CN107530539A - 包括用于使电极对短路并接地的装置的用于功能性电刺激和肌电图测量的设备、以及相关联的经皮电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于功能性电刺激并用于肌电图测量的设备，所述设备包括：‑至少一个有源电极对(6，7)，旨在被放置在使用者的皮肤上；‑至少一个刺激模块(2)，能够生成电脉冲；‑至少一个测量模块(3)，能够接收电脉冲；‑监测和处理单元(1)，电链接至所述刺激模块和所述测量模块，所述监测和处理单元能够监测由所述刺激模块所生成的所述电脉冲并且能够处理由所述测量模块所接收的所述电脉冲；以及‑切换站(5)，电链接至所述刺激模块和所述测量模块、所述监测和处理模块以及所述有源电极对，所述切换站能够将所述有源电极对在必须使用所述有源电极对来刺激所述使用者的肌肉的情况下电连接至所述刺激模块，或者在必须使用所述有源电极对来测量所述肌肉的反应的情况下电连接至所述测量模块，所述切换站能够使所述有源电极对短暂地短路并接地，从而去除处于所述有源电极的电平的任何残余电压。
Description
技术领域
本发明的领域是用于训练肌肉运动机能和上下肢的关节活动的功能性电刺激(FES)，具体用于运动后复原或神经运动残疾，比如像截瘫、四肢瘫痪或偏瘫。
现有技术
神经肌肉电刺激(NMES)是一种使用电流来激活对肌肉进行神经支配的神经末端并引起其收缩的众所周知的技术。它一般用来使能中央神经系统损伤后瘫痪的肌肉收缩，比如可能导致截瘫的骨髓损伤，或可能引起偏瘫或导致其他神经运动困难的大脑(脑血管意外(CVA)或中风)损伤。它在运动领域中还用来训练肌肉以及肌肉在紧张之后的恢复。
应该在两种类型的神经肌肉电刺激之间加以基本区分：
第一种最常用的刺激类型(被称为“常规”刺激)，其中，纯粹地并简单地对肌肉施加各已编程刺激参数而绝对没有因此引起来自肌肉活动的反馈。这导致肌肉的等长收缩，肌肉收缩但不变短，因此不产生关节移动。
所讨论的刺激中的大部分仅提供几个输出通道，通常从两个到四个通道，换言之从两个到四个电极对。
在最先进的刺激器当中，可以提及(美国专利4,919,139)和(美国专利5,285,781刺激器。
第二种刺激(功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES))被专门设计用于产生动态肌肉收缩，这生成了肢体关节运动。在此，应该注意的是，术语“功能性(functional)”被频繁地滥用，因为它很多时候被不正确地应用于如上文所定义的已经使用“全有全无(all-or-nothing)”远程控制接触而在某种程度上被增强的“常规”刺激。
实际上，标记为FES设备的第一设备被设计用于通过在行走过程中刺激外部膝后窝坐骨神经来防止前脚落下，尤其在偏瘫的情况下。在这种情况下，位于对侧鞋子脚跟末端的开关将激活使用者所携带的刺激器。
事实上，术语FES应该被保留用于具有实时闭环反馈的多通道电刺激，所述多通道电刺激被设计用于生成并监测肢体的所有生理关节运动。举例而言，已经生产了被设计用于训练下肢的这种类型的设备(专利EP 1 387 712 B1和美国专利7,381,192B2)。
肌电图学(EMG)是一种使得可以记录在肌肉的自愿收缩过程中肌肉所发射的电势的众所周知的医学技术。这可以使用两种类型的EMG(即表面EMG和侵袭型EMG)来实现。
表面EMG提供接近相对靠近表面的所有肌肉的途径。在较小收缩的过程中，观察到来自以较小频率脉动的运动单元的电势。在较大收缩的过程中，观察到时间和空间重振现象。这对应于对较大数量的运动单元的激活。
紧张程度越高，则这些运动单元越以更高的频率脉动。最终，EMG的幅度与肌肉所传递的收缩力成比例。
使用EMG来控制电肌肉刺激是众所周知的并且已经被采用了近40年(Hansen,G.v.O.：1979年斯堪地纳维亚(Scand)康复医学杂志(J.Rehab.Med.)11:189-193中，EMG-controlled functional electrical stimulation of the paretic hand(对局部麻痹手的EMG控制的功能性电刺激))。同时，提供EMG控制的神经肌肉刺激的设备以名称AutomoveAM 706在市场上销售，其当前版本是Automove AM 800。另一种类似的设备目前以名称Stiwell med4在市场上销售。
使用EMG来控制对给定肌肉的电刺激的所有已知设备需要将五个不同且特定的电极放置在所述肌肉上，所述电极中的两个用于电刺激，并且三个电极用于EMG，即至少三个电极的组合(即用于刺激并且用于EMG测量的两个有源电极以及一个接地的参考电极)。
这种类型的设备中所使用的电极必须在电极的整个表面下方在人的皮肤上方传递均匀电力分布(即，电极的每单位面积恒定的电流密度)，从而保证正确的耦合。由于人体的自然曲线，电极必须明显地是柔性的，以便不仅与电极下方皮肤的轮廓完美地粘合，而且还适应此人皮肤的相对移动。
众所周知的是，电极向人的轮廓的不充分挠曲和适形可能会导致此人的皮肤变得疼痛。由于电极与皮肤之间的不均匀接触造成的电气“热区”可能会导致皮疹或烧灼感。在刺激神经和/或肌肉的过程中应用电信号几分钟之后人就已经可以感觉到烧灼感，而皮疹一般在应用更长时间段之后发生。
如果电极的整个表面都是导电的，电极的边缘的整个长度会经受电“波峰效果(crest effect)”，这会导致感觉边缘挖入感或刺痛感。如果电极边界的边缘并非全部导电并且相反是绝缘的，就避免了这种效果。
大部分柔性经皮电极与允许电极与患者的皮肤完美粘合的柔性且导电粘合物相组合。这种粘合物一般是高度导电的水凝胶。
当这种电极被用于神经肌肉电刺激时，最佳信号由电流源采用具有二相恒定电流的矩形脉冲的形式传递。
所述电流跨2200ohms的负载两端可以被连续地从0调整至100mA。这种普遍接受的负载确定了刺激器的最大输出电压，在本实例中为220V。
当这种电极被用来记录生物信号(并且具体地肌电图)时，高电极导电性和较低的电极阻抗具有特殊的重要性。的确，众所周知的是，为了在最佳条件下进行肌电图测量，放置在皮肤上的测量电极对的电路理想地需要在1kΩ-5kΩ范围内但最多在5kΩ-10kΩ范围内的阻抗，超过所述范围，测量的质量负面地受影响。
另外，在皮肤处收集的EMG信号从几微伏扩展至2到3毫伏，在运动员的情况下指数地达5毫伏。
电极的使用条件因此取决于它们的用途而非常不同，并且当使用同一电极进行神经和/或肌肉刺激两者并记录生物信号(具体为肌电图)时，电极的机械特性和电特性是极其重要的。
因此，明显的是，所使用的电极的机械特性和电特性构成了对于用于刺激神经和/或肌肉的系统并且对于用于测量生物信号(具体为肌电图)的系统而言具有基本且固有的重要性的要素。
可商购的电极的技术特征受大量专利的保护。在所有被授予的专利当中，可以通过举例引用以下各项：美国专利5,038,796，标题为LECTRICAL STIMULATION ELECTRODEWITH IMPEDANCE COMPENSATION(具有阻抗补偿的电刺激电极)；美国专利5,904,712，标题为CURRENT CONTROLLING ELECTRODE(电流控制型电极)；美国专利4,736,752，此美国专利涉及使用导电油墨通过所定义区域来控制跨电极两端的电流密度；美国专利7,695,430，标题为REVERSE CURRENT CONTROLLING ELECTRODE WITH OVERSIZE BACKING(具有过大衬里的逆向电流控制电极)。
通常，自粘合经皮表面电极被设计成单次使用、或者从一次治疗期和/或测量到下一次进行重复使用的电极。然而，这些电极的使用寿命受限于其机械特性的逐渐退化，例如其粘合性的退化、以及尤其是由于其导电性的下降及其阻抗的提高而导致的电气特性的退化。因而，在应用一定次数之后，电极不再满足其在给定系统中应用所要求的机械和电气需求。然后它们不再可用并且必须被扔掉。
这些自粘合医疗电极还必须具体出于卫生学原因被保留以应用于单个患者。
最后，由于电极的机械特性和电特性的根本重要性以及在电极的整个使用寿命中维持这些特性的重要性，将证明能够标识且明确地认证针对给定应用所选择的最合适的电极以及能够在电极本身内记录与其相关的数据是特别且真正有用的，可以使用与电极电链接的设备来在线处理所述数据。
在美国专利申请2014/0235991 A1或在美国专利6,146,335 A中提出了对这个问题的一种解决方案。所述方案在于将包含认证数据的芯片集成在包括刺激电极对和测量电极对的电极系统中。然而，这种方案不允许电极被独立于其他电极而单独地被认证。因此，这种方案指示了：电极被成组地并以预定的非可更改安排应用于患者身体。
因此，本发明的第一个目标是提供一种可以在用于功能性电刺激和肌电图测量的设备中使用的经皮表面电极，所述电极经皮表面可以被单独地标识并且可以在其中记录认证数据。
而且，由于在用于功能性电刺激和肌电图测量的当前设备中使用了许多不同的电极，管理所有的刺激和测量操作变得特别复杂。
为了方便其管理，现有技术中设想了使用单个电极来既刺激肌肉又测量肌肉对所述刺激的反应。因而，在专利申请EP 1 095 670 A1中，描述了一种神经肌肉电刺激器，其中，刺激电极结合了：传感器(比如加速度计或麦克风)，从而测量由电极所生成的电脉冲引起的肌肉反应；以及用于接收和分析传感器测量结果的装置。然而，这种方案具有实施起来相对复杂的缺点。而且，由于传感器不与肌肉直接接触，此传感器所进行的测量可能未准确到足以允许恰当地分析肌肉的反应。专利申请WO 02/13673 A2中所描述的另一种已知刺激设备提出了使用单个电极既对将电脉冲发送至肌肉又测量源自肌肉的电压，通过开关将每个电极潜在地切换至这些功能中的一种或另一种。然而，由于在发送了电脉冲序列之后存在处于电极的电平的残余电压，这种设备不允许进行对由肌肉所生成的电压的精确测量。这种残余电压(其可能高达近10伏特)事实上严重地扰乱了电极所进行的后续测量(其大约为几毫伏)。
因此，本发明的第二个目标是提出一种用于使用同一经皮表面电极对来进行功能性电刺激和肌电图测量的设备，以便执行刺激和测量并允许前述问题得到解决。
发明内容
为此目的，根据本发明，提出了一种用于进行功能性电刺激和肌电图测量的设备，所述设备包括：
-至少一个有源电极对，旨在被放置在使用者的皮肤上；
-至少一个刺激模块，能够生成电脉冲；
-至少一个测量模块，能够接收电脉冲；
-控制和处理单元，电链接至所述刺激模块和所述测量模块，所述控制和处理单元能够控制由所述刺激模块所生成的所述电脉冲并且能够处理由所述测量模块所接收的所述电脉冲；
-切换站，电链接至所述刺激模块和所述测量模块、所述控制和处理单元以及所述有源电极对，所述切换站能够将所述有源电极对在所述有源电极对用来刺激所述使用者的肌肉时与所述刺激模块电连接或者在所述有源电极对用来测量所述肌肉的反应时与所述测量模块电连接，所述切换站所执行的切换操作由所述控制和处理单元控制，
其特征在于以下事实：所述切换站能够使所述有源电极对短暂地短路并接地，从而去除处于所述有源电极的电平的任何残余电压。
本发明还涉及一种可以在用于功能性电刺激和肌电图测量的设备中使用的经皮表面电极，其特征在于以下事实：所述经皮表面电极结合了电子微芯片，所述微芯片包含与所述电极有关的标识和认证数据。
在从属权利要求2至16和18至20中定义了本发明的其他有利配置。
附图说明
仔细阅读本发明的具体实施例并参照附图，将更好地理解本发明的其他优点和特征，在附图中：
-图1示出了根据本发明的设备的框图；
-图2是与图1类似的视图，其中详细示出了在所述设备中所使用的切换站的功能部件；
-图3是根据本发明的经皮表面电极的横截面；
-图4是图3中所示电极的仰视图。
具体实施方式
参照图1，通过示例性实施例示出了下文所描述的根据本发明的设备的框图，微型计算机1是整个多通道系统的中央编程、数据处理和控制单元。此微型计算机通过例如RS232或RS485串行链路与下文所述的各模块或单元连接，每个模块和单元通过其特定地址被识别和标识。
微型计算机1与至少一个电神经肌肉刺激模块2连接。受微计算机控制的此神经肌肉刺激模块包含至少一个电流源，所述电流源的输出通道是浮动式的，即，所述通道与所有其他电气电路或电子电路、并且与地电流隔离。
这种电流隔离(浮动式输出)在多通道系统的所述各输出通道之间也是必不可少的，以便防止在有源时所述通道之间的任何体内电气互动。
每个刺激模块2传递具有可以被编程为从50μs到500μs的持续时间的二相恒定电流的脉冲。可编程输出电流跨2200ohms的负载两端可以被连续地从0调整至100mA，此负载被普遍接受用于神经肌肉刺激，由此定义了220V的最大输出电压。
刺激模块2的每个输出通道连接至更进一步描述的切换站5，所述切换站负责管理电极对6和7。
微型计算机1还与至少一个EMG测量模块3连接，其测量输入通道连接至切换站5。每个EMG测量模块包含至少一个差分运算放大器。确切地，在电极对之间的EMG测量仅从几微伏扩展至2到3毫伏，在运动员的情况下指数地达5毫伏。这样，此初始信号在可以被移交给EMG信号处理系统(在目前情况下为微型计算机1)之前必须被放大近1000的放大倍数。
微型计算机1还与管理至少一个电极对6和7的至少一个切换站5连接。将更进一步描述此切换站的详细操作。
微型计算机1还与用于管理和控制电极6和7内所结合的电子标识和认证微芯片的至少一个单元4连接。所述单元(其包含用于通过单线加密数据传输管理和控制所述电子微芯片的装置)连接至切换站5。将更进一步描述此设备的详细操作。
微型计算机1另外地与用于管理和控制EMG系统的参考电极对8和9的单元10连接，所述电极对连接至此系统的地。将更进一步描述所述单元10的详细操作。
参照图2，通过示例性实施例示出了根据本发明的切换站5的功能框图，切换站5包含切换装置17和18以及至少一个电极对6和7。所述切换装置可以有利地是干簧继电器(即，具有柔性叶片的继电器)，所述干簧继电器的触点被封闭在一般包含分子氮的玻璃胶囊内。这种类型的继电器的优点是高度可靠性以及近一千万次开/关循环的长使用寿命，结合当触点处于关闭位置时的可忽略的非常低的接触电阻以及当触点处于开位置时不存在任何泄露电流。当然，在不背离本发明的范围的情况下，可以使用任何其他合适的机械和/或电气和/或电子切换装置。
在休息状态下，切换装置17和18将电极对6和7的导电线14与电神经肌肉刺激模块2连接，由此允许对位于电极对6和7下方的肌肉进行电刺激。
当同一电极对6和7必须用来对同一肌肉进行肌电图测量时，电神经肌肉刺激模块2停止所有的活动。
接下来，在第一种情况下，通过切换元件19和接地线16，电极6和7被同时短路并连接至设备的地，即连接至参考电势，所述参考电势的值一般为0伏特。此动作使得可以避免在二相恒定电流的刺激脉冲序列之后保持在皮肤上所放置的电极的电平上的残余电压(其可能达到高达近10伏特值)的主要缺陷。由于出于产生同一肌肉的肌电图的目的而测量的所述源自同一肌肉的电压仅从几微伏扩展至几毫伏，必须通过上述使所讨论的电极对短路并接地的动作提前去除此残余电压。
为了去除此残余电压，环绕导电线14的用于屏蔽电极6和7的电缆的金属护套16通过切换元件19(其可以是干簧继电器)连接至切换站5的电气电路系统的地。这些屏蔽护套16由多条金属线形成，所述金属线构成用于本发明的设备的等数量的接地线。
已经适时地执行所述使所讨论的电极对短路并接地的短暂动作的情况下，它由于切换元件19返回休息位置而被中断，并且切换装置17和18被激活，从而切换所述电极6和7的导电线14以便将其与EMG测量模块3连接，由此允许通过留在同一位置的同一电极对6和7来测量和记录肌肉的肌电图。
切换站5将电极6和7的微芯片13的单线导电线15与用于管理和控制所述微芯片的单元4连接。包括管理和控制单元4和微芯片13的所述系统构成了主从式系统，其中，主方是单元4并且从方是微芯片13。
在此系统中，标识和认证微芯片13具体包含：只读存储器元件，所述只读存储器元件可以被电气地、或通过其他手段擦除，并且可以被所述使用者编程从而使得可以采用非易失性方式存储应用数据；以及附加存储器保护装置，所述附加存储器保护装置保持受保护的已读取秘密以及所述使用者对所述存储器的参数的调整。
这种主从式系统结合了安全方案，所述安全方案在具有高级物理安全性的多层下保护敏感数据，从而提供可能的最安全数据存储密钥。主方单元4包含结合了提供SHA-256功能的单线主方功能的SHA-256协处理器、以及这种主方系统与SHA-256单线从方(比如像微芯片13)进行加密通信并用于利用后者所需要的存储器。
再次参照图1，示出了连接至此系统的地的、用于管理和控制EMG测量系统的参考电极对8和9的单元10。可靠且准确的肌电图测量的要求是将用于肌电图测量的电子电路连接至地。
在多通道系统中，不需要将每个测量通道连接至地。在未电气参与但也没有离第一EMG测量点太远的身体表面上，每个人一个神经参考电极接地是足够的。背部位置(例如在肾脏下方)可以是合适的表面。
为此目的，使用参考电极对可能会证明是有利的，从而使得更容易测量电极电路的电气阻抗。
这种对电极对的电气阻抗进行的测量非常重要。通常，自粘合经皮表面电极是被设计成从一次治疗期到下一次重复使用的电极。然而，这些电极的使用寿命受限于其机械特性的逐渐退化，例如其粘合性的退化、以及尤其是由于其导电性的下降及其阻抗的提高而导致的电气特性的退化。因而，在应用一定次数之后，电极不再满足其在给定系统中应用所要求的机械和电气需求。然后它们不再可用并且必须被扔掉。
因此，能够测量具体地放置在肌肉上方的皮肤上的电极对的电气电路的阻抗以便保证测量的阻抗保持在所讨论的系统的使用规范内是非常有价值的。
为此目的，用于管理和控制EMG测量系统的参考电极对8和9的单元10包含向放置在皮肤上的电极对传递恒定电流测试信号的电流源。当此电流被应用于电极对时，它根据生物组织/电极介面的物理性质以及电流在电极之间流动所经过的生物组织的物理性质来诱发电压。可以测量此电压，并且因而可以根据欧姆定律来测量阻抗值：Z＝V/I。
上述内容适用于所有的有源电极对6和7。包含传递二相恒定电流的脉冲(具有可以被编程为从50到500μs的持续时间，旨在用于神经肌肉刺激)的电流源的每个电神经肌肉刺激模块2还可以向放置在给定肌肉上的电极对传递恒定电流测试信号并由此允许采用与针对电极对8和9描述的测量完全相同的方式来测量所述电极对6和7的阻抗。
参照图3，通过示例性实施例示出了结合了电子微芯片13的经皮表面电极20，所述电极一般由至少一个导电柔性元件11组成，所述导电柔性元件用于在其整个表面上均匀地分布电流并且其下部面一般涂敷有导电自粘合水凝胶。
使导电线14的包含在电极电缆21内的一端与柔性元件11的上部面相接触。
柔性印刷电路元件12被放置成其绝缘面在导电柔性元件11上，同时其印刷上部面设置有两个分开的接触表面。使这些表面之一与导电线15的包含在电极电缆21内的一端相接触，同时使第二表面与电极电缆21的屏蔽护套16的末端接触。
具有接地的单线电子微芯片13被放置在柔性印刷电路元件12上，使得其有源触点与连接至导电线15的第一表面相接触并且其接地触点与连接至电极电缆21的屏蔽护套16的第二表面相接触。
非导电绝缘柔性元件22完全地覆盖其可以使用任何合适的粘合剂附接至的导电柔性元件11的上部面。此非导电柔性元件还覆盖并紧密地封装微芯片13及其连接元件12、以及导电线14的与导电柔性元件11和电极电缆21的插入部相接触的末端。
此非导电绝缘柔性元件22还防止了与电极的和微芯片的导电元件11和连接元件的任何不想要的接触。
电极电缆21包含两条导电线，线14链接至电极的导电柔性元件11并且线15通过元件12链接至微芯片13，此电缆还包含柔性金属屏蔽护套16。当电极用于肌电图测量时此屏蔽护套是至关重要的，并且它还用于通过元件12使微芯片13接地时。
的确，当电极电缆连接至切换站5时，屏蔽护套16连接至整个设备的公共地。
参照图4，示出了旨在应用于人的皮肤的电极20的下部面，其中，其导电柔性元件11用于在其整个表面上均匀地分布电流并且其下部面一般涂敷有导电自粘合水凝胶。通常，完全覆盖导电柔性元件11的上部面的非导电绝缘柔性元件22还在电极的整个周长上继续，从而创建绝缘外围区，所述绝缘外围区防止了沿着导电元件11的边缘的电气“波峰效果”。
通过本发明的示例性实施例，所使用的微芯片可以是美信集成产品公司(MaximIntegrated Products,Inc.)的具有单线SHA-256和4kB用户EEPROM的DS28E25DeepCover安全认证器。
这种微芯片(其尺寸约6mm×6mm×0.9mm厚)可以轻易地结合电极内而不改变其柔性或其运算能力。还具有提供单线方案的优点，单条导电线用于既以3.3V向芯片提供电力又在芯片与主方系统之间进行数据通信。
DS28E25芯片结合了安全方案，所述安全方案在具有高级物理安全性的多层下保护敏感数据，从而提供可能的最安全数据存储密钥。这种DS28E25芯片使用基于FIPS 180-3指定的“安全散列算法(SHA-256)”的装置来组合重度加密的双向安全“挑战响应”功能。
DS28E25芯片具体包含：4kB EEPROM只读存储器元件，所述只读存储器元件可以被电气地擦除，并且可以被所述使用者编程从而使得可以采用非易失性方式存储应用数据；以及附加存储器保护装置，所述附加存储器保护装置保持用于SHA-256操作的受保护的已读取秘密以及所述使用者对所述存储器的参数的调整。
每个DS28E25芯片具有其自身的受保障唯一64位ROM标识号(ROM ID)，所述标识号是工厂编程至芯片内的。这个唯一ROM ID被用作加密操作的必不可少输入参数并且还被用作给定应用的电子序列号。
双向安全模型允许主方系统与集成从方DS28E25之间的双向认证。在主方方向上对从方DS28E25的认证被主方系统用来完全安全地证实所附接或集成的DS28E25芯片是可信的。
在从方DS28E25方向上对主方系统的认证用来保护DS28E25芯片的用户存储器不被不可信的主方更改。
DS28E25芯片所生成的SHA-256消息认证代码(MAC)是根据用户存储器中的数据(即芯片的机密、主方控制器随机挑战、和64位ROM ID)计算的。
DS28E25芯片以过载速度通过单线总线进行通信。通信根据单线协议来进行，其中，在多个DS28E25单线芯片的网络的情况下，ROM ID充当节点地址。
DS2465元件结合了安全方案，所述安全方案在具有高级物理安全性的多层下保护敏感数据，从而提供可能的最安全数据存储密钥。DS2465元件是结合了提供SHA-256功能的单线主方功能的SHA-256协处理器、以及这种主方系统与SHA-256单线从方(比如像DS28E25元件)进行通信并用于利用后者所需要的存储器。另外，DS2465元件在I2C主方与所连接的SHA-256单线从方中的每一个之间进行协议转换。
为了控制单线线路，用户可调整的内部计时器允许主方系统的处理器避免不得不生成时间要求严格的单线波形，从而支持标准和超载单线通信速度两者。控制软件可以使单线线路掉电。
较强的特征允许向如EEPROM等单线设备进行单线功率输送。当未使用DS2465元件时，可以将其置于睡眠模式，在睡眠模式下，其功率消耗是最小的。
下面通过举例来给出对整个系统的使用过程的描述。所有的过程都受微型计算机1(如整个多通道系统的中央编程、数据处理和过程控制单元)的控制。
在治疗期和/或EMG测量开始时，当系统处于伴随刺激模块2通过切换站5连接至其对应的电极6和7的神经肌肉刺激配置时，测量并记录所述有源电极对6和7中的每一对的电气阻抗，包括通过参考电极对8和9的单元10。
一旦实现并确认了这种操作，可以或者直接以对肌肉的功能性电刺激(FES)开始或者提前执行对所述肌肉的EMG测量。在后者的情况下，使所有有源电极对6和7短路并接地的操作必须总是在神经肌肉刺激配置下执行，但其中后者则必须通过切换站5在任何EMG测量之前被去激活，以便去除处于电极6和7的电平的任何残余电压。一旦完成并确认了这个操作，可以通过切换站5将每个电极对6和7与刺激模块2断开连接，以便将其切换并连接至相应的EMG测量模块3。然后进行所述测量。
例如，可以在FES期之前进行EMG测量，并且可以接着所述FES期进行新的EMG测量。
接着刚刚着眼于展示可以有利地实践本发明的方式所给出的描述，应当注意的是，本发明并不限于此实施例。
在不背离如所附权利要求书所定义的本发明范围的情况下，在本领域技术人员的领域中可以设想FES设备结合借助同一单个电极对并将所述电极单一地放置在给定肌肉上的相应肌电图测量的多个变体实施例。
而且，在不背离如所附权利要求书中所定义的本发明范围的情况下，在本领域技术人员的领域中可以设想电极结合了标识和认证微芯片的多个体变体实施例。
Claims (20)
1.一种用于功能性电刺激和肌电图测量的设备，所述设备包括：
-至少一个有源电极对(6，7)，旨在被放置在使用者的皮肤上；
-至少一个刺激模块(2)，能够生成电脉冲；
-至少一个测量模块(3)，能够接收电脉冲；
-控制和处理单元(1)，电链接至所述刺激模块和测量模块(2，3)，所述控制和处理单元(1)能够控制由所述刺激模块(2)所生成的所述电脉冲并且能够处理由所述测量模块(3)所接收的所述电脉冲；
-切换站(5)，电链接至所述刺激模块和测量模块(2，3)、所述控制和处理单元(1)以及所述有源电极对(6，7)，所述切换站(5)能够将所述有源电极对(6，7)在所述有源电极对(6，7)用来刺激所述使用者的肌肉时与所述刺激模块(2)电连接或者在所述有源电极对(6，7)用来测量所述肌肉的反应时与所述测量模块(3)电连接，所述切换站(5)所执行的切换操作由所述控制和处理单元(1)控制，
其特征在于，所述切换站(5)能够使所述有源电极对(6，7)短暂地短路并接地，从而去除处于所述有源电极(6，7)的电平的任何残余电压。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述刺激模块(2)通过浮动式输出通道电连接至所述切换站(5)，即，所述通道与所有其他电气电路或电子电路、并且与地电流隔离。
3.如权利要求1和2中任一项所述的设备，其特征在于，每个有源电极(6，7)通过至少两条线而电链接至所述切换站(5)，分别为导线(14)和接地线(16)。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述切换站(5)包括第一切换装置(17，18)，所述第一切换装置能够将所述有源电极对(6，7)的所述导线(14)与所述刺激模块(2)的输出端连接或与所述测量模块(3)的输入端连接。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述切换站(5)包括第二切换装置(19)，所述第二切换装置能够将所述有源电极对(6，7)的所述接地线(16)与所述设备的地连接。
6.如权利要求4和5中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一和/或第二切换装置(17，18，19)为干簧继电器。
7.如权利要求3至6之一所述的设备，其特征在于，所述接地线(16)形成了用于屏蔽电极电缆(21)的护套的整体部分，所述电缆包括所述导线(14)以及环绕所述导线(14)的所述屏蔽护套。
8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第一管理和控制单元(10)，所述单元电链接至所述控制和处理单元(1)和至少一个参考电极对(8，9)，所述参考电极对旨在被放置在所述使用者的皮肤上在参考位置处并且电链接至所述第一管理和控制单元(10)，所述第一管理和控制单元(10)能够向所述参考电极对(8，9)传递恒定电流并且能够测量所述参考电极对(8，9)的阻抗值。
9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述刺激模块(2)能够向所述有源电极对(6，7)传递恒定电流从而允许测量所述有源电极对(6，7)的阻抗值。
10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，每个有源电极(6，7)结合了电子标识和认证微芯片(13)，所述微芯片通过单线数据传输链路(15)连接至用于管理和控制所述微芯片的单元(4)，所述管理和控制单元(4)能够管理和控制所述微芯片(13)。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述单线数据传输链路(15)是还向所述微芯片(13)传递供电电流的导电线。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，每个有源电极(6，7)包括能够在其整个表面上均匀地传输电流的至少一个导电柔性元件(11)，所述导电元件具有旨在与所述使用者的皮肤接触并优选地涂敷有导电自粘水凝胶的下部面、以及通过所述导线(14)电链接至所述切换站(5)的上部面。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，每个有源电极(6，7)包括柔性印刷电路元件(12)，所述柔性印刷电路元件的电气绝缘的下部面被放置成与所述导电元件(11)相接触，并且所述柔性印刷电路元件的上部面具有至少两个分开的接触表面：通过所述单线链路(15)电链接至所述管理和控制单元(4)的第一接触表面；以及通过接地线(16)链接至所述设备的地的第二接触表面；并且其特征在于，所述微芯片(13)被放置在所述印刷电路元件(12)的上部面上，使得所述微芯片(13)的触点之一与所述第一接触表面相接触并且所述微芯片(13)的另一触点与所述第二接触表面相接触。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述接地线(16)形成了用于屏蔽电极电缆(21)的护套的整体部分，所述电缆包括所述单线链路(15)以及环绕所述单线链路(15)的所述屏蔽护套。
15.如权利要求10至14之一所述的设备，其特征在于，每个微芯片(13)包含：只读存储器元件，所述只读存储器元件可以被电气地、或通过其他手段擦除，并且可以被所述使用者编程从而使得可以采用非易失性方式存储应用数据；以及附加存储器保护装置，所述附加存储器保护装置保持受保护的已读取秘密以及所述使用者对所述存储器的参数的调整，所述数据的双向传输是加密的。
16.如权利要求10至15之一所述的设备，其特征在于，包括所述管理和控制单元(4)以及所述微芯片(13)的系统构成主从式系统，其中，主方是所述单元(4)并且从方是所述微芯片(13)。
17.一种可以在用于功能性电刺激和肌电图测量的设备中使用的经皮表面电极(20)，其特征在于，所述经皮表面电极结合了电子微芯片(13)，所述微芯片包含与所述电极有关的标识和认证数据。
18.如权利要求17所述的电极(20)，其特征在于，所述电极包括能够在其整个表面上均匀地传输电流的至少一个导电柔性元件(11)，所述导电元件(11)具有旨在与使用者的皮肤接触并优选地涂敷有导电自粘水凝胶的下部面、以及与柔性印刷电路元件(12)附接的上部面，所述印刷电路元件的不与所述上部面接触的自由面具有至少一个第一接触表面，数据从所述至少一个第一接触表面经过，所述微芯片(13)定位在所述自由面上使得所述微芯片的触点之一与所述第一接触表面接触。
19.如权利要求17和18中任一项所述的电极(20)，其特征在于，每个微芯片(13)包含：只读存储器元件，所述只读存储器元件可以被电气地、或通过其他手段擦除，并且可以被所述使用者编程从而使得可以采用非易失性方式存储应用数据；以及附加存储器保护装置，所述附加存储器保护装置保持受保护的已读取秘密以及所述使用者对所述存储器的参数的调整，所述数据的双向传输是加密的。
20.一种具有如权利要求18所述的经皮表面电极(20)并且具有电极电缆(21)的组件，其特征在于，所述电缆(21)包括至少两条导电线(14，15)，所述导电线之一(14)与所述电极的所述导电元件(11)的所述上部面接触并且其他导电线(15)与所述电极的所述印刷电路元件(12)的所述自由面接触；并且其特征在于，所述电缆(21)另外地包括环绕所述导电线(14，15)的屏蔽护套(16)，所述屏蔽护套(16)能够将所述导电元件(11)和所述微芯片(13)置于参考电势。
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