减慢时，首先通过用户操作接口31选择“时域压缩”功能并输入下参数N倍压缩参数，时域压缩文件子模块335对读取的体表肌电动作电位信号进行时域压缩处理后，瘫痪肢体根据处理后的刺激电压脉冲信号进行减慢后的动作训练。当瘫痪肢体需要重复完成的动作是与体表肌电动作电位信号所对应的健康肢体动作相同，但动作速度加快时，首先通过用户操作接口31选择“时域扩展”功能并输入下参数M倍扩展参数，时域扩展文件子模块336对读取的体表肌电动作电位信号进行时域扩展处理后，瘫痪肢体根据处理后的刺激电压脉冲信号进行加速后的动作训练。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，其特征在于：包括体表探测电极（1）、信号处理电路（2）、通信信道（3）、激励信号生成电路（4）以及植入式刺激电极电路（5）；所述体表探测电极（1）用于采集健康肢体运动时相应采集点的体表肌电动作电位信号并发送至信号处理电路（2）；所述信号处理电路（2）包括依次顺序连接的信号放大电路、滤波电路、信号模式识别和信源判定电路；所述信号处理电路（2）用于对所述体表肌电动作电位信号进行处理，得到多路神经或肌电特征信号；所述通信信道（3）用于将所述多路神经或肌电特征信号发送至激励信号生成电路（4）；所述激励信号生成电路（4）用于对所述多路神经或肌电特征信号进行处理，生成与所述体表肌电动作电位信号对应的刺激电压脉冲信号后发送到所述植入式刺激电极电路（5）；

其中，所述激励信号生成电路（4）包括作为电路输出端的第一耦合线圈；所述植入式刺激电极电路（5）包括依次顺序连接的第二耦合线圈、幅度检波电路和一对微电极；所述第一耦合线圈和第二耦合线圈之间为电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，其特征在于：还包括肌电信号记录与编程重播功能的装置（6）；所述肌电信号记录与编程重播功能的装置包括电位信号输入接口电路（61）、信号存储记录模块（62）、编程重播模块（63）以及编程重播信号输出接口电路（64）；所述电位信号输入接口电路（6）的输入端连接所述体表探测电极（1），用于接收从健康肢体检测得到的体表肌电动作电位信号，并将所述体表肌电动作电位信号存储在所述信号存储记录模块（62）；

所述编程重播模块（63）能够根据用户设定，从所述信号存储记录模块（62）读取体表肌电动作电位信号，并对所述体表肌电动作电位信号进行编程重播处理后，经所述编程重播信号输出接口电路（64）输出刺激电压脉冲信号；所述编程重播处理包括对所述体表肌电动作电位信号进行调用、剪辑、时域压缩或时域扩展的处理。

3.根据权利要求2所述的一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，其特征在于：所述编程重播模块（63）包括依次连接的用户操作接口（631）、控制电路（632）以及信号处理模块（633）；所述用户操作接口（631）用于提供用户进行操作指令和参数的输入；所述控制电路（632）用于根据所述操作指令和参数来控制所述信号处理模块（633）对体表肌电动作电位信号进行所述编程重播处理；

所述信号处理模块（633）包括识别操作指令和参数子模块（6332）以及播放并保存文件子模块（6337），还包括分别连接所述识别操作指令和参数子模块（6332）的输出端以及播放并保存文件子模块（6337）的输入端的调用存储文件子模块（6333）、剪辑文件子模块（6334）、时域压缩文件子模块（6335）、时域扩展文件子模块（6336）；其中，所述识别操作指令和参数子模块（6332）用于接收所述控制电路（632）发出的操作指令和参数信号，并进行识别处理；所述调用存储文件子模块（6333）用于直接调用所述体表肌电动作电位信号后发送至所述播放并保存文件子模块（6337）；所述剪辑文件子模块（6334）用于调用并对所述体表肌电动作电位信号进行剪辑处理后发送至所述播放并保存文件子模块（6337）；所述时域压缩文件子模块（6335）用于调用并对所述体表肌电动作电位信号进行时域下参数N倍压缩后发送至所述播放并保存文件子模块（6337）；所述时域扩展文件子模块（6336）用于调用并对所述体表肌电动作电位信号进行时域下参数M倍扩展后发送至所述播放并保存文件子模块（6337）；所述播放并保存文件子模块（6337）用于将接收到的信号发送至所述编程重播信号输出接口电路（64）。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，其特征在于：所述通信信道（3）包括顺序连接的载波调制电路、无线发射电路、无线接收电路和信号解调电路。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，其特征在于：所述体表探测电极（1）为边长1~3厘米的正方形或半径1~3厘米的圆形探测电极。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种植入式电刺激肢体运动功能的调控装置，其特征在于：所述刺激电极电路（5）包括植入式神经电极，植入式神经电极为平行针式或卡肤式。